LED照明器件與系統(tǒng)設(shè)計因素關(guān)系分析

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(jìn)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(yuǎn)遠(yuǎn)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(fù)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(fù)荷量的電子照明器件上。當(dāng)然，如果照明器件在沒有達(dá)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?？煽啃缘闹笜?biāo)要求是隨著系統(tǒng)越復(fù)雜而更高的，如果可靠性達(dá)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(fù)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(jìn)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(fù)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(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(qū)動控制電路的輸入、輸出和LED產(chǎn)品的輸入端。[!--empirenews.page--]
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(fù)擔(dān)。因此，很多制造商會對是否有必要進(jìn)行兼容性測試這一問題上產(chǎn)生疑慮。

　　然而，從長遠(yuǎn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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

　　圖1人體模式的靜電放電敏感性測試原理圖

　?、?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。

　?、?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。

　?、?圖1中評價電阻負(fù)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(fù)載2為：500Ω，±1%，1000V，低電感薄膜電阻。

　?、?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;

　?、?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(fù)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%。

　　圖2 通過短路線的電流脈沖

　　圖3 通過短路線的電流波形

　　圖4 通過500Ω電阻的電流波形