- 高亮度LED的設計挑戰
- 定義LED產品的色域
- 為系統設計LED控制機制，輸出想要的色彩
- 選擇合適的回饋機制，以獲得精準的色彩輸出
目前高亮度LED(HB LED)或高功率LED(HP LED)已被譽為最終解決方案，因為它具有更高的省電效率(甚至超越CFL)以及更長的壽命。這些LED已被運用在汽車照明、建筑物照明、舞臺照明、以及某些室內照明應用上。這些系統中有許多產品利用多個LED，以色光混合的方式來達到所要的色彩；或是在白光應用中，以單一或多個LED來達到所要的演色性指數(CRI)或相對色溫(CCT)。而這些系統的復雜度將會隨之提高，因為您的系統不僅會面臨許多設計限制，LED本身也會逐漸衍生許多問題。解決這些問題將需要智能型韌體、能依據所需精準度而定的回饋機制、以及透過像是DMX512、DALI等通訊網絡來控制這些照明系統。
高亮度LED的設計挑戰
高亮度LED是半導體組件，不幸的是和所有半導體組件一樣，即使同一片晶圓生產的組件，其電子特性也會有差異。對于LED而言，這樣的差異會導致色彩(或波長)、光通量輸出、以及順向電壓等方面的差異。LED制造商根據生產率與效能，將這些零件分置于特定的bin。這種binning分類程序會影響你的產品設計負荷電流，以及您設計中LED的運用程度。為解決這項問題，有些設計業者寧可付一點代價，選購特定的bin，但這仍無法解決LED系統的色彩精準度問題，因為這些bin的特定尺寸，仍有肉眼可辨識的+/-5nm誤差范圍。
除了各種制造問題外，像是光通量輸出以及波長等LED特性也會因接點溫度以及LED的使用時數而產生改變。每個有色LED受到溫度的影響程度都不同，幅度取決于LED的材料。 紅色與琥珀色LED當接點升高時，受影響的程度最大，而藍色與白色LED受影響的程度最小(參考圖1所示)。在這些照明系統中，每個LED受影響的時間呈一定的次序，因為想要的色彩點或CCT是可轉換的，除非你的系統可針對LED特性的改變進行調適。針對老化效應的設計順序，需要極高的色彩精準度。因為當LED老化時，輸出的光通量會逐漸下滑。
電源拓撲是LED設計要解決的另一項問題，但不在本文的討論范圍，它和系統LED與電源組件的數量有關連。
圖1:接點溫度對LED燈輸出的影響
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建立您的色域
在色彩混合系統方面，像是劇院燈光、建筑物照明等，系統色域的規格就相當重要。色域是由系統中使用的LED組成。色域系指系統藉由單獨改變每個LED輸出的光通量，所能輸出的所有可能色彩。在設計一個系統時，首先決定色彩的需求，然后再選擇LED。而在處理制造bin單元時，這將再度衍生一項問題。若您沒有為照明系統取得預先規劃LED的規格，您的系統色域就會和實際結果有偏差，輸出的色彩會和預期的不同。
定義您的色域并不簡單。大多數LED制造商的規格數據中并沒有提供其LED的色度坐標。不過，當您有了色度坐標后，就可輕易標出LED在色彩空間中的位置，如圖2所示。圖中系統色域的三角形覆蓋在CIE 1931色彩空間的上面。CIE 1931 色彩空間代表人眼能看到的所有顏色；在色彩曲線外的是波長，此數據描繪了色度坐標。在這個圖中，加入了普朗克軌跡(Planckian locus)，或為一個黑體加上顏色，代表黑體在溫度變化時在色彩空間的坐標。以普通詞匯來說，這坐標代表不同種類的白光通過CCT之后的結果。
圖2:系統色域
輸出您想要的色彩
為您的系統設計LED控制機制，面對的是基本的線性代數。在得到您LED的色度坐標后，您必須先建立一個矩陣，找出所要色彩點之間的delta值，如公式1所示。公式中色彩下標字是LED的顏色，mix下標代表您想要呈現的顏色。
公式1:
欲找出每個LED應輸出的光通量，可利用逆矩陣，然后乘以想要的光通量輸出，如公式2所示。
公式2: 每個LED的光通量輸出
這僅適用于單一bin的環境。若使用多個bin，每種bin的組合就會有不同的強度。
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選擇您的回饋機制
想要有精準的色彩輸出，這得取決于您所設計的應用。每當最終使用者注意到燈具色彩輸出有差異(像是建筑物照明或效果燈具)，代表需要高色彩精準度。然而在這兩個例子中，色彩傳感器并不是理想的解決方案。要找出可接受的色彩精準度，可從動態色彩變化著手，色彩變化源自于LED接點溫度以及其特性所產生的效應。這方面可利用韌體或調溫器來解決。
接點溫度可透過機板溫度、LED的功率發散、以及機板與LED之間的熱阻來求算。其關系如公式3所示。
公式3: 接點溫度與機板溫度之間的關系
獲得LED的接點溫度后，您就能調整系統，并根據LED重新設定的最高光通量輸出，改變每個LED相對的光通量輸出值。溫度回饋的其中一項問題，就是調溫器與LED之間的距離。調溫器越靠近LED，溫度回饋的數據就越精準。當把許多LED串在一個通道上，問題就會越嚴重。在這種情況中，不同LED之間的差異會造成色彩連續性的問題，系統也會受到影響。
在高色彩精準度的設計方面，建議可采用色彩傳感器。然而在嘗試開發一個色彩回饋系統時，會面臨到許多機械方面的問題。傳感器的擺放和感溫器解決方案一樣都相當重要。低成本的色彩傳感器不能和LED的光線正對，色彩傳感器理想的擺放位置，是能夠接收反射或緊密結合光線的輸入。在色彩傳感器理想的位置上，能和最終使用者看到相同的光線輸入，這樣能得到系統最想要的回饋數據。但當設計一個色彩傳感器時，最惱人的問題就是光線噪聲或不是系統產生的周圍光線對色彩傳感器產生的影響。色彩傳感器需要兩種機制才能正確運作; 第一是色彩傳感器與紅、綠、藍LED個別強度值之間的關系; 第二是色彩傳感器與X、Y、Z之間的關系。所有校正都必須在韌體中進行，但這類回饋系統的效益，會提升強固性以及精準度。
許多色彩系統設計擁有不同的回饋方法，需要花數個月的時間來開發韌體。解決bin的調整、溫度補償、或更高精準度的色彩回饋系統以及校正，都需要了解色彩科學以及精準的傳感器讀數。在展開任何高亮度LED設計時，強烈建議您先了解這些相關名詞。幸運的是，當您進入市場時，能利用Cypress Semiconductor所提供快速且輕易的PSoC Express 3.0解決方案，協助您快速展開研發。所有這些不同的回饋解決方案，以及高亮度LED的補償機制，都收錄在一個簡單易用的圖形化接口，讓您僅須使用下拉式選單以及各種校正技巧，就能完成這些設計。
圖3: PSoC Express 3.0視覺化嵌入式軟體
本文介紹的這些韌體技術都建置在PSoC Express軟件工具。這款軟件工具亦讓您能運用DMX512為您的系統建構網絡，且僅須定義三個變量。
Cypress藉由開發這項圖形化工具，讓研發業者能快速進入高亮度LED市場，開發效率更高的照明產品。
