检测和处理LED照明的故障

 　　无论工程师如何努力去避免，部件失效总会出现的，而LED灯具也不例外。对于LED照明解决方案的预期成本和可靠性来说，避免短路或开路带来的系统停机是至关重要的。由于LED灯具通常采用多个LED组成的灯串，所以一个开路LED会引起整串LED变黑。

　　要搬动设备和进行交通改道以修复交通灯的成本非常昂贵。分散在一个建筑物或地区中的照明系统若出现故障可能不会被重视, 但却会造成安全和保安风险。因此，使用监控照明系统以增加正常运行时间或减少停机时间，是获得积极的客户评价和快速采用LED照明解决方案的关键。

　　检测和监控

　　处理故障首先需要进行检测，这是维持照明系统功能性的最基本步骤。对于LED，电压是检测单个LED状态的最容易测量的参数。用于故障感测，通状态的LED电压可提供给检测开路或短路LED时使用。

　　如上所述，单一LED的开路故障不仅是单一器件的照明损失，还会扩大为基于典型照明配置的整串LED的损失。相反，如果在短路情况下，其它LED则可以继续运作，减少了被检测出故障的可能性，但是会让查看故障的人留下系统不可靠的印象。

　　主动监控和检测提供了系统管理功能，因其快速检测故障并维修能够最大限度地减少对功能性和停机时间的影响。要有效地检测故障，必须检查照明灯具中的每个LED，而这需要一个与多个LED连接，同时将LED故障位置的状态或故障检测信息传递到电路和系统的解决方案。

　　对于在各种应用中不同长度的LED串，必须使用灵活的多通道IC解决方案。这款解决方案必须能够在任意LED串电压范围(这取决于LED串中的LED数目)和宽范围的LED工作电流下工作，无论故障是发生在LED串内的什么位置，它都必须能够传达并且具有一个结合来自多个LED串的故障信号的机制。

　　最直接的方法就是使用局部供电电路来进行检测，然后使用一个级联电流信号作为故障指示。在LED串中， IC解决方案可以设计让位于LED串顶部的芯片，从主LED供电总线中获取故障电流，并且向LED串中位于它下部的芯片发送开/关故障电流指示。在LED串的底部，故障/无故障电流被放到一个电路中，用来提供应用所需的最终指示。一个级联多通道示例如图1所示，使用AAL406 LED故障检测和旁路保护IC。

　　图1 最直接的方法是使用局部供电电路进行检测，然后使用一个级联电流信号作为故障指示。

　　一个坏的LED损坏整个LED串

　　在灯具中，一个开路LED会引起整串LED失效，这是一个严重的问题。一个维持LED串功能性的方法就是提供一个围绕开路LED的旁路路径，允许LED串的剩余部分继续工作。最简单的LED旁路方法是使用一个跨接LED的双引脚SCR连线，由于SCR栅极触发电压约为1V，电压过低不能直接使用，所以需要增添一个齐纳二极管来提高触发电压(参见图2)。

　　如果LED开路，其两端的电压会上升，直到达到SCR栅极电压并动作，然后提供一个围绕开路LED的锁定通道(LED使用DC电压和电流驱动，因而它们无需增添使用TRIAC进行旁路的复杂性)。SCR将保持工作，直到电流下降到SCR特定保持电流之下。这种方法适用于DC LED串电流，这是LED的通常状态。在LED串使用PWM开/关调光时，SCR在每个PWM循环重置并重新动作，因而不会影响功能性，同时降低了功率损耗。

　　图2：最简单的LED旁路方法是使用一个围绕LED的双引脚SCR连线，由于SCR栅极触发电压约为1V，太低而无法直接使用，所以需要增添一个齐纳二极管来提高触发电压。

　　上述方法对于应用具有某些限制和要求，以确保其正常的运作。LED串必须使用类似电流源来供电，如果发生开路，LED电压将会上升。此外，电压上升必须高于旁路功能的触发电压。而且，LED串的电流路径应当对瞬态电流有某些限制，原因在于SCR的快速动作而LED则具有相对较低的负载阻抗特性。示例之一就是如果SCR工作于一个电容较大的总线，其电流路径的阻抗较低时检测就会失效。在一个IC中实施这类旁路和监控解决方案，能够以套件形式实现多个SCR的故障管理。当中所感测的LED电压用于开路LED旁路SCR的动作，也用于提供短路或开路的故障感测。

　　图3所示是如前所述基于IC的级联电流故障检测/维修方案的示意图，请留意这个方法的一个缺点是不能与PWM调光无缝集成。当LED串电流因PWM信号的缘故而为关闭/零时，由于跨接/通过LED的电压/电流变化很大，检测/报告将处于不确定的状态。设计人员可以使用一个在级联底部的附加电路，使用PWM信号来锁定故障报告，同时LED保持工作/开启，并且在PWM信号强迫LED串电流下降为零时，忽略/保持故障状态。

　　图3 基于IC的级联电流故障检测/报告机制

　　散热问题

　　与任何电路一样，设计人员需要考虑封装和散热问题，请留意片上SCR具有大约1V的导通状态电压(与电流正相关，与温度负相关)，这意味着在0.3A电流下损耗为0.3 W。

　　将热量散发到周围空气中对于可靠性是至关重要的，典型的塑料IC封装对于上述功率级别是不足够的，这个应用中的IC封装需要采取热管理措施，但无需其它特别的措施。举一个特定示例，AAL406器件在表面安装SOIC 8引脚封装中具有三个SCR和内置故障感测，由于底部的金属片，它与内部芯片是热耦合的，因此这个封装具有出色的热性能。通过在芯片底部PCB上敷设铜皮，并且将金属片焊接在铜皮的顶部，能够大大提升热传递性能。

　　要改进热传递应当使用标准镀金通孔来连接顶部铜皮和IC下方的底部铜皮。在最差情形下，多个SCR具有较高电流负载的情况，热要求可能更加严格。在这些情况下，将它们安装在一个共同散热片上，比如绝缘金属基底(IMS)上，是一个可靠的解决方案。而所需的散热水平取决于以下的预期，包括处理故障对比维修、在正常工作下处理工作电流对比故障的发生，工作温度范围、成本考虑因素和其它此类系统设计和运作问题。