LED照明測(cè)試技術(shù)分析——驅(qū)動(dòng)電源可靠性和能效成關(guān)鍵

近幾年LED作為新型節(jié)能光源在全球和中國(guó)都贏得得了很高的投資熱情和極大關(guān)注，并由戶外向室內(nèi)照明應(yīng)用市場(chǎng)滲透，中國(guó)也涌現(xiàn)出大大小小上萬(wàn)家LED照明企業(yè)。讓LED照明大放異彩的最主要原因正是其宣揚(yáng)的具有節(jié)能、環(huán)保、長(zhǎng)壽命、易控制、免維護(hù)等特點(diǎn)。

 然而頗具諷刺意味的是，我們常常聽(tīng)聞?dòng)捎贚ED驅(qū)動(dòng)電源本身的壽命直接拖累LED照明燈具變得并不“長(zhǎng)壽”，極大地增加了維護(hù)/使用成本；或者驅(qū)動(dòng)電源的效率不高導(dǎo)致LED照明燈具的能效轉(zhuǎn)換比并不是想象中那么高，或者由于輸出電流紋波沒(méi)有得到很好的控制影響了發(fā)光品質(zhì)，使得LED照明的綠色節(jié)能優(yōu)勢(shì)大打折扣，甚至影響了市場(chǎng)普及。

因此， LED產(chǎn)業(yè)鏈的完善和成熟，驅(qū)動(dòng)電源也是其中重要的一環(huán)。但現(xiàn)狀是LED驅(qū)動(dòng)電源的設(shè)計(jì)和品質(zhì)局限卻日益成為L(zhǎng)ED產(chǎn)業(yè)發(fā)展的“后腿”，因此電源模塊廠商、燈具制造商都越來(lái)越重視采用先進(jìn)的測(cè)試測(cè)量技術(shù)和方案。針對(duì)這一現(xiàn)狀，泰克公司獨(dú)樹(shù)一幟，深入到客戶中間，深入了解現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際需求，制定出針對(duì)LED垂直應(yīng)用的各種解決方案組合，旨在幫助更多的中國(guó)LED照明廠商、驅(qū)動(dòng)電源供應(yīng)商和相關(guān)質(zhì)檢/認(rèn)證機(jī)構(gòu)獲得更精確的測(cè)試結(jié)果，保證LED驅(qū)動(dòng)電源的品質(zhì)，從而促進(jìn)中國(guó)LED照明產(chǎn)業(yè)的健康繁榮發(fā)展。

圖1：泰克專門(mén)針對(duì)LED照明應(yīng)用提供各種測(cè)試解決方案組合供客戶選擇。

LED驅(qū)動(dòng)電源的可靠性和能效是測(cè)試關(guān)鍵

那么，真正高品質(zhì)的LED驅(qū)動(dòng)電源應(yīng)該具備什么樣的特點(diǎn)或者說(shuō)應(yīng)該滿足那些要求呢？泰克公司總結(jié)出以下主要的幾個(gè)方面：

1.高可靠性和壽命：驅(qū)動(dòng)電源的壽命要與LED的壽命相適配，特別對(duì)像LED路燈的驅(qū)動(dòng)電源，因?yàn)檠b在高空，維修不方便，維修的花費(fèi)也大；
2.高效率：對(duì)于電源安裝在LED燈具內(nèi)的結(jié)構(gòu)，這一點(diǎn)尤為重要。因?yàn)長(zhǎng)ED的發(fā)光效率隨著LED溫度的升高而下降，所以LED的散熱非常重要。電源的效率高，它的耗損功率小，在燈具內(nèi)發(fā)熱量就小，也就降低了燈具的溫升，對(duì)延緩LED的光衰有利。
3.高功率因數(shù) ：隨著社會(huì)對(duì)供電質(zhì)量的要求不斷提高，人們?cè)絹?lái)越關(guān)注用電設(shè)備帶來(lái)的電能質(zhì)量和諧波問(wèn)題。如歐盟已經(jīng)發(fā)布標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定功率大于25W的電源設(shè)備必須具備功率因數(shù)校正電路。而其他很多國(guó)家對(duì)于30 ~40W的LED驅(qū)動(dòng)電源，據(jù)說(shuō)不久也將可能會(huì)對(duì)功率因數(shù)方面有一定的指標(biāo)要求。
4. 恒流驅(qū)動(dòng)：現(xiàn)在通行的有兩種：一種是一個(gè)恒壓源供多個(gè)恒流源，每個(gè)恒流源單獨(dú)給每路LED供電。這種方式組合靈活，一路LED故障，不影響其他LED的工作，但成本會(huì)略高一點(diǎn)。另一種是直接恒流供電，LED串聯(lián)或并聯(lián)運(yùn)行。它的優(yōu)點(diǎn)是成本低一點(diǎn)，但靈活性差，還要解決某個(gè)LED故障不影響其他LED運(yùn)行的問(wèn)題。
5.適當(dāng)?shù)妮敵黾y波：輸出紋波會(huì)影響LED的光輸出效果。但減小紋波需要使用更高品質(zhì)和容量的電容。為提高電源整體的使用壽命，設(shè)計(jì)師往往傾向于采用無(wú)電容方案。工程師必須在輸出紋波指標(biāo)上確定折中方案。
6.浪涌保護(hù)：LED抗浪涌的能力是比較差的，特別是抗反向電壓能力。有些LED燈裝在戶外，由于電網(wǎng)負(fù)載的啟甩和雷擊的感應(yīng)，從電網(wǎng)系統(tǒng)會(huì)侵入各種浪涌，有些浪涌會(huì)導(dǎo)致LED的損壞。因此LED驅(qū)動(dòng)電源要有抑制浪涌的侵入，保護(hù)LED不被損壞的能力。
7.保護(hù)功能： 電源除了常規(guī)的保護(hù)功能外，最好在恒流輸出中增加LED溫度負(fù)反饋，防止LED溫度過(guò)高。
8.防護(hù)方面：對(duì)燈具外安裝型結(jié)構(gòu)，電源結(jié)構(gòu)要防水、防潮，外殼要耐曬。
9.要符合安規(guī)和電磁兼容的要求。 

要達(dá)到高品質(zhì)的驅(qū)動(dòng)電源設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，就需要進(jìn)行全面的測(cè)試測(cè)量分析，如圖1所示，LED照明測(cè)試主要包括5個(gè)部分：電源質(zhì)量、諧波、功率開(kāi)關(guān)器件測(cè)量、調(diào)制分析以及驅(qū)動(dòng)輸出參數(shù)測(cè)試。

 
圖2：LED照明驅(qū)動(dòng)電源的關(guān)鍵測(cè)試項(xiàng)目。

電源質(zhì)量、諧波和功率器件的全面快速分析

測(cè)量驅(qū)動(dòng)電源的輸入功率、功率因數(shù)和諧波有很多方法，使用具有電源分析功能的泰克示波器產(chǎn)品可以輕松實(shí)現(xiàn)這些電能質(zhì)量測(cè)量。使用一路通道測(cè)量輸入電壓、一路通道測(cè)量輸入電流，配合示波器內(nèi)置的PWR電源分析軟件，所有的電能質(zhì)量相關(guān)參數(shù)可以直接顯示在屏幕中。

 
圖3：帶有PWR電源分析模塊的泰克示波器可直接顯示各種測(cè)量參數(shù)，幫助電源工程師輕松完成開(kāi)發(fā)測(cè)試。

驅(qū)動(dòng)電源效率和電源內(nèi)部的開(kāi)關(guān)損耗直接相關(guān)。降低功率器件的損耗不但是提高電源效率的要求，也是提高系統(tǒng)熱穩(wěn)定性和可靠性的關(guān)鍵因素。不過(guò)，功率器件的開(kāi)關(guān)損耗測(cè)量不易實(shí)現(xiàn)。由于器件在導(dǎo)通和關(guān)斷工作狀態(tài)下的電壓幅度相差巨大，一般的示波器產(chǎn)品無(wú)法在如此大的動(dòng)態(tài)范圍下準(zhǔn)確測(cè)量導(dǎo)通狀態(tài)下的微小電壓，導(dǎo)通損耗無(wú)從測(cè)量。

對(duì)于高速切換的功率器件，只能通過(guò)電壓和電流相乘得到瞬態(tài)功率的辦法計(jì)算功率。這時(shí)電壓和電流必須是同一時(shí)刻的波形，否則誤差巨大。但電壓探頭和電流探頭的原理和結(jié)構(gòu)不同，對(duì)于高速切換信號(hào)的時(shí)間延遲也不同。如果不能準(zhǔn)確地校正這一偏差，示波器的測(cè)量結(jié)果是不可信的。泰克的示波器電源測(cè)量方案不但具有全面的開(kāi)關(guān)損耗測(cè)試功能，還具有強(qiáng)大的探頭校準(zhǔn)功能完全消除時(shí)間延遲誤差。獨(dú)特的波形搜索功能更可以輕松找到電源或負(fù)載變化時(shí)最大損耗的發(fā)生時(shí)刻。

具體到型號(hào)來(lái)說(shuō)，對(duì)要求較高的研發(fā)過(guò)程測(cè)試，DPO/MSO4000B和DPO/MSO3000系列示波器是不錯(cuò)的選擇；而對(duì)于工廠和生產(chǎn)過(guò)程的設(shè)計(jì)優(yōu)化和參數(shù)測(cè)試應(yīng)用，DPO/MSO2000系列完全能滿足要求，可進(jìn)一步降低成本。這些示波器都具有每通道很長(zhǎng)的存儲(chǔ)長(zhǎng)度，可以高采樣率來(lái)捕獲驅(qū)動(dòng)電源測(cè)量的整個(gè)周期，波形導(dǎo)航方便進(jìn)行電源系統(tǒng)查障，高級(jí)數(shù)學(xué)計(jì)算功能，用戶可以自定義全面的數(shù)學(xué)表達(dá)式，自動(dòng)計(jì)算功率等測(cè)試結(jié)果，從而極大提升測(cè)試工作效率。

 
表1：能夠提高LED驅(qū)動(dòng)電源開(kāi)測(cè)試效率、增加測(cè)試準(zhǔn)確度的3個(gè)檔次示波器選擇。

另外，對(duì)于激勵(lì)源，泰克目前可提供PWS4000/PWS2000 系列可編程DC臺(tái)式電源系列，提供精準(zhǔn)、高分辨率的恒流、恒壓輸出，用于驅(qū)動(dòng)LED。

PWM分析和輸出紋波測(cè)量助力進(jìn)軍高端市場(chǎng)

真正節(jié)能的家用LED照明產(chǎn)品最終是要具有調(diào)光功能的，目前也是歐美等高端市場(chǎng)的需求，今后在其他國(guó)家和市場(chǎng)也會(huì)逐步普及。LED調(diào)光的最新技術(shù)是PWM，通過(guò)產(chǎn)生不同脈寬的PWM 信號(hào)，控制功率器件的開(kāi)啟和關(guān)斷的比例，從而達(dá)到調(diào)節(jié)輸出光通量的目的。相比于其他調(diào)光方式，PWM 調(diào)光不改變LED流過(guò)的電流大小，燈具不會(huì)出現(xiàn)偏色，也避免了電阻調(diào)光帶來(lái)的能量損失，保持了LED照明的高效率。

泰克的AFG3000 任意波形發(fā)生器可以輕松生成PWM 信號(hào)，用戶可以任意改變PWM變化的形式，脈寬輸出的比例以及變化規(guī)律，所有的操作只需在面板上摁一下按鈕，發(fā)生器內(nèi)置的阻抗調(diào)節(jié)功能可以適應(yīng)更多的電路需要。

紋波是加在直流輸出電壓上的交流電壓，也是LED電源測(cè)試中的一個(gè)重要測(cè)量參數(shù)。紋波電流越大，電源成本就越低，但光輸出會(huì)因此受到影響，而且會(huì)提高LED結(jié)溫進(jìn)而影響LED性能，甚至嚴(yán)重降低LED的使用壽命（經(jīng)驗(yàn)顯示，結(jié)溫每升高10℃使用壽命就縮短一半）。因此準(zhǔn)確地測(cè)量紋波就顯得十分重要。泰克示波器電源測(cè)試方案中具有紋波測(cè)量功能，可以一鍵完成紋波參數(shù)的測(cè)量。對(duì)于高端應(yīng)用，泰克的TCPXX系列電流探頭可提供最低至1mA的紋波電流測(cè)量精度，對(duì)于低成本應(yīng)用，也有相應(yīng)的高性價(jià)比探頭供選擇。

此外，如果工程師希望通過(guò)簡(jiǎn)單的數(shù)字萬(wàn)用表完成紋波測(cè)量任務(wù)，泰克也能提供相應(yīng)方案DMM4040/4050 數(shù)字萬(wàn)用表具有雙參數(shù)測(cè)量功能，可以同時(shí)顯示交流電壓或電流成分。其雙度數(shù)功能、趨勢(shì)圖和直方圖功能方便用戶在長(zhǎng)時(shí)間檢測(cè)輸出變化；通過(guò)前后面板輸入功能，用戶可以交替測(cè)量?jī)山M數(shù)據(jù)，便于比較。