中心議題：

• 高亮度LED照明系統(tǒng)的過(guò)流情況
• HB LED照明系統(tǒng)的過(guò)溫保護(hù)
• PPTC器件用于LED照明系統(tǒng)保護(hù)的工作原理

本文在介紹高亮度LED照明系統(tǒng)的過(guò)流、過(guò)溫情況，及PPTC器件的工作原理的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步探討PPTC器件在高亮度LED照明系統(tǒng)保護(hù)中的應(yīng)用及其有效性。

引言

隨著照明技術(shù)從極為耗電的白熾燈轉(zhuǎn)為冷陰極熒光燈（CCFL），再發(fā)展到現(xiàn)在的發(fā)光二極管（LED）燈，可以很清楚地看到在最終用戶(hù)愿意為更綠色的照明支付更高成本的同時(shí)，他們也有一個(gè)內(nèi)在的期望即壽命更長(zhǎng)和更高的可靠性，這才將是他們投資的凈效益。

在滿足這些期望時(shí)，LED設(shè)計(jì)工程師們必須考慮到影響產(chǎn)品性能和壽命的各種不同的變化因素。從電源管理到功率密度，再到過(guò)壓和過(guò)溫保護(hù)，LED技術(shù)的獨(dú)特性帶來(lái)了較陳舊的與技術(shù)不相干的各種新挑戰(zhàn)。

憑借改善的芯片設(shè)計(jì)和材料，LED技術(shù)已經(jīng)快速向前發(fā)展，促使其向更亮、更高效節(jié)能、壽命更持久的光源快速發(fā)展，并能夠在一個(gè)更大的范圍內(nèi)應(yīng)用。盡管技術(shù)日益普及，但仍然有一個(gè)事實(shí)，即過(guò)多的熱量和不恰當(dāng)?shù)膽?yīng)用能夠顯著的影響LED壽命和性能。

高亮度LED（HB LED）是節(jié)能、高性?xún)r(jià)比的設(shè)備，能夠確保下一代的照明解決方案。從建筑照明到汽車(chē)照明到各種顯示設(shè)備的背光和新型消費(fèi)電子（如照相手機(jī)中的閃光燈），HB LED照明的應(yīng)用將持續(xù)增長(zhǎng)。

HB LED照明系統(tǒng)中的過(guò)流情況

LED光輸出隨芯片類(lèi)型、封裝、每個(gè)晶圓批次的效率和其它變量而變化。LED制造商使用如高亮度這樣的術(shù)語(yǔ)來(lái)形容LED的密度。HB LED驅(qū)動(dòng)器可由線性或者開(kāi)關(guān)電源供電。當(dāng)電源電壓略微大于負(fù)載電壓時(shí)，線性驅(qū)動(dòng)器是最合適的，電阻會(huì)用于限制其電流。開(kāi)關(guān)電源亦會(huì)經(jīng)常使用，因?yàn)樗鼈兏咝А?br />
通常，電流感應(yīng)電阻器為電流調(diào)節(jié)控制器提供了反饋，以監(jiān)控供應(yīng)給HB LED的電流。另一個(gè)可選的解決方案就是使用聚合物正溫度系數(shù)（PPTC）器件來(lái)限制流過(guò)LED的電流。

如圖1所示，一個(gè)PPTC器件是一個(gè)電路中的一系列要素之一。通常PPTC器件的電阻小于電路的其余部分，很少或者不會(huì)對(duì)正常的電路性能造成影響。然而，一旦發(fā)生一次過(guò)流的情況，該器件會(huì)增加電阻（跳閘），并且將電路中的電流降低到一個(gè)任何電路單元都能夠安全承載的電流值。這種變化由I2R發(fā)熱原理帶來(lái)的器件溫度迅速升高而引起。

圖1、典型的用于HB LED照明的電流保護(hù)設(shè)計(jì)

器件會(huì)一直保持其跳閘或者閂鎖狀態(tài)直到故障被排除。一旦連接到電路的電源重新閉合后，PPTC器件會(huì)復(fù)位并允許電流重新開(kāi)始流動(dòng)，使電路恢復(fù)正常工作。當(dāng)PPTC器件不能夠阻止一次故障發(fā)生時(shí)，它們會(huì)迅速做出反應(yīng)，將電流限制到一個(gè)安全的等級(jí)以幫助防止對(duì)下游器件隨之而來(lái)的損壞。此外，它們的小型化外形使得它們易于在空間受限的應(yīng)用中使用。

HB LED照明的過(guò)溫保護(hù)

與傳統(tǒng)照明不同，由于HB LED是極其熱敏感，其熱管理是一個(gè)重要的設(shè)計(jì)考慮因素。為了提高可靠性與工作壽命， PN結(jié)不能夠達(dá)到導(dǎo)通溫度。由于PPTC器件采用的是熱激活，因此器件周?chē)鷾囟鹊娜魏巫兓紩?huì)影響其性能。隨著器件周?chē)臏囟仍黾?，更少的能量就要求器件跳閘，因此其能夠鉗住并降低電流值。
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PPTC器件的工作原理

PPTC電路保護(hù)器件采用半晶體狀聚合物與導(dǎo)電性顆粒復(fù)合制成。在正常溫度下，這些導(dǎo)電性顆粒在聚合物內(nèi)構(gòu)成了低電阻的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。但是，如果溫度上升到器件的切換溫度(Tsw)時(shí)，無(wú)論這種狀況是由大電流造成的還是由于環(huán)境溫度的上升造成，聚合物內(nèi)的晶體物質(zhì)都將會(huì)融化并成為無(wú)定形物質(zhì)。在晶體相融化階段出現(xiàn)的體積增大會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)電性顆粒在液力作用下分隔，并使器件的電阻值出現(xiàn)巨大的非線性增長(zhǎng)，如圖2所示。

圖2、PPTC器件保護(hù)電路為響應(yīng)過(guò)流或過(guò)溫情況，從低電阻狀態(tài)轉(zhuǎn)到高電阻狀態(tài)

典型情況下，電阻值將增加3個(gè)或者更多的數(shù)量級(jí)。電阻值增加后能夠?qū)⒐收蠗l件下流經(jīng)的電流數(shù)量降低到一個(gè)較低的穩(wěn)態(tài)水平，從而保護(hù)電路內(nèi)的設(shè)備。在故障排除以及電路電源斷開(kāi)之前，PPTC器件將保持在閂鎖(高阻值)狀態(tài)；而在導(dǎo)電性復(fù)合材料冷卻下來(lái)并重新結(jié)晶后，PPTC器件將重新恢復(fù)低阻值狀態(tài)。

在正常工作情況下，PPTC器件產(chǎn)生的或散失的熱量處于一個(gè)相對(duì)低溫的平衡狀態(tài)，如圖3中的1點(diǎn)所示。當(dāng)環(huán)境溫度不變而流過(guò)器件的電流增加時(shí)，器件所產(chǎn)生的熱量也會(huì)隨之增加。如果增加的電流是微小的，其所產(chǎn)生的熱量能夠散失到環(huán)境中，器件會(huì)穩(wěn)定在一個(gè)較高的溫度，如圖3中的2點(diǎn)所示。

圖3、PPTC器件的典型工作曲線

相反，如果不是電流增加而是環(huán)境溫度上升，器件會(huì)穩(wěn)定在一個(gè)較高的溫度，可能再次到達(dá)如原理圖中的第2點(diǎn)。第2點(diǎn)也可能為電流和溫度增加共同作用下的結(jié)果。隨著電流、溫度或者兩者結(jié)合的進(jìn)一步增加，將會(huì)引起器件升溫并達(dá)到電阻迅速增加的溫度，如圖中第3點(diǎn)所示，這就是所謂的曲線低端拐點(diǎn)。任何進(jìn)一步的電流或者環(huán)境溫度增加將導(dǎo)致器件產(chǎn)生熱量的速度比其向環(huán)境中散失熱量的速度更快，使其溫度迅速的升高。

在這個(gè)階段中，隨著非常小的溫度變化將產(chǎn)生一個(gè)非常大的電阻值升高，如圖3中第3點(diǎn)與第4點(diǎn)之間所示。這是處于PPTC器件跳閘時(shí)的一個(gè)正常的工作區(qū)域。電阻增大導(dǎo)致電路中流經(jīng)的電流相應(yīng)的減少。

因?yàn)榈?點(diǎn)和第4點(diǎn)之間的溫度變化很微小，這種關(guān)系將一直保持直到器件達(dá)到曲線上第4點(diǎn)的上拐點(diǎn)。只要外部施加的電源電壓保持在這個(gè)電平，則器件會(huì)一直閂鎖在跳閘狀態(tài)。一旦外施電壓斷開(kāi)，電源循環(huán)啟動(dòng)后，PPTC器件將復(fù)位到低阻態(tài)狀態(tài)，電路恢復(fù)到正常工作狀態(tài)。
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圖4說(shuō)明了PPTC跳閘前后保護(hù)HB LED照明系統(tǒng)的電路。該圖表明了在跳閘后電流是如何被降低，從而保護(hù)電路免受過(guò)流、過(guò)溫情況所造成的損壞。

圖4、PPTC器件跳閘前后的電路狀態(tài)

符合第二類(lèi)（Class 2）電源安全標(biāo)準(zhǔn)

在一個(gè)照明系統(tǒng)中采用第二類(lèi)電源可成為降低成本、提高靈活性的重要因素之一。本身就具有限制性的電源（如變壓器、電源供應(yīng)器或電池等），可能包含保護(hù)器件，只要它們不依賴(lài)于第二類(lèi)電源的輸出限制即可。

非自有限制型電源，按照其定義，具有一個(gè)分立在外的保護(hù)器件，當(dāng)電流和能量輸出達(dá)到預(yù)定值時(shí)它會(huì)自動(dòng)中斷輸出。

各種各樣的電路保護(hù)器件都能對(duì)用于LED照明應(yīng)用的第二類(lèi)電源提供保護(hù)。圖5說(shuō)明了一種協(xié)同保護(hù)策略的工作原理，它在交流輸入上采用了一個(gè)MOV，并在輸出電路分支上采用了一個(gè)PolySwitch PPTC器件，可以幫助廠商滿足UL1310規(guī)范第35.1小節(jié)針對(duì)開(kāi)關(guān)和控制裝置的過(guò)載試驗(yàn)要求。

圖5、第二類(lèi)電源的協(xié)同保護(hù)原理圖

總結(jié)

可復(fù)位PPTC器件在多樣化的HB LED照明系統(tǒng)應(yīng)用中已經(jīng)展現(xiàn)出了有效性。與傳統(tǒng)的保險(xiǎn)絲一樣，它們?cè)诔鲱~定值后可限制電流。然而又不同于傳統(tǒng)保險(xiǎn)絲，PPTC器件在故障排除以及電源重新閉合后能夠重新復(fù)位。由于其采用熱激活，因此可以防止電路在過(guò)溫條件下所造成的損壞。這種獨(dú)特的功能可以幫助設(shè)計(jì)師提高照明系統(tǒng)的可靠性和平均壽命，以及減少元件數(shù)量和降低設(shè)計(jì)復(fù)雜度。

與任何電路保護(hù)策略一樣，一個(gè)解決方案的有效性將取決于每個(gè)不同線路布局、板型、特定元器件和具體應(yīng)用的各種特殊設(shè)計(jì)考慮。