虽然LED在许多行业不断进步，但照明应用中最有趣的发展可能是多通道LED设计
作者：Cree LED技术人员
LED现在有更广泛的颜色和光谱选择，为户外和室内照明应用的灯具设计开辟了新的可能性。然而，为了毫无问题地成功选择和使用这些新产品并实现其改进的全部好处，必须考虑几个设计准则，并解决一些板级组装问题。

多通道LED照明背景
为任何应用选择合适的LED都需要理解几个术语，包括相关色温（CCT）、显色指数（CRI）、流明（光输出）等。这些术语将在出现时进行解释。对于功率工程师来说，流明/瓦（LPW）可能是最相关的规范，因为效率和功效是每个应用的主要关注点。多通道LED增加了LED选择过程的复杂性。
对于LED，术语“通道”是指可以独立控制的单个LED或一组LED。通常，在色彩混合设计中，每个通道将由一个或多个单一颜色的LED组成，因此通道也可以指混合中使用的色点。混色应用中使用的一个色点有时被称为“锚点”，因为它是颜色空间中的固定位置，可用于在特定方向上“拉动”最终输出颜色。混合输出可以创建的可实现颜色空间是通过绘制锚点创建的形状所包含的区域来确定的。图1显示了一个6通道示例，该示例使用皇家蓝、蓝色、青色、绿色、石灰色和红色LED覆盖了CIE 1931颜色空间的大部分。
 

图1：6通道设计使用皇家蓝、蓝色、青色、绿色、石灰色和红色LED覆盖了CIE 1931颜色空间的大部分

每个控制通道的单个色点的排列并不总是如此。例如，在高级混色应用中，设计师可能会在单个控制通道上混合多种LED颜色。这通常是为了在颜色空间中的不同点创建一个虚拟锚点，否则无法实现。也可以出于CRI或功效原因进行。
[显色指数或CRI描述了光源准确再现颜色的能力。使用多达15个预定义的测试颜色样本（TSC），为每个颜色样本计算显色分数（Ri），值为100表示完全匹配。通常简称为“CRI”，CRI-Ra值是R1到R8的平均值。CRI Ra值超过90通常被认为是照明应用的出色的显色性。]
带有LED的混色系统通常使用3通道或4通道方法。有3个通道，使用红色、绿色和宝蓝是覆盖最广泛颜色范围的最常见方式。相比之下，采用4通道方法，灯具设计师通常会选择添加白色LED（2700 K至7500 K CCT，靠近黑体线）。[相关色温或CCT以K度为单位测量，但简单地表示为K，用一个数字描述暖橙色（1000 K）到冷蓝色（10000 K）的照明。][黑体线（BBL）是普朗克轨迹的通用名称，描述了理想黑体辐射器在加热时的颜色。随着温度的升高，颜色从红色到黄色再到白色再到蓝色的变化是一种常见的物理现象。沿BBL有色点的白光将呈现中性色调，没有绿色或粉红色。]白色在3通道RGB解决方案的可实现范围内，但添加磷光体转换的白色LED可以提供更平衡的光谱，通常具有更好的显色性。此外，它允许器件在简单的1通道模式下运行，以产生高质量的白光。
在4通道系统中使用不同的LED颜色作为第四通道，补充现有的红、绿、宝蓝三个通道，既有优点也有缺点。通过优化设计，在标准白光范围内实现最高的CRI-Ra，可以实现BBL附近的CCT目标。不同的优化是可能的，如最大化LPW或CRI R9，可能更适合特定的应用。

多通道LED照明的LED选择                   
当所选的LED共享尽可能多的设计特征时，多通道照明设计最容易实现，因为PCB封装等项目可以在设计中重复使用。Cree LED提供两个全面的LED系列，覆盖广泛的应用领域。对于多色定向室内外照明，XLamp®XE-G（Element G）高功率LED提供多达17种颜色选项，以及全系列白色CCT和CRI选项。这些新的颜色选项使新的4通道颜色可调解决方案能够实现比以前更高的光输出和更精确的显色性。这些LED采用1.6 x 2.05 mm的封装，所有颜色的最大额定电流均为3A，为照明系统设计提供了一种创新的积木式方法，为该类别提供了一个全新的性能标准。图2显示了使用XLamp XE-G LED的4通道设计示例。


图2：四个XLamp XE-G LED以针轮配置安装在金属芯印刷电路板（MCPCB）上，边到边间距约为200-μm
 
对于低密度室内照明应用，J Series®2835白色和彩色LED经过优化，以高效的方式提供最佳价值。J Series 2835彩色LED系列具有中功率LED中可用的最宽颜色阵列，可实现最高程度的优化。

多通道LED照明的电气设计
创建高通道数混色应用的主要障碍是LED驱动器的可用性。四通道LED驱动器是可用的，但几乎所有这些驱动器都是为操作低功耗RGBW LED条而设计的，颜色混合功能通常仅限于以面向娱乐照明的固定预编程模式产生饱和的RGB颜色。很少有现成的解决方案能够灵活地使用RGBW以外的色点，或者将它们混合以产生可变的CCT白光。因此，自定义驱动解决方案通常是高性能混色应用的最佳选择。
在典型的单通道LED驱动器中，LED的恒流输出通常与电路的AC-DC部分紧密耦合。在创建多通道驱动器时，更常见的是有一个很大程度上独立的AC-DC部分，为DC-DC恒流LED驱动器部分的几个副本提供大容量DC电源（在公共输出电压下，如12、24、36或48V）。

 
图3：推荐的多通道LED照明电源框图
 
调制通道输出的最常见技术是脉宽调制（PWM）。这种技术涉及以足够高的频率打开和关闭输出，以使人眼无法察觉。对于照明应用，Cree LED建议至少1kHz的PWM频率和至少10位的分辨率，以避免可见的伪影。为了产生PWM信号，通常需要微控制器。
用于选择LED驱动器的一些基本标准包括组件集成、开关频率、输出电流和最大电压。在某些应用中，可以使用专用的LED驱动器IC来创建合适的LED驱动器。在这些情况下，应同时考虑续流二极管、MOSFET、电感器和微控制器，以实现系统所需的控制和输出电流水平。
 

图4：PCB使用四个多通道驱动器电路，使用onsemi NCV30161降压LED驱动器和PIC16F1575微控制器
 
在其他情况下，恒流输出IC不可用，必须采用更常见的恒压类型来形成LED驱动器。IC通过将反馈引脚（FB）保持在1.0V来调节输出，并且该电压通过分压器被设置为与输出电压成比例。为了将这种设计转换为恒定电流，需要创建一个与LED电流成比例的信号，并在目标电流设定点输出1.0V。这可以通过在非反相放大器电路中设置运算放大器并使用电流感测电阻器来测量LED电流来实现。
恒压IC现在是一个具有PWM可调输出的恒流LED驱动器。应该注意的是，PWM信号现在是反相逻辑，占空比越低，LED电流就越高。关于这种设计的另一件值得注意的事情是，当调谐良好时，LED输出是连续电流，而不是像降压LED驱动器IC那样是脉冲电流。这通常会导致LED的效率更高。采用这种设计，如果模拟电路无法完全关闭LED串，可能还需要控制IC的启用输入。这种应用对带宽的要求很小，因此几乎可以使用具有适当额定电压的任何单电源运算放大器。
电路设计完成后，接下来的步骤包括调整电路以提供所需的输出颜色配置，对微控制器固件进行编码，并在一定温度范围内测试电路。

其他设计挑战
当将LED尽可能靠近放置时，有两个建议可以选择如何在混色应用中排列LED：
1.避免将短波长含量高的颜色（紫色、皇家蓝、蓝色或PC蓝）放置在具有重荧光粉涂层的组件附近（例如，PC石灰、PC黄色、PC琥珀色、PC红橙色或PC红色）。从短波长颜色发出的光可以激发相邻组件中的磷光体，并导致蓝色饱和度损失或意外的光学伪影。
2.当混合4种以上颜色的阵列以产生白光时，将位于黑体线相对侧的成对组件定位。这将平衡通过混色光学元件的色调，以避免颜色不对称。例如，青色和红色可以配对，或者绿色和皇家蓝可以配对。

PCB材料和结构
一般来说，Cree LED推荐的阵列尺寸与数据表上的单个组件尺寸相匹配。具体来说，这意味着：
应该指出的是，紧密封装这些LED具有权衡，在任何新设计中都必须仔细考虑。通常，较小的LED到LED间距会增加温度，降低流明输出，并导致颜色偏离分箱色点。

多通道LED用于优化照明
无论照明应用或灯具设计如何，多通道LED都可以为最终产品增加产品差异化和灵活性。具体来说，需要高水平光输出和完全控制光谱内容的混色照明应用可以从最新的XE-G LED中受益。然而，灯具设计师必须考虑一些关键的设计建议，以充分利用这些和其他LED的能力。
 
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