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基于不同驱动条件下白光LED照明频闪问题的研究

2014-12-10 21:08:08      点击:
白光LED主要特点是:低电压、小体积、高效率、绿色环保和超长寿命。目前以白光LED作为发光光源的照明光源的研发势头强劲,新产品层出不穷,在一定范围内获得了积极的推广和应用。相对于以白炽灯、高低压气体放电灯为代表的常规成熟的照明光源,虽然业界对白光LED照明光源的研究在不断的深入,然而由于白光LED是具有ms级的快速响应、可以工作于直流及单向高频脉冲电流条件下的电流型器件[1],作为照明光源应用时就少有常规光源的发光“惰性”,可能造成较为严重的光输出频闪问题而影响正常的使用[2],[3],[4],在此有必要就不同驱动条件下的白光LED照明光源的频闪问题给予足够的重视,以期更好的满足多种照明现场的要求,获得更为广泛的实际应用。
 
1 白光LED的驱动及频闪特性
 
目前商品化的、大量应用的白光LED的制备原理都是采用蓝光LED激发黄光荧光粉YAG:Ce来获得白光输出的。其白光输出的效率与蓝光LED的出光效率、荧光粉的效率以及相互间的匹配都有直接的关系。由于白光LED是具有ms级的快速响应的、可以工作于直流及单向高频脉冲电流条件下的电流型器件[1],因此作为照明发光器件可能会造成较为严重的光输出频闪问题。为了分析起见,搭建了如图1所示的测试电路,测试了LED在直流线性和交流市电驱动条件下的电流及光输出特性。
1白光LED的驱动及频闪特性
1.1直流线性驱动
线性稳压(稳流)电源驱动,是一种最为早期的驱动形式(图2a,b)。由于LED为电流器件,光输出特性直接响应于驱动电流的特性,因此采用线性稳压(稳流)电源驱动的LED的光输出没有频闪现象,为一平滑的直线,详见图2c所示(图2中上线为光输出,下线为驱动电流,下同)。
 
2直流线性驱动
1.2工频交流市电驱动
由于交流市电具有的普遍性和经济性,直接采用工频50Hz交流市电来驱动LED是一种较为实用的驱动方式[5],[6]。由于LED的特性是必须工作于单向电流(含脉动电流)的条件下,因此工频交流市电驱动的电路构成目的是使得流过LED的正向电流为单向的且具有一定的恒流特性,主要有以下几种形式:
1)工频交流半波驱动
工频交流半波驱动的特点就是单个LED流过的是单向脉动正弦半波电流,具体的电路构成主要有:
A二极管导向:
二极管导向的特点是:采用一定的规格的整流二极管D来进行反向电流阻断,使得流过LED的电流为正向脉动正弦半波电流,具体电路见图3a。
B二极管旁路:
二极管旁路的特点是:采用一定的规格的整流二极管D来进行反向电流的旁路,保证流过LED的电流为正向脉动的正弦半波电流,具体电路见图3b。
C双LED并联:
双LED并联就是:采用反向并联的同类型LED,使其分别工作于电流的正反向,即自动进行电流导向,使得流过单个LED的电流为正向脉动正弦半波电流,总体上提高了电流的利用效率,整体的光输出提高了一倍。具体电路见图3 c所示。
以上采用工频交流半波驱动的LED电流及光输出见图3d所示。
 
3工频交流半波驱动
2)工频交流全波驱动
工频交流全波驱动可以提高单个LED的光输出效率,主要是采用全波整流器将工频交流电流转换为单向脉动直流,使得LED流过的是单向脉动正弦全波电流。具体电路、电流及光输出特性分别见图4的a,b所示(图4b中存在的死区电流是由于LED具有的最小导通电压所造成的)。
4工频交流全波驱动
按照光源频闪波动深度的计算公式:H=〔(Φmax-Φmin )/Φmax〕100%(式中:H——波动深度,Φmax——光输出峰值,Φmin——光输出谷值)
来分析,无论是采用正弦半波还是正弦全波工频交流电流来驱动LED,其光输出的波动是非常大的,频闪的波动深度高达100%,将导致照明光源的品质较差。对于要求高品质照明的场合是无法正常使用的,因此不能作为主流的照明驱动形式,只是一种简易的、过渡的方式。
1.3 高频开关恒流源驱动
由于开关电源的高频化可以带来一系列的优势,并且技术也成熟,因此目前主流的LED照明驱动方式均为采用高频化的电源变换方式,其输出为含有周期性脉动成分的稳定电流。依据不同的电路拓扑方式,输出的电流脉动成分的大小也不相同。LED高频恒流驱动电源的典型架构主要有:降压变换器、升压变换器(电感升压和开关电容)和升降压变换器。按照输入与输出的电气是否直接连接又分为隔离式和非隔离式两大类[1]。由于电路的架构不同,因此输出的电流波形也五花八门、种类繁多。为了归类的说明问题,仍然采用图1所示的测试电路,通过模拟高频开关恒流源的电流输出来测试LED电流及光输出特性,并且在测试中流过LED的正向电流的平均值保持不变。为此分别测试了在不同波形、不同频率和不同输出电流脉动[7],[8]条件下的LED高频驱动电流及光输出特性。
1)不同波形驱动条件下的光输出
对于不同波形驱动条件下的LED光输出特性的测试,是在保持驱动电流平均值不变的前提下分别采用频率为30KHz的正弦全波(倍频)、脉动直流、三角波及方波电流来完成的,得到的实际波形见图5a-d所示。
5不同波形驱动条件下的光输出6不同波形驱动条件下的光输出
由图5a-d的比较可见:总体上LED的光输出很好的响应于驱动电流的波形,具有不同深度的频闪效应。分析并归纳如下:
ALED的光输出波动程度与其驱动电流的脉动程度直接有关,脉动成分越大光输出的波动也越大,频闪也越厉害;
B在四种不同波形电流的驱动中,方波电流驱动(相当于LED运行在PWM调光模式)的频闪深度最大(>95%),三角波电流驱动次之(~80%),正弦全波电流驱动再次之(~65%),含有脉动的直流驱动为最小(<10%);
C实际应用中,按照不同照明的需求来选用不同的驱动电流形式。要得到具有良好照明品质的光输出,就要选用脉动成分小的驱动电源。
2)不同频率驱动条件下的光输出
对于不同频率驱动条件下的LED光输出特性的测试,分别采用了频率范围为30KHz~60KHz且电流平均值不变的含脉动成分的直流电流来分别驱动LED。实际的波形见图6a-d所示。
7不同频率驱动条件下的光输出8不同频率驱动条件下的光输出
由图6a-d的比较可见: LED的光输出的频闪程度与驱动电流的频率有良好的对应关系,分析及归纳如下:
A在LED的驱动中,不改变其他参数,当频率由较低逐步向较高方向发展时,光输出的波动将由大变小。在图6中当频率30KHz时,光输出的波动深度约为18%,当频率为60KHz时,光输出的波动深度约为8%;
B同一驱动电流频率的升高使得LED光输出的波动减小的原因,主要是在高频的条件下,LED荧光粉的余辉效应逐步显现,使得光输出的波动减小;
C采用高频电流驱动是减小LED光输出波动,提高照明光源品质的重要技术措施之一。
3)不同程度电流脉动驱动下的光输出
对于不同程度电流脉动驱动条件下LED光输出特性的测试,分别采用了频率为30KHz且电流的平均值不变的脉动直流电流来驱动LED,实际的波形见图7a-c所示。
9不同程度电流脉动驱动下的光输出
 
由图7a-c的比较可见:采用不同脉动成分的直流电流来驱动LED,其光输出具有不同的的频闪效应。分析归纳如下:
A在高脉动电流驱动的条件下(图7a,脉动成分为100%),LED的光输出具有强烈的波动,频闪的深度约为28%;在中脉动电流驱动的条件下(图7b,脉动成分为44%),LED光输出的频闪的深度约为20%;在低脉动电流驱动的条件下(图7c,脉动成分为8.3%),LED光输出频闪的深度约为3%,可以视为无频闪光源,能与线性驱动的相媲美;
BLED驱动电流脉动成分的大小将直接决定LED光输出的波动大小,即频闪深度的大小,因此必须依据实际要求来选择驱动电源的技术指标,以满足使用的要求。
 
2 白光LED照明频闪的分析
 
在允许的范围内,LED的光输出几乎是直接响应于输入驱动电流的大小和波形,几乎没有一般常规光源的发光惯性——白炽灯、卤素灯的热惯性,荧光灯的荧光粉余辉效应。因此其驱动的电流波动直接影响光输出的波动,为此需要在设计中和使用中给予特别的关注。对于照明品质要求高的LED光源(如:教学、办公、展示、陈列等)就需要对其驱动器的电流输出特性给予特别的考虑,减少电流波动和附加的高次谐波的扰动,降低LED光输出的频闪效应。
2.1传统照明光源的频闪分析
传统的照明光源都有一定的频闪存在,但是由于工作原理的不同,不同光源的频闪大小也不尽相同[9],[10],分别简述如下:
1)白炽灯及卤素灯
白炽灯及卤素灯是利用电流的热效应来使灯丝白炽发光的。由于处于白炽状态下的灯丝的热惯性影响,因此对电流波动的反应不太敏感,具有一定的惰性,因此对于减少光输出的波动有一定的效果。
2)低压荧光灯
低压荧光灯(节能灯)的发光是由灯丝及荧光粉的共同作用来工作的,其驱动又分为工频(电感式)和高频(电子式)两类。由于灯丝的热惯性及荧光粉余辉的优势存在,因此两者的共同作用对于减少光输出的波动有一定的效果。其中工频荧光灯的工作电流频率较低,频闪严重,而高频荧光灯的工作电流频率高,由于灯丝的热惯性及荧光粉余辉的优势发挥就更加有利,因此光强输出的波动性较小,频闪较低,是较为理想的照明光源,经过特别设计的高频荧光灯可以作为无频闪的照明光源。
3)HID照明光源
常用的HID照明光源主要包含有:HPS灯、金卤灯。但是由于其功率大、发热量高,绝大部分工作于工频驱动条件下,因此虽然也有灯丝的热惯性效应,且对于减少光输出的波动有一定的效果,但是其光输出的波动仍然较大,频闪也较为严重,主要应用于对频闪性能要求不高的照明场合,如:城市道路、露天广告牌、广场、建筑装饰照明等。
表1给出了实际测试的传统照明光源的频闪以及改进技术方案,供参考。
 表1 传统照明光源频闪的测试结果及改进措施
10传统照明光源频闪的测试结果及改进措施
2.2 LED照明光源的频闪分析
通过以上的实际测试以及分析归纳可以看到,造成LED光输出频闪的原因较多,既有器件本身的特性所决定的,又有驱动模式的不同而造成的。为此就要研究上述的各种不同驱动的频闪特性,并提出针对性的解决措施及改进技术。
综上所述,由于LED的光输出具有非常优良的电流频率响应特性,这种特性对于应用于动态显示条件下是必须的,是优势所在;而对于照明应用可能就是“缺点”了,集中分析如下:
其一:在低频和LED的PWM调光模式[11](非100%)运行条件下,其光输出的曲线几乎与电流曲线相一致。此时由于驱动电流为单向脉动的,其光输出也具有单向脉动特性,光输出的波动性很大。按照频闪深度的定义,其光输出的频闪深度为100%;
其二:在高频条件下应用时,由于荧光粉余辉的效应加强,光输出的波动有所减小,具有向好的趋势;
其三:LED照明驱动器的电流输出特性将直接影响到其光输出的频闪大小,而驱动器的电流输出特性的优劣有直接与电路的拓扑方式、设计方案、器件的选用、整体的成本和使用寿命都有关系。为此需要对LED照明光源的使用对象、场合、技术要求等进行精心甄别。不是仅仅满足于将LED光源点亮就行了,而需要设计出满足要求的高品质照明光源。
表2给出了不同驱动条件LED光输出的频闪效应、影响因素及改进的措施,作为上述有关LED频闪问题分析的小结。
11LED在不同驱动的频闪效应改进技术
 
3 结束语
 
虽然LED具有非常优良的照明特性。但是目前仍处于推广应用阶段,有许多问题需要不断的研究。由于LED的光输出具有非常优良的电流响应特性,因此频闪问题可能比传统的光源更加突出,鉴于此需要针对以下几个方面来进行进一步的探讨。
1)LED工频驱动的可能性,以及PWM调光模式运行条件下,光输出严重的频闪问题;
2)在高频条件下驱动时,LED荧光粉的余辉效应加强,光输出的波动有所减小,但是改善有限,可研究具有长余辉特性的荧光粉来加以改善;

3)LED照明光输出的频闪大小直接影响照明的品质优劣。对于照明来说不是仅仅只满足于将LED点亮,而是需要设计出满足实际使用要求的高品质照明光源才是正道。