可調色溫的白光LED

隨著固態照明技術的性能與效率不斷超越傳統照明技術，該新技術得到了廣泛應用。不過，如果我們只是用靜態白光LED來取代傳統技術的話，就難以真正發揮固態照明技術的全部潛力，不能充分實現產品的特色化。在智能驅動器支持下，LED照明燈具不僅能取代白光照明，而且還能實現新的功能，而這些功能用傳統的照明技術是很難實現的。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/221991.htm

大家都知道：「所有色彩都包含白色」。根據相關色溫(CCT)，存在著不同的白色調，從暖白色（如白熾燈的光）直到冷白色（如眾多早期LED指示燈和電源LED的光），這兩種色調數值範圍在2700～6000K以上。如果我們採用傳統技術的話，只能添加對白光進行「調光」這種智能功能。如果採用固態照明技術的話，設計人員就能從中獲得全新的功能，比方說調節白光色溫，改變環境等。

這種新功能的優勢包括提高工作單位的效率，使零售環境對顧客變得更有吸引力，從而增加了客流量，並能在酒店服務行業產生一種更有親和力的光照歡迎效果。此外，我們還能根據不同的季節、產品、一天中的不同時段等來改變零售環境中的光照效果，從而促進銷售工作，而無須對商鋪進行大規模改造。亮度可調正是固態照明技術的特性之一，當然除此之外，固態照明還有節能、降低成本、延長設備工作時間等優勢，這些優勢都推動著LED技術在照明市場中的廣泛應用。

在改進功能之前，首要工作就是確保合適的照明效果。為了加快推廣速度，我們應當遵從傳統的照明技術規範，確保新技術的照明效果能夠滿足照明設計人員、架構師以及最終用戶的預期要求。只有能夠提供適當照明效果、且具備添加智能化功能的可擴展性、同時確保較低商業成本的技術，才能為照明市場帶來革命性的變革。性能（光照強度）、質量（色溫和色彩渲染）以及照明（光束角與發光強度）都是我們要考慮的重要參數。色彩渲染通常是用IEC規範中的顯色指數(CRI)標準來衡量，它體現的是準確複製照明色彩的能力。

舉例來說，紅色汽車在低壓鈉光下就會呈現褐色，這種光有一種琥珀色調，CRI較低。最終用戶希望能夠通過LED照明技術延長設備的使用時間，降低能耗和維護費用，但是如果新的照明技術達不到照明質量要求的話，則根本不會考慮採用此技術。只有在實現了有關照明效果性能要求的基礎上，我們才能轉而考慮如何增強功能。

要想對光照效果實現絕對的控制，就要解決一致性的問題。在採用可控的固態照明燈具時，我們始終要考慮色彩一致性的問題，要想到性能方面的差異，包括不同燈具之間隨時間推移而產生的差異，溫度和設定點等。儘管有相應的技術來解決上述問題，但整體系統開發仍對照明產業提出了挑戰。本文所述的模塊化或系統級實施方案有助於解決有關技術問題。採用適當電源和控制技術的LED系統應當成為當前技術的有益補充和配合，而不應與現有技術產生衝突，不一定要完全取代其他技術，只有這樣，才有助於加速新技術推廣。

不僅限於光源問題

要想取代小型的滷素燈，那么光源的光通量應達400～1000Lm之間。儘管LED性能不斷得到顯著改進，但能達到上述性能的高光通量密度光源還不多見。現有的單晶片LED的光通量能達到100Lm以上，但很少有能達到相當於20W、35W或50W滷素燈光通量的LED。我們可以把一些低性能LED組合起來，但是這會帶來光控制方面的問題。光的生成是一個問題，而控制光以實現最佳的光照效果又是另一個問題。我們應當設計出一種滿足所需光通量的統一光源，這有助於簡化光設計，並提高燈泡的效率。

散熱管理是任何高功率固態照明應用所不能忽視的又一重要問題。LED光源產生的熱量必須加以適當控制，這樣才能確保設備在一定的工作條件下達到足夠長的使用壽命。就LED的小型化封裝而言，散熱問題可能很難解決，但通過最小化熱阻，有助於緩解整個系統級問題。

設計可調白光的基本問題就是要支持多個可以分別控制並加以混合的色彩通道。確保波束色彩的一致性，不會出現彩色邊緣或陰影現象，這是一項相當複雜的工作。我們可通過減小LED或LED系統的光源大小來改善色彩混合。

一種解決方案是設計多晶片LED，儘可能準確地定位不同色彩，以縮短混合距離。儘管市場上出售各種多晶片封裝方案，但同時支持高光通量密度和色彩混合的封裝方案卻不多。大多數多晶片封裝由於低驅動電流的限制，光通量密度較低。此外，設計人員也可採用多個分立的高通量光源，但這會加大光源大小和色彩混合方面的問題。

光通量密度、調光性、色彩混合和散熱管理等綜合要求儘管並不是不能解決的問題，但確實對LED製造商提出了嚴峻的挑戰。不過，我們應當在LED內部解決上述問題，這有助於簡化OEM和系統集成商所面臨的問題。

我們開發出了多晶片高功率LED，以其作為可調「白點」的光源，這樣可減少色彩混合方面的問題，並支持微型化的點光源照明應用。相對於傳統功率LED和陣列組裝而言，這種10～15W的封裝方案不僅能顯著提高光輸出功率，而且還能大幅改進光通量密度。這種LED針對散熱性能與可靠性進行了優化，可提高驅動電流，從而進一步改進光通量密度。材料、封裝以及組裝與裸片的連接工藝的優化組合可實現更出色的散熱性能，從而改進不同應用條件下的可用光照效果。

可調LED照明系統通常採用紅、綠、藍單色LED，通過混合來生成白光，這也稱作RGB技術。RGB技術能支持豐富的色彩和可調的白光，但CRI值卻相當低。這種系統可支持的色彩渲染CRI數值通常在40～60之間，具體取決於目標色彩溫度。內部照明通常要求CRI數值在80以上，要是在零售和博物館等特定環境中，則要求更高的CRI數值。因此，這種光可以完全適用於信號或環境上色（color-washing）應用，但不太適合用做室內照明的可調白光源。

提高CRI數值的一種可能辦法就是增加色彩成分。通過添加琥珀色來實現RGBA系統，我們可大幅改善CRI值，同時又能確保色點的可調性。此外我們仍能實現極高的色彩靈活度，但對室內照明更重要的是，我們可以在黑體線上移動白點，同時又能讓CRI值趨近於90，這就實現了較好的色彩渲染效果，並生成高質量白光。

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我們可將上述產品因素相結合，獲得較好的性能結果。例如，目前已經推出10W的RGBA發射器（見圖1），其可實現高光通量密度、色彩控制與混合等功能，而且其封裝針對散熱性能與高可靠性進行了精心優化。

使用這種類型的LED，我們可以開發出一款滿足適當光照亮度和質量的燈泡，而且還能支持白點調節，以改善色彩渲染效果

圖1所示的產品封裝為7mm×7mm，單顆晶片的持續工作電流可高達1000mA，光通量為350Lm時，功耗僅為10W。

圖1 10W可調白光產品採用可獨立尋址的多晶片封裝

多色LED發射器介紹多色LED發射器也需要智能化和集成式控制器，原因如下：

圖2 光譜能量分布對比

多通道驅動器：就給定的色溫而言，高質量CRI（90以上）會需要多種類型的LED。CRI是光源的光譜能量分布(SPD)的一個函數。SPD是指給定波長（頻率）下光源的輻射量。CRI數值表現最好(97以上)的白熾燈工作壽命較短（750～2500小時），效率也較低（美國能源部的數據為10～17Lm/W）。圖2顯示了白熾燈的SPD曲線與RGB光源曲線的對比情況。

顯然，RGB光源本身尚不足以支持較高的CRI。設計人員需要添加更多色彩通道填充到頻帶中，這樣就能獲得接近於白熾燈的曲線。因此，器件必須採用最少4通道的驅動器來驅動紅、綠、藍與琥珀色或紅、綠、琥珀色與自然白光的組合。這種控制器可在工廠製造階段編程以獲得正確的u、v元素值，也可通過通信連結動態編程。

EMI控制：由於高速開關調節器的緣故，高亮度(HB)LED燈具會產生較高的電磁幹擾(EMI)，我們應通過特殊設計技術對此加以控制。我們可採用依靠隨機處理的強度調製技術，通過偽隨機計數器生成的不含主導周期性分量的輸出函數，獲得一個從EMI/EMC角度而言噪聲較低、便於使用的調製輸出。

補償：LED設計需要進行一系列複雜的計算才能獲得一致性的色彩。高亮度LED工程師目前所面臨的兩個最大問題在於如何根據生產編碼解決不同的LED性能規格問題，以及LED在不同溫度上的性能降低問題（如光通量輸出與波長）。LED燈具需要智能驅動器、通過預測的方式來確保色彩和CRI在不同時間與溫度下的一致性。對某些應用而言，這種驅動器還應當能夠接受色彩和溫度的實時反饋數據，從而確保燈具的性能。

調光：LED燈具應便於調光，其解析度應支持深色功能，而且應當避免低亮度下的閃爍問題。

圖3 如賽普拉斯半導體公司推出的PSoCExpress等LED專用開發控制軟體

為了幫助開發人員解決多個LED通道以及複雜的色彩設計與管理問題，一些公司推出了能夠驅動多個LED的硬體以及旨在簡化LED開發與控制的軟體，如圖3所示。

通過單個器件驅動多個通道（就賽普拉斯半導體公司推出的EZ-Color控制器而言是16個），我們能大幅減少大型設計方案所需的控制器數量，從而降低設計複雜性和功耗，並節約板級空間佔用。

此外，我們還提供直接可用的軟體驅動器，從而顯著減少了HBLED設計中（包括建築照明、通用標誌牌、可充電手電筒、娛樂照明與車輛應急燈等）普遍存在的低頻閃爍與EMI放射問題。集成式開發環境還能通過嵌入式可視化設計工具簡化設計工作，因此即便是缺乏經驗的工程師也能為選定的LED方便地選擇特殊色彩。

LED技術與控制技術持續快速發展，新式LED開啟了更出色照明功能的可能性，並能確保預期照明質量。儘管開發上述照明系統的工作非常複雜，但製造商們正在努力應對挑戰以加速技術推廣。目前，通過LedEngin等廠商推出的高功率多晶片LED以及LED專用控制軟體相結合，我們能推出高性能、高質量的可調光照明燈具，確保照明性能不亞於傳統的滷素燈光源。