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LED照明产品存在频闪(flicker)?

2019-01-09 09:00 来源:通嘉科技 编辑:电源网

LED照明(LED lighting)存在频闪

近年LED照明产品频闪议题持续于各国际照明团体发布相关文件, 如IEEE(电机电子工程师学会)、Energy Start (能源之星)、IEC(电机电工委员会)、CIE(国际照明委员会)…等. 备注文件中说明LED照明光源(LED lighting)的响应速度非常快,可实现灵活多变的光色调控,并迅速掀起照明应用的变革. 但是,由于电源驱动器(LED driver)、调光器(Dimmer) 引起的光源调动,让用户对环境的视觉感知发生变化,而此变化往往是不期望发生的,它会严重影响光质量,甚至是有害的。 公元2016年CIE成立了专门的技术委员会,由来自荷兰飞利浦(Philips)照明博士担任主席,发布了技术备注文件CIE TN 006对闪烁(Flicker),频闪效应(Stroboscopic effect)及幻影效应(Phantom array effect) 作出相关解释,并定义了闪烁指数(Flicker Index,FI)和闪烁百分比(Flicker Percent,PF)。闪烁指数的计算公式如下:

闪烁指数的计算公式

图1中,A1和A2分别为一个周期内光信号输出平均值以上和以下的面积。经实际测试后推荐FI在0.1以下,可保证良好的照明。闪烁百分比与调制深度(Modulation depth,MD)的定义相同:其中,和分别为周期信号的最大值、最小值和平均值

闪烁参数计算示意图

图1:闪烁参数计算示意图

当频率达到400Hz及以上时,人眼就不易察觉到频闪(flicker),但并不代表就没有危害性。光源亮度越高,其闪烁速率也会相应提高。频闪与频闪效应,跟电光源种类,及其技术性能有直接的关系。

LED电流纹波(current ripple)可推算其光通量之变化(以Cree高亮度LED产品为例)

图2:LED电流纹波(current ripple)可推算其光通量之变化(以Cree高亮度LED产品为例)

图2中显示, LED电流的改变会直接改变它的光通量输出;但可以看出,两者之间不是完全线性的关系。因此LED电流纹波(current ripple)和其衍生的闪烁百分比之间也不是线性的关系。对于大多数LED而言,光闪烁百分比是低于电流变化百分比的。 在大多数脱机式LED驱动器中,电路参数会影响LED输出电压纹波(voltage ripple),而LED电流纹波是则是受电压纹波影响的。

美国能源相关分析市场照明产品结果, 如图3 (数据源:Michael Poplawski and Naomi Miller. ” SSL Flicker Fundamentals and Why We Care” by U.S Department of Energy,2014)。频闪差异分布出乎意料的大,其中有4个样本频闪状况显示为非常严重,分布在右上角落的位置,比传统照明的频闪状况要差。但是,也有3个样本的频闪状况竟然优于传统灯,分布在左下角落的位置,表示几乎没有频闪。

现有市场照明产品的频闪比较图

图3:现有市场照明产品的频闪比较图


LED照明频闪通嘉科技(Leadtrend)有对策

图3中,闪频研究结果显示发现某些厂牌能够达到零频闪,但也有不少厂牌的频闪问题十分严重。换句话说,因国际节能相关单位要求LED照明灯具(取代荧光灯或电子放电灯)要求功率因子标准而反应出频闪问题。但频闪问题并非是无法克服的技术问题,而是设计灯具上是否针对电源和光源是否考虑频闪纹波而选用两级架构电路或选择矩阵或二次光学设计。但由于价格竞争,许多厂商不愿意花费成本做为改善。鉴于此通嘉科技(Leadtrend)提供简易且安全的方案设计- LD6802/J, 以消除(remove)/抑制(suppress)因单级高功因转换器(single stage PFC)架构下所产生100Hz~120Hz涟波控制,将带有涟波的直流电经过处理才提供给LED芯片两端驱动,因此有效抑制涟波闪烁(图4),成本相对两级式减少约20% 。

通嘉科技LD6802/J 方案标准系统

图4:通嘉科技LD6802/J 方案标准系统

LD6802/J是一款可于仿真定电流调光系统(含TRIAC或DALI或0/1V-10V调光系统)之消除/抑制因单级高功因转换器(single stage PFC)架构下所产生100Hz~120Hz涟波,通嘉科技(Leadtrend)至今已发表相关特性之专利, 有别于市场产品虽标有其效能但实测后却无法于调光型频闪要求。

LD6802保护菜单

<表一> LD6802保护菜单

图片撷取LEDinside 报导, 量测波形数据取自通嘉科技产品验证报告

通嘉科技LD6802/J方案对策前后差异(左为无去频闪对策下电气及光学信息,而右图为LD6802/J对策后信息)

图5:通嘉科技LD6802/J方案对策前后差异(左为无去频闪对策下电气及光学信息,而右图为LD6802/J对策后信息)

以上实测结果电气频闪(flicker)可降至5%, 但电源效率将减少约3%。但若以光学流明效率(lm/W)仅差异约1%. 由此可推论较低的频闪指数的灯具也会有较高光学亮度(流明)。  

未来消费思考

照明的频闪(flicker)问题从来不是一个新的议题,从传统照明就存在至今。但面对新的LED照明型态,频闪问题又重新浮现,而且可能比以往更加严重。市面上有部分LED照明产品的频闪情况,比传统荧光灯管还严重许多(尤其是单级相切phase cut调光系统, TRIAC dimmer),不免担心长期暴露在恶劣光源底下,会出现负面影响。另外消费者在一味关心LED灯的价格的同时,却不晓得部分厂商为迎合消费者习惯降低产品价格及追求市占率的同时,也舍弃照明的质量与对视力健康的影响。消费者最终需要的是价格还是健康,这是值得深思的地方?

关于通嘉科技

通嘉科技是国内完整AC/DC解决方案的IC设计公司,总部位于台湾新竹,专注于电源管理IC设计方案的开发,至今已获得国内外多项专利认证,产品功能特性可与外商媲美。通嘉在技术创新上持续进行突破与挑战,以模块化、高集成及Mix mode等技术开发进行产品布局,并应用台积电新一代AC/DC IC先进制程,开发出适用于各种应用领域高效能的新世代IC芯片组,提供客户AC/DC Total Solution选择方案,在产品设计架构中,能快速应对终端客户的需求。通嘉相关产品皆能符合六级能效的节能法规,并在产品安全规范上有其突出的表现,多数系列产品已获得Nemko新版IEC62368安全法规的认证。USB PD产品已获得USB IF协会PD3.0认证及高通QC4.0 Plus认证。新一代功率因数校正PFC IC的开发,将通嘉产品应用领域往百瓦级功率等级市场推展。全系列产品涵盖AC/DC PWM、PFC、同步整流、Type C、智能调光等IC领域。可应用在高端笔电、智能手机的快速充电、新一代5G通讯、4K/2K高画质TV、智能照明、智能家电、机器人等电源应用。在研究发展上亦积极应用数字、模拟混合技术配合软硬件开发,以USB IF协会的PD架构与业界通讯厂商合作,使电源系统成为兼具能源供应及通讯载具的创新系统。

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