功率LED正成為交通信號或機場照明等關鍵任務應用的首選光源。在這些系統中，重要的是在LED發生故障時立即向操作員發出警報。本文介紹了一種實現自動故障檢測的高度集成且低成本的方法。

LED偏置

一般來說，LED是電流驅動的：LED的發光強度與通過LED的正向電流直接相關。因此，LED驅動器的主要任務是保持通過LED的恒定電流。

當電流施加到LED時，二極管兩端會產生電壓降。該電壓降稱為正向電壓，由二極管的典型電流 - 電壓特性決定。正向電壓的閾值點取決于LED的類型和顏色。

然而，功率LED在正向電壓方面產生相當大的復雜性。這是因為相同類型的功率LED的特性因生產過程的變化而顯著不同。

圖1：不同顏色的LED的IV特性。來源：奧地利微電子實驗室。

圖1顯示了不同類型和顏色的LED的IV特性（左圖）和僅在不同類型的紅色LED中發現的IV特性的變化（右手）圖形）。

可以看出，即使相同類型和顏色的LED也具有不同的電流 - 電壓特性。例如，在25°C的環境溫度下，藍色LED在20 mA時具有3.2 V的典型正向電壓，但在相同溫度下，這可以在高達3.85 V的范圍內變化（參見圖2）。

因此，LED驅動器在固態照明開發商中很受歡迎，這是一種確保LED陣列輸入相同電流以產生相同亮度的方法。

圖2：從20個藍色InGaN LED樣品中選擇IV特性。來源：奧地利微電子實驗室。

LED故障機制

然而，還有一種方法可以使用驅動程序來實現故障檢測功能。

LED照明系統可以通過兩種方式之一發生故障。一方面，LED本身的故障;另一方面，支持系統的機械故障或LED的電源線。

在LED本身出現“故障”的情況下，目前還沒有電子檢測方法。這是因為LED不會像白熾光源那樣燒壞;他們隨著時間的推移變得越來越暗淡實際上，沒有獨特的效果來描述LED壽命的終結。生命周期或可用時間也沒有標準或定義。

在任務關鍵型應用中，LED的調光范圍和適當的LED更換時間表可以參考LED制造商的數據并結合對運行中的系統進行定期光學測試來確定。但是，電子電路可以檢測由“場內效應”引起的照明系統故障。這些影響可能包括支撐模塊中的機械缺陷，由多點連接器故障引起的電氣接觸問題，電路板焊接故障，維護錯誤以及諸如電力電纜意外損壞之類的故障。

錯誤檢測方法

現場效應可能會使LED短路或導致電源線損壞。檢測開路或短路的常規方法是監控驅動器的輸出電流引腳的電壓。這可以通過每個驅動器輸出引腳上的兩個比較器來實現：一個用于檢測開路LED故障，另一個用于檢測短LED故障。

此外，還需要一個模塊，用于創建與系統控制軟件通信的接口。總之，這樣的電路需要大量的元件，這導致高的材料清單和組裝成本（見圖3a）。

通過將比較器的數量減少到兩個，并添加多路復用器將驅動器輸出連接到比較器以進行缺陷測試過程，可以略微減少元件數量。

圖3a：使用比較器實現錯誤檢測，以及沒有內置診斷功能的LED驅動程序。圖3b：使用具有內置診斷功能的LED驅動器（AS1110）實現錯誤檢測。

此問題的解決方案是使用具有集成診斷功能的LED驅動器，例如AS1109/10/12/13來自奧地利微電子公司的設備（見圖3b）。這種器件中的開路LED和短路LED檢測功能是通過比較輸出電流驅動器引腳上的每個電壓和兩個在器件內部產生的閾值電壓來實現的。用于檢測損壞的LED電路的第一閾值電壓（開路LED條件）是固定的并且不能改變。用于檢測短LED故障的第二閾值電壓直接取決于驅動器的電源電壓（必須仔細計算驅動器輸出引腳上的電壓，同時考慮到LED正向電壓的大范圍變化）。

開路LED和短路LED檢測基于輸出驅動器引腳電壓與內部產生的兩個不同閾值電壓VTHL和VTHH的比較。閾值電壓VTHL用于檢測開路LED狀態。為了可靠的故障檢測，輸出電流驅動器（LED的陰極）處的電壓必須高于VTHLmax。

通過比較輸出電流驅動器的電壓和內部產生的參考電壓VTHH來檢測短路LED，該電壓直接取決于驅動器的電源電壓。為了確保檢測到短路LED，工作LED陰極端子的電壓必須低于VTHHmin，否則正常工作的LED可能會被誤認為LED短路。

在這兩種情況下，應用設計人員容易改變的設計參數是LED電源電壓。

這種檢測由于場內效應引起的LED故障的方法成功，然后通過使用集成在LED驅動器中的診斷功能來減少組件數量和系統成本。但是，設計人員必須考慮LED在設置LED電源電壓時的正向電壓擴展。