中心議題：

• 白光和彩色光智能照明係統解決方案

解決方案：

• HB-LED係統設計

高亮度LED為wei照zhao明ming產chan業ye帶dai來lai了le持chi續xu的de變bian革ge，它ta為wei包bao括kuo白bai光guang和he彩cai色se光guang設she計ji在zai內nei的de各ge種zhong照zhao明ming係xi統tong增zeng加jia了le更geng多duo的de靈ling活huo性xing與yu智zhi能neng化hua。這zhe些xie照zhao明ming係xi統tong使shi設she計ji人ren員yuan既ji能neng動dong態tai控kong製zhi 色溫，又能在白光應用中保持高的顯色指數(CRI)。此外
，這些係統還能產生寬範圍的高精度彩色光譜。盡管白光與彩色光看上去差別很大，但大多數LED智 能照明應用都是采用混合信號控製器、恒流驅動器和高亮度LED這些基本組件進行設計生產。白光與彩色光設計中通常使用多個LED通道

，因此所有LED設計 方案都需解決器件分選

、溫度效應
、老化及整體色彩精度等問題。采用混合信號控製器不愧為一種強有力的有效方法
，既能智能地處理上述問題，又能確保實現高精 度白光或彩色光。對眾多從傳統照明(白熾燈、熒光燈)設計轉向LED照明的設計人員來說

，如何用好混合信號控製器已成為一個巨大的挑戰。

本文將探討白光應用與彩色光應用設計之間的相同點與不同點、LED係統設計麵臨的挑戰以及有助於設計人員解決上述問題的功能強大的一些現成解決方案(有些甚至無需編碼)。

智能照明
高亮度LED(HB-LED)代表著照明技術的未來，而且近年來人們對HB-LED技術的關注程度也越來越高。考慮到HB-LED性能(流明∕瓦 特)的顯著提高與成本(流明∕美元)急劇下降，人們這樣做就不足為奇了。此外，目前全球都在踴躍參加“綠色行動”
，在此大環境下，HB-LED甚至對目前 備受歡迎的高性價比但生態不太友好的含汞熒光燈提出了強有力的挑戰。雖然HB-LED的高效率與環保優勢是宣傳重點
，但“智能照明”功能將成為推動HB- LED技術進一步發展的重要力量。

智能照明技術的應用範圍相當廣泛，唯一受限的是我們的想象力。本文將重點討論智能照明中的一個重要應用領域——調光功能。過去，調光主要是指調節光 的明暗
，或通過光學器件操控光的散射圖案。就HB-LED而言，調光意味著對光的不同特性進行操控。首先

，設計人員必須考慮要生成何種類型的光：白光，彩 色光，還是兼而有之。如是白光，設計人員可調節色溫與顯色指數(CRI)。如是彩色光
，設計人員可以根據係統中所用的LED彩色通道的數量

，混合來自同一 固定LED通tong道dao組zu的de整zheng個ge光guang譜pu的de顏yan色se。通tong過guo混hun合he彩cai色se光guang
，還hai可ke在zai同tong一yi照zhao明ming裝zhuang置zhi上shang生sheng成cheng白bai光guang和he彩cai色se光guang。這zhe種zhong靈ling活huo性xing確que實shi會hui導dao致zhi複fu雜za性xing的de增zeng加jia
，並bing且qie要yao在zai每mei種zhong係xi統tong之zhi間jian作zuo 出權衡。幸運的是，盡管白光係統和彩色光係統看上去截然不同，但實際上它們的設計方法基本上是一樣的。

HB-LED係統設計
每種智能照明係統都包含下列基本構建模塊：HB-LED，某種類型的電源拓撲(本文僅討論開關模式穩壓器)和混合信號控製器。設計人員首先麵臨的挑 戰就是選擇LED。LED的主要供應商包括Lumileds
、Cree
、Nichia和Osram等，他們的產品在額定功率和電流、散射圖案、色彩、效 率、外形尺寸、散熱特性
、檔次(bin)以及每個封裝的LED數量方麵各有不同。這些參數對白光與彩色光來說都是相同的，但白光還要考慮色溫與顯色指數 CRI。

高級工業設計的限製和市場需求通常有助於縮小對大多數LED特征參數的選擇範圍。多數情況下
，設計人員應著重考慮LED的散熱特性，對小型化器件或 占zhan用yong空kong間jian受shou限xian且qie不bu能neng使shi用yong大da型xing散san熱re器qi的de應ying用yong尤you應ying如ru此ci。同tong樣yang，光guang學xue技ji術shu有you助zhu於yu減jian輕qing散san射she圖tu案an不bu佳jia的de問wen題ti
，而er混hun合he信xin號hao控kong製zhi器qi則ze能neng大da幅fu減jian少shao溫wen度du與yu器qi件jian分fen選xuan的de局ju限xian。

shouxianyingmingquedaodigaixuanyongfenliyuanjianhaishijichengdianlu，zheshisuoxiaoshiyongzhinengzhaomingxitongdedianyuantuopuleixingdediyibu。fenlishishishifanganketiaoxiedaotedingdexitong，suoyiqichengbengeng 低、更靈活
，但占用較大的電路板空間且需要專業的設計技術。電源管理IC提供了一種緊湊的解決方法
，雖然成本較高，但占用的電路板空間較小，且更易於設 計。

其(qi)次(ci)，根(gen)據(ju)照(zhao)明(ming)係(xi)統(tong)對(dui)效(xiao)率(lv)的(de)不(bu)同(tong)要(yao)求(qiu)，設(she)計(ji)人(ren)員(yuan)需(xu)在(zai)線(xian)性(xing)或(huo)開(kai)關(guan)拓(tuo)撲(pu)之(zhi)間(jian)做(zuo)出(chu)選(xuan)擇(ze)。效(xiao)率(lv)的(de)重(zhong)要(yao)性(xing)體(ti)現(xian)在(zai)兩(liang)個(ge)方(fang)麵(mian)。首(shou)先(xian)，功(gong)率(lv)轉(zhuan)換(huan)效(xiao)率(lv)越(yue)高(gao)
，功(gong)率(lv)浪(lang)費(fei)就(jiu)越(yue)少(shao)。第(di)二(er)，減(jian)少(shao)功(gong)率(lv)浪(lang)費(fei)意(yi)味(wei)著(zhe)係(xi)統(tong)產(chan)生(sheng)的(de)熱(re)量(liang)也(ye)更(geng)少(shao)。線(xian)性(xing)穩(wen)壓(ya)器(qi)比(bi)較(jiao)簡(jian)單(dan)，成(cheng)本(ben)也(ye)較(jiao)低(di)，但(dan)通(tong)常(chang)效(xiao)率(lv)較(jiao)差(cha)。

erkaiguanwenyaqiyouyuxuyaodianganqiyinergengfuza，tongchangyegenganggui，danqixiaolvjiaogao，buguanwenyaqideshurushuchudianyaruhe，junkequdejiaogaodexiaolv。xianxingwenyaqiyukaiguanwenyaqi 既可采用單片IC設計
，也可采用分立元件設計。根據照明係統的電源電壓
，設計人員應相應地選擇使用降壓、升壓或升降壓開關拓撲。線性拓撲還有一個缺點就是 不能升壓。

再次，設計人員必須為智能照明係統選擇一個混合信號控製器。HB-LED係統的大部分智能性與靈活性都是由該器件實現的，它甚至還能解決HB- LED調光帶來的某些技術難題。因此，選擇具有盡可能高的靈活性與盡可能多的有用外設的混合信號控製器是很重要的。通常情況下
，一個8位MCU內核足以為 大多數照明應用提供足夠的處理能力，以及足夠的RAM或閃存。

設計人員應特別注意MCU器qi件jian上shang的de數shu字zi與yu模mo擬ni外wai設she。對dui於yu數shu字zi外wai設she
，專zhuan用yong的de硬ying件jian調tiao光guang通tong道dao數shu量liang及ji其qi分fen辨bian率lv和he實shi現xian不bu同tong通tong信xin接jie口kou的de能neng力li都dou非fei常chang重zhong要yao。調tiao光guang通tong道dao用yong於yu驅qu動dong降jiang壓ya穩wen壓ya器qi，軟ruan件jian計ji數shu器qi雖sui然ran也ye可ke用yong來lai實shi現xian這zhe一yi功gong能neng

，但dan軟ruan件jian調tiao光guang通tong道dao會hui消xiao耗hao寶bao貴gui的de處chu理li能neng力li
，使shi器qi件jian難nan以yi執zhi行xing其qi它ta功gong能neng。

智能照明係統通常至少采用8位分辨率以取得較高的色彩精度。如果係統質量要求極高，可采用高達16位的分辨率。但對大多數應用而言，8位分辨率就足 夠gou實shi現xian所suo需xu的de精jing度du，設she計ji人ren員yuan通tong常chang在zai低di輸shu出chu電dian平ping情qing況kuang下xia通tong過guo較jiao高gao分fen辨bian率lv來lai實shi現xian較jiao好hao的de調tiao光guang線xian性xing。一yi些xie設she計ji人ren員yuan則ze轉zhuan而er采cai用yong更geng智zhi能neng的de插cha值zhi法fa來lai解jie決jue低di電dian平ping情qing況kuang下xia的de輸shu出chu 變化問題。

常見的通信接口包括SPI、UART以及I2C，但同樣重要的是混合信號控製器也支持DALI、DMX512、射頻通信甚至電力線通信等重要的照明 接口。就模擬外設而言，設計人員應注意ADC
、PGA及比較器。ADC既可通過讀取溫度傳感器值的方式來支持溫度反饋，也可實現照明係統與周邊環境的多種 物理(模擬)方麵的智能互動。比較器和PGA可簡化電源拓撲的實施方案。

大多數MCU廠(chang)商(shang)都(dou)會(hui)在(zai)其(qi)控(kong)製(zhi)器(qi)中(zhong)部(bu)分(fen)或(huo)全(quan)部(bu)地(di)提(ti)供(gong)這(zhe)些(xie)外(wai)設(she)，但(dan)設(she)計(ji)人(ren)員(yuan)可(ke)能(neng)很(hen)快(kuai)就(jiu)會(hui)發(fa)現(xian)，隨(sui)著(zhe)係(xi)統(tong)要(yao)求(qiu)的(de)變(bian)化(hua)，所(suo)需(xu)的(de)外(wai)設(she)品(pin)種(zhong)也(ye)會(hui)發(fa)生(sheng)相(xiang)應(ying)變(bian)化(hua)。 要想讓係統設計做到照顧未來創新技術的前瞻性確實會麵臨巨大挑戰
，特別是考慮到HB-LED照明係統本身還是一種新生事物。如果係統需要超高性能
，那麼 FPGA會是一種較好的物超所值的解決方案。具有可配置外設與可路由I/O的控製器可提供最大的靈活性。[page]

實現高質量的白光

雖然每種智能白光和彩色光係統都帶有上述組件
，但是
，基於白光和彩色光的係統在配置與設計方麵有所不同。生成白光的照明係統(即便其混有彩色光)需要考慮色溫與顯色指數。

色溫就是指白光的顏色(與直覺不同，暖白光的色溫較低
，而冷白光的色溫較高)，它通常與1931 CIE比色圖表上的普朗克軌跡相關。色溫描述的是標準黑體輻射源被加熱到不同溫度時所產生的白光顏色(圖)。例如，加熱到2500K的標準黑體輻射源被認 為是較暖的白光

；如果加熱到7000K就認為是冷白光。HB-LED係統實際上不能直接實現符合普朗克軌跡的顏色，相反其色溫是通過相關色溫(CCT)測 量的。

普朗克軌跡與色溫
顯xian色se指zhi數shu是shi通tong過guo比bi較jiao主zhu光guang源yuan與yu參can考kao光guang源yuan之zhi間jian不bu同tong色se彩cai的de呈cheng現xian來lai描miao述shu白bai光guang質zhi量liang的de一yi個ge參can數shu。通tong俗su地di講jiang
，顯xian色se指zhi數shu描miao述shu的de是shi主zhu光guang源yuan以yi相xiang對dui參can考kao光guang源yuan1到100倍的強度照 射的物體表麵的色彩保真度。通過選擇適當的LED
、使用適當數量的不同LED通道以及采用混合信號處理器智能地控製這些通道可以調節色溫與顯色指數。僅包 括白光LED的白光係統在色溫方麵靈活性有限，但在係統的白光LED原生色溫下
，白光係統的顯色指數CRI性能卓越。由於CRI在很大程度上取決於係統中 的LED色譜
，因此根據經驗，LED(特別是不同顏色的LED)越多，CRI就越高。

對彩色光係統而言，設計人員最關心的是色彩精度

、色彩分辨率以及可混合色彩的光譜。如前所述，在其中發揮重要作用的一個因素是調光分辨率。最大化可 混合色彩的光譜取決於係統中LED生成的色域
，它與構成色域的不同LED色彩的數量直接相關。LED數量與調光分辨率還會影響色彩分辨率。大多數彩色光係 統最少有三個LED，通常為紅綠藍三原色。如果智能照明係統需要生成特定的目標色彩，那麼設計人員可以通過在1931 CIE比色圖表上繪製LED並簡單地連接繪製點以觀察色域來判斷所選LED是否能混合該種顏色。如果色域不覆蓋目標顏色，那麼設計人員可添加新的LED色 彩，從而通過擴大色域來包含這種可混合的色彩(圖)。

用4個LED擴展色域的實例

設計挑戰
如前所述
，白光和彩色光智能照明係統可以受益於使用三個或更多LED，但是除了在光學技術和散熱性能方麵麵臨諸多挑戰外，在算法上也會更加複雜。一 個明顯的挑戰就是如何提供達到要求數量且具有靈活調光分辨率的硬件調光通道。使用四個或更多LED的係統也需要更具創造性的算法來調節色溫

、混合色彩或提 高顯色指數CRI。

顯然，智能照明係統需要通過某種方式管理散熱與器件分選。LED不通過輻射散熱，而是借助於二極管的結點來傳導熱量。事實上，隨著LED溫度的升 高，某些LED的流明輸出會降低(比如紅光就會受到嚴重影響)
，甚至光輸出波長也會發生偏移。因此，非常重要的一點是要從LED底座盡可能多地傳導出熱 量。

好的散熱設計、大量的空氣流動及主動製冷對於解決散熱問題是個不錯的開端。不過，上述方法並非總能確保獲得可預期
、可測量的效果。熱量在係統中總是 存(cun)在(zai)的(de)
，而(er)色(se)彩(cai)精(jing)度(du)會(hui)受(shou)溫(wen)度(du)的(de)影(ying)響(xiang)。引(yin)入(ru)溫(wen)度(du)傳(chuan)感(gan)器(qi)有(you)助(zhu)於(yu)將(jiang)色(se)彩(cai)精(jing)度(du)保(bao)持(chi)在(zai)的(de)水(shui)平(ping)。對(dui)於(yu)需(xu)要(yao)實(shi)現(xian)高(gao)色(se)彩(cai)精(jing)度(du)的(de)係(xi)統(tong)來(lai)說(shuo)

，這(zhe)個(ge)額(e)定(ding)值(zhi)是(shi)一(yi)般(ban)性(xing)的(de)要(yao)求(qiu)。用(yong)於(yu)計(ji) 算彩色光調光值的算法的一個輸入參數是光通量輸出。通過保存照明係統中溫度的分段線性近似值和LED的光通量曲線，混合信號控製器就可以通過適當地改變每 個LED的輸出大小來保持色彩的精度。

器件分選的原因是，HB-LED是固態器件
，采用當前製造工藝時在光通量輸出
、波bo長chang和he正zheng向xiang電dian壓ya方fang麵mian有you變bian化hua。由you於yu光guang通tong量liang輸shu出chu在zai計ji算suan混hun合he色se彩cai中zhong非fei常chang重zhong要yao，因yin此ci必bi須xu要yao考kao慮lv到dao這zhe個ge值zhi的de變bian化hua。但dan如ru果guo係xi統tong對dui色se彩cai質zhi量liang要yao求qiu不bu高gao，則ze不bu必bi考kao慮lv。

對關注色彩質量的設計人員來說
，他們可購買某些更昂貴的特殊LED(售價會高出15%到20%)，也可通過混合信號控製器的可編程性進行彌補。設計 人員可以輸入器件分選表，這種表存儲了係統中的LED可能的分選特征。這樣，在製造階段拿到實際LED時，就可以用實際分檔代碼更新混合信號控製器，並做 出相應的補償。

許多人發現，固態照明技術設計需要綜合具備光學、機械和電氣設計經驗，而很少人有這樣的本事
，因此新的複雜技術難題不斷出現。特別是現在設計人員必 須使用混合信號控製器，因此還必須掌握嵌入式設計技術。幸運的是

，現在的工具可以提供可視化的設計環境，毋需編寫代碼就能滿足HB-LED智能照明係統的 設計需要，設計人員還能利用C語言等傳統語言編程。無論如何，出色的開發工具、參考設計和項目實例都是非常重要的。

因此設計人員在發揮HB-LED的智能、靈活性及其環保優勢的同時麵臨著諸多挑戰。通過智能照明設計方法，設計人員可經濟有效地減少或消除大多數此類問題。