白光及彩色光LED照明应用设计探讨

    高亮度LED为照明产业带来了持续的变革，它为包括白光和彩色光设计在内的各种照明系统增加了更多的灵活性与智能化。这些照明系统使设计人员既能动态控制色温，又能在白光应用中保持高的显色指数（CRI）。此外，这些系统还能产生宽范围的高精度彩色光谱。尽管白光与彩色光看上去差别很大，但大多数led智能照明应用都是采用混合信号控制器、恒流驱动器和高亮度LED这些基本组件进行设计生产。白光与彩色光设计中通常使用多个LED通道，因此所有LED设计方案都需解决器件分选、温度效应、老化及整体色彩精度等问题。采用混合信号控制器不愧为一种强有力的有效方法，既能智能地处理上述问题，又能确保实现高精度白光或彩色光。对众多从传统照明（白炽灯、荧光灯）设计转向LED照明的设计人员来说，如何用好混合信号控制器已成为一个巨大的挑战。

　　本文将探讨白光应用与彩色光应用设计之间的相同点与不同点、LED系统设计面临的挑战以及有助于设计人员解决上述问题的功能强大的一些现成解决方案（有些甚至无需编码）。

　　智能照明

　　高亮度LED（HB-LED）代表着照明技术的未来，而且近年来人们对HB-LED技术的关注程度也越来越高。考虑到HB-LED性能（流明∕瓦特）的显著提高与成本（流明∕美元）急剧下降，人们这样做就不足为奇了。此外，目前全球都在踊跃参加“绿色行动”，在此大环境下，HB-LED甚至对目前备受欢迎的高性价比但生态不太友好的含汞荧光灯提出了强有力的挑战。虽然HB-LED的高效率与环保优势是宣传重点，但“智能照明”功能将成为推动HB-LED技术进一步发展的重要力量。

　　智能照明技术的应用范围相当广泛，唯一受限的是我们的想象力。本文将重点讨论智能照明中的一个重要应用领域——调光功能。过去，调光主要是指调节光的明暗，或通过光学器件操控光的散射图案。就HB-LED而言，调光意味着对光的不同特性进行操控。首先，设计人员必须考虑要生成何种类型的光：白光，彩色光，还是兼而有之。如是白光，设计人员可调节色温与显色指数（CRI）。如是彩色光，设计人员可以根据系统中所用的LED彩色通道的数量，混合来自同一固定LED通道组的整个光谱的颜色。通过混合彩色光，还可在同一照明装置上生成白光和彩色光。这种灵活性确实会导致复杂性的增加，并且要在每种系统之间作出权衡。幸运的是，尽管白光系统和彩色光系统看上去截然不同，但实际上它们的设计方法基本上是一样的。

　　HB-LED系统设计

　　每种智能照明系统都包含下列基本构建模块（图1）：HB-LED，某种类型的电源拓扑（本文仅讨论开关模式稳压器）和混合信号控制器。设计人员首先面临的挑战就是选择LED。LED的主要供应商包括Lumileds、Cree、Nichia和Osram等，他们的产品在额定功率和电流、散射图案、色彩、效率、外形尺寸、散热特性、档次（bin）以及每个封装的LED数量方面各有不同。这些参数对白光与彩色光来说都是相同的，但白光还要考虑色温与显色指数CRI。

图1：智能照明系统框图

    高级工业设计的限制和市场需求通常有助于缩小对大多数LED特征参数的选择范围。多数情况下，设计人员应着重考虑LED的散热特性，对小型化器件或占用空间受限且不能使用大型散热器的应用尤应如此。同样，光学技术有助于减轻散射图案不佳的问题，而混合信号控制器则能大幅减少温度与器件分选的局限。

　　首先应明确到底该选用分立元件还是集成电路，这是缩小适用智能照明系统的电源拓扑类型的第一步。分立式实施方案可调谐到特定的系统，所以其成本更低、更灵活，但占用较大的电路板空间且需要专业的设计技术。电源管理IC提供了一种紧凑的解决方法，虽然成本较高，但占用的电路板空间较小，且更易于设计。

　　其次，根据照明系统对效率的不同要求，设计人员需在线性或开关拓扑之间做出选择。效率的重要性体现在两个方面。首先，功率转换效率越高，功率浪费就越少。第二，减少功率浪费意味着系统产生的热量也更少。线性稳压器比较简单，成本也较低，但通常效率较差。

　　而开关稳压器由于需要电感器因而更复杂，通常也更昂贵，但其效率较高，不管稳压器的输入输出电压如何，均可取得较高的效率。线性稳压器与开关稳压器既可采用单片IC设计，也可采用分立元件设计。根据照明系统的电源电压，设计人员应相应地选择使用降压、升压或升降压开关拓扑。线性拓扑还有一个缺点就是不能升压。

　　再次，设计人员必须为智能照明系统选择一个混合信号控制器。HB-LED系统的大部分智能性与灵活性都是由该器件实现的，它甚至还能解决HB-LED调光带来的某些技术难题。因此，选择具有尽可能高的灵活性与尽可能多的有用外设的混合信号控制器是很重要的。通常情况下，一个8位MCU内核足以为大多数照明应用提供足够的处理能力，以及足够的RAM或闪存。

　　设计人员应特别注意MCU器件上的数字与模拟外设。对于数字外设，专用的硬件调光通道数量及其分辨率和实现不同通信接口的能力都非常重要。调光通道用于驱动降压稳压器，软件计数器虽然也可用来实现这一功能，但软件调光通道会消耗宝贵的处理能力，使器件难以执行其它功能。

　　智能照明系统通常至少采用8位分辨率以取得较高的色彩精度。如果系统质量要求极高，可采用高达16位的分辨率。但对大多数应用而言，8位分辨率就足够实现所需的精度，设计人员通常在低输出电平情况下通过较高分辨率来实现较好的调光线性。一些设计人员则转而采用更智能的插值法来解决低电平情况下的输出变化问题。

　　常见的通信接口包括SPI、UART以及I2C，但同样重要的是混合信号控制器也支持DALI、DMX512、射频通信甚至电力线通信等重要的照明接口。就模拟外设而言，设计人员应注意ADC、PGA及比较器。ADC既可通过读取温度传感器值的方式来支持温度反馈，也可实现照明系统与周边环境的多种物理（模拟）方面的智能互动。比较器和PGA可简化电源拓扑的实施方案。

　　大多数MCU厂商都会在其控制器中部分或全部地提供这些外设，但设计人员可能很快就会发现，随着系统要求的变化，所需的外设品种也会发生相应变化。要想让系统设计做到照顾未来创新技术的前瞻性确实会面临巨大挑战，特别是考虑到HB-LED照明系统本身还是一种新生事物。如果系统需要超高性能，那么FPGA会是一种较好的物超所值的解决方案。具有可配置外设与可路由I/O的控制器可提供最大的灵活性。

　　虽然每种智能白光和彩色光系统都带有上述组件，但是，基于白光和彩色光的系统在配置与设计方面有所不同。生成白光的照明系统（即便其混有彩色光）需要考虑色温与显色指数。

　　色温就是指白光的颜色（与直觉不同，暖白光的色温较低，而冷白光的色温较高），它通常与1931 CIE比色图表上的普朗克轨迹相关。色温描述的是标准黑体辐射源被加热到不同温度时所产生的白光颜色（图2）。例如，加热到2500K的标准黑体辐射源被认为是较暖的白光；如果加热到7000K就认为是冷白光。HB-LED系统实际上不能直接实现符合普朗克轨迹的颜色，相反其色温是通过相关色温（CCT）测量的。　　

图2：普朗克轨迹与色温（点击图片放大）

　　显色指数是通过比较主光源与参考光源之间不同色彩的呈现来描述白光质量的一个参数。通俗地讲，显色指数描述的是主光源以相对参考光源1到100倍的强度照射的物体表面的色彩保真度。通过选择适当的LED、使用适当数量的不同LED通道以及采用混合信号处理器智能地控制这些通道可以调节色温与显色指数。仅包括白光LED的白光系统在色温方面灵活性有限，但在系统的白光LED原生色温下，白光系统的显色指数CRI性能卓越。由于CRI在很大程度上取决于系统中的LED色谱，因此根据经验，LED（特别是不同颜色的LED）越多，CRI就越高。

　　对彩色光系统而言，设计人员最关心的是色彩精度、色彩分辨率以及可混合色彩的光谱。如前所述，在其中发挥重要作用的一个因素是调光分辨率。最大化可混合色彩的光谱取决于系统中LED生成的色域，它与构成色域的不同LED色彩的数量直接相关。LED数量与调光分辨率还会影响色彩分辨率。大多数彩色光系统最少有三个LED，通常为红绿蓝三原色。如果智能照明系统需要生成特定的目标色彩，那么设计人员可以通过在1931 CIE比色图表上绘制LED并简单地连接绘制点以观察色域来判断所选LED是否能混合该种颜色。如果色域不覆盖目标颜色，那么设计人员可添加新的LED色彩，从而通过扩大色域来包含这种可混合的色彩（图3）。

图3：用4个LED扩展色域的实例（点击图片放大）

　  设计挑战

　　如前所述，白光和彩色光智能照明系统可以受益于使用三个或更多LED，但是除了在光学技术和散热性能方面面临诸多挑战外，在算法上也会更加复杂。一个明显的挑战就是如何提供达到要求数量且具有灵活调光分辨率的硬件调光通道。使用四个或更多LED的系统也需要更具创造性的算法来调节色温、混合色彩或提高显色指数CRI。

　　显然，智能照明系统需要通过某种方式管理散热与器件分选。LED不通过辐射散热，而是借助于二极管的结点来传导热量。事实上，随着LED温度的升高，某些LED的流明输出会降低（比如红光就会受到严重影响），甚至光输出波长也会发生偏移。因此，非常重要的一点是要从LED底座尽可能多地传导出热量。

　　好的散热设计、大量的空气流动及主动制冷对于解决散热问题是个不错的开端。不过，上述方法并非总能确保获得可预期、可测量的效果。热量在系统中总是存在的，而色彩精度会受温度的影响。引入温度传感器有助于将色彩精度保持在的水平。对于需要实现高色彩精度的系统来说，这个额定值是一般性的要求。用于计算彩色光调光值的算法的一个输入参数是光通量输出。通过保存照明系统中温度的分段线性近似值和LED的光通量曲线，混合信号控制器就可以通过适当地改变每个LED的输出大小来保持色彩的精度。

　　器件分选的原因是，HB-LED是固态器件，采用当前制造工艺时在光通量输出、波长和正向电压方面有变化。由于光通量输出在计算混合色彩中非常重要，因此必须要考虑到这个值的变化。但如果系统对色彩质量要求不高，则不必考虑。

　　对关注色彩质量的设计人员来说，他们可购买某些更昂贵的特殊LED（售价会高出15%到20%），也可通过混合信号控制器的可编程性进行弥补。设计人员可以输入器件分选表，这种表存储了系统中的LED可能的分选特征。这样，在制造阶段拿到实际LED时，就可以用实际分档代码更新混合信号控制器，并做出相应的补偿。

　　许多人发现，固态照明技术设计需要综合具备光学、机械和电气设计经验，而很少人有这样的本事，因此新的复杂技术难题不断出现。特别是现在设计人员必须使用混合信号控制器，因此还必须掌握嵌入式设计技术。幸运的是，现在的工具可以提供可视化的设计环境，毋需编写代码就能满足HB-LED智能照明系统的设计需要，设计人员还能利用C语言等传统语言编程。无论如何，出色的开发工具、参考设计和项目实例都是非常重要的。

　　因此设计人员在发挥HB-LED的智能、灵活性及其环保优势的同时面临着诸多挑战。通过智能照明设计方法，设计人员可经济有效地减少或消除大多数此类问题。