針對(duì)客戶常常遇到的關(guān)于LED超過最大額定電流值脈沖工作模式下的安全性問題、特別是應(yīng)急車輛應(yīng)用，專用頻閃照明、甚至通用照明調(diào)光應(yīng)用的脈沖調(diào)制等，本文詳細(xì)闡述了三種過流情況下對(duì)LED工作和性能的影響。

電氣過載 (EOS) 常常與災(zāi)難性失效有關(guān)，例如靜電釋放 (ESD)、浪涌電流，或者其他類型的瞬態(tài)電涌。LED 驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)人員應(yīng)當(dāng)確保采取一切必要的預(yù)防措施，來(lái)保護(hù) LED 免受 EOS 損害。第二類過電流情況常常與閃爍模式下工作的 LED 應(yīng)用相關(guān)，例如應(yīng)急車輛燈、頻閃燈或信號(hào)燈，常常使用高頻脈沖 (也就是大于 120 Hz) 來(lái)控制調(diào)光應(yīng)用中 LED 的亮度。最后，紋波電流是直流波形中周期性重復(fù)的峰值到峰值變動(dòng)，是由于對(duì)交流電源或開關(guān)式電源的濾波不足而產(chǎn)生的。在規(guī)格范圍內(nèi)，這些條件都不會(huì)對(duì) LED 的長(zhǎng)期流明維持或可靠性產(chǎn)生影響。但是，在 “過電流” 情況下 (也就是，超過數(shù)據(jù)手冊(cè)規(guī)格)，它們會(huì)縮短 LED 的壽命。

一、單脈沖過電流

單脈沖過電流常常由于無(wú)意中對(duì)一個(gè)或多個(gè) LED 使用了過量電能而引起，通常會(huì)導(dǎo)致器件發(fā)生災(zāi)難性失效。科銳 XLamp® LED 能承受比最大額定電流高幾倍的瞬態(tài)電流。但是，具體某個(gè) LED 器件究竟能承受多大的電流幅值，還與瞬態(tài)電流的持續(xù)時(shí)間和頻率有關(guān)。如果超過某個(gè)閾值，單脈沖將會(huì)導(dǎo)致 LED 立即發(fā)生災(zāi)難性失效。在這種情況下，通常有兩種失效模式：短路或開路。

限制LED承受EOS能力的主要影響因素是 LED 芯片和內(nèi)部互連元件（即鍵合線）的載流能力。

電流密度的局部增加，稱為電流聚集，是電流密度在導(dǎo)體或半導(dǎo)體中的不均勻分布，尤其對(duì)于LED的電極接觸點(diǎn)和 p-n結(jié)。電流聚集會(huì)限制 LED 效率，對(duì)載流子活動(dòng)性低的材料 (例如氮化銦鎵，InGaN)特別易發(fā)生。電流集聚會(huì)導(dǎo)致局部過熱并形成熱點(diǎn)，在嚴(yán)重情況下導(dǎo)致熱耗散，還可能加劇電遷移效應(yīng)和空隙的形成，造成電流密度局部分布不均勻?？障吨車娮璧脑黾邮且粋€(gè)自反饋循環(huán)，造成局部溫度進(jìn)一步升高，從而加速空隙的形成，并最終可能導(dǎo)致開路失效。

相反，電流密度以一定的電流密度梯度局部降低，可能會(huì)導(dǎo)致從電流 “聚集” 區(qū)域遷移而來(lái)的離子發(fā)生沉積。在類似的自蔓延循環(huán)中，這可能導(dǎo)致電流密度的進(jìn)一步下降，以及遷移離子的進(jìn)一步沉積，甚至形成小的突起，從而造成短路。

下面的圖1 描繪了金屬遷移的兩種情況。左圖顯示一個(gè)低于最大閾值的重復(fù)瞬態(tài)電流的器件。而右圖顯示的器件經(jīng)受正常正向電壓大約 20 倍的電壓，導(dǎo)致了嚴(yán)重的瞬時(shí)失效。

另一個(gè)理論上的影響因素是 LED 芯片鍵合線的載流能力。如果超過了載流能力 (例如在 EOS 極大的情況下)，那么導(dǎo)體將熔斷，造成開路。盡管金屬電線或?qū)崞蹟嗨婕暗木唧w物理現(xiàn)象不在本文的討論范圍之內(nèi)，不過這些因素包括電線的長(zhǎng)度和直徑、鍵合類型 (球型或楔型)、以及金屬的物理材料性質(zhì)，包括熔點(diǎn)、導(dǎo)熱性、電阻性等。鍵合線的熔斷是一種非常罕見的二次失效，只有在芯片已發(fā)生短路失效而且繼續(xù)受到過量電流時(shí)才會(huì)發(fā)生，它還會(huì)導(dǎo)致鍵合線過熱。‖

二、重復(fù)脈沖

第二類過電流條件，即高電流重復(fù)脈沖，這種情況將可能會(huì)導(dǎo)致 LED 發(fā)生早期災(zāi)難性失效，但不是必然的。高電流重復(fù)脈沖可能導(dǎo)致 LED 預(yù)期壽命的縮短，與通常的預(yù)期壽命相比，可能要縮短數(shù)萬(wàn)或數(shù)十萬(wàn)小時(shí)。當(dāng)器件承受的重復(fù)瞬態(tài)電流高于數(shù)據(jù)手冊(cè)限制值若干個(gè)百分點(diǎn)，雖然低于單脈沖失效閾值，仍然會(huì)發(fā)生失效。其失效機(jī)理最大可能是因?yàn)樘嘟饘匐x子從它們?cè)瓉?lái)的晶格位置發(fā)生漂移導(dǎo)致電子遷移。

科銳對(duì)四種不同的 XLamp® LED進(jìn)行不同電流范圍內(nèi)的脈沖電流試驗(yàn)，數(shù)據(jù)表明，在特定電流水平以上，光輸出幾乎沒有增加，效率反而會(huì)降低。因此，科銳不建議客戶對(duì)LED施加這樣的極端電流。下圖顯示白光 XP-C、XP-E、XP-G 和 MX-6 LED 器件在 1000 Hz 和三個(gè)不同的占空系數(shù) (5%、20% 和 50%) 條件下工作時(shí)， 電流值和光效之間的關(guān)系，此結(jié)果信息僅用于例證說明，不用作規(guī)格。垂直虛線代表每種 XLamp® LED 產(chǎn)品類型的最大額定持續(xù)電流。

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與正向電壓和電流之間的關(guān)系一樣，光輸出和正向電流之間的關(guān)系是非線性的。例如，將 LED 的驅(qū)動(dòng)電流增加到兩倍，會(huì)導(dǎo)致功率的增加超過兩倍。對(duì)光輸出也是如此。電流加倍不會(huì)使輸出加倍，實(shí)際上，在特定值以上，隨著 LED 內(nèi)部溫度的升高，光輸出甚至開始降低。除效率下降以外，以高電流驅(qū)動(dòng) LED 還可能造成包括色度偏移在內(nèi)的其他問題。隨著 LED 正向電流增加，x 和 y 顏色坐標(biāo)開始在 CIE 1931 表色系統(tǒng)中向左和向下偏移，導(dǎo)致相關(guān)色溫 (CCT) 增加。繪制在 CIE 表色系統(tǒng)中的同一數(shù)據(jù)集的信息，其中顯示色度偏移的五只 XP-E LED 的平均結(jié)果在最大指定驅(qū)動(dòng)電流之內(nèi) (綠色數(shù)據(jù)集) 并且在過電流規(guī)格 (紅色數(shù)據(jù)集) 驅(qū)動(dòng)下繼續(xù)發(fā)生色度偏移。

大電流運(yùn)行 LED 所產(chǎn)生的長(zhǎng)期穩(wěn)定性方面值得注意。因?yàn)?p-n 結(jié)受熱升溫，尤其是在占空系數(shù)高于 25% 時(shí)，壽命及光通維持率受到影響。為了確定是否會(huì)超過最大結(jié)溫 (Tj)，必須測(cè)量電流 (If)、電壓 (Vf) 和 LED 的封裝外殼溫度 (Tc)。對(duì)于脈沖 LED，功率將與占空系數(shù) (D) 成正比；所以，可以使用以下公式來(lái)計(jì)算Tj：

Tj = Tc + D * If * Vf * Rthj-c

不過，這只是等式的一部分。還必須考慮環(huán)境溫度以及封裝外殼與環(huán)境空氣之間的熱阻。仍然必須采取恰當(dāng)?shù)臒峁芾硎侄?。‖[!--empirenews.page--]

科銳建議的脈沖電流范圍（基于脈沖頻率1KHz以內(nèi)）：

1 占空比范圍51-100%， 不能超過最大額定電流值

2 占空比范圍10-50%，不能超過最大額定電流值的2倍

3 占空比小于10%，不能超過最大額定電流值的3倍。

除了光輸出降低以外，長(zhǎng)期在高電流下運(yùn)行可能影響到的其他特性包括色點(diǎn)穩(wěn)定性、反向漏電流和正向電壓?？其J建議客戶需自行執(zhí)行長(zhǎng)期測(cè)試，以確保設(shè)計(jì)的穩(wěn)定性。

三、紋波電流

紋波電流是電流波形中定期的峰值到峰值變動(dòng) (見下面的圖)。LED 照明應(yīng)用通常使用未過濾的 120 Hz 整流信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)，只要在電流規(guī)格范圍內(nèi)，不會(huì)對(duì) LED 造成問題。不過，過大的紋波電流仍是一個(gè)不良因素，但不僅僅是針對(duì) LED。對(duì)于 LED 驅(qū)動(dòng)器的輸出過濾波電解電容，也要考慮紋波電流。高紋波電流會(huì)導(dǎo)致電容過熱，加劇驅(qū)動(dòng)電路的早期失效。而且，如果濾波電容失效，原本應(yīng)該衰減的瞬態(tài)電流將無(wú)法衰減，從而對(duì) LED 造成損壞。

若峰值到峰值電流中存在大的擺動(dòng)，還會(huì)影響 LED 的光效。例如，我們?nèi)∫粋€(gè)具有下表1中給出的光通量的 XP-E 燈具樣品。如果燈是在 500 mA 的穩(wěn)定直流電流下驅(qū)動(dòng)，輸出將是 142 lm。相反，如果用介于最小值 200 mA和最大值 800 mA之間振蕩的電流驅(qū)動(dòng)，那么光輸出將在 66 到 203 lm之間擺動(dòng)。平均流明輸出只有 134.5，比用穩(wěn)定直流電流驅(qū)動(dòng) LED 時(shí)低大約 5%。

四、結(jié)語(yǔ)

盡管科銳的XLamp® 產(chǎn)品能夠承受遠(yuǎn)高于最大額定持續(xù)電流的瞬態(tài)電流，但為避免 EOS，存在不能超過的物理極限值。在較高電流下，以持續(xù)脈沖模式運(yùn)行 LED 是可以的，但那些將對(duì)光效、色度和長(zhǎng)期穩(wěn)定性產(chǎn)生負(fù)面影響。

對(duì)于某些專門的應(yīng)用場(chǎng)合，為了達(dá)到想要的性能水平，超過最大電流額定值運(yùn)行可能合乎情理。不過，對(duì)于這些情況，科銳建議客戶，在對(duì)將出現(xiàn)這里所述的三種過電流條件中任何一種的設(shè)計(jì)進(jìn)行驗(yàn)證時(shí)，自行進(jìn)行壽命測(cè)試。權(quán)衡取舍是客戶的責(zé)任。對(duì)于在公布的規(guī)格極限值以外使用我們的產(chǎn)品，科銳不對(duì)產(chǎn)品的可靠性或性能作任何保證。如果客戶對(duì)自己的特定應(yīng)用場(chǎng)合有任何疑問或關(guān)注，歡迎聯(lián)系科銳的應(yīng)用支持團(tuán)隊(duì)，獲取產(chǎn)品選擇和系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面的技術(shù)指導(dǎo)。

科銳將參加6月9-12日2013廣州國(guó)際照明展，科銳展臺(tái)位于琶洲展覽館A區(qū)4.1館B02展位，更多的技術(shù)支持和服務(wù)歡迎與科銳的團(tuán)隊(duì)詳細(xì)探討。