LED應(yīng)用過(guò)程中的EOS故障

在LED的應(yīng)用過(guò)程中，我們會(huì)經(jīng)常遇到一種能夠?qū)е翷ED器件失效的EOS故障。EOS（electrical overstress）指的是過(guò)度電性應(yīng)力，當(dāng)電子元器件被施加的電流或者電壓超過(guò)該元器件最大的設(shè)計(jì)規(guī)范要求時(shí)，該元器件便會(huì)發(fā)生性能減弱，甚至于直接損壞的現(xiàn)象。

LED器件很容易受到EOS的損傷，這種損壞有時(shí)能夠直接擊壞器件造成失效，而有時(shí)失效則可能在EOS發(fā)生一段時(shí)間后才發(fā)生。電源輸出質(zhì)量的不穩(wěn)定，各種過(guò)電壓過(guò)電流的噪音，以及熱插入應(yīng)用使用中的突入電流現(xiàn)像等都是能夠產(chǎn)生EOS失效的諸多因素，這種EOS現(xiàn)像都屬于短時(shí)間的過(guò)負(fù)荷，在短時(shí)間內(nèi)（一般在一秒鐘內(nèi)）LED受到尖峰電壓或者尖峰電流的沖擊，這種電壓或者電流的能量超過(guò)了LED的設(shè)計(jì)額定值，從而損傷LED器件。

本文將介紹一種保護(hù)LED器件，緩解EOS故障的方案，使用TE公司的PolyZen系列元器件將能夠有效的減輕EOS侵?jǐn)_，提高產(chǎn)品的可靠性。PolyZen系列元器件是具有纖薄外形的集成式過(guò)壓和過(guò)流保護(hù)器件，具有強(qiáng)大的電路保護(hù)功能，以幫助保護(hù)敏感的電子產(chǎn)品，避免因?yàn)檫^(guò)壓和過(guò)流失效而導(dǎo)致的代價(jià)昂貴的產(chǎn)品返修和質(zhì)保問(wèn)題。PolyZen系列產(chǎn)品為電路板設(shè)計(jì)人員提供了方便的過(guò)壓過(guò)流保護(hù)器件，讓他們不再需要花費(fèi)大量的時(shí)間去集成并測(cè)試低效的分立器件及較昂貴的IC解決方案。

TE PolyZen集成保護(hù)方案提供可靠有效的過(guò)壓過(guò)流保護(hù)

TE電路保護(hù)部的PolyZen產(chǎn)品是獨(dú)立的表面貼裝器件，它集成了一個(gè)可供選擇齊納電壓（Vz）的精密齊納二極管，以及一個(gè)PolySwitch聚合物正溫度系數(shù)（PPTC）器件，產(chǎn)品原理圖如圖1所示。PolyZen系列適用于空間狹小的薄型緊湊型環(huán)境，它使用了具有熱保護(hù)功能的齊納二極管，以幫助保護(hù)電子產(chǎn)品避免電壓瞬變、反向偏置和錯(cuò)誤的電源使用造成的失效。如圖2,PolyZen產(chǎn)品的典型應(yīng)用框圖，在故障狀態(tài)時(shí)，精密齊納二極管能快速有效的箝位電壓并分流故障電流，而PolySwitch PPTC組件則可以繼而快速的關(guān)斷過(guò)大的電流，從而幫助保護(hù)齊納二極管和下游電子組件。

PolyZen產(chǎn)品的典型故障響應(yīng)如圖3所示，圖例中選用的是一個(gè)集成了5.6V齊納電壓的PolyZen器件，在24V過(guò)壓條件（VIN）下，系統(tǒng)有10A的故障電流（IFLT）通過(guò)，PolyZen器件中的精密齊納二極管能夠快速的將輸出電壓（VOUT）箝位在5.6V附近，保護(hù)了負(fù)載電路，同時(shí)器件中的PPTC能夠快速的動(dòng)作截?cái)嚯娏?，持續(xù)長(zhǎng)久保護(hù)齊納二極管與整個(gè)電路。

如今PolyZen系列產(chǎn)品已經(jīng)有豐富的齊納二極管與PPTC集成組合方便實(shí)際應(yīng)用選擇。其小尺寸，獨(dú)立貼裝，多功能保護(hù)已經(jīng)成為過(guò)流過(guò)壓保護(hù)應(yīng)用中一種具備顯著性能與價(jià)格優(yōu)勢(shì)的創(chuàng)新型解決方案，超越了使用熔斷器、齊納二極管和其它無(wú)源組件的分立式解決方案。

如何使用PolyZen保護(hù)EOS

首先我們搭建一個(gè)基本測(cè)試平臺(tái)用來(lái)仿真產(chǎn)生EOS故障信號(hào)，整個(gè)測(cè)試平臺(tái)電路原理圖及實(shí)際測(cè)試圖如圖4,圖5所示，測(cè)試系統(tǒng)中使用Keithley Model 2410數(shù)字源表做為電壓源輸出，回路中串聯(lián)了一個(gè)開(kāi)關(guān)用來(lái)通斷整個(gè)回路。另外我們選用了某知名公司的一款LED產(chǎn)品用來(lái)評(píng)價(jià)EOS故障對(duì)該產(chǎn)品的影響，該LED對(duì)于浪涌電流的額定承受能力如表1紅線(xiàn)框中所示，通過(guò)這個(gè)參數(shù)，可以計(jì)算得到能夠?qū)е翷ED發(fā)生故障的瞬間能量如公式1:

I2tD = 22 x 0.016 x 0.05 = 0.0032（A2s） ------公式1

I:電流峰值，t:電流持續(xù)時(shí)間，D:電流占空比

這樣我們可以知道，如果測(cè)試系統(tǒng)電源輸出的瞬間尖峰信號(hào)能量超過(guò)了這個(gè)值，就有可能損傷LED器件。

我們開(kāi)始試驗(yàn)，如圖6所示，示波器捕捉了測(cè)試系統(tǒng)在起始工作時(shí)的瞬間電壓電流波形，尖峰電壓=4V,尖峰電流=1.5A,持續(xù)時(shí)間=340us.

圖6:Keithley源表產(chǎn)生的瞬間脈沖波形

這樣我們可以計(jì)算在該狀態(tài)下的EOS能量，由于該波形近似于三角波，所以我們可以根據(jù)公式2來(lái)計(jì)算它的能量：

0.5I2t = 0.5 x 0.152 x 0.00034 = 0.0038（A2s） ------公式2

I:電流峰值，t:電流持續(xù)時(shí)間

從公式2得到的數(shù)據(jù)來(lái)看，這個(gè)尖峰噪音的能量小于能損壞該款LED浪涌承受能力的額定值，所以在這種情況下該款LED是安全的，不過(guò)由于這次試驗(yàn)我們使用的是Keithley的源表，它能夠提供高質(zhì)量的電源?？梢?jiàn)采用高質(zhì)量的電源可以避免EOS對(duì)LED的損傷。但在實(shí)際應(yīng)用中，如果采用高質(zhì)量的電源來(lái)防治EOS故障，我們就需要在LED電源的設(shè)計(jì)和應(yīng)用上花費(fèi)更多的精力與成本，這往往是不符合市場(chǎng)實(shí)際的。

所以考慮到如何去模擬實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)合中可能會(huì)遇到的惡劣電源狀況，我們?cè)趫D4測(cè)試平臺(tái)的基礎(chǔ)上在電壓源的輸出端增加了一個(gè)220uF/450V的電容用來(lái)惡化EOS信號(hào)，原理電路及實(shí)際測(cè)試圖如圖7,圖8所示。在這組實(shí)驗(yàn)中我們將考察PolyZen器件對(duì)EOS的改善，如圖7,我們選用了PolyZen系列中的一款器件ZEN056V130A24LS用來(lái)做EOS的保護(hù)，這個(gè)PolyZen器件集成了一個(gè)5.6V的齊納二極管。

首先我們考察回路中沒(méi)有PolyZen器件保護(hù)的情況，合上開(kāi)關(guān)，示波器可以捕捉到如圖9所示的電流電壓瞬間脈沖波形。

圖9:Keithley源表產(chǎn)生的瞬間脈沖波形（增加電容惡化EOS）

尖峰電壓=23.2V,尖峰電流=12.8A,持續(xù)時(shí)間=200us.根據(jù)公式3,我們可以得到這個(gè)EOS的能量為0.054,這個(gè)值就超過(guò)了LED額定浪涌電流承受值。如果LED長(zhǎng)時(shí)間的工作在這樣的電源下，LED的壽命將會(huì)減少，而且可能會(huì)出現(xiàn)直接損壞的情況。

0.5I2t = 0.5 x 23.22 x 0.0002 = 0.054（A2s） ------公式3

I:電流峰值，t:電流持續(xù)時(shí)間

我們繼續(xù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，如圖6,在這次試驗(yàn)，我們?cè)贚ED之前，并聯(lián)了一個(gè)PolyZen的器件，我們已經(jīng)介紹過(guò)PolyZen是一個(gè)過(guò)流過(guò)壓綜合保護(hù)的器件，它集成了一個(gè)性能優(yōu)良的齊納二極管，將能夠有效的箝位輸出電壓，分流故障電流，從而使得負(fù)載電路得到保護(hù)。在實(shí)際的測(cè)試中，我們得到了如圖10所示的尖峰電壓電流波形。

圖10:Keithley源表產(chǎn)生的瞬間脈沖波形（增加電容惡化EOS以及PolyZen保護(hù)）

尖峰電壓=6.4V,尖峰電流=6.4A,持續(xù)時(shí)間=240us,這樣我們繼續(xù)計(jì)算這個(gè)EOS波形的能量，如公式4:

0.5I2t = 0.5 x 6.42 x 0.00024 = 0.0049（A2s） ------公式4

I:電流峰值，t:電流持續(xù)時(shí)間

我們可以看到PolyZen對(duì)于EOS的改善是非常顯著的，EOS的能量從0.054A2s降低到了0.0049A2s,PolyZen器件通過(guò)快速的箝位故障電壓，減小了故障電流，這樣就有效的改善了EOS故障。

我們使用PolyZen的器件再進(jìn)行一組實(shí)驗(yàn)，這次我們將應(yīng)用一顆PolyZen的器件去保護(hù)兩顆LED,這在實(shí)際的應(yīng)用中會(huì)經(jīng)常遇到，該方案也具有更好的成本優(yōu)勢(shì)。由于我們需要保護(hù)的LED VF=3V,所以為保護(hù)兩顆LED,我們選用ZEN065V130A24LS來(lái)保護(hù)電路，它擁有一顆6.5V的齊納二極管。測(cè)試系統(tǒng)的框圖，及實(shí)際測(cè)試圖如圖11,圖12所示。

示波器捕捉到了如圖13的波形，尖峰電壓=7.4V,尖峰電流=1.5A,持續(xù)時(shí)間=400us,這樣我們可以計(jì)算這個(gè)EOS波形的能量，如公式5:

0.5I2t = 0.5 x 1.182 x 0.0004 = 0.00027（A2s） ------公式5

I:電流峰值，t:電流持續(xù)時(shí)間

這個(gè)EOS的能量已經(jīng)小于了公式1中計(jì)算所得可以導(dǎo)致LED故障的EOS能量，所以L(fǎng)ED能夠在這樣的電源系統(tǒng)中安全工作。在這個(gè)應(yīng)用中，PolyZen器件完美的完成了EOS防護(hù)的工作，LED得到了良好的保護(hù)。

圖13:Keithley源表產(chǎn)生的瞬間脈沖波形（增加電容惡化EOS,一顆PolyZen器件保護(hù)兩顆LED）

PolyZen還能做些什么

從上面的實(shí)驗(yàn)，我們已經(jīng)可以明確的得到結(jié)果，PolyZen器件能夠用來(lái)保護(hù)LED產(chǎn)品的EOS故障。另外PolyZen的能力還不限于此，PolyZen是一個(gè)過(guò)壓，過(guò)流的集成綜合保護(hù)器件，普通的TVS器件雖然也能夠箝位電壓，但是只能用作短時(shí)間脈沖的保護(hù)，而PolyZen器件除了集成了一個(gè)高性能的齊納二極管，還集成了一個(gè)PPTC過(guò)流保護(hù)器件，這使得它可以有更廣泛的應(yīng)用。

我們知道當(dāng)過(guò)壓故障發(fā)生，箝位二極管被擊穿后，它的溫度將會(huì)隨著時(shí)間的增加而增加，如果故障沒(méi)有消除，或者有較長(zhǎng)時(shí)間的過(guò)壓故障脈沖加載在電路上，我們就會(huì)需要大能量的TVS器件來(lái)保護(hù)電路，否則TVS器件本身也會(huì)被永久破壞，而大能量的TVS器件意味著更昂貴的價(jià)格，以及更大的封裝尺寸。PolyZen器件中集成的PPTC能夠快速有效的進(jìn)行過(guò)流保護(hù)，在故障發(fā)生時(shí)，齊納管首先保護(hù)，箝位電壓，它本身溫度上升，然后PPTC能夠被齊納管加熱，在很短的時(shí)間內(nèi)動(dòng)作，成為高阻狀態(tài)，這樣的話(huà)，整個(gè)電路的電流就能夠被限制住，而故障電壓會(huì)基本都由PPTC來(lái)承受，PPTC可以長(zhǎng)時(shí)間的承受故障電壓，使PolyZen可以勝任一個(gè)長(zhǎng)時(shí)間的持續(xù)過(guò)壓過(guò)流保護(hù)。PolyZen器件的這個(gè)獨(dú)特功能，使得它能夠以較小的封裝尺寸來(lái)承受更大的能量。

結(jié)束語(yǔ)

隨著市場(chǎng)對(duì)于節(jié)能低功耗的需求逐漸增加，LED已經(jīng)成為了新一代照明的趨勢(shì)，而LED在應(yīng)用過(guò)程當(dāng)中的EOS保護(hù)也越來(lái)越受到人們的重視，本文仿真了惡劣EOS信號(hào)的產(chǎn)生，并通過(guò)測(cè)試實(shí)際考察了它對(duì)LED器件的影響，繼而進(jìn)一步嘗試應(yīng)用了TE公司的PolyZen器件來(lái)抑制EOS,并得到了良好的測(cè)試結(jié)果。我們可以總結(jié)一下PolyZen器件在LED的EOS故障防護(hù)中的優(yōu)點(diǎn)：

1. 效果顯著的改善EOS能量，保護(hù)LED器件，延長(zhǎng)LED器件壽命。

2. 降低LED電源設(shè)計(jì)的難度及成本。

3. 過(guò)流過(guò)壓多功能保護(hù)，小尺寸封裝，大能量保護(hù)，改善使用大功率TVS管做保護(hù)帶來(lái)的成本及空間上的壓力。

PolyZen器件的諸多優(yōu)點(diǎn)，使得它可以成為一種LED器件EOS故障防護(hù)中的理想解決方案。