LED开路保护器设计

近年来，采用1～3W大功率LED做的灯具逐年增加，其功率可从几瓦到上百瓦。大功率LED灯具都采用LED串联的结构，用恒流供电，其结构如图1所示。一般1W LED的工作电流为250～350mA，3W LED的工作电流为600～700mA，电流大的可达900～1000mA。

图1 LED驱动电路

这种串联LED的灯具有一个缺点，如果串联的LED中有一个LED开路，则整个灯都不亮了。这对某些灯具（如警示灯、矿灯、应急灯等）的应用是十分危险的。为了防止LED开路时，LED灯还能亮，则采用LED开路保护器是十分有效的，它能保证灯具使用的安全性。

目前已开发出的1W LED开路保护器有两种结构：齐纳二极管型和晶闸管型（单向可控硅型），如图2所示。有的LED生产厂家直接将齐纳二极管与LED封装在一起，即带有开路保护的LED也已上市。3W LED的工作电流一般取值700～1000mA，这种开路保护器由于电流较大在市上还少见。

图2 两种LED保护器件

本文将介绍安森美公司在2009年1月推出的新器件NUD4700及SMD公司在2008推出的SMD602，它们都是晶闸管型LED开路保护器。
　　
NUD4700的工作原理
NUD4700是一种两端器件，其外形如图3所示，A端为阳极，C端为阴极。其内部结构如图2的下图所示，它由控制电路及单向晶闸管组成。

图3 NUD4700外形

NUD4700的典型应用电路如图4所示。这是一个交流供电，往AC/DC转换器输出直流电压，再由NUD4701恒流LED驱动器驱动5个串联的1W大功率LED的电路。NUD4700与LED并联连接在一起。在LED未开路时，由于LED的正向降压VF小于晶闸管的“开启”电压V(BR)，则NUD4700为“关闭状态”。在关闭状态时，只有小于250μA的漏电电流经过NUD4700，相当于NUD4700“开路”，不影响LED的工作。若串联的LED中有一个（如LED2）因损坏而开路了，此时与LED2并联的NUD4700的A、C之间电压超过了 “启动”电压V(BR)（5.5～7.5V），NUD4700启动，由关闭状态转为“导通状态”。在导通状态时， A、C之间导通电压VT为1.0～1.2V。此时，LED的电流由LED1流经NUD4700的A、C，再流入LED3，如图5所示。5个LED的灯仅有4个LED工作，其亮度稍差一些，但仍可以正常工作，并且不影响其恒流的大小。

图4 NUD4700应用电路

图5 NUD4700工作原理 [!--empirenews.page--]

从上面的分析可知：在LED正常时，器件不起作用（相当开路）；在LED损坏开路时，它起作用（相当通路），使LED的电路能形成通路而工作。
    
NUD4700的主要参数
NUD4700的主要参数：峰值重复关闭状态时电压为-0.3～+10V；关闭状态时的漏电流ILEAK为100～250μA；启动电压（也称为“击穿电压”Breakdown Voltage）V(BR)为5.5～7.5V；保持电流IH为6～12mA；闭锁电流（latching Current）IL为35～70mA；导通状态电压VT为1～1.2V；导通状态时的平均电流IT(AVG)为0.376～1.3A（电流大小与焊盘面积有关：在焊盘面积为25.4mm×25.4mm时，散热条件好，IT可达1.3A）；该器件为贴片式2mm×2.1mm封装（高度为1mm）；工作温度范围为-40～+85℃。
    
典型工作波形
NUD4700的典型工作波形如图6所示。图6中，绿色是LED电流波形，棕色是NUD4700关闭状态转换到导通状态的波形。椭圆内是LED开路瞬间波形，此时，LED电流IF经一些波动后恢复到原来电流；与此同时，NUD4700由关闭状态转换到导通状态，其电压由VF下降到1～1.2V，其响应时间是很快的（dv/dt最小值为250V/μs）。

图6 NUD4700工作波形图
    
SMD602的结构与工作原理
SMD602的内部结构如图7所示，它的基本结构与NUD4700相同，但增加了一个反接的二极管，可在LED串极性接反时提供一个电流通路，由于二极管的正向压降为1.1～1.5V，其可保护LED免受反压击穿（一般LED反压击穿电压为5V）。

图7 SMD602内部结构

SMD602的工作原理与NUD4700完全相同。它的正极与LED的阳极连接，负极与LED的阴极连接，如图8所示。在LED没有开路时，SMD602都为关闭状态，其漏电流为100μA（典型值）。图中橘黄色线为LED电流ILED。

图8 SMD602工作在LED导通状态下

若在串联的LED中有一个开路，如图9所示，则与此并联的SMD602的正、负极之间电压大于其开启电压4.65～5.25V，此器件由关闭状态转换为导通状态，降压为1～1.2V。LED电流经SMD602内部的晶闸管后流到下一个LED，保证其他未开路的LED正常工作。图中用红线X表示此LED开路。

图9 SMD602工作在LED开路状态下

若LED串与驱动器连接时极性接反，则有可能LED受反压过大而损坏。由于SMD602内部有反接二极管，在LED串极性接反时，其内部的二极管极性是正确的，则LED的电流经SMD内部的二极管形成回路，LED得到保护，如图10所示。

图10 SMD602工作在LED反接状态下 [!--empirenews.page--]
    
SMD602主要参数与特性
SMD602的主要参数：输入电压VDC最大值为38V；导通状态时最大电流IBP=500mA；反向电流IR最大值为500mA；启动电压V(BR)为4.65～5.25V，导通状态时压降VT为1～1.2V；在LED极性反接时，其压差为1.1～1.5V；在关闭状态时漏电流为100～150μA；维持电流IH最大值为20mA，工作温度范围-40～+85℃。

图11 SMD602的特性

SMD602有两种封装：2mm×2mm FBP封装及3引脚SOT-89封装，其引脚排列如图12所示。

图12 SMD602的引脚排列

结束语
以上介绍的两种LED开路保护器适用于1W大功率LED，其ILED电流为350mA。它们可以与LED一起安装在六角形的铝基板上。