LED灯具芯片的趋额电应力防护设计

1、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 ( electrical overstresseos) 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

2、、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。2 led 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

3、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 2 led 芯片损坏3 led 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

4、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 electrostatic discharge ( 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

5、，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。4 eos 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

6、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

7、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. 2 led 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

8、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 ( negative temperature coefficient) 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

9、，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

10、压在 470 480v 之间，通流容量 2 10ka 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

11、有 ntc 电阻器元件保护的电路的浪涌电 流对比。图 4 ntc 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 = 476v v1ma = 2. 2vac = 2.

12、 2 220v = 484v，因 此 压 敏 电阻电压可选在 470 480v 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 2 10ka 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

13、器的 imax 值。电路初始峰值电流计算公式如下:intcpeakvoutputmax n 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 vf n 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 / t 1 / 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

14、 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intcpeakvoutputmax n 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= 24 3 3. 320. 4= 0. 69 at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) ;tr 25 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

15、 为40 ，所选择 的 ntc 电阻器的最大 额 定 电 流 值为 1. 3 a，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 / t 1 / tr) ，我们 选 择 的 ntc 电 阻 器 在 40 环 境3000 ( 1 /313. 15 1 /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

16、 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 =

17、( voutputmax n vf ) / rntcintcpeak = ( 24 3* 3. 3) /20. 4 = 0. 69 a计算所得的 intcpeak 0. 69 a 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