- 高亮度LED的設(shè)計挑戰(zhàn)
- 定義LED產(chǎn)品的色域
- 為系統(tǒng)設(shè)計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，因為它具有更高的省電效率(甚至超越CFL)以及更長的壽命。這些LED已被運(yùn)用在汽車照明、建筑物照明、舞臺照明、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LED，以色光混合的方式來達(dá)到所要的色彩；或是在白光應(yīng)用中，以單一或多個LED來達(dá)到所要的演色性指數(shù)(CRI)或相對色溫(CCT)。而這些系統(tǒng)的復(fù)雜度將會隨之提高，因為您的系統(tǒng)不僅會面臨許多設(shè)計限制，LED本身也會逐漸衍生許多問題。解決這些問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、以及透過像是DMX512、DALI等通訊網(wǎng)絡(luò)來控制這些照明系統(tǒng)。
高亮度LED的設(shè)計挑戰(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，其電子特性也會有差異。對于LED而言，這樣的差異會導(dǎo)致色彩(或波長)、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分類程序會影響你的產(chǎn)品設(shè)計負(fù)荷電流，以及您設(shè)計中LED的運(yùn)用程度。為解決這項問題，有些設(shè)計業(yè)者寧可付一點(diǎn)代價，選購特定的bin，但這仍無法解決LED系統(tǒng)的色彩精準(zhǔn)度問題，因為這些bin的特定尺寸，仍有肉眼可辨識的+/-5nm誤差范圍。
除了各種制造問題外，像是光通量輸出以及波長等LED特性也會因接點(diǎn)溫度以及LED的使用時數(shù)而產(chǎn)生改變。每個有色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，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LED受影響的時間呈一定的次序，因為想要的色彩點(diǎn)或CCT是可轉(zhuǎn)換的，除非你的系統(tǒng)可針對LED特性的改變進(jìn)行調(diào)適。針對老化效應(yīng)的設(shè)計順序，需要極高的色彩精準(zhǔn)度。因為當(dāng)LED老化時，輸出的光通量會逐漸下滑。
電源拓?fù)涫荓ED設(shè)計要解決的另一項問題，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。
圖1:接點(diǎn)溫度對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LED輸出的光通量，所能輸出的所有可能色彩。在設(shè)計一個系統(tǒng)時，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，這將再度衍生一項問題。若您沒有為照明系統(tǒng)取得預(yù)先規(guī)劃LED的規(guī)格，您的系統(tǒng)色域就會和實際結(jié)果有偏差，輸出的色彩會和預(yù)期的不同。
定義您的色域并不簡單。大多數(shù)LED制造商的規(guī)格數(shù)據(jù)中并沒有提供其LED的色度坐標(biāo)。不過，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，此數(shù)據(jù)描繪了色度坐標(biāo)。在這個圖中，加入了普朗克軌跡(Planckian locus)，或為一個黑體加上顏色，代表黑體在溫度變化時在色彩空間的坐標(biāo)。以普通詞匯來說，這坐標(biāo)代表不同種類的白光通過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LED控制機(jī)制，面對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LED的光通量輸出
這僅適用于單一bin的環(huán)境。若使用多個bin，每種bin的組合就會有不同的強(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)溫器來解決。
接點(diǎn)溫度可透過機(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LED相對的光通量輸出值。溫度回饋的其中一項問題，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串在一個通道上，問題就會越嚴(yán)重。在這種情況中，不同LED之間的差異會造成色彩連續(xù)性的問題，系統(tǒng)也會受到影響。
在高色彩精準(zhǔn)度的設(shè)計方面，建議可采用色彩傳感器。然而在嘗試開發(fā)一個色彩回饋系統(tǒng)時，會面臨到許多機(jī)械方面的問題。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，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)計一個色彩傳感器時，最惱人的問題就是光線噪聲或不是系統(tǒng)產(chǎn)生的周圍光線對色彩傳感器產(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，會提升強(qiáng)固性以及精準(zhǔn)度。
許多色彩系統(tǒng)設(shè)計擁有不同的回饋方法，需要花數(shù)個月的時間來開發(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)。在展開任何高亮度LED設(shè)計時，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)入市場時，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，都收錄在一個簡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。
圖3: PSoC Express 3.0視覺化嵌入式軟體
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)，且僅須定義三個變量。
Cypress藉由開發(fā)這項圖形化工具，讓研發(fā)業(yè)者能快速進(jìn)入高亮度LED市場，開發(fā)效率更高的照明產(chǎn)品。
