熱烈歡迎下一代照明技術(shù)可調白光LED的到來(lái)

隨著(zhù)固態(tài)照明技術(shù)的性能與效率不斷超越傳統照明技術(shù)，該新技術(shù)得到了廣泛應用。不過(guò)，如果我們只是用靜態(tài)白光LED來(lái)取代傳統技術(shù)的話(huà)，就難以真正發(fā)揮固態(tài)照明技術(shù)的全部潛力，不能充分實(shí)現產(chǎn)品的特色化。在智能驅動(dòng)器支持下，LED照明燈具不僅能取代白光照明，而且還能實(shí)現新的功能，而這些功能用傳統的照明技術(shù)是很難實(shí)現的。

大家都知道：“所有色彩都包含白色”。根據相關(guān)色溫(CCT)，存在著(zhù)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），這兩種色調數值范圍在2700～6000K以上。如果我們采用傳統技術(shù)的話(huà)，只能添加對白光進(jìn)行“調光”這種智能功能。如果采用固態(tài)照明技術(shù)的話(huà)，設計人員就能從中獲得全新的功能，比方說(shuō)調節白光色溫，改變環(huán)境等。

這種新功能的優(yōu)勢包括提高工作單位的效率，使零售環(huán)境對顧客變得更有吸引力，從而增加了客流量，并能在酒店服務(wù)行業(yè)產(chǎn)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(chǎn)品、一天中的不同時(shí)段等來(lái)改變零售環(huán)境中的光照效果，從而促進(jìn)銷(xiāo)售工作，而無(wú)須對商鋪進(jìn)行大規模改造。亮度可調正是固態(tài)照明技術(shù)的特性之一，當然除此之外，固態(tài)照明還有節能、降低成本、延長(cháng)設備工作時(shí)間等優(yōu)勢，這些優(yōu)勢都推動(dòng)著(zhù)LED技術(shù)在照明市場(chǎng)中的廣泛應用。

在改進(jìn)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(shù)規范，確保新技術(shù)的照明效果能夠滿(mǎn)足照明設計人員、架構師以及最終用戶(hù)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(shí)確保較低商業(yè)成本的技術(shù)，才能為照明市場(chǎng)帶來(lái)革命性的變革。性能（光照強度）、質(zhì)量（色溫和色彩渲染）以及照明（光束角與發(fā)光強度）都是我們要考慮的重要參數。色彩渲染通常是用IEC規范中的顯色指數(CRI)標準來(lái)衡量，它體現的是準確復制照明色彩的能力。

舉例來(lái)說(shuō)，紅色汽車(chē)在低壓鈉光下就會(huì )呈現褐色，這種光有一種琥珀色調，CRI較低。最終用戶(hù)希望能夠通過(guò)LED照明技術(shù)延長(cháng)設備的使用時(shí)間，降低能耗和維護費用，但是如果新的照明技術(shù)達不到照明質(zhì)量要求的話(huà)，則根本不會(huì )考慮采用此技術(shù)。只有在實(shí)現了有關(guān)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(shí)現絕對的控制，就要解決一致性的問(wèn)題。在采用可控的固態(tài)照明燈具時(shí)，我們始終要考慮色彩一致性的問(wèn)題，要想到性能方面的差異，包括不同燈具之間隨時(shí)間推移而產(chǎn)生的差異，溫度和設定點(diǎn)等。盡管有相應的技術(shù)來(lái)解決上述問(wèn)題，但整體系統開(kāi)發(fā)仍對照明產(chǎn)業(yè)提出了挑戰。本文所述的模塊化或系統級實(shí)施方案有助于解決有關(guān)技術(shù)問(wèn)題。采用適當電源和控制技術(shù)的LED系統應當成為當前技術(shù)的有益補充和配合，而不應與現有技術(shù)產(chǎn)生沖突，不一定要完全取代其他技術(shù)，只有這樣，才有助于加速新技術(shù)推廣。

不僅限于光源問(wèn)題

要想取代小型的鹵素燈，那幺光源的光通量應達400～1000Lm之間。盡管LED性能不斷得到顯著(zhù)改進(jìn)，但能達到上述性能的高光通量密度光源還不多見(jiàn)?，F有的單芯片LED的光通量能達到100Lm以上，但很少有能達到相當于20W、35W或50W鹵素燈光通量的LED。我們可以把一些低性能LED組合起來(lái)，但是這會(huì )帶來(lái)光控制方面的問(wèn)題。光的生成是一個(gè)問(wèn)題，而控制光以實(shí)現最佳的光照效果又是另一個(gè)問(wèn)題。我們應當設計出一種滿(mǎn)足所需光通量的統一光源，這有助于簡(jiǎn)化光設計，并提高燈泡的效率。

散熱管理是任何高功率固態(tài)照明應用所不能忽視的又一重要問(wèn)題。LED光源產(chǎn)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(cháng)的使用壽命。就LED的小型化封裝而言，散熱問(wèn)題可能很難解決，但通過(guò)最小化熱阻，有助于緩解整個(gè)系統級問(wèn)題。

設計可調白光的基本問(wèn)題就是要支持多個(gè)可以分別控制并加以混合的色彩通道。確保波束色彩的一致性，不會(huì )出現彩色邊緣或陰影現象，這是一項相當復雜的工作。我們可通過(guò)減小LED或LED系統的光源大小來(lái)改善色彩混合。

一種解決方案是設計多芯片LED，盡可能準確地定位不同色彩，以縮短混合距離。盡管市場(chǎng)上出售各種多芯片封裝方案，但同時(shí)支持高光通量密度和色彩混合的封裝方案卻不多。大多數多芯片封裝由于低驅動(dòng)電流的限制，光通量密度較低。此外，設計人員也可采用多個(gè)分立的高通量光源，但這會(huì )加大光源大小和色彩混合方面的問(wèn)題。

光通量密度、調光性、色彩混合和散熱管理等綜合要求盡管并不是不能解決的問(wèn)題，但確實(shí)對LED制造商提出了嚴峻的挑戰。不過(guò)，我們應當在LED內部解決上述問(wèn)題，這有助于簡(jiǎn)化OEM和系統集成商所面臨的問(wèn)題。

我們開(kāi)發(fā)出了多芯片高功率LED，以其作為可調“白點(diǎn)”的光源，這樣可減少色彩混合方面的問(wèn)題，并支持微型化的點(diǎn)光源照明應用。相對于傳統功率LED和陣列組裝而言，這種10～15W的封裝方案不僅能顯著(zhù)提高光輸出功率，而且還能大幅改進(jìn)光通量密度。這種LED針對散熱性能與可靠性進(jìn)行了優(yōu)化，可提高驅動(dòng)電流，從而進(jìn)一步改進(jìn)光通量密度。材料、封裝以及組裝與裸片的連接工藝的優(yōu)化組合可實(shí)現更出色的散熱性能，從而改進(jìn)不同應用條件下的可用光照效果。

可調LED照明系統通常采用紅、綠、藍單色LED，通過(guò)混合來(lái)生成白光，這也稱(chēng)作RGB技術(shù)。RGB技術(shù)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，具體取決于目標色彩溫度。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(huán)境中，則要求更高的CRI數值。因此，這種光可以完全適用于信號或環(huán)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(guò)添加琥珀色來(lái)實(shí)現RGBA系統，我們可大幅改善CRI值，同時(shí)又能確保色點(diǎn)的可調性。此外我們仍能實(shí)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(xiàn)上移動(dòng)白點(diǎn)，同時(shí)又能讓CRI值趨近于90，這就實(shí)現了較好的色彩渲染效果，并生成高質(zhì)量白光。

我們可將上述產(chǎn)品因素相結合，獲得較好的性能結果。例如，目前已經(jīng)推出10W的RGBA發(fā)射器（見(jiàn)圖1），其可實(shí)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(jìn)行了精心優(yōu)化。

使用這種類(lèi)型的LED，我們可以開(kāi)發(fā)出一款滿(mǎn)足適當光照亮度和質(zhì)量的燈泡，而且還能支持白點(diǎn)調節，以改善色彩渲染效果。圖1所示的產(chǎn)品封裝為7mm7mm，單顆芯片的持續工作電流可高達1000mA，光通量為350Lm時(shí)，功耗僅為10W。

圖1 10W可調白光產(chǎn)品采用可獨立尋址的多芯片封裝

多色LED發(fā)射器介紹多色LED發(fā)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(dòng)器：就給定的色溫而言，高質(zhì)量CRI（90以上）會(huì )需要多種類(lèi)型的LED。CRI是光源的光譜能量分布(SPD)的一個(gè)函數。SPD是指給定波長(cháng)（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(shí)），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(xiàn)與RGB光源曲線(xiàn)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，這樣就能獲得接近于白熾燈的曲線(xiàn)。因此，器件必須采用最少4通道的驅動(dòng)器來(lái)驅動(dòng)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(chǎng)制造階段編程以獲得正確的u、v元素值，也可通過(guò)通信鏈接動(dòng)態(tài)編程。

EMI控制：由于高速開(kāi)關(guān)調節器的緣故，高亮度(HB)LED燈具會(huì )產(chǎn)生較高的電磁干擾(EMI)，我們應通過(guò)特殊設計技術(shù)對此加以控制。我們可采用依靠隨機處理的強度調制技術(shù)，通過(guò)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(gè)從EMI/EMC角度而言噪聲較低、便于使用的調制輸出。

補償：LED設計需要進(jìn)行一系列復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(gè)最大問(wèn)題在于如何根據生產(chǎn)編碼解決不同的LED性能規格問(wèn)題，以及LED在不同溫度上的性能降低問(wèn)題（如光通量輸出與波長(cháng)）。LED燈具需要智能驅動(dòng)器、通過(guò)預測的方式來(lái)確保色彩和CRI在不同時(shí)間與溫度下的一致性。對某些應用而言，這種驅動(dòng)器還應當能夠接受色彩和溫度的實(shí)時(shí)反饋數據，從而確保燈具的性能。

調光：LED燈具應便于調光，其分辨率應支持深色功能，而且應當避免低亮度下的閃爍問(wèn)題。

圖3 如賽普拉斯半導體公司推出的PSoC Express等LED專(zhuān)用開(kāi)發(fā)控制軟件

為了幫助開(kāi)發(fā)人員解決多個(gè)LED通道以及復雜的色彩設計與管理問(wèn)題，一些公司推出了能夠驅動(dòng)多個(gè)LED的硬件以及旨在簡(jiǎn)化LED開(kāi)發(fā)與控制的軟件，如圖3所示。

通過(guò)單個(gè)器件驅動(dòng)多個(gè)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(gè)），我們能大幅減少大型設計方案所需的控制器數量，從而降低設計復雜性和功耗，并節約板級空間占用。

此外，我們還提供直接可用的軟件驅動(dòng)器，從而顯著(zhù)減少了HB LED設計中（包括建筑照明、通用標志牌、可充電手電筒、娛樂(lè )照明與車(chē)輛應急燈等）普遍存在的低頻閃爍與EMI放射問(wèn)題。集成式開(kāi)發(fā)環(huán)境還能通過(guò)嵌入式可視化設計工具簡(jiǎn)化設計工作，因此即便是缺乏經(jīng)驗的工程師也能為選定的LED方便地選擇特殊色彩。

結束語(yǔ)

LED技術(shù)與控制技術(shù)持續快速發(fā)展，新式LED開(kāi)啟了更出色照明功能的可能性，并能確保預期照明質(zhì)量。盡管開(kāi)發(fā)上述照明系統的工作非常復雜，但制造商們正在努力應對挑戰以加速技術(shù)推廣。目前，通過(guò)LedEngin等廠(chǎng)商推出的高功率多芯片LED以及LED專(zhuān)用控制軟件相結合，我們能推出高性能、高質(zhì)量的可調光照明燈具，確保照明性能不亞于傳統的鹵素燈光源。