基于两通道PWM的LED调光调色方法.doc
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1、0 引 言 2002 年在哺乳动物的视网膜上发现了第三种感光细胞,它主要在调节人体内分泌、 控制生理节律等非视觉生物效应方面发挥功能。照明设计也从单一地考虑视觉功能逐步 过渡到考虑视觉与非视觉双重功能上。研究表明,动态照明在治疗失眠、减轻飞机时差 效应、提高工作效率等方面发挥作用。 为实现 LED 的动态照明设计,需对光源的光色量进行实时地控制,调制出符合光 生物学要求的光谱。 这里的光色量是光度量和色度量的合称。LED 常用的调光方法有模拟调光和 PWM(Pulse Width Modulation)调光两种。前者是线性调节 LED 电流,后者是使用 开关电路以相对于人眼识别力足够高的频率来
2、改变光输出的平均值。在调光过程中,防 止色度量发生偏移相当重要。产生色偏的因素主要有两个:正向导通电流和 P-N 结温 度。模拟调光产生的色差取决于两者,PWM 则主要决定于后者。一般情况下 PWM 产生较小的色差(白光 LED 因结温引起的色差不超过4SDCM) ,工程实践中多不考虑 PWM 调光产生的色差。 恒流驱动下的 PWM 具有以下特点:改变 LED 的占空比,光度量相应地线性改变 而色度量保持恒定。光度量和色度量都是整数倍于方波周期时间内的平均值。PWM 也 因具有较宽的调节范围,在工程实践中得到了广泛应用。 目前对 PWM 调光调色的研究相对较少,此前尚缺乏一个利用 PWM 同时
3、控制光 源光度量和色度量的量化计算方案。针对上述问题,提出了两通道 PWM 调光调色的 混光模型,建立了期望光色量与两通道占空比之间的一一映射。该算法能定量地调制出 期望光度、色度要求的光谱,为 LED 的动态照明设计提供了一个有效的实现方法。 1 方 法 1.1 两通道 PWM 调光调色的确定性 理论上可以证明,通过对 LED 进行混光,两通道 PWM 的占空比与混合光的光色 量之间存在确定的映射关系。这种确定性由 PWM 混光技术下的几何、光度、色度约 束条件共同决定。 1.1.1 几何约束条件 由色度学知识可知,混合光的色品坐标必在参与混光的两光源色品坐标连线上,具 体位置取决于两种光源
4、的混合比例。以此表示两通道 PWM 混光的几何约束条件,用 公式表示如下: 式中:xc、yc 和 xw、yw 分别为参与混光的冷光源(高色温 LED)和暖光源(低 色温 LED)在满电流、占空比为100% 下的色坐标;xm、ym 为混合光的色坐标。 1.1.2 光度约束条件 改变驱动 LED 的 PWM 占空比,其色度量不变而光度量相应地线性变化,且光度 量的比值等于占空比的比值。根据测试条件,光度量可以是光通量、照度、亮度或光强, 色度量可以是色品坐标或相关色温。 若已知两光源的占空比,则混合光的光度量可结合叠加原理计算如下: 式中:Yc、Yw 分别为参与混光的冷光源和暖光源在满电流、占空比
5、为100%下的 光度量;Dc、Dw 分别为冷光源和暖光源的占空比;Ym 为混合光的光度量。这就是 两通道 PWM 混光的光度约束条件。 1.1.3 色度约束条件 根据加混色原理及 CIE1931 色坐标计算方法,占空比分别为 Dc、Dw 时两光源混 光后的色坐标应满足: 式中: Rc = Y c / yc , Rw = Yw / yw 。实际上,由几何约束条件可知,当已知两光 源的色品坐标和混合光的 x 坐标时,混合光的 y 坐标是确定的,且是唯一的。故两通 道 PWM 混光的色度约束条件可简化为: 1.1.4 两通道 PWM 调光调色的定量计算模型 在 PWM 混光下,占空比是控制光色量的唯
6、一因素。若期望的光度量为 Ym,期望 的色坐标为(xm,ym) ,则两通道占空比可结合光度、色度约束条件求得。若期望的 色度量是相关色温,则需先将期望相关色温结合几何约束条件转换为期望色坐标。转换 方法为:在 CIE1931 色品图中做 Tm 的等温线,把(xc,yc)和(xw,yw )的连线 与此等温线的交点作为期望色坐标(xm,ym ) 。联立式( 2)和式(4)并将其写成矩 阵的形式如下: 由线性代数知识可知,当 xc xw 且 yc yw 时方程组有唯一解。由此可知,给 定期望色度、光度值下的占空比是确定的,且是唯一的。此时,计算占空比与计算混合 光的光色量是可逆过程。 1.2 两通道
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