整合LED測試技術(shù)解決方案

阻礙LED照明應(yīng)用美好前程的三大難題

盡管不斷有業(yè)內(nèi)人士拋出LED行業(yè)存在各種隱憂的言論，但仍然無法阻擋廣大企業(yè)想吃到這塊“燙手山芋”的熱情。熱情需要理性來支撐，廣大開發(fā)者必須在實(shí)際開發(fā)和設(shè)計(jì)過程中想方設(shè)法克服各種瓶頸問題，特別是測試翹楚泰克科技和其他許多與會專家提到的發(fā)熱(壽命)、成本、標(biāo)準(zhǔn)符合這三大難題。

泰克科技華南區(qū)分銷產(chǎn)品部客戶經(jīng)理陳文權(quán)指出：“LED單管的發(fā)熱明顯，散熱問題直接影響其在照明領(lǐng)域的替代性;目前LED的成本還很高，特別是前期投入較大，影響了它向更廣泛領(lǐng)域拓展;如今在國內(nèi)沒有明確的標(biāo)準(zhǔn)，預(yù)計(jì)年內(nèi)能夠形成，現(xiàn)階段可參照一些較嚴(yán)格的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。”

另外兩家元器件巨頭村田和泰科電子的專家在演講中都提到，對于LED照明應(yīng)用，發(fā)熱是無法回避的問題，因?yàn)槔碚摵蜁r(shí)間都已證明，LED的性能和壽命是與LED的pn結(jié)工作溫度緊密相關(guān)的。過流、過壓和過熱都會顯著的減少LED的發(fā)光性能和使用壽命。在制定針對這些情況的過溫保護(hù)方案之前，需要參照相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)和實(shí)際應(yīng)用，以便獲得最具成本效益的結(jié)果。如對于道路應(yīng)用，可能就是達(dá)到規(guī)定溫度就立即保護(hù)或發(fā)送告警通知，以免影響相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求達(dá)到的最低光強(qiáng)級別，產(chǎn)生交通安全隱患;對于道路或家居照明，可能是達(dá)到一定溫度開始啟動(dòng)保護(hù)，先降低電流，到達(dá)溫度保護(hù)居里點(diǎn)后立即保護(hù)。

無論是自帶保護(hù)功能還是不具備保護(hù)功能，驅(qū)動(dòng)LED的開關(guān)電源電路都稱得上是保證系統(tǒng)安全可靠工作的第一道防線，同時(shí)也是提升LED照明系統(tǒng)整體能效、降低其總體成本、實(shí)現(xiàn)相應(yīng)控制功能(如調(diào)光)的關(guān)鍵所在，因此必須通過適當(dāng)?shù)臏y試解決方案來幫助選擇和/或確定有源開關(guān)器件和相應(yīng)電源電路的設(shè)計(jì)。

從LED驅(qū)動(dòng)電路和保護(hù)電路等實(shí)際應(yīng)用電路的開發(fā)角度來說，克服LED上述三大難題離不開精準(zhǔn)、可靠和低成本地實(shí)現(xiàn)各種電性能的測試測量，尤其是開關(guān)電源的電性能測試，而且更加側(cè)重電流測試。

應(yīng)對瓶頸問題的測試測量考量要點(diǎn)建議

那么對于LED照明應(yīng)用開發(fā)來說，哪些關(guān)鍵的電性能是值得工程師們特別對待的呢?泰克公司陳文權(quán)表示，LED電流紋波首當(dāng)其沖，并且關(guān)系到開關(guān)電源的成本和光通量平衡折衷。

他分析到，紋波電流通過提高功耗而影響LED性能，這可能導(dǎo)致結(jié)溫升高，而且對LED的使用壽命有重大影響。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，結(jié)溫每降低10℃，半導(dǎo)體的使用壽命就會延長2倍。另外，作為工作電流函數(shù)的相對光輸出(光通量)與電流是密切相關(guān)的，因此可以通過改變正向電流進(jìn)行調(diào)光。在電流較低時(shí)，若將二極管電流增大一倍，則光輸出也會增加一倍;但是電流較高時(shí)，電流上升100%僅能使光輸出量增加80%.LED是由會產(chǎn)生較大紋波電流的開關(guān)電源驅(qū)動(dòng)的。實(shí)際上，開關(guān)電源的成本在某種程度上是由所允許的電流大小決定的，紋波電流越大，電源成本就越低，但光輸出會因此受到影響。

陳文權(quán)進(jìn)一步指出，開關(guān)電源設(shè)備的轉(zhuǎn)換速率(di/dt、dv/dt)、開關(guān)損耗測量、安全工作區(qū)(SOA)都是測試測量的考量要點(diǎn)。這些指標(biāo)考驗(yàn)著開關(guān)電源的效率。晶體管開關(guān)電路在轉(zhuǎn)換過程中消耗的能量最大，常用的測量包括閉點(diǎn)損耗、開點(diǎn)損耗、功率損耗、動(dòng)態(tài)開點(diǎn)電阻、安全工作區(qū)(瞬時(shí)功率)。

再者，對實(shí)現(xiàn)LED調(diào)光的開關(guān)電源調(diào)制分析也必不可少。實(shí)現(xiàn)LED調(diào)光主要有兩種方法：一是降低LED的電流;二是快速地開關(guān)LED,并且通過電流波形的脈寬調(diào)制(PWM)進(jìn)行調(diào)光更為準(zhǔn)確。顯然，后者已成為行業(yè)主流，在照明和顯示器應(yīng)用上，PWM需要高于100Hz的頻率，以使肉眼感覺不到閃爍，10%的脈沖寬度在ms范圍內(nèi)，并要求電源的帶寬大于10kHz,而且控制環(huán)路總是處于激活狀態(tài)，并實(shí)現(xiàn)了極快的瞬態(tài)響應(yīng)。

另外，陳文權(quán)指出，線路自動(dòng)測量，包括電源質(zhì)量、諧波分析也是LED照明應(yīng)用不可或缺的測量指標(biāo)，以便出廠時(shí)滿足相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。其中包括真實(shí)功率、無功功率、視在功率、功率因數(shù)、波峰因數(shù)、電流諧波測量和THD.

對癥下藥：找到最合適的測試測量方案和示波器

陳文權(quán)在演講中與到會的工程師分享了測試上述一系列電性能指標(biāo)時(shí)需要注意的事項(xiàng)以及相應(yīng)示波器和配件的選擇。

對于紋波測量，電流探頭的選擇很重要。LED單管的電流紋波指標(biāo)在1mA級甚至幾百個(gè)uA,若探頭的動(dòng)態(tài)范圍達(dá)不到，則可通過增加繞組的方法來測量微小的電流。直接與泰克DPO4000/7000示波器相連的TCP0030AC/DC電流探頭提供了精確簡單的電流紋波測量方案，并且支持更高電壓。TACPA300+TCP312(放大器)則可與任意品牌的示波器相連，組成電源測試方案。

而對于有源開關(guān)器件損耗測量，諸如帶有DPO4PWR電源分析應(yīng)用模塊軟件的MSO/DPO4000示波器就非常方便，可自動(dòng)計(jì)算開點(diǎn)損耗、閉點(diǎn)損耗和傳導(dǎo)損耗。不過，陳文權(quán)提醒到，電壓波形和電流波形之間的定時(shí)必須準(zhǔn)確，可借助諸如TekVPI探頭和偏移校正套件，消除電壓探頭與電流探頭之間的偏移。另外，為處理開關(guān)信號頻率成分示波器要提供足夠的帶寬和上升時(shí)間，而且要具備快速采樣率，以捕捉跳變，另外就是需要提供深記錄長度以實(shí)現(xiàn)長時(shí)間采集。“開關(guān)信號上升時(shí)間可能會相當(dāng)快，為準(zhǔn)確地進(jìn)行測量，測量系統(tǒng)(示波器加探頭)的上升時(shí)間應(yīng)該快5倍。”陳文權(quán)強(qiáng)調(diào)說，“而對于上電調(diào)制分析，記錄長度很重要，開關(guān)單元的控制信號電壓和電流的脈寬和幅度可非常完整得被記錄。”實(shí)際上，泰克公司的DPO/MSO4000和3000系列示波器就分別具備高達(dá)10M和5M點(diǎn)的記錄長度，采樣率高達(dá)5GS/s.

另外，在如今非常長的記錄長度情況下，以往傳統(tǒng)的示波器旋鈕顯得不合時(shí)宜，很花費(fèi)時(shí)間。另外，開關(guān)電源和能量損耗測量更多的是看瞬態(tài)變化，若還是用手工或電腦編程來計(jì)算，就會非常麻煩。因此他特別推薦泰克示波器配備的獨(dú)特WaveInspector搜索和工具，其前面板控制功能和強(qiáng)制外圈反饋可大大改善操作便捷性，而且可支持捕捉負(fù)載變化事件，追蹤瞬態(tài)功率值，將瞬態(tài)功率點(diǎn)與相應(yīng)的時(shí)域波形對應(yīng)分析及放大波形細(xì)節(jié)等。

對于電源質(zhì)量測量，陳文權(quán)給出的測量建議是：

1.檢定電源與其服務(wù)環(huán)境的相互作用;

2.必須直接在輸入電源線上測量電壓和電流;

3.要求高壓探頭，通常是差分探頭。至于必須符合的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，如EN61000-3-2、MIL-STD-1399等，泰克公司的示波器均提供這些標(biāo)準(zhǔn)的選項(xiàng)，使用者可輕松完成一致性測試，看是否能夠通過。

如前面提到的，中國的LED照明行業(yè)目前處于標(biāo)準(zhǔn)缺失的狀態(tài)，相關(guān)組織機(jī)構(gòu)正在加緊制定此類行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。在這種情況下，開發(fā)者可以選擇一些國際上已經(jīng)存在的行業(yè)公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行參照，如泰克專家在演講中提到的例子--LED舞光領(lǐng)域的美國標(biāo)準(zhǔn)DMX512(兼容RS-485)、電路保護(hù)和元器件測試方面的美國軍工標(biāo)準(zhǔn)MIL-STD-883G、ESD-STM5.2-1999等。“要求達(dá)到這些標(biāo)準(zhǔn)而進(jìn)行相關(guān)測試測量的廠商就是我們的實(shí)際客戶，值得大家借鑒。”陳文權(quán)表示，“從MSO/DPO4000和DPO3000系列示波器，到電源分析捆綁解決方案，即電源測量模塊軟件、探頭、校準(zhǔn)工具，泰克公司擁有完善的一系列電源測量工具，并不斷更新?lián)Q代，跟進(jìn)相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的出臺，可很好地滿足LED照明應(yīng)用開發(fā)的測試測試測量需求，幫助克服應(yīng)用方面的各種挑戰(zhàn)，進(jìn)而降低總體開發(fā)成本。”

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