基于不同驅(qū)動(dòng)條件下白光LED照明頻閃問題的研究

文章來源:恒光電器

發(fā)布時(shí)間:2014-12-04

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 前言

白光LED主要特點(diǎn)是：低電壓、小體積、高效率、綠色環(huán)保和超長(zhǎng)壽命。目前以白光LED作為發(fā)光光源的照明光源的研發(fā)勢(shì)頭強(qiáng)勁，新產(chǎn)品層出不窮，在一定范圍內(nèi)獲得了積極的推廣和應(yīng)用。相對(duì)于以白熾燈、高低壓氣體放電燈為代表的常規(guī)成熟的照明光源，雖然業(yè)界對(duì)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(jí)的快速響應(yīng)、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(yīng)用時(shí)就少有常規(guī)光源的發(fā)光“惰性”，可能造成較為嚴(yán)重的光輸出頻閃問題而影響正常的使用[2],[3],[4]，照明產(chǎn)品，在此有必要就不同驅(qū)動(dòng)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(xiàn)場(chǎng)的要求，獲得更為廣泛的實(shí)際應(yīng)用。

 

1 白光LED的驅(qū)動(dòng)及頻閃特性

 

目前商品化的、大量應(yīng)用的白光LED的制備原理都是采用藍(lán)光LED激發(fā)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(lán)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(guān)系。由于白光LED是具有ms級(jí)的快速響應(yīng)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(fā)光器件可能會(huì)造成較為嚴(yán)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(cè)試電路，裝修照明，測(cè)試了LED在直流線性和交流市電驅(qū)動(dòng)條件下的電流及光輸出特性。

1.1直流線性驅(qū)動(dòng)

線性穩(wěn)壓（穩(wěn)流）電源驅(qū)動(dòng)，是一種最為早期的驅(qū)動(dòng)形式（圖2a,b）。由于LED為電流器件，光輸出特性直接響應(yīng)于驅(qū)動(dòng)電流的特性，因此采用線性穩(wěn)壓（穩(wěn)流）電源驅(qū)動(dòng)的LED的光輸出沒有頻閃現(xiàn)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(qū)動(dòng)電流，CE認(rèn)證，下同）。

 

1.2工頻交流市電驅(qū)動(dòng)

由于交流市電具有的普遍性和經(jīng)濟(jì)性，直接采用工頻50Hz交流市電來驅(qū)動(dòng)LED是一種較為實(shí)用的驅(qū)動(dòng)方式[5],[6]。由于LED的特性是必須工作于單向電流（含脈動(dòng)電流）的條件下，因此工頻交流市電驅(qū)動(dòng)的電路構(gòu)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(qū)動(dòng)

工頻交流半波驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)就是單個(gè)LED流過的是單向脈動(dòng)正弦半波電流，家用照明，具體的電路構(gòu)成主要有：

A二極管導(dǎo)向：

二極管導(dǎo)向的特點(diǎn)是：采用一定的規(guī)格的整流二極管D來進(jìn)行反向電流阻斷，使得流過LED的電流為正向脈動(dòng)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(diǎn)是：采用一定的規(guī)格的整流二極管D來進(jìn)行反向電流的旁路，保證流過LED的電流為正向脈動(dòng)的正弦半波電流，具體電路見圖3b。

C雙LED并聯(lián)：

雙LED并聯(lián)就是：采用反向并聯(lián)的同類型LED，使其分別工作于電流的正反向，即自動(dòng)進(jìn)行電流導(dǎo)向，使得流過單個(gè)LED的電流為正向脈動(dòng)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(qū)動(dòng)的LED電流及光輸出見圖3d所示。

 

2）工頻交流全波驅(qū)動(dòng)

工頻交流全波驅(qū)動(dòng)可以提高單個(gè)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(zhuǎn)換為單向脈動(dòng)直流，使得LED流過的是單向脈動(dòng)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(qū)電流是由于LED具有的最小導(dǎo)通電壓所造成的）。

按照光源頻閃波動(dòng)深度的計(jì)算公式：H＝〔(Φmax－Φmin )/Φmax〕100%（式中：H——波動(dòng)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(qū)動(dòng)LED，其光輸出的波動(dòng)是非常大的，頻閃的波動(dòng)深度高達(dá)100%，將導(dǎo)致照明光源的品質(zhì)較差。對(duì)于要求高品質(zhì)照明的場(chǎng)合是無法正常使用的，因此不能作為主流的照明驅(qū)動(dòng)形式，只是一種簡(jiǎn)易的、過渡的方式。

1.3 高頻開關(guān)恒流源驅(qū)動(dòng)

由于開關(guān)電源的高頻化可以帶來一系列的優(yōu)勢(shì)，并且技術(shù)也成熟，因此目前主流的LED照明驅(qū)動(dòng)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(dòng)成分的穩(wěn)定電流。依據(jù)不同的電路拓?fù)浞绞剑?a href="http://scotled.com/ledguojinews/ledgjnews.html">國(guó)際資訊，輸出的電流脈動(dòng)成分的大小也不相同。LED高頻恒流驅(qū)動(dòng)電源的典型架構(gòu)主要有：降壓變換器、升壓變換器（電感升壓和開關(guān)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(gòu)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(cè)試電路，通過模擬高頻開關(guān)恒流源的電流輸出來測(cè)試LED電流及光輸出特性，并且在測(cè)試中流過LED的正向電流的平均值保持不變。為此分別測(cè)試了在不同波形、不同頻率和不同輸出電流脈動(dòng)[7],[8]條件下的LED高頻驅(qū)動(dòng)電流及光輸出特性。

1）不同波形驅(qū)動(dòng)條件下的光輸出

對(duì)于不同波形驅(qū)動(dòng)條件下的LED光輸出特性的測(cè)試，是在保持驅(qū)動(dòng)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(dòng)直流、三角波及方波電流來完成的，得到的實(shí)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(yīng)于驅(qū)動(dòng)電流的波形，具有不同深度的頻閃效應(yīng)。分析并歸納如下：

ALED的光輸出波動(dòng)程度與其驅(qū)動(dòng)電流的脈動(dòng)程度直接有關(guān)，脈動(dòng)成分越大光輸出的波動(dòng)也越大，頻閃也越厲害；

B在四種不同波形電流的驅(qū)動(dòng)中，方波電流驅(qū)動(dòng)（相當(dāng)于LED運(yùn)行在PWM調(diào)光模式）的頻閃深度最大（＞95%），三角波電流驅(qū)動(dòng)次之（～80%），正弦全波電流驅(qū)動(dòng)再次之（～65%），含有脈動(dòng)的直流驅(qū)動(dòng)為最小（＜10%）；

C實(shí)際應(yīng)用中，按照不同照明的需求來選用不同的驅(qū)動(dòng)電流形式。要得到具有良好照明品質(zhì)的光輸出，就要選用脈動(dòng)成分小的驅(qū)動(dòng)電源。

2）不同頻率驅(qū)動(dòng)條件下的光輸出

對(duì)于不同頻率驅(qū)動(dòng)條件下的LED光輸出特性的測(cè)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(dòng)成分的直流電流來分別驅(qū)動(dòng)LED。實(shí)際的波形見圖6a-d所示。