光譜調(diào)變技術(shù)啟動(dòng)補(bǔ)償機(jī)制 LED照明顏色更均勻

受到正向電流、使用壽命和溫度效應(yīng)影響，LED照明系統(tǒng)運(yùn)作期間會(huì)產(chǎn)生顏色偏移現(xiàn)象，因此半導(dǎo)體廠已在新一代智慧型LED驅(qū)動(dòng)方案中，加入光譜調(diào)變技術(shù)，利用回饋訊號(hào)進(jìn)行LED光譜特性補(bǔ)償，達(dá)到顏色一致的效果。

如果請(qǐng)消費(fèi)者描述完美光源所應(yīng)具有的特性，那么在他們的描述中，你可能聽(tīng)到--功耗要最低、光輸出和顏色是可調(diào)整的、使用時(shí)間長(zhǎng)等要求，但這只是部分理想特性。功耗要低即代表需要最低的輸入能量，也就是指輸入功率高效地轉(zhuǎn)換為流明輸出，被稱為電源效率；調(diào)節(jié)光輸出與減弱光亮度的調(diào)光有關(guān)，或可以增加照明設(shè)備的顏色調(diào)節(jié)，以便模擬白天與夜晚相對(duì)的狀況；并且藉著調(diào)節(jié)流過(guò)發(fā)光二極體(LED)的偏壓電流(Bias Current)，將光輸出維持在較長(zhǎng)的使用壽命期間。

白熾燈電源效率低且使用壽命也較短，鈉燈可供選擇的顏色很少并且使用壽命短，螢光燈在改裝(Retro-fit)應(yīng)用中調(diào)光選擇較少，且使用壽命短。相較之下，高亮度LED可具有良好的發(fā)光效能、較長(zhǎng)的使用壽命、易于調(diào)光控制的顏色選擇且無(wú)紫外線(UV)，這些特性都可以具備控制器的智慧設(shè)計(jì)或LED驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)。智慧LED驅(qū)動(dòng)器可以在使用期間內(nèi)針對(duì)亮度衰減進(jìn)行調(diào)節(jié)，提供驅(qū)動(dòng)特性來(lái)調(diào)節(jié)顏色，并獲得所需顏色和亮度的LED分選(Binning)，其做法是通過(guò)針對(duì)系統(tǒng)中一組不同LED使用光譜調(diào)變，來(lái)獲得所需的顏色和亮度。

光譜調(diào)變實(shí)現(xiàn)多樣色彩

光譜調(diào)變結(jié)合數(shù)種LED的光譜能量分布，例如適當(dāng)?shù)鼗旌霞t光、綠光和藍(lán)光LED可產(chǎn)生白光。這種三原色(RGB)組合還可用于創(chuàng)造幾乎所有顏色的光。如果LED驅(qū)動(dòng)器沒(méi)有被設(shè)計(jì)來(lái)調(diào)節(jié)一組不同的LED，那么設(shè)計(jì)人員必須從分選組合LED中選擇以便創(chuàng)造出特定的顏色。分選組合是制造商根據(jù)發(fā)光流明和顏色將LED分類的過(guò)程。圖1是一個(gè)實(shí)例，顯示用于LED產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定的分選組合。

圖1 在色度圖上的LED分選組合

分選組合由繪制在色度圖上的矩形區(qū)域顯示。一組包含特定分選組合LED的照明設(shè)備，在顏色和亮度特性方面將會(huì)很相近。然而，在包含許多照明設(shè)備的大型辦公室或工廠環(huán)境中，分選組合可能仍會(huì)導(dǎo)致不均勻的光色，這在一組大型照明設(shè)備中顯而易見(jiàn)。一個(gè)經(jīng)分選組合的LED設(shè)計(jì)無(wú)法提供改變照明設(shè)備顏色的方法。利用回饋來(lái)調(diào)變系統(tǒng)中不同LED光譜特性的一組不同顏色LED，能夠在辦公室環(huán)境中建立起補(bǔ)償照明系統(tǒng)，從而在整個(gè)房間內(nèi)形成均勻的效果。光譜調(diào)變還可以補(bǔ)償其他影響，例如窗戶朝外的房間邊上的自然光或反射進(jìn)房間的走廊照明。

LED的另一個(gè)影響是因LED正向電流變化而引起的色偏。圖2顯示用于LED產(chǎn)業(yè)設(shè)置的顏色變化與正向電流間的關(guān)系。LED驅(qū)動(dòng)器可以設(shè)計(jì)成采用嚴(yán)格的恒定電流(Constant Current, CC)輸出容差，然而，嚴(yán)格的CC容差將增加LED驅(qū)動(dòng)器的成本。業(yè)界較低成本方案是設(shè)計(jì)人員使用回饋系統(tǒng)調(diào)節(jié)LED色偏，這種做法中，由于正向電流經(jīng)過(guò)一組LED，回饋可用來(lái)補(bǔ)償顏色變化。

圖2 應(yīng)用中的LED燈單元

分選組合LED通常帶來(lái)制造方面的影響，導(dǎo)致LED采購(gòu)成本的增加。正因?yàn)長(zhǎng)ED分選組合設(shè)置是特定的，一些LED驅(qū)動(dòng)器可能仍然不能與經(jīng)過(guò)眾多照明設(shè)備的分選組合LED應(yīng)用之正向偏置電流設(shè)置相匹配。另外，溫度效應(yīng)和壽命退化影響，也會(huì)引起照明設(shè)備顏色的變化。

[@B]光譜調(diào)變回饋法自動(dòng)調(diào)色[@C] 光譜調(diào)變回饋法自動(dòng)調(diào)色

光譜調(diào)變回饋法系可以抵消系統(tǒng)變化影響的回饋或控制方案，可創(chuàng)造自動(dòng)調(diào)節(jié)顏色和亮度的照明設(shè)備。色彩感測(cè)器和微控制器可用于處理感測(cè)器輸入，例如，色彩感測(cè)器使用光電二極體，采用非有機(jī)的(Non-organic)三路濾色器，在溫度和老化變化方面提供出色的穩(wěn)定性和極低漂移，且濾色器可設(shè)計(jì)成用于實(shí)施人眼的光譜敏感曲線(CIE1931)。閉合回路光譜調(diào)變光源的原理圖如圖3所示。

圖3 光譜調(diào)變光源

圖3所示為采用微控制器的控制回路?？刂苹芈吠ㄟ^(guò)感測(cè)器來(lái)測(cè)量亮度和顏色，并使用脈寬調(diào)變(PWM)訊號(hào)來(lái)調(diào)節(jié)LED燈串中的電流。該方案利用PWM輸入訊號(hào)，控制個(gè)別LED串電流。電源可以是功率因數(shù)校正(Power Factor Correction, PFC)前級(jí)，后接半橋諧振(LLC)直流對(duì)直流(DC-DC)次級(jí)，以便為多個(gè)LED燈串供電，如圖4。電源也可以是一個(gè)現(xiàn)有的設(shè)計(jì)，采用控制回路控制對(duì)電源的回饋。替代設(shè)計(jì)可以使用三個(gè)功率轉(zhuǎn)換器(30瓦(W)/10瓦/10瓦)組成，各自控制三組LED串，使用白光、綠光和琥珀光產(chǎn)生一個(gè)以白光為基礎(chǔ)的調(diào)變系統(tǒng)，或使用帶有相同電源的三種燈串來(lái)混合紅光、綠光和藍(lán)光三種LED燈串，實(shí)現(xiàn)更寬泛的顏色調(diào)變范圍。毋須對(duì)LED顏色進(jìn)行分選組合，且廠商可選擇具有照明應(yīng)用所需性能的低成本LED。

圖4 光譜調(diào)變光源用電源

系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例

以調(diào)變辦公室環(huán)境中的白光照明為例，三個(gè)返馳式PFC電源以并聯(lián)方式運(yùn)行，輸出功率高達(dá)30瓦的主電源驅(qū)動(dòng)主白光LED燈串，兩個(gè)附加電源則各自提供高達(dá)10瓦的功率，用于包含琥珀光和綠光LED的LED燈串，提供50瓦的總電源。圖5顯示在全功率下的光源設(shè)計(jì)。色彩感測(cè)器位于光源陣列的中間，正面朝下，以實(shí)現(xiàn)光色和光強(qiáng)度的正確測(cè)量。