照明應用中LED閃爍的原因及解決方案分析

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

雖然 LED 燈可由驅(qū)動電路供電，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題根源，因為如果固態(tài)照明給人們造成可產(chǎn)生閃爍的印象，說服用戶放棄傳統(tǒng)照明將會更加困難，這當然不是制造商所希望的。

本文探討閃爍的成因，說明閃爍為什么是 LED 的特有問題，解釋工程管理和標準制定機構(gòu)如何針對受測試房屋以及 LED、驅(qū)動器芯片和燈具制造商，努力對這種現(xiàn)象進行量化。 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施無閃爍 LED 照明的高性價比方法。

閃爍的影響

研究表明，每 4 千人中約有 1 人會對 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)作一樣嚴重的心神不安。 鮮為人知的是，長期（無意識地）暴露在更高頻率（70 - 160 Hz）的閃爍環(huán)境中也會導致身體不適、頭疼和視力損壞。

然而不幸的是，除非在自然光下，人們很有可能會暴露在這種更高頻的閃爍燈光下，這是因為所有采用市電的光源，無論是白熾燈、鹵素燈、熒光燈還是 LED 都會出現(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。

試驗表明，人們在這些較高頻率下很難直接察覺到光源閃爍，但看起來這似乎沒有什么問題。 科學研究表明，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做出反應。

這種在 100 - 150 Hz 范圍內(nèi)由所謂察覺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，燈光完全熄滅變黑比燈光部分熄滅變暗的危害更嚴重）。 單純紅光或者紅藍光交替帶來的危害影響尤其嚴重，且光源在視網(wǎng)膜上的位置很重要，因為視網(wǎng)膜中心區(qū)域感覺到的光線比落到周圍的光線會造成更嚴重的危害。

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

閃爍的定義

相對來講，照明工程師們直到現(xiàn)在還未認真對待過察覺不到的閃爍造成的危害。 然而，面對健康、安全方面越來越嚴格的規(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，是該采取措施的時候了。

但是沒有明確的閃爍定義，誰能肯定某個光源就比其他光源好呢？ 北美照明工程協(xié)會 （IESNA） 在第九版 IESNA Lighting Handbook（照明手冊）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。

閃爍百分比是一個相對測量值，用來表示光源輸出中的周期性變化（即，調(diào)制百分比）。 有時也稱作“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，閃爍指數(shù)“是一個可靠的相對測量值，表示給定頻率下不同光源輸出中的周期性變化。 這個表達式同時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，當為 0 時，表示光源輸出穩(wěn)定。 這個值越高，表示越容易出現(xiàn)明顯的燈光閃爍以及頻閃效應。

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

LED 的問題

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 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，需要施加一個幅值足以使該器件在導通區(qū)域內(nèi)工作的恒定正向?qū)妷海ㄍǔ?LED 還串聯(lián)一個電阻器）。 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)系是一個重要因素。

器件制造商會建議一個嚴格的 LED 工作范圍，而這個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、電流與相對光通量的關(guān)系曲線。 正向電壓的變化會影響正向電流，進而影響光通量。

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

LED 芯片采用 AC 電源時，需要通過整流器將大多數(shù)國家采用的 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。 請注意，在常見的照明燈具中，每個燈具使用 6 到 8 個 LED 芯片，因此每個照明單元所需的功率要高于單個 LED 芯片。

基本的 LED 驅(qū)動器由一個連接 LED 燈串的全波整流器和一個用于限流的串聯(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 會以這個頻率閃爍（圖 4）。

圖 3：簡單的 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 AC 市電供電的光源都可能會出現(xiàn)閃爍。 但 LED 尤其嚴重，因為其閃爍指數(shù)（調(diào)制深度）通常比傳統(tǒng)光源更惡化。

這是由于 LED 對電流變化的反應特別快。 120 Hz 時，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燈具有一定的“慣性”。 也就是說，這些器件即使在閃爍周期的“斷開”部分仍會發(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強度。）

如上文所述，除了頻率外，閃爍指數(shù)也會嚴重影響人們對燈光的感覺。 閃爍指數(shù)越高人的感覺越明顯，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，人眼感覺越明顯。

改進 LED 驅(qū)動器

大多數(shù)現(xiàn)有的 LED 驅(qū)動器采用高頻開關(guān)電源，要比圖 3 所示的簡單結(jié)構(gòu)復雜得多，并且憑借高能效成為熱門驅(qū)動器件。 開關(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，不過一些文波還是不可避免的。 有些裝置的紋波會更嚴重，因此建議工程師要認真、仔細選擇 LED 驅(qū)動器。

盡管開關(guān)式 LED 電源通過減少輸出中的 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任何變化，仍在研究人員認為會危害人類的范圍內(nèi)。

美國環(huán)境保護協(xié)會 （EPA） 是一個有影響力的機構(gòu)，已建議通過將 LED 工作頻率提高至 150 Hz 來嘗試解決這個問題。 制造商們必須遵守該機構(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)勢的能源之星認證要求。這個規(guī)范中就有一項針對閃爍的認證規(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，從原來規(guī)定的最低 LED 頻率為 120 Hz 提高至 150 Hz。 LED 和半導體制造商們顯然不樂意接受這項規(guī)定，因為讓其新產(chǎn)品適應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，市場上許多可以直接連接市電的 LED 驅(qū)動器被宣稱可提供“無閃爍”電源。 例如，Cirrus Logic 最近推出 CS161x LED 驅(qū)動器系列（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——即使與傳統(tǒng)調(diào)光開關(guān)一起使用也能保持無閃爍性能（但這同時也是 LED 驅(qū)動器在閃爍指數(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)動器，這款器件能在全亮度以及與傳統(tǒng)調(diào)光開關(guān)一起使用的情況下實現(xiàn)無閃爍性能。 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，能確保實現(xiàn)無閃爍 LED 電源。

總結(jié)

LED 燈具設(shè)計工程師能如數(shù)家珍地說出其光源的許多優(yōu)勢，如能效、使用壽命長、堅固耐用。 然而，他們確實應該知道，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。

這種閃爍雖然可以忽略不計，但仍會成為一個問題。 例如在閃爍的熒光燈下的辦公室人員，他們會馬上指出“病態(tài)建筑綜合征”導致了缺勤率超過平均值。 沒有直接的證據(jù)說明閃爍會導致人體不適，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 LED 照明時牢記減少閃爍是一個很好的主意。 選擇高品質(zhì)、高頻率開關(guān)式 LED 驅(qū)動器，因為這些器件能將輸出電壓和電流中的交流成分降至最少，反過來又能限制 LED 閃爍的調(diào)制深度。 盡管需要進一步的研究來證實這一建議，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)動器也不失為一個好主意，因為早期跡象表明，這種高頻下任何閃爍都可以忽略不計。