【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(dòng)電路的構(gòu)造。LED驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(shì)。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(dòng)電路的輸出端會(huì)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(huì)讓人感覺不舒服，比如導(dǎo)致頭痛和其他不適。對(duì)LED的驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(shì)
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(shì)。因?yàn)長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(tǒng)級(jí)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(duì)較低的頻率，任何 方法進(jìn)行評(píng)估，并選擇合適的驅(qū)動(dòng)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(chǎng)合對(duì)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(huì)對(duì) 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(dòng)電流輸出的LED驅(qū)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(píng)估，并選擇合適的驅(qū)動(dòng)電路。不同的應(yīng)用場(chǎng)合對(duì)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(dòng)器中的無源或“填谷式”PFC前級(jí)暨DC/DC轉(zhuǎn)換器后級(jí)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(huì)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(cè)試表明，當(dāng)頻率高于160赫茲的時(shí)候，其對(duì)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(duì)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(jí)有源PFC驅(qū)動(dòng)電路的架構(gòu)
閃爍百分比(percent flicker)是對(duì)光源輸出的周期性變化的一個(gè)相對(duì)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?cè)賮砜疾霯ED光源的工作情況。LED的光照輸出基本上與驅(qū)動(dòng)電流成線性關(guān)系。仔細(xì)研讀任何大功率LED的據(jù)手冊(cè)，就會(huì)發(fā)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)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(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(qū)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(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(dòng)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(huì)(例如能源之星和美國光源設(shè)計(jì)協(xié)會(huì)(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(huì)很快被淘汰。
驅(qū)動(dòng)電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
闡明對(duì)PF值的要求之后，我們?cè)賮砜疾炜捎糜谑覂?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(dòng)電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。此外，我們還將介紹一種在單級(jí)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(jí)電路，它包括一個(gè)無源PFC前級(jí)，以及一個(gè)開關(guān)式DC/DC轉(zhuǎn)換器次級(jí)。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(cè)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(jí)有源PFC。帶有源PFC的單級(jí)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(dòng)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(huì)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(duì)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(jí)方案。這種單級(jí)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(huì)極大地影響紋波的大小。驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)者正在尋求更好的方法來控制這種單級(jí)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(jí)之后，再增加一個(gè)有源次級(jí)電路。不過，DC/DC轉(zhuǎn)換級(jí)的加入，會(huì)使驅(qū)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(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(jí)并被廣泛采用。
單級(jí)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(jí)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(jí)設(shè)計(jì)方案看作是一個(gè)相對(duì)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(jí)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(jí)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(huì)帶來額外的好處。一般情況下，在驅(qū)動(dòng)電路之后增加一個(gè)開關(guān)式DC/DC次級(jí)電路，會(huì)影響EMC性能，但是這種線性整流器卻不會(huì)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(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，其成本效益比購買一個(gè)新的驅(qū)動(dòng)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(jí)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(cè)試。因?yàn)檎伎毡确浅Ｐ?，由結(jié)溫的升高所引起的光學(xué)測(cè)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(duì)于連續(xù)脈沖測(cè)試方法，LM-85中推薦的測(cè)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(duì)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(cè)試，或者在穩(wěn)定條件讀取時(shí)間平均信號(hào)。
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(cè)得的光度或者輻射度的值除以所用的電流的占空比對(duì)應(yīng)時(shí)間。
對(duì)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(cè)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(cè)試都要遵循相應(yīng)的測(cè)試規(guī)程。如果脈沖模式可能會(huì)引起LED的結(jié)溫的升高，或者引起光輸出的減小，那么，對(duì)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(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行修正。LM-85列出了一些LED的熱模型案例，對(duì)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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