光谱调变技术启动补偿机制 LED照明颜色更均匀

受到正向电流、使用寿命和温度效应影响，LED照明系统运作期间会产生颜色偏移现象，因此半导体厂已在新一代智慧型LED驱动方案中，加入光谱调变技术，利用回馈讯号进行LED光谱特性补偿，达到颜色一致的效果。

如果请消费者描述完美光源所应具有的特性，那么在他们的描述中，你可能听到--功耗要最低、光输出和颜色是可调整的、使用时间长等要求，但这只是部分理想特性。功耗要低即代表需要最低的输入能量，也就是指输入功率高效地转换为流明输出，被称为电源效率；调节光输出与减弱光亮度的调光有关，或可以增加照明设备的颜色调节，以便模拟白天与夜晚相对的状况；并且藉着调节流过发光二极体(LED)的偏压电流(Bias Current)，将光输出维持在较长的使用寿命期间。

白炽灯电源效率低且使用寿命也较短，钠灯可供选择的颜色很少并且使用寿命短，萤光灯在改装(Retro-fit)应用中调光选择较少，且使用寿命短。相较之下，高亮度LED可具有良好的发光效能、较长的使用寿命、易于调光控制的颜色选择且无紫外线(UV)，这些特性都可以具备控制器的智慧设计或LED驱动器实现。智慧LED驱动器可以在使用期间内针对亮度衰减进行调节，提供驱动特性来调节颜色，并获得所需颜色和亮度的LED分选(Binning)，其做法是通过针对系统中一组不同LED使用光谱调变，来获得所需的颜色和亮度。 

光谱调变实现多样色彩

光谱调变结合数种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。这种三原色(RGB)组合还可用于创造几乎所有颜色的光。如果LED驱动器没有被设计来调节一组不同的LED，那么设计人员必须从分选组合LED中选择以便创造出特定的颜色。分选组合是制造商根据发光流明和颜色将LED分类的过程。图1是一个实例，显示用于LED产业标准设定的分选组合。

图1    在色度图上的LED分选组合

分选组合由绘制在色度图上的矩形区域显示。一组包含特定分选组合LED的照明设备，在颜色和亮度特性方面将会很相近。然而，在包含许多照明设备的大型办公室或工厂环境中，分选组合可能仍会导致不均匀的光色，这在一组大型照明设备中显而易见。一个经分选组合的LED设计无法提供改变照明设备颜色的方法。利用回馈来调变系统中不同LED光谱特性的一组不同颜色LED，能够在办公室环境中建立起补偿照明系统，从而在整个房间内形成均匀的效果。光谱调变还可以补偿其他影响，例如窗户朝外的房间边上的自然光或反射进房间的走廊照明。 

LED的另一个影响是因LED正向电流变化而引起的色偏。图2显示用于LED产业设置的颜色变化与正向电流间的关系。LED驱动器可以设计成采用严格的恒定电流(Constant Current, CC)输出容差，然而，严格的CC容差将增加LED驱动器的成本。业界较低成本方案是设计人员使用回馈系统调节LED色偏，这种做法中，由于正向电流经过一组LED，回馈可用来补偿颜色变化。 

图2    应用中的LED灯单元

分选组合LED通常带来制造方面的影响，导致LED采购成本的增加。正因为LED分选组合设置是特定的，一些LED驱动器可能仍然不能与经过众多照明设备的分选组合LED应用之正向偏置电流设置相匹配。另外，温度效应和寿命退化影响，也会引起照明设备颜色的变化。 

[@B]光谱调变回馈法自动调色[@C] 光谱调变回馈法自动调色

光谱调变回馈法系可以抵消系统变化影响的回馈或控制方案，可创造自动调节颜色和亮度的照明设备。色彩感测器和微控制器可用于处理感测器输入，例如，色彩感测器使用光电二极体，采用非有机的(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，且滤色器可设计成用于实施人眼的光谱敏感曲线(CIE1931)。闭合回路光谱调变光源的原理图如图3所示。 

图3    光谱调变光源

图3所示为采用微控制器的控制回路。控制回路通过感测器来测量亮度和颜色，并使用脉宽调变(PWM)讯号来调节LED灯串中的电流。该方案利用PWM输入讯号，控制个别LED串电流。电源可以是功率因数校正(Power Factor Correction, PFC)前级，后接半桥谐振(LLC)直流对直流(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，采用控制回路控制对电源的回馈。替代设计可以使用三个功率转换器(30瓦(W)/10瓦/10瓦)组成，各自控制三组LED串，使用白光、绿光和琥珀光产生一个以白光为基础的调变系统，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变范围。毋须对LED颜色进行分选组合，且厂商可选择具有照明应用所需性能的低成本LED。 

图4    光谱调变光源用电源
 

系统应用实例

以调变办公室环境中的白光照明为例，三个返驰式PFC电源以并联方式运行，输出功率高达30瓦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10瓦的功率，用于包含琥珀光和绿光LED的LED灯串，提供50瓦的总电源。图5显示在全功率下的光源设计。色彩感测器位于光源阵列的中间，正面朝下，以实现光色和光强度的正确测量。 

图5    满功率下的光谱调变光源

图6显示光源渐暗。注意某些光源实际上关闭了，这是因为处于高环境光照条件下影响，例如来自窗户的太阳光。

图6    光谱调变光源亮度逐渐变暗

光谱调变LED系统可在办公室或工厂环境中提供一致的颜色特性。光谱调变允许对太阳光或其他光源进行颜色补偿，这些光源可能影响需要亮度和颜色控制的空间。回馈系统还可以弥补与LED寿命和色偏相关的老化或漂移影响。因为光谱调变回馈可用于控制颜色，因而消除严格的分选组合LED成本影响。其他优势包括校准、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对所需脱险通道进行照明所用的电能，以及可以通过无线介面对特定设备而非整个系统，进行远端控制调光。 （责编：Flora）