从驱动方式再谈LED频闪消除技术

林 为，胡昌吉

（佛山职业技术学院，广东 佛山 528137）

0 引 言

电光源的频闪源自电源的波动。采用交流电源的传统光源如白炽灯、HID、日光灯等，直接使用市电驱动，每个周期存在两个最大值，因此闪烁的频率是100 Hz（对50 Hz市电而言）或120 Hz（60 Hz市电）[1]。

LED和其他电光源一样存在频闪，但是LED多数采用直流恒流供电，理论上不存在100 Hz（120 Hz）频闪问题，更不会出现文献[2]提到的因为LED伏安特性的开启电压引发的频闪（AC LED除外）。LED频闪主要源自直流电上的纹波。纹波越大，频闪现象越明显。

作为照明光源，频闪可能导致头痛、头晕、恶心、视觉紊乱以及视力下降等生理问题，严重者可导致光敏性癫痫或闪烁光诱导的癫痫。在某些应用场合，对光源的稳定性要求极高，不允许出现频闪现象，如作为校准光源的发光面板、太阳光模拟器等。

随着LED照明的不断普及，越来越多的使用者关注频闪问题。因此，研究和应用LED消除频闪技术具有重大的现实意义。

1 衡量频闪程度的指标

常用的衡量光源频闪程度的指标有两个，分别是频闪百分比和频闪指数。

根据照明工程协会IES（Illuminating Engineering Society）制订的标准ANSI/IES RP-16-10《照明工程术语和定义》[3]，频闪百分比（也叫做波动深度）等于一个开关周期内最大光输出与最小光输出之差除以它们之和，即：

其中A为一个开关周期内最大光输出（光通量），B为一个开关周期内最小光输出（光通量），参考图1。显然，这个指标仅仅从光源的发光能力或发光强度的波动定义频闪的程度，并未考虑光源的变化曲线和时间积累的因素。

图1 频闪百分比和频闪指数示意图

频闪指数等于一个开关周期内超过平均光输出的量除以全部光输出，如图1所示[3]。

其中Area1为一个开关周期内超过平均光输出的量，Area2为一个开关周期内低于平均光输出的量。

由此可见，频闪指数综合了频闪百分比、光波形以及占空比因素，是对频闪现象的综合评价。

LED在正常和安全工作条件下，在很大的范围内其正向电流与光通量存在正比关系。因此，频闪百分比（波动深度）也可表示为[1]：

其中，imax为一个周期内LED电流的最大值，imin为最小值。显然，Δi=imax-imin对应驱动电源输出直流上的纹波大小。

2 常用的消除频闪技术

总体而言，LED光源的频闪与供电电源、光源自身的特点以及照明设计等因素有关，但根本原因源于驱动电源在直流基础上的波动（纹波）。文献[4]列举了目前消除LED光源频闪的几个方式（未包括消除频闪的专用IC）。

2.1 加大驱动电源的输出电容

在输出端接入大容量电解电容，可以平滑电压纹波。根据电容的定义，输出纹波电压Vripple与输出电容Co的关系为：

由此可见，加大输出电容值，可以减小纹波电压。但是，电解电容不仅会制约LED灯具的寿命，而且由于存在较大的ESR，片面加大输出电容未必能取得预期效果。

2.2 采用“填谷式被动PFC“方案

主流的方案是采用填谷式PFC方案，可以增加整流二极管的导通角，改善电流畸变，减小谐波电流，提高功因。但是，这种无源PFC的两颗填谷电容处于不完全滤波状态，导致直流输出电压纹波较大，滤波电压偏低，对降低频闪效果不大。此外，这种方案电路成本高，无法适应目前LED照明规模化发展的需要。

2.3 采用两级电源变换方案

采用AC/DC变换（Buck/Boost或反激/正激等拓扑）后再加一级DC/DC（通常是LDO），可以明显降低纹波的幅度，但会明显增加系统成本。

3 LED的3种驱动方式

从发展历史看，LED驱动方式先后出现了恒压、AC LED和恒流3种基本的驱动方式。

早期的LED大多采用恒压驱动，原理如图2所示。电阻R1和R2对输出电压Uo进行采样[5]，采样电压应等于控制芯片内部的基准电压UREF，否则将引发负反馈，最终使得UFB=UREE，输出电压保持恒定，即稳压的机理。

虽然流过LED的电流与其两端电压有直接关系，但这种关系不是唯一的。最明显的例子是发热的影响。当LED结温升高的时候，伏安特性曲线整体左移，如图3所示[5]。此时，如果流过LED电流不变，则LED两端的电压降低；反之，如果维持电压不变（恒压驱动），则LED电流必然升高，发热加剧，加速LED寿命终结。

同时，从图3可以看到，LED伏安特性曲线比较陡峭，少许的UF变化将引起IF的剧烈变化，即频闪的根源。由此可见，恒压驱动对LED来说存在很多弊端，也是现代LED大多采用恒流驱动的原因。

AC LED驱动方式是利用LED的单向导电性兼做整流管构成整流桥，用交流市电直接驱动。这种方式源自2005年韩国首尔半导体公司推出的AC LED专利产品Acriche。显然，这种方式存在明显的频闪现象，且效率、稳定性和安全性都受限[5]。

图2 恒压电路和恒流原理示意图

图3 LED伏安特性与结温的关系

将图2（a）的R1改为负载（LED灯串），将R2的阻值缩小变成Rs，图2（a）的稳压电路就变成图2（b）的恒流电路，控制芯片的负反馈使得UFB等于内部的基准电压UREF，流过负载的电流保持恒定，便是稳流的机理。

从式（3）可以看到，消除LED光源频闪的关键是消除或减小LED的“电流”波动，即做好“恒流”供电。从图2（b）可以看到，要做到恒流，关键点并非是稳定驱动电源的输出电压或者LED两端的电压，而是要建立LED电流的采样和负反馈机制，使得LED电流出现波动（纹波）的时候，通过负反馈作用迅速稳定电流，消除纹波。

4 两种LED消除频闪电路

图4是一种用分立元件组建的LED消频闪电路[6]。当MOS管漏极电压超过DZ2的击穿电压时，经DZ1和DZ2给电容C1充电，提供并维持VGS，使MOS管工作在非饱和区。一旦MOS管VDS增加，则VGS随着增加，使得MOS管电流ID也增加，将VDS拉低形成负反馈，从而维持VGS和ID的电流恒定，而VDS在一定范围内波动，实现消除电流纹波、消除LED频闪的效果。

图4 一种用分立元件组建的LED消频闪电路

对比图2（b）和图4可以看到，图4中的Q1构成一个可变电阻，通过ZD1、ZD2、R1和C2的反馈作用，利用Q1本身的特性，稳定Q1的电流。这与图2（b）的稳流原理相同。

由于消除频闪的诉求高涨，许多IC设计公司推出了消频闪专用IC。市场主推的有杰华特公司的JW12XX系列、Zentel公司的ZA8505/8518系列、矽力杰（Silergy）的SY5862、英飞特INV3121/3123/1221以及芯派（Semipower）公司的SW7210等。

图5是采用台湾力积（Zentel）公司纹波抑制芯片ZA8518A构成的消频闪电路方案。市电经过AC/DC变换和PFC电路后，得到60 V的直流电压；把LED串接到该电压和ZA8518A输出端，该输出端内置有电流调节器提供恒定的输出电流；恒流控制方式是通过输出端对输出电流进行检测并进行反馈控制，能有效消除各种LED纹波，且外围电路非常简单，成本低廉。

可以预期，这类采用恒流控制的集成芯片将成为LED光源消频闪技术的主流方案。

5 结 论

近年来，在政策面、技术面以及经济性（成本持续降低）等因素的支撑下，LED全面替代传统光源成为各种照明的首选光源。在这个背景下，社会大众无频闪照明的呼声及要求越来越高，消除LED频闪技术不断发展和成熟。本文从频闪的基础认知和LED的3种基础驱动方式出发，指出LED光源频闪的根源来自驱动电源，而消除LED光源频闪的关键是消除或减小LED的“电流”波动，即做好“恒流”供电。要真正做到恒流供电，需建立LED电流的采样和负反馈机制，通过负反馈作用迅速稳定电流，消除纹波。文章列举了两个应用电路，对此论点进行佐证，认为采用恒流控制的集成芯片将成为LED光源消频闪技术的主流方案。

图5 采用ZA8518A的消频闪电路