LED驱动电源中压敏电阻的失效分析与改善对策

曲 杨，邹学军，鞠耀武，尤晓波，金小明

赛尔富电子有限公司，浙江 宁波 315103

0 引言

目前民用及商用电网线路经常会受到外界瞬时过电压干扰，干扰源主要包括由于通断性负载或启停大功率负载、线路故障等产生的操作过电压、由雷电等自然现象引起的雷电浪涌[1]。这种过电压（或过电流）被称为浪涌电压（或浪涌电流），是一种瞬变干扰。为了降低浪涌电压带来的危害，LED驱动电源一般会使用压敏电阻进行防护，但压敏电阻本身的失效又会带来起火的安全隐患[2]。文章通过分析LED驱动电源的压敏电阻失效案例，找到失效的根本原因，从而降低使用风险。

1 压敏电阻的工作原理及失效模式

1.1 压敏电阻的工作原理

压敏电阻是一种以氧化锌为主体、添加多种金属氧化物的典型的电子陶瓷工艺制成的多晶半导体陶瓷元件[3]。其是一种伏安特性呈非线性的敏感元器件，在正常电压条件下，相当于一只小电容器；当电路出现较大电压时，其内阻急剧下降并迅速导通，工作电流会增加几个数量级，从而保护电路中的其他元器件不至过压而损坏[4]。当电源输入端存在大浪涌能量时，压敏电阻晶界电子隧道效应可以抑制过电压峰值增长，吸收部分过电压能量，从而起到防护作用。压敏电阻具有高通流容量、低残压、无续流、成本较低等优点，常作为浪涌防护元件用在LED驱动电源入口[5]。

1.2 压敏电阻的失效模式

压敏电阻的失效主要有两种模式。一种为开路模式，如果电路中的浪涌电流超过压敏电阻的承受能力，会使压敏电阻瞬间炸裂。开路模式不会引起压敏电阻燃烧，并且出现概率相对较低[6]。另一种为短路模式，大体上可分为老化失效和暂态过电压失效两种类型。

1.2.1 老化失效（高阻抗短路）

在压敏电阻长期使用过程中，受外界环境应力的影响，电阻体的低阻线性化逐步加剧，漏电流越来越大，且集中流入薄弱点，薄弱点的材料融化，形成1 kΩ左右的短路孔后，漏电流继续流入就会形成高热而起火[7]。

1.2.2 暂态过电压失效（低阻抗短路）

指较强的暂态过电压使电阻体穿孔，导致阻抗变小，更大的电流流入电阻体，使其高热起火，整个过程在较短时间内发生。短路模式是引起压敏电阻起火燃烧的主要原因，可以导致LED驱动电源发生火灾事故[8]。

2 LED驱动电源中压敏电阻的失效案例

2.1 案例概况

失效描述：同一商场出现较多LED电源失效，且使用时间不到一年。

失效模式：LED驱动电源中的7D471压敏电阻短路，保险丝断开，其他元器件都正常。

2.2 失效原因

首先对失效样品进行分析，初步判断是由压敏电阻短路引起保险丝断开。压敏电阻失效的原因主要有三种：浪涌电流击穿、老化失效、暂态过电压失效。

2.2.1 浪涌电流击穿

对压敏电阻7D471进行浪涌测试。浪涌试验进行到2 kV电压时，压敏电阻失效，且失效现象为开路，但与现场失效样品有较大的差别。

2.2.2 老化失效

压敏电阻老化导致耐压逐渐下降，电阻体内的漏电流缓慢增加，也会引发压敏电阻的燃烧。但漏电流较小，一般Fuse（保险管）无法断开；压敏电阻老化失效现象不会在很多样品中同时发生，基本排除老化失效的可能。

2.2.3 暂态过电压失效

制作一个简易电路板，安装7D471压敏电阻，串联2A保险丝，输入端接交流高压，输入为300 V，持续1 min，压敏电阻正常；输入为320 V时，持续1 min，压敏电阻正常；输入为340 V时，5 s左右，压敏电阻冒烟燃烧起火，保险丝断开。

从试验结果可以看出，对压敏电阻进行浪涌测试及暂态过电压测试，都会使压敏电阻失效。从失效后的表现来看，暂态过电压引起的压敏失效与现场失效的情况类似。

2.3 分析小结

通过前面的分析，可以断定是暂态过电压引起压敏短路失效，而这个暂态过电压可能是商场大型用电设备在通断电过程引起的电网电压瞬时波动，且电压波动范围超过了压敏电阻的工作电压，进而使压敏电阻出现短路失效。

3 LED驱动电源中压敏电阻的改善对策

针对暂态过电压引起的压敏电阻失效，需提高压敏电阻的工作电压规格，由471型升级到561型压敏电阻。需要注意压敏电阻泄放的残留电压是否对后端反激线路中的MOS管器件有击穿的风险，尤其是单级LED驱动电源和反激线路中使用Cool MOSFET管的LED驱动电源。

3.1 在有PFC线路的LED驱动电源中的应用

在有PFC线路（有电解电容器件）两级架构的LED驱动电源AC输入端口更换561型号压敏电阻时，由于PFC线路电解电容的存在，可以吸收大部分的压敏电阻泄放的残压能量，使得冲击到后端MOS管器件上的电压相对较低。

为某款LED驱动电源（有PFC线路）更换561型压敏电阻，在1 kV浪涌试验时，监测到MOS管（器件规格是800 V耐压）D-S端的最大电压为765 V，满足使用要求。

3.2 在单级无PFC线路的LED驱动电源中的应用

为某款单级无PFC线路的LED驱动电源更换561型压敏电阻，在1 kV浪涌试验时，监测到MOS管（器件规格是800 V耐压）D-S端的电压为940 V，超过800 V MOS管的耐压规格，使用风险比较大。

对于单级无PFC线路的LED驱动电源，选择压敏电阻型号时需要权衡风险。实际使用环境条件良好，电网出现浪涌概率较小，可以居家使用，对产品失效率要求不高时，设计考虑使用10D511型+800 V平面MOS管；应用场所电网电压不是很稳定，对产品可靠性有高要求的客户，设计可以考虑使用10D561型+残留电压吸收保护线路，如图1所示。其中，F1是过流保险丝，MOV1是561型压敏电阻，R是线绕电阻，C是电解电容，D是普通二极管，L是电源输入火线，N是电源输入零线。

图1 残留电压吸收保护线路

某款单级无PFC线路的LED驱动电源使用10D561+残压吸收保护线路（电解电容使用450 V/15 μF），在1 kV浪涌试验中，MOS管（器件规格是800 V耐压）D-S端的电压只有750 V左右，没有超过反激线路中MOS管的800 V耐压要求。10D561压敏电阻+残压吸收保护线路的设计既避免了单级LED驱动电源暂态过电压失效，又避免了升级压敏电阻规格带来的浪涌残压对线路后端MOS管冲击的问题，从而提高了LED驱动电源的可靠性。

3.3 561型压敏电阻应用尺寸的选择

压敏电阻上都会印有型号信息，如压敏电阻上标示14D561K，其中，“14”代表压敏电阻的直径为14 mm；“D”代表阀片为圆形；“561”代表压敏电压值，即56乘10的1次方，压敏电压为560 V；“K”代表压敏电阻的误差为10%。根据直径大小，压敏电阻分为5D系列、7D系列、10D系列、14D系列、20D系列、25D系列，LED驱动电源一般使用7D、10D的压敏电阻。压敏电压相同时，表面积不同，其通电流能力不同。例如，10D561K和7D561K的压敏电阻在做8/20波形冲击时，7D561K压敏电阻的通电流标准是1 200～1 750 A（正负变化率不超过10%），而10D561K压敏电阻的通电流标准是2 500～3 500 A的（正负变化率不超过10%），这表明在受到同样的浪涌电流冲击时，10D561K压敏电阻比7D561K压敏电阻失效的概率更低，从提升LED驱动电源可靠性的角度来看，建议选择10D系列的压敏电阻。

3.4 561型压敏电阻与气体放电管的串联使用

在部分浪涌防护设计中，会用到压敏电阻与气体放电管串联组合的模式，这种设计更适用于室外大功率电源的雷击浪涌防护，在室内小功率LED驱动电源上需要谨慎应用。

某款单级无PFC线路的LED驱动电源，电源输入端口使用561型压敏电阻与400 V玻璃气体放电管串联的防护模式。试验结果表明，在1 kV浪涌试验时，监测到后端反激MOS管D-S电压达到950 V左右，说明这种浪涌防护模式没有起到降低浪涌残压的作用。这是因为气体放电管反应时间比较慢，并且在浪涌能量级别较小时，气体放电不能快速被击穿放电，导致压敏电阻与气体放电管处于开路状态。因此，在小功率LED驱动电源上，不建议使用561型压敏电阻与气体放电管串联的浪涌防护方案。

4 压敏电阻失效起火的应对方法

从压敏电阻的失效模式可知，无论是暂态过电压失效还是老化失效，一旦压敏电阻的内部形成短路孔，继续通入电流就会引起高温、冒烟甚至燃烧。其中，暂态过电压失效表现形式是低阻抗短路，电路中电流会迅速增大，一般会使驱动电源端口的过流保险丝断开，起到保护作用；压敏电阻的老化失效是高阻抗短路，多次的浪涌电压冲击会引起压敏电压下降，虽然压敏电阻内部形成短路孔，但阻抗还是比较高，漏电流只会缓慢增加，通常漏电流达到100 mA以上就会发热起火。由于漏电流比较小，电源端口的过流保险丝无法断开电路，压敏电阻会处于缓慢燃烧状态，造成安全风险。

只用过流保险丝防护压敏电阻失效起火的方法不可靠，可以考虑从温度方面入手。压敏电阻的失效前兆是其表面温度的快速提升，温度的提升速度快于漏电流的提升速度，故采用温度保险丝切断电路的方式最合适，可以让因失效处于过度发热状态的压敏电阻及时脱离电路，从而避免连环式火灾的产生。目前市面上应用比较多的是带温度保险的压敏电阻，把合金型温度保险丝与压敏电阻串联后，置入壳体用环氧树脂灌封，由于合金型温度保险丝具有阻抗低和耐脉冲电流能力强的优点，与压敏电阻之间有很好的热耦合等特性，不仅能对压敏电阻的高阻抗短路失效起到很好的保护效果，还能应对压敏电阻的低阻抗短路失效问题。

5 结束语

压敏电阻作为浪涌防护器件在LED驱动电源上应用时，需要考虑其失效模式，在电网电压波动范围较大的场所，需要使用更高规格的压敏电阻，避免暂态过电压使压敏电阻失效；也要考虑提高规格的压敏电阻，其残留电压更高，后端元器件有被电压击穿的风险。对于压敏电阻老化失效带来的起火风险，在设计成本允许的情况下，可以考虑选用带温度保险丝的压敏电阻。总之，压敏电阻具有独特的失效特性，在LED驱动电源中应用时需要权衡考虑，避免失效后引起火灾发生。