基于非线性闭环控制的可变色温LED平板灯设计

摘 要：在通用照明领域，半导体照明趋向高品质化，除了考虑传统视觉照明的常用参数对照明效果的影响外，还要求半导体照明灯具具有灵活的可调性。本文提出了一种控制双色白光LED系统发光强度和相关色温的非线性闭环控制方法，在合理的近似下，将理论模型简化为实际解决方案，并将其转化为实际应用。结果表明，在外界环境光照变化和LED老化后，该方法仍具有较高的控制精度，实际光通量和CCT的最大误差分别为1.74%和0.65%。可见非线性闭环控制算法可使LED灯提供精确的调光、调色输出，环境适应性强。

关键词：非线性；可变色温；LED平板灯

中图分类号：TM 92 " " 文献标志码：A

LED平板灯广泛适用于酒店、会议室、商超和家庭等需要节能、高显色性指数的室内照明。在面对不同应用场合的需求中存在2个问题。一是在光照强度和相关色温（correlated color temperature，CCT）一致性方面的需要，在如酒店、博物馆、演播室、手术室等区域的应用中，要求LED照明系统的光色保持稳定。由于老化和即时变化的工作条件，即使是同一制造商提供的同型号LED都会产生不一致的随时间漂移的光谱，尤其是环境温度的变化会导致明显的发射光通量改变和CCT差异，因此提供不随时间变化的稳定光输出和稳定CCT值照明尤为重要。第二个主要问题是在家居、商超等区域的应用中，需要根据照明需求提供可变的照度和CCT，以适应不同场景的需求[1-2]。

解决以上2个问题都需要LED照明系统能进行出射光通量和色温可调，目前通常采用的方案是同时由暖白光和冷白光LED灯串组成组合照明系统（也称双色LED灯），通过调整2种LED灯串的出光比例，进行光色稳定或光色变化的混合光输出。但是此类产品采用的技术通常基于简单的线性控制方法，即假设冷、暖白光LED的色温恒定，直接给出其脉宽调制（pulse width modulation，PWM）信号来控制光输出和相关色温，并没有考虑影响LED发光特性的多参数间的非线性因素，因此传统的双色LED灯无法提供精确的光强调节和CCT控制[3]。本文提出一种闭环非线性方法，能真正精确、独立控制光通量和调控CCT，以获得高质量、大范围的调光。

1 非线性闭环控制算法

典型白光LED由蓝光芯片激发黄色荧光粉组成，通过调配黄、蓝光的比例可获得不同色温的LED芯片。设计灯具时，LED芯片通常被认为是理想的，即光通量的变化不影响CCT。但光强、CCT、驱动电流、LED温度间具有高度非线性和耦合关系，它们之间并不是通过常见的线性反馈来进行精确调光和颜色控制的。此外，环境温度、环境光强和LED老化的变化也会导致灯的实际光通量、CCT与所需目标光通量、CCT产生更大偏差，在现有的双色LED灯中，CCT偏差＞±200K，其中颜色漂移很容易被人类眼睛观察到。

1.1 色温与光通量测量

闭环控制需要将现有的光通量和CCT反馈给系统，其数据采集采用TCS3414CS颜色传感器。TCS3414CS是一种抗干扰能力强、灵敏度高且精度高的数字颜色光传感器，能够准确测定环境光的色度，并提供一个16位的数字信号输出。该传感器包括一个8×2的带有过滤光片的发光二极管阵列、模数转换器以及一个带有控制功能的单片CMOS集成电路。

TCS3414CS颜色传感器可返回红色（R）、绿色（G）、蓝色（B）和全光谱（C）（非过滤）4个通道的数据，其中来自R、G、B的响应可用于确定特定源的CCT，并找到最接近的普朗克轨迹上的点。为了使用TCS3414CS获取给定光源的CCT，将传感器响应（RGB）映射到CIE的3个刺激值（X、Y、Z），需要计算色度坐标（x，y），再计算相关色温（CCT）。

实际测量中，可得相关矩阵C如公式（1）所示。

（1）

式中：（Xw，Yw，Zw）、（Xc，Yc，Zc）和（Xn，Yn，Zn）为单暖白光、单冷白光和冷暖混色光，通过积分球得到3组光的3个刺激值和由颜色传感器给出3组光的RGB值（Rw，Gw，Bw）、（Rc，Gc，Bc）、（Rn，Gn，Bn）。

利用上式即可对颜色传感器测量的任意一组特定的RGB值计算实际CCT值。对2600K和6000K的冷、暖白光LED在不同光通量下进行混光测试，其测量CCT和理论计算CCT的最大误差约为2%，可认为颜色传感器测量的CCT值与实际目标值一致，具有一定的可信度。

1.2 迭代控制算法

混光后总的光通量ϕm和CCTm可表示为公式（2）。

（2）

式中：ϕc、ϕw和CCTc、CCTw分别为k时刻冷、暖白光LED的光通量和CCT值；ϕa为环境光通量。

由公式（2）可以求得公式（3）。

（3）

（k+1）时刻的PWM信号占空比Rw（k+1）和Rc（k+1）校准应分别考虑测量光通量、目标光通量以及测量CCT值与目标CCT值的不一致，通过改变ϕc和ϕw来达到改变目标光通量ϕt和目标CCT值CCTt的目的。由公式（3）可知，（k+1）时刻相对k时刻冷、暖白光总的光通变化量∆ϕc、∆ϕw如公式（4）所示。

（4）

因此（k+1）时刻的PWM信号占空比Rw（k+1）和Rc（k+1）如公式（5）所示，公式（5）即为非线性闭环控制方程。

（5）

式中：αw和αc为比例常数，可通过试验测得。

2 可变色温LED系统的实现

可变色温LED平板灯由微处理器、LED驱动控制器、暖白光LED串、冷白光LED串、光照/颜色传感器、照度传感器、电源模块和相应的控制算法组成。微处理器可生成PWM信号，采用高性能、低功耗且低成本的AtmelAVR8位微控制器，其内部1MHz的振荡器可满足实际应用。微处理器输入目标光通量和目标CCT值，获得来自照度传感器的环境背景光通量。点亮冷、暖白光LED串后，颜色传感器分别测量双色LED串的RGB值，并送入微处理器中。微处理器通过测量RGB值计算出测量光通量和测量CCT值，并将测量光通量和测量CCT值与之前获得的目标/环境光通量、目标CCT值进行比较，利用内置非线性闭环控制算法求出下一时刻调整后的冷、暖白光LED串PWM驱动信号占空比Rc和Rw。这2个PWM信号送入2路LED驱动控制器，改变双色LED灯串的输出光通量，多次迭代后可进行照明系统光照和色温的精确调控。即使环境光照和环境温度改变，或者驱动电路老化和LED灯珠光衰造成双色LED灯串的发光强度和发光光谱产生漂移，该非线性闭环控制算法仍能保证光通量和色温调节精确度不变。考虑控制算法较大的计算量和存储空间需求，为了提高控制系统的迭代计算速度并降低成本，也可将计算结果制成表格存入微处理器。照明系统运行时，微处理器查表寻找最接近的2组数据值，在其中进行线性插值，进而得到所需冷、暖白光LED驱动信号占空比。

微处理器连接2个恒流LED驱动控制器，其中一个LED驱动控制器控制暖白光LED串，另一个LED驱动控制器控制冷白光LED串，微处理器产生2路不同占空比的PWM信号Rw和Rc，分别用于调节暖白光LED串和冷白光LED串的输出。照度传感器测量环境背景光照强度，探测结果输入微处理器，并转换为环境光通量。

为了使测量光通量和测量CCT值足够准确，并使冷、暖白光LED串获得较好的混光效果，可考虑采用LED灯珠分布和光照/颜色传感器排列方式，双色LED（冷白光LED色温6500K，暖白光LED色温2700K）灯珠交叉环装排列或交叉矩形排列，中心处为光照/颜色传感器。本文对上述闭环控制算法设计验证系统。25℃下传统线性和非线性闭环控制的测量光通量、测量CCT与目标光通量、目标CCT的试验结果如图1所示。试验结果表明，基于本文非线性方法的光通量、CCT的目标值与测量值间的最大误差分别为2.12%和1.64%，测量值与相应的目标值较吻合。相反，基于传统线性方法的光通量、CCT的目标值与测量值间的最大误差分别为6.95%和7.22%。因此，本文提出的非线性闭环控制方法能够精确控制2串LED系统的调光和色温。

改变环境光通量，假设环境光强固定在15lm的黑暗环境和170lm的（相对）明亮环境。2种环境光下非线性闭环控制的测量光通量、测量CCT与目标光通量、目标CCT的试验结果如图2所示。试验结果显示，实际通量和CCT值在非线性闭环控制下与目标值密切相关，与当前环境光强水平关联较小，证实了本文提出的环境光补偿方案的有效性。本文提出的非线性方法的光通量、CCT的目标值与测量值间的最大误差分别为1.30%和1.36%（明亮环境）、1.07%和1.22%（暗环境）。

在现实中，经过一段时间的照明后，LED芯片会经历老化和退化。对LED芯片进行加速老化，将新的LED和老化后的LED测试数据进行比较，在非线性闭环控制下，二者的测量光通量和测量CCT的最大误差分别为1.74%和0.65%（如图3所示）。因此，本文提出的非线性反馈方法可长时间精确控制输出光通量和CCT值。

3 结论

本文提出了一种冷暖双色LED灯的非线性闭环控制方案，可在不同工作条件下对光通量和CCT进行精确、完全独立控制。面对多样化和高要求的照明需求，非线性闭环控制算法仍可使LED灯提供精确的调光、调色输出，环境适应性强。利用颜色传感器和照度传感器测量照明结果，对光输出进行闭环反馈控制，在LED灯串整个寿命周期内，调光、调色结果不受LED光衰和控制电路老化的影响，本文的双色LED系统使用闭环非线性控制，提高了亮度和色彩控制的准确性。该控制算法简单，对硬件需求少，即使没有应用温度传感器，也具有较高的鲁棒性，可以满足多样化需求和更高照明需求。

参考文献

[1]CHEN H，LIN D，TAN S，et al.Chromatic，photometric and

thermal modeling of LED systems with nonidentical LED devices[J].IEEE Transactions on Power Electronics，2014，29（12）：6636-6647.

[2]LEE，A T L，SIN，et al.Scalability of quasi-hysteretic fsm-based digitally controlled single-inductor dual-string buck LED driver

to multiple strings[J].IEEE Transactions on Power Electronics，2014，29（1）：501-513.

[3]夏振平，付保川，程成.基于冷暖白光LED的线性调光混合照明[J].发光学报，2018，39（5）：730-736.