用效率更高、壽命更長(cháng)的基于LED的固態(tài)照明(SSL)系統來(lái)替換傳統的白熾燈和熒光燈，是照明產(chǎn)業(yè)無(wú)可爭辯的發(fā)展趨勢。然而，由于SSL燈具需要像傳統照明系統一樣被直接連通到交流電網(wǎng)，驅動(dòng)電路的輸出端會(huì )出現電流紋波，從而導致100赫茲或120赫茲的閃爍現象。即便人眼可能并不能覺(jué)察到這種閃爍，它也會(huì )讓人感覺(jué)不舒服，比如導致頭痛和其他不適。對LED的驅動(dòng)電路進(jìn)行細致的設計，能夠讓這種閃爍實(shí)現最小化，并有助于確保固態(tài)照明系統在廣泛部署的基礎上實(shí)現其高能效的諾言。

事實(shí)上，LED及燈具制造商很渴望解決這個(gè)閃爍的問(wèn)題，并已和驅動(dòng)器制造商合作以便得到合適的解決方案，因為燈光的閃爍程度，最終還是取決于驅動(dòng)電路的設計。本文將解釋出現閃爍的根源，探討閃爍的特征，描述其出現于LED照明的機理，并闡釋工程師如何在不同的驅動(dòng)電路架構之間進(jìn)行權衡，以找到恰當的“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，能夠實(shí)現無(wú)閃爍LED照明。

未來(lái)趨勢

在未來(lái)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的傳統照明，這是廣泛認可的發(fā)展趨勢。因為L(cháng)ED是新一代的植根于電子技術(shù)的光源，市場(chǎng)的期望就不僅僅是更高的SSL系統級效率，還要有更佳的照明環(huán)境。

然而，同傳統照明技術(shù)一樣，絕大多數的LED光源都直接連通于全球各區域的交流主干網(wǎng)，其工作頻率隨所在區域的不同而 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(kāi)發(fā)者需要從應用的需求出發(fā)，從成過(guò)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，并選擇合適的驅動(dòng)電與電網(wǎng)相關(guān)的閃爍都可能被人眼覺(jué)察 路。不同的應用場(chǎng)合對閃爍的可接受到。實(shí)際上，這種整流電路可能導致 程度是不一樣的。同樣的系統設計，間歇性閃爍( strobe flicker)，它會(huì )對 可能由于閃爍而不符合室內應用的人體造成前面提到的各種不適。

特別是，基于單極架構設計的用 良好方案。來(lái)實(shí)現功率因數校正(PFC)和驅動(dòng)電流輸出的LED驅動(dòng)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(lái)消除這個(gè)問(wèn)題，其中就包括紋波抑制電路。SSL產(chǎn)品開(kāi)發(fā)者需要從應用的需求出發(fā)，從成本和性能兩方面考慮，就產(chǎn)品的實(shí)現方法進(jìn)行評估，并選擇合適的驅動(dòng)電路。不同的應用場(chǎng)合對閃爍的可接受程度是不一樣的。同樣的系統設計，可能由于閃爍而不符合室內應用的要求，但也許是戶(hù)外街道或區域照明的良好方案。

閃爍的影響

當下人們開(kāi)始更多注意70-160赫茲范圍的高頻閃爍燈光下的長(cháng)期暴露問(wèn)題。這種閃爍會(huì )導致不安、頭痛、以及視力損傷。一些研究者甚至聲稱(chēng)視網(wǎng)膜可以感知到高達200赫茲的閃爍，不過(guò)測試表明，當頻率高于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(guò)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(wèn)題。而事實(shí)上，100赫茲或120赫茲閃爍對人類(lèi)健康的影響，不僅僅是一個(gè)頻率相關(guān)的問(wèn)題，也是一個(gè)與物理及生理因素相關(guān)的問(wèn)題。
閃爍的定義

我們首先需要了解閃爍的基本特征。

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(亦即調制百分比)。有時(shí)候，也被稱(chēng)作“調制指數”。我們可以使用最大(A)及最小(B)光輸出值來(lái)計算出閃爍百分比。將A與B的和去除A與B的差，就得到一個(gè)百分數。

前面已經(jīng)提及，除了頻率外，閃爍指數的大小也是影響照明給人的感覺(jué)的重要因素。閃爍指數越高，人眼的敏感度就越強，感覺(jué)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(lái)考察LED光源的工作情況。LED的光照輸出基本上與驅動(dòng)電流成線(xiàn)性關(guān)系。仔細研讀任何大功率LED的據手冊，就會(huì )發(fā)現驅動(dòng)電流與光照輸出的圖形曲線(xiàn)中的這種線(xiàn)性關(guān)系。顯然，從這樣的圖形曲線(xiàn)可以得知，驅動(dòng)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驅動(dòng)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)注的是室內照明的情況。有好幾種可以輸出恒定電流的室內照明用LED驅動(dòng)電路方案。例如，在交流整流之后接人簡(jiǎn)單的限流電阻、線(xiàn)性半導體調整電路、以及開(kāi)關(guān)式脈寬調制(PWM)調整電路等，都是可能的方案。不過(guò)，這些方案都在我們的考慮范圍之外，因為它們不能滿(mǎn)足室內商業(yè)應用所要求的功率因數(PF)。典型情況下，商業(yè)應用要求PF值大于0.9。越來(lái)越多的國家和標準協(xié)會(huì )(例如能源之星和美國光源設計協(xié)會(huì )(Design-LightsConsortium，DLC》都要求照明的PF值大于0.9。我們預計，PF值低于0.9的燈及燈具將會(huì )很快被淘汰。

驅動(dòng)電路的拓撲結構

闡明對PF值的要求之后，我們再來(lái)考察可用于室內固態(tài)照明產(chǎn)品、并且符合成本及性能要求的幾種驅動(dòng)電路的拓撲結構。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(wú)源PFC暨開(kāi)關(guān)式DC/DC轉換電路。圖2揭示的是一個(gè)兩級電路，它包括一個(gè)無(wú)源PFC前級，以及一個(gè)開(kāi)關(guān)式DC/DC轉換器次級。這種構造廣泛用于低成本的后備式適配器以及充電器。這種PF設計常常被看作是“填谷式”方法，因為它使用了輸出電容來(lái)保持電壓的穩定，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(wú)源方案的缺點(diǎn)就是它不能用于超過(guò)20W的功率，因為在大功率情況下，其PF電磁兼容性(EMC)有著(zhù)先天不足的問(wèn)題。這個(gè)設計無(wú)法通過(guò)IEC EN61000-3-2(諧波電流輻射測試)C類(lèi)標準。此外，無(wú)源方案也不能實(shí)現寬電壓輸入范圍(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驅動(dòng)電路。這種拓撲結構具有良好的功率轉換效率和PF值，以及較寬的負載范圍。缺點(diǎn)就是電流紋波大，會(huì )導致可見(jiàn)或不可見(jiàn)的100-120赫茲閃爍。良好的設計可以把電流紋波降低到一個(gè)相對較低的水平，不過(guò)，即便如此，其紋波水平依然高于前述的兩級方案。這種單級拓撲結構的一個(gè)有趣特征是，每一只LED負載所特有的電壓及電流特性，會(huì )極大地影響紋波的大小。驅動(dòng)電路設計者正在尋求更好的方法來(lái)控制這種單級方案的紋波水平。

有源PFC暨開(kāi)關(guān)式DC/DC。解決輸出紋波問(wèn)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(guò)，DC/DC轉換級的加入，會(huì )使驅動(dòng)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，這種結構能夠涵蓋室內照明應用所需的絕大多數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系統設計者希望擁有一種低成本的方案來(lái)降低紋波輸出，這就又把我們帶回到了單級的實(shí)現方案。幸運的是，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轉換器要簡(jiǎn)單得多。你可以把單級設計方案看作是一個(gè)相對簡(jiǎn)單的線(xiàn)性紋波抑制電路，就如圖3所示


這種修改的單級拓撲結構使用了一種特別設計的線(xiàn)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)現方式還會(huì )帶來(lái)額外的好處。一般情況下，在驅動(dòng)電路之后增加一個(gè)開(kāi)關(guān)式DC/DC次級電路，會(huì )影響EMC性能，但是這種線(xiàn)性整流器卻不會(huì )帶來(lái)這個(gè)問(wèn)題。更好的EMC性能意味著(zhù)SSL廠(chǎng)商可以將這種紋波抑制器靈活應用于各種現成的LED驅動(dòng)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(mǎi)一個(gè)新的驅動(dòng)器或者開(kāi)關(guān)式DC/DC轉換器要高的多。
這個(gè)紋波抑制電路與單級PFC的輸出串聯(lián)起來(lái)使用，其基本組成是這類(lèi)似于直流工作模式下的測試。因為占空比非常小，由結溫的升高所引起的光學(xué)測試的結果誤差可以被忽略。LM-85推薦的占空比為1%或者更小。對于連續脈沖測試方法，LM-85中推薦的測試規程包括以下幾步：

·使LED的溫度穩定在所要求的結溫上。
·對LED加載持續電流脈沖并等待穩定，如100毫秒。
·在一段持續的積分時(shí)間里進(jìn)行光學(xué)和電學(xué)特性測試，或者在穩定條件讀取時(shí)間平均信號。

LM-85指出，首先，積分時(shí)間應該是一個(gè)整數，即為所用的脈沖時(shí)間的整數倍，以避免因積分時(shí)間引起誤差。其次，標準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時(shí)間。

對于兩種脈沖工作模式，在高結溫條件下的LED的光輸出則都可以采用熱腔或者可控散熱片來(lái)進(jìn)行測量。無(wú)論采用哪種模式，在高溫和溫度穩定條件下的LED的測試都要遵循相應的測試規程。如果脈沖模式可能會(huì )引起LED的結溫的升高，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)修正因子對測試結果進(jìn)行修正。LM-85列出了一些LED的熱模型案例，對應這些熱模型，適當的校正因素可以用來(lái)計算LED的熱效應。

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