LED灯频闪如何破?电源拓扑结构选择剖析

2017-09-14 09:32:30  来源: CNLED网   作者:  点击:429   放大字体  缩小字体
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【大比特导读】本文将解释闪烁发生的根本原因和特征,描述其在LED照明中是如何发生的,并解释工程师如何权衡不同的驱动器拓扑结构以找到最好的成本/效益组合。我们还将描述一种可以实现无闪烁LED照明的具有成本效益且灵活的纹波抑制电路。

LED固态照明(SSL)更高效、更持久,替代传统的白炽灯和荧光灯是照明行业不可否认的趋势。但是,由于固态照明装置直接连接到AC线路,就像传统照明一样,由于驱动电源输出端的电流纹波,存在100 Hz或120 Hz闪烁的风险。闪烁可以使人感到不舒服,即使人眼可能检测不到闪烁,也会引起头痛和其他疾病。严谨的LED驱动器设计可以最大限度地减少闪烁,并确保固态照明提供能效。

事实上,LED和灯具制造商都渴望解决闪烁问题,大多数向驱动器厂商要解决方案,因为驱动器最终决定了闪烁的程度。本文将解释闪烁发生的根本原因和特征,描述其在LED照明中是如何发生的,并解释工程师如何权衡不同的驱动器拓扑结构以找到最好的成本/效益组合。我们还将描述一种可以实现无闪烁LED照明的具有成本效益且灵活的纹波抑制电路。

市场预期

由于LED是新一代光源,市场期望的不仅是更高的固态照明功率,而且还具有更好的照明环境。

然而,与传统照明技术一样,大多数LED灯直接连接到50或60Hz的AC电源。即使整流到100Hz或120Hz的频率之后,由于所涉及的频率相对低,任何与线相关的闪烁都可能被人的肉眼检测到。事实上,整流的线路可能导致频闪。

使用单级结构同时处理功率因数校正(PFC)和输出驱动电流的LED驱动器特别容易受到闪烁的影响。除其他原因外,闪烁会受到LED纹波电流的影响。但是,有许多方法可以解决这个问题,包括纹波抑制电路。固态照明产品的开发人员需要评估方法,选择既符合成本又能满足应用要求的驱动器。在不同的应用中,不同程度的闪烁是可以接受的。比如,由于闪烁而不能在室内应用的系统设计可以在户外街道或区域照明中发挥作用。

闪烁的影响

据美国电气与电子工程师协会(IEEE)2010年发布的一篇报告指出,3–70Hz范围的灯闪烁频率人很容易感知到,让人感到身体不舒服。即使是重复的闪光灯和静态的重复几何图案也可能导致这些人疾病突然发作,发生率约为0.025%。 这种类型的闪烁可以通过驱动器就可以很轻易地解决。如果在输出电流纹波波形中看到这种频率,通常我们认为驱动器是不稳定的。

但是,现在人们开始更加注意人长期曝光在70-160Hz范围内高频闪烁下的影响。 这种闪烁可能导致不适、头痛和视力障碍。一些研究人员甚至声称,视网膜可以感觉到高达200 Hz的闪烁,但测试表明,160 Hz以上,闪烁对健康的影响可以忽略不计。由于前面提到的100和120 Hz的整流线路频率,这将着重于减轻这一范围内的闪烁。实际上,100Hz或120Hz的闪烁对人体健康的影响不仅是频率,还包括身体和生理因素。

闪烁的相关定义

首先需要了解闪烁的特征。北美照明工程学会(IESNA)在“IESNA照明手册”第九版中发布了“闪烁百分比”和“闪烁指数”的定义。

闪烁百分比指光源输出循环变化的一个相对量度(即调制百分数),也有时被称为“调制指数”。参考图1,可以根据最大(A)和最小(B)光输出电平计算出闪烁百分比,计算方式是A和B的总和除以A和B之差,得出的百分比就是闪烁百分比。

 

图1 IES定义闪烁指数

 

图1 IES定义闪烁指数

闪烁指数在IESNA手册中的定义是“在给定功率频率下,各种源输出循环变化的一种可靠的相对量度。它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。值越高表示灯闪烁以及频闪效应的可能性明显增加。 再次参考图1,可以通过Area 1和Area 2的总和除以Area 1计算出闪烁指数。

如前所述,除了频率之外,闪烁指数对于人们感光程度具有显著的影响。闪烁指数越高,意味着对人眼的敏感度更高,舒适程度更差。表1来源于Michael Grather的一篇研究论文,显示在不同光引擎下不同的闪烁指数。

表1

 

不同光引擎下不同的闪烁指数

 

固态照明光源输出

定义完闪烁后,思考一下LED光源是如何工作的。LED光输出与驱动电流几乎成线性关系。仔细看一下任意的一张大功率LED数据表,你可以看到在曲线图中正向电流与光通量线性排列。这就十分明显:驱动电流是LED灯闪烁的关键来源,恒流供电是LED驱动器的主要职责。

当讨论100-120 Hz的闪烁时,人们最常关注的是室内照明应用。室内照明有很多LED驱动器方案可以提供恒定的电流。例如,在AC整流之后,简单的限流电阻、线性半导体调节和开关脉宽调制(PWM)调节都是可能的。但是这些方案不在讨论的范围内,因为它们不能提供室内商业应用所需的功率因数(PF)。

通常,商业应用需要大于0.9的PF。 越来越多的国家和标准协会,如能源之星和DesignLights Consortium(DLC)要求照明要大于0.9 PF。

电源拓扑结构

鉴于PF要求,下面介绍一些可用于室内固态照明产品的驱动器拓扑结构以及每个产品的成本和性能,详见表2。我们还将介绍一个新方案,降低单级驱动器中常见的大纹波。

表2

 

降低单级驱动器中常见的大纹波方案

 

1 无源PFC加开关DC/DC

图2描绘了一种两级设计,在无源PFC上增加开关DC/DC转换器。这种结构广泛应用于低成本的离线适配器和充电器。PF设计通常被称为谷底填充,因为电容器要将输出保持降到低电平。由于有谷底填充电路和大容量电容器,该方案的电流纹波很小且易于控制。

被动方案的缺点是,由于在较高功率水平下本身固有的PF电磁兼容性(EMC)差的问题,所以不适合于20W以上的较高功率。这种设计不能通过IEC EN61000-3-2(谐波电流发射测试)C级标准。此外,无源方案不适合实现通用的宽输入电压范围,如100-240 VAC。

 

图2 在无源或谷底填充的PFC增加DC/DC转换器

 

图2 在无源或谷底填充的PFC增加DC/DC转换器

2 单级有源PFC

图3所示的带有源PFC的单级方法被广泛应用于宽输入电压范围的LED驱动器。该拓扑结构提供良好的功率转换效率和PF值,以及很宽的负载范围。缺点是高电流纹波会导致可见或不可见的100-120 Hz闪烁。好的设计可以将电流纹波降低到相对较低的值;但是,纹波通常仍高于前两级的方案。单级拓扑的一个特征是纹波受到每个LED负载特有的不同电压和电流特性的影响很大。驱动器设计师正在寻求更好的方法来控制单级设计中的纹波。

 

图3 单级有源PFC驱动器结构

 

图3 单级有源PFC驱动器结构

3 有源PFC加开关DC/ DC

解决输出纹波问题的一个方法是在有源PFC后加上第二级源。图4中描绘了这种拓扑结构,添加了DC/DC转换器级。但在驱动器上增加DC/DC级,成本增加了15-20%。这种电路大大降低了输出电流纹波,并使输出几乎成为理想的DC,效率也只减少2-3%。而且,这种结构可以覆盖室内应用所需的大部分功率水平并被广泛使用。

 

图4 在LED驱动器的有源PFC上增加DC/DC转换器

 

图4 在LED驱动器的有源PFC上增加DC/DC转换器

4 单级PFC和纹波抑制器

理想情况下,固态照明系统开发人员更愿意采用成本较低的方法来减少纹波输出,这又回到单级的方法了。幸运的是,还有一个很好的解决方案,用电路来降低电流纹波输出,这比开关DC/DC级简单得多。可以用图5所示将单级设计用相对简单的线性纹波抑制电路来进行分段。

 

图5 纹波抑制模块图

 

图5 纹波抑制模块图

改进过的单级拓扑采用独特设计的线性稳压器,可以大大降低单级PFC恒流输出的电流纹波,效率损失仅为2-3%。这种方法还有其他的好处。在大多数情况下,在驱动器添加开关式DC/DC级会削弱EMC的性能,而添加线性稳压器则不会。 由于有更好的EMC性能,固态照明制造商可以在现有的单级LED驱动器上灵活使用纹波抑制器。在输出端添加电路远比购买另一个驱动器或开关DC/DC转换器更有成本效益。

该纹波抑制电路与单级PFC输出串联使用,主要由MOSFET、电流检测电阻和误差放大器组成。检测电阻获得电流纹波信号,如果纹波大于设定值,则误差放大器的输出会调节MOSFET上的电压,使纹波变小。这些简单的组件可以压缩进一个非常小的封装,甚至可以制成集成电路。

驱动器测试结果

图6绘出了典型的单级驱动器的电压和电流输出。42W的设计为LED负载提供700 mA电流。纹波在电流波形中非常明显。

 

图6 单级驱动器输出电流

 

图6 单级驱动器输出电流

图7描述了同一个42W驱动器的输出波形,该驱动器的输出端加上了纹波抑制器。你可以看到抑制器如何有效地将纹波幅度减少到一个可接受的水平,通过减少闪烁百分比和指数来消除闪烁。

 

图7 带有纹波抑制电路的驱动器输出电流

 

图7 带有纹波抑制电路的驱动器输出电流

随着LED照明产业的发展,高效率、长寿命等功能已无法满足市场需求。人们正在寻找一个更好的照明环境,特别与健康有关的时候。对于某些地方,如办公室和客厅,消除频闪更为重要。

用低纹波驱动LED来实现良好的直流电流有多种方法,每种方法都有优缺点。 纹波抑制器的主要优点在于它提供了一种非常简单和灵活的方法,以最小和非常合理的成本减少我们现有设计的闪烁问题。
 

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