LED燈具的頻閃產(chǎn)生原因和處理措施

孫志鋒，林偉堅(jiān)，羅婉霞

(廣州廣日電氣設(shè)備有限公司 檢測(cè)中心， 廣東 廣州 511447)

?

LED燈具的頻閃產(chǎn)生原因和處理措施

孫志鋒，林偉堅(jiān)，羅婉霞

(廣州廣日電氣設(shè)備有限公司 檢測(cè)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(duì)LED燈具頻閃進(jìn)行了分析，對(duì)引起頻閃的原因進(jìn)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(shù)措施。

LED；頻閃；紋波；照明效果

前言

隨著社會(huì)不斷發(fā)展,對(duì)能源的依賴也日益嚴(yán)重。而為了節(jié)約能源,LED作為新一代的照明燈具也應(yīng)運(yùn)而生,并迅速普及。LED燈具被應(yīng)用于各種如學(xué)校、家庭、機(jī)場(chǎng)等人們長時(shí)間停留的地方，隨之燈具頻閃造成眼部光學(xué)系統(tǒng)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(duì)LED燈具頻閃產(chǎn)生的原因以及解決方法進(jìn)行探討和研究。

1 LED燈具頻閃與照明質(zhì)量的關(guān)系

頻閃對(duì)于照明質(zhì)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(jù)相關(guān)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(dòng),隨著頻率的降低,照明質(zhì)量也隨之降低,當(dāng)頻率達(dá)到24 Hz時(shí),人眼觀察到的即可以認(rèn)為是連續(xù)的,這也是舊時(shí)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(biāo)。那么在相同的頻率下，頻閃深度就是另一種量化指標(biāo)，一般依據(jù)公式(1)來計(jì)算。

(1)

式中H為波動(dòng)深度,Φmax為光輸出峰值,Φmin為光輸出谷值。

而根據(jù)LED燈具光輸出與驅(qū)動(dòng)電流關(guān)系(圖2),可將公式(1)變化為

(2)

式中H為波動(dòng)深度,Imax為驅(qū)動(dòng)電流峰值,Imin為驅(qū)動(dòng)電流谷值。

圖1 頻閃深度的對(duì)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(guān)系Fig.2 Luminous Flux vs Forward Current

由此可見,LED燈具的照明質(zhì)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(shí)人眼瞳孔調(diào)節(jié)相對(duì)穩(wěn)定,調(diào)節(jié)量小,不容易引起眼部光學(xué)系統(tǒng)損傷和視覺疲勞;反之瞳孔需要頻繁調(diào)節(jié),增加瞳孔使用頻率,容易引起眼部光學(xué)系統(tǒng)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(jì)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(guān)的分析研究可知,LED燈具由兩大部分組成,驅(qū)動(dòng)電源以及LED光源。目前主流LED燈具由一個(gè)恒流驅(qū)動(dòng)電源以及一組串并LED光源構(gòu)成。由此可知頻閃也基本來自這兩個(gè)部分。

2.1 來自驅(qū)動(dòng)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(qū)動(dòng)電源的輸出電流的不穩(wěn)定,即LED光源輸入電流的不穩(wěn)定造成的。而在沒有介入負(fù)載之前,驅(qū)動(dòng)電源輸出電流的不穩(wěn)定主要表現(xiàn)在電壓的不穩(wěn)定,這種不穩(wěn)定主要表現(xiàn)為驅(qū)動(dòng)電源輸出紋波電壓。此紋波包括高頻成分和低頻成分,而對(duì)頻閃形成作用最大的是低頻紋波。

圖4為常用的開關(guān)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(guān)管以及二極管噪聲和尖刺)及控制環(huán)節(jié)引起的噪聲,還有一些共模噪聲。

開關(guān)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(jīng)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(dǎo)致低頻紋波的存在;另外,由控制環(huán)節(jié)的脈寬調(diào)節(jié)過程中也會(huì)產(chǎn)生一定的低頻差模紋波,但是此紋波頻率相對(duì)濾波電容濾波后的紋波頻率要高。

圖4 開關(guān)電源Fig.4 The circuit of switching power supply

2.2 來自LED光源的頻閃

根據(jù)目前市場(chǎng)調(diào)查,絕大多數(shù)LED燈具設(shè)計(jì)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(qū)動(dòng)電流隨著電壓的升高而急劇上升,其兩者關(guān)系并不是線性的。這也是LED不可以使用恒壓驅(qū)動(dòng)而使用恒流驅(qū)動(dòng)的原因。由2.1我們知道驅(qū)動(dòng)電源未接入LED負(fù)載時(shí)紋波表現(xiàn)在電壓,而在驅(qū)動(dòng)電源接入LED負(fù)載組成LED燈具時(shí),紋波的表現(xiàn)即可轉(zhuǎn)化為電流,此時(shí)如果驅(qū)動(dòng)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(dòng)也較為平緩,即(Ifmax-Ifmin)很小,故H值也相應(yīng)較小,照明的質(zhì)量也相應(yīng)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(dòng)也較為陡峭,即(Ifmax-Ifmin)很大,故H值也相應(yīng)較大,照明質(zhì)量相應(yīng)較差。

圖6、圖7為某品牌LED光源在固定驅(qū)動(dòng)電源紋波為1.5 V,輸出電流分別為0.35 A和0.7 A的驅(qū)動(dòng)下所表現(xiàn)的紋波電流。

圖6 700mA驅(qū)動(dòng)下的電流波形Fig.6 The waveform of current for 700mA

圖7 350mA驅(qū)動(dòng)下的電流波形Fig.7 The waveform of current for 35mA

3 減少頻閃的技術(shù)方案

3.1 提高驅(qū)動(dòng)電源輸出質(zhì)量

1)加大整流濾波電容的容量值。單獨(dú)的增加濾波電容的容量一般會(huì)增大產(chǎn)品的體積,可以利用晶體管的放大特性,構(gòu)成有源濾波器。具體做法為將電容接在晶體管基極上,經(jīng)過放大,可以等效成一個(gè)較大的電容。當(dāng)然,這些方法均會(huì)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(guān)整流電壓的輸出之間,可以濾去高頻開關(guān)脈寬調(diào)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(duì)LED光源的影響

1)對(duì)于光源為單顆大功率LED燈具,選取LED光源最佳驅(qū)動(dòng)電流。盡量將選取所使用的驅(qū)動(dòng)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(jìn)行驅(qū)動(dòng)，如圖5所示。

2)對(duì)于光源為多顆小功率串并聯(lián)的LED燈具,增加串并。由于驅(qū)動(dòng)電源輸出紋波電壓為不變,串聯(lián)顆數(shù)越多,紋波電壓造成的影響就越小,產(chǎn)生的紋波電流也相應(yīng)的越小,而頻閃深度也就越小。同樣,如果使用并聯(lián)方式分流驅(qū)動(dòng)電流,同樣可以達(dá)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(xiàn)各分支電流區(qū)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(qū)動(dòng)輸出端串接一個(gè)電阻。效果與增加串并一樣,可以達(dá)到吸收紋波的效果。當(dāng)然,此方法會(huì)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(shí)的電流波形Fig.11 The waveform for none series resistance

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

4 結(jié)論

LED燈具的頻閃問題以及在應(yīng)用中的危害非常嚴(yán)峻,目前市面上的LED燈具普遍頻閃較為嚴(yán)重,甚至部分燈具單憑肉眼即可分辨,但是由于缺乏標(biāo)準(zhǔn)支持,仍可銷售。另外,在企業(yè)開發(fā)設(shè)計(jì)中也缺乏對(duì)頻閃產(chǎn)生原因的全面認(rèn)識(shí),往往僅僅關(guān)注驅(qū)動(dòng)電源的紋波電壓。為此有關(guān)部門應(yīng)當(dāng)引起足夠重視,并盡快形成標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范,統(tǒng)一企業(yè)設(shè)計(jì)者的設(shè)計(jì)規(guī)范,通過對(duì)產(chǎn)生閃爍的不同方面的分析，最終解決困擾行業(yè)的LED燈具閃爍問題，不斷提高我國LED燈具的照明質(zhì)量。

[1] 時(shí)粉周. 照明光源的頻閃對(duì)視功能的影響[J].中華航海醫(yī)學(xué)與高氣壓醫(yī)學(xué),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(guān)電源原理與設(shè)計(jì)[M].北京：電子工業(yè)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