调光方式对LED色温和光通量的影响

刘祖隆，郭震宁，胡志伟，林建南

（华侨大学 信息科学与工程学院，福建 厦门361021）

随着经济的高速发展，照明用电占社会总电能消耗的比重越来越大.提高照明效率、节约能源已经成为缓解用电紧张状况的重要手段.发光二极管（LED）素有“绿色能源”之称，产品不含汞、铅等对环境和人体有害的物质，在同样亮度下，耗电仅为普通白炽灯的1／10，寿命可延长50倍.然而，在LED逐步进入照明领域的同时，人们对LED灯光质量的要求也越来越高，如需要高的显色指数、照度和色温.LED的响应时间为纳秒级，而白炽灯的响应时间为毫秒级，因此LED的响应速度更快，容易实现调光.目前，人们对灯具的要求不仅仅局限在能照明上，而且要求是智能化照明，能在不同环境下提供不同质量的灯光 .基于此，本文在脉冲宽度调制（PWM）和模拟调光的技术上，研究两种不同色温的白光LED混色对色温和光通量的影响.

1 LED调光方式

目前，LED驱动主要采用恒流驱动，主要通过Buck，Boost，Buck-Boost等3种开关电源的拓扑结构设计LED恒流驱动电源［1］.

1.1 模拟调光

模拟调光是通过改变光源的电流值来调节光源的亮度，即通过调节串接在LED灯上的采样电阻的阻值来实现的.但由于采样电阻的阻值本身比较小，一般是小于1Ω，而单纯调节一个小于1Ω的电阻不容易实现，需要通过一个反馈回路进行调节.模拟调光不会引入潜在的电磁兼容／电磁干扰（EMC／EMI）频率.其缺点在于LED电流的调节范围局限在某个最大值至该最大值的10%之间（10∶1的调光范围）.由于LED的光谱与电流有关，因此模拟调光会改变光源的显色指数和色温，这种方法并不适合于要求日益提高的室内照明.

1.2 PWM 调光

PWM调光是通过改变光源电流的通断时间来调节光源亮度.PWM调光方案是以某种快至足以掩盖视觉闪烁的速率在零电流和最大LED电流之间进行切换，占空比改变了有效平均电流，从而可实现调光.这种调光的缺点在于要额外地引入一个PWM发生装置，无形中提高了成本，而且高频的PWM会引入潜在的电磁兼容／电磁干扰（EMC／EMI）频率；而优点在于LED电流要么处于最大值，要么被关断，不管调光程度有多大，LED一直工作在恒定的电流.所以，该方法还具有能够避免在电流变化时发生LED色偏的优点，而采用模拟调光时这种LED色偏现象是很常见的.在DC／DC变换中，采用脉冲调光，可以使DC／DC变换器的效率保持在一个较高的效率，这是因为DC／DC变换器在满载或典型负载时效率最高，轻载时效率较低，如果选择线性调光，势必会降低效率［2-3］.

2 硬件结构设计

图1为系统的硬件结构；图2为系统电路图.控制器为AT89C51单片机；降压型芯片PT4115为LED驱动IC，其调光引脚提供PWM脉冲.光源由64颗色温为6 500K和64颗色温为3 000K的小功率白光LED交叉排列组成，使得光源分布比较均匀.

LED驱动有恒流驱动和恒压驱动两种方式，因为LED存在的一致性问题和负温度系数特性，经分析表明恒流驱动在LED电源方面具有更大的优势.PT4115是一款连续电感电流导通模式的降压恒流源，用于驱动一颗或多颗串联LED.PT4115输入电压范围从6V到30V，输出电流可调，最大可达1.2A，而且复用DIM引脚进行LED开关、模拟调光和PWM调光，符合实验需求，外围电路简单.因此，实验以PT4115为例，设计2个3.84W的恒流驱动电源，分别为2个不同色温的白光LED阵列供电［4］.

图1 系统硬件结构图Fig.1 System hardware composition

图2 系统电路图Fig.2 System circuit

PWM控制电路由单片机AT89C51产生，外围4个按键控制两路PWM脉冲的占空比，分别为加10个占空比和减10个占空比，4个数码管分别显示当前PWM脉冲的占空比，这样测试方便直观，可以防止误操作.

3 结果与分析

3.1 色温和电流的关系

色温（Tc）是表示光源光谱质量最通用的指标，是按绝对黑体来定义的 .即光源的辐射在可见区和绝对黑体的辐射完全相同时，此时黑体的温度就称此光源的色温.低色温光源的特征是能量分布中红辐射相对多些，通常称为“暖和”；而色温提高后，能量分布集中，蓝辐射的比例增加，通常称为“冷光”［5］.

以64颗色温在6 500K和64颗色温为3 000K的白光LED，通过Tracepro仿真LED阵列的排布，使其出光相对均匀.实验在直径为1.5m的测灯具的LED积分球中完成 .高色温和低色温白光LED在模拟调光和PWM调光下色温的变化曲线，如图3所示.从图3可知：不论是高色温还是低色温的LED模拟调光色温的变化范围都比PWM调光范围大.

由单片机的P2.1和P2.2引脚产生PWM脉冲，用电流表测得不同档位下的电流 .为比较两种不同的调光的光学参数，模拟调光同样也分10档，通过调节DIM引脚的电阻使得两种不同调光的电流相同.通过图3可以看出：与模拟调光相比较，PWM调光的色温变化范围比较小，而且色温与额定电流下的色温的差值也较小.这主要是因为PWM调光LED的工作电流可近似为两种状态，分别为额定电流和零电流；而模拟调光LED的工作电流有10种.这意味着在PWM调光时，LED工作在额定电流下所产生的色温相对稳定，而模拟调光的稳定性较差.

两种调光的相同之处在于随着电流的增大，LED色温也逐渐增大.这是因为实验所用的白光LED是由蓝光芯片激发黄色荧光粉产生的，当电流增大，芯片所激发的蓝光成分增多，由色温的定义可知，蓝光辐射的比例增加LED色温也就增大.

图3 相同电流下LED模拟调光和PWM调光色温的变化Fig.3 Change of LED CT by the analog dimming and PWM dimming for the same current

3.2 电流和光通量的关系

通过测试高色温和低色温LED阵列的光通量，比较两种不同调光方式的光效，结果如图4所示.实验要求模拟调光和PWM调光在相同档位下的平均电流一样，数据是在LED阵列预先点亮30min左右及由积分球测试电流稳定后才开始测试，目的是为了减小外界环境对测试结果的影响.从图4可知：无论是高色温还是低色温调光，模拟调光的光通量都要大于同样电流下的PWM调光的光通量，即模拟调光的光效更高.

图4 LED电流和光通量的关系Fig.4 Relationship between LED current and luminous flux

以日亚化学工业株式会社的某款额定100mA白光LED为例，其在25℃的电流（i）-相对光通量（Φr）特性曲线，如图5所示.从图5可知：该LED发出100%的光通量需要100mA的电流，而以LED单位周期内发出50%的光通量仅需约40mA的电流.由此可得到LED的光效最大点不是在LED的额定电流点，而是在0到额定电流值中间的某个值 .当电流大于这个值之后，LED的光效会随电流的增大而减小.PWM调光LED只工作在额定电流和零电流模式下，因此其光效不如模拟调光.实验测得模拟调光的光通量比PWM调光的光通量大与理论分析得到的结果一致［6］.

3.3 混色结果

通过调节高色温和低色温白光LED的亮度实现色温亮度可调.理论依据是，高色温和低色温白光LED在不同的电流下，其光谱分布不同，通过两种不同光谱的叠加可是实现色温可调；LED光通量与电流近似成正比关系，调节LED的电流可以实现亮度可调.

测试结果表明：在任意档位下，模拟调光和PWM调光的色温都在2 786～6 639K范围内，光通量均在60.275 2～508.908 8lm范围内 .即两种调光方式均可实现色温和亮度可调，调整范围为色温的最低值到最高值和亮度的最低值到最高值.

图5 白光LED的电流-相对光通量的特性曲线Fig.5 Characteristic curve between the white LED current and the luminous flux

4 结束语

以51单片机为核心，配合LED驱动芯片PT4115，通过研究高、低色温LED阵列在不同调光方式下的色温和光通量的变化，以及混色后的色温和光通量的变化，得到在PWM调光LED的色温变化范围较小.此外，通过用调节两种不同色温白光LED的电流，可以实现色温亮度的可调.虽然模拟调光的光效会更高，但是相比于模拟调光PWM调光具有更大的优势，PWM调光方便与数字化系统接轨，具有更大的应用前景.

［1］ WINDER S.LED驱动电路设计［M］.谢运祥，王晓刚，译.北京：人民邮电出版社，2009.

［2］ 周志敏，周纪海，纪爱华.现代开关电源控制电路设计及应用［M］.北京：人民邮电出版社，2005.

［3］ 李渊，李宝营，穆艳.LED可调光自动控制系统设计［J］.液晶与显示，2011，26（1）：96-99.

［4］ 郑久云，韩志刚，罗胜钦.白光LED的应用与驱动［J］.现代显示，2009（103）：43-46.

［5］ 王安祥，翟学军.光源相关色温计算方法的研究［J］.西安工程科技学院学报，2006，20（4）：490-493.

［6］ 潘建根.CIE D2和光辐射测量动态［J］.照明工程学报，2005，16（2）：87-91.