中心議題：

• 白光和彩色光智能照明系統解決方案

解決方案：

• HB-LED系統設計

高亮度LED為照明產(chǎn)業(yè)帶來(lái)了持續的變革，它為包括白光和彩色光設計在內的各種照明系統增加了更多的靈活性與智能化。這些照明系統使設計人員既能動(dòng)態(tài)控制 色溫，又能在白光應用中保持高的顯色指數(CRI)。此外，這些系統還能產(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LED智 能照明應用都是采用混合信號控制器、恒流驅動(dòng)器和高亮度LED這些基本組件進(jìn)行設計生產(chǎn)。白光與彩色光設計中通常使用多個(gè)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(wèn)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(wèn)題，又能確保實(shí)現高精 度白光或彩色光。對眾多從傳統照明(白熾燈、熒光燈)設計轉向LED照明的設計人員來(lái)說(shuō)，如何用好混合信號控制器已成為一個(gè)巨大的挑戰。

本文將探討白光應用與彩色光應用設計之間的相同點(diǎn)與不同點(diǎn)、LED系統設計面臨的挑戰以及有助于設計人員解決上述問(wèn)題的功能強大的一些現成解決方案(有些甚至無(wú)需編碼)。

智能照明
高亮度LED(HB-LED)代表著(zhù)照明技術(shù)的未來(lái)，而且近年來(lái)人們對HB-LED技術(shù)的關(guān)注程度也越來(lái)越高?？紤]到HB-LED性能(流明∕瓦 特)的顯著(zhù)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(dòng)”，在此大環(huán)境下，HB-LED甚至對目前 備受歡迎的高性?xún)r(jià)比但生態(tài)不太友好的含汞熒光燈提出了強有力的挑戰。雖然HB-LED的高效率與環(huán)保優(yōu)勢是宣傳重點(diǎn)，但“智能照明”功能將成為推動(dòng)HB- LED技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展的重要力量。

智能照明技術(shù)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(diǎn)討論智能照明中的一個(gè)重要應用領(lǐng)域——調光功能。過(guò)去，調光主要是指調節光 的明暗，或通過(guò)光學(xué)器件操控光的散射圖案。就HB-LED而言，調光意味著(zhù)對光的不同特性進(jìn)行操控。首先，設計人員必須考慮要生成何種類(lèi)型的光：白光，彩 色光，還是兼而有之。如是白光，設計人員可調節色溫與顯色指數(CRI)。如是彩色光，設計人員可以根據系統中所用的LED彩色通道的數量，混合來(lái)自同一 固定LED通道組的整個(gè)光譜的顏色。通過(guò)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(shí)會(huì )導致復雜性的增加，并且要在每種系統之間作 出權衡。幸運的是，盡管白光系統和彩色光系統看上去截然不同，但實(shí)際上它們的設計方法基本上是一樣的。

HB-LED系統設計
每種智能照明系統都包含下列基本構建模塊：HB-LED，某種類(lèi)型的電源拓撲(本文僅討論開(kāi)關(guān)模式穩壓器)和混合信號控制器。設計人員首先面臨的挑 戰就是選擇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(gè)封裝的LED數量方面各有不同。這些參數對白光與彩色光來(lái)說(shuō)都是相同的，但白光還要考慮色溫與顯色指數 CRI。

高級工業(yè)設計的限制和市場(chǎng)需求通常有助于縮小對大多數LED特征參數的選擇范圍。多數情況下，設計人員應著(zhù)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(xué)技術(shù)有助于減輕散射圖案不佳的問(wèn)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的電源拓撲類(lèi)型的第一步。分立式實(shí)施方案可調諧到特定的系統，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(zhuān)業(yè)的設計技術(shù)。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，根據照明系統對效率的不同要求，設計人員需在線(xiàn)性或開(kāi)關(guān)拓撲之間做出選擇。效率的重要性體現在兩個(gè)方面。首先，功率轉換效率越高，功率浪費就越少。第二，減少功率浪費意味著(zhù)系統產(chǎn)生的熱量也更少。線(xiàn)性穩壓器比較簡(jiǎn)單，成本也較低，但通常效率較差。

而開(kāi)關(guān)穩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，不管穩壓器的輸入輸出電壓如何，均可取得較高的效率。線(xiàn)性穩壓器與開(kāi)關(guān)穩壓器 既可采用單片IC設計，也可采用分立元件設計。根據照明系統的電源電壓，設計人員應相應地選擇使用降壓、升壓或升降壓開(kāi)關(guān)拓撲。線(xiàn)性拓撲還有一個(gè)缺點(diǎn)就是 不能升壓。

再次，設計人員必須為智能照明系統選擇一個(gè)混合信號控制器。HB-LED系統的大部分智能性與靈活性都是由該器件實(shí)現的，它甚至還能解決HB- LED調光帶來(lái)的某些技術(shù)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(gè)8位MCU內核足以為 大多數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器件上的數字與模擬外設。對于數字外設，專(zhuān)用的硬件調光通道數量及其分辨率和實(shí)現不同通信接口的能力都非常重要。調光通道用于驅動(dòng)降壓穩壓器，軟件計數器雖然也可用來(lái)實(shí)現這一功能，但軟件調光通道會(huì )消耗寶貴的處理能力，使器件難以執行其它功能。

智能照明系統通常至少采用8位分辨率以取得較高的色彩精度。如果系統質(zhì)量要求極高，可采用高達16位的分辨率。但對大多數應用而言，8位分辨率就足 夠實(shí)現所需的精度，設計人員通常在低輸出電平情況下通過(guò)較高分辨率來(lái)實(shí)現較好的調光線(xiàn)性。一些設計人員則轉而采用更智能的插值法來(lái)解決低電平情況下的輸出 變化問(wèn)題。

常見(jiàn)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(xiàn)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(guò)讀取溫度傳感器值的方式來(lái)支持溫度反饋，也可實(shí)現照明系統與周邊環(huán)境的多種 物理(模擬)方面的智能互動(dòng)。比較器和PGA可簡(jiǎn)化電源拓撲的實(shí)施方案。

大多數MCU廠(chǎng)商都會(huì )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(huì )發(fā)現，隨著(zhù)系統要求的變化，所需的外設品種也會(huì )發(fā)生相應變化。 要想讓系統設計做到照顧未來(lái)創(chuàng )新技術(shù)的前瞻性確實(shí)會(huì )面臨巨大挑戰，特別是考慮到HB-LED照明系統本身還是一種新生事物。如果系統需要超高性能，那么 FPGA會(huì )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。[page]

實(shí)現高質(zhì)量的白光

雖然每種智能白光和彩色光系統都帶有上述組件，但是，基于白光和彩色光的系統在配置與設計方面有所不同。生成白光的照明系統(即便其混有彩色光)需要考慮色溫與顯色指數。

色溫就是指白光的顏色(與直覺(jué)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(guān)。色溫描述的是標準黑體輻射源被加熱到不同溫度時(shí)所產(chǎn)生的白光顏色(圖)。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系統實(shí)際上不能直接實(shí)現符合普朗克軌跡的顏色，相反其色溫是通過(guò)相關(guān)色溫(CCT)測 量的。

普朗克軌跡與色溫
顯色指數是通過(guò)比較主光源與參考光源之間不同色彩的呈現來(lái)描述白光質(zhì)量的一個(gè)參數。通俗地講，顯色指數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(guò)選擇適當的LED、使用適當數量的不同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節色溫與顯色指數。僅包 括白光LED的白光系統在色溫方面靈活性有限，但在系統的白光LED原生色溫下，白光系統的顯色指數CRI性能卓越。由于CRI在很大程度上取決于系統中 的LED色譜，因此根據經(jīng)驗，LED(特別是不同顏色的LED)越多，CRI就越高。

對彩色光系統而言，設計人員最關(guān)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(gè)因素是調光分辨率。最大化可 混合色彩的光譜取決于系統中LED生成的色域，它與構成色域的不同LED色彩的數量直接相關(guān)。LED數量與調光分辨率還會(huì )影響色彩分辨率。大多數彩色光系 統最少有三個(gè)LED，通常為紅綠藍三原色。如果智能照明系統需要生成特定的目標色彩，那么設計人員可以通過(guò)在1931 CIE比色圖表上繪制LED并簡(jiǎn)單地連接繪制點(diǎn)以觀(guān)察色域來(lái)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(guò)擴大色域來(lái)包含這種可混合的色彩(圖)。

用4個(gè)LED擴展色域的實(shí)例

設計挑戰
如前所述，白光和彩色光智能照明系統可以受益于使用三個(gè)或更多LED，但是除了在光學(xué)技術(shù)和散熱性能方面面臨諸多挑戰外，在算法上也會(huì )更加復雜。一 個(gè)明顯的挑戰就是如何提供達到要求數量且具有靈活調光分辨率的硬件調光通道。使用四個(gè)或更多LED的系統也需要更具創(chuàng )造性的算法來(lái)調節色溫、混合色彩或提 高顯色指數CRI。

顯然，智能照明系統需要通過(guò)某種方式管理散熱與器件分選。LED不通過(guò)輻射散熱，而是借助于二極管的結點(diǎn)來(lái)傳導熱量。事實(shí)上，隨著(zhù)LED溫度的升 高，某些LED的流明輸出會(huì )降低(比如紅光就會(huì )受到嚴重影響)，甚至光輸出波長(cháng)也會(huì )發(fā)生偏移。因此，非常重要的一點(diǎn)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(dòng)及主動(dòng)制冷對于解決散熱問(wèn)題是個(gè)不錯的開(kāi)端。不過(guò)，上述方法并非總能確保獲得可預期、可測量的效果。熱量在系統中總是 存在的，而色彩精度會(huì )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(shí)現高色彩精度的系統來(lái)說(shuō)，這個(gè)額定值是一般性的要求。用于計 算彩色光調光值的算法的一個(gè)輸入參數是光通量輸出。通過(guò)保存照明系統中溫度的分段線(xiàn)性近似值和LED的光通量曲線(xiàn)，混合信號控制器就可以通過(guò)適當地改變每 個(gè)LED的輸出大小來(lái)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(shí)在光通量輸出、波長(cháng)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(gè)值的變化。但如果系統對色彩質(zhì)量要求不高，則不必考慮。

對關(guān)注色彩質(zhì)量的設計人員來(lái)說(shuō)，他們可購買(mǎi)某些更昂貴的特殊LED(售價(jià)會(huì )高出15%到20%)，也可通過(guò)混合信號控制器的可編程性進(jìn)行彌補。設計 人員可以輸入器件分選表，這種表存儲了系統中的LED可能的分選特征。這樣，在制造階段拿到實(shí)際LED時(shí)，就可以用實(shí)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，固態(tài)照明技術(shù)設計需要綜合具備光學(xué)、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(shù)難題不斷出現。特別是現在設計人員必 須使用混合信號控制器，因此還必須掌握嵌入式設計技術(shù)。幸運的是，現在的工具可以提供可視化的設計環(huán)境，毋需編寫(xiě)代碼就能滿(mǎn)足HB-LED智能照明系統的 設計需要，設計人員還能利用C語(yǔ)言等傳統語(yǔ)言編程。無(wú)論如何，出色的開(kāi)發(fā)工具、參考設計和項目實(shí)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(shí)面臨著(zhù)諸多挑戰。通過(guò)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此類(lèi)問(wèn)題。