2014 八月

LED照明系统中的保护元件

全方位静电保护(ESD)和过温保护

在LED照明系统的有效期内,若要发挥它们的潜能,降低系统维护成本,提高系统的可靠性,需对其进行静电和过温保护。爱普科斯(EPCOS)保护元件为LED阵列、及其电源和控制电路提供有效以及高性价比的保护。

LED为降低室内、外灯具能耗做出了决定性贡献。与传统光源,如荧光灯和HID灯相比,不仅 LED的能耗更少,而且其最大使用寿命更长——理想情况下长达80000小时甚至更长。因此,在一盏LED灯的正常使用寿命期内,传统照明系统的灯具将被更换多次。这意味着LED照明系统的维护成本更低,其整体系统的运行成本也更低。

影响LED照明系统可靠性的关键因素有:

  • 高低能量的静电释放(ESD)事件,包括雷电
  • 瞬态过流事件和浪涌
  • 热插拔过程中的电流和电压达到峰值
  • 反向电压作用
  • 温度过高

因此,若想LED照明系统同LED本身一样可靠耐用,系统的所有部件及其子系统必须得到有效防护以避免以上危害因素,这些危害因素在系统的组装、维护和操作过程中经常遇到。

LED照明系统的体系结构

LED灯具由LED引擎(LED阵列、阵列的LED驱动器及其控制单元)、LED电源和电网连接件组成。为了最大限度地提高效率和照明质量,确定灯具的状态,实现灯具的远程控制和维护,公司和设备管理人员正在部署越来越多的智能联网照明系统。也就是将通信电源和通信接口集成到灯具中。

每个子系统承受ESD事件和浪涌的能量等级决定了LED照明系统需要采用哪些保护装置,以确保系统的整体可靠性。图1即为LED照明系统各子系统及其适用保护装置的概略图。

图1:LED照明系统的基本结构及其必要的保护装置

在一个完整的LED照明系统中,爱普科斯(EPCOS)的多种不同的保护装置都适用于过压和过温保护。

高能量浪涌保护

通常情况下,爱普科斯(EPCOS) 的SIOV®压敏电阻一直以来是过压保护的首选方案。这些金属氧化物压敏电阻特别适用于LED照明系统的电源保护,防止系统电源受到高达750J高能浪涌的冲击。新的B20*和B25*系列SIOV压敏电阻是根据ANSI/IEEE C62.41.2和DOE MSSLC LED路灯光源模块规范的浪涌保护要求10KV/10KA的浪涌保护元件。这些系列的压敏电阻包括一起封装的三个或四个SIOV压敏电阻(图2)。目前B20*和B25*系列压敏电阻可以满足最大工作电压为320V、420V和510V。

图2:爱普科斯(EPCOS)SIOV压敏电阻的电源保护

爱普科斯(EPCOS)新的B20*和B25*系列压敏电阻特别适用于商用LED照明系统。它们将四个金属氧化物压敏电阻一起进行封装。

TDK是全球市场的领导者,旗下爱普科斯(EPCOS)的气体放电管和压敏电阻,其结构紧凑,在发生非常大的静电释放(ESD)事件时,例如雷击浪涌和其他瞬态浪涌,能够提供最可靠的保护。气体放电管上装上压敏电阻,提供了一个节省空间并达到性能最佳的集成解决方案。

爱普科斯(EPCOS) T系列热熔丝™(ThermoFuse™)压敏电阻,由单独封装的一个压敏电阻和一个热耦合熔丝串接而成,用于对电源输入端进行重点保护。假设压敏电阻过热,特殊塑料封装的热熔断器就会断开压敏电阻与电源电路之间的连接,防止进一步的起火和冒烟。T系列压敏电阻抗浪涌电流能力高达 10,000A,其最大能量吸收可达440J在2ms方波条件下。

低能量静电防护

传统意义上,TVS二极管在低于25J静电释放(ESD)事件中被用作电路保护。但是,随着对微型尺寸和插入高度、较宽温度范围内的可靠性能以及快速响应时间的要求越来越高,ESD保护的要求也正变得越来越苛刻。多层压敏电阻,如爱普科斯(EPCOS) CeraDiode®家族较传统TVS二极管的优势明显,并逐渐成为25J能量范围内ESD和浪涌保护的首选方案。陶瓷二极管可以被有效的使用,来满足相对于元件尺寸的耗能要求。

对于LED引擎来说,存在着多种设想配置。它可能包含有多达几百个串联、并联或串并联的发光二极管(LED)(图3)。串联的多个LED存在着风险,那就是当其中的一个LED发生故障,整个串联电路就会发生故障,导致灯光强度明显减弱。

由于具有非常低的寄生电容,陶瓷二极管(CeraDiodes)同样是灯具控制数据线ESD保护的最好选择。对于网络来说,因器件的移动、服务退出或更换导致其重新配置很常见,热交换情况也很常见,这些都会导致ESD事件的发生并出现电压达到峰值。在整个系统中采用陶瓷二极管(CeraDiodes)进行合理的ESD保护,是为了确保设备在规定的寿命期内保持其所有功能。

图3:LED驱动器的静电防护

每个LED照明系统都包含多个元器件。串联的LED具有天线效应,这使得LED阵列对ESD更加敏感。若LED引擎中的某个元件因ESD事件导致损坏而无法工作,此时向下成本会影响整个照明系统的成本。多层压敏电阻,如爱普科斯(EPCOS)的CeraDiodes是合适的保护装置。

陶瓷二极管(CeraDiodes)和TVS二极管的优势比较

CeraDiode单位体积/表面积的能量吸收能力强。其有效体积是TVS二极管的近三倍,TVS二极管只有CeraDiode 30%左右大小。因此,LED照明设计师可以利用更小的元件实现符合IEC 61000-4-2规定的ESD保护和保证它在浪涌电流冲击下的耐用性(图4)。CeraDiode符合灯具制造商的小型化需求。爱普科斯(EPCOS)封装尺寸为EIA 01005、0201和0402的最新陶瓷二极管(CeraDiode),非常适合保护LED照明设备中的LED引擎和阵列,同时能提供与TVS二极管一样的保护功能,封装引脚比TVS二极管要小。

图4:爱普科斯(EPCOS)陶瓷二极管(CeraDiodes)和TVS二极管的设计对比

爱普科斯(EPCOS)陶瓷二极管(CeraDiodes)元件体积的80%用于吸收ESD事件的能量,而该图中的TVS二极管只有30%。这也导致相同性能下陶瓷二极管(CeraDiodes)的空间需求更小。

鉴于ESD和瞬态干扰的各种不同形式,对LED照明系统提供双向保护通常是有必要的。作为一种压敏电阻,CeraDiode在单个元器件中提供双向保护功能,而TVS二极管本质上是单向的。因此,根据设计要求,我们必须在两个二极管中设计相同的保护功能。这使得CeraDiode在尺寸、成本和布局物流方面均具有优势。

在环境温度高达80 °C 时,陶瓷二极管(CeraDiode)的性能几乎不受影响。然而,TVS二极管的性能在室温时就开始降额。因此,陶瓷二极管(CeraDiode)能够确保LED电子在一个非常宽的温度范围内可靠运行。这不仅有助于灯具设计师减少系统所需空间,也有助于降低系统成本。对于特定的陶瓷二极管(CeraDiode)系列,在环境温度高达125 °C或更高时,它们的性能也不受影响。此外,陶瓷二极管(CeraDiode)在其很长的使用寿命中具有<0.5 ns的快速响应时间和高速脉冲吸收能力。

有效的温度保护

为了保持照明亮度,LED需要通恒定的电流,其温度必须精确控制在一个比较小的范围内。为了防止LED阵列过热,通过控制它们的温度以获得最佳的流明效率,爱普科斯(EPCOS)负温度系数(NTC)和正温度系数(PTC)热敏电阻被设计成表面贴(SMD)封装。这是通过自动调节流经LED的电流来实现的。由于它们的过板电流误差范围窄(±1%)以及响应时间短,要实现该目标需要对爱普科斯(EPCOS)新的小型贴面(SMD)负温度系数(NTC) 热敏电阻(外壳尺寸为环评(EIA) 0402或环评(EIA)0603)进行高精度测量。再加上智能电路,它们能够实现有效控制系统的设计。同温度极限传感器一样,爱普科斯表面贴装(SMD)正温度系数(PTC)热敏电阻为过温保护提供了另一种简单、可靠并且经济有效的方法。外壳尺寸为环评(EIA) 0402、EIA 0603和EIA 0805的产品,在传感温度从70 °C变化到145 °C时,具有较宽范围的R/T曲线,这让您能够轻松选择正确的设备。一个样品套件提供了全产品系列的样品(订货代码B59001Z999A99)。

在不含集成电路的简单LED驱动器的设计中,我们同样可以将正温度系数(PTC)热敏电阻与LED进行串联,以减小高温下LED的正向电流(图5)。在这类应用中,建议使用含铅或大型表面贴装PTC热敏电阻(外壳尺寸为EIA 3225或EIA 40321)。

图5: 无需IC的温度补偿LED驱动器

简单的说,对于没有IC做温度补偿回路的LED驱动,会有大量的电流经过PTC.

LED照明系统广泛的元件组合

TDK保护装置的完整产品线通过TDK和爱普科斯(EPCOS) 各种型号高性能的薄膜电容、多层陶瓷电容(MLCCs)、电感和变压器得到补充,使得室内外照明系统的结构紧凑、性能可靠,光源的寿命得以延长。

表:爱普科斯(EPCOS)LED照明系统中的陶瓷二极管(CeraDiodes)组合

每串LED数量订货代码表壳尺寸[环境影响评估
(EIA)
最大直流电压
[V]
电流1mA时
的击穿电压[V]
电流1A, 8/20µs
时的最大钳位电压[V]
1         B72440C0050A16002015.51122
2 ~ 4B72590D0150H0600402152366
5 ~ 6B72590D0200H0600402203080
7 ~ 10B72590D0360B06004023645130
11 ~ 20B72590D0700B060040270100290
21 ~ 26B72590D0900B060040290125350
27 ~ 48B72590D0201B0600402200230600

下载

分享(转载)

阅读更多