LED 照明系統的質量自發明以來一直是一個問題，這也是它們早期未被用作家用照明系統的原因之一。近年來，全球 LED 燈的安裝量呈指數級增長，這主要歸功于 LED 照明的承諾：長壽命、高能效和節約成本。美國能源部網站稱，LED 燈泡的使用壽命是傳統燈泡的 25 倍以上。盡管 2012 年美國安裝了超過 5000 萬盞 LED 燈，但許多 LED 在短短幾個月內就失效，引起了消費者的憤怒。

2013 年，由于 LED 照明系統技術的進步，第一個 LED 燈泡獲得了能源之星認證。獲得能源之星認證的 LED 燈泡意味著該系統已滿足可靠性、性能和節能要求——這是一個巨大的要求轉變。

工程師如何能夠滿足能源之星認證要求并克服過去阻礙 LED 系統的許多障礙？隨著技術的進步，保護裝置能夠更好地抵御 LED 照明系統性能和可靠性的主要威脅。通過確定最適合應用要求的保護器件并將其集成到 LED 設計中，工程師能夠抵消對 LED 系統的威脅，例如靜電放電 (ESD) 和熱問題。讓我們來看看使用高質量的保護器件——尤其是二極管、變阻器和熱敏電阻——如何有助于提高 LED 的可靠性、性能、能效和成本節約，進而，

LED 系統概述

LED 燈泡（或更專業地說，燈具）由三個基本子系統組成：LED 電源、電網電源輸入連接和 LED 引擎。LED 引擎可以進一步細分為 LED 陣列、LED 驅動器和控制單元。

在過去幾年中，智能 LED 燈具由于具有遠程控制和維護等功能而受到歡迎。因此，第四個子系統——通信電源和接口——通常集成到燈具中。該設計允許客戶部署智能網絡照明系統，最大限度地提高照明效率和質量，并跟蹤每個燈具的狀態以進行維護。

影響 LED 質量的因素

有幾個因素會影響固態照明，包括應力、封裝相關和組件相關問題。設計和制造 LED 照明系統的公司必須考慮這些因素。影響 LED 照明系統可靠性的主要威脅有五個：

靜電放電 (ESD) 事件，包括閃電

瞬態過流和浪涌

熱插拔期間的電流和電壓尖峰

反向電壓效應

熱問題，例如長時間在高溫下運行

為使 LED 照明系統可靠，所有組件和子系統都必須在組裝、維護和操作期間得到充分保護，免受這些危險。

LED保護解決方案

隨著 LED 照明系統技術的成熟，工程師們開始將高質量的保護器件集成到他們的 LED 設計中，以防止高能量和低能量浪涌、ESD 事件和熱應力對 LED 陣列、它們的電源和控制電路產生不利影響。這些保護裝置的集成使 LED 照明系統具有更高的可靠性、更低的維護成本和更長的產品使用壽命。

通過評估 LED 設計的應用要求，工程師可以確定最合適的保護器件來提高 LED 的性能和可靠性。圖 1顯示了工程師如何在 LED 燈具的系統架構中使用二極管、變阻器和熱敏電阻的示例。

圖 1：帶有 ESD 和熱保護裝置的基本 LED 照明系統架構。（來源：TDK 公司）

二極管和變阻器

二極管和壓敏電阻器（也稱為變阻器）的開發旨在應對許多應用的獨特設計挑戰。這些解決方案通常堅固耐用，占地面積小得多，并且可以防止某些類型的浪涌電流。

TDK Corporation 的 EPCOS CeraDiode? 設計用于以比瞬態電壓抑制 (TVS) 二極管更好的速率吸收高能量，并且占位面積更小（圖 2）。該產品 80% 的元件體積用于吸收能量 ESD 事件，優于標準 TVS 二極管的 30%，并且具有相同的性能。因此，如果非標準部件有助于最大限度地減少空間需求并提供相同或改進的性能，則應予以考慮。這在需要小型化、可靠保護和高性能的應用中尤為重要。

圖 2：用于防止 ESD 事件的專用或非標準組件示例。（來源：TDK 公司）

熱敏電阻

熱敏電阻或熱敏電阻器是用于測量溫度的高精度傳感器。有兩種類型的熱敏電阻：

負溫度系數熱敏電阻 (NTC)

正溫度系數熱敏電阻 (PTC)

這兩種熱敏電阻的區別在于，NTC 熱敏電阻的電阻會隨著溫度升高而降低，而 PTC 熱敏電阻的電阻會隨著溫度升高而升高。

NTC 熱敏電阻采用表面貼裝設計 (SMD) 封裝，可防止 LED 陣列過熱，并有助于在峰值流明效率下控制其溫度曲線。NTC 熱敏電阻通過自動調節 LED 的電流來提供熱保護。與智能電路一起，它們可以實現有效的控制系統（圖 3）。

圖 3：不帶 IC 的溫度補償 LED 驅動器示意圖。（來源： TDK 公司）

在沒有集成電路的溫度補償 LED 驅動器設計中，PTC 熱敏電阻可以通過將它們串聯到 LED 來降低正向電流的高溫。在這樣的設計中，大部分 LED 電流流經 PTC 熱敏電阻。

發光二極管設計

工程師可以通過將保護器件集成到他們的設計中來防止對 LED 可靠性產生不利影響的因素。以下是一些示例，說明將保護器件集成到 LED 設計中如何抵消對 LED 照明系統的主要威脅。

靜電放電

LED 引擎可以由數百個 LED 組成，這些 LED 通常是串聯串、并聯串或兩者的組合。如果串聯燈串中的一個 LED 發生故障，則整個系列都會發生故障。這是因為串聯燈串中的 LED 會產生天線效應，使陣列對 ESD 事件更加敏感。多層變阻器可以防止此類事件發生。

針對 ESD 和瞬態干擾的雙向保護

多層變阻器是針對 ESD 和瞬態干擾的雙向保護的絕佳選擇。典型的 TVS 二極管本質上是單向的，因此有必要在兩個二極管中進行設計。然而，壓敏電阻作為具有相同保護的單個元件提供雙向保護。在這種情況下，變阻器將為設計提供尺寸和成本優勢。

高能浪涌

工程師意識到他們需要一種方法來防止 ESD 事件和高能浪涌影響燈具。這些浪涌會導致直接故障（通常在連接處）和潛在損壞導致的退化率增加。四個子系統中的每一個都可能暴露于導致此類損壞的事件。

壓敏電阻長期以來一直是過壓保護的首選解決方案。這是因為電阻隨施加的電壓而變化。工程師應該選擇經設計能夠滿足最終應用條件的變阻器。

以電源的保護為例。金屬氧化物變阻器特別適合保護 LED 照明系統的電源免受較大能量浪涌的影響。該設計可能會指定采用緊湊型設計的變阻器，或針對雷擊等大的 ESD 事件提供保護。由于元件的苛刻性和維護成本，為路燈設計的 LED 照明系統應同時滿足 ANSI/IEEE C62.41.2 和 DOE MSSLC 模型規范的 LED 道路燈具。在這些情況下，電涌放電器與變阻器相結合可提供具有卓越性能的節省空間的集成解決方案。

在電源輸入連接中，由與熱耦合保險絲串聯的盤式變阻器組成的單一封裝最適合提供所需的保護。在這種情況下，如果變阻器過熱，封裝在塑料外殼中的熱熔斷器會將變阻器與電源電路斷開以防止火災，從而安全地關閉系統。

低能量和 ESD 放電

TVS 二極管多年來一直用于保護電路免受低于 25J（焦耳）的低壓 ESD 事件的影響。然而，多層變阻器與傳統 TVS 二極管相比具有顯著優勢。其中包括許多微型尺寸和插入高度、更可靠的性能、更快的響應時間以及在寬溫度范圍內更好的整體運行。工程師可以使用 TVS 二極管來滿足與元件尺寸相關的吸收要求。

電流和電壓尖峰

網絡經常被重新配置、移動、更換和離線維護。因此，熱插拔是一種常見的做法，而熱插拔會導致 ESD 事件和低電壓尖峰。具有極低寄生電容的多層壓敏電阻或 TVS 二極管是用于燈具控制的數據線的 ESD 保護的首選。這種二極管將確保設備在其指定的使用壽命內保持完整的功能。

熱應力

在大多數情況下，LED 照明系統的突然故障是由熱應力引起的。LED 的溫度必須控制在狹窄的范圍內，以提供不間斷的亮度。熱敏電阻提供了一種準確且經濟高效的溫度測量方法。

保持燈亮

隨著 LED 技術的不斷成熟，設計工程師可以通過簡單地確定應用所需的最合適的保護器件來越來越多地防止影響 LED 可靠性的高能和低能浪涌和 ESD 事件。此外，他們還可以規劃應用中所需的適當溫度保護，從而以非常真實的方式保持燈亮。

因此，它們將有助于實現美國能源部關于 LED 的使用壽命應比傳統照明系統長 25 倍的說法。

審核編輯：湯梓紅