LED照明器件與系統設計因素

一 前言

　　設計者們給發(fā)光二極管—LED和陣列作光源設計的供電電源，稱(chēng)之為LED電子驅動(dòng)器。對于LED照明器件和系統而言，LED光源本身就是其電子封裝組成的一部分。這種給LED陣列提供能源并對其進(jìn)行控制的電子驅動(dòng)器，LED陣列的規模少則由十幾個(gè)、幾十個(gè)，多則上百個(gè)甚至更多的發(fā)光二極管組成。這種動(dòng)態(tài)的光源驅動(dòng)器設計復雜程度遠遠超過(guò)原先各種氣體放電輝光管鎮流器。這個(gè)全新的領(lǐng)域，給LED照明器件及系統設計者和制造廠(chǎng)商帶來(lái)了新的挑戰。輝光放電管鎮流器設計只需關(guān)注鎮流器內部的電子組件設計是否合理、可行。而LED照明器件及系統設計則必須額外考慮LED光源的問(wèn)題。設計者必須考慮驅動(dòng)器會(huì )給由若干LED芯片組成的陣列與其他電子元器件串、并或混聯(lián)構成的電路模塊帶來(lái)各種干擾。

　　二　電源系統的兼容性

　　向LED或LED陣列提供電功率是LED照明器件與系統從設計到實(shí)施，以及保證終端用戶(hù)都可靠的工作狀態(tài)，并與供電源系統有良好兼容性必須考慮的重要問(wèn)題。電源系統包括了人們日常生活中的各種電氣基礎設施和市電電網(wǎng)公共設施。

　　研究表明，通常情況下，用戶(hù)具備并操作的電源設備通常會(huì )存在種種不太合理的連線(xiàn)或者接地處理錯誤。當外部公共電源設施發(fā)生普遍電流干擾時(shí)，不合理甚至錯誤的連線(xiàn)或接地處理會(huì )加劇干擾的程度，增加用戶(hù)電子照明器件的損壞幾率，嚴重時(shí)還會(huì )造成器件的永久性破壞。LED照明器件和系統必須具有能在日常電氣環(huán)境下正常工作的能力。典型的日常電氣環(huán)境包括室內外照明、商場(chǎng)和工廠(chǎng)等建筑內外的照明設施以及市政電線(xiàn)桿上的LED路燈、探照燈等。

　　電氣照明已經(jīng)成為人們白天及黑夜生活必不可少的一部分。當照明器件及系統意外失效時(shí)，商業(yè)運作、生產(chǎn)作業(yè)和日常生活都會(huì )被迫終止，如果一段時(shí)間內照明不能恢復，人們會(huì )感到極為不便甚至不知所措。造成電氣意外故障的原因有很多種，包括雷擊、交通事故破壞電線(xiàn)桿、建設施工工人破壞地下供電設施，甚至是動(dòng)物爬到供電變壓器及高壓電纜上所帶來(lái)的影響，這些都在日常生活中并不偶然發(fā)生的事例了。諸如此類(lèi)的事故，都會(huì )造成供電系統暫時(shí)性的故障，使得照明器件及系統遭受電氣干擾，嚴重的還存在中斷的困擾。

　　目前全世界范圍內能源問(wèn)題得到了廣泛的關(guān)注，提高能效以及節約能源對于凈化我們的星球和建設綠色社會(huì )環(huán)境是極其重要的。如今，照明約占電網(wǎng)總負荷的23%，人們都把目標制定在發(fā)展和使用高效的，能夠在用電高峰時(shí)段減少負荷量的電子照明器件上。當然，如果照明器件在沒(méi)有達到預期使用壽命之前就失效或完全不能發(fā)光了，那么所有提高能效以及節約能源的初衷就變得毫無(wú)意義。

　　綜上所述，自然引出了關(guān)于討論LED照明器件和系統的可靠性及兼容性相關(guān)的重要問(wèn)題。

　　三　LED照明器件及系統的可靠性

　　首先，什么是可靠性?其定義為——產(chǎn)品在規定的條件和規定的時(shí)間內，完成規定的功能的能力。隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，現代化的操作機器、工程裝備、交通工具和各類(lèi)探索儀器的設計越來(lái)越復雜，功能越來(lái)越完善，因此這些電子、電氣產(chǎn)品的性能優(yōu)劣變得越來(lái)越明顯。于此同時(shí)，這些機器和設備等的可靠性漸漸受到了人們廣泛的重視，這種可靠性就被稱(chēng)為系統可靠性?？煽啃缘闹笜艘笫请S著(zhù)系統越復雜而更高的，如果可靠性達不到系統指標的要求，則系統出故障的可能性愈大、造成的損失也愈大。這些損失包括經(jīng)濟上、信譽(yù)上，甚至是造成生命安全或更嚴重的災難性等后果。譬如汽車(chē)的制動(dòng)系統的不可靠或工作失誤可導致剎車(chē)失靈，很有可能造成重大損失甚至生命危險;重大的投票選舉時(shí)，如果采用計算機系統統計，若此時(shí)系統失效而打亂了統計結果，后果將不堪設想。因此，可以說(shuō)系統可靠性概念的引入，對電子產(chǎn)品有著(zhù)重大的意義。

　　提高系統的可靠性，一方面要提高構成系統的各元件本身的可靠性，如：要提高汽車(chē)制動(dòng)的可靠性，首先要提高剎車(chē)位、控制系統等的可靠性。另一方面還要提高系統承受誤操作的可靠性。

　　提高系統的可靠性的根源在于系統的設計。要使系統的元器件工作在正常狀態(tài)下，沒(méi)有過(guò)載超負荷等現象的發(fā)生，并且要有一定的余量。也可以通過(guò)設計備用方案，使系統即使有個(gè)別元器件或設備出現故障仍能正常工作。當然備用方案的設計有可能增加系統的復雜性和成本，但是如果設計得合理，在成本的增加和使系統的可靠性提高上有很好的性?xún)r(jià)比，是完全值得的。

　　四　LED照明器件及系統的兼容性

　　電子產(chǎn)品的兼容性問(wèn)題主要是電磁兼容性(EMC)，定義為設備、系統、子系統在共同的電磁環(huán)境中能一起執行各自功能的共存狀態(tài)。即該設備、系統、子系統不會(huì )由于受到處于同一電磁環(huán)境中其他設備的電磁發(fā)射導致或遭受不允許的性能降低，也不會(huì )使同一電磁環(huán)境中其他設備、系統、子系統因它的電磁發(fā)射而導致或遭受不允許的性能降低。電磁兼容性包括兩方面：電磁干擾(EMI)和電磁耐受(EMS)。前者主要表現為傳導干擾和輻射干擾，傳導干擾主要是電子設備產(chǎn)生的干擾信號通過(guò)導電介質(zhì)或公共電源線(xiàn)互相產(chǎn)生干擾;輻射干擾是指電子設備產(chǎn)生的干擾信號通過(guò)空間耦合把干擾信號傳給電網(wǎng)絡(luò )或電子設備。而后者主要指系統對諸如靜電放電、輻射、脈沖群、雷擊、傳導等干擾的耐受能力，即抗干擾能力。電子產(chǎn)品一般劃分為民用級、工業(yè)級和軍用級產(chǎn)品，不同等級的產(chǎn)品有著(zhù)不同的標準規定，產(chǎn)品在特定等級下滿(mǎn)足這些標準的產(chǎn)品，被稱(chēng)為具有電磁兼容性。

　　五　電磁兼容性測試

　　之前已提到過(guò)，系統的電磁兼容性測試可分為電磁干擾(EMI)和電磁耐受(EMS)兩方面，具體運用在LED照明器件及系統時(shí)的幾個(gè)重要步驟為：

　　1) 傳導干擾

　　傳導干擾是指LED照明器件本身產(chǎn)生，從而進(jìn)行導體傳輸的電磁干擾。這種測試頻率范圍一般為9KHz～30MHz，屬于低頻現象。

　　2) 輻射干擾

　　輻射干擾也是由器件自身產(chǎn)生，并通過(guò)空間傳播形成的干擾電磁波。LED照明器件由內部電路通過(guò)產(chǎn)品的電線(xiàn)電纜或結構件外殼形成對外的輻射干擾，相當于天線(xiàn)發(fā)射效應。

　　3) 諧波電流干擾

　　產(chǎn)生諧波電流的原因之一是非線(xiàn)性的負載，諧波電流干擾將影響電源電流的波形，使其畸變，這種干擾會(huì )對電網(wǎng)造成污染，必須加以控制。

　　4) 靜電放電抗干擾能力

　　人體帶有靜電，這種現象在干燥的冬季更為嚴重，在這種環(huán)境下的摩擦很容易導致人體攜帶大量的靜電，此時(shí)如果人體觸摸LED產(chǎn)品或與其鄰近設備，會(huì )形成直接或間接的放電，產(chǎn)生的脈沖電壓可能導致LED的擊穿損毀，因此對LED產(chǎn)品的抗靜電能力有非常高的要求。

　　5) 快速瞬變脈沖群干擾的抵抗能力

　　產(chǎn)品的繼電器開(kāi)合或開(kāi)關(guān)通斷，也會(huì )對同一電路中的其他電子器件產(chǎn)生干擾，具有脈沖成群出現、脈沖重復頻率較高及脈沖波形的上升時(shí)間短暫等特征。

　　6) 雷擊浪涌抗干擾能力

　　雷擊在電纜上形成能量很大的浪涌電壓和電流，很容易導致器件的損壞。此外，大型開(kāi)關(guān)切換瞬間也會(huì )在供電線(xiàn)路上形成浪涌電壓和電流。

　　7) 周波跌落抗干擾能力

　　電壓跌落、短時(shí)中斷和電壓變化統稱(chēng)為周波跌落。周波跌落干擾的抵抗能力指標考核了該LED照明器件是否具備工作在不穩定的電網(wǎng)中的能力。

　　以上測試步驟，前三項為EMI指標，后四項為EMS指標。值得注意的是，對于自整流的LED照明產(chǎn)品，測試時(shí)只需要對輸入端進(jìn)行試驗，而非自整流的LED照明產(chǎn)品，則需要分別試驗配套的驅動(dòng)控制電路的輸入、輸出和LED產(chǎn)品的輸入端。