基于視覺舒適的LED驅(qū)動器評價方法

宋潔瓊 林燕丹 童立青 孫耀杰

(復(fù)旦大學(xué)光源與照明工程系，上海 200433)

1 引言

隨著社會整體生活水平的提高以及半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，人們對燈具的要求不僅是作為自然光的延伸，而且開始關(guān)注燈具與能源［1，2］、個性化照明［3］以及生理節(jié)律、心理情緒調(diào)節(jié)［4］之間的關(guān)系，因此對LED驅(qū)動器提出更高的需求。對于LED驅(qū)動器基本評價指標(biāo)可借鑒一些成熟的電路評價體系中如成本、功率、功率因數(shù)、諧波含量、輸出電壓和電流波形等參數(shù)?？紤]到LED特殊的光電特性以及復(fù)雜多變的視覺應(yīng)用場合，在評價過程中還應(yīng)注意其他因素。如目前毛昭祺［5］等人在研究LED驅(qū)動壽命及可靠性的關(guān)鍵因素，驅(qū)動壽命與LED長壽命之間的差異將影響整體燈具性能而降低LED長壽命特性的應(yīng)用價值，因此有必要將驅(qū)動壽命以及可靠性作為系統(tǒng)評價的一個重要因素。此外，人們很容易忽略的一個問題是驅(qū)動器與燈具光能變化中所引起的視覺舒適度之間的關(guān)系。本文將著重闡釋LED驅(qū)動器與人眼舒適度等因素之間的關(guān)系，并由此建立基于視覺舒適度的驅(qū)動器評價系統(tǒng)。

人類獲取信息主要渠道來自于視覺通道，在自然界中經(jīng)過漫長的進化過程也早已適應(yīng)了太陽光連續(xù)光譜的照明環(huán)境，形成特殊的光譜敏感特性，稱為光譜光效率函數(shù)，如圖1所示［6］。

圖1 光源的相對光譜功率分布與V(λ)曲線［6］

而對于特定光源來說，調(diào)光過程中驅(qū)動方式的改變所引起的電能質(zhì)量變化則最終會影響光源發(fā)光光譜的變化，隨之帶來視覺感受上的變化。因此驅(qū)動器的選擇對光源工作狀態(tài)有至關(guān)重要的影響，要建立具備全局觀的驅(qū)動器評價體系，則必須從驅(qū)動器能否協(xié)同系統(tǒng)其它部件使系統(tǒng)功效發(fā)揮到最大的角度來考量。

本文在前人研究基礎(chǔ)上創(chuàng)新性建立起LED驅(qū)動與最終視覺舒適度之間的影響關(guān)系，如圖2所示，打通電路以及視覺照明兩部分專業(yè)之間的壁壘，并綜合其他評判因素建立LED驅(qū)動器的評價體系。鑒于評價因素眾多，且不同因素間存在定量分析與定性分析的區(qū)別，難以用統(tǒng)一方程表述，因此我們本文利用層次分析法 (Analytic Hierarchy Process，AHP)建立評價模型，最大限度實現(xiàn)公正客觀的評價［7］，對不同場合的LED驅(qū)動應(yīng)用起到選型評判作用。

圖2 驅(qū)動電路與視覺舒適度間關(guān)系

2 驅(qū)動電路拓撲與波形對視覺影響

光源的作用就是將電能轉(zhuǎn)換為人眼可見的光能。其光能能量形式以及變化趨勢都與輸入電能的能量形式有密切關(guān)系。由于LED光源具有一定的特殊性，與傳統(tǒng)光源還有所區(qū)別，因此本文著重從以下幾點討論LED驅(qū)動與其所引起的視覺變化之間的關(guān)系。

(1)光源視覺效果受光譜影響

由于人工光源光譜與日光光譜之間存在差異，因此人眼視覺會出現(xiàn)多種不適應(yīng)的問題，如視覺信息獲取失誤或視覺不舒適等癥狀。好的照明品質(zhì)與光譜組成密切相關(guān)。如光源性能中所定義的顯色性，則由光源光譜功率分布所決定。具有連續(xù)光譜特性的光源如日光、白熾燈和具有特定顏色光組合的混合光源均有較好的顯色性［6］，如圖3和圖4所示。

圖3 3000K金鹵燈光譜功率分布

圖4 5400K熒光燈光譜功率分布

對于特定光源而言，點亮期間發(fā)生的光譜變化則會對視覺感受產(chǎn)生一定影響。研究表明，InGaN LED發(fā)光的峰值波長會隨著驅(qū)動電流的增加向短波方向移動［8］，而波長在±1nm的變化范圍內(nèi)就足以形成人眼可覺察的顏色偏移［9］。這是因為LED屬于電流驅(qū)動型器件，當(dāng)驅(qū)動電流變化時會引起LED結(jié)溫變化改變發(fā)光材料禁帶寬度，最終導(dǎo)致發(fā)光波長產(chǎn)生偏移［10，11］，最終導(dǎo)致照明光源的視覺效果發(fā)生變化，如圖5所示。

圖5 RGB混光與白光LED色坐標(biāo)隨電流變化圖［12］

LED具有極快的響應(yīng)速度，響應(yīng)時間達納秒級，而且屬于電流驅(qū)動型器件。在小電流范圍內(nèi)，發(fā)光亮度L(cd/m2)與工作電流IF近似成正比［13］。

因此，驅(qū)動過程中細微的驅(qū)動電流的變化也會引起響應(yīng)的LED亮度變化，要想實現(xiàn)理想的照明效果，則必須控制電流使得波長穩(wěn)定在理想?yún)^(qū)域，實現(xiàn)精確調(diào)光。而對驅(qū)動器來說，則需要設(shè)定影響光源波長的穩(wěn)定性評價性指標(biāo)。

(2)調(diào)光過程對視覺影響

LED具有響應(yīng)快、顏色多變等特點，因而常用于各種調(diào)光場合當(dāng)中，實現(xiàn)亮度及顏色的變化。在光線變化過程中，低亮度情況下人眼對光線的細微變化很敏感;而在較亮?xí)r，由于人眼視覺的飽和，光線較大的變化卻不易被察覺。這是由于接受光線刺激的神經(jīng)結(jié)構(gòu)按照機能被分為各個單元，因此只有在刺激量增量大到足以興奮一個附加的神經(jīng)量子單位時，才能察覺到刺激增量。刺激增量的大小將取決于該刺激量高于上一個興奮了的神經(jīng)單位的閾限多少，如圖6所示。即視覺的心理感受量與實際的物理刺激量并不是線性對應(yīng)，感受亮度 (B)與實際亮度 (L)之間存在如下關(guān)系［14］:

圖6 感覺量與刺激量強度關(guān)系示意圖

因此在系統(tǒng)調(diào)光過程中，為避免出現(xiàn)忽快忽慢的調(diào)光視覺效果，需要針對設(shè)計特殊的驅(qū)動變化過程來實現(xiàn)亮度線性平穩(wěn)。

此外日本愛媛大學(xué)Masafumi JINNO教授通過研究PWM波驅(qū)動方式對LED發(fā)光的影響發(fā)現(xiàn)，在60Hz頻率、占空比5%驅(qū)動情況下，人眼感受到的亮度約為直流電壓時相比2倍［15］。進一步說明，即使利用PWM調(diào)光，在特定情況下也會出現(xiàn)感覺亮度與實際亮度變化之間呈非線性關(guān)系。

(3)不同驅(qū)動波形對LED發(fā)光影響

LED具有特殊的伏安驅(qū)動特性，因此只有對驅(qū)動器進行合理的設(shè)計解決電源變換問題才能保證LED正常發(fā)光。目前將上千種驅(qū)動方案按最終輸出驅(qū)動電流形式可分為以下幾類:穩(wěn)壓器控制下的恒流波形、調(diào)光所用的PWM波形、開關(guān)電源輸出的三角波波形、交流驅(qū)動時正弦波形以及可控硅調(diào)光下的斬波波形。由于不同波形驅(qū)動下LED周期內(nèi)點亮?xí)r間不同，產(chǎn)熱不同引起芯片內(nèi)結(jié)溫變化，此外，電流改變也會引起能帶填充效應(yīng)，從而產(chǎn)生能帶變寬、峰值波長偏移最終導(dǎo)致LED顏色變化［16］。據(jù)Marc Dyble研究表明，由于PWM調(diào)光采用連續(xù)周期性地開與關(guān)，而LED在調(diào)光過程中始終保持恒定的電流開通，因此整個調(diào)光過程中所引起的LED顏色偏移小于恒流驅(qū)動所引起的顏色偏移［12］。

綜上所述，人眼對視覺信息的捕捉與光譜曲線分布密切相關(guān)。驅(qū)動電流的變化、不同的驅(qū)動方式以及調(diào)光過程都會對LED發(fā)光光譜長分布的變化產(chǎn)生影響。因此而引起顏色偏移、甚至視覺不舒適的感覺。鑒于驅(qū)動與視覺間的各種聯(lián)系，因此在對其進行評價時，有必要將驅(qū)動與視覺舒適度之間的聯(lián)系列入考察指標(biāo)，具體評價指標(biāo)將在下一節(jié)進行詳細討論。由于考察因素眾多且無法將各指標(biāo)以單一方程進行統(tǒng)一，因此本文引入層次分析法建立多角度全方位的評價體系。

3 建立多層次評價模型

3.1 評價模型建立

本文所述綜合評價系統(tǒng)的總體目標(biāo)為綜合各方面因素評判特定場合下最優(yōu)的LED驅(qū)動器。依上文所述，LED驅(qū)動燈具選擇涉及因素眾多，本文遵循層次分析法的理論，獲得如圖7所示層次判斷分析圖。以驅(qū)動與燈具系統(tǒng)匹配度、驅(qū)動自身性能以及視覺舒適性能三方面作為評價系統(tǒng)的準(zhǔn)則層，準(zhǔn)則層下細分為多項評價指標(biāo)構(gòu)成方案層。部分指標(biāo)已作為傳統(tǒng)驅(qū)動電路評價因素在此不做解釋。只對幾項涉及光源對視覺因素的影響指標(biāo)進行分析:

(1)電路的調(diào)光線性相關(guān)度

圖7 LED驅(qū)動選擇綜合評判系統(tǒng)指標(biāo)體系

一個調(diào)光周期內(nèi)光參數(shù)與LED平均光輸出之間的線性化較差，會使得光輸出形成突變或滯后于調(diào)光信號的變化，無法實時準(zhǔn)確地控制LED光輸出實現(xiàn)平滑過渡，增加調(diào)光不穩(wěn)定性。因此本文利用線性關(guān)系的公式 (3)衡量調(diào)光信號x與一個周期內(nèi)的平均光輸出y之間的線性相關(guān)度。r絕對值反應(yīng)兩變量間相關(guān)關(guān)系的密切程度，取值范圍是［－1，1］，當(dāng)越大則表示線性相關(guān)度越大。=1表示二者完全線性相關(guān)，而=0則表示零相關(guān)。

(2)調(diào)光穩(wěn)定度

LED具有快速響應(yīng)的優(yōu)點，因而方便調(diào)光。但在實際調(diào)光過程中，LED亮度可能隨驅(qū)動電流的快速變化形成一定的波動，如圖8所示。

圖8 不同調(diào)光方式下調(diào)光穩(wěn)定性示意圖

通常情況下人眼所感受到的是一個調(diào)光周期內(nèi)的平均光輸出，但當(dāng)亮度波動值超出目標(biāo)亮度的誤差允許范圍時，則會造成人眼可識別的閃爍現(xiàn)象，嚴(yán)重者可造成造成視覺疲勞、頭痛等癥狀［17］，同時這種波動也可能導(dǎo)致LED顏色發(fā)生偏移。由Daniele Gallo等人研究表明，人眼對亮度波動的感受程度與頻率相關(guān)，其敏感曲線G(f)如圖9所示［18］。

圖9 人眼對不同頻率光通量波動的敏感系數(shù)［18］

除頻率外，另外一個影響因素是受驅(qū)動波形震蕩引起的光源瞬時光輸出的波動變化［19］，以波動深度［20］來描述，如公式 (4) 所示。其中 Emax，Emin，Eav為一個調(diào)光周期內(nèi)照度變化的最大值、最小值和平均值。

(3)顏色穩(wěn)定性

根據(jù) K.H.Loo［21］以及 Marc.Dyble［12］等人的研究均表明，不同驅(qū)動方式會導(dǎo)致LED的光譜發(fā)生漂移因而引起不同程度的顏色或色溫變化，其中PWM調(diào)光方式引起的顏色偏移程度小于恒流調(diào)光方式。

3.2 權(quán)重計算

不同的應(yīng)用場合下LED驅(qū)動各判斷因素權(quán)重有所不同，如路燈、體育場照明、視頻應(yīng)用、工廠照明等場合對頻閃所引起的視覺舒適度要求很高，而廣告牌燈箱等戶外大型夜景工程對光源的舒適性則相對很低。而對于小家電等低功率應(yīng)用場合，對價格敏感度較高，并且對系統(tǒng)調(diào)光的精度和驅(qū)動復(fù)雜度要求都相應(yīng)降低。確定權(quán)重的方法是，在已建立的階梯層次綜合評價模型基礎(chǔ)上利用Delphi的1～9標(biāo)度法，如表1所示。

表1 1～9比較尺度含義

綜合專家評分得到如下兩兩對比判斷矩陣。再計算各層次對于系統(tǒng)的總排序權(quán)重排序。最后進行判斷矩陣的一致性驗證。而當(dāng)衡量一致性的指標(biāo)CI＜0.1時，如式 (1)所示，則稱判斷矩陣具有滿意的一致性

其中以求解判斷矩陣最大特征值所對應(yīng)的特征向量W的方式來獲得各層次的權(quán)重排序，即

4 綜合評價應(yīng)用實例分析

4.1 實例介紹

本文說明案例的應(yīng)用背景為演播室中調(diào)光系統(tǒng)替換工程，演播室中原有照明系統(tǒng)利用可控硅調(diào)光方式進行調(diào)節(jié)?，F(xiàn)響應(yīng)節(jié)能減排的號召，同時為增加演播照明效果的生動性，因此選用新型光源LED對原有照明系統(tǒng)進行替換。由于演播室用于視頻直播，因此對照明視覺舒適度的要求很高。頻閃會導(dǎo)致視覺圖像的模糊，而照明色彩的變化則要求平穩(wěn)準(zhǔn)確，實現(xiàn)最佳的照明效果。目前該替換工程擬選用有兩種驅(qū)動調(diào)光更換方案，A方案是在原有可控硅調(diào)光系統(tǒng)基礎(chǔ)上，采用兼容可控硅的驅(qū)動控制芯片LM3445進行驅(qū)動電路設(shè)計;B方案是基于LLC半橋諧振轉(zhuǎn)換器的PWM調(diào)光驅(qū)動電路。

4.2 權(quán)重分配

依照上述原則，采用權(quán)重分配方法，獲得如表2～表5所示的判斷矩陣。

表2 標(biāo)準(zhǔn)層B層相對于目標(biāo)層A層判斷矩陣

表3 指標(biāo)層C層相對于標(biāo)準(zhǔn)層B1判斷矩陣

表4 指標(biāo)層C層相對于標(biāo)準(zhǔn)層B2判斷矩陣

表5 指標(biāo)層C層相對于標(biāo)準(zhǔn)層B3判斷矩陣

對于方案層內(nèi)的評價指標(biāo)，由于距目標(biāo)層A的距離較遠，準(zhǔn)確確定其權(quán)重意義不大可以通過專家判定法分配適當(dāng)?shù)臋?quán)重，最后獲得各層次評價權(quán)重如圖10所示。

圖10 綜合評價指標(biāo)體系相對權(quán)重

4.3 驅(qū)動評價因素賦值及綜合評價對比

由于定量指標(biāo)和定性指標(biāo)往往具有不同的性質(zhì)和不同的量綱具有一定模糊性，難以直接用具體的數(shù)字量表述出來，為了消除它們對決策結(jié)果的影響而保留它們對綜合評價的影響程度，本文引入模糊評判理論進行評估。按照5級劃分法獲得各個評價指標(biāo)的模糊語言評分［22］。評價語集按影響程度劃分為V={極小，小，中，大，極大}，對應(yīng)分?jǐn)?shù)集V={1，3，5，7，9}。

對比兩種驅(qū)動方式性能參數(shù)，部分如表6所示，其余參數(shù)評價標(biāo)準(zhǔn)將進行詳細講解。

(1)電路的調(diào)光線相關(guān)度

對于本例而言，PWM調(diào)光模式下的一個周期的平均光輸出與控制輸入量PWM波占空比成正比，完全線性相關(guān)。兼容可控硅的調(diào)光方案，其驅(qū)動原理是將TRIAC斬波波形轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的PWM波，利用占空比與導(dǎo)通角之間的關(guān)系控制Buck電路實現(xiàn)輸出電流調(diào)節(jié)控制LED調(diào)光，最終光輸出與控制量導(dǎo)通角 (之間為線性關(guān)系。調(diào)光系統(tǒng)前端的可控硅電路是通過RC電路的充電時間來獲得電路延遲相位，當(dāng)電容上電壓Vt=V0+(V－V0)×(1－e－t/RC)達到可控硅導(dǎo)通電壓，則電路導(dǎo)通。其中由于可控硅導(dǎo)通電壓一定，則充電時間所控制的可控硅導(dǎo)通角與控制調(diào)節(jié)電阻成線性關(guān)系。因此兼容可控硅方案一個調(diào)光周期內(nèi)的光輸出平均值與控制信號電阻值變化成線性關(guān)系。

表6 兩種驅(qū)動方式電路部分性能對比

(2)調(diào)光穩(wěn)定度

由LM3445控制芯片的參數(shù)表可知［23］，該設(shè)計方案的驅(qū)動輸出端電流為400mA，其中電流波動值通常為輸出電流的15%～30%。由于LED的發(fā)光亮度L(cd/m2)與工作電流近似正比，因此上式中照度變化的比值可轉(zhuǎn)化為驅(qū)動電流比值δLM3445=該驅(qū)動方式波動頻率為250kHz。

(3)顏色穩(wěn)定性

由于該變化難以定量描述，因此按模糊語言直接給予評分，取PWM調(diào)光模式的顏色穩(wěn)定性影響評分為7，兼容可控硅模式輸出為恒流輸出對調(diào)光影響頻分定為5分。

最終獲得各指數(shù)評判分?jǐn)?shù)如表7所示。經(jīng)過矩陣運算后，得到各方案最終評價值為A=S×W'

從上述評判結(jié)果可知，盡管兼容可控硅的LM3445調(diào)光驅(qū)動方案在價格上占有一定的優(yōu)勢，而PWM調(diào)光調(diào)光方式驅(qū)動設(shè)計復(fù)雜。但如果綜合考慮電路特性、系統(tǒng)性能以及視覺舒適性等指標(biāo)的話，仍應(yīng)選擇PWM調(diào)光方式較為合適。

表7 各指標(biāo)評判分?jǐn)?shù)

5 結(jié)論

本文建立了可適用于不同場合的LED驅(qū)動器評判選擇系統(tǒng)，在前人研究經(jīng)驗上建立起驅(qū)動與人感官視覺之間的聯(lián)系，提出包含系統(tǒng)性能、電路性能、視覺舒適等多因素在內(nèi)的LED驅(qū)動評判指標(biāo)。由于該評判系統(tǒng)基于層次分析法進行設(shè)計，因此能夠在主觀與客觀、理論與實際等方面做到有效的權(quán)衡，獲得廣泛使用與各種不同應(yīng)用場合的客觀評價系統(tǒng)。同時這種評判體系也適用于LED復(fù)雜多變的應(yīng)用場合，實用性強，應(yīng)用廣泛。本文為LED驅(qū)動的評判選擇提供一種綜合性的新思路及方法，但涉及到具體的評判因素選擇還有待于在實踐當(dāng)中逐漸完善補充。

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