基于恒压恒流的RGBW照明系统研究.pdf

第 22 卷 第 3 期Vol.22No.32023 年 6 月Jun.2023广 东 轻 工 职 业 技 术 学 院 学 报JOURNALOFGUANGDONGINDUSTRYPOLYTECHNIC基于恒压恒流的 RGBW 照明系统研究*周伟杰（黎明职业大学 智能制造工程学院，福建 泉州 362000）摘 要：针对现有的 RGBW LED 灯具颜色控制精度低、调光深度浅、电路复杂、成本较高等问题，提出了一种新型的 RGBW 全彩 LED 控制方案。该方案中的 RGB 光和 W白光分别通过反激驱动电源的恒压（CV）和恒流（CC）模式进行控制；当负载电流低于预设的恒流点时，驱动电源以 CV 模式工作，反之以 CC 模式工作；RGB 目标色彩根据推导出的混光方程组进行控制。实验结果表明，该方案不仅可以满足日常白光照明时的恒流输出，实现 RGB 情景照明时的高精度目标颜色控制，而且具有优良的调光深度以及电路简单、低成本的优点；因此，该方案可为研制 RGBW LED 照明灯具提供良好参考。关键词：RGBW；色坐标；调光深度；恒压恒流；照明系统中图分类号：TM923.34 文献标识码：A 文章编号：1672-1950（2023）03-0007-06收稿日期：2023-04-15*基金项目：2022 年度黎明职业大学校级一般课题（自然科学类）（LZ202224）。作者简介：周伟杰（1987），男，工程师，硕士，研究方向：机电一体化控制。RGBW 照明因既能满足日常照明，又能够根据昼夜、季节、情绪等变化提供相适应的 RGB混光照明情景，因此目前已逐渐取代 RGB 照明1。目前，RGBW 驱动主要有两种控制模式：一种是采用两级控制模式。该模式前端为恒压电源，后端采用 4 个恒流 IC 进行恒流控制，并通过 MCU 输出 4 路 PWM 分别对 4 个恒流 IC 进行 PWM 调光，从而达到混色效果2；但该模式的调光深度受限于恒流 IC，且电源效率低。另一种是采用单级恒流控制模式。该模式的驱动电源输出端并联 4 个 RGBW LED 灯组，由 MCU按一定时序输出 PWM 对灯组上的 MOS 进行控制（每个时刻只导通一个 MOS），通过改变各个LED 灯组 PWM 占空比大小即可实现不同的混色效果。由于该模型采用分时控制，4 路的占空比总和不能大于 1，因此每种颜色的调光阶数和调光深度都受到很大限制3。近年来也有一些企业采用恒压模式进行 RGBW 的白光控制，如文献4-5提出的控制方案。然而，由于白光所需的工作电流较大，光源芯片温度较高，LED 压降会因芯片温度的升高而发生变化，进而引起工作电流变化，导致光通量以及 LED 寿命受影响，因此类似文献4-5的方案不适合批量生产应用。基于上述研究，本文提出了一种新型 RGBW 全彩 LED 照明方案，实验表明该照明方案不仅可用于日常的白光照明以及能够实现 RGB 混光目标颜色的精确控制，而且具有极低的调光深度、电路简单等优点。1 混光原理在光学领域，通常用光通量表示人眼所能感觉到的光的辐射功率，光通量是指按照国际规定的标准人眼视觉特性评价的辐射通量的导出量，以符号 表示，光通量的单位是 lm(流明)，计算公式定义为：（1）式（1）中：为光谱光视效能的最大值，为国际照明委员会(CIE)规定的标准光谱光8第 22 卷广 东 轻 工 职 业 技 术 学 院 学 报视效率函数，为辐射通量的光谱密集度6。通常又用色坐标表示光的颜色，且颜色与色坐标呈一一对应的关系。在单色光的 PWM 调光中，LED 的光通量与 PWM 占空比呈线性关系（线性区域中），同时 LED 的亮度变化不会影响色坐标的变化（可忽略不计）7。根据格拉斯曼颜色定律和 CIE-1931 色度标准，n 种已知色坐标的光的混光方程组8可表示为：（2）式（2）在工程应用中应该满足：一是单色光的光通量与占空比 D 呈正比例函数关系；二是单色光的色坐标不随占空比 D 的改变而改变。由于本照明系统只有 RGB 3 色进行混光，因此根据式（2）可得式（3）：（3）其中：、为混合光 m 的三刺激值；、分别为光源 R、G、B 在满电流下的刺激值，该值等于满电流下的光通量；为混合光 m 的光通量；（，）为混合光 m 的色坐标；为单色光 i 的 PWM 占空比；（，）为单色光 i 的色坐标；为光源 i 在满电流下的三刺激值之和；（混合光 m 的光通量）为已知值；、可通过测试得到；、为混合光的 3 个 PWM 占空比控制变量。由于方程组数等于变量数，因此方程组（3）具有唯一的定解。根据方程组（3）推导的出色坐标与占空比的函数式为：（4）由式（4）可知，在已知混合光 m 目标颜色的色坐标（，）、RGB 3 种单色光的色坐标（，）（，）（，）以及光源 RGB 在满电流下的光通量（、）的情况下，可求得 RGB 3 种单色光 PWM 占空比之间的比例关系，由此即可实现对目标颜色的控制。若混合光m 的光通量也为已知值，则还可求得 RGB 3种单色光各自 PWM 占空比的大小，实现混合光目标颜色和光通量的控制。2 照明系统总体方案照明系统通过 RGBW 遥控器进行控制，该系统具有如下功能：（1）白光用于日常照明（可调光），其主要参数为：输入电压为 AC 174 V264 V；CCT 为2 700 K；总光通量为 500 lm；额定功率为 6.3 W；显色指数 Ra 80。（2）RGB 光用于情景照明（可调光），通过调节 RGB3 种单色光 PWM 占空比大小，可实现对混合光颜色与光通量的控制。图 1 是照明系统的总体方案框图。该方案中，驱动电源采用非隔离反激式电源，该电源可根据负载变化进行 CV 和 CC 模式的自行切换。当负载为白光点亮时，此时需要较大的、恒定的输出电流，因此驱动电源在 CC 模式下工作；当负载为 RGB 点亮时，此时所需驱动电流较小，因此驱动电源在 CV 模式下工作（该模式具有优良的调光深度，且不需要额外的 IC，可大大降低成本9）。为此，在设计驱动电源时预设了恒流点 ISET 和恒压点 VSET。当负载电流低于恒流点 ISET 时，电源在 CV 模式下工作，此时的输出电压为预设的恒压点 VSET；当负载电流大于恒流点 ISET 时，电源在 CC 模式下工作，此时输出电流被限制在恒流点 ISET。R、G、B、W 4个 LED 灯组并联在驱动电源的输出端，由 MCU输出的 4 路 PWM 通过驱动电路对 LED 灯串进9第 3 期周伟杰：基于恒压恒流的 RGBW 照明系统研究行控制，以此实现调光和对 RGB 颜色的控制。MCU 和红外遥控模块的工作电压（3.3 V）由辅助电源（LDO）提供。图 1 照明系统总体方案框图图 2 CC/CV 驱动电源电路根据系统功能设计需求，本文将驱动电源输出电压 VOUT 设置为 14 V，将恒流点 ISET 设置为 375 mA。3 驱动电源设计驱动电源采用矽力杰的 SY50131 进行控制，该控制器不仅能提供一次侧控制（以消除光耦或二次反馈回路），而且内部集成了一个 600 V MOSFET（以减小驱动的体积），因此可降低照明系统的成本，另外，由于 SY50131 采用的是准谐振模式，因此可使 MOS 管在谷底导通，进而可降低开关损耗和提高 EMI 性能。图 2 是 由 SY50131 构 成 的 CC/CV 驱 动 电源电路图，图中 VBUS 和 GND 分别为整流后的母线电压和对应地，R23 为电感电流采样电阻，R24、R25 为电压反馈回路的分压电阻。由于输出电压较低（十几伏），因此本文去掉了变压器的辅助绕组，即 IC 的供电引脚 Vin 直接由变压器次级绕组提供。3.1 恒压点的设计图 2 中，输出电压经过 R25 和 R24 分压后，由 IC 引脚对分压进行检测以实现恒压控制。在 MOS 管关闭期间，变压器次级绕组上的电压为：（5）其中是输出二极管 D1 的导通压降，为驱动电源输出电压（LED+）。由于输出电压是利用 IC 引脚进行采样，并通过 R25 和 R24形成反馈回路，因此 R25 和 R24 的分压需满足（值忽略不计）：（6）其中，为内部的基准电压，取 1.25 V。由于系统的输出电压为14 V，因此根据式（6）计算可得 R24 和 R25 分别取 27 K 和 2.7 K。将上数值代入式（6）进行计算即可得到实际输出电压（为 13.7 V），该电压即为恒压点。3.2 高频变压器的设计关闭 MOS 管时，变压器次级绕组会将输出电压映射到初级绕组，因此 MOS 管电应力会影响变压器初次级匝比的设计。为了使驱动电源工作时 MOS 不被击穿，需满足：（7）其中：为 MOS 的 DS 击穿电压，为600 V（取值根据 IC 规格说明书）；VS 是 RCD缓冲器在 MOS 关闭期间被钳制的过冲电压，为50 V（取值根据经验值）；为交流输入最大值（264 V）；输出电压为 13.7 V；输出二极管压降为 0.3 V。将以上数据代入式（7）进行计算得初次级最大匝数比为 8.9。为了留出一定余量，本文取为 5。当输入的电压为最小、输出的负载电流为最大时，由式（9）可知此时的开关频率为最小频率，且流经 MOSFET 和变压器原边绕组的电流为最大峰值：（8）其中：输出功率为额定满载功率，为5.1 W（输出电压 13.7 V，输出电流 375 mA）；为效率，取 0.85；为最小输入直流电压，取 249 V；初次级匝比为 5。将以上数值带入式（8）进行计算得为 0.233 A。设置好最小频后，即可计算变压器的原边交流输入CC/CV驱动电源RGBLED 灯串白光LED灯串驱动电路辅助电源MCU红外模块PWM14路PWMPWM2 PWM3PWM410第 22 卷广 东 轻 工 职 业 技 术 学 院 学 报图 3 控制模块电路图感量，其计算公式为：（9）其中取值为 60 KHz。将数值代入式（9）计算得为 3.25 mH，取整后为 3.2 mH。变压器的设计步骤为：（1）确定磁芯。根据驱动电源的输出功率和开关频率，采用 EE13 作为变压器的磁芯，其Ae 值为 16.8 mm2；（2）预设最大磁通量 B。通常 B 取经验值 0.220.26 T，为预留一定余量，本文取 0.23 T；（3）计算原边绕组。的计算公式为：（10）其 中取 3.2 mH，取 0.233 A，Ae取 16.8 mm2。将以上数值代入式（10）进行计算得为 220 匝。（4）计算次级绕组。的计算公式为：（11）其中取 5。对式（11）进行计算得 NS 为44 匝。3.3 恒流点的设计由于 SY50131 采用原边检测技术对输出电流进行控制，因此恒流点满足式（12）：（12）其中：为电流采样电阻；为常量参数，取 0.5（取值依据 IC 规格说明书）；是内部参考电压，取 0.42 V（取值依据 IC 规格说明书）；为初次级匝数比，取 5；为恒流点，取 0.375 A。将以上数据代入式（12）进行计算得为 2.8。4 控制模块设计照 明 系 统 采 用 上 海 东 软 载 波 微 电 子 的 HR7P179A 单片机（最高工作频率为 20 KHz，含 有 12 位 PWM 定 时 器（T11、T12），可 输 出4 路 PWM）作为主控芯片，该单片机可满足RGBW 4 路 PWM 控制要求。控制模块电路图如图 3 所示，其中 U4 为红外遥控接收模块，U2为 LDO（3.3 V），用于给 MCU 和红外接收模块提供工作电压。白光光源采用聚飞 3030 封装，单颗压降约为 6 V（2 串 3 并）；RGB 光源采用三合一的 5050 封装（内部集成了 3 颗独立的 R、G、B 光源），单颗压降约为 6.5 V（2 串）。由于驱动电源设置的恒压点为 13.7 V，因此需要在RGB 回路中串接一个 20 的小电阻，使回路电流不超过设置的恒流点，以确保 RGB 点亮时电源工作在 CV 模式。白光回路无需串接电阻，其电源工作模式为 CC 模式。整个照明系统由红外遥控器进行控制，设定 4 路 PWM 的频率为 500 Hz，RGB 三路 PWM 占空比由式（4）计算得到，通过 MCU IO 口 PWMR、PWMG、PWMB 输出进行控制。白光由 MCU 输出 PWMW 进行控制，通过改变 PWMW 占空比进行调光。5 实验与结果分析根据上述设计方案设计的样品实物图如图 4所示。图 4 样品实物图 5.1 目标颜色控制采用杭州慧谱仪器有限公司的（慧谱的SPEC-3000A PLUS 快速光谱分析系统（SPEC-CC/CV 驱动电源白光光源LED 灯板RGB 光源11第 3 期周伟杰：基于恒压恒流的 RGBW 照明系统研究3000 A PLUS）对 RGB 3 种单色光进行了实测（见图5），结果显示：红色R的色坐标（，）为（0.67，0.33），绿 色 G 的 色 坐 标（，）为（0.21，0.71），蓝 色 B 的 色 坐 标（，）为（0.14，0.08）。实测值与标准值一致（标准红色R 的色坐标为（0.67，0.33），标准绿色 G 的色坐标为（0.21，0.71），标准蓝色 B 的色坐标为（0.14，0.08），表明该光源是标准 RGB 光源，可以使用。在满电流（Duty=1）情况下对 RGB 3种单色光的 Y 刺激值进行测试显示，其、分别为 20、14、16。将、目标颜色的色坐标（，）、混合光 m 的光通量、以及 RGB 3 种标准光源的色坐标（，）、（，）、（，）代入式（4）即可求得 RGB 三路PWM 占空比的值，从而实现混合光光通量和颜色的精确控制。在调光时，按比例关系同时增加或者减小三路 PWM 占空比即可保持混合光颜色不变。图 5 快速光谱分析系统测试图 7 白光点亮实际效果图表 1 理论色坐标与实测色坐标对比理论色坐标值PWM 占空比实测色坐标颜色xmymDrDgDbxy金黄0.500.450.460.570.030.510.45紫0.280.130.490.080.370.270.13浅蓝0.150.220.070.380.510.160.22图 6 三种遥控器按键颜色的出光效果图(a)金黄(b)紫色(c)浅蓝于预设的恒流点 ISET，且输出电压约等于预设的恒压点 VSET，因此表明此时的电源工作在恒压模式。由上述测定可知：当白光点亮时电源在CC 模式下工作，当 RGB 点亮时电源在 CV 模式下工作，即当负载电流低于预设的恒流点时电源在 CV 模式下工作，反之在 CC 模式下工作。5.3 调光深度的测试图 8 为蓝光单色光调光深度的出光效果，其中图（a）、图（b）、图（c）分别为 PWM 占空比为 100%、50%、1%时的出光效果。由图可以看出，当 PWM 占空比为 1%时仍可保持微亮，表明该方案可以实现极低的调光深度。6 结论本文提出了一种新型的 RGBW 全彩 LED 控制方案，对该方案进行实验表明，该方案不仅能够实现 RGB 目标颜色及光通量的精确控制，实现极低的调光深度，而且能够根据负载的变化进行恒压或恒流模式的自动切换，从而使电路更加简单可靠。因此，该方案具有较大的实用意义和市场价值。本文取遥控器中的 3 种颜色按键（金黄、紫、浅蓝）进行测试，并根据式（4）计算出三路PWM 占空比之间的比例关系，结果如表 1 所示。由表 1 可得，实测色坐标值与理论色坐标值基本一致，表明通过该方案可以实现 RGB 目标颜色的精确控制。图 6 为所测的 3 种颜色按键的实际出光效果。5.2 恒流恒压模式的测试当照明系统为白光点亮且 PWM 占空比为 1时，测得系统输出的电压为 11.4 V，输出电流为 375 mA（与设置的恒流点 ISET 相等），这表明此时电源工作在恒流模式。图 7 为白光点亮的实际出光效果。当照明系统为 RGB 单路点亮且PWM 占空比为 1 时，测得驱动电源的输出电压为 13.6 V，输出电流为 40 mA。由于输出电流小12第 22 卷广 东 轻 工 职 业 技 术 学 院 学 报图 8 调光深度出光效果图(a)PWM 占空比为 100%(b)PWM 占空比为 50%(c)PWM 占空比为 1%参考文献：1 黄梓龙，陈育，徐文倩，等.全光谱 RGBW LED 光源特性分析 J.照明工程学报，2022，33（04）:69.2 漏鸣杰.具有 WIFI 调光功能的 120 W RGBW LED 驱动设计 D.杭州:杭州电子科技大学，2017:5-7.3 李楠.基于时间混色方式的冷暖双色 LED 调光调色光源 J.广东工业大学学报，2016，33（01）:79-80.4 尹华平.一种集成RGBW数字LED控制的驱动电路 P .中国实用新型专利，CN215734954U，2022-02-01.5 黄家炎.一种 RGBW 调光调色逻辑控制电路 P.中国实用新型专利，CN216437528U，2022-05-03.6 熊晨雨.白光LED色稳定及混光优化的研究与应用 D .广州:华南理工大学大学，2017:14.7 Yao Q，Zhang L，Dai Q，et al.Chromaticity-based real-time assessment of melanopic and luminous efficiency ofsmartphone displays J .Optics Express，2020，28（04）:216-220.8 许建兴.多通道 LED 混光算法应用研究 J.光学学报，2022（05）:10-11.9 张庆煌，周伟杰，方金海.RGBW 驱动电路 P.中国实用新型专利，CN209218430U，2019-08-06.Research on RGBW Lighting System Based on Constant Voltage and Constant CurrentZHOU Weijie（Liming Vocational University，Quanzhou 36200，China）Abstract:Aiming at the problems of low color control accuracy，shallow dimming depth，complex circuit and high cost of existing RGBW LED lamps，a new RGBW full-color LED control scheme is proposed.In this scheme，RGB light and W white light are controlled by constant voltage(CV)and constant current(CC)modes of flyback driving power supply respectively;When the load current is lower than the preset constant current point，the driving power supply works in CV mode，on the contrary，it works in CC mode;RGB target color is controlled according to the derived light mixing equations.The experimental results show that the scheme can not only meet the constant current output in daily white light lighting and realize the high-precision target color control in RGB scene lighting，but also has the advantages of excellent dimming depth，simple circuit and low cost;Therefore，the scheme can provide a good reference for the development of RGBW LED lighting lamps.Key words:RGBW;color coordinates;dimming depth;constant voltage and constant current;lighting