近年來發光二極體（LED）技術在價格、性能和製造工藝等方面都達到了大幅的突破，可最佳化LED操作的進一步提升，將可望推動LED照明市場的倍數成長。其中最新的商業發展之一，是一系列高壓LED產品（AC LED），它們不需要從交流到直流（AC-DC）的轉換器即可直接用交流電源電壓操作。在本文中描述的AC LED照明系統是：採用首爾半導體有限公司（Seoul Semiconductor）Acriche產品之一，提供高的整體系統可靠性；但是正如在任何LED照明的應用中一樣，在由瞬態事件所引起的過熱中進行保護是一項重要設計考量因素。本文討論了電路保護策略，它們將能夠預防過熱，同時還提供了在一個典型電路中的測量結果。
簡介
正如運行在交流電源電壓上的任何電子系統一樣，沒有足夠保護的AC LED照明系統可能會被雷電湧浪或者振盪波損壞。金屬氧化物壓敏電阻（MOV）常常被用做保護AC LED 照明系統免受雷電湧浪和振盪波的損壞，並協助製造商滿足安全和性能的標準。依據IEC 61000-4-5的閃電測試和依據IEEE C.62.41的振盪波測試可在實驗室中模擬這些對生命的實際威脅。
一款AC LED 和一款 DC LED 一樣，都是一種在電流通過LED晶粒時可以將電能轉換為光的半導體元件，結點過熱將會同時大幅減少光輸出和縮短LED的壽命。在引入適當的熱管理和電路保護設計策略後，AC LED 技術提供幾個優於傳統照明的優點：包括精小、更少的元件數、節能和更低的系統成本。
TE電路保護部門的PolySwitch聚合物正溫度係數（PPTC）元件可以提供過電流和過溫保護，並且可以很容易地整合於 AC LED 的電路板上。
過流和熱失控的設計要素
LED發光二極體具有負溫度係數的特性，LED的正向導通電壓（Vf）隨著溫度的升高而降低。在採用恒壓電源供電的情況下，溫度的增加將帶來正向導通電壓的略微降低和增加數額相對較大的電流。它導致了功耗的淨增加和溫度的升高。對於一個給定的熱路徑，熱傳遞可能無法維持所增加的功耗。
在極端情況下，其結果就是熱失控，並且可能在電流或者功率沒有被限制在額定等級內時損壞 AC LED。在特定的額定電流範圍內，LED燈的光輸出和通過的電流呈大致的線性關係。如果電流超過製造商所建議的電流值，LED燈可以變得更亮，但是光輸出的能力會以更快的速度降低，並縮短其使用壽命，
應該著力的，是努力保持LED散熱以實現最大效率，LED通常聯接一個散熱片以儘量使結點溫度最低。限制通過 AC LED 的電流或者功率可以預防熱失控，並且有一個其他的好處是可以在寬廣的溫度範圍內提供更好的亮度調節以及延長使用壽命。
AN3211是首爾 半導體公司的一款AC LED 產品，它包括一個 AN3200 LED 和一組用於依據其正向電壓來設置其工作電流的電阻。AN3200的內部結構由兩組極性相反的二極體並聯組成。如圖1所示，隨著正半週期內交流電源電壓的增加，內部LED串中的一串導通並發光；在負半週期內，其他的燈串導通並發光。
圖1:典型的 AC LED 原理圖
圖2為首爾半導體公司的 AC LED AN3211的測試裝置，其中一個金屬氧化物壓敏電阻（MOV）和一個PolySwitch miniSMDC014F元件整合在 AC LED 照明系統板上，表1顯示測試參數和結果。
圖2:首爾半導體公司的 AC LED AN3211測試裝置
AC LED已經逐漸用於室內外的通用照明（GPI）系統應用。因為交流電為其直接供電，閃電可能會引起交流線路的瞬間過壓。若沒有強大、可靠的電路保護，雷電湧浪或者振盪波可能會損壞 AC LED。由於電壓的變化可以產生不成比例的電流變化並影響光輸出，在這些交流線路電壓的波動中 AC LED 必須受到保護。
PolySwitch元件有助於在出現穩態超載電流的操作時限制流過LED的電流，並在電壓出現波動實現保護。MOV常常在交流線路電壓應用中用於抑制瞬態過壓和預防瞬態過壓帶來的損壞。
圖3和4顯示了首爾半導體公司 AC LED AN3211元件和7mm 200V MOV共同使用時的測試結果。結果表明：MOV解決了雷電和振盪波問題；同時，在雷電湧浪和振盪波耐受測試中光輸出是非常穩定的。這種方法有助於設備在特定的雷電湧浪測試（IEC 61000-4-5）和振盪波衝擊測試後（IEEEC.62.41）能夠保持正常運作。
圖3:首爾半導體公司 AC LED AN 3211元件使用7mm 200V MOV過壓保護元件在2kV 8/20us雷電湧浪測試中的電壓響應。
圖4:首爾半導體公司 AC LED AN 3211元件使用7mm 200V MOV過壓保護元件在2.5kV 100KHz振盪波耐受衝擊測試中的電壓回應。
結論
(並感謝TE電路保護部門全球應用工程部經理Matt Williams針對本文的貢獻。)
關於作者
Barry Brents是TE 電路保護部門的應用工程師。他是IEEE會員，擁有美國德州理工大學（Texas Tech University）電機工程學士學位， 自1991年以來一直任職於通信和電力行業。
David Neal是首爾半導體有限公司應用經理。他是IEEE、IES和ANSI 的會員，在麻塞諸塞州大學達特茅斯分校（University of Massachusetts Dartmouth）獲得電機工程學士學位，並活躍於固態照明行業中超過五年。
Matt Williams是TE電路保護部全球應用工程經理，負責內部和OEM客戶的應用支援。他是IEEE會員，在鳳凰城工學院（Phoenix Institute of Technology）獲得電氣工程和電子通訊兩個理學學位。
2 Pro, PolySwitch, TE Connectivity, and TE connectivity (logo) are trademarks.
2 Pro、PolySwitch、 TE Connectivity和 TE connectivity (標識)都是商標。
