白光及彩色光LED照明應用設計探討

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)使設計人員既能動態(tài)控制色溫，又能在白光應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計生產(chǎn)。白光與彩色光設計中通常使用多個LED通道，因此所有LED設計方案都需解決器件分選、溫度效應、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）設計轉(zhuǎn)向LED照明的設計人員來說，如何用好混合信號控制器已成為一個巨大的挑戰(zhàn)。

　　本文將探討白光應用與彩色光應用設計之間的相同點與不同點、LED系統(tǒng)設計面臨的挑戰(zhàn)以及有助于設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）代表著照明技術的未來，而且近年來人們對HB-LED技術的關注程度也越來越高?？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技術進一步發(fā)展的重要力量。

　　智能照明技術的應用范圍相當廣泛，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用領域——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，設計人員可調(diào)節(jié)色溫與顯色指數(shù)（CRI）。如是彩色光，設計人員可以根據(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致復雜性的增加，并且要在每種系統(tǒng)之間作出權衡。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，但實際上它們的設計方法基本上是一樣的。

　　HB-LED系統(tǒng)設計

　　每種智能照明系統(tǒng)都包含下列基本構建模塊（圖1）：HB-LED，某種類型的電源拓撲（本文僅討論開關模式穩(wěn)壓器）和混合信號控制器。設計人員首先面臨的挑戰(zhàn)就是選擇LED。LED的主要供應商包括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，設計人員應著重考慮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用尤應如此。同樣，光學技術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)的設計技術。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，且更易于設計。

　　其次，根據(jù)照明系統(tǒng)對效率的不同要求，設計人員需在線性或開關拓撲之間做出選擇。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。

　　而開關穩(wěn)壓器由于需要電感器因而更復雜，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)壓器與開關穩(wěn)壓器既可采用單片IC設計，也可采用分立元件設計。根據(jù)照明系統(tǒng)的電源電壓，設計人員應相應地選擇使用降壓、升壓或升降壓開關拓撲。線性拓撲還有一個缺點就是不能升壓。

　　再次，設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)照明應用提供足夠的處理能力，以及足夠的RAM或閃存。

　　設計人員應特別注意MCU器件上的數(shù)字與模擬外設。對于數(shù)字外設，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)應用而言，8位分辨率就足夠?qū)崿F(xiàn)所需的精度，設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。就模擬外設而言，設計人員應注意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，但設計人員可能很快就會發(fā)現(xiàn)，隨著系統(tǒng)要求的變化，所需的外設品種也會發(fā)生相應變化。要想讓系統(tǒng)設計做到照顧未來創(chuàng)新技術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。具有可配置外設與可路由I/O的控制器可提供最大的靈活性。

　　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。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色溫（CCT）測量的。　　

圖2：普朗克軌跡與色溫（點擊圖片放大）

　　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，設計人員最關心的是色彩精度、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，它與構成色域的不同LED色彩的數(shù)量直接相關。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（點擊圖片放大）

　設計挑戰(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和散熱性能方面面臨諸多挑戰(zhàn)外，在算法上也會更加復雜。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點來傳導熱量。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出熱量。

　　好的散熱設計、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。

　　對關注色彩質(zhì)量的設計人員來說，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，并做出相應的補償。

　　許多人發(fā)現(xiàn)，固態(tài)照明技術設計需要綜合具備光學、機械和電氣設計經(jīng)驗，而很少人有這樣的本事，因此新的復雜技術難題不斷出現(xiàn)。特別是現(xiàn)在設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計技術。幸運的是，現(xiàn)在的工具可以提供可視化的設計環(huán)境，毋需編寫代碼就能滿足HB-LED智能照明系統(tǒng)的設計需要，設計人員還能利用C語言等傳統(tǒng)語言編程。無論如何，出色的開發(fā)工具、參考設計和項目實例都是非常重要的。

　　因此設計人員在發(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)。通過智能照明設計方法，設計人員可經(jīng)濟有效地減少或消除大多數(shù)此類問題。