如何解决LED照明设计中的闪烁问题

研究表明，闪烁 - 亮度随时间的变化 - 来自某一频率范围内的照明可能对健康有害。虽然问题已针对白炽灯和荧光灯照明，但自从推出用于主流照明的LED以来，它再次成为设计工程师面临的挑战。

但现在，经过广泛调查，美国电气和电子工程师协会(IEEE)发布了推荐的做法，以消除LED照明中可察觉的闪烁。题为“用于调节高亮度LED电流以推动观察者健康风险的推荐做法”，IEEE标准。 1789-2015解释了有关LED照明闪烁的知识，并提供指导，帮助制造商设计产品，最大限度地减少可能的闪烁相关的健康和生产力影响。

基于LED的产品闪烁的主要是电源或“LED驱动器”。具有精心设计的驱动器的基于LED的产品可以以最小的闪烁提供光，但这样做可以增加驱动电路的成本和/或尺寸。例如，由于驱动器的尺寸限制，较小的产品(如MR16替换灯)更容易出现闪烁。

本文介绍了为什么要控制闪烁，描述IEEE建议并考虑选择当代驱动器可以作为无闪烁电源的基础。

驱动LED

所有传统光源，即使是古老的白炽灯泡，都会产生变量(或调制的)输出。调制源 - 设计工程师通常将其称为闪烁，尽管其他术语(例如，颤振和闪烁)可以来自光度计或电源。

光度学闪烁是光本身的一个功能，可能是由白炽灯泡中灯丝的组成或荧光灯管中使用的荧光粉类型引起的。在LED的情况下，虽然可能存在一些光度闪烁的，但是电闪烁使效果相形见绌。电气闪烁是由交流电源引起的调制的结果，并且由交流配电线路上的噪声或瞬态事件加剧。

LED需要恒定电流的直流电压才能运行(即使是那些标记为“AC LED”(参见Digi-Key文章“AC LED在人气方面的增益”)。像Analog Devices，FairchildSemiconductor，Infineon Technologies，Linear Technology，Maxim Integrated和Texas Instruments(TI)等芯片制造商提供AC-to -DC转换器与DC-DC稳压器配合使用，例如将110/120 V，50/60 Hz电源电流调节到LED所需的低电压，稳定电流。这些稳压器基于成熟的电源拓扑结构然后被优化用于LED并被统称为LED驱动器。

LED光输出随着驱动电流的增加而线性上升。图1显示了Lumileds LUXEON 3535L冷白LED的数据表图表说明这种关系。这个LED是一个中功率器件设计工作电压高达200 mA，在3.05 V/100 mA时产生42 lm(效率为138 lm/W)。

图1：Lumileds LUXEON白光LED的归一化光输出与正向电流。

相对光输出与正向电流曲线的梯度陡峭;在100 mA工作点附近仅增加+/- 10 mA的输出会使光强度变化+/- 10%。正向电流中更小幅度的波动会导致人类可以感知到的闪烁。

用于驱动LED的DC-DC转换器输出端存在多个电流纹波源，包括AC主电源(50/60 Hz)，全波整流电源(100/120 Hz)，如果使用开关稳压器来促进调节(通常是这种情况)，则电力电子设备的开关频率(几百KHz到几MHz)。用于调暗LED(几kHz)的脉冲宽度调制(PWM)的工作频率也会影响稳压器输出端的电流纹波。更好的稳压器表现出更小的电流纹波，但通常会增加成本，复杂性和空间。

为什么闪烁是一个问题?

光源的闪烁通常非常微妙：即使大脑确实感知光线，它通常也不会在人类观察者中产生明显的感觉变异。因此，许多患有闪烁敏感性的人可能不知道照明是他们不适的原因。为了使事情变得更加困难，人类并不都对闪烁的影响同样敏感。那些更敏感的人包括儿童和患有偏头痛，自闭症或癫痫症的人。

灯光闪烁最让人讨厌，最不利于健康。在视力相关的任务中，闪烁会导致眼睛疲劳，视力模糊和性能受损。对于10%的人口而言，闪烁会引发偏头痛，而其他群体则容易产生衰弱效应。

当主电源荧光灯管取代白炽灯时，这些效果首先引起了照明工程师的注意。在20世纪70年代和80年代，人们发现虽然几乎察觉不到，但在70到150赫兹范围内的闪烁确实会导致生产力下降和健康影响。在管子工作期间限制电流所需的低频磁性镇流器引起闪烁。通过转向高频镇流器制造商通过将任何闪烁转移到超出人类可感知的频率范围来消除问题。

然而，随着LED渗透到主流照明应用中，闪烁问题又回来了。固态照明技术有两个因素可以使问题变得特别严重：对驱动电流变化的明显敏感性(如上所述)以及驱动电流下降时缺乏“持续性”。

持久性是衡量当电流下降时光源输出光衰的速度。诸如白炽灯之类的高度持久性光源继续在电压峰值之间发出相对大量的光，有效地“桥接间隙”并降低闪烁百分比。荧光灯管虽然不如白炽灯那么好，但也表现出很高的持久性。相比之下，LED几乎没有持久性，一旦电流下降立即变暗。对于红色，绿色，蓝色(RGB)LED组合和白色LED都是如此，这些LED将蓝色LED与钇铝石榴石(YAG)荧光粉结合在一起。

70中不可察觉的闪烁的阴险效应150 Hz范围不仅仅是频率的函数;身体和生理因素也起着重要作用。例如，明亮的光比昏暗的更糟，并且照明图案的“明亮”和“暗”部分之间的差异很重要(在周期的“关闭”部分期间完全变暗的光 - 例如，持续性差的LED - 比只有部分暗淡的LED更差);并且光源在视网膜上的位置很重要，因为中心感知的光比落在周边的光更差。 [ 1 ]

北美照明工程学会(IESNA)提出了一个定义，它定义了IESNA照明手册(现在的第10版)中的“闪烁百分比”和“闪烁指数”的闪烁。图2显示了如何定义度量标准。

图2：用于计算闪烁指标的周期性波形特征。 (：IES照明手册，第10版)

百分比闪烁是光源输出的循环变化的相对量度(即，调制百分比)。这有时也被称为“调制指数”。

从图中：闪烁百分比= 100 x(A - B)/(A + B)

闪烁指数是“在给定功率频率下各种源输出的周期性变化的可靠相对测量。它根据IES手册“考虑了光输出的波形及其幅度”。闪烁指数假定值为0到1.0，稳定光输出为0。值越高表示灯闪烁的可能性增加，以及频闪效应。

再次，从图中：闪烁指数=区域1/区域1 +区域2

(有关详细信息，请参阅Digi-Key技术文章“表征和最小化照明中的LED闪烁”应用程序“。)

图3显示了志愿者如何看待闪烁频率和闪烁百分比的可接受性的测试结果。

图3：人类对闪烁光源的可接受性。 (由美国能源部提供) [2]

新建议

IEEE标准。 1789-2015提出了在两个确定的风险水平下管理闪烁的潜在生物效应的建议。虽然在这些水平之外操作并不意味着会产生生物效应，但如果工程师设计的产品在建议中运行，他或她可以确定生物效应的风险限于规定的水平。

确定产品设计满足哪个级别取决于许多因素，包括目标消费者群体的特征，暴露时间，在照明区域空间中进行的任务类型以及个体对闪烁的敏感性。当然，设计师还面临产品规格产生的权衡，包括产品成本，尺寸和照明性能。

对于一般应用，标准建议在低于5%的频率下将闪烁百分比保持在5%以下90 Hz以防止癫痫发作(癫痫发作不会在70 Hz以上的频率触发)。

此外，为了降低其他生物效应的风险，标准建议应用以下公式来确定最大闪烁百分比：

频率低于90 Hz时，最大闪烁百分比=频率x 0.025 [例如，在80 Hz时，最大闪烁百分比为80 x 0.025 = 2%]

在90到1250 Hz之间的频率，最大闪烁百分比=频率x 0.08 [例如，在250 Hz时，最大闪烁百分比为250 x 0.08 = 20%]

在1250 Hz以上的频率，没有闪烁百分比的限制。 (注意：这是基于基本脉冲宽度调制(PWM)的调光的最小允许频率。)

为了防止其他生物效应，标准建议应用以下公式来确定闪烁的最大百分比：

频率低于90 Hz时，最大闪烁百分比=频率x 0.01 [例如，在50 Hz时，最大闪烁百分比为50 x 0.01 = 0.5%]

在90和3000 Hz之间的频率，最大闪烁百分比=频率x 0.0333 [例如，在1200 Hz时，最大闪烁百分比为1200 x 0.0333 = 40%]

在以上频率3000赫兹，闪烁百分比没有限制。 (注意：这是基于PWM的基本调光的最小允许频率。)[3]

图4显示了以110 Hz频率工作的两个LED灯示例。建议指出，为防止生物效应，闪烁百分比应保持在110 Hz x 0.333 = 3.7%以下。第一个例子，闪烁百分比为54.7%，远远低于等级。第二个例子完全符合建议，闪烁百分比仅为0.4%。

图4：(左)未能通过的LED照明示例符合IEEE标准。 1789-2015闪烁建议和(右)符合标准的例子。 (由美国能源部提供)

采购兼容的LED驱动器

毫无疑问，由于产品内部预算无限且空间充足，照明设计师可以采购永不会引起明显闪烁的LED驱动器。然而，设计师很少有这样宽容的规范。更糟糕的是，消费者越来越多地要求无缝调光，这可能导致系统中的闪烁，该系统在未受影响的状态下无闪烁或加剧已经存在的闪烁。

然而，在成本和尺寸范围内有各种各样的LED驱动器，经过仔细选择应确保产生的任何闪烁都太小或频率太高而无法察觉到消费者根据IEEE标准。 1789-2015的建议。这些建议对于制造商来说太新了，他们专门设计了满足这些要求的产品;但几年来电源供应商的雷达已经出现了闪烁预防，因此很多LED驱动器可以提供符合新标准的电源。

例如，凌力尔特公司提供宽输入范围的LED内置10：1调光的驱动器。 LT3590是一款固定频率的DC-DC转换器，可作为恒流源工作，用于串联驱动10个LED(图5)。该器件工作在4.5至55 V输入范围，35 V输出，每通道高达80 mA。该公司声称高开关频率允许使用小的低阻抗陶瓷电容，从而产生低输出电流纹波。

图5：凌力尔特公司的LT3590设计用于驱动一串10个LED。

TI提供一系列LED驱动器。一个值得注意的例子是TPS92510，一种LED驱动器，可在3.5至60 V输入电压下工作，每通道可提供高达1.5 A的电流。该公司表示，为了提高线路和负载瞬态期间的性能，该器件实现了恒定频率，峰值电流模式控制，可降低输出电容并简化外部频率补偿设计。该芯片承诺提供+/- 3%的LED电流精度，限制电流波动。

就其本身而言，Maxim Integrated提供MAX16834，这是一种用于开关电源拓扑的电流模式LED驱动器。该芯片采用4.75至28 V输入工作，最大输出电压为28 V.除驱动功率晶体管外，该器件还驱动用于LED调光的PWM开关。该芯片还具有可编程开关频率(100 kHz至1 MHz)，不仅可以优化效率和降低电路板空间，还可以灵活地将电流纹波和闪烁降至最低。由于其紧凑的尺寸(4 x 4 mm)和高集成度，LED驱动器适用于空间紧张的应用，如MR16灯具。

选择限制电流纹波的LED驱动器是照明设计的良好基础，但应该记住，虽然电源是闪烁的主要，但它不是问题的唯一原因。 。可能需要通过光度测试确定最终产品的闪烁性能，以确保整个封装满足所有操作条件下的建议。

闪烁在聚光灯下

随着LED照明在主流照明市场取得重大进展，闪烁对健康的影响可能会受到更多消费者的关注。通过遵守IEEE标准中发布的建议。 1789-2015，照明设计师可以确保他们的产品明显不会对健康产生不利影响。满足该建议可能会增加最终产品的成本，因为它需要采购精心设计的LED驱动器，但已经表明消费者愿意支付更多费用以保障健康。