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，盡管溫度波動和老化會引起變化。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””）——大致對應(yīng)于人類三種視覺感受器對可見波長的敏感度。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三角形，該三角形包含了三個設(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，通過將每個基色LED的驅(qū)動電流調(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)動電流產(chǎn)生的輸出量上存在顯著差異。此外，驅(qū)動電流和輸出之間的關(guān)系是非線性的——超過某個閾值，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“識別 LED 效率下垂的原因”） ）。

　　對于給定的設(shè)備，輸出也會隨著溫度和年齡而變化。此外，制造和材料特性會導(dǎo)致給定類型 LED 的中心波長因批次而異，甚至在來自同一晶片的不同器件之間也會發(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。對于基本的顏色混合應(yīng)用，簡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 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設(shè)備，而是可以擴(kuò)展到更大的數(shù)量，例如三個白色 LED 用一個琥珀色 LED 加熱，只需在上面的矩陣中添加額外的項。

　　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。 PSoC CY8CLED16支持可配置的脈寬調(diào)制 （PWM） 調(diào)光器，用于多達(dá) 16 個具有 32 位分辨率的獨(dú)立 LED 通道。

　　考慮一個使用紅色、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)行矩陣計算以找到兩個有效的解決方案集（圖 3）。它不僅檢查指示請求顏色超出給定三角形色域的負(fù)值，還檢查以確保請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)字信號控制器 （DSC）提供了另一種使用混色算法控制 LED 矩陣的選項。例如， MC56F8006采用工作頻率為 32 MHz 的雙哈佛架構(gòu)，擁有一個 6 通道 PWM 模塊、一對 28 通道、12 位 ADC 和兩個可編程增益放大器（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)測量電流檢測電阻器 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。它具有三個高速、高分辨率 PWM、1 至 2 kB RAM 和四個具有 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)。傳感器集成時間發(fā)生在四個 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 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，同時滿足其價格限制。