功率型白光LED的非线性混合调光方法

周锦荣

功率型白光LED的非线性混合调光方法

周锦荣

(闽南师范大学 物理与信息工程学院,福建 漳州 363000)

分析脉冲宽度调制(PWM)双通道输出白光LED的混合调光方法，建立PWM与混合光源输出的光通量和色温之间变化关系的非线性数学模型。基于ZigBee无线通信模块CC2530作为双路PWM输出，控制以SN3350为核心的LED恒流驱动电源，完成占空比可调的暖白和冷白两路白光LED的色温和光通量混合调光控制系统设计，并通过高精度快速光谱辐射计HAAS-2000测试系统进行测试。实验结果表明，双路PWM能够较好地实现对LED色温和光通量的输出大小进行控制，混合光源相关色温在3 250～15 000 K范围内连续可调。理论计算与系统控制的光通量和色温存在的相对误差分别小于1.70%和8.50%。

动态照明控制； LED混合调光； 非线性调光； 脉冲宽度调制

1 引 言

LED照明光源以节能环保、光色可调、使用寿命长等优点，广泛应用于医学治疗、室内外照明、植物组培光照等领域[1-6]。LED光源的光强度及其色温等形成的照明环境对植物成长规律、人眼的视觉舒适度都有明显的影响，研究LED光色度动态可调的照明控制技术有利于优化白光LED光谱，对应满足不同应用场合照明需求具有实际的应用价值[1-9]。动态控制LED照明需对LED光源的光度量和光色量进行实时调光控制，目前常用的两种LED调光方法是模拟调光和脉冲宽度调制(PWM)调光[1,10-11]。模拟调光通过线性调节LED 的注入电流达到相应的控制目的，具有电路简单、容易实现的优点；PWM调光技术采用占空比可调的恒流驱动模式，通过改变LED注入电流的占空比实现光色度量的精确控制，具有控制高效和较宽的线性调节范围[1,10-11]。功率型白光LED实现光色度调节主要采用多通道光源的混合调光方法[8-13]。然而，混合调光控制技术随着通道数的增加而变得复杂，系统性能稳定性和设计成本也会受到影响。本文基于PWM脉冲宽度调制和ZigBee无线物联网控制技术，建立实现冷、暖白光LED双通道的智能混合调光系统数学模型，并对系统的数学模型进行实验测试和精准度分析。

2 实 验

2.1 混合调光控制平台

整个系统分为电源变换模块、LED恒流电源驱动模块、ZigBee无线物联控制模块、PC上位机控制和信息采集显示4个部分[14-15]。其中主电源产生稳定的电压供给后级的LED恒流驱动电源以及ZigBee芯片；LED恒流驱动电源产生两路恒定的电流给暖白色和正白色的LED供电；ZigBee网络负责控制命令收发、数据的采集和传输以及自组网络的搭建。其中，与PC端相连接的ZigBee协调器，用于转发数据和数据采集；与LED驱动电源相连ZigBee终端控制系统，用于控制和采集数据。PC上位机通过串口与ZigBee协调器完成信息交换，用来控制LED的色温和亮度，显示LED驱动电源的实时状态。各模块连接如图1所示。

图1 系统原理图Fig.1 System diagram

图1中，电源模块采用UCC28810构成的PFC反激式隔离型AC/DC的LED恒流驱动电源，并由Zigbee无线物联模块中的CC2530微处理器和SN3350电流采集模块构成PWM双路恒流可调电路。该电源模块的AC/DC效率≥86.5%，功率因数均值≥0.97，能够实现恒流可控的PWM调制。为双通道LED提供恒压可调和恒流线性可调的驱动电源。ZigBee模块作为整个系统的控制核心，通过串口实时检测PC机和LED恒流驱动电源的状态，根据具体数据信息利用调光关系式进行计算，输出控制双路PWM的占空比大小，来改变冷、暖白光双组LED灯的注入电流，实现闭环的反馈调整。

2.2 光电特性实验测试平台

采用WY605精密电源、AIS_2_0.5m_R98的LED积分球、TC-100大功率温度控制器、CL-200温控装置和HAAS-2000高精度快速光谱仪构成LED光电特性实验测试系统，测试装置示意图如图2所示。

双通道LED模块冷白和暖白两种灯珠交叉分布构成2×2的混合布局，同一种光源的2个1 W灯珠串联焊接到铝基板，用导热胶固定到铝散热片上，以减少结温引起的色漂移和光效的降低。灯珠采用深圳瑞佳鸿光电有限公司生产的RJH-P1W140A3-110T型1W大功率带铝基板暖白光灯珠和RJH-P1W140A4-110T型1 W大功率带铝基板冷白光灯珠，主要参数为：正向电压3.0～3.4 V；输入电流350 mA；亮度110～120 lm。

图2 LED实验测试装置Fig.2 LED test equipment

测试时将双路LED测试模块放入积分球中，通过上位机软件控制TC-100，设定CL-200温控装置处于25 ℃恒温状态。设定LED驱动电源使双通道PWM占空比均为100%时对应的双路驱动电流输出均为350 mA。当系统稳定时，测得选定样品的单路冷光、单路暖光以及冷暖双路混光时的光通量、色坐标和色温分别为：Yc=137.24 lm，xc=0.269 9，yc=0.246 7，Tcc=20 700 K；Yw=158.01 lm，xw=0.427 9，yw=0.415 8，Tcw=3 250 K；Ym=158.01 lm，xm=0.332 5，ym=0.311 1，Tcm=5 482 K。测得占空比均为100%时的相对光谱如图3所示。

图3 占空比100%时的相对光谱Fig.3 Relative spectrum at 100% duty cycle

3 结果与讨论

3.1 PWM占空比与输出光通量的关系模型

若改变LED 的PWM占空比，其色温不变而光强相应地线性变化，而且光强的比值等于占空比的比值。在已知冷暖白光LED的占空比分别为Dc、Dw的情况下，冷暖白光LED满电流工作下光度量分别为Yc、Yw，结合格拉斯曼颜色混合定律[2,16]有：

Yh=Yc×Dc+Yw×Dw，

(1)

式中Yc、Yw分别为参与混光的冷光源和暖光源在满电流、占空比为100%下的光度量；Dc、Dw分别为冷光源和暖光源的占空比；Yh为混合光的光度量。在实际的工程应用调节中，双通道冷暖白光PWM信号的占空比必须同时满足0≤Dc≤1、0≤Dw≤1。

图1通过中改变双通道PWM的占空比值来调整LED恒流驱动电源输出大小，从而调整冷暖白光的混光效果。由于LED具有正向伏安特性，需要一定的导通压降，也就是需要一定的正向导通流才能发光。因此，实验中在满电流为350 mA条件下，输入PWM信号占空比从5%开始。实验每测试一次，占空比递增5%，直至占空比为100%。在每次改变占空比时都利用光谱仪HAAS-2000采集积分球内的双路LED混合光的光谱信号送上位机软件进行处理，测量出冷、暖白光LED单路和双路混合光的光电特性数据。通过测试，得到输入PWM信号占空比与输出光通量的关系如图4所示。

图4 输入PWM信号占空比与输出光通量的关系Fig.4 Input PWM signal duty cycle vs.output flux

图4是冷、暖白光LED进行单路和混光测试得到的光通量大小与驱动电流占空比的大小变化关系，利用数据趋势拟合方法，可得出冷白、暖白及混合光光通量与输入占空比的关系为：

(2)

其中，Ycs、Yws分别为两条支路的输入占空比在0≤Dc≤1、0≤Dw≤1范围内按5%递增的实际测量值趋势回归数学模型。按照混光理论，把混合光光通量记为Yml，则结合式(2)可得：

(3)

为了验证式(3)数学模型的精度，图4中的混合光通量曲线是取冷白、暖白两路的占空比Dc=Dw=x且0≤x≤1，对曲线进行拟合可得实际双路混光的光通量模型为：

Yms=-100x2+392.19x+1.7440，

(4)

利用式(4)，并引入实际相对误差δ来对式(1)和式(3)数学模型进行精度测试比较：

(5)

假定在同样测试条件下实验测量值Yms为真值，根据式(5)，则式(3)和式(1)所建立的数学模型与实际测量值的相对误差如图5所示。

图5 模型计算值与实验测量值的相对误差Fig .5 Relative error model calculations and experimental measurements

从图5可以看出，公式(1)线性叠加表示虽然简单，但没有较好地考虑LED光-电-热之间的非线性关系，存在较大的误差，而且占空比越小，对光通量控制精度越差，不能精确地表示占空比和输出光通量之间的对应控制关系。这种原因主要是由于占空比变化的实质是注入电流大小的变化，而LED灯具有相应的伏安特性，注入电流大小会导致LED灯导通电阻变化，从而产生的功耗也不同。从能量守恒角度分析，若占空比变大，LED的注入电流会增大，相应的导通电阻变小，功耗增大，从而使LED灯实际产生的光通量小于理论值。另一方面，白光LED注入电流的变化会使得其结温发生相应的变化，从而影响其光通量、色温等光学特性的非线性变化[17]。公式(3)数学模型计算值与实验测量值在整个占空比调整范围的相对误差小于1%，优于公式(1)，但其数学模型是非线性二次方程，在控制上会相对复杂。

3.2 PWM占空比与输出色温的关系模型

根据色度学和格拉斯曼混色原理[4,14]，混合光的具体色品坐标由两种混合光源所占的比例决定。如果混合光的色品坐标x已知，则其y坐标为：

(6)

式中，x、y为混合光的色品坐标，xc、yc和xw、yw分别为冷、暖白光LED的色品坐标。

同时，占空比分别为Dc、Dw的冷、暖白光LED进行混光后的色坐标应满足：

(7)

根据式(1)、(6)和(7)可得冷、暖白光双通道输入PWM占空比与混合后的混合光源的色品坐标以及光通量的关系：

(8)

根据上述原理，为验证占空比与色温之间的调整对应关系，实验中对选定的冷白、暖白两路不同色温的LED样品进行混光色温测量。当占空比Dc=Dw=x且0≤x≤1，即双通道PWM占空比相同时，得到输入PWM信号占空比与输出色温的关系如图6所示。图中Tc-w、Tc-c、Tc-m分别为单通道暖光、单通道冷光以及冷暖双通道混合光源的色温。

从图6可知，当输入冷、暖白光双通道占空比Dc=Dw时，混合色温在5 010～5 482 K之间，基本与占空比变化无关。而LED冷白光和暖白光混合光源色温的理想调节范围是在暖白色温和冷白光色温之间。为了达到良好的混合光源色温调整，实验中暖光占空比Dw按5%递增，并取Dw+Dc=1，得到实验结果如图7所示。图中Tc-w、Tc-c、Tc-m分别为单通道暖光、单通道冷光以及冷暖双通道混合光源的色温。

图6 Dc=Dw时的混合光源色温随占空比的变化Fig .6 Variation of color temperature of mixed light source with duty ratio while Dc=Dw

图7 Dc + Dw=1时的混合光源色温随占空比的变化Fig .7 Variation of color temperature of mixed light source with duty ratio while Dc + Dw=1

对图7 实验数据曲线进行拟合，建立冷、暖白光单通道和双通道混合光源的色温控制数学模型如式(9)和式(10)所示：

(9)

Tc-m=-3895ln(Dw)+2771.8，

(10)

从图7曲线拟合得到的式(9)数学模型分析可知，双通道混合白光的色温与冷、暖白光单通道的色温并不是简单的线性叠加关系，式(10)中采用对数函数进行趋势回归便于分析占空比和色温之间的关系。所建立的色温与占空比之间的关系模型具有非线性特性，用式(10)对数函数建模存在一定的误差。根据参考文献[11]提出的方法，对测量样本所采集到的光谱数据进一步研究发现输入双通道占空比的比值Dc/Dw对混合光色坐标(xm，ym)的影响更为明显，若把Dc/Dw作为自变量[11]，则式(7)可改写为：

(11)

式(11)中，xc、yc、xw、yw以及Yc、Yw均为常数，双通道混合光源的色坐标(xm，ym)只与η有关，η=Dc/Dw。根据文献[18]得出的相关色温与色坐标的关系式:

Tc=-437n3+3601n2-6861n+5514.31，

(12)

为了检验文中所提出的方法对光通量和色温的控制精度情况，我们通过理论计算20个样本的光通量和色温值作为输入，并测量实际的输出。通过计算，得到两者之间的相对误差如图8所示。

图8 混光系统测试结果的相对误差Fig .8 Relative error of the test results of the mixed light system

对图8分析可知，利用建立的占空比与光通量和色温之间关系的数学模型对冷暖白光双通道混光的计算值和实际测量值进行比较，20个样本得到光通量的相对误差小于1.70%，色温的相对误差在8.50%以下。测量相对误差表明，所建立的系统数学模型对于混合光源输出的光通量控制精度较高，而对于色温的控制偏差相对较大，主要是由于占空比变化所引起的注入电流变化对于色温具有较为明显的非线性影响。

4 结 论

功率型白色LED的混合调光调色技术在动态照明的智能调控领域中具有重要的应用价值。PWM控制LED驱动输出的注入电流对光源输出的光通量和色温的影响具有非线性特性，从而使得混合调光的控制精度受到了影响。本文结合实验方法，根据格拉斯曼混色原理和PWM调制方法，建立冷、暖白光双通道输入PWM占空比与光通量和色温的数学模型，并利用ZigBee无线物联控制以及PFC反激式隔离型AC/DC的LED恒流驱动控制方法，实现对混合光源的光通量和色温智能控制。实验对冷、暖白光双通道混光进行了系统性能测试，采集20个样本得到计算值和实际测量值进行比较，结果表明利用建立的占空比与光通量和色温之间关系的数学模型，光通量的相对误差小于1.70%，色温的相对误差在8.50%以下。所建立的系统数学模型对于混合光源输出的光通量控制精度较高，而对于色温的控制偏差相对较大，主要是由于占空比变化所引起的注入电流变化对于色温具有较为明显的非线性影响。

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周锦荣(1974-)，男，福建漳州人，硕士，2006年于同济大学获得硕士学位，主要从事光电控制与信息处理方面的研究。

E-mail: jinrongzhou@163.com

Nonlinear Mixed-dimming Method for Power White LED

ZHOU Jin-rong

(CollegeofPhysicsandInformationEngineering,MinnanNormalUniversity,Zhangzhou363000,China)

A nonlinear mathematical model of the relationship between the luminous flux and the color temperature of the hybrid light source is established by analyzing the hybrid dimming method of pulse width modulation (PWM) dual channel output white LED.The system uses ZigBee wireless communication module CC2530 as a dual PWM output control to SN3350 as the core of the LED constant current drive power.It achieves a duty cycle adjustable warm white and cool white two white LED color temperature and luminous flux mixed dimming control.Experiments were carried out using a high-precision,fast spectroradiometer (HAAS-2000) test system.Experimental results show that the dual PWM can achieve better control of LED color temperature and luminous flux,and the correlated color temperature of the mixed light source can be continuously adjusted in the range of 3 250 K to 15 000 K.The relative errors of theoretical calculation and system control are less than 1.70% and 8.50%,respectively,corresponding to the luminous flux and color temperature.

dynamic lighting control; LED mixed dimming; nonlinear mixed dimming; pulse width modulation(PWM)

1000-7032(2017)09-1249-07

2017-02-08;

2017-03-22

福建省自然科学基金(2016J01758 )； 福建省资助省属高校科研专项(JK2016026)； 福建省教育厅科技项目(JAT160284)资助

TN206； TM923

A

10.3788/fgxb20173809.1249

*CorrespondingAuthor,E-mail:jinrongzhou@163.com

Supported by Natural Science Foundation of Fujian Province(2016J01758); Special Scientific Research Project of Provincial Universities of Fujian Province(JK2016026); Science Project of Education Bureau of Fujian Province(JAT160284)