可调色温的白光LED
中心议题：
- 光照效果的控制
- 散热管理
- 多芯片高功率LED
- 采用红、绿、蓝单色LED混合来生成白光
大家都知道：“所有色彩都包含白色”。根据相关色温(CCT)，存在着不同的白色调，从暖白色（如白炽灯的光）直到冷白色（如众多早期LED指示灯和电源LED的光），这两种色调数值范围在2700～6000K以上。如果我们采用传统技术的话，只能添加对白光进行“调光”这种智能功能。如果采用固态照明技术的话，设计人员就能从中获得全新的功能，比方说调节白光色温，改变环境等。
这种新功能的优势包括提高工作单位的效率，使零售环境对顾客变得更有吸引力，从而增加了客流量，并能在酒店服务行业产生一种更有亲和力的光照欢迎效果。此外，我们还能根据不同的季节、产品、一天中的不同时段等来改变零售环境中的光照效果，从而促进销售工作，而无须对商铺进行大规模改造。亮度可调正是固态照明技术的特性之一，当然除此之外，固态照明还有节能、降低成本、延长设备工作时间等优势，这些优势都推动着LED技术在照明市场中的广泛应用。
在改进功能之前，首要工作就是确保合适的照明效果。为了加快推广速度，我们应当遵从传统的照明技术规范，确保新技术的照明效果能够满足照明设计人员、架构师以及最终用户的预期要求。只有能够提供适当照明效果、且具备添加智能化功能的可扩展性、同时确保较低商业成本的技术，才能为照明市场带来革命性的变革。性能（光照强度）、质量（色温和色彩渲染）以及照明（光束角与发光强度）都是我们要考虑的重要参数。色彩渲染通常是用IEC规范中的显色指数(CRI)标准来衡量，它体现的是准确复制照明色彩的能力。
举例来说，红色汽车在低压钠光下就会呈现褐色，这种光有一种琥珀色调，CRI较低。最终用户希望能够通过LED照明技术延长设备的使用时间，降低能耗和维护费用，但是如果新的照明技术达不到照明质量要求的话，则根本不会考虑采用此技术。只有在实现了有关照明效果性能要求的基础上，我们才能转而考虑如何增强功能。
要想对光照效果实现绝对的控制，就要解决一致性的问题。在采用可控的固态照明灯具时，我们始终要考虑色彩一致性的问题，要想到性能方面的差异，包括不同灯具之间随时间推移而产生的差异，温度和设定点等。尽管有相应的技术来解决上述问题，但整体系统开发仍对照明产业提出了挑战。本文所述的模块化或系统级实施方案有助于解决有关技术问题。采用适当电源和控制技术的LED系统应当成为当前技术的有益补充和配合，而不应与现有技术产生冲突，不一定要完全取代其他技术，只有这样，才有助于加速新技术推广。
不仅限于光源问题
要想取代小型的卤素灯，那幺光源的光通量应达400～1000Lm之间。尽管LED性能不断得到显着改进，但能达到上述性能的高光通量密度光源还不多见。现有的单芯片LED的光通量能达到100Lm以上，但很少有能达到相当于20W、35W或50W卤素灯光通量的LED。我们可以把一些低性能LED组合起来，但是这会带来光控制方面的问题。光的生成是一个问题，而控制光以实现最佳的光照效果又是另一个问题。我们应当设计出一种满足所需光通量的统一光源，这有助于简化光设计，并提高灯泡的效率。
散热管理是任何高功率固态照明应用所不能忽视的又一重要问题。LED光源产生的热量必须加以适当控制，这样才能确保设备在一定的工作条件下达到足够长的使用寿命。就LED的小型化封装而言，散热问题可能很难解决，但通过最小化热阻，有助于缓解整个系统级问题。
设计可调白光的基本问题就是要支持多个可以分别控制并加以混合的色彩通道。确保波束色彩的一致性，不会出现彩色边缘或阴影现象，这是一项相当复杂的工作。我们可通过减小LED或LED系统的光源大小来改善色彩混合。
一种解决方案是设计多芯片LED，尽可能准确地定位不同色彩，以缩短混合距离。尽管市场上出售各种多芯片封装方案，但同时支持高光通量密度和色彩混合的封装方案却不多。大多数多芯片封装由于低驱动电流的限制，光通量密度较低。此外，设计人员也可采用多个分立的高通量光源，但这会加大光源大小和色彩混合方面的问题。
光通量密度、调光性、色彩混合和散热管理等综合要求尽管并不是不能解决的问题，但确实对LED制造商提出了严峻的挑战。不过，我们应当在LED内部解决上述问题，这有助于简化OEM和系统集成商所面临的问题。
我们开发出了多芯片高功率LED，以其作为可调“白点”的光源，这样可减少色彩混合方面的问题，并支持微型化的点光源照明应用。相对于传统功率LED和阵列组装而言，这种10～15W的封装方案不仅能显着提高光输出功率，而且还能大幅改进光通量密度。这种LED针对散热性能与可靠性进行了优化，可提高驱动电流，从而进一步改进光通量密度。材料、封装以及组装与裸片的连接工艺的优化组合可实现更出色的散热性能，从而改进不同应用条件下的可用光照效果。
可调LED照明系统通常采用红、绿、蓝单色LED，通过混合来生成白光，这也称作RGB技术。RGB技术能支持丰富的色彩和可调的白光，但CRI值却相当低。这种系统可支持的色彩渲染CRI数值通常在40～60之间，具体取决于目标色彩温度。内部照明通常要求CRI数值在80以上，要是在零售和博物馆等特定环境中，则要求更高的CRI数值。因此，这种光可以完全适用于信号或环境上色（color-washing）应用，但不太适合用做室内照明的可调白光源。
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提高CRI数值的一种可能办法就是增加色彩成分。通过添加琥珀色来实现RGBA系统，我们可大幅改善CRI值，同时又能确保色点的可调性。此外我们仍能实现极高的色彩灵活度，但对室内照明更重要的是，我们可以在黑体线上移动白点，同时又能让CRI值趋近于90，这就实现了较好的色彩渲染效果，并生成高质量白光。
我们可将上述产品因素相结合，获得较好的性能结果。例如，目前已经推出10W的RGBA发射器（见图1），其可实现高光通量密度、色彩控制与混合等功能，而且其封装针对散热性能与高可靠性进行了精心优化。
使用这种类型的LED，我们可以开发出一款满足适当光照亮度和质量的灯泡，而且还能支持白点调节，以改善色彩渲染效果。图1所示的产品封装为7mm×7mm，单颗芯片的持续工作电流可高达1000mA，光通量为350Lm时，功耗仅为10W。
图1 10W可调白光产品采用可独立寻址的多芯片封装
多色LED发射器介绍多色LED发射器也需要智能化和集成式控制器，原因如下：
图2 光谱能量分布对比
多通道驱动器：就给定的色温而言，高质量CRI（90以上）会需要多种类型的LED。CRI是光源的光谱能量分布(SPD)的一个函数。SPD是指给定波长（频率）下光源的辐射量。CRI数值表现最好(97以上)的白炽灯工作寿命较短（750～2500小时），效率也较低（美国能源部的数据为10～17Lm/W）。图2显示了白炽灯的SPD曲线与RGB光源曲线的对比情况。
显然，RGB光源本身尚不足以支持较高的CRI。设计人员需要添加更多色彩通道填充到频带中，这样就能获得接近于白炽灯的曲线。因此，器件必须采用最少4通道的驱动器来驱动红、绿、蓝与琥珀色或红、绿、琥珀色与自然白光的组合。这种控制器可在工厂制造阶段编程以获得正确的u、v元素值，也可通过通信链接动态编程。
EMI控制：由于高速开关调节器的缘故，高亮度(HB)LED灯具会产生较高的电磁干扰(EMI)，我们应通过特殊设计技术对此加以控制。我们可采用依靠随机处理的强度调制技术，通过伪随机计数器生成的不含主导周期性分量的输出函数，获得一个从EMI/EMC角度而言噪声较低、便于使用的调制输出。
补偿：LED设计需要进行一系列复杂的计算才能获得一致性的色彩。高亮度LED工程师目前所面临的两个最大问题在于如何根据生产编码解决不同的LED性能规格问题，以及LED在不同温度上的性能降低问题（如光通量输出与波长）。LED灯具需要智能驱动器、通过预测的方式来确保色彩和CRI在不同时间与温度下的一致性。对某些应用而言，这种驱动器还应当能够接受色彩和温度的实时反馈数据，从而确保灯具的性能。
调光：LED灯具应便于调光，其分辨率应支持深色功能，而且应当避免低亮度下的闪烁问题。
图3 如赛普拉斯半导体公司推出的PSoCExpress等LED专用开发控制软件
为了帮助开发人员解决多个LED通道以及复杂的色彩设计与管理问题，一些公司推出了能够驱动多个LED的硬件以及旨在简化LED开发与控制的软件，如图3所示。
通过单个器件驱动多个通道（就赛普拉斯半导体公司推出的EZ-Color控制器而言是16个），我们能大幅减少大型设计方案所需的控制器数量，从而降低设计复杂性和功耗，并节约板级空间占用。
此外，我们还提供直接可用的软件驱动器，从而显着减少了HBLED设计中（包括建筑照明、通用标志牌、可充电手电筒、娱乐照明与车辆应急灯等）普遍存在的低频闪烁与EMI放射问题。集成式开发环境还能通过嵌入式可视化设计工具简化设计工作，因此即便是缺乏经验的工程师也能为选定的LED方便地选择特殊色彩。
LED技术与控制技术持续快速发展，新式LED开启了更出色照明功能的可能性，并能确保预期照明质量。尽管开发上述照明系统的工作非常复杂，但制造商们正在努力应对挑战以加速技术推广。目前，通过LedEngin等厂商推出的高功率多芯片LED以及LED专用控制软件相结合，我们能推出高性能、高质量的可调光照明灯具，确保照明性能不亚于传统的卤素灯光源。
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