基于PWM調光的高顯色性白光LED混光優(yōu)化方法

田會娟，胡 陽，陳 陶，柳建新，蔡敏鵬，關 濤

(1. 天津工業(yè)大學 電氣工程與自動化學院, 天津市電工電能新技術重點實驗室，天津 300387；2. 大功率半導體照明應運系統(tǒng)教育部工程研究中心，天津 300387；3. 天津工業(yè)大學 電子與信息工程學院，天津 300387； 4. 天津成科傳動機電技術股份有限公司，天津 300384)

1 引 言

隨著人們生活水平的提高以及 LED 應用領域的擴大，單一色溫白光 LED 已經不能滿足實際應用的需求。研究能滿足優(yōu)質照明需求的色溫、亮度可調、成本低且易于實現(xiàn)的高顯色性白光LED 成為近年來的研究熱點[1-3]。殷錄橋等[4]采用紅綠藍三基色發(fā)光二極管，模擬了類太陽光動態(tài)色溫在不同時間段動態(tài)變化的照明光源，顯色指數(shù)在33～37范圍內。郭自泉等[5]模擬了在相關色溫3 000 K時的三基色合成白光，得到最大顯色指數(shù)為92.6。諶江波等[6]采用Ohno模型，用藍光LED激發(fā)涂覆其上的綠橙雙色熒光粉獲得暖白光，與紅、青、藍3種LED光源混光，得到了寬色溫范圍下的高顯色指數(shù)白光，這種方法需在特定光源上涂覆特定量熒光粉。田會娟等[7]提出了一種基于脈沖寬度調制(PWM)的R/G/B/WW四色LED調光調色模型，該模型在高色溫混合白光時均勻性有待進一步提高。本文在上述PWM的基礎上，研究了高顯色性白光LED混光優(yōu)化方法，該方法根據(jù)多基色混合白光光源相對光譜功率分布(SPD)符合線性疊加原理，采用1931 CIE-XYZ三刺激值建立混合光中各光源色坐標與配光比關系，在優(yōu)化目標顯色性能最佳時，研究了各參數(shù)的測試精度，并采用R/G/B/WW 四色LED進行實驗驗證。

2 實 驗

2.1 顯色指數(shù)計算

顯色指數(shù)用來表示光源對被照射物體實際顏色的還原能力，最大值為100，其值越高，表明色彩還原能力越強。光源對某一標準顏色樣品的特殊顯色指數(shù)的計算公式為[5-6,8-9]：

Ri=100-4.6ΔEi(i=1,…,14)，

(1)

其中，ΔEi為14種顏色樣品在標準光源與待測光源下的色差。通常情況下用一般顯色指數(shù)Ra表示光源的顯色性能，Ra指特定的8個標準顏色樣品的平均顯色指數(shù)：

(2)

2.2 相關色溫計算

相關色溫的計算公式為[10]：

Tc=449n3+3525n2+6823.3n+5520.33，

(3)

它表示當光源發(fā)出光的顏色與黑體在某一溫度下輻射的顏色接近時，黑體的溫度就稱為該光源的相關色溫，式中n=(x-0.3320)/(0.1858-y)，x、y為CIEx-y的色坐標。

2.3 混合光計算

多色彩混合白光的光源相對光譜功率分布(SPD)符合線性疊加原理[11-12]：

P(λ)=D1P1(λ)+D2P2(λ)+…+DnPn(λ)，

(4)

其中，Dn和Pn(λ)分別為第n種光源的占空比和在滿電流工作狀態(tài)下的光譜功率分布。CIE-XYZ光譜三刺激值由CIE-RGB光譜三刺激值經過數(shù)學變換得到，記為X、Y、Z。三刺激值在物體色度值的計算中代表人眼的顏色視覺特征參數(shù)，計算公式為[9,13]：

(5)

其中V(λ)是光譜光視效率函數(shù)，P(λ)是混合光的光譜功率分布函數(shù)。

根據(jù)混光原理，且便于控制變量，需先將四基色轉變?yōu)槿??？扇芜x兩色先進行混合，再將混合光與其余兩單色光混合。為方便討論，本文中先將四色中的G與WW混合，組成G/WW混合基色。設1 lm總光通量下，G在G+WW中的所占比例為r，即r=G/(G+WW)，其三刺激值可表示為(XB,YB,ZB)、(XG,YG,ZG)、(XR,YR,ZR)、(XWW,YWW,ZWW)和(XG+WW(r),YG+WW(r),ZG+WW(r))，則有以下關系[13]：

[XG+WW(r)YG+WW(r)ZG+WW(r)]=

(6)

在任意比例r下，R/G/B/WW 四色LED在1 lm總光通量下的混合光源中的貢獻率分別用pR(r)、pG(r)、pB(r)、pWW(r)和pG+WW(r)表示，則有以下關系：

利用公式(7)計算結果可得出R/G/B/WW 四色LED在目標光通量φ0下的混合白光中的光通量值：

(8)

3 實驗測試與結果分析

3.1 實驗用光源模塊及驅動電路

實驗采用八腳R/G/B/WW 四合一LED燈珠8顆組成光源模塊。為了使LED燈珠混光更加均勻且降低LED燈珠由于發(fā)熱導致結溫過高而引起色漂移和光效降低等問題，對該光源進行了光學仿真設計，得出其光源排布如圖1所示，并采用導熱硅膠固定在帶有散熱器的鋁基板上。用遠方光電公司的HASS-2000 光譜分析系統(tǒng)測量光源模塊中各色LED芯片滿電流狀態(tài)下的色度學參數(shù)及相對光譜功率分布，如圖2和表1所示。

Fig.2 R/G/B/W source relative spectral power distribution

表1 實驗中R/G/B/WW四合一燈珠參數(shù)

驅動電路主要由直流穩(wěn)壓電源、WiFi模塊、STM32-ARM模塊、R/G/B/WW四合一LED光源模塊組成，如圖3所示。直流穩(wěn)壓電源將市電轉換為電壓為12 V 的直流電，WiFi模塊接收由手機端自主設計的調光APP發(fā)出的各色占空比比例信號，將信號反饋到STM32-ARM模塊，STM32-ARM 模塊根據(jù)占空比與光通量關系控制R/G/B/WW LED光源模塊混合比例，從而控制各色LED的混合比例完成調光混色實驗[14-15]。

圖3 R/G/B/WW四合一光源模塊驅動電路原理圖

Fig.3 R/G/B/WW four-in-one light source module drive circuit schematic

3.2 實驗用光源模塊占空比與光通量關系

光通量與占空比存在線性關系[16]，利用遠方光電公司的HASS-2000 光譜分析系統(tǒng)測試得出R/G/B/WW四色LED在[0，100]占空比D范圍內所對應的光通量φ值，采用Origin軟件對測試得到的φR、φG、φB、φWW與相應的占空比DR、DG、DB、DWW進行線性擬合，得到基于本文所用光源的四色LED光通量與占空比間的關系，結果如圖4所示。由圖4可以看出φ和D線性擬合度高，其相關系數(shù)R2在0.999 52～0.999 92之間，同時可得該LED模組中各光源的光通量與占空比的關系：

(9)

圖4 R/G/B/WW 四色LED占空比與光通量間的關系。(a)φR-DR；(b)φG-DG；(c)φB-DB；(d)φWW-DWW。

Fig.4 Relationship between duty cycle and light flux of R/G/B/WW four color LED.(a)φR-DR. (b)φG-DG. (c)φB-DB. (d)φWW-DWW.

3.3 實驗結果及分析

3.3.1 最優(yōu)顯色性

根據(jù)公式(2)、(3)、(7)可知，在不同色溫下取不同的r值會得出不同的R/G/B/WW四色LED混合白光的配光比，不同的配光比會影響顯色性能，故需要在一定色溫下得出最優(yōu)的顯色指數(shù)，同時獲取四色LED光源模塊在最優(yōu)顯色指數(shù)下的占空比。在調光約束范圍內，沿黑體軌跡取Tc分別為3 000，5 000，7 000 K時各自對應的CIE色坐標(0.437，0.403 9)、(0.345 2，0.351 5)和(0.306 5，0.316 4)，光通量設定為500 lm，占空比在[1,100]范圍內，改變r值，得出不同r下的R/G/B/WW 四色LED各色光源的光通量比例，經公式(8)、(9)轉換為占空比值。測試實驗結果如表2和圖5所示。由表2可知，相關色溫和光通量的設定值與測量值一致性較好，3種相關色溫設定值與測量值的平均相對誤差分別為1.18%、1.43%和1.02%，3種色溫下光通量設定值與測量值平均相對誤差分別為2.04%、1.48%和1.71%。同時，進一步分析了該R/G/B/WW 四色LED光源模型的顯色性能，如圖5所示。當設定相關色溫為3 000 K時，顯色指數(shù)隨著r的增大先增大后減小，最高顯色指數(shù)可達95.3。同樣，在設定相關色溫為5 000 K和7 000 K下，顯色指數(shù)也是隨著r的增大先增大后減小，但趨勢不同，Tc=5 000 K時顯色指數(shù)可達96.2，Tc=7 000 K時顯色指數(shù)有所降低，最大值為96.1。當Tc=3 000 K時，紅、綠、藍LED組成的光譜缺少琥珀段光譜，這段光譜剛好可由暖白光補充，故最高顯色指數(shù)可達95.3；在5 000 K時，由于藍光和綠光在光譜占有量的增大，光譜愈發(fā)趨于完整，顯色指數(shù)可達到96.2；而在7 000 K時，紅光光譜所占比例出現(xiàn)下降，而藍光和綠光光譜所占比例更多，故顯色指數(shù)會有所降低，最大值為96.1。整體而言，LED光源模塊在r變化時，顯色指數(shù)均為先增大后減小，最優(yōu)顯色指數(shù)均可達到95以上，故以3種色溫下的最優(yōu)顯色指數(shù)95.3，96.2，96.1作為R/G/B/WW 四色LED配光比標準，在后續(xù)實驗中均可得到非常優(yōu)異的顯色性能。

表2 光通量為500 lm時，3種相關色溫情況下設定值與測試值對比

圖5 顯色指數(shù)Ra隨混光比r的變化。(a)Tc=3 000 K；(b)Tc=5 000 K；(c)Tc=7 000 K。

Fig.5 Color rendering indexRavaries with the light mixing ratior. (a)Tc=3 000 K. (b)Tc=5 000 K. (c)Tc=7 000 K.

3.3.2 光效和顯色指數(shù)與光通量關系

為了研究R/G/B/WW 四色LED光源模塊混合白光在最優(yōu)顯色性下光效和顯色指數(shù)與光通量的關系，在得出最優(yōu)顯色指數(shù)配光比基礎上，利用公式(5)～(7)計算出不同色溫下四色LED在不同光通量下的配光比，根據(jù)比例調節(jié)各色LED對應的占空比值，從而進行不同光通量設定值下的實驗驗證。

由表3可知，當設置相關色溫為3 000 K時，測試色溫與設置色溫的平均誤差為2.62%，光通量平均誤差為1.41%，顯色指數(shù)范圍為94.2～95.5，與設置的最優(yōu)顯色指數(shù)平均誤差為0.38%，光效范圍為184.90～230.54 lm/W；當設置相關色溫為5 000 K時，測試色溫與設置色溫的平均誤差為1.68%，光通量平均誤差為2.80%，顯色指數(shù)范圍為94.9～96.8，與設置的最優(yōu)顯色指數(shù)平均誤差為0.47%，光效范圍為177.32～239.57 lm/W；當設置相關色溫為7 000 K時，測試色溫與設置色溫的平均誤差為2.54%，光通量平均誤差為2.19%，顯色指數(shù)范圍為91.2～96.4，與設置的最優(yōu)顯色指數(shù)平均誤差為0.35%，光效范圍為174.04～229.09 lm/W。由上述實驗分析可知，3種相關色溫下，一般顯色指數(shù)Ra均可達到高顯色性要求，混合光在相同光通量不同色溫下，功率幾乎一樣且都隨著光通量的增大而增大，這說明混合光源模塊的功率是由光通量決定的。本實驗中采用四合一燈珠且多燈珠同時點亮，雖然考慮了芯片結溫的升高會影響芯片性能并設計了散熱結構，但隨著光通量的增加，燈珠功率隨之增大，功率的增大不可避免地使得LED芯片的結溫升高，從而導致光效降低，如表3所示。由于色溫越高色品坐標越敏感，因此7 000 K下的誤差平均值略大于3 000 K和5 000 K下的誤差平均值。當相關色溫為5 000 K時，只需極少量的單色LED參與混光即可實現(xiàn)目標色溫下的混合光，因此5 000 K時混合光的光效最大。光通量的增加不改變3種色溫的光譜，故顯色指數(shù)理論上應該無變化，實際測試結果中顯色指數(shù)有變化但幅度不大，這是由于測量誤差及占空比調節(jié)時的四舍五入造成的。圖6為相關色溫在3 000,5 000,7 000 K時四色LED模塊的照明效果。

表3 不同色溫下測量值與設定值的對比

圖6 R/G/B/WW LED 光源模塊的照明效果圖。(a)Tc=3 000 K；(b)Tc=5 000 K；(c)Tc=7 000 K。

Fig.6 Lighting effect photos of R/G/B/WW LED module. (a)Tc=3 000 K. (b)Tc=5 000 K. (c)Tc=7 000 K.

綜上所述，對于R/G/B/WW 四色LED光源模塊，通過實驗得出不同色溫下的最優(yōu)顯色性配光比后，可實現(xiàn)一般顯色指數(shù)大于95且光通量、色溫可調的高顯色性、高光效混合白光，在實際運用中具有重要意義。

4 結 論

智能照明是未來照明發(fā)展的大趨勢，本文在基于PWM調制的基礎上，利用色坐標與三刺激關系，采用R/G/B/WW四合一燈珠設計光源模塊，建立各通道占空比與光通量的關系，計算得出不同色溫下R/G/B/WW在混合白光中的比例，通過測色法找出顯色指數(shù)最優(yōu)時各色配光比，以此為基礎在高顯色性下研究光通量與功率、光效和顯色指數(shù)的關系。實驗結果表明，相關色溫在3 000，5 000，7 000 K下，可實現(xiàn)一般顯色指數(shù)在94.2～96.8、光效在174.0～239.6 lm/W的高顯色指數(shù)、高光效混合白光。設置光通量與測試光通量平均誤差為2.17%，設置色溫與測試色溫平均誤差為2.28%，混合光設置顯色指數(shù)與測試顯色指數(shù)平均誤差為0.40%。需要注意的是，紅、綠、藍芯片的光效、光譜的半高全寬和峰值波長以及白光芯片的光效和顯色性能都會對混合白光的顯色指數(shù)和光效產生影響，且混合白光中缺少波長在450～510 nm之間的青色光光譜，同時因為未對燈板進行后期燈具設計，在燈板水平發(fā)光面附近光混效果較差。后續(xù)工作將對這些問題進行系統(tǒng)研究，若能補齊混合光譜中缺失波長部分的光譜，且增強水平混光效果，顯色指數(shù)可進一步提高。