泰克支招 解決測試挑戰(zhàn)以克服LED照明應(yīng)用瓶頸

泰克專家支招 解決測試挑戰(zhàn)以克服LED照明應(yīng)用瓶頸

　近日，第二屆亞太LED技術(shù)論壇峰會在深圳和寧波相繼舉辦。深圳和華南地區(qū)在中國LED照明產(chǎn)業(yè)的重要位置自然無須多言，但寧波和整個杭州灣區(qū)的LED配套產(chǎn)業(yè)出乎很多人意料地正迅速崛起，涌現(xiàn)了很多LED通用照明、景觀照明、信號燈、廣告顯示牌、汽車照明、背光顯示方面的研發(fā)和制造企業(yè)以及配套廠商。針對這兩大區(qū)域的LED業(yè)內(nèi)人士，本次大會邀請多家國際知名公司的技術(shù)專家到會重點分享包括LED驅(qū)動和電源解決方案、LED照明的電路保護(hù)和LED測試解決方案等方面的創(chuàng)新技術(shù)和應(yīng)用開發(fā)理念。與眾多宣講LED驅(qū)動IC和元器件應(yīng)用的演講不同，泰克科技公司《整合您的LED測試技術(shù)解決方案》的演講尤其引人注目，該公司的專家深入淺出地闡述了LED照明應(yīng)用設(shè)計和測試挑戰(zhàn)及相應(yīng)的解決方案，獲得了現(xiàn)場聽眾的熱烈反響。
　　2009年初中國科技部推出"十城萬盞"半導(dǎo)體照明應(yīng)用示范城市方案，由此引發(fā)LED熱開始在中國蔓延。有數(shù)據(jù)顯示，中國LED產(chǎn)業(yè)到未來兩年將達(dá)1500億元規(guī)模。因而我們看到：歐普、雷士、TCL、佛照、史佛特等傳統(tǒng)照明巨頭高調(diào)進(jìn)入LED領(lǐng)域，幾乎所有的本土照明企業(yè)都亢奮地將目光瞄向這個領(lǐng)域……一場"全民LED運動"在中國如火如荼地展開。
　　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)者必須在實際開發(fā)和設(shè)計過程中想方設(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。"

　　圖1：泰克科技華南區(qū)分銷產(chǎn)品部客戶經(jīng)理陳文權(quán)深入淺出地闡述LED照明應(yīng)用設(shè)計和測試挑戰(zhàn)及相應(yīng)的解決方案。
　　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，因為理論和時間都已證明，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)和實際應(yīng)用，以便獲得最具成本效益的結(jié)果。如對于道路交通信號燈應(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保護(hù)，先降低電流，到達(dá)溫度保護(hù)居里點后立即保護(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，同時也是提升LED照明系統(tǒng)整體能效、降低其總體成本、實現(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。
　　從LED驅(qū)動電路和保護(hù)電路等實際應(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，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）與二極管電流是密切相關(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，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，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)動的。實際上，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。這些指標(biāo)考驗著開關(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損耗、開點損耗、功率損耗、動態(tài)開點電阻、安全工作區(qū)（瞬時功率）。
　　再者，對實現(xiàn)LED調(diào)光的開關(guān)電源調(diào)制分析也必不可少。實現(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)，并實現(xiàn)了極快的瞬態(tài)響應(yīng)。
　　另外，陳文權(quán)指出，線路自動測量，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)，以便出廠時滿足相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。其中包括真實功率、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)時需要注意的事項以及相應(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1m A級甚至幾百個uA，若探頭的動態(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TCP0030 AC/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。

　　圖2：泰克的工程師正在用MSO4000系列示波器和信號板演示電源毛刺的精準(zhǔn)捕捉。
　　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，可自動計算開點損耗、閉點損耗和傳導(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現(xiàn)長時間采集。
　　"開關(guān)信號上升時間可能會相當(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宜，很花費時間。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算，就會非常麻煩。因此他特別推薦泰克示波器配備的獨特Wave Inspector搜索和導(dǎo)航工具，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)功率點與相應(yīng)的時域波形對應(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，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舞臺燈光領(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。