高亮度（HB）LED的出現為固態照明開辟了新的應用范圍。除了更熟悉的用途，例如家用照明，廣告牌和零售場所的顯示照明，LED現在通常用于從車燈到路燈，交通信號燈和機場跑道標記的應用中。

這些應用中的每一個都利用了LED的許多積極特征中的一個或多個。例如，與白熾燈相比，LED可以抵抗振動和沖擊;他們可以通過減少電力消耗和減少更換和更新的頻率來降低運營成本 - 通常引用35，000到50，000小時的壽命;他們很可靠;在電氣特性方面，它們反應迅速。但是，為了獲得這些相當大的優勢，設計人員需要了解使用LED設計的一些潛在缺陷。例如，由于電源問題和雷擊造成的ESD和電氣瞬態損壞，它們比傳統燈具有更高的風險。這種事件在戶外應用中更常見。此外，最常用于生產HB組件的技術 - 例如采用藍寶石或SiC基板的技術 - 最容易受到這種損害。

LED也容易受到溫度循環和振動的影響，這兩者都會損壞其內部引線鍵合，導致性能下降并最終導致“開路故障”。過電流和過溫條件會導致熱失控型現象。然而，即使是內部短路開始的故障，以及隨之而來的加熱，也很可能在內部引線鍵合連接失效后以開路結束。乍一看，這些有些不同尋常的潛在失敗模式似乎只是有趣的奇怪之處。然而，有一些重要的后果，特別是當設計人員選擇 - 通常如此 - 通過單個恒流電源為一串LED供電時。

這個設計策略背后有充分的理由。首先，簡單的經濟學規定單個電源將更具成本效益。然而，同樣重要的是，LED亮度很大程度上取決于電流。這意味著串聯串是確保組內LED之間均勻亮度以及對組施加共同亮度控制的最簡單方法。

問題是，當LED開路時，電流會停止流過整個系統，并且燈串中的所有LED都會變暗。雖然在廣告牌中僅僅是難看的，但是這個問題會對車輛信號或前燈造成安全隱患。在交通信號燈或路燈的情況下，問題在于更換的可能性并不簡單。

作為解決此問題的解決方案，電路保護元件制造商提供了一系列解決方案。據TE Connectivity稱，有時被忽視的事實是，與白熾燈或緊湊型熒光燈（CFL）技術相比，LED傳導的熱量更多，輻射更少。因為LED故障經常導致產生過多的熱量，所以存在嚴重的熱條件甚至火災的風險。

為避免這些問題，該公司建議使用其Polyswitch RUEF系列正溫度系數（PTC）器件之一，也稱為可復位保險絲，與高風險LED串聯。

圖1：Polyswitch正溫度系數（PTC）器件可與LED串聯使用，以防止出現熱量問題。

Polyswitch器件放置在靠近LED的位置，因此除了可以防止電氣引起的過電流情況外，它還會因環境或電路條件導致過熱而跳閘。與所有公司的Polyswitch系列一樣，使用此類器件的優勢包括其可復位性，快速跳閘時間，正常工作時的低電阻（因此功耗低）和小尺寸。

Littelfuse，Bourns，安森美半導體和意法半導體等制造商都提供專為保護HB LED而量身定制的元件。它們與一個或多個LED并聯連接，并且可以執行許多有用的功能。首先，在線，如果LED失效打開，保護組件接通并傳導電源電流，有效地繞過故障LED并允許由相同電源供電的其他LED保持點亮。

作為子組件的一部分，這些組件還可以提供防雷和ESD事件的保護。這兩種瞬態現象具有相當不同的特性：雷電浪涌具有以微秒為單位測量的上升時間，而ESD事件以納秒為單位測量。設計人員需要評估LED在線的風險，并實施適當的保護程度。

最后，如果電源無意中反向連接，可以使用一些LED保護器來防止LED損壞。如果沒有保護，這通常會導致LED上出現全電源電壓，從而進入擊穿導通，從而造成潛在的損壞。 LED保護器既可以選擇雙向特性，也可以選擇低于指定正向偏置電壓的擊穿電壓。這兩種方法都會導致反向電流通過保護元件分流，再次防止損壞LED。

在規格和選擇方面，這些設備的設計相對簡單。在正常操作中，它們消耗的電流非常小，從而最大限度地降低了它們對穩態系統功耗的影響。然而，當施加到器件的電壓達到某個閾值 - 轉折電壓時 - 保護器進入低電阻導通模式。只要電流通過仍然高于定義為“保持”電流的水平，它就會保持這種狀態。如果電流在任何時候都低于該水平（例如，如果它正在保護的LED被更換或自我修復），則設備將關閉并恢復正常運行。

選擇轉折電壓對于避免錯誤至關重要跳閘。設計人員應選擇一個其擊穿電壓足以超過其所保護的LED指定正向電壓的元件。如果要將設備連接到多個LED以實現更低成本的保護，則轉折電壓必須明顯大于所有LED的正常工作電壓之和。此外，值得注意的是，不同顏色的LED傾向于具有不同的正向電壓額定值：這些通常在紅色器件的約2.7V至藍色的約4.1V的范圍內。

當然，指定轉折電壓不僅僅是“越高越好”的情況。設計人員必須確保在發生故障時設備實際上會跳閘。這里，最重要的參數是電源的開路（或順應性）電壓。如果電流停止流動，這是保護器上出現的最大電壓，它必須足以觸發導通。

該組件必須能夠承受電源的最大電流源。對于雷電和ESD保護，它需要符合各種相關的IEC標準（例如人體模型或ESD的HBM規范）。此外，如果需要反向偏壓保護，保護器的反向擊穿電壓必須小于LED的相應值。

Littelfuse PLED系列是此類設備的典型產品。 PLED保護器的擊穿電壓分別為6，9，13和18 V，使設計人員可以選擇使用單個PLED器件保護多達四個LED，具體取決于成本限制和可靠性考慮因素。 PLED5系列提供固有的反向偏置保護：它具有1.1至1.6 V的反向偏置導通電壓，遠低于典型高功率LED的反向擊穿電壓。當使用PLED5器件向LED燈串反向供電時，所有保護器都會導通，轉移有害電流。

圖2：每個Littelfuse PLED設備均可用于保護一個或多個LED。

PLED系列兼容單瓦，2瓦和3瓦LED，在±15 kV空氣放電，±8 kV接觸放電和±40 A的EFT（電快速瞬變）下提供ESD保護，5/50 ns。有效電流大約為微安。

Bourns的LSPxxxxAJR系列是LED分流保護器，采用表面貼裝DO-214AC（SMA）封裝。該公司表示，這些設備特別適用于LCD背光，交通照明，航空電子設備，本質安全和低維護照明，除了小尺寸的優勢外，它們還提供快速切換，自動復位以及防止浪涌和瞬變的保護。

圖3：Bourns的LSPxxxAJR組件采用緊湊型SMA封裝。

提供6，9，13和18 V版本，這些設備可用于保護字符串中的單個和多個LED。 Bourns認為它們提供了使用齊納二極管的可行替代方案，由于成本原因，這在高功率電路中是不切實際的。根據低能耗要求，當LED發生故障時，處于導通模式的LSPxxxAJR器件耗散的功率低于其保護的LED。

安森美半導體的NUD4700推薦用于高可靠性應用，如前燈，燈塔，橋梁，飛機和跑道，以及LED容易出現瞬態和喘振狀況的情況。該器件設計用于1 W LED（標稱值為350 mA，3 V）。

該公司引用了NUD4700的優點，它的簡單性和能夠在失敗的LED自我修復或需要更換時自行復位。通態電壓通常為1 V，關態電流小于250 mA。

STMicroelectronics LBP01提供雙向和單向兩種版本，提供符合IEC61000-4-2第4級（±15 kV空氣放電，±8 kV接觸放電）和IEC 61000-4-5（±1 kV）的浪涌保護/24 A）。

圖4：STMicroelectronics的LBP01有單向和雙向兩種版本。

與提供高達1A電流的LED兼容，該器件的兩個版本均為IEC 6100-4-2和IEC 6100-4-5標準提供浪涌保護，額定峰值脈沖電壓接觸放電電壓為30 kV，重復峰值脈沖電流（8/20μs）為24 A.它們采用SMB或SOT23-5L封裝。正常工作時的工作電流極低，為100 nA，而保持電流為200 mA時，處于“跳閘”狀態的器件耗散的功率低于其保護的LED。

結論

高亮度LED的出現為設計師提供了廣泛的機會。然而，就元件和電路保護而言，它們可能帶來挑戰。傳統上通過包含MOV或TVS二極管來處理ESD和其他浪涌類型現象，但是這些設備無法防止一串LED發生單一故障。 LED電源和驅動器IC本身通常包括開路LED保護 - 但重要的是要了解這通常用于保護（恒定電流）電源免受開路條件的影響。以前的方法通常使用齊納二極管來減少單個LED故障的影響 - 但對于高功率LED，這種方法不具有成本效益。

因此，許多電路保護公司推出專用LED保護器是向前邁出的寶貴一步。通過精心設計和元件選擇，工程師現在可以確保燈仍然保持開啟，即使在最苛刻的應用中也是如此。