01.導讀

作為一種基于半導體的光電器件，LED (發光二極管) 也應在制造商數據表中規定的絕對最大電氣額定值以下運行，以保證其可靠性和使用壽命，并確保其安全運行。導致LED電路和系統中LED故障的一個因素是電過應力(EOS)。本應用說明描述了EOS的性質，解釋了它與ESD 的區別，討論了其原因，概述了與EOS相關的損傷，并提供了關于如何保護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，但本應用說明的重點是LED。

02.什么是EOS？

電應力是一個術語，用來描述電子元件運行在高于其數據表中規定的絕對最大電額定值以上發生的失效事件。換句話說，當電子部件故意或意外地超過其絕對最高電氣額定值時，就會經歷EOS。EOS可以是單個事件/重復事件，也可能是連續事件。

在初次使用LED的情況下，規格書中以下參數既相關又重要：通過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/最大允許的連續脈沖電流/最大使用溫度。這些都應保持在規格書內所標注最大額定值以下，以確保LED不經歷EOS事件,下表列出常規規格書內極限電氣參數表。

03.EOS與ESD的區別

當討論EOS時，首先想到的是ESD (靜電)。即使是有經驗的工程師也可以互換使用這些術語，但兩者之間有細微的區別。

ESD事件(圖2：HBM-人體模型)定義較明確，持續時間很短 (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，持續時間更長 (毫秒甚至秒)，通常具有較低的電壓和較高的電流。基于對EOS和ESD的一般的描述，ESD可以被認為是EOS的一個子集或是分支。

ESD是跟驅動或是電源無關的；故障現象主要芯片表面損傷導致外延層(EPI)出現小孔。

EOS主要是跟電源或驅動有關的；故障現象主要表現損傷為過熱跡象 (EPI/內部鍵合線出現熔融區域) 。

出現EOS的原因：

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

在LED驅動電路中，由于內部驅動電路中常見的驅動集成電路的鎖存條件異常也是被認為是EOS事件之一。

在電源通電和斷電瞬態所表現瞬態峰值，也稱為電源尖峰。在具有離散控制的應用中，容易在LED電路的位置附近產生尖峰。此外，驅動器到LED引腳之間的線路也有可能是峰值信號的來源。這些瞬變源對LED影響非常重要，并且能夠根據影響大小而造成損壞，這取決于驅動電路的設計結構、系統中使用的保護類型和功率級別。

在LED測試的情況下，如果LED是通過其它方式連接到主控板上或是電源上，當LED被連接到一個通電的電源上，那么這種情況下涌入瞬時電流是最常見的，這在電子行業中被稱為“熱插拔” 。熱插拔期間可能產生的大量通電瞬時電流構成EOS 事件，并可能造成嚴重損壞。

LED或任何其他電子元件可能因各種原因被過度驅動 (故障或意外等) 。一個LED可能被意外地過度驅動的情況下，如果驅動器不能正確適當的對其驅動條件進行調節輸出電流大小來防護,較為容易產生故障。

例如:如果一個LED電路或系統的整機工作電流非常接近或是超過LED規格內最大數據表里面規定的電流值，當驅動有異常時往往會對LED進行過量驅動。一個設計不規范的LED驅動電路，由于電源輸出電流波動，這樣的波動是很容易地導致超過最大數據表中的電流值，從而導致LED的過量驅動。

本應用程序說明范圍之外的其他一些來源在這里僅供參考。如果沒有外部保護電路來保護這些事件，例如電網波動和閃電等事件也會對LED電路和系統造成損害。

04.LED中的EOS可能會導致哪種類型的損傷

LED中的EOS損傷可能是災難性的，因為在EOS事件發生后，LED永久失去工作；也可能只是部分損壞，導致性能顯著下降或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 (甚至可以用肉眼發現)，但其他類型的損傷需要間接測試，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)。

測試EOS損傷的間接方法包括對LED進行偏置，并使用曲線示蹤器來繪制損壞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重程度。它可以從燃燒的LED芯片到熔融或斷裂的粘結線，短路的LED，照明時外觀不均勻，以及熱點。有可能甚至也沒有明顯的損害。

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事件不會立即損壞LED。因此，當LED故障發生時，可能不再可能將故障與初始EOS事件關聯起來——即使故障的根本原因可能是LED以前經歷過的單個EOS。這意味著，當LED故障變得明顯時，EOS事件很容易被忽視。這是努力避免LED電路和系統中的EOS的另一個原因。

為了說明EOS損傷的潛在嚴重程度，我們在實驗室中進行了一些已知EOS事件的實驗。以下是已知EOS事件的最大電氣額定值

LED短路得很快。這里可能出現的故障包括半導體的熱過應力或熔絲鍵。如圖5所示，在LED上的連接線附近可見損壞。 ?

在這個實驗中，故障發生在大約10-20秒內。本實驗中的電流水平是數據表最大電流的4倍。一個典型的EOS電流甚至可以比這里試驗的電流要高得多。然而，EOS事件的持續時間可能不到10-20秒。下面是其中一個損壞的LED的X-Ray射線圖像。

實驗2:

LED脈沖電流為1000mA(T=1s，D=0.2)。當用脈沖電流驅動時，此次實驗發生故障需要更長的時間。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。

實驗3:

LED以3000mA的單脈沖驅動300ms。由于較高的功率負荷，結合絲熔化。圖8顯示了大電流下對鍵合金絲的損壞情況，一般這種大電流下有機率會在燒熔斷點處形成金球狀。

圖中表面為金線熔斷，本實驗中LED因開路而失效。 這三個實驗表明，損傷可能是表現的是部分異常或災難性不可恢復性的，其中主要是取決于EOS事件的強度。在部分損壞的情況下，在發生完全故障之前，整個過程中會不間斷的發生多個EOS事件后才有可能表現出異常。 ?

05.如何保護LED免受EOS的影響

由于EOS事件的最終結果是過電流或過電壓，因此行業中常用兩種類型的保護： 1.過電壓保護電路 2.限流電路 許多要求嚴格的產品或是工業設備上所要求的半導體LED都有內置ESD芯片保護電路，旨在保護LED免受ESD事件的影響。要根據需要進行內置或是外置齊納管或是TVS管進行設計，可靠性做的好的器件保護高達8kV? HBM (人體模型) 或高達15kVacc(等級為3B)。這些ESD電路的目的是在制造、包裝和處理過程中保護LED。保護電路僅保護LED 遠離低于指定范圍的ESD事件。下面解釋的保護類型側重于保護LED免受集成ESD 保護設備規范之外的事件的影響。正確的驅動設計對于確保LED在其最大電氣額定值范圍內運行至關重要，并免受某些EOS事件的影響，特別是LED連續驅動LED 超過最大額定電流和/或電壓。最好以恒定的電流驅動LED。在LED在較低的電流水平下運行的情況下，輸出紋波的影響可能不是一個問題。然而，當LED在更接近絕對最大電流的電流下被驅動時，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在使用的過程中持續的在經歷EOS這個過程，造成LED性能下降或是死燈。 其他特性，如驅動設計中的能實現軟啟動來驅動LED，可以顯著減少電源中波峰值對LED進行沖擊。雖然軟啟動有它的好點，但使用中可能會有一個明顯的延遲。下圖顯示了在EOS事件下LED負載的使用示波器捕獲的波形。吸潮,溫升太快,容易出現品質異常。

過電壓保護電路:一個過電壓保護電路通過確保通過LED的電壓始終保持在指定的水平下來保護LED免受EOS事件的影響。最常見的過電壓保護電路是鉗位電路，如TVS (瞬態電壓抑制) 二極管。TVS管與它們所保護的LED并聯方式進行電氣連接。在正常運行過程中，TVS管處于“關閉”位置。在EOS事件的電壓高于TVS管保護電壓的情況下，TVS內部擊穿導通并“嵌位”電壓，從而保護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設備時，應注意嵌位電壓。考慮到所述LED的正向電壓值會受到外部的因素會有少許波動，所選的嵌位的電壓應略高于正常工作電壓，并且低到足以在EOS事件發生時保護LED。TVS管的響應時間相當快。在很多情況下，該管子只需皮秒就能抑制由EOS事件導致的電壓。

如果多個LED串聯或在LED，其中一 組LED內部串聯連接，單個保護電路可以并聯連接。在這種情況下，嵌位電壓將略高于總串電壓。

限流電路:與過壓保護電路不同，限流電路與需要保護的LED串聯電連接(如下圖) 。當用于保護LED免受過電流沖擊事件影響，電流限制電路會實時限制通過電路的電流。

電流限制電路有兩種類型：不可復位電流限制器和可復位電流限制器。

不可復位的電流限制器(保險絲)是在EOS引起的過電流事件的情況下直接跳閘的一次性保護。一般常用的電路中并不推薦此類防護，因為此類故障設備時必須檢查無問題后再進行物理更換，這樣才可以使LED電路再次工作(因為電流限制器是串聯連接的)，通過保險絲斷開來使LED未受到外部沖擊,有效防止下一個潛在的EOS事件。

NTC (負溫度系數) 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的電阻，這使它成為防止涌入電流的理想選擇。 下圖說明了NTC如何防止因熱插拔而導致的涌入電流。

在帶有NTC器件的LED電路中，沖擊電流 (以橙色顯示) 被降低到類似于藍色波形所示的水平，從而保護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開關。 雖然使用PTC或NTC設備是非常簡單和經濟有效的，但這些方式也有一些具有降低性能因素。PTC開始增加其電阻時或之后的開關電流高于期望的工作電流。例如，如果開關電流是工作電流的1.5倍，并且工作電流相對接近最大數據表電流，則開關電流可能仍然高于最大數據表電流，這意味著PTC只適合于低工作電流。此外 ，在某些情況下，PTC的預熱時間可能會導致啟動延時問題，主要表現為從零到正常工作時間由毫秒到秒不等。這也將工作電流限制在受數據表最大值限制的范圍的低端。 在NTC設備的情況下，在連續性的EOS事件的情況下，NTC器件冷卻時間可能會有問題。 為了克服這些有關被動保護的問題，如PTC或NTC保護，可以考慮主動保護。與被動解決方案相比，主動保護可能是復雜的和成本相對來說比較高一些的。圖16顯示了一個可用于主動涌入電流保護的電路。

圖16

圖16中R3為電流采樣電阻，當工作時流過R3的電壓剛好低于激活NPN晶體管所需的電壓。在過電流的情況下，通過R3的電壓增加，以打開NPN晶體管，這反過來關閉MOS管從而保護LED。雖然電路簡單、經濟有效，而且正常運行時R3上的功耗對整個系統的效率會有輕微的影響 。特別是長時間工作在大電流的狀態下，R3將會產生較大的功耗，存在熱穩定性的參數漂移，而圖17中所示的電路可以用來克服這個問題。

圖17 ?

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

06.總結

就像任何其他電子組件一樣，LED需要被保護，以防止可能發生的EOS事件，以防 止LED電路和系統中的LED出現故障。在設計LED系統時，我們建議您始終相當注意保護電路，以及系統的熱、電氣和光學方面。一個堅固的LED系統設計確保了 一個可靠、持久、安全的LED系統。在現實中，大多數EOS誘導的故障都是由于激增或突發事件引起的。

這兩者都通常應該由電源本身來阻止，良好的電源設計或高性能的LED驅動電路都可以很好地處理浪涌。然而，由于浪涌根據其持續時間、頻率和強度，這些因素都會使得突發性事件影響更為嚴重，并可能通過電源使得LED模塊損壞。必須使用合格的標準化電源來防止突發沖擊和突發事件的產生。此外，不建議熱插拔LED或LED系統，特別是在測試期間。

編輯：黃飛

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