LED 照明的涟波抑制电路

LED照明应用已日渐在普及中，一般会注意到的问题为LED灯的能耗、色温、演色性、等等。除了这些之外，随着消费者对LED的逐渐认识，了解到不同的LED灯具会有不同的照明质量且不好的照明质量，可能会对身体及心理造成某些影响。其中，最显而易见的问题是频闪，所谓频闪（flicker）是指光的亮度随着时间有明暗变化的现象。明暗变化的频率在60Hz频率以下时，人的眼睛都可以很轻易的觉察到光源的闪烁。而频率在高于60Hz以上时，虽然人的眼睛无法轻易察觉，但是对于敏感的视觉时经系统而言，容易因为外界亮度的变化，需要一直去调节瞳孔的大小，导致眼睛容易有疲劳或不适。所以频闪是一种我们在日常的照明中不希望发生的现象。其实所有的光源，无论是LED灯、白炽灯、卤素灯、日光灯，其实都会有闪烁现象。原因是因为电力交流电的电源频率，通常为50Hz 或60 Hz，闪烁速率一般就是电源频率的两倍。所以100Hz~120Hz的频闪现象，人眼不易察觉，却又普遍存在我们的日常生或当中，已经直接或间接对我们身体造成影响。

LED照明的应用很广，有室外照明、室内照明、商用照明、居家照明等等。因为照明的场所不同，就会需要不同的灯具及规格，在种类繁多的LED照明应用当中，设计者需要考虑的因素很多，每一种线路架构都有其优点及所需的零件成本，除了成本之外，一般设计时会考虑的规格有一、二次测是否需要隔离、效率要求、功因因素、谐波失真、输出电流准确度及输出电流涟波大小等。比较常见的LED照明线路架构有一次侧回授调节、二次侧回授调节两种，又区分是否隔离，且都需要单级具有高功率因素的特性，不然就需要使用高价格的两级线路架构，以目前LED照明的市场，除非是大瓦特数的应用，不然一般都以单级架构来达到高功率因素的需求。图(一)及图(二)是分别代表两种常见的隔离式LED照明应用线路。

图(一) 二次侧回授调节控制架构有较佳的电流精确度

图(二) 一次侧回授调节控制架构省略二次侧所有组件有较佳的零件成本优势

LED照明在未来几年间将会逐渐地取代白炽灯泡、荧光灯炮及灯管，这已经是不可避免的趋势。目前的LED照明驱动电路设计大多采用单级一次侧调节架构(PSR)来达到高功率因素及定电流调节的功能，是将交流电转换成定电流驱动LED负载，而交流电中的低频涟波会造成两倍频的LED低频涟波，既所谓”频闪(flicker)”，为了抑制低频涟波传统应用线路上必须使用两级架构，多加了一级DC/DC转换器用以滤除低频涟波，但是对LED照明在推广成本上无疑是雪上加霜，而一个简单的原理是利用基本晶体饱和区特性，来抑制LED低频电流涟波，不但可以减少系统成本还可以去除频闪对人体不良之影响。

图(三)是一种常见的非隔离式高功因降压架构LED驱动线路，线路架构简单，具成本竞争优势，但是输出电流有很大的涟波，输出是18颗LED串联，电压约60V，LED电流160mA，但是LED输出涟波电流240mA，输出电流涟波占比高达148%，如图(四)

图(三) 非隔离式高功因降压架构LED驱动线路

图(四) LED输出电压跟电流涟波波形

图(五)两级线路架构: 高功因返驰式加上切换式降压降架构

涟波抑制线路的原理为经由一个RC滤波线路将交流电中会造成两倍频(100Hz or 120KHz)的LED低频涟波滤除，得到一个稳定的直流电压来驱动开关组件MOSFET的闸级(Gate)，

让MOSFET操作在饱和区。图(六)是一个简单的涟波抑制线路，包括一个RC滤波线路，MOSFET的Drain端连接到LED(-)端，RC滤波的输出电压提供给闸级(Gate) ，可以大大的降低前级定电流控制器所产生的涟波电流，而不需使用成本较高的直流降压转换器。

图(六) 涟波抑制线路和MOS输出特性曲线

LED 的低频闪烁会造成视觉疲劳影响视力，然而这种影响往往是缓慢的，因此长期以来没有引起人们的重视，随着LED 照明市占率不断升高，市场对于LED 照明规格也愈趋严格，目前虽然LED 照明并未完整定义出频闪规格，但频闪现象已越来越受重视，一个简易型涟波抑制电路可以解决频闪现象，对于系统厂应用也是一大优点

一个简单的实验，LED输出电压约51V，LED输出电流360mA，去调节输出电容容值的大小，来调节LED输出电流涟波的大小，观察在相机模式下频闪的现象，如图(七)

图(七) LED输出电流涟波跟频闪的关系

通嘉科技(Leadtrend Tech. Corp.)推出一款可以消除和抑制LED 照明因为单级高功因转换器架构下所产生100Hz~120Hz 涟波之控制IC – LD6801，其适用于替代传统灯具下所有可能产生100Hz~120Hz 频闪的现象，常见需求于取代传统荧光灯的产品。LD6801 也具有调整系统低频涟波及各项特性上设定，产品运用整体规格表现较传统或一般照明产品具有优势。

LD6801 主要原理是利用MOSFET 操作在线性区及饱和区的工作性质来使汲极产生跟前级相同的定电流源所输出电压涟波对应准位，藉由减少LED 灯板端电压的低频涟波使输出于灯板上的电流涟波也相对减少，而此原理较适用驱动器为定电流输出装置，而对于谐波失真主要依据前级PWM 方案而定，须符合终端产品运用的IEC61000-3-2 规范要求。

LD6801 是一个极简约将100Hz~120Hz 电流纹波消除和抑制的控制器，能消除和抑制各种LED 纹波，并可搭配PWM LED 恒流驱动IC，不论是非隔离式还是隔离式，都能将纹波消除及抑制，改善后的纹波电流约可以小于5%，所以可以增加光效，提升照明质量。虽然LD6801 操作原理会使得电源效率平均下降约2%左右，但对于光效率也会因涟波改善程度增加约2% 左右。对于频闪及能效相关要求已在国际照明协议组织相继提出参考文献。所以LD6801 提供一致的电流源给用户，并且输出电流可调节高达1500mA，为用户提供了灵活地控制LED 的发光强度。LD6801 拥有可调整灯源端输出异常下的保护功能，例如：开路保护、短路保护及过温度等相关系统保护，当系统异常状态解除后，将可恢复系统运作，让系统在使用上更加安全及稳定。

图(八) 隔离式单级高功因一次侧调节架构(PSR)+涟波之控制IC – LD6801

图(九) 非隔离式高功因降压架构LED驱动线路+涟波之控制IC – LD6801

图(十)左图是没有加LD6801涟波抑制电路的LED输出电流波形，右图是有加LD6801涟波抑制电路的LED输出电流波形，可以有效地将原本120mA 的涟波电流大幅地降低到 3.2mA 达到消除输出波的功能。

图(十) LED输出电流波形