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面對高亮度LED設(shè)計的挑戰(zhàn)

發(fā)布時間:2009-04-03

中心議題:
  •   高亮度LED的設(shè)計挑戰(zhàn) 
解決方案:
  • 定義LED產(chǎn)品的色域
  • 為系統(tǒng)設(shè)計LED控制機制,輸出想要的色彩
  • 選擇合適的回饋機制,以獲得精準的色彩輸出
現(xiàn)在全球各地已逐漸淘汰傳統(tǒng)的白熾燈泡。不僅政府機構(gòu),連民間使用者也要求更高效率的照明解決方案。精致型熒光燈泡(CFL)并非解決此項問題的最佳方案。但它贏過白熾燈的超長壽命以及更高的效率,足以讓它成為解決您問題的誘人方案。然而,CFL的水銀成分,卻讓廢棄與處理等后續(xù)問題更加復(fù)雜。

目前高亮度LED(HB LED)或高功率LED(HP LED)已被譽為最終解決方案,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到所要的色彩;或是在白光應(yīng)用中,以單一或多個LED來達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)所需精準度而定的回饋機制、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)計負荷電流,以及您設(shè)計中LED的運用程度。為解決這項問題,有些設(shè)計業(yè)者寧可付一點代價,選購特定的bin,但這仍無法解決LED系統(tǒng)的色彩精準度問題,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當接點升高時,受影響的程度最大,而藍色與白色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度。因為當LED老化時,輸出的光通量會逐漸下滑。

電源拓撲是LED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?!?br />
圖1  
                          圖1:接點溫度對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。不過,當您有了色度坐標后,就可輕易標出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。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。以普通詞匯來說,這坐標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控制機制,面對的是基本的線性代數(shù)。在得到您LED的色度坐標后,您必須先建立一個矩陣,找出所要色彩點之間的delta值,如公式1所示。公式中色彩下標字是LED的顏色,mix下標代表您想要呈現(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度。
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選擇您的回饋機制
想要有精準的色彩輸出,這得取決于您所設(shè)計的應(yīng)用。每當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度,可從動態(tài)色彩變化著手,色彩變化源自于LED接點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。

接點溫度可透過機板溫度、LED的功率發(fā)散、以及機板與LED之間的熱阻來求算。其關(guān)系如公式3所示。

公式3: 接點溫度與機板溫度之間的關(guān)系

獲得LED的接點溫度后,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。當把許多LED串在一個通道上,問題就會越嚴重。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制才能正確運作; 第一是色彩傳感器與紅、綠、藍LED個別強度值之間的關(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行,但這類回饋系統(tǒng)的效益,會提升強固性以及精準度。

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、溫度補償、或更高精準度的色彩回饋系統(tǒng)以及校正,都需要了解色彩科學(xué)以及精準的傳感器讀數(shù)。在展開任何高亮度LED設(shè)計時,強烈建議您先了解這些相關(guān)名詞。幸運的是,當您進入市場時,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的補償機制,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)者能快速進入高亮度LED市場,開發(fā)效率更高的照明產(chǎn)品。
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