從驅動方式再談LED頻閃消除技術

林 為，胡昌吉

（佛山職業技術學院，廣東 佛山 528137）

0 引 言

電光源的頻閃源自電源的波動。采用交流電源的傳統光源如白熾燈、HID、日光燈等，直接使用市電驅動，每個周期存在兩個最大值，因此閃爍的頻率是100 Hz（對50 Hz市電而言）或120 Hz（60 Hz市電）[1]。

LED和其他電光源一樣存在頻閃，但是LED多數采用直流恒流供電，理論上不存在100 Hz（120 Hz）頻閃問題，更不會出現文獻[2]提到的因為LED伏安特性的開啟電壓引發的頻閃（AC LED除外）。LED頻閃主要源自直流電上的紋波。紋波越大，頻閃現象越明顯。

作為照明光源，頻閃可能導致頭痛、頭暈、惡心、視覺紊亂以及視力下降等生理問題，嚴重者可導致光敏性癲癇或閃爍光誘導的癲癇。在某些應用場合，對光源的穩定性要求極高，不允許出現頻閃現象，如作為校準光源的發光面板、太陽光模擬器等。

隨著LED照明的不斷普及，越來越多的使用者關注頻閃問題。因此，研究和應用LED消除頻閃技術具有重大的現實意義。

1 衡量頻閃程度的指標

常用的衡量光源頻閃程度的指標有兩個，分別是頻閃百分比和頻閃指數。

根據照明工程協會IES（Illuminating Engineering Society）制訂的標準ANSI/IES RP-16-10《照明工程術語和定義》[3]，頻閃百分比（也叫做波動深度）等于一個開關周期內最大光輸出與最小光輸出之差除以它們之和，即：

其中A為一個開關周期內最大光輸出（光通量），B為一個開關周期內最小光輸出（光通量），參考圖1。顯然，這個指標僅僅從光源的發光能力或發光強度的波動定義頻閃的程度，并未考慮光源的變化曲線和時間積累的因素。

圖1 頻閃百分比和頻閃指數示意圖

頻閃指數等于一個開關周期內超過平均光輸出的量除以全部光輸出，如圖1所示[3]。

其中Area1為一個開關周期內超過平均光輸出的量，Area2為一個開關周期內低于平均光輸出的量。

由此可見，頻閃指數綜合了頻閃百分比、光波形以及占空比因素，是對頻閃現象的綜合評價。

LED在正常和安全工作條件下，在很大的范圍內其正向電流與光通量存在正比關系。因此，頻閃百分比（波動深度）也可表示為[1]：

其中，imax為一個周期內LED電流的最大值，imin為最小值。顯然，Δi=imax-imin對應驅動電源輸出直流上的紋波大小。

2 常用的消除頻閃技術

總體而言，LED光源的頻閃與供電電源、光源自身的特點以及照明設計等因素有關，但根本原因源于驅動電源在直流基礎上的波動（紋波）。文獻[4]列舉了目前消除LED光源頻閃的幾個方式（未包括消除頻閃的專用IC）。

2.1 加大驅動電源的輸出電容

在輸出端接入大容量電解電容，可以平滑電壓紋波。根據電容的定義，輸出紋波電壓Vripple與輸出電容Co的關系為：

由此可見，加大輸出電容值，可以減小紋波電壓。但是，電解電容不僅會制約LED燈具的壽命，而且由于存在較大的ESR，片面加大輸出電容未必能取得預期效果。

2.2 采用“填谷式被動PFC“方案

主流的方案是采用填谷式PFC方案，可以增加整流二極管的導通角，改善電流畸變，減小諧波電流，提高功因。但是，這種無源PFC的兩顆填谷電容處于不完全濾波狀態，導致直流輸出電壓紋波較大，濾波電壓偏低，對降低頻閃效果不大。此外，這種方案電路成本高，無法適應目前LED照明規模化發展的需要。

2.3 采用兩級電源變換方案

采用AC/DC變換（Buck/Boost或反激/正激等拓撲）后再加一級DC/DC（通常是LDO），可以明顯降低紋波的幅度，但會明顯增加系統成本。

3 LED的3種驅動方式

從發展歷史看，LED驅動方式先后出現了恒壓、AC LED和恒流3種基本的驅動方式。

早期的LED大多采用恒壓驅動，原理如圖2所示。電阻R1和R2對輸出電壓Uo進行采樣[5]，采樣電壓應等于控制芯片內部的基準電壓UREF，否則將引發負反饋，最終使得UFB=UREE，輸出電壓保持恒定，即穩壓的機理。

雖然流過LED的電流與其兩端電壓有直接關系，但這種關系不是唯一的。最明顯的例子是發熱的影響。當LED結溫升高的時候，伏安特性曲線整體左移，如圖3所示[5]。此時，如果流過LED電流不變，則LED兩端的電壓降低；反之，如果維持電壓不變（恒壓驅動），則LED電流必然升高，發熱加劇，加速LED壽命終結。

同時，從圖3可以看到，LED伏安特性曲線比較陡峭，少許的UF變化將引起IF的劇烈變化，即頻閃的根源。由此可見，恒壓驅動對LED來說存在很多弊端，也是現代LED大多采用恒流驅動的原因。

AC LED驅動方式是利用LED的單向導電性兼做整流管構成整流橋，用交流市電直接驅動。這種方式源自2005年韓國首爾半導體公司推出的AC LED專利產品Acriche。顯然，這種方式存在明顯的頻閃現象，且效率、穩定性和安全性都受限[5]。

圖2 恒壓電路和恒流原理示意圖

圖3 LED伏安特性與結溫的關系

將圖2（a）的R1改為負載（LED燈串），將R2的阻值縮小變成Rs，圖2（a）的穩壓電路就變成圖2（b）的恒流電路，控制芯片的負反饋使得UFB等于內部的基準電壓UREF，流過負載的電流保持恒定，便是穩流的機理。

從式（3）可以看到，消除LED光源頻閃的關鍵是消除或減小LED的“電流”波動，即做好“恒流”供電。從圖2（b）可以看到，要做到恒流，關鍵點并非是穩定驅動電源的輸出電壓或者LED兩端的電壓，而是要建立LED電流的采樣和負反饋機制，使得LED電流出現波動（紋波）的時候，通過負反饋作用迅速穩定電流，消除紋波。

4 兩種LED消除頻閃電路

圖4是一種用分立元件組建的LED消頻閃電路[6]。當MOS管漏極電壓超過DZ2的擊穿電壓時，經DZ1和DZ2給電容C1充電，提供并維持VGS，使MOS管工作在非飽和區。一旦MOS管VDS增加，則VGS隨著增加，使得MOS管電流ID也增加，將VDS拉低形成負反饋，從而維持VGS和ID的電流恒定，而VDS在一定范圍內波動，實現消除電流紋波、消除LED頻閃的效果。

圖4 一種用分立元件組建的LED消頻閃電路

對比圖2（b）和圖4可以看到，圖4中的Q1構成一個可變電阻，通過ZD1、ZD2、R1和C2的反饋作用，利用Q1本身的特性，穩定Q1的電流。這與圖2（b）的穩流原理相同。

由于消除頻閃的訴求高漲，許多IC設計公司推出了消頻閃專用IC。市場主推的有杰華特公司的JW12XX系列、Zentel公司的ZA8505/8518系列、矽力杰（Silergy）的SY5862、英飛特INV3121/3123/1221以及芯派（Semipower）公司的SW7210等。

圖5是采用臺灣力積（Zentel）公司紋波抑制芯片ZA8518A構成的消頻閃電路方案。市電經過AC/DC變換和PFC電路后，得到60 V的直流電壓；把LED串接到該電壓和ZA8518A輸出端，該輸出端內置有電流調節器提供恒定的輸出電流；恒流控制方式是通過輸出端對輸出電流進行檢測并進行反饋控制，能有效消除各種LED紋波，且外圍電路非常簡單，成本低廉。

可以預期，這類采用恒流控制的集成芯片將成為LED光源消頻閃技術的主流方案。

5 結 論

近年來，在政策面、技術面以及經濟性（成本持續降低）等因素的支撐下，LED全面替代傳統光源成為各種照明的首選光源。在這個背景下，社會大眾無頻閃照明的呼聲及要求越來越高，消除LED頻閃技術不斷發展和成熟。本文從頻閃的基礎認知和LED的3種基礎驅動方式出發，指出LED光源頻閃的根源來自驅動電源，而消除LED光源頻閃的關鍵是消除或減小LED的“電流”波動，即做好“恒流”供電。要真正做到恒流供電，需建立LED電流的采樣和負反饋機制，通過負反饋作用迅速穩定電流，消除紋波。文章列舉了兩個應用電路，對此論點進行佐證，認為采用恒流控制的集成芯片將成為LED光源消頻閃技術的主流方案。

圖5 采用ZA8518A的消頻閃電路