LED 驱动电路中电解电容对频闪的影响

何欣 冯雷 张来军

上海时代之光照明电器检测有限公司，上海201114

国家灯具质量监督检验中心，上海201114

0 引言

近年来，随着生活水平的不断提高，人们对光环境的要求也越来越高，大家更加关注LED 产品在使用过程中的光安全性和光舒适性问题。因此，提高舒适度是LED 产品所面临的重要问题，而目前LED 产品的频闪问题直接关系到照明环境的舒适性。由于频闪会引起头痛、眼疲劳、光敏性癫痫病、视力下降、注意力分散及自闭症等一系列不良生理反应，因此国家及相关机构针对相关产品陆续推出了一系列标准，要求一些产品符合相关的频闪要求。比如，CQC 3155——2016《中小学校及幼儿园教室照明产品节能认证技术规范》、GB/T 31831——2015《LED 室内照明应用技术要求》、GB/T 9473——2017《读写作业台灯性能要求》、CQC16-465316——2018《读写作业台灯性能认证规则》以及最新实施的上海市地方标准DB 31/T539——2020《中小学校及幼儿园教室照明设计规范》等。在这些标准中，明确指出教室照明产品、室内照明产品以及台灯都必须符合无显著影响或者低风险级别。那么何谓“频闪”？ IEEE Std 1789——2015《IEEE 推荐的高光LED 减少使用者健康风险调制电流方法》提供了释义并推荐了测量方法。其中，主要采用频闪百分比（波动深度）和频闪指数这两个参数来衡量频闪的效果，而相关标准中主要以波动深度进行考核，因此文章主要针对该参数进行讨论。波动深度以百分比表示，等于一个开关周期内光输出的最大值和最小值之差占光输出最大值和最小值之和的比例，即：波动深度×100%。其中，为一个开关周期内最大光输出，为一个开关周期内最小光输出。[1]从公式中可以看出，波动深度表示的是光输出在一个周期内的最大波动，若该值为100%，意味着该光源在一个周期内某些时候完全不发光；若最大值和最小值一样，则该值为0%，表明这是一个相对稳定的光源。[2]

1 LED 产品频闪产生的原因分析

LED 产品的频闪与供电电源、光源自身的特点以及照明设计等因素有着密切的关系，IEEE Std 1789——2015 标准中也提到了LED 驱动与LED 频闪的关系。在LED 驱动输出电流中，直流成分上叠加的交流成分是导致LED 产品出现频闪效应的主要原因，其中叠加交流成分的幅值和频率是影响频闪大小的决定要素，此交流成分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。当LED 驱动在未接入LED负载时，纹波表现为电压纹波，而当驱动接入LED 时，纹波的表现则转化为电流纹波。LED 的正向电流与光输出存在正比关系，因此波动深度中max为驱动电流最大值，min为驱动电流最小值。如果两款驱动输出电流的平均值相同，当输出电流波动比较平缓时，即max与min差异小，波动深度也会相应较小；当输出电流波动比较大时，即max与min差异很大，波动深度也会相应变大，反映到LED 照明产品中就会导致频闪相对严重。

通常，在LED 照明产品驱动中的电解电容有以下两大作用：1）由于很多元器件会因为过压冲击而导致失效，使用电解电容可提高驱动对电网波动的抗干扰能力及适应性和可靠性；2）电解电容可以抑制纹波电流，而纹波电流导致的频闪效应对人体健康是有一定危害。因此，对于LED 照明产品，滤波电解电容由于其较低的成本和优良的性能是驱动电路中不可缺少的元器件。对于抑制纹波，尽管也出现过无电解电容器的LED 驱动方案，但从实际成本和技术要求综合来看，尤其对于高品质的LED 光源和灯具，目前电解电容还不能完全被取代。

2 LED 驱动电路输出电解电容对频闪影响的仿真分析

根据电解电容的基本特性可知，通过电解电容的电流与其本身的容量以及两端的电压变化率有关，所以在LED 驱动中，通常将电解电容和LED 并联作为驱动的负载。LED 驱动的输出同时包含直流和交流成分，当有电容和负载并联接入时，电容会分流一部分交流成分，但对于直流成分没有影响，从而减少LED上的交流纹波，降低波动深度。

文章主要以几种基本LED 驱动电路为例，分析电路中电解电容对波动深度这一参数的影响。在LED 驱动的设计中，通常会用到Linear、Buck、Boost、Flybuck、Buck-boost 这几种典型电路，而Buck-boost 作为Fly-buck 的变形，它与Fly-buck 有着类似的特性，所以在此不作额外讨论。下面借助LT-spice 软件进行电路仿真，设定负载平均电流为200 mA，电解电容分别为100F、400F、700F 和1 000F，仿真出通过负载的电流波形，分析以上4 种电路中输出电解电容容值对输出电流纹波及进一步对波动深度的影响。

2.1 Linear 型驱动

Linear 型驱动作为一种最近几年新发展起来的拓扑，其本质是一个降压型的电路，但是由于没有电感的能量转换作用，所以要求它的输入电压峰值与输出负载电压不能相差太大。该拓扑导通角小，输出电流中不含高频纹波，仅仅包含与输入频率对应的工频纹波。不过，作为设计最简单、成本最经济的LED 驱动电路，Linear 虽然并不完美，但它的应用范围相当广泛，尤其应用在灯管、球泡灯、吸顶灯等小功率的室内照明产品中。

图1（a）为搭建的Linear 型驱动电路仿真模型，输出电流波形如图1（b）和图1（c）所示，图1（a）中e为本次要讨论的电解电容。在电路中，e与LEDD5并联作为负载，在开关打开和闭合的过程中，e一直处于充电和放电状态，进而减小了通过LEDD5的交流纹波，即-差值变小。通过仿真结果可以看出，当e=100F 时，max=279 mA,min=135 mA，通过公式进行计算可得波动深度为34.8%；当e=400F 和700F 时，计算波动深度分别为8.9%和4.9%；当e=1 000F 时，max=214 mA，min=198 mA，波动深度为3.9%。显而易见，当增大电解电容的容量时，波动深度明显减小了。Linear 电路由于自身的工作特点，输出电流不存在高频纹波，故输出电解会直接表现在对波动深度的改善，对比数据可以看出增大电解电容对波动深度显示出很好的抑制效果。

图1 （a）Linear 型驱动；（b）LEDD5 的电流波形（e=100 F）；（c）LEDD5 的电流波形（2=1 000 F）

2.2 Buck 型驱动

Buck 型驱动作为基本电路拓扑之一，也是使用范围相当广泛的降压型电路，它与Linear 相似但也有不同。同为降压型电路，它们都只能用在输出电压小于输入电压的电路环境中，不过Buck 拓扑中由于有电感存在，它对输出负载电压没有特别严格的要求。不同的地方在于，Linear 只是简单地级联了输入与输出，工作频率就是输入频率，并且没有电感的储能，自身损耗较大，整体效率偏低；而Buck 电路由于有电感的储能作用，通常工作在50 kHz 的高频状态，并且每个周期内，开关导通时多余的能量通过电感存储，在开关断开时再通过负载释放，所以Buck 的效率可以做到比Linear 高很多。

接着，搭建了图2（a）所示的Buck 型驱动电路模型，同样对电解电容e进行讨论。e也是与LEDD5并联作为负载，由于电感2的存在，大大提高了系统的效率。当e为100F 时进行仿真，得到如图2（b）所示的电流输出波形，此时max为378mA,min为28 mA，通过计算可得波动深度86.2%。同样，当e=400F 和700F 时，计算波动深度分别为35.5%和20.9%。图2（c）为e增大到1 000F 所对应的输出电流波形，max为238 mA,min为182 mA，可计算得波动深度为13.3%。随着e的逐渐增大，波动深度由86.2%降至13.3%。由此可知，当增大电解电容的容量时，Buck 型驱动和Linear 型驱动一样，可以减小波动深度，改善LED 产品的频闪。

图2 （a）Buck 型驱动；（b）LEDD5 的电流波形（e=100 F）；（c）LEDD5 的电流波形（e=1 000 F）

2.3 Boost 型驱动

与前两种电路模型不同，Boost 型驱动是一种升压型电路，输出电压高于输入电压。Boost 型驱动是在一个工作周期内进行适当的升压，由电感进行能量的存储和释放，这就可以使得系统的效率得以提高，甚至可以提升到90%以上。Boost 型驱动一般由开关管、电感、电容等元器件组成，可实现的升压范围较宽。通常情况下，输出电压可以是输入电压的2-4 倍左右，这种类型的驱动经常应用在有源PFC矫正电路或者要求输出小电流大电压的环境中。

图3（a）是一个典型的Boost 型LED 驱动，其中开关管1导通时，电感充电储存能量，电容放电，为负载提供电流；开关管1截止时，电感给电容充电使输出电压上升。e的工作环境及作用与Buck 型驱动相同，在充放电过程中对经过LEDD5的交流纹波进行了分流，使得通过LEDD5的交流纹波变小。图3（b）和图3（c）分别为e容量为100F、1 000F 时对Boost 型驱动进行仿真得到的波形。由图3（b）可知，max为697 mA，min为18 mA，计算得波动深度为95.0%。当e=400F 和700F 时，计算波动深度分别为53.3%和32.8%。由图3（c）可知，max为379mA，max为233mA，计算得波动深度为23.9%。对比图3（b）和图3（c）的波形图，同样可以看出波动深度降低了。

图3 （a）Boost 型驱动；（b）LEDD5 的电流波形（e=100 F）；（c）LEDD5 的电流波形（e=1 000 F）

2.4 Fly-buck 型驱动

Fly-buck 作为最经典的隔离型LED 驱动，通常用在中小功率LED 照明产品的独立电源中，或者需要做隔离处理的灯具驱动中。该类型的LED 驱动工作模式类似于Boost 与Buck 的结合，在MOS 导通与关断的时候分别对应于Boost 和Buck，所以它的非隔离模型也被称为Buck-Boost。因为电路简洁，所用元器件少，成本低，是隔离式驱动中最常用的一种。

图4（a）所示为典型的Fly-buck 型驱动，该模型由于是Boost 与Buck 的结合，e的作用与在以上两种模型中的作用相同。通过改变电解电容e的容量，对该模型进行两次仿真后，得到如图4（b）和图4（c）通过负载LEDD5的电流波形。通过波形可知，当e=100F时，max和min分别为394 mA 和44 mA，计算得相应的波动深度为80.0%；当e=400F 时，波动深度为31.4%；当e=700F 时，波动深度为18.5%；当e增大到1 000F 时，max和min分别为257 mA 和196 mA，计算得相应的波动深度为13.5%。在增大电解电容的过程中，波动深度从80.0%减小至13.5%。由此可知，在Fly-buck 型驱动中，增大电解电容的容值同样减小了通过负载LED 电流的最大值和最小值的差异，进而减小了波动深度。

图4 （a）Fly-buck 型驱动；（b）LEDD5 的电流波形（e=100 F）；（c）LEDD5 的电流波形（e=1 000 F）

通过以上仿真，得到不同LED 驱动类型输出电解电容容量对波动深度的影响，见表1。Linear 型、Buck型、Boost 型和Fly-buck 型这几种LED 驱动的工作模式有所不同：Linear 型中的电解电容主要滤除输出电流中的低频纹波，而其余三种均为高频开关电源拓扑，通过电解电容的滤波作用，在有效滤除输出电流中高频成分的基础上，进一步滤除了低频纹波。从表1 可以看出，在不同工作模式下，当增大输出电解电容的容值时，通过负载的电流纹波被明显地抑制，波动深度显著降低了，这使得LED 照明产品的频闪效果得到了很大程度的改善。

表1 不同LED 驱动类型输出电解电容容量对波动深度的影响

3 结语

文章从频闪的评价参数出发，通过对几种基本LED驱动电路进行仿真分析，可知电解电容对LED 产品的波动深度有着明显的抑制作用。增大输出电解电容的容量从而减小通过负载的交流纹波是提高频闪性能的一种简单有效的方式。不过，在实际情况中，由于需要考虑产品的经济成本、技术条件等各种因素，也不能一味地追求无频闪，需要对各方面做综合考虑，在有效降低频闪情况下合理选取电解电容的容量，从而生产出高质量的LED 照明产品。