室内LED灯具的电路保护设计

William+Shenberger

摘要：灯具设计需要针对过电流保护设计安全断开的小尺寸保险丝，本文介绍了室内LED灯具保护电路设计的相关要求及设计人员需要考虑的问题。

关键词：LED；电路保护；保险丝

DOI： 10.3969/j.issn.1005-5517.2017.8.017

引言

最初设计的室内LED灯具，设计人员面临着各种各样的技术挑战。这些瓶颈包括交直流逆变电路的功率转换、热功耗考虑/散热、当前灯泡尺寸的物理空间限制、瞬态电气脉冲，这些都是除了驱动LED发光的基本电路设计之外的技术瓶颈。这些挑战中最重要的一个是针对LED颗粒以及其上游电路中的所有主被动元件提供瞬态脉冲保护。这些瞬态脉冲通常是交流输入电路中的雷击感应浪涌。这些浪涌意味着LED灯具需要过流及过压保护。

1 LED灯具结构

对LED灯具的功能及高亮度的需求增长意味着驱动电路板上的器件越来越多。大功率LED驱动形成高亮度输出，同时会产生大量的热功耗，这意味着需要更大的散热片。因为LED灯具旨在与现有的白炽灯和CFL灯具（如通常用于家用照明的主流A19灯具）在封装形式上兼容，都包含有一條交流/直流变换的电源驱动电路，因此可以在标准灯具插座上使用（图1）。由于灯具内的元件和（或者）电路故障引起的短路或过载现象，都可能导致直接连接在交流电源中的任何元器件损坏。此外，雷击感应浪涌或开关机脉冲（灯具外部产生）产生的尖峰电压或振铃波会对灯具内部的元件造成压力并最终造成元件损坏。

一只LED灯具包括图2中所示的基本电路模块，其中从右到左依次为：

多晶片及单晶片LED颗粒采用串联连接配置，称之为LED灯串。多个串联LED灯串并联并由同一个电源驱动。

具有相应保护电路的LED灯串驱动电路中，包括串联在回路中的针对过流保护（OCP）的正温度系数（ PTC）电阻和并联在回路中的用于过压保护（OVP）的TVS二极管。

DC-DC电源转换电路中，包括在输入端上针对下游元件的次级过压保护的并联TVS二极管。

交流整流电路中，包括在输出端上针对下游元件次级过流保护的串联高压直流保险丝。

EMI滤波元件。

交流输入电路中，由火线（L）上的串联交流保险丝和火线（L） 零线（N）间并联的MOV组成。

2 LED灯具的电路保护

交流输入电路中，交流保险丝是灯具的主要过电流保护器件。如果针对所有必要的设计参数进行正确选择，当由于感应瞬变和短路/过载所导致的过度电性应力（EOS）产生时，这种保险丝通过将所有电路与交流输入安全地断开，充分保护所有下游元件免受损坏。

鉴于与LED灯具设计相关的空间限制，针对交流输入选择一个紧凑型的交流保险丝是至关重要的。保险丝的功能是在电流过载情况下可靠且可预测的熔断来为元件和完整的电路提供保护。换句话说，保险丝是电路中的薄弱环节。串联在交流线路输入端的交流保险丝能提供短路和过载保护。如今，交流保险丝具有广泛的额定电流与额定电压范围，可应用于最小的结构中。还有一系列其他的关键保险丝参数和可表面贴装的设计供使用，使设计工程师能够选择出满足所有应用要求的保险丝。

具有足够的12T额定值的交流保险丝是通过按照IEEEC.62.41标准要求的能源之星振铃测试所必需的器件。标称的热熔值12T（单位：安培平方秒，A2sec）规定了熔断保险丝熔丝所需的能量大小。通常，根据标称热熔值12T选择的保险丝适用于保险丝必须承受较短持续时间的大电流脉冲的应用。LED照明应用的浪涌抗扰度测试需要符合8x20“s的组合波形。即使其标称热熔值12T超过了波形能量的热熔值，不同的保险丝结构对浪涌事件也不会有相同的反应方式。例如，电力浪涌脉冲产生热循环，可以使保险丝产生机械疲劳从而缩短其寿命。

LED照明灯具的交流输入端的压敏电阻（MOV）是初级过压保护器件。如果针对所有必要的设计参数进行正确选择，它将可以通过钳制短时电压脉冲，保护所有下游元件免受因感应瞬变和环波效应所导致的电应力（EOS）的损坏。当由于感应瞬变和短时嵌位电压脉冲产生的振铃导致的过度电性应力（EOS）发生时，MOV保护所有下游元件免受损坏。MOV提供了一种最大程度降低瞬变能量的高性价比的方案，防止其可能会进入下游元件。正确的MOV器件选型要以诸多电气参数为基础，包括额定电压、峰值脉冲电流、能量等级、圆盘尺寸和引脚方式。

3 设计LED照明灯具需要考虑的问题

LED照明灯具的设计人员需要考虑各种重要的问题，针对交流输入电路选择合适的交流保险丝：

第一步是找到关于应用的一些技术问题的答案。在过去，理解和回答这些技术问题，然后通过元件规格书搜索针对某种应用选择合适的保险丝，这是一项非常令人困惑和耗时的工作。这些问题包括灯具的正常工作电流、工作电压、环境温度、过载电流水平和保险丝熔断需要的时间、最大允许故障电流以及脉冲、浪涌电流、瞬间热插拔脉冲、启动电流和电路瞬变等。

Littelfuse还提供一种以《保险丝选型指南》为基础的强大的在线选型工具- iDesign保险丝选型指南。它旨在帮助电路设计人员为它们的项目确定最佳的电子保险丝。iDesign工具提供了一种快速、直观的方法来确定适合应用的最佳元件，找出元件的说明文档，并订购元件样品以进行原型设计。它通过保险丝选型步骤，根据所提供的输入信息快速缩小可选范围，帮助设计人员选择到合适的保险丝。

在初始设计时，知道灯具将要出售的市场是至关重要的。根据灯具是否在美国、北美的其他地方，欧洲、亚洲或其他区域使用，设计和测试必须要满足不同的标准。

确定可能影响可使用的保险丝的尺寸限制。保险丝可以使用多种方法进行封装，但表面贴装设计是LED照明应用中最常见的封装形式。幸运的是，对于电路设计人员来说，现在可以使用更小尺寸的保险丝来保护交流输入，其中一些的尺寸只有以前可用的最小保险丝的一半。endprint

电流流过保险丝产生的温度随着环境温度的变化而增加或减少。请注意，保险丝的“环境温度”并非正如其名，等同于“室温”。相反，环境温度是保险丝周围空气的温度，通常远高于室温，因为保险丝可能会被封装在（例如在保险丝座中）或安装在LED板的发热部件附近。对于25摄氏度的环境温度，通常建议保险丝的工作电流不超过额定电流的75%。保险丝本质上是温度敏感的器件，所以当保险丝100%满载到额定值时，即使很小的温度变化也可能会极大地影响保险丝的预期寿命。

确定应用所需的分断能力。分断能力也可能被称为熔断额定值或短路额定值（12T值）。这是保险丝在额定电压条件下可以安全熔断的最大许可电流。在故障或短路状态下，保险丝可能承受一个远高于正常工作电流的瞬间过载电流。断开意味着完好无损（无爆炸或本体破裂）并切断电路。

确保在生产之前有足够的时间进行全面的应用测试和验证。如果初始设计没有通过其中任何一项测试，请确保在计划中有足够的余地来修改设计并重新测试。

最后，设计人员必须将保险丝与下游过压保护器件和LED灯串驱动电路配合好。在LED灯具设计过程之初，必须考虑到瞬态抑制。保险丝的选型必须要能满足规格定义的能量冲击，避免LED灯串驱动电路受到不利影响。交流输入电路上的保险丝和MOV，如果选型合适，当出现瞬态脉冲时，无需保险丝断开就能实现过压钳位保护、安全地保护下游电路，同时最大程度降低了对LED灯串驱动电路（包括LED灯串本身）的损伤。

然而，也有特定的LED照明灯具工作电路无法承受瞬态脉冲冲击。在这些情况下，正如在前面关于DC-DC转换器模块的内容中所指出的，添加一个用于过压保护的辅助次级TVS_极管是一种经过验证方案，可进一步钳制MOV的“残压”能量。在最极端的情况下，甚至还有一个额外的过流保护器件（如图2的中部所示，交流整流模块中的高压直流保险丝）和LED灯串中的过流保护器件（与LED灯串串联的PTC）、过压保护（与LED灯串并联的TVS二极管）以及LED开路保护（与LED晶粒并联的单个PLED），以提供更强劲的电路保护。

保险丝与过压保护和LED驱动器的搭配。

瞬态电压抑制必须是初始设计过程的一部分：所选择的的器件必须能够减少瞬态脉冲能量，抑制住脉冲电压，从而使驱动电路不受影响。

TVS二極管是最常用的一种抑制器件。TVS二极管专门设计用于保护电子电路，防止瞬态过电压。作为一种硅半导体雪崩器件，它既有单向也有双向。在单向TVS，特定的钳位特性只在一个方向上表现出来，在另一个方向上显示出的是类似于传统的整流器二极管的正向导通电压（VF）特性。LED照明电源（驱动器）通常在其电路中一个或多个位置上需要安装TVS_极管。

瞬态脉冲的破坏潜力是由其峰值电压、持续电流和脉冲宽度所决定的。当用于保护诸如驱动IC和LED晶粒等敏感元件时，瞬态抑制器的响应时间极为重要。如果瞬态抑制器响应速度慢，当系统上出现了快速上升的瞬态尖峰时，在抑制器开始动作前，通过被保护负载的尖峰电压就已上升并起到破环作用

在选择TVS_极管时，必须考虑以下几个重要的参数：

反向截止电压（VR）。其中最重要的参数是VR，其必须等于或大于被保护电路（或电路的一部分）的峰值工作电压。确保TVS在正常驱动电压下不会动作。

峰值脉冲电流（IPP）。IPP是TVS所能承受的最大安全脉冲电流，通常以诸如10 xiooo μs的指数波形为参照表示。lpp仅表示瞬态峰值电压除以源阻抗的值。

最大钳位电压（VC）。VC是基于参照的指数波形，在脉冲峰值电流（IPP）流过TVS器件时，TVS两端出现的峰值电压。

TVS_极管中的故障机制是短路。因此，如果TVS二极管因瞬态脉冲而出现故障，其所在的电路依然会受到保护。

4 结论

在LED灯具设计初期阶段就有完善的电路保护.并投入所需的时间和资源的设计人员将会收获成功的产品和更好的用户体验。由于交流保险丝、交流MOV和TVS二极管等元件的最新进展，到新一代设计人员诞生之前，下一代LED灯具就可能到来。endprint