今天，在綠色節(jié)能意識的推動下，節(jié)約能源已成為廣大電子產(chǎn)品設(shè)計人員和消費(fèi)者的共識。而高亮度LED在光輸出、能效及成本方面的全面改善，以及具備小巧、低壓工作及環(huán)保等眾多優(yōu)勢，使之應(yīng)用范圍也在不斷拓寬。未來，LED 照明在通用照明、景觀照明、信號燈、廣告顯示牌、汽車照明、LCD 背光顯示等領(lǐng)域的增長前景尤為可觀，隨之涌現(xiàn)了很多研發(fā)和制造企業(yè)以配套廠商。但是廣大開發(fā)者也面臨著一些棘手的瓶頸問題。本文將結(jié)合泰克公司的先進(jìn)測試解決方案，談?wù)勅绾螒?yīng)對LED照明應(yīng)用的挑戰(zhàn)，幫助照明設(shè)計工程師選擇合適的方案,加快產(chǎn)品上市進(jìn)程。
LED 照明應(yīng)用的瓶頸
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)了LED 熱在中國的蔓延。有數(shù)據(jù)顯示，中國LED 產(chǎn)業(yè)在未來兩年將達(dá)1500 億元人民幣的規(guī)模。發(fā)熱(壽命)、成本和符合標(biāo)準(zhǔn)也是阻礙LED 照明應(yīng)用的三大難題。LED 的發(fā)熱是一個無法回避的問題，因為理論和實踐已經(jīng)證明，LED 的性能和壽命與LED 的pn 結(jié)工作溫度緊密相關(guān)，直接影響著其在照明領(lǐng)域的替代性。過流、過壓和過熱都會顯著降低LED 的發(fā)光性能，縮短使用壽命。
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)域的拓展；目前在國內(nèi)還沒有明確的LED 標(biāo)準(zhǔn)，如何進(jìn)行測試也是一個需要解決的問題。因此，在制定過溫度保護(hù)方案之前，需要參照相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)和實際應(yīng)用，通過適當(dāng)?shù)臏y試解決方案來選擇和/ 或確定有源開關(guān)器件和相應(yīng)電源電路的設(shè)計。
LED 測試的重點
無論是否具備保護(hù)功能，驅(qū)動LED的開關(guān)電源電路都是保證系統(tǒng)安全可靠工作的第一道防線，也是提升LED照明系統(tǒng)整體能效、降低總體成本、實現(xiàn)相應(yīng)控制功能(如調(diào)光)的關(guān)鍵。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 應(yīng)用瓶頸離不開對各種電性能精準(zhǔn)、可靠和低成本的測試測量，尤其是開關(guān)電源的電性能測試，重點在于電流測試。
在眾多電性能當(dāng)中，值得工程師們特別對待的是LED 電流紋波，它關(guān)系到開關(guān)電源的成本和光通量的平衡折衷。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兩倍。另外，作為工作電流函數(shù)的相對光輸出(光通量)與二極管電流密切相關(guān)，因此可以通過改變正向電流進(jìn)行調(diào)光。在電流較低時，若將二極管電流增加一倍，則光輸出也會增加一倍；但是在電流較高時，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。
此外，還要考慮測量開關(guān)電源設(shè)備的轉(zhuǎn)換速率(di/dt、dv/dt)、開關(guān)損耗測量和安全工作區(qū)(SOA)。這些指標(biāo)關(guān)系到開關(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)等。最后，對實現(xiàn)LED調(diào)光的開關(guān)電源還要進(jìn)行調(diào)制分析。實現(xiàn)LED 調(diào)光主要有兩種方法：一是降低LED 的電流；二是快速開關(guān)LED，通過電流波形的脈寬調(diào)制(PWM)進(jìn)行調(diào)光更為準(zhǔn)確。
脈沖寬度調(diào)制(PWM)或電流占空比控制方案，如圖1 所示，相比之前的簡單恒流源來說有許多優(yōu)勢。如需感覺較高的亮度，可以在較低的平均功率水平上相應(yīng)提高LED 的峰值電流。因為亮度控制是由調(diào)節(jié)LED 電流的占空比來控制的，平均電流和亮度可以被控制，而無需改變電源電壓。這樣，設(shè)計人員可以著眼于優(yōu)化電路的DC-DC 變換器的效率。最后，因為峰值電流并未改變，LED 工作在相同的電流水平上(例如，白光LED 通常為15-20mA)，其輻射的顏色也是恒定的。
顯然，后者已成為行業(yè)的主流方法，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% 的脈沖寬度要在毫秒范圍內(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)，實現(xiàn)極快的瞬態(tài)響應(yīng)。圖2顯示了使用示波器驗證LED 背光電路性能的測量結(jié)果。如圖所示，直流電壓(黃色波形)大約為6.4V。這里使用了Tektronix TDP 系列差分探頭測試。電流(藍(lán)色波形)在數(shù)百毫安量級。紅色波形顯示的是LED的瞬時功耗情況，顯示平均功率大約是900mW。與CCFL背光電路相比，節(jié)約了大約200mW 的功率。
根據(jù)實際情況，一些測量指標(biāo)如線路自動測量(電源質(zhì)量、諧波分析)也是LED照明應(yīng)用不可或缺的，為的是在出廠時滿足相應(yīng)的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。
選擇最適用的LED 測試解決方案
實際測試中要選擇最適用的示波器和配件。對于紋波測量，電流探頭的選擇很重要。LED的電流紋波指標(biāo)在1mA級甚至幾百μA，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。
泰克D P O 4 0 0 0 B /DPO5000/DPO7000 示波器連接的TCP0030 AC/DC 電流探頭就可以提供精確簡單的電流紋波測量方案，精準(zhǔn)捕捉電源毛刺，并支持更高的電壓。TCPA300+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)器件的損耗測量，使用帶有DPO4PWR電源分析應(yīng)用模塊軟件的MSO/DPO4000B 示波器更加方便。它可以自動計算開點損耗、閉點損耗和傳導(dǎo)損耗。借助TekVPI探頭和偏移校正套件，還可消除電壓探頭與電流探頭之間的偏移，保證電壓波形和電流波形之間的準(zhǔn)確定時。另外，處理開關(guān)信號頻率成分的示波器要有足夠的帶寬和上升時間，且具備快速采樣率，以捕捉跳變。為實現(xiàn)長時間采集，還要具備深記錄長度。實際上，
泰克DPO/MSO4000B和3000系列示波器就分別具備了高達(dá)20M 和5M 點的記錄長度，采樣率高達(dá)5GS/s。另外，泰克示波器配備的獨(dú)特Wave Inspector搜索和導(dǎo)航工具，以及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)等功能。
在制定電源質(zhì)量測量方案時，需要注意這樣一些問題：第一，測量的電源與其服務(wù)環(huán)境的相互作用；第二，必須在輸入電源線上直接測量電壓和電流；第三，要使用高壓探頭，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。
結(jié)論
能效設(shè)計技術(shù)帶來了新的、復(fù)雜的測試挑戰(zhàn)，需要設(shè)計工程師進(jìn)行大量的、艱苦的測試，以調(diào)試快速變化的信號、復(fù)雜的協(xié)議和電流電壓的微小變化。驗證、調(diào)試和檢定這些設(shè)計需要強(qiáng)大而完備的測量工具。這些工具包括示波器、邏輯分析儀、探頭、信號源和萬用表。簡化復(fù)雜測量的自動化軟件包也是這套工具的重要組成部分。從MSO/DPO4000B和DPO3000系列示波器到電源分析捆綁解決方案，包括電源測量模塊軟件、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，并在不斷更新?lián)Q代，跟進(jìn)新出臺的相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)，可很好地滿足LED照明應(yīng)用開發(fā)的測試測試測量需求，幫助開發(fā)人員克服應(yīng)用方面的各種挑戰(zhàn)，進(jìn)而降低總體開發(fā)成本，加快產(chǎn)品上市進(jìn)程。
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