LED燈具的頻閃產生原因和處理措施

孫志鋒，林偉堅，羅婉霞

(廣州廣日電氣設備有限公司 檢測中心， 廣東 廣州 511447)

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LED燈具的頻閃產生原因和處理措施

孫志鋒，林偉堅，羅婉霞

(廣州廣日電氣設備有限公司 檢測中心， 廣東 廣州 511447)

目前常用的LED燈具光輸出過程中存在著一定的頻閃，針對LED燈具頻閃進行了分析，對引起頻閃的原因進行了研究與闡述，提出了降低LED燈具頻閃以及提高照明效果的技術措施。

LED；頻閃；紋波；照明效果

前言

隨著社會不斷發展,對能源的依賴也日益嚴重。而為了節約能源,LED作為新一代的照明燈具也應運而生,并迅速普及。LED燈具被應用于各種如學校、家庭、機場等人們長時間停留的地方，隨之燈具頻閃造成眼部光學系統損傷、視力疲勞、近視加劇等諸多問題也引起了各方的注意[1-2]。為此需要對LED燈具頻閃產生的原因以及解決方法進行探討和研究。

1 LED燈具頻閃與照明質量的關系

頻閃對于照明質量的影響在于兩方面,即頻閃的頻率和頻閃深度(見圖1)。根據相關的研究可知,所謂的“頻閃”是指照明光源的光照度輸出隨著某一頻率的波動,隨著頻率的降低,照明質量也隨之降低,當頻率達到24 Hz時,人眼觀察到的即可以認為是連續的,這也是舊時膠片電影的播放速度,而CRT顯示器的最低刷新頻率為60 Hz,所以頻閃的頻率就是第一種量化指標。那么在相同的頻率下，頻閃深度就是另一種量化指標，一般依據公式(1)來計算。

(1)

式中H為波動深度,Φmax為光輸出峰值,Φmin為光輸出谷值。

而根據LED燈具光輸出與驅動電流關系(圖2),可將公式(1)變化為

(2)

式中H為波動深度,Imax為驅動電流峰值,Imin為驅動電流谷值。

圖1 頻閃深度的對視覺效果的影響Fig.1 The effect of flicker index on visual impact

圖2 電流與光輸出的關系Fig.2 Luminous Flux vs Forward Current

由此可見,LED燈具的照明質量很大程度上取決于光輸出的頻率和頻閃深度。光輸出頻率高、頻閃深度小的LED燈具使用時人眼瞳孔調節相對穩定,調節量小,不容易引起眼部光學系統損傷和視覺疲勞;反之瞳孔需要頻繁調節,增加瞳孔使用頻率,容易引起眼部光學系統損傷和視覺疲勞。目前能源之星的要求是：頻率大于120 Hz(是北美用電頻率的2陪)且頻閃深度(能源之星稱之為flicker index)<0.001f是可接受的LED燈具，如圖3所示。

圖3 頻閃深度計算方法Fig.3 The calculation method of flicker index

2 引起LED燈具頻閃的原因

由相關的分析研究可知,LED燈具由兩大部分組成,驅動電源以及LED光源。目前主流LED燈具由一個恒流驅動電源以及一組串并LED光源構成。由此可知頻閃也基本來自這兩個部分。

2.1 來自驅動電源的頻閃

由上述分析可知,此處造成LED燈具頻閃的原因在于驅動電源的輸出電流的不穩定,即LED光源輸入電流的不穩定造成的。而在沒有介入負載之前,驅動電源輸出電流的不穩定主要表現在電壓的不穩定,這種不穩定主要表現為驅動電源輸出紋波電壓。此紋波包括高頻成分和低頻成分,而對頻閃形成作用最大的是低頻紋波。

圖4為常用的開關電源的簡化電路圖。從圖4可看出,輸出紋波主要包括低頻(整流濾波中的輸入交流電源噪聲)、高頻(開關管以及二極管噪聲和尖刺)及控制環節引起的噪聲,還有一些共模噪聲。

開關電源的包括AC/DC和DC/DC部分[3]。其中整流部分一般通過整流橋整流,再經過濾波電容濾波而得。由于受到電源體積限制,濾波電容不可能無限大,所以導致低頻紋波的存在;另外,由控制環節的脈寬調節過程中也會產生一定的低頻差模紋波,但是此紋波頻率相對濾波電容濾波后的紋波頻率要高。

圖4 開關電源Fig.4 The circuit of switching power supply

2.2 來自LED光源的頻閃

根據目前市場調查,絕大多數LED燈具設計者均忽略了由于LED光源引起的頻閃,那么LED光源是怎么引起整燈的頻閃呢?

首先,我們需要了解LED光源的伏安特性,見圖5。

圖5 某品牌LED光源的伏安曲線Fig.5 Forward voltage vs Forward Current of LED light source

由圖5可知LED的驅動電流隨著電壓的升高而急劇上升,其兩者關系并不是線性的。這也是LED不可以使用恒壓驅動而使用恒流驅動的原因。由2.1我們知道驅動電源未接入LED負載時紋波表現在電壓,而在驅動電源接入LED負載組成LED燈具時,紋波的表現即可轉化為電流,此時如果驅動電源的輸出電流在上圖較為平緩的一段,那么在相同的紋波電壓下,形成紋波電流的波動也較為平緩,即(Ifmax-Ifmin)很小,故H值也相應較小,照明的質量也相應較好;反之,如果輸出電流在圖5較為陡峭的一段,那么在相同的紋波電壓下,形成紋波電流的波動也較為陡峭,即(Ifmax-Ifmin)很大,故H值也相應較大,照明質量相應較差。

圖6、圖7為某品牌LED光源在固定驅動電源紋波為1.5 V,輸出電流分別為0.35 A和0.7 A的驅動下所表現的紋波電流。

圖6 700mA驅動下的電流波形Fig.6 The waveform of current for 700mA

圖7 350mA驅動下的電流波形Fig.7 The waveform of current for 35mA

3 減少頻閃的技術方案

3.1 提高驅動電源輸出質量

1)加大整流濾波電容的容量值。單獨的增加濾波電容的容量一般會增大產品的體積,可以利用晶體管的放大特性,構成有源濾波器。具體做法為將電容接在晶體管基極上,經過放大,可以等效成一個較大的電容。當然,這些方法均會造成成本在一定程度上的增加。

2)增加低頻濾波器。將它加在高頻開關整流電壓的輸出之間,可以濾去高頻開關脈寬調制引起的差模紋波和整流器的低頻紋波，如圖8所示。

圖8 常見的低頻濾波器Fig.8 Low frequency filter

3.2 降低紋波對LED光源的影響

1)對于光源為單顆大功率LED燈具,選取LED光源最佳驅動電流。盡量將選取所使用的驅動電流在伏安曲線平緩段的LED光源,或者選取LED光源伏安曲線平緩段的電流進行驅動，如圖5所示。

2)對于光源為多顆小功率串并聯的LED燈具,增加串并。由于驅動電源輸出紋波電壓為不變,串聯顆數越多,紋波電壓造成的影響就越小,產生的紋波電流也相應的越小,而頻閃深度也就越小。同樣,如果使用并聯方式分流驅動電流,同樣可以達到減低紋波電流,但是要注意的是,各分支的LED正向壓降要盡量保持一致,避免出現各分支電流區別過大的問題,如圖9所示。

圖9 分流電路Fig.9 The shunting circuit

3)在驅動輸出端串接一個電阻。效果與增加串并一樣,可以達到吸收紋波的效果。當然,此方法會增加一定的損耗。如圖10、圖11、圖12所示。

圖10 串接電阻
Fig.10 Applying series resistance

圖11 未串接電阻時的電流波形Fig.11 The waveform for none series resistance

圖12 串接一個2Ω電阻的電流波形Fig.12 The waveform of series with resistance(2Ω)

4 結論

LED燈具的頻閃問題以及在應用中的危害非常嚴峻,目前市面上的LED燈具普遍頻閃較為嚴重,甚至部分燈具單憑肉眼即可分辨,但是由于缺乏標準支持,仍可銷售。另外,在企業開發設計中也缺乏對頻閃產生原因的全面認識,往往僅僅關注驅動電源的紋波電壓。為此有關部門應當引起足夠重視,并盡快形成標準規范,統一企業設計者的設計規范,通過對產生閃爍的不同方面的分析，最終解決困擾行業的LED燈具閃爍問題，不斷提高我國LED燈具的照明質量。

[1] 時粉周. 照明光源的頻閃對視功能的影響[J].中華航海醫學與高氣壓醫學,2008(6)：72-74.

[2] The U.S. Environmental Protection Agency voluntary program .ENERGY STAR Lamps V2.0 DRAFT 2. EPA and DOE, 2015.

[3] 張古松.開關電源原理與設計[M].北京：電子工業出版社,2002.

Causes and Solutions of Flicker Generated by LED Lighting

SUN Zhifeng，LIN Weijian，LUO Wanxia

(ElectricityFacilitiesGuangriGuangzhouCo.,Ltd.，Guangzhou511447,China)

Some flicker exists in the process of light output of LED lamp. The flicker generated by LED lighting was analyzed. The cause producing flicker was discussed. The technical way to reduce the flicker of LED lighting and improve the lighte effect was presented.

LED; flicker; ripple; lighting effects

TM923

A

10.3969j.issn.1004-440X.2016.04.028