白光和彩色光智能照明系統(tǒng)解決方案———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)帶來了持續(xù)的變革，它為包括白光和彩色光設(shè)計在內(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)計人員既能動態(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控制器、恒流驅(qū)動器和高亮度LED這些基本組件進行設(shè)計生產(chǎn)。白光與彩色光設(shè)計中通常使用多個LED通道，因此所有LED設(shè)計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題。采用混合信號控制器不愧為一種強有力的有效方法，既能智能地處理上述問題，又能確保實現(xiàn)高精度白光或彩色光。對眾多從傳統(tǒng)照明(白熾燈、熒光燈)設(shè)計轉(zhuǎn)向LED照明的設(shè)計人員來說，如何用好混合信號控制器已成為一個巨大的挑戰(zhàn)。

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

智能照明

高亮度LED(HB-LED)代表著照明技術(shù)的未來，而且近年來人們對HB-LED技術(shù)的關(guān)注程度也越來越高?？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”，在此大環(huán)境下，HB-LED甚至對目前備受歡迎的高性價比但生態(tài)不太友好的含汞熒光燈提出了強有力的挑戰(zhàn)。雖然HB-LED的高效率與環(huán)保優(yōu)勢是宣傳重點，但“智能照明”功能將成為推動HB-LED技術(shù)進一步發(fā)展的重要力量。

智能照明技術(shù)的應(yīng)用范圍相當廣泛，唯一受限的是我們的想象力。本文將重點討論智能照明中的一個重要應(yīng)用領(lǐng)域——調(diào)光功能。過去，調(diào)光主要是指調(diào)節(jié)光的明暗，或通過光學器件操控光的散射圖案。就HB-LED而言，調(diào)光意味著對光的不同特性進行操控。首先，設(shè)計人員必須考慮要生成何種類型的光：白光，彩色光，還是兼而有之。如是白光，設(shè)計人員可調(diào)節(jié)色溫與顯色指數(shù)(CRI)。如是彩色光，設(shè)計人員可以根據(jù)系統(tǒng)中所用的LED彩色通道的數(shù)量，混合來自同一固定LED通道組的整個光譜的顏色。通過混合彩色光，還可在同一照明裝置上生成白光和彩色光。這種靈活性確實會導(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，但實際上它們的設(shè)計方法基本上是一樣的。

HB-LED系統(tǒng)設(shè)計

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，某種類型的電源拓撲(本文僅討論開關(guān)模式穩(wěn)壓器)和混合信號控制器。設(shè)計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)以及每個封裝的LED數(shù)量方面各有不同。這些參數(shù)對白光與彩色光來說都是相同的，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。

高級工業(yè)設(shè)計的限制和市場需求通常有助于縮小對大多數(shù)LED特征參數(shù)的選擇范圍。多數(shù)情況下，設(shè)計人員應(yīng)著重考慮LED的散熱特性，對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，光學技術(shù)有助于減輕散射圖案不佳的問題，而混合信號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)的電源拓撲類型的第一步。分立式實施方案可調(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業(yè)的設(shè)計技術(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。

其次，根據(jù)照明系統(tǒng)對效率的不同要求，設(shè)計人員需在線性或開關(guān)拓撲之間做出選擇。效率的重要性體現(xiàn)在兩個方面。首先，功率轉(zhuǎn)換效率越高，功率浪費就越少。第二，減少功率浪費意味著系統(tǒng)產(chǎn)生的熱量也更少。線性穩(wěn)壓器比較簡單，成本也較低，但通常效率較差。

而開關(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。線性穩(wěn)壓器與開關(guān)穩(wěn)壓器既可采用單片IC設(shè)計，也可采用分立元件設(shè)計。根據(jù)照明系統(tǒng)的電源電壓，設(shè)計人員應(yīng)相應(yīng)地選擇使用降壓、升壓或升降壓開關(guān)拓撲。線性拓撲還有一個缺點就是不能升壓。

再次，設(shè)計人員必須為智能照明系統(tǒng)選擇一個混合信號控制器。HB-LED系統(tǒng)的大部分智能性與靈活性都是由該器件實現(xiàn)的，它甚至還能解決HB-LED調(diào)光帶來的某些技術(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)的混合信號控制器是很重要的。通常情況下，一個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)計人員應(yīng)特別注意MCU器件上的數(shù)字與模擬外設(shè)。對于數(shù)字外設(shè)，專用的硬件調(diào)光通道數(shù)量及其分辨率和實現(xiàn)不同通信接口的能力都非常重要。調(diào)光通道用于驅(qū)動降壓穩(wěn)壓器，軟件計數(shù)器雖然也可用來實現(xiàn)這一功能，但軟件調(diào)光通道會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16位的分辨率。但對大多數(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)計人員通常在低輸出電平情況下通過較高分辨率來實現(xiàn)較好的調(diào)光線性。一些設(shè)計人員則轉(zhuǎn)而采用更智能的插值法來解決低電平情況下的輸出變化問題。

常見的通信接口包括SPI、UART以及I2C，但同樣重要的是混合信號控制器也支持DALI、DMX512、射頻通信甚至電力線通信等重要的照明接口。就模擬外設(shè)而言，設(shè)計人員應(yīng)注意ADC、PGA及比較器。ADC既可通過讀取溫度傳感器值的方式來支持溫度反饋，也可實現(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。比較器和PGA可簡化電源拓撲的實施方案。

大多數(shù)MCU廠商都會在其控制器中部分或全部地提供這些外設(shè)，但設(shè)計人員可能很快就會發(fā)現(xiàn)，隨著系統(tǒng)要求的變化，所需的外設(shè)品種也會發(fā)生相應(yīng)變化。要想讓系統(tǒng)設(shè)計做到照顧未來創(chuàng)新技術(shù)的前瞻性確實會面臨巨大挑戰(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)。色溫描述的是標準黑體輻射源被加熱到不同溫度時所產(chǎn)生的白光顏色(圖2)。例如，加熱到2500K的標準黑體輻射源被認為是較暖的白光；如果加熱到7000K就認為是冷白光。HB-LED系統(tǒng)實際上不能直接實現(xiàn)符合普朗克軌跡的顏色，相反其色溫是通過相關(guān)色溫(CCT)測量的。

圖2：普朗克軌跡與色溫。

顯色指數(shù)是通過比較主光源與參考光源之間不同色彩的呈現(xiàn)來描述白光質(zhì)量的一個參數(shù)。通俗地講，顯色指數(shù)描述的是主光源以相對參考光源1到100倍的強度照射的物體表面的色彩保真度。通過選擇適當?shù)腖ED、使用適當數(shù)量的不同LED通道以及采用混合信號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，LED(特別是不同顏色的LED)越多，CRI就越高。

對彩色光系統(tǒng)而言，設(shè)計人員最關(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)光分辨率還會影響色彩分辨率。大多數(shù)彩色光系統(tǒng)最少有三個LED，通常為紅綠藍三原色。如果智能照明系統(tǒng)需要生成特定的目標色彩，那么設(shè)計人員可以通過在1931 CIE比色圖表上繪制LED并簡單地連接繪制點以觀察色域來判斷所選LED是否能混合該種顏色。如果色域不覆蓋目標顏色，那么設(shè)計人員可添加新的LED色彩，從而通過擴大色域來包含這種可混合的色彩(圖3)。

圖3：用4個LED擴展色域的實例。

設(shè)計挑戰(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或更多LED，但是除了在光學技術(shù)和散熱性能方面面臨諸多挑戰(zhàn)外，在算法上也會更加復(fù)雜。一個明顯的挑戰(zhàn)就是如何提供達到要求數(shù)量且具有靈活調(diào)光分辨率的硬件調(diào)光通道。使用四個或更多LED的系統(tǒng)也需要更具創(chuàng)造性的算法來調(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)需要通過某種方式管理散熱與器件分選。LED不通過輻射散熱，而是借助于二極管的結(jié)點來傳導(dǎo)熱量。事實上，隨著LED溫度的升高，某些LED的流明輸出會降低(比如紅光就會受到嚴重影響)，甚至光輸出波長也會發(fā)生偏移。因此，非常重要的一點是要從LED底座盡可能多地傳導(dǎo)出熱量。

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

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

對關(guān)注色彩質(zhì)量的設(shè)計人員來說，他們可購買某些更昂貴的特殊LED(售價會高出15%到20%)，也可通過混合信號控制器的可編程性進行彌補。設(shè)計人員可以輸入器件分選表，這種表存儲了系統(tǒng)中的LED可能的分選特征。這樣，在制造階段拿到實際LED時，就可以用實際分檔代碼更新混合信號控制器，并做出相應(yīng)的補償。

許多人發(fā)現(xiàn)，固態(tài)照明技術(shù)設(shè)計需要綜合具備光學、機械和電氣設(shè)計經(jīng)驗，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)計人員必須使用混合信號控制器，因此還必須掌握嵌入式設(shè)計技術(shù)。幸運的是，現(xiàn)在的工具可以提供可視化的設(shè)計環(huán)境，毋需編寫代碼就能滿足HB-LED智能照明系統(tǒng)的設(shè)計需要，設(shè)計人員還能利用C語言等傳統(tǒng)語言編程。無論如何，出色的開發(fā)工具、參考設(shè)計和項目實例都是非常重要的。

因此設(shè)計人員在發(fā)揮HB-LED的智能、靈活性及其環(huán)保優(yōu)勢的同時面臨著諸多挑戰(zhàn)。通過智能照明設(shè)計方法，設(shè)計人員可經(jīng)濟有效地減少或消除大多數(shù)此類問題。