基于白光LED光源的光谱调谐

飞兆半导体公司

假如让消费者来描述完美的光源特性，那么你可能会在他们的描述中听到需要能量最低、光输出和颜色可调、使用时间很长等等各种各样的理想特性。最低输入能量是指输入功率高效地转换为流明输出，被称为功效；调节光输出与减弱光亮度的调光有关，或者可以增加照明设备的颜色调节，以便模拟白天相对夜晚的状况；并且通过调节流过LED的偏置电流，可以在较长的使用寿命期间维持光输出。

白炽灯能效低且使用寿命也较短；钠灯提供的颜色选择很少并且使用寿命短；荧光灯在可调光的选择选择较少，使用寿命也短。高亮度LED则声称具有良好的能效、较长的使用寿命、易于选择颜色与调光控制且无紫外(UV)射线。得益于于控制装置的智能设计或LED驱动电子器件，这些声称的优点现在已获实现。智能LED驱动器可以在使用期内针对亮度衰减进行调节，提供驱动特性来调节颜色，并替代获得所需颜色和亮度的LED分选(binning)：通过针对系统中不同LED使用光谱调谐，来获得所需的颜色和亮度。

光谱调谐对比分选

光谱调谐混合数种LED的光谱能量分布，例如适当地混合红光、绿光、和蓝光LED可产生白光。此RGB组合还用于产生几乎所有颜色的光。如果LED驱动器不是设计用于调节一组不同的LED，那么设计人员必须从分选过的LED中选择以便产生特定的颜色。分选是制造商根据发光流明和颜色将LED分类的过程，图1的例子显示了一组行业标准的LED “分类标准”。

图1：在色度图上的LED分类标准。

分类由色度图上标绘的矩形区域显示。一组包含在同一类的LED的将在颜色和亮度特性方面相近。然而，在包含许多照明设备的大型办公室或工厂环境中，不同类可能仍然会导致不均匀的光色，这在一组大型照明设备中是很明显的。经分选的LED设计不会提供改变照明设备颜色的方法；而一组不同颜色的LED使用反馈来调谐系统中不同LED的光谱特性，就能够在办公室环境中建立补偿照明系统，从而令整个空间的光线均匀。光谱调谐还可以补偿其它影响，例如窗口朝外的房间边上的自然光或反射进房间的走廊照明。

LED的另一个影响是色偏，源自LED正向电流的变化。图2显示了一组业内LED颜色随正向电流变化的曲线。

图2：按应用分类的LED灯单元。

LED驱动器可以采用严格的恒定电流(constant current, CC)输出容差设计，然而，收紧CC容差将增加LED驱动器的成本。由于正向电流经过一组LED，故一个成本较低的解决方案是设计人员使用反馈系统来调节LED色偏，通过反馈来补偿颜色变化。

分选LED通常在制造方面带来影响，导致LED采购成本增加。正因为LED分选设置是特定的，一些LED驱动器可能仍然不能匹配众多分类的LED应用的正向偏置电流设置。此外，温度效应和寿命退化影响都会引起照明设备颜色的变化。

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反馈在光谱调谐中的应用

下文将提出一种自动调节颜色和亮度的照明设备，来说明可以抵消系统变化影响的反馈控制方案。色彩传感器和微控制器用于处理传感器输入。例如，色彩传感器使用光电二极管，采用non-organic三路滤色器，在温度和老化变化方面提供出色的稳定性和极低漂移，且滤色器可设计用于实施人眼的光谱敏感曲线(CIE1931)。

闭合环路光谱调谐光源的原理图如图3所示。

图3：光谱调谐光源。

控制回路如图所示采用了微控制器。控制回路通过传感器来测量亮度和颜色，并使用PWM信号来调节LED灯串中的电流。采用PWM输入信号，FAN7346能够控制单个LED串中的电流。电源可以是功率因数校正(power factor correction)前级，后接LLC DC/DC次级，以便为多个LED灯串供电，如图4。电源也可以是一个现有的设计，采用FAN7346来控制对电源的反馈。替代设计可以使用三个功率转换器(30W/10W/10W)组成，各自控制每组LED串，使用白光、绿光和琥珀光生成一个以白光为基础的调谐系统、或使用带有相同电源的三种灯串来“混合”红光、绿光和蓝光三种LED灯串，实现更宽泛的颜色调谐范围。LED颜色无需进行分选；可选择具有照明应用所需性能的低成本LED。

图3：光谱调谐光源。

图4：光谱调谐光源用电源。

系统实例

这里建立了一个办公室环境中白光照明调谐的系统实例，三个反激式PFC电源以并联的方式运行，输出功率高达30W的主电源驱动主白光LED灯串，两个附加电源则各自提供高达10W的功率，用于包含琥珀光和绿光LED的LED灯串，这提供了50W的总电源。图5显示了在全功率下的光源设计。色彩传感器位于光源阵列的中部，正面朝下，以实现光色和光强度的正确测量。

图5：满功率下的光谱调谐光源。

测试人员看不出颜色或亮度的差异。图6显示光源渐暗。要注意的是因为处于高环境光照条件下，例如来自窗户的太阳光，所以某些光源实际上被关闭了。

图6：光谱调谐光源亮度减低。

本文结论

由实例可见，使用光谱调谐的LED系统在办公室或工厂环境中提供了一致的颜色特性。光谱调谐允许太阳光或其它可能影响理想亮度和颜色控制的空间的光源进行颜色补偿，反馈系统还可以弥补与LED寿命和色偏相关的老化或漂移的影响。因为光谱调谐反馈可用于控制颜色，这也消除了严格分选LED的成本影响。上文所提实例的其它优势还包括校准、实施预先保护特性，并设置安全光照条件来平衡光输出与来自备用电池的对所需脱险通道进行照明所用的电能。瞄准特定设备对比控制整个系统，可以通过无线接口来远程控制调光。