LED固態(tài)照明（SSL）更高效、更持久，替代傳統(tǒng)的白熾燈和熒光燈是照明行業(yè)不可否認的趨勢。但是，由于固態(tài)照明裝置直接連接到AC線路，就像傳統(tǒng)照明一樣，由于驅(qū)動電源輸出端的電流紋波，存在100 Hz或120 Hz閃爍的風險。閃爍可以使人感到不舒服，即使人眼可能檢測不到閃爍，也會引起頭痛和其他疾病。嚴謹?shù)?u>LED驅(qū)動器設計可以最大限度地減少閃爍，并確保固態(tài)照明提供能效。

事實上，LED和燈具制造商都渴望解決閃爍問題，大多數(shù)向驅(qū)動器廠商要解決方案，因為驅(qū)動器最終決定了閃爍的程度。本文將解釋閃爍發(fā)生的根本原因和特征，描述其在LED照明中是如何發(fā)生的，并解釋工程師如何權(quán)衡不同的驅(qū)動器拓撲結(jié)構(gòu)以找到最好的成本/效益組合。我們還將描述一種可以實現(xiàn)無閃爍LED照明的具有成本效益且靈活的紋波抑制電路。

市場預期

由于LED是新一代光源，市場期望的不僅是更高的固態(tài)照明功率，而且還具有更好的照明環(huán)境。

然而，與傳統(tǒng)照明技術(shù)一樣，大多數(shù)LED燈直接連接到50或60Hz的AC電源。即使整流到100Hz或120Hz的頻率之后，由于所涉及的頻率相對低，任何與線相關(guān)的閃爍都可能被人的肉眼檢測到。事實上，整流的線路可能導致頻閃。

使用單級結(jié)構(gòu)同時處理功率因數(shù)校正（PFC）和輸出驅(qū)動電流的LED驅(qū)動器特別容易受到閃爍的影響。除其他原因外，閃爍會受到LED紋波電流的影響。但是，有許多方法可以解決這個問題，包括紋波抑制電路。固態(tài)照明產(chǎn)品的開發(fā)人員需要評估方法，選擇既符合成本又能滿足應用要求的驅(qū)動器。在不同的應用中，不同程度的閃爍是可以接受的。比如，由于閃爍而不能在室內(nèi)應用的系統(tǒng)設計可以在戶外街道或區(qū)域照明中發(fā)揮作用。

閃爍的影響

據(jù)美國電氣與電子工程師協(xié)會（IEEE）2010年發(fā)布的一篇報告指出，3–70Hz范圍的燈閃爍頻率人很容易感知到，讓人感到身體不舒服。即使是重復的閃光燈和靜態(tài)的重復幾何圖案也可能導致這些人疾病突然發(fā)作，發(fā)生率約為0.025％。 這種類型的閃爍可以通過驅(qū)動器就可以很輕易地解決。如果在輸出電流紋波波形中看到這種頻率，通常我們認為驅(qū)動器是不穩(wěn)定的。

但是，現(xiàn)在人們開始更加注意人長期曝光在70-160Hz范圍內(nèi)高頻閃爍下的影響。 這種閃爍可能導致不適、頭痛和視力障礙。一些研究人員甚至聲稱，視網(wǎng)膜可以感覺到高達200 Hz的閃爍，但測試表明，160 Hz以上，閃爍對健康的影響可以忽略不計。由于前面提到的100和120 Hz的整流線路頻率，這將著重于減輕這一范圍內(nèi)的閃爍。實際上，100Hz或120Hz的閃爍對人體健康的影響不僅是頻率，還包括身體和生理因素。

閃爍的相關(guān)定義

首先需要了解閃爍的特征。北美照明工程學會（IESNA）在“IESNA照明手冊”第九版中發(fā)布了“閃爍百分比”和“閃爍指數(shù)”的定義。

閃爍百分比指光源輸出循環(huán)變化的一個相對量度（即調(diào)制百分數(shù)），也有時被稱為“調(diào)制指數(shù)”。參考圖1，可以根據(jù)最大（A）和最小（B）光輸出電平計算出閃爍百分比，計算方式是A和B的總和除以A和B之差，得出的百分比就是閃爍百分比。

圖1.IES定義閃爍指數(shù)

閃爍指數(shù)在IESNA手冊中的定義是“在給定功率頻率下，各種源輸出循環(huán)變化的一種可靠的相對量度。它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。值越高表示燈閃爍以及頻閃效應的可能性明顯增加。 再次參考圖1，可以通過Area 1和Area 2的總和除以Area 1計算出閃爍指數(shù)。

如前所述，除了頻率之外，閃爍指數(shù)對于人們感光程度具有顯著的影響。閃爍指數(shù)越高，意味著對人眼的敏感度更高，舒適程度更差。表1來源于Michael Grather的一篇研究論文，顯示在不同光引擎下不同的閃爍指數(shù)。

固態(tài)照明光源輸出

定義完閃爍后，思考一下LED光源是如何工作的。LED光輸出與驅(qū)動電流幾乎成線性關(guān)系。仔細看一下任意的一張大功率LED數(shù)據(jù)表，你可以看到在曲線圖中正向電流與光通量線性排列。這就十分明顯：驅(qū)動電流是LED燈閃爍的關(guān)鍵來源，恒流供電是LED驅(qū)動器的主要職責。

當討論100-120 Hz的閃爍時，人們最常關(guān)注的是室內(nèi)照明應用。室內(nèi)照明有很多LED驅(qū)動器方案可以提供恒定的電流。例如，在AC整流之后，簡單的限流電阻、線性半導體調(diào)節(jié)和開關(guān)脈寬調(diào)制（PWM）調(diào)節(jié)都是可能的。但是這些方案不在討論的范圍內(nèi)，因為它們不能提供室內(nèi)商業(yè)應用所需的功率因數(shù)（PF）。通常，商業(yè)應用需要大于0.9的PF。 越來越多的國家和標準協(xié)會，如能源之星和DesignLights Consortium（DLC）要求照明要大于0.9 PF。

電源拓撲結(jié)構(gòu)

鑒于PF要求，下面介紹一些可用于室內(nèi)固態(tài)照明產(chǎn)品的驅(qū)動器拓撲結(jié)構(gòu)以及每個產(chǎn)品的成本和性能，詳見表2。我們還將介紹一個新方案，降低單級驅(qū)動器中常見的大紋波。

無源PFC加開關(guān)DC/DC。圖2描繪了一種兩級設計，在無源PFC上增加開關(guān)DC/DC轉(zhuǎn)換器。這種結(jié)構(gòu)廣泛應用于低成本的離線適配器和充電器。PF設計通常被稱為谷底填充，因為電容器要將輸出保持降到低電平。由于有谷底填充電路和大容量電容器，該方案的電流紋波很小且易于控制。被動方案的缺點是，由于在較高功率水平下本身固有的PF電磁兼容性（EMC）差的問題，所以不適合于20W以上的較高功率。這種設計不能通過IEC EN61000-3-2（諧波電流發(fā)射測試）C級標準。此外，無源方案不適合實現(xiàn)通用的寬輸入電壓范圍，如100-240 VAC。

圖2.在無源或谷底填充的PFC增加DC/DC轉(zhuǎn)換器

單級有源PFC。圖3所示的帶有源PFC的單級方法被廣泛應用于寬輸入電壓范圍的LED驅(qū)動器。該拓撲結(jié)構(gòu)提供良好的功率轉(zhuǎn)換效率和PF值，以及很寬的負載范圍。缺點是高電流紋波會導致可見或不可見的100-120 Hz閃爍。好的設計可以將電流紋波降低到相對較低的值；但是，紋波通常仍高于前兩級的方案。單級拓撲的一個特征是紋波受到每個LED負載特有的不同電壓和電流特性的影響很大。驅(qū)動器設計師正在尋求更好的方法來控制單級設計中的紋波。

圖3.單級有源PFC驅(qū)動器結(jié)構(gòu)

有源PFC加開關(guān)DC/ DC。解決輸出紋波問題的一個方法是在有源PFC后加上第二級源。圖4中描繪了這種拓撲結(jié)構(gòu)，添加了DC/DC轉(zhuǎn)換器級。但在驅(qū)動器上增加DC/DC級，成本增加了15-20％。這種電路大大降低了輸出電流紋波，并使輸出幾乎成為理想的DC，效率也只減少2-3％。而且，這種結(jié)構(gòu)可以覆蓋室內(nèi)應用所需的大部分功率水平并被廣泛使用。

圖4.在LED驅(qū)動器的有源PFC上增加DC/DC轉(zhuǎn)換器

單級PFC和紋波抑制器。理想情況下，固態(tài)照明系統(tǒng)開發(fā)人員更愿意采用成本較低的方法來減少紋波輸出，這又回到單級的方法了。幸運的是，還有一個很好的解決方案，用電路來降低電流紋波輸出，這比開關(guān)DC/DC級簡單得多?？梢杂脠D5所示將單級設計用相對簡單的線性紋波抑制電路來進行分段。

圖5.紋波抑制模塊圖

改進過的單級拓撲采用獨特設計的線性穩(wěn)壓器，可以大大降低單級PFC恒流輸出的電流紋波，效率損失僅為2-3％。這種方法還有其他的好處。在大多數(shù)情況下，在驅(qū)動器添加開關(guān)式DC/DC級會削弱EMC的性能，而添加線性穩(wěn)壓器則不會。 由于有更好的EMC性能，固態(tài)照明制造商可以在現(xiàn)有的單級LED驅(qū)動器上靈活使用紋波抑制器。在輸出端添加電路遠比購買另一個驅(qū)動器或開關(guān)DC/DC轉(zhuǎn)換器更有成本效益。

該紋波抑制電路與單級PFC輸出串聯(lián)使用，主要由MOSFET、電流檢測電阻和誤差放大器組成。檢測電阻獲得電流紋波信號，如果紋波大于設定值，則誤差放大器的輸出會調(diào)節(jié)MOSFET上的電壓，使紋波變小。這些簡單的組件可以壓縮進一個非常小的封裝，甚至可以制成集成電路。

驅(qū)動器測試結(jié)果

圖6繪出了典型的單級驅(qū)動器的電壓和電流輸出。42W的設計為LED負載提供700 mA電流。紋波在電流波形中非常明顯。

圖6.單級驅(qū)動器輸出電流。

圖7描述了同一個42W驅(qū)動器的輸出波形，該驅(qū)動器的輸出端加上了紋波抑制器。你可以看到抑制器如何有效地將紋波幅度減少到一個可接受的水平，通過減少閃爍百分比和指數(shù)來消除閃爍。

圖7. 帶有紋波抑制電路的驅(qū)動器輸出電流

隨著LED照明產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，高效率、長壽命等功能已無法滿足市場需求。人們正在尋找一個更好的照明環(huán)境，特別與健康有關(guān)的時候。對于某些地方，如辦公室和客廳，消除頻閃更為重要。

用低紋波驅(qū)動LED來實現(xiàn)良好的直流電流有多種方法，每種方法都有優(yōu)缺點。 紋波抑制器的主要優(yōu)點在于它提供了一種非常簡單和靈活的方法，以最小和非常合理的成本減少我們現(xiàn)有設計的閃爍問題。