研究表明，閃爍 - 亮度隨時間的變化 - 來自某一頻率范圍內的照明可能對健康有害。雖然問題已針對白熾燈和熒光燈照明，但自從推出用于主流照明的LED以來，它再次成為設計工程師面臨的挑戰。

但現在，經過廣泛調查，美國電氣和電子工程師協會（IEEE）發布了推薦的做法，以消除LED照明中可察覺的閃爍。題為“用于調節高亮度LED電流以推動觀察者健康風險的推薦做法”，IEEE標準。 1789-2015解釋了有關LED照明閃爍的知識，并提供指導，幫助制造商設計產品，最大限度地減少可能的閃爍相關的健康和生產力影響。

基于LED的產品閃爍的主要來源是電源或“LED驅動器”。具有精心設計的驅動器的基于LED的產品可以以最小的閃爍提供光，但這樣做可以增加驅動電路的成本和/或尺寸。例如，由于驅動器的尺寸限制，較小的產品（如MR16替換燈）更容易出現閃爍。

本文介紹了為什么要控制閃爍，描述IEEE建議并考慮選擇當代驅動器可以作為無閃爍電源的基礎。

驅動LED

所有傳統光源，即使是古老的白熾燈泡，都會產生變量（或調制的）輸出。調制源 - 設計工程師通常將其稱為閃爍，盡管其他術語（例如，顫振和閃爍）可以來自光度計或電源。

光度學閃爍是光本身的一個功能，可能是由白熾燈泡中燈絲的組成或熒光燈管中使用的熒光粉類型引起的。在LED的情況下，雖然可能存在一些光度閃爍的來源，但是電閃爍使效果相形見絀。電氣閃爍是由交流電源引起的調制的結果，并且由交流配電線路上的噪聲或瞬態事件加劇。

LED需要恒定電流的直流電壓才能運行（即使是那些標記為“AC LED”（參見Digi-Key文章“AC LED在人氣方面的增益”）。像Analog Devices，Fairchild Semiconductor，Infineon Technologies，Linear Technology，Maxim Integrated和Texas Instruments（TI）等芯片制造商提供AC-to -DC轉換器與DC-DC穩壓器配合使用，例如將110/120 V，50/60 Hz電源電流調節到LED所需的低電壓，穩定電流。這些穩壓器基于成熟的電源拓撲結構然后被優化用于LED并被統稱為LED驅動器。

LED光輸出隨著驅動電流的增加而線性上升。圖1顯示了Lumileds LUXEON 3535L冷白LED的數據表圖表說明這種關系。這個LED是一個中功率器件設計工作電壓高達200 mA，在3.05 V/100 mA時產生42 lm（效率為138 lm/W）。

圖1：Lumileds LUXEON白光LED的歸一化光輸出與正向電流。

相對光輸出與正向電流曲線的梯度陡峭;在100 mA工作點附近僅增加+/- 10 mA的輸出會使光強度變化+/- 10％。正向電流中更小幅度的波動會導致人類可以感知到的閃爍。

用于驅動LED的DC-DC轉換器輸出端存在多個電流紋波源，包括AC主電源（50/60 Hz），全波整流電源（100/120 Hz），如果使用開關穩壓器來促進調節（通常是這種情況），則電力電子設備的開關頻率（幾百KHz到幾MHz）。用于調暗LED（幾kHz）的脈沖寬度調制（PWM）的工作頻率也會影響穩壓器輸出端的電流紋波。更好的穩壓器表現出更小的電流紋波，但通常會增加成本，復雜性和空間。

為什么閃爍是一個問題？

光源的閃爍通常非常微妙：即使大腦確實感知光線，它通常也不會在人類觀察者中產生明顯的感覺變異。因此，許多患有閃爍敏感性的人可能不知道照明是他們不適的原因。為了使事情變得更加困難，人類并不都對閃爍的影響同樣敏感。那些更敏感的人包括兒童和患有偏頭痛，自閉癥或癲癇癥的人。

燈光閃爍最讓人討厭，最不利于健康。在視力相關的任務中，閃爍會導致眼睛疲勞，視力模糊和性能受損。對于10％的人口而言，閃爍會引發偏頭痛，而其他群體則容易產生衰弱效應。

當主電源熒光燈管取代白熾燈時，這些效果首先引起了照明工程師的注意。在20世紀70年代和80年代，人們發現雖然幾乎察覺不到，但在70到150赫茲范圍內的閃爍確實會導致生產力下降和健康影響。在管子工作期間限制電流所需的低頻磁性鎮流器引起閃爍。通過轉向高頻鎮流器制造商通過將任何閃爍轉移到超出人類可感知的頻率范圍來消除問題。

然而，隨著LED滲透到主流照明應用中，閃爍問題又回來了。固態照明技術有兩個因素可以使問題變得特別嚴重：對驅動電流變化的明顯敏感性（如上所述）以及驅動電流下降時缺乏“持續性”。

持久性是衡量當電流下降時光源輸出光衰的速度。諸如白熾燈之類的高度持久性光源繼續在電壓峰值之間發出相對大量的光，有效地“橋接間隙”并降低閃爍百分比。熒光燈管雖然不如白熾燈那么好，但也表現出很高的持久性。相比之下，LED幾乎沒有持久性，一旦電流下降立即變暗。對于紅色，綠色，藍色（RGB）LED組合和白色LED都是如此，這些LED將藍色LED與釔鋁石榴石（YAG）熒光粉結合在一起。

70中不可察覺的閃爍的陰險效應150 Hz范圍不僅僅是頻率的函數;身體和生理因素也起著重要作用。例如，明亮的光比昏暗的更糟，并且照明圖案的“明亮”和“暗”部分之間的差異很重要（在周期的“關閉”部分期間完全變暗的光 - 例如，持續性差的LED - 比只有部分暗淡的LED更差）;并且光源在視網膜上的位置很重要，因為中心感知的光比落在周邊的光更差。 [ 1 ]

北美照明工程學會（IESNA）提出了一個定義，它定義了IESNA照明手冊（現在的第10版）中的“閃爍百分比”和“閃爍指數”的閃爍。圖2顯示了如何定義度量標準。

圖2：用于計算閃爍指標的周期性波形特征。 （來源：IES照明手冊，第10版）

百分比閃爍是光源輸出的循環變化的相對量度（即，調制百分比）。這有時也被稱為“調制指數”。

從圖中：閃爍百分比= 100 x（A - B）/（A + B）

閃爍指數是“在給定功率頻率下各種源輸出的周期性變化的可靠相對測量。它根據IES手冊“考慮了光輸出的波形及其幅度”。閃爍指數假定值為0到1.0，穩定光輸出為0。值越高表示燈閃爍的可能性增加，以及頻閃效應。

再次，從圖中：閃爍指數=區域1/區域1 +區域2

（有關詳細信息，請參閱Digi-Key技術文章“表征和最小化照明中的LED閃爍”應用程序“。）

圖3顯示了志愿者如何看待閃爍頻率和閃爍百分比的可接受性的測試結果。

圖3：人類對閃爍光源的可接受性。 （由美國能源部提供） [2]

新建議

IEEE標準。 1789-2015提出了在兩個確定的風險水平下管理閃爍的潛在生物效應的建議。雖然在這些水平之外操作并不意味著會產生生物效應，但如果工程師設計的產品在建議中運行，他或她可以確定生物效應的風險限于規定的水平。

確定產品設計滿足哪個級別取決于許多因素，包括目標消費者群體的特征，暴露時間，在照明區域空間中進行的任務類型以及個體對閃爍的敏感性。當然，設計師還面臨產品規格產生的權衡，包括產品成本，尺寸和照明性能。

對于一般應用，標準建議在低于5％的頻率下將閃爍百分比保持在5％以下90 Hz以防止癲癇發作（癲癇發作不會在70 Hz以上的頻率觸發）。

此外，為了降低其他生物效應的風險，標準建議應用以下公式來確定最大閃爍百分比：

頻率低于90 Hz時，最大閃爍百分比=頻率x 0.025 [例如，在80 Hz時，最大閃爍百分比為80 x 0.025 = 2％]

在90到1250 Hz之間的頻率，最大閃爍百分比=頻率x 0.08 [例如，在250 Hz時，最大閃爍百分比為250 x 0.08 = 20％]

在1250 Hz以上的頻率，沒有閃爍百分比的限制。 （注意：這是基于基本脈沖寬度調制（PWM）的調光的最小允許頻率。）

為了防止其他生物效應，標準建議應用以下公式來確定閃爍的最大百分比：

頻率低于90 Hz時，最大閃爍百分比=頻率x 0.01 [例如，在50 Hz時，最大閃爍百分比為50 x 0.01 = 0.5％]

在90和3000 Hz之間的頻率，最大閃爍百分比=頻率x 0.0333 [例如，在1200 Hz時，最大閃爍百分比為1200 x 0.0333 = 40％]

在以上頻率3000赫茲，閃爍百分比沒有限制。 （注意：這是基于PWM的基本調光的最小允許頻率。）[3]

圖4顯示了以110 Hz頻率工作的兩個LED燈示例。建議指出，為防止生物效應，閃爍百分比應保持在110 Hz x 0.333 = 3.7％以下。第一個例子，閃爍百分比為54.7％，遠遠低于等級。第二個例子完全符合建議，閃爍百分比僅為0.4％。

圖4：（左）未能通過的LED照明示例符合IEEE標準。 1789-2015閃爍建議和（右）符合標準的例子。 （由美國能源部提供）

采購兼容的LED驅動器

毫無疑問，由于產品內部預算無限且空間充足，照明設計師可以采購永不會引起明顯閃爍的LED驅動器。然而，設計師很少有這樣寬容的規范。更糟糕的是，消費者越來越多地要求無縫調光，這可能導致系統中的閃爍，該系統在未受影響的狀態下無閃爍或加劇已經存在的閃爍。

然而，在成本和尺寸范圍內有各種各樣的LED驅動器，經過仔細選擇應確保產生的任何閃爍都太小或頻率太高而無法察覺到消費者根據IEEE標準。 1789-2015的建議。這些建議對于制造商來說太新了，他們專門設計了滿足這些要求的產品;但幾年來電源供應商的雷達已經出現了閃爍預防，因此很多LED驅動器可以提供符合新標準的電源。

例如，凌力爾特公司提供寬輸入范圍的LED內置10：1調光的驅動器。 LT3590是一款固定頻率的DC-DC轉換器，可作為恒流源工作，用于串聯驅動10個LED（圖5）。該器件工作在4.5至55 V輸入范圍，35 V輸出，每通道高達80 mA。該公司聲稱高開關頻率允許使用小的低阻抗陶瓷電容，從而產生低輸出電流紋波。

圖5：凌力爾特公司的LT3590設計用于驅動一串10個LED。

TI提供一系列LED驅動器。一個值得注意的例子是TPS92510，一種LED驅動器，可在3.5至60 V輸入電壓下工作，每通道可提供高達1.5 A的電流。該公司表示，為了提高線路和負載瞬態期間的性能，該器件實現了恒定頻率，峰值電流模式控制，可降低輸出電容并簡化外部頻率補償設計。該芯片承諾提供+/- 3％的LED電流精度，限制電流波動。

就其本身而言，Maxim Integrated提供MAX16834，這是一種用于開關電源拓撲的電流模式LED驅動器。該芯片采用4.75至28 V輸入工作，最大輸出電壓為28 V.除驅動功率晶體管外，該器件還驅動用于LED調光的PWM開關。該芯片還具有可編程開關頻率（100 kHz至1 MHz），不僅可以優化效率和降低電路板空間，還可以靈活地將電流紋波和閃爍降至最低。由于其緊湊的尺寸（4 x 4 mm）和高集成度，LED驅動器適用于空間緊張的應用，如MR16燈具。

選擇限制電流紋波的LED驅動器是照明設計的良好基礎，但應該記住，雖然電源是閃爍的主要來源，但它不是問題的唯一原因。 。可能需要通過光度測試確定最終產品的閃爍性能，以確保整個封裝滿足所有操作條件下的建議。

閃爍在聚光燈下

隨著LED照明在主流照明市場取得重大進展，閃爍對健康的影響可能會受到更多消費者的關注。通過遵守IEEE標準中發布的建議。 1789-2015，照明設計師可以確保他們的產品明顯不會對健康產生不利影響。滿足該建議可能會增加最終產品的成本，因為它需要采購精心設計的LED驅動器，但已經表明消費者愿意支付更多費用以保障健康。