LED灯具芯片的趋额电应力防护设计教学内容.doc

Good is good, but better carries it.精益求精，善益求善。LED灯具芯片的趋额电应力防护设计-LED灯具芯片的趋额电应力防护设计何鹏刘自力李鹏(天津施莱德照明器材公司，天津300000)1引言目前大部分的LED灯具设计师在设计灯具时对灯具的散热设计、配光设计、电气控制设计十分注意，但并没有认识到LED芯片的过电应力冲击(electricaloverstressEOS)防护设计的重要性，认为LED灯具的EOS防护设计不但不是LED灯具的必须组成部分而且还会增加成本。然而过电应力冲击是在实际使用中灯具内LED芯片失效的主要原因之一，因而LED灯具设计工程师必须考虑在满足灯具外形尺寸、成本、照明效果等要求的前提下，为LED灯具提供最有效的EOS保护设计。以下就LED灯具EOS的故障现象、产生原因、解决办法予以简单论述。2LED的EOS故障现象EOS指所有的过度电性应力，是指电子元件被施加的电流或电压超过该元件的最大规范条件时，其性能会减弱或损坏，LED损坏与EOS的次数或持续时间长短无关，因为任何一次EOS事件都可能导致LED损坏。这种损坏可以表现为器件立即失效，也可能在发生EOS事件后许久后才失效。LED芯片的小型化和LED灯具内部电器结构的复杂化正使这一问题变得更加严重。灯具内LED芯片的EOS故障主要有以下两种表现现象:2.1焊接线损坏EOS导致的第一种失效模式是LED封装内部的焊接线受损，如图1所示。这种损坏通常表现为接线烧断。此外，EOS事件还能导致靠近焊接线的其他材料损坏，例如密封材料或荧光体。2.2焊盘附近损坏EOS导致的另一种失效模式是LED芯片本体靠近焊盘的位置受损，如图2所示。-图1接线烧毁图2LED芯片损坏3LED发生EOS故障的主要原因LED芯片发生EOS故障的原因有多种，包括过电压、闪电、来自其他设备的脉冲信号干扰、灯具组装时不恰当的工作方法、接地点不够导致电流快速转换引起高电压等情况都会引起EOS故障。但以下两种情况是LED灯具生产与使用过程中造成EOS故障的主要原因:1)静电放电electrostaticdischarge(ESD)，静电放电是大多数电子元件在生产、运输、加工过程中不可避免的风险，虽然目前大多数的LED芯片自身已经包含防静电干扰的设计(一般为2kV)，但静电放电依旧是LED芯片在灯具生产环节损坏的主要原因。2)短时间的过负荷，即短时间内LED的输入电压或电流超过其额定值(浪涌电压或雷击)，它们发生时只持续极短的时间，通常不会超过一秒钟，类似的电压或电流称为尖峰电压或尖峰电流。短时间的过负荷是LED芯片在灯具正常使用过程中损坏的主要原因。4EOS故障的解决办法4.1静电放电对LED损伤的解决办法静电放电是LED芯片的一个隐形杀手，LED灯具生产过程中每一阶段的每一细小步骤都可能使LED受到静电的损伤，静电防护就是消除静电或把静电电压控制在允许的范围内，使它不致产生危害。生产过程中静电防护的主要措施为静电泄露、耗散、中和、增湿，屏蔽与接地。为了达到防静电的目的，LED灯具的生产环节应主要创造以下五个方面的基本条件:.保证车间生产人员的静电防护;.保证车间生产设备的静电防护;.努力使生产车间和周围环境达到防静电要求;.制定静电防护用品的技术标准，保证防护用品的质量;.完善制度，制定操作规范，建立起严格的内审检查制度，确保该体系得以实施，注重对员工的技术培训。在生产工艺方面，目前生产中关于电子零部件静电防护的技术已经比较成熟，关键是各项规章制度的严格执行。在元器件设计方面，大多数LED芯片自身包含防静电干扰的设计(即把静电保护元件设计到LED器件内)，例如CREE品牌的部分型号的大功率LED，设计者在硅片上，设计有静电保护二极管，这时硅片不但作为GaN的承载基体还起到静电防护的作用，采用这种芯片封装设计的LED静电防护可以达到2kV。因此只要依照防静电的各项制度要求进行操作，将静电防护工作当做一项长期的系统工程，防止任何环节的失误或疏漏，加上LED芯片有一定的防静电干扰功能，在生产过程中可以有效的防止静电放电对LED的损伤。4.2LED芯片短时间过负荷的解决方法预防尖峰电压或尖峰电流等LED短时间过负荷现象常用的器件有气体放电管、金属氧化物压敏电阻、硅瞬变电压吸收二极管、热敏电阻器等几种。目前实用的LED灯具防过负荷的设计方案分为两种，第一种为保险丝、压敏电阻组合形成的电源输入端保护电路，一般用在LED灯具电控系统的输入端，防止在正常运行时由于电源原因造成的LED故障;第二种为NTC(NegativeTemperatureCoefficient)负温度系数热敏电阻器过负荷保护电路，一般串联在LED芯片组成的照明电路中，防止LED灯具通电时造成的LED损伤。以下对这两种方法分别予以讨论:.如何防止在正常运行时由于电源原因造成的LED故障压敏电阻也称为“突波吸收器”是一种具有电压电流对称特性之电压属性电阻器，它主要的目的是用来保护电子元件免受尖峰电压或尖峰电流的影响。压敏电阻在常态时，对受保护的电子元件具有很高的阻抗，而且不会改变电路特性，但当瞬间尖峰电压出现(越过压敏电阻之崩溃电压时)，该压敏电阻之阻抗会变低(仅有几个欧姆而已)，并造成原线路短路，换言之电子产品或元件因此而受到保护。LED灯具电源输入端放入压敏电阻，如图3所示一但在正常运行时电网电压升高压敏电阻会不可恢复地击穿短路同时保险丝也将断开，从而有效的放止过电压进入受保护线路。定。因此LED灯具应选用压敏电压在470480V之间，通流容量210KA的压敏电阻。.如何防止LED灯具通电时造成的LED损伤在LED灯具刚刚通电后，会产生一种常见的过电流情况，这种情况被称为浪涌电流，可以采用在灯具内部电路使用NTC电阻器的办法实现LED灯具的浪涌电流保护(电气接线方式见图4)。具体而言就是灯具刚刚通电时NTC器件提供一个高电阻值来保护LED免受浪涌电流的损坏，在过渡时间之后，NTC电阻器其电阻会降低到可忽略不计的数量。图5可以明确的表示出受NTC电阻器元件保护的电路与没有NTC电阻器元件保护的电路的浪涌电流对比。图4NTC电阻器电气路接线图图3压敏电阻保护电路压敏电阻一般根据标称压敏电压V1mA和通流容量两个参数选择。所谓压敏电压，即击穿电压或阈值电压。指在规定电流(1mA直流电流通入压敏电阻器)时测得的电压值。V1mA=1.5Vp=2.2VAC式中Vp为电路额定电压的峰值;VAC额定交流电压的有效值。如LED灯具的额定电源电压为220V，则压敏电阻电压V1mA=1.5Vp=1.5×1.414×220V=476VV1mA=2.2VAC=2.2×220V=484V，因此压敏电阻电压可选在470480V之间。所谓通流容量，即最大脉冲电流的峰值是环境温度为25情况下，对于规定的冲击电流波形和规定的冲击电流次数而言，压敏电压的变化不超过±10%时的最大脉冲电流值。由于在许多情况下实际发生的通流量是很难精确计算的，所以根据实际经验LED灯具一般选用210KA的产品，具体数据应根据防雷的指标来确图5浪涌电流对比要选择最合适的NTC电阻器应先将电路初始峰值电流与NTC电阻器的最大额定电流即IMAX值进行比较，电路初始峰值电流应小于NTC电阻器的IMAX值。电路初始峰值电流计算公式如下:INTCpeakVoutputMAXN×VF)=RNTC式中INTCpeak电路出初始峰值电流VoutputMAX电源的最大输出电压N×VFN个LED在正常工作电流下所用的典型前向电压RNTC某一环境温度下的NTC电阻RNTC应使用下面的公式计算:B×(1/T1/TR)NTC电阻器能耗计算示例:在本例中，我们假设灯具内的环境温度为40，我们选择的NTC电阻器在40环境温度下的电阻为:RNTC=20.4欧姆，图4所示LED阵列包含3个350mA时典型正向电压为3.3V。依照公式RNTC=RR×eRR在25环境温度下，处于关闭状INTCpeakVoutputMAXN×VF=RNTC态下的NTC的额定电阻;B电阻器的温度系数，数值为3000;INTCpeak=243×3.320.4=0.69AT实际使用环境的开氏温度值，单位为K(开氏温度=摄氏温度+273);TR25的开氏温度值，单位为K(TR=25+273);e=2.71828。RNTC计算示例:在本例中，我们假设灯具内的环境温度为40，所选择的NTC电阻器的最大额定电流值为1.3A，其他相关参数为:RR=33欧姆，T=40+273，TR=25+273，那么根据公式RNTC=RR×eB×(1/T1/TR)，我们选择的NTC电阻器在40环境3000×(1/313.151/298.15)PNTC=0.69×0.69×20.4=9.52WPLED=3.6WP总=9.52W+3.6W=13.12W通过上述计算可见NTC电阻器的损耗站图4所示电路总功耗的72%。5结束语随着建设节约型社会理念的深入人心，半导体照明这一节能环保的新一代照明技术必将获得巨大的发展。不断进步的LED照明市场需要性能良好的灯具，因此正确的灯具设计是在不断发展的LED照温度下的电阻为:RNTC=33×e20.4欧姆电路初始峰值电流计算示例:=明市场中推出成功产品的关键。在灯具设计时如充分考虑各种干扰因素的影响会使灯具质量得到较大的保证，对灯具进行适当的过电应力冲击防护设计图4所示LED阵列包含3个350mA时典型正向电压为3.3V，以串联方式连接的LED。依照公式INTCpeak=(VoutputMAXN×VF)/RNTCINTCpeak=(243*3.3)/20.4=0.69A计算所得的INTCpeak0.69A要小于上文RNTC计算示例中所选NTC电阻器的IMAX值(1.3A)。因此所选的NTC电阻器能正常工作。在使用NTC电阻器提供浪涌电流保护时有两个设计难点需要注意。首先，当正常工作的LED灯具断开电源时，经过一段时间(通常在断电后几十秒)，NTC电阻器会冷却，它限制浪涌电流的能力也随之下降。因此如果在灯具断电大约1分钟后再次通电时有浪涌电流情况发生，NTC电阻器就无法提供非常有效的过电流保护。其次，NTC电阻器的能耗将会降低LED灯具的总效率，通过NTC电阻器所造成能量的损耗将取决于环境温度和所用的驱动电流，这种损耗可能会相当可观。恰恰能够大幅度的提高灯具的使用寿命与效率。目前，LED灯具的过电应力冲击防护设计还处在起步阶段，还存在大量的技术难点需要LED灯具设计师克服，而且过电应力冲击的防护设计还要与成本与生产工艺相结合。参考文献1低压电涌保护元件第311部分:气体放电管(GDT)规范GB/T18802.3112007/IEC61643311:20012GB19510.142009LED模块用直流或交流电子控制装置的特殊要求灯的控制装置第14部分3电子设备用固定电容器第14部分:分规范抑制电源电磁干扰用固定电容器GB/T1447219984吕俊霞，胡雪梅静电的预防措施和方法照明工程学报，201015杨奇勇，张建平，赵燕华LED照明产品及灯具的光学性能测试研究照明工程学报，2009，1