【導(dǎo)讀】電子工程師都知道影響SSL間歇性閃爍的關(guān)鍵原因在于LED驅(qū)動電路的構(gòu)造。LED驅(qū)動技術(shù)發(fā)展至今紋波抑制技術(shù)能夠提供高效率低成本且安全舒適的LED照明。本文就為您詳細(xì)解析驅(qū)動電路如何消除LED燈光閃爍問題。
用效率更高、壽命更長的基于LED的固態(tài)照明(SSL)系統(tǒng)來替換傳統(tǒng)的白熾燈和熒光燈，是照明產(chǎn)業(yè)無可爭辯的發(fā)展趨勢。然而，由于SSL燈具需要像傳統(tǒng)照明系統(tǒng)一樣被直接連通到交流電網(wǎng)，驅(qū)動電路的輸出端會出現(xiàn)電流紋波，從而導(dǎo)致100赫茲或120赫茲的閃爍現(xiàn)象。即便人眼可能并不能覺察到這種閃爍，它也會讓人感覺不舒服，比如導(dǎo)致頭痛和其他不適。對LED的驅(qū)動電路進(jìn)行細(xì)致的設(shè)計(jì)，能夠讓這種閃爍實(shí)現(xiàn)最小化，并有助于確保固態(tài)照明系統(tǒng)在廣泛部署的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)其高能效的諾言。
事實(shí)上，LED及燈具制造商很渴望解決這個(gè)閃爍的問題，并已和驅(qū)動器制造商合作以便得到合適的解決方案，因?yàn)闊艄獾拈W爍程度，最終還是取決于驅(qū)動電路的設(shè)計(jì)。本文將解釋出現(xiàn)閃爍的根源，探討閃爍的特征，描述其出現(xiàn)于LED照明的機(jī)理，并闡釋工程師如何在不同的驅(qū)動電路架構(gòu)之間進(jìn)行權(quán)衡，以找到恰當(dāng)?shù)?ldquo;成本/效益”組合。我們將描述一種紋波抑制電路，它成本效益高，靈活性好，能夠?qū)崿F(xiàn)無閃爍LED照明。
未來趨勢
在未來的幾年中，LED照明將取代包括白熾燈泡和熒光燈泡及燈管在內(nèi)的傳統(tǒng)照明，這是廣泛認(rèn)可的發(fā)展趨勢。因?yàn)長ED是新一代的植根于電子技術(shù)的光源，市場的期望就不僅僅是更高的SSL系統(tǒng)級效率，還要有更佳的照明環(huán)境。
然而，同傳統(tǒng)照明技術(shù)一樣，絕大多數(shù)的LED光源都直接連通于全球各區(qū)域的交流主干網(wǎng)，其工作頻率隨所在區(qū)域的不同而 其中就包括紋波抑制電路。SSL產(chǎn)品分別為50赫茲或者60赫茲。即便經(jīng) 開發(fā)者需要從應(yīng)用的需求出發(fā)，從成過整流之后，頻率也只有100或120 本和性能兩方面考慮，就產(chǎn)品的實(shí)現(xiàn)赫茲。由于其相對較低的頻率，任何 方法進(jìn)行評估，并選擇合適的驅(qū)動電與電網(wǎng)相關(guān)的閃爍都可能被人眼覺察 路。不同的應(yīng)用場合對閃爍的可接受到。實(shí)際上，這種整流電路可能導(dǎo)致 程度是不一樣的。同樣的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，間歇性閃爍( strobe flicker)，它會對 可能由于閃爍而不符合室內(nèi)應(yīng)用的人體造成前面提到的各種不適。
特別是，基于單極架構(gòu)設(shè)計(jì)的用 良好方案。來實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)校正(PFC)和驅(qū)動電流輸出的LED驅(qū)動電路，是有可能產(chǎn)生閃爍的。除了別的因素之外，這種閃爍還受到LED紋波電流的影響。好在有多種方法來消除這個(gè)問題，其中就包括紋波抑制電路。SSL產(chǎn)品開發(fā)者需要從應(yīng)用的需求出發(fā)，從成本和性能兩方面考慮，就產(chǎn)品的實(shí)現(xiàn)方法進(jìn)行評估，并選擇合適的驅(qū)動電路。不同的應(yīng)用場合對閃爍的可接受程度是不一樣的。同樣的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，可能由于閃爍而不符合室內(nèi)應(yīng)用的要求，但也許是戶外街道或區(qū)域照明的良好方案。
圖1：LED驅(qū)動器中的無源或“填谷式”PFC前級暨DC/DC轉(zhuǎn)換器后級電路
閃爍的影響當(dāng)下人們開始更多注意70-160赫茲范圍的高頻閃爍燈光下的長期暴露問題。這種閃爍會導(dǎo)致不安、頭痛、以及視力損傷。一些研究者甚至聲稱視網(wǎng)膜可以感知到高達(dá)200赫茲的閃爍，不過測試表明，當(dāng)頻率高于160赫茲的時(shí)候，其對健康的影響就是微乎其微的了。鑒于前面提到的經(jīng)過整流之后形成的100赫茲和120赫茲的電源頻率，在這里我們將重點(diǎn)關(guān)注這個(gè)頻率范圍的閃爍消除問題。而事實(shí)上，100赫茲或120赫茲閃爍對人類健康的影響，不僅僅是一個(gè)頻率相關(guān)的問題，也是一個(gè)與物理及生理因素相關(guān)的問題。
閃爍的定義
我們首先需要了解閃爍的基本特征。
圖2：單級有源PFC驅(qū)動電路的架構(gòu)
閃爍百分比(percent flicker)是對光源輸出的周期性變化的一個(gè)相對度量(亦即調(diào)制百分比)。有時(shí)候，也被稱作“調(diào)制指數(shù)”。我們可以使用最大(A)及最小(B)光輸出值來計(jì)算出閃爍百分比。將A與B的和去除A與B的差，就得到一個(gè)百分?jǐn)?shù)。前面已經(jīng)提及，除了頻率外，閃爍指數(shù)的大小也是影響照明給人的感覺的重要因素。閃爍指數(shù)越高，人眼的敏感度就越強(qiáng)，感覺的舒適性就越差。
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固態(tài)照明光源的輸出
定義了閃爍之后，我們再來考察LED光源的工作情況。LED的光照輸出基本上與驅(qū)動電流成線性關(guān)系。仔細(xì)研讀任何大功率LED的據(jù)手冊，就會發(fā)現(xiàn)驅(qū)動電流與光照輸出的圖形曲線中的這種線性關(guān)系。顯然，從這樣的圖形曲線可以得知，驅(qū)動電流是造成LED光照閃爍的關(guān)鍵根源，因此，提供恒定的電流就是LED驅(qū)動電路的首要工作。
在討論100-120赫茲閃爍的時(shí)候，通常我們關(guān)注的是室內(nèi)照明的情況。有好幾種可以輸出恒定電流的室內(nèi)照明用LED驅(qū)動電路方案。例如，在交流整流之后接人簡單的限流電阻、線性半導(dǎo)體調(diào)整電路、以及開關(guān)式脈寬調(diào)制(PWM)調(diào)整電路等，都是可能的方案。不過，這些方案都在我們的考慮范圍之外，因?yàn)樗鼈儾荒軡M足室內(nèi)商業(yè)應(yīng)用所要求的功率因數(shù)(PF)。典型情況下，商業(yè)應(yīng)用要求PF值大于0.9。越來越多的國家和標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(例如能源之星和美國光源設(shè)計(jì)協(xié)會(Design-LightsConsortium，DLC》都要求照明的PF值大于0.9。我們預(yù)計(jì)，PF值低于0.9的燈及燈具將會很快被淘汰。
驅(qū)動電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
闡明對PF值的要求之后，我們再來考察可用于室內(nèi)固態(tài)照明產(chǎn)品、并且符合成本及性能要求的幾種驅(qū)動電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。此外，我們還將介紹一種在單級電路中普遍使用的、用于降低大的紋波電平的新方法。
無源PFC暨開關(guān)式DC/DC轉(zhuǎn)換電路。圖2揭示的是一個(gè)兩級電路，它包括一個(gè)無源PFC前級，以及一個(gè)開關(guān)式DC/DC轉(zhuǎn)換器次級。這種構(gòu)造廣泛用于低成本的后備式適配器以及充電器。這種PF設(shè)計(jì)常常被看作是“填谷式”方法，因?yàn)樗褂昧溯敵鲭娙輥肀３蛛妷旱姆€(wěn)定，避免其跌落到低電平。由于使用了填谷電路及大容量電容，該方案的電流紋波很小且易于控制。這種無源方案的缺點(diǎn)就是它不能用于超過20W的功率，因?yàn)樵诖蠊β是闆r下，其PF電磁兼容性(EMC)有著先天不足的問題。這個(gè)設(shè)計(jì)無法通過IEC EN61000-3-2(諧波電流輻射測試)C類標(biāo)準(zhǔn)。此外，無源方案也不能實(shí)現(xiàn)寬電壓輸入范圍(如100-240 VAC)。
單級有源PFC。帶有源PFC的單級方案如圖3所示，它被廣泛用于具有寬輸入范圍的LED驅(qū)動電路。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有良好的功率轉(zhuǎn)換效率和PF值，以及較寬的負(fù)載范圍。缺點(diǎn)就是電流紋波大，會導(dǎo)致可見或不可見的100-120赫茲閃爍。良好的設(shè)計(jì)可以把電流紋波降低到一個(gè)相對較低的水平，不過，即便如此，其紋波水平依然高于前述的兩級方案。這種單級拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的一個(gè)有趣特征是，每一只LED負(fù)載所特有的電壓及電流特性，會極大地影響紋波的大小。驅(qū)動電路設(shè)計(jì)者正在尋求更好的方法來控制這種單級方案的紋波水平。
有源PFC暨開關(guān)式DC/DC。解決輸出紋波問題的一種方法就是在有源PFC前級之后，再增加一個(gè)有源次級電路。不過，DC/DC轉(zhuǎn)換級的加入，會使驅(qū)動電路的成本增加15-20%。這個(gè)電路極大地減小了輸出紋波電流，幾乎實(shí)現(xiàn)了理想的直流輸出，而代價(jià)就是損失了2-3%的效率。另外，這種結(jié)構(gòu)能夠涵蓋室內(nèi)照明應(yīng)用所需的絕大多數(shù)功率等級并被廣泛采用。
單級PFC暨紋波抑制器。理想情況下，SSL系統(tǒng)設(shè)計(jì)者希望擁有一種低成本的方案來降低紋波輸出，這就又把我們帶回到了單級的實(shí)現(xiàn)方案。幸運(yùn)的是，確實(shí)還有一種降低輸出紋波電流的好方法，其電路比DC/DC轉(zhuǎn)換器要簡單得多。你可以把單級設(shè)計(jì)方案看作是一個(gè)相對簡單的線性紋波抑制電路，就如圖3所示
圖3：紋波抑制器框圖
這種修改的單級拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)使用了一種特別設(shè)計(jì)的線性整流器，可以極大地削弱單級PFC恒流電路的電流紋波，由此造成的效率損失僅有2-3%。這種實(shí)現(xiàn)方式還會帶來額外的好處。一般情況下，在驅(qū)動電路之后增加一個(gè)開關(guān)式DC/DC次級電路，會影響EMC性能，但是這種線性整流器卻不會帶來這個(gè)問題。更好的EMC性能意味著SSL廠商可以將這種紋波抑制器靈活應(yīng)用于各種現(xiàn)成的LED驅(qū)動電路之上。為了得到更佳的光照輸出而在輸出端增加這個(gè)電路，其成本效益比購買一個(gè)新的驅(qū)動器或者開關(guān)式DC/DC轉(zhuǎn)換器要高的多。
這個(gè)紋波抑制電路與單級PFC的輸出串聯(lián)起來使用，其基本組成是這類似于直流工作模式下的測試。因?yàn)檎伎毡确浅Ｐ。山Y(jié)溫的升高所引起的光學(xué)測試的結(jié)果誤差可以被忽略。LM-85推薦的占空比為1%或者更小。對于連續(xù)脈沖測試方法，LM-85中推薦的測試規(guī)程包括以下幾步：
·使LED的溫度穩(wěn)定在所要求的結(jié)溫上。
·對LED加載持續(xù)電流脈沖并等待穩(wěn)定，如100毫秒。
·在一段持續(xù)的積分時(shí)間里進(jìn)行光學(xué)和電學(xué)特性測試，或者在穩(wěn)定條件讀取時(shí)間平均信號。
LM-85指出，首先，積分時(shí)間應(yīng)該是一個(gè)整數(shù)，即為所用的脈沖時(shí)間的整數(shù)倍，以避免因積分時(shí)間引起誤差。其次，標(biāo)準(zhǔn)的操作還要求將所測得的光度或者輻射度的值除以所用的電流的占空比對應(yīng)時(shí)間。
對于兩種脈沖工作模式，在高結(jié)溫條件下的LED的光輸出則都可以采用熱腔或者可控散熱片來進(jìn)行測量。無論采用哪種模式，在高溫和溫度穩(wěn)定條件下的LED的測試都要遵循相應(yīng)的測試規(guī)程。如果脈沖模式可能會引起LED的結(jié)溫的升高，或者引起光輸出的減小，那么，對于一個(gè)具有高熱阻的LED的封裝，則需要一個(gè)修正因子對測試結(jié)果進(jìn)行修正。LM-85列出了一些LED的熱模型案例，對應(yīng)這些熱模型，適當(dāng)?shù)男Ｕ蛩乜梢杂脕碛?jì)算LED的熱效應(yīng)。
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