LED驅(qū)動(dòng)電源中壓敏電阻的失效分析與改善對(duì)策

曲 楊，鄒學(xué)軍，鞠耀武，尤曉波，金小明

賽爾富電子有限公司，浙江 寧波 315103

0 引言

目前民用及商用電網(wǎng)線路經(jīng)常會(huì)受到外界瞬時(shí)過(guò)電壓干擾，干擾源主要包括由于通斷性負(fù)載或啟停大功率負(fù)載、線路故障等產(chǎn)生的操作過(guò)電壓、由雷電等自然現(xiàn)象引起的雷電浪涌[1]。這種過(guò)電壓（或過(guò)電流）被稱為浪涌電壓（或浪涌電流），是一種瞬變干擾。為了降低浪涌電壓帶來(lái)的危害，LED驅(qū)動(dòng)電源一般會(huì)使用壓敏電阻進(jìn)行防護(hù)，但壓敏電阻本身的失效又會(huì)帶來(lái)起火的安全隱患[2]。文章通過(guò)分析LED驅(qū)動(dòng)電源的壓敏電阻失效案例，找到失效的根本原因，從而降低使用風(fēng)險(xiǎn)。

1 壓敏電阻的工作原理及失效模式

1.1 壓敏電阻的工作原理

壓敏電阻是一種以氧化鋅為主體、添加多種金屬氧化物的典型的電子陶瓷工藝制成的多晶半導(dǎo)體陶瓷元件[3]。其是一種伏安特性呈非線性的敏感元器件，在正常電壓條件下，相當(dāng)于一只小電容器；當(dāng)電路出現(xiàn)較大電壓時(shí)，其內(nèi)阻急劇下降并迅速導(dǎo)通，工作電流會(huì)增加幾個(gè)數(shù)量級(jí)，從而保護(hù)電路中的其他元器件不至過(guò)壓而損壞[4]。當(dāng)電源輸入端存在大浪涌能量時(shí)，壓敏電阻晶界電子隧道效應(yīng)可以抑制過(guò)電壓峰值增長(zhǎng)，吸收部分過(guò)電壓能量，從而起到防護(hù)作用。壓敏電阻具有高通流容量、低殘壓、無(wú)續(xù)流、成本較低等優(yōu)點(diǎn)，常作為浪涌防護(hù)元件用在LED驅(qū)動(dòng)電源入口[5]。

1.2 壓敏電阻的失效模式

壓敏電阻的失效主要有兩種模式。一種為開路模式，如果電路中的浪涌電流超過(guò)壓敏電阻的承受能力，會(huì)使壓敏電阻瞬間炸裂。開路模式不會(huì)引起壓敏電阻燃燒，并且出現(xiàn)概率相對(duì)較低[6]。另一種為短路模式，大體上可分為老化失效和暫態(tài)過(guò)電壓失效兩種類型。

1.2.1 老化失效（高阻抗短路）

在壓敏電阻長(zhǎng)期使用過(guò)程中，受外界環(huán)境應(yīng)力的影響，電阻體的低阻線性化逐步加劇，漏電流越來(lái)越大，且集中流入薄弱點(diǎn)，薄弱點(diǎn)的材料融化，形成1 kΩ左右的短路孔后，漏電流繼續(xù)流入就會(huì)形成高熱而起火[7]。

1.2.2 暫態(tài)過(guò)電壓失效（低阻抗短路）

指較強(qiáng)的暫態(tài)過(guò)電壓使電阻體穿孔，導(dǎo)致阻抗變小，更大的電流流入電阻體，使其高熱起火，整個(gè)過(guò)程在較短時(shí)間內(nèi)發(fā)生。短路模式是引起壓敏電阻起火燃燒的主要原因，可以導(dǎo)致LED驅(qū)動(dòng)電源發(fā)生火災(zāi)事故[8]。

2 LED驅(qū)動(dòng)電源中壓敏電阻的失效案例

2.1 案例概況

失效描述：同一商場(chǎng)出現(xiàn)較多LED電源失效，且使用時(shí)間不到一年。

失效模式：LED驅(qū)動(dòng)電源中的7D471壓敏電阻短路，保險(xiǎn)絲斷開，其他元器件都正常。

2.2 失效原因

首先對(duì)失效樣品進(jìn)行分析，初步判斷是由壓敏電阻短路引起保險(xiǎn)絲斷開。壓敏電阻失效的原因主要有三種：浪涌電流擊穿、老化失效、暫態(tài)過(guò)電壓失效。

2.2.1 浪涌電流擊穿

對(duì)壓敏電阻7D471進(jìn)行浪涌測(cè)試。浪涌試驗(yàn)進(jìn)行到2 kV電壓時(shí)，壓敏電阻失效，且失效現(xiàn)象為開路，但與現(xiàn)場(chǎng)失效樣品有較大的差別。

2.2.2 老化失效

壓敏電阻老化導(dǎo)致耐壓逐漸下降，電阻體內(nèi)的漏電流緩慢增加，也會(huì)引發(fā)壓敏電阻的燃燒。但漏電流較小，一般Fuse（保險(xiǎn)管）無(wú)法斷開；壓敏電阻老化失效現(xiàn)象不會(huì)在很多樣品中同時(shí)發(fā)生，基本排除老化失效的可能。

2.2.3 暫態(tài)過(guò)電壓失效

制作一個(gè)簡(jiǎn)易電路板，安裝7D471壓敏電阻，串聯(lián)2A保險(xiǎn)絲，輸入端接交流高壓，輸入為300 V，持續(xù)1 min，壓敏電阻正常；輸入為320 V時(shí)，持續(xù)1 min，壓敏電阻正常；輸入為340 V時(shí)，5 s左右，壓敏電阻冒煙燃燒起火，保險(xiǎn)絲斷開。

從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，對(duì)壓敏電阻進(jìn)行浪涌測(cè)試及暫態(tài)過(guò)電壓測(cè)試，都會(huì)使壓敏電阻失效。從失效后的表現(xiàn)來(lái)看，暫態(tài)過(guò)電壓引起的壓敏失效與現(xiàn)場(chǎng)失效的情況類似。

2.3 分析小結(jié)

通過(guò)前面的分析，可以斷定是暫態(tài)過(guò)電壓引起壓敏短路失效，而這個(gè)暫態(tài)過(guò)電壓可能是商場(chǎng)大型用電設(shè)備在通斷電過(guò)程引起的電網(wǎng)電壓瞬時(shí)波動(dòng)，且電壓波動(dòng)范圍超過(guò)了壓敏電阻的工作電壓，進(jìn)而使壓敏電阻出現(xiàn)短路失效。

3 LED驅(qū)動(dòng)電源中壓敏電阻的改善對(duì)策

針對(duì)暫態(tài)過(guò)電壓引起的壓敏電阻失效，需提高壓敏電阻的工作電壓規(guī)格，由471型升級(jí)到561型壓敏電阻。需要注意壓敏電阻泄放的殘留電壓是否對(duì)后端反激線路中的MOS管器件有擊穿的風(fēng)險(xiǎn)，尤其是單級(jí)LED驅(qū)動(dòng)電源和反激線路中使用Cool MOSFET管的LED驅(qū)動(dòng)電源。

3.1 在有PFC線路的LED驅(qū)動(dòng)電源中的應(yīng)用

在有PFC線路（有電解電容器件）兩級(jí)架構(gòu)的LED驅(qū)動(dòng)電源AC輸入端口更換561型號(hào)壓敏電阻時(shí)，由于PFC線路電解電容的存在，可以吸收大部分的壓敏電阻泄放的殘壓能量，使得沖擊到后端MOS管器件上的電壓相對(duì)較低。

為某款LED驅(qū)動(dòng)電源（有PFC線路）更換561型壓敏電阻，在1 kV浪涌試驗(yàn)時(shí)，監(jiān)測(cè)到MOS管（器件規(guī)格是800 V耐壓）D-S端的最大電壓為765 V，滿足使用要求。

3.2 在單級(jí)無(wú)PFC線路的LED驅(qū)動(dòng)電源中的應(yīng)用

為某款單級(jí)無(wú)PFC線路的LED驅(qū)動(dòng)電源更換561型壓敏電阻，在1 kV浪涌試驗(yàn)時(shí)，監(jiān)測(cè)到MOS管（器件規(guī)格是800 V耐壓）D-S端的電壓為940 V，超過(guò)800 V MOS管的耐壓規(guī)格，使用風(fēng)險(xiǎn)比較大。

對(duì)于單級(jí)無(wú)PFC線路的LED驅(qū)動(dòng)電源，選擇壓敏電阻型號(hào)時(shí)需要權(quán)衡風(fēng)險(xiǎn)。實(shí)際使用環(huán)境條件良好，電網(wǎng)出現(xiàn)浪涌概率較小，可以居家使用，對(duì)產(chǎn)品失效率要求不高時(shí)，設(shè)計(jì)考慮使用10D511型+800 V平面MOS管；應(yīng)用場(chǎng)所電網(wǎng)電壓不是很穩(wěn)定，對(duì)產(chǎn)品可靠性有高要求的客戶，設(shè)計(jì)可以考慮使用10D561型+殘留電壓吸收保護(hù)線路，如圖1所示。其中，F(xiàn)1是過(guò)流保險(xiǎn)絲，MOV1是561型壓敏電阻，R是線繞電阻，C是電解電容，D是普通二極管，L是電源輸入火線，N是電源輸入零線。

圖1 殘留電壓吸收保護(hù)線路

某款單級(jí)無(wú)PFC線路的LED驅(qū)動(dòng)電源使用10D561+殘壓吸收保護(hù)線路（電解電容使用450 V/15 μF），在1 kV浪涌試驗(yàn)中，MOS管（器件規(guī)格是800 V耐壓）D-S端的電壓只有750 V左右，沒(méi)有超過(guò)反激線路中MOS管的800 V耐壓要求。10D561壓敏電阻+殘壓吸收保護(hù)線路的設(shè)計(jì)既避免了單級(jí)LED驅(qū)動(dòng)電源暫態(tài)過(guò)電壓失效，又避免了升級(jí)壓敏電阻規(guī)格帶來(lái)的浪涌殘壓對(duì)線路后端MOS管沖擊的問(wèn)題，從而提高了LED驅(qū)動(dòng)電源的可靠性。

3.3 561型壓敏電阻應(yīng)用尺寸的選擇

壓敏電阻上都會(huì)印有型號(hào)信息，如壓敏電阻上標(biāo)示14D561K，其中，“14”代表壓敏電阻的直徑為14 mm；“D”代表閥片為圓形；“561”代表壓敏電壓值，即56乘10的1次方，壓敏電壓為560 V；“K”代表壓敏電阻的誤差為10%。根據(jù)直徑大小，壓敏電阻分為5D系列、7D系列、10D系列、14D系列、20D系列、25D系列，LED驅(qū)動(dòng)電源一般使用7D、10D的壓敏電阻。壓敏電壓相同時(shí)，表面積不同，其通電流能力不同。例如，10D561K和7D561K的壓敏電阻在做8/20波形沖擊時(shí)，7D561K壓敏電阻的通電流標(biāo)準(zhǔn)是1 200～1 750 A（正負(fù)變化率不超過(guò)10%），而10D561K壓敏電阻的通電流標(biāo)準(zhǔn)是2 500～3 500 A的（正負(fù)變化率不超過(guò)10%），這表明在受到同樣的浪涌電流沖擊時(shí)，10D561K壓敏電阻比7D561K壓敏電阻失效的概率更低，從提升LED驅(qū)動(dòng)電源可靠性的角度來(lái)看，建議選擇10D系列的壓敏電阻。

3.4 561型壓敏電阻與氣體放電管的串聯(lián)使用

在部分浪涌防護(hù)設(shè)計(jì)中，會(huì)用到壓敏電阻與氣體放電管串聯(lián)組合的模式，這種設(shè)計(jì)更適用于室外大功率電源的雷擊浪涌防護(hù)，在室內(nèi)小功率LED驅(qū)動(dòng)電源上需要謹(jǐn)慎應(yīng)用。

某款單級(jí)無(wú)PFC線路的LED驅(qū)動(dòng)電源，電源輸入端口使用561型壓敏電阻與400 V玻璃氣體放電管串聯(lián)的防護(hù)模式。試驗(yàn)結(jié)果表明，在1 kV浪涌試驗(yàn)時(shí)，監(jiān)測(cè)到后端反激MOS管D-S電壓達(dá)到950 V左右，說(shuō)明這種浪涌防護(hù)模式?jīng)]有起到降低浪涌殘壓的作用。這是因?yàn)闅怏w放電管反應(yīng)時(shí)間比較慢，并且在浪涌能量級(jí)別較小時(shí)，氣體放電不能快速被擊穿放電，導(dǎo)致壓敏電阻與氣體放電管處于開路狀態(tài)。因此，在小功率LED驅(qū)動(dòng)電源上，不建議使用561型壓敏電阻與氣體放電管串聯(lián)的浪涌防護(hù)方案。

4 壓敏電阻失效起火的應(yīng)對(duì)方法

從壓敏電阻的失效模式可知，無(wú)論是暫態(tài)過(guò)電壓失效還是老化失效，一旦壓敏電阻的內(nèi)部形成短路孔，繼續(xù)通入電流就會(huì)引起高溫、冒煙甚至燃燒。其中，暫態(tài)過(guò)電壓失效表現(xiàn)形式是低阻抗短路，電路中電流會(huì)迅速增大，一般會(huì)使驅(qū)動(dòng)電源端口的過(guò)流保險(xiǎn)絲斷開，起到保護(hù)作用；壓敏電阻的老化失效是高阻抗短路，多次的浪涌電壓沖擊會(huì)引起壓敏電壓下降，雖然壓敏電阻內(nèi)部形成短路孔，但阻抗還是比較高，漏電流只會(huì)緩慢增加，通常漏電流達(dá)到100 mA以上就會(huì)發(fā)熱起火。由于漏電流比較小，電源端口的過(guò)流保險(xiǎn)絲無(wú)法斷開電路，壓敏電阻會(huì)處于緩慢燃燒狀態(tài)，造成安全風(fēng)險(xiǎn)。

只用過(guò)流保險(xiǎn)絲防護(hù)壓敏電阻失效起火的方法不可靠，可以考慮從溫度方面入手。壓敏電阻的失效前兆是其表面溫度的快速提升，溫度的提升速度快于漏電流的提升速度，故采用溫度保險(xiǎn)絲切斷電路的方式最合適，可以讓因失效處于過(guò)度發(fā)熱狀態(tài)的壓敏電阻及時(shí)脫離電路，從而避免連環(huán)式火災(zāi)的產(chǎn)生。目前市面上應(yīng)用比較多的是帶溫度保險(xiǎn)的壓敏電阻，把合金型溫度保險(xiǎn)絲與壓敏電阻串聯(lián)后，置入殼體用環(huán)氧樹脂灌封，由于合金型溫度保險(xiǎn)絲具有阻抗低和耐脈沖電流能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，與壓敏電阻之間有很好的熱耦合等特性，不僅能對(duì)壓敏電阻的高阻抗短路失效起到很好的保護(hù)效果，還能應(yīng)對(duì)壓敏電阻的低阻抗短路失效問(wèn)題。

5 結(jié)束語(yǔ)

壓敏電阻作為浪涌防護(hù)器件在LED驅(qū)動(dòng)電源上應(yīng)用時(shí)，需要考慮其失效模式，在電網(wǎng)電壓波動(dòng)范圍較大的場(chǎng)所，需要使用更高規(guī)格的壓敏電阻，避免暫態(tài)過(guò)電壓使壓敏電阻失效；也要考慮提高規(guī)格的壓敏電阻，其殘留電壓更高，后端元器件有被電壓擊穿的風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)于壓敏電阻老化失效帶來(lái)的起火風(fēng)險(xiǎn)，在設(shè)計(jì)成本允許的情況下，可以考慮選用帶溫度保險(xiǎn)絲的壓敏電阻?？傊?，壓敏電阻具有獨(dú)特的失效特性，在LED驅(qū)動(dòng)電源中應(yīng)用時(shí)需要權(quán)衡考慮，避免失效后引起火災(zāi)發(fā)生。