细说LED频闪那些事丨频闪原因、各国标准、测评方法、解决方法…
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发现了吗？当我们长时间在日光灯下看书时，眼睛容易感到不舒服，即使日光灯的亮度与白天无异。
这是为什么？专家经过研究发现，这主要是因为日光灯的光强会随着时间的改变而改变，进而使人眼产生不适感。简言之，日光灯光源的闪烁会引起人眼的不适。
什么是频闪
谈到光源的闪烁时，我们常常用到“频闪”一词，那么，什么是频闪呢？
频闪，顾名思义，是一种由于频率而发生的闪烁。
光源频闪现象就是指光源发出的光随时间呈快速、重复的变化，使得光源跳动和不稳定，也就是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。光源频闪的实质是光通量的波动，实质光源在交流或脉冲直流的驱动下，光通量，照度或亮度随电流幅值的周期性变化而发生相应的变化，人眼到人脑对这一变化产生的主观反应。而电光源光通量波动深度大小，与电光源的技术品质有直接关系。
频闪效应需要和频闪区别看待，频闪效应是指电光源由光通量的波动而产生的危害效应，即频闪产生的危害效应。电光源频闪越严重，频闪效应危害越严重。频闪与频闪效应是表征电光源，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，即频闪导致了频闪效应。
光源频闪的危害
现在人们不仅只关注照明的物理性能效果，同时也很重视照明的光生物安全。光源频闪对人的视觉系统有刺激作用，会产生不舒适的感觉。通常闪烁按人的感受分为可见闪烁和不可见闪烁。频率大于100Hz时，人眼感受不到闪烁现象，但仍会造成眼睛疲劳，头痛等，这就是频闪导致的后果，普遍认为500Hz以内都存在该效应。
人们长期在闪烁的光线下工作或生活，还可能影响视觉系统的生理卫生和心理卫生。这种刺激作用或影响的严重程度与光源闪烁的强度、频率、持续作用时间以及长期性有关。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。电光源的频闪与频闪效应，给我们的工作和生活带来了严重的危害。那么频闪对人体会产生哪些危害呢？
光对人体健康的危害影响是一个长期作用、慢性累积的过程，世界上发达国家很早就开始了相关的研究。根据光的闪烁频率、光强变化幅度等不同因素，光对人体的危害程度也不相同。
LED频闪的原因
传统的荧光灯具直接用于50Hz的交流电，它的频闪是100Hz，用数码相机拍摄的时候因为采样频率的不同所以会出现水波纹。而LED灯具是直流电源供电，其光源发出的光也将是直流形式的(在直流基础上叠加有微小的波动或称脉动)，从物理的角度上讲，其发光的波动性的确远远低于交流电流工作的光源发光的波动程度。但是，其输入供电电源的仍然是交流形式的，很难完全避免交流纹波通过LED光源，所以LED灯具也会存在频闪。
对于控制装置制造商而言，纹波电流是产生频闪的一个重要罪魁祸首。纹波电流是整流和滤波后依然存在的交流成分。纹波电流叠加在直流上，具有不同的频率和曲线。该交流成分使LED模组的功率发生波动，反过来又会使亮度发生变化。叠加交流的数量及频率是产生频闪的决定性因素。
另外由于LED具有非常快的响应时间，因此在一定的条件下，LED的频闪特性主要是由于驱动电源的特性决定。而传统光源由于响应速度慢（上升、下降时间长），发光具有很大延后性，因此对电流的抖动不敏感。因此LED光源的频闪问题比传统的光源要更加突出、严重，需要给予必要的关注。
与白炽灯相比，因白炽灯有热惯性和气体放电灯有余辉效应，而LED的电压和电流与光输出响应快，所以LED光源的频闪效应更加明显。另一方面，频闪效应对人们的工作和生活也有一定的影响，如视觉错觉引发工伤事故，严重的频闪危害人们的身体健康，损伤视力等，目前限制并消除LED灯具的频闪效应就成为非常重要的话题。
对于不同光源其产生频闪的技术机理都是一样的，既有供电电源的因素，也有电光源技术性能落后的因素，以及照明设计不合理的因素等等，并且是诸多因素综合作用的结果，我们仅从常用电光源技术性能的角度，进行分析：
1、发光体驱动电功率频率低
2、电光源供电电压波动大
3、电光源性能
这里需要细说一下，因为白炽灯为灯丝直接加热发光的热辐射性光源，发光体的发光功率，必然随供电电源的频率，呈正弦波规律波动。高压汞（钠）灯，直管型（电感式）日光灯，虽然是气体放电发光的电光源。但由于其启动与点燃均采用电感式镇流器（不具备AC-DC-AC变频功能）。所以，气体放电发光体的放电功率，必然也随供电电源的频率波动而波动。电压变动产生的影响，可以用视觉敏感系数曲线和闪变电压限值曲线两个概念来量化。可以被人眼感知的光源闪烁，可以通过统计的方法来测得人眼的对光源闪烁的感觉特性。当闪烁频率40Hz以上时，感觉就不灵敏；50Hz以上的闪烁就完全没有感觉。
频闪闪对人眼的危害往往超出我们的想象，为了减少频闪给人们造成的伤害，我国相应国标对LED频闪做了规定，具体如何？我们往下看？
LED频闪的标准
波特兰PNNL（PacificNorthwest 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。”而LED的频闪如果没有很好地控制那么就会引起上述的问题。那么这个频闪范围又是什么呢？
虽然IEEE PAR1789 《LED照明闪烁的潜在健康影响》给出了波动深度及频闪指数的“不可察觉”及“低风险”限制，并定义了波动深度（波动深度=(A-B)/(A B)×100%）和频闪指数（频闪指数=Q1/(Q1 Q2)），但在实际应用中较难实现，主要是因为会增加LED光源的成本和体积。
波动深度的概念即是最大（A）和最小（B）亮度之差除以最大和最小亮度之和，即迈克尔逊对比。
频闪指数定义为一个周期的平均光输出线以上的面积除以光输出曲线的总面积。即是指Q1区域的面积与Q1和Q2区域的面积之和的比。
目前，新的GB/T 31831-2015《LED室内照明应用技术要求》标准就是采用这种定义和限值，新标准于2016年1月1日起实施。 上图可以帮助我们理解波动深度和频闪指数的含义。 评价频闪的波动深度与频率的关系如图2所示，图2中无影响区域用绿色表示，低风险区域用橙色表示。低风险区域的上限是波动深度线，小于闪烁频率的0.08倍，相当于无影响边缘的2.5倍。
LED频闪的测试方法
检验和判别LED光源和灯具是否有频闪？简单的办法是打开手机的拍照功能对着LED光源近距离观察，如屏幕上看到光源有明显黑条纹滚动或有明暗变化，就可以断定有频闪。
针对LED频闪的特点，进行频闪测量时需要满足以下条件：
1）使用的光电转换探测器，必须有很快的响应速度，可以快速取样；
2）探测器必须能够模拟人眼对光的感应曲线，即明视函数曲线，可同时进行照度或亮度测量；
3）具备软件计算功能。
按照上述要求，目前测量频闪的仪器是使用光度计。测试时的环境温度应控制在20~30℃之间。光度计价格相对于光谱仪更便宜，但是其一次只能测量一个波长，不过在测频闪中已经足够了。因为在可见光波段内，针对同一个灯具，其光强变化是同步的且成比例的。在一个开关周期内，我们只需要测定一个特定波长的光通量变化曲线，根据峰值和谷值可算出波动深度，另外再计算出其平均光通量（利用积分的方法求得图一中一个周期的面积S，在除以周期长度T，即可得到平均光通量），然后在对Q1区域积分，Q2= S - Q1，由Q1和Q2就可算出频闪指数。
另外，目前市场上也有多种专门用于测试光源频闪的频闪仪，可以从仪器中直接读出频闪各项参数的具体数据，大概分为3种：手持式（如SFIM-300光谱闪烁照度计）、台式触屏可直接显示（如LFA-2000光源频闪测试仪）、台式需连接PC端加软件测试（如PM2000）。
解决频闪问题的方法
由于电光源的特性，想彻底消除频闪是很难实现的，想要降低LED频闪，根本上是取决于LED的驱动。
目前LED电源单纯来讲满足无频闪的要求也是可以做到。大致有此三种方式：1.加大输出电解电容；2.采用填谷式被动PFC方案；3.采用双级方案(AC to DC，DC to DC)。
加大输出电解电容。此方案从理论上讲可以采用电解电容吸收部分交流纹波，但是实际经验告诉我们：当纹波控制在一定范围之内以后(10%)，很难再进一步降低，除非将电解电容不计成本的加多，也不能从根本上完全消除。
采用填谷式被动PFC方案。此方案也是最主流的一种处理方式。采用两个大的电容以及三个二极管进行功率因素校正，因为在整流桥后面有大的电解电容，所以将交流纹波吸收，通过电感或者变压器到次级部分的电流为直流电。
填谷式方案也存在一些问题，输出电压在40V以上时，无法做成90-265V全电压输入，填谷电路输出电压谷值只有电解滤波电路谷值的一半，填谷式的整流方式整流后输出电压比普通整流后的输出电压低不少，有可能采用填谷式后在低压输入的是带载不足。再者，无论隔离式还是非隔离式填谷式方案，谐波测试根本无法通过，功率因素也不能完全达到0.95以上。
采用双级方案。在隔离电源的基础上，再加一级DC to DC，就能够消除交流纹波的影响。电性参数也能完全达到认证标准。但此方案在成本上有一定增加，需要加多一个电源管理芯片以及部分外围电路。
综上所述，填谷式方案固然能够解决LED灯具的频闪问题，但存在输出电压超过40V时不能做成全电压输入，但成本相对比两级方案便宜，对于无频闪有严格要求，输出电压超过40V时不要求全电压输入的客户可以考虑选择此种无频闪电源解决方案，而对于无频闪及其它方面均有较高要求的客户，则可以选择双级方案。
Tips
目前，LED的频闪危害正逐渐引起人们的注意，国家也刚刚出台了新标准进行行业规范。按照国家最新标准对频闪的定义以及评价方法，我们可以通过实验（波动深度和频闪指数）评价一个灯具的频闪。解决频闪的方法目前也还在研究中，某些LED驱动电源已经可以消除频闪。
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