【技術(shù)流】戶外LED路燈失效原因及電路浪涌防護

【技術(shù)流】戶外LED路燈失效原因及電路浪涌防護

雷電及過壓危害的分類

（1）直擊雷：指雷電直接擊在建筑物構(gòu)架，因電效應(yīng)，熱效應(yīng)和機械效應(yīng)等造成建筑物損壞和人員傷亡。一般防直擊雷是通過避雷裝置即接閃器，引下線構(gòu)成完整的電氣通路后將雷電瀉放到大地。然而接閃器，引下線和接地裝置的導(dǎo)通只能保護建筑物本身免受直擊雷的摧毀，但雷電會通過其它多種形式及途徑破壞電子設(shè)備。

（2）雷電感應(yīng)：指雷電在雷云之間對地的放電時，并在戶外傳輸信號線路，埋地電力線，設(shè)備間連接線和電磁感應(yīng)并侵入設(shè)備，使串聯(lián)在設(shè)備中間或終端的電子設(shè)備遭到損壞。感應(yīng)雷沒直擊雷猛烈，但發(fā)生概率卻比直擊雷要高，且不論雷云對地閃擊或雷云間閃擊都有可能造成災(zāi)害。此外直擊雷一次只能襲擊一個小范圍的目標，而感應(yīng)雷則可以在一個大范圍內(nèi)多個小局部同時產(chǎn)生過壓現(xiàn)象。  

（3）雷電波侵入：由于雷電電流有極大峰值陡度，在它周圍會出現(xiàn)瞬變電磁場，磁場中的導(dǎo)體會感應(yīng)出較大的電動勢，而此瞬變電磁場，會在空間一定范圍內(nèi)產(chǎn)生電磁作用，也可以說脈沖電磁波輻射，而這種空間電磁脈沖波（LEMP）是在三維空間范圍內(nèi)對一切電子設(shè)備產(chǎn)生作用。因瞬變產(chǎn)生的電壓很高，以至可能產(chǎn)生電火花，導(dǎo)致電起火。

（4）球形雷：一種特殊的雷電現(xiàn)象，直徑在10-20CM，最大的可達1M,存在的時間在百分之幾秒到幾分鐘，一旦遇到物體或電子設(shè)備會產(chǎn)生燃燒或爆炸，主要沿建筑物孔洞或開著的門窗進入，多數(shù)沿帶電體會消失。

（5）操作瞬時過電壓：當電流在導(dǎo)體上流動時，會產(chǎn)生磁場，存儲能量，電流量越大，導(dǎo)線越長，儲能越大，所以當大型負載（特別是電感性負載）電氣設(shè)備開關(guān)時，便會產(chǎn)生瞬時過電壓。

（6）地電位反擊：當雷擊大地或接地體時，引起地電位上升而波及附近的電子設(shè)備，對設(shè)備產(chǎn)生反擊，損害其對地絕緣。

現(xiàn)代防雷裝置簡介

（1）外部防雷裝置  

外部防雷裝置(即傳統(tǒng)的常規(guī)避雷裝置)由接閃器、引下線和接地裝置三部分組成。接閃器有三種形式：避雷針、避雷帶和避雷網(wǎng)，它位于建筑物的頂部，其作用是引霄或截獲閃電，避免或預(yù)防雷電直接擊在建筑物或屋面其它物體上；引下線，與接閃器連接，下與接地裝置相聯(lián)，其作用是把接閃器截獲的雷電流引至接地裝置；接地裝置位于地下一定深度之處，它的作用是將雷電流順利流散到大地中。

（2）內(nèi)部防雷裝置  

內(nèi)部防雷裝置的作用是減少建筑物內(nèi)的雷電流和所產(chǎn)生的電磁效應(yīng)以及防止反擊、接觸電壓、跨步電壓等二次雷害。除外部防雷裝置外，所有為達到此目的所采用的設(shè)施、手段和措施均為內(nèi)部防雷裝置，它包括等電位連接設(shè)施(物)、屏蔽設(shè)施、加裝的SPD、過壓保護器件以及合理布線和良好接地等措施。

圖一

簡析戶外LED路燈電源失效模式原因

由于LED使用環(huán)境的復(fù)雜性，在實際使用中LED往往容易壞，其實就是因為沒有考慮到LED的使用特性以及應(yīng)有的保護。尤其是當LED是用在戶外時，其驅(qū)動電路很容易遭受到雷擊過電壓和過電流的沖擊而造成故障或損壞，引發(fā)不必要的財產(chǎn)損失甚至是人員傷亡，因此在設(shè)計LED照明電路時必須要充分考慮并做好保護措施，從而提高電路的可靠性，降低故障發(fā)生率。

（1）LED的過壓過流故障現(xiàn)象

當出現(xiàn)過壓過流干擾時，元件性能會減弱或損壞。LED 元件的過壓過流損壞與干擾能量的發(fā)生次數(shù)或持續(xù)時間長短無關(guān)，因為任何一次過壓過流干擾都可能導(dǎo)致LED 損壞。這種損壞可以表現(xiàn)為器件立即失效。

（2）LED 發(fā)生過壓過流干擾的主要原因

LED 芯片發(fā)生過壓過流干擾的原因有多種，如浪涌、靜電，來自其他設(shè)備的脈沖信號干擾、燈具組裝時不恰當?shù)墓ぷ鞣椒�、接地點不夠?qū)е码娏骺焖俎D(zhuǎn)換引起高電壓等情況都會引起過壓過流干擾。

a) 靜電放電ESD

靜電放電是大多數(shù)電子元件在生產(chǎn)、運輸、加工過程中不可避免的風險。雖然目前大多數(shù)的LED 芯片自身已經(jīng)具有防靜電干擾功能，但靜電放電依舊是LED 芯片在燈具生產(chǎn)環(huán)節(jié)損壞的主要原因。

b) 短時間的過負荷

短時間的過負荷即短時間內(nèi)LED 的輸入電壓或電流超過其額定值如浪涌電壓或雷擊。過負荷一般只持續(xù)極短的時間,有一個尖峰的浪涌損壞。短時間的過負荷是LED 芯片在燈具正常使用過程中損壞的主要原因。

LED路燈電源電路保護方案設(shè)計

圖二

方案中主要用到壓敏電阻MOV、GDT及瞬態(tài)抑制二極管TVS做過壓防護，壓敏電阻是一種具有非線性特性的保護元器件，它主要用來保護電子元件免受尖峰浪涌的影響。壓敏電阻在常態(tài)時對受保護的電子元件具有很高的阻抗，而且不會改變電路特性，但當瞬間尖峰電壓出現(xiàn)越過壓敏電阻的壓敏電壓時，該壓敏電阻的阻抗會變低（僅有幾歐姆），進行泄流處理，從而對電子產(chǎn)品或元件進行保護。

在首級防護中差模防護將壓敏電阻接入LED 燈具電源輸入端，共模防護采壓敏電阻和放電管配合使用，可防止在正常運行時由于電源瞬間浪涌干擾造成的LED 故障，防護方案如圖1所示，一般220V輸入我們選型MOV：471KDXX，GDT：2RX600X，根據(jù)實際浪涌測試等級確定具體尺寸參數(shù)。正常運行時一旦電網(wǎng)電壓升高，壓敏電阻會瞬間擊穿導(dǎo)通，對過壓能量進行吸收和泄放，從而有效的防止過電壓進入受保護線路。在次級保護電路中，當LED輸入端有高壓脈沖時會導(dǎo)致后端芯片及LED燈損壞，而瞬態(tài)抑制二極管TVS1在規(guī)定的應(yīng)用條件下，當承受一個高能量的瞬時過壓脈沖時，其工作阻抗能立即降至很低的導(dǎo)通值，可以對高壓脈沖進行吸收和箝位電路可承受的范圍內(nèi)，從而消除了由輸入端帶來的干擾，加上第三級TVS2防護之后更加精確的限制了過電壓，有效地保護電子線路中的精密元器件免受損壞。另TVS箝位響應(yīng)時間僅為Ps級別,反映速度有很大優(yōu)勢.TVS的選型VRWM大于整流后峰值電壓的1.1倍以上,抗浪涌能力根據(jù)客戶測試等級等條件確定.