PPTC器件保护高亮度LED照明系统

随着照明技术从极为耗电的白炽灯转为冷阴极荧光灯（CCFL），再发展到现在的发光二极管（LED）灯，可以很清楚地看到在最终用户愿意为更绿色的照明支付更高成本的同时，他们也有一个内在的期望即寿命更长和更高的可靠性，这才将是他们投资的净效益。
   在满足这些期望时，LED设计工程师们必须考虑到影响产品性能和寿命的各种不同的变化因素。从电源管理到功率密度，再到过压和过温保护，LED技术的独特性带来了较陈旧的与技术不相干的各种新挑战。
   凭借改善的芯片设计和材料，LED技术已经快速向前发展，促使其向更亮、更高效节能、寿命更持久的光源快速发展，并能够在一个更大的范围内应用。尽管技术日益普及，但仍然有一个事实，即过多的热量和不恰当的应用能够显着的影响LED寿命和性能。
   高亮度LED（HB LED）是节能、高性价比的设备，能够确保下一代的照明解决方案。从建筑照明到汽车照明到各种显示设备的背光和新型消费电子（如照相手机中的闪光灯），HB LED照明的应用将持续增长。
   HB LED照明系统中的过流情况
   LED光输出随芯片类型、封装、每个晶圆批次的效率和其它变量而变化。LED制造商使用如高亮度这样的术语来形容LED的密度。HB LED驱动器可由线性或者开关电源供电。当电源电压略微大于负载电压时，线性驱动器是最合适的，电阻会用于限制其电流。开关电源亦会经常使用，因为它们更高效。
   通常，电流感应电阻器为电流调节控制器提供了反馈，以监控供应给HB LED的电流。另一个可选的解决方案就是使用聚合物正温度系数（PPTC）器件来限制流过LED的电流。
   
   图1、典型的用于HB LED照明的电流保护设计

   如图1所示，一个PPTC器件是一个电路中的一系列要素之一。通常PPTC器件的电阻小于电路的其余部分，很少或者不会对正常的电路性能造成影响。然而，一旦发生一次过流的情况，该器件会增加电阻（跳闸），并且将电路中的电流降低到一个任何电路单元都能够安全承载的电流值。这种变化由I2R发热原理带来的器件温度迅速升高而引起。
   器件会一直保持其跳闸或者闩锁状态直到故障被排除。一旦连接到电路的电源重新闭合后，PPTC器件会复位并允许电流重新开始流动，使电路恢复正常工作。当PPTC器件不能够阻止一次故障发生时，它们会迅速做出反应，将电流限制到一个安全的等级以帮助防止对下游器件随之而来的损坏。此外，它们的小型化外形使得它们易于在空间受限的应用中使用。
   HB LED照明的过温保护
   与传统照明不同，由于HB LED是极其热敏感，其热管理是一个重要的设计考虑因素。为了提高可靠性与工作寿命， PN结不能够达到导通温度。由于PPTC器件采用的是热激活，因此器件周围温度的任何变化都会影响其性能。随着器件周围的温度增加，更少的能量就要求器件跳闸，因此其能够钳住并降低电流值。
   PPTC器件的工作原理
   　PPTC电路保护器件采用半晶体状聚合物与导电性颗粒复合制成。在正常温度下，这些导电性颗粒在聚合物内构成了低电阻的网络结构。但是，如果温度上升到器件的切换温度(Tsw)时，无论这种状况是由大电流造成的还是由于环境温度的上升造成，聚合物内的晶体物质都将会融化并成为无定形物质。在晶体相融化阶段出现的体积增大会导致导电性颗粒在液力作用下分隔，并使器件的电阻值出现巨大的非线性增长，如图2所示。
   图2、PPTC器件保护电路为响应过流或过温情况，从低电阻状态转到高电阻状态

   典型情况下，电阻值将增加3个或者更多的数量级。电阻值增加后能够将故障条件下流经的电流数量降低到一个较低的稳态水平，从而保护电路内的设备。在故障排除以及电路电源断开之前，PPTC器件将保持在闩锁(高阻值)状态；而在导电性复合材料冷却下来并重新结晶后，PPTC器件将重新恢复低阻值状态。
   在正常工作情况下，PPTC器件产生的或散失的热量处于一个相对低温的平衡状态，如图3中的1点所示。当环境温度不变而流过器件的电流增加时，器件所产生的热量也会随之增加。如果增加的电流是微小的，其所产生的热量能够散失到环境中，器件会稳定在一个较高的温度，如图3中的2点所示。
   
   图3、PPTC器件的典型工作曲线

   相反，如果不是电流增加而是环境温度上升，器件会稳定在一个较高的温度，可能再次到达如原理图中的第2点。第2点也可能为电流和温度增加共同作用下的结果。随着电流、温度或者两者结合的进一步增加，将会引起器件升温并达到电阻迅速增加的温度，如图中第3点所示，这就是所谓的曲线低端拐点。任何进一步的电流或者环境温度增加将导致器件产生热量的速度比其向环境中散失热量的速度更快，使其温度迅速的升高。
   在这个阶段中，随着非常小的温度变化将产生一个非常大的电阻值升高，如图3中第3点与第4点之间所示。这是处于PPTC器件跳闸时的一个正常的工作区域。电阻增大导致电路中流经的电流相应的减少。
   因为第3点和第4点之间的温度变化很微小，这种关系将一直保持直到器件达到曲线上第4点的上拐点。只要外部施加的电源电压保持在这个电平，则器件会一直闩锁在跳闸状态。一旦外施电压断开，电源循环启动后，PPTC器件将复位到低阻态状态，电路恢复到正常工作状态。
   
   图4、PPTC器件跳闸前后的电路状态

   图4说明了PPTC跳闸前后保护HB LED照明系统的电路。该图表明了在跳闸后电流是如何被降低，从而保护电路免受过流、过温情况所造成的损坏。
   符合第二类（Class 2）电源安全标准
   在一个照明系统中采用第二类电源可成为降低成本、提高灵活性的重要因素之一。本身就具有限制性的电源（如变压器、电源供应器或电池等），可能包含保护器件，只要它们不依赖于第二类电源的输出限制即可。
   非自有限制型电源，按照其定义，具有一个分立在外的保护器件，当电流和能量输出达到预定值时它会自动中断输出。
   各种各样的电路保护器件都能对用于LED照明应用的第二类电源提供保护。图5说明了一种协同保护策略的工作原理，它在交流输入上采用了一个MOV，并在输出电路分支上采用了一个PolySwitch PPTC器件，可以帮助厂商满足UL1310规范第35.1小节针对开关和控制装置的过载试验要求。
   
   图5、第二类电源的协同保护原理图

   总结
   可复位PPTC器件在多样化的HB LED照明系统应用中已经展现出了有效性。与传统的保险丝一样，它们在超出额定值后可限制电流。然而又不同于传统保险丝，PPTC器件在故障排除以及电源重新闭合后能够重新复位。由于其采用热激活，因此可以防止电路在过温条件下所造成的损坏。这种独特的功能可以帮助设计师提高照明系统的可靠性和平均寿命，以及减少元件数量和降低设计复杂度。
   与任何电路保护策略一样，一个解决方案的有效性将取决于每个不同线路布局、板型、特定元器件和具体应用的各种特殊设计考虑。