發光二極管 （LED） 是易碎的設備，會暴露在熱、機械沖擊、靜電放電和閃電中，尤其是在戶外使用時。由于LED燈串在照明和背光中的使用越來越多，研究人員需要更加關注LED燈串的可靠性。高亮度LED由于其藍寶石襯底，對附近雷擊引起的電壓瞬變非常敏感。即使在家庭應用中，LED燈串仍然需要靜電放電（ESD）保護，以確保整個組件的長期可靠運行。在沒有這種保護的情況下，如果串聯中的一個LED發生故障并且電路斷開，則所有其他LED都將熄滅。

1 LED照明系統保護

電源和LED驅動器可以使用許多保護器件，許多出版物可以指導選擇。圖1中的電路是LED街道照明系統中開關電源保護的示例。在該電路中，交流保險絲針對可能導致過流情況的主要系統故障提供基本的防火保護，可承受從 3KA 到超過 6KA 的浪涌而不會中斷。在下游組件發生故障時，直流保險絲可用于 DC-DC 轉換器或 LED 驅動器電路中的快速過流保護。

圖1.LED路燈電路示例

在電路交流輸入側，我們還需要處理過壓事件和電壓瞬變。它們通常是由附近的雷擊引起的，但它們也可能通過電力線的瞬態變化而發生。過壓條件的典型保護是金屬氧化物壓敏電阻（MOV），可與瞬態電壓抑制器（TVS）結合使用。電源保護電路也需要與地面隔離，以防止可能的電擊危險（這些規范包含在IEC / UL 60950-1，UL 19和IEC / UL 6500中）。圖 2 顯示了滿足這些要求的解決方案。該設計集成了金屬氧化物壓敏電阻和瞬態電壓抑制器。

圖2.LED照明的電源輸入過壓保護方案示例

此外，過壓保護也應考慮進入LED驅動芯片。適當的去耦電容以及額定線路驅動器電源電壓的TVS器件將提供非常穩定的設計。一些LED驅動器制造商包括一個檢測開路LED串的電路，但該電路不應與保護燈串的電路混淆。如果指示燈出現故障，請保持指示燈串運行。

2 單LED保護

LED 燈串內的旁路保護（圖 3）允許該燈串在單個 LED 失效斷開時繼續工作。通過限制 LED 燈串上的任何過大電流或電壓來幫助保護 LED 驅動器。

圖3.使用合適的旁路保護器保護LED串中的單個LED不僅可以保持LED串靜止

能夠點亮，但也有助于保護LED驅動器免受過流和過壓（可能是由于LED故障）

當提到單個LED的保護時，需要在LED串內安裝串聯電路分支，選擇正確的保護器件是必不可少的。這需要了解LED故障的潛在機制以及不同類型的保護器件的工作原理。這種理解有助于電路設計人員選擇合適的器件，包括當LED因開路而發生故障時保持LED串仍運行的器件。

3 LED控制和故障模式

該系列 LED 燈串由開關電源產生的恒定電流驅動，該開關電源將 LED 燈串驅動至全亮度、顏色和強度。恒流源可以更好地控制LED組的亮度，并使LED組的亮度更均勻。LED是一種脆弱的固態器件，本質上是一個二極管，配置為P-N結，在正向偏置時發光。主要的LED故障機制基本上是機械和熱的，包括熱循環，熱沖擊和在高溫下工作的LED（這可能導致電線焊接老化和故障）。隨著金屬氧化并隨著時間的推移變脆，LED故障的可能性增加。由ESD事件或附近的雷擊引起的浪涌是LED故障的另一個常見原因。

設備選擇的電路保護參數

LED保護器件選擇的主要參數是單個LED的額定電流和額定功率，正向電壓和LED驅動器恒流輸出電壓。典型的高亮度 LED，額定功率為 1 瓦和 3 瓦。額定功率下的高亮度LED 最大電流消耗可以通過以下公式輕松確定：

I=P/VF

其中I是電流，P是LED額定功率，VF是LED正向電壓。LED 有不同的額定功率，因此這些值會相應變化。同時，發射不同波長（顏色）的LED具有不同的壓降。例如，紅色LED的VF通常低于白色LED，消耗更多的電流。主要的可靠性問題是，如果高亮度LED發生故障，則形成連續運行的開放式高亮度LED串。這個問題在需要高可靠性光源的應用中至關重要。

許多戶外應用都位于地面之外，因此一個小事故可能會變成一個大問題。串聯中，單個高亮度LED開路的故障會導致大量的費用和不便，因為必須修復整個組件。

5 潛在的LED旁路保護器分析

為了保護單個高亮度LED，防止單個高亮度LED發生故障時整個系列的高亮度LED熄滅，必須在高亮度LED端子上安裝旁路保護器。有許多器件需要考慮，包括壓敏電阻、晶閘管、齊納二極管、靜電放電保護器和LED開路保護器。

6 壓敏電阻

這些器件最適合相對較高的電源線瞬變，尤其是由雷擊和大感性負載轉換引起的瞬變。不幸的是，這些設備不能快速響應，并且無法保護LED免受可能導致LED故障的低電平瞬變的影響。除了這個缺點之外，如果LED無法打開，壓敏電阻無法提供電流路徑，因此整個LED串將熄滅。壓敏電阻產生的熱量也可能是發光二極管的問題。

在故障LED附近，晶閘管可以路由電流，以防止LED串的其余部分發光。但是，這些器件是大型器件，通常需要電阻分壓器來設置觸發電壓。在不同的溫度下，晶閘管觸發電壓變化可能非常大。此外，反向阻斷電壓過高，因此晶閘管無法提供反極性保護。

8 齊納二極管

雖然齊納二極管通常比SCR小得多，但其他問題仍然存在。當一個LED無法形成開路時，齊納二極管必須引導串中的所有電流。大多數齊納二極管的額定電流相對較低，因此對于此類應用而言，它們的使用壽命相對較短。齊納二極管還會引起微環境熱事件，從而導致進一步的LED故障。

9 聚合物防靜電保護器

這些器件通常專用于高速數字電路，不用于直流線路保護，就像LED串一樣。它們比硅器件具有更高的動態電阻，因此它們的鉗位電壓太高，無法保護脆弱的LED。此外，它們不提供過載保護或反極性保護。

10 LED開路保護器

這些器件專門設計用于固定 LED 串的其余部分，并在 LED 發生故障時仍能正常工作。它們是安裝在每個LED端子上的緊湊型硅基器件。作為旁路器件，它們能夠在開路LED周圍路由電流，使其余LED串保持照明。一些LED開路保護器還提供靜電放電/照明和反極性保護，從而降低了照明電路成本并消除了對額外保護元件的需求。

11 LED開路保護器操作

LED開路保護器是一種雙端子器件，由LED內部觸發，如果LED本身被修復或更換，則會自動復位。該保護器是一種電壓觸發開關，具有低泄漏，類似于微安開關。當它被觸發時（圖 3），它成為一個低阻抗微安開關，將功耗降至最低。過孔狀態 LED 下降約 0.7V，不足以打開保護器器件。一旦出現開路 LED 故障，就有足夠的電路電壓觸發保護器進入過孔狀態（由 LED 驅動器電路提供的恒流輸出電壓）。圖 6 中描述的 PLED3 系列還具有內置抗浪涌功能，有助于保護 LED 免受附近雷擊或靜電放電事件引起的浪涌的影響。

以 Littelfuse PLED6 系列器件為例，作為典型的 LED 開路保護器。圖 顯示了 VBR、IS、IH、IT 和 VT 的關鍵參數。如V-I曲線所示，VBR定義了器件的開路額定電壓和擊穿電壓額定值之間的區域。在關斷狀態下，VBR是可以施加到器件的直流和交流電壓的連續峰值組合，這導致通過器件的電流小于5 μA（從6到33 V DC的各種最小VBR額定值是可行的）。IS 是在應用最低 VBR 時可能導致設備從關閉狀態切換到通過狀態的當前值。通常，最大IS為100mA。保持電流 （IH） 是將器件保持在導通狀態的最小電流要求（典型值為 5mA）。路徑狀態電壓 （VT） 是器件完全導通期間兩端的最大電壓。IT 是設備在路徑中時可以在兩秒內通過的最大額定電流（最大值為 1A）。一般來說，LED串電流遠低于這個值，這樣LED開路保護器就可以保持了。

理想情況下，每個 LED 在 LED 開路保護方案中都有一個保護裝置。但是，“預算”保護計劃可能會發揮作用。例如，在選擇合適的LED開路器件時，可以將PLED安裝在兩個串聯的LED上。一個 LED 故障會導致兩個 LED 變暗，但這可將保護成本降低一半。