解析白光及彩色光LED智能照明的设计[有图有真相]

    LED（Light Emitting Diode），发光二极管，是一种固态的半导体器件，它可以直接把电转化为光。LED的心脏是一个半导体的晶片，晶片的一端附在一个支架上，一端是负极，另一端连接电源的正极，使整个晶片被环氧树脂封装起来。半导体晶片由两部分组成，一部分是P型半导体，在它里面空穴占主导地位，另一端是N型半导体，在这边主要是电子。但这两种半导体连接起来的时候，它们之间就形成一个“P-N结”。当电流通过导线作用于这个晶片的时候，电子就会被推向P区，在P区里电子跟空穴复合，然后就会以光子的形式发出能量，这就是LED发光的原理。而光的波长决定光的颜色，是由形成P-N结材料决定的。

　　随着功率的增加，LED的散热问题显得越来越突出，大量实际应用表明，LED不能加大输入功率的基本原因，是由于LED在工作过程中会放出大量的热，使管芯结温迅速上升，热阻变大。输入功率越高，发热效应越大。温度的升高将导致器件性能变化与衰减，非辐射复合增加，器件的漏电流增加，半导体材料缺陷增长，金属电极电迁移，封装用环氧树脂黄化等等，严重影响LED的光电参数。甚至使功率LED失效。因此，对于LED器件，降低热阻与结温、对发光二极管的热特性进行研究显得日趋重要。

　　智能照明

　　高亮度LED(HB-LED)代表着照明技术的未来，而且近年来人们对HB-LED技术的关注程度也越来越高。考虑到HB-LED性能(流明∕瓦特)的显著提高与成本(流明∕美元)急剧下降，人们这样做就不足为奇了。此外，目前都在踊跃参加“绿色行动”，在此大环境下，HB-LED甚至对目前备受欢迎的高性价比但生态不太友好的含汞荧光灯提出了强有力的挑战。虽然HB-LED的高效率与环保优势是宣传重点，但“智能照明”功能将成为推动HB-LED技术进一步发展的重要力量。

　　智能照明技术的应用范围相当广泛，受限的是我们的想象力。本文将重点讨论智能照明中的一个重要应用领域——调光功能。过去，调光主要是指调节光的明暗，或通过光学器件操控光的散射图案。就HB-LED而言，调光意味着对光的不同特性进行操控。首先，设计人员必须考虑要生成何种类型的光：白光，彩色光，还是兼而有之。如是白光，设计人员可调节色温与显色指数(CRI)。如是彩色光，设计人员可以根据系统中所用的LED彩色通道的数量，混合来自同一固定LED通道组的整个光谱的颜色。通过混合彩色光，还可在同一照明装置上生成白光和彩色光。这种灵活性确实会导致复杂性的增加，并且要在每种系统之间作出权衡。

　　HB-LED系统设计

　　每种智能照明系统都包含下列基本构建模块(图1)：HB-LED，某种类型的电源拓扑(本文仅讨论开关模式稳压器)和混合信号控制器。设计人员首先面临的挑战就是选择LED。LED的主要供应商包括Lumileds、Cree、Nichia和Osram等，他们的产品在额定功率和电流、散射图案、色彩、效率、外形尺寸、散热特性、档次(bin)以及每个封装的LED数量方面各有不同。这些参数对白光与彩色光来说都是相同的，但白光还要考虑色温与显色指数CRI。

图1：智能照明系统框图　　　

　　工业设计的限制和市场需求通常有助于缩小对大多数LED特征参数的选择范围。多数情况下，设计人员应着重考虑LED的散热特性，对小型化器件或占用空间受限且不能使用大型散热器的应用尤应如此。同样，光学技术有助于减轻散射图案不佳的问题，而混合信号控制器则能大幅减少温度与器件分选的局限。

　　首先应明确到底该选用分立元件还是集成电路，这是缩小适用智能照明系统的电源拓扑类型的步。分立式实施方案可调谐到特定的系统，所以其成本更低、更灵活，但占用较大的电路板空间且需要的设计技术。电源管理IC提供了一种紧凑的解决方法，虽然成本较高，但占用的电路板空间较小，且更易于设计。

　　其次，根据照明系统对效率的不同要求，设计人员需在线性或开关拓扑之间做出选择。效率的重要性体现在两个方面。首先，功率转换效率越高，功率浪费就越少。第二，减少功率浪费意味着系统产生的热量也更少。线性稳压器比较简单，成本也较低，但通常效率较差。

　　再次，设计人员必须为智能照明系统选择一个混合信号控制器。HB-LED系统的大部分智能性与灵活性都是由该器件实现的，它甚至还能解决HB-LED调光带来的某些技术难题。因此，选择具有尽可能高的灵活性与尽可能多的有用外设的混合信号控制器是很重要的。通常情况下，一个8位MCU内核足以为大多数照明应用提供足够的处理能力，以及足够的RAM或闪存。　　　

　　设计人员应特别注意MCU器件上的数字与模拟外设。对于数字外设，专用的硬件调光通道数量及其分辨率和实现不同通信接口的能力都非常重要。调光通道用于驱动降压稳压器，软件计数器虽然也可用来实现这一功能，但软件调光通道会消耗宝贵的处理能力，使器件难以执行其它功能。　　　

　　智能照明系统通常至少采用8位分辨率以取得较高的色彩。如果系统质量要求极高，可采用高达16位的分辨率。但对大多数应用而言，8位分辨率就足够实现所需的，设计人员通常在低输出电平情况下通过较高分辨率来实现较好的调光线性。一些设计人员则转而采用更智能的插值法来解决低电平情况下的输出变化问题。

　　大多数MCU厂商都会在其控制器中部分或全部地提供这些外设，但设计人员可能很快就会发现，随着系统要求的变化，所需的外设品种也会发生相应变化。要想让系统设计做到照顾未来创新技术的前瞻性确实会面临巨大挑战，特别是考虑到HB-LED照明系统本身还是一种新生事物。如果系统需要超高性能，那么FPGA会是一种较好的物超所值的解决方案。具有可配置外设与可路由I/O的控制器可提供的灵活性。

　　实现高质量的白光

　　色温就是指白光的颜色(与直觉不同，暖白光的色温较低，而冷白光的色温较高)，它通常与1931 CIE比色图表上的普朗克轨迹相关。色温描述的是标准黑体辐射源被加热到不同温度时所产生的白光颜色(图2)。例如，加热到2500K的标准黑体辐射源被认为是较暖的白光；如果加热到7000K就认为是冷白光。HB-LED系统实际上不能直接实现符合普朗克轨迹的颜色，相反其色温是通过相关色温(CCT)测量的。

图2：普朗克轨迹与色温　　　

　　显色指数是通过比较主光源与参考光源之间不同色彩的呈现来描述白光质量的一个参数。通俗地讲，显色指数描述的是主光源以相对参考光源1到100倍的强度照射的物体表面的色彩保真度。通过选择适当的LED、使用适当数量的不同LED通道以及采用混合信号处理器智能地控制这些通道可以调节色温与显色指数。仅包括白光LED的白光系统在色温方面灵活性有限，但在系统的白光LED原生色温下，白光系统的显色指数CRI性能卓越。由于CRI在很大程度上取决于系统中的LED色谱，因此根据经验，LED(特别是不同颜色的LED)越多，CRI就越高。

　　对彩色光系统而言，设计人员关心的是色彩、色彩分辨率以及可混合色彩的光谱。如前所述，在其中发挥重要作用的一个因素是调光分辨率。化可混合色彩的光谱取决于系统中LED生成的色域，它与构成色域的不同LED色彩的数量直接相关。LED数量与调光分辨率还会影响色彩分辨率。大多数彩色光系统少有三个LED，通常为红绿蓝三原色。如果智能照明系统需要生成特定的目标色彩，那么设计人员可以通过在1931 CIE比色图表上绘制LED并简单地连接绘制点以观察色域来判断所选LED是否能混合该种颜色。如果色域不覆盖目标颜色，那么设计人员可添加新的LED色彩，从而通过扩大色域来包含这种可混合的色彩(图3)。

图3：用4个LED扩展色域的实例

　　设计挑战

　　如前所述，白光和彩色光智能照明系统可以受益于使用三个或更多LED，但是除了在光学技术和散热性能方面面临诸多挑战外，在算法上也会更加复杂。一个明显的挑战就是如何提供达到要求数量且具有灵活调光分辨率的硬件调光通道。使用四个或更多LED的系统也需要更具创造性的算法来调节色温、混合色彩或提高显色指数CRI。

　　显然，智能照明系统需要通过某种方式管理散热与器件分选。LED不通过辐射散热，而是借助于二极管的结点来传导热量。事实上，随着LED温度的升高，某些LED的流明输出会降低(比如红光就会受到严重影响)，甚至光输出波长也会发生偏移。因此，非常重要的一点是要从LED底座尽可能多地传导出热量。

　　LED发光二极管主要由PN结芯片、电极和光学系统组成。其发光过程包括三部分：正向偏压下的载流子注入、复合辐射和光能传输。微小的半导体晶片被封装在洁净的环氧树脂物中，当电子经过该晶片时，带负电的电子移动到带正电的空穴区域并与之复合，电子和空穴消失的同时产生光子。电子和空穴之间的能量（带隙）越大，产生的光子的能量就越高。光子的能量反过来与光的颜色对应，可见光的频谱范围内，蓝色光、紫色光携带的能量多，桔色光、红色光携带的能量少。由于不同的材料具有不同的能量，从而能够发出不同颜色的光。

　　对关注色彩质量的设计人员来说，他们可购买某些更昂贵的特殊LED(售价会高出15%到20%)，也可通过混合信号控制器的可编程性进行弥补。设计人员可以输入器件分选表，这种表存储了系统中的LED可能的分选特征。这样，在制造阶段拿到实际LED时，就可以用实际分档代码更新混合信号控制器，并做出相应的补偿。

　　许多人发现，固态照明技术设计需要综合具备光学、机械和电气设计经验，而很少人有这样的本事，因此新的复杂技术难题不断出现。特别是现在设计人员必须使用混合信号控制器，因此还必须掌握嵌入式设计技术。幸运的是，现在的工具可以提供可视化的设计环境，毋需编写代码就能满足HB-LED智能照明系统的设计需要，设计人员还能利用C语言等传统语言编程。无论如何，出色的开发工具、参考设计和项目实例都是非常重要的。

　　led被认为是21世纪的照明光源。LED发光器件是冷光源，光效高，工作电压低，而且能耗低，同样亮度下，LED能耗为白炽灯的10％，荧光灯的50％。LED寿命可达10万小时，是荧光灯的10倍，白炽灯的100倍。用LED替代白炽灯或荧光灯，环保无污染。使用安全可靠，便于维护。我国照明用电占总发电量的12％。目前，公共建筑的照明灯具控制大多采用手动开关，经常出现没有及时开关的现象，从而造成大量的能源浪费和使用上的不便。另外，不必要的使用，也会缩短灯具的使用寿命。

　　因此设计人员在发挥HB-LED的智能、灵活性及其环保优势的同时面临着诸多挑战。通过智能照明设计方法，设计人员可经济有效地减少或消除大多数此类问题。