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　　一 前言

　　設計者們給發光二極管—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陣列的規模少則由十幾個、幾十個，多則上百個甚至更多的發光二極管組成。這種動態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流器。這個全新的領域，給LED照明器件及系統設計者和制造廠商帶來了新的挑戰。輝光放電管鎮流器設計只需關注鎮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、并或混聯構成的電路模塊帶來各種干擾。

　　二　電源系統的兼容性

　　向LED或LED陣列提供電功率是LED照明器件與系統從設計到實施，以及保證終端用戶都可靠的工作狀態，并與供電源系統有良好兼容性必須考慮的重要問題。電源系統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照明器件和系統必須具有能在日常電氣環境下正常工作的能力。典型的日常電氣環境包括室內外照明、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。當照明器件及系統意外失效時，商業運作、生產作業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生的事例了。諸如此類的事故，都會造成供電系統暫時性的故障，使得照明器件及系統遭受電氣干擾，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，提高能效以及節約能源對于凈化我們的星球和建設綠色社會環境是極其重要的。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光了，那么所有提高能效以及節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照明器件和系統的可靠性及兼容性相關的重要問題。

　　三　LED照明器件及系統的可靠性

　　首先，什么是可靠性?其定義為——產品在規定的條件和規定的時間內，完成規定的功能的能力。隨著科學技術的發展，現代化的操作機器、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可靠性。可靠性的指標要求是隨著系統越復雜而更高的，如果可靠性達不到系統指標的要求，則系統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統計，若此時系統失效而打亂了統計結果，后果將不堪設想。因此，可以說系統可靠性概念的引入，對電子產品有著重大的意義。

　　提高系統的可靠性，一方面要提高構成系統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、控制系統等的可靠性。另一方面還要提高系統承受誤操作的可靠性。

　　提高系統的可靠性的根源在于系統的設計。要使系統的元器件工作在正常狀態下，沒有過載超負荷等現象的發生，并且要有一定的余量。也可以通過設計備用方案，使系統即使有個別元器件或設備出現故障仍能正常工作。當然備用方案的設計有可能增加系統的復雜性和成本，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、子系統在共同的電磁環境中能一起執行各自功能的共存狀態。即該設備、系統、子系統不會由于受到處于同一電磁環境中其他設備的電磁發射導致或遭受不允許的性能降低，也不會使同一電磁環境中其他設備、系統、子系統因它的電磁發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、工業級和軍用級產品，不同等級的產品有著不同的標準規定，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。

　　五　電磁兼容性測試

　　之前已提到過，系統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，這種現象在干燥的冬季更為嚴重，在這種環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、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。

　　六　兼容性測試的經濟效應

　　兼容性測試的初期成本很高，需要大量昂貴的設備來構建測試環境，即便是外發委托測試，也會產生許多費用，隨著產品的多樣化，投入費用只會比前者更多。除此以外，設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節做出修改，人力、物力、財力上都會承擔一定的負擔。因此，很多制造商會對是否有必要進行兼容性測試這一問題上產生疑慮。

　　然而，從長遠來看，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。我們知道，EMC設計和EMC測試是相輔相成的。EMC測試直接反映了EMC設計的好壞。只有在產品的EMC設計和研發過程中進行EMC相容性的預測和評估，才能及早發現可能存在的電磁干擾，并采取有效的抑制和防范措施，從而確保系統的電磁兼容性。EMC設計一個經驗累積的過程，積累越多的經驗，就越能減少在修改設計和補救措施上的花費。另一方面，如今產品質量的重要性逐漸被更多的人所認識，做過兼容性測試的產品較之沒有做過兼容性測試的產品在性能質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濟收益是至關重要的。

　　七　兼容性測試與LED性能標準

　　LED照明技術問世以后，由于缺少固態照明(SSL)的標準使市場上出現了諸多混亂。不同廠商間測試方法和術語的不同使新興的LED產品很難與傳統照明產品進行比較，LED產品間也無法比較。為解決這一困境，在2008年由一些權威組織和機構聯合頒布了LM-79和LM-80標準：前者是固態照明設備電子和光度的認可測試方法，可以計算LED產品的燈具效率(通過光凈光輸出量除以輸出功率計算每瓦流明量)，燈具效率是測量LED產品性能最可靠的途徑，通過衡量燈具性能替代曾經依賴的傳統手段來區別燈具等級和燈具功效，這項標準為幫助建立燈具性能的精確比較提供基礎，不僅僅是固態照明產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預期壽命進行評估，與靠燈絲發光的光源不一樣(燈絲發光的燈會完全失效不亮)，而發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，這項標準是對流明衰減測試的方法制訂了一套標準。除此以外，還有一些關于LED的性能標準，在此不一一列舉了。如今的LED照明器件及系統的兼容性測試，應該結合這些標準，從而獲取更多有關LED照明器件及系統在日常真實的電氣環境中的使用性能知識。

　　八　兼容性測試環境設計的實例

　　在此以SJ-T2355-半導體發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該如何具體去實施，以及如何檢驗。

　　SJ-T2355-半導體發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

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　　圖1人體模式的靜電放電敏感性測試原理圖

　　① 雙極性脈沖發生器應該設計為避免重復充電和產生雙脈沖。不能靠交換A、B端點來獲得雙極性性能。

　　② 開關SW1須在脈沖通過后關閉10ms～100ms，以確保被試插座不在充電狀態，它也應該先于下個脈沖到來前至少開啟10ms。電阻R1和開關串聯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。

　　③ 圖1中評價電阻負載1為：一種截面為0.83mm2～0.21mm2鍍錫銅短路線，跨距適合試驗插座。負載2為：500Ω，±1%，1000V，低電感薄膜電阻。

　　④ 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。

　　⑤ 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直徑的實導體;

　　能提供1mv/mA～5 mv/mA的輸出電壓;

　　⑥ 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準的要求才允許;

　　⑦ 使用短路線，分別獲得各敏感度等級的電流波形，修正這些波形使滿足圖2的要求;

　　⑧ 電流脈沖應滿足下列特性

　　脈沖上升時間tr為：5ns～25ns;

　　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內沒有明顯振鈴波;

　　如圖4所示，Ipr是通過500Ω負載電阻的峰值電流，對于1000V預充電壓它應在375mA～500mA之間。對于4000V預充電電壓它應在1.5A～2.2A。它不應小于相同靈敏度等級的早先測量得到的Ips值的63%。

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　　圖2 通過短路線的電流脈沖

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　　圖3 通過短路線的電流波形

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　　圖4 通過500Ω電阻的電流波形

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　　測試步驟：

　　靜電放電測試時要求一次至少使用三個樣本，每個樣本規定的靜態和動態參數都要事先進行測試并記錄。

　　① 在試驗器插座上(A，B端)分別插上評價負載(短路線和R2);電流探針置于B端處;按表4設置試驗器充電電壓;

　　② 分別引發試驗器脈沖，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。采用拍照或數字貯存方式記錄這些波形。

　　③ 在試驗器插座上換上被測器件(DUT)進行放電試驗，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。

　　④ 在室溫下測試樣本的所有靜態和動態參數。如果要求多個溫度，首先從最低溫度開始。

　　⑤ 如果所有三個樣本都通過規定數據的參數測試，則再用表4中更高一擋電壓試驗。記錄通過的最高電壓檔。

　　⑥ 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中電壓進行試驗。如果繼續有失效，再降低一擋，如果還有失效，則停止試驗。

　　⑦ 按表4進行分級。

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　　2) 機器模式的靜電放電敏感性測試

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　　圖5　機器模式的靜電放電敏感性測試原理圖

　　① 雙極性脈沖發生器應該設計為避免重復充電和產生雙脈沖。不能靠交換A、B端點來獲得雙極性性能。

　　② 開關SW1須在脈沖通過后關閉10ms～100ms，以確保被試插座不在充電狀態，它也應該先于下個脈沖到來前至少開啟10ms。電阻R1和開關串聯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。

　　③ 圖5中評價電阻負載1為：一種截面為0.83mm2～0.21mm2鍍錫銅短路線，長度不大于75mm。負載2為：500Ω，±1%，1000V。

　　④ 電流傳感器要求

　　最小帶寬350MHz;

　　峰值脈沖電流15A;

　　上升時間小于1ns;

　　能采用1.5mm直徑的實導體;

　　能提供1mv/mA～5 mv/mA的輸出電壓;

　　⑤ 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準的要求才允許;

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　　圖6 通過短路線的400V電壓放電電流波形

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　　圖7　通過500Ω電阻的400V電壓放電電流波形

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　　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，每個樣本規定的靜態和動態參數都要事先進行測試并記錄。

　　① 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;記錄正和負的波形，修正波形使其滿足圖6的要求。

　　② 使用500Ω電阻，加電壓±400V，記錄并修正波形使其滿足圖7的要求。

　　③ 按表7確定靜電放電測試起始電壓。

　　④ 加三個正的和負的脈沖到每個被測試樣本，脈沖之間的間隔至少要1s。

　　⑤ 在室溫下測試樣本的所有靜態和動態參數。如果要求多個溫度，首先從最低溫度開始。

　　⑥ 如果所有三個樣本都通過規定數據的參數測試，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。

　　⑦ 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中電壓進行試驗。如果繼續有失效，再降低一擋，如果還有失效，則停止試驗。

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　　以上列舉的兩項為LED兼容性測試的一部分內容。

　　九　系統可靠性建模

　　可靠性模型指的是系統可靠性邏輯框圖及其數學模型。原理圖表示系統中各部分之間的物理關系。而可靠性邏輯圖則表示系統中各部分之間的功能關系，即用簡明扼要的直觀方法表現能使系統完成任務的各種串聯、并聯和旁聯方框的組合。

　　了解系統中各個部分的功能和它們相互之間的聯系以及對整個系統的作用和影響對建立系統的可靠性數學模型、完成系統的可靠性設計、分配和預測都具有重要意義。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中的作用和相互之間的關系。雖然根據原理圖也可以繪制出可靠性邏輯圖，但并不能將它們二者等同起來。

　　邏輯圖和原理圖在聯系形式和方框聯系數目上都不一定相同，有時在原理圖中是串聯的，而在邏輯圖中卻是并聯的;有時原理圖中只需一個方框即可表示，而在可靠性邏輯圖中卻需要兩個或幾個方框才能表示出來。隨著系統設計工作的進展，必須繪制一系列的可靠性邏輯框圖，這些框圖要逐漸細分下去，按級展開。

　　當我們知道了組件中各單元的可靠性指標(如可靠度、故障率或MTBF等)即可由下一級的邏輯框圖及數學模型計算上一級的可靠性指標，這樣逐級向上推，直到算出系統的可靠性指標。這就是利用系統可靠性模型及已知的單元可靠性指標預計或估計系統可靠性指標的過程。

　　兼容性的測試結果通常和可靠性建模有著密切關系，兼容性測試結果可以輸入數據用于建立LED照明器件及系統的可靠性模型。如今，LED照明器件及系統的制造商可以采用工具來預測或研究整個LED產品的可靠性，包括每個內部及外部因素是如何影響產品的可靠性的。

　　十　結束語

　　在電子產品設計上，過去人們著重于技術指標和功能研究，但日益發展的電子產品和復雜的電磁環境中，電子產品相互的干擾和受干擾情況已經是無法避免的事實。如何搞好產品的電磁兼容性，提升自身的抗干擾能力和減少對外的干擾能力，是如今設計者們所面臨的一個重大問題。