中心議題：

• 高亮度LED照明係統的過流情況
• HB LED照明係統的過溫保護
• PPTC器件用於LED照明係統保護的工作原理

本文在介紹高亮度LED照明係統的過流、過溫情況，及PPTC器件的工作原理的基礎上
，進一步探討PPTC器件在高亮度LED照明係統保護中的應用及其有效性。

引言

隨著照明技術從極為耗電的白熾燈轉為冷陰極熒光燈（CCFL），再發展到現在的發光二極管（LED）燈deng，可ke以yi很hen清qing楚chu地di看kan到dao在zai最zui終zhong用yong戶hu願yuan意yi為wei更geng綠lv色se的de照zhao明ming支zhi付fu更geng高gao成cheng本ben的de同tong時shi，他ta們men也ye有you一yi個ge內nei在zai的de期qi望wang即ji壽shou命ming更geng長chang和he更geng高gao的de可ke靠kao性xing，這zhe才cai將jiang是shi他ta們men投tou資zi的de淨jing效xiao益yi。

在滿足這些期望時，LED設計工程師們必須考慮到影響產品性能和壽命的各種不同的變化因素。從電源管理到功率密度，再到過壓和過溫保護，LED技術的獨特性帶來了較陳舊的與技術不相幹的各種新挑戰。

憑借改善的芯片設計和材料
，LED技術已經快速向前發展
，促使其向更亮
、更高效節能、壽shou命ming更geng持chi久jiu的de光guang源yuan快kuai速su發fa展zhan，並bing能neng夠gou在zai一yi個ge更geng大da的de範fan圍wei內nei應ying用yong。盡jin管guan技ji術shu日ri益yi普pu及ji，但dan仍reng然ran有you一yi個ge事shi實shi
，即ji過guo多duo的de熱re量liang和he不bu恰qia當dang的de應ying用yong能neng夠gou顯xian著zhu的de影ying響xiangLED壽命和性能。

高亮度LED（HB LED）是節能、高性價比的設備
，能夠確保下一代的照明解決方案。從建築照明到汽車照明到各種顯示設備的背光和新型消費電子（如照相手機中的閃光燈）
，HB LED照明的應用將持續增長。

HB LED照明係統中的過流情況

LED光輸出隨芯片類型
、封裝、每個晶圓批次的效率和其它變量而變化。LED製造商使用如高亮度這樣的術語來形容LED的密度。HB LED驅(qu)動(dong)器(qi)可(ke)由(you)線(xian)性(xing)或(huo)者(zhe)開(kai)關(guan)電(dian)源(yuan)供(gong)電(dian)。當(dang)電(dian)源(yuan)電(dian)壓(ya)略(lve)微(wei)大(da)於(yu)負(fu)載(zai)電(dian)壓(ya)時(shi)，線(xian)性(xing)驅(qu)動(dong)器(qi)是(shi)最(zui)合(he)適(shi)的(de)，電(dian)阻(zu)會(hui)用(yong)於(yu)限(xian)製(zhi)其(qi)電(dian)流(liu)。開(kai)關(guan)電(dian)源(yuan)亦(yi)會(hui)經(jing)常(chang)使(shi)用(yong)

，因(yin)為(wei)它(ta)們(men)更(geng)高(gao)效(xiao)。

通常，電流感應電阻器為電流調節控製器提供了反饋
，以監控供應給HB LED的電流。另一個可選的解決方案就是使用聚合物正溫度係數（PPTC）器件來限製流過LED的電流。

如圖1所示，一個PPTC器件是一個電路中的一係列要素之一。通常PPTC器件的電阻小於電路的其餘部分
，很少或者不會對正常的電路性能造成影響。然而
，一旦發生一次過流的情況，該器件會增加電阻（跳閘）

，並且將電路中的電流降低到一個任何電路單元都能夠安全承載的電流值。這種變化由I2R發熱原理帶來的器件溫度迅速升高而引起。

圖1、典型的用於HB LED照明的電流保護設計

器件會一直保持其跳閘或者閂鎖狀態直到故障被排除。一旦連接到電路的電源重新閉合後

，PPTC器件會複位並允許電流重新開始流動，使電路恢複正常工作。當PPTC器qi件jian不bu能neng夠gou阻zu止zhi一yi次ci故gu障zhang發fa生sheng時shi，它ta們men會hui迅xun速su做zuo出chu反fan應ying
，將jiang電dian流liu限xian製zhi到dao一yi個ge安an全quan的de等deng級ji以yi幫bang助zhu防fang止zhi對dui下xia遊you器qi件jian隨sui之zhi而er來lai的de損sun壞huai。此ci外wai，它ta們men的de小xiao型xing化hua外wai形xing使shi得de它ta們men易yi於yu在zai空kong間jian受shou限xian的de應ying用yong中zhong使shi用yong。

HB LED照明的過溫保護

與傳統照明不同

，由於HB LED是極其熱敏感，其熱管理是一個重要的設計考慮因素。為了提高可靠性與工作壽命
， PN結不能夠達到導通溫度。由於PPTC器qi件jian采cai用yong的de是shi熱re激ji活huo，因yin此ci器qi件jian周zhou圍wei溫wen度du的de任ren何he變bian化hua都dou會hui影ying響xiang其qi性xing能neng。隨sui著zhe器qi件jian周zhou圍wei的de溫wen度du增zeng加jia
，更geng少shao的de能neng量liang就jiu要yao求qiu器qi件jian跳tiao閘zha
，因yin此ci其qi能neng夠gou鉗qian住zhu並bing降jiang低di電dian流liu值zhi。
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PPTC器件的工作原理

PPTC電路保護器(qi)件(jian)采(cai)用(yong)半(ban)晶(jing)體(ti)狀(zhuang)聚(ju)合(he)物(wu)與(yu)導(dao)電(dian)性(xing)顆(ke)粒(li)複(fu)合(he)製(zhi)成(cheng)。在(zai)正(zheng)常(chang)溫(wen)度(du)下(xia)，這(zhe)些(xie)導(dao)電(dian)性(xing)顆(ke)粒(li)在(zai)聚(ju)合(he)物(wu)內(nei)構(gou)成(cheng)了(le)低(di)電(dian)阻(zu)的(de)網(wang)絡(luo)結(jie)構(gou)。但(dan)是(shi)
，如(ru)果(guo)溫(wen)度(du)上(shang)升(sheng)到(dao)器(qi)件(jian)的(de)切(qie)換(huan)溫(wen)度(du)(Tsw)時(shi)
，無(wu)論(lun)這(zhe)種(zhong)狀(zhuang)況(kuang)是(shi)由(you)大(da)電(dian)流(liu)造(zao)成(cheng)的(de)還(hai)是(shi)由(you)於(yu)環(huan)境(jing)溫(wen)度(du)的(de)上(shang)升(sheng)造(zao)成(cheng)，聚(ju)合(he)物(wu)內(nei)的(de)晶(jing)體(ti)物(wu)質(zhi)都(dou)將(jiang)會(hui)融(rong)化(hua)並(bing)成(cheng)為(wei)無(wu)定(ding)形(xing)物(wu)質(zhi)。在(zai)晶(jing)體(ti)相(xiang)融(rong)化(hua)階(jie)段(duan)出(chu)現(xian)的(de)體(ti)積(ji)增(zeng)大(da)會(hui)導(dao)致(zhi)導(dao)電(dian)性(xing)顆(ke)粒(li)在(zai)液(ye)力(li)作(zuo)用(yong)下(xia)分(fen)隔(ge)，並(bing)使(shi)器(qi)件(jian)的(de)電(dian)阻(zu)值(zhi)出(chu)現(xian)巨(ju)大(da)的(de)非(fei)線(xian)性(xing)增(zeng)長(chang)，如(ru)圖(tu)2所示。

圖2、PPTC器件保護電路為響應過流或過溫情況，從低電阻狀態轉到高電阻狀態

典型情況下
，電阻值將增加3個(ge)或(huo)者(zhe)更(geng)多(duo)的(de)數(shu)量(liang)級(ji)。電(dian)阻(zu)值(zhi)增(zeng)加(jia)後(hou)能(neng)夠(gou)將(jiang)故(gu)障(zhang)條(tiao)件(jian)下(xia)流(liu)經(jing)的(de)電(dian)流(liu)數(shu)量(liang)降(jiang)低(di)到(dao)一(yi)個(ge)較(jiao)低(di)的(de)穩(wen)態(tai)水(shui)平(ping)，從(cong)而(er)保(bao)護(hu)電(dian)路(lu)內(nei)的(de)設(she)備(bei)。在(zai)故(gu)障(zhang)排(pai)除(chu)以(yi)及(ji)電(dian)路(lu)電(dian)源(yuan)斷(duan)開(kai)之(zhi)前(qian)，PPTC器件將保持在閂鎖(高阻值)狀態；而在導電性複合材料冷卻下來並重新結晶後
，PPTC器件將重新恢複低阻值狀態。

在正常工作情況下
，PPTC器件產生的或散失的熱量處於一個相對低溫的平衡狀態，如圖3中的1點dian所suo示shi。當dang環huan境jing溫wen度du不bu變bian而er流liu過guo器qi件jian的de電dian流liu增zeng加jia時shi，器qi件jian所suo產chan生sheng的de熱re量liang也ye會hui隨sui之zhi增zeng加jia。如ru果guo增zeng加jia的de電dian流liu是shi微wei小xiao的de，其qi所suo產chan生sheng的de熱re量liang能neng夠gou散san失shi到dao環huan境jing中zhong，器qi件jian會hui穩wen定ding在zai一yi個ge較jiao高gao的de溫wen度du，如ru圖tu3中的2點所示。

圖3

、PPTC器件的典型工作曲線

相反
，如果不是電流增加而是環境溫度上升，器件會穩定在一個較高的溫度，可能再次到達如原理圖中的第2點。第2點也可能為電流和溫度增加共同作用下的結果。隨著電流、溫度或者兩者結合的進一步增加，將會引起器件升溫並達到電阻迅速增加的溫度，如圖中第3diansuoshi，zhejiushisuoweidequxiandiduanguaidian。renhejinyibudedianliuhuozhehuanjingwenduzengjiajiangdaozhiqijianchanshengreliangdesudubiqixianghuanjingzhongsanshireliangdesudugengkuai，shiqiwenduxunsudeshenggao。

在這個階段中，隨著非常小的溫度變化將產生一個非常大的電阻值升高

，如圖3中第3點與第4點之間所示。這是處於PPTC器件跳閘時的一個正常的工作區域。電阻增大導致電路中流經的電流相應的減少。

因為第3點和第4點之間的溫度變化很微小

，這種關係將一直保持直到器件達到曲線上第4點的上拐點。隻要外部施加的電源電壓保持在這個電平


，則器件會一直閂鎖在跳閘狀態。一旦外施電壓斷開
，電源循環啟動後，PPTC器件將複位到低阻態狀態
，電路恢複到正常工作狀態。
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圖4說明了PPTC跳閘前後保護HB LED照明係統的電路。該圖表明了在跳閘後電流是如何被降低，從而保護電路免受過流、過溫情況所造成的損壞。

圖4

、PPTC器件跳閘前後的電路狀態

符合第二類（Class 2）電源安全標準

在一個照明係統中采用第二類電源可成為降低成本、提高靈活性的重要因素之一。本身就具有限製性的電源（如變壓器、電源供應器或電池等），可能包含保護器件，隻要它們不依賴於第二類電源的輸出限製即可。

非自有限製型電源
，按照其定義
，具有一個分立在外的保護器件，當電流和能量輸出達到預定值時它會自動中斷輸出。

各種各樣的電路保護器件都能對用於LED照明應用的第二類電源提供保護。圖5說明了一種協同保護策略的工作原理，它在交流輸入上采用了一個MOV，並在輸出電路分支上采用了一個PolySwitch PPTC器件，可以幫助廠商滿足UL1310規範第35.1小節針對開關和控製裝置的過載試驗要求。

圖5、第二類電源的協同保護原理圖

總結

可複位PPTC器件在多樣化的HB LED照明係統應用中已經展現出了有效性。與傳統的保險絲一樣
，它們在超出額定值後可限製電流。然而又不同於傳統保險絲
，PPTCqijianzaiguzhangpaichuyijidianyuanzhongxinbihehounenggouzhongxinfuwei。youyuqicaiyongrejihuo，yincikeyifangzhidianluzaiguowentiaojianxiasuozaochengdesunhuai。zhezhongdutedegongnengkeyibangzhushejishitigaozhaomingxitongdekekaoxinghepingjunshouming，yijijianshaoyuanjianshulianghejiangdishejifuzadu。

與任何電路保護策略一樣，一個解決方案的有效性將取決於每個不同線路布局
、板型、特定元器件和具體應用的各種特殊設計考慮。