基于兩通道PWM的LED調光調色方法

0 引 言

　　2002 年美國Brown 大學David Berson 等人在哺乳動物的視網膜上發(fā)現(xiàn)了第三種感光細胞，它主要在調節(jié)人體內分泌、控制生理節(jié)律等非視覺生物效應方面發(fā)揮功能。照明設計也從單一地考慮視覺功能逐步過渡到考慮視覺與非視覺雙重功能上。研究表明，動態(tài)照明在治療失眠、減輕飛機時差效應、提高工作效率等方面發(fā)揮作用。

　　為實現(xiàn)LED 的動態(tài)照明設計，需對光源的光色量進行實時地控制，調制出符合光生物學要求的光譜。

　　這里的光色量是光度量和色度量的合稱。LED 常用的調光方法有模擬調光和PWM（Pulse Width Modulation）調光兩種。前者是線性調節(jié)LED 電流，后者是使用開關電路以相對于人眼識別力足夠高的頻率來改變光輸出的平均值。在調光過程中，防止色度量發(fā)生偏移相當重要。產生色偏的因素主要有兩個：正向導通電流和P-N 結溫度。模擬調光產生的色差取決于兩者，PWM 則主要決定于后者。一般情況下PWM 產生較小的色差（白光LED因結溫引起的色差不超過4SDCM），工程實踐中多不考慮PWM調光產生的色差。

　　恒流驅動下的PWM 具有以下特點：改變LED 的占空比，光度量相應地線性改變而色度量保持恒定。光度量和色度量都是整數(shù)倍于方波周期時間內的平均值。PWM 也因具有較寬的調節(jié)范圍，在工程實踐中得到了廣泛應用。

　　目前對PWM 調光調色的研究相對較少，此前尚缺乏一個利用PWM 同時控制光源光度量和色度量的量化計算方案。針對上述問題，提出了兩通道PWM 調光調色的混光模型，建立了期望光色量與兩通道占空比之間的一一映射。該算法能定量地調制出期望光度、色度要求的光譜，為LED 的動態(tài)照明設計提供了一個有效的實現(xiàn)方法。

　　1 方 法

　　1.1 兩通道PWM 調光調色的確定性

　　理論上可以證明，通過對LED 進行混光，兩通道PWM 的占空比與混合光的光色量之間存在確定的映射關系。這種確定性由PWM 混光技術下的幾何、光度、色度約束條件共同決定。

　　1.1.1 幾何約束條件

　　由色度學知識可知，混合光的色品坐標必在參與混光的兩光源色品坐標連線上，具體位置取決于兩種光源的混合比例。以此表示兩通道PWM 混光的幾何約束條件，用公式表示如下：


式中：xc、yc 和xw、yw 分別為參與混光的冷光源（高色溫LED）和暖光源（低色溫LED）在滿電流、占空比為100%下的色坐標；xm、ym 為混合光的色坐標。

　　1.1.2 光度約束條件

　　改變驅動LED 的PWM 占空比，其色度量不變而光度量相應地線性變化，且光度量的比值等于占空比的比值。根據(jù)測試條件，光度量可以是光通量、照度、亮度或光強，色度量可以是色品坐標或相關色溫。

　　若已知兩光源的占空比，則混合光的光度量可結合疊加原理計算如下：

　式中：Yc、Yw 分別為參與混光的冷光源和暖光源在滿電流、占空比為100%下的光度量；Dc、Dw 分別為冷光源和暖光源的占空比；Ym 為混合光的光度量。這就是兩通道PWM 混光的光度約束條件。

　　1.1.3 色度約束條件

　　根據(jù)加混色原理及CIE1931 色坐標計算方法，占空比分別為Dc、Dw 時兩光源混光后的色坐標應滿足：


　式中： Rc = Y c / yc ， Rw = Yw / yw 。實際上，由幾何約束條件可知，當已知兩光源的色品坐標和混合光的x坐標時，混合光的y 坐標是確定的，且是唯一的。故兩通道PWM 混光的色度約束條件可簡化為：