一種可以實(shí)現(xiàn)無(wú)閃爍LED照明的靈活的紋波抑制電路介紹

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(rèn)的趨勢(shì)。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(dòng)電源輸出端的電流紋波，存在100 Hz或120 Hz閃爍的風(fēng)險(xiǎn)。閃爍可以使人感到不舒服，即使人眼可能檢測(cè)不到閃爍，也會(huì)引起頭痛和其他疾病。嚴(yán)謹(jǐn)?shù)?u>LED驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)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(shí)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(dòng)器廠商要解決方案，因?yàn)轵?qū)動(dòng)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(dòng)器拓?fù)浣Y(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(shí)現(xiàn)無(wú)閃爍LED照明的具有成本效益且靈活的紋波抑制電路。

市場(chǎng)預(yù)期

由于LED是新一代光源，市場(chǎng)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(duì)低，任何與線相關(guān)的閃爍都可能被人的肉眼檢測(cè)到。事實(shí)上，整流的線路可能導(dǎo)致頻閃。

使用單級(jí)結(jié)構(gòu)同時(shí)處理功率因數(shù)校正（PFC）和輸出驅(qū)動(dòng)電流的LED驅(qū)動(dòng)器特別容易受到閃爍的影響。除其他原因外，閃爍會(huì)受到LED紋波電流的影響。但是，有許多方法可以解決這個(gè)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(píng)估方法，選擇既符合成本又能滿足應(yīng)用要求的驅(qū)動(dòng)器。在不同的應(yīng)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(yīng)用的系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(guó)電氣與電子工程師協(xié)會(huì)（IEEE）2010年發(fā)布的一篇報(bào)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(fù)的閃光燈和靜態(tài)的重復(fù)幾何圖案也可能導(dǎo)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(dòng)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(rèn)為驅(qū)動(dòng)器是不穩(wěn)定的。

但是，現(xiàn)在人們開始更加注意人長(zhǎng)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(dǎo)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(dá)200 Hz的閃爍，但測(cè)試表明，160 Hz以上，閃爍對(duì)健康的影響可以忽略不計(jì)。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(shí)際上，100Hz或120Hz的閃爍對(duì)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(xué)會(huì)（IESNA）在“IESNA照明手冊(cè)”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(gè)相對(duì)量度（即調(diào)制百分?jǐn)?shù)），也有時(shí)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(jì)算出閃爍百分比，計(jì)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(cè)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(duì)量度。它考慮了光輸出的波形及其幅度?！遍W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(yīng)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(jì)算出閃爍指數(shù)。

如前所述，除了頻率之外，閃爍指數(shù)對(duì)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(duì)人眼的敏感度更高，舒適程度更差。表1來(lái)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(dòng)電流幾乎成線性關(guān)系。仔細(xì)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(dòng)電流是LED燈閃爍的關(guān)鍵來(lái)源，恒流供電是LED驅(qū)動(dòng)器的主要職責(zé)。

當(dāng)討論100-120 Hz的閃爍時(shí)，人們最常關(guān)注的是室內(nèi)照明應(yīng)用。室內(nèi)照明有很多LED驅(qū)動(dòng)器方案可以提供恒定的電流。例如，在AC整流之后，簡(jiǎn)單的限流電阻、線性半導(dǎo)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?yàn)樗鼈儾荒芴峁┦覂?nèi)商業(yè)應(yīng)用所需的功率因數(shù)（PF）。通常，商業(yè)應(yīng)用需要大于0.9的PF。 越來(lái)越多的國(guó)家和標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)，如能源之星和DesignLights Consortium（DLC）要求照明要大于0.9 PF。

電源拓?fù)浣Y(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(dòng)器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及每個(gè)產(chǎn)品的成本和性能，詳見表2。我們還將介紹一個(gè)新方案，降低單級(jí)驅(qū)動(dòng)器中常見的大紋波。

無(wú)源PFC加開關(guān)DC/DC。圖2描繪了一種兩級(jí)設(shè)計(jì)，在無(wú)源PFC上增加開關(guān)DC/DC轉(zhuǎn)換器。這種結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用于低成本的離線適配器和充電器。PF設(shè)計(jì)通常被稱為谷底填充，因?yàn)?u>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(dòng)方案的缺點(diǎn)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(shè)計(jì)不能通過IEC EN61000-3-2（諧波電流發(fā)射測(cè)試）C級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。此外，無(wú)源方案不適合實(shí)現(xiàn)通用的寬輸入電壓范圍，如100-240 VAC。

圖2.在無(wú)源或谷底填充的PFC增加DC/DC轉(zhuǎn)換器

單級(jí)有源PFC。圖3所示的帶有源PFC的單級(jí)方法被廣泛應(yīng)用于寬輸入電壓范圍的LED驅(qū)動(dòng)器。該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)提供良好的功率轉(zhuǎn)換效率和PF值，以及很寬的負(fù)載范圍。缺點(diǎn)是高電流紋波會(huì)導(dǎo)致可見或不可見的100-120 Hz閃爍。好的設(shè)計(jì)可以將電流紋波降低到相對(duì)較低的值；但是，紋波通常仍高于前兩級(jí)的方案。單級(jí)拓?fù)涞囊粋€(gè)特征是紋波受到每個(gè)LED負(fù)載特有的不同電壓和電流特性的影響很大。驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)師正在尋求更好的方法來(lái)控制單級(jí)設(shè)計(jì)中的紋波。

圖3.單級(jí)有源PFC驅(qū)動(dòng)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(gè)方法是在有源PFC后加上第二級(jí)源。圖4中描繪了這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，添加了DC/DC轉(zhuǎn)換器級(jí)。但在驅(qū)動(dòng)器上增加DC/DC級(jí)，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(yīng)用所需的大部分功率水平并被廣泛使用。

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

單級(jí)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(lái)減少紋波輸出，這又回到單級(jí)的方法了。幸運(yùn)的是，還有一個(gè)很好的解決方案，用電路來(lái)降低電流紋波輸出，這比開關(guān)DC/DC級(jí)簡(jiǎn)單得多。可以用圖5所示將單級(jí)設(shè)計(jì)用相對(duì)簡(jiǎn)單的線性紋波抑制電路來(lái)進(jìn)行分段。

圖5.紋波抑制模塊圖

改進(jìn)過的單級(jí)拓?fù)洳捎锚?dú)特設(shè)計(jì)的線性穩(wěn)壓器，可以大大降低單級(jí)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(dòng)器添加開關(guān)式DC/DC級(jí)會(huì)削弱EMC的性能，而添加線性穩(wěn)壓器則不會(huì)。 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(jí)LED驅(qū)動(dòng)器上靈活使用紋波抑制器。在輸出端添加電路遠(yuǎn)比購(gòu)買另一個(gè)驅(qū)動(dòng)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(jí)PFC輸出串聯(lián)使用，主要由MOSFET、電流檢測(cè)電阻和誤差放大器組成。檢測(cè)電阻獲得電流紋波信號(hào)，如果紋波大于設(shè)定值，則誤差放大器的輸出會(huì)調(diào)節(jié)MOSFET上的電壓，使紋波變小。這些簡(jiǎn)單的組件可以壓縮進(jìn)一個(gè)非常小的封裝，甚至可以制成集成電路。

驅(qū)動(dòng)器測(cè)試結(jié)果

圖6繪出了典型的單級(jí)驅(qū)動(dòng)器的電壓和電流輸出。42W的設(shè)計(jì)為L(zhǎng)ED負(fù)載提供700 mA電流。紋波在電流波形中非常明顯。

圖6.單級(jí)驅(qū)動(dòng)器輸出電流。

圖7描述了同一個(gè)42W驅(qū)動(dòng)器的輸出波形，該驅(qū)動(dòng)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(gè)可接受的水平，通過減少閃爍百分比和指數(shù)來(lái)消除閃爍。

圖7. 帶有紋波抑制電路的驅(qū)動(dòng)器輸出電流

隨著LED照明產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，高效率、長(zhǎng)壽命等功能已無(wú)法滿足市場(chǎng)需求。人們正在尋找一個(gè)更好的照明環(huán)境，特別與健康有關(guān)的時(shí)候。對(duì)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(dòng)LED來(lái)實(shí)現(xiàn)良好的直流電流有多種方法，每種方法都有優(yōu)缺點(diǎn)。 紋波抑制器的主要優(yōu)點(diǎn)在于它提供了一種非常簡(jiǎn)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(shè)計(jì)的閃爍問題。