白光和彩色光智能照明系統(tǒng)解決方案

高亮度LED為照明產(chǎn)業(yè)帶來(lái)了持續(xù)的變革，它為包括白光和彩色光設(shè)計(jì)在內(nèi)的各種照明系統(tǒng)增加了更多的靈活性與智能化。這些照明系統(tǒng)使設(shè)計(jì)人員既能動(dòng)態(tài)控制色溫，又能在白光應(yīng)用中保持高的顯色指數(shù)(CRI)。此外，這些系統(tǒng)還能產(chǎn)生寬范圍的高精度彩色光譜。盡管白光與彩色光看上去差別很大，但大多數(shù)LED智能照明應(yīng)用都是采用混合信號(hào)控制器、恒流驅(qū)動(dòng)器和高亮度LED這些基本組件進(jìn)行設(shè)計(jì)生產(chǎn)。白光與彩色光設(shè)計(jì)中通常使用多個(gè)LED通道，因此所有LED設(shè)計(jì)方案都需解決器件分選、溫度效應(yīng)、老化及整體色彩精度等問(wèn)題。采用混合信號(hào)控制器不愧為一種強(qiáng)有力的有效方法，既能智能地處理上述問(wèn)題，又能確保實(shí)現(xiàn)高精度白光或彩色光。對(duì)眾多從傳統(tǒng)照明(白熾燈、熒光燈)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)向LED照明的設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)，如何用好混合信號(hào)控制器已成為一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。

本文將探討白光應(yīng)用與彩色光應(yīng)用設(shè)計(jì)之間的相同點(diǎn)與不同點(diǎn)、LED系統(tǒng)設(shè)計(jì)面臨的挑戰(zhàn)以及有助于設(shè)計(jì)人員解決上述問(wèn)題的功能強(qiáng)大的一些現(xiàn)成解決方案(有些甚至無(wú)需編碼)。

智能照明

高亮度LED(HB-LED)代表著照明技術(shù)的未來(lái)，而且近年來(lái)人們對(duì)HB-LED技術(shù)的關(guān)注程度也越來(lái)越高?？紤]到HB-LED性能(流明∕瓦特)的顯著提高與成本(流明∕美元)急劇下降，人們這樣做就不足為奇了。此外，目前全球都在踴躍參加“綠色行動(dòng)”，在此大環(huán)境下，HB-LED甚至對(duì)目前備受歡迎的高性?xún)r(jià)比但生態(tài)不太友好的含汞熒光燈提出了強(qiáng)有力的挑戰(zhàn)。雖然HB-LED的高效率與環(huán)保優(yōu)勢(shì)是宣傳重點(diǎn)，但“智能照明”功能將成為推動(dòng)HB-LED技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展的重要力量。

智能照明技術(shù)的應(yīng)用范圍相當(dāng)廣泛，唯一受限的是我們的想象力。本文將重點(diǎn)討論智能照明中的一個(gè)重要應(yīng)用領(lǐng)域——調(diào)光功能。過(guò)去，調(diào)光主要是指調(diào)節(jié)光的明暗，或通過(guò)光學(xué)器件操控光的散射圖案。就HB-LED而言，調(diào)光意味著對(duì)光的不同特性進(jìn)行操控。首先，設(shè)計(jì)人員必須考慮要生成何種類(lèi)型的光：白光，彩色光，還是兼而有之。如是白光，設(shè)計(jì)人員可調(diào)節(jié)色溫與顯色指數(shù)(CRI)。如是彩色光，設(shè)計(jì)人員可以根據(jù)系統(tǒng)中所用的LED彩色通道的數(shù)量，混合來(lái)自同一固定LED通道組的整個(gè)光譜的顏色。通過(guò)混合彩色光，還可在同一照明裝置上生成白光和彩色光。這種靈活性確實(shí)會(huì)導(dǎo)致復(fù)雜性的增加，并且要在每種系統(tǒng)之間作出權(quán)衡。幸運(yùn)的是，盡管白光系統(tǒng)和彩色光系統(tǒng)看上去截然不同，但實(shí)際上它們的設(shè)計(jì)方法基本上是一樣的。

HB-LED系統(tǒng)設(shè)計(jì)

每種智能照明系統(tǒng)都包含下列基本構(gòu)建模塊(圖1)：HB-LED，某種類(lèi)型的電源拓?fù)?本文僅討論開(kāi)關(guān)模式穩(wěn)壓器)和混合信號(hào)控制器。設(shè)計(jì)人員首先面臨的挑戰(zhàn)就是選擇LED。LED的主要供應(yīng)商包括Lumileds、Cree、Nichia和Osram等，他們的產(chǎn)品在額定功率和電流、散射圖案、色彩、效率、外形尺寸、散熱特性、檔次(bin)以及每個(gè)封裝的LED數(shù)量方面各有不同。這些參數(shù)對(duì)白光與彩色光來(lái)說(shuō)都是相同的，但白光還要考慮色溫與顯色指數(shù)CRI。

                            圖1：智能照明系統(tǒng)框圖。

高級(jí)工業(yè)設(shè)計(jì)的限制和市場(chǎng)需求通常有助于縮小對(duì)大多數(shù)LED特征參數(shù)的選擇范圍。多數(shù)情況下，設(shè)計(jì)人員應(yīng)著重考慮LED的散熱特性，對(duì)小型化器件或占用空間受限且不能使用大型散熱器的應(yīng)用尤應(yīng)如此。同樣，光學(xué)技術(shù)有助于減輕散射圖案不佳的問(wèn)題，而混合信號(hào)控制器則能大幅減少溫度與器件分選的局限。

首先應(yīng)明確到底該選用分立元件還是集成電路，這是縮小適用智能照明系統(tǒng)的電源拓?fù)漕?lèi)型的第一步。分立式實(shí)施方案可調(diào)諧到特定的系統(tǒng)，所以其成本更低、更靈活，但占用較大的電路板空間且需要專(zhuān)業(yè)的設(shè)計(jì)技術(shù)。電源管理IC提供了一種緊湊的解決方法，雖然成本較高，但占用的電路板空間較小，且更易于設(shè)計(jì)。

其次，根據(jù)照明系統(tǒng)對(duì)效率的不同要求，設(shè)計(jì)人員需在線(xiàn)性或開(kāi)關(guān)拓?fù)渲g做出選擇。效率的重要性體現(xiàn)在兩個(gè)方面。首先，功率轉(zhuǎn)換效率越高，功率浪費(fèi)就越少。第二，減少功率浪費(fèi)意味著系統(tǒng)產(chǎn)生的熱量也更少。線(xiàn)性穩(wěn)壓器比較簡(jiǎn)單，成本也較低，但通常效率較差。

而開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器由于需要電感器因而更復(fù)雜，通常也更昂貴，但其效率較高，不管穩(wěn)壓器的輸入輸出電壓如何，均可取得較高的效率。線(xiàn)性穩(wěn)壓器與開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器既可采用單片IC設(shè)計(jì)，也可采用分立元件設(shè)計(jì)。根據(jù)照明系統(tǒng)的電源電壓，設(shè)計(jì)人員應(yīng)相應(yīng)地選擇使用降壓、升壓或升降壓開(kāi)關(guān)拓?fù)?。線(xiàn)性拓?fù)溥€有一個(gè)缺點(diǎn)就是不能升壓。

再次，設(shè)計(jì)人員必須為智能照明系統(tǒng)選擇一個(gè)混合信號(hào)控制器。HB-LED系統(tǒng)的大部分智能性與靈活性都是由該器件實(shí)現(xiàn)的，它甚至還能解決HB-LED調(diào)光帶來(lái)的某些技術(shù)難題。因此，選擇具有盡可能高的靈活性與盡可能多的有用外設(shè)的混合信號(hào)控制器是很重要的。通常情況下，一個(gè)8位MCU內(nèi)核足以為大多數(shù)照明應(yīng)用提供足夠的處理能力，以及足夠的RAM或閃存。

設(shè)計(jì)人員應(yīng)特別注意MCU器件上的數(shù)字與模擬外設(shè)。對(duì)于數(shù)字外設(shè)，專(zhuān)用的硬件調(diào)光通道數(shù)量及其分辨率和實(shí)現(xiàn)不同通信接口的能力都非常重要。調(diào)光通道用于驅(qū)動(dòng)降壓穩(wěn)壓器，軟件計(jì)數(shù)器雖然也可用來(lái)實(shí)現(xiàn)這一功能，但軟件調(diào)光通道會(huì)消耗寶貴的處理能力，使器件難以執(zhí)行其它功能。

智能照明系統(tǒng)通常至少采用8位分辨率以取得較高的色彩精度。如果系統(tǒng)質(zhì)量要求極高，可采用高達(dá)16位的分辨率。但對(duì)大多數(shù)應(yīng)用而言，8位分辨率就足夠?qū)崿F(xiàn)所需的精度，設(shè)計(jì)人員通常在低輸出電平情況下通過(guò)較高分辨率來(lái)實(shí)現(xiàn)較好的調(diào)光線(xiàn)性。一些設(shè)計(jì)人員則轉(zhuǎn)而采用更智能的插值法來(lái)解決低電平情況下的輸出變化問(wèn)題。

常見(jiàn)的通信接口包括SPI、UART以及I2C，但同樣重要的是混合信號(hào)控制器也支持DALI、DMX512、射頻通信甚至電力線(xiàn)通信等重要的照明接口。就模擬外設(shè)而言，設(shè)計(jì)人員應(yīng)注意ADC、PGA及比較器。ADC既可通過(guò)讀取溫度傳感器值的方式來(lái)支持溫度反饋，也可實(shí)現(xiàn)照明系統(tǒng)與周邊環(huán)境的多種物理(模擬)方面的智能互動(dòng)。比較器和PGA可簡(jiǎn)化電源拓?fù)涞膶?shí)施方案。

大多數(shù)MCU廠商都會(huì)在其控制器中部分或全部地提供這些外設(shè)，但設(shè)計(jì)人員可能很快就會(huì)發(fā)現(xiàn)，隨著系統(tǒng)要求的變化，所需的外設(shè)品種也會(huì)發(fā)生相應(yīng)變化。要想讓系統(tǒng)設(shè)計(jì)做到照顧未來(lái)創(chuàng)新技術(shù)的前瞻性確實(shí)會(huì)面臨巨大挑戰(zhàn)，特別是考慮到HB-LED照明系統(tǒng)本身還是一種新生事物。如果系統(tǒng)需要超高性能，那么FPGA會(huì)是一種較好的物超所值的解決方案。具有可配置外設(shè)與可路由I/O的控制器可提供最大的靈活性。

實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的白光

雖然每種智能白光和彩色光系統(tǒng)都帶有上述組件，但是，基于白光和彩色光的系統(tǒng)在配置與設(shè)計(jì)方面有所不同。生成白光的照明系統(tǒng)(即便其混有彩色光)需要考慮色溫與顯色指數(shù)。

色溫就是指白光的顏色(與直覺(jué)不同，暖白光的色溫較低，而冷白光的色溫較高)，它通常與1931 CIE比色圖表上的普朗克軌跡相關(guān)。色溫描述的是標(biāo)準(zhǔn)黑體輻射源被加熱到不同溫度時(shí)所產(chǎn)生的白光顏色(圖2)。例如，加熱到2500K的標(biāo)準(zhǔn)黑體輻射源被認(rèn)為是較暖的白光；如果加熱到7000K就認(rèn)為是冷白光。HB-LED系統(tǒng)實(shí)際上不能直接實(shí)現(xiàn)符合普朗克軌跡的顏色，相反其色溫是通過(guò)相關(guān)色溫(CCT)測(cè)量的。

                                 圖2：普朗克軌跡與色溫。

顯色指數(shù)是通過(guò)比較主光源與參考光源之間不同色彩的呈現(xiàn)來(lái)描述白光質(zhì)量的一個(gè)參數(shù)。通俗地講，顯色指數(shù)描述的是主光源以相對(duì)參考光源1到100倍的強(qiáng)度照射的物體表面的色彩保真度。通過(guò)選擇適當(dāng)?shù)腖ED、使用適當(dāng)數(shù)量的不同LED通道以及采用混合信號(hào)處理器智能地控制這些通道可以調(diào)節(jié)色溫與顯色指數(shù)。僅包括白光LED的白光系統(tǒng)在色溫方面靈活性有限，但在系統(tǒng)的白光LED原生色溫下，白光系統(tǒng)的顯色指數(shù)CRI性能卓越。由于CRI在很大程度上取決于系統(tǒng)中的LED色譜，因此根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，LED(特別是不同顏色的LED)越多，CRI就越高。

對(duì)彩色光系統(tǒng)而言，設(shè)計(jì)人員最關(guān)心的是色彩精度、色彩分辨率以及可混合色彩的光譜。如前所述，在其中發(fā)揮重要作用的一個(gè)因素是調(diào)光分辨率。最大化可混合色彩的光譜取決于系統(tǒng)中LED生成的色域，它與構(gòu)成色域的不同LED色彩的數(shù)量直接相關(guān)。LED數(shù)量與調(diào)光分辨率還會(huì)影響色彩分辨率。大多數(shù)彩色光系統(tǒng)最少有三個(gè)LED，通常為紅綠藍(lán)三原色。如果智能照明系統(tǒng)需要生成特定的目標(biāo)色彩，那么設(shè)計(jì)人員可以通過(guò)在1931 CIE比色圖表上繪制LED并簡(jiǎn)單地連接繪制點(diǎn)以觀察色域來(lái)判斷所選LED是否能混合該種顏色。如果色域不覆蓋目標(biāo)顏色，那么設(shè)計(jì)人員可添加新的LED色彩，從而通過(guò)擴(kuò)大色域來(lái)包含這種可混合的色彩(圖3)。

                                 圖3：用4個(gè)LED擴(kuò)展色域的實(shí)例。

設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

如前所述，白光和彩色光智能照明系統(tǒng)可以受益于使用三個(gè)或更多LED，但是除了在光學(xué)技術(shù)和散熱性能方面面臨諸多挑戰(zhàn)外，在算法上也會(huì)更加復(fù)雜。一個(gè)明顯的挑戰(zhàn)就是如何提供達(dá)到要求數(shù)量且具有靈活調(diào)光分辨率的硬件調(diào)光通道。使用四個(gè)或更多LED的系統(tǒng)也需要更具創(chuàng)造性的算法來(lái)調(diào)節(jié)色溫、混合色彩或提高顯色指數(shù)CRI。

顯然，智能照明系統(tǒng)需要通過(guò)某種方式管理散熱與器件分選。LED不通過(guò)輻射散熱，而是借助于二極管的結(jié)點(diǎn)來(lái)傳導(dǎo)熱量。事實(shí)上，隨著LED溫度的升高，某些LED的流明輸出會(huì)降低(比如紅光就會(huì)受到嚴(yán)重影響)，甚至光輸出波長(zhǎng)也會(huì)發(fā)生偏移。因此，非常重要的一點(diǎn)是要從LED底座盡可能多地傳導(dǎo)出熱量。

好的散熱設(shè)計(jì)、大量的空氣流動(dòng)及主動(dòng)制冷對(duì)于解決散熱問(wèn)題是個(gè)不錯(cuò)的開(kāi)端。不過(guò)，上述方法并非總能確保獲得可預(yù)期、可測(cè)量的效果。熱量在系統(tǒng)中總是存在的，而色彩精度會(huì)受溫度的影響。引入溫度傳感器有助于將色彩精度保持在的水平。對(duì)于需要實(shí)現(xiàn)高色彩精度的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，這個(gè)額定值是一般性的要求。用于計(jì)算彩色光調(diào)光值的算法的一個(gè)輸入?yún)?shù)是光通量輸出。通過(guò)保存照明系統(tǒng)中溫度的分段線(xiàn)性近似值和LED的光通量曲線(xiàn)，混合信號(hào)控制器就可以通過(guò)適當(dāng)?shù)馗淖兠總€(gè)LED的輸出大小來(lái)保持色彩的精度。

器件分選的原因是，HB-LED是固態(tài)器件，采用當(dāng)前制造工藝時(shí)在光通量輸出、波長(zhǎng)和正向電壓方面有變化。由于光通量輸出在計(jì)算混合色彩中非常重要，因此必須要考慮到這個(gè)值的變化。但如果系統(tǒng)對(duì)色彩質(zhì)量要求不高，則不必考慮。

對(duì)關(guān)注色彩質(zhì)量的設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)，他們可購(gòu)買(mǎi)某些更昂貴的特殊LED(售價(jià)會(huì)高出15%到20%)，也可通過(guò)混合信號(hào)控制器的可編程性進(jìn)行彌補(bǔ)。設(shè)計(jì)人員可以輸入器件分選表，這種表存儲(chǔ)了系統(tǒng)中的LED可能的分選特征。這樣，在制造階段拿到實(shí)際LED時(shí)，就可以用實(shí)際分檔代碼更新混合信號(hào)控制器，并做出相應(yīng)的補(bǔ)償。

許多人發(fā)現(xiàn)，固態(tài)照明技術(shù)設(shè)計(jì)需要綜合具備光學(xué)、機(jī)械和電氣設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，而很少人有這樣的本事，因此新的復(fù)雜技術(shù)難題不斷出現(xiàn)。特別是現(xiàn)在設(shè)計(jì)人員必須使用混合信號(hào)控制器，因此還必須掌握嵌入式設(shè)計(jì)技術(shù)。幸運(yùn)的是，現(xiàn)在的工具可以提供可視化的設(shè)計(jì)環(huán)境，毋需編寫(xiě)代碼就能滿(mǎn)足HB-LED智能照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要，設(shè)計(jì)人員還能利用C語(yǔ)言等傳統(tǒng)語(yǔ)言編程。無(wú)論如何，出色的開(kāi)發(fā)工具、參考設(shè)計(jì)和項(xiàng)目實(shí)例都是非常重要的。

因此設(shè)計(jì)人員在發(fā)揮HB-LED的智能、靈活性及其環(huán)保優(yōu)勢(shì)的同時(shí)面臨著諸多挑戰(zhàn)。通過(guò)智能照明設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)人員可經(jīng)濟(jì)有效地減少或消除大多數(shù)此類(lèi)問(wèn)題。