泰克專家支招 解決測試挑戰以克服LED照明應用瓶頸

　近日，第二屆亞太LED技術論壇峰會在深圳和寧波相繼舉辦。深圳和華南地區在中國LED照明產業的重要位置自然無須多言，但寧波和整個杭州灣區的LED配套產業出乎很多人意料地正迅速崛起，涌現了很多LED通用照明、景觀照明、信號燈、廣告顯示牌、汽車照明、背光顯示方面的研發和制造企業以及配套廠商。針對這兩大區域的LED業內人士，本次大會邀請多家國際知名公司的技術專家到會重點分享包括LED驅動和電源解決方案、LED照明的電路保護和LED測試解決方案等方面的創新技術和應用開發理念。與眾多宣講LED驅動IC和元器件應用的演講不同，泰克科技公司《整合您的LED測試技術解決方案》的演講尤其引人注目，該公司的專家深入淺出地闡述了LED照明應用設計和測試挑戰及相應的解決方案，獲得了現場聽眾的熱烈反響。
　　2009年初中國科技部推出"十城萬盞"半導體照明應用示范城市方案，由此引發LED熱開始在中國蔓延。有數據顯示，中國LED產業到未來兩年將達1500億元規模。因而我們看到：歐普、雷士、TCL、佛照、史佛特等傳統照明巨頭高調進入LED領域，幾乎所有的本土照明企業都亢奮地將目光瞄向這個領域……一場"全民LED運動"在中國如火如荼地展開。
　　阻礙LED照明應用美好前程的三大難題
　　盡管不斷有業內人士拋出LED行業存在各種隱憂的言論，但仍然無法阻擋廣大企業想吃到這塊"燙手山芋"的熱情。熱情需要理性來支撐，廣大開發者必須在實際開發和設計過程中想方設法克服各種瓶頸問題，特別是測試翹楚泰克科技和其他許多與會專家提到的發熱（壽命）、成本、標準符合這三大難題。
　　泰克科技華南區分銷產品部客戶經理陳文權指出："LED單管的發熱明顯，散熱問題直接影響其在照明領域的替代性；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域拓展；如今在國內沒有明確的標準，預計年內能夠形成，現階段可參照一些較嚴格的行業標準進行設計。"

　　圖1：泰克科技華南區分銷產品部客戶經理陳文權深入淺出地闡述LED照明應用設計和測試挑戰及相應的解決方案。
　　另外兩家元器件巨頭村田和泰科電子的專家在演講中都提到，對于LED照明應用，發熱是無法回避的問題，因為理論和時間都已證明，LED的性能和壽命是與LED的pn結工作溫度緊密相關的。過流、過壓和過熱都會顯著的減少LED的發光性能和使用壽命。在制定針對這些情況的過溫保護方案之前，需要參照相應的標準和實際應用，以便獲得最具成本效益的結果。如對于道路交通信號燈應用，可能就是達到規定溫度就立即保護或發送告警通知，以免影響相關標準要求達到的最低光強級別，產生交通安全隱患；對于道路或家居照明，可能是達到一定溫度開始啟動保護，先降低電流，到達溫度保護居里點后立即保護。
　　無論是自帶保護功能還是不具備保護功能，驅動LED的開關電源電路都稱得上是保證系統安全可靠工作的第一道防線，同時也是提升LED照明系統整體能效、降低其總體成本、實現相應控制功能（如調光）的關鍵所在，因此必須通過適當的測試解決方案來幫助選擇和/或確定有源開關器件和相應電源電路的設計。
　　從LED驅動電路和保護電路等實際應用電路的開發角度來說，克服LED上述三大難題離不開精準、可靠和低成本地實現各種電性能的測試測量，尤其是開關電源的電性能測試，而且更加側重電流測試。
　　應對瓶頸問題的測試測量考量要點建議
　　那么對于LED照明應用開發來說，哪些關鍵的電性能是值得工程師們特別對待的呢？泰克公司陳文權表示，LED電流紋波首當其沖，并且關系到開關電源的成本和光通量平衡折衷。
　　他分析到，紋波電流通過提高功耗而影響LED性能，這可能導致結溫升高，而且對LED的使用壽命有重大影響。根據經驗，結溫每降低10℃，半導體的使用壽命就會延長2倍。另外，作為工作電流函數的相對光輸出（光通量）與二極管電流是密切相關的，因此可以通過改變正向電流進行調光。在電流較低時，若將二極管電流增大一倍，則光輸出也會增加一倍；但是電流較高時，電流上升100%僅能使光輸出量增加80%。LED是由會產生較大紋波電流的開關電源驅動的。實際上，開關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。
　　陳文權進一步指出，開關電源設備的轉換速率（di/dt、dv/dt）、開關損耗測量、安全工作區(SOA)都是測試測量的考量要點。這些指標考驗著開關電源的效率。晶體管開關電路在轉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、動態開點電阻、安全工作區（瞬時功率）。
　　再者，對實現LED調光的開關電源調制分析也必不可少。實現LED調光主要有兩種方法：一是降低LED的電流；二是快速地開關LED，并且通過電流波形的脈寬調制(PWM)進行調光更為準確。顯然，后者已成為行業主流，在照明和顯示器應用上，PWM需要高于100Hz的頻率，以使肉眼感覺不到閃爍，10%的脈沖寬度在ms范圍內，并要求電源的帶寬大于10kHz，而且控制環路總是處于激活狀態，并實現了極快的瞬態響應。
　　另外，陳文權指出，線路自動測量，包括電源質量、諧波分析也是LED照明應用不可或缺的測量指標，以便出廠時滿足相應的標準規定。其中包括真實功率、無功功率、視在功率、功率因數、波峰因數、電流諧波測量和THD。
　　對癥下藥：找到最合適的測試測量方案和示波器
　　陳文權在演講中與到會的工程師分享了測試上述一系列電性能指標時需要注意的事項以及相應示波器和配件的選擇。
　　對于紋波測量，電流探頭的選擇很重要。LED單管的電流紋波指標在1m A級甚至幾百個uA，若探頭的動態范圍達不到，則可通過增加繞組的方法來測量微小的電流。直接與泰克DPO4000/7000示波器相連的TCP0030 AC/DC電流探頭提供了精確簡單的電流紋波測量方案，并且支持更高電壓。TACPA300+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。

　　圖2：泰克的工程師正在用MSO4000系列示波器和信號板演示電源毛刺的精準捕捉。
　　而對于有源開關器件損耗測量，諸如帶有DPO4PWR電源分析應用模塊軟件的MSO/DPO4000示波器就非常方便，可自動計算開點損耗、閉點損耗和傳導損耗。不過，陳文權提醒到，電壓波形和電流波形之間的定時必須準確，可借助諸如TekVPI探頭和偏移校正套件，消除電壓探頭與電流探頭之間的偏移。另外，為處理開關信號頻率成分示波器要提供足夠的帶寬和上升時間，而且要具備快速采樣率，以捕捉跳變，另外就是需要提供深記錄長度以實現長時間采集。
　　"開關信號上升時間可能會相當快，為準確地進行測量，測量系統（示波器加探頭）的上升時間應該快5倍。"陳文權強調說，"而對于上電調制分析，記錄長度很重要，開關單元的控制信號電壓和電流的脈寬和幅度可非常完整得被記錄。"實際上，泰克公司的DPO/MSO4000和3000系列示波器就分別具備高達10M和5M點的記錄長度，采樣率高達5GS/s。
　　另外，在如今非常長的記錄長度情況下，以往傳統的示波器旋鈕顯得不合時宜，很花費時間。另外，開關電源和能量損耗測量更多的是看瞬態變化，若還是用手工或電腦編程來計算，就會非常麻煩。因此他特別推薦泰克示波器配備的獨特Wave Inspector搜索和導航工具，其前面板控制功能和強制外圈反饋可大大改善操作便捷性，而且可支持捕捉負載變化事件，追蹤瞬態功率值，將瞬態功率點與相應的時域波形對應分析及放大波形細節等。
　　對于電源質量測量，陳文權給出的測量建議是：1.檢定電源與其服務環境的相互作用；2.必須直接在輸入電源線上測量電壓和電流；3.要求高壓探頭，通常是差分探頭。至于必須符合的相關標準，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。
　　如前面提到的，中國的LED照明行業目前處于標準缺失的狀態，相關組織機構正在加緊制定此類行業標準。在這種情況下，開發者可以選擇一些國際上已經存在的行業公認的標準進行參照，如泰克專家在演講中提到的例子--LED舞臺燈光領域的美國標準DMX512（兼容RS-485）、電路保護和元器件測試方面的美國軍工標準MIL-STD-883G、ESD-STM5.2-1999等。"要求達到這些標準而進行相關測試測量的廠商就是我們的實際客戶，值得大家借鑒。"陳文權表示，"從MSO/DPO4000和DPO3000系列示波器，到電源分析捆綁解決方案，即電源測量模塊軟件、探頭、校準工具，泰克公司擁有完善的一系列電源測量工具，并不斷更新換代，跟進相應標準的出臺，可很好地滿足LED照明應用開發的測試測試測量需求，幫助克服應用方面的各種挑戰，進而降低總體開發成本。