LED闪烁“久攻不下”？看我如何“攻城”
品慧电子讯LED闪烁一直是业界内久攻不下的难题。本文就这一问题深入探讨LED闪烁的原因，解释其在LED中突出的原因，以及应对LED闪烁的措施。本文就几个半导体产品详细解析LED闪烁。
将传统的白炽灯替换为高效率、高色温、长寿命的LED灯确实是个好想法，不过所有的好想法都一样——想得容易做起来难。
LED灯配上驱动电路就可以接入家里现有的交流电路，但是驱动电路输出的电压纹波可能会导致光的闪烁。大部分照明系统都会出现闪烁，同时一些消费者抱怨频闪效应使他们感到不适，甚至恶心生病。
LED和灯具厂家都急切地想要找到问题的根源。如果固态照明光源冤枉地背上“闪烁”的恶名，那么说服消费者放弃传统光源、转而选择LED就更难了。
闪烁的影响
研究表明，每4000人中就有1个人对频率为 3~70 Hz的闪动光源高度敏感。这种明显的闪烁会引发一些严重疾病，例如癫痫。人们不太了解的是，长期暴露在人眼不可察觉的频闪(70~160Hz)下也会导致心神不宁、头痛和视力损害。
可惜除了自然光外，人们所接触到的都是高频的闪烁光。因为所有市电驱动的光源——无论是白炽灯、卤素灯、荧光灯或是LED——都有可能产生闪烁。原因在于供电电源是交流电，一般情况下，闪烁的频率和市电频率(一般50或60Hz)相同，或者是市电频率的两倍。
测试显示，人们很难直接感受到光源的高频闪烁，但这个结论的意义其实并不大。因为科学家进行的研究表明，人类的视网膜可以解析100~150Hz的光源闪烁，即使实验对象不能觉察到，其大脑很可能确实对频闪做出了反应。这一类所谓不可察觉的闪烁(100~150Hz)其隐蔽影响是关于频率的函数，但不仅限于此，生理和心理因素也都很重要。
例如：
高亮度时比低亮度时危害更大;
亮暗两部分的光相(Lighting Pattern)差异也很重要，如交流电周期内“零”电压时，灯光完全变暗的比只是部分调暗的，危害更大;
闪烁的红光和红蓝交替闪烁的光格外惹人讨厌;
光映射在视网膜上的位置也很重要，因为视网膜中央感受到的光比落在视觉外周(视网膜边缘)的光危害大。
一些研究者甚至声称视网膜可以感受到高达200Hz的频闪，不过实验表明，高于160Hz的频闪对健康的影响可以忽略不计。
闪烁的定义
直到近期，照明工程师依然不太关注不可察觉的闪烁所产生的影响。然而，随着健康和安全的规范愈趋严苛，研究更加深入，以及工作在密布荧光灯管的办公室职员发出越来越多抱怨，我们是时候该行动了。
可是没有对闪烁的定义，谁有资格评价哪种光源比另一种好呢?北美照明工程协会(IESNA)为解决这个难题，在第九版IESNA照明手册中提出了一个“闪烁百分数”和“闪烁指数”的定义。图1展示了如何定义这个指标。
图1：用于定义闪烁百分数和闪烁指数的光输出曲线示意图闪烁百分数是衡量光源在周期内的光输出变化的相对量度(即，调制百分比)。有时候也称它为“调制指数”。由图可知：
闪烁百分比=100×(A-B)/(A+B)
根据该手册，闪烁指数是一个“衡量不同光源在一个给定电源频率下周期内的光输出变化的可靠的相对量度，它关乎光输出的波形和振幅”。
闪烁指数取值在0到1.0间，0代表稳定的光输出。值越高表示可观察到光源闪烁的可能性越大，频闪效应(stroboscopic effect)出现的可能性也越大。再次从图中可得：
闪烁指数=面积1/(面积1+面积2)
LEDs存在的问题
LEDs的物理特性决定了它们受驱动的方式和其他光源不同。LEDs(发光二极管)正如其名，它是一种二极管。通常的燃点机制是，足够大的稳定正向电压加在LED极其串联的电阻上，器件在它的导电区开始发光。商品化高亮度LED的正向电压一般在3到4.5V之间。正向电压(VF)和正向电流(IF)之间的关系十分紧密，电流决定了器件的相对光通量(本质上就是亮度)。
器件生产商都会给LED推荐一个常规使用的范围，这实际上是在亮度和光效间的妥协。
图2a和2b：Cree Xlamp ML-B LED的电流随电压变化曲线和相对光通量随电流变化的曲线。
图2a和b表示了Cree XLamp ML-B LED的电流随电压变化的曲线和相对光通量随电流变化的曲线。正向电压的改变会影响正向电流，进而影响光通量。
用交流电源给LED芯片供电需要调压器，把大部分国家使用的110~115或230~240V、50或60Hz的市电电压降到适用于LED的低压。要注意灯具里一般是6~8个LED芯片为一组，所以每一个单元的功率要求大于单个LED。
LED驱动器的一种基本形式是：一个全波整流器(图3)和一串带有限流电阻的LED相连。这个方法以两倍于市电频率来调制LEDs(即100到120Hz)。由于发光强度和电流成比例，所以LED的闪烁也是这个频率(图4)。
图3：简单的LED全波整流器驱动器
图4：图3中的LED的输出。光闪烁是市电频率的两倍。
所有由交流供电的光源都可能闪烁，但是LED表现得尤其明显。因为它的闪烁指数(或调制深度)比传统光源差。这个现象的原因是，LED对电流变化的反应尤其快。120Hz时，LED在波形周期的“截止”部分时其本身和它的荧光粉都来得及完全停止产生光子。相比之下，传统光源——特别是白炽灯和卤素灯——都有一种“惯性”，它们在周期的“截止”区段时依然会发出一些光子。
表1总结了不同光源在直流、交流电源下的闪烁百分比和闪烁指数。2(“最小值”、“最大值”和“平均值”列表示各种光源的相对光强。)
如前文所述，除了频率之外，闪烁指数还能显著影响光如何作用于人的感受。闪烁指数越高越易察觉，因此也有更大的潜在危险。
表1：几种光源的闪烁百分比和闪烁指数。高闪烁指数的频闪更易被人眼察觉。
改良的LED驱动器大部分现在使用的LED驱动器都比图3中给出的简单示例要复杂。高频开关电源因为其高效而广受欢迎。开关电源使用的输入、输出滤波器大大减少了市电电源输出端的交流成分，不过有些纹波难以避免。LED驱动器质量良莠不齐，建议工程师谨慎选择。
尽管有些开关LED电源可以减少输出端的交流成分，进而降低闪烁指数，可是闪烁的频率却不受影响，依然是市电频率的两倍，其所属频率区间有研究者认为对人体有所影响。
具有影响力的美国环境保护署(EPA)为了解决这个问题，建议将LED的工作频率提高到150Hz。该组织的“能源之星”标准包括一条针对闪烁的标准：如果厂家想要得到能源之星认证以获得商业优势，就一定要符合能源之星标准。
2009年，那条关于闪烁的标准发生了变化，规定LED的最低工作频率从之前的120Hz升高到150Hz。LED和半导体制造商都不喜欢这个新标准，因为把它们的产品提升到适应新频率标准费用高昂。
2010年3月，在一封致相关方的公开信中，3 EPA放宽了规定，标准又改回了原来的120Hz，并一直沿用至今。现在市面上有很多可以直接接入市电电源的LED驱动器，而且宣称能够产生“无频闪”电源。例如Cirrus Logic近期推出了它的CS161xLED驱动器系列(CS1610-FSZ, CS1611-FSZ)。
这些芯片适用于100-120VAC和220-240VAC线路电压，并称即使配合传统的调光开关使用也可以维持无频闪的优异表现。(传统的调光开关总为LED驱动器引入各种麻烦，所以只好妥协闪烁指数。)
CUI也提供了一款恒流驱动器V-Infinity VLED15(图5)，配合传统的调光开关使用，在全亮度的时候可以完全没有频闪。这个驱动器有两个版本可选，适合115VAC输入和230VAC输入。
设计LED灯具的照明工程师可以列出LED的许多优点，比如说光效高、寿命长而且坚固耐用。然而，工程师们要记得，消费者一旦在固态照明光下作业感到不适，他们会对产品吐槽。
就算频闪可能是“不可察觉的”，它一样会引发问题。例如，工作在使用频闪荧光灯管照明的办公室里的人认为“病态建筑综合症”是导致高缺勤率的原因。现在并没有直接证据证明频闪会导致癫痫，但是近期的研究表明频闪非常可能是诱因之一。
相应地，设计LED照明系统时应谨记减少频闪。选择高质量的高频率的LED驱动，因为它们可以减少电压中的交流分量，和输出的电流纹波，进而控制LED闪烁的调制深度。
还有，我们应该积极寻找能将输出纹波中的交流分量转化到150Hz或更高频率的LED驱动器。据称这个频率的闪烁对健康的影响可以忽略不计，不过还需要更进一步的实验去证实这个观点。
