基于TV DLED安全失效的预防

蒋吉强，焦春生

（四川长虹电器股份有限公司多媒体研发中心海外技术分部，广东中山528427）

基于TV DLED安全失效的预防

蒋吉强，焦春生

（四川长虹电器股份有限公司多媒体研发中心海外技术分部，广东中山528427）

基于直下式LED背光彩电在市场上逐渐占据主导位置，论文以经典案例阐述了LED设计存在的安全失效隐患，同时提出有效的安全预防和改进措施。希望能有效地帮助电视行业和LED行业的设计人员提升产品品质。

直下式LED；灯条；齐纳二极管

【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.11.144

1 引言

随着直下式LED背光彩电市场份额急剧扩大，市场中出现黑屏、光暗品质的产品数量呈递增趋势，有的产品甚至出现印制板碳化现象。为规避直下式LED背光电视系统的设计出现安全隐患，论文综合考虑LED灯失效机理和电视整机驱动系统，从整机角度进行案例分析，提出一些整机预防和检测措施。

2 电视背光典型失效

为提高电视灯条的过电应力，部分LED本身集成反向的单向齐纳二极管器件，或在整个灯条并联一个反向的单向齐纳二极管，以提高静电特性[1]。单颗灯珠集成发光LED和齐纳二极管的LED灯架构如图1所示。

按齐纳二极管工作状态分析：正常工作时，齐纳二极管处于反向截止状态。而发光LED的PN结呈现开路状态时，齐纳二极管Zener就串联在电路支路中。如图2所示。

LED开路时，过电应力或者电源驱动提供的电压电流将加载到齐纳二极管，一旦能量超出齐纳二极管的参数范围，PN结受损，漏电流增大反向内阻减小就造成齐纳二极管温度过高，逐渐超过二极管最大耗散功率，导致齐纳二极管持续损伤或雪崩击穿而内阻降低[2]，不可恢复地呈现为阻抗较低的热阻后，PN结结温异常可高达300～400°C。因供电体系依然工作，屏幕表现为暗斑，普通用户很难发觉。周期性开关机的使用，使齐纳二极管周期性地产生热能，持续高温致使齐纳二极管周边基材容易碳化成为潜在引燃源，容易引燃周边可接触的低燃点材料，严重时可能碳化周边的光学反射纸。

3 灯条典型失效

某灯条的单颗LED采用集成单反向齐纳二极管架构进行了印制板设计，印制板的基材采用玻纤材质，产品在市场端有印制板碳化现象，如图3所示。

仔细观察失效品，发现印制板上的灯珠负极导电铜箔被

光学透镜定位脚掏空，导电铜线直径只有0.4mm（见图4），成为热阻的齐纳二极管由于高温产生热量，并且无法通过正常的铜线及时进行热传导，由此，齐纳二极管的负极焊盘被周期性的高温逐渐碳化，其正下方紧贴的玻纤基材形成空洞，发生柯肯达尔效应现象[2]，导致基材持续严重碳化。

图1 灯珠内部结构

图2 LED开路失效后电流流向图

图3 LED灯珠负极发热碳化

图4 印制板布线图

4 整机安全失效预防措施

4.1 分析LED内部金线的载荷

LED内置金线的直径和额定电流成正比，金线长度与电流成反比。电源驱动要合理控制电流的浪涌比例，作者对额定电流是400mA的同批次LED灯抽样，并定周期进行电流加速测试。确认电流为400mA时，LED的工作参数和状态正常，随着电流的增加，失效比例越来越高，当电流将达到1.3A时，失效比例为100%。

因此，整机电源设计必须对调光、开关机等过程波形进行管控，确认电源驱动电路的正确性，有冲击时，记录冲击最大的波形进行脉冲宽度和幅度的分析、计算、整改，确保LED冲击电流不超过LED器件规格书要求的最大值。

4.2 严格控制LED的焊脚温升

LED是恒流驱动器件，温度可靠的电流才能保证LED处于可靠的工作模式。LED的寿命与结温有直接的关系，结温越高，LED的寿命越低，失效率就越高。

4.3 加强驱动保护

高压或大电流对LED的损伤也是致命的。在电源恒流驱动设计阶段，要认真研究不同背光方案的失效模式，设定过功率保护、过电压保护、过电流保护、欠电压保护等保护方案。另外，Boost恒流电路、LLC谐振驱动电路、反激驱动电路的保护能力是否能根据实际的应用环境起到作用，需要系统设计人员把控设计余量，测试保护响应的及时性和有效性。

4.4 环境硫化管控

贴装LED时，不能产生有机挥发性气体的黏结剂。LED工作环境及与LED适配的材料中，建议硫元素及其化合物成分建议不可超过100×10-6。溴元素含量建议小于900×10-6，氯元素含量要求小于900×10-6，溴元素与氯元素总含量必须小于1500×10-6[3]。

4.5 整机生产管控

灯条可通过双面胶粘贴、UK-612型号等导热硅胶固化、多重卡位、螺钉紧固等多种方式贴附在金属或塑料背板上，但是必须验证贴附的良好性。

5 结语

论文举例解析了LED设计方案安全缺陷造成碳化的案例。对LED架构、电源驱动匹配、温升控制、可靠性制造等方面提出了建议，分享了检核措施。希望对同行设计工程师和技术支持人员有一定的帮助，使电视整机的品质得到进一步的提升。

【1】吴艳艳，冯士维，周舟，等.大功率GaN基白光LED荧光层失效机理研究[J].激光与光电子学进展，2012(10):168-173.

【2】周跃平，郭霞，王海玲，等.GaN基发光二极管寿命测试及失效分析[J].半导体光电，2007,28(3):345-348.

【3】李艳菲，张方辉，邱西振，等.GaN基LED电流加速失效机理分析[J].功能材料，2012，43(24):3452-3455.

Prevention of TV DLED Security Failure

JIANG Ji-qiang，JIAO Chun-sheng
(Overseas Technology Branch of Multimedia R&D Center of Sichuan Changhong Co.Ltd.，Zhongshan 528427，China)

Direct illumination-type LED backlit color TVs are dominating the market gradually.The paper describes safety failure risks in LED design through classic cases,and puts forward some effective safety prevention and improvement measures,hoping to effectively help the designers of TV industry and LED industry to enhance product quality.

direct Illumination-type LED;lighter bar;zener diode

TN 312+.8

A

1007-9467（2016）11-0095-02

2016-10-13

蒋吉强（1973～），男，四川简阳人，工程师，从事多媒体技术研究。