LED固態照明（SSL）更高效、更持久，替代傳統的白熾燈和熒光燈是照明行業不可否認的趨勢。但是，由于固態照明裝置直接連接到AC線路，就像傳統照明一樣，由于驅動電源輸出端的電流紋波，存在100 Hz或120 Hz閃爍的風險。閃爍可以使人感到不舒服，即使人眼可能檢測不到閃爍，也會引起頭痛和其他疾病。嚴謹的LED驅動器設計可以最大限度地減少閃爍，并確保固態照明提供能效。
事實上，LED和燈具制造商都渴望解決閃爍問題，大多數向驅動器廠商要解決方案，因為驅動器最終決定了閃爍的程度。本文將解釋閃爍發生的根本原因和特征，描述其在LED照明中是如何發生的，并解釋工程師如何權衡不同的驅動器拓撲結構以找到最好的成本/效益組合。我們還將描述一種可以實現無閃爍LED照明的具有成本效益且靈活的紋波抑制電路。
市場預期
由于LED是新一代光源，市場期望的不僅是更高的固態照明功率，而且還具有更好的照明環境。
然而，與傳統照明技術一樣，大多數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低，任何與線相關的閃爍都可能被人的肉眼檢測到。事實上，整流的線路可能導致頻閃。
使用單級結構同時處理功率因數校正（PFC）和輸出驅動電流的LED驅動器特別容易受到閃爍的影響。除其他原因外，閃爍會受到LED紋波電流的影響。但是，有許多方法可以解決這個問題，包括紋波抑制電路。固態照明產品的開發人員需要評估方法，選擇既符合成本又能滿足應用要求的驅動器。在不同的應用中，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應用的系統設計可以在戶外街道或區域照明中發揮作用。
閃爍的影響
據美國電氣與電子工程師協會（IEEE）2010年發布的一篇報告指出，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。即使是重復的閃光燈和靜態的重復幾何圖案也可能導致這些人疾病突然發作，發生率約為0.025％。 這種類型的閃爍可以通過驅動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，通常我們認為驅動器是不穩定的。
但是，現在人們開始更加注意人長期曝光在70-160Hz范圍內高頻閃爍下的影響。 這種閃爍可能導致不適、頭痛和視力障礙。一些研究人員甚至聲稱，視網膜可以感覺到高達200 Hz的閃爍，但測試表明，160 Hz以上，閃爍對健康的影響可以忽略不計。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的閃爍。實際上，100Hz或120Hz的閃爍對人體健康的影響不僅是頻率，還包括身體和生理因素。
閃爍的相關定義
首先需要了解閃爍的特征。北美照明工程學會（IESNA）在“IESNA照明手冊”第九版中發布了“閃爍百分比”和“閃爍指數”的定義。
閃爍百分比指光源輸出循環變化的一個相對量度（即調制百分數），也有時被稱為“調制指數”。參考圖1，可以根據最大（A）和最小（B）光輸出電平計算出閃爍百分比，計算方式是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。
閃爍指數在IESNA手冊中的定義是“在給定功率頻率下，各種源輸出循環變化的一種可靠的相對量度。它考慮了光輸出的波形及其幅度。”閃爍指數假定值為0到1.0，穩定光輸出為0。值越高表示燈閃爍以及頻閃效應的可能性明顯增加。 再次參考圖1，可以通過Area 1和Area 2的總和除以Area 1計算出閃爍指數。
如前所述，除了頻率之外，閃爍指數對于人們感光程度具有顯著的影響。閃爍指數越高，意味著對人眼的敏感度更高，舒適程度更差。表1來源于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。
固態照明光源輸出
定義完閃爍后，思考一下LED光源是如何工作的。LED光輸出與驅動電流幾乎成線性關系。仔細看一下任意的一張大功率LED數據表，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：驅動電流是LED燈閃爍的關鍵來源，恒流供電是LED驅動器的主要職責。
當討論100-120 Hz的閃爍時，人們最常關注的是室內照明應用。室內照明有很多LED驅動器方案可以提供恒定的電流。例如，在AC整流之后，簡單的限流電阻、線性半導體調節和開關脈寬調制（PWM）調節都是可能的。但是這些方案不在討論的范圍內，因為它們不能提供室內商業應用所需的功率因數（PF）。
通常，商業應用需要大于0.9的PF。 越來越多的國家和標準協會，如能源之星和DesignLights Consortium（DLC）要求照明要大于0.9 PF。
電源拓撲結構
鑒于PF要求，下面介紹一些可用于室內固態照明產品的驅動器拓撲結構以及每個產品的成本和性能，詳見表2。我們還將介紹一個新方案，降低單級驅動器中常見的大紋波。
1 無源PFC加開關DC/DC
圖2描繪了一種兩級設計，在無源PFC上增加開關DC/DC轉換器。這種結構廣泛應用于低成本的離線適配器和充電器。PF設計通常被稱為谷底填充，因為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。
被動方案的缺點是，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。這種設計不能通過IEC EN61000-3-2（諧波電流發射測試）C級標準。此外，無源方案不適合實現通用的寬輸入電壓范圍，如100-240 VAC。
2 單級有源PFC
圖3所示的帶有源PFC的單級方法被廣泛應用于寬輸入電壓范圍的LED驅動器。該拓撲結構提供良好的功率轉換效率和PF值，以及很寬的負載范圍。缺點是高電流紋波會導致可見或不可見的100-120 Hz閃爍。好的設計可以將電流紋波降低到相對較低的值；但是，紋波通常仍高于前兩級的方案。單級拓撲的一個特征是紋波受到每個LED負載特有的不同電壓和電流特性的影響很大。驅動器設計師正在尋求更好的方法來控制單級設計中的紋波。
3 有源PFC加開關DC/ DC
解決輸出紋波問題的一個方法是在有源PFC后加上第二級源。圖4中描繪了這種拓撲結構，添加了DC/DC轉換器級。但在驅動器上增加DC/DC級，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，這種結構可以覆蓋室內應用所需的大部分功率水平并被廣泛使用。
4 單級PFC和紋波抑制器
理想情況下，固態照明系統開發人員更愿意采用成本較低的方法來減少紋波輸出，這又回到單級的方法了。幸運的是，還有一個很好的解決方案，用電路來降低電流紋波輸出，這比開關DC/DC級簡單得多。可以用圖5所示將單級設計用相對簡單的線性紋波抑制電路來進行分段。
改進過的單級拓撲采用獨特設計的線性穩壓器，可以大大降低單級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。在大多數情況下，在驅動器添加開關式DC/DC級會削弱EMC的性能，而添加線性穩壓器則不會。 由于有更好的EMC性能，固態照明制造商可以在現有的單級LED驅動器上靈活使用紋波抑制器。在輸出端添加電路遠比購買另一個驅動器或開關DC/DC轉換器更有成本效益。
該紋波抑制電路與單級PFC輸出串聯使用，主要由MOSFET、電流檢測電阻和誤差放大器組成。檢測電阻獲得電流紋波信號，如果紋波大于設定值，則誤差放大器的輸出會調節MOSFET上的電壓，使紋波變小。這些簡單的組件可以壓縮進一個非常小的封裝，甚至可以制成集成電路。
驅動器測試結果
圖6繪出了典型的單級驅動器的電壓和電流輸出。42W的設計為LED負載提供700 mA電流。紋波在電流波形中非常明顯。
圖7描述了同一個42W驅動器的輸出波形，該驅動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可接受的水平，通過減少閃爍百分比和指數來消除閃爍。
隨著LED照明產業的發展，高效率、長壽命等功能已無法滿足市場需求。人們正在尋找一個更好的照明環境，特別與健康有關的時候。對于某些地方，如辦公室和客廳，消除頻閃更為重要。
用低紋波驅動LED來實現良好的直流電流有多種方法，每種方法都有優缺點。 紋波抑制器的主要優點在于它提供了一種非常簡單和靈活的方法，以最小和非常合理的成本減少我們現有設計的閃爍問題。
●編譯/CNLED網 James
