減少照明應用中的 LED 閃爍並描述其特性

用高效率、低溫且壽命長的 LED 取代傳統白熾燈是不錯的想法。 但就像所有好主意一樣，實作總是比發想來的困難。

即便 LED 燈可搭載驅動器電路，以便連接到既有的內部 AC 電源供應器，但供應器輸出的電壓漣波還是有可能會導致產生閃爍現象。 多數照明都會產生閃爍，有些消費者抱怨會因此感到不適甚至生病。

LED 和泛光燈製造商皆努力找出問題根源，否則一旦固態照明染上會閃爍的惡名（即便有失公允），要說服消費者捨棄傳統照明將更加困難。

本文將探討閃爍的成因，敘述什麼原因會導致 LED 有此問題，並說明工程管理機關和標準制訂組織如何針對測試機構以及 LED、驅動器晶片和泛光燈的製造商試著對此現象進行量化。 本文也會介紹主要矽廠商近期所推出的一些產品，聲稱能提供符合成本效益的方式，達到無閃爍 LED 照明的實作。

閃爍效應

根據研究，每 4 千人中就有 1 人容易受到介於 3 至 70 Hz 的燈光閃爍循環影響。 如此明顯的閃爍現象可能會誘發疾病，嚴重的話甚至會導致癲癇發作。 一般人較不知道的是長期暴露（非蓄意）在高頻閃爍中（介於 70 至 160 Hz），亦會導致身體不適、頭痛以及視力受損。

然而，除非使用者位於自然日照下，否則很有可能會暴露在此高頻閃爍中，因為所有由電源供電的光源，無論是白熾燈、鹵素燈、日光燈或 LED 燈，皆會產生閃爍。 電力是由電源供應器的 AC 元件所提供，閃爍頻率一般就是電源頻率（通常為 50 或 60 Hz）或電源頻率的兩倍。

測試結果顯示，人體在這些高頻下較難直接察覺燈光閃爍，但此影響不太。 科學家進行研究指出，即便受測者沒有察覺，人體視網膜還是能分辨 100 至 150 Hz 的燈光閃爍，因此研究結論表示人腦還是有可能會對此產生反應。

介於 100 至 150 Hz 且難以察覺的閃爍效果 (imperceptible flickering) 造成的潛在影響並非完全起因於頻率，生理和心理因素也是重要肇因。 舉例而言，明亮燈光比微光更嚴重，照明模式的「亮部」和「暗部」之間的差異也很重要（在週期「關閉」期間，燈光完全熄滅會比僅有部分調暗的燈光更嚴重）。 紅光以及紅藍交替光特別嚴重，且光源映照在視網膜上的位置也很重要，因為中間部位所感應到的光會比周邊所感應到的更嚴重。

有些研究甚至認為視網膜能感應高達 200 Hz 的閃爍，但測試結果顯示，高於 160 Hz 的閃爍對於健康所產生的影響是可忽略的。¹

閃爍的定義

一直以來，照明工程界都不曾考量到難以察覺的閃爍會造成的影響。 然而，在健康和安全規定越趨嚴格、更縝密的研究結果以及普遍採用日光燈管辦公室中的員工抱怨增加的推波助瀾下，改善行動已經刻不容緩。

在未賦予閃爍正式定義前，要怎麼比較光源的好壞？ 北美照明工程協會 (IESNA) 因應此難題，在 IESNA 照明手冊第九版中提出「閃爍百分比 (percent flicker)」和「閃爍指數 (flicker index)」的定義。 圖 1 指出這兩種指標的定義。

閃爍百分比是光源輸出週期變化的相對量測值（即調變百分比）。 有時亦稱為「調變指數 (modulation index)」。

根據圖解：閃爍百分比 = 100 x (A - B) / (A + B)

閃爍指數是「指定電源頻率下，不同光源輸出週期變化的可靠相對量測值。」 根據手冊，「此指數會將光輸出波形及其幅度納入考量。」 閃爍指數將數值細分為 0 至 1.0，其中 0 代表穩定的光輸出。 數值越高代表察覺燈光閃爍以及發生頻閃的可能性提高。

此外，根據圖解：閃爍指數 = 區域 1 / 區域 1 + 區域 2

LED 的問題

基於 LED 的物理特性，因此供電方式必須跟其他光源不同（請參閱 TechZone 文章《瞭解高亮度 LED 的衰退原因》）。

LED 誠如其名，是一種二極體。 在正常操作下，會施加足量的恆定順向電壓（一般會採用串聯 LED 並搭配電阻）以便裝置在導電區內操作。 市售高亮度裝置的順向電壓一般介於 3 至 4.5 V 之間。 由於電流會決定 LED 的相對光通量（即亮度），因此順向電壓 (VF) 和順向電壓流之間的關係是重要因素。

裝置製造商建議 LED 採用更嚴密的操作範圍，通常是為了在亮度和光效之間折衷。

圖 2a 和 2b 指出 Cree XLamp ML-B LED 的電壓和電流以及電流和相對光通量之間的關係。 順向電壓的變化會影響順向電流，進而影響光通量。

由 AC 電源供電給 LED 晶片需要使用穩壓器針對幾乎各國採用的 100 至 115 V 或 230 至 240 V、50 或 60 Hz 電源進行降壓，提供 LED 所需的適當電壓和電流。 請注意，泛光燈的各個燈具通常使用 6 至 8 個 LED 晶片，因此各個單元的電力需求會比單一 LED 更高。

LED 的基本規格含有全波整流器（圖 3），其接至 LED 燈條並與電阻串聯，可限制電流。 此方法能將 LED 調變成 AC 頻率的兩倍（即 100 至 120 Hz）。 由於光強度與電流成比例，LED 閃爍會以此速率閃爍（圖 4）。

由 AC 電源供電的所有光源幾乎都會閃爍。 但 LED 的情況更嚴重，是因為閃爍指數（或調變深度）通常比傳統光源更糟。

而這是因為 LED 對於電流變化的反應特別快速的緣故。 在 120 Hz 下，LED 本身及其白光燐光體皆有充分時間，可在波形的「關閉」階段中完全停止產生光子。 相反地，傳統光源，特別是白熾燈和鹵素燈，皆有「惰性」。 因此，即便在週期「關閉」階段，依舊會發出一些光子。

表 1 統整了不同光源的閃爍百分比和閃爍指數，包括由 DC 和 AC 電源所驅動的 LED。² （「最小」、「最大」和「平均」欄位統整了各光源的相對強度）。

如同以上所述，除了頻率外，閃爍指數也會影響人們對於燈光的感受。 閃爍指數越高則越容易察覺閃爍，因此對產品更不利。

	最大	最小	平均	閃爍百分比	閃爍指數
白熾燈	12.180	10.745	11.460	6.2594	0.0194
100 W MH	9.1472	3.2066	6.5147	48.088	0.1398
T12 磁性	9.6281	4.6256	7.1565	35.096	0.0897
T5HO 電子式	10.52	9.960	10.20	2.734	0.0036
LED 用 DC	43.4	41.0	42.2	2.84	0.0037
LED 有閃爍	15.996	0.0555	6.3026	99.309	0.4498

改良 LED 驅動器

絕大多數的現代化 LED 驅動器皆比圖 3 的範例來的精細，並且基於效率的緣故而普遍採用高頻切換式電源供應器。 切換式電源運用輸入和輸出濾波大幅減少電源供應器輸出端的 AC 分量，但仍無法完全杜絕漣波的產生。 有些裝置甚至更糟，因此工程人員要謹慎選擇 LED 驅動器。

切換式 LED 電源供應器可減少輸出端的 AC 分量，有助於降低閃爍指數，閃爍頻率是電源頻率的兩倍，並不會受到影響，且會保持在研究人員證實會對人眼造成困擾的頻率範圍內。

有影響力的美國環保署 (EPA) 試著解決此問題，建議 LED 的操作範圍應提升至 150 Hz。 廠商皆要符合該機關的能源之星規範，以便享用能源之星認證（包括其中一項針對閃爍的規定）的商業優勢。

在 2009 年，有關閃爍的規定有所變動，要求 LED 的最低操作頻率從原版的 120 Hz 提高為 150 Hz。 LED 和半導體廠商對此並不滿意，因為為了因應新頻率而改變產品非常昂貴。

EPA 在 2010 年 3 月³發佈給相關單位的信函中軟化態度並將規格回復成原本的 120 Hz，並且沿用至今。

因此，市面上許多直接連接電源供應器的 LED 驅動器還是宣稱能產生「無閃爍」功率。例如 Cirrus Logic 近期推出的 CS161x LED 驅動器系列（CS1610-FSZ、CS1611-FSZ）。 此晶片適合搭配 100 至 120 VAC 以及 200 至 240 VAC 線路電壓使用，並有額外的優勢，即使在搭配傳統調光開關（通常會增加 LED 驅動器的複雜性進而有損閃爍指數）使用下，仍可保持無閃爍效能。

CUI Inc. 亦推出恆定電流驅動器 V-Infinity VLED15（圖 5），能在全亮度以及搭配傳統調光開關使用下達到無閃爍效能。 此模組提供兩種型號，一款適用於 115 VAC 輸入，另一款用於 230 VAC 輸入。

另一個例子就是 ROHM Semiconductor 的 BP5843A。 此 11 引腳 SIP 模組，可供電給多個採用 113 至 170 VAC 電源的串聯或並聯高亮度 LED。 此模組具備低峰值至峰值輸出電壓漣波，有助於確保達到無閃爍 LED 功率。

總而言之，

照明工程人員採用 LED 泛光燈設計將在光源上獲得眾多優勢，例如光效、長壽命和耐用性。 然而，工程人員也要瞭解消費者對產品可能產生的不良反應，以免消費者在使用固態照明時感到不適而提出疑慮。

即使閃爍現象難以察覺，但仍舊是個問題。 例如，辦公室採用閃爍日光燈管提供照明，工作人員的缺席率高於平均值，往往就是因為「病態大樓症候群」。 目前沒有直接證據顯示閃爍會導致不適，但近期的研究皆指出這非常有可能是其中一項原因。

因此，設計 LED 照明時將減少閃爍納入考量是很好的想法。 選擇品質良好的高頻率切換式 LED 驅動器，即可減少輸出端電壓和電流漣波的 AC 分量，進而限制 LED 閃爍的調變深度。 即使還需要進一步的研究才能確認此建議，但最好還是留意能將輸出漣波的 AC 分量轉換至 150 Hz 以上頻率的 LED 驅動器，因為早期的研究已指出，在此頻率下的閃爍對人體健康的影響可以忽略。

參考資料：

1. 《燈光閃爍的文獻審查：人體工學、生物特性、潛在的健康影響以及有些 LED 照明可能發生閃爍的方法》 ，IEEE 標準 P1789，2010 年 2 月
2. 《LED 泛光燈閃爍的評估》，作者：Luminaire Testing Laboratory, Inc. 總裁 Michael Grather
3. 能源之星照明計畫管理人 Alex Baker 公開信函，2010 年 3 月 22 日。