? 節能減排已經成為當今世界重大戰略性課題，LED因其節能、環保、光效高、壽命長等優點素有“綠色能源”之稱，正逐步取代傳統光源[1]。隨著科學技術的進步和生活品質的提高，人們對LED照明的控制水平要求越來越高。為了實現二次節能，人們希望能夠實現亮度調節，自由調節燈光的明暗程度。為了營造出不同的氣氛，人們希望能夠實現色溫調節，個性化設置燈光環境[2]。
相關研究表明[3]，采用兩個調光電源分別驅動高低兩種色溫的白光LED陣列，通過調節兩電源的驅動電流比例能夠實現色溫調節，但這種方法電源可靠性較低，并且無法實現獨立調光。
常規色溫調節方法采用兩個調光電源驅動高低兩種色溫白光LED陣列，通過調節兩種LED的驅動電流比例實現色溫調節。該方法只能實現色溫調節，無法實現線性調光。為此，本文在分析了LED色溫調節的常規方法存在的問題的基礎上，提出一種LED色溫調節的新方法，與大家探討，新方法僅采用一個 LED調光電源，在LED調光電源后僅增添幾個器件即可實現LED燈具的色溫調節和亮度調節且互不干擾，有利于降低了成本，提高電源可靠性，對于LED的控制具有應用價值。
一、LED色溫調節的常規方法
1.LED色溫調節的常規方法
LED色溫可調的燈具采用高低兩種色溫的白光LED陣列，兩種LED陣列密集交替排布使兩種色溫充分混光，通過調節兩種LED的驅動電流比例能夠實現總體色溫調節[3]。圖1給出了這種方法的結構框圖。PWM1信號用來調節可調光電源P1的輸出電流I1，I1驅動暖白LED陣列;PWM2信號用來調節可調光電源P2的輸出電流I2，I2驅動冷白LED陣列。通過調節PWM1信號與PWM2信號的占空比比例來調節暖白LED陣列和冷白LED陣列的亮度比例，由于兩種LED的充分混光，實現了燈具的整體溫調節。
圖1 常規方法系統結構框圖
2. LED色溫調節的常規方法存在的問題
人們往往不希望調節色溫時燈光的明暗程度發生變化或者調光時色溫發生明顯偏移，也就是說希望調色溫和調光互不干擾，這樣可以通過調光和調色溫的不同組合配置更多的光環境。然而，上述方案難以滿足這一要求。
(1)難以實現亮度調節
目前大多成熟的LED可調光驅動電源方案中，電源管理芯片通常只提供一個調光引腳。采用上述常規方法調節色溫時，為了實現雙電源的輸出電流比例的調節，兩個電源的調光引腳都將被占用，因此沒有實現調節色溫的同時獨立調光的硬件資源。
(2)電源效率過低，降低了電源可靠性
由于LED是低壓直流光源，因此LED驅動電源是降壓型AC-DC恒流電源，這種電源的效率隨電源功率降低而降低。圖2給出了采用了富士通MB39C602芯片的LED電源的效率隨輸入功率變化的實測曲線，輸入功率為3W時電源效率相比輸入功率為15.5W時的效率降低了17%。色溫調節的常規方法中，可能始終有一個電源的輸入功率較小。這意味著該電源的效率降低，功率損耗增加。功率損耗在電源中主要表現為熱能，并產生高于環境溫度的溫升。經驗表明，溫度每升高10℃，系統失效的可能性增加一倍，這將極大的降低系統的可靠性[4]。另一方面，功耗增加將導致光效降低，減弱LED的節能優勢。
圖2 電源效率隨輸出功率變化的曲線
二、LED色溫調節的新方法
1.LED色溫調節的新方法
新方法采用了PWM調光驅動電源方案，并在電源后端電路中增設了色溫調節電路，該色溫調節電路采用PWM開關調光的方式調節冷白LED陣列和暖白LED陣列的導通時間比例，實現色溫調節，結構框圖如圖3。
該方案采用PWM1信號控制電源的調光端子，通過調節PWM1的占空比來調節LED的輸出電流Io進而實現LED燈具調光。
為了實現色溫調節，將導通壓降比較接近的一路冷白LED陣列和一路暖白LED陣列并聯接于電源輸出端，采用功率開關管MOS1和MOS2分別控制冷白LED陣列的通斷和暖白LED陣列的通斷。 PWM2信號連接MOS1的柵極，實現對冷白LED陣列導通時間的控制，PWM2經反相器后得到反相的信號PWM3連接MOS2柵極，控制暖白LED陣列的導通時間。PWM2為高電平時，PWM3為低電平，故冷白LED陣列導通，暖白LED陣列斷開，反之亦然。調節PWM2的占空比來調節單位時間內冷白LED陣列和暖白LED陣列的導通時間比例，利用人眼存在暫留時間，實現了色溫的變化效果。
圖3 新方法系統結構框圖
2.新方法的試驗驗證
為了驗證這種方法，本文采用MB39C602的LED可調光方案，在其后端增設上述色溫調節電路，并進行了測試。圖4給出了不調節色溫、僅調節亮度(圖中體現為電功率變化)時，色溫隨功率變化的曲線。圖4中的冷白、偏冷白、中性白、偏暖白、暖白五個典型應用色溫梯度的曲線均趨于一條平行線，說明在不調節色溫時僅調節亮度，色溫變化不大。圖5給出了不調節亮度、僅調節色溫時，功率隨色溫變化的曲線。圖5中給出了實際常用的三個功率梯度，三個功率梯度曲線均趨于一條平行線，說明在不調節亮度時僅調節色溫，對輸入功率影響不大。
圖4 色溫隨功率變化的曲線 圖5電源功率隨色溫變化的曲線
圖6給出了不調節亮度、僅調節色溫時，光通量隨色溫變化的曲線。圖6中給出的光通量梯度曲線幅度變化不大，說明在不調節亮度時僅調節色溫，亮度變化有限。
圖6光通量隨色溫變化的曲線
由上述測試結果可以看出，新方法在不同亮度條件下，可以滿足較大范圍的LED燈具的色溫調節。不調節亮度僅調節色溫時，電源的輸入功率波動較小且光通量變化不大。不調節色溫僅調節亮度時，色溫變化較小。能夠滿足獨立調節色溫和獨立調光的要求。這就解決了LED色溫調節的常規方法只能調節色溫難以實現調光的問題，同時避免了因電源輸出功率過小而降低電源效率及LED光效的問題。
3.新方法的優勢
(1)新方法既能調光又能調色溫且互不干擾
新方法采用獨立的PWM1信號和PWM2信號分別控制電源的調光端子和色溫調節電路控制端子，實現亮度調節和色溫調節互不干擾，可以配置出更多的光環境，滿足更多的照明需求。
(2)新方法可靠性高
新方法中，任一時刻，兩路高低色溫白光LED陣列中只有一路呈導通狀態，實現了輸出功率恒定，從而避免了常規方法中電源功率過低致使電源效率低、系統可靠性低、光效低等問題。
(3)新方法成本低
新方法電路結構簡單，僅采用一個調光電源及幾個用于實現色溫調節的器件，相比常規方法采用兩個調光電源，具有硬件成本低、控制容易實現、工作穩定的特點。
三、結論
本文分析了LED色溫調節的常規方法存在的問題，利用LED開關響應速度快的優勢，提出了基于PWM調光驅動電源方案的色溫調節電路，該電路能夠實現LED獨立調光和調色溫且互不干擾。通過試驗數據分析驗證了新方法能夠在較大范圍內調節色溫。新方法結構簡單，硬件電路成本低，能夠獨立調節色溫和亮度以配置出更多的燈光環境，為LED的智能控制提出了新思路。
參考文獻
[1]劉祖隆，郭震寧，胡志偉，林建南.調光方式對LED色溫和光通量的影響[J].華僑大學學報，3013，34(1)：14-17
[2]吳乾,胡康樂,王躍飛等.一種實現動態白光的可調方法及其應用工具:CN,101451658[P].2009.
[3]劉康，郭震寧，林介本，曾海，曾茂進.高亮度白光LED混色照明理論及其實驗研究[J].照明工程學報，2012，23(1)：51-57
[4]精通開關電源設計，[美]Sanjaya Maniktala著，王志強等譯，人民郵電出版社，P13
