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　　一 前言

　　設(shè)計者們給發(fā)光二極管—LED和陣列作光源設(shè)計的供電電源，稱之為LED電子驅(qū)動器。對于LED照明器件和系統(tǒng)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行控制的電子驅(qū)動器，LED陣列的規(guī)模少則由十幾個、幾十個，多則上百個甚至更多的發(fā)光二極管組成。這種動態(tài)的光源驅(qū)動器設(shè)計復(fù)雜程度遠遠超過原先各種氣體放電輝光管鎮(zhèn)流器。這個全新的領(lǐng)域，給LED照明器件及系統(tǒng)設(shè)計者和制造廠商帶來了新的挑戰(zhàn)。輝光放電管鎮(zhèn)流器設(shè)計只需關(guān)注鎮(zhèn)流器內(nèi)部的電子組件設(shè)計是否合理、可行。而LED照明器件及系統(tǒng)設(shè)計則必須額外考慮LED光源的問題。設(shè)計者必須考慮驅(qū)動器會給由若干LED芯片組成的陣列與其他電子元器件串、并或混聯(lián)構(gòu)成的電路模塊帶來各種干擾。

　　二　電源系統(tǒng)的兼容性

　　向LED或LED陣列提供電功率是LED照明器件與系統(tǒng)從設(shè)計到實施，以及保證終端用戶都可靠的工作狀態(tài)，并與供電源系統(tǒng)有良好兼容性必須考慮的重要問題。電源系統(tǒng)包括了人們?nèi)粘Ｉ钪械母鞣N電氣基礎(chǔ)設(shè)施和市電電網(wǎng)公共設(shè)施。

　　研究表明，通常情況下，用戶具備并操作的電源設(shè)備通常會存在種種不太合理的連線或者接地處理錯誤。當(dāng)外部公共電源設(shè)施發(fā)生普遍電流干擾時，不合理甚至錯誤的連線或接地處理會加劇干擾的程度，增加用戶電子照明器件的損壞幾率，嚴(yán)重時還會造成器件的永久性破壞。LED照明器件和系統(tǒng)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(nèi)外照明、商場和工廠等建筑內(nèi)外的照明設(shè)施以及市政電線桿上的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(dāng)照明器件及系統(tǒng)意外失效時，商業(yè)運作、生產(chǎn)作業(yè)和日常生活都會被迫終止，如果一段時間內(nèi)照明不能恢復(fù)，人們會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、交通事故破壞電線桿、建設(shè)施工工人破壞地下供電設(shè)施，甚至是動物爬到供電變壓器及高壓電纜上所帶來的影響，這些都在日常生活中并不偶然發(fā)生的事例了。諸如此類的事故，都會造成供電系統(tǒng)暫時性的故障，使得照明器件及系統(tǒng)遭受電氣干擾，嚴(yán)重的還存在中斷的困擾。

　　目前全世界范圍內(nèi)能源問題得到了廣泛的關(guān)注，提高能效以及節(jié)約能源對于凈化我們的星球和建設(shè)綠色社會環(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(biāo)制定在發(fā)展和使用高效的，能夠在用電高峰時段減少負荷量的電子照明器件上。當(dāng)然，如果照明器件在沒有達到預(yù)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(jié)約能源的初衷就變得毫無意義。

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

　　三　LED照明器件及系統(tǒng)的可靠性

　　首先，什么是可靠性?其定義為——產(chǎn)品在規(guī)定的條件和規(guī)定的時間內(nèi)，完成規(guī)定的功能的能力。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代化的操作機器、工程裝備、交通工具和各類探索儀器的設(shè)計越來越復(fù)雜，功能越來越完善，因此這些電子、電氣產(chǎn)品的性能優(yōu)劣變得越來越明顯。于此同時，這些機器和設(shè)備等的可靠性漸漸受到了人們廣泛的重視，這種可靠性就被稱為系統(tǒng)可靠性。可靠性的指標(biāo)要求是隨著系統(tǒng)越復(fù)雜而更高的，如果可靠性達不到系統(tǒng)指標(biāo)的要求，則系統(tǒng)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、信譽上，甚至是造成生命安全或更嚴(yán)重的災(zāi)難性等后果。譬如汽車的制動系統(tǒng)的不可靠或工作失誤可導(dǎo)致剎車失靈，很有可能造成重大損失甚至生命危險;重大的投票選舉時，如果采用計算機系統(tǒng)統(tǒng)計，若此時系統(tǒng)失效而打亂了統(tǒng)計結(jié)果，后果將不堪設(shè)想。因此，可以說系統(tǒng)可靠性概念的引入，對電子產(chǎn)品有著重大的意義。

　　提高系統(tǒng)的可靠性，一方面要提高構(gòu)成系統(tǒng)的各元件本身的可靠性，如：要提高汽車制動的可靠性，首先要提高剎車位、控制系統(tǒng)等的可靠性。另一方面還要提高系統(tǒng)承受誤操作的可靠性。

　　提高系統(tǒng)的可靠性的根源在于系統(tǒng)的設(shè)計。要使系統(tǒng)的元器件工作在正常狀態(tài)下，沒有過載超負荷等現(xiàn)象的發(fā)生，并且要有一定的余量。也可以通過設(shè)計備用方案，使系統(tǒng)即使有個別元器件或設(shè)備出現(xiàn)故障仍能正常工作。當(dāng)然備用方案的設(shè)計有可能增加系統(tǒng)的復(fù)雜性和成本，但是如果設(shè)計得合理，在成本的增加和使系統(tǒng)的可靠性提高上有很好的性價比，是完全值得的。

　　四　LED照明器件及系統(tǒng)的兼容性

　　電子產(chǎn)品的兼容性問題主要是電磁兼容性(EMC)，定義為設(shè)備、系統(tǒng)、子系統(tǒng)在共同的電磁環(huán)境中能一起執(zhí)行各自功能的共存狀態(tài)。即該設(shè)備、系統(tǒng)、子系統(tǒng)不會由于受到處于同一電磁環(huán)境中其他設(shè)備的電磁發(fā)射導(dǎo)致或遭受不允許的性能降低，也不會使同一電磁環(huán)境中其他設(shè)備、系統(tǒng)、子系統(tǒng)因它的電磁發(fā)射而導(dǎo)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(xiàn)為傳導(dǎo)干擾和輻射干擾，傳導(dǎo)干擾主要是電子設(shè)備產(chǎn)生的干擾信號通過導(dǎo)電介質(zhì)或公共電源線互相產(chǎn)生干擾;輻射干擾是指電子設(shè)備產(chǎn)生的干擾信號通過空間耦合把干擾信號傳給電網(wǎng)絡(luò)或電子設(shè)備。而后者主要指系統(tǒng)對諸如靜電放電、輻射、脈沖群、雷擊、傳導(dǎo)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)品有著不同的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，產(chǎn)品在特定等級下滿足這些標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品，被稱為具有電磁兼容性。

　　五　電磁兼容性測試

　　之前已提到過，系統(tǒng)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(tǒng)時的幾個重要步驟為：

　　1) 傳導(dǎo)干擾

　　傳導(dǎo)干擾是指LED照明器件本身產(chǎn)生，從而進行導(dǎo)體傳輸?shù)碾姶鸥蓴_。這種測試頻率范圍一般為9KHz～30MHz，屬于低頻現(xiàn)象。

　　2) 輻射干擾

　　輻射干擾也是由器件自身產(chǎn)生，并通過空間傳播形成的干擾電磁波。LED照明器件由內(nèi)部電路通過產(chǎn)品的電線電纜或結(jié)構(gòu)件外殼形成對外的輻射干擾，相當(dāng)于天線發(fā)射效應(yīng)。

　　3) 諧波電流干擾

　　產(chǎn)生諧波電流的原因之一是非線性的負載，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(xiàn)象在干燥的冬季更為嚴(yán)重，在這種環(huán)境下的摩擦很容易導(dǎo)致人體攜帶大量的靜電，此時如果人體觸摸LED產(chǎn)品或與其鄰近設(shè)備，會形成直接或間接的放電，產(chǎn)生的脈沖電壓可能導(dǎo)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)品的繼電器開合或開關(guān)通斷，也會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(xiàn)、脈沖重復(fù)頻率較高及脈沖波形的上升時間短暫等特征。

　　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(dǎo)致器件的損壞。此外，大型開關(guān)切換瞬間也會在供電線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、短時中斷和電壓變化統(tǒng)稱為周波跌落。周波跌落干擾的抵抗能力指標(biāo)考核了該LED照明器件是否具備工作在不穩(wěn)定的電網(wǎng)中的能力。

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

　　六　兼容性測試的經(jīng)濟效應(yīng)

　　兼容性測試的初期成本很高，需要大量昂貴的設(shè)備來構(gòu)建測試環(huán)境，即便是外發(fā)委托測試，也會產(chǎn)生許多費用，隨著產(chǎn)品的多樣化，投入費用只會比前者更多。除此以外，設(shè)計者們還需要對測試過程中暴露出的不合格或不理想的環(huán)節(jié)做出修改，人力、物力、財力上都會承擔(dān)一定的負擔(dān)。因此，很多制造商會對是否有必要進行兼容性測試這一問題上產(chǎn)生疑慮。

　　然而，從長遠來看，能夠引入兼容性測試這個概念的商家，各種好處將會在后期越來越多的得以體現(xiàn)。我們知道，EMC設(shè)計和EMC測試是相輔相成的。EMC測試直接反映了EMC設(shè)計的好壞。只有在產(chǎn)品的EMC設(shè)計和研發(fā)過程中進行EMC相容性的預(yù)測和評估，才能及早發(fā)現(xiàn)可能存在的電磁干擾，并采取有效的抑制和防范措施，從而確保系統(tǒng)的電磁兼容性。EMC設(shè)計一個經(jīng)驗累積的過程，積累越多的經(jīng)驗，就越能減少在修改設(shè)計和補救措施上的花費。另一方面，如今產(chǎn)品質(zhì)量的重要性逐漸被更多的人所認(rèn)識，做過兼容性測試的產(chǎn)品較之沒有做過兼容性測試的產(chǎn)品在性能質(zhì)量及可靠性方面有更高的保障，這對于樹立良好的品牌形象帶來更多的經(jīng)濟收益是至關(guān)重要的。

　　七　兼容性測試與LED性能標(biāo)準(zhǔn)

　　LED照明技術(shù)問世以后，由于缺少固態(tài)照明(SSL)的標(biāo)準(zhǔn)使市場上出現(xiàn)了諸多混亂。不同廠商間測試方法和術(shù)語的不同使新興的LED產(chǎn)品很難與傳統(tǒng)照明產(chǎn)品進行比較，LED產(chǎn)品間也無法比較。為解決這一困境，在2008年由一些權(quán)威組織和機構(gòu)聯(lián)合頒布了LM-79和LM-80標(biāo)準(zhǔn)：前者是固態(tài)照明設(shè)備電子和光度的認(rèn)可測試方法，可以計算LED產(chǎn)品的燈具效率(通過光凈光輸出量除以輸出功率計算每瓦流明量)，燈具效率是測量LED產(chǎn)品性能最可靠的途徑，通過衡量燈具性能替代曾經(jīng)依賴的傳統(tǒng)手段來區(qū)別燈具等級和燈具功效，這項標(biāo)準(zhǔn)為幫助建立燈具性能的精確比較提供基礎(chǔ)，不僅僅是固態(tài)照明產(chǎn)品同時也針對各種光源;后者是LED光源流明衰減核定測量方法，通過對光源流明衰減方式的定義，從而對LED預(yù)期壽命進行評估，與靠燈絲發(fā)光的光源不一樣(燈絲發(fā)光的燈會完全失效不亮)，而發(fā)光二極管通常不會這樣，LED的光會隨著時間慢慢的減弱，這是所謂的流明衰減，這項標(biāo)準(zhǔn)是對流明衰減測試的方法制訂了一套標(biāo)準(zhǔn)。除此以外，還有一些關(guān)于LED的性能標(biāo)準(zhǔn)，在此不一一列舉了。如今的LED照明器件及系統(tǒng)的兼容性測試，應(yīng)該結(jié)合這些標(biāo)準(zhǔn)，從而獲取更多有關(guān)LED照明器件及系統(tǒng)在日常真實的電氣環(huán)境中的使用性能知識。

　　八　兼容性測試環(huán)境設(shè)計的實例

　　在此以SJ-T2355-半導(dǎo)體發(fā)光二極管芯片的靜電抗干擾測試為例，簡單說明兼容性測試應(yīng)該如何具體去實施，以及如何檢驗。

　　SJ-T2355-半導(dǎo)體發(fā)光二極管芯片的靜電放電敏感性測試和分類：

　　1) 人體模式的靜電放電敏感性測試

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　　圖1人體模式的靜電放電敏感性測試原理圖

　　① 雙極性脈沖發(fā)生器應(yīng)該設(shè)計為避免重復(fù)充電和產(chǎn)生雙脈沖。不能靠交換A、B端點來獲得雙極性性能。

　　② 開關(guān)SW1須在脈沖通過后關(guān)閉10ms～100ms，以確保被試插座不在充電狀態(tài)，它也應(yīng)該先于下個脈沖到來前至少開啟10ms。電阻R1和開關(guān)串聯(lián)以確保器件有一個慢放電，這樣就避免了一個帶電器件模式放電的可能性。

　　③ 圖1中評價電阻負載1為：一種截面為0.83mm2～0.21mm2鍍錫銅短路線，跨距適合試驗插座。負載2為：500Ω，±1%，1000V，低電感薄膜電阻。

　　④ 示波器要求：最小靈敏度100mA/cm(電流傳感器)，帶寬350MHz，最小寫入速率1cm/ns。

　　⑤ 電流傳感器要求

　　最小帶寬350MHz;

　　峰值脈沖電流12A;

　　上升時間小于1ns;

　　能采用1.5mm直徑的實導(dǎo)體;

　　能提供1mv/mA～5 mv/mA的輸出電壓;

　　⑥ 測試插座上再疊插一個插座(第二個插座疊插在主測試插座上)的情況，僅在第二個插座的波形滿足本標(biāo)準(zhǔn)的要求才允許;

　　⑦ 使用短路線，分別獲得各敏感度等級的電流波形，修正這些波形使?jié)M足圖2的要求;

　　⑧ 電流脈沖應(yīng)滿足下列特性

　　脈沖上升時間tr為：5ns～25ns;

　　最大允許振鈴波峰對峰值Ir必須小于Ipr的15%，脈沖起始后要求100ns內(nèi)沒有明顯振鈴波;

　　如圖4所示，Ipr是通過500Ω負載電阻的峰值電流，對于1000V預(yù)充電壓它應(yīng)在375mA～500mA之間。對于4000V預(yù)充電電壓它應(yīng)在1.5A～2.2A。它不應(yīng)小于相同靈敏度等級的早先測量得到的Ips值的63%。

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　　圖2 通過短路線的電流脈沖

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　　圖3 通過短路線的電流波形

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　　圖4 通過500Ω電阻的電流波形

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　　測試步驟：

　　靜電放電測試時要求一次至少使用三個樣本，每個樣本規(guī)定的靜態(tài)和動態(tài)參數(shù)都要事先進行測試并記錄。

　　① 在試驗器插座上(A，B端)分別插上評價負載(短路線和R2);電流探針置于B端處;按表4設(shè)置試驗器充電電壓;

　　② 分別引發(fā)試驗器脈沖，觀測電壓波形，要求上升時間、峰值電流和振鈴波形滿足要求。采用拍照或數(shù)字貯存方式記錄這些波形。

　　③ 在試驗器插座上換上被測器件(DUT)進行放電試驗，通常按表4從最低電壓檔開始，每個被測器件應(yīng)采用一個正向和一個反向脈沖試驗，允許脈沖之間至少間隔0.3s時間。

　　④ 在室溫下測試樣本的所有靜態(tài)和動態(tài)參數(shù)。如果要求多個溫度，首先從最低溫度開始。

　　⑤ 如果所有三個樣本都通過規(guī)定數(shù)據(jù)的參數(shù)測試，則再用表4中更高一擋電壓試驗。記錄通過的最高電壓檔。

　　⑥ 如果有一個或多個樣本失效，重新用三個新的樣本，以降低一擋表4中電壓進行試驗。如果繼續(xù)有失效，再降低一擋，如果還有失效，則停止試驗。

　　⑦ 按表4進行分級。

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　　2) 機器模式的靜電放電敏感性測試

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　　圖5　機器模式的靜電放電敏感性測試原理圖

　　① 雙極性脈沖發(fā)生器應(yīng)該設(shè)計為避免重復(fù)充電和產(chǎn)生雙脈沖。不能靠交換A、B端點來獲得雙極性性能。

　　② 開關(guān)SW1須在脈沖通過后關(guān)閉10ms～100ms，以確保被試插座不在充電狀態(tài)，它也應(yīng)該先于下個脈沖到來前至少開啟10ms。電阻R1和開關(guān)串聯(lián)以確保器件有一個慢放電，這樣就避免了一個帶電器件模式放電的可能性。

　　③ 圖5中評價電阻負載1為：一種截面為0.83mm2～0.21mm2鍍錫銅短路線，長度不大于75mm。負載2為：500Ω，±1%，1000V。

　　④ 電流傳感器要求

　　最小帶寬350MHz;

　　峰值脈沖電流15A;

　　上升時間小于1ns;

　　能采用1.5mm直徑的實導(dǎo)體;

　　能提供1mv/mA～5 mv/mA的輸出電壓;

　　⑤ 測試插座上再疊插一個插座(第二個插座疊插在主測試插座上)的情況，僅在第二個插座的波形滿足本標(biāo)準(zhǔn)的要求才允許;

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　　圖6 通過短路線的400V電壓放電電流波形

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　　圖7　通過500Ω電阻的400V電壓放電電流波形

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　　測試步驟：

　　機器模式靜電放電測試時要求一次測試至少使用三個樣本，每個樣本規(guī)定的靜態(tài)和動態(tài)參數(shù)都要事先進行測試并記錄。

　　① 在試驗器插座上(A，B端)插上短路線，分別施加100V、200V、400V電壓，電流探針置于B端處;記錄正和負的波形，修正波形使其滿足圖6的要求。

　　② 使用500Ω電阻，加電壓±400V，記錄并修正波形使其滿足圖7的要求。

　　③ 按表7確定靜電放電測試起始電壓。

　　④ 加三個正的和負的脈沖到每個被測試樣本，脈沖之間的間隔至少要1s。

　　⑤ 在室溫下測試樣本的所有靜態(tài)和動態(tài)參數(shù)。如果要求多個溫度，首先從最低溫度開始。

　　⑥ 如果所有三個樣本都通過規(guī)定數(shù)據(jù)的參數(shù)測試，則再用表7中更高一擋電壓試驗。記錄通過的最高電壓檔，并按表7將被測器件分類。

　　⑦ 如果有一個或多個樣本失效，重新用三個新的樣本，以降低一擋表7中電壓進行試驗。如果繼續(xù)有失效，再降低一擋，如果還有失效，則停止試驗。

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　　以上列舉的兩項為LED兼容性測試的一部分內(nèi)容。

　　九　系統(tǒng)可靠性建模

　　可靠性模型指的是系統(tǒng)可靠性邏輯框圖及其數(shù)學(xué)模型。原理圖表示系統(tǒng)中各部分之間的物理關(guān)系。而可靠性邏輯圖則表示系統(tǒng)中各部分之間的功能關(guān)系，即用簡明扼要的直觀方法表現(xiàn)能使系統(tǒng)完成任務(wù)的各種串聯(lián)、并聯(lián)和旁聯(lián)方框的組合。

　　了解系統(tǒng)中各個部分的功能和它們相互之間的聯(lián)系以及對整個系統(tǒng)的作用和影響對建立系統(tǒng)的可靠性數(shù)學(xué)模型、完成系統(tǒng)的可靠性設(shè)計、分配和預(yù)測都具有重要意義。借助于可靠性邏輯圖可以精確地表示出各個功能單元在系統(tǒng)中的作用和相互之間的關(guān)系。雖然根據(jù)原理圖也可以繪制出可靠性邏輯圖，但并不能將它們二者等同起來。

　　邏輯圖和原理圖在聯(lián)系形式和方框聯(lián)系數(shù)目上都不一定相同，有時在原理圖中是串聯(lián)的，而在邏輯圖中卻是并聯(lián)的;有時原理圖中只需一個方框即可表示，而在可靠性邏輯圖中卻需要兩個或幾個方框才能表示出來。隨著系統(tǒng)設(shè)計工作的進展，必須繪制一系列的可靠性邏輯框圖，這些框圖要逐漸細分下去，按級展開。

　　當(dāng)我們知道了組件中各單元的可靠性指標(biāo)(如可靠度、故障率或MTBF等)即可由下一級的邏輯框圖及數(shù)學(xué)模型計算上一級的可靠性指標(biāo)，這樣逐級向上推，直到算出系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)。這就是利用系統(tǒng)可靠性模型及已知的單元可靠性指標(biāo)預(yù)計或估計系統(tǒng)可靠性指標(biāo)的過程。

　　兼容性的測試結(jié)果通常和可靠性建模有著密切關(guān)系，兼容性測試結(jié)果可以輸入數(shù)據(jù)用于建立LED照明器件及系統(tǒng)的可靠性模型。如今，LED照明器件及系統(tǒng)的制造商可以采用工具來預(yù)測或研究整個LED產(chǎn)品的可靠性，包括每個內(nèi)部及外部因素是如何影響產(chǎn)品的可靠性的。

　　十　結(jié)束語

　　在電子產(chǎn)品設(shè)計上，過去人們著重于技術(shù)指標(biāo)和功能研究，但日益發(fā)展的電子產(chǎn)品和復(fù)雜的電磁環(huán)境中，電子產(chǎn)品相互的干擾和受干擾情況已經(jīng)是無法避免的事實。如何搞好產(chǎn)品的電磁兼容性，提升自身的抗干擾能力和減少對外的干擾能力，是如今設(shè)計者們所面臨的一個重大問題。