照明應(yīng)用中LED閃爍的原因及解決方案分析

用高效、涼爽、長(zhǎng)久耐用的 LED 替換傳統(tǒng)白熾燈是一個(gè)很不錯(cuò)的想法。 與所有好的想法一樣，付諸實(shí)施比起初形成概念要有些難度。

雖然 LED 燈可由驅(qū)動(dòng)電路供電，以便能連接到現(xiàn)有的民用交流電源，但這種電源輸出的電壓紋波可能造成閃爍。 大多數(shù)照明存在閃爍，一些用戶抱怨這種閃爍會(huì)使他們感到不舒服，甚至生病。

LED 和燈具制造商迫切想找到問(wèn)題根源，因?yàn)槿绻虘B(tài)照明給人們?cè)斐煽僧a(chǎn)生閃爍的印象，說(shuō)服用戶放棄傳統(tǒng)照明將會(huì)更加困難，這當(dāng)然不是制造商所希望的。

本文探討閃爍的成因，說(shuō)明閃爍為什么是 LED 的特有問(wèn)題，解釋工程管理和標(biāo)準(zhǔn)制定機(jī)構(gòu)如何針對(duì)受測(cè)試房屋以及 LED、驅(qū)動(dòng)器芯片和燈具制造商，努力對(duì)這種現(xiàn)象進(jìn)行量化。 然后，本文還將介紹幾家主要硅晶產(chǎn)品供貨商推出的一些最新產(chǎn)品，他們都宣稱能提供一種實(shí)施無(wú)閃爍 LED 照明的高性價(jià)比方法。

閃爍的影響

研究表明，每 4 千人中約有 1 人會(huì)對(duì) 3 - 70 Hz 范圍內(nèi)的周期性燈光閃爍高度敏感。 如此明顯的閃爍能引起象癲癇發(fā)作一樣嚴(yán)重的心神不安。 鮮為人知的是，長(zhǎng)期（無(wú)意識(shí)地）暴露在更高頻率（70 - 160 Hz）的閃爍環(huán)境中也會(huì)導(dǎo)致身體不適、頭疼和視力損壞。

然而不幸的是，除非在自然光下，人們很有可能會(huì)暴露在這種更高頻的閃爍燈光下，這是因?yàn)樗胁捎檬须姷墓庠?，無(wú)論是白熾燈、鹵素?zé)簟晒鉄暨€是 LED 都會(huì)出現(xiàn)閃爍。 閃爍源自電源中的 AC 成分，閃爍頻率等于電網(wǎng)頻率（通常為 50 或者 60 Hz）或者是其二倍。

試驗(yàn)表明，人們?cè)谶@些較高頻率下很難直接察覺(jué)到光源閃爍，但看起來(lái)這似乎沒(méi)有什么問(wèn)題。 科學(xué)研究表明，即使在受試者不了解的情況下，人類視網(wǎng)膜也能夠分解頻率在 100 - 150 Hz 之間的閃爍，由此得出人腦很極有可能會(huì)做出反應(yīng)。

這種在 100 - 150 Hz 范圍內(nèi)由所謂察覺(jué)不到的閃爍造成的隱性危害，不僅與頻率成函數(shù)關(guān)系，而且人的身體和生理也是重要因素。 例如，亮光比暗光的危害更嚴(yán)重，且照明方式的“明亮”和“黑暗”部分之間的差異是重要因素（在處于閃爍周期的“關(guān)閉”部分期間時(shí)，燈光完全熄滅變黑比燈光部分熄滅變暗的危害更嚴(yán)重）。 單純紅光或者紅藍(lán)光交替帶來(lái)的危害影響尤其嚴(yán)重，且光源在視網(wǎng)膜上的位置很重要，因?yàn)橐暰W(wǎng)膜中心區(qū)域感覺(jué)到的光線比落到周圍的光線會(huì)造成更嚴(yán)重的危害。

一些研究人員甚至認(rèn)為視網(wǎng)膜能感覺(jué)到高達(dá) 200 Hz 的閃爍，但試驗(yàn)證明 160 Hz 以上的閃爍對(duì)人體造成的影響可以忽略不計(jì)。1

閃爍的定義

相對(duì)來(lái)講，照明工程師們直到現(xiàn)在還未認(rèn)真對(duì)待過(guò)察覺(jué)不到的閃爍造成的危害。 然而，面對(duì)健康、安全方面越來(lái)越嚴(yán)格的規(guī)定、更加完善的研究以及那些置身于到處都是熒光燈照明環(huán)境中的辦公室工作人員不斷的抱怨，是該采取措施的時(shí)候了。

但是沒(méi)有明確的閃爍定義，誰(shuí)能肯定某個(gè)光源就比其他光源好呢？ 北美照明工程協(xié)會(huì) （IESNA） 在第九版 IESNA Lighting Handbook（照明手冊(cè)）中解決了這一難題，并給出了“閃爍百分比”和“閃爍指數(shù)”的具體定義。 圖 1 所示為這種度量方案的定義方法。

圖 1：用于定義閃爍百分比和閃爍指數(shù)的光輸出跡線示意圖。

閃爍百分比是一個(gè)相對(duì)測(cè)量值，用來(lái)表示光源輸出中的周期性變化（即，調(diào)制百分比）。 有時(shí)也稱作“調(diào)制指數(shù)”。

由上圖可得： 閃爍百分比 = 100 x （A – B）/（A + B）

根據(jù)該手冊(cè)，閃爍指數(shù)“是一個(gè)可靠的相對(duì)測(cè)量值，表示給定頻率下不同光源輸出中的周期性變化。 這個(gè)表達(dá)式同時(shí)考慮了光輸出波形及其幅值?！?假定閃爍指數(shù)的值在 0 到 1.0 之間，當(dāng)為 0 時(shí)，表示光源輸出穩(wěn)定。 這個(gè)值越高，表示越容易出現(xiàn)明顯的燈光閃爍以及頻閃效應(yīng)。

由上圖還可可得： 閃爍指數(shù) = 面積 1/（面積 1 + 面積 2）

LED 的問(wèn)題

LED 的物理特性決定了 LED 只能采用與其它光源不同的電源供電（參見(jiàn) TechZone 文章“了解高亮 LED 褪色的原因”。

LED 全稱為發(fā)光二極管，由此看出它是一種二極管。 正常工作時(shí)，需要施加一個(gè)幅值足以使該器件在導(dǎo)通區(qū)域內(nèi)工作的恒定正向?qū)妷海ㄍǔ?LED 還串聯(lián)一個(gè)電阻器）。 商用高亮器件的正向電壓通常為 3 - 4.5 V。 LED 的相對(duì)光通量（本質(zhì)上講是指亮度）由電流決定，因此其正向電壓 （VF） 和正向電流 （IF） 的關(guān)系是一個(gè)重要因素。

器件制造商會(huì)建議一個(gè)嚴(yán)格的 LED 工作范圍，而這個(gè)范圍通常是將亮度和能效折中后的結(jié)果。

圖 2a 和 2b 所示為 Cree XLamp ML-B LED的電壓與電流、電流與相對(duì)光通量的關(guān)系曲線。 正向電壓的變化會(huì)影響正向電流，進(jìn)而影響光通量。

圖 2a 和 2b：Cree XLamp ML-B LED 的正向電壓與正向電流、正向電流與相對(duì)光通量的關(guān)系曲線。

LED 芯片采用 AC 電源時(shí)，需要通過(guò)整流器將大多數(shù)國(guó)家采用的 110-115 V 或 230-240 V、50 或者 60 Hz 市電降至適合 LED 的電壓和電流。 請(qǐng)注意，在常見(jiàn)的照明燈具中，每個(gè)燈具使用 6 到 8 個(gè) LED 芯片，因此每個(gè)照明單元所需的功率要高于單個(gè) LED 芯片。

基本的 LED 驅(qū)動(dòng)器由一個(gè)連接 LED 燈串的全波整流器和一個(gè)用于限流的串聯(lián)電阻器組成（圖 3）。 這種方法的 LED 調(diào)制頻率雙倍于 AC 頻率（即 100-120 Hz）。 由于照度與電流成比例，因此 LED 會(huì)以這個(gè)頻率閃爍（圖 4）。

圖 3：簡(jiǎn)單的 LED 全波整流器

圖 4： 圖 3 中的 LED 輸出。 燈光閃爍頻率為市電頻率的 2 倍。

所有最終通過(guò) AC 市電供電的光源都可能會(huì)出現(xiàn)閃爍。 但 LED 尤其嚴(yán)重，因?yàn)槠溟W爍指數(shù)（調(diào)制深度）通常比傳統(tǒng)光源更惡化。

這是由于 LED 對(duì)電流變化的反應(yīng)特別快。 120 Hz 時(shí)，LED 及其白色發(fā)光磷光體能在波形的“關(guān)閉”部分完全停止產(chǎn)生光子。 傳統(tǒng)光源與此相反，尤其是白熾燈和鹵素?zé)艟哂幸欢ǖ摹皯T性”。 也就是說(shuō)，這些器件即使在閃爍周期的“斷開(kāi)”部分仍會(huì)發(fā)出一些光子。

表 1 總結(jié)了各種不同光源的百分比閃爍和閃爍指數(shù)，包括采用 DC 和 AC 電源驅(qū)動(dòng)的光源。2（“最小”、“最大”和“平均值”列分別列舉了每種光源的相對(duì)強(qiáng)度。）

如上文所述，除了頻率外，閃爍指數(shù)也會(huì)嚴(yán)重影響人們對(duì)燈光的感覺(jué)。 閃爍指數(shù)越高人的感覺(jué)越明顯，因此潛在危害更大。

最大 最小 平均 閃爍百分比 閃爍指數(shù) 白熾燈 12.180 10.745 11.460 6.2594 0.0194 100 W MH 9.1472 3.2066 6.5147 48.088 0.1398 T12 磁性鎮(zhèn)流器 9.6281 4.6256 7.1565 35.096 0.0897 T5HO 電子式鎮(zhèn)流器 10.52 9.960 10.20 2.734 0.0036 直流供電 LED 43.4 41.0 42.2 2.84 0.0037 存在閃爍的 LED 15.996 0.0555 6.3026 99.309 0.4498

表 1： 各種光源的閃爍百分比和閃爍指數(shù)。 閃爍指數(shù)越大，人眼感覺(jué)越明顯。

改進(jìn) LED 驅(qū)動(dòng)器

大多數(shù)現(xiàn)有的 LED 驅(qū)動(dòng)器采用高頻開(kāi)關(guān)電源，要比圖 3 所示的簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)復(fù)雜得多，并且憑借高能效成為熱門驅(qū)動(dòng)器件。 開(kāi)關(guān)電源采用的輸入和輸出濾波功能顯著減少了輸出中市電的 AC 成分，不過(guò)一些文波還是不可避免的。 有些裝置的紋波會(huì)更嚴(yán)重，因此建議工程師要認(rèn)真、仔細(xì)選擇 LED 驅(qū)動(dòng)器。

盡管開(kāi)關(guān)式 LED 電源通過(guò)減少輸出中的 AC 成分有助于降低閃爍指數(shù)，但兩倍于市電頻率的閃爍頻率則無(wú)任何變化，仍在研究人員認(rèn)為會(huì)危害人類的范圍內(nèi)。

美國(guó)環(huán)境保護(hù)協(xié)會(huì) （EPA） 是一個(gè)有影響力的機(jī)構(gòu)，已建議通過(guò)將 LED 工作頻率提高至 150 Hz 來(lái)嘗試解決這個(gè)問(wèn)題。 制造商們必須遵守該機(jī)構(gòu)制定的能源之星規(guī)范，他們希望滿足在商業(yè)方面具有優(yōu)勢(shì)的能源之星認(rèn)證要求。這個(gè)規(guī)范中就有一項(xiàng)針對(duì)閃爍的認(rèn)證規(guī)定。

在 2009 年，該規(guī)范中關(guān)于閃爍的規(guī)定發(fā)生了變化，從原來(lái)規(guī)定的最低 LED 頻率為 120 Hz 提高至 150 Hz。 LED 和半導(dǎo)體制造商們顯然不樂(lè)意接受這項(xiàng)規(guī)定，因?yàn)樽屍湫庐a(chǎn)品適應(yīng)新頻率需要投入巨資。

EPA 在 2010 年 3 月寫給相關(guān)各方的一封信中 3 對(duì)此規(guī)定放寬了要求，改回原先的 120 Hz 并一直沿用至今。

即便如此，市場(chǎng)上許多可以直接連接市電的 LED 驅(qū)動(dòng)器被宣稱可提供“無(wú)閃爍”電源。 例如，Cirrus Logic 最近推出 CS161x LED 驅(qū)動(dòng)器系列（CS1610-FSZ、 CS1611-FSZ）。 這些芯片適合采用 100 - 120 VAC 和 220 - 240 VAC 線路電壓，擁有值得稱道的新優(yōu)勢(shì)——即使與傳統(tǒng)調(diào)光開(kāi)關(guān)一起使用也能保持無(wú)閃爍性能（但這同時(shí)也是 LED 驅(qū)動(dòng)器在閃爍指數(shù)方面折中的結(jié)果）。

此外，CUI Inc. 推出了一款命名為 V-Infinity VLED15 （圖 5）的恒流驅(qū)動(dòng)器，這款器件能在全亮度以及與傳統(tǒng)調(diào)光開(kāi)關(guān)一起使用的情況下實(shí)現(xiàn)無(wú)閃爍性能。 這一模塊包括兩種版本，分別用于 115 VAC 和 230 VAC 輸入。

圖 5：CUI Inc 的 VLED15 即使與傳統(tǒng)調(diào)光器一起使用也能提供無(wú)閃爍 LED 電源。

另一種可選產(chǎn)品是 ROHM Semiconductor 的 BP5843A。 這是一款 11 引腳 SIP 模塊，采用 113 - 170 VAC 電源，可向多個(gè)串聯(lián)或者并聯(lián)的高亮 LED 供電。 這種模塊的峰峰輸出電壓低，能確保實(shí)現(xiàn)無(wú)閃爍 LED 電源。

總結(jié)

LED 燈具設(shè)計(jì)工程師能如數(shù)家珍地說(shuō)出其光源的許多優(yōu)勢(shì)，如能效、使用壽命長(zhǎng)、堅(jiān)固耐用。 然而，他們確實(shí)應(yīng)該知道，如果用戶在固態(tài)照明燈光下感到不適，可能就是他們的產(chǎn)品造成的不良反應(yīng)。

這種閃爍雖然可以忽略不計(jì)，但仍會(huì)成為一個(gè)問(wèn)題。 例如在閃爍的熒光燈下的辦公室人員，他們會(huì)馬上指出“病態(tài)建筑綜合征”導(dǎo)致了缺勤率超過(guò)平均值。 沒(méi)有直接的證據(jù)說(shuō)明閃爍會(huì)導(dǎo)致人體不適，但最近的研究表明，閃爍很有可能是其中的原因之一。

因此，設(shè)計(jì) LED 照明時(shí)牢記減少閃爍是一個(gè)很好的主意。 選擇高品質(zhì)、高頻率開(kāi)關(guān)式 LED 驅(qū)動(dòng)器，因?yàn)檫@些器件能將輸出電壓和電流中的交流成分降至最少，反過(guò)來(lái)又能限制 LED 閃爍的調(diào)制深度。 盡管需要進(jìn)一步的研究來(lái)證實(shí)這一建議，但是，把目光投向?qū)⑤敵黾y波中的交流成分轉(zhuǎn)換為 150 Hz 或甚至更高頻率輸出的驅(qū)動(dòng)器也不失為一個(gè)好主意，因?yàn)樵缙谯E象表明，這種高頻下任何閃爍都可以忽略不計(jì)。