檢測(cè)和處理LED照明的故障

 　　無(wú)論工程師如何努力去避免，部件失效總會(huì)出現(xiàn)的，而LED燈具也不例外。對(duì)于LED照明解決方案的預(yù)期成本和可靠性來(lái)說(shuō)，避免短路或開(kāi)路帶來(lái)的系統(tǒng)停機(jī)是至關(guān)重要的。由于LED燈具通常采用多個(gè)LED組成的燈串，所以一個(gè)開(kāi)路LED會(huì)引起整串LED變黑。

　　要搬動(dòng)設(shè)備和進(jìn)行交通改道以修復(fù)交通燈的成本非常昂貴。分散在一個(gè)建筑物或地區(qū)中的照明系統(tǒng)若出現(xiàn)故障可能不會(huì)被重視, 但卻會(huì)造成安全和保安風(fēng)險(xiǎn)。因此，使用監(jiān)控照明系統(tǒng)以增加正常運(yùn)行時(shí)間或減少停機(jī)時(shí)間，是獲得積極的客戶評(píng)價(jià)和快速采用LED照明解決方案的關(guān)鍵。

　　檢測(cè)和監(jiān)控

　　處理故障首先需要進(jìn)行檢測(cè)，這是維持照明系統(tǒng)功能性的最基本步驟。對(duì)于LED，電壓是檢測(cè)單個(gè)LED狀態(tài)的最容易測(cè)量的參數(shù)。用于故障感測(cè)，通狀態(tài)的LED電壓可提供給檢測(cè)開(kāi)路或短路LED時(shí)使用。

　　如上所述，單一LED的開(kāi)路故障不僅是單一器件的照明損失，還會(huì)擴(kuò)大為基于典型照明配置的整串LED的損失。相反，如果在短路情況下，其它LED則可以繼續(xù)運(yùn)作，減少了被檢測(cè)出故障的可能性，但是會(huì)讓查看故障的人留下系統(tǒng)不可靠的印象。

　　主動(dòng)監(jiān)控和檢測(cè)提供了系統(tǒng)管理功能，因其快速檢測(cè)故障并維修能夠最大限度地減少對(duì)功能性和停機(jī)時(shí)間的影響。要有效地檢測(cè)故障，必須檢查照明燈具中的每個(gè)LED，而這需要一個(gè)與多個(gè)LED連接，同時(shí)將LED故障位置的狀態(tài)或故障檢測(cè)信息傳遞到電路和系統(tǒng)的解決方案。

　　對(duì)于在各種應(yīng)用中不同長(zhǎng)度的LED串，必須使用靈活的多通道IC解決方案。這款解決方案必須能夠在任意LED串電壓范圍(這取決于LED串中的LED數(shù)目)和寬范圍的LED工作電流下工作，無(wú)論故障是發(fā)生在LED串內(nèi)的什么位置，它都必須能夠傳達(dá)并且具有一個(gè)結(jié)合來(lái)自多個(gè)LED串的故障信號(hào)的機(jī)制。

　　最直接的方法就是使用局部供電電路來(lái)進(jìn)行檢測(cè)，然后使用一個(gè)級(jí)聯(lián)電流信號(hào)作為故障指示。在LED串中， IC解決方案可以設(shè)計(jì)讓位于LED串頂部的芯片，從主LED供電總線中獲取故障電流，并且向LED串中位于它下部的芯片發(fā)送開(kāi)/關(guān)故障電流指示。在LED串的底部，故障/無(wú)故障電流被放到一個(gè)電路中，用來(lái)提供應(yīng)用所需的最終指示。一個(gè)級(jí)聯(lián)多通道示例如圖1所示，使用AAL406 LED故障檢測(cè)和旁路保護(hù)IC。

　　圖1 最直接的方法是使用局部供電電路進(jìn)行檢測(cè)，然后使用一個(gè)級(jí)聯(lián)電流信號(hào)作為故障指示。

　　一個(gè)壞的LED損壞整個(gè)LED串

　　在燈具中，一個(gè)開(kāi)路LED會(huì)引起整串LED失效，這是一個(gè)嚴(yán)重的問(wèn)題。一個(gè)維持LED串功能性的方法就是提供一個(gè)圍繞開(kāi)路LED的旁路路徑，允許LED串的剩余部分繼續(xù)工作。最簡(jiǎn)單的LED旁路方法是使用一個(gè)跨接LED的雙引腳SCR連線，由于SCR柵極觸發(fā)電壓約為1V，電壓過(guò)低不能直接使用，所以需要增添一個(gè)齊納二極管來(lái)提高觸發(fā)電壓(參見(jiàn)圖2)。

　　如果LED開(kāi)路，其兩端的電壓會(huì)上升，直到達(dá)到SCR柵極電壓并動(dòng)作，然后提供一個(gè)圍繞開(kāi)路LED的鎖定通道(LED使用DC電壓和電流驅(qū)動(dòng)，因而它們無(wú)需增添使用TRIAC進(jìn)行旁路的復(fù)雜性)。SCR將保持工作，直到電流下降到SCR特定保持電流之下。這種方法適用于DC LED串電流，這是LED的通常狀態(tài)。在LED串使用PWM開(kāi)/關(guān)調(diào)光時(shí)，SCR在每個(gè)PWM循環(huán)重置并重新動(dòng)作，因而不會(huì)影響功能性，同時(shí)降低了功率損耗。

　　圖2：最簡(jiǎn)單的LED旁路方法是使用一個(gè)圍繞LED的雙引腳SCR連線，由于SCR柵極觸發(fā)電壓約為1V，太低而無(wú)法直接使用，所以需要增添一個(gè)齊納二極管來(lái)提高觸發(fā)電壓。

　　上述方法對(duì)于應(yīng)用具有某些限制和要求，以確保其正常的運(yùn)作。LED串必須使用類似電流源來(lái)供電，如果發(fā)生開(kāi)路，LED電壓將會(huì)上升。此外，電壓上升必須高于旁路功能的觸發(fā)電壓。而且，LED串的電流路徑應(yīng)當(dāng)對(duì)瞬態(tài)電流有某些限制，原因在于SCR的快速動(dòng)作而LED則具有相對(duì)較低的負(fù)載阻抗特性。示例之一就是如果SCR工作于一個(gè)電容較大的總線，其電流路徑的阻抗較低時(shí)檢測(cè)就會(huì)失效。在一個(gè)IC中實(shí)施這類旁路和監(jiān)控解決方案，能夠以套件形式實(shí)現(xiàn)多個(gè)SCR的故障管理。當(dāng)中所感測(cè)的LED電壓用于開(kāi)路LED旁路SCR的動(dòng)作，也用于提供短路或開(kāi)路的故障感測(cè)。

　　圖3所示是如前所述基于IC的級(jí)聯(lián)電流故障檢測(cè)/維修方案的示意圖，請(qǐng)留意這個(gè)方法的一個(gè)缺點(diǎn)是不能與PWM調(diào)光無(wú)縫集成。當(dāng)LED串電流因PWM信號(hào)的緣故而為關(guān)閉/零時(shí)，由于跨接/通過(guò)LED的電壓/電流變化很大，檢測(cè)/報(bào)告將處于不確定的狀態(tài)。設(shè)計(jì)人員可以使用一個(gè)在級(jí)聯(lián)底部的附加電路，使用PWM信號(hào)來(lái)鎖定故障報(bào)告，同時(shí)LED保持工作/開(kāi)啟，并且在PWM信號(hào)強(qiáng)迫LED串電流下降為零時(shí)，忽略/保持故障狀態(tài)。

　　圖3 基于IC的級(jí)聯(lián)電流故障檢測(cè)/報(bào)告機(jī)制

　　散熱問(wèn)題

　　與任何電路一樣，設(shè)計(jì)人員需要考慮封裝和散熱問(wèn)題，請(qǐng)留意片上SCR具有大約1V的導(dǎo)通狀態(tài)電壓(與電流正相關(guān)，與溫度負(fù)相關(guān))，這意味著在0.3A電流下?lián)p耗為0.3 W。

　　將熱量散發(fā)到周?chē)諝庵袑?duì)于可靠性是至關(guān)重要的，典型的塑料IC封裝對(duì)于上述功率級(jí)別是不足夠的，這個(gè)應(yīng)用中的IC封裝需要采取熱管理措施，但無(wú)需其它特別的措施。舉一個(gè)特定示例，AAL406器件在表面安裝SOIC 8引腳封裝中具有三個(gè)SCR和內(nèi)置故障感測(cè)，由于底部的金屬片，它與內(nèi)部芯片是熱耦合的，因此這個(gè)封裝具有出色的熱性能。通過(guò)在芯片底部PCB上敷設(shè)銅皮，并且將金屬片焊接在銅皮的頂部，能夠大大提升熱傳遞性能。

　　要改進(jìn)熱傳遞應(yīng)當(dāng)使用標(biāo)準(zhǔn)鍍金通孔來(lái)連接頂部銅皮和IC下方的底部銅皮。在最差情形下，多個(gè)SCR具有較高電流負(fù)載的情況，熱要求可能更加嚴(yán)格。在這些情況下，將它們安裝在一個(gè)共同散熱片上，比如絕緣金屬基底(IMS)上，是一個(gè)可靠的解決方案。而所需的散熱水平取決于以下的預(yù)期，包括處理故障對(duì)比維修、在正常工作下處理工作電流對(duì)比故障的發(fā)生，工作溫度范圍、成本考慮因素和其它此類系統(tǒng)設(shè)計(jì)和運(yùn)作問(wèn)題。