Analiza awarii: driver LED — stałoprądowy

/notatki/driver-led-constant-current/ wersja raportu: 1.0 ID sprawy: LED-CC-25-412

Zakres: przetwornice stałoprądowe LED w modułach AGD: oświetlenie komór (chłodziarki, piekarniki), panele HMI, podświetlenie bębna. Topologie: buck/boost/buck-boost 150–500 kHz, sterowanie peak-current, dimming PWM 200 Hz–20 kHz i/lub analog 0,5–2,5 V. Zakres: I_LED=150–900 mA, V_F-chain=9–72 V, zasilanie 12/24 V DC lub PFC 230 VAC→DC 48–72 V. Elementy krytyczne: R_SENSE 50–300 mΩ, MOSFET 60–200 V, dioda/ synchroniczny MOSFET, filtr wyjściowy LC, NTC do foldbacku.

Objawy i kody błędów

Widoczny flicker (migotanie) przy niskich poziomach jasności, szczególnie w trybie PWM < 1 kHz.
Przepięcia wyjściowe i uszkodzenia łańcucha LED po przerwaniu jednej diody (OVP zbyt wolne).
Przerywane rozjaśnianie/ściemnianie, słyszalne „ćwierkanie” cewki w okolicach 1–2 kHz.
Przedwczesne zadziałanie foldbacku termicznego (NTC źle sprzęgnięty termicznie).
Kody: E:LED-14 (ovp_trip), E:LED-21 (open_string), E:LED-31 (short_cell), W:PWM-06 (low_pwm_freq), W:RIP-03 (ripple_over), W:NTC-08 (foldback_early).

Kod	Warunek zapisu	Skutek
`E:LED-14`	V_OUT>V_OVP przez ≥1,0 ms	wyłączenie PWM, rozładowanie C_OUT
`E:LED-21`	I_LED< 5% nominal przez ≥20 ms	safe-mode, ping co 1 s
`E:LED-31`	ΔV_F segmentu > 25% FS	limit prądu 30% i log
`W:PWM-06`	f_PWM< 600 Hz @ duty 5–20%	ostrzeżenie flicker
`W:RIP-03`	ripple I_LED> 15% pk-pk	log ostrzegawczy
`W:NTC-08`	T_NTC> T_trip przy T_LED< T_case−10 °C	weryfikacja montażu

Stanowisko i metodyka

Źródło DC 0–80 V/10 A, obciążenie LED (łańcuch 6–20 szt.) i/lub elektroniczne CC 0–1 A, oscyloskop 500 MHz + sonda prądowa 1 A/100 kHz, fotometr (detektor szybki 10 kHz), kamera IR, LISN 150 kHz–30 MHz. Testy: start-up/soft-start, przerwanie łańcucha (open-string), zwarcie pojedynczej LED, sweep f_PWM 200 Hz–20 kHz, skoki duty 10→90→10%, badanie ripple I_LED, OVP transient, foldback NTC, EMI przewodzone.

Parametr	Wartość ref.	Uwagi
I_LED nominal	350/700/900 mA	±3% tolerancji
f_SW	150–500 kHz	peak-current mode
f_PWM dimming	≥ 1,2 kHz	zalecane ≥ 2 kHz
Ripple I_LED	< 10% pk-pk	0,5–5 kHz + f_SW
V_OVP	1,15×V_F-chain,max	czas reakcji < 50 µs

Wyniki i obserwacje

Flicker / ripple: przy f_PWM=480 Hz i duty 10–20% fotometr rejestrował indeks migotania równoważny (proxy) 27–34%, ripple I_LED=18–24% pk-pk → W:PWM-06/W:RIP-03. Dodanie kondensatora „anti-ripple” 47–100 µF i podniesienie f_PWM do 2 kHz obniżyło ripple do 6–8%.
OVP i open-string: przerwanie jednej LED generowało V_OUT↑ do 1,28×V_F-chain i opóźnione zadziałanie OVP (≈140 µs) → E:LED-14/E:LED-21. Wprowadzenie ścieżki szybkiej (komparator + MOSFET crowbar) skróciło czas do 18–24 µs.
„Ćwierkanie” indukcyjności: przy duty 5–15% sterownik przechodził w burst 0,9–1,6 kHz; brak tłumienia na pinie CS. Dodanie C_CS=1,0–1,5 nF i R-damping 33–56 Ω wygasiło modulację akustyczną.
Foldback termiczny: NTC zamocowany na PCB 18 mm od tranzystora LED skutkował zadziałaniem przy T_LED≈58 °C (zamiast 75 °C) → W:NTC-08. Po sprzęgnięciu termicznym (pad termiczny + klej) próg wrócił do specyfikacji.
EMI 150–500 kHz: zbyt długa pętla „hot-loop” i brak C_Y podniosły poziomy QP o +7…+10 dBµV; po skróceniu pętli, dodaniu 2×10 µF MLCC i snubbera RC 10 Ω/1 nF uzyskano spadek >8 dBµV.

LOG START [LED-CC-25-412]
t[s]  Iled[mA]  Vf[V]  Ripple[%]  fPWM[Hz]  T_case[°C]  Flags
0.0   701       28.9   4.6        2000      32.4        OK
18.3  708       29.1   18.9       480       35.6        W:PWM-06,W:RIP-03
41.7  12        46.8   --         --        33.1        E:LED-21,E:LED-14
63.2  352       27.6   7.8        2000      61.9        RECOVER
402.5 498       28.2   6.1        2000      74.8        W:NTC-08
LOG END

Hipotezy przyczynowe (ranking)

NISKA f_PWM/BURST: modulacje akustyczne i flicker przy duty niskich (priorytet: wysoki).
ŚCIEŻKA OVP ZA WOLNA: brak szybkiego komparatora/crowbara → przepięcia przy open-string (wysoki).
NTC/MONTAŻ: słabe sprzężenie termiczne → zbyt wczesny foldback (średni/wysoki).
HOT-LOOP/EMI: rozproszone pętle mocy, brak snubbera i C_Y (średni).
FILTR CS: brak RC na pinie sense → niestabilność i burst (średni).

Wycinek procedury serwisowej

Dimming: ustawić f_PWM ≥ 2 kHz; dodać kondensator wyjściowy 47–100 µF niskiego ESR (anty-ripple) oraz opcjonalnie mały „hold-cap” 1–4,7 µF równolegle do łańcucha LED.
OVP: wdrożyć tor szybki (komparator < 1 µs + MOSFET crowbar lub szybkie odcięcie switcha); V_OVP=1,15×V_F,max, t_OVP < 25 µs.
CS/anti-burst: C_CS=1,0–1,5 nF + R 33–56 Ω; potwierdzić brak modulacji 0,8–2 kHz i stabilność prądu przy duty 5–20%.
NTC: przenieść czujnik na radiator/tranzystor LED; pasta termiczna + pad; kalibracja progów 65/80 °C (warn/shutdown).
EMI: skrócić pętlę hot-loop, dodać 2×10 µF MLCC blisko MOSFET/diody, snubber RC 8–15 Ω/680–1500 pF; ewentualnie C_Y 1–2,2 nF do PE.
Test końcowy: open-string, short-cell i skoki duty 10↔90% — brak E:LED-14/E:LED-31, ripple < 10%, brak W:PWM-06, zgodność EMI (QP ≤ limit + 2 dBµV).

Wnioski

Awaryjność driverów LED CC wynika przede wszystkim z niskiej częstotliwości modulacji PWM skutkującej flickerem i burstem, zbyt wolnego toru OVP przy przerwaniu łańcucha, nieprawidłowego sprzężenia termicznego NTC oraz rozproszonych pętli mocy podnoszących EMI. Po podniesieniu f_PWM, dodaniu filtracji anti-ripple, implementacji szybkiej ochrony OVP i korektach layoutu uzyskano ripple I_LED < 8%, brak zdarzeń E:LED-14/E:LED-21 i stabilny foldback zgodny ze specyfikacją.

Przypadki rekurencyjne kierować do jednostki lokalnej z logami I_LED/V_F, pomiarami fotometru i zrzutami z LISN/oscyloskopu.