鉅大LARGE | 點擊量：987次 | 2021年06月24日
電路失效判斷：LED失效模式分解探討
隨著市場需求的不斷新增，近年從事LED制造和研發(fā)的人員大大新增。LED公司亦如雨后春筍般成長。由于從事LED驅(qū)動研發(fā)的公司和人眾多，其技術(shù)水平參差不齊，研發(fā)出來的LED驅(qū)動電路質(zhì)量好壞不一。導致LED燈具的失效時常發(fā)生，妨礙了LED照明的時常推廣。LED燈具失效一是來源于電源和驅(qū)動的失效，二是來源于LED器件本身的失效。本文試著從實際的LED電源驅(qū)動電路這一方面，分解其電路的工作原理，然后試著從在不同環(huán)境下的LED驅(qū)動電路下，分解各種工作敏感參數(shù)對失效的影響，來進行失效模式的分解，最后，通過仿真來驗證結(jié)果。并從理論上給出失效的處理方法。
1LED驅(qū)動電路原理
LED是一種半導體材料制造而成發(fā)光二極管，只能夠單向?qū)ǎ移鋵妷翰桓撸驅(qū)娏饕膊荒芴螅詫ED的供電電源有了一定的要求，這時LED驅(qū)動電路應運而生。實際使用中，大多數(shù)的LED產(chǎn)品都是使用交變電源作為LED驅(qū)動電路的電源輸入，通過驅(qū)動電路變成穩(wěn)壓輸出形式或者恒流輸出形式的一種電路。LED驅(qū)動電路，依據(jù)不同的劃分標準可以劃分為很多類型，目前以電路的驅(qū)動原理，可以劃分為兩大類：一類為線性驅(qū)動電路，一類為開關(guān)型驅(qū)動電路。
1.1線性驅(qū)動電路
線性驅(qū)動電路原理圖如圖1所示，從結(jié)構(gòu)上一般都蘊含了以下的幾部分，整流電路，濾波電路，穩(wěn)壓電路。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
圖中運用全波橋式整流，使交變電源整流成單向的脈動電壓。濾波電路采取RC濾波，由濾波電路濾波出來的電壓值已經(jīng)比較接近于直流電源了，但是，由于電網(wǎng)上的電壓波動，導致驅(qū)動電路的輸出電壓發(fā)生波動，這關(guān)于LED來講，是致命的。所以濾波之后的電壓要加上一個穩(wěn)壓電路。以使線性驅(qū)動電路可以保持比較平穩(wěn)的電壓來驅(qū)動LED。
在線性驅(qū)動電路中，LED的亮度與通過電流成函數(shù)關(guān)系，而與加在LED上面的壓降無關(guān)。從上面的電路原理圖可以看出，線性LED驅(qū)動電路，結(jié)構(gòu)簡單，易于實現(xiàn)，研發(fā)周期短，加工成本低，體積小巧，而且，由于沒有使用很多的大容量電容和電感，電路設計上不要考慮EMI問題。可以適用于低電流照明系統(tǒng)。
1.2開關(guān)型驅(qū)動電路
開關(guān)型驅(qū)動電路原理圖如圖2所示，是將輸入的交變電壓通過整流電路整流和濾波穩(wěn)壓之后，通過開關(guān)狀態(tài)，來控制LED的電流或者電壓，使LED可以平穩(wěn)地發(fā)光。下面給出一個典型的開關(guān)型的驅(qū)動電路來逐步分解開關(guān)型驅(qū)動電路的工作狀態(tài)。
從圖2可見，開關(guān)型LED驅(qū)動電路可以劃分為以下的幾部分：低頻整流濾波電路、自激振蕩電路、穩(wěn)壓電路、取樣脈寬調(diào)整電路和高頻整流濾波電路等。
市電交流220V通過12V的變壓器降壓，然后經(jīng)過橋式整流二極管3N258和電容C2組成低頻整流濾波電路，轉(zhuǎn)換成一個類直流電電源。功率三極管Q1、Q2、Q3和電容C5電阻R2組成一個自激震蕩電路，其中Q2是PNP管，為脈寬調(diào)整管，Q1和Q3一個為PNP管，一個為NPN管，兩個管子復合組成開關(guān)調(diào)整器，C5、R2通過調(diào)整參數(shù)可以設置器振蕩頻率。利用這個自激振蕩電路，可以將類直流電源轉(zhuǎn)化為一個高頻的脈沖信號。高頻信號的頻率可以通過選頻特性算出。可以調(diào)整高頻脈沖的占空比，來調(diào)整設備輸出的能量。電流流經(jīng)電感時，會在L的兩端萌生感應電動勢，當電流消失時，感應電動勢會在電路的兩端萌生一個反向電壓，若這個反向電壓大于某些元器件的反向擊穿電壓時，將會損壞這些器件。利用一個續(xù)流二極管D2并聯(lián)在電感的兩端，通過R4和C6組成的回路，使這個反向的感應電動勢有一個泄通回路。
R6、R7、R8組成的取樣電路和R5、D3組成的基準源電路用來對高頻信號進行脈寬的調(diào)整，來調(diào)節(jié)開關(guān)管的飽和導通時間，進而調(diào)整電源的輸出電壓。其中R7為可調(diào)電阻，方便對這個電壓的調(diào)整。
從上面的分解可以看到，開關(guān)型LED驅(qū)動電路相比于線性驅(qū)動電路，效率高，而且輸出的電流大，還可以通過調(diào)整脈寬來調(diào)整電流，輸出的電流精度十分高，使LED亮度可以受控，適用于與大型的照明場合和電流輸出比較打的場合。
2LED驅(qū)動失效機理分解
2.1LED驅(qū)動電路失效原由分解
(1)浪涌電流和浪涌電壓
由于驅(qū)動電路的開啟瞬間，電容充電要很大的電流，而且其充電時間短，導致的瞬間大電流;由于電網(wǎng)上的電壓波動和浪涌電壓的沖擊，導致驅(qū)動電路上的二極管和電阻等器件的瞬間大電壓。這可能會對LED驅(qū)動電路上的器件造成永久性的損傷。
(2)靜電放電
靜電放電，即ESD現(xiàn)象。由于電量在極短的時間內(nèi)泄放，往往起靜電泄放電壓可以達到幾千伏特。這關(guān)于半導體器件是致命的。ESD可能使LED燈或者驅(qū)動IC的內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生損毀。
(3)元器件使用失效
由于開關(guān)型驅(qū)動電路要大電容來進行存儲電能，穩(wěn)壓，而大電容一般使用鋁電解電容。鋁電解電容的失效率較其它元件高，而且由于變壓器和LED在使用時會萌生熱量，這些熱量加劇電解電容的電解液的運動，縮短了鋁電解電容的正常使用年限。
(4)工作環(huán)境導致
目前，主流的LED驅(qū)動是使用交變電源作為電源輸入的，關(guān)于一些大功率的LED驅(qū)動電路，其變壓線圈會萌生大量的熱量，由熱量而萌生了LED失效的溫度應力。溫度應力的時間模型見下公式：
其中M為溫度應力，T為溫度，t為時間。
可見，溫度應力隨時間和溫度呈指數(shù)式上升，電器使用時間越長，溫度應力就越大，由熱導致的失效率則越高。
2.2線性調(diào)整型
LED驅(qū)動電路失效分解以圖1線性調(diào)整行LED驅(qū)動電路進行失效分解，線性LED驅(qū)動一上電瞬間，AC電源要對驅(qū)動電路內(nèi)部的電容電感進行充電，所以，上電瞬間會有一個比較大的電流通過熔絲和整流橋。由于Multisim仿真軟件只能仿真模擬量，關(guān)于環(huán)境熱量和濕度等均無法模擬。所以這次仿真只能從電參數(shù)這方面進行模擬。這里加入兩個失效因素，浪涌電壓和浪涌電流，對上文所述的線性LED驅(qū)動電路進行失效仿真，加入浪涌電壓之后電路運行情況的各個儀表參數(shù)。
由圖1所示內(nèi)容，可以讀出各個儀表的值。
Vi=250V；Vo=29.934V；Vled=8.415V；
Iled=34.606mA。
經(jīng)過多次仿真探測得出與正常情況下的LED驅(qū)動電路電參數(shù)比較見表1所示。
從表1數(shù)據(jù)可以看出，當電網(wǎng)上電壓波動10%幅值，線性LED驅(qū)動電路的工作狀態(tài)就發(fā)生比較大的改變。從上圖，可以發(fā)現(xiàn)，由于采用了適宜的穩(wěn)壓電路，電網(wǎng)上的電壓波幅幾乎沒有影響到線性LED驅(qū)動電路的工作電壓。但是，其驅(qū)動電流卻發(fā)生了巨大變化，驅(qū)動電流較之正常輸入電壓增幅達40%。這將導致LED超負荷工作，會減少LED燈珠的壽命，甚至可能會筆直損毀燈珠。
2.3開關(guān)型LED驅(qū)動電路失效分解
以圖2線性調(diào)整行LED驅(qū)動電路進行失效分解，在圖2仿真圖中，XSC2代表輸入的AC電源和整流之后的電壓比較。其中正弦波型為AC220V,通過全波整流之后，其電壓值Vimax≈311V,比較平穩(wěn)的為整流之后的電壓。整流之后的電壓，從圖中的mark點讀出來的電壓為11.368V。低頻整流之后，電壓經(jīng)過自激振蕩電路和高頻整流電路以及穩(wěn)壓電路之后，輸出來的就是LED的驅(qū)動電壓了。
由于采用了穩(wěn)壓管1N4735A，穩(wěn)壓值為6.6V，所以LED驅(qū)動電壓理論值為6.6V。
從圖2讀出實際仿真的LED驅(qū)動電壓為一個6.64V的直流電壓。與理論相符。
經(jīng)過多次仿真探測，可以讀出幾個儀表的參數(shù)分別為：
Vi=250V；Vo=12.3V；Vled=6.64V；
Iled=47.416mA；
與正常情況下的LED驅(qū)動電路電參數(shù)比較見表2所示。
從表2可以看出，當電網(wǎng)上有浪涌電壓輸入時，開關(guān)型LED驅(qū)動電路，由于采用了良好的穩(wěn)壓措施，驅(qū)動電路的電壓參量并未發(fā)生很大的變化，但是LED的驅(qū)動電路變化交大，增幅達到100%。這將導致LED功率上升，使LED失效。
2.4失效處理方法
經(jīng)過前面幾個小節(jié)對LED驅(qū)動電路的仿真分解可以總結(jié)出以下幾個有效的LED失效處理方法：
(1)關(guān)于浪涌電流和電壓，可以在電源輸入給加上一個熔絲和一個PTC電阻。PTC電阻就是正溫度系數(shù)電阻。當電源輸入的初級電流有一個浪涌電流或者浪涌電壓輸入時，依據(jù)電阻的發(fā)熱公式Q=R*I^2*T，流經(jīng)PTC電流或者電壓的新增勢必會新增PTC電阻的發(fā)熱量，從而是PTC電阻的阻值上升，使到電源輸入的初級功率有一部分消減在PTC電阻處，以保證電源的副邊輸出功率不變，保持電壓和電流的穩(wěn)定。關(guān)于室外使用的LED驅(qū)動，還應當加入防雷保護措施。
(2)關(guān)于驅(qū)動器件的選擇，在成本范圍內(nèi)，應當選用比較好的器件，尤其是電容。
而且，器件的最大電流電壓參數(shù)要保證是電路正常工作的額定值的2~3倍以上，詳盡參數(shù)詳盡選擇。以保證電路元器件有足夠的冗余來應付突變的電參量。
(3)同時，應當留意線路板的的布局，發(fā)熱量大的應當隔開布局，以減少熱量隊板子的影響。線路板應當留意要防潮、防濕。
在一些特定的環(huán)境下，還應做一些絕緣防潮的措施。
(4)關(guān)于開關(guān)型LED驅(qū)動電路，還應當戒備EMI帶來的失效。可以通過加入X電容，共模電感、差模電感、低通濾波電路、屏蔽體等來消減EMI帶來的問題。
結(jié)論
本文在分解兩種典型驅(qū)動電路基礎(chǔ)上分別對線性LED驅(qū)動電路和開關(guān)LED驅(qū)動電路進行了浪涌電壓影響下的失效仿真。從仿真結(jié)果中可以看出，浪涌電壓對LED驅(qū)動電源影響比較大。尤其是驅(qū)動電路這一部分。使LED驅(qū)動電流增大超過其最大正向?qū)娏鳎筁ED燈珠失效。依據(jù)仿真分解結(jié)果，最終給出了合理的LED驅(qū)動電路的失效方法。
