交流发光二极管灯具频闪特性研究

孙富康 解建侠 窦 秋 周 春 王 业

（1.安徽建筑大学节能研究院，合肥230022；2.教育部建筑能效控制与评估工程研究中心，合肥 230022；3.建筑节能安徽省工程技术研究中心，合肥230022；4.合肥市第48中学，合肥 230061）

交流发光二极管（AC-LED）是一种交流电直接驱动发光二极管的技术，与直流发光二极管（DC-LED）的区别是：直流发光二极管需要采用变压器、整流电路将交流电源转换成直流电源，而交流发光二极管可以直接由交流电驱动，不需要交直流转换电路。与传统的直流发光二极管灯具相比，交流发光二极管灯具去除了30%～50%的电源损耗，减少了30%～40%的制造成本，电源驱动相对简单，能更加有效地传输和利用电能，抗电子干扰能力更强。

采用4段式恒流驱动芯片BY-V7H04设计7 W交流发光二极管球泡灯具，将其作为实验研究对象，研究灯具的闪烁指数、波动深度、调制深度和光照度特征及频闪现象发生机理。

1 交流发光二极管

2000年，Tamura设计实现了可以由100 V交流电压驱动的LED模组，该模组由697个直流发光二极管（DC-LED）组成。2005年，韩国首尔半导体公司（Seoul Semiconductor Inc）和美国3N技术（III-N Technology Inc）公司分别基于反向并联电路结构和金属有机化合物化学气相沉淀技术（MOCVD，Metal-organic Chemical Vapor Deposition）生产出交流发光二极管芯片（AC-LED，Alternative Current Light Emitting Diode）。2006年，美国Lynk Labs公司研制了一种基于电容式电流控制（Capacitive Current Control）的交流发光二极管芯片。2008年，中国台湾工业研究院电子与光电研究所设计了基于惠斯通电桥结构的交流发光二极管芯片。

交流发光二极管典型电路拓扑如图1所示，其工作电压、电流特征如图2所示，其电压、电流、光通量和光效特征满足式（1）～式（7）。其中，U(t)为输入的交流电压；Um为输入的交流电压峰值；VF为交流发光二极管的正向导通电压值；Ton为交流发光二极管点亮的时间；I(t)为交流发光二极管的工作电流值；Irms为均方根电流；Res为电路中的平衡电阻值；Ф为光通量；ηT为光效。

图1 交流发光二极管电路拓扑

图2 交流发光二极管工作电压和电流特征

2 分段线性恒流驱动技术

交流发光二极管的驱动方案有2种：无桥式驱动和有桥式驱动。分段线性恒流驱动技术（Segmented Linear Constant Current Drive）是一种有桥式驱动方案，是通过开关元件将交流发光二极管灯串分段点亮，同时，采用线性控制技术保证每段电流的波动范围。分段线性恒流驱动的电路结构如图3所示，包括整流电路、采样电路、开关控制电路、开关电路和电流控制电路。目前，韩国Innovision公司生产的DCL2118芯片、杭州杰华特公司生产的JW1690T芯片、深圳明微公司生产的SM2087芯片都是分段恒流驱动芯片。

图3 分段线性恒流驱动电路框图

3 实验测试方案

3.1 实验测试平台

为检测交流发光二极管灯具的闪烁指数、波动深度、调制深度和光照度参数，实验采用杭州远方生产的LFA-2000型光源频闪测试仪，搭建灯具频闪特性测试平台，分别获取灯具闪烁指数、波动深度、调制深度和光照度的变化数据。实验平台架构如图4所示。

图4 实验平台

3.2 实验样品设计

实验样品灯具为一款8 W交流发光二极管球泡灯具。该灯具采用分段线性恒流驱动方案，驱动芯片为BY-V7H04。该芯片可负载2路4段灯串（A、B两路分别有4个灯串），并提供电流和热过载保护，3种芯片均为负载的每段灯串设置对应电流阀值，保证电路的高功率因数和低谐波失真特性。实验样品灯具电路板实物与电路原理如图5所示。图中A、B两路灯串分别可以负载4个灯串，S1、S2、S3、S4分别代表4个灯串。

图5 灯具电路板实物及电路原理图

3.3 参数定义

图6为光源在空间某点产生的瞬时照度特征曲线。图中，Emax、Emax2、Emin和 Eav分别为光源的最大照度值、次大照度值、最小照度值和光照度平均值，T为一个测量周期。此外，图中的A1为大于平均照度的所有照度信号与平均照度的差值面积总和，A2为小于平均照度的所有照度信号的面积总和。

图6 光源在空间某点产生的瞬时照度曲线

基于图 6 及上述描述，闪烁指数（FI）、波动深度（δ）和调制深度（MD）的定义如式（8）、（9）和（10）。

4 实验分析

实验过程中，通过人工调节灯具的输入交流电压模拟4段恒流驱动方案的灯串依次导通（电亮）过程。4个灯串的导通电压分别是：第1段（S1）60 V，第2段（S2）90 V，第 3段（S3）130 V，第 4段（S4）170 V。输入第1段电压时，1号灯串导通；输入第2段电压时，1、2号灯串导通；输入第3段电压时，1、2、3号灯串导通；输入第4段电压时，灯串全部导通。

实验过程中，人工给定的测试点输入电压分别是60 V，80 V，160 V和220 V。实验获得的闪烁指数、波动深度、调制深度和光照度数据如表1所示。

表1 灯具闪烁指数、波动深度和调制深度测试结果

分段恒流驱动模式中，电路所负载的灯串被分段点亮，如图7所示。已知，交流输入电压的频率f＝50Hz，通过全桥整流后，单个周期时间T＝10 ms。单个周期中，1号灯串的导通时间段是[1.36,8.64]ms，导通时间宽度为7.28 ms；2号灯串的导通时间段是[1.36,7.95]ms，导通时间宽度为5.59 ms；3号灯串的导通时间段是[2.95,7.05]ms，导通时间宽度为4.1 ms；4号灯串的导通时间段是[3.86,6.14]ms，导通时间宽度为2.28 ms。由此可知，单个周期内，光源有2.72 ms是完全不被点亮的，且各灯串点亮的时间段和时间宽度相异，因而，灯具呈频闪现象。灯串导通时间分布如图8所示，频闪现象如图9所示。

图7 灯串导通电压与导通时间示意图

图8 灯串导通时间分布示意图

图9 灯具频闪现象

各灯串导通灯具闪烁指数、波动深度、调制深度和光 照度指标随时间与输入电压变化的特征如图10所示。

图10 灯具频闪特性变化示意图

5 结 论

灯具普遍存在频闪现象。灯具频闪的程度直接影响人的视觉感受。与其他灯具不同，交流发光二极管灯具频闪现象的发生是由其特有的驱动及工作方式造成的。文章以分段线性恒流驱动的8W交流发光二极管球泡灯具为实验样件，通过实验测量灯具的闪烁指数、波动深度、调制深度和光照度指标（见图10），分析灯具频闪特征的时间变化特征及规律，探讨频闪现象的发生机理。实验研究表明：

1）分段驱动模式是交流发光二极管灯具发生频闪现象的直接原因。接通电源后，灯具中各段灯串被点亮的时间段和时间宽度不同，1号灯串的导通时间最长，4号灯串的导通时间最短，灯具27.2%的时间处于熄灭状态。

2）单个周期内，灯具的闪烁指数、波动深度、调制深度和光照度随灯串依次点亮的过程（负载灯串数量的变化）而变化，并呈现周期性频闪特征。当灯具中的灯串全部被点亮时，灯具闪烁指数、波动深度和调制深度的数值最低，而光照度平均值最高。

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