LED灯频闪是什么原因？有几种情况有影响到LED灯具闪烁
从头晕到照片曝光不足，频闪在很多方面给人带来影响。固态照明SSL已经被照明行业视为现在和未来的高能效光源，但在LED的周期性调整导致频闪这个问题上，它仍有不足。如果不加以解决，频闪会带来许多问题，有损精心设计的灯具和照明空间。理解频闪问题背后的基本知识将帮助建筑师和照明专业人员规避灯光频闪所带来的让人讨厌、甚至有害的影响。
什么是频闪？
关于频闪，最简单的定义就是指开关周期内光的不断波动。在美国，电流是通过频率为60Hz的交流电传送的，灯具的供电电压在开关周期内以正弦波的形式在波峰到波谷之间来回波动。因此，可能产生2倍于供电频率的频闪，也就是120Hz。如果没有合适的电子电路，比如镇流器、驱动或电源，光源就会产生频闪。有些频闪是有意为之，比如自行车前灯。“某些程度的频闪不会引起注意，也不存在生理上的不适。但有些频闪却真的是个问题”，波特兰PNNL（Pacific
Northwest National Laboratory）高级照明组的资深科学家、照明设计师Naomi Millier说，“照明行业关心的是那些可能引起神经系统问题和影响工作绩效的频闪范围。”
纽约特洛伊LRC（Lighting Research Center）的研究主任Nadarajah Narendran说：“人类可以察觉低于50Hz的灯光频闪,当然也有一些人到100Hz才会注意到”。大约3到70Hz的低频闪可能会引起高敏人群的癫痫发作，介于大约100到500Hz之间的中度频闪可能会导致频闪效应的间接知觉（译注：由视觉暂留所引起），在这种情况下，动态的物体可能表现为一系列静止的图像。这种效应或许是舞厅所希望达到的效果，但是对于工业场所来讲却是危险的。比如，频闪会使移动的齿轮或者刀片看起来很慢，甚至静止，同样，它也给健康带来一系列不利的影响，像头疼、眼疲劳和身心疲倦。
图：频闪效应使运动的物体看上去是静止的或者运动得更慢。
加利福利亚Benya Burnett Consultancy的负责人Jim Benya说，随着闪烁频率步入千赫兹范围，高达2千赫兹甚至以上，初步研究表明，“我们感觉不到了，频闪不再是问题了。”但是，如何让不同的光源达到这么高的闪烁频率，可能是个问题。
频闪测量
当前，没有指导制造商进行频闪检验的官方标准流程，但是IES（Illuminating Engineering Society）研究出了两种方法来测量频闪，可以在RP-16-10《照明工程术语和定义》中找到。第一种，也是较常用的测量方法是频闪比率。它显示光输出在一个开关周期内的平均调整量，也就是缩减量。一个100%频闪的光源意味着在开关周期内某些时候不发光，而一个完全稳定的光源就是0%频闪。
另外一种测量方法是频闪指数，范围是从0到1。它综合了频闪比率和其它2个变量：光波形（输出曲线）和占空比。占空比是指光源在单个开关周期内，开灯时间所占的百分比。频闪比率和频闪指数越低，光源闪烁或者造成可见频闪效应就越少。
图：频闪测量方法。频闪比率等于一个开关周期内最大光输出与最小光输出之差除以最大光输出与最小光输出之和。频闪指数等于一个开关周期内超出平均光输出的量除以全部光输出。
来源：改良自The Lighting HandbookIES (10th ed.2011)
图：常见光源的频闪测量
来源：Michael Poplawski, NaomiMiller, PNNL (2011);Michael Grather, Luminaire Testing Laboratory (2009)
传统光源的频闪
使用交流电的光源都有频闪。高强度气体放电灯（HID）的频闪就非常明显，Benya说，1972年奥运会期间，摄影师发现他们拍的很多照片漆黑一片，“因为他们尝试拍一些非常短时间曝光的照片，但是是在错误的时间，那个时候，灯实际上是不发光的。”三相照明配电系统，相邻灯具以120度异相供电，也就是说，一个灯亮时而另一个灯是灭的，第三个灯正好处于中间状态，这种方案能解决体育馆照明中的频闪问题。
就算是大众喜爱的白炽灯也有频闪。我们没注意到是因为白炽灯的热惰性掩盖了频闪问题，切断电源，直到下次通电时，灯丝上都还留有余热可以发光。这个特点也是白炽灯效率低的原因，大约90%的电能转化为热量损失掉了。
但是荧光灯和LED不同于白炽灯，“这些光源对电的反应很快”，Benya说：“断电就断光。”在20世纪90年代使用电感镇流器的荧光灯因为频闪遭到投诉，制造商通过把电感镇流器改为电子镇流器解决了这一问题，电子镇流器驱动灯具的频率超过20千赫兹，远远超过人所能察觉的频率。
LED为什么频闪？
当一种新光源进入市场，频闪问题也就浮出水面。PNNL的Miller说：在光输出上LED的振幅甚至比白炽灯或荧光灯更大。但是，与HID或荧光灯不同，固态照明SSL是一种直流器件，这就是说当恒流供电时，LED就可以无频闪点亮，Benya说。
那些没有使用单独恒流调节驱动的简单LED电路，LED亮度会随着交流电周期而变化。驱动起到两个作用，供电和整流。从驱动到LED，交流电到直流电的转换过程会产生电压和电流输出波纹。这种波纹以2倍于供电电压的频率存在，在美国就是120Hz。LED的输出与驱动的输出波形存在对应关系。
调光是导致频闪的另外一个诱因。传统调光器，比如TRIAC调光器（一种能双向导电的电子元件），通过在开关周期内延长关机时间来调节电流，减少光输出。对于LED来说，使用脉冲宽度调制（PWM）以超过200Hz频率开关LED是比较理想的。但是，Benya强调：“如果你在一种非常低的频率中使用脉宽调制，比如正常供电频率，就会造成非常高的频闪比率。”
图：单周期波形特性和频闪测量
来源：Michael PoplawskiNaomi MillerPNNL (2011)
减轻频闪
减轻频闪的关键在于驱动，可以通过提供恒定、无振荡的电流来解决这个问题。但是制造商在为LED产品配套驱动时，不得不权衡其它因素——驱动成本、尺寸，可靠性和效率。CREE应用工程副总Mark McClear表示。灯具的预期用途也需要考虑，以确保产品不被过度设计，因为在有些照明情境中频闪是可以被接受的，有些则不行。
Mcclear还说：“制造商也一直在尝试优化什么产品适合什么应用，怎样让频闪可接受又不提高成本。”电容可以调节从驱动到LED的交流波纹，但是它也有缺点，Benya说，“电容体积大而且对热敏感”。所以，在一个紧凑有限的空间里，比如LED替换光源，使用电容就行不通。
使用脉冲宽度调制（PWM）调节的LED，生厂商可以把电流调节到超过几千赫兹的非常高的频率。这同电子镇流器驱动荧光灯类似。但是要求的频率越高，驱动和LED之间的距离就要越近。“不幸的是，很多人都想要驱动远离照明系统，所以也并不是什么时候都可行的。”Benya说。
为了简化调光器和可调光LED光引擎(LED light engines)之间的兼容性试验，NEMA（National Electrical Manufacturers Association）发布了NEMA SSL 7A-2013《固态照明SSL切相调光：基本兼容性》，这是一份给照明产品设计师和生厂商的指南。只要调光器和LED光引擎都符合标准，那么它们就可以兼容。NEMA的技术项目经理Megan说，这个标准是行业第一个，由24家主要制造商签署。SSL 7A的目标是：摆脱灯具和调光器的匹配性测试。需要强调的是这个标准仅适用于标准发布之后的技术，正如其所言，该标准没有给“现存产品或者已安装的LED光引擎和切相调光器的兼容性确定”提供方法。
设置标准
2002年，由LRC的Narendran领导的固态照明系统和技术联盟（ASSIST）成立，这个联盟由政府组织、研究人员和制造商组成。该组织的第一步工作就是定义可接受的频闪范围，2012，该组织发布ASSIST推荐：《减少固态照明系统频闪效应的闪烁参数》，包含了光源频闪效应的可接受度和检测计算的方法。
最近ASSIT发起了一项关于间接频闪知觉和人性因素的研究，该研究由LRC高级研究科学家John Bullough领衔。在确认了频闪引起人体不适的两项主要指标是频率和强度后，Bullough试图找出“在哪些点频闪变得引人注意，并且对长期在这种照明条件下工作的人来说是不可接受的。”举例来说，尽管电脑屏幕频闪频率是60到70赫兹，但是这种频闪大部分并不为人察觉。
理想的话，Bullough希望做一份列示光源频闪值和察觉该频闪的居民比例的参考文件出来。Narendran介绍说，这项研究已经进入被选照明应用领域的频闪指数限制的分析阶段了，应该会在今年发布结果。
选型小贴士
照明专业人员可以采取一些方法来减少选到有频闪的固态照明SSL产品的可能性。在室内，许多LED产品宣称是交流直供，Miller讲，电路设计更简单，没有驱动，有吸引力的价格，但是有些产品，在满载输出时会产生高达40%的频闪。调光阶段，频闪比率可能更高。
替换型LED光源，像MR16，A型灯泡，Par灯，比高天井灯，更有可能频闪，McClear说。替换型光源受尺寸的限制，所以他们可能会配置简单的驱动，缺少必要的电子期间来纠正输出。
对于不调光的产品，如果配置高品质驱动，频闪可能不明显。但是如果一位设计师给一个替换型光源配置传统墙面开关和TRIAC调光器，而不是用一个0-10V的数字调光系统，“就算再好的产品也会有频闪”，Benya说，“第一个判断依据就是，越是便宜货，越有可能产生频闪。”
设计师应该和灯具制造商一起来确定一套可兼容的系统，并根据预期的最终安装效果对驱动和调光设备进行第一手测试。一种低技术门槛的测试方法是照亮转动的陀螺，看有没有频闪效应。另外一种是在光源下像转风扇那样摆动铅笔。在有频闪的光源下，风扇中的间隙和黑线会比较明显，如果没有频闪，风扇看起来就会很流畅，平滑，无间隙。
图：一种没有什么技术门槛的频闪测量方法是摆动一支铅笔，或者如图，一个卷尺，像风扇那样转动。如果有频闪，风扇之间的间隙就会明显。
图片来源：LRC
听起来好像是荧光灯和电感镇流器那种黑暗的日子又回来了，但是，不存在频闪效应的固态照明SSL是确实存在的。只是设计师和选产品的人必须认真仔细，做试验。“前景并非一片黑暗”， Narendran说，“只是必须先花时间来确认你用的是兼容的系统。”
关于无频闪的研究，从电源层面来看是最直观的，其实就是关于“频率”的问题，超高频人眼跟CCD探头都不会有感觉，低频人眼和CCD探头都会有直观的感受。实现无频闪的方式要么做超高频直流输出，要么就真正去除或者降低直流中的纹波含量。
2014年，LED照明市场已然形成井喷之势，恒流类驱动电源作为照明用LED灯具的标准配置，将会是最为激烈的竞争市场。智能化毕竟不是眼下市场的竞争重点 ，从传统企业格局看，驱动电源厂商眼下还是从价格 、交期、 品质、售后等方面发挥竞争优势，力求获得发展……
现在大家不缺乏对新技术的了解，是难以在百花齐放的产品技术面前，挑选适合自己的供应商。今天咱们一起来讨论：无频闪技术在LED民用照明领域应用基础知识。
图：频闪的影响和危害
1、什么是频闪？
频闪与频闪效应是针对电光源，光通量的波动深度和由此产生的危害效应（称为频闪效应）大小的两个互为因果的物理量。频闪是指电光源光通量波动的深度。光通量波动深度越大，频闪越严重。
图：频闪测量方法。频闪比率等于一个开关周期内最大光输出与最小光输出之差除以最大光输出与最小光输出之和。频闪指数等于一个开关周期内超出平均光输出的量除以全部光输出。
来源：改良自The Lighting HandbookIES (10th ed.2011)
电光源光通量波动深度大小，与电光源的技术方案有直接关系。
图：常见电光源的光通量波动深度
2、如何测试频闪？
人眼对60Hz以上的闪烁是不敏感的，LED恒流电源输出端工频一般在100Hz及以上。用CCD感光成像（手机、摄像机）拍摄的时候，因为采样频率的不同，会出现水波纹。但是它跟手机、摄像机的预设频率、感光元件、快门速度都有关系，所以这种测试方法并不一定准确，却是一种简单的测试方法。
图：相机拍摄到的荧光灯频闪
传统测试方法是：在太阳光下，转动黑白相间的陀螺仪，图案会形成稳定的环状，色环不会随着转动速度、旋转方向而改变。在被测试光照下，转动黑白相间的陀螺仪，观察现象：如果图案的颜色或者环状结构发生变化，则说明光照存在频闪，变化越明显说明频闪越厉害。这种方法，无法对频闪深度作出准确的评判。
图：专用陀螺测试法
最科学测试方法是：使用光源频闪测量系统(Light Flickering Analyzer)，其核心是1台采样频率10kS/s（每秒测试1万次）的超快速光度计。扫描发光物的发光曲线（类似示波器），并计算闪烁指数等参数，得出光的波动深度（光纹波系数）。
图：光源频闪测量系统
3、什么样的频闪深度是被接受的？
无频闪需求，是应市场的使用需要有针对性的开发的。目前在美规中有着明确的技术要求，但大部分市场还没有统一的标准来严格要求光源的频闪深度。目前有的客户要求波动深度＜8%，有的要求＜5%，更有甚者要求＜1% 。
4、实现无频闪的技术途径？
LED照明产品，采用AC-DC的直流恒压或者恒流电源驱动，光源本身并不会对频闪特性造成影响。输出的光照有无频闪，取决于LED驱动电源的设计方案。
值得注意的是，有无频闪不是评判LED驱动电源优劣、可靠性和质量的依据，它只是使得照明产品的光品质更健康。所以，要实现LED照明产品的无频闪，根本在于LED驱动电源的方案设计。
目前技术背景下，实现无频闪的技术途径有：
方案一、被动PFC+填谷电路
方案二、采用两级方案，主动PFC校正+反激式转换器
方案三、无PFC校正的BUCK电路
方案四、LED电源DC端串联去纹波（无频闪）专用IC
方案五、LED电源DC端串联线性恒流电路
LED无频闪技术之被动PFC
被动PFC（填谷电路）
什么是PFC？
PFC通俗的说就是功率因数校正，通过PFC电路，实现降低用电器对公共电网的谐波污染。关于功率因数（PF）和功率因数校正（PFC）的详细资料详见维基百科。
出于节能减排的需要，展现LED照明产品的健康友好，世界范围内的认证产品大都对LED驱动器的PF提出了明确要求。
图：PF为0.5左右时的波形
什么是被动PFC？
被动PFC通俗来讲，就是通过搭建一种电路，来提高电源的功率因数，以满足使用的需要。用于LED照明的开关电源是一种常见的非线性负载，典型的开关电源首先会用整流二极管产生直流电压，再由直流电压产生输出电压。由于整流器为非线性元件，其输入电流会有许多的高次谐波成份，欧盟为了提升功率因数，特在认证标准中设置了谐波含量的标准（一般LED照明设备需满足低于20%的最低要求）。
如何降低被动PFC电路中的谐波含量？
最简单降低谐波电流的方式是使用只含有被动元件的滤波器，此作法称为被动功率因数校正或无源功率因数修正（passive PFC）。例如设计一滤波器，只让基频（50或60Hz）频率的电流通过，滤波器可降低谐波电流，因此会使非线性元件的输入电流会和线性元件比较接近。若要功率因数接近1，需要使用电容或电感。一般这类的滤波器需使用大电流的电感，其体积较大，难以满足LED驱动电源的尺寸要求。而采用电容组来校正负载的非线性设计--填谷电路就成了最佳方式。
填谷电路采用两个大的电容和三个二极管进行功率因素校正，同时吸收交流纹波。
图：典型的填谷电路
需要注意的是：填谷电路输出电压谷值只有电解滤波电路谷值的一半，当DC端输出电压高于40V时，电源没法兼容100～277VAC全电压输入范围，只适用175V AC以上的电网稳定使用。被动PFC校正后批量产品的PF值也很难达到0.9以上，一般在0.85-0.9左右。
图：PF为0.9左右时的波形
通过高频光度计测试，采用被动PFC（填谷电路）可实现5-8%波动深度，这样做的好处是，不管是隔离还是非隔离电路都可通过加装填谷电路，实现无频闪设计，满足此类客户的使用需要。
LED无频闪技术之两级电路
首先明确下PFC对开关电源电压、电流、瞬时功率及平均功率的影响：
图：PF值为1的电路，其电压、电流、瞬时功率及平均功率（φ=0，cosφ=1），由于平均功率（深蓝色线）均在X轴上方，所有功率均为实功，被负载所消秏。
图：PF值为0电路，其电压、电流、瞬时功率及平均功率（φ=90，cosφ=0），由深蓝色线可以看出前四分之一个周期，功率暂时储存在负载，接下来四分之一个周期，功率由负载回到电网，因此没有消耗实功。
图：PF值落后的电路，其电压、电流、瞬时功率及平均功率（φ=45， cosφ=0.71），由深蓝色线可以看出在标示φ的那段时间，
隔离电源按照结构形式不同，可分为两大类：正激式和反激式。
反激式指在变压器原边导通时副边截止，变压器储能。原边截止时，副边导通，能量释放到负载的工作状态，一般常规反激式电源多为单管驱动。
图：正激式变换器电路
正激和反激电路各有其特点，在设计电路的过程中为达到最优性价比，可以灵活运用。一般在小功率场合可选用反激式。稍微大一些可采用单管正激电路，中等功率可采用双管正激电路或半桥电路，低电压时采用推挽电路，与半桥工作状态相同。大功率输出，一般采用桥式电路，低压也可采用推挽电路。
反激式电源因其结构简单，省掉了一个和变压器体积大小差不多的电感，而在中小功率电源中得到广泛的应用。
图：反激式变换器电路
以此为基础，采用“主动PFC+反激式转换器”的电路是实现无频闪电源的高可靠性方案。因体积和成本的问题，这类架构主要用于LED中功率（30-100W）外置电源，实现无频闪输出。
图：主动PFC电路波形图
