電流探頭在LED 照明行業(yè)的應(yīng)用挑戰(zhàn)

　　今天，在綠色節(jié)能意識的推動下，節(jié)約能源已成為廣大電子產(chǎn)品設(shè)計人員和消費者的共識。而高亮度LED在光輸出、能效及成本方面的全面改善，以及具備小巧、低壓工作及環(huán)保等眾多優(yōu)勢,使之應(yīng)用范圍也在不斷拓寬。未來，LED 照明在通用照明、景觀照明、信號燈、廣告顯示牌、汽車照明、LCD背光顯示等領(lǐng)域的增長前景尤為可觀，隨之涌現(xiàn)了很多研發(fā)和制造企業(yè)以配套廠商。但是廣大開發(fā)者也面臨著一些棘手的瓶頸問題。本文將結(jié)合先進測試解決方案，談?wù)勅绾螒?yīng)對LED照明應(yīng)用的挑戰(zhàn)，幫助照明設(shè)計工程師選擇合適的方案。

　　LED測試的重點

　　無論是否具備保護功能，驅(qū)動LED的開關(guān)電源電路都是保證系統(tǒng)安全可靠工作的第一道防線，也是提升LED照明系統(tǒng)整體能效、降低總體成本、實現(xiàn)相應(yīng)控制功能(如調(diào)光)的關(guān)鍵。從LED驅(qū)動電路和保護電路等實際應(yīng)用電路的開發(fā)角度來說，克服LED應(yīng)用瓶頸離不開對各種電性能精準、可靠和低成本的測試測量，尤其是開關(guān)電源的電性能測試，重點在于電流測試。

　　在眾多電性能當中，值得工程師們特別對待的是LED電流紋波,它關(guān)系到開關(guān)電源的成本和光通量的平衡折衷。根據(jù)經(jīng)驗，結(jié)溫每降低10℃，半導體的使用壽命就會延長兩倍。另外，作為工作電流函數(shù)的相對光輸出(光通量)與二極管電流密切相關(guān)，因此可以通過改變正向電流進行調(diào)光。在電流較低時，若將二極管電流增加一倍，則光輸出也會增加一倍;但是在電流較高時，電流上升100% 僅能使光輸出量增加 80%。LED是由會產(chǎn)生較大紋波電流的開關(guān)電源驅(qū)動的。實際上，開關(guān)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。

　　此外，還要考慮測量開關(guān)電源設(shè)備的轉(zhuǎn)換速率(di/dt、dvidt)、開關(guān)損耗測量和安全工作區(qū)(SOA)。這些指標關(guān)系到開關(guān)電源的效率。晶體管開關(guān)電路在轉(zhuǎn)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(tài)開點電阻、安全工作區(qū)(瞬時功率)等。

　　最后,對實現(xiàn)LED調(diào)光的開關(guān)電源還要進行調(diào)制分析。實現(xiàn)LED調(diào)光主要有兩種方法:一是降低LED的電流;二是快速開關(guān) LED，通過電流波形的脈寬調(diào)制(PWM)進行調(diào)光更為準確。

　　脈沖寬度調(diào)制(PWM)或電流占空比控制方案，如圖1所示，相比之前的簡單恒流源來說有許多優(yōu)勢。如需感覺較高的亮度，可以在較低的平均功率水平上相應(yīng)提高LED的峰值電流。因為亮度控制是由調(diào)節(jié)LED電流的占空比來控制的，平均電流和亮度可以被控制，而無需改

　　變電源電壓。這樣，設(shè)計人員可以著眼于優(yōu)化電路的DC-DC變換器的效率。最后，因為峰值電流并未改變LED 工作在相同的電流水平上(例如，白光 LED 通常為15-20mA)，其輻射的顏色也是恒定的。

　　利用先進測試技術(shù)應(yīng)對 LED 照明應(yīng)用挑戰(zhàn)

　　圖 1.帶有調(diào)制電流源的背光 LED 驅(qū)動器

　　顯然，后者已成為行業(yè)的主流方法，在照明和顯示器應(yīng)用上，PWM 需要高于 100Hz的頻率，以使肉眼感覺不到閃爍，10%的脈沖寬度要在毫秒范圍內(nèi)，并要求電源的帶寬大于10kHz,而且控制環(huán)路總是處于激活狀態(tài)，實現(xiàn)極快的瞬態(tài)響應(yīng)。

　　圖2顯示了使用示波器驗證LED背光電路性能的測量結(jié)果。如圖所示，直流電壓(黃色波形)大約為 6.4V。這里使用了 Tektronix TDP 系列差分探頭測試。電流(藍色波形)在數(shù)百毫安量級。紅色波形顯示的是LED的瞬時功耗情況，顯示平均功率大約是900mW。與CCFL背光電路

　　相比，節(jié)約了大約 200mW的功率。

　　圖2:用MSO4000系列示波器進行LED背光功率測試的顯示界面

　　根據(jù)實際情況，一些測量指標如線路自動測量(電源質(zhì)量、諧波分析)也是LED照明應(yīng)用不可或缺的，為的是在出廠時滿足相應(yīng)的規(guī)范標準。

　　選擇最適用的LED測試解決方案。

　　實際測試中要選擇最適用的示波器和配件。對于紋波測量，電流探頭的選擇很重要。LED的電流紋波指標在1mA級甚至幾百uA，若探頭的動態(tài)范圍達不到，則可通過增加繞組的方法來測量微小的電流。泰克DP04000B/DPO5000/DPO7000示波器連接的TCP0030AC/DC電流探頭就可以提供精確簡單的電流紋波測量方案，精準捕捉電源毛刺，并支持更高的電壓。TCPA300+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。

　　而對于有源開關(guān)器件的損耗測量，使用帶有DPO4PWR電源分析應(yīng)用模塊軟件的 MSO/DPO4000B示波器更加方便。它可以自動計算開點損耗、閉點損耗和傳導損耗。借助TekVPI探頭和偏移校正套件,還可消除電壓探頭與電流探頭之間的偏移，保證電壓波形和電流波形之間的準確定時。

　　另外，處理開關(guān)信號頻率成分的示波器要有足夠的帶寬和上升時間，且具備快速采樣率，以捕捉跳變。為實現(xiàn)長時間采集，還要具備深記錄長度。實際上，泰克DPO/MSO4000B和3000系列示波器就分別具備了高達 20M 和 5M 點的記錄長度，采樣率高達 5GS/s。

　　在制定電源質(zhì)量測量方案時，需要注意這樣一些問題:第一，測量的電源與其服務(wù)環(huán)境的相互作用:第二，必須在輸入電源線上直接測量電壓和電流;第三，要使用高壓探頭，通常是差分探頭。

　　結(jié)論

　　能效設(shè)計技術(shù)帶來了新的、復(fù)雜的測試挑戰(zhàn)，需要設(shè)計工程師進行大量的，艱苦的測試，以調(diào)試快速變化的信號、復(fù)雜的協(xié)議和電流電壓的微小變化。驗證、調(diào)試和檢定這些設(shè)計需要強大而完備的測量工具。這些工具包括示波器、邏輯分析儀、探頭、信號源和萬用表。簡化復(fù)雜測量的自動化軟件包也是這套工具的重要組成部分。

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