[发明专利]LED灯颜色控制系统和方法

说明书

技术领域

本发明在由美国能源部颁发的合同号为DE-FC26-05NT42342的美国政府支持下做出。美国政府在本发明中拥有某些权利。

此公开内容的技术领域为供电领域，具体地，是LED灯颜色控制系统和方法。

背景技术

传统上，白炽或荧光照明设备已经被用作汽车及其他交通工具中的光源。然而，在发光二极管(LED)技术方面的重大进步使得LED由于它们的长的运行寿命、高效率以及小体积而在交通工具中的使用具有吸引力。LED现在能够几乎如紧凑型荧光灯一般高效地产生白光，并且其效率被期待会进一步提高。为了充分实现LED的节能，驱动它们的电子器件也必须是高效的。

正在开发用于普通照明应用的完备的LED灯，比如LED模块系统(LED SIM)，其使用具有一个或有限数量的集成电路的多个不同颜色的LED。集成电路包括用于LED灯的检测电路、驱动电路以及控制电路。用户能够控制灯的颜色和强度。

为了产生可见光谱上的光，来自不同颜色LED的光输出可以特定的比例进行组合以从LED灯产生期望的颜色。例如，一个LED可以产生红光，一个LED可以产生绿光，而一个LED可以产生蓝光。红-绿-蓝(RGB)组合可以产生任何期望的颜色并且能够由产生琥珀色(A)光或白(W)光的LED进行补充，以调节灯的显色指数(CRI)。CRI指示出，相较于标准照明源(比如日光或白炽灯)，灯渲染物体的颜色的优劣。RGBA和RGBW相应地表示红-绿-蓝-琥珀和红-绿-蓝-白四LED灯。

四LED灯中的每个LED源的电流被独立地控制以允许灯覆盖颜色和CRI的整个范围。一种用于四LED灯的电源布置是在每条LED通道中串联两个LED源的两条并行LED通道。基本电子拓扑可以为具有控制流经每条通道的电流的通道开关的迟滞降压转换器。流经每条通道的电流的脉冲宽度和幅度都是可变的。迟滞操作上限和下限设定脉冲幅度。与每个LED源并联的分路开关通过短接特定的LED源来控制流经每个LED源的电流。迟滞限度可以被设定以最大化每条通道中的一个LED源的占空比。通道电流可以被降低以在每条通道中的一个LED源的占空比被最大化的情况下产生所需数量的光。这样实现了电子器件中的节能并使得LED高效地产生光，LED通常在较低电流上比在较高电流上发光效率更高。

当今这一代LED灯能够产生一系列颜色的光，但是在对多色LED系统中的一些或全部颜色的控制为不可行的特定条件下会出现问题。因为有限的设置电流水平和脉冲宽度的能力，以及因为各个部件和供应值的容差，能够获得的颜色控制的准确度取决于众多项目，比如调光水平、颜色坐标、LED光谱以及控制算法。如果在接近问题区域时没有采取措施以释放控制，那么LED灯很可能展现出不可预测的行为以及颜色和强度的不稳定性。

一个问题是光通量测量误差。灯系统分别测量来自产生每一种颜色的LED源的光的光通量，其中LED源操作在PWM模式中。在特定的时间，LED电流波形发生改变，从而仅一个LED源颜色被打开并且执行针对那个LED源颜色的通量测量。此外，在全部LED源关闭的情况下测量背景通量水平。光通量测量设备，比如光电二极管，具有在进行测量时必须被顾及的响应时间。当光通量测量对LED电流频率的反应非常灵敏时，光通量信号对电流波形中的波动敏感，其可以导致来自于未能代表真实的平均光级的光通量测量的颜色误差。当光通量测量对LED电流频率的反应不是非常灵敏时，光通量信号需要相当长的上升时间才能稳定于测量的最终数值。当LED脉冲宽度太窄时，LED源在作出测量前可能就会被关闭，导致不稳定的颜色控制。

这一问题可通过考虑这样的灯系统来演示，该灯系统操作在1kHz上，从而最大脉冲宽度为1ms。假设光通量测量设备在20μs内稳定，光通量测量可在脉冲起始后20μs时(即，进入最大脉冲宽度的2％)进行。灯的用户可以选择颜色/强度组合，其将会导致一种或多种颜色的占空比小于最大脉冲宽度的2％，例如，黄色包括非常小部分的蓝色；青色包括非常小部分的红色；以及粉色/紫色包括非常小部分的绿色。当特定颜色的占空比小于2％时，出现在特定LED源之后的通量测量是关闭的，而控制系统将会获得对光通量的虚假读数。

在针对当今这一代LED灯的光通量测量以及颜色控制中时常出现许多额外问题：

●与每个LED源并联的分路开关的上升和下降时间可能是整个脉冲的相当大的部分；

●迟滞周期可以大约为PWM脉冲宽度的量级，从而在每个PWM脉冲中存在这样的部分迟滞周期，其不具有与全周期的平均电流相同的平均电流；