混合彩色或白色 LED 的輸出可以產(chǎn)生各種色溫的各種色調(diào)或白光。動(dòng)態(tài)調(diào)整可以讓用戶根據(jù)需要在從冷到暖的范圍內(nèi)調(diào)整建筑照明，或者在重點(diǎn)照明中循環(huán)使用一系列顏色。它還可以從 LED 串中生成精確、一致的顏色，盡管溫度波動(dòng)和老化會(huì)引起變化。通過利用微控制器和來自顏色傳感器的閉環(huán)反饋，照明設(shè)計(jì)師可以開發(fā)微調(diào)系統(tǒng)，以可重復(fù)和穩(wěn)定地生產(chǎn)所需的精確陰影。

　　顏色空間提供了一種用紅/綠/藍(lán)波長(zhǎng)表示顏色的方法——三色值（參見 TechZone 文章“ LED 顏色混合：基礎(chǔ)知識(shí)””）——大致對(duì)應(yīng)于人類三種視覺感受器對(duì)可見波長(zhǎng)的敏感度。CIE 1931 色彩空間以色度x，y（顯示在圖上）和光通量Y（未顯示）表示顏色范圍。色度值表示一組由三色值縮放的 RGB 值：

　　在此顏色空間中繪制的紅色、綠色和藍(lán)色 LED 的坐標(biāo)定義了一個(gè)包含顏色范圍的三角形，稱為顏色色域，可以通過以各種比例混合這些設(shè)備的輸出來實(shí)現(xiàn)（圖 1）。

　　圖 1：映射到 CIE 1931 顏色空間圖的紅色、綠色和藍(lán)色 LED 的顏色和亮度特性定義了一個(gè)三角形，該三角形包含了三個(gè)設(shè)備的輸出可以生成的所有可能的陰影；這被稱為色域。（由賽普拉斯半導(dǎo)體提供）

　　理論上，通過將每個(gè)基色LED的驅(qū)動(dòng)電流調(diào)整到所需的比例，我們應(yīng)該能夠在色域中產(chǎn)生幾乎任何陰影。實(shí)際上，不同顏色 LED 的材料系統(tǒng)在特定驅(qū)動(dòng)電流產(chǎn)生的輸出量上存在顯著差異。此外，驅(qū)動(dòng)電流和輸出之間的關(guān)系是非線性的——超過某個(gè)閾值，由電流增加產(chǎn)生的額外輸出量下降，這種效應(yīng)稱為下垂（參見 TechZone 文章“識(shí)別 LED 效率下垂的原因”） ）。

　　對(duì)于給定的設(shè)備，輸出也會(huì)隨著溫度和年齡而變化。此外，制造和材料特性會(huì)導(dǎo)致給定類型 LED 的中心波長(zhǎng)因批次而異，甚至在來自同一晶片的不同器件之間也會(huì)發(fā)生變化。最后，輪廓色域包括小的不連續(xù)性，這意味著無法通過線性變換來計(jì)算在色域中生成所需陰影所需的每種原色的數(shù)量。

　　顏色混合算法

　　顏色混合首先確定所用 LED 的 CIE 值，然后確定生成所需顏色C混合所需的光混合，該混合顏色具有 CIE 坐標(biāo)x m、y m和Y米。對(duì)于基本的顏色混合應(yīng)用，簡(jiǎn)單的查找表可以提供必要的調(diào)光值，但需要高度可控白光或精確可調(diào)性的更復(fù)雜的應(yīng)用需要使用動(dòng)態(tài)系統(tǒng)。

　　一種常見的顏色混合方法利用矩陣技術(shù)。1對(duì)于色域中的任何給定C混合，我們可以將轉(zhuǎn)換矩陣A定義為：

［3］

　　如果我們將三器件 LED 模塊所需的總光通量定義為C mix的整體為：

［4］

　　然后我們可以使用以下方法確定每個(gè) LED 所需的光通量：

［5］

　　重要的是要注意，這種基本的顏色匹配算法并不局限于三個(gè)設(shè)備，而是可以擴(kuò)展到更大的數(shù)量，例如三個(gè)白色 LED 用一個(gè)琥珀色 LED 加熱，只需在上面的矩陣中添加額外的項(xiàng)。

　　混色控制器

　　Cypress Semiconductor 采用不同的四通道混色方法，其EZ Color系列高亮度 LED 控制器使用多個(gè)三器件三角形的疊加。2 EZ Color 控制器專為混色應(yīng)用而設(shè)計(jì)。 PSoC CY8CLED16支持可配置的脈寬調(diào)制 （PWM） 調(diào)光器，用于多達(dá) 16 個(gè)具有 32 位分辨率的獨(dú)立 LED 通道。

　　考慮一個(gè)使用紅色、綠色、藍(lán)色和琥珀色設(shè)備的示例。LED 在 CIE 顏色空間中定義了四個(gè)不同的三角形：TR1（R，G，B）、TR2（R，A，B）、TR3（R，G，A） 和 TR4（G，A，B）。求解每個(gè)三角形的方程 5 可以揭示哪些基極發(fā)射器組可以產(chǎn)生所需的顏色 - 負(fù)值表示陰影位于給定三角形之外（圖 2）。

　　圖 2：如果所需顏色位于一組 LED 的色域之外，例如相對(duì)于 RGB 三角形的 P2，顏色混合算法將返回負(fù)值。（Courtesy of Cypress Semiconductor）

　　實(shí)際上，CY8CLED16 可以在固件中執(zhí)行所有這些操作。需要將基本 LED的x、y、Y數(shù)據(jù)以及C mix的坐標(biāo)輸入內(nèi)存。 固件執(zhí)行矩陣計(jì)算以找到兩個(gè)有效的解決方案集（圖 3）。它不僅檢查指示請(qǐng)求顏色超出給定三角形色域的負(fù)值，還檢查以確保請(qǐng)求的光通量不超過實(shí)際設(shè)備的輸出。如果是這種情況，它會(huì)適當(dāng)?shù)乜s放命令。控制器還可以處理溫度反饋，以補(bǔ)償由于熱循環(huán)導(dǎo)致的已知性能變化。

　　圖 3：EZ-color HB LED 控制器通過執(zhí)行多組三通道解決方案來執(zhí)行四通道顏色混合，直到找到兩個(gè)有效解決方案。（Cyprus Semiconductor提供）飛思卡爾半導(dǎo)體的 56F8XXX 系列數(shù)字信號(hào)控制器 （DSC）提供了另一種使用混色算法控制 LED 矩陣的選項(xiàng)。例如， MC56F8006采用工作頻率為 32 MHz 的雙哈佛架構(gòu)，擁有一個(gè) 6 通道 PWM 模塊、一對(duì) 28 通道、12 位 ADC 和兩個(gè)可編程增益放大器（圖 4）。

　　圖 4：MC56F8006 通過全系列外設(shè)支持混色算法。（由飛思卡爾半導(dǎo)體提供）

　　在運(yùn)行中，系統(tǒng)測(cè)量電流檢測(cè)電阻器 R 兩端的電壓V R以確定流過 LED 的電流，然后將該值轉(zhuǎn)換為顏色亮度。DSC 根據(jù)由顏色混合算法確定的請(qǐng)求值（即Y r、Y g或Y b）檢查實(shí)際值，并調(diào)整 PWM 占空比以適應(yīng)（圖 5）。

　　圖 5：數(shù)字信號(hào)控制器利用 ADC 檢查 LED 的亮度并根據(jù)需要調(diào)整輸出以提供所需的色調(diào)和亮度參數(shù)。（由飛思卡爾半導(dǎo)體提供）

　　對(duì)于需要具有高光譜分辨率和穩(wěn)定性的色彩調(diào)節(jié)的應(yīng)用，系統(tǒng)通常集成板載色彩傳感器，這些傳感器具有配備有濾光片的光電探測(cè)器，以模擬人類視覺響應(yīng)。Microchip Technologies的PIC24FJ16GA002例如，可以與數(shù)字顏色傳感器集成，以提供特定的、所需的相關(guān)色溫。它具有三個(gè)高速、高分辨率 PWM、1 至 2 kB RAM 和四個(gè)具有 16 位輸出的并行集成 ADC 通道。修改后的哈佛架構(gòu)在 32 MHz 的工作頻率下提供 16 MIPS。

　　在示例應(yīng)用程序中，3 MCU 通過工作頻率為 400 kHz 的 I2C 總線訪問傳感器數(shù)據(jù)。傳感器集成時(shí)間發(fā)生在四個(gè) PWM 周期內(nèi)，在此期間 MCU 執(zhí)行其他任務(wù)，例如顯示更新和通信。

　　概括

　　混色提供的光譜區(qū)分和穩(wěn)定性可以延長(zhǎng) LED 燈串在要求高光譜穩(wěn)定性或可調(diào)諧性的應(yīng)用中的使用壽命。通過從具有各種外圍設(shè)備的一系列 MCU 中進(jìn)行選擇，照明設(shè)計(jì)人員可以輕松定制其系統(tǒng)，以滿足性能、可靠性和穩(wěn)健性規(guī)范，同時(shí)滿足其價(jià)格限制。