中心議題：

•   高亮度LED的設計挑戰 

解決方案：

• 定義LED產(chǎn)品的色域
• 為系統設計LED控制機制，輸出想要的色彩
• 選擇合適的回饋機制，以獲得精準的色彩輸出

現在全球各地已逐漸淘汰傳統的白熾燈泡。不僅政府機構，連民間使用者也要求更高效率的照明解決方案。精致型熒光燈泡(CFL)并非解決此項問(wèn)題的最佳方案。但它贏(yíng)過(guò)白熾燈的超長(cháng)壽命以及更高的效率，足以讓它成為解決您問(wèn)題的誘人方案。然而，CFL的水銀成分，卻讓廢棄與處理等后續問(wèn)題更加復雜。

目前高亮度LED(HB LED)或高功率LED(HP LED)已被譽(yù)為最終解決方案，因為它具有更高的省電效率(甚至超越CFL)以及更長(cháng)的壽命。這些LED已被運用在汽車(chē)照明、建筑物照明、舞臺照明、以及某些室內照明應用上。這些系統中有許多產(chǎn)品利用多個(gè)LED，以色光混合的方式來(lái)達到所要的色彩；或是在白光應用中，以單一或多個(gè)LED來(lái)達到所要的演色性指數(CRI)或相對色溫(CCT)。而這些系統的復雜度將會(huì )隨之提高，因為您的系統不僅會(huì )面臨許多設計限制，LED本身也會(huì )逐漸衍生許多問(wèn)題。解決這些問(wèn)題將需要智能型韌體、能依據所需精準度而定的回饋機制、以及透過(guò)像是DMX512、DALI等通訊網(wǎng)絡(luò )來(lái)控制這些照明系統。
　　
高亮度LED的設計挑戰
高亮度LED是半導體組件，不幸的是和所有半導體組件一樣，即使同一片晶圓生產(chǎn)的組件，其電子特性也會(huì )有差異。對于LED而言，這樣的差異會(huì )導致色彩(或波長(cháng))、光通量輸出、以及順向電壓等方面的差異。LED制造商根據生產(chǎn)率與效能，將這些零件分置于特定的bin。這種binning分類(lèi)程序會(huì )影響你的產(chǎn)品設計負荷電流，以及您設計中LED的運用程度。為解決這項問(wèn)題，有些設計業(yè)者寧可付一點(diǎn)代價(jià)，選購特定的bin，但這仍無(wú)法解決LED系統的色彩精準度問(wèn)題，因為這些bin的特定尺寸，仍有肉眼可辨識的+/-5nm誤差范圍。

除了各種制造問(wèn)題外，像是光通量輸出以及波長(cháng)等LED特性也會(huì )因接點(diǎn)溫度以及LED的使用時(shí)數而產(chǎn)生改變。每個(gè)有色LED受到溫度的影響程度都不同，幅度取決于LED的材料。 紅色與琥珀色LED當接點(diǎn)升高時(shí)，受影響的程度最大，而藍色與白色LED受影響的程度最小(參考圖1所示)。在這些照明系統中，每個(gè)LED受影響的時(shí)間呈一定的次序，因為想要的色彩點(diǎn)或CCT是可轉換的，除非你的系統可針對LED特性的改變進(jìn)行調適。針對老化效應的設計順序，需要極高的色彩精準度。因為當LED老化時(shí)，輸出的光通量會(huì )逐漸下滑。

電源拓撲是LED設計要解決的另一項問(wèn)題，但不在本文的討論范圍，它和系統LED與電源組件的數量有關(guān)連?！?br />
　 
                          圖1:接點(diǎn)溫度對LED燈輸出的影響

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建立您的色域
在色彩混合系統方面，像是劇院燈光、建筑物照明等，系統色域的規格就相當重要。色域是由系統中使用的LED組成。色域系指系統藉由單獨改變每個(gè)LED輸出的光通量，所能輸出的所有可能色彩。在設計一個(gè)系統時(shí)，首先決定色彩的需求，然后再選擇LED。而在處理制造bin單元時(shí)，這將再度衍生一項問(wèn)題。若您沒(méi)有為照明系統取得預先規劃LED的規格，您的系統色域就會(huì )和實(shí)際結果有偏差，輸出的色彩會(huì )和預期的不同。

定義您的色域并不簡(jiǎn)單。大多數LED制造商的規格數據中并沒(méi)有提供其LED的色度坐標。不過(guò)，當您有了色度坐標后，就可輕易標出LED在色彩空間中的位置，如圖2所示。圖中系統色域的三角形覆蓋在CIE 1931色彩空間的上面。CIE 1931 色彩空間代表人眼能看到的所有顏色；在色彩曲線(xiàn)外的是波長(cháng)，此數據描繪了色度坐標。在這個(gè)圖中，加入了普朗克軌跡(Planckian locus)，或為一個(gè)黑體加上顏色，代表黑體在溫度變化時(shí)在色彩空間的坐標。以普通詞匯來(lái)說(shuō)，這坐標代表不同種類(lèi)的白光通過(guò)CCT之后的結果。

                              圖2:系統色域

輸出您想要的色彩
為您的系統設計LED控制機制，面對的是基本的線(xiàn)性代數。在得到您LED的色度坐標后，您必須先建立一個(gè)矩陣，找出所要色彩點(diǎn)之間的delta值，如公式1所示。公式中色彩下標字是LED的顏色，mix下標代表您想要呈現的顏色。

公式1:

欲找出每個(gè)LED應輸出的光通量，可利用逆矩陣，然后乘以想要的光通量輸出，如公式2所示。

公式2: 每個(gè)LED的光通量輸出

這僅適用于單一bin的環(huán)境。若使用多個(gè)bin，每種bin的組合就會(huì )有不同的強度。
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選擇您的回饋機制
想要有精準的色彩輸出，這得取決于您所設計的應用。每當最終使用者注意到燈具色彩輸出有差異(像是建筑物照明或效果燈具)，代表需要高色彩精準度。然而在這兩個(gè)例子中，色彩傳感器并不是理想的解決方案。要找出可接受的色彩精準度，可從動(dòng)態(tài)色彩變化著(zhù)手，色彩變化源自于LED接點(diǎn)溫度以及其特性所產(chǎn)生的效應。這方面可利用韌體或調溫器來(lái)解決。

接點(diǎn)溫度可透過(guò)機板溫度、LED的功率發(fā)散、以及機板與LED之間的熱阻來(lái)求算。其關(guān)系如公式3所示。

公式3: 接點(diǎn)溫度與機板溫度之間的關(guān)系

獲得LED的接點(diǎn)溫度后，您就能調整系統，并根據LED重新設定的最高光通量輸出，改變每個(gè)LED相對的光通量輸出值。溫度回饋的其中一項問(wèn)題，就是調溫器與LED之間的距離。調溫器越靠近LED，溫度回饋的數據就越精準。當把許多LED串在一個(gè)通道上，問(wèn)題就會(huì )越嚴重。在這種情況中，不同LED之間的差異會(huì )造成色彩連續性的問(wèn)題，系統也會(huì )受到影響。

在高色彩精準度的設計方面，建議可采用色彩傳感器。然而在嘗試開(kāi)發(fā)一個(gè)色彩回饋系統時(shí)，會(huì )面臨到許多機械方面的問(wèn)題。傳感器的擺放和感溫器解決方案一樣都相當重要。低成本的色彩傳感器不能和LED的光線(xiàn)正對，色彩傳感器理想的擺放位置，是能夠接收反射或緊密結合光線(xiàn)的輸入。在色彩傳感器理想的位置上，能和最終使用者看到相同的光線(xiàn)輸入，這樣能得到系統最想要的回饋數據。但當設計一個(gè)色彩傳感器時(shí)，最?lèi)廊说膯?wèn)題就是光線(xiàn)噪聲或不是系統產(chǎn)生的周?chē)饩€(xiàn)對色彩傳感器產(chǎn)生的影響。色彩傳感器需要兩種機制才能正確運作; 第一是色彩傳感器與紅、綠、藍LED個(gè)別強度值之間的關(guān)系; 第二是色彩傳感器與X、Y、Z之間的關(guān)系。所有校正都必須在韌體中進(jìn)行，但這類(lèi)回饋系統的效益，會(huì )提升強固性以及精準度。

許多色彩系統設計擁有不同的回饋方法，需要花數個(gè)月的時(shí)間來(lái)開(kāi)發(fā)韌體。解決bin的調整、溫度補償、或更高精準度的色彩回饋系統以及校正，都需要了解色彩科學(xué)以及精準的傳感器讀數。在展開(kāi)任何高亮度LED設計時(shí)，強烈建議您先了解這些相關(guān)名詞。幸運的是，當您進(jìn)入市場(chǎng)時(shí)，能利用Cypress Semiconductor所提供快速且輕易的PSoC Express 3.0解決方案，協(xié)助您快速展開(kāi)研發(fā)。所有這些不同的回饋解決方案，以及高亮度LED的補償機制，都收錄在一個(gè)簡(jiǎn)單易用的圖形化接口，讓您僅須使用下拉式選單以及各種校正技巧，就能完成這些設計。

圖3: PSoC Express 3.0視覺(jué)化嵌入式軟體

本文介紹的這些韌體技術(shù)都建置在PSoC Express軟件工具。這款軟件工具亦讓您能運用DMX512為您的系統建構網(wǎng)絡(luò )，且僅須定義三個(gè)變量。

Cypress藉由開(kāi)發(fā)這項圖形化工具，讓研發(fā)業(yè)者能快速進(jìn)入高亮度LED市場(chǎng)，開(kāi)發(fā)效率更高的照明產(chǎn)品。