今天，在綠色節能意識的推動(dòng)下，節約能源已成為廣大電子產(chǎn)品設計人員和消費者的共識。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，使之應用范圍也在不斷拓寬。未來(lái)，LED 照明在通用照明、景觀(guān)照明、信號燈、廣告顯示牌、汽車(chē)照明、LCD 背光顯示等領(lǐng)域的增長(cháng)前景尤為可觀(guān)，隨之涌現了很多研發(fā)和制造企業(yè)以配套廠(chǎng)商。但是廣大開(kāi)發(fā)者也面臨著(zhù)一些棘手的瓶頸問(wèn)題。本文將結合泰克公司的先進(jìn)測試解決方案，談?wù)勅绾螒獙?a class="contentlabel" href="http://dyxdggzs.com/news/listbylabel/label/LED">LED照明應用的挑戰，幫助照明設計工程師選擇合適的方案,加快產(chǎn)品上市進(jìn)程。
LED 照明應用的瓶頸
2009 年初，中國科技部推出“十城萬(wàn)盞”半導體照明應用示范城市方案，由此引發(fā)了LED 熱在中國的蔓延。有數據顯示，中國LED 產(chǎn)業(yè)在未來(lái)兩年將達1500 億元人民幣的規模。發(fā)熱(壽命)、成本和符合標準也是阻礙LED 照明應用的三大難題。LED 的發(fā)熱是一個(gè)無(wú)法回避的問(wèn)題，因為理論和實(shí)踐已經(jīng)證明，LED 的性能和壽命與LED 的pn 結工作溫度緊密相關(guān)，直接影響著(zhù)其在照明領(lǐng)域的替代性。過(guò)流、過(guò)壓和過(guò)熱都會(huì )顯著(zhù)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；目前在國內還沒(méi)有明確的LED 標準，如何進(jìn)行測試也是一個(gè)需要解決的問(wèn)題。因此，在制定過(guò)溫度保護方案之前，需要參照相應的標準和實(shí)際應用，通過(guò)適當的測試解決方案來(lái)選擇和/ 或確定有源開(kāi)關(guān)器件和相應電源電路的設計。
LED 測試的重點(diǎn)
無(wú)論是否具備保護功能，驅動(dòng)LED的開(kāi)關(guān)電源電路都是保證系統安全可靠工作的第一道防線(xiàn)，也是提升LED照明系統整體能效、降低總體成本、實(shí)現相應控制功能(如調光)的關(guān)鍵。從LED驅動(dòng)電路和保護電路等實(shí)際應用電路的開(kāi)發(fā)角度來(lái)說(shuō)，克服LED 應用瓶頸離不開(kāi)對各種電性能精準、可靠和低成本的測試測量，尤其是開(kāi)關(guān)電源的電性能測試，重點(diǎn)在于電流測試。
在眾多電性能當中，值得工程師們特別對待的是LED 電流紋波，它關(guān)系到開(kāi)關(guān)電源的成本和光通量的平衡折衷。根據經(jīng)驗，結溫每降低10℃，半導體的使用壽命就會(huì )延長(cháng)兩倍。另外，作為工作電流函數的相對光輸出(光通量)與二極管電流密切相關(guān)，因此可以通過(guò)改變正向電流進(jìn)行調光。在電流較低時(shí)，若將二極管電流增加一倍，則光輸出也會(huì )增加一倍；但是在電流較高時(shí)，電流上升100% 僅能使光輸出量增加80%。LED 是由會(huì )產(chǎn)生較大紋波電流的開(kāi)關(guān)電源驅動(dòng)的。實(shí)際上，開(kāi)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(huì )因此受到影響。
此外，還要考慮測量開(kāi)關(guān)電源設備的轉換速率(di/dt、dv/dt)、開(kāi)關(guān)損耗測量和安全工作區(SOA)。這些指標關(guān)系到開(kāi)關(guān)電源的效率。晶體管開(kāi)關(guān)電路在轉換過(guò)程中消耗的能量最大，常用的測量包括閉點(diǎn)損耗、開(kāi)點(diǎn)損耗、功率損耗、動(dòng)態(tài)開(kāi)點(diǎn)電阻、安全工作區(瞬時(shí)功率)等。最后，對實(shí)現LED調光的開(kāi)關(guān)電源還要進(jìn)行調制分析。實(shí)現LED 調光主要有兩種方法：一是降低LED 的電流；二是快速開(kāi)關(guān)LED，通過(guò)電流波形的脈寬調制(PWM)進(jìn)行調光更為準確。
脈沖寬度調制(PWM)或電流占空比控制方案，如圖1 所示，相比之前的簡(jiǎn)單恒流源來(lái)說(shuō)有許多優(yōu)勢。如需感覺(jué)較高的亮度，可以在較低的平均功率水平上相應提高LED 的峰值電流。因為亮度控制是由調節LED 電流的占空比來(lái)控制的，平均電流和亮度可以被控制，而無(wú)需改變電源電壓。這樣，設計人員可以著(zhù)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，在照明和顯示器應用上，PWM 需要高于100Hz 的頻率，以使肉眼感覺(jué)不到閃爍，10% 的脈沖寬度要在毫秒范圍內，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(shí)現極快的瞬態(tài)響應。圖2顯示了使用示波器驗證LED 背光電路性能的測量結果。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(藍色波形)在數百毫安量級。紅色波形顯示的是LED的瞬時(shí)功耗情況，顯示平均功率大約是900mW。與CCFL背光電路相比，節約了大約200mW 的功率。
根據實(shí)際情況，一些測量指標如線(xiàn)路自動(dòng)測量(電源質(zhì)量、諧波分析)也是LED照明應用不可或缺的，為的是在出廠(chǎng)時(shí)滿(mǎn)足相應的規范標準。
選擇最適用的LED 測試解決方案
實(shí)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的電流紋波指標在1mA級甚至幾百μA，若探頭的動(dòng)態(tài)范圍達不到，則可通過(guò)增加繞組的方法來(lái)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(jiǎn)單的電流紋波測量方案，精準捕捉電源毛刺，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(kāi)關(guān)器件的損耗測量，使用帶有DPO4PWR電源分析應用模塊軟件的MSO/DPO4000B 示波器更加方便。它可以自動(dòng)計算開(kāi)點(diǎn)損耗、閉點(diǎn)損耗和傳導損耗。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確定時(shí)。另外，處理開(kāi)關(guān)信號頻率成分的示波器要有足夠的帶寬和上升時(shí)間，且具備快速采樣率，以捕捉跳變。為實(shí)現長(cháng)時(shí)間采集，還要具備深記錄長(cháng)度。實(shí)際上，
泰克DPO/MSO4000B和3000系列示波器就分別具備了高達20M 和5M 點(diǎn)的記錄長(cháng)度，采樣率高達5GS/s。另外，泰克示波器配備的獨特Wave Inspector搜索和導航工具，以及前面板控制功能和強制外圈反饋可大大改善操作便捷性，而且支持捕捉負載變化事件、追蹤瞬態(tài)功率值、將瞬態(tài)功率點(diǎn)與相應的時(shí)域波形對應分析及放大波形細節等功能。
在制定電源質(zhì)量測量方案時(shí)，需要注意這樣一些問(wèn)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(xiàn)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)標準，如EN61000-3-2、MIL-STD-1399 等，泰克公司的示波器均提供這些標準的選項，使用者可輕松完成一致性測試，看是否能夠通過(guò)。
結論
能效設計技術(shù)帶來(lái)了新的、復雜的測試挑戰，需要設計工程師進(jìn)行大量的、艱苦的測試，以調試快速變化的信號、復雜的協(xié)議和電流電壓的微小變化。驗證、調試和檢定這些設計需要強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(wàn)用表。簡(jiǎn)化復雜測量的自動(dòng)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)新出臺的相應標準，可很好地滿(mǎn)足LED照明應用開(kāi)發(fā)的測試測試測量需求，幫助開(kāi)發(fā)人員克服應用方面的各種挑戰，進(jìn)而降低總體開(kāi)發(fā)成本，加快產(chǎn)品上市進(jìn)程。
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