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【摘 要】本文介绍一种LED照明驱动电路失效机理的原理和方法.LED灯具失效分为源于电源驱动电路的失效和来源于LED器件本身的失效.在本文研究中,分析了典型LED电源驱动电路原理,并通过从在加入浪涌电压下的仿真实验,测得的LED驱动电路的各项参数指标进行失效分析,从而预测出各种实际工作中的敏感参数对失效的影响.最终,从理论的角度上给出LED器件本身失效的解决方案.
【关 键 词】LED驱动电路；失效机理；LED仿真；Multisim仿真
1.引言
近几年从事LED制造、和研发的人员大大增加.LED企业亦如雨后春笋般成长.由于从事LED驱动研发的企业和人众多,其技术水平参差不齐,研发出来的LED驱动电路质量好坏不一.导致LED灯具的失效时常发生,阻碍了LED照明的时常推广.LED灯具失效一是来源于电源和驱动的失效,二是来源于LED器件本身的失效.本文试着从实际的LED电源驱动电路这一方面,分析其电路的工作原理,然后试着从在不同环境下的LED驱动电路下,分析各种工作敏感参数对失效的影响,来进行失效模式的分析,最后,通过仿真来验证结果.并从理论上给出失效的解决方案.
2.LED驱动电路原理
LED是一种半导体材料制造而成发光二极管,只能够单向导通,而且其导通电压不高,正向导通电流也不能太大,所以对LED的供电电源有了一定的要求,这时LED驱动电路应运而生.实际使用中,大多数的LED产品都是使用交变电源作为LED驱动电路的电源输入,通过驱动电路变成稳压输出形式或者恒流输出形式的一种电路.LED驱动电路,根据不同的划分标准可以划分为很多类型,目前以电路的驱动原理,可以划分为两大类：一类为线性驱动电路,一类为开关型驱动电路.
2.1线性驱动电路
线性驱动电路原理图如图1所示,从结构上一般都包含了以下的几部分,整流电路,滤波电路,稳压电路.
图中运用全波桥式整流,使交变电源整流成单向的脉动电压.滤波电路采取RC滤波,由滤波电路滤波出来的电压值已经比较接近于直流电源了,但是,由于电网上的电压波动,导致驱动电路的输出电压发生波动,这对于LED来讲,是致命的.所以滤波之后的电压需要加上一个稳压电路.以使线性驱动电路可以保持比较平稳的电压来驱动LED.
在线性驱动电路中,LED的亮度与通过电流成函数关系,而与加在LED上面的压降无关.从上面的电路原理图可以看出,线性LED驱动电路,结构简单,易于实现,研发周期短,生产成本低,体积小巧,而且,由于没有使用很多的大容量电容和电感,电路设计上不需要考虑EMI问题.可以适用于低电流照明系统.
2.2开关型驱动电路
开关型驱动电路原理图如图2所示,是将输入的交变电压通过整流电路整流和滤波稳压之后,通过开关状态,来控制LED的电流或者电压,使LED可以平稳地发光.下面给出一个典型的开关型的驱动电路来逐步分析开关型驱动电路的工作状态.
从图2可见,开关型LED驱动电路可以划分为以下的几部分：低频整流滤波电路、自激振荡电路、稳压电路、取样脉宽调整电路和高频整流滤波电路等.
市电交流220V通过12V的变压器降压,然后经过桥式整流二极管3N258和电容C2组成低频整流滤波电路,转换成一个类直流电电源.功率三极管Q1、Q2、Q3和电容C5电阻R2组成一个自激震荡电路,其中Q2是PNP管,为脉宽调整管,Q1和Q3一个为PNP管,一个为NPN管,两个管子复合组成开关调整器,C5、R2通过调整参数可以设置器振荡频率.利用这个自激振荡电路,可以将类直流电源转化为一个高频的脉冲信号.高频信号的频率可以通过选频特性算出.可以调整高频脉冲的占空比,来调整设备输出的能量.电流流经电感时,会在L的两端产生感应电动势,当电流消失时,感应电动势会在电路的两端产生一个反向电压,若这个反向电压大于某些元器件的反向击穿电压时,将会损坏这些器件.利用一个续流二极管D2并联在电感的两端,通过R4和C6组成的回路,使这个反向的感应电动势有一个泄通回路.
R6、R7、R8组成的取样电路和R5、D3组成的基准源电路用来对高频信号进行脉宽的调整,来调节开关管的饱和导通时间,进而调整电源的输出电压.其中R7为可调电阻,方便对这个电压的调整.
从上面的分析可以看到,开关型LED驱动电路相比于线性驱动电路,效率高,而且输出的电流大,还可以通过调整脉宽来调整电流,输出的电流精度十分高,使LED亮度可以受控,适用于与大型的照明场合和电流输出比较打的场合.
3.LED驱动失效机理分析
3.1LED驱动电路失效原因分析
（1）浪涌电流和浪涌电压
由于驱动电路的开启瞬间,电容充电需要很大的电流,而且其充电时间短,导致的瞬间大电流；由于电网上的电压波动和浪涌电压的冲击,导致驱动电路上的二极管和电阻等器件的瞬间大电压.这可能会对LED驱动电路上的器件造成永久性的损伤.
（2）静电放电
静电放电,即ESD现象.由于电量在极短的时间内泄放,往往起静电泄放电压可以达到几千伏特.这对于半导体器件是致命的.ESD可能使LED灯或者驱动IC的内部结构发生损毁.
（3）元器件使用失效
由于开关型驱动电路需要大电容来进行存储电能,稳压,而大电容一般使用铝电解电容.铝电解电容的失效率较其它元件高,而且由于变压器和LED在使用时会产生热量,这些热量加剧电解电容的电解液的运动,缩短了铝电解电容的正常使用年限.
（4）工作环境导致
目前,主流的LED驱动是使用交变电源作为电源输入的,对于一些大功率的LED驱动电路,其变压线圈会产生大量的热量,由热量而产生了LED失效的温度应力.温度应力的时间模型见下公式：dM/dt等于Ae-E/KT（2-1）
其中M为温度应力,T为温度,t为时间.
可见,温度应力随时间和温度呈指数式上升,电器使用时间越长,温度应力就越大,由热导致的失效率则越高.
3.2线性调整型LED驱动电路失效分析
以图1线性调整行LED驱动电路进行失效分析,线性LED驱动一上电瞬间,AC电源需要对驱动电路内部的电容电感进行充电,所以,上电瞬间会有一个比较大的电流通过熔丝和整流桥.由于Multisim仿真软件只能仿真模拟量,对于环境热量和湿度等均无法模拟.所以这次仿真只能从电参数这方面进行模拟.这里加入两个失效因素,浪涌电压和浪涌电流,对上文所述的线性LED驱动电路进行失效仿真,加入浪涌电压之后电路运行情况的各个仪表参数.
由图1所示内容,可以读出各个仪表的值.
Vi等于250V；Vo等于29.934V；Vled等于8.415V；Iled等于34.606mA.
经过多次仿真测试得出与正常情况下的LED驱动电路电参数对比见表1所示.
从表1数据可以看出,当电网上电压波动10%幅值,线性LED驱动电路的工作状态就发生比较大的改变.从上图,可以发现,由于采用了合适的稳压电路,电网上的电压波幅几乎没有影响到线性LED驱（下转第46页）（上接第26页）动电路的工作电压.但是,其驱动电流却发生了巨大变化,驱动电流较之正常输入电压增幅达40%.这将导致LED超负荷工作,会减少LED灯珠的寿命,甚至可能会直接损毁灯珠.
3.3开关型LED驱动电路失效分析
以图2线性调整行LED驱动电路进行失效分析,在图2仿真图中,XSC2代表输入的AC电源和整流之后的电压比较.其中正弦波型为AC220V,通过全波整流之后,其电压值Vimax≈311V,比较平稳的为整流之后的电压.整流之后的电压,从图中的mark点读出来的电压为11.368V.低频整流之后,电压经过自激振荡电路和高频整流电路以及稳压电路之后,输出来的就是LED的驱动电压了.
由于采用了稳压管1N4735A,稳压值为6.6V,所以LED驱动电压理论值为6.6V.从图2读出实际仿真的LED驱动电压为一个6.64V的直流电压.与理论相符.
经过多次仿真测试,可以读出几个仪表的参数分别为：
Vi等于250V；Vo等于12.3V；Vled等于6.64V；Iled等于47.416mA；
与正常情况下的LED驱动电路电参数对比见表2所示.
从表2可以看出,当电网上有浪涌电压输入时,开关型LED驱动电路,由于采用了良好的稳压措施,驱动电路的电压参量并未发生很大的变化,但是,LED的驱动电路变化交大,增幅达到100%.这将导致LED功率上升,使LED失效.
3.4失效解决方案
经过前面几个小节对LED驱动电路的仿真分析可以总结出以下几个有效的LED失效解决方案：
（1）对于浪涌电流和电压,可以在电源输入给加上一个熔丝和一个PTC电阻.PTC电阻就是正温度系数电阻.当电源输入的初级电流有一个浪涌电流或者浪涌电压输入时,根据电阻的发热公式Q等于R*I^2*T,流经PTC电流或者电压的增加势必会增加PTC电阻的发热量,从而是PTC电阻的阻值上升,使到电源输入的初级功率有一部分消减在PTC电阻处,以保证电源的副边输出功率不变,保持电压和电流的稳定.对于室外使用的LED驱动,还应该加入防雷保护措施.
（2）对于驱动器件的选择,在成本范围内,应该选用比较好的器件,尤其是电容.而且,器件的最大电流电压参数要保证是电路正常工作的额定值的2～3倍以上,具体参数具体选择.以保证电路元器件有足够的冗余来应付突变的电参量.
（3）同时,应该注意线路板的的布局,发热量大的应该隔开布局,以减少热量队板子的影响.线路板应该注意要防潮、防湿.在一些特定的环境下,还应做一些绝缘防潮的措施.
（4）对于开关型LED驱动电路,还应该防止EMI带来的失效.可以通过加入X电容,共模电感、差模电感、低通滤波电路、屏蔽体等来消减EMI带来的问题.
4.结论
本文在分析两种典型LED驱动电路原理的基础上,并分别对线性LED驱动电路和开关LED驱动电路进行了浪涌电压影响下的失效仿真.从仿真结果中可以看出,浪涌电压对LED驱动电源影响比较大.尤其是驱动电路这一部分.使LED驱动电流增大超过其最大正向导通电流,使LED灯珠失效.根据仿真分析结果,最终给出了合理的LED驱动电路的失效方案.