LED驅動電源中壓敏電阻的失效分析與改善對策

曲 楊，鄒學軍，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線路經常會受到外界瞬時過電壓干擾，干擾源主要包括由于通斷性負載或啟停大功率負載、線路故障等產生的操作過電壓、由雷電等自然現象引起的雷電浪涌[1]。這種過電壓（或過電流）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的危害，LED驅動電源一般會使用壓敏電阻進行防護，但壓敏電阻本身的失效又會帶來起火的安全隱患[2]。文章通過分析LED驅動電源的壓敏電阻失效案例，找到失效的根本原因，從而降低使用風險。

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，相當于一只小電容器；當電路出現較大電壓時，其內阻急劇下降并迅速導通，工作電流會增加幾個數量級，從而保護電路中的其他元器件不至過壓而損壞[4]。當電源輸入端存在大浪涌能量時，壓敏電阻晶界電子隧道效應可以抑制過電壓峰值增長，吸收部分過電壓能量，從而起到防護作用。壓敏電阻具有高通流容量、低殘壓、無續流、成本較低等優點，常作為浪涌防護元件用在LED驅動電源入口[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壓敏電阻的承受能力，會使壓敏電阻瞬間炸裂。開路模式不會引起壓敏電阻燃燒，并且出現概率相對較低[6]。另一種為短路模式，大體上可分為老化失效和暫態過電壓失效兩種類型。

1.2.1 老化失效（高阻抗短路）

在壓敏電阻長期使用過程中，受外界環境應力的影響，電阻體的低阻線性化逐步加劇，漏電流越來越大，且集中流入薄弱點，薄弱點的材料融化，形成1 kΩ左右的短路孔后，漏電流繼續流入就會形成高熱而起火[7]。

1.2.2 暫態過電壓失效（低阻抗短路）

指較強的暫態過電壓使電阻體穿孔，導致阻抗變小，更大的電流流入電阻體，使其高熱起火，整個過程在較短時間內發生。短路模式是引起壓敏電阻起火燃燒的主要原因，可以導致LED驅動電源發生火災事故[8]。

2 LED驅動電源中壓敏電阻的失效案例

2.1 案例概況

失效描述：同一商場出現較多LED電源失效，且使用時間不到一年。

失效模式：LED驅動電源中的7D471壓敏電阻短路，保險絲斷開，其他元器件都正常。

2.2 失效原因

首先對失效樣品進行分析，初步判斷是由壓敏電阻短路引起保險絲斷開。壓敏電阻失效的原因主要有三種：浪涌電流擊穿、老化失效、暫態過電壓失效。

2.2.1 浪涌電流擊穿

對壓敏電阻7D471進行浪涌測試。浪涌試驗進行到2 kV電壓時，壓敏電阻失效，且失效現象為開路，但與現場失效樣品有較大的差別。

2.2.2 老化失效

壓敏電阻老化導致耐壓逐漸下降，電阻體內的漏電流緩慢增加，也會引發壓敏電阻的燃燒。但漏電流較小，一般Fuse（保險管）無法斷開；壓敏電阻老化失效現象不會在很多樣品中同時發生，基本排除老化失效的可能。

2.2.3 暫態過電壓失效

制作一個簡易電路板，安裝7D471壓敏電阻，串聯2A保險絲，輸入端接交流高壓，輸入為300 V，持續1 min，壓敏電阻正常；輸入為320 V時，持續1 min，壓敏電阻正常；輸入為340 V時，5 s左右，壓敏電阻冒煙燃燒起火，保險絲斷開。

從試驗結果可以看出，對壓敏電阻進行浪涌測試及暫態過電壓測試，都會使壓敏電阻失效。從失效后的表現來看，暫態過電壓引起的壓敏失效與現場失效的情況類似。

2.3 分析小結

通過前面的分析，可以斷定是暫態過電壓引起壓敏短路失效，而這個暫態過電壓可能是商場大型用電設備在通斷電過程引起的電網電壓瞬時波動，且電壓波動范圍超過了壓敏電阻的工作電壓，進而使壓敏電阻出現短路失效。

3 LED驅動電源中壓敏電阻的改善對策

針對暫態過電壓引起的壓敏電阻失效，需提高壓敏電阻的工作電壓規格，由471型升級到561型壓敏電阻。需要注意壓敏電阻泄放的殘留電壓是否對后端反激線路中的MOS管器件有擊穿的風險，尤其是單級LED驅動電源和反激線路中使用Cool MOSFET管的LED驅動電源。

3.1 在有PFC線路的LED驅動電源中的應用

在有PFC線路（有電解電容器件）兩級架構的LED驅動電源AC輸入端口更換561型號壓敏電阻時，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較低。

為某款LED驅動電源（有PFC線路）更換561型壓敏電阻，在1 kV浪涌試驗時，監測到MOS管（器件規格是800 V耐壓）D-S端的最大電壓為765 V，滿足使用要求。

3.2 在單級無PFC線路的LED驅動電源中的應用

為某款單級無PFC線路的LED驅動電源更換561型壓敏電阻，在1 kV浪涌試驗時，監測到MOS管（器件規格是800 V耐壓）D-S端的電壓為940 V，超過800 V MOS管的耐壓規格，使用風險比較大。

對于單級無PFC線路的LED驅動電源，選擇壓敏電阻型號時需要權衡風險。實際使用環境條件良好，電網出現浪涌概率較小，可以居家使用，對產品失效率要求不高時，設計考慮使用10D511型+800 V平面MOS管；應用場所電網電壓不是很穩定，對產品可靠性有高要求的客戶，設計可以考慮使用10D561型+殘留電壓吸收保護線路，如圖1所示。其中，F1是過流保險絲，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 殘留電壓吸收保護線路

某款單級無PFC線路的LED驅動電源使用10D561+殘壓吸收保護線路（電解電容使用450 V/15 μF），在1 kV浪涌試驗中，MOS管（器件規格是800 V耐壓）D-S端的電壓只有750 V左右，沒有超過反激線路中MOS管的800 V耐壓要求。10D561壓敏電阻+殘壓吸收保護線路的設計既避免了單級LED驅動電源暫態過電壓失效，又避免了升級壓敏電阻規格帶來的浪涌殘壓對線路后端MOS管沖擊的問題，從而提高了LED驅動電源的可靠性。

3.3 561型壓敏電阻應用尺寸的選擇

壓敏電阻上都會印有型號信息，如壓敏電阻上標示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驅動電源一般使用7D、10D的壓敏電阻。壓敏電壓相同時，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，7D561K壓敏電阻的通電流標準是1 200～1 750 A（正負變化率不超過10%），而10D561K壓敏電阻的通電流標準是2 500～3 500 A的（正負變化率不超過10%），這表明在受到同樣的浪涌電流沖擊時，10D561K壓敏電阻比7D561K壓敏電阻失效的概率更低，從提升LED驅動電源可靠性的角度來看，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使用

在部分浪涌防護設計中，會用到壓敏電阻與氣體放電管串聯組合的模式，這種設計更適用于室外大功率電源的雷擊浪涌防護，在室內小功率LED驅動電源上需要謹慎應用。

某款單級無PFC線路的LED驅動電源，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的防護模式。試驗結果表明，在1 kV浪涌試驗時，監測到后端反激MOS管D-S電壓達到950 V左右，說明這種浪涌防護模式沒有起到降低浪涌殘壓的作用。這是因為氣體放電管反應時間比較慢，并且在浪涌能量級別較小時，氣體放電不能快速被擊穿放電，導致壓敏電阻與氣體放電管處于開路狀態。因此，在小功率LED驅動電源上，不建議使用561型壓敏電阻與氣體放電管串聯的浪涌防護方案。

4 壓敏電阻失效起火的應對方法

從壓敏電阻的失效模式可知，無論是暫態過電壓失效還是老化失效，一旦壓敏電阻的內部形成短路孔，繼續通入電流就會引起高溫、冒煙甚至燃燒。其中，暫態過電壓失效表現形式是低阻抗短路，電路中電流會迅速增大，一般會使驅動電源端口的過流保險絲斷開，起到保護作用；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引起壓敏電壓下降，雖然壓敏電阻內部形成短路孔，但阻抗還是比較高，漏電流只會緩慢增加，通常漏電流達到100 mA以上就會發熱起火。由于漏電流比較小，電源端口的過流保險絲無法斷開電路，壓敏電阻會處于緩慢燃燒狀態，造成安全風險。

只用過流保險絲防護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，故采用溫度保險絲切斷電路的方式最合適，可以讓因失效處于過度發熱狀態的壓敏電阻及時脫離電路，從而避免連環式火災的產生。目前市面上應用比較多的是帶溫度保險的壓敏電阻，把合金型溫度保險絲與壓敏電阻串聯后，置入殼體用環氧樹脂灌封，由于合金型溫度保險絲具有阻抗低和耐脈沖電流能力強的優點，與壓敏電阻之間有很好的熱耦合等特性，不僅能對壓敏電阻的高阻抗短路失效起到很好的保護效果，還能應對壓敏電阻的低阻抗短路失效問題。

5 結束語

壓敏電阻作為浪涌防護器件在LED驅動電源上應用時，需要考慮其失效模式，在電網電壓波動范圍較大的場所，需要使用更高規格的壓敏電阻，避免暫態過電壓使壓敏電阻失效；也要考慮提高規格的壓敏電阻，其殘留電壓更高，后端元器件有被電壓擊穿的風險。對于壓敏電阻老化失效帶來的起火風險，在設計成本允許的情況下，可以考慮選用帶溫度保險絲的壓敏電阻?？傊?，壓敏電阻具有獨特的失效特性，在LED驅動電源中應用時需要權衡考慮，避免失效后引起火災發生。