- 光照效果的控制
- 散熱管理
- 多芯片高功率LED
- 采用紅、綠、藍單色LED混合來生成白光
大家都知道：“所有色彩都包含白色”。根據(jù)相關(guān)色溫(CCT)，存在著不同的白色調(diào)，從暖白色（如白熾燈的光）直到冷白色（如眾多早期LED指示燈和電源LED的光），這兩種色調(diào)數(shù)值范圍在2700～6000K以上。如果我們采用傳統(tǒng)技術(shù)的話，只能添加對白光進行“調(diào)光”這種智能功能。如果采用固態(tài)照明技術(shù)的話，設(shè)計人員就能從中獲得全新的功能，比方說調(diào)節(jié)白光色溫，改變環(huán)境等。
這種新功能的優(yōu)勢包括提高工作單位的效率，使零售環(huán)境對顧客變得更有吸引力，從而增加了客流量，并能在酒店服務(wù)行業(yè)產(chǎn)生一種更有親和力的光照歡迎效果。此外，我們還能根據(jù)不同的季節(jié)、產(chǎn)品、一天中的不同時段等來改變零售環(huán)境中的光照效果，從而促進銷售工作，而無須對商鋪進行大規(guī)模改造。亮度可調(diào)正是固態(tài)照明技術(shù)的特性之一，當然除此之外，固態(tài)照明還有節(jié)能、降低成本、延長設(shè)備工作時間等優(yōu)勢，這些優(yōu)勢都推動著LED技術(shù)在照明市場中的廣泛應(yīng)用。
在改進功能之前，首要工作就是確保合適的照明效果。為了加快推廣速度，我們應(yīng)當遵從傳統(tǒng)的照明技術(shù)規(guī)范，確保新技術(shù)的照明效果能夠滿足照明設(shè)計人員、架構(gòu)師以及最終用戶的預(yù)期要求。只有能夠提供適當照明效果、且具備添加智能化功能的可擴展性、同時確保較低商業(yè)成本的技術(shù)，才能為照明市場帶來革命性的變革。性能（光照強度）、質(zhì)量（色溫和色彩渲染）以及照明（光束角與發(fā)光強度）都是我們要考慮的重要參數(shù)。色彩渲染通常是用IEC規(guī)范中的顯色指數(shù)(CRI)標準來衡量，它體現(xiàn)的是準確復(fù)制照明色彩的能力。
舉例來說，紅色汽車在低壓鈉光下就會呈現(xiàn)褐色，這種光有一種琥珀色調(diào)，CRI較低。最終用戶希望能夠通過LED照明技術(shù)延長設(shè)備的使用時間，降低能耗和維護費用，但是如果新的照明技術(shù)達不到照明質(zhì)量要求的話，則根本不會考慮采用此技術(shù)。只有在實現(xiàn)了有關(guān)照明效果性能要求的基礎(chǔ)上，我們才能轉(zhuǎn)而考慮如何增強功能。
要想對光照效果實現(xiàn)絕對的控制，就要解決一致性的問題。在采用可控的固態(tài)照明燈具時，我們始終要考慮色彩一致性的問題，要想到性能方面的差異，包括不同燈具之間隨時間推移而產(chǎn)生的差異，溫度和設(shè)定點等。盡管有相應(yīng)的技術(shù)來解決上述問題，但整體系統(tǒng)開發(fā)仍對照明產(chǎn)業(yè)提出了挑戰(zhàn)。本文所述的模塊化或系統(tǒng)級實施方案有助于解決有關(guān)技術(shù)問題。采用適當電源和控制技術(shù)的LED系統(tǒng)應(yīng)當成為當前技術(shù)的有益補充和配合，而不應(yīng)與現(xiàn)有技術(shù)產(chǎn)生沖突，不一定要完全取代其他技術(shù)，只有這樣，才有助于加速新技術(shù)推廣。
不僅限于光源問題
要想取代小型的鹵素?zé)?，那幺光源的光通量?yīng)達400～1000Lm之間。盡管LED性能不斷得到顯著改進，但能達到上述性能的高光通量密度光源還不多見。現(xiàn)有的單芯片LED的光通量能達到100Lm以上，但很少有能達到相當于20W、35W或50W鹵素?zé)艄馔康腖ED。我們可以把一些低性能LED組合起來，但是這會帶來光控制方面的問題。光的生成是一個問題，而控制光以實現(xiàn)最佳的光照效果又是另一個問題。我們應(yīng)當設(shè)計出一種滿足所需光通量的統(tǒng)一光源，這有助于簡化光設(shè)計，并提高燈泡的效率。
散熱管理是任何高功率固態(tài)照明應(yīng)用所不能忽視的又一重要問題。LED光源產(chǎn)生的熱量必須加以適當控制，這樣才能確保設(shè)備在一定的工作條件下達到足夠長的使用壽命。就LED的小型化封裝而言，散熱問題可能很難解決，但通過最小化熱阻，有助于緩解整個系統(tǒng)級問題。
設(shè)計可調(diào)白光的基本問題就是要支持多個可以分別控制并加以混合的色彩通道。確保波束色彩的一致性，不會出現(xiàn)彩色邊緣或陰影現(xiàn)象，這是一項相當復(fù)雜的工作。我們可通過減小LED或LED系統(tǒng)的光源大小來改善色彩混合。
一種解決方案是設(shè)計多芯片LED，盡可能準確地定位不同色彩，以縮短混合距離。盡管市場上出售各種多芯片封裝方案，但同時支持高光通量密度和色彩混合的封裝方案卻不多。大多數(shù)多芯片封裝由于低驅(qū)動電流的限制，光通量密度較低。此外，設(shè)計人員也可采用多個分立的高通量光源，但這會加大光源大小和色彩混合方面的問題。
光通量密度、調(diào)光性、色彩混合和散熱管理等綜合要求盡管并不是不能解決的問題，但確實對LED制造商提出了嚴峻的挑戰(zhàn)。不過，我們應(yīng)當在LED內(nèi)部解決上述問題，這有助于簡化OEM和系統(tǒng)集成商所面臨的問題。
我們開發(fā)出了多芯片高功率LED，以其作為可調(diào)“白點”的光源，這樣可減少色彩混合方面的問題，并支持微型化的點光源照明應(yīng)用。相對于傳統(tǒng)功率LED和陣列組裝而言，這種10～15W的封裝方案不僅能顯著提高光輸出功率，而且還能大幅改進光通量密度。這種LED針對散熱性能與可靠性進行了優(yōu)化，可提高驅(qū)動電流，從而進一步改進光通量密度。材料、封裝以及組裝與裸片的連接工藝的優(yōu)化組合可實現(xiàn)更出色的散熱性能，從而改進不同應(yīng)用條件下的可用光照效果。
可調(diào)LED照明系統(tǒng)通常采用紅、綠、藍單色LED，通過混合來生成白光，這也稱作RGB技術(shù)。RGB技術(shù)能支持豐富的色彩和可調(diào)的白光，但CRI值卻相當?shù)汀＿@種系統(tǒng)可支持的色彩渲染CRI數(shù)值通常在40～60之間，具體取決于目標色彩溫度。內(nèi)部照明通常要求CRI數(shù)值在80以上，要是在零售和博物館等特定環(huán)境中，則要求更高的CRI數(shù)值。因此，這種光可以完全適用于信號或環(huán)境上色（color-washing）應(yīng)用，但不太適合用做室內(nèi)照明的可調(diào)白光源。
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提高CRI數(shù)值的一種可能辦法就是增加色彩成分。通過添加琥珀色來實現(xiàn)RGBA系統(tǒng)，我們可大幅改善CRI值，同時又能確保色點的可調(diào)性。此外我們?nèi)阅軐崿F(xiàn)極高的色彩靈活度，但對室內(nèi)照明更重要的是，我們可以在黑體線上移動白點，同時又能讓CRI值趨近于90，這就實現(xiàn)了較好的色彩渲染效果，并生成高質(zhì)量白光。
我們可將上述產(chǎn)品因素相結(jié)合，獲得較好的性能結(jié)果。例如，目前已經(jīng)推出10W的RGBA發(fā)射器（見圖1），其可實現(xiàn)高光通量密度、色彩控制與混合等功能，而且其封裝針對散熱性能與高可靠性進行了精心優(yōu)化。
使用這種類型的LED，我們可以開發(fā)出一款滿足適當光照亮度和質(zhì)量的燈泡，而且還能支持白點調(diào)節(jié)，以改善色彩渲染效果。圖1所示的產(chǎn)品封裝為7mm×7mm，單顆芯片的持續(xù)工作電流可高達1000mA，光通量為350Lm時，功耗僅為10W。
圖1 10W可調(diào)白光產(chǎn)品采用可獨立尋址的多芯片封裝
多色LED發(fā)射器介紹多色LED發(fā)射器也需要智能化和集成式控制器，原因如下：
圖2 光譜能量分布對比
多通道驅(qū)動器：就給定的色溫而言，高質(zhì)量CRI（90以上）會需要多種類型的LED。CRI是光源的光譜能量分布(SPD)的一個函數(shù)。SPD是指給定波長（頻率）下光源的輻射量。CRI數(shù)值表現(xiàn)最好(97以上)的白熾燈工作壽命較短（750～2500小時），效率也較低（美國能源部的數(shù)據(jù)為10～17Lm/W）。圖2顯示了白熾燈的SPD曲線與RGB光源曲線的對比情況。
顯然，RGB光源本身尚不足以支持較高的CRI。設(shè)計人員需要添加更多色彩通道填充到頻帶中，這樣就能獲得接近于白熾燈的曲線。因此，器件必須采用最少4通道的驅(qū)動器來驅(qū)動紅、綠、藍與琥珀色或紅、綠、琥珀色與自然白光的組合。這種控制器可在工廠制造階段編程以獲得正確的u、v元素值，也可通過通信鏈接動態(tài)編程。
EMI控制：由于高速開關(guān)調(diào)節(jié)器的緣故，高亮度(HB)LED燈具會產(chǎn)生較高的電磁干擾(EMI)，我們應(yīng)通過特殊設(shè)計技術(shù)對此加以控制。我們可采用依靠隨機處理的強度調(diào)制技術(shù)，通過偽隨機計數(shù)器生成的不含主導(dǎo)周期性分量的輸出函數(shù)，獲得一個從EMI/EMC角度而言噪聲較低、便于使用的調(diào)制輸出。
補償：LED設(shè)計需要進行一系列復(fù)雜的計算才能獲得一致性的色彩。高亮度LED工程師目前所面臨的兩個最大問題在于如何根據(jù)生產(chǎn)編碼解決不同的LED性能規(guī)格問題，以及LED在不同溫度上的性能降低問題（如光通量輸出與波長）。LED燈具需要智能驅(qū)動器、通過預(yù)測的方式來確保色彩和CRI在不同時間與溫度下的一致性。對某些應(yīng)用而言，這種驅(qū)動器還應(yīng)當能夠接受色彩和溫度的實時反饋數(shù)據(jù)，從而確保燈具的性能。
調(diào)光：LED燈具應(yīng)便于調(diào)光，其分辨率應(yīng)支持深色功能，而且應(yīng)當避免低亮度下的閃爍問題。
圖3 如賽普拉斯半導(dǎo)體公司推出的PSoCExpress等LED專用開發(fā)控制軟件
為了幫助開發(fā)人員解決多個LED通道以及復(fù)雜的色彩設(shè)計與管理問題，一些公司推出了能夠驅(qū)動多個LED的硬件以及旨在簡化LED開發(fā)與控制的軟件，如圖3所示。
通過單個器件驅(qū)動多個通道（就賽普拉斯半導(dǎo)體公司推出的EZ-Color控制器而言是16個），我們能大幅減少大型設(shè)計方案所需的控制器數(shù)量，從而降低設(shè)計復(fù)雜性和功耗，并節(jié)約板級空間占用。
此外，我們還提供直接可用的軟件驅(qū)動器，從而顯著減少了HBLED設(shè)計中（包括建筑照明、通用標志牌、可充電手電筒、娛樂照明與車輛應(yīng)急燈等）普遍存在的低頻閃爍與EMI放射問題。集成式開發(fā)環(huán)境還能通過嵌入式可視化設(shè)計工具簡化設(shè)計工作，因此即便是缺乏經(jīng)驗的工程師也能為選定的LED方便地選擇特殊色彩。
LED技術(shù)與控制技術(shù)持續(xù)快速發(fā)展，新式LED開啟了更出色照明功能的可能性，并能確保預(yù)期照明質(zhì)量。盡管開發(fā)上述照明系統(tǒng)的工作非常復(fù)雜，但制造商們正在努力應(yīng)對挑戰(zhàn)以加速技術(shù)推廣。目前，通過LedEngin等廠商推出的高功率多芯片LED以及LED專用控制軟件相結(jié)合，我們能推出高性能、高質(zhì)量的可調(diào)光照明燈具，確保照明性能不亞于傳統(tǒng)的鹵素?zé)艄庠础?br />
