基于PWM和RGBW混色算法的LED驅動控制

在水下燈景觀應用中，對燈具色溫的穩定性要求很高，因此根據LED光源的基本電氣特性，應采用精確高效的恒流驅動方式，使光輸出穩定可靠。調光方式應采用PWM(脈寬調制)的方式，保證在LED調光時的色溫(白色)或波長(彩色)不致發生變化。LED燈具與鹵鎢燈具調光過程色溫變化對比如圖1所示，可以看出LED燈具在調光過程中色溫是不變的。


 圖1鹵鎢燈及LED光源色溫隨溫度變化曲線
混色算法是控制光源調光混色，輸出符合要求的色光的關鍵環節。根據PWM調光的基本原理，改變紅光、綠光、藍光和白光LED驅動電流的占空比，可以改變各自色光的強度，通過不同占空比的組合，就可以得到不同混合比例的光色。
根據色度學計算，若采用確定的RGB三種LED光譜混出2300K~3200K范圍某個色溫的白光，只會有唯一的混色比例。但只利用RGB三種顏色混色，混出的光譜是不連續的，有很多可見光波段光譜能量為0，顯色性會很差。而采用RGBW四種顏色混出某個色溫點的白光，混色比例會有無窮多種，每種比例對應一種同色異譜光。
對于照明燈具來說，由于顯色指數是非常重要的一個指標，顯色指數不合格會導致被照明的物體顏色出現明顯差異，無法使用。因此，需要從眾多混色比例中篩選出顯色指數最佳的一組比例來使用。
如圖2所示是利用RGBW(其中W光源色溫3200K，Ra=90)四種LED光源進行混色實現的3200K白光光譜。

圖2RGBW混色光譜(色溫3200K)

圖2中光譜一般顯色指數為Ra=95.0708，其中特殊顯色指數R1到R15分別為：99.5533，95.7185，85.2074，93.8084，97.6345，93.3711，94.3570，95.9162，99.4148，88.1205，92.9515，79.5729，98.4708，92.9175，99.4494，完全滿足水下燈具照明需求。
擬合黑體軌跡LED光源的調節效果黑體軌跡又稱普朗克軌跡，定義為理想黑體在加熱過程中隨溫度升高發出的光色在色品坐標下形成的軌跡線。由于鹵鎢燈是熱輻射光源，發光原理與理想黑體相同，因此其色溫變化時光色軌跡十分接近黑體軌跡。為了模擬鹵鎢燈光源的色溫調節效果，計算出色品圖中黑體軌跡上色溫范圍2300K~3200K的色品坐標，在顯色指數最大的約束條件下計算出各色品坐標對應的RGBW混色比例和占空比，最終控制光源發出相應色溫的白光。
測試表明LED光源發出的白光，在色溫2300K至3200K之間光色達到了擬合黑體曲線的效果，并且在色溫2800K~3200K可以獲得理想的一般顯色指數(Ra>85)。