CN202206134U - Led过压及开路保护装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种LED过压及开路保护装置，由瞬态抑制二极管和晶闸管组成，所述瞬态抑制二极管的阴极与晶闸管的阳极相连构成LED过压及开路保护装置的阳极并与LED的阳极相连；所述瞬态抑制二极管的阳极与晶闸管的阴极相连构成LED过压及开路保护装置的阴极并与LED的阴极相连；所述瞬态抑制二极管的反向击穿电压略小于晶闸管的转折电压。本实用新型优点在于可使LED两端电压一直处于安全范围，不会被ESD等过电压事件造成损坏；当某一个LED发生断路故障时，其它的LED仍旧能够正常工作。

Description

LED过压及开路保护装置

技术领域

本实用新型涉及半导体器件领域，具体涉及一种LED过压及开路保护器件。 

背景技术

目前，发光二极管(LED)作为光源，已经在消费电子、商业、工业及军事领域得到广泛地应用。发光二极管作为转换电能为光能的半导体器件，与其它电子元器件一样会面临着过电流和过电压的损害。具体造成LED损害的原因有：供电电压的突然升高；LED供电回路局部短路造成局部电压升高；某个LED由于自身品质问题损坏而短路，它原有的电压降转嫁到其它LED上；静电放电损伤(ESD)造成LED内部损坏；灯具内的温度过高，导致LED特性变坏；灯具内部进水，导致LED损坏等等。除了外部环境因素以外，造成LED损坏的主要原因还是过电压事件，且发生频率最高的就是ESD造成的LED损坏，因此对发光二极管需要做过电压保护，尤其是ESD保护。 

现阶段LED的应用大多是将多个LED串联使用。这样虽可降低成本，延长寿命，提高LED供电电源的效率，但LED的串联使用也存在较大的问题：当串联的LED有一颗发生断路故障时，与其串联的其它LED也将断电，不再发光，从而会大大降低以串联LED为光源的各种产品的可靠性。 

针对现有LED应用中的若干缺陷，不少单位和个人提出了一些新的改进方案。如晶能光电(江西)有限公司曾于2008年10月17日提出过名为“具有过压保护结构的发光二极管芯片”发明专利申请，并于2011年3月23日获得授权(专利号为200810107279.8)，其主要公开了一种具有过压保护结构的发光二极管芯片，该芯片用来解决在超过芯片额定电压情 况下的对芯片的过压保护问题。其采用的技术方案为：包括衬底上的多层半导体结构；其中多层半导体结构中的第一掺杂半导体层与第二掺杂半导体层之间还设有通过压敏材料实现过压保护的过压保护部，使过压保护部具有对多层半导体结构中的发光层形成过压保护功能。该技术方案的主要功能是用于芯片的电路过压保护和防静电保护，但其可靠性仍显不足，单个LED发生断路故障时其他LED即难以正常工作，导致LED的整体使用和维护成本较高。 

发明内容

本实用新型要解决的技术问题是克服现有技术存在的LED易被过电压损坏以及单个LED发生断路故障时其他LED即难以正常工作的不足，提供一种LED过压及开路保护装置，该装置可使LED两端电压一直处于安全范围，不会被ESD等过电压事件造成损坏；当某一个LED发生断路故障时，其它的LED仍旧能够正常工作。 

本实用新型解决上述技术问题所采取的技术方案是： 

一种LED过压及开路保护装置，由瞬态抑制二极管和晶闸管组成，所述瞬态抑制二极管的阴极与晶闸管的阳极相连构成LED过压及开路保护装置的阳极并与LED的阳极相连；所述瞬态抑制二极管的阳极与晶闸管的阴极相连构成LED过压及开路保护装置的阴极并与LED的阴极相连；所述瞬态抑制二极管的反向击穿电压略小于晶闸管的转折电压。 

作为本实用新型的进一步改进，所述的瞬态抑制二极管为双向击穿的瞬态电压抑制二极管，所述的晶闸管为单向导通的晶闸管。 

作为本实用新型的更进一步改进，所述的瞬态抑制二极管与单向导通的晶闸管构成集成芯片，其中单向导通的晶闸管由第一基区、中间区、第二基区、第一发射区、第二发射区构成，瞬态抑制二极管由第一基区、中间区、第二基区、第二发射区、第三发射区构成，所述第一基区位于中间区下方，第二基区位于中间区上方，第一发射区位于第二基区上方， 第二发射区位于在第二基区和中间区上方，第三发射区位于中间区和第一基区的下方，所述第三发射区与第一基区构成瞬态抑制二极管的一个PN结，所述第二发射区与第二基区构成所示瞬态抑制二极管的另一个的PN结。 

作为本实用新型的更进一步改进，所述第一基区和第二基区为P型掺杂，中间区、第一发射区、第二发射区、第三发射区为N型掺杂。所述绝缘层将中间区、第二发射区、第三发射区覆盖，所述接触金属层作为电极将第一基区、第二基区、第一发射区引出，所述第一基区由接触金属层引出成为整个保护装置的阳极，所述第二基区和第一发射区由接触金属层引出成为整个保护装置的阴极。 

本实用新型的有益效果是： 

本实用新型可以实现LED的瞬态过压和开路导通保护，避免ESD等瞬态过压事件对LED的损害，同时其在LED开路是能够提供旁路导通电路使得其它LED能够继续工作，增加了整个系统的可靠性，降低了维护成本。本实用新型的应用方法简单，便于保护设计，器件生产成本低。 

附图说明

图1为本实用新型实施例1的电路结构图。 

图2为本实用新型实施例1的器件伏安特性图。 

图3为本实用新型实施例2的电路结构图。 

图4为本实用新型实施例3的器件结构图。 

图5为本实用新型实施例3的电路结构图。 

图6为本实用新型实施例3的电路结构等效图 

图7为本实用新型实施例3的器件伏安特性图。 

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型的原理及优点作进一步阐述。 

实施例1：一种LED过压及开路保护装置10，如图1所示，由单向瞬态电压抑制二极管11和单向晶闸管12并联构成，瞬态抑制二极管11的阴极与晶闸管12的阳极相连，构成保护装置10的阳极；瞬态抑制二极管11的阳极与晶闸管的12阴极相连，构成保护装置10的阴极；瞬态抑制二极管11的反向击穿电压与晶闸管12的转折电压相近，且略小于晶闸管12的转折电压；LED过压及开路保护装置10的阳极与LED13的阳极相连，LED过压及开路保护装置的阴极与LED13的阴极相连。所述的瞬态抑制二极管11和晶闸管12在LED正常工作情况下处于截止状态，整个器件模块表现为开路状态；当LED两端出现异常正向过压现象，例如静电放电脉冲，所述瞬态抑制二极管会迅速反向击穿导通，旁路绝大部分瞬态电流，将LED两端正向电压钳位在安全范围内；当LED两端出现异常负向过压现象，例如静电放电脉冲，所述瞬态抑制二极管会迅速正向导通，旁路绝大部分瞬态电流，将LED两端负向电压钳位在安全范围内；当串联工作中某一个LED发生内部断路时，所述晶闸管在LED两端正向电压升高某一数值时，会迅速进入正向导通状态，保证串联的其它LED能够继续工作。由于瞬态电压抑制二极管11的响应时间在皮秒级，因此其可以对ESD及其它纳秒级超高频过压脉冲进行钳位响应，避免此类过压事件对LED芯片的损害。而晶闸管12的响应时间在十纳秒级，其可以对雷击浪涌及其它微秒级以上的能量更大的较低频过压脉冲进行钳位响应，避免此类过压事件对LED芯片的损害。如图2所示，在所述保护装置10两端施加正向偏置，其伏安特性所施加电压变化的会出现两种曲线。当器件两端正向电压在纳秒级时间内上升到瞬态抑制二极管11击穿电压以上时，瞬态电压抑制二极管11会瞬时击穿导通，将绝大部分瞬态电流旁路，保证LED两端正向压降在安全范围内。当器件两端正向电压上升时间达到十纳秒级以上时，瞬态抑制二极管11的击穿电流会触发晶闸管12，当两端正向电压大于晶闸管12转折电压VBO时，晶闸管12的从开路状态进入正向导通状态。 

实施例2：一种LED过压及开路保护装置20，如图3所示，由双向瞬 态抑制二极管21和单向晶闸管22并联构成，双向瞬态抑制二极管21的一端与单向晶闸管22的阳极相连，构成保护装置20的阳极；双向瞬态抑制二极管21的另一端与单向晶闸管22的阴极相连，构成保护装置20的阴极；双向瞬态抑制二极管21的反向击穿电压VBR与单向晶闸管22的转折电压VBO相近，且略小于单向晶闸管的转折电压VBO。；所述保护装置20的阳极与LED23的阳极相连，所述保护装置20的阴极与LED23的阴极相连。所述双向瞬态抑制二极管21和单向晶闸管22在LED正常工作情况下处于截止状态，整个器件模块表现为开路状态；当LED两端出现异常正向过压现象，例如静电放电脉冲，所述瞬态抑制二极管会迅速击穿导通，旁路绝大部分瞬态电流，将LED两端正向电压钳位在安全范围内；当LED两端出现异常负向过压现象，例如静电放电脉冲，所述瞬态抑制二极管会迅速击穿导通，旁路绝大部分瞬态电流，将LED两端负向电压钳位在安全范围内；当串联工作中某一个LED发生内部断路时，所述晶闸管在LED两端正向电压升高某一数值时，会迅速进入正向导通状态，保证串联的其它LED能够继续工作。在本实施例中，采用双向瞬态电压抑制二极管在不影响过压保护效果的基础上，使得器件的内部连接关系更为简单，所述LED过压及开路保护器件20的阴极和阳极由单向晶闸管决定，为所述LED过压及开路保护器件20的设计与制造提供更多的便利。 

实施例3：一种LED过压及开路保护装置20，如图4所示，由瞬态电压抑制二极管211、214和晶闸管215组成集成芯片，它包括第一基区201、中间区202、第二基区203、第一发射区204、第二发射区207、第三发射区208、绝缘层205及接触金属层206。其中，所述单向导通的晶闸管215由第一基区201、中间区202、第二基区203、第一发射区204及第二发射区207构成，第一基区201在中间区202下方，第二基区203在中间区202上方，第一发射区204在第二基区203上方，第二发射区207同时在第二基区203和中间区202上方；所述单向瞬态抑制二极管211和214串联组成双向瞬态电压抑制二极管，由第一基区201、中间区 202、第二基区203、第二发射区207及第三发射区208构成，第三发射区208同时在中间区202和第一基区201的下方，第三发射区208与第一基区201构成所述瞬态电压抑制二极管214的PN结，第二发射区207与第二基区203构成所示瞬态电压抑制二极管211的PN结；所述LED过压及开路保护装置200的绝缘层206将中间区202、第二发射区207及第三发射区204覆盖，所述接触金属层206作为电极将第一基区201、第二基区202及第一发射区204引出。所述第一基区201由接触金属层206引出成为整个器件的阳极A，所述第二基区203和第一发射区由接触金属层206引出成为整个器件的阴极K。在上述方案的基础上，第二发射区207与第二基区203构成的PN结决定了所述瞬态抑制二极管211的击穿电压VBR与所述晶闸管215的转折电压VBO相近，且略小于所述晶闸管215的转折电压VBO。在上述方案的基础上，第一基区201和第二基区203为P型掺杂，中间区202、第一发射区204、第二发射区207及第三发射区属于208为N型掺杂。本实施例的电路结构图如图5所示，所述保护装置200可看作由瞬态抑制二极管211、214、晶闸管215以及开关二极管212和213组成。瞬态抑制二极管211和214的击穿电压略小于晶闸管215的转折电压，而开关二极管212和213的击穿电压远高于晶闸管215的转折电压，因此开关二极管212和213反向不会导通，只提供正向导通路径。如图6所示，保护装置300由双向瞬态抑制二极管301和晶闸管302构成，所述双向瞬态抑制二极管301则为瞬态抑制二极管211、214和开关二极管212和213组成的功能等效器件。本实施例的器件伏安特性如图7所示，在所述LED过压及开路保护器件200两端施加正向偏置，其伏安特性所施加电压变化的会出现两种曲线。当器件两端正负电压在纳秒级时间内上升到瞬态抑制二极管11击穿电压VBR以上时，瞬态电压抑制二极管11会瞬时击穿导通，将绝大部分瞬态电流旁路，保证LED两端正向压降在安全范围内。当器件两端正向电压上升时间达到十纳秒级以上时，瞬态抑制二极管11的击穿电流会触发晶闸管 12，当两端正向电压大于晶闸管12转折电压VBO时，晶闸管12的从开路状态进入正向导通状态。 

以上所述的仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。凡本实用新型权利要求保护范围内所做的均等变化与修饰，均属于本实用新型权利要求的涵盖范围。 

Claims (5)

1.一种LED过压及开路保护装置，由瞬态抑制二极管和晶闸管组成，其特征在于：所述瞬态抑制二极管的阴极与晶闸管的阳极相连构成LED过压及开路保护装置的阳极并与LED的阳极相连；所述瞬态抑制二极管的阳极与晶闸管的阴极相连构成LED过压及开路保护装置的阴极并与LED的阴极相连；所述瞬态抑制二极管的反向击穿电压略小于晶闸管的转折电压。

2.根据权利要求1所述的LED过压及开路保护装置，其特征在于，所述的瞬态抑制二极管为双向击穿的瞬态电压抑制二极管，所述的晶闸管为单向导通的晶闸管。

3.根据权利要求2所述的LED过压及开路保护装置，其特征在于，瞬态抑制二极管与单向导通的晶闸管构成集成芯片，其中单向导通的晶闸管由第一基区、中间区、第二基区、第一发射区、第二发射区以及绝缘层和接触金属层206构成，瞬态抑制二极管由第一基区、中间区、第二基区、第二发射区、第三发射区构成，所述第一基区位于中间区下方，第二基区位于中间区上方，第一发射区位于第二基区上方，第二发射区位于在第二基区和中间区上方，第三发射区位于中间区和第一基区的下方，所述第三发射区与第一基区构成瞬态抑制二极管的一个PN结，所述第二发射区与第二基区构成所示瞬态抑制二极管的另一个的PN结。

4.根据权利要求3所述LED过压及开路保护装置，其特征在于，所述第一基区和第二基区为P型掺杂，中间区、第一发射区、第二发射区、第三发射区为N型掺杂。

5.根据权利要求4所述LED过压及开路保护装置，其特征在于，所述绝缘层将中间区、第二发射区、第三发射区覆盖，所述接触金属层作为电极将第一基区、第二基区、第一发射区引出，所述第一基区由接触金属层引出成为整个保护装置的阳极，所述第二基区和第一发射区由接触金属层引出成为整个保护装置的阴极。

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