基于PWM调光的高显色性白光LED混光优化方法

田会娟，胡 阳，陈 陶，柳建新，蔡敏鹏，关 涛

(1. 天津工业大学 电气工程与自动化学院, 天津市电工电能新技术重点实验室，天津 300387；2. 大功率半导体照明应运系统教育部工程研究中心，天津 300387；3. 天津工业大学 电子与信息工程学院，天津 300387； 4. 天津成科传动机电技术股份有限公司，天津 300384)

1 引 言

随着人们生活水平的提高以及 LED 应用领域的扩大，单一色温白光 LED 已经不能满足实际应用的需求。研究能满足优质照明需求的色温、亮度可调、成本低且易于实现的高显色性白光LED 成为近年来的研究热点[1-3]。殷录桥等[4]采用红绿蓝三基色发光二极管，模拟了类太阳光动态色温在不同时间段动态变化的照明光源，显色指数在33～37范围内。郭自泉等[5]模拟了在相关色温3 000 K时的三基色合成白光，得到最大显色指数为92.6。谌江波等[6]采用Ohno模型，用蓝光LED激发涂覆其上的绿橙双色荧光粉获得暖白光，与红、青、蓝3种LED光源混光，得到了宽色温范围下的高显色指数白光，这种方法需在特定光源上涂覆特定量荧光粉。田会娟等[7]提出了一种基于脉冲宽度调制(PWM)的R/G/B/WW四色LED调光调色模型，该模型在高色温混合白光时均匀性有待进一步提高。本文在上述PWM的基础上，研究了高显色性白光LED混光优化方法，该方法根据多基色混合白光光源相对光谱功率分布(SPD)符合线性叠加原理，采用1931 CIE-XYZ三刺激值建立混合光中各光源色坐标与配光比关系，在优化目标显色性能最佳时，研究了各参数的测试精度，并采用R/G/B/WW 四色LED进行实验验证。

2 实 验

2.1 显色指数计算

显色指数用来表示光源对被照射物体实际颜色的还原能力，最大值为100，其值越高，表明色彩还原能力越强。光源对某一标准颜色样品的特殊显色指数的计算公式为[5-6,8-9]：

Ri=100-4.6ΔEi(i=1,…,14)，

(1)

其中，ΔEi为14种颜色样品在标准光源与待测光源下的色差。通常情况下用一般显色指数Ra表示光源的显色性能，Ra指特定的8个标准颜色样品的平均显色指数：

(2)

2.2 相关色温计算

相关色温的计算公式为[10]：

Tc=449n3+3525n2+6823.3n+5520.33，

(3)

它表示当光源发出光的颜色与黑体在某一温度下辐射的颜色接近时，黑体的温度就称为该光源的相关色温，式中n=(x-0.3320)/(0.1858-y)，x、y为CIEx-y的色坐标。

2.3 混合光计算

多色彩混合白光的光源相对光谱功率分布(SPD)符合线性叠加原理[11-12]：

P(λ)=D1P1(λ)+D2P2(λ)+…+DnPn(λ)，

(4)

其中，Dn和Pn(λ)分别为第n种光源的占空比和在满电流工作状态下的光谱功率分布。CIE-XYZ光谱三刺激值由CIE-RGB光谱三刺激值经过数学变换得到，记为X、Y、Z。三刺激值在物体色度值的计算中代表人眼的颜色视觉特征参数，计算公式为[9,13]：

(5)

其中V(λ)是光谱光视效率函数，P(λ)是混合光的光谱功率分布函数。

根据混光原理，且便于控制变量，需先将四基色转变为三基色。可任选两色先进行混合，再将混合光与其余两单色光混合。为方便讨论，本文中先将四色中的G与WW混合，组成G/WW混合基色。设1 lm总光通量下，G在G+WW中的所占比例为r，即r=G/(G+WW)，其三刺激值可表示为(XB,YB,ZB)、(XG,YG,ZG)、(XR,YR,ZR)、(XWW,YWW,ZWW)和(XG+WW(r),YG+WW(r),ZG+WW(r))，则有以下关系[13]：

[XG+WW(r)YG+WW(r)ZG+WW(r)]=

(6)

在任意比例r下，R/G/B/WW 四色LED在1 lm总光通量下的混合光源中的贡献率分别用pR(r)、pG(r)、pB(r)、pWW(r)和pG+WW(r)表示，则有以下关系：

利用公式(7)计算结果可得出R/G/B/WW 四色LED在目标光通量φ0下的混合白光中的光通量值：

(8)

3 实验测试与结果分析

3.1 实验用光源模块及驱动电路

实验采用八脚R/G/B/WW 四合一LED灯珠8颗组成光源模块。为了使LED灯珠混光更加均匀且降低LED灯珠由于发热导致结温过高而引起色漂移和光效降低等问题，对该光源进行了光学仿真设计，得出其光源排布如图1所示，并采用导热硅胶固定在带有散热器的铝基板上。用远方光电公司的HASS-2000 光谱分析系统测量光源模块中各色LED芯片满电流状态下的色度学参数及相对光谱功率分布，如图2和表1所示。

Fig.2 R/G/B/W source relative spectral power distribution

表1 实验中R/G/B/WW四合一灯珠参数

驱动电路主要由直流稳压电源、WiFi模块、STM32-ARM模块、R/G/B/WW四合一LED光源模块组成，如图3所示。直流稳压电源将市电转换为电压为12 V 的直流电，WiFi模块接收由手机端自主设计的调光APP发出的各色占空比比例信号，将信号反馈到STM32-ARM模块，STM32-ARM 模块根据占空比与光通量关系控制R/G/B/WW LED光源模块混合比例，从而控制各色LED的混合比例完成调光混色实验[14-15]。

图3 R/G/B/WW四合一光源模块驱动电路原理图

Fig.3 R/G/B/WW four-in-one light source module drive circuit schematic

3.2 实验用光源模块占空比与光通量关系

光通量与占空比存在线性关系[16]，利用远方光电公司的HASS-2000 光谱分析系统测试得出R/G/B/WW四色LED在[0，100]占空比D范围内所对应的光通量φ值，采用Origin软件对测试得到的φR、φG、φB、φWW与相应的占空比DR、DG、DB、DWW进行线性拟合，得到基于本文所用光源的四色LED光通量与占空比间的关系，结果如图4所示。由图4可以看出φ和D线性拟合度高，其相关系数R2在0.999 52～0.999 92之间，同时可得该LED模组中各光源的光通量与占空比的关系：

(9)

图4 R/G/B/WW 四色LED占空比与光通量间的关系。(a)φR-DR；(b)φG-DG；(c)φB-DB；(d)φWW-DWW。

Fig.4 Relationship between duty cycle and light flux of R/G/B/WW four color LED.(a)φR-DR. (b)φG-DG. (c)φB-DB. (d)φWW-DWW.

3.3 实验结果及分析

3.3.1 最优显色性

根据公式(2)、(3)、(7)可知，在不同色温下取不同的r值会得出不同的R/G/B/WW四色LED混合白光的配光比，不同的配光比会影响显色性能，故需要在一定色温下得出最优的显色指数，同时获取四色LED光源模块在最优显色指数下的占空比。在调光约束范围内，沿黑体轨迹取Tc分别为3 000，5 000，7 000 K时各自对应的CIE色坐标(0.437，0.403 9)、(0.345 2，0.351 5)和(0.306 5，0.316 4)，光通量设定为500 lm，占空比在[1,100]范围内，改变r值，得出不同r下的R/G/B/WW 四色LED各色光源的光通量比例，经公式(8)、(9)转换为占空比值。测试实验结果如表2和图5所示。由表2可知，相关色温和光通量的设定值与测量值一致性较好，3种相关色温设定值与测量值的平均相对误差分别为1.18%、1.43%和1.02%，3种色温下光通量设定值与测量值平均相对误差分别为2.04%、1.48%和1.71%。同时，进一步分析了该R/G/B/WW 四色LED光源模型的显色性能，如图5所示。当设定相关色温为3 000 K时，显色指数随着r的增大先增大后减小，最高显色指数可达95.3。同样，在设定相关色温为5 000 K和7 000 K下，显色指数也是随着r的增大先增大后减小，但趋势不同，Tc=5 000 K时显色指数可达96.2，Tc=7 000 K时显色指数有所降低，最大值为96.1。当Tc=3 000 K时，红、绿、蓝LED组成的光谱缺少琥珀段光谱，这段光谱刚好可由暖白光补充，故最高显色指数可达95.3；在5 000 K时，由于蓝光和绿光在光谱占有量的增大，光谱愈发趋于完整，显色指数可达到96.2；而在7 000 K时，红光光谱所占比例出现下降，而蓝光和绿光光谱所占比例更多，故显色指数会有所降低，最大值为96.1。整体而言，LED光源模块在r变化时，显色指数均为先增大后减小，最优显色指数均可达到95以上，故以3种色温下的最优显色指数95.3，96.2，96.1作为R/G/B/WW 四色LED配光比标准，在后续实验中均可得到非常优异的显色性能。

表2 光通量为500 lm时，3种相关色温情况下设定值与测试值对比

图5 显色指数Ra随混光比r的变化。(a)Tc=3 000 K；(b)Tc=5 000 K；(c)Tc=7 000 K。

Fig.5 Color rendering indexRavaries with the light mixing ratior. (a)Tc=3 000 K. (b)Tc=5 000 K. (c)Tc=7 000 K.

3.3.2 光效和显色指数与光通量关系

为了研究R/G/B/WW 四色LED光源模块混合白光在最优显色性下光效和显色指数与光通量的关系，在得出最优显色指数配光比基础上，利用公式(5)～(7)计算出不同色温下四色LED在不同光通量下的配光比，根据比例调节各色LED对应的占空比值，从而进行不同光通量设定值下的实验验证。

由表3可知，当设置相关色温为3 000 K时，测试色温与设置色温的平均误差为2.62%，光通量平均误差为1.41%，显色指数范围为94.2～95.5，与设置的最优显色指数平均误差为0.38%，光效范围为184.90～230.54 lm/W；当设置相关色温为5 000 K时，测试色温与设置色温的平均误差为1.68%，光通量平均误差为2.80%，显色指数范围为94.9～96.8，与设置的最优显色指数平均误差为0.47%，光效范围为177.32～239.57 lm/W；当设置相关色温为7 000 K时，测试色温与设置色温的平均误差为2.54%，光通量平均误差为2.19%，显色指数范围为91.2～96.4，与设置的最优显色指数平均误差为0.35%，光效范围为174.04～229.09 lm/W。由上述实验分析可知，3种相关色温下，一般显色指数Ra均可达到高显色性要求，混合光在相同光通量不同色温下，功率几乎一样且都随着光通量的增大而增大，这说明混合光源模块的功率是由光通量决定的。本实验中采用四合一灯珠且多灯珠同时点亮，虽然考虑了芯片结温的升高会影响芯片性能并设计了散热结构，但随着光通量的增加，灯珠功率随之增大，功率的增大不可避免地使得LED芯片的结温升高，从而导致光效降低，如表3所示。由于色温越高色品坐标越敏感，因此7 000 K下的误差平均值略大于3 000 K和5 000 K下的误差平均值。当相关色温为5 000 K时，只需极少量的单色LED参与混光即可实现目标色温下的混合光，因此5 000 K时混合光的光效最大。光通量的增加不改变3种色温的光谱，故显色指数理论上应该无变化，实际测试结果中显色指数有变化但幅度不大，这是由于测量误差及占空比调节时的四舍五入造成的。图6为相关色温在3 000,5 000,7 000 K时四色LED模块的照明效果。

表3 不同色温下测量值与设定值的对比

图6 R/G/B/WW LED 光源模块的照明效果图。(a)Tc=3 000 K；(b)Tc=5 000 K；(c)Tc=7 000 K。

Fig.6 Lighting effect photos of R/G/B/WW LED module. (a)Tc=3 000 K. (b)Tc=5 000 K. (c)Tc=7 000 K.

综上所述，对于R/G/B/WW 四色LED光源模块，通过实验得出不同色温下的最优显色性配光比后，可实现一般显色指数大于95且光通量、色温可调的高显色性、高光效混合白光，在实际运用中具有重要意义。

4 结 论

智能照明是未来照明发展的大趋势，本文在基于PWM调制的基础上，利用色坐标与三刺激关系，采用R/G/B/WW四合一灯珠设计光源模块，建立各通道占空比与光通量的关系，计算得出不同色温下R/G/B/WW在混合白光中的比例，通过测色法找出显色指数最优时各色配光比，以此为基础在高显色性下研究光通量与功率、光效和显色指数的关系。实验结果表明，相关色温在3 000，5 000，7 000 K下，可实现一般显色指数在94.2～96.8、光效在174.0～239.6 lm/W的高显色指数、高光效混合白光。设置光通量与测试光通量平均误差为2.17%，设置色温与测试色温平均误差为2.28%，混合光设置显色指数与测试显色指数平均误差为0.40%。需要注意的是，红、绿、蓝芯片的光效、光谱的半高全宽和峰值波长以及白光芯片的光效和显色性能都会对混合白光的显色指数和光效产生影响，且混合白光中缺少波长在450～510 nm之间的青色光光谱，同时因为未对灯板进行后期灯具设计，在灯板水平发光面附近光混效果较差。后续工作将对这些问题进行系统研究，若能补齐混合光谱中缺失波长部分的光谱，且增强水平混光效果，显色指数可进一步提高。