電路失效判斷：LED失效模式分析探討

隨著市場需求的不斷增加，近年從事LED制造和研發(fā)的人員大大增加。LED企業(yè)亦如雨后春筍般成長。由于從事LED驅動研發(fā)的企業(yè)和人眾多，其技術水平參差不齊，研發(fā)出來的LED驅動電路質量好壞不一。導致LED燈具的失效時常發(fā)生，阻礙了LED照明的時常推廣。LED燈具失效一是來源于電源和驅動的失效，二是來源于LED器件本身的失效。本文試著從實際的LED電源驅動電路這一方面，分析其電路的工作原理，然后試著從在不同環(huán)境下的LED驅動電路下，分析各種工作敏感參數對失效的影響，來進行失效模式的分析，最后，通過仿真來驗證結果。并從理論上給出失效的解決方案。 　　1 LED驅動電路原理 　　LED是一種半導體材料制造而成發(fā)光二極管，只能夠單向導通，而且其導通電壓不高，正向導通電流也不能太大，所以對LED的供電電源有了一定的要求，這時LED驅動電路應運而生。實際使用中，大多數的LED產品都是使用交變電源作為LED驅動電路的電源輸入，通過驅動電路變成穩(wěn)壓輸出形式或者恒流輸出形式的一種電路。LED驅動電路，根據不同的劃分標準可以劃分為很多類型，目前以電路的驅動原理，可以劃分為兩大類：一類為線性驅動電路，一類為開關型驅動電路。 　　1.1線性驅動電路 　　線性驅動電路原理圖如圖1所示，從結構上一般都包含了以下的幾部分，整流電路，濾波電路，穩(wěn)壓電路。 　　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比較接近于直流電源了，但是，由于電網上的電壓波動，導致驅動電路的輸出電壓發(fā)生波動，這對于LED來講，是致命的。所以濾波之后的電壓需要加上一個穩(wěn)壓電路。以使線性驅動電路可以保持比較平穩(wěn)的電壓來驅動LED。 　　在線性驅動電路中，LED的亮度與通過電流成函數關系，而與加在LED上面的壓降無關。從上面的電路原理圖可以看出，線性LED驅動電路，結構簡單，易于實現(xiàn)，研發(fā)周期短，生產成本低，體積小巧，而且，由于沒有使用很多的大容量電容和電感，電路設計上不需要考慮EMI問題?？梢赃m用于低電流照明系統(tǒng)。 　　1.2開關型驅動電路 　　開關型驅動電路原理圖如圖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型的驅動電路來逐步分析開關型驅動電路的工作狀態(tài)。 　　從圖2可見，開關型L E D驅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，然后經過橋式整流二極管3N258和電容C2組成低頻整流濾波電路，轉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，為脈寬調整管，Q1和Q3一個為PNP管，一個為N P N管，兩個管子復合組成開關調整器，C5、R2通過調整參數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?？梢哉{整高頻脈沖的占空比，來調整設備輸出的能量。電流流經電感時，會在L的兩端產生感應電動勢，當電流消失時，感應電動勢會在電路的兩端產生一個反向電壓，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。 　　R 6、R 7、R 8組成的取樣電路和R 5、D3組成的基準源電路用來對高頻信號進行脈寬的調整，來調節(jié)開關管的飽和導通時間，進而調整電源的輸出電壓。其中R7為可調電阻，方便對這個電壓的調整。 　　從上面的分析可以看到，開關型LED驅動電路相比于線性驅動電路，效率高，而且輸出的電流大，還可以通過調整脈寬來調整電流，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。 　　2 LED驅動失效機理分析 　　2.1 LED驅動電路失效原因分析 　　(1)浪涌電流和浪涌電壓 　　由于驅動電路的開啟瞬間，電容充電需要很大的電流，而且其充電時間短，導致的瞬間大電流;由于電網上的電壓波動和浪涌電壓的沖擊，導致驅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泄放，往往起靜電泄放電壓可以達到幾千伏特。這對于半導體器件是致命的。ESD可能使LED燈或者驅動IC的內部結構發(fā)生損毀。 　　(3)元器件使用失效 　　由于開關型驅動電路需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在使用時會產生熱量，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驅動是使用交變電源作為電源輸入的，對于一些大功率的LED驅動電路，其變壓線圈會產生大量的熱量，由熱量而產生了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線性調整型 　　LED驅動電路失效分析以圖1線性調整行LED驅動電路進行失效分析，線性LED驅動一上電瞬間，AC電源需要對驅動電路內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，對于環(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。 　　由圖1所示內容，可以讀出各個儀表的值。 　　Vi=250V；Vo=29.934V；Vled=8.415V； 　　Iled=34.606mA。 　　經過多次仿真測試得出與正常情況下的LED驅動電路電參數對比見表1所示。 　　從表1數據可以看出，當電網上電壓波動10%幅值，線性LED驅動電路的工作狀態(tài)就發(fā)生比較大的改變。從上圖，可以發(fā)現(xiàn)，由于采用了合適的穩(wěn)壓電路，電網上的電壓波幅幾乎沒有影響到線性LED驅動電路的工作電壓。但是，其驅動電流卻發(fā)生了巨大變化，驅動電流較之正常輸入電壓增幅達4 0 %。這將導致LED超負荷工作，會減少LED燈珠的壽命，甚至可能會直接損毀燈珠。 　　2.3開關型LED驅動電路失效分析 　　以圖2線性調整行LED驅動電路進行失效分析，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驅動電壓理論值為6.6V。 　　從圖2讀出實際仿真的LED驅動電壓為一個6.64V的直流電壓。與理論相符。 　　經過多次仿真測試，可以讀出幾個儀表的參數分別為： 　　Vi=250V；Vo=12.3V；Vled=6.64V； 　　Iled=47.416mA； 　　與正常情況下的LED驅動電路電參數對比見表2所示。 　　從表2可以看出，當電網上有浪涌電壓輸入時，開關型LED驅動電路，由于采用了良好的穩(wěn)壓措施，驅動電路的電壓參量并未發(fā)生很大的變化，但是LED的驅動電路變化交大，增幅達到100%。這將導致LED功率上升，使LED失效。 　　2.4失效解決方案 　　經過前面幾個小節(jié)對LED驅動電路的仿真分析可以總結出以下幾個有效的LED失效解決方案： 　　(1)對于浪涌電流和電壓，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，根據電阻的發(fā)熱公式Q=R*I^2*T，流經PTC電流或者電壓的增加勢必會增加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。對于室外使用的LED驅動，還應該加入防雷保護措施。 　　(2)對于驅動器件的選擇，在成本范圍內，應該選用比較好的器件，尤其是電容。 　　而且，器件的最大電流電壓參數要保證是電路正常工作的額定值的2~3倍以上，具體參數具體選擇。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，應該注意線路板的的布局，發(fā)熱量大的應該隔開布局，以減少熱量隊板子的影響。線路板應該注意要防潮、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)對于開關型LED驅動電路，還應該防止EMI帶來的失效?？梢酝ㄟ^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。 　　結論 　　本文在分析兩種典型驅動電路基礎上分別對線性LED驅動電路和開關LED驅動電路進行了浪涌電壓影響下的失效仿真。從仿真結果中可以看出，浪涌電壓對LED驅動電源影響比較大。尤其是驅動電路這一部分。使LED驅動電流增大超過其最大正向導通電流，使LED燈珠失效。根據仿真分析結果，最終給出了合理的LED驅動電路的失效方案。