照明应用中LED闪烁的原因及解决方案分析

用高效、凉爽、长久耐用的 LED 替换传统白炽灯是一个很不错的想法。 与所有好的想法一样，付诸实施比起初形成概念要有些难度。

虽然 LED 灯可由驱动电路供电，以便能连接到现有的民用交流电源，但这种电源输出的电压纹波可能造成闪烁。 大多数照明存在闪烁，一些用户抱怨这种闪烁会使他们感到不舒服，甚至生病。

LED 和灯具制造商迫切想找到问题根源，因为如果固态照明给人们造成可产生闪烁的印象，说服用户放弃传统照明将会更加困难，这当然不是制造商所希望的。

本文探讨闪烁的成因，说明闪烁为什么是 LED 的特有问题，解释工程管理和标准制定机构如何针对受测试房屋以及 LED、驱动器芯片和灯具制造商，努力对这种现象进行量化。 然后，本文还将介绍几家主要硅晶产品供货商推出的一些最新产品，他们都宣称能提供一种实施无闪烁 LED 照明的高性价比方法。

闪烁的影响

研究表明，每 4 千人中约有 1 人会对 3 - 70 Hz 范围内的周期性灯光闪烁高度敏感。 如此明显的闪烁能引起象癫痫发作一样严重的心神不安。 鲜为人知的是，长期（无意识地）暴露在更高频率（70 - 160 Hz）的闪烁环境中也会导致身体不适、头疼和视力损坏。

然而不幸的是，除非在自然光下，人们很有可能会暴露在这种更高频的闪烁灯光下，这是因为所有采用市电的光源，无论是白炽灯、卤素灯、荧光灯还是 LED 都会出现闪烁。 闪烁源自电源中的 AC 成分，闪烁频率等于电网频率（通常为 50 或者 60 Hz）或者是其二倍。

试验表明，人们在这些较高频率下很难直接察觉到光源闪烁，但看起来这似乎没有什么问题。 科学研究表明，即使在受试者不了解的情况下，人类视网膜也能够分解频率在 100 - 150 Hz 之间的闪烁，由此得出人脑很极有可能会做出反应。

这种在 100 - 150 Hz 范围内由所谓察觉不到的闪烁造成的隐性危害，不仅与频率成函数关系，而且人的身体和生理也是重要因素。 例如，亮光比暗光的危害更严重，且照明方式的“明亮”和“黑暗”部分之间的差异是重要因素（在处于闪烁周期的“关闭”部分期间时，灯光完全熄灭变黑比灯光部分熄灭变暗的危害更严重）。 单纯红光或者红蓝光交替带来的危害影响尤其严重，且光源在视网膜上的位置很重要，因为视网膜中心区域感觉到的光线比落到周围的光线会造成更严重的危害。

一些研究人员甚至认为视网膜能感觉到高达 200 Hz 的闪烁，但试验证明 160 Hz 以上的闪烁对人体造成的影响可以忽略不计。¹

闪烁的定义

相对来讲，照明工程师们直到现在还未认真对待过察觉不到的闪烁造成的危害。 然而，面对健康、安全方面越来越严格的规定、更加完善的研究以及那些置身于到处都是荧光灯照明环境中的办公室工作人员不断的抱怨，是该采取措施的时候了。

但是没有明确的闪烁定义，谁能肯定某个光源就比其他光源好呢？ 北美照明工程协会 （IESNA） 在第九版 IESNA Lighting Handbook（照明手册）中解决了这一难题，并给出了“闪烁百分比”和“闪烁指数”的具体定义。 图 1 所示为这种度量方案的定义方法。

图 1：用于定义闪烁百分比和闪烁指数的光输出迹线示意图。

闪烁百分比是一个相对测量值，用来表示光源输出中的周期性变化（即，调制百分比）。 有时也称作“调制指数”。

由上图可得： 闪烁百分比 = 100 x （A – B）/（A + B）

根据该手册，闪烁指数“是一个可靠的相对测量值，表示给定频率下不同光源输出中的周期性变化。 这个表达式同时考虑了光输出波形及其幅值。” 假定闪烁指数的值在 0 到 1.0 之间，当为 0 时，表示光源输出稳定。 这个值越高，表示越容易出现明显的灯光闪烁以及频闪效应。

由上图还可可得： 闪烁指数 = 面积 1/（面积 1 + 面积 2）

LED 的问题

LED 的物理特性决定了 LED 只能采用与其它光源不同的电源供电（参见 TechZone 文章“了解高亮 LED 褪色的原因”。

LED 全称为发光二极管，由此看出它是一种二极管。 正常工作时，需要施加一个幅值足以使该器件在导通区域内工作的恒定正向导通电压（通常 LED 还串联一个电阻器）。 商用高亮器件的正向电压通常为 3 - 4.5 V。 LED 的相对光通量（本质上讲是指亮度）由电流决定，因此其正向电压 （VF） 和正向电流 （IF） 的关系是一个重要因素。

器件制造商会建议一个严格的 LED 工作范围，而这个范围通常是将亮度和能效折中后的结果。

图 2a 和 2b 所示为 Cree XLamp ML-B LED的电压与电流、电流与相对光通量的关系曲线。 正向电压的变化会影响正向电流，进而影响光通量。

图 2a 和 2b：Cree XLamp ML-B LED 的正向电压与正向电流、正向电流与相对光通量的关系曲线。

LED 芯片采用 AC 电源时，需要通过整流器将大多数国家采用的 110-115 V 或 230-240 V、50 或者 60 Hz 市电降至适合 LED 的电压和电流。 请注意，在常见的照明灯具中，每个灯具使用 6 到 8 个 LED 芯片，因此每个照明单元所需的功率要高于单个 LED 芯片。

基本的 LED 驱动器由一个连接 LED 灯串的全波整流器和一个用于限流的串联电阻器组成（图 3）。 这种方法的 LED 调制频率双倍于 AC 频率（即 100-120 Hz）。 由于照度与电流成比例，因此 LED 会以这个频率闪烁（图 4）。

图 3：简单的 LED 全波整流器

图 4： 图 3 中的 LED 输出。 灯光闪烁频率为市电频率的 2 倍。

所有最终通过 AC 市电供电的光源都可能会出现闪烁。 但 LED 尤其严重，因为其闪烁指数（调制深度）通常比传统光源更恶化。

这是由于 LED 对电流变化的反应特别快。 120 Hz 时，LED 及其白色发光磷光体能在波形的“关闭”部分完全停止产生光子。 传统光源与此相反，尤其是白炽灯和卤素灯具有一定的“惯性”。 也就是说，这些器件即使在闪烁周期的“断开”部分仍会发出一些光子。

表 1 总结了各种不同光源的百分比闪烁和闪烁指数，包括采用 DC 和 AC 电源驱动的光源。²（“最小”、“最大”和“平均值”列分别列举了每种光源的相对强度。）

如上文所述，除了频率外，闪烁指数也会严重影响人们对灯光的感觉。 闪烁指数越高人的感觉越明显，因此潜在危害更大。

最大 最小 平均 闪烁百分比 闪烁指数 白炽灯 12.180 10.745 11.460 6.2594 0.0194 100 W MH 9.1472 3.2066 6.5147 48.088 0.1398 T12 磁性镇流器 9.6281 4.6256 7.1565 35.096 0.0897 T5HO 电子式镇流器 10.52 9.960 10.20 2.734 0.0036 直流供电 LED 43.4 41.0 42.2 2.84 0.0037 存在闪烁的 LED 15.996 0.0555 6.3026 99.309 0.4498

表 1： 各种光源的闪烁百分比和闪烁指数。 闪烁指数越大，人眼感觉越明显。

改进 LED 驱动器

大多数现有的 LED 驱动器采用高频开关电源，要比图 3 所示的简单结构复杂得多，并且凭借高能效成为热门驱动器件。 开关电源采用的输入和输出滤波功能显著减少了输出中市电的 AC 成分，不过一些文波还是不可避免的。 有些装置的纹波会更严重，因此建议工程师要认真、仔细选择 LED 驱动器。

尽管开关式 LED 电源通过减少输出中的 AC 成分有助于降低闪烁指数，但两倍于市电频率的闪烁频率则无任何变化，仍在研究人员认为会危害人类的范围内。

美国环境保护协会 （EPA） 是一个有影响力的机构，已建议通过将 LED 工作频率提高至 150 Hz 来尝试解决这个问题。 制造商们必须遵守该机构制定的能源之星规范，他们希望满足在商业方面具有优势的能源之星认证要求。这个规范中就有一项针对闪烁的认证规定。

在 2009 年，该规范中关于闪烁的规定发生了变化，从原来规定的最低 LED 频率为 120 Hz 提高至 150 Hz。 LED 和半导体制造商们显然不乐意接受这项规定，因为让其新产品适应新频率需要投入巨资。

EPA 在 2010 年 3 月写给相关各方的一封信中 ³ 对此规定放宽了要求，改回原先的 120 Hz 并一直沿用至今。

即便如此，市场上许多可以直接连接市电的 LED 驱动器被宣称可提供“无闪烁”电源。 例如，Cirrus Logic 最近推出 CS161x LED 驱动器系列（CS1610-FSZ、 CS1611-FSZ）。 这些芯片适合采用 100 - 120 VAC 和 220 - 240 VAC 线路电压，拥有值得称道的新优势——即使与传统调光开关一起使用也能保持无闪烁性能（但这同时也是 LED 驱动器在闪烁指数方面折中的结果）。

此外，CUI Inc. 推出了一款命名为 V-Infinity VLED15 （图 5）的恒流驱动器，这款器件能在全亮度以及与传统调光开关一起使用的情况下实现无闪烁性能。 这一模块包括两种版本，分别用于 115 VAC 和 230 VAC 输入。

图 5：CUI Inc 的 VLED15 即使与传统调光器一起使用也能提供无闪烁 LED 电源。

另一种可选产品是 ROHM Semiconductor 的 BP5843A。 这是一款 11 引脚 SIP 模块，采用 113 - 170 VAC 电源，可向多个串联或者并联的高亮 LED 供电。 这种模块的峰峰输出电压低，能确保实现无闪烁 LED 电源。

总结

LED 灯具设计工程师能如数家珍地说出其光源的许多优势，如能效、使用寿命长、坚固耐用。 然而，他们确实应该知道，如果用户在固态照明灯光下感到不适，可能就是他们的产品造成的不良反应。

这种闪烁虽然可以忽略不计，但仍会成为一个问题。 例如在闪烁的荧光灯下的办公室人员，他们会马上指出“病态建筑综合征”导致了缺勤率超过平均值。 没有直接的证据说明闪烁会导致人体不适，但最近的研究表明，闪烁很有可能是其中的原因之一。

因此，设计 LED 照明时牢记减少闪烁是一个很好的主意。 选择高品质、高频率开关式 LED 驱动器，因为这些器件能将输出电压和电流中的交流成分降至最少，反过来又能限制 LED 闪烁的调制深度。 尽管需要进一步的研究来证实这一建议，但是，把目光投向将输出纹波中的交流成分转换为 150 Hz 或甚至更高频率输出的驱动器也不失为一个好主意，因为早期迹象表明，这种高频下任何闪烁都可以忽略不计。