強化模組保護設計方案 改善HB LED使用壽命

對於嵌燈產品，其溫度安全要求更高，否則出現燈具高溫問題，極易因此造成公共安全危害。EPIC

在環保、節能、長效要求下，傳統照明設備已逐步將常規的鎢絲球泡燈、CCFL螢光管燈緩步轉換至LED照明方案，而LED照明應用產品，要達到照明水準，即必須使用HB LED模組元件搭配較高的驅動設計增加照明應用價值，但用於居家或公眾照明應用，也必須在安全性設計方案進行強化...

LED照明應用，為大量使用HB LED的發光元件所整合的照明設備，與現有的傳統燈具有極大的差異。雖然LED燈具已經針對相容性需求，在外觀、連接器等方面已經做得與常規照明燈具一樣，但實際上照明設備本身的發光特性、電性已與傳統燈具明顯不同；加上LED照明設備由於使用大量HB LED搭配高電流驅動，雖提高了LED燈具的亮度表現，但也會造成新的設計安全疑慮，必須同步考量對應的安全設計。

LED元件特性佳 已漸漸導入日常照明應用

隨著消費者對於節能、環保、效率...等要求持續增溫，傳統白熾燈雖然在燈具成本最低，但在耗能與壽命表現向來難有改善空間，而另一種大量使用的CCFL(Cold Cathode Fluorescent Lamp)冷陰極燈管燈具，雖有節能效益，但製程與添加材料相對不環保，日常照明應用的燈具已逐步提高新式的LED(Light Emitting Diode)固態光源應用方案取代。

使用LED燈具的好處相當多，首先LED屬於固態光源元件，發光元件的佔位面積、高度小許多，對於輕薄型設計方案有極高的導入優勢，而固態元件與易於大量產線打件的元件設計，或產製成條燈、帶燈產品型態，不只是生產流程可以加速，使用新方案製成的產品也具備更高的耐震，使用壽命也相對增加。

LED發光元件好處還不只有體積小、壽命長等元件優勢，易於模組化生產也可降低大量生產的產製成本，在發光效能進行大幅強化，尤其是HB LED在元件設計持續提升，使得LED光源已具備明顯優於CCFL、白熾燈的材料優勢，加上體積、生產優勢，可大量用於路燈、家庭用照明、車用照明等設計方案，尤其是車用照明應用，LED的高耐震特性還可以為終端設計產品加分。

HB LED驅動特性 須更重視安全保護設計

而HB LED的驅動模組設計，電源設計方案與相對成熟的CCFL照明驅動電路設計方案相比，電源設計有著相當明顯的不同，不只驅動的設計方案差異大，可用的保護設計也會有所不同。隨著使用HB LED元件設計照明相關產品越來越多，為了維持照明模組、照明產品的應用效能，對LED元件的驅動IC保護功能設計也不能忽略，在驅動模組設計方案中必須全面、完善的考量，以兼顧LED光源高亮度、高效率驅動所趨的高額定電流輸出、電流平衡設計需求。

另一個重點是，為了提高終端產品的性能參數，多數HB LED照明產品設計也被要求需要持續提高單位面積可提供的光源亮度、演色性、輸出光源穩定度、與模組運作的穩定性，而當LED元件輸出亮度提升同時，也代表著驅動電能必須對應增加，而所增加的幅度對於產品的應用安全，已經足以構成安全疑慮，同時，在進行功能規劃與設計時，也必須同時考量HB LED照明設備失效模式的改善，避免因為HB LED因為失效而產生安全問題。

加上HB LED的衍生照明產品，不僅只有家庭或個人應用，隨著高亮度HB LED推陳出新，也有針對公眾應用需求設計的街燈、路燈高亮度？高功率產品推出，而在公眾場域為節省維運電能損耗，常見的車船大眾運輸工具、站點，也開始逐步大量導入HB LED照明光源應用，而這些場站、運輸工具大多需要以24hr/7day長時間照明運作，這時對於驅動功率較高的HB LED照明的安全設計、LED驅動積體電路(Driver IC)所能提供的保護運行機制，就顯得十分重要。

LED驅動IC已整合多種安全電路設計

現有的LED元件驅動IC，有短路保護(Short Circuit Protection；SCP)、過電壓保護(Over Voltage Protection；OVP)、過電流保護(Over Current Protection；OCP)...等保護機制，相關保護設計不外乎是針對照明模組的使用電性方面，可自模組側或系統側進行相關設計或保護電路改善，安全設計的終極目的都是為了安全或不將損壞影響擴及系統端元件為主，亦即將元件失效的損害範圍控制在僅限於LED光源模組上。

尤其是HB LED元件本身即半導體材料元件，持續以較高驅動電壓、或長時間以高電流驅動運行，都會因為持續的高電壓、高電流、高溫下運行造成HB LED元件壽命減損，而發光模組因為使用環境的供電電壓不穩定性影響，或是HB LED元件與佈線、打件的生產品質問題而造成線路開路或短路，這些大小問題都會令HB LED出現區域失效或是亮度不均勻問題產生，亮度不勻對於區塊HB LED元件的壽命也會產生差異，因此保護電路也需一併考量針對HB LED發光元件本身的保護，如HB LED元件的LED短路保護(LED Short Protection；LSP)、開路保護(LED Open Protection；LOP)等。

多數用於HB LED光源驅動之拓璞架構，大多會以穩定HB LED的驅動電流為主要設計目標，再搭配輸出？輸入之電壓關係選用合適的電路拓璞架構，若以強化輸出亮度的設計目標採行多顆HB LED發光元件串聯？並聯使用，由於HB LED照明光模組的亮度與HB LED數量、驅動電流呈現正比差異，為了達到設計目標，勢必也要在HB LED模組提供更高的輸入電壓，才能有效提升整體的亮度表現。

常見的設計方案，會以升壓式轉換器來強化設計，但若使用升壓架構進行設計，也必須考量當電路出現異常時，在模組上的高電壓輸出、高輸入電流都會對整體使用安全造成影響。另一方面，也可利用升壓轉換器搭配多通道電流平衡設計方案，整合如整個顯示產品的電源系統設計因素考量，搭配Flyback(時下返馳式)、LLC(半橋諧振)電路再整合搭配電流平衡輸出的回授控制應用，是目前相當常見的HB LED照明設計方案，相關LED元件保護機制有OVP、 OCP、 SCP、 LOP、 LSP、過溫保護...等。

家用或公眾照明應用 燈具之過溫保護更為重要

尤其是過溫保護的設計方案，在燈具應用上會左右產品的使用安全。關於LED照明燈具的過溫失效產生狀況主要有幾種，例如，採行HB LED做為照明光源時，相對在HB LED元件本身也會因為驅動電源而產生熱能，對此類應用場合時，雖然HB LED可產生足夠的照度、同時可減少LED元件使用數量，但也必須同時搭配主？被動散熱機制。

尤其需模擬正常使用環境下，提供多大的LED驅動電流時，對HB LED產生多高的表面溫度，而且在燈具故障時，過高的機殼內溫度會令HB LED的輸出亮度出現衰減、甚至損壞HB LED元件，在這種狀況下可以在驅動IC搭配預設或內建的溫度偵測功能，當驅動IC感應到機殼內產生異常高溫，可由驅動IC進一步降低HB LED驅動電流、降低亮度，同時使元件本身的溫度藉此適度降低，等到機殼內溫度降低至安全值後，驅動IC再回覆正常的驅動電流。有溫度保護機制設計，可避免當出現元件高溫或散熱問題就只能關閉整個照明系統的窘狀，可以讓照明設備不會因為部分小問題而出現照明中斷問題。

對HB LED元件來說，目前業界的趨勢已在元件本身的亮度、能效發展略具成績，再向上提升的幅度有限，反而是如何延長HB LED元件使用壽命，已漸漸成為HB LED元件固態照明應用發展之新要件，一般也可搭配選用ESD靜電放電保護元件或優化電路設計，有效延長產品使用壽命。

對於HB LED元件，其高亮度表現無疑是發展照明應用的最大要件，近年在HB LED元件平均光輸出性能方面穩定改善，現今市場已有發光效率達到每瓦120流明的元件！較大的缺點是HB LED元件也相對易受ESD(ElectroStatic Discharge)而使得元件造成損傷。

而在HB LED產品常見以藍寶石基板設計的元件，在生產過程中由於藍寶石基板為絕緣體，本身即會累積大量的靜電荷，在製作過程即容易造成ESD問題，製成元件或模組化的產品後，HB LED也很容受到ESD損傷。多數HB LED在元件端會選擇整合瞬態電壓抑制器(Transient Voltage Suppressor；TVS)，在HB LED製作程序打線或是覆晶進行連接與整合，可達到8K以上的ESD等級。