简述一种实现LED灯具色温调节的新方法

节能减排已经成为当今世界重大战略性课题，LED因其节能、环保、光效高、寿命长等优点素有“绿色能源”之称，正逐步取代传统光源[1]。随着科学技术的进步和生活品质的提高，人们对LED照明的控制水平要求越来越高。为了实现二次节能，人们希望能够实现亮度调节，自由调节灯光的明暗程度。为了营造出不同的气氛，人们希望能够实现色温调节，个性化设置灯光环境[2]。

相关研究表明[3]，采用两个调光电源分别驱动高低两种色温的白光LED阵列，通过调节两电源的驱动电流比例能够实现色温调节，但这种方法电源可靠性较低，并且无法实现独立调光。

常规色温调节方法采用两个调光电源驱动高低两种色温白光LED阵列，通过调节两种LED的驱动电流比例实现色温调节。该方法只能实现色温调节，无法实现线性调光。为此，本文在分析了LED色温调节的常规方法存在的问题的基础上，提出一种LED色温调节的新方法，与大家探讨，新方法仅采用一个 LED调光电源，在LED调光电源后仅增添几个器件即可实现LED灯具的色温调节和亮度调节且互不干扰，有利于降低了成本，提高电源可靠性，对于LED的控制具有应用价值。

一、LED色温调节的常规方法

1. LED色温调节的常规方法

LED色温可调的灯具采用高低两种色温的白光LED阵列，两种LED阵列密集交替排布使两种色温充分混光，通过调节两种LED的驱动电流比例能够实现总体色温调节[3]。图1给出了这种方法的结构框图。PWM1信号用来调节可调光电源P1的输出电流I1，I1驱动暖白LED阵列;PWM2信号用来调节可调光电源P2的输出电流I2，I2驱动冷白LED阵列。通过调节PWM1信号与PWM2信号的占空比比例来调节暖白LED阵列和冷白LED阵列的亮度比例，由于两种LED的充分混光，实现了灯具的整体温调节。

图1：常规方法系统结构框图

2. LED色温调节的常规方法存在的问题

人们往往不希望调节色温时灯光的明暗程度发生变化或者调光时色温发生明显偏移，也就是说希望调色温和调光互不干扰，这样可以通过调光和调色温的不同组合配置更多的光环境。然而，上述方案难以满足这一要求。

(1) 难以实现亮度调节

目前大多成熟的LED可调光驱动电源方案中，电源管理芯片通常只提供一个调光引脚。采用上述常规方法调节色温时，为了实现双电源的输出电流比例的调节，两个电源的调光引脚都将被占用，因此没有实现调节色温的同时独立调光的硬件资源。

(2) 电源效率过低，降低了电源可靠性

由于LED是低压直流光源，因此LED驱动电源是降压型AC-DC恒流电源，这种电源的效率随电源功率降低而降低。图2给出了采用了富士通MB39C602芯片的LED电源的效率随输入功率变化的实测曲线，输入功率为3W时电源效率相比输入功率为15.5W时的效率降低了17%。色温调节的常规方法中，可能始终有一个电源的输入功率较小。这意味着该电源的效率降低，功率损耗增加。功率损耗在电源中主要表现为热能，并产生高于环境温度的温升。经验表明，温度每升高10℃，系统失效的可能性增加一倍，这将极大的降低系统的可靠性[4]。另一方面，功耗增加将导致光效降低，减弱LED的节能优势。

图2：电源效率随输出功率变化的曲线

二、LED色温调节的新方法

1. LED色温调节的新方法

新方法采用了PWM调光驱动电源方案，并在电源后端电路中增设了色温调节电路，该色温调节电路采用PWM开关调光的方式调节冷白LED阵列和暖白LED阵列的导通时间比例，实现色温调节，结构框图如图3。

该方案采用PWM1信号控制电源的调光端子，通过调节PWM1的占空比来调节LED的输出电流Io进而实现LED灯具调光。

为了实现色温调节，将导通压降比较接近的一路冷白LED阵列和一路暖白LED阵列并联接于电源输出端，采用功率开关管MOS1和MOS2分别控制冷白LED阵列的通断和暖白LED阵列的通断。 PWM2信号连接MOS1的栅极，实现对冷白LED阵列导通时间的控制，PWM2经反相器后得到反相的信号PWM3连接MOS2栅极，控制暖白LED阵列的导通时间。PWM2为高电平时，PWM3为低电平，故冷白LED阵列导通，暖白LED阵列断开，反之亦然。调节PWM2的占空比来调节单位时间内冷白LED阵列和暖白LED阵列的导通时间比例，利用人眼存在暂留时间，实现了色温的变化效果。

图3：新方法系统结构框图

2. 新方法的试验验证

为了验证这种方法，本文采用MB39C602的LED可调光方案，在其后端增设上述色温调节电路，并进行了测试。图4给出了不调节色温、仅调节亮度(图中体现为电功率变化)时，色温随功率变化的曲线。图4中的冷白、偏冷白、中性白、偏暖白、暖白五个典型应用色温梯度的曲线均趋于一条平行线，说明在不调节色温时仅调节亮度，色温变化不大。图5给出了不调节亮度、仅调节色温时，功率随色温变化的曲线。图5中给出了实际常用的三个功率梯度，三个功率梯度曲线均趋于一条平行线，说明在不调节亮度时仅调节色温，对输入功率影响不大。

图4、图5：色温随功率变化的曲线、电源功率随色温变化的曲线

图6给出了不调节亮度、仅调节色温时，光通量随色温变化的曲线。图6中给出的光通量梯度曲线幅度变化不大，说明在不调节亮度时仅调节色温，亮度变化有限。

图6：光通量随色温变化的曲线

由上述测试结果可以看出，新方法在不同亮度条件下，可以满足较大范围的LED灯具的色温调节。不调节亮度仅调节色温时，电源的输入功率波动较小且光通量变化不大。不调节色温仅调节亮度时，色温变化较小。能够满足独立调节色温和独立调光的要求。这就解决了LED色温调节的常规方法只能调节色温难以实现调光的问题，同时避免了因电源输出功率过小而降低电源效率及LED光效的问题。

3. 新方法的优势

(1) 新方法既能调光又能调色温且互不干扰

新方法采用独立的PWM1信号和PWM2信号分别控制电源的调光端子和色温调节电路控制端子，实现亮度调节和色温调节互不干扰，可以配置出更多的光环境，满足更多的照明需求。

(2) 新方法可靠性高

新方法中，任一时刻，两路高低色温白光LED阵列中只有一路呈导通状态，实现了输出功率恒定，从而避免了常规方法中电源功率过低致使电源效率低、系统可靠性低、光效低等问题。

(3) 新方法成本低

新方法电路结构简单，仅采用一个调光电源及几个用于实现色温调节的器件，相比常规方法采用两个调光电源，具有硬件成本低、控制容易实现、工作稳定的特点。

三、结论

本文分析了LED色温调节的常规方法存在的问题，利用LED开关响应速度快的优势，提出了基于PWM调光驱动电源方案的色温调节电路，该电路能够实现LED独立调光和调色温且互不干扰。通过试验数据分析验证了新方法能够在较大范围内调节色温。新方法结构简单，硬件电路成本低，能够独立调节色温和亮度以配置出更多的灯光环境，为LED的智能控制提出了新思路。

参考文献：

[1] 刘祖隆，郭震宁，胡志伟，林建南.调光方式对LED色温和光通量的影响[J].华侨大学学报，3013，34(1)：14-17

[2] 吴乾,胡康乐,王跃飞等.一种实现动态白光的可调方法及其应用工具:CN,101451658[P].2009.

[3] 刘康，郭震宁，林介本，曾海，曾茂进.高亮度白光LED混色照明理论及其实验研究[J].照明工程学报，2012，23(1)：51-57

[4] 精通开关电源设计，[美]Sanjaya Maniktala著，王志强等译，人民邮电出版社，P13