【導(dǎo)讀】LED閃爍一直是業(yè)界內(nèi)久攻不下的難題。本文就這一問題深入探討LED閃爍的原因，解釋其在LED中突出的原因，以及應(yīng)對LED閃爍的措施。本文就幾個半導(dǎo)體產(chǎn)品詳細(xì)解析LED閃爍。
將傳統(tǒng)的白熾燈替換為高效率、高色溫、長壽命的LED燈確實(shí)是個好想法，不過所有的好想法都一樣——想得容易做起來難。
LED燈配上驅(qū)動電路就可以接入家里現(xiàn)有的交流電路，但是驅(qū)動電路輸出的電壓紋波可能會導(dǎo)致光的閃爍。大部分照明系統(tǒng)都會出現(xiàn)閃爍，同時一些消費(fèi)者抱怨頻閃效應(yīng)使他們感到不適，甚至惡心生病。
LED和燈具廠家都急切地想要找到問題的根源。如果固態(tài)照明光源冤枉地背上“閃爍”的惡名，那么說服消費(fèi)者放棄傳統(tǒng)光源、轉(zhuǎn)而選擇LED就更難了。
閃爍的影響
研究表明，每4000人中就有1個人對頻率為 3~70 Hz的閃動光源高度敏感。這種明顯的閃爍會引發(fā)一些嚴(yán)重疾病，例如癲癇。人們不太了解的是，長期暴露在人眼不可察覺的頻閃(70~160Hz)下也會導(dǎo)致心神不寧、頭痛和視力損害。
可惜除了自然光外，人們所接觸到的都是高頻的閃爍光。因?yàn)樗惺须婒?qū)動的光源——無論是白熾燈、鹵素?zé)簟晒鉄艋蚴荓ED——都有可能產(chǎn)生閃爍。原因在于供電電源是交流電，一般情況下，閃爍的頻率和市電頻率(一般50或60Hz)相同，或者是市電頻率的兩倍。
測試顯示，人們很難直接感受到光源的高頻閃爍，但這個結(jié)論的意義其實(shí)并不大。因?yàn)榭茖W(xué)家進(jìn)行的研究表明，人類的視網(wǎng)膜可以解析100~150Hz的光源閃爍，即使實(shí)驗(yàn)對象不能覺察到，其大腦很可能確實(shí)對頻閃做出了反應(yīng)。這一類所謂不可察覺的閃爍(100~150Hz)其隱蔽影響是關(guān)于頻率的函數(shù)，但不僅限于此，生理和心理因素也都很重要。
例如：
高亮度時比低亮度時危害更大;
亮暗兩部分的光相(Lighting Pattern)差異也很重要，如交流電周期內(nèi)“零”電壓時，燈光完全變暗的比只是部分調(diào)暗的，危害更大;
閃爍的紅光和紅藍(lán)交替閃爍的光格外惹人討厭;
光映射在視網(wǎng)膜上的位置也很重要，因?yàn)橐暰W(wǎng)膜中央感受到的光比落在視覺外周(視網(wǎng)膜邊緣)的光危害大。
一些研究者甚至聲稱視網(wǎng)膜可以感受到高達(dá)200Hz的頻閃，不過實(shí)驗(yàn)表明，高于160Hz的頻閃對健康的影響可以忽略不計(jì)。
閃爍的定義
直到近期，照明工程師依然不太關(guān)注不可察覺的閃爍所產(chǎn)生的影響。然而，隨著健康和安全的規(guī)范愈趨嚴(yán)苛，研究更加深入，以及工作在密布熒光燈管的辦公室職員發(fā)出越來越多抱怨，我們是時候該行動了。
可是沒有對閃爍的定義，誰有資格評價哪種光源比另一種好呢?北美照明工程協(xié)會(IESNA)為解決這個難題，在第九版IESNA照明手冊中提出了一個“閃爍百分?jǐn)?shù)”和“閃爍指數(shù)”的定義。圖1展示了如何定義這個指標(biāo)。
圖1：用于定義閃爍百分?jǐn)?shù)和閃爍指數(shù)的光輸出曲線示意圖
閃爍百分?jǐn)?shù)是衡量光源在周期內(nèi)的光輸出變化的相對量度(即，調(diào)制百分比)。有時候也稱它為“調(diào)制指數(shù)”。由圖可知：閃爍百分比=100×(A-B)/(A+B)
根據(jù)該手冊，閃爍指數(shù)是一個“衡量不同光源在一個給定電源頻率下周期內(nèi)的光輸出變化的可靠的相對量度，它關(guān)乎光輸出的波形和振幅”。
閃爍指數(shù)取值在0到1.0間，0代表穩(wěn)定的光輸出。值越高表示可觀察到光源閃爍的可能性越大，頻閃效應(yīng)(stroboscopic effect)出現(xiàn)的可能性也越大。再次從圖中可得：
閃爍指數(shù)=面積1/(面積1+面積2)
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LEDs存在的問題
LEDs的物理特性決定了它們受驅(qū)動的方式和其他光源不同。LEDs(發(fā)光二極管)正如其名，它是一種二極管。通常的燃點(diǎn)機(jī)制是，足夠大的穩(wěn)定正向電壓加在LED極其串聯(lián)的電阻上，器件在它的導(dǎo)電區(qū)開始發(fā)光。商品化高亮度LED的正向電壓一般在3到4.5V之間。正向電壓(VF)和正向電流(IF)之間的關(guān)系十分緊密，電流決定了器件的相對光通量(本質(zhì)上就是亮度)。
器件生產(chǎn)商都會給LED推薦一個常規(guī)使用的范圍，這實(shí)際上是在亮度和光效間的妥協(xié)。
圖2a和2b：Cree Xlamp ML-B LED的電流隨電壓變化曲線和相對光通量隨電流變化的曲線。
用交流電源給LED芯片供電需要調(diào)壓器，把大部分國家使用的110~115或230~240V、50或60Hz的市電電壓降到適用于LED的低壓。要注意燈具里一般是6~8個LED芯片為一組，所以每一個單元的功率要求大于單個LED。
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LED驅(qū)動器的一種基本形式是：一個全波整流器(圖3)和一串帶有限流電阻的LED相連。這個方法以兩倍于市電頻率來調(diào)制LEDs(即100到120Hz)。由于發(fā)光強(qiáng)度和電流成比例，所以LED的閃爍也是這個頻率(圖4)。
圖3：簡單的LED全波整流器驅(qū)動器
圖4：圖3中的LED的輸出。光閃爍是市電頻率的兩倍。
所有由交流供電的光源都可能閃爍，但是LED表現(xiàn)得尤其明顯。因?yàn)樗拈W爍指數(shù)(或調(diào)制深度)比傳統(tǒng)光源差。這個現(xiàn)象的原因是，LED對電流變化的反應(yīng)尤其快。120Hz時，LED在波形周期的“截止”部分時其本身和它的熒光粉都來得及完全停止產(chǎn)生光子。相比之下，傳統(tǒng)光源——特別是白熾燈和鹵素?zé)?mdash;—都有一種“慣性”，它們在周期的“截止”區(qū)段時依然會發(fā)出一些光子。
表1總結(jié)了不同光源在直流、交流電源下的閃爍百分比和閃爍指數(shù)。2(“最小值”、“最大值”和“平均值”列表示各種光源的相對光強(qiáng)。)
如前文所述，除了頻率之外，閃爍指數(shù)還能顯著影響光如何作用于人的感受。閃爍指數(shù)越高越易察覺，因此也有更大的潛在危險。
表1：幾種光源的閃爍百分比和閃爍指數(shù)。高閃爍指數(shù)的頻閃更易被人眼察覺。
改良的LED驅(qū)動器
大部分現(xiàn)在使用的LED驅(qū)動器都比圖3中給出的簡單示例要復(fù)雜。高頻開關(guān)電源因?yàn)槠涓咝Ф鴱V受歡迎。開關(guān)電源使用的輸入、輸出濾波器大大減少了市電電源輸出端的交流成分，不過有些紋波難以避免。LED驅(qū)動器質(zhì)量良莠不齊，建議工程師謹(jǐn)慎選擇。
盡管有些開關(guān)LED電源可以減少輸出端的交流成分，進(jìn)而降低閃爍指數(shù)，可是閃爍的頻率卻不受影響，依然是市電頻率的兩倍，其所屬頻率區(qū)間有研究者認(rèn)為對人體有所影響。
具有影響力的美國環(huán)境保護(hù)署(EPA)為了解決這個問題，建議將LED的工作頻率提高到150Hz。該組織的“能源之星”標(biāo)準(zhǔn)包括一條針對閃爍的標(biāo)準(zhǔn)：如果廠家想要得到能源之星認(rèn)證以獲得商業(yè)優(yōu)勢，就一定要符合能源之星標(biāo)準(zhǔn)。
2009年，那條關(guān)于閃爍的標(biāo)準(zhǔn)發(fā)生了變化，規(guī)定LED的最低工作頻率從之前的120Hz升高到150Hz。LED和半導(dǎo)體制造商都不喜歡這個新標(biāo)準(zhǔn)，因?yàn)榘阉鼈兊漠a(chǎn)品提升到適應(yīng)新頻率標(biāo)準(zhǔn)費(fèi)用高昂。
2010年3月，在一封致相關(guān)方的公開信中，3 EPA放寬了規(guī)定，標(biāo)準(zhǔn)又改回了原來的120Hz，并一直沿用至今。現(xiàn)在市面上有很多可以直接接入市電電源的LED驅(qū)動器，而且宣稱能夠產(chǎn)生“無頻閃”電源。例如Cirrus Logic近期推出了它的CS161xLED驅(qū)動器系列(CS1610-FSZ, CS1611-FSZ)。
這些芯片適用于100-120VAC和220-240VAC線路電壓，并稱即使配合傳統(tǒng)的調(diào)光開關(guān)使用也可以維持無頻閃的優(yōu)異表現(xiàn)。(傳統(tǒng)的調(diào)光開關(guān)總為LED驅(qū)動器引入各種麻煩，所以只好妥協(xié)閃爍指數(shù)。)
CUI也提供了一款恒流驅(qū)動器V-Infinity VLED15(圖5)，配合傳統(tǒng)的調(diào)光開關(guān)使用，在全亮度的時候可以完全沒有頻閃。這個驅(qū)動器有兩個版本可選，適合115VAC輸入和230VAC輸入。
設(shè)計(jì)LED燈具的照明工程師可以列出LED的許多優(yōu)點(diǎn)，比如說光效高、壽命長而且堅(jiān)固耐用。然而，工程師們要記得，消費(fèi)者一旦在固態(tài)照明光下作業(yè)感到不適，他們會對產(chǎn)品吐槽。
就算頻閃可能是“不可察覺的”，它一樣會引發(fā)問題。例如，工作在使用頻閃熒光燈管照明的辦公室里的人認(rèn)為“病態(tài)建筑綜合癥”是導(dǎo)致高缺勤率的原因。現(xiàn)在并沒有直接證據(jù)證明頻閃會導(dǎo)致癲癇，但是近期的研究表明頻閃非常可能是誘因之一。
相應(yīng)地，設(shè)計(jì)LED照明系統(tǒng)時應(yīng)謹(jǐn)記減少頻閃。選擇高質(zhì)量的高頻率的LED驅(qū)動，因?yàn)樗鼈兛梢詼p少電壓中的交流分量，和輸出的電流紋波，進(jìn)而控制LED閃爍的調(diào)制深度。
還有，我們應(yīng)該積極尋找能將輸出紋波中的交流分量轉(zhuǎn)化到150Hz或更高頻率的LED驅(qū)動器。據(jù)稱這個頻率的閃爍對健康的影響可以忽略不計(jì)，不過還需要更進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)去證實(shí)這個觀點(diǎn)。
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