電路失效判斷：LED失效模式分析探討

隨著市場(chǎng)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(zhǎng)。由于從事LED驅(qū)動(dòng)研發(fā)的企業(yè)和人眾多，其技術(shù)水平參差不齊，研發(fā)出來(lái)的LED驅(qū)動(dòng)電路質(zhì)量好壞不一。導(dǎo)致LED燈具的失效時(shí)常發(fā)生，阻礙了LED照明的時(shí)常推廣。LED燈具失效一是來(lái)源于電源和驅(qū)動(dòng)的失效，二是來(lái)源于LED器件本身的失效。本文試著從實(shí)際的LED電源驅(qū)動(dòng)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(qū)動(dòng)電路下，分析各種工作敏感參數(shù)對(duì)失效的影響，來(lái)進(jìn)行失效模式的分析，最后，通過(guò)仿真來(lái)驗(yàn)證結(jié)果。并從理論上給出失效的解決方案。 　　1 LED驅(qū)動(dòng)電路原理 　　LED是一種半導(dǎo)體材料制造而成發(fā)光二極管，只能夠單向?qū)?，而且其?dǎo)通電壓不高，正向?qū)娏饕膊荒芴?，所以?duì)LED的供電電源有了一定的要求，這時(shí)LED驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)運(yùn)而生。實(shí)際使用中，大多數(shù)的LED產(chǎn)品都是使用交變電源作為L(zhǎng)ED驅(qū)動(dòng)電路的電源輸入，通過(guò)驅(qū)動(dòng)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(dòng)電路，根據(jù)不同的劃分標(biāo)準(zhǔn)可以劃分為很多類(lèi)型，目前以電路的驅(qū)動(dòng)原理，可以劃分為兩大類(lèi)：一類(lèi)為線性驅(qū)動(dòng)電路，一類(lèi)為開(kāi)關(guān)型驅(qū)動(dòng)電路。 　　1.1線性驅(qū)動(dòng)電路 　　線性驅(qū)動(dòng)電路原理圖如圖1所示，從結(jié)構(gòu)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(yùn)用全波橋式整流，使交變電源整流成單向的脈動(dòng)電壓。濾波電路采取RC濾波，由濾波電路濾波出來(lái)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(dòng)，導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)電路的輸出電壓發(fā)生波動(dòng)，這對(duì)于LED來(lái)講，是致命的。所以濾波之后的電壓需要加上一個(gè)穩(wěn)壓電路。以使線性驅(qū)動(dòng)電路可以保持比較平穩(wěn)的電壓來(lái)驅(qū)動(dòng)LED。 　　在線性驅(qū)動(dòng)電路中，LED的亮度與通過(guò)電流成函數(shù)關(guān)系，而與加在LED上面的壓降無(wú)關(guān)。從上面的電路原理圖可以看出，線性LED驅(qū)動(dòng)電路，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，研發(fā)周期短，生產(chǎn)成本低，體積小巧，而且，由于沒(méi)有使用很多的大容量電容和電感，電路設(shè)計(jì)上不需要考慮EMI問(wèn)題?？梢赃m用于低電流照明系統(tǒng)。 　　1.2開(kāi)關(guān)型驅(qū)動(dòng)電路 　　開(kāi)關(guān)型驅(qū)動(dòng)電路原理圖如圖2所示，是將輸入的交變電壓通過(guò)整流電路整流和濾波穩(wěn)壓之后，通過(guò)開(kāi)關(guān)狀態(tài)，來(lái)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(gè)典型的開(kāi)關(guān)型的驅(qū)動(dòng)電路來(lái)逐步分析開(kāi)關(guān)型驅(qū)動(dòng)電路的工作狀態(tài)。 　　從圖2可見(jiàn)，開(kāi)關(guān)型L E D驅(qū)動(dòng)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(guò)12V的變壓器降壓，然后經(jīng)過(guò)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(gè)類(lèi)直流電電源。功率三極管Q1、Q2、Q3和電容C5電阻R2組成一個(gè)自激震蕩電路，其中Q2是PNP管，為脈寬調(diào)整管，Q1和Q3一個(gè)為PNP管，一個(gè)為N P N管，兩個(gè)管子復(fù)合組成開(kāi)關(guān)調(diào)整器，C5、R2通過(guò)調(diào)整參數(shù)可以設(shè)置器振蕩頻率。利用這個(gè)自激振蕩電路，可以將類(lèi)直流電源轉(zhuǎn)化為一個(gè)高頻的脈沖信號(hào)。高頻信號(hào)的頻率可以通過(guò)選頻特性算出?？梢哉{(diào)整高頻脈沖的占空比，來(lái)調(diào)整設(shè)備輸出的能量。電流流經(jīng)電感時(shí)，會(huì)在L的兩端產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，當(dāng)電流消失時(shí)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)會(huì)在電路的兩端產(chǎn)生一個(gè)反向電壓，若這個(gè)反向電壓大于某些元器件的反向擊穿電壓時(shí)，將會(huì)損壞這些器件。利用一個(gè)續(xù)流二極管D2并聯(lián)在電感的兩端，通過(guò)R4和C6組成的回路，使這個(gè)反向的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)有一個(gè)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(zhǔn)源電路用來(lái)對(duì)高頻信號(hào)進(jìn)行脈寬的調(diào)整，來(lái)調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)管的飽和導(dǎo)通時(shí)間，進(jìn)而調(diào)整電源的輸出電壓。其中R7為可調(diào)電阻，方便對(duì)這個(gè)電壓的調(diào)整。 　　從上面的分析可以看到，開(kāi)關(guān)型LED驅(qū)動(dòng)電路相比于線性驅(qū)動(dòng)電路，效率高，而且輸出的電流大，還可以通過(guò)調(diào)整脈寬來(lái)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(chǎng)合和電流輸出比較打的場(chǎng)合。 　　2 LED驅(qū)動(dòng)失效機(jī)理分析 　　2.1 LED驅(qū)動(dòng)電路失效原因分析 　　(1)浪涌電流和浪涌電壓 　　由于驅(qū)動(dòng)電路的開(kāi)啟瞬間，電容充電需要很大的電流，而且其充電時(shí)間短，導(dǎo)致的瞬間大電流;由于電網(wǎng)上的電壓波動(dòng)和浪涌電壓的沖擊，導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)電路上的二極管和電阻等器件的瞬間大電壓。這可能會(huì)對(duì)LED驅(qū)動(dòng)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(shí)間內(nèi)泄放，往往起靜電泄放電壓可以達(dá)到幾千伏特。這對(duì)于半導(dǎo)體器件是致命的。ESD可能使LED燈或者驅(qū)動(dòng)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(kāi)關(guān)型驅(qū)動(dòng)電路需要大電容來(lái)進(jìn)行存儲(chǔ)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(shí)會(huì)產(chǎn)生熱量，這些熱量加劇電解電容的電解液的運(yùn)動(dòng)，縮短了鋁電解電容的正常使用年限。 　　(4)工作環(huán)境導(dǎo)致 　　目前，主流的LED驅(qū)動(dòng)是使用交變電源作為電源輸入的，對(duì)于一些大功率的LED驅(qū)動(dòng)電路，其變壓線圈會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，由熱量而產(chǎn)生了LED失效的溫度應(yīng)力。溫度應(yīng)力的時(shí)間模型見(jiàn)下公式： 　　其中M為溫度應(yīng)力，T為溫度，t為時(shí)間。 　　可見(jiàn)，溫度應(yīng)力隨時(shí)間和溫度呈指數(shù)式上升，電器使用時(shí)間越長(zhǎng)，溫度應(yīng)力就越大，由熱導(dǎo)致的失效率則越高。 　　2.2線性調(diào)整型 　　LED驅(qū)動(dòng)電路失效分析以圖1線性調(diào)整行LED驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行失效分析，線性LED驅(qū)動(dòng)一上電瞬間，AC電源需要對(duì)驅(qū)動(dòng)電路內(nèi)部的電容電感進(jìn)行充電，所以，上電瞬間會(huì)有一個(gè)比較大的電流通過(guò)熔絲和整流橋。由于Multisim仿真軟件只能仿真模擬量，對(duì)于環(huán)境熱量和濕度等均無(wú)法模擬。所以這次仿真只能從電參數(shù)這方面進(jìn)行模擬。這里加入兩個(gè)失效因素，浪涌電壓和浪涌電流，對(duì)上文所述的線性LED驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行失效仿真，加入浪涌電壓之后電路運(yùn)行情況的各個(gè)儀表參數(shù)。 　　由圖1所示內(nèi)容，可以讀出各個(gè)儀表的值。 　　Vi=250V；Vo=29.934V；Vled=8.415V； 　　Iled=34.606mA。 　　經(jīng)過(guò)多次仿真測(cè)試得出與正常情況下的LED驅(qū)動(dòng)電路電參數(shù)對(duì)比見(jiàn)表1所示。 　　從表1數(shù)據(jù)可以看出，當(dāng)電網(wǎng)上電壓波動(dòng)10%幅值，線性LED驅(qū)動(dòng)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(wǎng)上的電壓波幅幾乎沒(méi)有影響到線性LED驅(qū)動(dòng)電路的工作電壓。但是，其驅(qū)動(dòng)電流卻發(fā)生了巨大變化，驅(qū)動(dòng)電流較之正常輸入電壓增幅達(dá)4 0 %。這將導(dǎo)致LED超負(fù)荷工作，會(huì)減少LED燈珠的壽命，甚至可能會(huì)直接損毀燈珠。 　　2.3開(kāi)關(guān)型LED驅(qū)動(dòng)電路失效分析 　　以圖2線性調(diào)整行LED驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)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(guò)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(diǎn)讀出來(lái)的電壓為11.368V。低頻整流之后，電壓經(jīng)過(guò)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(lái)的就是LED的驅(qū)動(dòng)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(dòng)電壓理論值為6.6V。 　　從圖2讀出實(shí)際仿真的LED驅(qū)動(dòng)電壓為一個(gè)6.64V的直流電壓。與理論相符。 　　經(jīng)過(guò)多次仿真測(cè)試，可以讀出幾個(gè)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(dòng)電路電參數(shù)對(duì)比見(jiàn)表2所示。 　　從表2可以看出，當(dāng)電網(wǎng)上有浪涌電壓輸入時(shí)，開(kāi)關(guān)型LED驅(qū)動(dòng)電路，由于采用了良好的穩(wěn)壓措施，驅(qū)動(dòng)電路的電壓參量并未發(fā)生很大的變化，但是LED的驅(qū)動(dòng)電路變化交大，增幅達(dá)到100%。這將導(dǎo)致LED功率上升，使LED失效。 　　2.4失效解決方案 　　經(jīng)過(guò)前面幾個(gè)小節(jié)對(duì)LED驅(qū)動(dòng)電路的仿真分析可以總結(jié)出以下幾個(gè)有效的LED失效解決方案： 　　(1)對(duì)于浪涌電流和電壓，可以在電源輸入給加上一個(gè)熔絲和一個(gè)PTC電阻。PTC電阻就是正溫度系數(shù)電阻。當(dāng)電源輸入的初級(jí)電流有一個(gè)浪涌電流或者浪涌電壓輸入時(shí)，根據(jù)電阻的發(fā)熱公式Q=R*I^2*T，流經(jīng)PTC電流或者電壓的增加勢(shì)必會(huì)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(jí)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(duì)于室外使用的LED驅(qū)動(dòng)，還應(yīng)該加入防雷保護(hù)措施。 　　(2)對(duì)于驅(qū)動(dòng)器件的選擇，在成本范圍內(nèi)，應(yīng)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(shù)要保證是電路正常工作的額定值的2~3倍以上，具體參數(shù)具體選擇。以保證電路元器件有足夠的冗余來(lái)應(yīng)付突變的電參量。 　　(3)同時(shí)，應(yīng)該注意線路板的的布局，發(fā)熱量大的應(yīng)該隔開(kāi)布局，以減少熱量隊(duì)板子的影響。線路板應(yīng)該注意要防潮、防濕。 　　在一些特定的環(huán)境下，還應(yīng)做一些絕緣防潮的措施。 　　(4)對(duì)于開(kāi)關(guān)型LED驅(qū)動(dòng)電路，還應(yīng)該防止EMI帶來(lái)的失效?？梢酝ㄟ^(guò)加入X電容，共模電感、差模電感、低通濾波電路、屏蔽體等來(lái)消減EMI帶來(lái)的問(wèn)題。 　　結(jié)論 　　本文在分析兩種典型驅(qū)動(dòng)電路基礎(chǔ)上分別對(duì)線性LED驅(qū)動(dòng)電路和開(kāi)關(guān)LED驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)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(duì)LED驅(qū)動(dòng)電源影響比較大。尤其是驅(qū)動(dòng)電路這一部分。使LED驅(qū)動(dòng)電流增大超過(guò)其最大正向?qū)娏鳎筁ED燈珠失效。根據(jù)仿真分析結(jié)果，最終給出了合理的LED驅(qū)動(dòng)電路的失效方案。