- 光照效果的控制
- 散熱管理
- 多芯片高功率LED
- 采用紅、綠、藍(lán)單色LED混合來生成白光
大家都知道：“所有色彩都包含白色”。根據(jù)相關(guān)色溫(CCT)，存在著不同的白色調(diào)，從暖白色（如白熾燈的光）直到冷白色（如眾多早期LED指示燈和電源LED的光），這兩種色調(diào)數(shù)值范圍在2700～6000K以上。如果我們采用傳統(tǒng)技術(shù)的話，只能添加對白光進(jìn)行“調(diào)光”這種智能功能。如果采用固態(tài)照明技術(shù)的話，設(shè)計(jì)人員就能從中獲得全新的功能，比方說調(diào)節(jié)白光色溫，改變環(huán)境等。
這種新功能的優(yōu)勢包括提高工作單位的效率，使零售環(huán)境對顧客變得更有吸引力，從而增加了客流量，并能在酒店服務(wù)行業(yè)產(chǎn)生一種更有親和力的光照歡迎效果。此外，我們還能根據(jù)不同的季節(jié)、產(chǎn)品、一天中的不同時(shí)段等來改變零售環(huán)境中的光照效果，從而促進(jìn)銷售工作，而無須對商鋪進(jìn)行大規(guī)模改造。亮度可調(diào)正是固態(tài)照明技術(shù)的特性之一，當(dāng)然除此之外，固態(tài)照明還有節(jié)能、降低成本、延長設(shè)備工作時(shí)間等優(yōu)勢，這些優(yōu)勢都推動(dòng)著LED技術(shù)在照明市場中的廣泛應(yīng)用。
在改進(jìn)功能之前，首要工作就是確保合適的照明效果。為了加快推廣速度，我們應(yīng)當(dāng)遵從傳統(tǒng)的照明技術(shù)規(guī)范，確保新技術(shù)的照明效果能夠滿足照明設(shè)計(jì)人員、架構(gòu)師以及最終用戶的預(yù)期要求。只有能夠提供適當(dāng)照明效果、且具備添加智能化功能的可擴(kuò)展性、同時(shí)確保較低商業(yè)成本的技術(shù)，才能為照明市場帶來革命性的變革。性能（光照強(qiáng)度）、質(zhì)量（色溫和色彩渲染）以及照明（光束角與發(fā)光強(qiáng)度）都是我們要考慮的重要參數(shù)。色彩渲染通常是用IEC規(guī)范中的顯色指數(shù)(CRI)標(biāo)準(zhǔn)來衡量，它體現(xiàn)的是準(zhǔn)確復(fù)制照明色彩的能力。
舉例來說，紅色汽車在低壓鈉光下就會(huì)呈現(xiàn)褐色，這種光有一種琥珀色調(diào)，CRI較低。最終用戶希望能夠通過LED照明技術(shù)延長設(shè)備的使用時(shí)間，降低能耗和維護(hù)費(fèi)用，但是如果新的照明技術(shù)達(dá)不到照明質(zhì)量要求的話，則根本不會(huì)考慮采用此技術(shù)。只有在實(shí)現(xiàn)了有關(guān)照明效果性能要求的基礎(chǔ)上，我們才能轉(zhuǎn)而考慮如何增強(qiáng)功能。
要想對光照效果實(shí)現(xiàn)絕對的控制，就要解決一致性的問題。在采用可控的固態(tài)照明燈具時(shí)，我們始終要考慮色彩一致性的問題，要想到性能方面的差異，包括不同燈具之間隨時(shí)間推移而產(chǎn)生的差異，溫度和設(shè)定點(diǎn)等。盡管有相應(yīng)的技術(shù)來解決上述問題，但整體系統(tǒng)開發(fā)仍對照明產(chǎn)業(yè)提出了挑戰(zhàn)。本文所述的模塊化或系統(tǒng)級實(shí)施方案有助于解決有關(guān)技術(shù)問題。采用適當(dāng)電源和控制技術(shù)的LED系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)成為當(dāng)前技術(shù)的有益補(bǔ)充和配合，而不應(yīng)與現(xiàn)有技術(shù)產(chǎn)生沖突，不一定要完全取代其他技術(shù)，只有這樣，才有助于加速新技術(shù)推廣。
不僅限于光源問題
要想取代小型的鹵素?zé)簦晴酃庠吹墓馔繎?yīng)達(dá)400～1000Lm之間。盡管LED性能不斷得到顯著改進(jìn)，但能達(dá)到上述性能的高光通量密度光源還不多見。現(xiàn)有的單芯片LED的光通量能達(dá)到100Lm以上，但很少有能達(dá)到相當(dāng)于20W、35W或50W鹵素?zé)艄馔康腖ED。我們可以把一些低性能LED組合起來，但是這會(huì)帶來光控制方面的問題。光的生成是一個(gè)問題，而控制光以實(shí)現(xiàn)最佳的光照效果又是另一個(gè)問題。我們應(yīng)當(dāng)設(shè)計(jì)出一種滿足所需光通量的統(tǒng)一光源，這有助于簡化光設(shè)計(jì)，并提高燈泡的效率。
散熱管理是任何高功率固態(tài)照明應(yīng)用所不能忽視的又一重要問題。LED光源產(chǎn)生的熱量必須加以適當(dāng)控制，這樣才能確保設(shè)備在一定的工作條件下達(dá)到足夠長的使用壽命。就LED的小型化封裝而言，散熱問題可能很難解決，但通過最小化熱阻，有助于緩解整個(gè)系統(tǒng)級問題。
設(shè)計(jì)可調(diào)白光的基本問題就是要支持多個(gè)可以分別控制并加以混合的色彩通道。確保波束色彩的一致性，不會(huì)出現(xiàn)彩色邊緣或陰影現(xiàn)象，這是一項(xiàng)相當(dāng)復(fù)雜的工作。我們可通過減小LED或LED系統(tǒng)的光源大小來改善色彩混合。
一種解決方案是設(shè)計(jì)多芯片LED，盡可能準(zhǔn)確地定位不同色彩，以縮短混合距離。盡管市場上出售各種多芯片封裝方案，但同時(shí)支持高光通量密度和色彩混合的封裝方案卻不多。大多數(shù)多芯片封裝由于低驅(qū)動(dòng)電流的限制，光通量密度較低。此外，設(shè)計(jì)人員也可采用多個(gè)分立的高通量光源，但這會(huì)加大光源大小和色彩混合方面的問題。
光通量密度、調(diào)光性、色彩混合和散熱管理等綜合要求盡管并不是不能解決的問題，但確實(shí)對LED制造商提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。不過，我們應(yīng)當(dāng)在LED內(nèi)部解決上述問題，這有助于簡化OEM和系統(tǒng)集成商所面臨的問題。
我們開發(fā)出了多芯片高功率LED，以其作為可調(diào)“白點(diǎn)”的光源，這樣可減少色彩混合方面的問題，并支持微型化的點(diǎn)光源照明應(yīng)用。相對于傳統(tǒng)功率LED和陣列組裝而言，這種10～15W的封裝方案不僅能顯著提高光輸出功率，而且還能大幅改進(jìn)光通量密度。這種LED針對散熱性能與可靠性進(jìn)行了優(yōu)化，可提高驅(qū)動(dòng)電流，從而進(jìn)一步改進(jìn)光通量密度。材料、封裝以及組裝與裸片的連接工藝的優(yōu)化組合可實(shí)現(xiàn)更出色的散熱性能，從而改進(jìn)不同應(yīng)用條件下的可用光照效果。
可調(diào)LED照明系統(tǒng)通常采用紅、綠、藍(lán)單色LED，通過混合來生成白光，這也稱作RGB技術(shù)。RGB技術(shù)能支持豐富的色彩和可調(diào)的白光，但CRI值卻相當(dāng)?shù)汀＿@種系統(tǒng)可支持的色彩渲染CRI數(shù)值通常在40～60之間，具體取決于目標(biāo)色彩溫度。內(nèi)部照明通常要求CRI數(shù)值在80以上，要是在零售和博物館等特定環(huán)境中，則要求更高的CRI數(shù)值。因此，這種光可以完全適用于信號或環(huán)境上色（color-washing）應(yīng)用，但不太適合用做室內(nèi)照明的可調(diào)白光源。
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提高CRI數(shù)值的一種可能辦法就是增加色彩成分。通過添加琥珀色來實(shí)現(xiàn)RGBA系統(tǒng)，我們可大幅改善CRI值，同時(shí)又能確保色點(diǎn)的可調(diào)性。此外我們?nèi)阅軐?shí)現(xiàn)極高的色彩靈活度，但對室內(nèi)照明更重要的是，我們可以在黑體線上移動(dòng)白點(diǎn)，同時(shí)又能讓CRI值趨近于90，這就實(shí)現(xiàn)了較好的色彩渲染效果，并生成高質(zhì)量白光。
我們可將上述產(chǎn)品因素相結(jié)合，獲得較好的性能結(jié)果。例如，目前已經(jīng)推出10W的RGBA發(fā)射器（見圖1），其可實(shí)現(xiàn)高光通量密度、色彩控制與混合等功能，而且其封裝針對散熱性能與高可靠性進(jìn)行了精心優(yōu)化。
使用這種類型的LED，我們可以開發(fā)出一款滿足適當(dāng)光照亮度和質(zhì)量的燈泡，而且還能支持白點(diǎn)調(diào)節(jié)，以改善色彩渲染效果。圖1所示的產(chǎn)品封裝為7mm×7mm，單顆芯片的持續(xù)工作電流可高達(dá)1000mA，光通量為350Lm時(shí)，功耗僅為10W。
圖1 10W可調(diào)白光產(chǎn)品采用可獨(dú)立尋址的多芯片封裝
多色LED發(fā)射器介紹多色LED發(fā)射器也需要智能化和集成式控制器，原因如下：
圖2 光譜能量分布對比
多通道驅(qū)動(dòng)器：就給定的色溫而言，高質(zhì)量CRI（90以上）會(huì)需要多種類型的LED。CRI是光源的光譜能量分布(SPD)的一個(gè)函數(shù)。SPD是指給定波長（頻率）下光源的輻射量。CRI數(shù)值表現(xiàn)最好(97以上)的白熾燈工作壽命較短（750～2500小時(shí)），效率也較低（美國能源部的數(shù)據(jù)為10～17Lm/W）。圖2顯示了白熾燈的SPD曲線與RGB光源曲線的對比情況。
顯然，RGB光源本身尚不足以支持較高的CRI。設(shè)計(jì)人員需要添加更多色彩通道填充到頻帶中，這樣就能獲得接近于白熾燈的曲線。因此，器件必須采用最少4通道的驅(qū)動(dòng)器來驅(qū)動(dòng)紅、綠、藍(lán)與琥珀色或紅、綠、琥珀色與自然白光的組合。這種控制器可在工廠制造階段編程以獲得正確的u、v元素值，也可通過通信鏈接動(dòng)態(tài)編程。
EMI控制：由于高速開關(guān)調(diào)節(jié)器的緣故，高亮度(HB)LED燈具會(huì)產(chǎn)生較高的電磁干擾(EMI)，我們應(yīng)通過特殊設(shè)計(jì)技術(shù)對此加以控制。我們可采用依靠隨機(jī)處理的強(qiáng)度調(diào)制技術(shù)，通過偽隨機(jī)計(jì)數(shù)器生成的不含主導(dǎo)周期性分量的輸出函數(shù)，獲得一個(gè)從EMI/EMC角度而言噪聲較低、便于使用的調(diào)制輸出。
補(bǔ)償：LED設(shè)計(jì)需要進(jìn)行一系列復(fù)雜的計(jì)算才能獲得一致性的色彩。高亮度LED工程師目前所面臨的兩個(gè)最大問題在于如何根據(jù)生產(chǎn)編碼解決不同的LED性能規(guī)格問題，以及LED在不同溫度上的性能降低問題（如光通量輸出與波長）。LED燈具需要智能驅(qū)動(dòng)器、通過預(yù)測的方式來確保色彩和CRI在不同時(shí)間與溫度下的一致性。對某些應(yīng)用而言，這種驅(qū)動(dòng)器還應(yīng)當(dāng)能夠接受色彩和溫度的實(shí)時(shí)反饋數(shù)據(jù)，從而確保燈具的性能。
調(diào)光：LED燈具應(yīng)便于調(diào)光，其分辨率應(yīng)支持深色功能，而且應(yīng)當(dāng)避免低亮度下的閃爍問題。
圖3 如賽普拉斯半導(dǎo)體公司推出的PSoCExpress等LED專用開發(fā)控制軟件
為了幫助開發(fā)人員解決多個(gè)LED通道以及復(fù)雜的色彩設(shè)計(jì)與管理問題，一些公司推出了能夠驅(qū)動(dòng)多個(gè)LED的硬件以及旨在簡化LED開發(fā)與控制的軟件，如圖3所示。
通過單個(gè)器件驅(qū)動(dòng)多個(gè)通道（就賽普拉斯半導(dǎo)體公司推出的EZ-Color控制器而言是16個(gè)），我們能大幅減少大型設(shè)計(jì)方案所需的控制器數(shù)量，從而降低設(shè)計(jì)復(fù)雜性和功耗，并節(jié)約板級空間占用。
此外，我們還提供直接可用的軟件驅(qū)動(dòng)器，從而顯著減少了HBLED設(shè)計(jì)中（包括建筑照明、通用標(biāo)志牌、可充電手電筒、娛樂照明與車輛應(yīng)急燈等）普遍存在的低頻閃爍與EMI放射問題。集成式開發(fā)環(huán)境還能通過嵌入式可視化設(shè)計(jì)工具簡化設(shè)計(jì)工作，因此即便是缺乏經(jīng)驗(yàn)的工程師也能為選定的LED方便地選擇特殊色彩。
LED技術(shù)與控制技術(shù)持續(xù)快速發(fā)展，新式LED開啟了更出色照明功能的可能性，并能確保預(yù)期照明質(zhì)量。盡管開發(fā)上述照明系統(tǒng)的工作非常復(fù)雜，但制造商們正在努力應(yīng)對挑戰(zhàn)以加速技術(shù)推廣。目前，通過LedEngin等廠商推出的高功率多芯片LED以及LED專用控制軟件相結(jié)合，我們能推出高性能、高質(zhì)量的可調(diào)光照明燈具，確保照明性能不亞于傳統(tǒng)的鹵素?zé)艄庠础?br />
