CN105848339B - 一种多基色led照明光源智能调光调色方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种多基色LED照明光源智能调光调色方法及装置，涉及LED照明光源。多基色LED智能照明光源设有电源模块、驱动控制模块和LED照明模块；电源模块设有AC‑DC单元和DC‑DC单元，电源模块与驱动控制模块的电源端口相连接；驱动控制模块设有宽频天线、多模射频处理单元、数据存储单元、单片机、恒流驱动单元、电源端口、反馈端口以及驱动总线端口；LED照明模块设有分布式温度传感器、红光LED、绿光LED、蓝光LED以及白光LED。可实现对多模无线组网技术的兼容与支持。在白光LED的基础上，通过搭配红绿蓝三种颜色的LED，使得最终的混色光的色温实现精确可调，并且具备高显色性。可实现不低于95的高显色指数。

Description

一种多基色LED照明光源智能调光调色方法及装置

技术领域

本发明涉及LED照明光源，尤其是涉及一种多基色LED照明光源智能调光调色方法及装置。

背景技术

LED产品是一种基于半导体发光原理的新型固态冷光源。近年来不断提高的技术水平，促使了LED光效的提升、光色的丰富、显色性的改善、结温和热阻的降低，同时大规模的量产也大大降低了LED光源的价格。LED照明作为新一代绿色照明光源，具有高效、节能、环保、使用寿命长、易维护等独特优势，将成为人类照明史上继白炽灯和荧光灯之后的又一个巨大飞跃。借着LED照明获得2014年度诺贝尔物理学奖的东风，LED将迎来新一轮的快速发展期，将朝着更高光效、更高可靠性、更低功耗、更低成本、更智能化方向发展。

目前，越来越多的消费者从单纯地关注LED的光效，逐渐转向对LED照明品质的关注，LED高品质照明也就应运而生。所谓高品质照明就是一种有利于人类、环境和社会健康发展的照明。在当今信息化时代，人们在追求工作高效的同时，也在追求生活和工作的舒适性，并要求照明有利于人们心理和生理上的舒适，使工作、学习、生活的场所成为满意的、愉快的、有利于健康的场所。目前市面上的LED照明产品，已经可以做到很高的光效，大于150lm/W甚至大于200lm/W的消费级产品都已较为常见。然而，除了光效之外，影响照明品质的技术指标还有很多，比如显色指数、亮度稳定性等。目前市面上LED显色指数通常低于85，亮度稳定性也较差，如何提高这些指标并将其低成本地应用于民用产品中已经成为众多企业与科研院所研究的热点。

随着射频技术的发展，无线组网已经成为LED智能照明组网技术的主要发展趋势，目前常用的无线组网技术有WiFi、ZigBee、蓝牙等几种。目前市面上普及率较高的电子设备(手机，平板)中基本配备了蓝牙4.0模块和WiFi模块，就此而言这两者在客户端能被接受的程度要远远大于ZigBee，但ZigBee自组网的特点又是WiFi和蓝牙这两种方案无法替代的。所以，目前的智能照明无线控制技术还属于三分天下的局面，不同的应用场景仍需要使用不同的无线控制技术。

郭自泉等(郭自泉等,固定相关色温下三基色合成白光LED的光谱优化.光电子.激光,2011(07):992-996)报道了固定相关色温下三基色合成白光LED的光谱优化；吴挺竹(吴挺竹,LED智能照明系统的应用与发展.电子技术与软件工程,2014(02):130-131)报道了LED智能照明系统的应用与发展

发明内容

本发明的目的在于提供一种多基色LED照明光源。

本发明的另一目的在于提供一种多基色LED照明光源智能调光调色方法。

所述多基色LED智能照明光源设有电源模块、驱动控制模块和LED照明模块；

所述电源模块设有AC-DC单元和DC-DC单元，电源模块与驱动控制模块的电源端口相连接；

所述驱动控制模块设有宽频天线、多模射频处理单元、数据存储单元、单片机、恒流驱动单元、电源端口、反馈端口以及驱动总线端口；单片机作为驱动控制模块的核心单元，分别与多模射频处理单元、数据存储单元以及恒流驱动单元连接；多模射频处理单元与宽频天线相连接，控制驱动模块的电源端口连接至电源模块；单片机通过反馈端口与LED照明模块中的分布式温度传感器相连；恒流驱动单元通过驱动总线端口分别与LED照明模块中的红光LED、绿光LED、蓝光LED、白光LED相连接；

LED照明模块设有分布式温度传感器、红光LED、绿光LED、蓝光LED以及白光LED，分布式温度传感器连接至控制驱动模块的反馈端口；红光LED、绿光LED、蓝光LED以及白光LED分别连接至控制驱动模块的驱动总线端口。

所述宽频天线的收发工作频段可为800MHz、900MHz、2.5GHz以及5GHz，可实现对ZigBee、WiFi、蓝牙等多种无线组网技术的兼容与支持。宽频天线用于接收用户控制终端发送的包含色温与亮度控制信息的无线控制信号并将其传输给多模射频处理单元，或者将多模射频处理单元的反馈信号发射给用户控制终端。

多模射频处理单元可将宽频天线接收到的无线控制信号进行下变频和解调等处理，然后将解调后的色温与亮度控制信号传输给单片机。

所述多基色LED照明光源智能调光调色方法，包括以下步骤：

1)利用光谱仪分别测试红绿蓝白四种LED在不同占空比的工作电流下的光谱信息以及相应的色度学参数，拟合出每种颜色LED的占空比与光功率的关系式；

2)改变红绿蓝白四色LED的光功率占比，利用穷举法计算出四色LED所有的配光方案，然后根据每一种光功率占比配光方案，计算多基色LED智能照明光源中红绿蓝白四色LED在该配光方案下的最大光功率；当用户需要降低某一配色方案下多基色LED智能照明光源的实际照明亮度时，仅需同比例降低四种颜色LED的光功率即可；

3)利用每种颜色LED的占空比与光功率的关系式，获得相应的每种颜色LED的驱动电流占空比，再计算出多基色LED智能照明光源在每种方案下的一系列光度、色度学参数；

4)建立数据存储表，数据存储表的每行数据包括一组唯一确定的光功率占比的取值以及相应的显色指数、占空比、光功率、光通量、光波长、色坐标、发光效率等参数，通过光功率占比的遍历，整张数据存储表保存着某一温度下多基色LED智能照明光源的所有配光方案，以及每个配光方案所对应的各项参数；最后将该数据存储表存储到多基色LED智能照明光源的数据存储单元中；

5)改变LED的热层温度，建立不同温度下的数据存储表，并将不同温度下的数据存储表存储至多基色LED智能照明光源的数据存储单元中，此时数据存储单元就保存着不同温度下多基色LED智能照明光源的所有配光方案以及每个配光方案所对应的各项参数；

6)因为保存所有配光方案需要占用较大的存储空间，若实际应用中数据存储单元的存储空间有限，则可将步骤4)、5)中得到的所有配光方案数据根据需要进行排序，然后再将最优值写入表格并存入数据存储单元；比如在同一色温下根据显色指数大小进行排序，然后选取显色指数最高的一组配光方案存入数据存储单元。

在步骤1)中，所述相应的色度学参数包括显色指数、光功率、光通量、光波长、色坐标等。

在步骤3)中，所述色度学参数包括显色指数、光功率、光通量、光波长、色坐标等。

单片机是多基色LED智能照明光源的核心处理模块，它根据从多模射频处理单元接收到的色温与亮度控制信号以及从分布式温度传感器接收到的铝基板温度信息，向数据存储单元查询满足要求的最优化的红绿蓝白四色LED芯片的具体占空比信息，然后将相应的PWM(脉宽调制)电压信号输出给后级的恒流驱动单元。选取配光方案具体有两种情况：一是当数据存储单元中保存着已经经过优选的配光方案时(如已对显色指数进行优选)，单片机只需要根据温度及色温直接调用配光方案即可；再有一种情况是当数据存储单元中保存所有配光方案时，单片机需要在满足温度及色温的多个配光方案中，根据需要对某一参数(如显色指数)进行排序后，选择最优的一组配光方案进行输出。对最大输出光通量、发光效率等其他参数有要求的场景，也是采用相似方式选择配光方案。

恒流驱动单元用于将不同占空比的PWM电压信号转化成相应占空比的输出电流，用于驱动对应通道的LED芯片。例如，当某一通道的PWM电压信号的占空比为90％时，恒流驱动单元则输出最大值为LED的额定工作电流、占空比为90％的驱动电流。

LED照明模块包括红光LED模组、绿光LED模组、蓝光LED模组、白光LED模组以及分布式温度传感器。红绿蓝白四色LED作为发光芯片，可以分别根据恒流驱动单元所输出的电流进行发光照明。因为LED芯片长时间工作时会产生温升，而高温又会导致LED芯片的发光效率的降低，所以为了更好地进行散热，这些发光芯片都装配在铝基板上。

分布式温度传感器分别布设于靠近红绿蓝白四色LED芯片的铝基板上，可以获得每一种颜色LED芯片的平均基座温度，并且将温度信息通过温度反馈端口传回单片机。当温度传感器感应到的温度超过设定的安全温度时，单片机可以同比例地降低四色LED的驱动电流占空比，通过降低功率的方法实现过热保护。

本发明具有如下技术效果：

1.可实现对多模无线组网技术的兼容与支持。目前常用的智能照明无线组网技术主要有ZigBee、WiFi和蓝牙，虽然这三种技术主要使用的无线频段均为2.4GHz，但是ZigBee在800MHz与900MHz频段、WiFi在5GHz频段，也可以进行通信。本发明所述的多基色LED智能照明光源，其中的多模射频处理单元集成了ZigBee、WiFi以及蓝牙的处理模块，可以对这三种制式的信号进行数据处理。考虑到ZigBee与WiFi在2.4GHz频段之外还有其他的通信频段，本发明所述的多基色LED智能照明光源使用了宽频天线技术，除了2.4GHz频段之外，也可以对800MHz、900Mhz以及5GHz频段的信号进行无线信号的发射与接收。

2.利用多基色光谱优化技术实现照明全色温范围(2700～6500K)内不低于95的高显色指数。由于目前商用的白光LED主要是蓝光LED芯片激发黄色YAG荧光粉，也即两基色白光LED。因其效率高、成本相对低、制作简便，在白光LED中占据主流产品地位。但是随着白光LED的应用越来越广泛，人们对白光LED的健康照明质量提出了越来越高要求。两基色白光LED的色温单一、显色性差，制约了其应用于一些可变色温高显指场合，比如博物馆、商品市场、展览厅等。

本发明所述多基色LED智能照明光源，在白光LED的基础上，通过搭配红绿蓝三种颜色的LED，使得最终的混色光的色温实现精确可调，并且具备高显色性。例如，任选的色温为3309K、显色指数为62的白色LED光源，在增加红绿蓝LED的补偿并通过设计混色算法并且经仿真优化后，在2700～6500K的色温变化范围内，本发明所述多基色LED智能照明光源可以实现不低于95的高显色指数。

3.采用分布式温度传感技术确保温度测量的精确性，利用精确的温度反馈信息来保证产品生命周期内照明品质的高稳定性。温度传感与反馈控制是保证LED长时间工作下颜色与亮度保持稳定的一项技术。随着LED灯具功率的不断增大，需要的LED芯片数量相应增多，焊接着LED的铝基板的面积也逐渐增大。因为不同的配色方案下每种颜色LED的发光功率不都相同，导致铝基板上的温度分布很不均匀，而传统的温度采集方案仅能采集铝基板上一小块区域的温度信息，无法准确地采集到每一色LED芯片的相应基座温度。本发明所述的多基色LED智能照明光源采用分布式温度传感技术，在每一色的LED芯片基座附近均设置了温度传感器，从而可以采集到不同颜色LED芯片对应的基座温度值，有利于单片机对每一种颜色通道的驱动电流进行精确查询与控制。

本发明的工作原理如下：

电源模块包含AC-DC与DC-DC单元，可将110～230V的交流电转换为控制驱动模块各单元所需的直流电。

控制驱动模块中的宽频天线，其收发工作频段为800MHz、900MHz、2.5GHz以及5GHz，可实现对ZigBee、WiFi、蓝牙等多种无线组网技术的兼容与支持。宽频天线用于接收用户控制终端发送的包含色温与亮度控制信息的无线控制信号并将其传输给多模射频处理单元，或者将多模射频处理单元的反馈信号发射给用户控制终端。

多模射频处理单元可将宽频天线接收到的无线控制信号进行下变频和解调等处理，然后将解调后的色温与亮度控制信号传输给单片机。

数据存储单元保存着经过理论推演与实验验证后的不同温度下多基色LED智能照明光源的配光方案，以及每个配光方案所对应的光学色度学参数，以供单片机单元快速查询调用。每种配光方案的信息记录成一行数据，具体包括：光功率占比A、B、C、D的取值以及相应的显色指数、占空比、光功率、光通量、光波长、色坐标、发光效率等参数。

附图说明

图1为本发明实施例的结构组成框图。

图2为本发明实施例的智能调光调色算法流程图。

图3为本发明对LED白光照明的显色指数提升效果示意图。

具体实施方式

以下实施例结合附图对本发明作进一步说明。

图1为本发明实施例的结构组成框图。本实施例所述一种多基色LED智能照明光源1，设有电源模块11、控制驱动模块12以及LED照明模块13。

电源模块11与控制驱动模块12的电源端口P1相连，为控制驱动模块12中的相应单元提供所需用电。

控制驱动模块12设有电源端口P1、反馈端口P2、驱动总线端口P3以及宽频天线121、多模射频处理单元122、数据存储单元123、单片机124、恒流驱动单元125。电源端口P1与电源模块11相连，反馈端口P2与LED照明模块13中的分布式温度传感器135相连，驱动总线端口P3与LED照明模块13中的红光LED模组131、绿光LED模组132、蓝光LED模组133、白光LED模组134分别相连。宽频天线121、多模射频处理单元122、单片机124和恒流驱动单元125依次串接；数据存储单元123与单片机124连接。

LED照明模块13设有红光LED模组131、绿光LED模组132、蓝光LED模组133、白光LED模组134以及分布式温度传感器135。红光LED模组131、绿光LED模组132、蓝光LED模组133和白光LED模组134通过驱动总线端口P3与控制驱动模块12中的恒流驱动单元125相连。分布式温度传感器135通过反馈端口P2与控制驱动模块12中的单片机124连接。

图2为本发明实施例的智能调光调色方法流程图。下面将结合图2详细介绍本发明的配光方法。

在某一温度下，利用光谱仪分别测试红绿蓝白四种LED在不同占空比的工作电流下的光谱信息以及相应的色度学参数(如显色指数、光功率、光通量、光波长、色坐标等)。令P_r、P_g、P_b、P_w分别表示红绿蓝白四色LED的光功率；令P_rmax、P_gmax、P_bmax、P_wmax分别表示最大额定电流下的红绿蓝白四色LED光功率；令D_r、D_g、D_b、D_w分别代表红绿蓝白四色LED的工作驱动电流的占空比，通过测试数据拟合出每种颜色LED的驱动电流占空比与光功率的关系式。即：

D_r＝f(P_r) ①

D_g＝f(P_g) ②

D_b＝f(P_b) ③

D_w＝f(P_w) ④

接下来利用穷举法计算出四色LED所有的光功率占比配光方案。令A％、B％、C％、D％分别表示红绿蓝白四色LED的光功率占比，即：

由定义易知，只要任意LED点亮，A+B+C+D＝100。因为配光方案与红绿蓝白四色LED的光功率占比有关，所以首先改变红绿蓝白四色LED的光功率占比，利用图2流程图所示方法改变四色LED光功率占比A、B、C、D的取值，获得四色LED所有的配光方案。流程图中的step表示四色LED光功率占比A、B、C、D的变化步长。容易得知，当step步长取值较小时，四色LED的光功率变化幅度较小，此时配光方案的数量较多、配光效果更精确，但需要计算的数据量以及需要的存储空间也较大。因此，step步长的具体取值可以根据用户需求确定。

改变红绿蓝白四色LED的光功率占比方法的例子如下(假设step＝1)：首先经过初始化后A、B、C、D均等于0，即红绿蓝白四色LED均不发光。通过流程图中的三个判断条件后，A、B、C、D的取值分别为0、0、0、100，然后C增加了一个步长后取值为1。接下来跳回并判断条件3(C≤100-A-B)是否成立，条件成立后A、B、C、D的取值分别为0、0、1、99。在条件3的限定条件下，A、B、C、D的取值从0、0、0、0逐渐增加为0、0、100、0。直至C＝101时，条件3不成立，这时B增加1后跳回条件2(B≤100-A)，再次进行循环判断。多次循环后A、B、C、D的取值从0、1、0、99变为0、100、0、0。之后由于0、100、1、0与0、101、0、0分别不能满足条件3与条件2，所以程序跳至条件1(A≤100)的范围再次运行。在条件1的限定条件下，程序多次循环后A、B、C、D的取值从1、0、0、99变为100、0、0、0。之后的A、B、C、D取值由于不再满足相关的判断条件，所以程序结束。整个过程如表1所示。

然后根据每一种光功率占比配光方案，计算多基色LED智能照明光源中红绿蓝白四色LED在该配光方案下可以取到的最大光功率。具体过程为：先考虑红光，假设P_r＝P_rmax，根据A、B、C、D比值，算出P_g、P_b、P_w。若P_g、P_b、P_w的值均小于对应的最大额定电流下的光功率P_gmax、P_bmax、P_wmax，即表示取值符合实际情况，此组P_r、P_g、P_b、P_w即为我们所需的值；若P_g、P_b、P_w中有一个的值大于相对应的P_gmax、P_bmax、P_wmax，即表示取值不符合实际情况，此组P_r、P_g、P_b、P_w取值无效。若取值无效，则按顺序令绿、蓝、白光的光功率分别等于对应最大额定电流下的光功率后，再次进行类似判断，直至成功取得一组P_r、P_g、P_b、P_w的值。当用户需要降低某一配色方案下多基色LED智能照明光源的实际照明亮度时，仅需同比例降低四种颜色LED的光功率即可。

红绿蓝白四色LED的光功率占比取值与最大光功率取值如表1所示(假设RGBW满电流光功率分别为1W、2W、3W、4W)，当A、B、C、D的取值分别为0、0、1、99时，因为红、蓝LED不点亮，所以若令P_b＝P_bmax＝3W，则P_w＝99×P_b＝297W>P_wmax，不符合要求；故令P_w＝P_wmax＝4W，P_b＝4/99W<P_bmax，这时的取值才符合要求。类似的，可以求出表1中其余各行的四色LED的最大光功率。

表1

接下来利用每种颜色LED的驱动电流占空比与光功率的关系式①～④，获得相应的每种颜色LED的驱动电流占空比。最后根据P_r、P_g、P_b、P_w的取值计算出多基色LED智能照明光源在每种方案下的一系列光度、色度学参数(如显色指数、光功率、光通量、光波长、色坐标等)。

建立数据存储表格，保存每一种光功率占比配光方案下的相应的显色指数、占空比、光功率、光通量、光波长、色坐标、发光效率等参数。将这些信息存储到多基色LED智能照明光源的数据存储单元中。

改变LED的热层温度，分别按照上述步骤建立不同温度下的数据存储表格，存储至多基色LED智能照明光源的数据存储单元中。至此，本发明所述的一种多基色LED智能照明光源的数据存储单元中已经保存了所有所需的配置数据。

因为保存所有配光方案需要占用较大的存储空间，若实际应用中数据存储单元的存储空间有限，则可将上述步骤中得到的所有配光方案数据根据需要先进行排序，然后再将最优值写入表格并存入数据存储单元。比如在同一色温下根据显色指数大小进行排序，然后选取显色指数最高的一组配光方案存入数据存储单元。

配光方案已经保存完毕后，接下来多基色LED智能照明光源的单片机就可以结合配光方案，根据从多模射频处理单元接收到的色温与亮度控制信号以及从分布式温度传感器接收到的铝基板温度信息，查询到满足要求的最优化的红绿蓝白四色LED芯片的具体占空比信息，然后将相应的PWM(脉宽调制)电压信号输出给后级的恒流驱动单元。选取配光方案具体有两种情况：一是当数据存储单元中保存着已经经过优选的配光方案时(如已对显色指数进行优选)，单片机只需要根据温度及色温直接调用配光方案即可；再有一种情况是当数据存储单元中保存所有配光方案时，单片机需要在满足温度及色温的多个配光方案中，根据需要对某一参数(如显色指数)进行排序后，选择最优的一组配光方案进行输出。对最大输出光通量、发光效率等其他参数有要求的场景，也是采用相似方式选择配光方案。

本发明所述的一种多基色LED照明光源具有过热保护功能，当温度传感器感应到的温度超过设定的安全温度时，单片机可以同比例地降低四色LED的驱动电流占空比，通过降低功率的方法实现过热保护。

图3为本发明对LED白光照明的显色指数提升效果示意图。由于白光LED芯片只能发出一种色温的白光(如图3中“显色指数优化前”的标记所示)，实验中采用的白光LED芯片的相关色温为3309K，其显色指数仅有62，达不到实际照明应用所要求的标准。在此白光LED的基础上，通过增加红光、绿光和蓝光三基色LED，并且研究这些LED性能参数与其中各个颜色芯片驱动电流以及基座温度的关系，获得不同色温下最优显色指数相对应的各个颜色LED的驱动电流数据库并存储在数据存储单元中，然后单片机根据定时读取各色LED的基座温度来调用相应的驱动电流，实现高品质健康照明所需的高显色指数。通过测试可知(采样色温为2700K、3300K、4000K、4500K、5000K、5700K、6500K)，在2700～6500K的常用照明色温范围内，本发明所述的一种多基色LED智能照明光源可以实现不低于95的高显色指数。

综上所述，本发明能够支持多种无线组网技术，利用红、绿、蓝、白四基色LED实现照明全色温范围内(2700～6500K)不低于95的高显色指数，并且采用分布式温度传感技术保证产品生命周期内照明品质的高稳定性。

Claims (3)

1.多基色LED照明光源智能调光调色方法，其特征在于包括以下步骤：

1)利用光谱仪分别测试红绿蓝白四种LED在不同占空比的工作电流下的光谱信息以及相应的色度学参数，拟合出每种颜色LED的占空比与光功率的关系式；

2)改变红绿蓝白四色LED的光功率占比，利用穷举法计算出四色LED所有的配光方案，然后根据每一种光功率占比配光方案，计算多基色LED智能照明光源中红绿蓝白四色LED在该配光方案下的最大光功率；当用户需要降低某一配色方案下多基色LED智能照明光源的实际照明亮度时，仅需同比例降低四种颜色LED的光功率即可；

3)利用每种颜色LED的占空比与光功率的关系式，获得相应的每种颜色LED的驱动电流占空比，再计算出多基色LED智能照明光源在每种方案下的一系列光度、色度学参数；

4)建立数据存储表，数据存储表的每行数据包括一组唯一确定的光功率占比的取值以及相应的显色指数、占空比、光功率、光通量、光波长、色坐标、发光效率参数，通过光功率占比的遍历，整张数据存储表保存着某一温度下多基色LED智能照明光源的所有配光方案，以及每个配光方案所对应的各项参数；最后将该数据存储表存储到多基色LED智能照明光源的数据存储单元中；

5)改变LED的热层温度，建立不同温度下的数据存储表，并将不同温度下的数据存储表存储至多基色LED智能照明光源的数据存储单元中，此时数据存储单元就保存着不同温度下多基色LED智能照明光源的所有配光方案以及每个配光方案所对应的各项参数；

6)因为保存所有配光方案需要占用较大的存储空间，若实际应用中数据存储单元的存储空间有限，则将步骤4)、5)中得到的所有配光方案数据根据需要进行排序，然后再将最优值写入表格并存入数据存储单元；在同一色温下根据显色指数大小进行排序，然后选取显色指数最高的一组配光方案存入数据存储单元。

2.如权利要求1所述多基色LED照明光源智能调光调色方法，其特征在于在步骤1)中，所述相应的色度学参数包括显色指数、光功率、光通量、光波长、色坐标。

3.如权利要求1所述多基色LED照明光源智能调光调色方法，其特征在于在步骤3)中，所述色度学参数包括显色指数、光功率、光通量、光波长、色坐标。