- 高亮度LED的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)
- 定義LED產(chǎn)品的色域
- 為系統(tǒng)設(shè)計(jì)LED控制機(jī)制，輸出想要的色彩
- 選擇合適的回饋機(jī)制，以獲得精準(zhǔn)的色彩輸出
目前高亮度LED(HB LED)或高功率LED(HP LED)已被譽(yù)為最終解決方案，因?yàn)樗哂懈叩氖‰娦?甚至超越CFL)以及更長(zhǎng)的壽命。這些LED已被運(yùn)用在汽車照明、建筑物照明、舞臺(tái)照明、以及某些室內(nèi)照明應(yīng)用上。這些系統(tǒng)中有許多產(chǎn)品利用多個(gè)LED，以色光混合的方式來(lái)達(dá)到所要的色彩；或是在白光應(yīng)用中，以單一或多個(gè)LED來(lái)達(dá)到所要的演色性指數(shù)(CRI)或相對(duì)色溫(CCT)。而這些系統(tǒng)的復(fù)雜度將會(huì)隨之提高，因?yàn)槟南到y(tǒng)不僅會(huì)面臨許多設(shè)計(jì)限制，LED本身也會(huì)逐漸衍生許多問(wèn)題。解決這些問(wèn)題將需要智能型韌體、能依據(jù)所需精準(zhǔn)度而定的回饋機(jī)制、以及透過(guò)像是DMX512、DALI等通訊網(wǎng)絡(luò)來(lái)控制這些照明系統(tǒng)。
高亮度LED的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)
高亮度LED是半導(dǎo)體組件，不幸的是和所有半導(dǎo)體組件一樣，即使同一片晶圓生產(chǎn)的組件，其電子特性也會(huì)有差異。對(duì)于LED而言，這樣的差異會(huì)導(dǎo)致色彩(或波長(zhǎng))、光通量輸出、以及順向電壓等方面的差異。LED制造商根據(jù)生產(chǎn)率與效能，將這些零件分置于特定的bin。這種binning分類程序會(huì)影響你的產(chǎn)品設(shè)計(jì)負(fù)荷電流，以及您設(shè)計(jì)中LED的運(yùn)用程度。為解決這項(xiàng)問(wèn)題，有些設(shè)計(jì)業(yè)者寧可付一點(diǎn)代價(jià)，選購(gòu)特定的bin，但這仍無(wú)法解決LED系統(tǒng)的色彩精準(zhǔn)度問(wèn)題，因?yàn)檫@些bin的特定尺寸，仍有肉眼可辨識(shí)的+/-5nm誤差范圍。
除了各種制造問(wèn)題外，像是光通量輸出以及波長(zhǎng)等LED特性也會(huì)因接點(diǎn)溫度以及LED的使用時(shí)數(shù)而產(chǎn)生改變。每個(gè)有色LED受到溫度的影響程度都不同，幅度取決于LED的材料。 紅色與琥珀色LED當(dāng)接點(diǎn)升高時(shí)，受影響的程度最大，而藍(lán)色與白色LED受影響的程度最小(參考圖1所示)。在這些照明系統(tǒng)中，每個(gè)LED受影響的時(shí)間呈一定的次序，因?yàn)橄胍纳庶c(diǎn)或CCT是可轉(zhuǎn)換的，除非你的系統(tǒng)可針對(duì)LED特性的改變進(jìn)行調(diào)適。針對(duì)老化效應(yīng)的設(shè)計(jì)順序，需要極高的色彩精準(zhǔn)度。因?yàn)楫?dāng)LED老化時(shí)，輸出的光通量會(huì)逐漸下滑。
電源拓?fù)涫荓ED設(shè)計(jì)要解決的另一項(xiàng)問(wèn)題，但不在本文的討論范圍，它和系統(tǒng)LED與電源組件的數(shù)量有關(guān)連?！?br />
圖1:接點(diǎn)溫度對(duì)LED燈輸出的影響
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建立您的色域
在色彩混合系統(tǒng)方面，像是劇院燈光、建筑物照明等，系統(tǒng)色域的規(guī)格就相當(dāng)重要。色域是由系統(tǒng)中使用的LED組成。色域系指系統(tǒng)藉由單獨(dú)改變每個(gè)LED輸出的光通量，所能輸出的所有可能色彩。在設(shè)計(jì)一個(gè)系統(tǒng)時(shí)，首先決定色彩的需求，然后再選擇LED。而在處理制造bin單元時(shí)，這將再度衍生一項(xiàng)問(wèn)題。若您沒(méi)有為照明系統(tǒng)取得預(yù)先規(guī)劃LED的規(guī)格，您的系統(tǒng)色域就會(huì)和實(shí)際結(jié)果有偏差，輸出的色彩會(huì)和預(yù)期的不同。
定義您的色域并不簡(jiǎn)單。大多數(shù)LED制造商的規(guī)格數(shù)據(jù)中并沒(méi)有提供其LED的色度坐標(biāo)。不過(guò)，當(dāng)您有了色度坐標(biāo)后，就可輕易標(biāo)出LED在色彩空間中的位置，如圖2所示。圖中系統(tǒng)色域的三角形覆蓋在CIE 1931色彩空間的上面。CIE 1931 色彩空間代表人眼能看到的所有顏色；在色彩曲線外的是波長(zhǎng)，此數(shù)據(jù)描繪了色度坐標(biāo)。在這個(gè)圖中，加入了普朗克軌跡(Planckian locus)，或?yàn)橐粋€(gè)黑體加上顏色，代表黑體在溫度變化時(shí)在色彩空間的坐標(biāo)。以普通詞匯來(lái)說(shuō)，這坐標(biāo)代表不同種類的白光通過(guò)CCT之后的結(jié)果。
圖2:系統(tǒng)色域
輸出您想要的色彩
為您的系統(tǒng)設(shè)計(jì)LED控制機(jī)制，面對(duì)的是基本的線性代數(shù)。在得到您LED的色度坐標(biāo)后，您必須先建立一個(gè)矩陣，找出所要色彩點(diǎn)之間的delta值，如公式1所示。公式中色彩下標(biāo)字是LED的顏色，mix下標(biāo)代表您想要呈現(xiàn)的顏色。
公式1:
欲找出每個(gè)LED應(yīng)輸出的光通量，可利用逆矩陣，然后乘以想要的光通量輸出，如公式2所示。
公式2: 每個(gè)LED的光通量輸出
這僅適用于單一bin的環(huán)境。若使用多個(gè)bin，每種bin的組合就會(huì)有不同的強(qiáng)度。
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選擇您的回饋機(jī)制
想要有精準(zhǔn)的色彩輸出，這得取決于您所設(shè)計(jì)的應(yīng)用。每當(dāng)最終使用者注意到燈具色彩輸出有差異(像是建筑物照明或效果燈具)，代表需要高色彩精準(zhǔn)度。然而在這兩個(gè)例子中，色彩傳感器并不是理想的解決方案。要找出可接受的色彩精準(zhǔn)度，可從動(dòng)態(tài)色彩變化著手，色彩變化源自于LED接點(diǎn)溫度以及其特性所產(chǎn)生的效應(yīng)。這方面可利用韌體或調(diào)溫器來(lái)解決。
接點(diǎn)溫度可透過(guò)機(jī)板溫度、LED的功率發(fā)散、以及機(jī)板與LED之間的熱阻來(lái)求算。其關(guān)系如公式3所示。
公式3: 接點(diǎn)溫度與機(jī)板溫度之間的關(guān)系
獲得LED的接點(diǎn)溫度后，您就能調(diào)整系統(tǒng)，并根據(jù)LED重新設(shè)定的最高光通量輸出，改變每個(gè)LED相對(duì)的光通量輸出值。溫度回饋的其中一項(xiàng)問(wèn)題，就是調(diào)溫器與LED之間的距離。調(diào)溫器越靠近LED，溫度回饋的數(shù)據(jù)就越精準(zhǔn)。當(dāng)把許多LED串在一個(gè)通道上，問(wèn)題就會(huì)越嚴(yán)重。在這種情況中，不同LED之間的差異會(huì)造成色彩連續(xù)性的問(wèn)題，系統(tǒng)也會(huì)受到影響。
在高色彩精準(zhǔn)度的設(shè)計(jì)方面，建議可采用色彩傳感器。然而在嘗試開(kāi)發(fā)一個(gè)色彩回饋系統(tǒng)時(shí)，會(huì)面臨到許多機(jī)械方面的問(wèn)題。傳感器的擺放和感溫器解決方案一樣都相當(dāng)重要。低成本的色彩傳感器不能和LED的光線正對(duì)，色彩傳感器理想的擺放位置，是能夠接收反射或緊密結(jié)合光線的輸入。在色彩傳感器理想的位置上，能和最終使用者看到相同的光線輸入，這樣能得到系統(tǒng)最想要的回饋數(shù)據(jù)。但當(dāng)設(shè)計(jì)一個(gè)色彩傳感器時(shí)，最惱人的問(wèn)題就是光線噪聲或不是系統(tǒng)產(chǎn)生的周圍光線對(duì)色彩傳感器產(chǎn)生的影響。色彩傳感器需要兩種機(jī)制才能正確運(yùn)作; 第一是色彩傳感器與紅、綠、藍(lán)LED個(gè)別強(qiáng)度值之間的關(guān)系; 第二是色彩傳感器與X、Y、Z之間的關(guān)系。所有校正都必須在韌體中進(jìn)行，但這類回饋系統(tǒng)的效益，會(huì)提升強(qiáng)固性以及精準(zhǔn)度。
許多色彩系統(tǒng)設(shè)計(jì)擁有不同的回饋方法，需要花數(shù)個(gè)月的時(shí)間來(lái)開(kāi)發(fā)韌體。解決bin的調(diào)整、溫度補(bǔ)償、或更高精準(zhǔn)度的色彩回饋系統(tǒng)以及校正，都需要了解色彩科學(xué)以及精準(zhǔn)的傳感器讀數(shù)。在展開(kāi)任何高亮度LED設(shè)計(jì)時(shí)，強(qiáng)烈建議您先了解這些相關(guān)名詞。幸運(yùn)的是，當(dāng)您進(jìn)入市場(chǎng)時(shí)，能利用Cypress Semiconductor所提供快速且輕易的PSoC Express 3.0解決方案，協(xié)助您快速展開(kāi)研發(fā)。所有這些不同的回饋解決方案，以及高亮度LED的補(bǔ)償機(jī)制，都收錄在一個(gè)簡(jiǎn)單易用的圖形化接口，讓您僅須使用下拉式選單以及各種校正技巧，就能完成這些設(shè)計(jì)。
圖3: PSoC Express 3.0視覺(jué)化嵌入式軟體
本文介紹的這些韌體技術(shù)都建置在PSoC Express軟件工具。這款軟件工具亦讓您能運(yùn)用DMX512為您的系統(tǒng)建構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，且僅須定義三個(gè)變量。
Cypress藉由開(kāi)發(fā)這項(xiàng)圖形化工具，讓研發(fā)業(yè)者能快速進(jìn)入高亮度LED市場(chǎng)，開(kāi)發(fā)效率更高的照明產(chǎn)品。
