01.導(dǎo)讀

作為一種基于半導(dǎo)體的光電器件，LED (發(fā)光二極管) 也應(yīng)在制造商數(shù)據(jù)表中規(guī)定的絕對(duì)最大電氣額定值以下運(yùn)行，以保證其可靠性和使用壽命，并確保其安全運(yùn)行。導(dǎo)致LED電路和系統(tǒng)中LED故障的一個(gè)因素是電過(guò)應(yīng)力(EOS)。本應(yīng)用說(shuō)明描述了EOS的性質(zhì)，解釋了它與ESD 的區(qū)別，討論了其原因，概述了與EOS相關(guān)的損傷，并提供了關(guān)于如何保護(hù)LED免受EOS影響 的信息。盡管這些基本原理適用于所有的電子元件，但本應(yīng)用說(shuō)明的重點(diǎn)是LED。

02.什么是EOS？

電應(yīng)力是一個(gè)術(shù)語(yǔ)，用來(lái)描述電子元件運(yùn)行在高于其數(shù)據(jù)表中規(guī)定的絕對(duì)最大電額定值以上發(fā)生的失效事件。換句話說(shuō)，當(dāng)電子部件故意或意外地超過(guò)其絕對(duì)最高電氣額定值時(shí)，就會(huì)經(jīng)歷EOS。EOS可以是單個(gè)事件/重復(fù)事件，也可能是連續(xù)事件。

在初次使用LED的情況下，規(guī)格書中以下參數(shù)既相關(guān)又重要：通過(guò)LED的最大正向電流/最大電壓/最大浪涌電流/最大反向電流/最大反向電壓/最大允許的連續(xù)脈沖電流/最大使用溫度。這些都應(yīng)保持在規(guī)格書內(nèi)所標(biāo)注最大額定值以下，以確保LED不經(jīng)歷EOS事件,下表列出常規(guī)規(guī)格書內(nèi)極限電氣參數(shù)表。

03.EOS與ESD的區(qū)別

當(dāng)討論EOS時(shí)，首先想到的是ESD (靜電)。即使是有經(jīng)驗(yàn)的工程師也可以互換使用這些術(shù)語(yǔ)，但兩者之間有細(xì)微的區(qū)別。

ESD事件(圖2：HBM-人體模型)定義較明確，持續(xù)時(shí)間很短 (納秒)，電壓顯著高至kV范圍，電流中等或是比較小，而EOS事件 (圖3)非常寬，持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng) (毫秒甚至秒)，通常具有較低的電壓和較高的電流?；趯?duì)EOS和ESD的一般的描述，ESD可以被認(rèn)為是EOS的一個(gè)子集或是分支。

ESD是跟驅(qū)動(dòng)或是電源無(wú)關(guān)的；故障現(xiàn)象主要芯片表面損傷導(dǎo)致外延層(EPI)出現(xiàn)小孔。

EOS主要是跟電源或驅(qū)動(dòng)有關(guān)的；故障現(xiàn)象主要表現(xiàn)損傷為過(guò)熱跡象 (EPI/內(nèi)部鍵合線出現(xiàn)熔融區(qū)域) 。

出現(xiàn)EOS的原因：

EOS是一個(gè)非常廣泛的概念，可以有許多不同的觸發(fā)源，包括通電和斷電瞬態(tài)、浪涌電流和過(guò)電壓或電流(在LED的情況下，這通常被稱為過(guò)量驅(qū)動(dòng))。一般我們將ESD其作為 EOS的一個(gè)子集來(lái)考慮，它有靜電源主要局限于電子元件的制造、包裝和生產(chǎn)與制造過(guò)程處理。

在LED驅(qū)動(dòng)電路中，由于內(nèi)部驅(qū)動(dòng)電路中常見的驅(qū)動(dòng)集成電路的鎖存條件異常也是被認(rèn)為是EOS事件之一。

在電源通電和斷電瞬態(tài)所表現(xiàn)瞬態(tài)峰值，也稱為電源尖峰。在具有離散控制的應(yīng)用中，容易在LED電路的位置附近產(chǎn)生尖峰。此外，驅(qū)動(dòng)器到LED引腳之間的線路也有可能是峰值信號(hào)的來(lái)源。這些瞬變?cè)磳?duì)LED影響非常重要，并且能夠根據(jù)影響大小而造成損壞，這取決于驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)中使用的保護(hù)類型和功率級(jí)別。

在LED測(cè)試的情況下，如果LED是通過(guò)其它方式連接到主控板上或是電源上，當(dāng)LED被連接到一個(gè)通電的電源上，那么這種情況下涌入瞬時(shí)電流是最常見的，這在電子行業(yè)中被稱為“熱插拔” 。熱插拔期間可能產(chǎn)生的大量通電瞬時(shí)電流構(gòu)成EOS 事件，并可能造成嚴(yán)重?fù)p壞。

LED或任何其他電子元件可能因各種原因被過(guò)度驅(qū)動(dòng) (故障或意外等) 。一個(gè)LED可能被意外地過(guò)度驅(qū)動(dòng)的情況下，如果驅(qū)動(dòng)器不能正確適當(dāng)?shù)膶?duì)其驅(qū)動(dòng)條件進(jìn)行調(diào)節(jié)輸出電流大小來(lái)防護(hù),較為容易產(chǎn)生故障。

例如:如果一個(gè)LED電路或系統(tǒng)的整機(jī)工作電流非常接近或是超過(guò)LED規(guī)格內(nèi)最大數(shù)據(jù)表里面規(guī)定的電流值，當(dāng)驅(qū)動(dòng)有異常時(shí)往往會(huì)對(duì)LED進(jìn)行過(guò)量驅(qū)動(dòng)。一個(gè)設(shè)計(jì)不規(guī)范的LED驅(qū)動(dòng)電路，由于電源輸出電流波動(dòng)，這樣的波動(dòng)是很容易地導(dǎo)致超過(guò)最大數(shù)據(jù)表中的電流值，從而導(dǎo)致LED的過(guò)量驅(qū)動(dòng)。

本應(yīng)用程序說(shuō)明范圍之外的其他一些來(lái)源在這里僅供參考。如果沒(méi)有外部保護(hù)電路來(lái)保護(hù)這些事件，例如電網(wǎng)波動(dòng)和閃電等事件也會(huì)對(duì)LED電路和系統(tǒng)造成損害。

04.LED中的EOS可能會(huì)導(dǎo)致哪種類型的損傷

LED中的EOS損傷可能是災(zāi)難性的，因?yàn)樵贓OS事件發(fā)生后，LED永久失去工作；也可能只是部分損壞，導(dǎo)致性能顯著下降或LED的完全失效。LED中的部分EOS損傷 可能表現(xiàn)為光輸出減弱、熱性能較差和使用壽命較短。一些EOS損傷可以用顯微鏡看到 (甚至可以用肉眼發(fā)現(xiàn))，但其他類型的損傷需要間接測(cè)試，特別是在單一ESD型事件的情況下(主要追蹤方法有I-V曲線示蹤劑、R_ray射線、SEM掃描電鏡等)。

測(cè)試EOS損傷的間接方法包括對(duì)LED進(jìn)行偏置，并使用曲線示蹤器來(lái)繪制損壞LED 的電流-電壓(I-V)曲線特征。損害的類型高度取決于事件的嚴(yán)重程度。它可以從燃燒的LED芯片到熔融或斷裂的粘結(jié)線，短路的LED，照明時(shí)外觀不均勻，以及熱點(diǎn)。有可能甚至也沒(méi)有明顯的損害。

為了便于參考，下圖中描述了某些類型的EOS損傷。

值得注意的是，許多EOS事件不會(huì)立即損壞LED。因此，當(dāng)LED故障發(fā)生時(shí)，可能不再可能將故障與初始EOS事件關(guān)聯(lián)起來(lái)——即使故障的根本原因可能是LED以前經(jīng)歷過(guò)的單個(gè)EOS。這意味著，當(dāng)LED故障變得明顯時(shí)，EOS事件很容易被忽視。這是努力避免LED電路和系統(tǒng)中的EOS的另一個(gè)原因。

為了說(shuō)明EOS損傷的潛在嚴(yán)重程度，我們?cè)趯?shí)驗(yàn)室中進(jìn)行了一些已知EOS事件的實(shí)驗(yàn)。以下是已知EOS事件的最大電氣額定值

LED短路得很快。這里可能出現(xiàn)的故障包括半導(dǎo)體的熱過(guò)應(yīng)力或熔絲鍵。如圖5所示，在LED上的連接線附近可見損壞。 ?

在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，故障發(fā)生在大約10-20秒內(nèi)。本實(shí)驗(yàn)中的電流水平是數(shù)據(jù)表最大電流的4倍。一個(gè)典型的EOS電流甚至可以比這里試驗(yàn)的電流要高得多。然而，EOS事件的持續(xù)時(shí)間可能不到10-20秒。下面是其中一個(gè)損壞的LED的X-Ray射線圖像。

實(shí)驗(yàn)2:

LED脈沖電流為1000mA(T=1s，D=0.2)。當(dāng)用脈沖電流驅(qū)動(dòng)時(shí)，此次實(shí)驗(yàn)發(fā)生故障需要更長(zhǎng)的時(shí)間。然而，這些失效的特征是相似的。在LED上的連接線附近可以看到損壞,如下圖所示。

實(shí)驗(yàn)3:

LED以3000mA的單脈沖驅(qū)動(dòng)300ms。由于較高的功率負(fù)荷，結(jié)合絲熔化。圖8顯示了大電流下對(duì)鍵合金絲的損壞情況，一般這種大電流下有機(jī)率會(huì)在燒熔斷點(diǎn)處形成金球狀。

圖中表面為金線熔斷，本實(shí)驗(yàn)中LED因開路而失效。 這三個(gè)實(shí)驗(yàn)表明，損傷可能是表現(xiàn)的是部分異?；?yàn)?zāi)難性不可恢復(fù)性的，其中主要是取決于EOS事件的強(qiáng)度。在部分損壞的情況下，在發(fā)生完全故障之前，整個(gè)過(guò)程中會(huì)不間斷的發(fā)生多個(gè)EOS事件后才有可能表現(xiàn)出異常。 ?

05.如何保護(hù)LED免受EOS的影響

由于EOS事件的最終結(jié)果是過(guò)電流或過(guò)電壓，因此行業(yè)中常用兩種類型的保護(hù)： 1.過(guò)電壓保護(hù)電路 2.限流電路 許多要求嚴(yán)格的產(chǎn)品或是工業(yè)設(shè)備上所要求的半導(dǎo)體LED都有內(nèi)置ESD芯片保護(hù)電路，旨在保護(hù)LED免受ESD事件的影響。要根據(jù)需要進(jìn)行內(nèi)置或是外置齊納管或是TVS管進(jìn)行設(shè)計(jì)，可靠性做的好的器件保護(hù)高達(dá)8kV? HBM (人體模型) 或高達(dá)15kVacc(等級(jí)為3B)。這些ESD電路的目的是在制造、包裝和處理過(guò)程中保護(hù)LED。保護(hù)電路僅保護(hù)LED 遠(yuǎn)離低于指定范圍的ESD事件。下面解釋的保護(hù)類型側(cè)重于保護(hù)LED免受集成ESD 保護(hù)設(shè)備規(guī)范之外的事件的影響。正確的驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)對(duì)于確保LED在其最大電氣額定值范圍內(nèi)運(yùn)行至關(guān)重要，并免受某些EOS事件的影響，特別是LED連續(xù)驅(qū)動(dòng)LED 超過(guò)最大額定電流和/或電壓。最好以恒定的電流驅(qū)動(dòng)LED。在LED在較低的電流水平下運(yùn)行的情況下，輸出紋波的影響可能不是一個(gè)問(wèn)題。然而，當(dāng)LED在更接近絕對(duì)最大電流的電流下被驅(qū)動(dòng)時(shí)，電源上的紋波電流可以高于LED的最大額定電流——這意味著LED在使用的過(guò)程中持續(xù)的在經(jīng)歷EOS這個(gè)過(guò)程，造成LED性能下降或是死燈。 其他特性，如驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)中的能實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)來(lái)驅(qū)動(dòng)LED，可以顯著減少電源中波峰值對(duì)LED進(jìn)行沖擊。雖然軟啟動(dòng)有它的好點(diǎn)，但使用中可能會(huì)有一個(gè)明顯的延遲。下圖顯示了在EOS事件下LED負(fù)載的使用示波器捕獲的波形。吸潮,溫升太快,容易出現(xiàn)品質(zhì)異常。

過(guò)電壓保護(hù)電路:一個(gè)過(guò)電壓保護(hù)電路通過(guò)確保通過(guò)LED的電壓始終保持在指定的水平下來(lái)保護(hù)LED免受EOS事件的影響。最常見的過(guò)電壓保護(hù)電路是鉗位電路，如TVS (瞬態(tài)電壓抑制) 二極管。TVS管與它們所保護(hù)的LED并聯(lián)方式進(jìn)行電氣連接。在正常運(yùn)行過(guò)程中，TVS管處于“關(guān)閉”位置。在EOS事件的電壓高于TVS管保護(hù)電壓的情況下，TVS內(nèi)部擊穿導(dǎo)通并“嵌位”電壓，從而保護(hù)LED?。TVS管可以是選擇使用單向的，也可以使用雙向的。

在選擇TVS設(shè)備時(shí)，應(yīng)注意嵌位電壓?？紤]到所述LED的正向電壓值會(huì)受到外部的因素會(huì)有少許波動(dòng)，所選的嵌位的電壓應(yīng)略高于正常工作電壓，并且低到足以在EOS事件發(fā)生時(shí)保護(hù)LED。TVS管的響應(yīng)時(shí)間相當(dāng)快。在很多情況下，該管子只需皮秒就能抑制由EOS事件導(dǎo)致的電壓。

如果多個(gè)LED串聯(lián)或在LED，其中一 組LED內(nèi)部串聯(lián)連接，單個(gè)保護(hù)電路可以并聯(lián)連接。在這種情況下，嵌位電壓將略高于總串電壓。

限流電路:與過(guò)壓保護(hù)電路不同，限流電路與需要保護(hù)的LED串聯(lián)電連接(如下圖) 。當(dāng)用于保護(hù)LED免受過(guò)電流沖擊事件影響，電流限制電路會(huì)實(shí)時(shí)限制通過(guò)電路的電流。

電流限制電路有兩種類型：不可復(fù)位電流限制器和可復(fù)位電流限制器。

不可復(fù)位的電流限制器(保險(xiǎn)絲)是在EOS引起的過(guò)電流事件的情況下直接跳閘的一次性保護(hù)。一般常用的電路中并不推薦此類防護(hù)，因?yàn)榇祟惞收显O(shè)備時(shí)必須檢查無(wú)問(wèn)題后再進(jìn)行物理更換，這樣才可以使LED電路再次工作(因?yàn)殡娏飨拗破魇谴?lián)連接的)，通過(guò)保險(xiǎn)絲斷開來(lái)使LED未受到外部沖擊,有效防止下一個(gè)潛在的EOS事件。

NTC (負(fù)溫度系數(shù)) 電路的工作方式與PTC電路相反。它在室溫下具有較高的電阻，在工作溫度下具有可以忽略不計(jì)的電阻，這使它成為防止涌入電流的理想選擇。 下圖說(shuō)明了NTC如何防止因熱插拔而導(dǎo)致的涌入電流。

在帶有NTC器件的LED電路中，沖擊電流 (以橙色顯示) 被降低到類似于藍(lán)色波形所示的水平，從而保護(hù)LED免受高沖擊電流的影響。然而，這種方法并不適用于快速開關(guān)開關(guān)。 雖然使用PTC或NTC設(shè)備是非常簡(jiǎn)單和經(jīng)濟(jì)有效的，但這些方式也有一些具有降低性能因素。PTC開始增加其電阻時(shí)或之后的開關(guān)電流高于期望的工作電流。例如，如果開關(guān)電流是工作電流的1.5倍，并且工作電流相對(duì)接近最大數(shù)據(jù)表電流，則開關(guān)電流可能仍然高于最大數(shù)據(jù)表電流，這意味著PTC只適合于低工作電流。此外 ，在某些情況下，PTC的預(yù)熱時(shí)間可能會(huì)導(dǎo)致啟動(dòng)延時(shí)問(wèn)題，主要表現(xiàn)為從零到正常工作時(shí)間由毫秒到秒不等。這也將工作電流限制在受數(shù)據(jù)表最大值限制的范圍的低端。 在NTC設(shè)備的情況下，在連續(xù)性的EOS事件的情況下，NTC器件冷卻時(shí)間可能會(huì)有問(wèn)題。 為了克服這些有關(guān)被動(dòng)保護(hù)的問(wèn)題，如PTC或NTC保護(hù)，可以考慮主動(dòng)保護(hù)。與被動(dòng)解決方案相比，主動(dòng)保護(hù)可能是復(fù)雜的和成本相對(duì)來(lái)說(shuō)比較高一些的。圖16顯示了一個(gè)可用于主動(dòng)涌入電流保護(hù)的電路。

圖16

圖16中R3為電流采樣電阻，當(dāng)工作時(shí)流過(guò)R3的電壓剛好低于激活NPN晶體管所需的電壓。在過(guò)電流的情況下，通過(guò)R3的電壓增加，以打開NPN晶體管，這反過(guò)來(lái)關(guān)閉MOS管從而保護(hù)LED。雖然電路簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)有效，而且正常運(yùn)行時(shí)R3上的功耗對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的效率會(huì)有輕微的影響 。特別是長(zhǎng)時(shí)間工作在大電流的狀態(tài)下，R3將會(huì)產(chǎn)生較大的功耗，存在熱穩(wěn)定性的參數(shù)漂移，而圖17中所示的電路可以用來(lái)克服這個(gè)問(wèn)題。

圖17 ?

圖17中MOSFET-N具有非常低的開啟電阻 (在毫歐姆范圍內(nèi)) 。因此 ，圖17中的電路在正常運(yùn)行中不會(huì)消耗太多額外的功率，因此對(duì)于效率是關(guān)鍵因素的應(yīng)用程序，它是理想的。組件值基于所需的保護(hù)級(jí)別，但這不是本應(yīng)用程序說(shuō)明范圍的一部分。在實(shí)際應(yīng)用中，TVS管也應(yīng)該與這個(gè)沖擊電流限制電路一起使用，以對(duì)各種不同的潛在EOS事件提供保護(hù)。

06.總結(jié)

就像任何其他電子組件一樣，LED需要被保護(hù)，以防止可能發(fā)生的EOS事件，以防 止LED電路和系統(tǒng)中的LED出現(xiàn)故障。在設(shè)計(jì)LED系統(tǒng)時(shí)，我們建議您始終相當(dāng)注意保護(hù)電路，以及系統(tǒng)的熱、電氣和光學(xué)方面。一個(gè)堅(jiān)固的LED系統(tǒng)設(shè)計(jì)確保了 一個(gè)可靠、持久、安全的LED系統(tǒng)。在現(xiàn)實(shí)中，大多數(shù)EOS誘導(dǎo)的故障都是由于激增或突發(fā)事件引起的。

這兩者都通常應(yīng)該由電源本身來(lái)阻止，良好的電源設(shè)計(jì)或高性能的LED驅(qū)動(dòng)電路都可以很好地處理浪涌。然而，由于浪涌根據(jù)其持續(xù)時(shí)間、頻率和強(qiáng)度，這些因素都會(huì)使得突發(fā)性事件影響更為嚴(yán)重，并可能通過(guò)電源使得LED模塊損壞。必須使用合格的標(biāo)準(zhǔn)化電源來(lái)防止突發(fā)沖擊和突發(fā)事件的產(chǎn)生。此外，不建議熱插拔LED或LED系統(tǒng)，特別是在測(cè)試期間。

編輯：黃飛

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