泰克利用先进测试技术应对LED照明应用挑战

今天，在绿色节能意识的推动下，节约能源已成为广大电子产品设计人员和消费者的共识。而高亮度LED在光输出、能效及成本方面的全面改善，以及具备小巧、低压工作及环保等众多优势，使之应用范围也在不断拓宽。未来，LED照明在通用照明、景观照明、信号灯、广告显示牌、汽车照明、LCD背光显示等领域的增长前景尤为可观，随之涌现了很多研发和制造企业以配套厂商。但是广大开发者也面临着一些棘手的瓶颈问题。本文将结合泰克公司的先进测试解决方案，谈谈如何应对LED照明应用的挑战，帮助照明设计工程师选择合适的方案,加快产品上市进程。 　　LED照明应用的瓶颈 　　2009年初，中国科技部推出“十城万盏”半导体照明应用示范城市方案，由此引发了LED热在中国的蔓延。有数据显示，中国LED产业在未来两年将达1500亿元人民币的规模。发热(寿命)、成本和符合标准也是阻碍LED照明应用的三大难题。LED的发热是一个无法回避的问题，因为理论和实践已经证明，LED的性能和寿命与LED的pn结工作温度紧密相关，直接影响着其在照明领域的替代性。过流、过压和过热都会显著降低LED的发光性能，缩短使用寿命。 　　目前，LED的成本还很高，特别是前期投入较大，影响了它向更广泛领域的拓展；目前在国内还没有明确的LED标准，如何进行测试也是一个需要解决的问题。因此，在制定过温度保护方案之前，需要参照相应的标准和实际应用，通过适当的测试解决方案来选择和/或确定有源开关器件和相应电源电路的设计。 　　LED测试的重点 　　无论是否具备保护功能，驱动LED的开关电源电路都是保证系统安全可靠工作的第一道防线，也是提升LED照明系统整体能效、降低总体成本、实现相应控制功能(如调光)的关键。从LED驱动电路和保护电路等实际应用电路的开发角度来说，克服LED应用瓶颈离不开对各种电性能精准、可靠和低成本的测试测量，尤其是开关电源的电性能测试，重点在于电流测试。 　　在众多电性能当中，值得工程师们特别对待的是LED电流纹波，它关系到开关电源的成本和光通量的平衡折衷。根据经验，结温每降低10℃，半导体的使用寿命就会延长两倍。另外，作为工作电流函数的相对光输出(光通量)与二极管电流密切相关，因此可以通过改变正向电流进行调光。在电流较低时，若将二极管电流增加一倍，则光输出也会增加一倍；但是在电流较高时，电流上升100%仅能使光输出量增加80%。LED是由会产生较大纹波电流的开关电源驱动的。实际上，开关电源的成本在某种程度上是由所允许的电流大小决定的，纹波电流越大，电源成本就越低，但光输出会因此受到影响。 　　此外，还要考虑测量开关电源设备的转换速率(di/dt、dv/dt)、开关损耗测量和安全工作区(SOA)。这些指标关系到开关电源的效率。晶体管开关电路在转换过程中消耗的能量最大，常用的测量包括闭点损耗、开点损耗、功率损耗、动态开点电阻、安全工作区(瞬时功率)等。最后，对实现LED调光的开关电源还要进行调制分析。实现LED调光主要有两种方法：一是降低LED的电流；二是快速开关LED，通过电流波形的脉宽调制(PWM)进行调光更为准确。 　　脉冲宽度调制(PWM)或电流占空比控制方案，如图1所示，相比之前的简单恒流源来说有许多优势。如需感觉较高的亮度，可以在较低的平均功率水平上相应提高LED的峰值电流。因为亮度控制是由调节LED电流的占空比来控制的，平均电流和亮度可以被控制，而无需改变电源电压。这样，设计人员可以着眼于优化电路的DC-DC变换器的效率。最后，因为峰值电流并未改变，LED工作在相同的电流水平上(例如，白光LED通常为15-20mA)，其辐射的颜色也是恒定的。 　　显然，后者已成为行业的主流方法，在照明和显示器应用上，PWM需要高于100Hz的频率，以使肉眼感觉不到闪烁，10%的脉冲宽度要在毫秒范围内，并要求电源的带宽大于10kHz，而且控制环路总是处于激活状态，实现极快的瞬态响应。图2显示了使用示波器验证LED背光电路性能的测量结果。如图所示，直流电压(黄色波形)大约为6.4V。这里使用了TektronixTDP系列差分探头测试。电流(蓝色波形)在数百毫安量级。红色波形显示的是LED的瞬时功耗情况，显示平均功率大约是900mW。与CCFL背光电路相比，节约了大约200mW的功率。 　　根据实际情况，一些测量指标如线路自动测量(电源质量、谐波分析)也是LED照明应用不可或缺的，为的是在出厂时满足相应的规范标准。 　　选择最适用的LED测试解决方案 　　实际测试中要选择最适用的示波器和配件。对于纹波测量，电流探头的选择很重要。LED的电流纹波指标在1mA级甚至几百μA，若探头的动态范围达不到，则可通过增加绕组的方法来测量微小的电流。泰克DPO4000B/DPO5000/DPO7000示波器连接的TCP0030AC/DC电流探头就可以提供精确简单的电流纹波测量方案，精准捕捉电源毛刺，并支持更高的电压。TCPA300+TCP312(放大器)则可与任意品牌的示波器相连，组成电源测试方案。 　　而对于有源开关器件的损耗测量，使用带有DPO4PWR电源分析应用模块软件的MSO/DPO4000B示波器更加方便。它可以自动计算开点损耗、闭点损耗和传导损耗。借助TekVPI探头和偏移校正套件，还可消除电压探头与电流探头之间的偏移，保证电压波形和电流波形之间的准确定时。另外，处理开关信号频率成分的示波器要有足够的带宽和上升时间，且具备快速采样率，以捕捉跳变。为实现长时间采集，还要具备深记录长度。实际上，泰克DPO/MSO4000B和3000系列示波器就分别具备了高达20M和5M点的记录长度，采样率高达5GS/s。另外，泰克示波器配备的独特WaveInspector搜索和导航工具，以及前面板控制功能和强制外圈反馈可大大改善操作便捷性，而且支持捕捉负载变化事件、追踪瞬态功率值、将瞬态功率点与相应的时域波形对应分析及放大波形细节等功能。 　　在制定电源质量测量方案时，需要注意这样一些问题：第一，测量的电源与其服务环境的相互作用；第二，必须在输入电源线上直接测量电压和电流；第三，要使用高压探头，通常是差分探头。至于必须符合的相关标准，如EN61000-3-2、MIL-STD-1399等，泰克公司的示波器均提供这些标准的选项，使用者可轻松完成一致性测试，看是否能够通过。 　　结论 　　能效设计技术带来了新的、复杂的测试挑战，需要设计工程师进行大量的、艰苦的测试，以调试快速变化的信号、复杂的协议和电流电压的微小变化。验证、调试和检定这些设计需要强大而完备的测量工具。这些工具包括示波器、逻辑分析仪、探头、信号源和万用表。简化复杂测量的自动化软件包也是这套工具的重要组成部分。从MSO/DPO4000B和DPO3000系列示波器到电源分析捆绑解决方案，包括电源测量模块软件、探头、校准工具，泰克公司拥有完善的一系列电源测量工具，并在不断更新换代，跟进新出台的相应标准，可很好地满足LED照明应用开发的测试测试测量需求，帮助开发人员克服应用方面的各种挑战，进而降低总体开发成本，加快产品上市进程。