如何解決LED照明設(shè)計(jì)中的閃爍問題

研究表明，閃爍 - 亮度隨時(shí)間的變化 - 來自某一頻率范圍內(nèi)的照明可能對(duì)健康有害。雖然問題已針對(duì)白熾燈和熒光燈照明，但自從推出用于主流照明的LED以來，它再次成為設(shè)計(jì)工程師面臨的挑戰(zhàn)。

但現(xiàn)在，經(jīng)過廣泛調(diào)查，美國(guó)電氣和電子工程師協(xié)會(huì)（IEEE）發(fā)布了推薦的做法，以消除LED照明中可察覺的閃爍。題為“用于調(diào)節(jié)高亮度LED電流以推動(dòng)觀察者健康風(fēng)險(xiǎn)的推薦做法”，IEEE標(biāo)準(zhǔn)。 1789-2015解釋了有關(guān)LED照明閃爍的知識(shí)，并提供指導(dǎo)，幫助制造商設(shè)計(jì)產(chǎn)品，最大限度地減少可能的閃爍相關(guān)的健康和生產(chǎn)力影響。

基于LED的產(chǎn)品閃爍的主要來源是電源或“LED驅(qū)動(dòng)器”。具有精心設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)器的基于LED的產(chǎn)品可以以最小的閃爍提供光，但這樣做可以增加驅(qū)動(dòng)電路的成本和/或尺寸。例如，由于驅(qū)動(dòng)器的尺寸限制，較小的產(chǎn)品（如MR16替換燈）更容易出現(xiàn)閃爍。

本文介紹了為什么要控制閃爍，描述IEEE建議并考慮選擇當(dāng)代驅(qū)動(dòng)器可以作為無閃爍電源的基礎(chǔ)。

驅(qū)動(dòng)LED

所有傳統(tǒng)光源，即使是古老的白熾燈泡，都會(huì)產(chǎn)生變量（或調(diào)制的）輸出。調(diào)制源 - 設(shè)計(jì)工程師通常將其稱為閃爍，盡管其他術(shù)語（例如，顫振和閃爍）可以來自光度計(jì)或電源。

光度學(xué)閃爍是光本身的一個(gè)功能，可能是由白熾燈泡中燈絲的組成或熒光燈管中使用的熒光粉類型引起的。在LED的情況下，雖然可能存在一些光度閃爍的來源，但是電閃爍使效果相形見絀。電氣閃爍是由交流電源引起的調(diào)制的結(jié)果，并且由交流配電線路上的噪聲或瞬態(tài)事件加劇。

LED需要恒定電流的直流電壓才能運(yùn)行（即使是那些標(biāo)記為“AC LED”（參見Digi-Key文章“AC LED在人氣方面的增益”）。像Analog Devices，Fairchild Semiconductor，Infineon Technologies，Linear Technology，Maxim Integrated和Texas Instruments（TI）等芯片制造商提供AC-to -DC轉(zhuǎn)換器與DC-DC穩(wěn)壓器配合使用，例如將110/120 V，50/60 Hz電源電流調(diào)節(jié)到LED所需的低電壓，穩(wěn)定電流。這些穩(wěn)壓器基于成熟的電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)然后被優(yōu)化用于LED并被統(tǒng)稱為L(zhǎng)ED驅(qū)動(dòng)器。

LED光輸出隨著驅(qū)動(dòng)電流的增加而線性上升。圖1顯示了Lumileds LUXEON 3535L冷白LED的數(shù)據(jù)表圖表說明這種關(guān)系。這個(gè)LED是一個(gè)中功率器件設(shè)計(jì)工作電壓高達(dá)200 mA，在3.05 V/100 mA時(shí)產(chǎn)生42 lm（效率為138 lm/W）。

圖1：Lumileds LUXEON白光LED的歸一化光輸出與正向電流。

相對(duì)光輸出與正向電流曲線的梯度陡峭;在100 mA工作點(diǎn)附近僅增加+/- 10 mA的輸出會(huì)使光強(qiáng)度變化+/- 10％。正向電流中更小幅度的波動(dòng)會(huì)導(dǎo)致人類可以感知到的閃爍。

用于驅(qū)動(dòng)LED的DC-DC轉(zhuǎn)換器輸出端存在多個(gè)電流紋波源，包括AC主電源（50/60 Hz），全波整流電源（100/120 Hz），如果使用開關(guān)穩(wěn)壓器來促進(jìn)調(diào)節(jié)（通常是這種情況），則電力電子設(shè)備的開關(guān)頻率（幾百KHz到幾MHz）。用于調(diào)暗LED（幾kHz）的脈沖寬度調(diào)制（PWM）的工作頻率也會(huì)影響穩(wěn)壓器輸出端的電流紋波。更好的穩(wěn)壓器表現(xiàn)出更小的電流紋波，但通常會(huì)增加成本，復(fù)雜性和空間。

為什么閃爍是一個(gè)問題？

光源的閃爍通常非常微妙：即使大腦確實(shí)感知光線，它通常也不會(huì)在人類觀察者中產(chǎn)生明顯的感覺變異。因此，許多患有閃爍敏感性的人可能不知道照明是他們不適的原因。為了使事情變得更加困難，人類并不都對(duì)閃爍的影響同樣敏感。那些更敏感的人包括兒童和患有偏頭痛，自閉癥或癲癇癥的人。

燈光閃爍最讓人討厭，最不利于健康。在視力相關(guān)的任務(wù)中，閃爍會(huì)導(dǎo)致眼睛疲勞，視力模糊和性能受損。對(duì)于10％的人口而言，閃爍會(huì)引發(fā)偏頭痛，而其他群體則容易產(chǎn)生衰弱效應(yīng)。

當(dāng)主電源熒光燈管取代白熾燈時(shí)，這些效果首先引起了照明工程師的注意。在20世紀(jì)70年代和80年代，人們發(fā)現(xiàn)雖然幾乎察覺不到，但在70到150赫茲范圍內(nèi)的閃爍確實(shí)會(huì)導(dǎo)致生產(chǎn)力下降和健康影響。在管子工作期間限制電流所需的低頻磁性鎮(zhèn)流器引起閃爍。通過轉(zhuǎn)向高頻鎮(zhèn)流器制造商通過將任何閃爍轉(zhuǎn)移到超出人類可感知的頻率范圍來消除問題。

然而，隨著LED滲透到主流照明應(yīng)用中，閃爍問題又回來了。固態(tài)照明技術(shù)有兩個(gè)因素可以使問題變得特別嚴(yán)重：對(duì)驅(qū)動(dòng)電流變化的明顯敏感性（如上所述）以及驅(qū)動(dòng)電流下降時(shí)缺乏“持續(xù)性”。

持久性是衡量當(dāng)電流下降時(shí)光源輸出光衰的速度。諸如白熾燈之類的高度持久性光源繼續(xù)在電壓峰值之間發(fā)出相對(duì)大量的光，有效地“橋接間隙”并降低閃爍百分比。熒光燈管雖然不如白熾燈那么好，但也表現(xiàn)出很高的持久性。相比之下，LED幾乎沒有持久性，一旦電流下降立即變暗。對(duì)于紅色，綠色，藍(lán)色（RGB）LED組合和白色LED都是如此，這些LED將藍(lán)色LED與釔鋁石榴石（YAG）熒光粉結(jié)合在一起。

70中不可察覺的閃爍的陰險(xiǎn)效應(yīng)150 Hz范圍不僅僅是頻率的函數(shù);身體和生理因素也起著重要作用。例如，明亮的光比昏暗的更糟，并且照明圖案的“明亮”和“暗”部分之間的差異很重要（在周期的“關(guān)閉”部分期間完全變暗的光 - 例如，持續(xù)性差的LED - 比只有部分暗淡的LED更差）;并且光源在視網(wǎng)膜上的位置很重要，因?yàn)?a target="_blank">中心感知的光比落在周邊的光更差。 [ 1 ]

北美照明工程學(xué)會(huì)（IESNA）提出了一個(gè)定義，它定義了IESNA照明手冊(cè)（現(xiàn)在的第10版）中的“閃爍百分比”和“閃爍指數(shù)”的閃爍。圖2顯示了如何定義度量標(biāo)準(zhǔn)。

圖2：用于計(jì)算閃爍指標(biāo)的周期性波形特征。 （來源：IES照明手冊(cè)，第10版）

百分比閃爍是光源輸出的循環(huán)變化的相對(duì)量度（即，調(diào)制百分比）。這有時(shí)也被稱為“調(diào)制指數(shù)”。

從圖中：閃爍百分比= 100 x（A - B）/（A + B）

閃爍指數(shù)是“在給定功率頻率下各種源輸出的周期性變化的可靠相對(duì)測(cè)量。它根據(jù)IES手冊(cè)“考慮了光輸出的波形及其幅度”。閃爍指數(shù)假定值為0到1.0，穩(wěn)定光輸出為0。值越高表示燈閃爍的可能性增加，以及頻閃效應(yīng)。

再次，從圖中：閃爍指數(shù)=區(qū)域1/區(qū)域1 +區(qū)域2

（有關(guān)詳細(xì)信息，請(qǐng)參閱Digi-Key技術(shù)文章“表征和最小化照明中的LED閃爍”應(yīng)用程序“。）

圖3顯示了志愿者如何看待閃爍頻率和閃爍百分比的可接受性的測(cè)試結(jié)果。

圖3：人類對(duì)閃爍光源的可接受性。 （由美國(guó)能源部提供） [2]

新建議

IEEE標(biāo)準(zhǔn)。 1789-2015提出了在兩個(gè)確定的風(fēng)險(xiǎn)水平下管理閃爍的潛在生物效應(yīng)的建議。雖然在這些水平之外操作并不意味著會(huì)產(chǎn)生生物效應(yīng)，但如果工程師設(shè)計(jì)的產(chǎn)品在建議中運(yùn)行，他或她可以確定生物效應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)限于規(guī)定的水平。

確定產(chǎn)品設(shè)計(jì)滿足哪個(gè)級(jí)別取決于許多因素，包括目標(biāo)消費(fèi)者群體的特征，暴露時(shí)間，在照明區(qū)域空間中進(jìn)行的任務(wù)類型以及個(gè)體對(duì)閃爍的敏感性。當(dāng)然，設(shè)計(jì)師還面臨產(chǎn)品規(guī)格產(chǎn)生的權(quán)衡，包括產(chǎn)品成本，尺寸和照明性能。

對(duì)于一般應(yīng)用，標(biāo)準(zhǔn)建議在低于5％的頻率下將閃爍百分比保持在5％以下90 Hz以防止癲癇發(fā)作（癲癇發(fā)作不會(huì)在70 Hz以上的頻率觸發(fā)）。

此外，為了降低其他生物效應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)，標(biāo)準(zhǔn)建議應(yīng)用以下公式來確定最大閃爍百分比：

頻率低于90 Hz時(shí)，最大閃爍百分比=頻率x 0.025 [例如，在80 Hz時(shí)，最大閃爍百分比為80 x 0.025 = 2％]

在90到1250 Hz之間的頻率，最大閃爍百分比=頻率x 0.08 [例如，在250 Hz時(shí)，最大閃爍百分比為250 x 0.08 = 20％]

在1250 Hz以上的頻率，沒有閃爍百分比的限制。 （注意：這是基于基本脈沖寬度調(diào)制（PWM）的調(diào)光的最小允許頻率。）

為了防止其他生物效應(yīng)，標(biāo)準(zhǔn)建議應(yīng)用以下公式來確定閃爍的最大百分比：

頻率低于90 Hz時(shí)，最大閃爍百分比=頻率x 0.01 [例如，在50 Hz時(shí)，最大閃爍百分比為50 x 0.01 = 0.5％]

在90和3000 Hz之間的頻率，最大閃爍百分比=頻率x 0.0333 [例如，在1200 Hz時(shí)，最大閃爍百分比為1200 x 0.0333 = 40％]

在以上頻率3000赫茲，閃爍百分比沒有限制。 （注意：這是基于PWM的基本調(diào)光的最小允許頻率。）[3]

圖4顯示了以110 Hz頻率工作的兩個(gè)LED燈示例。建議指出，為防止生物效應(yīng)，閃爍百分比應(yīng)保持在110 Hz x 0.333 = 3.7％以下。第一個(gè)例子，閃爍百分比為54.7％，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于等級(jí)。第二個(gè)例子完全符合建議，閃爍百分比僅為0.4％。

圖4：（左）未能通過的LED照明示例符合IEEE標(biāo)準(zhǔn)。 1789-2015閃爍建議和（右）符合標(biāo)準(zhǔn)的例子。 （由美國(guó)能源部提供）

采購(gòu)兼容的LED驅(qū)動(dòng)器

毫無疑問，由于產(chǎn)品內(nèi)部預(yù)算無限且空間充足，照明設(shè)計(jì)師可以采購(gòu)永不會(huì)引起明顯閃爍的LED驅(qū)動(dòng)器。然而，設(shè)計(jì)師很少有這樣寬容的規(guī)范。更糟糕的是，消費(fèi)者越來越多地要求無縫調(diào)光，這可能導(dǎo)致系統(tǒng)中的閃爍，該系統(tǒng)在未受影響的狀態(tài)下無閃爍或加劇已經(jīng)存在的閃爍。

然而，在成本和尺寸范圍內(nèi)有各種各樣的LED驅(qū)動(dòng)器，經(jīng)過仔細(xì)選擇應(yīng)確保產(chǎn)生的任何閃爍都太小或頻率太高而無法察覺到消費(fèi)者根據(jù)IEEE標(biāo)準(zhǔn)。 1789-2015的建議。這些建議對(duì)于制造商來說太新了，他們專門設(shè)計(jì)了滿足這些要求的產(chǎn)品;但幾年來電源供應(yīng)商的雷達(dá)已經(jīng)出現(xiàn)了閃爍預(yù)防，因此很多LED驅(qū)動(dòng)器可以提供符合新標(biāo)準(zhǔn)的電源。

例如，凌力爾特公司提供寬輸入范圍的LED內(nèi)置10：1調(diào)光的驅(qū)動(dòng)器。 LT3590是一款固定頻率的DC-DC轉(zhuǎn)換器，可作為恒流源工作，用于串聯(lián)驅(qū)動(dòng)10個(gè)LED（圖5）。該器件工作在4.5至55 V輸入范圍，35 V輸出，每通道高達(dá)80 mA。該公司聲稱高開關(guān)頻率允許使用小的低阻抗陶瓷電容，從而產(chǎn)生低輸出電流紋波。

圖5：凌力爾特公司的LT3590設(shè)計(jì)用于驅(qū)動(dòng)一串10個(gè)LED。

TI提供一系列LED驅(qū)動(dòng)器。一個(gè)值得注意的例子是TPS92510，一種LED驅(qū)動(dòng)器，可在3.5至60 V輸入電壓下工作，每通道可提供高達(dá)1.5 A的電流。該公司表示，為了提高線路和負(fù)載瞬態(tài)期間的性能，該器件實(shí)現(xiàn)了恒定頻率，峰值電流模式控制，可降低輸出電容并簡(jiǎn)化外部頻率補(bǔ)償設(shè)計(jì)。該芯片承諾提供+/- 3％的LED電流精度，限制電流波動(dòng)。

就其本身而言，Maxim Integrated提供MAX16834，這是一種用于開關(guān)電源拓?fù)涞碾娏髂Ｊ絃ED驅(qū)動(dòng)器。該芯片采用4.75至28 V輸入工作，最大輸出電壓為28 V.除驅(qū)動(dòng)功率晶體管外，該器件還驅(qū)動(dòng)用于LED調(diào)光的PWM開關(guān)。該芯片還具有可編程開關(guān)頻率（100 kHz至1 MHz），不僅可以優(yōu)化效率和降低電路板空間，還可以靈活地將電流紋波和閃爍降至最低。由于其緊湊的尺寸（4 x 4 mm）和高集成度，LED驅(qū)動(dòng)器適用于空間緊張的應(yīng)用，如MR16燈具。

選擇限制電流紋波的LED驅(qū)動(dòng)器是照明設(shè)計(jì)的良好基礎(chǔ)，但應(yīng)該記住，雖然電源是閃爍的主要來源，但它不是問題的唯一原因。 ?？赡苄枰ㄟ^光度測(cè)試確定最終產(chǎn)品的閃爍性能，以確保整個(gè)封裝滿足所有操作條件下的建議。

閃爍在聚光燈下

隨著LED照明在主流照明市場(chǎng)取得重大進(jìn)展，閃爍對(duì)健康的影響可能會(huì)受到更多消費(fèi)者的關(guān)注。通過遵守IEEE標(biāo)準(zhǔn)中發(fā)布的建議。 1789-2015，照明設(shè)計(jì)師可以確保他們的產(chǎn)品明顯不會(huì)對(duì)健康產(chǎn)生不利影響。滿足該建議可能會(huì)增加最終產(chǎn)品的成本，因?yàn)樗枰少?gòu)精心設(shè)計(jì)的LED驅(qū)動(dòng)器，但已經(jīng)表明消費(fèi)者愿意支付更多費(fèi)用以保障健康。