高亮度（HB）LED的出現(xiàn)為固態(tài)照明開(kāi)辟了新的應(yīng)用范圍。除了更熟悉的用途，例如家用照明，廣告牌和零售場(chǎng)所的顯示照明，LED現(xiàn)在通常用于從車(chē)燈到路燈，交通信號(hào)燈和機(jī)場(chǎng)跑道標(biāo)記的應(yīng)用中。

這些應(yīng)用中的每一個(gè)都利用了LED的許多積極特征中的一個(gè)或多個(gè)。例如，與白熾燈相比，LED可以抵抗振動(dòng)和沖擊;他們可以通過(guò)減少電力消耗和減少更換和更新的頻率來(lái)降低運(yùn)營(yíng)成本 - 通常引用35，000到50，000小時(shí)的壽命;他們很可靠;在電氣特性方面，它們反應(yīng)迅速。但是，為了獲得這些相當(dāng)大的優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)人員需要了解使用LED設(shè)計(jì)的一些潛在缺陷。例如，由于電源問(wèn)題和雷擊造成的ESD和電氣瞬態(tài)損壞，它們比傳統(tǒng)燈具有更高的風(fēng)險(xiǎn)。這種事件在戶(hù)外應(yīng)用中更常見(jiàn)。此外，最常用于生產(chǎn)HB組件的技術(shù) - 例如采用藍(lán)寶石或SiC基板的技術(shù) - 最容易受到這種損害。

LED也容易受到溫度循環(huán)和振動(dòng)的影響，這兩者都會(huì)損壞其內(nèi)部引線鍵合，導(dǎo)致性能下降并最終導(dǎo)致“開(kāi)路故障”。過(guò)電流和過(guò)溫條件會(huì)導(dǎo)致熱失控型現(xiàn)象。然而，即使是內(nèi)部短路開(kāi)始的故障，以及隨之而來(lái)的加熱，也很可能在內(nèi)部引線鍵合連接失效后以開(kāi)路結(jié)束。乍一看，這些有些不同尋常的潛在失敗模式似乎只是有趣的奇怪之處。然而，有一些重要的后果，特別是當(dāng)設(shè)計(jì)人員選擇 - 通常如此 - 通過(guò)單個(gè)恒流電源為一串LED供電時(shí)。

這個(gè)設(shè)計(jì)策略背后有充分的理由。首先，簡(jiǎn)單的經(jīng)濟(jì)學(xué)規(guī)定單個(gè)電源將更具成本效益。然而，同樣重要的是，LED亮度很大程度上取決于電流。這意味著串聯(lián)串是確保組內(nèi)LED之間均勻亮度以及對(duì)組施加共同亮度控制的最簡(jiǎn)單方法。

問(wèn)題是，當(dāng)LED開(kāi)路時(shí)，電流會(huì)停止流過(guò)整個(gè)系統(tǒng)，并且燈串中的所有LED都會(huì)變暗。雖然在廣告牌中僅僅是難看的，但是這個(gè)問(wèn)題會(huì)對(duì)車(chē)輛信號(hào)或前燈造成安全隱患。在交通信號(hào)燈或路燈的情況下，問(wèn)題在于更換的可能性并不簡(jiǎn)單。

作為解決此問(wèn)題的解決方案，電路保護(hù)元件制造商提供了一系列解決方案。據(jù)TE Connectivity稱(chēng)，有時(shí)被忽視的事實(shí)是，與白熾燈或緊湊型熒光燈（CFL）技術(shù)相比，LED傳導(dǎo)的熱量更多，輻射更少。因?yàn)長(zhǎng)ED故障經(jīng)常導(dǎo)致產(chǎn)生過(guò)多的熱量，所以存在嚴(yán)重的熱條件甚至火災(zāi)的風(fēng)險(xiǎn)。

為避免這些問(wèn)題，該公司建議使用其Polyswitch RUEF系列正溫度系數(shù)（PTC）器件之一，也稱(chēng)為可復(fù)位保險(xiǎn)絲，與高風(fēng)險(xiǎn)LED串聯(lián)。

圖1：Polyswitch正溫度系數(shù)（PTC）器件可與LED串聯(lián)使用，以防止出現(xiàn)熱量問(wèn)題。

Polyswitch器件放置在靠近LED的位置，因此除了可以防止電氣引起的過(guò)電流情況外，它還會(huì)因環(huán)境或電路條件導(dǎo)致過(guò)熱而跳閘。與所有公司的Polyswitch系列一樣，使用此類(lèi)器件的優(yōu)勢(shì)包括其可復(fù)位性，快速跳閘時(shí)間，正常工作時(shí)的低電阻（因此功耗低）和小尺寸。

Littelfuse，Bourns，安森美半導(dǎo)體和意法半導(dǎo)體等制造商都提供專(zhuān)為保護(hù)HB LED而量身定制的元件。它們與一個(gè)或多個(gè)LED并聯(lián)連接，并且可以執(zhí)行許多有用的功能。首先，在線，如果LED失效打開(kāi)，保護(hù)組件接通并傳導(dǎo)電源電流，有效地繞過(guò)故障LED并允許由相同電源供電的其他LED保持點(diǎn)亮。

作為子組件的一部分，這些組件還可以提供防雷和ESD事件的保護(hù)。這兩種瞬態(tài)現(xiàn)象具有相當(dāng)不同的特性：雷電浪涌具有以微秒為單位測(cè)量的上升時(shí)間，而ESD事件以納秒為單位測(cè)量。設(shè)計(jì)人員需要評(píng)估LED在線的風(fēng)險(xiǎn)，并實(shí)施適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)程度。

最后，如果電源無(wú)意中反向連接，可以使用一些LED保護(hù)器來(lái)防止LED損壞。如果沒(méi)有保護(hù)，這通常會(huì)導(dǎo)致LED上出現(xiàn)全電源電壓，從而進(jìn)入擊穿導(dǎo)通，從而造成潛在的損壞。 LED保護(hù)器既可以選擇雙向特性，也可以選擇低于指定正向偏置電壓的擊穿電壓。這兩種方法都會(huì)導(dǎo)致反向電流通過(guò)保護(hù)元件分流，再次防止損壞LED。

在規(guī)格和選擇方面，這些設(shè)備的設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單。在正常操作中，它們消耗的電流非常小，從而最大限度地降低了它們對(duì)穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)功耗的影響。然而，當(dāng)施加到器件的電壓達(dá)到某個(gè)閾值 - 轉(zhuǎn)折電壓時(shí) - 保護(hù)器進(jìn)入低電阻導(dǎo)通模式。只要電流通過(guò)仍然高于定義為“保持”電流的水平，它就會(huì)保持這種狀態(tài)。如果電流在任何時(shí)候都低于該水平（例如，如果它正在保護(hù)的LED被更換或自我修復(fù)），則設(shè)備將關(guān)閉并恢復(fù)正常運(yùn)行。

選擇轉(zhuǎn)折電壓對(duì)于避免錯(cuò)誤至關(guān)重要跳閘。設(shè)計(jì)人員應(yīng)選擇一個(gè)其擊穿電壓足以超過(guò)其所保護(hù)的LED指定正向電壓的元件。如果要將設(shè)備連接到多個(gè)LED以實(shí)現(xiàn)更低成本的保護(hù)，則轉(zhuǎn)折電壓必須明顯大于所有LED的正常工作電壓之和。此外，值得注意的是，不同顏色的LED傾向于具有不同的正向電壓額定值：這些通常在紅色器件的約2.7V至藍(lán)色的約4.1V的范圍內(nèi)。

當(dāng)然，指定轉(zhuǎn)折電壓不僅僅是“越高越好”的情況。設(shè)計(jì)人員必須確保在發(fā)生故障時(shí)設(shè)備實(shí)際上會(huì)跳閘。這里，最重要的參數(shù)是電源的開(kāi)路（或順應(yīng)性）電壓。如果電流停止流動(dòng)，這是保護(hù)器上出現(xiàn)的最大電壓，它必須足以觸發(fā)導(dǎo)通。

該組件必須能夠承受電源的最大電流源。對(duì)于雷電和ESD保護(hù)，它需要符合各種相關(guān)的IEC標(biāo)準(zhǔn)（例如人體模型或ESD的HBM規(guī)范）。此外，如果需要反向偏壓保護(hù)，保護(hù)器的反向擊穿電壓必須小于LED的相應(yīng)值。

Littelfuse PLED系列是此類(lèi)設(shè)備的典型產(chǎn)品。 PLED保護(hù)器的擊穿電壓分別為6，9，13和18 V，使設(shè)計(jì)人員可以選擇使用單個(gè)PLED器件保護(hù)多達(dá)四個(gè)LED，具體取決于成本限制和可靠性考慮因素。 PLED5系列提供固有的反向偏置保護(hù)：它具有1.1至1.6 V的反向偏置導(dǎo)通電壓，遠(yuǎn)低于典型高功率LED的反向擊穿電壓。當(dāng)使用PLED5器件向LED燈串反向供電時(shí)，所有保護(hù)器都會(huì)導(dǎo)通，轉(zhuǎn)移有害電流。

圖2：每個(gè)Littelfuse PLED設(shè)備均可用于保護(hù)一個(gè)或多個(gè)LED。

PLED系列兼容單瓦，2瓦和3瓦LED，在±15 kV空氣放電，±8 kV接觸放電和±40 A的EFT（電快速瞬變）下提供ESD保護(hù)，5/50 ns。有效電流大約為微安。

Bourns的LSPxxxxAJR系列是LED分流保護(hù)器，采用表面貼裝DO-214AC（SMA）封裝。該公司表示，這些設(shè)備特別適用于LCD背光，交通照明，航空電子設(shè)備，本質(zhì)安全和低維護(hù)照明，除了小尺寸的優(yōu)勢(shì)外，它們還提供快速切換，自動(dòng)復(fù)位以及防止浪涌和瞬變的保護(hù)。

圖3：Bourns的LSPxxxAJR組件采用緊湊型SMA封裝。

提供6，9，13和18 V版本，這些設(shè)備可用于保護(hù)字符串中的單個(gè)和多個(gè)LED。 Bourns認(rèn)為它們提供了使用齊納二極管的可行替代方案，由于成本原因，這在高功率電路中是不切實(shí)際的。根據(jù)低能耗要求，當(dāng)LED發(fā)生故障時(shí)，處于導(dǎo)通模式的LSPxxxAJR器件耗散的功率低于其保護(hù)的LED。

安森美半導(dǎo)體的NUD4700推薦用于高可靠性應(yīng)用，如前燈，燈塔，橋梁，飛機(jī)和跑道，以及LED容易出現(xiàn)瞬態(tài)和喘振狀況的情況。該器件設(shè)計(jì)用于1 W LED（標(biāo)稱(chēng)值為350 mA，3 V）。

該公司引用了NUD4700的優(yōu)點(diǎn)，它的簡(jiǎn)單性和能夠在失敗的LED自我修復(fù)或需要更換時(shí)自行復(fù)位。通態(tài)電壓通常為1 V，關(guān)態(tài)電流小于250 mA。

STMicroelectronics LBP01提供雙向和單向兩種版本，提供符合IEC61000-4-2第4級(jí)（±15 kV空氣放電，±8 kV接觸放電）和IEC 61000-4-5（±1 kV）的浪涌保護(hù)/24 A）。

圖4：STMicroelectronics的LBP01有單向和雙向兩種版本。

與提供高達(dá)1A電流的LED兼容，該器件的兩個(gè)版本均為IEC 6100-4-2和IEC 6100-4-5標(biāo)準(zhǔn)提供浪涌保護(hù)，額定峰值脈沖電壓接觸放電電壓為30 kV，重復(fù)峰值脈沖電流（8/20μs）為24 A.它們采用SMB或SOT23-5L封裝。正常工作時(shí)的工作電流極低，為100 nA，而保持電流為200 mA時(shí)，處于“跳閘”狀態(tài)的器件耗散的功率低于其保護(hù)的LED。

結(jié)論

高亮度LED的出現(xiàn)為設(shè)計(jì)師提供了廣泛的機(jī)會(huì)。然而，就元件和電路保護(hù)而言，它們可能帶來(lái)挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)上通過(guò)包含MOV或TVS二極管來(lái)處理ESD和其他浪涌類(lèi)型現(xiàn)象，但是這些設(shè)備無(wú)法防止一串LED發(fā)生單一故障。 LED電源和驅(qū)動(dòng)器IC本身通常包括開(kāi)路LED保護(hù) - 但重要的是要了解這通常用于保護(hù)（恒定電流）電源免受開(kāi)路條件的影響。以前的方法通常使用齊納二極管來(lái)減少單個(gè)LED故障的影響 - 但對(duì)于高功率LED，這種方法不具有成本效益。

因此，許多電路保護(hù)公司推出專(zhuān)用LED保護(hù)器是向前邁出的寶貴一步。通過(guò)精心設(shè)計(jì)和元件選擇，工程師現(xiàn)在可以確保燈仍然保持開(kāi)啟，即使在最苛刻的應(yīng)用中也是如此。