工程師推薦基于兩通道PWM的LED調光調色方法

引言

2002年美國B(niǎo)rown 大學(xué)David Berson 等人在哺乳動(dòng)物的視網(wǎng)膜上發(fā)現了第三種感光細胞，它主要在調節人體內分泌、控制生理節律等非視覺(jué)生物效應方面發(fā)揮功能。照明設計也從單一地考慮視覺(jué)功能逐步過(guò)渡到考慮視覺(jué)與非視覺(jué)雙重功能上。研究表明，動(dòng)態(tài)照明在治療失眠、減輕飛機時(shí)差效應、提高工作效率等方面發(fā)揮作用。

為實(shí)現LED的動(dòng)態(tài)照明設計，需對光源的光色量進(jìn)行實(shí)時(shí)地控制，調制出符合光生物學(xué)要求的光譜。

這里的光色量是光度量和色度量的合稱(chēng)。LED 常用的調光方法有模擬調光和PWM(Pulse Width Modulation)調光兩種。前者是線(xiàn)性調節LED 電流，后者是使用開(kāi)關(guān)電路以相對于人眼識別力足夠高的頻率來(lái)改變光輸出的平均值。在調光過(guò)程中，防止色度量發(fā)生偏移相當重要。產(chǎn)生色偏的因素主要有兩個(gè)：正向導通電流和P-N 結溫度。模擬調光產(chǎn)生的色差取決于兩者，PWM 則主要決定于后者。一般情況下PWM產(chǎn)生較小的色差(白光LED因結溫引起的色差不超過(guò)4SDCM)，工程實(shí)踐中多不考慮PWM調光產(chǎn)生的色差。

恒流驅動(dòng)下的PWM 具有以下特點(diǎn)：改變LED 的占空比，光度量相應地線(xiàn)性改變而色度量保持恒定。光度量和色度量都是整數倍于方波周期時(shí)間內的平均值。PWM 也因具有較寬的調節范圍，在工程實(shí)踐中得到了廣泛應用。

目前對PWM調光調色的研究相對較少，此前尚缺乏一個(gè)利用PWM 同時(shí)控制光源光度量和色度量的量化計算方案。針對上述問(wèn)題，提出了兩通道PWM 調光調色的混光模型，建立了期望光色量與兩通道占空比之間的一一映射。該算法能定量地調制出期望光度、色度要求的光譜，為L(cháng)ED 的動(dòng)態(tài)照明設計提供了一個(gè)有效的實(shí)現方法。

方法

1、兩通道PWM 調光調色的確定性

理論上可以證明，通過(guò)對LED進(jìn)行混光，兩通道PWM的占空比與混合光的光色量之間存在確定的映射關(guān)系。這種確定性由PWM 混光技術(shù)下的幾何、光度、色度約束條件共同決定。

1.1、幾何約束條件

由色度學(xué)知識可知，混合光的色品坐標必在參與混光的兩光源色品坐標連線(xiàn)上，具體位置取決于兩種光源的混合比例。以此表示兩通道PWM 混光的幾何約束條件，用公式表示如下：

式中：xc、yc 和xw、yw 分別為參與混光的冷光源(高色溫LED)和暖光源(低色溫LED)在滿(mǎn)電流、占空比為100%下的色坐標;xm、ym 為混合光的色坐標。

1.2、光度約束條件

改變驅動(dòng)LED的PWM 占空比，其色度量不變而光度量相應地線(xiàn)性變化，且光度量的比值等于占空比的比值。根據測試條件，光度量可以是光通量、照度、亮度或光強，色度量可以是色品坐標或相關(guān)色溫。

若已知兩光源的占空比，則混合光的光度量可結合疊加原理計算如下：

式中：Yc、Yw 分別為參與混光的冷光源和暖光源在滿(mǎn)電流、占空比為100%下的光度量;Dc、Dw 分別為冷光源和暖光源的占空比;Ym 為混合光的光度量。這就是兩通道PWM 混光的光度約束條件。

1.3、色度約束條件

根據加混色原理及CIE1931 色坐標計算方法，占空比分別為Dc、Dw 時(shí)兩光源混光后的色坐標應滿(mǎn)足：