LED应用过程中的EOS故障

　　在LED的应用过程中，我们会经常遇到一种能够导致LED器件失效的EOS故障。EOS（electrical overstress）指的是过度电性应力，当电子元器件被施加的电流或者电压超过该元器件的设计规范要求时，该元器件便会发生性能减弱，甚至于直接损坏的现象。

　　LED器件很容易受到EOS的损伤，这种损坏有时能够直接击坏器件造成失效，而有时失效则可能在EOS发生一段时间后才发生。电源输出质量的不稳定，各种过电压过电流的噪音，以及热插入应用使用中的突入电流现像等都是能够产生EOS失效的诸多因素，这种EOS现像都属于短时间的过负荷，在短时间内（一般在一秒钟内）LED受到尖峰电压或者尖峰电流的冲击，这种电压或者电流的能量超过了LED的设计额定值，从而损伤LED器件。

　　本文将介绍一种保护LED器件，缓解EOS故障的方案，使用TE公司的PolyZen系列元器件将能够有效的减轻EOS侵扰，提高产品的可靠性。PolyZen系列元器件是具有纤薄外形的集成式过压和过流保护器件，具有强大的电路保护功能，以帮助保护敏感的电子产品，避免因为过压和过流失效而导致的代价昂贵的产品返修和质保问题。PolyZen系列产品为电路板设计人员提供了方便的过压过流保护器件，让他们不再需要花费大量的时间去集成并测试低效的分立器件及较昂贵的IC解决方案。

　　TE PolyZen集成保护方案提供可靠有效的过压过流保护

　　TE电路保护部的PolyZen产品是独立的表面贴装器件，它集成了一个可供选择齐纳电压（Vz）的精密齐纳二极管，以及一个PolySwitch聚合物正温度系数（PPTC）器件，产品原理图如图1所示。PolyZen系列适用于空间狭小的薄型紧凑型环境，它使用了具有热保护功能的齐纳二极管，以帮助保护电子产品避免电压瞬变、反向偏置和错误的电源使用造成的失效。如图2,PolyZen产品的典型应用框图，在故障状态时，精密齐纳二极管能快速有效的箝位电压并分流故障电流，而PolySwitch PPTC组件则可以继而快速的关断过大的电流，从而帮助保护齐纳二极管和下游电子组件。

　　PolyZen产品的典型故障响应如图3所示，图例中选用的是一个集成了5.6V齐纳电压的PolyZen器件，在24V过压条件（VIN）下，系统有10A的故障电流（IFLT）通过，PolyZen器件中的精密齐纳二极管能够快速的将输出电压（VOUT）箝位在5.6V附近，保护了负载电路，同时器件中的PPTC能够快速的动作截断电流，持续长久保护齐纳二极管与整个电路。

　　如今PolyZen系列产品已经有丰富的齐纳二极管与PPTC集成组合方便实际应用选择。其小尺寸，独立贴装，多功能保护已经成为过流过压保护应用中一种具备显着性能与价格优势的创新型解决方案，超越了使用熔断器、齐纳二极管和其它无源组件的分立式解决方案。

　　如何使用PolyZen保护EOS

　　首先我们搭建一个基本测试平台用来仿真产生EOS故障信号，整个测试平台电路原理图及实际测试图如图4,图5所示，测试系统中使用Keithley Model 2410数字源表做为电压源输出，回路中串联了一个开关用来通断整个回路。另外我们选用了某公司的一款LED产品用来评价EOS故障对该产品的影响，该LED对于浪涌电流的额定承受能力如表1红线框中所示，通过这个参数，可以计算得到能够导致LED发生故障的瞬间能量如公式1:

　　I2tD = 22 x 0.016 x 0.05 = 0.0032（A2s） ------公式1

　　I:电流峰值，t:电流持续时间，D:电流占空比

　　这样我们可以知道，如果测试系统电源输出的瞬间尖峰信号能量超过了这个值，就有可能损伤LED器件。

　　我们开始试验，如图6所示，示波器捕捉了测试系统在起始工作时的瞬间电压电流波形，尖峰电压=4V,尖峰电流=1.5A,持续时间=340us.

图6:Keithley源表产生的瞬间脉冲波形

　　这样我们可以计算在该状态下的EOS能量，由于该波形近似于三角波，所以我们可以根据公式2来计算它的能量：

　　0.5I2t = 0.5 x 0.152 x 0.00034 = 0.0038（A2s） ------公式2

　　I:电流峰值，t:电流持续时间

　　从公式2得到的数据来看，这个尖峰噪音的能量小于能损坏该款LED浪涌承受能力的额定值，所以在这种情况下该款LED是安全的，不过由于这次试验我们使用的是Keithley的源表，它能够提供高质量的电源。可见采用高质量的电源可以避免EOS对LED的损伤。但在实际应用中，如果采用高质量的电源来防治EOS故障，我们就需要在LED电源的设计和应用上花费更多的精力与成本，这往往是不符合市场实际的。

　　所以考虑到如何去模拟实际应用场合中可能会遇到的恶劣电源状况，我们在图4测试平台的基础上在电压源的输出端增加了一个220uF/450V的电容用来恶化EOS信号，原理电路及实际测试图如图7,图8所示。在这组实验中我们将考察PolyZen器件对EOS的改善，如图7,我们选用了PolyZen系列中的一款器件ZEN056V130A24LS用来做EOS的保护，这个PolyZen器件集成了一个5.6V的齐纳二极管。

　　首先我们考察回路中没有PolyZen器件保护的情况，合上开关，示波器可以捕捉到如图9所示的电流电压瞬间脉冲波形。

图9:Keithley源表产生的瞬间脉冲波形（增加电容恶化EOS）

　　尖峰电压=23.2V,尖峰电流=12.8A,持续时间=200us.根据公式3,我们可以得到这个EOS的能量为0.054,这个值就超过了LED额定浪涌电流承受值。如果LED长时间的工作在这样的电源下，LED的寿命将会减少，而且可能会出现直接损坏的情况。

　　0.5I2t = 0.5 x 23.22 x 0.0002 = 0.054（A2s） ------公式3

　　I:电流峰值，t:电流持续时间

　　我们继续进行实验，如图6,在这次试验，我们在LED之前，并联了一个PolyZen的器件，我们已经介绍过PolyZen是一个过流过压综合保护的器件，它集成了一个性能优良的齐纳二极管，将能够有效的箝位输出电压，分流故障电流，从而使得负载电路得到保护。在实际的测试中，我们得到了如图10所示的尖峰电压电流波形。

图10:Keithley源表产生的瞬间脉冲波形（增加电容恶化EOS以及PolyZen保护）

　　尖峰电压=6.4V,尖峰电流=6.4A,持续时间=240us,这样我们继续计算这个EOS波形的能量，如公式4:

　　0.5I2t = 0.5 x 6.42 x 0.00024 = 0.0049（A2s） ------公式4

　　I:电流峰值，t:电流持续时间

　　我们可以看到PolyZen对于EOS的改善是非常显着的，EOS的能量从0.054A2s降低到了0.0049A2s,PolyZen器件通过快速的箝位故障电压，减小了故障电流，这样就有效的改善了EOS故障。

　　我们使用PolyZen的器件再进行一组实验，这次我们将应用一颗PolyZen的器件去保护两颗LED,这在实际的应用中会经常遇到，该方案也具有更好的成本优势。由于我们需要保护的LED VF=3V,所以为保护两颗LED,我们选用ZEN065V130A24LS来保护电路，它拥有一颗6.5V的齐纳二极管。测试系统的框图，及实际测试图如图11,图12所示。

　　示波器捕捉到了如图13的波形，尖峰电压=7.4V,尖峰电流=1.5A,持续时间=400us,这样我们可以计算这个EOS波形的能量，如公式5:

　　0.5I2t = 0.5 x 1.182 x 0.0004 = 0.00027（A2s） ------公式5

　　I:电流峰值，t:电流持续时间

　　这个EOS的能量已经小于了公式1中计算所得可以导致LED故障的EOS能量，所以LED能够在这样的电源系统中安全工作。在这个应用中，PolyZen器件完美的完成了EOS防护的工作，LED得到了良好的保护。

图13:Keithley源表产生的瞬间脉冲波形（增加电容恶化EOS,一颗PolyZen器件保护两颗LED）

　　PolyZen还能做些什么

　　从上面的实验，我们已经可以明确的得到结果，PolyZen器件能够用来保护LED产品的EOS故障。另外PolyZen的能力还不限于此，PolyZen是一个过压，过流的集成综合保护器件，普通的TVS器件虽然也能够箝位电压，但是只能用作短时间脉冲的保护，而PolyZen器件除了集成了一个高性能的齐纳二极管，还集成了一个PPTC过流保护器件，这使得它可以有更广泛的应用。

　　我们知道当过压故障发生，箝位二极管被击穿后，它的温度将会随着时间的增加而增加，如果故障没有消除，或者有较长时间的过压故障脉冲加载在电路上，我们就会需要大能量的TVS器件来保护电路，否则TVS器件本身也会被破坏，而大能量的TVS器件意味着更昂贵的价格，以及更大的封装尺寸。PolyZen器件中集成的PPTC能够快速有效的进行过流保护，在故障发生时，齐纳管首先保护，箝位电压，它本身温度上升，然后PPTC能够被齐纳管加热，在很短的时间内动作，成为高阻状态，这样的话，整个电路的电流就能够被限制住，而故障电压会基本都由PPTC来承受，PPTC可以长时间的承受故障电压，使PolyZen可以胜任一个长时间的持续过压过流保护。PolyZen器件的这个独特功能，使得它能够以较小的封装尺寸来承受更大的能量。

　　结束语

　　随着市场对于节能低功耗的需求逐渐增加，LED已经成为了新一代照明的趋势，而LED在应用过程当中的EOS保护也越来越受到人们的重视，本文仿真了恶劣EOS信号的产生，并通过测试实际考察了它对LED器件的影响，继而进一步尝试应用了TE公司的PolyZen器件来抑制EOS,并得到了良好的测试结果。我们可以总结一下PolyZen器件在LED的EOS故障防护中的优点：

　　1. 效果显着的改善EOS能量，保护LED器件，延长LED器件寿命。

　　2. 降低LED电源设计的难度及成本。

　　3. 过流过压多功能保护，小尺寸封装，大能量保护，改善使用大功率TVS管做保护带来的成本及空间上的压力。

　　PolyZen器件的诸多优点，使得它可以成为一种LED器件EOS故障防护中的理想解决方案。