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以最低成本提供最隹LED照明调色效能,闭路感测是如何办到的?
 

【作者: Tom Griffiths】2018年10月26日 星期五

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照明产业已经重新认识调色的价值,可以支援附加价值应用,例如以人为本的照明。本文描述三种模型,并阐明为何其中的一种模型 - 感测器启用闭路控制 - 能在效能和成本方面更为优越。本文并说明将闭路控制元件添加至照明装置时需要考虑的光学设计注意事项。



随着LED每千流明(kilolumen)欧元价格的迅速下降,基於LED照明的经济效益,商业和高级住宅的新照明装置已转而采用白光调色灯具。


例如,典型办公室嵌入式天花板灯具(Troffer)的售价在150欧元至300欧元之间,在整个灯具的材料清单(BoM)中,LED灯条的成本不到4欧元。 主要组件的成本与用户为灯具付出的价格之间存在着极大差距,这就给了制造商增加更多功能和价值的空间,用来抵抗低成本、低品质的竞争产品所施加的价格压力。


创造有别於标准照明灯具的差异化,调色是一种特别有吸引力的方式。调色这个术语一般是指调谐灯具照明输出的白色相关色温(CCT)的能力。 通常的分界就是色温高达6500K时是极度冷白,CCT为2200K时是极度暖白。典型的可调白光灯具不会采用太过极端的调色,范围一般是白炽灯的2700K到5000K,有利於办公室照明。 商用嵌入式天花板灯具的例子中,一般需要CCT值?2700K和?5000K的双LED灯条,以及复杂的控制电路。


即使这会将灯具LED和电子零件的制造成本提高到25欧元,它仍然只是售价的一小部分。调色功能使灯具制造商能够打着「以人为本照明(HCL)」的旗帜销售灯具。 HCL旨在让照明能够覆盖CCT范围,有助於符合人体的自然昼夜节律。


例如,可调白光系统可设定为在白天中午产生较冷的光线(蓝白光),在接近黄昏时逐渐升高色温以产生温暖(黄白色)光,晚上则可能减轻一些蓝光影响(图1)。 研究表明,这种人造光色调的调整,有助於人体产生激素反应,在白天促进生产力和警觉性,在夜间则有助於放松和睡眠。



图1 : 在黄昏时段,以人为本(HCL)的系统将照明从较冷的色温度调整为较暖的色温。
图1 : 在黄昏时段,以人为本(HCL)的系统将照明从较冷的色温度调整为较暖的色温。

换句话说,与日光灯或其他没有调整功能的灯具相比,HCL能提供更多的用户舒适度及生产力,对健康更有益处。 这些有吸引力的好处有助於维持现今许多商业和居家照明产品的高价。


因此,现今照明产业的问题已从是否采用调色到如何实现它。现今常用的三种调色控制模型之间存在明显差异。本文描述这三种模型,并阐明为何其中的一种模型 - 感测器启用闭路控制 - 能在效能和成本方面更为优越。本文并说明将闭路控制元件添加至照明装置时需要考虑的光学设计注意事项。


控制可调白光照明的三种方法

最基本及最不准确的可调白光照明控制方法,是使用一个小型微控制器来管理灯具的暖光和冷光LED灯串,该微控制器提供了一个简单的查找表,计算通过暖光和冷光LED灯串的驱动电流比,以接近CCT目标值。透过仔细选择和LED特性,以及高精度电源系统(LED驱动器),在新产品及实验室条件下,这种方法可以提供适当的结果,但是一旦这些设定进入现实世界,LED行为会随着时间和不同操作条件而产生变异,这就暴露了查找表的限制。


例如,当调暗,或者当环境温度与制造商指定的标称值不同时,LED的色点会发生偏移,其光通量会随着标称值的变化而变化。这种变异性会严重影响系统调色控制的准确性。人眼对於光线的变化是很敏感,小至千分之几,所以变化通常会被立即察觉。随着时间的推移,这些差异变得更加明显,因为老化会加大LED初始特性与实际性能之间的差距。


调色系统尝试的第二种方法,是第一种方法的精确版:一种利用查找表的补偿系统。这种方法模拟了因为工作温度变化和老化所造成的LED行为变化预测,并将这些预测整合至更复杂的查找表中。若能与电流反??电路相结合,则能更隹地管理LED驱动器的电流变化,这种方法可以产生较第一种方法更准确的色彩控制,且效能更可以持续。实施这种方法,要在装配线上进行逐光(light-by-light)校准,以消除元件从一个生产单元到另一个生产单元的微小变化所产生的影响。


虽然这种方法的效能优越,但它有几个严重缺点:


●增加了温度和电流补偿的元件成本


●高精度、多通道LED驱动器


●高度依赖LED初始特性和老化预测。在超过10年的灯具寿命期间,几??任何预测模型都会显示与现实性能不尽相同,且由於LED市场是动态的,该模型可能是衍生自早期元件,而整合至灯具中的元件可能是新的,如此就会导致与实际性能的差异更为明显。


●灯具制造商受制於初始元件选择,因为若有任何更改,就需要对修改後的系统设计进行全面重新定性,以实现可重复的结果。


闭路控制方法

第三种方法是使用灯具内的校准颜色感测器连续测量混合光,以调谐闭路回??控制系统。利用这种方法,微处理器和演算法将对提供给每个LED灯串的驱动电流进行连续及主动的调整,以使混合光输出保持在其目标CCT值。 控制??路会继续感测光输出并持续调整功率输入以维持目标色温:由温度波动、老化或调光操作引起的色移会被持续补偿。


这个回??系统不需要了解它控制的LED - 甚至不需要知道它们的标称色温。它不需要LED随时间和温度变化的行为预测模型。 它不需要从严格指定的类别中小心选择LED批次。采用预先校准的感测元件,灯具无需在生产线上进行校准。


取而代之的,灯具制造商可以在色温标度范围内广泛选择各种颜色,且这些种类的混合可以随时间改变,却不影响调色控制系统的CCT效能。用来驱动控制??路的色彩感测元件可以在整个产品周期保持其校准,因此不需要生产单元的进一步校准。


当灯具是新的,闭路系统的效能优於前两种方法,因为无论操作条件如何,控制??路都会真正测量实际的光输出,而非依赖於假定条件下的光输出理论模型。它不是一种预测,而是一种自适应方法。


这种优势将随着时间而更为强大,因为闭路方法的效能在正常的LED灯具使用寿命後也依然如新,仍一样作用,而前两种方法的效能必然会随着时间而降低。


采用这种方法,对於LED和电源系统的规格要求较为宽松,因此这种优越效能也能以较低成本提供。 透过扩大LED种类,灯具制造商可以在可调CCT范围内自由选择低成本或更容易获得的LED,如此可降低整体供应链风险。此外,库存管理可以大大简化,成本降低。 再者,由於不需生产线校准,所以可减少最终产品的装配时间和成本。


最後,灯具制造商可以不断更新电路板设计,用新推出、更好的产品替换旧的LED,无需经过漫长而昂贵的工序来定性新LED及发展新的查找表。


闭路感测的整合方法

实现一个用於可调白光照明的闭路控制系统,仅需一些组立元件,包括高品质的色彩感测器、微控制器和内部开发的演算法,用於调节LED的驱动电流以对应感测器测量。


然而,该软体的开发是一项复杂而艰钜的任务。它需要各种学科的专业知识,包括调光/调谐方法(用於平顺调谐效果)、嵌入式编程、光学设计、光学系统定性和闭路方法,以防止振荡或同步缺陷。与电子系统设计中的情况一样,用於调色的闭路控制的整合型系统单晶片(SoC)解决方案节省了空间和成本,并且让系统设计者可以更快、更容易地进行开发。


奥地利微电子(ams)提供此种整合型解决方案,该公司是智慧型手机和仪器市场的高效能色彩感测器供应商。它提供两种调色SoC: Smart Lighting Manager和Smart Lighting Director。管理器(manager)类型,例如AS7221,包括一个小型处理器核心,整合了一个4.5mm x 4.7mm x 2.5mm封装的XYZ色彩感测器(图2)。XYZ感测器具有模仿人眼的色彩响应曲线。其高度可靠的干涉滤光片,是做为CMOS制程的一部分在晶圆上制造,在温度和时间方面都非常稳定。



图2 : 精简的AS7221可轻松安装在筒灯和其他空间受限的设计中
图2 : 精简的AS7221可轻松安装在筒灯和其他空间受限的设计中

在其最具成本效益的实施方案中,Smart Lighting Manager具有多通道输出,为LED驱动器提供标准的0-10V或PWM型调光信号,以决定整体亮度值。此外,另外两个PWM通道会控制暖光和冷光LED串底部的开关晶电晶体,使用互补占空比(complementary duty cycle)控制电流,以达到两个LED串混合的CCT目标。


Smart Lighting Director,例如AS7225,还包括高效能XYZ色彩感测器和数位逻辑,可连续计算LED灯串之间所需的比率。这些连续计算的结果以指令形式提供给灯具内应用处理器,将每个LED串调谐至指定的百分比值。然後,应用处理器的工作是管理从一个定向(directed)LED串混合至另一个的转换,以及管理数位可定址调光介面(DALI)或其他网路信号。


使用AS7221这样的Smart Lighting Manager,能以最简单、最快速的方式实现闭路控制系统,无需使用其他控制元件。ams 的Smart Lighting Manager还包括对几个附加感测器的原生支援,包括用於增加日光采撷功能的环境光感测器,以及一些环境传感器,像是温度、湿度感测器和基於挥发性有机物(VOC)的空气品质感测器等。


AS7225这样的Smart Lighting Director,非常适用於已有组立式微控制器的智慧灯具设计,让灯具制造商能够更灵活地添加由MCU控制的其他感测器。


光学设计考量

在闭路控制系统中,感测器必须能够观察从双LED串发出的混合光输出。


监於光导(light guide)被安装在灯具反射器或外壳边缘,为了可以看到全部的混合光,可以将感测器安装在LED板上(图3)。



图3 : 光导(light guide)将来自筒灯反射器边缘的光线引导至LED板上的色彩感测器
图3 : 光导(light guide)将来自筒灯反射器边缘的光线引导至LED板上的色彩感测器

ams传感器提供45。视野,并包括配置控制,以适应不同的视野或混合腔体(mixing-chamber)特性。


结论

在LED灯具中增加闭路感测,可以直接降低BoM和制造成本,既可用於直接可调照明系统,也可用於那些使用感测器??路在灯具寿命期间保持单一CCT或流明输出目标的系统。针对这些可调谐系统,闭路系统可以使用精确度较低的元件,同时可以实现更精确的调色。


透过调色创造附加价值应用,照明制造商将能期??获得更多的竞争优势及更隹价格。这些应用包括昼夜节律优化和其他HCL应用,可以提高员工生产力和使用者满意度。


(本文作者Tom Griffiths为奥地利微电子(ams AG)感测器驱动照明和光谱感测资深行销经理)


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