原创 面对高亮度LED设计的挑战

作者：◆ 赛普拉斯半导体产品经理/ Adam Eades 
现在全球各地已逐渐淘汰传统的白炽灯泡。不仅政府机构，连民间使用者也要求更高效率的照明解决方案。精致型荧光灯泡(CFL)并非解决此项问题的最佳方案。但它赢过白炽灯的超长寿命以及更高的效率，足以让它成为解决您问题的诱人方案。然而，CFL的水银成分，却让废弃与处理等后续问题更加复杂。目前高亮度LED(HB LED)或高功率LED(HP LED)已被誉为最终解决方案，因为它具有更高的省电效率(甚至超越CFL)以及更长的寿命。这些LED已被运用在汽车照明、建筑物照明、舞台照明、以及某些室内照明应用上。这些系统中有许多产品利用多个LED，以色光混合的方式来达到所要的色彩；或是在白光应用中，以单一或多个LED来达到所要的演色性指数(CRI)或相对色温(CCT)。而这些系统的复杂度将会随之提高，因为您的系统不仅会面临许多设计限制，LED本身也会逐渐衍生许多问题。解决这些问题将需要智能型韧体、能依据所需精准度而定的回馈机制、以及透过像是DMX512、DALI等通讯网络来控制这些照明系统。
　　
高亮度LED的设计挑战 

高亮度LED是半导体组件，不幸的是和所有半导体组件一样，即使同一片晶圆生产的组件，其电子特性也会有差异。对于LED而言，这样的差异会导致色彩(或波长)、光通量输出、以及顺向电压等方面的差异。LED制造商根据生产率与效能，将这些零件分置于特定的bin。这种binning分类程序会影响你的产品设计负荷电流，以及您设计中LED的运用程度。为解决这项问题，有些设计业者宁可付一点代价，选购特定的bin，但这仍无法解决LED系统的色彩精准度问题，因为这些bin的特定尺寸，仍有肉眼可辨识的+/-5nm误差范围，。
除了各种制造问题外，像是光通量输出以及波长等LED特性也会因接点温度以及LED的使用时数而产生改变。每个有色LED受到温度的影响程度都不同，幅度取决于LED的材料。红色与琥珀色LED当接点升高时，受影响的程度最大，而蓝色与白色LED受影响的程度最小(参考图1所示)。在这些照明系统中，每个LED受影响的时间呈一定的次序，因为想要的色彩点或CCT是可转换的，除非你的系统可针对LED特性的改变进行调适。针对老化效应的设计顺序，需要极高的色彩精准度。因为当LED老化时，输出的光通量会逐渐下滑。 
电源拓扑是LED设计要解决的另一项问题，但不在本文的讨论范围，它和系统LED与电源组件的数量有关连。　　
　　
建立您的色域

在色彩混合系统方面，像是剧院灯光、建筑物照明等，系统色域的规格就相当重要。色域是由系统中使用的LED组成。色域系指系统藉由单独改变每个LED输出的光通量，所能输出的所有可能色彩。在设计一个系统时，首先决定色彩的需求，然后再选择LED。而在处理制造bin单元时，这将再度衍生一项问题。若您没有为照明系统取得预先规划LED的规格，您的系统色域就会和实际结果有偏差，输出的色彩会和预期的不同。 
 
定义您的色域并不简单。大多数LED制造商的规格数据中并没有提供其LED的色度坐标。不过，当您有了色度坐标后，就可轻易标出LED在色彩空间中的位置，如图2所示。图中系统色域的三角形覆盖在CIE 1931色彩空间的上面。CIE 1931 色彩空间代表人眼能看到的所有颜色；在色彩曲线外的是波长，此数据描绘了色度坐标。在这个图中，加入了普朗克轨迹(Planckian locus)，或为一个黑体加上颜色，代表黑体在温度变化时在色彩空间的坐标。以普通词汇来说，这坐标代表不同种类的白光通过CCT之后的结果。

输出您想要的色彩 

为您的系统设计LED控制机制，面对的是基本的线性代数。在得到您LED的色度坐标后，您必须先建立一个矩阵，找出所要色彩点之间的delta值，如公式1所示。公式中色彩下标字是LED的颜色，mix下标代表您想要呈现的颜色。
公式1:欲找出每个LED应输出的光通量，可利用逆矩阵，然后乘以想要的光通量输出，如公式2所示。
公式2: 每个LED的光通量输出
这仅适用于单一bin的环境。若使用多个bin，每种bin的组合就会有不同的强度。 
　　
选择您的回馈机制

想要有精准的色彩输出，这得取决于您所设计的应用。每当最终使用者注意到灯具色彩输出有差异(像是建筑物照明或效果灯具)，代表需要高色彩精准度。然而在这两个例子中，色彩传感器并不是理想的解决方案。要找出可接受的色彩精准度，可从动态色彩变化着手，色彩变化源自于LED接点温度以及其特性所产生的效应。这方面可利用韧体或调温器来解决。 
接点温度可透过机板温度、LED的功率发散、以及机板与LED之间的热阻来求算。其关系如公式3所示。
公式3: 接点温度与机板温度之间的关系
获得LED的接点温度后，您就能调整系统，并根据LED重新设定的最高光通量输出，改变每个LED相对的光通量输出值。温度回馈的其中一项问题，就是调温器与LED之间的距离。调温器越靠近LED，温度回馈的数据就越精准。当把许多LED串在一个通道上，问题就会越严重。在这种情况中，不同LED之间的差异会造成色彩连续性的问题，系统也会受到影响。

在高色彩精准度的设计方面，建议可采用色彩传感器。然而在尝试开发一个色彩回馈系统时，会面临到许多机械方面的问题。传感器的摆放和感温器解决方案一样都相当重要。低成本的色彩传感器不能和LED的光线正对，色彩传感器理想的摆放位置，是能够接收反射或紧密结合光线的输入。在色彩传感器理想的位置上，能和最终使用者看到相同的光线输入，这样能得到系统最想要的回馈数据。但当设计一个色彩传感器时，最恼人的问题就是光线噪声或不是系统产生的周围光线对色彩传感器产生的影响。色彩传感器需要两种机制才能正确运作; 第一是色彩传感器与红、绿、蓝LED个别强度值之间的关系; 第二是色彩传感器与X、Y、Z之间的关系。所有校正都必须在韧体中进行，但这类回馈系统的效益，会提升强固性以及精准度。 

许多色彩系统设计拥有不同的回馈方法，需要花数个月的时间来开发韧体。解决bin的调整、温度补偿、或更高精准度的色彩回馈系统以及校正，都需要了解色彩科学以及精准的传感器读数。在展开任何高亮度LED设计时，强烈建议您先了解这些相关名词。幸运的是，当您进入市场时，能利用Cypress Semiconductor所提供快速且轻易的PSoC Express 3.0解决方案，协助您快速展开研发。所有这些不同的回馈解决方案，以及高亮度LED的补偿机制，都收录在一个简单易用的图形化接口，让您仅须使用下拉式选单以及各种校正技巧，就能完成这些设计。

本文介绍的这些韧体技术都建置在PSoC Express软件工具。这款软件工具亦让您能运用DMX512为您的系统建构网络，且仅须定义三个变量。 
Cypress藉由开发这项图形化工具，让研发业者能快速进入高亮度LED市场，开发效率更高的照明产品。