兼容性和可靠性是LED照明器件與系統(tǒng)設計的關鍵因素

　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。在照明技術的開發(fā)及制造中使用的電子系統(tǒng)和元器件改變了照明設備及系統(tǒng)的未來?？v觀照明技術的發(fā)展歷史，大致經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行整流，隨后發(fā)展為內置直流逆變產生高頻交流，高效驅動T8燈具的電子熒光燈照明鎮(zhèn)流器。如今，設計者已不再僅僅設計電子鎮(zhèn)流器，而致力于AC-DC智能變換器的設計，有些內部還含基于微處理器構成的用以照明控制和調光的復雜控制系統(tǒng)。

　　設計者們給發(fā)光二極管—LED和陣列作光源設計的供電電源，稱之為LED電子驅動器。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行控制的電子驅動器，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)的光源驅動器設計復雜程度遠遠超過原先各種氣體放電輝光管鎮(zhèn)流器。這個全新的領域，給LED照明器件及系統(tǒng)設計者和制造廠商帶來了新的挑戰(zhàn)。輝光放電管鎮(zhèn)流器設計只需關注鎮(zhèn)流器內部的電子組件設計是否合理、可行。而LED照明器件及系統(tǒng)設計則必須額外考慮LED光源的問題。設計者必須考慮驅動器會給由若干LED芯片組成的陣列與其他電子元器件串、并或混聯(lián)構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)包括了人們日常生活中的各種電氣基礎設施和市電電網公共設施。

　　研究表明，通常情況下，用戶具備并操作的電源設備通常會存在種種不太合理的連線或者接地處理錯誤。當外部公共電源設施發(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)境包括室內外照明、商場和工廠等建筑內外的照明設施以及市政電線桿上的LED路燈、探照燈等。

　　電氣照明已經成為人們白天及黑夜生活必不可少的一部分。當照明器件及系統(tǒng)意外失效時，商業(yè)運作、生產作業(yè)和日常生活都會被迫終止，如果一段時間內照明不能恢復，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、建設施工工人破壞地下供電設施，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，嚴重的還存在中斷的困擾。

　　目前全世界范圍內能源問題得到了廣泛的關注，提高能效以及節(jié)約能源對于凈化我們的星球和建設綠色社會環(huán)境是極其重要的。如今，照明約占電網總負荷的23%，人們都把目標制定在發(fā)展和使用高效的，能夠在用電高峰時段減少負荷量的電子照明器件上。當然，如果照明器件在沒有達到預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，自然引出了關于討論LED照明器件和系統(tǒng)的可靠性及兼容性相關的重要問題。

　　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——產品在規(guī)定的條件和規(guī)定的時間內，完成規(guī)定的功能的能力。隨著科學技術的發(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計越來越復雜，功能越來越完善，因此這些電子、電氣產品的性能優(yōu)劣變得越來越明顯。于此同時，這些機器和設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?？煽啃缘闹笜艘笫请S著系統(tǒng)越復雜而更高的，如果可靠性達不到系統(tǒng)指標的要求，則系統(tǒng)出故障的可能性愈大、造成的損失也愈大。這些損失包括經濟上、信譽上，甚至是造成生命安全或更嚴重的災難性等后果。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)計結果，后果將不堪設想。因此，可以說系統(tǒng)可靠性概念的引入，對電子產品有著重大的意義。

　　提高系統(tǒng)的可靠性，一方面要提高構成系統(tǒng)的各元件本身的可靠性，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，沒有過載超負荷等現(xiàn)象的發(fā)生，并且要有一定的余量。也可以通過設計備用方案，使系統(tǒng)即使有個別元器件或設備出現(xiàn)故障仍能正常工作。當然備用方案的設計有可能增加系統(tǒng)的復雜性和成本，但是如果設計得合理，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

　　電子產品的兼容性問題主要是電磁兼容性（EMC），定義為設備、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)。即該設備、系統(tǒng)、子系統(tǒng)不會由于受到處于同一電磁環(huán)境中其他設備的電磁發(fā)射導致或遭受不允許的性能降低，也不會使同一電磁環(huán)境中其他設備、系統(tǒng)、子系統(tǒng)因它的電磁發(fā)射而導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)為傳導干擾和輻射干擾，傳導干擾主要是電子設備產生的干擾信號通過導電介質或公共電源線互相產生干擾；輻射干擾是指電子設備產生的干擾信號通過空間耦合把干擾信號傳給電網絡或電子設備。而后者主要指系統(tǒng)對諸如靜電放電、輻射、脈沖群、雷擊、傳導等干擾的耐受能力，即抗干擾能力。電子產品一般劃分為民用級、工業(yè)級和軍用級產品，不同等級的產品有著不同的標準規(guī)定，產品在特定等級下滿足這些標準的產品，被稱為具有電磁兼容性。對于如何來評判產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） 傳導干擾

　　傳導干擾是指LED照明器件本身產生，從而進行導體傳輸的電磁干擾。這種測試頻率范圍一般為9KHz～30MHz，屬于低頻現(xiàn)象。

　　2） 輻射干擾

　　輻射干擾也是由器件自身產生，并通過空間傳播形成的干擾電磁波。LED照明器件由內部電路通過產品的電線電纜或結構件外殼形成對外的輻射干擾，相當于天線發(fā)射效應。

　　3） 諧波電流干擾

　　產生諧波電流的原因之一是非線性的負載，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重，在這種環(huán)境下的摩擦很容易導致人體攜帶大量的靜電，此時如果人體觸摸LED產品或與其鄰近設備，會形成直接或間接的放電，產生的脈沖電壓可能導致LED的擊穿損毀，因此對LED產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

　　產品的繼電器開合或開關通斷，也會對同一電路中的其他電子器件產生干擾，具有脈沖成群出現(xiàn)、脈沖重復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，很容易導致器件的損壞。此外，大型開關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考核了該LED照明器件是否具備工作在不穩(wěn)定的電網中的能力。

　　以上測試步驟，前三項為EMI指標，后四項為EMS指標。值得注意的是，對于自整流的LED照明產品，測試時只需要對輸入端進行試驗，而非自整流的LED照明產品，則需要分別試驗配套的驅動控制電路的輸入、輸出和LED產品的輸入端。