基于不同驅動條件下白光LED照明頻閃問題的研究

文章來源:恒光電器

發布時間:2014-12-04

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 前言

白光LED主要特點是：低電壓、小體積、高效率、綠色環保和超長壽命。目前以白光LED作為發光光源的照明光源的研發勢頭強勁，新產品層出不窮，在一定范圍內獲得了積極的推廣和應用。相對于以白熾燈、高低壓氣體放電燈為代表的常規成熟的照明光源，雖然業界對白光LED照明光源的研究在不斷的深入，然而由于白光LED是具有ms級的快速響應、可以工作于直流及單向高頻脈沖電流條件下的電流型器件[1]，作為照明光源應用時就少有常規光源的發光“惰性”，可能造成較為嚴重的光輸出頻閃問題而影響正常的使用[2],[3],[4]，照明產品，在此有必要就不同驅動條件下的白光LED照明光源的頻閃問題給予足夠的重視，以期更好的滿足多種照明現場的要求，獲得更為廣泛的實際應用。

 

1 白光LED的驅動及頻閃特性

 

目前商品化的、大量應用的白光LED的制備原理都是采用藍光LED激發黃光熒光粉YAG：Ce來獲得白光輸出的。其白光輸出的效率與藍光LED的出光效率、熒光粉的效率以及相互間的匹配都有直接的關系。由于白光LED是具有ms級的快速響應的、可以工作于直流及單向高頻脈沖電流條件下的電流型器件[1]，因此作為照明發光器件可能會造成較為嚴重的光輸出頻閃問題。為了分析起見，搭建了如圖1所示的測試電路，裝修照明，測試了LED在直流線性和交流市電驅動條件下的電流及光輸出特性。

1.1直流線性驅動

線性穩壓（穩流）電源驅動，是一種最為早期的驅動形式（圖2a,b）。由于LED為電流器件，光輸出特性直接響應于驅動電流的特性，因此采用線性穩壓（穩流）電源驅動的LED的光輸出沒有頻閃現象，為一平滑的直線，詳見圖2c所示（圖2中上線為光輸出，下線為驅動電流，CE認證，下同）。

 

1.2工頻交流市電驅動

由于交流市電具有的普遍性和經濟性，直接采用工頻50Hz交流市電來驅動LED是一種較為實用的驅動方式[5],[6]。由于LED的特性是必須工作于單向電流（含脈動電流）的條件下，因此工頻交流市電驅動的電路構成目的是使得流過LED的正向電流為單向的且具有一定的恒流特性，主要有以下幾種形式：

1）工頻交流半波驅動

工頻交流半波驅動的特點就是單個LED流過的是單向脈動正弦半波電流，家用照明，具體的電路構成主要有：

A二極管導向：

二極管導向的特點是：采用一定的規格的整流二極管D來進行反向電流阻斷，使得流過LED的電流為正向脈動正弦半波電流，具體電路見圖3a。

B二極管旁路：

二極管旁路的特點是：采用一定的規格的整流二極管D來進行反向電流的旁路，保證流過LED的電流為正向脈動的正弦半波電流，具體電路見圖3b。

C雙LED并聯：

雙LED并聯就是：采用反向并聯的同類型LED，使其分別工作于電流的正反向，即自動進行電流導向，使得流過單個LED的電流為正向脈動正弦半波電流，總體上提高了電流的利用效率，整體的光輸出提高了一倍。具體電路見圖3 c所示。

以上采用工頻交流半波驅動的LED電流及光輸出見圖3d所示。

 

2）工頻交流全波驅動

工頻交流全波驅動可以提高單個LED的光輸出效率，主要是采用全波整流器將工頻交流電流轉換為單向脈動直流，使得LED流過的是單向脈動正弦全波電流。具體電路、電流及光輸出特性分別見圖4的a,b所示（圖4b中存在的死區電流是由于LED具有的最小導通電壓所造成的）。

按照光源頻閃波動深度的計算公式：H＝〔(Φmax－Φmin )/Φmax〕100%（式中：H——波動深度，Φmax——光輸出峰值，Φmin——光輸出谷值）

來分析，無論是采用正弦半波還是正弦全波工頻交流電流來驅動LED，其光輸出的波動是非常大的，頻閃的波動深度高達100%，將導致照明光源的品質較差。對于要求高品質照明的場合是無法正常使用的，因此不能作為主流的照明驅動形式，只是一種簡易的、過渡的方式。

1.3 高頻開關恒流源驅動

由于開關電源的高頻化可以帶來一系列的優勢，并且技術也成熟，因此目前主流的LED照明驅動方式均為采用高頻化的電源變換方式，其輸出為含有周期性脈動成分的穩定電流。依據不同的電路拓撲方式，國際資訊，輸出的電流脈動成分的大小也不相同。LED高頻恒流驅動電源的典型架構主要有：降壓變換器、升壓變換器（電感升壓和開關電容）和升降壓變換器。按照輸入與輸出的電氣是否直接連接又分為隔離式和非隔離式兩大類[1]。由于電路的架構不同，因此輸出的電流波形也五花八門、種類繁多。為了歸類的說明問題，仍然采用圖1所示的測試電路，通過模擬高頻開關恒流源的電流輸出來測試LED電流及光輸出特性，并且在測試中流過LED的正向電流的平均值保持不變。為此分別測試了在不同波形、不同頻率和不同輸出電流脈動[7],[8]條件下的LED高頻驅動電流及光輸出特性。

1）不同波形驅動條件下的光輸出

對于不同波形驅動條件下的LED光輸出特性的測試，是在保持驅動電流平均值不變的前提下分別采用頻率為30KHz的正弦全波（倍頻）、脈動直流、三角波及方波電流來完成的，得到的實際波形見圖5a-d所示。

由圖5a-d的比較可見：總體上LED的光輸出很好的響應于驅動電流的波形，具有不同深度的頻閃效應。分析并歸納如下：

ALED的光輸出波動程度與其驅動電流的脈動程度直接有關，脈動成分越大光輸出的波動也越大，頻閃也越厲害；

B在四種不同波形電流的驅動中，方波電流驅動（相當于LED運行在PWM調光模式）的頻閃深度最大（＞95%），三角波電流驅動次之（～80%），正弦全波電流驅動再次之（～65%），含有脈動的直流驅動為最小（＜10%）；

C實際應用中，按照不同照明的需求來選用不同的驅動電流形式。要得到具有良好照明品質的光輸出，就要選用脈動成分小的驅動電源。

2）不同頻率驅動條件下的光輸出

對于不同頻率驅動條件下的LED光輸出特性的測試，分別采用了頻率范圍為30KHz～60KHz且電流平均值不變的含脈動成分的直流電流來分別驅動LED。實際的波形見圖6a-d所示。