LED灯丝灯调光控制技术

吕天刚 ，吕鹤男，王跃飞，徐炳健

(1.鸿利智汇集团股份有限公司，广东 广州 510890；2.广州市莱帝亚照明股份有限公司，广东 广州 510890)

引言

LED灯丝灯是一种以LED为发光器件，模拟传统白炽灯灯丝和灯外形而设计的灯泡(若如无特殊说明，本文中的“LED灯丝”表示LED灯丝器件，“LED灯丝灯”或“灯”表示成品灯泡)。经过数年发展，LED灯丝灯产品技术不断升级，日趋完善。目前，LED灯丝灯技术发展到一个新的阶段，光品质、光色调制课题开始越来越受到大家的关注[1]。LED灯丝灯的独特之处在于其晶莹剔透的灯壳和灯壳里的“丝”。但是LED灯丝光源极细，不适合多路调光的设计，且每个灯丝只有两个电极,多路排布及及引线也无法实现。因此，LED灯丝灯光色调制技术的难点就在于需要同时满足LED灯丝灯的高颜值和光色调制的灵活性和完美光品质。这就是本文研究的主要内容。

1 现有LED灯丝灯技术

目前市场上的LED灯丝灯产品分成普通LED灯丝灯和具备可调光功能的LED灯丝灯两种。

1)普通LED灯丝和非调光LED灯丝灯。、LED灯丝指一种细丝状LED封装器件，是由多颗LED芯片在一根细丝状的基板上封装而成。用LED灯丝结合外壳同传统白炽灯外壳制作的灯泡就是LED灯丝灯。本文的“非调光LED灯丝灯”就是仅有恒定光输出功能，自身不具备调光功能，且不能兼容普通调光器进行调光输出的LED灯丝灯。普通LED灯丝灯一般发普通白光，不需要额外调光调色功能。设计主要以前面提到的普通LED灯丝器件为光源，再配以驱动(AC/DC恒流控制装置)[4]、灯外壳，共三大部分组成。每个组成部分又由多个细分部件组成，如灯外壳又包括：玻壳、灯头、灯柱等。这是目前市场上主流 LED灯丝灯产品。而非调光LED灯丝灯由于不用考虑调光功能，其设计方案都是极简的，外观和基本发光性能是这类产品设计的主要目标。这类LED灯丝和成品灯有很多优点，例如：外形美观、易于设计。灯丝双电极、体积小、外部接线简洁、便于组装。

2)可调光LED灯丝灯。现有LED灯丝灯调光技术主要包括两种类型：基于普通LED灯丝(如最常见的单回路LED灯丝)的调光设计；基于多回路LED灯丝的调光设计。

(a)基于普通LED灯丝的调光设计及产品特点。恒流驱动、PWM脉宽调制[4]驱动、可控硅相控驱动等多种驱动方式都适用于普通LED灯丝(也就是单回路LED ，包括串联、并联、混联电路)，此外，还有脉冲调频驱动、脉冲调项驱动等调光方式。普通LED灯丝有很多优点，例如：外形美观、易于设计。双电极、体积小、外部接线简洁、便于组装。从调光的角度来看，它也有其自身的缺点。尽管配合PWM调光和可控硅调光驱动，也可以实现光通量大小调节。但由于只有两个电极，其调光功能设计具有很大局限性，即只能单路控制，无法实现经典的多路混光混色设计[5,6]和色温、色调调节。

(b)基于多路LED灯丝的调光设计及特点。根据目标色温，选择参与调光的LED灯丝的发光色调/色温，为每种发光色调/色温设置一个可独立调节的通道。通过调节不同色调/色温的灯的光通量比例，实现调节混光输出的色调/色温[7]，即采用多路混光混色设计，实现色温、色调调节。回路数通常为二、三、四、五路，每个回路由一种光色的LED组成。如RGB三基色调光器就是由红、绿、蓝三种颜色的三个回路构成的。①多路LED灯丝，可调光多路LED灯丝灯即是基于传统多回路LED调光技术设计的。但具体实施方式有两种：方式一，在一个灯丝基板上设计两个或以上回路，每个回路由不同发光颜色/色温组成，且有可独立控制的电极引出端。配合多路输出的可调光控制器实现调光功能。方式二，采用多颗不同发光颜色/色温的普通LED灯丝，每颗LED灯丝为一独立回路，再配以调光控制电路，实现调光功能。这种方式制成的LED灯丝灯与普通LED灯丝灯外观相同。这两种可调光多路LED灯丝灯，调光原理相同，外形及配光效果不同。如：方式一，灯丝外形较宽，呈扁平状，和普通LED灯丝差异较大；方式二，无论是灯丝还是成品灯，在外观上都与普通灯无任何差别，只是灯点亮时，如仔细看，可见每个灯丝发光颜色/色温不同，混色效果没有第一种好。②基于多回路LED灯丝可调光设计。与基于普通LED灯丝的调光设计类似，其区别是，第一，增加了控制器输出回路数，第二，增加混光混色软件算法，算法内容主要包括：根据需要调节获得的光色目标值，分析参与混光颜色/色温种类，并计算各类混光单元混合比，根据比例加工成相应控制信号，将控制信号发送到所对应的回路进行输出。具体控制信号编码类型取决于硬件调光方式。多路LED灯丝灯调光方案优点是实现了LED灯丝灯的光色调节功能，配合PWM调光，可调光通量大小，可混光混色，可实现色温、色调调节。缺点是这种调光技术与LED灯存在先天的兼容性问题。方式一：功能方面，四电极、外部接线复杂、难组装。结构外观，体积大、不美观，与灯丝灯外观设计不协调。方式二：同一灯泡内采用不同色温的普通灯丝来实现混色，由于灯泡壳是透明的，点亮时混光效果差，视觉效果也不好。

2 LED灯丝灯调光设计方案

2.1 总体方案设计

1)设计需求分析。本文研究的目标是：设计开发一种可调光LED灯丝灯，包括新的LED灯丝和调光方法，解决现有可调光LED灯丝灯存在的诸多兼容性问题。通过微处理器数字控制的方式实现灯的光色调节，让人体验到舒适自然的光环境感受[9]。项目产品应能同时满足以下几个特征：第一，外观方面，成品灯完全保留单色LED灯丝灯的优势特征，具有与传统白炽灯较高的相似度。第二，结构方面，灯丝双电极、体积小、外部接线简洁、便于组装。第三，调光性能方面，除光通量大小调节外，还可混光混色实现发光颜色/色温调节。

2)总体方案。由颜色混合定律之格拉斯曼混光原理，两种颜色种类的光按照一定比例混合，可以获得另一种颜色的光。本项目采用 “异步双向脉宽调制驱动控制”。首先，在同一灯丝上均匀排列两种参与混光的LED，用特殊的连接方式串联连接，使两种LED分别独立串联并极性相反。然后，利用LED单向导电特性[10]，在仅有的两个电极上施加PWM脉冲驱动电流，并对不同极性方向的两路LED实施分时控制。由于人眼的视觉暂留现象，只要控制信号时间计算合理，其过程完全不会被察觉。本项目原理方框图如图1所示。

图1 原理方框图Fig.1 Schematic block diagram

2.2 硬件设计

1)灯丝器件设计。

(a)电路设计。根据总体设计方案，制定光源部分电路原理图(图2)。A、B为电路的两个输入端，也是灯丝的两个电极。L1～L4和L1′～L4′为灯丝的LED，LED分两种发光颜色，每种发光颜色为一个回路，其中，第一组是L1、L2、L3、L4，第二组是L1′、L2′、L3′、L4′，两组分别构成两种不同发光颜色的回路。并且两个回路极性相反，当驱动电流IF方向为COM1→COM2时，第一组LED点亮，第二组LED熄灭。当驱动电流IF方向为COM2→COM1时，第二组LED点亮，第一组LED熄灭。

图2 电路原理图Fig.2 Schematic circuit diagram

(b)结构设计。结构设计的质量直接关系到最终产品的外观和调光性能，如灯丝外形是否纤细、美观，混光是否均匀，事关整个项目的成败。所以，结构设计的基本要求就是满足两个要点：一是混光均匀，二是外观与普通非调光LED灯丝完全一致。图3是设计示例：基于双回路双色温(2 700 K/6 500 K)的可调光LED灯丝，配合控制器能实现色温在2 700～6 500 K可调。

为了实现设计目标，结构设计采取了以下措施：第一，采用了“暖白LED[蓝光芯片+荧光胶1(荧光粉+硅胶)]+ 冷白[蓝光芯片+荧光胶2(荧光粉+硅胶)]+扩散胶(扩散粉+硅胶)”的模式，而普通LED灯丝是简单的“蓝光芯片+荧光胶”形式。第二，双色温交替直线排列。实物图如图4所示。

1—暖白2 700 K(可根据需要选择任意色温或单色芯片)；2—冷白6 500 K(同上)；2.1—芯片；2.2—荧光胶；3—扩散胶；4—基板；4.1—电极。图3 结构示意图Fig.3 Structure diagram

图4 实物图Fig.4 Real product

2)控制装置设计。控制装置电路主要包括以下几个部分：第一，恒流驱动电路，由AC/DC开关电源制成，主要用于LED灯丝恒流驱动[11]。在此不作重点介绍。第二，数据处理电路，主要完成控制信号的识别、加工处理、输出。由单片机及周边电路组成(图5左)。第三，执行电路，主要功能是连接恒流驱动与LED灯丝负载，并受控于数据处理电路输出的信号。执行电路是一个由一组MOSFET(金属-氧化物半导体场效应晶体管)构成的极性翻转电路(图5右)，在单片机I/O口P0、P1、P2、P3不同的电平信号组合下，可实现极性的任意翻转。

图5 控制装置原理图Fig.5 Schematic diagram of control device

2.3 软件设计

依据总体方案设计思路，结合硬件设计部分，制定软件设计方案。本文软件设计阶段共分为三个部分来介绍：第一部分，设计依据，说明设计过程依据的基本原理。第二部分，混光实现，分析参与混光的不同极性方向上的发光单元和混光结果之间的关系，制定混光执行方案。第三部分，控制信号生成，分析单片机硬件I/O口与执行电路、混光输出之间的状态关系，制定调光信号编码。第四部分，软件编写，根据任务编制程序流程图，编写程序。

总体方案中提到了三个基本原理：脉冲电流的面积等效原理、颜色混合定律之格拉斯曼混光原理、人眼的视觉暂留现象。

1)混光实现[12]。由图5可知当改变驱动电流IF方向(即A→B到A←B)时，两组灯交替点亮。如图6的坐标系，Y轴代表电流，正负半轴代表电流的两个方向，A→B和A←B，X轴代表时间，X轴上下区间带颜色的部分分别代表第一组LED灯和第二组LED灯。图7为光输出波形，X、Y轴分别代表亮灯时间和光通量。

图6 电流波形Fig.6 Current waveform

图7 光输出波形Fig.7 Light output waveform

灯丝采用异步双向脉宽调制驱动控制，即在同一串联电路中，同一时间区间内，加载两个方向相反的脉动驱动电流，如图6所示，将IF1、IF2两个电流分别置于时间轴T的上下两个区间，其脉冲时间分别为：

①IF1：表示2 700 K白光LED驱动电流；

②IF2：表示6 500 K白光LED驱动电流；

③t1：表示IF1瞬时开启时间，0≤t1≤T1；

④t2：表示IF2瞬时开启时间，0≤t2≤T1；

⑤T1：表示IF1、IF2累计开启时间，T1=t1+t2；

⑥T2：表示IF1、IF2累计关闭时间，T2=1/f-T1(f为光输出频率，一般地f≥20 Hz)。

IF1、IF2均由连续脉冲组成，脉冲宽度t1、t2和脉冲周期(T1+T2)均根据混光原理计算输出而获得。且由于人眼的视觉暂留时间约为0.05～0.2 s，为了光输出视觉感受更稳定、更舒适，脉冲周期一般设定为小于50 ms。

根据面积等效理论，也就是冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。

所以，对于图7中的分时控制方式，IF1和IF2作用于同一电路的不同方向上，其各自的累积量与独立电路的情况是完全一样的。也就是说，图6与图7中，IF1与IF1′的效果是一样的，IF2与IF2′的效果也是一样的。

依据格拉斯曼混光原理，计算2 700 K和6 500 K的混光比例，并分别赋值给t1和t2，调节t1/t2的比值可以调节灯的色温，能实现灯色温在范围2 700～6 500 K(取决于参与混色的光源色温值)内可任意调节。

调节T1/(T1+T2)的比值可以调节灯输出的光通量大小，能实现灯光通量百分比在范围0～100%之间线性调节。

2)控制信号生成。根据本项目硬件设计可知单片机(MCU)IO口电平状态、LED执行电路状态和LED亮灯状态，三者之间的关系如表1所示。由此可以确定不同LED的亮灯时间，分别设定为，Lx的亮灯时间是t，Lx′的亮灯时间是t′,同时灭灯时间为ta。为了精确控制，将时间单位定为ms级。

表1 MCU I/O口-LED亮灯状态对照表Table 1 MCU I/O port-LED light status comparison table

3)软件编写。通过混光原理和亮灯控制方法，已经把任务由现实需求问题转化成数据处理问题。接下来是程序编写，软件由一个主程序和若干子程序构成，现就主程序和两个关键子程序(混光计算子程序，双向脉宽调制子程序)作介绍。

(a)主程序。如图8所示，主程序的控制方法：①开始；②初始化；③判断是否接收到调光指令，若是则执行混色混光计算子程序，若否则执行步骤④；④执行双向脉宽调制子程序；⑤判断色温亮度，若符合要求则直接输出，若不符合要求则进行补偿校准。

图8 主程序Fig.8 Main program

(b)混光计算子程序。如图9所示，混色混光计算子程序的控制方法：①输入设置值：用户目标色温值、用户目标亮度值；②由格拉斯曼定律计算2 700 K/6 500 K即t/t′，得到混色比例；由面积等效原理计算(t+t′)/T得到光通量比例；③完成。

图9 混光计算子程序Fig.9 Calculation subroutine for mixing light

(c)双向脉宽调制子程序。如图10所示，双向脉宽调制子程序的控制方法：①开始；②P3～P0赋值0110；③延时t；④P3～P0赋值1001；⑤延时t′；⑥P3～P0赋值1111；⑦延时ta；⑧完毕。

图10 双向脉宽调制子程序Fig.10 Bidirectional PWM subroutine

2.4 设计验证

经组装-调试后，使用YF1000光色电综合分析系统对各项性能参数进行测试，并做记录。经分析，功能正常，各项性能指标与原设计目标一致。特别是混色混光功能，色温调节、光通量调节柔和均匀，外形与普通LED灯丝一致，符合设计预期，具备实用性。具体试验结果如图11所示，图(a)、(b)分别为色温调节试验结果和光通量线性调节试验结果。

图11 验证结果折线图Fig.11 The polyline diagram of the verification results

就前面提到的LED灯丝灯设计中的“结构外观”和“调光效果”两个方面，将本文的LED灯丝灯调光方案，与前面介绍的普通LED灯丝灯和可调光LED灯丝灯综合对比，结果见表2。我们可以看出，本文的调光方案解决了原有LED灯丝灯技术存在的调光效果与结构外观不能兼容的问题。

表2 设计效果对比Table 2 Comparison of the design effect

3 总结

我们研究了一种LED灯丝灯调光设计方案，分析了现有LED灯丝灯技术，提出了设计目标、技术依据、总体方案和软硬件设计思路，并进行了实践和验证。通过试验，本文的方案能够解决原有LED灯丝灯技术存在的调光效果与结构外观不能兼容的问题，精确的色温调节功能和光通量线性调节功能，并且灯丝保留了双电极的结构，结构简洁，接线简单，从外形看与普通不可调光的LED灯丝一样。但是本文的方案存在成本较高、设计相对复杂两点不足。这两个问题实际上可以用同一个思路解决，即控制装置的集成化、规格化，将各个功能单元尽量集成在一个芯片中，包括单片机的功能，精简外围元件数量；并把软件一次性掩膜进芯片中，提高效率，提高可靠性，简化设计，降低成本。