LED行业基波功率因数测试难点如何破解

一、为什么LED行业要测试基波功率因数？
 
功率因数通用定义是有功功率与视在功率之比。功率因数低，说明电路无功功率大。功率因数越低，供电设备的负荷越重，电网越不稳定。对于大功率的灯具来说，若功率因数低了，可能会造成:设备损耗大、电力设备超负荷、电网不稳定、谐波污染等问题。
 
在大家印象中，“功率因数由电压与电流之间的相位差决定，它的物理意义是指电压和电流之间相角差的余弦值”。如下图所示。

 
图1 电流电压相位角关系

注：
 
以上关系只适用于“正弦波电路中”， 而如果在非正弦波电路中，功率因数与总谐波失真及基波功率因数有关，如在LED灯电路中。
 
因为LED是一个半导体二极管，它需要直流供电，如果用市电供电的话，就一定会有一个整流器，通常是二极管整流桥。为了得到尽可能平滑的直流避免出现纹波闪烁，通常都需要加上一个大电解电容。而后面的LED可以近似为一个电阻，所以整个电路如图2所示。

 
图2  LED灯的等效电路
 

其各种电压电流波形如下图所示，其中为输入交流电压，为LED电路中整流二极管的充放电波形，为输入电流波形。因其电流波形不是正弦波。所以整个系统是一个非线性系统。

 
图3  各种电压电流波形

通常电气设备的波形比较接近正弦波，谐波不多，大多数情况下基波电流 ≈总电流 ，输入电流失真系数λ≈1，≈，所以可以等同为功率因数。
 
而在非正弦供电电路中，功率因数没有明确的物理意义，因此在LED行业这种非正弦供电电路中会关注的是基波功率因数 。
 
二、如何进行基波功率因数测试呢？
 
推荐测试设备1——PA5000H功率分析仪

 
图4  PA5000H

LED行业关注较多的则是电源的电压、电流、功率、谐波及功率因数，如何准确测量这些参数是首要解决的问题，PA5000H功率分析仪拥有0.05%功率测量精度，5MHz带宽以及丰富的谐波测量功能可以广泛应用于LED电源的研发与测试。
 
1. 丰富的电参数测量
 
如何提升功率因数一直是LED行业的难题，要提升功率因数就必须同时准确测量电源的各种电参数，PA5000H功率分析仪不仅可以针对非正弦系统直接测量出基波功率因数（PF1），还能实时显示电压电流波形，丰富的电参数显示项目可让用户分析电源的各种性能指标，可帮助用户提升功率因数设计提供强有力的数据支持。

 
图5  丰富的电参数显示

2. 双PLL源倍频技术
 
PA5000H功率分析仪通过引入双PLL硬件电路，使采样频率和信号频率同步，保证采样数据正好是信号周期的整数倍，消除频谱泄露，可以获得准备的谐波测量结果。

 
图6  双PLL源设置

3. 500次谐波测量
 
PA5000H功率分析仪带宽高达5MHz、采样率可达2MS/s，可以测量高达500次谐波，并有多种组合显示方式能同时显示各次谐波含量，为了方便用户进行更细致的分析，我们还设计了可以查看任一次谐波数值的功能，通过此功能，用户可以查看每一次谐波的数值。

 
图7  功率分析仪的谐波测试

推荐测试设备2——PA310功率计

 
图8  PA310

4. 基波功率因数直接测量
 
PA300系列功率计采用了纯硬件模拟滤波器与锁相环技术，谐波测量功能完全符合谐波测量国际标准IEC61000-4-7:2002，根据基波频率，电压、电流分别可测量到最高50次谐波，不论是总谐波畸变率 (THD)，还是基波成分、基波功率因数、各次数的谐波含量、相位差、含有率等均可直接测量。

 
图9  谐波测试

功率测量精度高达0.1%，最小测量电流低至50µA，能够测量低至0.01W的功耗
 
功率计的基本测量精度可高达0.1%，由于双分流器技术的应用，可以保持分流电阻的温度稳态变化，降低温漂，可以实现从小电流到大电流测量时都能保证0.1%的功率测量精度。而且，在5mA量程下，PA310可以在最高0.01W的分辨率下执行测量，符合国际标准（IEC62301、能源之星、SPECpower）的测试。
 
标配PAM上位机软件，可实时监测和分析测量数据，且可通过标配的丰富通信接口USB、RS-232、GPIB和以太网接口上传至PC机。

 
图10  上位机测试分析