LED照明器件与系统设计因素

一 前言

　　设计者们给发光二极管—LED和阵列作光源设计的供电电源，称之为LED电子驱动器。对于LED照明器件和系统而言，LED光源本身就是其电子封装组成的一部分。这种给LED阵列提供能源并对其进行控制的电子驱动器，LED阵列的规模少则由十几个、几十个，多则上百个甚至更多的发光二极管组成。这种动态的光源驱动器设计复杂程度远远超过原先各种气体放电辉光管镇流器。这个全新的领域，给LED照明器件及系统设计者和制造厂商带来了新的挑战。辉光放电管镇流器设计只需关注镇流器内部的电子组件设计是否合理、可行。而LED照明器件及系统设计则必须额外考虑LED光源的问题。设计者必须考虑驱动器会给由若干LED芯片组成的阵列与其他电子元器件串、并或混联构成的电路模块带来各种干扰。
 

　　二　电源系统的兼容性

　　向LED或LED阵列提供电功率是LED照明器件与系统从设计到实施，以及保证终端用户都可靠的工作状态，并与供电源系统有良好兼容性必须考虑的重要问题。电源系统包括了人们日常生活中的各种电气基础设施和市电电网公共设施。

　　研究表明，通常情况下，用户具备并操作的电源设备通常会存在种种不太合理的连线或者接地处理错误。当外部公共电源设施发生普遍电流干扰时，不合理甚至错误的连线或接地处理会加剧干扰的程度，增加用户电子照明器件的损坏几率，严重时还会造成器件的永久性破坏。LED照明器件和系统必须具有能在日常电气环境下正常工作的能力。典型的日常电气环境包括室内外照明、商场和工厂等建筑内外的照明设施以及市政电线杆上的LED路灯、探照灯等。

　　电气照明已经成为人们白天及黑夜生活必不可少的一部分。当照明器件及系统意外失效时，商业运作、生产作业和日常生活都会被迫终止，如果一段时间内照明不能恢复，人们会感到极为不便甚至不知所措。造成电气意外故障的原因有很多种，包括雷击、交通事故破坏电线杆、建设施工工人破坏地下供电设施，甚至是动物爬到供电变压器及高压电缆上所带来的影响，这些都在日常生活中并不偶然发生的事例了。诸如此类的事故，都会造成供电系统暂时性的故障，使得照明器件及系统遭受电气干扰，严重的还存在中断的困扰。

　　目前全世界范围内能源问题得到了广泛的关注，提高能效以及节约能源对于净化我们的星球和建设绿色社会环境是极其重要的。如今，照明约占电网总负荷的23%，人们都把目标制定在发展和使用高效的，能够在用电高峰时段减少负荷量的电子照明器件上。当然，如果照明器件在没有达到预期使用寿命之前就失效或完全不能发光了，那么所有提高能效以及节约能源的初衷就变得毫无意义。

　　综上所述，自然引出了关于讨论LED照明器件和系统的可靠性及兼容性相关的重要问题。

　　三　LED照明器件及系统的可靠性

　　首先，什么是可靠性 其定义为——产品在规定的条件和规定的时间内，完成规定的功能的能力。随着科学技术的发展，现代化的操作机器、工程装备、交通工具和各类探索仪器的设计越来越复杂，功能越来越完善，因此这些电子、电气产品的性能优劣变得越来越明显。于此同时，这些机器和设备等的可靠性渐渐受到了人们广泛的重视，这种可靠性就被称为系统可靠性。可靠性的指标要求是随着系统越复杂而更高的，如果可靠性达不到系统指标的要求，则系统出故障的可能性愈大、造成的损失也愈大。这些损失包括经济上、信誉上，甚至是造成生命安全或更严重的灾难性等后果。譬如汽车的制动系统的不可靠或工作失误可导致刹车失灵，很有可能造成重大损失甚至生命危险;重大的投票选举时，如果采用计算机系统统计，若此时系统失效而打乱了统计结果，后果将不堪设想。因此，可以说系统可靠性概念的引入，对电子产品有着重大的意义。

　　提高系统的可靠性，一方面要提高构成系统的各元件本身的可靠性，如：要提高汽车制动的可靠性，首先要提高刹车位、控制系统等的可靠性。另一方面还要提高系统承受误操作的可靠性。

　　提高系统的可靠性的根源在于系统的设计。要使系统的元器件工作在正常状态下，没有过载超负荷等现象的发生，并且要有一定的余量。也可以通过设计备用方案，使系统即使有个别元器件或设备出现故障仍能正常工作。当然备用方案的设计有可能增加系统的复杂性和成本，但是如果设计得合理，在成本的增加和使系统的可靠性提高上有很好的性价比，是完全值得的。

　　四　LED照明器件及系统的兼容性

　　电子产品的兼容性问题主要是电磁兼容性(EMC)，定义为设备、系统、子系统在共同的电磁环境中能一起执行各自功能的共存状态。即该设备、系统、子系统不会由于受到处于同一电磁环境中其他设备的电磁发射导致或遭受不允许的性能降低，也不会使同一电磁环境中其他设备、系统、子系统因它的电磁发射而导致或遭受不允许的性能降低。电磁兼容性包括两方面：电磁干扰(EMI)和电磁耐受(EMS)。前者主要表现为传导干扰和辐射干扰，传导干扰主要是电子设备产生的干扰信号通过导电介质或公共电源线互相产生干扰;辐射干扰是指电子设备产生的干扰信号通过空间耦合把干扰信号传给电网络或电子设备。而后者主要指系统对诸如静电放电、辐射、脉冲群、雷击、传导等干扰的耐受能力，即抗干扰能力。电子产品一般划分为民用级、工业级和军用级产品，不同等级的产品有着不同的标准规定，产品在特定等级下满足这些标准的产品，被称为具有电磁兼容性。

　　五　电磁兼容性测试

　　之前已提到过，系统的电磁兼容性测试可分为电磁干扰(EMI)和电磁耐受(EMS)两方面，具体运用在LED照明器件及系统时的几个重要步骤为：

　　1) 传导干扰

　　传导干扰是指LED照明器件本身产生，从而进行导体传输的电磁干扰。这种测试频率范围一般为9KHz～30MHz，属于低频现象。

　　2) 辐射干扰

　　辐射干扰也是由器件自身产生，并通过空间传播形成的干扰电磁波。LED照明器件由内部电路通过产品的电线电缆或结构件外壳形成对外的辐射干扰，相当于天线发射效应。

　　3) 谐波电流干扰

　　产生谐波电流的原因之一是非线性的负载，谐波电流干扰将影响电源电流的波形，使其畸变，这种干扰会对电网造成污染，必须加以控制。

　　4) 静电放电抗干扰能力

　　人体带有静电，这种现象在干燥的冬季更为严重，在这种环境下的摩擦很容易导致人体携带大量的静电，此时如果人体触摸LED产品或与其邻近设备，会形成直接或间接的放电，产生的脉冲电压可能导致LED的击穿损毁，因此对LED产品的抗静电能力有非常高的要求。

　　5) 快速瞬变脉冲群干扰的抵抗能力

　　产品的继电器开合或开关通断，也会对同一电路中的其他电子器件产生干扰，具有脉冲成群出现、脉冲重复频率较高及脉冲波形的上升时间短暂等特征。

　　6) 雷击浪涌抗干扰能力

　　雷击在电缆上形成能量很大的浪涌电压和电流，很容易导致器件的损坏。此外，大型开关切换瞬间也会在供电线路上形成浪涌电压和电流。

　　7) 周波跌落抗干扰能力

　　电压跌落、短时中断和电压变化统称为周波跌落。周波跌落干扰的抵抗能力指标考核了该LED照明器件是否具备工作在不稳定的电网中的能力。

　　以上测试步骤，前三项为EMI指标，后四项为EMS指标。值得注意的是，对于自整流的LED照明产品，测试时只需要对输入端进行试验，而非自整流的LED照明产品，则需要分别试验配套的驱动控制电路的输入、输出和LED产品的输入端。 [p] 六　兼容性测试的经济效应

　　兼容性测试的初期成本很高，需要大量昂贵的设备来构建测试环境，即便是外发委托测试，也会产生许多费用，随着产品的多样化，投入费用只会比前者更多。除此以外，设计者们还需要对测试过程中暴露出的不合格或不理想的环节做出修改，人力、物力、财力上都会承担一定的负担。因此，很多制造商会对是否有必要进行兼容性测试这一问题上产生疑虑。

　　然而，从长远来看，能够引入兼容性测试这个概念的商家，各种好处将会在后期越来越多的得以体现。我们知道，EMC设计和EMC测试是相辅相成的。EMC测试直接反映了EMC设计的好坏。只有在产品的EMC设计和研发过程中进行EMC相容性的预测和评估，才能及早发现可能存在的电磁干扰，并采取有效的抑制和防范措施，从而确保系统的电磁兼容性。EMC设计一个经验累积的过程，积累越多的经验，就越能减少在修改设计和补救措施上的花费。另一方面，如今产品质量的重要性逐渐被更多的人所认识，做过兼容性测试的产品较之没有做过兼容性测试的产品在性能质量及可靠性方面有更高的保障，这对于树立良好的品牌形象带来更多的经济收益是至关重要的。

　　七　兼容性测试与LED性能标准

　　LED照明技术问世以后，由于缺少固态照明(SSL)的标准使市场上出现了诸多混乱。不同厂商间测试方法和术语的不同使新兴的LED产品很难与传统照明产品进行比较，LED产品间也无法比较。为解决这一困境，在2008年由一些权威组织和机构联合颁布了LM-79和LM-80标准：前者是固态照明设备电子和光度的认可测试方法，可以计算LED产品的灯具效率(通过光净光输出量除以输出功率计算每瓦流明量)，灯具效率是测量LED产品性能最可靠的途径，通过衡量灯具性能替代曾经依赖的传统手段来区别灯具等级和灯具功效，这项标准为帮助建立灯具性能的精确比较提供基础，不仅仅是固态照明产品同时也针对各种光源;后者是LED光源流明衰减核定测量方法，通过对光源流明衰减方式的定义，从而对LED预期寿命进行评估，与靠灯丝发光的光源不一样(灯丝发光的灯会完全失效不亮)，而发光二极管通常不会这样，LED的光会随着时间慢慢的减弱，这是所谓的流明衰减，这项标准是对流明衰减测试的方法制订了一套标准。除此以外，还有一些关于LED的性能标准，在此不一一列举了。如今的LED照明器件及系统的兼容性测试，应该结合这些标准，从而获取更多有关LED照明器件及系统在日常真实的电气环境中的使用性能知识。

　　八　兼容性测试环境设计的实例

　　在此以SJ-T2355-半导体发光二极管芯片的静电抗干扰测试为例，简单说明兼容性测试应该如何具体去实施，以及如何检验。

　　SJ-T2355-半导体发光二极管芯片的静电放电敏感性测试和分类：

　　1) 人体模式的静电放电敏感性测试

　　图1人体模式的静电放电敏感性测试原理图

　　① 双极性脉冲发生器应该设计为避免重复充电和产生双脉冲。不能靠交换A、B端点来获得双极性性能。

　　② 开关SW1须在脉冲通过后关闭10ms～100ms，以确保被试插座不在充电状态，它也应该先于下个脉冲到来前至少开启10ms。电阻R1和开关串联以确保器件有一个慢放电，这样就避免了一个带电器件模式放电的可能性。

　　③ 图1中评价电阻负载1为：一种截面为0.83mm2～0.21mm2镀锡铜短路线，跨距适合试验插座。负载2为：500Ω，±1%，1000V，低电感薄膜电阻。

　　④ 示波器要求：最小灵敏度100mA/cm(电流传感器)，带宽350MHz，最小写入速率1cm/ns。

　　⑤ 电流传感器要求

　　最小带宽350MHz;

　　峰值脉冲电流12A;

　　上升时间小于1ns;

　　能采用1.5mm直径的实导体;

　　能提供1mv/mA～5 mv/mA的输出电压;

　　⑥ 测试插座上再叠插一个插座(第二个插座叠插在主测试插座上)的情况，仅在第二个插座的波形满足本标准的要求才允许;

　　⑦ 使用短路线，分别获得各敏感度等级的电流波形，修正这些波形使满足图2的要求;

　　⑧ 电流脉冲应满足下列特性

　　脉冲上升时间tr为：5ns～25ns;

　　最大允许振铃波峰对峰值Ir必须小于Ipr的15%，脉冲起始后要求100ns内没有明显振铃波;

　　如图4所示，Ipr是通过500Ω负载电阻的峰值电流，对于1000V预充电压它应在375mA～500mA之间。对于4000V预充电电压它应在1.5A～2.2A。它不应小于相同灵敏度等级的早先测量得到的Ips值的63%。

　　图2 通过短路线的电流脉冲

　　图3 通过短路线的电流波形

　　图4 通过500Ω电阻的电流波形

[p] 测试步骤：

 

　　静电放电测试时要求一次至少使用三个样本，每个样本规定的静态和动态参数都要事先进行测试并记录。

　　① 在试验器插座上(A，B端)分别插上评价负载(短路线和R2);电流探针置于B端处;按表4设置试验器充电电压;

　　② 分别引发试验器脉冲，观测电压波形，要求上升时间、峰值电流和振铃波形满足要求。采用拍照或数字贮存方式记录这些波形。

　　③ 在试验器插座上换上被测器件(DUT)进行放电试验，通常按表4从最低电压档开始，每个被测器件应采用一个正向和一个反向脉冲试验，允许脉冲之间至少间隔0.3s时间。

　　④ 在室温下测试样本的所有静态和动态参数。如果要求多个温度，首先从最低温度开始。

　　⑤ 如果所有三个样本都通过规定数据的参数测试，则再用表4中更高一挡电压试验。记录通过的最高电压档。

　　⑥ 如果有一个或多个样本失效，重新用三个新的样本，以降低一挡表4中电压进行试验。如果继续有失效，再降低一挡，如果还有失效，则停止试验。

　　⑦ 按表4进行分级。

 

　　2) 机器模式的静电放电敏感性测试

 

　　图5　机器模式的静电放电敏感性测试原理图

　　① 双极性脉冲发生器应该设计为避免重复充电和产生双脉冲。不能靠交换A、B端点来获得双极性性能。

　　② 开关SW1须在脉冲通过后关闭10ms～100ms，以确保被试插座不在充电状态，它也应该先于下个脉冲到来前至少开启10ms。电阻R1和开关串联以确保器件有一个慢放电，这样就避免了一个带电器件模式放电的可能性。

　　③ 图5中评价电阻负载1为：一种截面为0.83mm2～0.21mm2镀锡铜短路线，长度不大于75mm。负载2为：500Ω，±1%，1000V。

　　④ 电流传感器要求

　　最小带宽350MHz;

　　峰值脉冲电流15A;

　　上升时间小于1ns;

　　能采用1.5mm直径的实导体;

　　能提供1mv/mA～5 mv/mA的输出电压;

　　⑤ 测试插座上再叠插一个插座(第二个插座叠插在主测试插座上)的情况，仅在第二个插座的波形满足本标准的要求才允许;

 

　　图6 通过短路线的400V电压放电电流波形

 

　　图7　通过500Ω电阻的400V电压放电电流波形

 

　　测试步骤：

　　机器模式静电放电测试时要求一次测试至少使用三个样本，每个样本规定的静态和动态参数都要事先进行测试并记录。

　　① 在试验器插座上(A，B端)插上短路线，分别施加100V、200V、400V电压，电流探针置于B端处;记录正和负的波形，修正波形使其满足图6的要求。

　　② 使用500Ω电阻，加电压±400V，记录并修正波形使其满足图7的要求。

　　③ 按表7确定静电放电测试起始电压。

　　④ 加三个正的和负的脉冲到每个被测试样本，脉冲之间的间隔至少要1s。

　　⑤ 在室温下测试样本的所有静态和动态参数。如果要求多个温度，首先从最低温度开始。

　　⑥ 如果所有三个样本都通过规定数据的参数测试，则再用表7中更高一挡电压试验。记录通过的最高电压档，并按表7将被测器件分类。

　　⑦ 如果有一个或多个样本失效，重新用三个新的样本，以降低一挡表7中电压进行试验。如果继续有失效，再降低一挡，如果还有失效，则停止试验。

 

　　以上列举的两项为LED兼容性测试的一部分内容。 [p] 九　系统可靠性建模

 

　　可靠性模型指的是系统可靠性逻辑框图及其数学模型。原理图表示系统中各部分之间的物理关系。而可靠性逻辑图则表示系统中各部分之间的功能关系，即用简明扼要的直观方法表现能使系统完成任务的各种串联、并联和旁联方框的组合。

　　了解系统中各个部分的功能和它们相互之间的联系以及对整个系统的作用和影响对建立系统的可靠性数学模型、完成系统的可靠性设计、分配和预测都具有重要意义。借助于可靠性逻辑图可以精确地表示出各个功能单元在系统中的作用和相互之间的关系。虽然根据原理图也可以绘制出可靠性逻辑图，但并不能将它们二者等同起来。

　　逻辑图和原理图在联系形式和方框联系数目上都不一定相同，有时在原理图中是串联的，而在逻辑图中却是并联的;有时原理图中只需一个方框即可表示，而在可靠性逻辑图中却需要两个或几个方框才能表示出来。随着系统设计工作的进展，必须绘制一系列的可靠性逻辑框图，这些框图要逐渐细分下去，按级展开。

　　当我们知道了组件中各单元的可靠性指标(如可靠度、故障率或MTBF等)即可由下一级的逻辑框图及数学模型计算上一级的可靠性指标，这样逐级向上推，直到算出系统的可靠性指标。这就是利用系统可靠性模型及已知的单元可靠性指标预计或估计系统可靠性指标的过程。

　　兼容性的测试结果通常和可靠性建模有着密切关系，兼容性测试结果可以输入数据用于建立LED照明器件及系统的可靠性模型。如今，LED照明器件及系统的制造商可以采用工具来预测或研究整个LED产品的可靠性，包括每个内部及外部因素是如何影响产品的可靠性的。

　　十　结束语

　　在电子产品设计上，过去人们着重于技术指标和功能研究，但日益发展的电子产品和复杂的电磁环境中，电子产品相互的干扰和受干扰情况已经是无法避免的事实。如何搞好产品的电磁兼容性，提升自身的抗干扰能力和减少对外的干扰能力，是如今设计者们所面临的一个重大问题。