一種典型的LED照明驅(qū)動電路失效機理的探討

1.引言

　　近幾年從事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(qū)動研發(fā)的企業(yè)和人眾多，其技術(shù)水平參差不齊，研發(fā)出來的LED驅(qū)動電路質(zhì)量好壞不一。導(dǎo)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(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)動電路下，分析各種工作敏感參數(shù)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(jié)果。并從理論上給出失效的解決方案。

　　2.LED驅(qū)動電路原理

　　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?，所以對LED的供電電源有了一定的要求，這時LED驅(qū)動電路應(yīng)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，根據(jù)不同的劃分標(biāo)準(zhǔn)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。

　　2.1 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(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(dǎo)致驅(qū)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(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，生產(chǎn)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(shè)計上不需要考慮EMI問題。可以適用于低電流照明系統(tǒng)。

　　2.2 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)動電路來逐步分析開關(guān)型驅(qū)動電路的工作狀態(tài)。

　　從圖2可見，開關(guān)型L E D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N P N管，兩個管子復(fù)合組成開關(guān)調(diào)整器，C5、R2通過調(diào)整參數(shù)可以設(shè)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?？梢哉{(diào)整高頻脈沖的占空比，來調(diào)整設(shè)備輸出的能量。電流流經(jīng)電感時，會在L的兩端產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，當(dāng)電流消失時，感應(yīng)電動勢會在電路的兩端產(chǎn)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(yīng)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(zhǔn)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(dǎo)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。

　　從上面的分析可以看到，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。

　　3.LED驅(qū)動失效機理分析

　　3.1 LED驅(qū)動電路失效原因分析

　?。?）浪涌電流和浪涌電壓

　　由于驅(qū)動電路的開啟瞬間，電容充電需要很大的電流，而且其充電時間短，導(dǎo)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(dǎo)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。

　?。?）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。這對于半導(dǎo)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(chǎn)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(dǎo)致

　　目前，主流的LED驅(qū)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(qū)動電路，其變壓線圈會產(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)力的時間模型見下公式：

　　其中M為溫度應(yīng)力，T為溫度，t為時間。

　　可見，溫度應(yīng)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(yīng)力就越大，由熱導(dǎo)致的失效率則越高。

　　3.2 線性調(diào)整型LED驅(qū)動電路失效分析以圖1線性調(diào)整行LED驅(qū)動電路進行失效分析，線性LED驅(qū)動一上電瞬間，AC電源需要對驅(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，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(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)過多次仿真測試得出與正常情況下的LED驅(qū)動電路電參數(shù)對比見表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)，由于采用了合適的穩(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4 0 %.這將導(dǎo)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。

　　3.3 開關(guān)型LED驅(qū)動電路失效分析

　　以圖2線性調(diào)整行LED驅(qū)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(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1 N 4 7 3 5 A,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)過多次仿真測試，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)對比見表2所示。

　　從表2可以看出，當(dāng)電網(wǎng)上有浪涌電壓輸入時，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(dǎo)致LED功率上升，使LED失效。

　　3.4 失效解決方案

　　經(jīng)過前面幾個小節(jié)對LED驅(qū)動電路的仿真分析可以總結(jié)出以下幾個有效的LED失效解決方案：

　?。?）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(shù)電阻。當(dāng)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(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(qū)動，還應(yīng)該加入防雷保護措施。

　?。?）對于驅(qū)動器件的選擇，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應(yīng)付突變的電參量。

　?。?）同時，應(yīng)該注意線路板的的布局，發(fā)熱量大的應(yīng)該隔開布局，以減少熱量隊板子的影響。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。