【導讀】LED閃爍一直是業(yè)界內久攻不下的難題。本文就這一問題深入探討LED閃爍的原因，解釋其在LED中突出的原因，以及應對LED閃爍的措施。本文就幾個半導體產品詳細解析LED閃爍。
將傳統(tǒng)的白熾燈替換為高效率、高色溫、長壽命的LED燈確實是個好想法，不過所有的好想法都一樣——想得容易做起來難。
LED燈配上驅動電路就可以接入家里現(xiàn)有的交流電路，但是驅動電路輸出的電壓紋波可能會導致光的閃爍。大部分照明系統(tǒng)都會出現(xiàn)閃爍，同時一些消費者抱怨頻閃效應使他們感到不適，甚至惡心生病。
LED和燈具廠家都急切地想要找到問題的根源。如果固態(tài)照明光源冤枉地背上“閃爍”的惡名，那么說服消費者放棄傳統(tǒng)光源、轉而選擇LED就更難了。
閃爍的影響
研究表明，每4000人中就有1個人對頻率為 3~70 Hz的閃動光源高度敏感。這種明顯的閃爍會引發(fā)一些嚴重疾病，例如癲癇。人們不太了解的是，長期暴露在人眼不可察覺的頻閃(70~160Hz)下也會導致心神不寧、頭痛和視力損害。
可惜除了自然光外，人們所接觸到的都是高頻的閃爍光。因為所有市電驅動的光源——無論是白熾燈、鹵素燈、熒光燈或是LED——都有可能產生閃爍。原因在于供電電源是交流電，一般情況下，閃爍的頻率和市電頻率(一般50或60Hz)相同，或者是市電頻率的兩倍。
測試顯示，人們很難直接感受到光源的高頻閃爍，但這個結論的意義其實并不大。因為科學家進行的研究表明，人類的視網(wǎng)膜可以解析100~150Hz的光源閃爍，即使實驗對象不能覺察到，其大腦很可能確實對頻閃做出了反應。這一類所謂不可察覺的閃爍(100~150Hz)其隱蔽影響是關于頻率的函數(shù)，但不僅限于此，生理和心理因素也都很重要。
例如：
高亮度時比低亮度時危害更大;
亮暗兩部分的光相(Lighting Pattern)差異也很重要，如交流電周期內“零”電壓時，燈光完全變暗的比只是部分調暗的，危害更大;
閃爍的紅光和紅藍交替閃爍的光格外惹人討厭;
光映射在視網(wǎng)膜上的位置也很重要，因為視網(wǎng)膜中央感受到的光比落在視覺外周(視網(wǎng)膜邊緣)的光危害大。
一些研究者甚至聲稱視網(wǎng)膜可以感受到高達200Hz的頻閃，不過實驗表明，高于160Hz的頻閃對健康的影響可以忽略不計。
閃爍的定義
直到近期，照明工程師依然不太關注不可察覺的閃爍所產生的影響。然而，隨著健康和安全的規(guī)范愈趨嚴苛，研究更加深入，以及工作在密布熒光燈管的辦公室職員發(fā)出越來越多抱怨，我們是時候該行動了。
可是沒有對閃爍的定義，誰有資格評價哪種光源比另一種好呢?北美照明工程協(xié)會(IESNA)為解決這個難題，在第九版IESNA照明手冊中提出了一個“閃爍百分數(shù)”和“閃爍指數(shù)”的定義。圖1展示了如何定義這個指標。
圖1：用于定義閃爍百分數(shù)和閃爍指數(shù)的光輸出曲線示意圖
閃爍百分數(shù)是衡量光源在周期內的光輸出變化的相對量度(即，調制百分比)。有時候也稱它為“調制指數(shù)”。由圖可知：閃爍百分比=100×(A-B)/(A+B)
根據(jù)該手冊，閃爍指數(shù)是一個“衡量不同光源在一個給定電源頻率下周期內的光輸出變化的可靠的相對量度，它關乎光輸出的波形和振幅”。
閃爍指數(shù)取值在0到1.0間，0代表穩(wěn)定的光輸出。值越高表示可觀察到光源閃爍的可能性越大，頻閃效應(stroboscopic effect)出現(xiàn)的可能性也越大。再次從圖中可得：
閃爍指數(shù)=面積1/(面積1+面積2)
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LEDs存在的問題
LEDs的物理特性決定了它們受驅動的方式和其他光源不同。LEDs(發(fā)光二極管)正如其名，它是一種二極管。通常的燃點機制是，足夠大的穩(wěn)定正向電壓加在LED極其串聯(lián)的電阻上，器件在它的導電區(qū)開始發(fā)光。商品化高亮度LED的正向電壓一般在3到4.5V之間。正向電壓(VF)和正向電流(IF)之間的關系十分緊密，電流決定了器件的相對光通量(本質上就是亮度)。
器件生產商都會給LED推薦一個常規(guī)使用的范圍，這實際上是在亮度和光效間的妥協(xié)。
圖2a和2b：Cree Xlamp ML-B LED的電流隨電壓變化曲線和相對光通量隨電流變化的曲線。
用交流電源給LED芯片供電需要調壓器，把大部分國家使用的110~115或230~240V、50或60Hz的市電電壓降到適用于LED的低壓。要注意燈具里一般是6~8個LED芯片為一組，所以每一個單元的功率要求大于單個LED。
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LED驅動器的一種基本形式是：一個全波整流器(圖3)和一串帶有限流電阻的LED相連。這個方法以兩倍于市電頻率來調制LEDs(即100到120Hz)。由于發(fā)光強度和電流成比例，所以LED的閃爍也是這個頻率(圖4)。
圖3：簡單的LED全波整流器驅動器
圖4：圖3中的LED的輸出。光閃爍是市電頻率的兩倍。
所有由交流供電的光源都可能閃爍，但是LED表現(xiàn)得尤其明顯。因為它的閃爍指數(shù)(或調制深度)比傳統(tǒng)光源差。這個現(xiàn)象的原因是，LED對電流變化的反應尤其快。120Hz時，LED在波形周期的“截止”部分時其本身和它的熒光粉都來得及完全停止產生光子。相比之下，傳統(tǒng)光源——特別是白熾燈和鹵素燈——都有一種“慣性”，它們在周期的“截止”區(qū)段時依然會發(fā)出一些光子。
表1總結了不同光源在直流、交流電源下的閃爍百分比和閃爍指數(shù)。2(“最小值”、“最大值”和“平均值”列表示各種光源的相對光強。)
如前文所述，除了頻率之外，閃爍指數(shù)還能顯著影響光如何作用于人的感受。閃爍指數(shù)越高越易察覺，因此也有更大的潛在危險。
表1：幾種光源的閃爍百分比和閃爍指數(shù)。高閃爍指數(shù)的頻閃更易被人眼察覺。
改良的LED驅動器
大部分現(xiàn)在使用的LED驅動器都比圖3中給出的簡單示例要復雜。高頻開關電源因為其高效而廣受歡迎。開關電源使用的輸入、輸出濾波器大大減少了市電電源輸出端的交流成分，不過有些紋波難以避免。LED驅動器質量良莠不齊，建議工程師謹慎選擇。
盡管有些開關LED電源可以減少輸出端的交流成分，進而降低閃爍指數(shù)，可是閃爍的頻率卻不受影響，依然是市電頻率的兩倍，其所屬頻率區(qū)間有研究者認為對人體有所影響。
具有影響力的美國環(huán)境保護署(EPA)為了解決這個問題，建議將LED的工作頻率提高到150Hz。該組織的“能源之星”標準包括一條針對閃爍的標準：如果廠家想要得到能源之星認證以獲得商業(yè)優(yōu)勢，就一定要符合能源之星標準。
2009年，那條關于閃爍的標準發(fā)生了變化，規(guī)定LED的最低工作頻率從之前的120Hz升高到150Hz。LED和半導體制造商都不喜歡這個新標準，因為把它們的產品提升到適應新頻率標準費用高昂。
2010年3月，在一封致相關方的公開信中，3 EPA放寬了規(guī)定，標準又改回了原來的120Hz，并一直沿用至今?，F(xiàn)在市面上有很多可以直接接入市電電源的LED驅動器，而且宣稱能夠產生“無頻閃”電源。例如Cirrus Logic近期推出了它的CS161xLED驅動器系列(CS1610-FSZ, CS1611-FSZ)。
這些芯片適用于100-120VAC和220-240VAC線路電壓，并稱即使配合傳統(tǒng)的調光開關使用也可以維持無頻閃的優(yōu)異表現(xiàn)。(傳統(tǒng)的調光開關總為LED驅動器引入各種麻煩，所以只好妥協(xié)閃爍指數(shù)。)
CUI也提供了一款恒流驅動器V-Infinity VLED15(圖5)，配合傳統(tǒng)的調光開關使用，在全亮度的時候可以完全沒有頻閃。這個驅動器有兩個版本可選，適合115VAC輸入和230VAC輸入。
設計LED燈具的照明工程師可以列出LED的許多優(yōu)點，比如說光效高、壽命長而且堅固耐用。然而，工程師們要記得，消費者一旦在固態(tài)照明光下作業(yè)感到不適，他們會對產品吐槽。
就算頻閃可能是“不可察覺的”，它一樣會引發(fā)問題。例如，工作在使用頻閃熒光燈管照明的辦公室里的人認為“病態(tài)建筑綜合癥”是導致高缺勤率的原因。現(xiàn)在并沒有直接證據(jù)證明頻閃會導致癲癇，但是近期的研究表明頻閃非?？赡苁钦T因之一。
相應地，設計LED照明系統(tǒng)時應謹記減少頻閃。選擇高質量的高頻率的LED驅動，因為它們可以減少電壓中的交流分量，和輸出的電流紋波，進而控制LED閃爍的調制深度。
還有，我們應該積極尋找能將輸出紋波中的交流分量轉化到150Hz或更高頻率的LED驅動器。據(jù)稱這個頻率的閃爍對健康的影響可以忽略不計，不過還需要更進一步的實驗去證實這個觀點。
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