LED照明器件與系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵因素-兼容性和可靠性-

1、LED照明器件與系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵因素:兼容性和可靠性一引言隨著人類科技的不斷發(fā)展,我們星球的夜晚變得越來越明亮,越來越絢爛,在這些變化的背后,是不斷發(fā)展的照明技術(shù)。在照明技術(shù)的開發(fā)及制造中使用的電子系統(tǒng)和元器件改變了照明設(shè)備及系統(tǒng)的未來?？v觀照明技術(shù)的發(fā)展歷史,大致經(jīng)歷了四個時代的跨越式變遷,并得到了長足的發(fā)展。早期具有代表性的是它通過二極管和晶體管對交流電進(jìn)行整流,隨后發(fā)展為內(nèi)置直流逆變產(chǎn)生高頻交流,高效驅(qū)動T8燈具的電子熒光燈照明鎮(zhèn)流器。如今,設(shè)計者已不再僅僅設(shè)計電子鎮(zhèn)流器,而致力于AC-DC智能$變換器的設(shè)計,有些內(nèi)部還含基于微處理器構(gòu)成的用以照明控制和調(diào)光的復(fù)雜控制系統(tǒng)。設(shè)計者們給發(fā)光二

2、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

3、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

4、、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

5、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)

6、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

7、,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

8、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

9、這些標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品,被稱為具有電磁兼容性。對于如何來評判產(chǎn)品是否具有電磁兼容性?這就需要通過一系列的兼容性測試來完成了。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9KHz30MHz,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

10、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

11、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。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

12、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

13、,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

14、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)LE

15、D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10ms100ms,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

16、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0.83mm20.21mm2鍍錫銅短路線,跨距適合試驗插座。負(fù)載2為:500,±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。 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/mA5 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; 使用短路線,分別獲得各敏感度等級的電流波

17、形,修正這些波形使?jié)M足圖2的要求; 電流脈沖應(yīng)滿足下列特性脈沖上升時間tr為:5ns25ns;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;,Ipr是通過500負(fù)載電阻的峰值電流,對于1000V預(yù)充電壓它應(yīng)在375mA500mA 之間。對于4000V預(yù)充電電壓它應(yīng)在1.5A2.2A。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500電阻的電流波形測試步驟:靜電放電測試時要求一次至少使用三個樣本,每個樣本規(guī)定的靜態(tài)和動態(tài)參數(shù)都要事先進(jìn)行測試并記錄。 在試驗器插座上(A,B端分

18、別插上評價負(fù)載(短路線和R2;電流探針置于B端處;按表4設(shè)置試驗器充電電壓; 分別引發(fā)試驗器脈沖,觀測電壓波形,要求上升時間、峰值電流和振鈴波形滿足要求。采用拍照或數(shù)字貯存方式記錄這些波形。 在試驗器插座上換上被測器件(DUT進(jìn)行放電試驗,通常按表4從最低電壓檔開始,每個被測器件應(yīng)采用一個正向和一個反向脈沖試驗,允許脈沖之間至少間隔0.3s時間。 在室溫下測試樣本的所有靜態(tài)和動態(tài)參數(shù)。如果要求多個溫度,首先從最低溫度開始。 如果所有三個樣本都通過規(guī)定數(shù)據(jù)的參數(shù)測試,則再用表4中更高一擋電壓試驗。記錄通過的最高電壓檔。 如果有一個或多個樣本失效,重新用三個新的樣本,以降低一擋表4中電壓進(jìn)行試驗。

19、如果繼續(xù)有失效,再降低一擋,如果還有失效,則停止試驗。 按表4進(jìn)行分級。2 機器模式的靜電放電敏感性測試圖5 機器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10ms100ms,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5中評價電阻負(fù)載1為:一種截面為0.83mm20.21mm2鍍錫銅短路線,長度不大于75mm。負(fù)載2為:500,±1%,1000V。 電流傳感器

20、要求最小帶寬350MHz; 峰值脈沖電流15A; 上升時間小于1ns; 能采用1.5mm直徑的實導(dǎo)體; 能提供1mv/mA5 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;圖6 通過短路線的400V電壓放電電流波形圖7 通過500電阻的400V電壓放電電流波形測試步驟:機器模式靜電放電測試時要求一次測試至少使用三個樣本,每個樣本規(guī)定的靜態(tài)和動態(tài)參數(shù)都要事先進(jìn)行測試并記錄。 在試驗器插座上(A,B端插上短路線,分別施加100V、200V、400V電壓,電流探針置于B端處;記錄正和負(fù)的波形,修正波形使其滿足圖6的要

21、求。 使用500電阻,加電壓±400V,記錄并修正波形使其滿足圖7的要求。 按表7確定靜電放電測試起始電壓。 加三個正的和負(fù)的脈沖到每個被測試樣本,脈沖之間的間隔至少要1s。 在室溫下測試樣本的所有靜態(tài)和動態(tài)參數(shù)。如果要求多個溫度,首先從最低溫度開始。 如果所有三個樣本都通過規(guī)定數(shù)據(jù)的參數(shù)測試,則再用表7中更高一擋電壓試驗。記錄通過的最高電壓檔,并按表7將被測器件分類。 如果有一個或多個樣本失效,重新用三個新的樣本,以降低一擋表7中電壓進(jìn)行試驗。如果繼續(xù)有失效,再降低一擋,如果還有失效,則停止試驗。以上列舉的兩項為LED兼容性測試的一部分內(nèi)容。九系統(tǒng)可靠性建模可靠性模型指的是系統(tǒng)可靠性邏輯框圖及其數(shù)學(xué)模型。原理圖表示系統(tǒng)中各部分之間的物理關(guān)系。而可靠性邏輯圖則表示系統(tǒng)中各部分之間的功能關(guān)系,即用簡明扼要的直觀方法表現(xiàn)能使系統(tǒng)完成任務(wù)的各種串聯(lián)、并聯(lián)和旁聯(lián)方框的組合。了解系統(tǒng)中各個部分的功能和它們相互之間的聯(lián)系以及對整個系統(tǒng)的作用和影響對建立 系統(tǒng)的可靠性數(shù)學(xué)模型、完成系統(tǒng)的可靠性設(shè)計、分配和預(yù)測都具有重要意義。借助于可靠 性邏輯圖可以精確地表示出各個功能單元在系統(tǒng)中的作用和相互之間的關(guān)系。雖然根據(jù)原理 圖也可以繪制出可靠性邏輯圖，但并不能將