基于TV DLED安全失效的預(yù)防

蔣吉強(qiáng)，焦春生

（四川長(zhǎng)虹電器股份有限公司多媒體研發(fā)中心海外技術(shù)分部，廣東中山528427）

基于TV DLED安全失效的預(yù)防

蔣吉強(qiáng)，焦春生

（四川長(zhǎng)虹電器股份有限公司多媒體研發(fā)中心海外技術(shù)分部，廣東中山528427）

基于直下式LED背光彩電在市場(chǎng)上逐漸占據(jù)主導(dǎo)位置，論文以經(jīng)典案例闡述了LED設(shè)計(jì)存在的安全失效隱患，同時(shí)提出有效的安全預(yù)防和改進(jìn)措施。希望能有效地幫助電視行業(yè)和LED行業(yè)的設(shè)計(jì)人員提升產(chǎn)品品質(zhì)。

直下式LED；燈條；齊納二極管

【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.11.144

1 引言

隨著直下式LED背光彩電市場(chǎng)份額急劇擴(kuò)大，市場(chǎng)中出現(xiàn)黑屏、光暗品質(zhì)的產(chǎn)品數(shù)量呈遞增趨勢(shì)，有的產(chǎn)品甚至出現(xiàn)印制板碳化現(xiàn)象。為規(guī)避直下式LED背光電視系統(tǒng)的設(shè)計(jì)出現(xiàn)安全隱患，論文綜合考慮LED燈失效機(jī)理和電視整機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，從整機(jī)角度進(jìn)行案例分析，提出一些整機(jī)預(yù)防和檢測(cè)措施。

2 電視背光典型失效

為提高電視燈條的過電應(yīng)力，部分LED本身集成反向的單向齊納二極管器件，或在整個(gè)燈條并聯(lián)一個(gè)反向的單向齊納二極管，以提高靜電特性[1]。單顆燈珠集成發(fā)光LED和齊納二極管的LED燈架構(gòu)如圖1所示。

按齊納二極管工作狀態(tài)分析：正常工作時(shí)，齊納二極管處于反向截止?fàn)顟B(tài)。而發(fā)光LED的PN結(jié)呈現(xiàn)開路狀態(tài)時(shí)，齊納二極管Zener就串聯(lián)在電路支路中。如圖2所示。

LED開路時(shí)，過電應(yīng)力或者電源驅(qū)動(dòng)提供的電壓電流將加載到齊納二極管，一旦能量超出齊納二極管的參數(shù)范圍，PN結(jié)受損，漏電流增大反向內(nèi)阻減小就造成齊納二極管溫度過高，逐漸超過二極管最大耗散功率，導(dǎo)致齊納二極管持續(xù)損傷或雪崩擊穿而內(nèi)阻降低[2]，不可恢復(fù)地呈現(xiàn)為阻抗較低的熱阻后，PN結(jié)結(jié)溫異常可高達(dá)300～400°C。因供電體系依然工作，屏幕表現(xiàn)為暗斑，普通用戶很難發(fā)覺。周期性開關(guān)機(jī)的使用，使齊納二極管周期性地產(chǎn)生熱能，持續(xù)高溫致使齊納二極管周邊基材容易碳化成為潛在引燃源，容易引燃周邊可接觸的低燃點(diǎn)材料，嚴(yán)重時(shí)可能碳化周邊的光學(xué)反射紙。

3 燈條典型失效

某燈條的單顆LED采用集成單反向齊納二極管架構(gòu)進(jìn)行了印制板設(shè)計(jì)，印制板的基材采用玻纖材質(zhì)，產(chǎn)品在市場(chǎng)端有印制板碳化現(xiàn)象，如圖3所示。

仔細(xì)觀察失效品，發(fā)現(xiàn)印制板上的燈珠負(fù)極導(dǎo)電銅箔被

光學(xué)透鏡定位腳掏空，導(dǎo)電銅線直徑只有0.4mm（見圖4），成為熱阻的齊納二極管由于高溫產(chǎn)生熱量，并且無法通過正常的銅線及時(shí)進(jìn)行熱傳導(dǎo)，由此，齊納二極管的負(fù)極焊盤被周期性的高溫逐漸碳化，其正下方緊貼的玻纖基材形成空洞，發(fā)生柯肯達(dá)爾效應(yīng)現(xiàn)象[2]，導(dǎo)致基材持續(xù)嚴(yán)重碳化。

圖1 燈珠內(nèi)部結(jié)構(gòu)

圖2 LED開路失效后電流流向圖

圖3 LED燈珠負(fù)極發(fā)熱碳化

圖4 印制板布線圖

4 整機(jī)安全失效預(yù)防措施

4.1 分析LED內(nèi)部金線的載荷

LED內(nèi)置金線的直徑和額定電流成正比，金線長(zhǎng)度與電流成反比。電源驅(qū)動(dòng)要合理控制電流的浪涌比例，作者對(duì)額定電流是400mA的同批次LED燈抽樣，并定周期進(jìn)行電流加速測(cè)試。確認(rèn)電流為400mA時(shí)，LED的工作參數(shù)和狀態(tài)正常，隨著電流的增加，失效比例越來越高，當(dāng)電流將達(dá)到1.3A時(shí)，失效比例為100%。

因此，整機(jī)電源設(shè)計(jì)必須對(duì)調(diào)光、開關(guān)機(jī)等過程波形進(jìn)行管控，確認(rèn)電源驅(qū)動(dòng)電路的正確性，有沖擊時(shí)，記錄沖擊最大的波形進(jìn)行脈沖寬度和幅度的分析、計(jì)算、整改，確保LED沖擊電流不超過LED器件規(guī)格書要求的最大值。

4.2 嚴(yán)格控制LED的焊腳溫升

LED是恒流驅(qū)動(dòng)器件，溫度可靠的電流才能保證LED處于可靠的工作模式。LED的壽命與結(jié)溫有直接的關(guān)系，結(jié)溫越高，LED的壽命越低，失效率就越高。

4.3 加強(qiáng)驅(qū)動(dòng)保護(hù)

高壓或大電流對(duì)LED的損傷也是致命的。在電源恒流驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)階段，要認(rèn)真研究不同背光方案的失效模式，設(shè)定過功率保護(hù)、過電壓保護(hù)、過電流保護(hù)、欠電壓保護(hù)等保護(hù)方案。另外，Boost恒流電路、LLC諧振驅(qū)動(dòng)電路、反激驅(qū)動(dòng)電路的保護(hù)能力是否能根據(jù)實(shí)際的應(yīng)用環(huán)境起到作用，需要系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員把控設(shè)計(jì)余量，測(cè)試保護(hù)響應(yīng)的及時(shí)性和有效性。

4.4 環(huán)境硫化管控

貼裝LED時(shí)，不能產(chǎn)生有機(jī)揮發(fā)性氣體的黏結(jié)劑。LED工作環(huán)境及與LED適配的材料中，建議硫元素及其化合物成分建議不可超過100×10-6。溴元素含量建議小于900×10-6，氯元素含量要求小于900×10-6，溴元素與氯元素總含量必須小于1500×10-6[3]。

4.5 整機(jī)生產(chǎn)管控

燈條可通過雙面膠粘貼、UK-612型號(hào)等導(dǎo)熱硅膠固化、多重卡位、螺釘緊固等多種方式貼附在金屬或塑料背板上，但是必須驗(yàn)證貼附的良好性。

5 結(jié)語

論文舉例解析了LED設(shè)計(jì)方案安全缺陷造成碳化的案例。對(duì)LED架構(gòu)、電源驅(qū)動(dòng)匹配、溫升控制、可靠性制造等方面提出了建議，分享了檢核措施。希望對(duì)同行設(shè)計(jì)工程師和技術(shù)支持人員有一定的幫助，使電視整機(jī)的品質(zhì)得到進(jìn)一步的提升。

【1】吳艷艷，馮士維，周舟，等.大功率GaN基白光LED熒光層失效機(jī)理研究[J].激光與光電子學(xué)進(jìn)展，2012(10):168-173.

【2】周躍平，郭霞，王海玲，等.GaN基發(fā)光二極管壽命測(cè)試及失效分析[J].半導(dǎo)體光電，2007,28(3):345-348.

【3】李艷菲，張方輝，邱西振，等.GaN基LED電流加速失效機(jī)理分析[J].功能材料，2012，43(24):3452-3455.

Prevention of TV DLED Security Failure

JIANG Ji-qiang，JIAO Chun-sheng
(Overseas Technology Branch of Multimedia R&D Center of Sichuan Changhong Co.Ltd.，Zhongshan 528427，China)

Direct illumination-type LED backlit color TVs are dominating the market gradually.The paper describes safety failure risks in LED design through classic cases,and puts forward some effective safety prevention and improvement measures,hoping to effectively help the designers of TV industry and LED industry to enhance product quality.

direct Illumination-type LED;lighter bar;zener diode

TN 312+.8

A

1007-9467（2016）11-0095-02

2016-10-13

蔣吉強(qiáng)（1973～），男，四川簡(jiǎn)陽人，工程師，從事多媒體技術(shù)研究。