李　楠，潘永雄，蘇成悅，黃明旭

(廣東工業(yè)大學 物理與光電工程學院，廣東 廣州 510006)

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基于時間混色方式的冷暖雙色LED調光調色光源

李楠，潘永雄，蘇成悅，黃明旭

(廣東工業(yè)大學 物理與光電工程學院，廣東 廣州 510006)

摘要:針對兩通道冷暖LED光源PWM調光調色照明燈具的巨大市場需求以及當前該類技術存在的問題，提出一種基于時間混色方式的照明光源系統(tǒng)控制算法，實現(xiàn)混色光源色溫與亮度的獨立調制.實驗結果表明，在色溫調節(jié)過程中，光源亮度基本保持恒定；在亮度調節(jié)過程中，光源的色溫也基本保持恒定.該算法在降低控制器運算量的同時，提高了調光調色的控制精度，消除電源瞬態(tài)過載現(xiàn)象，提高了照明系統(tǒng)可靠性.

關鍵詞:混色光源； 時間混色； 脈寬調制； 發(fā)光二極管

近年來，LED照明光源在人們生活中逐漸普及，越來越廣泛地用于各種照明應用中，深刻改變著中國乃至全球照明產(chǎn)業(yè)的面貌[1-2].隨著生活水平不斷提高，人們對照明光源的需求不再局限于單純照明功能，色溫與亮度均可調節(jié)的LED光源成為市場新熱點.

研究證實，光源的色溫與亮度對人們心理和生理有著一定影響[3-5].高色溫白光偏藍，讓人感到清涼或是寒冷；而低色溫白光偏黃，讓人覺得溫暖甚至悶熱.在光亮、高色溫的光照環(huán)境中，人容易興奮，有助于提高工作效率；相反，在昏暗、低色溫的環(huán)境中，人容易困倦，可以幫助人們盡快入睡，緩解失眠問題.在不同場合中使用色溫、亮度適當?shù)墓庠矗軌蝻@著提高人們生活品質.因此，如何利用LED光源的高可控性和色溫多樣性開發(fā)出亮度、色溫任意可調的高品質照明光源成了近年來照明領域熱門研究課題之一.

目前，常用于LED照明的調光方法有模擬調光和數(shù)字調光[6].模擬調光方法通過改變LED電流大小實現(xiàn)發(fā)光強度的調節(jié).數(shù)字調光方法以PWM(脈沖寬度調制)為主，該方法以人眼無法識別的高頻對LED進行開關操作，控制其平均發(fā)光強度.由于PWM調光方法在調節(jié)光度時色偏小[6-7]、色溫穩(wěn)定、抗干擾性好，因此在工程上多采用這種調光方式.在光度調節(jié)的基礎上，對若干個不同色彩的LED光源進行混光，就能夠得到一個亮度與色溫在一定范圍內(nèi)可任意調節(jié)的光源.常用的混色方式包括紅、綠、藍三色LED混光生成白色光(RGB)方式[8-10]，以及高色溫(冷白光)、低色溫(暖白光)LED混光生成中間色溫白光方式[11-13].這兩種方式各有優(yōu)缺點，在照明應用場合中，雙色溫白光混光方式在光效、體積、控制復雜度等方面具有絕對優(yōu)勢.

本文提出一種基于時間混色法的控制算法，該算法充分考慮了驅動電源的荷載能力，并確保亮度與色溫不存在互調現(xiàn)象.基于該算法設計了一套低成本、易實現(xiàn)、高可靠性的LED冷暖雙色調光調色照明光源.

1調光調色參數(shù)計算方法

1.1混色光色品坐標及色溫計算

由色度學知識[14]可知，在CIE色品圖中，混色光的色品坐標位于兩光源色品坐標的連線上，具體位置取決于兩個光源光度值相對強度.設高色溫光源色品坐標為(xc,yc)、光度為Yc，低色溫光源色品坐標為(xw,yw)、光度為Yw，混合光色品坐標為(xm,ym)，那么根據(jù)CIE1931色品坐標計算方法可知混色光色品坐標為

(1)

利用文獻[15]中提出的色溫計算公式可得到混色光源的相關色溫為

CCT=669×A4-799×A3+3 660×A2-

7 047×A+5 652，

(2)

反過來，若已知目標相關色溫CCT，可以通過式(2)推出目標色品坐標x與y的關系，然后結合式(1)解出該色溫所對應的色品坐標.

1.2雙通道PWM占空比計算

由塔爾博特定律可知，對于變化周期短于人眼視覺惰性的間歇光刺激，人眼所感受的等效光度可表達為

(3)

其中Ye為等效光度，Ys(t)為光源光度的時間函數(shù).在PWM調光系統(tǒng)中，為簡化分析，認為光源不變，Ys(t)不隨時間變化，記為Ys.可給出相應的光度表達式為

YPWM=DYS，

(4)

式(4)中，D為PWM波形的占空比.可見，PWM控制方式下等效光度與占空比存在線性關系，在光源確定的情況下，等效光度僅由占空比D決定.

設在額定電流下冷暖光源的光度分別為Yc、Yw，冷暖兩路PWM控制線路的占空比分別為Dc、Dw，那么兩光源的實際光度為

(5)

顯然，0≤Dc≤1，0≤Dw≤1.

根據(jù)格拉斯曼顏色混合定律[14]，混色光的光度為

Ym=Yc,pwm+Yw,pwm=DcYc+DwYw.

(6)

若已知目標色品坐標(xm,ym)以及兩路光源參數(shù)，根據(jù)文獻[13]，高色溫、低色溫兩光源占空比可表示為

(7)

2現(xiàn)有調光調色控制策略存在的問題

(1) 根據(jù)前文的分析，如果僅是單獨改變暖光源PWM控制信號占空比Dw或者冷光源PWM控制信號占空比Dc來改變混色光色溫，都將引起光度變化，即調色對光度產(chǎn)生影響.如果直接使用前文中的計算方法，將得到兩路PWM信號的精確占空比.根據(jù)文獻[13]，其可行域如圖1所示.

圖1　混色光色溫與光度的理論可行域

當暖光源PWM調光控制信號占空比Dw為1，而冷光源PWM調光控制信號占空比Dc為0，即只有暖光源工作時，混色光色溫最低(Tw)，光度Ym=Yw；反之，當暖光源PWM調光控制信號占空比Dw為0，而冷光源PWM調光控制信號占空比Dc為1，即只有冷光源工作時，此時色溫最高(Tc)，光度Ym=Yc；而當暖光源PWM調光控制信號占空比Dw、冷光源PWM調光控制信號占空比Dc均為1，即兩路同時工作時，混色光色溫Tm在Tw與Tc之間，混色光光度Ym=Yc+Yw，達到最大.

在這種控制策略中，為現(xiàn)實色溫從Tw至Tc調節(jié)過程中的光度保持恒定，必須使用式(7)嚴格計算出兩光源PWM控制信號占空比Dc、Dw，并限制照明燈具混色光最大光度為Ym,max≤min(Yc,Yw).如此，可行域范圍已經(jīng)被大大縮小至Ym,max下方的區(qū)域.為了使可行域最大化，實際應用中通常會對兩路白光源光度進行優(yōu)選，使Yc=Yw.

在這種情況下，高精度所帶來的優(yōu)勢不再突出，而運算復雜的劣勢顯露無疑.復雜的運算加重了燈具內(nèi)控制芯片負擔，嚴重消耗控制器的內(nèi)部資源.特別是在漸變調光過程中，控制芯片需要在短時間內(nèi)處理大量數(shù)據(jù)，極大地增加了運算量或被迫采用巨大的數(shù)表存放不同色溫對應的占空比信息.在調光過程中將可能引起卡頓、抖動、延時，甚至失控的情況.

(2) 目前關于雙色白光LED光源PWM調光調色方法的文獻中均沒有提及控制信號之間的相位關系，每一路PWM信號占空比均可獨立地在0～1之間變化，可能存在交疊部分，如圖2所示.這樣的控制時序對驅動電源極為有害.

圖2　無相位約束的PWM調光調色控制信號

根據(jù)前文分析，在實際應用中混色燈具的最大光度不會超過兩路白光源的最大者.驅動電源將依照這一需求進行設計，那么電源輸出功率遠不能滿足同時點亮兩路白光LED的需求.若驅動信號存在交疊，造成兩路光源同時工作，必將周期性地引入過重負荷，造成電源瞬態(tài)過載，嚴重影響電源可靠性，并有可能觸發(fā)驅動電源的過載保護機制導致系統(tǒng)不能正常運行.

3基于時間混色法的PWM調光調色方式

鑒于任意占空比、相位無關驅動信號存在的問題，根據(jù)實際應用條件，本文提出一種基于時間混色方式的冷暖LED光源調光調色PWM控制方法.在該方法中，兩路PWM控制信號相位始終保持交錯關系，即保持180°相位差，不允許驅動信號存在交疊，如圖3所示.在這種控制方式中，兩路PWM控制信號的占空比之和小于或等于1，任意時刻至多有一路光源在工作，兩路光源不會在同一時刻內(nèi)發(fā)生空間混色，因此稱之為時間混色方式.

為方便描述，引入色溫系數(shù)m和光度系數(shù)B.色溫系數(shù)m表示某一路光源的發(fā)光強度占混色光源總體發(fā)光強度的比例，0≤m≤1.顯然，在高低溫白光光源系統(tǒng)中mc+mw=1.不妨令mc=m，那么mw=1-m.光度系數(shù)B表示混合光的目標光強與系統(tǒng)額定輸出光強的比例，0≤B≤1.兩路控制信號的占空比可定義為

(8)

圖3　PWM調光調色控制信號

當光度系數(shù)B=1時，PWM控制信號占空比Dc+Dw=1.當m=0時，冷色光源通道的占空比Dc=0，即冷光源不工作；當m=1時，暖光源通道的占空比Dw=0，即暖色光源不工作；而0

(9)

由于人眼存在視覺惰性，時間混色時格拉斯曼顏色混合定理依然成立，那么混色光光度：

Ym=DcYc+DwYw=mBYc+(1-m)BYw.

(10)

結合前文中已經(jīng)提到的兩路光源的光度關系，令Yc=Yw=Y，則混色光光度：

Ym=mBYc+(1-m)BYw=BY.

(11)

此時混色光光度正比于光度系數(shù)B，而與色溫系數(shù)m無關.若保持光度系數(shù)B不變，而僅調節(jié)色溫系數(shù)m，則可實現(xiàn)調色過程中光度恒定不變.當色溫系數(shù)m保持不變時，調節(jié)光度系數(shù)B時，相當于等比例壓縮了占空比Dc、Dw，由式(8)可以推出：

(12)

整理可得到混色光的色品坐標xm的表達式為

(13)

結合式(1)，可以給出色品坐標ym的表達式為

(14)

可見，混色光源的色品坐標與光度系數(shù)B無關，只與色溫系數(shù)m存在一一對應關系.說明在光度調節(jié)的過程中，混色光源的色溫保持不變.

前文的推導表明了使用光度系數(shù)、色度系數(shù)這兩個參量描述冷暖雙色溫白光PWM調光調色系統(tǒng)的方法是可行的，這種方法可擴展至任意兩種光源的PWM混光系統(tǒng)中使用.結合本方法提出的控制策略，只需要單獨調節(jié)上述兩個參數(shù)即可實現(xiàn)色溫與亮度的獨立控制，在色溫連續(xù)調節(jié)的過程中占空比計算簡單，適合于小體積、低功耗、運算能力有限的MCU進行控制；另外，在任何時刻至多只有一路光源工作，可以有效防止電源過載，降低了對驅動電源冗余功率容量的要求.

4實驗與分析

4.1實驗光源模塊

根據(jù)上文推導結果，本文設計了一套基于上述混色方法的調光調色燈具，驗證光度系數(shù)B與色度系數(shù)m是否獨立影響混色光源光色度.選用了國星光電的高、低兩種色溫貼片LED燈珠，單顆標稱功率為0.5 W.由于低色溫燈珠光效低于高色溫燈珠，經(jīng)過光通量平衡設計后，兩個模塊的光通量大體相同，參數(shù)如表1所示.

表1　LED模塊參數(shù)

4.2電源及控制系統(tǒng)

電源和控制系統(tǒng)由AC/DC變換器、MCU穩(wěn)壓供電電路、MCU核心控制系統(tǒng)、恒流及開關電路構成，系統(tǒng)框圖如圖4所示.

圖4　實驗系統(tǒng)框圖

AC/DC變換器將220 V/50 Hz電網(wǎng)電壓轉換為LED負載所需的直流電壓，設計額定輸出功率為30 W，提供功率因數(shù)校正、EMC以及各類保護功能；MCU穩(wěn)壓供電電路提供控制器所需的低壓直流電壓，功率較小；MCU核心系統(tǒng)用于實時計算占空比和發(fā)出PWM控制信號.另外，可以通過預留的接口與外部設備行進通信，實現(xiàn)遠程控制；恒流及開關電路用于防止LED負載過流和對LED負載進行PWM開關操作.

4.3實驗結果與分析

實驗分別對光度系數(shù)B取0.25、0.5、0.75、1和對色度系數(shù)m取0、0.25、0.5、0.75、1，由這兩個系數(shù)組合得到20個測試點.

對這20個測試點的數(shù)據(jù)進行了采集和分析，使用TDS1012B型示波器測量兩路輸出端電壓波形，經(jīng)計算得到實際占空比數(shù)據(jù)(見表2).

表2　兩路控制信號占空比

如表2所示，占空比的實際測量值與設計值相一致，而存在的略微差別是因為在控制時序中插入了“死區(qū)時間”和電路中存在的開關延遲.

本文使用了杭州遠方公司的光電測試系統(tǒng)對實驗燈具進行測試，結果如圖5所示.

圖5　色溫與光通量關系

圖5中顯示了各測試點對應色溫與光通量，當光度系數(shù)B不同取值時混色光的色度變化.從圖5中可以看出：

(1) 當光度系數(shù)B取值固定后，在色溫變化過程中，光通量基本保持不變，連線保持水平.而當B取不同值時，光通量大小隨之成比例變化.說明混色光源的光度僅由光度系數(shù)B決定，與色度系數(shù)m無關.

(2) 當色度系數(shù)m取值固定時，在豎直方向上，光通量變化過程中，色溫基本保持恒定.而當m取值變化時，色溫才隨之變化.說明色溫僅由色度系數(shù)m決定，不受光度系數(shù)B影響.

以上結果表明，光度系數(shù)B與色度系數(shù)m獨立作用于混色光源，B僅控制光度，m僅控制色度(色溫)，兩者不存在交叉控制關系，符合實驗預期結果.所以，系統(tǒng)可以通過控制這兩個系數(shù)來保證色溫調整與光度調整的獨立性.前文提出的控制方法具有現(xiàn)實可行性.

實驗結果與理論計算存在一些誤差，經(jīng)分析，產(chǎn)生誤差的原因有以下幾點：

(1) 為保證兩路PWM信號不發(fā)生邊沿交疊，控制時序中插入了“死區(qū)時間”，混色光的光通量略低于單路白光.

(2) 隨著實驗進行，LED芯片結溫上升，自身光效和色溫發(fā)生變化.

(3) 均光罩對不同波長的光吸收程度存在差異，影響出光的光度與色溫.

(4) 實驗存在實驗誤差，對測量結果有一定影響.

5結論

文中提出一種高效的基于時間混色方式的LED冷暖雙色調光調色照明光源的表征方法，并基于該方法提出了一種新型的控制策略.在保證調色、調光互相獨立的情況下，有效地解決了驅動電源過載問題和MCU運算負擔過重的問題.為設計高效能、小體積、高可靠性的冷暖雙色LED照明系統(tǒng)提供了一種新的設計依據(jù).

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A Dimming Lighting Based on Cold and Warm White LEDs in Time Hybrid Color Mode

Li Nan, Pan Yong-xiong, Su Cheng-yue, Huang Ming-xu

(School of Physics and Optoelectronic Engineering, Guangdong University of Technology, Guangzhou 510006, China)

Abstract:According to the huge market demand for the PWM dimming lamps of two-channel cold/warm LED lighting source and the existing problems in dimming technique, a lighting source system control algorithm based on time hybrid color mode is proposed in this paper and the independent modulation of hybrid lighting source luminance and color temperature are realized by this method. Experimental result shows that, in the process of color temperature adjustment, luminance keeps constant basically. And in the process of brightness adjustment, color temperature is also constant. This algorithm reduces the computing load of controller. At the same time, it improves the dimming control precision and eliminates the transient power overload phenomena for reliability of lighting system.

Key words:hybrid color lighting source; time hybrid color; pulse width modulation; light emitting diode

中圖分類號:TN206

文獻標志碼:A

文章編號:1007-7162(2016)01- 0077- 06

doi:10.3969/j.issn.1007- 7162.2016.01.015

作者簡介:李楠(1988-)，男，碩士研究生，主要研究方向為開關電源、LED照明技術.

基金項目:廣東省信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展專項現(xiàn)代信息服務業(yè)資助項目(2150510)

收稿日期:2014- 12- 16