節(jié)能減排已經(jīng)成為當(dāng)今世界重大戰(zhàn)略性課題，LED因其節(jié)能、環(huán)保、光效高、壽命長等優(yōu)點素有“綠色能源”之稱，正逐步取代傳統(tǒng)光源[1]。隨著科學(xué)技術(shù)的進步和生活品質(zhì)的提高，人們對LED照明的控制水平要求越來越高。為了實現(xiàn)二次節(jié)能，人們希望能夠?qū)崿F(xiàn)亮度調(diào)節(jié)，自由調(diào)節(jié)燈光的明暗程度。為了營造出不同的氣氛，人們希望能夠?qū)崿F(xiàn)色溫調(diào)節(jié)，個性化設(shè)置燈光環(huán)境[2]。
相關(guān)研究表明[3]，采用兩個調(diào)光電源分別驅(qū)動高低兩種色溫的白光LED陣列，通過調(diào)節(jié)兩電源的驅(qū)動電流比例能夠?qū)崿F(xiàn)色溫調(diào)節(jié)，但這種方法電源可靠性較低，并且無法實現(xiàn)獨立調(diào)光。
常規(guī)色溫調(diào)節(jié)方法采用兩個調(diào)光電源驅(qū)動高低兩種色溫白光LED陣列，通過調(diào)節(jié)兩種LED的驅(qū)動電流比例實現(xiàn)色溫調(diào)節(jié)。該方法只能實現(xiàn)色溫調(diào)節(jié)，無法實現(xiàn)線性調(diào)光。為此，本文在分析了LED色溫調(diào)節(jié)的常規(guī)方法存在的問題的基礎(chǔ)上，提出一種LED色溫調(diào)節(jié)的新方法，與大家探討，新方法僅采用一個 LED調(diào)光電源，在LED調(diào)光電源后僅增添幾個器件即可實現(xiàn)LED燈具的色溫調(diào)節(jié)和亮度調(diào)節(jié)且互不干擾，有利于降低了成本，提高電源可靠性，對于LED的控制具有應(yīng)用價值。
一、LED色溫調(diào)節(jié)的常規(guī)方法
1. LED色溫調(diào)節(jié)的常規(guī)方法
LED色溫可調(diào)的燈具采用高低兩種色溫的白光LED陣列，兩種LED陣列密集交替排布使兩種色溫充分混光，通過調(diào)節(jié)兩種LED的驅(qū)動電流比例能夠?qū)崿F(xiàn)總體色溫調(diào)節(jié)[3]。圖1給出了這種方法的結(jié)構(gòu)框圖。PWM1信號用來調(diào)節(jié)可調(diào)光電源P1的輸出電流I1，I1驅(qū)動暖白LED陣列;PWM2信號用來調(diào)節(jié)可調(diào)光電源P2的輸出電流I2，I2驅(qū)動冷白LED陣列。通過調(diào)節(jié)PWM1信號與PWM2信號的占空比比例來調(diào)節(jié)暖白LED陣列和冷白LED陣列的亮度比例，由于兩種LED的充分混光，實現(xiàn)了燈具的整體溫調(diào)節(jié)。
圖1：常規(guī)方法系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖
2. LED色溫調(diào)節(jié)的常規(guī)方法存在的問題
人們往往不希望調(diào)節(jié)色溫時燈光的明暗程度發(fā)生變化或者調(diào)光時色溫發(fā)生明顯偏移，也就是說希望調(diào)色溫和調(diào)光互不干擾，這樣可以通過調(diào)光和調(diào)色溫的不同組合配置更多的光環(huán)境。然而，上述方案難以滿足這一要求。
(1) 難以實現(xiàn)亮度調(diào)節(jié)
目前大多成熟的LED可調(diào)光驅(qū)動電源方案中，電源管理芯片通常只提供一個調(diào)光引腳。采用上述常規(guī)方法調(diào)節(jié)色溫時，為了實現(xiàn)雙電源的輸出電流比例的調(diào)節(jié)，兩個電源的調(diào)光引腳都將被占用，因此沒有實現(xiàn)調(diào)節(jié)色溫的同時獨立調(diào)光的硬件資源。
(2) 電源效率過低，降低了電源可靠性
由于LED是低壓直流光源，因此LED驅(qū)動電源是降壓型AC-DC恒流電源，這種電源的效率隨電源功率降低而降低。圖2給出了采用了富士通MB39C602芯片的LED電源的效率隨輸入功率變化的實測曲線，輸入功率為3W時電源效率相比輸入功率為15.5W時的效率降低了17%。色溫調(diào)節(jié)的常規(guī)方法中，可能始終有一個電源的輸入功率較小。這意味著該電源的效率降低，功率損耗增加。功率損耗在電源中主要表現(xiàn)為熱能，并產(chǎn)生高于環(huán)境溫度的溫升。經(jīng)驗表明，溫度每升高10℃，系統(tǒng)失效的可能性增加一倍，這將極大的降低系統(tǒng)的可靠性[4]。另一方面，功耗增加將導(dǎo)致光效降低，減弱LED的節(jié)能優(yōu)勢。
圖2：電源效率隨輸出功率變化的曲線
二、LED色溫調(diào)節(jié)的新方法
1. LED色溫調(diào)節(jié)的新方法
新方法采用了PWM調(diào)光驅(qū)動電源方案，并在電源后端電路中增設(shè)了色溫調(diào)節(jié)電路，該色溫調(diào)節(jié)電路采用PWM開關(guān)調(diào)光的方式調(diào)節(jié)冷白LED陣列和暖白LED陣列的導(dǎo)通時間比例，實現(xiàn)色溫調(diào)節(jié)，結(jié)構(gòu)框圖如圖3。
該方案采用PWM1信號控制電源的調(diào)光端子，通過調(diào)節(jié)PWM1的占空比來調(diào)節(jié)LED的輸出電流Io進而實現(xiàn)LED燈具調(diào)光。
為了實現(xiàn)色溫調(diào)節(jié)，將導(dǎo)通壓降比較接近的一路冷白LED陣列和一路暖白LED陣列并聯(lián)接于電源輸出端，采用功率開關(guān)管MOS1和MOS2分別控制冷白LED陣列的通斷和暖白LED陣列的通斷。 PWM2信號連接MOS1的柵極，實現(xiàn)對冷白LED陣列導(dǎo)通時間的控制，PWM2經(jīng)反相器后得到反相的信號PWM3連接MOS2柵極，控制暖白LED陣列的導(dǎo)通時間。PWM2為高電平時，PWM3為低電平，故冷白LED陣列導(dǎo)通，暖白LED陣列斷開，反之亦然。調(diào)節(jié)PWM2的占空比來調(diào)節(jié)單位時間內(nèi)冷白LED陣列和暖白LED陣列的導(dǎo)通時間比例，利用人眼存在暫留時間，實現(xiàn)了色溫的變化效果。
圖3：新方法系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖
2. 新方法的試驗驗證
為了驗證這種方法，本文采用MB39C602的LED可調(diào)光方案，在其后端增設(shè)上述色溫調(diào)節(jié)電路，并進行了測試。圖4給出了不調(diào)節(jié)色溫、僅調(diào)節(jié)亮度(圖中體現(xiàn)為電功率變化)時，色溫隨功率變化的曲線。圖4中的冷白、偏冷白、中性白、偏暖白、暖白五個典型應(yīng)用色溫梯度的曲線均趨于一條平行線，說明在不調(diào)節(jié)色溫時僅調(diào)節(jié)亮度，色溫變化不大。圖5給出了不調(diào)節(jié)亮度、僅調(diào)節(jié)色溫時，功率隨色溫變化的曲線。圖5中給出了實際常用的三個功率梯度，三個功率梯度曲線均趨于一條平行線，說明在不調(diào)節(jié)亮度時僅調(diào)節(jié)色溫，對輸入功率影響不大。
圖4、圖5：色溫隨功率變化的曲線、電源功率隨色溫變化的曲線
圖6給出了不調(diào)節(jié)亮度、僅調(diào)節(jié)色溫時，光通量隨色溫變化的曲線。圖6中給出的光通量梯度曲線幅度變化不大，說明在不調(diào)節(jié)亮度時僅調(diào)節(jié)色溫，亮度變化有限。
圖6：光通量隨色溫變化的曲線
由上述測試結(jié)果可以看出，新方法在不同亮度條件下，可以滿足較大范圍的LED燈具的色溫調(diào)節(jié)。不調(diào)節(jié)亮度僅調(diào)節(jié)色溫時，電源的輸入功率波動較小且光通量變化不大。不調(diào)節(jié)色溫僅調(diào)節(jié)亮度時，色溫變化較小。能夠滿足獨立調(diào)節(jié)色溫和獨立調(diào)光的要求。這就解決了LED色溫調(diào)節(jié)的常規(guī)方法只能調(diào)節(jié)色溫難以實現(xiàn)調(diào)光的問題，同時避免了因電源輸出功率過小而降低電源效率及LED光效的問題。
3. 新方法的優(yōu)勢
(1) 新方法既能調(diào)光又能調(diào)色溫且互不干擾
新方法采用獨立的PWM1信號和PWM2信號分別控制電源的調(diào)光端子和色溫調(diào)節(jié)電路控制端子，實現(xiàn)亮度調(diào)節(jié)和色溫調(diào)節(jié)互不干擾，可以配置出更多的光環(huán)境，滿足更多的照明需求。
(2) 新方法可靠性高
新方法中，任一時刻，兩路高低色溫白光LED陣列中只有一路呈導(dǎo)通狀態(tài)，實現(xiàn)了輸出功率恒定，從而避免了常規(guī)方法中電源功率過低致使電源效率低、系統(tǒng)可靠性低、光效低等問題。
(3) 新方法成本低
新方法電路結(jié)構(gòu)簡單，僅采用一個調(diào)光電源及幾個用于實現(xiàn)色溫調(diào)節(jié)的器件，相比常規(guī)方法采用兩個調(diào)光電源，具有硬件成本低、控制容易實現(xiàn)、工作穩(wěn)定的特點。
三、結(jié)論
本文分析了LED色溫調(diào)節(jié)的常規(guī)方法存在的問題，利用LED開關(guān)響應(yīng)速度快的優(yōu)勢，提出了基于PWM調(diào)光驅(qū)動電源方案的色溫調(diào)節(jié)電路，該電路能夠?qū)崿F(xiàn)LED獨立調(diào)光和調(diào)色溫且互不干擾。通過試驗數(shù)據(jù)分析驗證了新方法能夠在較大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)色溫。新方法結(jié)構(gòu)簡單，硬件電路成本低，能夠獨立調(diào)節(jié)色溫和亮度以配置出更多的燈光環(huán)境，為LED的智能控制提出了新思路。
參考文獻：
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[2] 吳乾,胡康樂,王躍飛等.一種實現(xiàn)動態(tài)白光的可調(diào)方法及其應(yīng)用工具:CN,101451658[P].2009.
[3] 劉康，郭震寧，林介本，曾海，曾茂進.高亮度白光LED混色照明理論及其實驗研究[J].照明工程學(xué)報，2012，23(1)：51-57
[4] 精通開關(guān)電源設(shè)計，[美]Sanjaya Maniktala著，王志強等譯，人民郵電出版社，P13
