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以最低成本提供最佳LED照明調色效能,閉路感測是如何辦到的?
 

【作者: Tom Griffiths】   2018年10月26日 星期五

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照明產業已經重新認識調色的價值,可以支援附加價值應用,例如以人為本的照明。本文描述三種模型,並闡明為何其中的一種模型 - 感測器啟用閉路控制 – 能在效能和成本方面更為優越。本文並說明將閉路控制元件添加至照明裝置時需要考慮的光學設計注意事項。



隨著LED每千流明(kilolumen)歐元價格的迅速下降,基於LED照明的經濟效益,商業和高級住宅的新照明裝置已轉而採用白光調色燈具。


例如,典型辦公室嵌入式天花板燈具(Troffer)的售價在150歐元至300歐元之間,在整個燈具的材料清單(BoM)中,LED燈條的成本不到4歐元。 主要組件的成本與用戶為燈具付出的價格之間存在著極大差距,這就給了製造商增加更多功能和價值的空間,用來抵抗低成本、低品質的競爭產品所施加的價格壓力。


創造有別於標準照明燈具的差異化,調色是一種特別有吸引力的方式。調色這個術語一般是指調諧燈具照明輸出的白色相關色溫(CCT)的能力。 通常的分界就是色溫高達6500K時是極度冷白,CCT為2200K時是極度暖白。典型的可調白光燈具不會採用太過極端的調色,範圍一般是白熾燈的2700K到5000K,有利於辦公室照明。 商用嵌入式天花板燈具的例子中,一般需要CCT值?2700K和?5000K的雙LED燈條,以及複雜的控制電路。


即使這會將燈具LED和電子零件的製造成本提高到25歐元,它仍然只是售價的一小部分。調色功能使燈具製造商能夠打著「以人為本照明(HCL)」的旗幟銷售燈具。 HCL旨在讓照明能夠覆蓋CCT範圍,有助於符合人體的自然晝夜節律。


例如,可調白光系統可設定為在白天中午產生較冷的光線(藍白光),在接近黃昏時逐漸升高色溫以產生溫暖(黃白色)光,晚上則可能減輕一些藍光影響(圖1)。 研究表明,這種人造光色調的調整,有助於人體產生激素反應,在白天促進生產力和警覺性,在夜間則有助於放鬆和睡眠。



圖1 : 在黃昏時段,以人為本(HCL)的系統將照明從較冷的色溫度調整為較暖的色溫。
圖1 : 在黃昏時段,以人為本(HCL)的系統將照明從較冷的色溫度調整為較暖的色溫。

換句話說,與日光燈或其他沒有調整功能的燈具相比,HCL能提供更多的用戶舒適度及生產力,對健康更有益處。 這些有吸引力的好處有助於維持現今許多商業和居家照明產品的高價。


因此,現今照明產業的問題已從是否採用調色到如何實現它。現今常用的三種調色控制模型之間存在明顯差異。本文描述這三種模型,並闡明為何其中的一種模型 - 感測器啟用閉路控制 – 能在效能和成本方面更為優越。本文並說明將閉路控制元件添加至照明裝置時需要考慮的光學設計注意事項。


控制可調白光照明的三種方法

最基本及最不準確的可調白光照明控制方法,是使用一個小型微控制器來管理燈具的暖光和冷光LED燈串,該微控制器提供了一個簡單的查找表,計算通過暖光和冷光LED燈串的驅動電流比,以接近CCT目標值。透過仔細選擇和LED特性,以及高精度電源系統(LED驅動器),在新產品及實驗室條件下,這種方法可以提供適當的結果,但是一旦這些設定進入現實世界,LED行為會隨著時間和不同操作條件而產生變異,這就暴露了查找表的限制。


例如,當調暗,或者當環境溫度與製造商指定的標稱值不同時,LED的色點會發生偏移,其光通量會隨著標稱值的變化而變化。這種變異性會嚴重影響系統調色控制的準確性。人眼對於光線的變化是很敏感,小至千分之幾,所以變化通常會被立即察覺。隨著時間的推移,這些差異變得更加明顯,因為老化會加大LED初始特性與實際性能之間的差距。


調色系統嘗試的第二種方法,是第一種方法的精確版:一種利用查找表的補償系統。這種方法模擬了因為工作溫度變化和老化所造成的LED行為變化預測,並將這些預測整合至更複雜的查找表中。若能與電流反饋電路相結合,則能更佳地管理LED驅動器的電流變化,這種方法可以產生較第一種方法更準確的色彩控制,且效能更可以持續。實施這種方法,要在裝配線上進行逐光(light-by-light)校準,以消除元件從一個生產單元到另一個生產單元的微小變化所產生的影響。


雖然這種方法的效能優越,但它有幾個嚴重缺點:


●增加了溫度和電流補償的元件成本


●高精度、多通道LED驅動器


●高度依賴LED初始特性和老化預測。在超過10年的燈具壽命期間,幾乎任何預測模型都會顯示與現實性能不盡相同,且由於LED市場是動態的,該模型可能是衍生自早期元件,而整合至燈具中的元件可能是新的,如此就會導致與實際性能的差異更為明顯。


●燈具製造商受制於初始元件選擇,因為若有任何更改,就需要對修改後的系統設計進行全面重新定性,以實現可重複的結果。


閉路控制方法

第三種方法是使用燈具內的校準顏色感測器連續測量混合光,以調諧閉路回饋控制系統。利用這種方法,微處理器和演算法將對提供給每個LED燈串的驅動電流進行連續及主動的調整,以使混合光輸出保持在其目標CCT值。 控制迴路會繼續感測光輸出並持續調整功率輸入以維持目標色溫:由溫度波動、老化或調光操作引起的色移會被持續補償。


這個回饋系統不需要了解它控制的LED - 甚至不需要知道它們的標稱色溫。它不需要LED隨時間和溫度變化的行為預測模型。 它不需要從嚴格指定的類別中小心選擇LED批次。採用預先校準的感測元件,燈具無需在生產線上進行校準。


取而代之的,燈具製造商可以在色溫標度範圍內廣泛選擇各種顏色,且這些種類的混合可以隨時間改變,卻不影響調色控制系統的CCT效能。用來驅動控制迴路的色彩感測元件可以在整個產品週期保持其校準,因此不需要生產單元的進一步校準。


當燈具是新的,閉路系統的效能優於前兩種方法,因為無論操作條件如何,控制迴路都會真正測量實際的光輸出,而非依賴於假定條件下的光輸出理論模型。它不是一種預測,而是一種自適應方法。


這種優勢將隨著時間而更為強大,因為閉路方法的效能在正常的LED燈具使用壽命後也依然如新,仍一樣作用,而前兩種方法的效能必然會隨著時間而降低。


採用這種方法,對於LED和電源系統的規格要求較為寬鬆,因此這種優越效能也能以較低成本提供。 透過擴大LED種類,燈具製造商可以在可調CCT範圍內自由選擇低成本或更容易獲得的LED,如此可降低整體供應鏈風險。此外,庫存管理可以大大簡化,成本降低。 再者,由於不需生產線校準,所以可減少最終產品的裝配時間和成本。


最後,燈具製造商可以不斷更新電路板設計,用新推出、更好的產品替換舊的LED,無需經過漫長而昂貴的工序來定性新LED及發展新的查找表。


閉路感測的整合方法

實現一個用於可調白光照明的閉路控制系統,僅需一些組立元件,包括高品質的色彩感測器、微控制器和內部開發的演算法,用於調節LED的驅動電流以對應感測器測量。


然而,該軟體的開發是一項複雜而艱鉅的任務。它需要各種學科的專業知識,包括調光/調諧方法(用於平順調諧效果)、嵌入式編程、光學設計、光學系統定性和閉路方法,以防止振盪或同步缺陷。與電子系統設計中的情況一樣,用於調色的閉路控制的整合型系統單晶片(SoC)解決方案節省了空間和成本,並且讓系統設計者可以更快、更容易地進行開發。


奧地利微電子(ams)提供此種整合型解決方案,該公司是智慧型手機和儀器市場的高效能色彩感測器供應商。它提供兩種調色SoC: Smart Lighting Manager和Smart Lighting Director。管理器(manager)類型,例如AS7221,包括一個小型處理器核心,整合了一個4.5mm x 4.7mm x 2.5mm封裝的XYZ色彩感測器(圖2)。XYZ感測器具有模仿人眼的色彩響應曲線。其高度可靠的干涉濾光片,是做為CMOS製程的一部分在晶圓上製造,在溫度和時間方面都非常穩定。



圖2 : 精簡的AS7221可輕鬆安裝在筒燈和其他空間受限的設計中
圖2 : 精簡的AS7221可輕鬆安裝在筒燈和其他空間受限的設計中

在其最具成本效益的實施方案中,Smart Lighting Manager具有多通道輸出,為LED驅動器提供標準的0-10V或PWM型調光信號,以決定整體亮度值。此外,另外兩個PWM通道會控制暖光和冷光LED串底部的開關晶電晶體,使用互補佔空比(complementary duty cycle)控制電流,以達到兩個LED串混合的CCT目標。


Smart Lighting Director,例如AS7225,還包括高效能XYZ色彩感測器和數位邏輯,可連續計算LED燈串之間所需的比率。這些連續計算的結果以指令形式提供給燈具內應用處理器,將每個LED串調諧至指定的百分比值。然後,應用處理器的工作是管理從一個定向(directed)LED串混合至另一個的轉換,以及管理數位可定址調光介面(DALI)或其他網路信號。


使用AS7221這樣的Smart Lighting Manager,能以最簡單、最快速的方式實現閉路控制系統,無需使用其他控制元件。ams 的Smart Lighting Manager還包括對幾個附加感測器的原生支援,包括用於增加日光採擷功能的環境光感測器,以及一些環境傳感器,像是溫度、濕度感測器和基於揮發性有機物(VOC)的空氣品質感測器等。


AS7225這樣的Smart Lighting Director,非常適用於已有組立式微控制器的智慧燈具設計,讓燈具製造商能夠更靈活地添加由MCU控制的其他感測器。


光學設計考量

在閉路控制系統中,感測器必須能夠觀察從雙LED串發出的混合光輸出。


鑑於光導(light guide)被安裝在燈具反射器或外殼邊緣,為了可以看到全部的混合光,可以將感測器安裝在LED板上(圖3)。



圖3 : 光導(light guide)將來自筒燈反射器邊緣的光線引導至LED板上的色彩感測器
圖3 : 光導(light guide)將來自筒燈反射器邊緣的光線引導至LED板上的色彩感測器

ams傳感器提供45°視野,並包括配置控制,以適應不同的視野或混合腔體(mixing-chamber)特性。


結論

在LED燈具中增加閉路感測,可以直接降低BoM和製造成本,既可用於直接可調照明系統,也可用於那些使用感測器迴路在燈具壽命期間保持單一CCT或流明輸出目標的系統。針對這些可調諧系統,閉路系統可以使用精確度較低的元件,同時可以實現更精確的調色。


透過調色創造附加價值應用,照明製造商將能期望獲得更多的競爭優勢及更佳價格。這些應用包括晝夜節律優化和其他HCL應用,可以提高員工生產力和使用者滿意度。


(本文作者Tom Griffiths為奧地利微電子(ams AG)感測器驅動照明和光譜感測資深行銷經理)


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