LED照明測試技術分析――驅動電源可靠性和能效成關

近幾年LED作為新型節(jié)能光源在全球和中國都贏得得了很高的投資熱情和極大關注，并由戶外向室內照明應用市場滲透，中國也涌現(xiàn)出大大小小上萬家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的具有節(jié)能、環(huán)保、長壽命、易控制、免維護等特點。

然而頗具諷刺意味的是，我們常常聽聞由于LED驅動電源本身的壽命直接拖累LED照明燈具變得并不“長壽”，極大地增加了維護/使用成本；或者驅動電源的效率不高導致LED照明燈具的能效轉換比并不是想象中那么高，或者由于輸出電流紋波沒有得到很好的控制影響了發(fā)光品質，使得LED照明的綠色節(jié)能優(yōu)勢大打折扣，甚至影響了市場普及。

因此， LED產業(yè)鏈的完善和成熟，驅動電源也是其中重要的一環(huán)。但現(xiàn)狀是LED驅動電源的設計和品質局限卻日益成為LED產業(yè)發(fā)展的“后腿”，因此電源模塊廠商、燈具制造商都越來越重視采用先進的測試測量技術和方案。針對這一現(xiàn)狀，泰克公司獨樹一幟，深入到客戶中間，深入了解現(xiàn)場的實際需求，制定出針對LED垂直應用的各種解決方案組合，旨在幫助更多的中國LED照明廠商、驅動電源供應商和相關質檢/認證機構獲得更精確的測試結果，保證LED驅動電源的品質，從而促進中國LED照明產業(yè)的健康繁榮發(fā)展。

圖1：泰克專門針對LED照明應用提供各種測試解決方案組合供客戶選擇。

LED驅動電源的可靠性和能效是測試關鍵

那么，真正高品質的LED驅動電源應該具備什么樣的特點或者說應該滿足那些要求呢？泰克公司總結出以下主要的幾個方面：

1.高可靠性和壽命：驅動電源的壽命要與LED的壽命相適配，特別對像LED路燈的驅動電源，因為裝在高空，維修不方便，維修的花費也大；

2.高效率：對于電源安裝在LED燈具內的結構，這一點尤為重要。因為LED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，在燈具內發(fā)熱量就小，也就降低了燈具的溫升，對延緩LED的光衰有利。

3.高功率因數(shù)：隨著社會對供電質量的要求不斷提高，人們越來越關注用電設備帶來的電能質量和諧波問題。如歐盟已經(jīng)發(fā)布標準，規(guī)定功率大于25W的電源設備必須具備功率因數(shù)校正電路。而其他很多國家對于30 ~40W的LED驅動電源，據(jù)說不久也將可能會對功率因數(shù)方面有一定的指標要求。

4. 恒流驅動：現(xiàn)在通行的有兩種：一種是一個恒壓源供多個恒流源，每個恒流源單獨給每路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，但成本會略高一點。另一種是直接恒流供電，LED串聯(lián)或并聯(lián)運行。它的優(yōu)點是成本低一點，但靈活性差，還要解決某個LED故障不影響其他LED運行的問題。

5.適當?shù)妮敵黾y波：輸出紋波會影響LED的光輸出效果。但減小紋波需要使用更高品質和容量的電容。為提高電源整體的使用壽命，設計師往往傾向于采用無電容方案。工程師必須在輸出紋波指標上確定折中方案。

6.浪涌保護：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)負載的啟甩和雷擊的感應，從電網(wǎng)系統(tǒng)會侵入各種浪涌，有些浪涌會導致LED的損壞。因此LED驅動電源要有抑制浪涌的侵入，保護LED不被損壞的能力。

7.保護功能： 電源除了常規(guī)的保護功能外，最好在恒流輸出中增加LED溫度負反饋，防止LED溫度過高。

8.防護方面：對燈具外安裝型結構，電源結構要防水、防潮，外殼要耐曬。

9.要符合安規(guī)和電磁兼容的要求。

要達到高品質的驅動電源設計標準，就需要進行全面的測試測量分析，如圖1所示，LED照明測試主要包括5個部分：電源質量、諧波、功率開關器件測量、調制分析以及驅動輸出參數(shù)測試。

圖2：LED照明驅動電源的關鍵測試項目。

電源質量、諧波和功率器件的全面快速分析

測量驅動電源的輸入功率、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品可以輕松實現(xiàn)這些電能質量測量。使用一路通道測量輸入電壓、一路通道測量輸入電流，配合示波器內置的PWR電源分析軟件，所有的電能質量相關參數(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量參數(shù)，幫助電源工程師輕松完成開發(fā)測試。

驅動電源效率和電源內部的開關損耗直接相關。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)定性和可靠性的關鍵因素。不過，功率器件的開關損耗測量不易實現(xiàn)。由于器件在導通和關斷工作狀態(tài)下的電壓幅度相差巨大，一般的示波器產品無法在如此大的動態(tài)范圍下準確測量導通狀態(tài)下的微小電壓，導通損耗無從測量。

對于高速切換的功率器件，只能通過電壓和電流相乘得到瞬態(tài)功率的辦法計算功率。這時電壓和電流必須是同一時刻的波形，否則誤差巨大。但電壓探頭和電流探頭的原理和結構不同，對于高速切換信號的時間延遲也不同。如果不能準確地校正這一偏差，示波器的測量結果是不可信的。泰克的示波器電源測量方案不但具有全面的開關損耗測試功能，還具有強大的探頭校準功能完全消除時間延遲誤差。獨特的波形搜索功能更可以輕松找到電源或負載變化時最大損耗的發(fā)生時刻。

具體到型號來說，對要求較高的研發(fā)過程測試，DPO/MSO4000B和DPO/MSO3000系列示波器是不錯的選擇；而對于工廠和生產過程的設計優(yōu)化和參數(shù)測試應用，DPO/MSO2000系列完全能滿足要求，可進一步降低成本（最近泰克還推出了DPO普及優(yōu)惠活動，了解詳情請登錄：http://www.tek.com/zh/）。這些示波器都具有每通道很長的存儲長度，可以高采樣率來捕獲驅動電源測量的整個周期，波形導航方便進行電源系統(tǒng)查障，高級數(shù)學計算功能，用戶可以自定義全面的數(shù)學表達式，自動計算功率等測試結果，從而極大提升測試工作效率。

表1：能夠提高LED驅動電源開測試效率、增加測試準確度的3個檔次示波器選擇。

另外，對于激勵源，泰克目前可提供PWS4000/PWS2000 系列可編程DC臺式電源系列，提供精準、高分辨率的恒流、恒壓輸出，用于驅動LED。

PWM分析和輸出紋波測量助力進軍高端市場

真正節(jié)能的家用LED照明產品最終是要具有調光功能的，目前也是歐美等高端市場的需求，今后在其他國家和市場也會逐步普及。LED調光的最新技術是PWM，通過產生不同脈寬的PWM 信號，控制功率器件的開啟和關斷的比例，從而達到調節(jié)輸出光通量的目的。相比于其他調光方式，PWM 調光不改變LED流過的電流大小，燈具不會出現(xiàn)偏色，也避免了電阻調光帶來的能量損失，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，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)生器內置的阻抗調節(jié)功能可以適應更多的電路需要。

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

此外，如果工程師希望通過簡單的數(shù)字萬用表完成紋波測量任務，泰克也能提供相應方案DMM4040/4050 數(shù)字萬用表具有雙參數(shù)測量功能，可以同時顯示交流電壓或電流成分。其雙度數(shù)功能、趨勢圖和直方圖功能方便用戶在長時間檢測輸出變化；通過前后面板輸入功能，用戶可以交替測量兩組數(shù)據(jù)，便于比較。