基于白光LED光源的光谱调谐

　　假如让消费者来描述完美的光源特性，那么你可能会在他们的描述中听到需要能量最低、光输出和颜色可调、使用时间很长等等各种各样的理想特性。最低输入能量是指输入功率高效地转换为流明输出，被称为功效；调节光输出与减弱光亮度的调光有关，或者可以增加照明设备的颜色调节，以便模拟白天相对夜晚的状况；并且通过调节流过LED的偏置电流，可以在较长的使用寿命期间维持光输出。

　　白炽灯能效低且使用寿命也较短；钠灯提供的颜色选择很少并且使用寿命短；荧光灯在可调光的选择选择较少，使用寿命也短。高亮度LED则声称具有良好的能效、较长的使用寿命、易于选择颜色与调光控制且无紫外（UV）射线。得益于于控制装置的智能设计或LED驱动电子器件，这些声称的优点现在已获实现。智能LED驱动器可以在使用期内针对亮度衰减进行调节，提供驱动特性来调节颜色，并替代获得所需颜色和亮度的LED分选（binning）：通过针对系统中不同LED使用光谱调谐，来获得所需的颜色和亮度。

　　光谱调谐对比分选

　　光谱调谐混合数种LED的光谱能量分布，例如适当地混合红光、绿光、和蓝光LED可产生白光。此RGB组合还用于产生几乎所有颜色的光。如果LED驱动器不是设计用于调节一组不同的LED，那么设计人员必须从分选过的LED中选择以便产生特定的颜色。分选是制造商根据发光流明和颜色将LED分类的过程，图1的例子显示了一组行业标准的LED "分类标准"。

　　图1：在色度图上的LED分类标准。

　　分类由色度图上标绘的矩形区域显示。一组包含在同一类的LED的将在颜色和亮度特性方面相近。然而，在包含许多照明设备的大型办公室或工厂环境中，不同类可能仍然会导致不均匀的光色，这在一组大型照明设备中是很明显的。经分选的LED设计不会提供改变照明设备颜色的方法；而一组不同颜色的LED使用反馈来调谐系统中不同LED的光谱特性，就能够在办公室环境中建立补偿照明系统，从而令整个空间的光线均匀。光谱调谐还可以补偿其它影响，例如窗口朝外的房间边上的自然光或反射进房间的走廊照明。

　　LED的另一个影响是色偏，源自LED正向电流的变化。图2显示了一组业内LED颜色随正向电流变化的曲线。

　　图2：按应用分类的LED灯单元。

　　LED驱动器可以采用严格的恒定电流（constant current， CC）输出容差设计，然而，收紧CC容差将增加LED驱动器的成本。由于正向电流经过一组LED，故一个成本较低的解决方案是设计人员使用反馈系统来调节LED色偏，通过反馈来补偿颜色变化。

　　分选LED通常在制造方面带来影响，导致LED采购成本增加。正因为LED分选设置是特定的，一些LED驱动器可能仍然不能匹配众多分类的LED应用的正向偏置电流设置。此外，温度效应和寿命退化影响都会引起照明设备颜色的变化。

　　反馈在光谱调谐中的应用

　　下文将提出一种自动调节颜色和亮度的照明设备，来说明可以抵消系统变化影响的反馈控制方案。色彩传感器和微控制器用于处理传感器输入。例如，色彩传感器使用光电二极管，采用non-organic三路滤色器，在温度和老化变化方面提供出色的稳定性和极低漂移，且滤色器可设计用于实施人眼的光谱敏感曲线（CIE1931）。

　　闭合环路光谱调谐光源的原理图如图3所示。

　　图3：光谱调谐光源。

　　控制回路如图所示采用了微控制器。控制回路通过传感器来测量亮度和颜色，并使用PWM信号来调节LED灯串中的电流。采用PWM输入信号，FAN7346能够控制单个LED串中的电流。电源可以是功率因数校正（power factor correction）前级，后接LLC DC/DC次级，以便为多个LED灯串供电，如图4。电源也可以是一个现有的设计，采用FAN7346来控制对电源的反馈。替代设计可以使用三个功率转换器（30W/10W/10W）组成，各自控制每组LED串，使用白光、绿光和琥珀光生成一个以白光为基础的调谐系统、或使用带有相同电源的三种灯串来"混合"红光、绿光和蓝光三种LED灯串，实现更宽泛的颜色调谐范围。LED颜色无需进行分选；可选择具有照明应用所需性能的低成本LED。

　　图3：光谱调谐光源。

　　图4：光谱调谐光源用电源。

　　系统实例

　　这里建立了一个办公室环境中白光照明调谐的系统实例，三个反激式PFC电源以并联的方式运行，输出功率高达30W的主电源驱动主白光LED灯串，两个附加电源则各自提供高达10W的功率，用于包含琥珀光和绿光LED的LED灯串，这提供了50W的总电源。图5显示了在全功率下的光源设计。色彩传感器位于光源阵列的中部，正面朝下，以实现光色和光强度的正确测量。

图5：满功率下的光谱调谐