盡管LED通常是非常耐用的，但由于電應力的原因仍會發生故障。Mauro Ceresa是Cree的EMEA現場應用工程師，將涉及所有與電過應力有關的方面。他將解釋為什么會發生故障，以及如何防止這種故障發生。下文將闡述一個好的PCB布局設計的基本方面，以及與LED壽命的關系。

LED具有隱形微損傷

由于LED提供的許多性能優勢，固態照明技術已成為照明行業的重要參與者。這種后起之秀技術的性能增強 - 特別是其效率優勢 -帶來了許多新的應用和LED的廣泛采用。

固態光的使用擴散使LED暴露在一系列新的苛刻的工作環境中，并證明它們理論上的“長壽”很容易被各種環境因素所破壞，但幸運的是，在大多數情況下，當由夾具設計故障引起時，這個問題會很快變得明顯。

這些故障變得明顯的速度意味著業界越來越意識到，如果LED暴露于與固態輕質構造材料不相容的揮發性物質，則LED的預期壽命會受到嚴重損害。但是，并非所有對LED的威脅都足夠明顯，以便用戶能夠在發生大規模現場故障之前采取必要的步驟來解決問題。

最關鍵的威脅來自為LED供電的相同電源，被稱為“電氣過應力”（EOS）。每當LED驅動電流或電壓超過元件最大額定值時，就會發生EOS。有許多不同類型的EOS - 一些是在LED組裝或測試過程中產生的，而另一些是由電源產生或來自電磁場引起的環境。

EOS是固態光技術最危險的威脅，因為它使用相同的路徑來點亮LED。此外，它造成的損害往往不是立竿見影的。在許多情況下，LED可能僅在安裝后幾天甚至幾個月停止工作。EOS的這兩個特征意味著它可能難以預防，并且解決起來很昂貴。EOS發生和未能檢測到故障之間的時間間隔可能很長并且由于可能生產和安裝更多的燈具而產生嚴重的后果，從而增加了保修更換的成本。

為什么電氣過應力會發生

EOS可能有多種不同的原因和方式，但只有一個結果：LED故障。EOS損壞LED芯片結構，導致其失效的速度超過其預期壽命。

EOS是由外部來源引起的，例如工作環境，測試程序或人工交互，以及內部交互，如電源壞或錯，PCB設計布局或在LED上產生電壓或電流的故障組件超過數據表中規定的最大電壓。

當電壓或電流超過元件最大額定值時，這稱為“應力”。為了更好地理解EOS發生的原因 - 無論是開路還是短路 - 以及LED發生故障所需的時間，重要的是要考慮壓力的能量含量。每次對固態光產品施加應力時，它都會產生電流和電流，流過整個電路阻抗（夾具加環境）。這意味著對LED施加一定的功率應力。

如果功率應力信號被積分，則隨著時間的推移，能量應力將以焦耳為單位進行測量。低能量應力會產生微不足道的損害 - 有時甚至根本沒有 - 雖然中等能量應力會損壞LED，但失敗只會在很長一段時間后發生。另一方面，高能量應力立即導致LED通過吹掉引線鍵合或者熔化附著在焊盤上的管芯而破裂。

重要的是要注意，即使在壓力之后沒有失效，這也不意味著LED沒有損壞。低能量和中能量應力可能導致微觀損壞（圖1），這些損害不會立即可見（圖3），但這些可能會在一段工作時間后以災難性故障結束。這就是為什么每個暴露在電氣過應力下的LED都應被視為存在故障風險的設備。

圖1：低能量和中能量應力會因微損壞而產生長期短路故障

圖2：高能量會在開路中立即造成故障

圖3：具有隱形微損傷的LED

不同類型的電氣過應力及如何防止故障

有許多可能的EOS來源可能是由于夾具設計問題，人為錯誤以及固態照明技術進入照明行業之前的法規限制而產生的。

以下內容將涵蓋可能導致EOS的所有潛在情況，并提供指導和建議以防止現場問題。在某些情況下，解決方案受到客戶設計的強烈影響，這就是為什么LED制造商必須與客戶密切合作以確保其夾具設計符合EOS標準。

靜電放電

EOS的第一個可能來源是由處理LED或印刷電路板的操作員產生的。這種類型的EOS由靜電放電（ESD）產生。ESD是一種持續時間非常短的低能量事件 - 它只持續幾微秒。ESD通常在非ESD保護的工作環境中生成。例如，操作員主體可能具有與LED板非常不同的電勢，并且當它們與LED接觸時，可能發生ESD。

然而，通常，ESD不是LED的問題，因為大多數LED配備有ESD抑制器，其保護LED芯片。然而，一些設計用于最大化光密度的非常小的新LED沒有配備ESD抑制器，這就是必須使用外部ESD抑制器的原因。這些附加組件必須非常靠近LED，以便正確保護。這些ESD抑制器已經使用了數十年以保護其他電子設備，并且可以在需要時用于解決這種可能的EOS問題。

電源

另一種可能的電過應力源來自燈具中使用的電源。即使在沒有用戶誤操作的情況下，有幾種可能的情況可能會損壞LED。每次選擇新的恒流電源時，必須檢查輸出容差，電流紋波，開關輸出期間的瞬態尖峰以及最終的熱插拔電流。容差，波紋和尖峰可能是無聲的LED殺手，它們會損害元件的完整性而沒有任何明顯的跡象。圖4顯示了商用恒流1050 mA電源，代表了許多可能的EOS來源。

圖4：商用恒流1050 mA電源的紋波，代表許多可能的EOS源

首先，每次打開固態燈具時，此電源每幾毫秒產生2 A的尖峰。如果此處使用的LED類型額定為2 A或更高，則應該沒有問題。但是，如果使用的設備的最大額定電流為1.2 A，則在恒定電流1.05 A電源下，可能存在很大的風險。

如果燈具每天打開或關閉一次或兩次，LED很可能會持續到預期的時間。但是，如果存在或移動傳感器打開和關閉我們的夾具，每小時的許多尖峰將對我們的LED造成壓力，從而影響其使用壽命。

這種電源的另一個關鍵方面是紋波。這里有大約±40％的紋波。除了一些潛在的令人不快的影響，如閃爍和通量減少，這種紋波可能會迫使LED超出規格，并在壓力下連續重復循環。

如前所述，如果使用2 A或更高額定電流的LED類型，則不會發生任何事情。但是，對于最大電流為1.2 A的器件，恒定電流電源會嚴重影響LED的使用壽命。通過將所有這些值增加到公差百分比，考慮平均電流輸出的容差也是必要的，這會使情況惡化。

為防止上述情況下的EOS故障，在開關階段和關閉階段使用瞬態峰值有限的電源非常重要。這些電源不得超過LED的最大額定電流。此外，典型電流與紋波和正公差相結合不得超過最大LED額定電流。如果滿足所有這些條件，電源將不會導致任何EOS。

另一種可能的故障源是電源的反極性連接或負脈沖。如果操作員在測試或生產階段交換極性，則該EOS會嚴重損壞LED。為了防止這種情況發生，最好使用具有短路保護的電源，并在LED板上安裝一個與LED串并聯的二極管。如果電源通過連接器連接到LED板，則極化連接器是最佳解決方案。

最后一次測試 - 總是運行良好 - 它是幾個LED板上的“破壞性測試”，用于測量熱插拔電流。該測試包括接通電源（不連接任何LED），然后熱插拔到LED板。通過這樣做，可以測量熱插頭電流峰值（圖5），其表示在燈具組裝或測試期間在電接觸不良或錯誤的情況下可能的電過應力。如圖5所示的峰值與無負載時的電源最大電壓輸出和LED串的總正向電壓之間的差值成比例。這意味著間隙越大，由誤操作或不良電接觸引起的LED損壞的概率越高。

圖5：“熱插拔電流峰值”測試表示可能的過應力，并且可以估計由誤操作引起的LED損壞的可能性

為防止熱插拔電流引起的EOS故障，遵循排除潛在熱插拔方案的組裝程序并選擇合適的電源和連接器非常重要。

在組裝過程中，在LED板牢固連接之前，不得將電源插入電源。此外，在關閉電源之前，不得將LED板與電源斷開。使用帶有內置限流器的電源也可以使裝配操作更安全，同時還可以防止任何潛在的人為錯誤。

最后，連接器質量至關重要。質量差的連接器具有松散的電氣接觸，即使電路板與電源電氣連接，也可作為熱插拔。通常，如果LED產生閃爍或閃爍的光，則可能在其后面有電流脈沖，這可能是EOS的標志，需要進一步研究。通過遵循這些簡單的規則，可以避免在組裝操作期間的任何可能的EOS。

測試

其他可能產生電壓過大的潛在生產操作問題包括在線和實驗室測試。這些測試為EOS提供了很高的潛力 - 特別是熱插拔EOS。

在線測試往往是自動化過程，在正確完成后可能很有用。為了避免EOS的風險，執行測試的機器軟件必須按照這個逐步的過程進行編程：首先，連接探頭;將能量施加到測試電路;從電路中移除能量，最后取下探針觸點。通過這個過程，驅動電路將成功地測試LED而不會造成任何損壞。

為了確保軟件錯誤不會損壞LED，最好的選擇是使用串聯電阻的恒壓源來限制測試電流。在測量LED光通量，CCT和Vf時，不能進行這種類型的測試，因為從LED到LED的正向電壓變化可能會影響這些參數。然而，在所有其他情況下，這是一種非常安全的在線測試LED的方法。

實驗室測試更為關鍵，因為電路板通常是手動測試的，人為錯誤的可能性非常高。在某些情況下，使用恒流電源，而在其他情況下，帶有限流器的實驗室電源是客戶的首選 - 兩者都非常危險。在恒流電源的情況下，如果每次都沒有完成序列，則LED將被損壞，而在第二種情況下，存在許多可能損壞LED的變體。

使用恒流電源時，建議在電源線上連接兩個按鈕，將電源連接到插頭。通過這樣做，任何操作員 - 甚至是未經訓練的操作員 - 將被迫首先將LED板連接到電源，然后按下兩個按鈕。

即使插入電源，初級也不會通過打開電路的兩個按鈕通電。只需一個按鈕即可運行此測試，但安裝一秒可以避免操作員在按下按鈕的同時將電路板與另一個電路板連接起來，這樣可以確保更安全的過程。

當使用具有限流器的實驗室電源時，存在兩個主要風險 - 第一個僅僅是有人可能無意中移動其中一個旋鈕，導致LED由于設置的改變而施加壓力。第二個風險在于電源持續運行，輸出級通電，如果限流器電路位于輸出電容器之前，限流器將在LED損壞后開始工作。盡管這被認為是一種非常安全的LED測試模式，但事實并非如此。

現場熱插拔和長電纜

但固態燈具并非設計用于倉庫，許多EOS風險存在于生產階段之外。這就是為什么技術人員的目標是在安裝固定裝置后預測潛在的EOS觸發器。對于戶外應用，這意味著考慮不同的天氣條件和電磁場，以及室內應用的開/關循環和其他感應磁場。

今天，大多數LED燈具都配備了一個板載驅動器，可以在安裝階段防止熱插拔。在早期的LED采用時代，三個LED MR16燈在安裝階段被熱插拔破壞。將驅動器放在燈具外殼上或一起放置在燈具外殼中也可以防止由將LED板連接到電源的長電纜引起的EOS，并且像天線一樣起作用。它們連接無線電系統，電梯電機等產生的所有電磁場。

在某些情況下，客戶在LED板上放置一個瞬態電壓抑制器（TVS）以防止這種類型的EOS和熱插拔，但由于兩個原因，這是無效的。首先，這些EOS是繞過這些抑制器的高頻信號，其次，LED和TVS的電氣特性不匹配。

圖6顯示了一系列12個LED“典型”和“最大”正向電壓。應選擇TVS，其最小擊穿電壓大于最大驅動條件下的最大LED正向電壓。這是必不可少的，因為與LED燈串并聯的TVS在標準工作條件下不得吸收任何功率。

圖6：設計不良的瞬態電壓抑制器，它不會保護LED，因為它不會穿過LED曲線

在圖6中，綠色TVS曲線從不穿過LED曲線，這意味著TVS永遠不會保護LED。相反，LED吸收整個EOD。

我們將詳細探討如何設計電路以防止共模或差模EOS，但首先將討論最佳的PCB設計。

PCB設計

為了避免燈具外殼或散熱器與LED燈墊之間存在任何潛在的危險導電路徑，印刷電路板（PCB）設計為與銅墊和其他金屬部件的邊緣保持適當的爬電距離非常重要。連接到房屋。在圖7中，靠近邊緣的任何銅路必須保持在絕緣距離上。建議的最小距離為3 mm，即使建議的距離在可行時通常為5-7 mm。

PCB設計的另一個重要考慮因素是靠近螺釘的銅跡線。必須考慮螺釘頭直徑而不是PCB孔來計算距離。當電線熔接在PCB上而不是使用連接器時，電纜線絕緣層覆蓋焊盤并且不會減小爬電距離非常重要。

用于LED板的PCB通常是鋁基的。鋁和銅由介電材料隔開，介電材料提供兩種金屬之間的電絕緣。該電介質應足夠薄，以保證從LED到燈具外殼的良好熱傳遞，但足夠厚以提供足夠的電絕緣。通常PCB鋁與夾具散熱器直接接觸，因此PCB電介質保證了獨特的絕緣性。因此，PCB供應商必須保證所有PCB供電的PCB擊穿電壓的最小值。

如果任何爬電距離或PCB擊穿電壓不足以承受環境浪涌，則存在電弧和放電的風險，并且LED將受到EOS的壓力和損壞（圖7）。

圖7：如果任何爬電距離或PCB擊穿電壓不足，EOS損壞的風險非常高

共模和差模浪涌

大多數LED用戶可能會熟悉上面列出的方案。在探索導致EOS的更多情況之前，了解行業監管和保護類別非常重要。

國際電工委員會（IEC）和IEC61140：2016定義了針對人員的電擊保護規則。根據國家和產品類型，每個市場銷售的設備有不同的絕緣等級要求。

最常用的絕緣分類是I類和II類。I類燈具必須使用專用電纜將其外殼連接到電氣接地。另一方面，II類燈具設計用于提供所需的安全等級，無需任何電氣接地連接。

表1：保護等級符號

這兩種不同的分類使得固態燈具在暴露于環境壓力時表現得完全不同。通常，如果電氣接地連接以有效且可靠的方式完成，則I類燈具受EOS故障的影響較小，但實際上，兩種燈具類型都需要有效設計以防止EOS損壞。另一個需要考慮的關鍵規則是IEC60598-1：2014，它定義了燈具的一般要求和測試，包括固態燈具。2014年版本取代了2008版本，并為II類產品提供了相關變更。

第10段;IEC60598-1：2014第4節“建筑”涉及雙層絕緣II類燈具。本章第4（IV.10.4）小節規定了保護阻抗裝置，指出通過雙重絕緣隔開的可觸及導電部件可以使用電阻器或Y2電容器作為導電橋。它們需要由至少兩個具有相同額定值的獨立部件組成。

這些組件必須符合相應的IEC規定。使用Class II燈具，可以添加將LED板連接到燈具主體的特定組件。這使得可以分析在快速瞬態應力期間LED電路的樣子。圖8顯示了兩個串聯的LED，其中一個簡單的型號顯示了LED和內置在其封裝中的ESD保護器。該型號不考慮所有寄生元件或LED散熱墊的影響。導熱墊是一個重要的焊盤，允許LED通過許多金屬部件有效地將熱量從源（結）傳遞到空氣。

圖8：兩個與ESD保護器串聯的LED的簡單模型

為了實現非常好的熱傳遞，導熱墊應連接到PCB上非常大的銅區域。由于傳輸面積大，因此可以水平傳播熱量，然后將其垂直有效地傳輸到PCB的鋁層。由絕緣體隔開的兩種金屬形成電容器，這意味著PCB是在該特定分析中應該考慮的電容器。根據PCB設計和使用的材料，這種寄生電容可能很大或很小。它不容忽視，了解如何管理它以避免EOS問題非常重要。

LED和TVS可以以非常復雜的方式建模，對于喜歡在模擬中花費數小時的人來說，這是獲得樂趣的好方法。為了本文的目的，只使用一個簡化的模型，電容器與其他元件并聯電子連接，如圖9所示。由于每個散熱墊與地面之間的寄生電容，重要的是要了解如何連接它們。有兩種選擇：將它們分開或連接它們。

圖9：帶電容器的LED和TVS的簡化模型

還可以選擇使它們電浮動或將它們連接到電壓電位。讓它們漂浮是一個相對不安全的選擇，因為任何共模應力都直接施加在導熱墊和LED電氣墊 - 陽極和陰極之間。一旦藍色箭頭（圖10）標記的點之間的電壓降超過LED封裝絕緣，就會產生致命的EOS。關于LED封裝材料，陶瓷提供比塑料更好的絕緣，并且取決于焊盤之間的距離，可以具有幾十到幾百伏的封裝絕緣電壓。在任何情況下，共模信號可以容易地達到數千伏，從而對LED產生電過應力。

圖10：離開LED和TVS浮動是一個相對不安全的選擇

將LED導熱墊連接到參考電壓可以保護LED免受共模電壓應力產生的EOS影響。信號通過導熱墊寄生電容跟隨通向地的路徑，并且LED封裝上的電壓受到限制。現在需要將導熱墊連接到某個電位是顯而易見的，但仍然可以選擇將它們分開或將它們全部連接起來。

圖11顯示了由差分模式強調的燈具電路。紅色箭頭表示正電涌上的應力信號的方向，而藍色箭頭表示負電涌。出于討論的目的，將覆蓋導熱墊與陽極的連接以及與陰極的連接。

圖11：由差分模式引起的燈具應力（紅色箭頭表示正電涌上的應力信號方向，而藍色箭頭表示負電涌）

在正電涌并且導熱墊連接到陽極的情況下，應力將在通過LED串的標準路徑和導熱墊與地之間的寄生電容之間分開。分流比由朝向地的LED路徑的阻抗比和導熱墊的第一寄生電容確定。很明顯，通過連接導熱墊，寄生電容是n倍（其中n是LED的數量），阻抗是n倍小 - 吸收了很大一部分應力。

這意味著連接所有導熱墊比將它們分開更好。在負應力信號的情況下，整個信號將通過CLED，以相反的方式使LED極化。CLED的阻抗非常高 - 因此反向電壓降也會非常高。ESD TVS有助于鉗位信號，但由于應力更多的是中頻能量，因此LED會被這種反向極化損壞。

當信號出現在第一個LED之后，它會發現散熱墊寄生電容到達電氣接地。弦上的其他LED變得有壓力，但越來越少，因為該系列上的每個C導熱墊吸收部分應力信號。

當熱墊連接到陰極時，正應力完全穿過第一LED，比使用陽極連接的前一情況更多地損壞它。然而，在負面壓力的情況下，該系列的最后一個LED壓力較小。

由于第一次分析，LED導熱墊應該全部連接在一起，然后連接在陽極上以獲得正應力，而在陰極上連接用于負應力。無法知道燈具面對哪種類型的應力（正面或負面）;因此，最佳配置是對稱配置，它將LED燈串分為兩組，并配有鏡像配置（圖12）。正極側的LED導熱墊必須連接到陽極，而負極側的導熱墊必須連接到陰極。

圖12：使用鏡像配置將LED燈串分為兩組是最佳配置，因為不知道會出現哪種類型的壓力（正面或負面）

為了進一步提高對這種強大解決方案的保護，增加了正負LED組上的兩個額外電容CP和CN。必須正確設計和選擇導熱墊區域和CP和CN，但這僅適用于物理客戶電路。不要忘記，IEC 60598-1：2014允許使用適當的組件將燈具主體連接到電源輸出的正極或負極端子。這將進一步降低EOS對LED的潛在影響。

結論

很多條件都有可能導致產生EOS，這就是為什么它們仍然是LED預期壽命結束前LED故障的主要原因。EOS的原因很復雜，可能導致EOS的操作和可變條件是多重的。

以上探討了所有可能的有害條件，并總結了在燈具生產過程和電路級采取的措施，使每個固態燈具更安全，更持久。