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科锐XLamp® 大功率器件最新应用准则和注意点更新——XLamp® LED脉冲过流驱动:相关信息及注意事项

2020-07-29 21:06:34 字号:

针对客户常常遇到的关于LED超过最大额定电流值脉冲工作模式下的安全性问题、特别是应急车辆应用,专用频闪照明、甚至通用照明调光应用的脉冲调制等,本文详细阐述了三种过流情况下对LED工作和性能的影响。

电气过载 (EOS) 常常与灾难性失效有关,例如静电释放 (ESD)、浪涌电流,或者其他类型的瞬态电涌。LED 驱动器的设计人员应当确保采取一切必要的预防措施,来保护 LED 免受 EOS 损害。第二类过电流情况常常与闪烁模式下工作的 LED 应用相关,例如应急车辆灯、频闪灯或信号灯,常常使用高频脉冲 (也就是大于 120 Hz) 来控制调光应用中 LED 的亮度。最后,纹波电流是直流波形中周期性重复的峰值到峰值变动,是由于对交流电源或开关式电源的滤波不足而产生的。在规格范围内,这些条件都不会对 LED 的长期流明维持或可靠性产生影响。但是,在 “过电流” 情况下 (也就是,超过数据手册规格),它们会缩短 LED 的寿命。

一、单脉冲过电流

单脉冲过电流常常由于无意中对一个或多个 LED 使用了过量电能而引起,通常会导致器件发生灾难性失效。科锐 XLamp® LED 能承受比最大额定电流高几倍的瞬态电流。但是,具体某个 LED 器件究竟能承受多大的电流幅值,还与瞬态电流的持续时间和频率有关。如果超过某个阈值,单脉冲将会导致 LED 立即发生灾难性失效。在这种情况下,通常有两种失效模式:短路或开路。

限制LED承受EOS能力的主要影响因素是 LED 芯片和内部互连元件(即键合线)的载流能力。

电流密度的局部增加,称为电流聚集,是电流密度在导体或半导体中的不均匀分布,尤其对于LED的电极接触点和 p-n结。电流聚集会限制 LED 效率,对载流子活动性低的材料 (例如氮化铟镓,InGaN)特别易发生。电流集聚会导致局部过热并形成热点,在严重情况下导致热耗散,还可能加剧电迁移效应和空隙的形成,造成电流密度局部分布不均匀。空隙周围电阻的增加是一个自反馈循环,造成局部温度进一步升高,从而加速空隙的形成,并最终可能导致开路失效。

相反,电流密度以一定的电流密度梯度局部降低,可能会导致从电流 “聚集” 区域迁移而来的离子发生沉积。在类似的自蔓延循环中,这可能导致电流密度的进一步下降,以及迁移离子的进一步沉积,甚至形成小的突起,从而造成短路。

下面的图1 描绘了金属迁移的两种情况。左图显示一个低于最大阈值的重复瞬态电流的器件。而右图显示的器件经受正常正向电压大约 20 倍的电压,导致了严重的瞬时失效。

另一个理论上的影响因素是 LED 芯片键合线的载流能力。如果超过了载流能力 (例如在 EOS 极大的情况下),那么导体将熔断,造成开路。尽管金属电线或导热片熔断所涉及的具体物理现象不在本文的讨论范围之内,不过这些因素包括电线的长度和直径、键合类型 (球型或楔型)、以及金属的物理材料性质,包括熔点、导热性、电阻性等。键合线的熔断是一种非常罕见的二次失效,只有在芯片已发生短路失效而且继续受到过量电流时才会发生,它还会导致键合线过热。‖

二、重复脉冲

第二类过电流条件,即高电流重复脉冲,这种情况将可能会导致 LED 发生早期灾难性失效,但不是必然的。高电流重复脉冲可能导致 LED 预期寿命的缩短,与通常的预期寿命相比,可能要缩短数万或数十万小时。当器件承受的重复瞬态电流高于数据手册限制值若干个百分点,虽然低于单脉冲失效阈值,仍然会发生失效。其失效机理最大可能是因为太多金属离子从它们原来的晶格位置发生漂移导致电子迁移。

科锐对四种不同的 XLamp® LED进行不同电流范围内的脉冲电流试验,数据表明,在特定电流水平以上,光输出几乎没有增加,效率反而会降低。因此,科锐不建议客户对LED施加这样的极端电流。下图显示白光 XP-C、XP-E、XP-G 和 MX-6 LED 器件在 1000 Hz 和三个不同的占空系数 (5%、20% 和 50%) 条件下工作时, 电流值和光效之间的关系,此结果信息仅用于例证说明,不用作规格。垂直虚线代表每种 XLamp® LED 产品类型的最大额定持续电流。

与正向电压和电流之间的关系一样,光输出和正向电流之间的关系是非线性的。例如,将 LED 的驱动电流增加到两倍,会导致功率的增加超过两倍。对光输出也是如此。电流加倍不会使输出加倍,实际上,在特定值以上,随着 LED 内部温度的升高,光输出甚至开始降低。除效率下降以外,以高电流驱动 LED 还可能造成包括色度偏移在内的其他问题。随着 LED 正向电流增加,x 和 y 颜色坐标开始在 CIE 1931 表色系统中向左和向下偏移,导致相关色温 (CCT) 增加。绘制在 CIE 表色系统中的同一数据集的信息,其中显示色度偏移的五只 XP-E LED 的平均结果在最大指定驱动电流之内 (绿色数据集) 并且在过电流规格 (红色数据集) 驱动下继续发生色度偏移。

大电流运行 LED 所产生的长期稳定性方面值得注意。因为 p-n 结受热升温,尤其是在占空系数高于 25% 时,寿命及光通维持率受到影响。为了确定是否会超过最大结温 (Tj),必须测量电流 (If)、电压 (Vf) 和 LED 的封装外壳温度 (Tc)。对于脉冲 LED,功率将与占空系数 (D) 成正比;所以,可以使用以下公式来计算Tj:

Tj = Tc + D * If * Vf * Rthj-c

不过,这只是等式的一部分。还必须考虑环境温度以及封装外壳与环境空气之间的热阻。仍然必须采取恰当的热管理手段。‖[!empirenews.page]

科锐建议的脉冲电流范围(基于脉冲频率1KHz以内):

1 占空比范围51-100%, 不能超过最大额定电流值

2 占空比范围10-50%,不能超过最大额定电流值的2倍

3 占空比小于10%,不能超过最大额定电流值的3倍。

除了光输出降低以外,长期在高电流下运行可能影响到的其他特性包括色点稳定性、反向漏电流和正向电压。科锐建议客户需自行执行长期测试,以确保设计的稳定性。

三、纹波电流

纹波电流是电流波形中定期的峰值到峰值变动 (见下面的图)。LED 照明应用通常使用未过滤的 120 Hz 整流信号来驱动,只要在电流规格范围内,不会对 LED 造成问题。不过,过大的纹波电流仍是一个不良因素,但不仅仅是针对 LED。对于 LED 驱动器的输出过滤波电解电容,也要考虑纹波电流。高纹波电流会导致电容过热,加剧驱动电路的早期失效。而且,如果滤波电容失效,原本应该衰减的瞬态电流将无法衰减,从而对 LED 造成损坏。

若峰值到峰值电流中存在大的摆动,还会影响 LED 的光效。例如,我们取一个具有下表1中给出的光通量的 XP-E 灯具样品。如果灯是在 500 mA 的稳定直流电流下驱动,输出将是 142 lm。相反,如果用介于最小值 200 mA和最大值 800 mA之间振荡的电流驱动,那么光输出将在 66 到 203 lm之间摆动。平均流明输出只有 134.5,比用稳定直流电流驱动 LED 时低大约 5%。

四、结语

尽管科锐的XLamp® 产品能够承受远高于最大额定持续电流的瞬态电流,但为避免 EOS,存在不能超过的物理极限值。在较高电流下,以持续脉冲模式运行 LED 是可以的,但那些将对光效、色度和长期稳定性产生负面影响。

对于某些专门的应用场合,为了达到想要的性能水平,超过最大电流额定值运行可能合乎情理。不过,对于这些情况,科锐建议客户,在对将出现这里所述的三种过电流条件中任何一种的设计进行验证时,自行进行寿命测试。权衡取舍是客户的责任。对于在公布的规格极限值以外使用我们的产品,科锐不对产品的可靠性或性能作任何保证。如果客户对自己的特定应用场合有任何疑问或关注,欢迎联系科锐的应用支持团队,获取产品选择和系统设计方面的技术指导。

科锐将参加6月9-12日2013广州国际照明展,科锐展台位于琶洲展览馆A区4.1馆B02展位,更多的技术支持和服务欢迎与科锐的团队详细探讨。
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