基于两通道PWM的LED调光调色方法

2002年美国Brown大学David Berson等人在哺乳动物的视网膜上发现了第三种感光细胞，它主要在调节人体内分泌、控制生理节律等非视觉生物效应方面发挥功能。照明设计也从单一地考虑视觉功能逐步过渡到考虑视觉与非视觉双重功能上。研究表明，动态照明在治疗失眠、减轻飞机时差效应、提高工作效率等方面发挥作用。为实现LED的动态照明设计，需对光源的光色量进行实时控制，调制出符合光生物学要求的光谱。

这里的光色量是光度量和色度量的合称。LED常用的调光方法有模拟调光和PWM(Pulse Width Modulation)调光两种。前者是线性调节LED电流，后者是使用开关电路以相对于人眼识别力足够高的频率来改变光输出的平均值。在调光过程中，防止色度量发生偏移相当重要。产生色偏的因素主要有两个：正向导通电流和P-N结温度。模拟调光产生的色差取决于两者，PWM则主要决定于后者。一般情况下PWM产生较小的色差(白光LED因结温引起的色差不超过4SDCM)，工程实践中多不考虑PWM调光产生的色差。

恒流驱动下的PWM具有以下特点：改变LED的占空比，光度量相应地线性改变而色度量保持恒定。光度量和色度量都是整数倍于方波周期时间内的平均值。PWM也因具有较宽的调节范围，在工程实践中得到了广泛应用。

目前对PWM调光调色的研究相对较少，此前尚缺乏一个利用PWM同时控制光源光度量和色度量的量化计算方案。针对上述问题，提出了两通道PWM调光调色的混光模型，建立了期望光色量与两通道占空比之间的一一映射。该算法能定量地调制出期望光度、色度要求的光谱，为LED的动态照明设计提供了一个有效的实现方法。

方法

1、两通道PWM调光调色的确定性

理论上可以证明，通过对LED进行混光，两通道PWM的占空比与混合光的光色量之间存在确定的映射关系。这种确定性由PWM混光技术下的几何、光度、色度约束条件共同决定。

1.1 几何约束条件

由色度学知识可知，混合光的色品坐标必在参与混光的两光源色品坐标连线上，具体位置取决于两种光源的混合比例，以此表示两通道PWM混光的几何约束条件，用公式表示如下：

从上式可以看出，可控比由参与混光的两光源本身决定，与外在控制方法无关。可控比越大，说明PWM调控裕度越大，实现预期光度、色度值的概率越大。所以，可控比可作为光源组合选择优劣的评判标准。

从图1中还可以看出：1)混合光的色度量能且仅能在对应于x0处取遍所有理论光度值;2)若混合光的光度量不大于Yc、Yw中的较小者，则可取遍所有理论色度值。所以要实现所有的色度值，Yc和Yw不应相差太大，且两者的较小值应与期望光度值中的最大值相当。同样实验表明，Rc和Rw的差值越小，则可控比就越大，两种LED的利用率就越高。所以，在都能实现期望值的情况下，应选择Rc和Rw相差最小的光源组合。

实验与结果分析

根据P. R. Boyce、J. W. Beckstead、N. H. Eklund等人实验提供的日光照度和色温变化曲线，选取26个时间关节点上的光色值，对从黎明到中午的自然光进行模拟。根据光色值的变化范围，选择了两种高显色性白光LED，LED的光色电等基本参数如表1所示。

实测照度值与期望照度值的平均误差为15lx，实测色温值与期望色温值平均误差为23K。

实验过程中，实测值与理论值存在一定的误差，但总体上还是得到了很好的匹配。误差主要来自以下几个方面：1)随着实验过程的进行，LED芯片的结温不断升高。结温的改变会引起其光度量和色度量的变化。2)驱动LED芯片的PWM波形并非理想的方波。即使在同一开关状态下，电流也并非保持恒定，而驱动电流的变化则会导致LED光度量和色度量的变化。占空比越小，这种情况引起的误差就越大。3)LED个体性差异。即使是同一型号，同一批次的LED，其光度量和色度量也会不同，特别是两者的动态特性。而在实验中认为同一种LED具有相同的光色电参数和动态特性。4)检测仪器的系统误差以及操作过程中的随机误差。

结论

本研究提出了一种新型的基于PWM的调光调色方法，建立了关于期望光色量和两通道占空比的一一映射模型，可以准确地实现预期光度和色度要求的光谱，为LED的动态照明技术提供了理论依据和实现方法。另外，该调光调色方法在LED背光领域亦具有潜在的应用前景。