節能減排已經(jīng)成為當今世界重大戰略性課題，LED因其節能、環(huán)保、光效高、壽命長(cháng)等優(yōu)點(diǎn)素有“綠色能源”之稱(chēng)，正逐步取代傳統光源[1]。隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)的進(jìn)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(lái)越高。為了實(shí)現二次節能，人們希望能夠實(shí)現亮度調節，自由調節燈光的明暗程度。為了營(yíng)造出不同的氣氛，人們希望能夠實(shí)現色溫調節，個(gè)性化設置燈光環(huán)境[2]。
相關(guān)研究表明[3]，采用兩個(gè)調光電源分別驅動(dòng)高低兩種色溫的白光LED陣列，通過(guò)調節兩電源的驅動(dòng)電流比例能夠實(shí)現色溫調節，但這種方法電源可靠性較低，并且無(wú)法實(shí)現獨立調光。
常規色溫調節方法采用兩個(gè)調光電源驅動(dòng)高低兩種色溫白光LED陣列，通過(guò)調節兩種LED的驅動(dòng)電流比例實(shí)現色溫調節。該方法只能實(shí)現色溫調節，無(wú)法實(shí)現線(xiàn)性調光。為此，本文在分析了LED色溫調節的常規方法存在的問(wèn)題的基礎上，提出一種LED色溫調節的新方法，與大家探討，新方法僅采用一個(gè) LED調光電源，在LED調光電源后僅增添幾個(gè)器件即可實(shí)現LED燈具的色溫調節和亮度調節且互不干擾，有利于降低了成本，提高電源可靠性，對于LED的控制具有應用價(jià)值。
一、LED色溫調節的常規方法
1. LED色溫調節的常規方法
LED色溫可調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(guò)調節兩種LED的驅動(dòng)電流比例能夠實(shí)現總體色溫調節[3]。圖1給出了這種方法的結構框圖。PWM1信號用來(lái)調節可調光電源P1的輸出電流I1，I1驅動(dòng)暖白LED陣列;PWM2信號用來(lái)調節可調光電源P2的輸出電流I2，I2驅動(dòng)冷白LED陣列。通過(guò)調節PWM1信號與PWM2信號的占空比比例來(lái)調節暖白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(shí)現了燈具的整體溫調節。
圖1：常規方法系統結構框圖
2. LED色溫調節的常規方法存在的問(wèn)題
人們往往不希望調節色溫時(shí)燈光的明暗程度發(fā)生變化或者調光時(shí)色溫發(fā)生明顯偏移，也就是說(shuō)希望調色溫和調光互不干擾，這樣可以通過(guò)調光和調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(mǎn)足這一要求。
(1) 難以實(shí)現亮度調節
目前大多成熟的LED可調光驅動(dòng)電源方案中，電源管理芯片通常只提供一個(gè)調光引腳。采用上述常規方法調節色溫時(shí)，為了實(shí)現雙電源的輸出電流比例的調節，兩個(gè)電源的調光引腳都將被占用，因此沒(méi)有實(shí)現調節色溫的同時(shí)獨立調光的硬件資源。
(2) 電源效率過(guò)低，降低了電源可靠性
由于LED是低壓直流光源，因此LED驅動(dòng)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(shí)測曲線(xiàn)，輸入功率為3W時(shí)電源效率相比輸入功率為15.5W時(shí)的效率降低了17%。色溫調節的常規方法中，可能始終有一個(gè)電源的輸入功率較小。這意味著(zhù)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℃，系統失效的可能性增加一倍，這將極大的降低系統的可靠性[4]。另一方面，功耗增加將導致光效降低，減弱LED的節能優(yōu)勢。
圖2：電源效率隨輸出功率變化的曲線(xiàn)
二、LED色溫調節的新方法
1. LED色溫調節的新方法
新方法采用了PWM調光驅動(dòng)電源方案，并在電源后端電路中增設了色溫調節電路，該色溫調節電路采用PWM開(kāi)關(guān)調光的方式調節冷白LED陣列和暖白LED陣列的導通時(shí)間比例，實(shí)現色溫調節，結構框圖如圖3。
該方案采用PWM1信號控制電源的調光端子，通過(guò)調節PWM1的占空比來(lái)調節LED的輸出電流Io進(jìn)而實(shí)現LED燈具調光。
為了實(shí)現色溫調節，將導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(kāi)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(shí)現對冷白LED陣列導通時(shí)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陣列的導通時(shí)間。PWM2為高電平時(shí)，PWM3為低電平，故冷白LED陣列導通，暖白LED陣列斷開(kāi)，反之亦然。調節PWM2的占空比來(lái)調節單位時(shí)間內冷白LED陣列和暖白LED陣列的導通時(shí)間比例，利用人眼存在暫留時(shí)間，實(shí)現了色溫的變化效果。
圖3：新方法系統結構框圖
2. 新方法的試驗驗證
為了驗證這種方法，本文采用MB39C602的LED可調光方案，在其后端增設上述色溫調節電路，并進(jìn)行了測試。圖4給出了不調節色溫、僅調節亮度(圖中體現為電功率變化)時(shí)，色溫隨功率變化的曲線(xiàn)。圖4中的冷白、偏冷白、中性白、偏暖白、暖白五個(gè)典型應用色溫梯度的曲線(xiàn)均趨于一條平行線(xiàn)，說(shuō)明在不調節色溫時(shí)僅調節亮度，色溫變化不大。圖5給出了不調節亮度、僅調節色溫時(shí)，功率隨色溫變化的曲線(xiàn)。圖5中給出了實(shí)際常用的三個(gè)功率梯度，三個(gè)功率梯度曲線(xiàn)均趨于一條平行線(xiàn)，說(shuō)明在不調節亮度時(shí)僅調節色溫，對輸入功率影響不大。
圖4、圖5：色溫隨功率變化的曲線(xiàn)、電源功率隨色溫變化的曲線(xiàn)
圖6給出了不調節亮度、僅調節色溫時(shí)，光通量隨色溫變化的曲線(xiàn)。圖6中給出的光通量梯度曲線(xiàn)幅度變化不大，說(shuō)明在不調節亮度時(shí)僅調節色溫，亮度變化有限。
圖6：光通量隨色溫變化的曲線(xiàn)
由上述測試結果可以看出，新方法在不同亮度條件下，可以滿(mǎn)足較大范圍的LED燈具的色溫調節。不調節亮度僅調節色溫時(shí)，電源的輸入功率波動(dòng)較小且光通量變化不大。不調節色溫僅調節亮度時(shí)，色溫變化較小。能夠滿(mǎn)足獨立調節色溫和獨立調光的要求。這就解決了LED色溫調節的常規方法只能調節色溫難以實(shí)現調光的問(wèn)題，同時(shí)避免了因電源輸出功率過(guò)小而降低電源效率及LED光效的問(wèn)題。
3. 新方法的優(yōu)勢
(1) 新方法既能調光又能調色溫且互不干擾
新方法采用獨立的PWM1信號和PWM2信號分別控制電源的調光端子和色溫調節電路控制端子，實(shí)現亮度調節和色溫調節互不干擾，可以配置出更多的光環(huán)境，滿(mǎn)足更多的照明需求。
(2) 新方法可靠性高
新方法中，任一時(shí)刻，兩路高低色溫白光LED陣列中只有一路呈導通狀態(tài)，實(shí)現了輸出功率恒定，從而避免了常規方法中電源功率過(guò)低致使電源效率低、系統可靠性低、光效低等問(wèn)題。
(3) 新方法成本低
新方法電路結構簡(jiǎn)單，僅采用一個(gè)調光電源及幾個(gè)用于實(shí)現色溫調節的器件，相比常規方法采用兩個(gè)調光電源，具有硬件成本低、控制容易實(shí)現、工作穩定的特點(diǎn)。
三、結論
本文分析了LED色溫調節的常規方法存在的問(wèn)題，利用LED開(kāi)關(guān)響應速度快的優(yōu)勢，提出了基于PWM調光驅動(dòng)電源方案的色溫調節電路，該電路能夠實(shí)現LED獨立調光和調色溫且互不干擾。通過(guò)試驗數據分析驗證了新方法能夠在較大范圍內調節色溫。新方法結構簡(jiǎn)單，硬件電路成本低，能夠獨立調節色溫和亮度以配置出更多的燈光環(huán)境，為L(cháng)ED的智能控制提出了新思路。
參考文獻：
[1] 劉祖隆，郭震寧，胡志偉，林建南.調光方式對LED色溫和光通量的影響[J].華僑大學(xué)學(xué)報，3013，34(1)：14-17
[2] 吳乾,胡康樂(lè ),王躍飛等.一種實(shí)現動(dòng)態(tài)白光的可調方法及其應用工具:CN,101451658[P].2009.
[3] 劉康，郭震寧，林介本，曾海，曾茂進(jìn).高亮度白光LED混色照明理論及其實(shí)驗研究[J].照明工程學(xué)報，2012，23(1)：51-57
[4] 精通開(kāi)關(guān)電源設計，[美]Sanjaya Maniktala著(zhù)，王志強等譯，人民郵電出版社，P13
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