LED灯具的频闪产生原因和处理措施

孙志锋，林伟坚，罗婉霞

(广州广日电气设备有限公司 检测中心， 广东 广州 511447)



LED灯具的频闪产生原因和处理措施

孙志锋，林伟坚，罗婉霞

(广州广日电气设备有限公司 检测中心， 广东 广州 511447)

目前常用的LED灯具光输出过程中存在着一定的频闪，针对LED灯具频闪进行了分析，对引起频闪的原因进行了研究与阐述，提出了降低LED灯具频闪以及提高照明效果的技术措施。

LED；频闪；纹波；照明效果

前言

随着社会不断发展,对能源的依赖也日益严重。而为了节约能源,LED作为新一代的照明灯具也应运而生,并迅速普及。LED灯具被应用于各种如学校、家庭、机场等人们长时间停留的地方，随之灯具频闪造成眼部光学系统损伤、视力疲劳、近视加剧等诸多问题也引起了各方的注意[1-2]。为此需要对LED灯具频闪产生的原因以及解决方法进行探讨和研究。

1 LED灯具频闪与照明质量的关系

频闪对于照明质量的影响在于两方面,即频闪的频率和频闪深度(见图1)。根据相关的研究可知,所谓的“频闪”是指照明光源的光照度输出随着某一频率的波动,随着频率的降低,照明质量也随之降低,当频率达到24 Hz时,人眼观察到的即可以认为是连续的,这也是旧时胶片电影的播放速度,而CRT显示器的最低刷新频率为60 Hz,所以频闪的频率就是第一种量化指标。那么在相同的频率下，频闪深度就是另一种量化指标，一般依据公式(1)来计算。

(1)

式中H为波动深度,Φmax为光输出峰值,Φmin为光输出谷值。

而根据LED灯具光输出与驱动电流关系(图2),可将公式(1)变化为

(2)

式中H为波动深度,Imax为驱动电流峰值,Imin为驱动电流谷值。

图1 频闪深度的对视觉效果的影响Fig.1 The effect of flicker index on visual impact

图2 电流与光输出的关系Fig.2 Luminous Flux vs Forward Current

由此可见,LED灯具的照明质量很大程度上取决于光输出的频率和频闪深度。光输出频率高、频闪深度小的LED灯具使用时人眼瞳孔调节相对稳定,调节量小,不容易引起眼部光学系统损伤和视觉疲劳;反之瞳孔需要频繁调节,增加瞳孔使用频率,容易引起眼部光学系统损伤和视觉疲劳。目前能源之星的要求是：频率大于120 Hz(是北美用电频率的2陪)且频闪深度(能源之星称之为flicker index)<0.001f是可接受的LED灯具，如图3所示。

图3 频闪深度计算方法Fig.3 The calculation method of flicker index

2 引起LED灯具频闪的原因

由相关的分析研究可知,LED灯具由两大部分组成,驱动电源以及LED光源。目前主流LED灯具由一个恒流驱动电源以及一组串并LED光源构成。由此可知频闪也基本来自这两个部分。

2.1 来自驱动电源的频闪

由上述分析可知,此处造成LED灯具频闪的原因在于驱动电源的输出电流的不稳定,即LED光源输入电流的不稳定造成的。而在没有介入负载之前,驱动电源输出电流的不稳定主要表现在电压的不稳定,这种不稳定主要表现为驱动电源输出纹波电压。此纹波包括高频成分和低频成分,而对频闪形成作用最大的是低频纹波。

图4为常用的开关电源的简化电路图。从图4可看出,输出纹波主要包括低频(整流滤波中的输入交流电源噪声)、高频(开关管以及二极管噪声和尖刺)及控制环节引起的噪声,还有一些共模噪声。

开关电源的包括AC/DC和DC/DC部分[3]。其中整流部分一般通过整流桥整流,再经过滤波电容滤波而得。由于受到电源体积限制,滤波电容不可能无限大,所以导致低频纹波的存在;另外,由控制环节的脉宽调节过程中也会产生一定的低频差模纹波,但是此纹波频率相对滤波电容滤波后的纹波频率要高。

图4 开关电源Fig.4 The circuit of switching power supply

2.2 来自LED光源的频闪

根据目前市场调查,绝大多数LED灯具设计者均忽略了由于LED光源引起的频闪,那么LED光源是怎么引起整灯的频闪呢?

首先,我们需要了解LED光源的伏安特性,见图5。

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

由图5可知LED的驱动电流随着电压的升高而急剧上升,其两者关系并不是线性的。这也是LED不可以使用恒压驱动而使用恒流驱动的原因。由2.1我们知道驱动电源未接入LED负载时纹波表现在电压,而在驱动电源接入LED负载组成LED灯具时,纹波的表现即可转化为电流,此时如果驱动电源的输出电流在上图较为平缓的一段,那么在相同的纹波电压下,形成纹波电流的波动也较为平缓,即(Ifmax-Ifmin)很小,故H值也相应较小,照明的质量也相应较好;反之,如果输出电流在图5较为陡峭的一段,那么在相同的纹波电压下,形成纹波电流的波动也较为陡峭,即(Ifmax-Ifmin)很大,故H值也相应较大,照明质量相应较差。

图6、图7为某品牌LED光源在固定驱动电源纹波为1.5 V,输出电流分别为0.35 A和0.7 A的驱动下所表现的纹波电流。

图6 700mA驱动下的电流波形Fig.6 The waveform of current for 700mA

图7 350mA驱动下的电流波形Fig.7 The waveform of current for 35mA

3 减少频闪的技术方案

3.1 提高驱动电源输出质量

1)加大整流滤波电容的容量值。单独的增加滤波电容的容量一般会增大产品的体积,可以利用晶体管的放大特性,构成有源滤波器。具体做法为将电容接在晶体管基极上,经过放大,可以等效成一个较大的电容。当然,这些方法均会造成成本在一定程度上的增加。

2)增加低频滤波器。将它加在高频开关整流电压的输出之间,可以滤去高频开关脉宽调制引起的差模纹波和整流器的低频纹波，如图8所示。

图8 常见的低频滤波器Fig.8 Low frequency filter

3.2 降低纹波对LED光源的影响

1)对于光源为单颗大功率LED灯具,选取LED光源最佳驱动电流。尽量将选取所使用的驱动电流在伏安曲线平缓段的LED光源,或者选取LED光源伏安曲线平缓段的电流进行驱动，如图5所示。

2)对于光源为多颗小功率串并联的LED灯具,增加串并。由于驱动电源输出纹波电压为不变,串联颗数越多,纹波电压造成的影响就越小,产生的纹波电流也相应的越小,而频闪深度也就越小。同样,如果使用并联方式分流驱动电流,同样可以达到减低纹波电流,但是要注意的是,各分支的LED正向压降要尽量保持一致,避免出现各分支电流区别过大的问题,如图9所示。

图9 分流电路Fig.9 The shunting circuit

3)在驱动输出端串接一个电阻。效果与增加串并一样,可以达到吸收纹波的效果。当然,此方法会增加一定的损耗。如图10、图11、图12所示。

图10 串接电阻
Fig.10 Applying series resistance

图11 未串接电阻时的电流波形Fig.11 The waveform for none series resistance

图12 串接一个2Ω电阻的电流波形Fig.12 The waveform of series with resistance(2Ω)

4 结论

LED灯具的频闪问题以及在应用中的危害非常严峻,目前市面上的LED灯具普遍频闪较为严重,甚至部分灯具单凭肉眼即可分辨,但是由于缺乏标准支持,仍可销售。另外,在企业开发设计中也缺乏对频闪产生原因的全面认识,往往仅仅关注驱动电源的纹波电压。为此有关部门应当引起足够重视,并尽快形成标准规范,统一企业设计者的设计规范,通过对产生闪烁的不同方面的分析，最终解决困扰行业的LED灯具闪烁问题，不断提高我国LED灯具的照明质量。

[1] 时粉周. 照明光源的频闪对视功能的影响[J].中华航海医学与高气压医学,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] 张古松.开关电源原理与设计[M].北京：电子工业出版社,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