小功率LED驱动器中的电路保护

发表于 2015-1-21 23:39

■ TE Connectivity电路保护部应用工程经理董湧

引言

随着全球范围能源的紧缺，以及对环境保护的日渐重视，各个国家都提出了节能环保的目标，绿色照明已经成为各个国家的共识。2012年，日本政府将全面禁用白炽灯，中国台湾地区也宣布，截至2012年底全面禁用高能耗的白炽灯泡。美国也将会从2012年开始，禁售大多数白炽灯泡，并开始逐步淘汰40W、60W及以上功率的白炽灯泡。由于LED照明具有高节能以及绿色环保等显著优点，而且LED灯的寿命可以长达10万小时，所以对于照明领域，LED照明已经成为不可逆转的趋势。针对LED灯的超长寿命，驱动电路的可靠性也日渐重要，本文介绍选择正确保险丝的一般流程，并通过实例探讨小功率LED驱动器中的电路保护问题。

选择正确保险丝的一般流程

保险丝在电路中主要有三项基本功能，即保护功能，承载功能和安全功能。

通常选择保险丝需要注意以下十大要素：

1.额定电流；

2.额定电压；

3.工作温度；

4.电压降 / 冷电阻；

5.熔断特性: 时间-电流特性和过载能力；

6.分断能力；

7.熔化热能值；

8.耐久性（寿命）；

9.结构特征：外形/ 尺寸和安装形式；

10.安规认证

概括来讲选择正确的保险丝应当具备适当的熔断特性和额定电流；足够而合理的抗浪涌能力；合适的分断能力、额定电压和安全认证，同时还要协调好保护性能和耐浪涌能力之间的关系。

保险丝从熔断性能可分为快熔断型和慢熔断型两种，快熔断型保险丝通常适用于没有或很小浪涌的阻性电路或敏感器件的保护，慢熔断型保险丝则通常适用于开关电源或者热插拔时有浪涌电流的容性或感性电路。TE Connectivity 2410SFV系列保险丝则是抗浪涌能力较大的中空型表面贴装保险丝，它可应用在高电压有较大浪涌脉冲的电路保护中。

目前工程师在选择保险丝时，都会选择抗浪涌能力大的，即I2t值大的保险丝，其实这是个误区，选择正确的保险丝不是电流值越大越好，也不是I2t值越大越好，并不能简单根据慢断还是快断保险丝来选择，而是根据实际的I2t来选择合适自己应用的保险丝。

发表于 2015-1-21 23:39

图1为选择正确保险丝的一般流程图。图2为计算浪涌电流I2t值常见的波形和公式。

图1 保险丝选择流程图

发表于 2015-1-21 23:40

由此可见，选择保险丝不仅要考虑电流折减和最高工作环境温度，而且还必须需要考虑接通电源所造成的电流浪涌，然后在稳态电流计算值和瞬态电流计算值之间取较大者。

图2 浪涌电流I2t值常见波形和公式

发表于 2015-1-21 23:40

小功率LED照明中保险丝选择实例

虽然现在LED的寿命可以长达10万小时，但是LED的高结温会很大程度影响LED寿命，在LED照明设计中，LED目前的转换效率仍为两成左右，即有高达八成的电能会转换成热能。LED的温度对光通量与波长都会有一定的影响，但更重要的是温度对LED本身寿命的影响，LED温度越高其寿命会越短。因此散热问题仍旧是LED照明面临的一项重要挑战。

目前各大厂家采用的解决方案是用铝基板来为LED散热，因为铝的导热系数很高，可以有效将内部热量导出。通常，在设计散热器时，散热片表面积越大，散热性能越好。在散热器尺寸有限的情况下，加大散热器沟道深度是增加表面积的有效方法。但伴随散热器沟道深度的增加，LED电源驱动板的内部安装空间会相应减少。这将驱使LED球泡灯的电源驱动板朝小型化方向发展，这就要求元器件都能小型化，最好能采用贴片封装的器件。

在TE Connectivity 2410SFV系列保险丝问世之前，在LED驱动电路电源输入端的保险丝主要采用玻璃管保险丝、小黑豆保险丝或者Micro型保险丝，他们的共同特性都是插件形状，占用PCB空间大，用玻璃管保险丝有时还需要加配热缩套管，这样装配成本就会大大增加。但是在TE Connectivity 2410SFV系列保险丝问世之后，如果在电源输入端采用贴片型高压保险丝, 就可以显著减少驱动电路PCB空间。通过试验证明，在相同的LED驱动电路板上，相比传统的玻璃管保险丝或者小黑豆保险丝，采用TE Connectivity 2410SFV保险丝会节省最高达80%的空间。通常LED驱动电路板都会做成单面PCB，但是同时会用到插件和表贴的器件，所以有时候LED照明厂家也会用波峰焊来完成所有的焊接，这样保险丝就要承受高温而不能脱落端帽，由于TE Connectivity 2410SFV系列保险丝是采用FR4 PCB玻璃纤维强化环氧树脂为基体的特殊工艺, 以PCB上的铜箔为端子架构, 再经电镀处理来完成整个流程，这样有效避免了端子头脱落的风险。因此TE Connectivity 2410SFV系列保险丝满足LED照明小型化的要求，而且通过UL安规认证，也满足LED的特殊工艺要求。

发表于 2015-1-21 23:40

图3是一典型的LED驱动电路图，采用Flyback电路结构。图中F1是用于过流保护的保险丝，R1是用于抑制浪涌电流的NTC，NTC的参数可以按照具体应用来确定，C5是用于交流转成直流以及储能的电解电容。浪涌电流的大小受图3中电解电容值的大小、材质，以及是否采用PFC方案来决定。通常，电解电容的容值越大，浪涌电流也会越大，电解电容的材质越差，浪涌电流就会越大，如果LED驱动方案采用PFC方案（包括有源和无源PFC），浪涌电流值就会相应减小，反之亦然。

图3 典型的LED驱动电路图

发表于 2015-1-21 23:41

由于LED照明的特殊性，它的输入功率很小导致它的稳态工作电流也非常小，在选择保险丝时主要考虑的因素是脉冲环境下浪涌电流的影响。

图4为上例中LED驱动器浪涌电流测试图，图中的浪涌电流峰值为22A，波长时间为152μs，通过和图2对比，可知此测试波形和图2中第4个波形最为相似，就利用它的计算公式：I2t=1/2Ip2t=0.5*22*22*0.152*ms=0.037A2Sec，再利用图1中应用脉冲循环折减系数、温度折减系数以及整个电路系统差异折减系数(这些折减系数可以参见TE Connectivity 2410SFV系列保险丝规格说明书)，最后得到I2t为0.166 A2Sec，从表1可见2410SFV0.75FM/125的I2t就大于0.166 A2Sec，因此2410SFV0.75FM/125规格以上的保险丝就能满足浪涌电流I2t的要求。

图4 LED驱动器浪涌电流测试图

发表于 2015-1-21 23:41

虽然上面已经得到了保险丝的型号，但是对于LED照明电源，对于保险丝的选择还要遵循雷击测试标准，具体可以参照IEC61547/EN61547，测试标准参数见图5。由于小功率LED灯具一般都能满足25W以下的要求，所以line to line的测试标准是±0.5kv，测试波形为1.2/50μs，即差模测试标准为1.2/50μs ±0.5kv。line to ground的测试标准是±1.0kv，测试波形为1.2/50μs，即共模测试标准为1.2/50μs ±1.0kv，此外对于差模和共模信号，都要求在不同的相位角（0度、90度、180度和270度）各打正负5次。TE Connectivity 2410SFV系列保险丝最大可以承受1kV的雷击等级，所以完全满足IEC61547/EN61547关于小功率LED灯的雷击测试要求。

综上所述，对于图3的LED照明灯保险丝选型，如果需通过1kV的雷击等级，那么最终选择2410SFV2.00FM/125就能满足所有关于稳态、瞬态以及雷击等级的要求。

图5 LED照明雷击测试标准

TE Connectivity公司2410SFV保险丝

发表于 2015-1-21 23:41

TE Connectivity提供型号齐全的表面贴装SMD封装保险丝。其最近推出的全新2410SFV表面贴装保险丝，是一款采用完全创新的工艺技术制造的表面贴装小型熔断器。图6是TE Connectivity 2410SFV保险丝的外形图。

图6 TE Connectivity 2410SFV保险丝的外形图

发表于 2015-1-21 23:42

TE Connectivity 2410SFV系列保险丝作为WIA（Wire-in-Air）保险丝，它采用的是直线式配置，采用超薄 (6.1×2.5mm)2410 SMD封装，温度范围从-55℃到125℃，电压从65V交直流到最大250V交流，电流从0.5A到最大20A，能够提供直流电源和交流电源系统的过电流保护。TE Connectivity 2410SFV系列保险丝还提供从0.0034Ω到0.231Ω 的标称冷态电阻值（DCR）和从50A到300A的高分断电流。对于220V交流输入的应用，2410SFV目前支持的最大电流可以达到2A。表1是TE Connectivity公司的 2410SFV系列保险丝参数表。

表1: TE Connectivity 2410SFV系列保险丝参数表

发表于 2015-1-21 23:42

TE Connectivity 2410SFV系列保险丝，它的熔丝经过特殊的设计，熔丝是挺直悬空在中空腔内，这样能避免熔体碰壁影响散热条件，从而提高产品性能一致性，而且熔丝架空设计提供了更低的冷态电阻。2410SFV系列保险丝所采用的玻璃纤维强化环氧树脂封装技术能最大程度的避免传统贴片保险丝端帽脱落的风险。同时TE Connectivity 2410SFV系列保险丝按照工业标准和“绿色”产品发展的趋势，能完全实现无铅化，并且符合RoHS(有害物质限制指令)标准和 UL(美国保险商实验室)的认证。

更加重要的是，TE Connectivity 2410SFV系列保险丝具有高浪涌I2t容耐能力，在瞬间过载情况下的高抗浪涌电流承受能力可以最大限度地减少令人讨厌的干扰性熔断。

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