1.8 频闪以及去纹波方案

1.8.1 频闪的背景

光的闪烁是一个古老的话题。从白炽灯自1879年被发明以来的100多年，人类一直生活在“闪烁”的人工照明环境中，白炽灯的工频交流，荧光镇流器的工频交流或是高频交流。其实在普通照明环境中，每个人的眼睛是最简单、有效的辨识光闪烁的仪器，当感觉到光的闪烁导致不舒适时，人就会主动远离那个光环境。所以也不需要太过于恐慌。进入LED照明时代，由于LED照明的特性包括没有光延迟效应、输出波形可任意调节等，造成光的闪烁的负面影响会较容易发生。同时对过去的评价指标（如MD）提出了挑战，老的评价方法需要更新。

频闪效应（Stroboscopic effect）：由于电流的周期性变化，因而发光源所发出的光通量也随之呈周期性的变化，叫作频闪效应。这会使人眼产生闪烁的感觉。这受到光线强弱、频率、波形、调制深度的影响。灯的闪烁以及人感受到的频闪效应如图1-121所示。

其实关于频闪，这个问题随着大量LED灯具进入市场使用，人们对光输出质量的要求开始提高，光波动的影响开始进入大众视野。考虑到本书读者可能没有系统地学过光学，这里我们用大家俗称的频闪来代替（严谨来说，此频闪是一个泛指概念），这样简单地从定性角度来认识到电路的设计。

目前简单层面，对频闪进行量化表达的是闪烁指数这一概念，闪烁指数的定义如图1-122所示。

如本章前文所述，单级PFC电路由于前端没有大容量储能电容，故输出端存在2倍的输入工频纹波，并通过变压器传输到LED上，进而反映到光输出质量上，许多国际官方或是非官方机构开始对频闪进行了调研分析。目前，国际照明界（如CIE和IEC）以及各国的照明标准化组织都在积极研究，推进对光的闪烁的评价，各自提出了各种方案，并提出了一系列的参考标准，这里考虑到光电机理，我们侧重于减少LED电流上的纹波，而对于频闪的具体要求和可接受度标准，请阅读本章最后所列的参考文献中的内容。

频闪（对生物）的影响是一个相当复杂的多因素结果，涉及光学、神经学、视觉等多方面。

频闪在实际特定应用中会带来诸多麻烦甚至危害，主要表现在：

1.对于体育场馆，如果是对运动物体的照明，例如乒乓球馆、羽毛球馆、网球馆等，照明光的闪烁将无法看清运动球体；

2.在进行摄影和摄像的场合，如果采用带闪烁的光照明，将无法避免摄影时出现暗区以及摄像时出现黑色滚动条；

3.频闪效应和相关机械运动合拍时，将造成机械运动明显减慢或停止运动的错觉。

而真正让频闪进入广大消费者视野的是2017年中央电视台3.15国际消费者权益日晚会中，央视主持人和相关技术人员现场对两款LED护眼台灯进行测试，除专业仪器的测试数据以外，技术人员还指导主持人使用一部智能手机进行检测，结果清晰地看到了频闪，并表示“只需记住这一招：打开手机的照相功能，让镜头对准灯泡，注意屏幕上的闪烁，频闪严不严重一目了然！”。这一不科学的表述受到了照明厂商的一致质疑，纷纷对此提出自己的观点，但汇总来看，即：用手机摄像头判定LED光源的频闪并不是科学准确的做法，用手机观察频闪，从而得出的结论也是不正确的，而且没有依据的。但必须要提出，晚会中采用的专业技术仪器是科学的方法。

· 通过手机摄像头看到频闪的根本原因在于，大多数手机的采样频率会根据背景光的变化进行自动调整，而且采样频率不够高且不固定，由于摄像头与被观察灯具的刷新频率不同，不同品牌的手机，其采样频率及调整范围、显示模式都可能不同，不同手机带来的自身的测量参数也不同，测试不具备可重复性。

· 通过手机屏幕呈现出来的只是一个影像，这个影像本身并不直接说明任何技术指标。当手机屏幕出现黑条纹，只能说明待测光源发出的光确实有变化，但这个变化是不是能使人眼感知到闪烁？会使人感到不舒服或者任何其他不良的反应？这也没有对应任何有意义的技术参数。

那么，要测频闪的话，对仪器的要求相当高，至少要满足如下要求：

· 采样频率足够高，高于大多数照明设备的光输出频率，这个可以通过仪器的硬件设计来解决。

· 内部具有符合国际标准的计算能力，显示有意义的数值，这个主要是软件算法和标准化量化的能力，这方面由于不同照明产品的要求均不相同，而且目前没有一个通用化的指标体系来评估，故真正可用的测试设备不多。

减少驱动电流的纹波或调制的纹波，以及提高驱动电流的频率将有效改善波动深度指标。LED照明产品必须根据照明场合对照明光闪烁提出需求，通过改善驱动电流的波动性及采用其他手段来控制照明光的波动深度，保证各种场合下有合适的照明光的波动深度，从而避免因为照明光的闪烁（频闪）对人们健康产生损害。现今对于频闪的处理，早也有许多种办法来实现（消除工频纹波），此电路一般称之为去纹波电路，也叫作去频闪电路，还包括有源滤波、电子滤波等，所有的办法都是以损失效率来实现的。

1.8.2 晶体管消除纹波方案

图1-123所示的两个电路是一个自给偏压的射极跟随器，利用达林顿晶体管，由于放大倍数很高，可以使得基极的阻抗维持相当高，所以只需很小的电容即可过滤掉100Hz的纹波。这个电路可以使用NPN型晶体管放在VOUT端来实现，或者使用PNP型晶体管放在GND端实现。加上这样的电路可将LED电流纹波降到非常低的值，甚至接近0%。这种消除LED电流纹波的电路的缺点是会有额外的功耗消耗在Q2上，因而降低了LED驱动器的效率。在Q2上的功耗可以由（VOUTPP/2+1.2V）*ILED来估计，可以看到，电流很大的话，Q2的功耗不可小视。

我们用一个实际的电路来进行测试，电路图如图1-124所示，Vout即为单级PFC输出，经过Q1和Q2组成的达林顿结构，再接到LED负载上面（此例为14个LED）。我们先来看仿真结果，如图1-125所示，可以看到，Vout上通过仿真人为叠加100Hz的工频纹波，而在LED上面，基本上看到纹波幅度大为降低，同时LED中的电流纹波水平也接近为0，而实际搭建的测试电路，通过示波器测量出来的结果和仿真结果一致，说明此电路是实际有效的。同时通过仿真我们可以看到Q1和Q2的功耗水平，如图1-126所示，Q1的功率相对来Q2来说很小，这是因为Q1主要是起驱动作用，而Q2作为线性调整管来吸收掉所有的纹波电流产生的功耗。

如果采用PNP型晶体管，一样可以实现类似的功能，如图1-127所示为仿真电路及波形。

不管是哪种形式，由于Q2是作为动态调整管来吸收工频纹波，Q2的高功耗制约了此类电路的应用，使得纹波消除电路这样的解决方案通常仅适用于较低功率的系统中，或是高压小电流输出型电源中。当然对于此类电路，相关公司已申请专利，具体可以阅读参考文献。

1.8.3 MOSFET消除纹波方案

同样的，上述晶体管或是达林顿管，也可以换成MOSFET，如图1-128所示。由于MOSFET可以通过控制来实现恒流特性，即因为MOSFET其开启电压VGSTH为常量，当其处于恒流区的时候，若VGS保持不变，则Ids也保持不变，这样MOSFET与LED串联后，即LED上的电流也能保持不变。具体实现机理如下：VC=VGS+VLED，VC即为滤波电容上的电压，VLED即为LED负载电压，VGS为MOSFET栅源电压，由于滤波电容C容量足够大，所以VC也基本恒定，而LED上的负载电压也基本上不变，所以这样得到VGS基本上恒定，从而Ids也恒定。为了消除100Hz/120Hz左右的交流纹波，可以将RC时间常数设定为100mS左右。同样，这类电路也被相关公司申请写入专利（详见参考文献）。

1.8.4 ASIC方案

由于分立元件参数离散性大，所以许多公司开始考虑将上述方案整合在专用芯片中实现，自从2012年开始，就有相关公司开始研发生产此类芯片，称之为去纹波芯片（AC ripple remover）。集成芯片的好处在于可以加入各种保护电路，如短路、过温等，而且可以实现多路并联，或是驱动外置开关管来实现更大电流应用场合。现在，基本上能够提供单级PFC方案的厂商都有配套的去纹波芯片方案，但这些基本上集中在中国大陆和中国台湾地区的厂商。如矽力杰、通嘉、杰华特、晶丰明源、美芯晟等，而且越来越多的类似产品涌现，已经进入了同质化竞争的时代。去纹波芯片内部电路框图如图1-129所示。

虽然用不同的方案（分立或是集成）都可以实现去纹波方案，这是由于前级电路拓扑的天生不足决定的，所以才存在这个细分市场，对于真正要实现无纹波（或是“所谓的无频闪”）要求，这些方案由于效率损失过大，一般会造成整个驱动有2%～10%的效率降低，这对于日益要求高效的电路和产品来说不是一个太好的办法。所以对于高端应用场合，笔者建议读者选择其他的拓扑，这将是本书的下一章节涉及的内容。