功率LED正成為交通信號(hào)或機(jī)場(chǎng)照明等關(guān)鍵任務(wù)應(yīng)用的首選光源。在這些系統(tǒng)中，重要的是在LED發(fā)生故障時(shí)立即向操作員發(fā)出警報(bào)。本文介紹了一種實(shí)現(xiàn)自動(dòng)故障檢測(cè)的高度集成且低成本的方法。

LED偏置

一般來說，LED是電流驅(qū)動(dòng)的：LED的發(fā)光強(qiáng)度與通過LED的正向電流直接相關(guān)。因此，LED驅(qū)動(dòng)器的主要任務(wù)是保持通過LED的恒定電流。

當(dāng)電流施加到LED時(shí)，二極管兩端會(huì)產(chǎn)生電壓降。該電壓降稱為正向電壓，由二極管的典型電流 - 電壓特性決定。正向電壓的閾值點(diǎn)取決于LED的類型和顏色。

然而，功率LED在正向電壓方面產(chǎn)生相當(dāng)大的復(fù)雜性。這是因?yàn)橄嗤愋偷墓β蔐ED的特性因生產(chǎn)過程的變化而顯著不同。

圖1：不同顏色的LED的IV特性。：奧地利微電子實(shí)驗(yàn)室。

圖1顯示了不同類型和顏色的LED的IV特性(左圖)和僅在不同類型的紅色LED中發(fā)現(xiàn)的IV特性的變化(右手)圖形)。

可以看出，即使相同類型和顏色的LED也具有不同的電流 - 電壓特性。例如，在25°C的環(huán)境溫度下，藍(lán)色LED在20 mA時(shí)具有3.2 V的典型正向電壓，但在相同溫度下，這可以在高達(dá)3.85 V的范圍內(nèi)變化(參見圖2)。

因此，LED驅(qū)動(dòng)器在固態(tài)照明開發(fā)商中很受歡迎，這是一種確保LED陣列輸入相同電流以產(chǎn)生相同亮度的方法。

圖2：從20個(gè)藍(lán)色I(xiàn)nGaN LED樣品中選擇IV特性。：奧地利微電子實(shí)驗(yàn)室。

LED故障機(jī)制

然而，還有一種方法可以使用驅(qū)動(dòng)程序來實(shí)現(xiàn)故障檢測(cè)功能。

LED照明系統(tǒng)可以通過兩種方式之一發(fā)生故障。一方面，LED本身的故障;另一方面，支持系統(tǒng)的機(jī)械故障或LED的電源線。

在LED本身出現(xiàn)“故障”的情況下，目前還沒有電子檢測(cè)方法。這是因?yàn)長ED不會(huì)像白熾光源那樣燒壞;他們隨著時(shí)間的推移變得越來越暗淡實(shí)際上，沒有獨(dú)特的效果來描述LED壽命的終結(jié)。生命周期或可用時(shí)間也沒有標(biāo)準(zhǔn)或定義。

在任務(wù)關(guān)鍵型應(yīng)用中，LED的調(diào)光范圍和適當(dāng)?shù)腖ED更換時(shí)間表可以參考LED制造商的數(shù)據(jù)并結(jié)合對(duì)運(yùn)行中的系統(tǒng)進(jìn)行定期光學(xué)測(cè)試來確定。但是，電子電路可以檢測(cè)由“場(chǎng)內(nèi)效應(yīng)”引起的照明系統(tǒng)故障。這些影響可能包括支撐模塊中的機(jī)械缺陷，由多點(diǎn)連接器故障引起的電氣接觸問題，電路板焊接故障，維護(hù)錯(cuò)誤以及諸如電力電纜意外損壞之類的故障。

錯(cuò)誤檢測(cè)方法

現(xiàn)場(chǎng)效應(yīng)可能會(huì)使LED短路或?qū)е码娫淳€損壞。檢測(cè)開路或短路的常規(guī)方法是監(jiān)控驅(qū)動(dòng)器的輸出電流引腳的電壓。這可以通過每個(gè)驅(qū)動(dòng)器輸出引腳上的兩個(gè)比較器來實(shí)現(xiàn)：一個(gè)用于檢測(cè)開路LED故障，另一個(gè)用于檢測(cè)短LED故障。

此外，還需要一個(gè)模塊，用于創(chuàng)建與系統(tǒng)控制軟件通信的接口。總之，這樣的電路需要大量的元件，這導(dǎo)致高的材料清單和組裝成本(見圖3a)。

通過將比較器的數(shù)量減少到兩個(gè)，并添加多路復(fù)用器將驅(qū)動(dòng)器輸出連接到比較器以進(jìn)行缺陷測(cè)試過程，可以略微減少元件數(shù)量。

圖3a：使用比較器實(shí)現(xiàn)錯(cuò)誤檢測(cè)，以及沒有內(nèi)置診斷功能的LED驅(qū)動(dòng)程序。圖3b：使用具有內(nèi)置診斷功能的LED驅(qū)動(dòng)器(AS1110)實(shí)現(xiàn)錯(cuò)誤檢測(cè)。

此問題的解決方案是使用具有集成診斷功能的LED驅(qū)動(dòng)器，例如AS1109/10/12/13來自奧地利微電子公司的設(shè)備(見圖3b)。這種器件中的開路LED和短路LED檢測(cè)功能是通過比較輸出電流驅(qū)動(dòng)器引腳上的每個(gè)電壓和兩個(gè)在器件內(nèi)部產(chǎn)生的閾值電壓來實(shí)現(xiàn)的。用于檢測(cè)損壞的LED電路的第一閾值電壓(開路LED條件)是固定的并且不能改變。用于檢測(cè)短LED故障的第二閾值電壓直接取決于驅(qū)動(dòng)器的電源電壓(必須仔細(xì)計(jì)算驅(qū)動(dòng)器輸出引腳上的電壓，同時(shí)考慮到LED正向電壓的大范圍變化)。

開路LED和短路LED檢測(cè)基于輸出驅(qū)動(dòng)器引腳電壓與內(nèi)部產(chǎn)生的兩個(gè)不同閾值電壓VTHL和VTHH的比較。閾值電壓VTHL用于檢測(cè)開路LED狀態(tài)。為了可靠的故障檢測(cè)，輸出電流驅(qū)動(dòng)器(LED的陰極)處的電壓必須高于VTHLmax。

通過比較輸出電流驅(qū)動(dòng)器的電壓和內(nèi)部產(chǎn)生的參考電壓VTHH來檢測(cè)短路LED，該電壓直接取決于驅(qū)動(dòng)器的電源電壓。為了確保檢測(cè)到短路LED，工作LED陰極端子的電壓必須低于VTHHmin，否則正常工作的LED可能會(huì)被誤認(rèn)為LED短路。

在這兩種情況下，應(yīng)用設(shè)計(jì)人員容易改變的設(shè)計(jì)參數(shù)是LED電源電壓。

這種檢測(cè)由于場(chǎng)內(nèi)效應(yīng)引起的LED故障的方法成功，然后通過使用集成在LED驅(qū)動(dòng)器中的診斷功能來減少組件數(shù)量和系統(tǒng)成本。但是，設(shè)計(jì)人員必須考慮LED在設(shè)置LED電源電壓時(shí)的正向電壓擴(kuò)展。