电流探头在LED 照明行业的应用挑战

　　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。

　　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、dvidt)、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。

　　利用先进测试技术应对 LED 照明应用挑战

　　图 1.带有调制电流源的背光 LED 驱动器

　　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 Tektronix TDP 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。

　　图2:用MSO4000系列示波器进行LED背光功率测试的显示界面

　　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uA，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DP04000B/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。

　　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。

　　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。

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