愈来愈多发光二极体(LED)灯被运用在室外，使得它们发生静电放电(ESD)以及瞬时产生不稳定电流的风险越来越高，尤其是高亮度的LED灯，更易受到此类威胁的影响。
当灯串中出现一个LED灯故障时，将使整个灯串都无法点亮。而被称为“LED开路保护器”的新型装置现已问世，但人们对其知之甚少。本文将讨论何时使用它们，如何确定其规格，如何利用单个装置保护多个灯串，进而节约成本。
LED灯应用广泛
室外使用的高亮度LED灯随处可见。越来越多的汽车和卡车尾灯选用LED灯簇制成，这是因为LED灯抗震动和抗冲击，而不会熄灭。此外，由于LED灯可减少更换成本和用电成本，因此被用于路灯、交通讯号灯和机场跑道标记灯。LED灯具有较高的可靠性、响应速度快，因而也被制成广告牌的巨幅电视屏幕。
作为低电压装置(一般情况下，红色LED灯的正向电压约2.7伏，蓝色约4.1伏)，高亮度LED往往以串联方式连接成灯串并且使用恒流电源供电。灯串可任意由5～20个单体LED灯组成。串联的LED灯共用相同的电流，这就意味着各个LED灯之间的亮度均匀，并且较容易控制整组灯的亮度。
LED灯三大问题点
然而，LED灯具有三个主要的设计弱点，第一，LED灯会因温度周期性变化而受到损害，作用到内部接合线上的热机械应力能够使LED灯退化，从而最终导致LED灯不亮。同时，振动也会导致不亮。
另外，在电气性能上，LED灯较易受损。因附近的闪电而引起的静电放电或突波可以毁坏它们，并且静电放电和闪电是在室外应用环境中较为常见的。室外应用的大多数LED灯使用开关电源，这类型的电源往往只能有限地防止输入性突波。事实上，开关电源通常也需要对其自身进行保护。
最后，如果灯串中的一个LED灯发生内部短路，那么它会变暗。虽然灯串中的其他灯不会灭掉，但是短路的LED灯往往会产生热积累，从而因连接线连接故障而最终导致断路。然而，如果LED灯不亮，那么它会像老式节日灯串上的灯泡那样，一个LED灯断开而导致整条灯串不亮。这在广告牌上只是比较刺眼，但是如果用在交通讯号灯或机场跑道标记灯上，就会带来安全隐患。更重要的是，在室外应用情况中的许多LED灯距离较远，若不借助升降设备很难接近，这便增加灯串更换的成本。
保持LED灯亮 开路保护器显威
因静电放电和突波而对LED灯造成的损害可用MOV或TVS二极管予以防护，用保险丝防止过电流。但这些装置不能阻止灯串中单个LED灯断路而导致整条灯串断电。
为了实现这一点，须要使用LED开路保护器，并且使保护器与灯串中的每一个LED灯并联(图1)或者与一组四个LED灯并联。某个LED灯断路时，它两端的电压会增加到电源的恒流输出电压上。在这种情况下，保护器会探测到电压升高并且在达到其击穿电压VBR时启动，以分流故障LED灯周围的电流，保持灯串中其余的灯仍然运转。一些LED开路保护器也可防止产生静电放电和反向电压。
图1 如果LED灯不亮，那么它两端的电压将增加到电源的恒流输出电压上。
许多LED驱动IC配有内置式LED开路保护器，但这仅用于在负载电流下降为零时以及灯串中任一LED灯断路时防止驱动器的输出电压达到损坏的程度，而不能够保持灯串中的其他LED灯正常运转。同样，IC驱动器或LED灯静电放电防护功能不足以防止高达15kV的人体模型(HBM)形式的静电放电。
如果电源反接LED灯串，则启动LED开路保护器的内置式反向保护二极管，以保护LED灯。LED灯不会点亮，直到电源极性连接正确。
至于尝试用矽控整流器(SCR)或齐纳二极管代替LED开路保护器的做法并不周全。SCR往往较大，并且不具有任何静电放电或反向极性保护功能。通常，SCR须要通过电阻分压器网络设置触发电压，其触发电压相对于温度的变化是非常大的。
另外，无论是外接齐纳二极管亦或是LED灯内置式齐纳二极管，都不具有任何防止断路或反向极性的功能。不仅如此，如果LED灯断路，齐纳二极管会传导全部电流并且所产生的热量也可能缩短齐纳二极管和附近LED灯的使用寿命。
LED开路保护器选用评估
第一步为确定被保护LED灯的规格参数：正向电压Vf和正向电流If，以及它们的线路连接方案(单独保护或者二、三或四个LED灯分组保护)。
根据LED灯串的LED灯数量，计算整个灯串的正向电压降，这将决定LED开路保护器启动的恒流输出电压。单个LED灯的电压降不得超过LED开路保护器的关态电压。如果LED开路保护器用于多个LED灯，那么所有并联LED灯的电压降总和不得超过LED开路保护器的关态电压。
检查电源的恒流电源值。基于下列各方面，选择LED开路保护器的电压、电流等规格参数：
．LED开路保护器的开态电压必须低于电源的恒流输出电压；当一个LED灯断路时，方可启动保护器。
．LED开路保护器的合闸电流必须低于电流源值，方可稳定地开启保护器。
．确保LED开路保护器的切换电流和维持电流，在LED灯和LED开路保护器整个操作温度预期范围内，以及不同LED颜色和亮度情况下均能被满足(请注意，这里是指装置的温度而非环境温度)。
．为了节约成本，LED保护器可对两、三个LED灯进行分组保护，并相应地选择LED开路保护器；6伏时启动的保护器可保护一个LED灯；9伏的保护器可用于保护一对LED灯(图2)；13伏的保护器可用于3个一组的LED灯，而18伏的保护器可用于四个LED灯。请注意：在此情况下，一个LED发生故障时会分别导致二、三或四个LED灯熄灭。
图2 LED开路保护器可用于两个、三个或四个LED灯的分组保护。在此图例中，保护器的触发电压为9伏，高于两个LED灯的正常工作电压6伏。
在某些应用情况下，降低亮度是非常重要的。当正向电压变化时，某些LED灯会发生颜色变化，但是脉冲宽度调变(开关模式)的亮度降低可防止此种情况的发生。同时确保所选用的LED开路保护器与所采用的调暗模式相兼容。
包装和环境考虑因素
其次，LED开路保护器应选择适合照明产品使用环境的包装；确定LED开路保护器的环境温度并且在需要的情况下提供适当的散热性能。在一般应用情况下(350mA电源恒流输出和1.1伏保护器电压降)，触发保护器时，功率损失为385mW。 当这低于LED灯或者保护器所连接的LED灯的开态功耗时，保护器可能或者不可能需要散热。例如，在此情况下，假设保护器的环境连接热电阻为100℃/W(无散热)，此保护器的温度会升高至38.5℃；假设保护器的最高工作温度为85℃，则在环境温度高于46.5℃时均需散热。为了安全起见，该温度值应该降低至30℃左右。
经所有计算后，通过用被保护LED灯分流的方式测试LED开路保护器且依据设计标准检查测试结果。最后，值得注意的是，LED开路保护器可用于安装在串联灯串中的单个LED灯或多个LED灯，同时也适用由共阴极驱动的并联灯串(在此配置中，LED开路保护器可防止进入并联灯串的过电流)，但不适用于多条灯串之间交叉连接的矩阵式排布。
(本文作者Teddy To为Littelfuse技术营销经理；Phillip Havens为Littelfuse技术营销及应用经理)
