室內LED燈具的電路保護設計

William+Shenberger

摘要：燈具設計需要針對過電流保護設計安全斷開的小尺寸保險絲，本文介紹了室內LED燈具保護電路設計的相關要求及設計人員需要考慮的問題。

關鍵詞：LED；電路保護；保險絲

DOI： 10.3969/j.issn.1005-5517.2017.8.017

引言

最初設計的室內LED燈具，設計人員面臨著各種各樣的技術挑戰(zhàn)。這些瓶頸包括交直流逆變電路的功率轉換、熱功耗考慮/散熱、當前燈泡尺寸的物理空間限制、瞬態(tài)電氣脈沖，這些都是除了驅動LED發(fā)光的基本電路設計之外的技術瓶頸。這些挑戰(zhàn)中最重要的一個是針對LED顆粒以及其上游電路中的所有主被動元件提供瞬態(tài)脈沖保護。這些瞬態(tài)脈沖通常是交流輸入電路中的雷擊感應浪涌。這些浪涌意味著LED燈具需要過流及過壓保護。

1 LED燈具結構

對LED燈具的功能及高亮度的需求增長意味著驅動電路板上的器件越來越多。大功率LED驅動形成高亮度輸出，同時會產生大量的熱功耗，這意味著需要更大的散熱片。因為LED燈具旨在與現有的白熾燈和CFL燈具（如通常用于家用照明的主流A19燈具）在封裝形式上兼容，都包含有一條交流/直流變換的電源驅動電路，因此可以在標準燈具插座上使用（圖1）。由于燈具內的元件和（或者）電路故障引起的短路或過載現象，都可能導致直接連接在交流電源中的任何元器件損壞。此外，雷擊感應浪涌或開關機脈沖（燈具外部產生）產生的尖峰電壓或振鈴波會對燈具內部的元件造成壓力并最終造成元件損壞。

一只LED燈具包括圖2中所示的基本電路模塊，其中從右到左依次為：

多晶片及單晶片LED顆粒采用串聯(lián)連接配置，稱之為LED燈串。多個串聯(lián)LED燈串并聯(lián)并由同一個電源驅動。

具有相應保護電路的LED燈串驅動電路中，包括串聯(lián)在回路中的針對過流保護（OCP）的正溫度系數（ PTC）電阻和并聯(lián)在回路中的用于過壓保護（OVP）的TVS二極管。

DC-DC電源轉換電路中，包括在輸入端上針對下游元件的次級過壓保護的并聯(lián)TVS二極管。

交流整流電路中，包括在輸出端上針對下游元件次級過流保護的串聯(lián)高壓直流保險絲。

EMI濾波元件。

交流輸入電路中，由火線（L）上的串聯(lián)交流保險絲和火線（L） 零線（N）間并聯(lián)的MOV組成。

2 LED燈具的電路保護

交流輸入電路中，交流保險絲是燈具的主要過電流保護器件。如果針對所有必要的設計參數進行正確選擇，當由于感應瞬變和短路/過載所導致的過度電性應力（EOS）產生時，這種保險絲通過將所有電路與交流輸入安全地斷開，充分保護所有下游元件免受損壞。

鑒于與LED燈具設計相關的空間限制，針對交流輸入選擇一個緊湊型的交流保險絲是至關重要的。保險絲的功能是在電流過載情況下可靠且可預測的熔斷來為元件和完整的電路提供保護。換句話說，保險絲是電路中的薄弱環(huán)節(jié)。串聯(lián)在交流線路輸入端的交流保險絲能提供短路和過載保護。如今，交流保險絲具有廣泛的額定電流與額定電壓范圍，可應用于最小的結構中。還有一系列其他的關鍵保險絲參數和可表面貼裝的設計供使用，使設計工程師能夠選擇出滿足所有應用要求的保險絲。

具有足夠的12T額定值的交流保險絲是通過按照IEEEC.62.41標準要求的能源之星振鈴測試所必需的器件。標稱的熱熔值12T（單位：安培平方秒，A2sec）規(guī)定了熔斷保險絲熔絲所需的能量大小。通常，根據標稱熱熔值12T選擇的保險絲適用于保險絲必須承受較短持續(xù)時間的大電流脈沖的應用。LED照明應用的浪涌抗擾度測試需要符合8x20“s的組合波形。即使其標稱熱熔值12T超過了波形能量的熱熔值，不同的保險絲結構對浪涌事件也不會有相同的反應方式。例如，電力浪涌脈沖產生熱循環(huán)，可以使保險絲產生機械疲勞從而縮短其壽命。

LED照明燈具的交流輸入端的壓敏電阻（MOV）是初級過壓保護器件。如果針對所有必要的設計參數進行正確選擇，它將可以通過鉗制短時電壓脈沖，保護所有下游元件免受因感應瞬變和環(huán)波效應所導致的電應力（EOS）的損壞。當由于感應瞬變和短時嵌位電壓脈沖產生的振鈴導致的過度電性應力（EOS）發(fā)生時，MOV保護所有下游元件免受損壞。MOV提供了一種最大程度降低瞬變能量的高性價比的方案，防止其可能會進入下游元件。正確的MOV器件選型要以諸多電氣參數為基礎，包括額定電壓、峰值脈沖電流、能量等級、圓盤尺寸和引腳方式。

3 設計LED照明燈具需要考慮的問題

LED照明燈具的設計人員需要考慮各種重要的問題，針對交流輸入電路選擇合適的交流保險絲：

第一步是找到關于應用的一些技術問題的答案。在過去，理解和回答這些技術問題，然后通過元件規(guī)格書搜索針對某種應用選擇合適的保險絲，這是一項非常令人困惑和耗時的工作。這些問題包括燈具的正常工作電流、工作電壓、環(huán)境溫度、過載電流水平和保險絲熔斷需要的時間、最大允許故障電流以及脈沖、浪涌電流、瞬間熱插拔脈沖、啟動電流和電路瞬變等。

Littelfuse還提供一種以《保險絲選型指南》為基礎的強大的在線選型工具- iDesign保險絲選型指南。它旨在幫助電路設計人員為它們的項目確定最佳的電子保險絲。iDesign工具提供了一種快速、直觀的方法來確定適合應用的最佳元件，找出元件的說明文檔，并訂購元件樣品以進行原型設計。它通過保險絲選型步驟，根據所提供的輸入信息快速縮小可選范圍，幫助設計人員選擇到合適的保險絲。

在初始設計時，知道燈具將要出售的市場是至關重要的。根據燈具是否在美國、北美的其他地方，歐洲、亞洲或其他區(qū)域使用，設計和測試必須要滿足不同的標準。

確定可能影響可使用的保險絲的尺寸限制。保險絲可以使用多種方法進行封裝，但表面貼裝設計是LED照明應用中最常見的封裝形式。幸運的是，對于電路設計人員來說，現在可以使用更小尺寸的保險絲來保護交流輸入，其中一些的尺寸只有以前可用的最小保險絲的一半。endprint

電流流過保險絲產生的溫度隨著環(huán)境溫度的變化而增加或減少。請注意，保險絲的“環(huán)境溫度”并非正如其名，等同于“室溫”。相反，環(huán)境溫度是保險絲周圍空氣的溫度，通常遠高于室溫，因為保險絲可能會被封裝在（例如在保險絲座中）或安裝在LED板的發(fā)熱部件附近。對于25攝氏度的環(huán)境溫度，通常建議保險絲的工作電流不超過額定電流的75%。保險絲本質上是溫度敏感的器件，所以當保險絲100%滿載到額定值時，即使很小的溫度變化也可能會極大地影響保險絲的預期壽命。

確定應用所需的分斷能力。分斷能力也可能被稱為熔斷額定值或短路額定值（12T值）。這是保險絲在額定電壓條件下可以安全熔斷的最大許可電流。在故障或短路狀態(tài)下，保險絲可能承受一個遠高于正常工作電流的瞬間過載電流。斷開意味著完好無損（無爆炸或本體破裂）并切斷電路。

確保在生產之前有足夠的時間進行全面的應用測試和驗證。如果初始設計沒有通過其中任何一項測試，請確保在計劃中有足夠的余地來修改設計并重新測試。

最后，設計人員必須將保險絲與下游過壓保護器件和LED燈串驅動電路配合好。在LED燈具設計過程之初，必須考慮到瞬態(tài)抑制。保險絲的選型必須要能滿足規(guī)格定義的能量沖擊，避免LED燈串驅動電路受到不利影響。交流輸入電路上的保險絲和MOV，如果選型合適，當出現瞬態(tài)脈沖時，無需保險絲斷開就能實現過壓鉗位保護、安全地保護下游電路，同時最大程度降低了對LED燈串驅動電路（包括LED燈串本身）的損傷。

然而，也有特定的LED照明燈具工作電路無法承受瞬態(tài)脈沖沖擊。在這些情況下，正如在前面關于DC-DC轉換器模塊的內容中所指出的，添加一個用于過壓保護的輔助次級TVS_極管是一種經過驗證方案，可進一步鉗制MOV的“殘壓”能量。在最極端的情況下，甚至還有一個額外的過流保護器件（如圖2的中部所示，交流整流模塊中的高壓直流保險絲）和LED燈串中的過流保護器件（與LED燈串串聯(lián)的PTC）、過壓保護（與LED燈串并聯(lián)的TVS二極管）以及LED開路保護（與LED晶粒并聯(lián)的單個PLED），以提供更強勁的電路保護。

保險絲與過壓保護和LED驅動器的搭配。

瞬態(tài)電壓抑制必須是初始設計過程的一部分：所選擇的的器件必須能夠減少瞬態(tài)脈沖能量，抑制住脈沖電壓，從而使驅動電路不受影響。

TVS二極管是最常用的一種抑制器件。TVS二極管專門設計用于保護電子電路，防止瞬態(tài)過電壓。作為一種硅半導體雪崩器件，它既有單向也有雙向。在單向TVS，特定的鉗位特性只在一個方向上表現出來，在另一個方向上顯示出的是類似于傳統(tǒng)的整流器二極管的正向導通電壓（VF）特性。LED照明電源（驅動器）通常在其電路中一個或多個位置上需要安裝TVS_極管。

瞬態(tài)脈沖的破壞潛力是由其峰值電壓、持續(xù)電流和脈沖寬度所決定的。當用于保護諸如驅動IC和LED晶粒等敏感元件時，瞬態(tài)抑制器的響應時間極為重要。如果瞬態(tài)抑制器響應速度慢，當系統(tǒng)上出現了快速上升的瞬態(tài)尖峰時，在抑制器開始動作前，通過被保護負載的尖峰電壓就已上升并起到破環(huán)作用

在選擇TVS_極管時，必須考慮以下幾個重要的參數：

反向截止電壓（VR）。其中最重要的參數是VR，其必須等于或大于被保護電路（或電路的一部分）的峰值工作電壓。確保TVS在正常驅動電壓下不會動作。

峰值脈沖電流（IPP）。IPP是TVS所能承受的最大安全脈沖電流，通常以諸如10 xiooo μs的指數波形為參照表示。lpp僅表示瞬態(tài)峰值電壓除以源阻抗的值。

最大鉗位電壓（VC）。VC是基于參照的指數波形，在脈沖峰值電流（IPP）流過TVS器件時，TVS兩端出現的峰值電壓。

TVS_極管中的故障機制是短路。因此，如果TVS二極管因瞬態(tài)脈沖而出現故障，其所在的電路依然會受到保護。

4 結論

在LED燈具設計初期階段就有完善的電路保護.并投入所需的時間和資源的設計人員將會收獲成功的產品和更好的用戶體驗。由于交流保險絲、交流MOV和TVS二極管等元件的最新進展，到新一代設計人員誕生之前，下一代LED燈具就可能到來。endprint