CN112882514A

CN112882514A - 基于pwm调光的高显色性白光led混光控制方法及光源模块

Info

Publication number: CN112882514A
Application number: CN201911232960.XA
Authority: CN
Inventors: 田会娟; 胡阳; 陈陶
Original assignee: Tianjin Polytechnic University
Current assignee: Tianjin Polytechnic University
Priority date: 2019-11-29
Filing date: 2019-11-29
Publication date: 2021-06-01

Abstract

本发明公开了一种基于PWM调光的高显色性白光LED混光控制方法及光源模块，上述基于PWM调光的高显色性白光LED混光控制方法，包括以下步骤，1)将四基色中其中任两基色进行混合以转变为三基色，其中一个基色在两基色混合中所占比例为r，2)采用1931 CIE‑XYZ三刺激值建立R/G/B/WW 4色LED在目标光通量下的混合白光中光通量的关系；3)确定光通量与占空比的线性关系；4)在各基色占空比在[1，100]范围内，改变r值，得出不同r下的R/G/B/WW 4色LED各色光源的光通量比例和显色指数，5)取最大显色指数对应的r值并得到对应的最优占空比。本发明实现了优化目标显色性能。

Description

基于PWM调光的高显色性白光LED混光控制方法及光源模块

技术领域

本发明属于LED调光调色技术领域，具体涉及一种基于PWM调光的高显色性白光LED混光控制方法及光源模块。

背景技术

发光二极管(LED)光源具有体积小、低耗能、低压及可控性能好等诸多优点，现已经逐渐取代了以前广泛使用的白炽灯、荧光灯等，LED作为一种新型绿色光源产品，已成为未来发展的趋势。目前市面上的LED照明产品，大多数为固定颜色不可调节，大部分照明产品都是利用各类普通开关对灯具进行打开和关闭，灯光的亮度调节也是通过调光开光进行相应的调节，因此为了实现光强和色温可调以满足不同条件下的动态照明，需要对多种LED光源进行调控。目前广泛采用红/绿/蓝(R/G/B)LED进行混光，通过调节三种光源的混合比例实现色温调节，其优点是调光范围广，但是存在显色指数较低等问题，为提高LED合成白光的显色性，研究发现在三基色基础上添加白光LED构成四色混合光可以兼顾调光范围和显色性能，具有较为明显的优势。由于四色混合光的色坐标与占空比的关系方程为一个欠定方程组，其解空间存在不定解。目前也有学者采用Matlab优化工具箱中的优化函数进行多元约束条件下的非线性函数寻优，但其寻优过程易陷入局部最优解，无法获得全局最优解。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于PWM调光的高显色性白光LED混光控制方法，R/G/B/WW LED模块可实现一般显色指数Ra在95以上，其最大相对误差为1.35％，相关色温在3000～7000K，光通量在200～1000lm，发光效率在170～240lm/W范围变化的白光调节。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种基于PWM调光的高显色性白光LED混光控制方法，包括以下步骤，

1)将四基色中其中任两基色进行混合以转变为三基色，其中一个基色在两基色混合中所占比例为r，

2)采用1931 CIE-XYZ三刺激值建立R/G/B/WW 4色LED在目标光通量φ₀下的混合白光中光通量的关系；

3)确定光通量与占空比的线性关系；

4)在各基色占空比在[1，100]范围内，改变r值，得出不同r下的R/G/B/WW 4色LED各色光源的光通量比例和显色指数，

5)取最大显色指数对应的γ值并得到对应的最优占空比。

优选地，四基色中的G基色与WW基色混合，组成G+WW混合基色，设1lm总光通量下，G在G+WW中的所占比例为r，即r＝G/(G+WW)，其三刺激值可表示为(X_B，Y_B，Z_B)，(X_G，Y_G，Z_G)(X_R，Y_R，Z_R)(X_WW，Y_WW，Z_WW)和(X_G+WW(r)，Y_G+WW(r)，Z_G+WW(r))，则有以下关系：

优选地，在任意比例r下，R/G/B/WW 4色LED在1lm总光通量下的混合光源中的贡献率分别用p_R(r)，p_G(r)，p_B(r)，p_WW(r)和p_G+WW(r)，表示，则有以下关系：

利用以上式计算结果可得出R/G/B/WW 4色LED在目标光通量φ₀下的混合白光中光通量的值：

优选地，所述的步骤3)为，利用光谱分析系统测试得出R/G/B/WW 4色LED在[0，100]占空比D范围内所对应的光通量φ值，对测试得到的φ_R，φ_G，φ_B，φ_WW，与相应的占空比D_R，D_G，D_B，D_WW，进行线性拟合，得到基于本文所用光源的4色LED光通量与占空比间的线性关系。

一种采用基于PWM调光的高显色性白光LED混光控制方法的光源模块，包括驱动模块和受驱动模块驱动的多个LED灯珠。

优选地，所述的LED灯珠为R/G/B/WW四合一灯珠。

优选地，所述的LED灯珠上下交错均匀分布的方式。

优选地，所述的LED灯珠采用导热硅胶固定在带有散热器的铝基板上。

本发明的优点和有益效果为：

本发明在PWM的基础上，研究了高显色性白光LED混光优化方法，该方法根据多基色混合白光光源相对光谱功率分布(SPD)符合线性叠加原理，采用1931CIE-XYZ三刺激值建立混合光中各光源色坐标与配光比关系，实现了优化目标显色性能。

附图说明

图1 R/G/B/WWLED灯珠排布图

图2 R/G/B/W光源相对光谱功率分布

图3 R/G/B/WW 4色LED占空比与光通量间的关系。

图4显色指数Ra随混光比r的变化。

对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，可以根据以上附图获得其他的相关附图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案。

显色指数用来表示光源对被照射物体实际颜色的还原能力，最大值为100，其值越高，表明色彩还原能力越强。光源对某一标准颜色样品的特殊显色指数的计算公式为：

R_i＝100-4.6ΔE_i，(i＝1，...，14)。 (1)

式中，ΔE_i为14种颜色样品在标准光源与待测光源下的色差。通常情况下用一般显色指数Ra表示光源的显色性能，Ra指特定的8个标准颜色样品的平均显色指数：

相关色温的计算公式为：

T_c＝449n³+3525n²+6823.3n+5520.33 (3)

它表示当光源发出光的颜色与黑体在某一温度下辐射的颜色接近时，黑体的温度就称为该光源的相关色温，式中n＝(x-0.3320)/(0.1858-y)，x、y为CIEx-y的色坐标。

多色彩混合白光的光源相对光谱功率分布(SPD)符合线性叠加原理：

P(λ)＝D₁P₁(λ)+D₂P₂(λ)+…+D_nP_n(λ)， (4)

式中D_n和P_n(λ)分别为第n种光源的占空比和在满电流工作状态下的光谱功率分布。CIE-XYZ光谱三刺激值由CIE-RGB光谱三刺激值经过数学变换得到，记为X、Y、Z。三刺激值在物体色度值的计算中代表人眼的颜色视觉特征参数，计算公式为：

式中V(λ)是光谱光视效率函数，P(λ)是混合光的光谱功率分布函数。

根据混光原理，且便于控制变量，需先将四基色转变为三基色。可任选两色先进行混合，再将混合光与其余两单色光混合。本发明中先将四色中的G与WW混合为例进行示范性说明，组成G+WW混合基色。设1lm总光通量下，G在G+WW中的所占比例为r，即r＝G/(G+WW)，其三刺激值可表示为(X_B，Y_B，Z_B)，(X_G，Y_G，Z_G)(X_R，Y_R，Z_R)(X_WW，Y_WW，Z_WW)和(X_G+WW(r)，Y_G+WW(r)，Z_G+WW(r))，则有以下关系：

在任意比例r下，R/G/B/WW 4色LED在1lm总光通量下的混合光源中的光通量贡献率分别用p_R(r)，p_G(r)，p_B(r)，p_WW(r)和p_G+WW(r)，表示，则有以下关系：

利用(7)式计算结果可得出R/G/B/WW 4色LED在目标光通量φ₀下的混合白光中光通量的值：

光通量与占空比存在线性关系，利用远方光电公司的HASS-2000光谱分析系统测试得出R/G/B/WW 4色LED在[0，100]占空比D范围内所对应的光通量φ值，采用Origin软件对测试得到的φ_R，φ_G，φ_B，φ_WW，与相应的占空比D_R，D_G，D_B，D_WW，进行线性拟合，得到基于本文所用光源的4色LED光通量与占空比间的关系，结果如图4所示。由图4可以看出φ和D线性拟合度高，其相关系数R²在0.99952～0.99992之间，同时可得该LED模组中各光源的光通量与占空比的关系：

实施例采用八脚R/G/B/WW 4合一LED灯珠8颗组成光源模块。为了使LED灯珠混光更加均匀且降低LED灯珠由于发热而导致结温过高而引起色漂移和光效降低等问题，对该光源进行了光学仿真设计得出其光源排布如图1所示，即上下交错均匀分布的方式并采用导热硅胶固定在带有散热器的铝基板上。用远方光电公司的HASS-2000光谱分析系统测量光源模块中各色LED芯片满电流状态下的色度学参数及相对光谱功率分布，表1为实验中R/G/B/WW四合一灯珠参数，如图2和表1所示。

驱动电路主要由直流稳压电源、WiFi模块、STM32-ARM模块、R/G/B/WW四合一LED光源模块组成，如图3所示。直流稳压电源将市电转换为电压为12V的直流电，WiFi模块接收由手机端自主设计的调光APP发出的各色占空比比例信号，将信号反馈到STM32-ARM模块，STM32-ARM模块根据占空比与光通量关系控制R/G/B/WWLED光源模块混合比例，从而控制各色LED的混合比例完成调光混色。

表1

根据(2)～(3)和(7)式可知，在不同色温下取不同的r值会得出不同的R/G/B/WW 4色LED混合白光的配光比，不同的配光比会影响显色性能，故需要在一定色温下得出最优的显色指数，同时获取4色LED光源模块在最优显色指数下的占空比。在调光约束范围内，沿黑体轨迹取TC分别为3000，5000，7000K时各自对应的CIE色坐标(0.437，0.4039)，(0.3452，0.3515)和(0.3065，0.3164)，光通量设定为500lm，占空比在[1，100]范围内，改变r值，得出不同r下的R/G/B/WW 4色LED各色光源的光通量比例，经(8)-(9)式转化为占空比值。测试实验结果如表2和图5所示。表2为当光通量为500lm时，三种相关色温情况下设定值与测试值对比表，由表2可知，相关色温和光通量的设定值与测量值一致性较好，三种相关色温设定值与测量值的平均相对误差分别为1.18％，1.43％和1.02％，三种色温下光通量设定值与测量值平均相对误差分别为2.04％，1.48％和1.71％。同时，进一步分析了该R/G/B/WW 4色LED光源模型的显色性能，如图5所示：当设定相关色温为3000K时，显色指数随着r的增大先增大后减小，最高显色指数可达95.3。同样，在设定相关色温为5000K和7000K下，显色指数也是随着r的增大先增大后减小，但趋势不同，T_c＝5000K时显色指数可达96.2，T_c＝7000K时显色指数有所降低，最大值为96.1。当T_c＝3000K时，红、绿、蓝LED组成的光谱缺少的琥珀段光谱，这段光谱刚好可由暖白光补充，故最高显色指数可达95.3；在5000K时，由于蓝光和绿光在光谱占有量的增大，光谱愈发趋于完整，显色指数可达到96.2；而在7000K时，红光光谱所占比例出现下降，而蓝光和绿光光谱所占比例更多，故显色指数会有所降低，最大值为96.1。整体而言，LED光源模块在r变化时，显色指数均为先增大后减小，最优显色指数均可达到95以上，故以三种色温下的最优显色指数95.3，96.2，96.1作为R/G/B/WW4色LED配光比为标准，在后续实验中均可得到非常优异的显色性能。

表2

其中，R/G/B/WW4色LED光源模块混合白光在最优显色性下光效和显色指数与光通量的关系，在得出最优显色指数配光比基础上，利用(5)～(7)式计算出不同色温下4色LED在不同光通量下的配光比，根据比例调节各色LED对应的占空比值，从而进行不同光通量设定值值下的实验验证。

表3

由表3可知，当设置相关色温为3000K时，测试色温与设置色温的平均误差为2.62％，光通量平均误差为1.41％，显色指数范围为94.2～95.5，与设置的最优显色指数平均误差为0.38％，光效范围为184.90～230.54lm/W；当设置相关色温为5000K时，测试色温与设置色温的平均误差为1.68％，光通量平均误差为2.80％，显色指数范围为94.9～96.8，与设置的最优显色指数平均误差为0.47％，光效范围为177.32～239.57lm/W；当设置相关色温为7000K时，测试色温与设置色温的平均误差为2.54％，光通量平均误差为2.19％，显色指数范围为91.2～96.4，与设置的最优显色指数平均误差为0.35％，光效范围为174.04～229.09lm/W。由上述实验分析可知，三种相关色温下，一般显色指数Ra均可达到高显色性要求，混合光在相同光通量不同色温下，功率几乎一样且都随着光通量的增大而增大，这说明混合光源模块的功率是由光通量决定的。本实施例中采用四合一灯珠且多灯珠同时点亮，虽然考虑了芯片结温的升高会影响芯片性能并设计了散热结构，但随着光通量的增加，灯珠功率随之增大，功率的增大不可避免使得LED芯片的结温升高，从而导致光效降低，如表3所示。由于色温越高色品坐标的越敏感，因此7000K下误差平均值略大于3000K和5000K下误差平均值。当相关色温为5000K时，只需极少量的单色LED参与混光即可实现目标色温下的混合光，因此5000K时混合光的光效最大。光通量的增加不改变三种色温的光谱，故显色指数理论上应该无变化，实际测试结果中显色指数有变化但幅度不大，这是由于测量误差及占空比调节时的四舍五入造成的。

综上所述，对于R/G/B/WW 4色LED光源模块，通过实验得出不同色温下的最优显色性配光比后，可实现一般显色指数大于95且光通量、色温可调的高显色性、高光效混合白光，在实际运用中具有重要意义。

在基于PWM调制的基础上，利用色坐标与三刺激关系，采用R/G/B/WW四合一灯珠设计光源模块，建立各通道占空比与光通量关系，计算得出不同色温下R/G/B/WW在混合白光中的比例，通过测色法找出显色指数最优时各色配光比，以此为基础在高显色性下研究光通量与功率、光效和显色指数的关系。实验结果表明，相关色温在3000，5000，7000K下，可实现一般显色指数在94.2～96.8，光效在174.0～239.6lm/W的高显色指数、高光效混合白光。设置光通量与测试光通量平均误差为2.17％，设置色温与测试色温平均误差为2.28％，混合光设置显色指数与测试显色指数平均误差为0.40％。

以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。

Claims

1.一种基于PWM调光的高显色性白光LED混光控制方法，其特征在于：包括以下步骤，

1)将四基色中其中任两基色进行混合以转变为三基色，其中一个基色在两基色混合中所占比例为r；

3)确定光通量与占空比的线性关系；

4)在各基色占空比在[1，100]范围内，改变r值，得出不同r下的R/G/B/WW 4色LED各色光源的光通量比例和显色指数；

5)取最大显色指数对应的r值并得到对应的最优占空比。

2.根据权利要求1所述的一种基于PWM调光的高显色性白光LED混光控制方法，其特征在于：四基色中的G基色与WW基色混合，组成G+WW混合基色，设1lm总光通量下，G在G+WW中的所占比例为r，即r＝G/(G+WW)，其三刺激值可表示为(X_B，Y_B，Z_B)，(X_G，Y_G，Z_G)(X_R，Y_R，Z_R)(X_WW，Y_WW，Z_WW)和(X_G+WW(r)，Y_G+WW(r)，Z_G+WW(r))则有以下关系：

3.根据权利要求1所述的一种基于PWM调光的高显色性白光LED混光控制方法，其特征在于：在任意比例r下，R/G/B/WW 4色LED在1lm总光通量下的混合光源中的光通量贡献率分别用p_R(r)，p_G(r)，p_B(r)，p_WW(r)和p_G+WW(r)，表示，则有以下关系：

4.根据权利要求1所述的一种基于PWM调光的高显色性白光LED混光控制方法，其特征在于：所述的步骤3)，利用光谱分析系统测试得出R/G/B/WW 4色LED在[0，100]占空比D范围内所对应的光通量φ值，对测试得到的φ_R，φ_G，φ_B，φ_WW，与相应的占空比D_R，D_G，D_B，D_WW，进行线性拟合，得到基于本文所用光源的4色LED光通量与占空比间的线性关系。

5.一种采用如权利要求1-4任一项所述的基于PWM调光的高显色性白光LED混光控制方法的光源模块，其特征在于，包括驱动模块和受驱动模块驱动的多个LED灯珠。

6.如权利要求5所述的光源模块，其特征在于，所述的LED灯珠为R/G/B/WW四合一灯珠。

7.如权利要求5所述的光源模块，其特征在于，所述的LED灯珠上下交错均匀分布的方式。

8.如权利要求5所述的光源模块，其特征在于，所述的LED灯珠采用导热硅胶固定在带有散热器的铝基板上。