小功率LED驅(qū)動(dòng)器中的電路保護(hù)

引言

隨著全球范圍能源的緊缺，以及對(duì)環(huán)境保護(hù)的日漸重視，各個(gè)國(guó)家都提出了節(jié)能環(huán)保的目標(biāo)，綠色照明已經(jīng)成為各個(gè)國(guó)家的共識(shí)。2012年，日本政府將全面禁用白熾燈，中國(guó)臺(tái)灣地區(qū)也宣布，截至2012年底全面禁用高能耗的白熾燈泡。美國(guó)也將會(huì)從2012年開(kāi)始，禁售大多數(shù)白熾燈泡，并開(kāi)始逐步淘汰40W、60W及以上功率的白熾燈泡。由于LED照明具有高節(jié)能以及綠色環(huán)保等顯著優(yōu)點(diǎn)，而且LED燈的壽命可以長(zhǎng)達(dá)10萬(wàn)小時(shí)，所以對(duì)于照明領(lǐng)域，LED照明已經(jīng)成為不可逆轉(zhuǎn)的趨勢(shì)。針對(duì)LED燈的超長(zhǎng)壽命，驅(qū)動(dòng)電路的可靠性也日漸重要，本文介紹選擇正確保險(xiǎn)絲的一般流程，并通過(guò)實(shí)例探討小功率LED驅(qū)動(dòng)器中的電路保護(hù)問(wèn)題。

選擇正確保險(xiǎn)絲的一般流程

保險(xiǎn)絲在電路中主要有三項(xiàng)基本功能，即保護(hù)功能，承載功能和安全功能。

通常選擇保險(xiǎn)絲需要注意以下十大要素：

1.額定電流；

2.額定電壓；

3.工作溫度；

4.電壓降 / 冷電阻；

5.熔斷特性: 時(shí)間-電流特性和過(guò)載能力；

6.分?jǐn)嗄芰Γ?br />
7.熔化熱能值；

8.耐久性（壽命）；

9.結(jié)構(gòu)特征：外形/ 尺寸和安裝形式；

10.安規(guī)認(rèn)證

概括來(lái)講選擇正確的保險(xiǎn)絲應(yīng)當(dāng)具備適當(dāng)?shù)娜蹟嗵匦院皖~定電流；足夠而合理的抗浪涌能力；合適的分?jǐn)嗄芰?、額定電壓和安全認(rèn)證，同時(shí)還要協(xié)調(diào)好保護(hù)性能和耐浪涌能力之間的關(guān)系。

保險(xiǎn)絲從熔斷性能可分為快熔斷型和慢熔斷型兩種，快熔斷型保險(xiǎn)絲通常適用于沒(méi)有或很小浪涌的阻性電路或敏感器件的保護(hù)，慢熔斷型保險(xiǎn)絲則通常適用于開(kāi)關(guān)電源或者熱插拔時(shí)有浪涌電流的容性或感性電路。TE Connectivity 2410SFV系列保險(xiǎn)絲則是抗浪涌能力較大的中空型表面貼裝保險(xiǎn)絲，它可應(yīng)用在高電壓有較大浪涌脈沖的電路保護(hù)中。

目前工程師在選擇保險(xiǎn)絲時(shí)，都會(huì)選擇抗浪涌能力大的，即I2t值大的保險(xiǎn)絲，其實(shí)這是個(gè)誤區(qū)，選擇正確的保險(xiǎn)絲不是電流值越大越好，也不是I2t值越大越好，并不能簡(jiǎn)單根據(jù)慢斷還是快斷保險(xiǎn)絲來(lái)選擇，而是根據(jù)實(shí)際的I2t來(lái)選擇合適自己應(yīng)用的保險(xiǎn)絲。

圖1為選擇正確保險(xiǎn)絲的一般流程圖。圖2為計(jì)算浪涌電流I2t值常見(jiàn)的波形和公式。

圖1 保險(xiǎn)絲選擇流程圖

由此可見(jiàn)，選擇保險(xiǎn)絲不僅要考慮電流折減和最高工作環(huán)境溫度，而且還必須需要考慮接通電源所造成的電流浪涌，然后在穩(wěn)態(tài)電流計(jì)算值和瞬態(tài)電流計(jì)算值之間取較大者。

圖2 浪涌電流I2t值常見(jiàn)波形和公式

小功率LED照明中保險(xiǎn)絲選擇實(shí)例

雖然現(xiàn)在LED的壽命可以長(zhǎng)達(dá)10萬(wàn)小時(shí)，但是LED的高結(jié)溫會(huì)很大程度影響LED壽命，在LED照明設(shè)計(jì)中，LED目前的轉(zhuǎn)換效率仍為兩成左右，即有高達(dá)八成的電能會(huì)轉(zhuǎn)換成熱能。LED的溫度對(duì)光通量與波長(zhǎng)都會(huì)有一定的影響，但更重要的是溫度對(duì)LED本身壽命的影響，LED溫度越高其壽命會(huì)越短。因此散熱問(wèn)題仍舊是LED照明面臨的一項(xiàng)重要挑戰(zhàn)。

目前各大廠家采用的解決方案是用鋁基板來(lái)為L(zhǎng)ED散熱，因?yàn)殇X的導(dǎo)熱系數(shù)很高，可以有效將內(nèi)部熱量導(dǎo)出。通常，在設(shè)計(jì)散熱器時(shí)，散熱片表面積越大，散熱性能越好。在散熱器尺寸有限的情況下，加大散熱器溝道深度是增加表面積的有效方法。但伴隨散熱器溝道深度的增加，LED電源驅(qū)動(dòng)板的內(nèi)部安裝空間會(huì)相應(yīng)減少。這將驅(qū)使LED球泡燈的電源驅(qū)動(dòng)板朝小型化方向發(fā)展，這就要求元器件都能小型化，最好能采用貼片封裝的器件。

在TE Connectivity 2410SFV系列保險(xiǎn)絲問(wèn)世之前，在LED驅(qū)動(dòng)電路電源輸入端的保險(xiǎn)絲主要采用玻璃管保險(xiǎn)絲、小黑豆保險(xiǎn)絲或者M(jìn)icro型保險(xiǎn)絲，他們的共同特性都是插件形狀，占用PCB空間大，用玻璃管保險(xiǎn)絲有時(shí)還需要加配熱縮套管，這樣裝配成本就會(huì)大大增加。但是在TE Connectivity 2410SFV系列保險(xiǎn)絲問(wèn)世之后，如果在電源輸入端采用貼片型高壓保險(xiǎn)絲, 就可以顯著減少驅(qū)動(dòng)電路PCB空間。通過(guò)試驗(yàn)證明，在相同的LED驅(qū)動(dòng)電路板上，相比傳統(tǒng)的玻璃管保險(xiǎn)絲或者小黑豆保險(xiǎn)絲，采用TE Connectivity 2410SFV保險(xiǎn)絲會(huì)節(jié)省最高達(dá)80%的空間。通常LED驅(qū)動(dòng)電路板都會(huì)做成單面PCB，但是同時(shí)會(huì)用到插件和表貼的器件，所以有時(shí)候LED照明廠家也會(huì)用波峰焊來(lái)完成所有的焊接，這樣保險(xiǎn)絲就要承受高溫而不能脫落端帽，由于TE Connectivity 2410SFV系列保險(xiǎn)絲是采用FR4 PCB玻璃纖維強(qiáng)化環(huán)氧樹(shù)脂為基體的特殊工藝, 以PCB上的銅箔為端子架構(gòu), 再經(jīng)電鍍處理來(lái)完成整個(gè)流程，這樣有效避免了端子頭脫落的風(fēng)險(xiǎn)。因此TE Connectivity 2410SFV系列保險(xiǎn)絲滿(mǎn)足LED照明小型化的要求，而且通過(guò)UL安規(guī)認(rèn)證，也滿(mǎn)足LED的特殊工藝要求。

圖3是一典型的LED驅(qū)動(dòng)電路圖，采用Flyback電路結(jié)構(gòu)。圖中F1是用于過(guò)流保護(hù)的保險(xiǎn)絲，R1是用于抑制浪涌電流的NTC，NTC的參數(shù)可以按照具體應(yīng)用來(lái)確定，C5是用于交流轉(zhuǎn)成直流以及儲(chǔ)能的電解電容。浪涌電流的大小受圖3中電解電容值的大小、材質(zhì)，以及是否采用PFC方案來(lái)決定。通常，電解電容的容值越大，浪涌電流也會(huì)越大，電解電容的材質(zhì)越差，浪涌電流就會(huì)越大，如果LED驅(qū)動(dòng)方案采用PFC方案（包括有源和無(wú)源PFC），浪涌電流值就會(huì)相應(yīng)減小，反之亦然。

圖3 典型的LED驅(qū)動(dòng)電路圖