基于红绿兰的发光二极管发光体系统的制作方法
专利名称：基于红绿兰的发光二极管发光体系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及基于红绿兰(RGB)的发光二极管发光体，更具体地说，涉及用来控制基于RGB的发光二极管发光体的系统，其中按照三基色激励值的不同而在发光体的混合输出光和所需光之间调整驱动发光二极管发光体的正向电流，使得发光二极管发光体产生所需的色彩和亮度。
在先有技术中我们知道，基于红色、绿色和蓝色(RGB)发光二极管的发光体被用来产生各种包括在白光中的光色彩，它被广泛用于各种应用中，如液晶显示器的背景照明、商业冷藏室照明、白光照明等。用基于发光二极管的发光体照明带有一些困难的问题，因为发光二极管的光学特性随温度、正向电流和老化而改变。此外，在相同发光二极管制造工艺的各批次之间，单个发光二极管的特性有很大差异。因此，基于RGB的发光二极管发光体所产生的光的质量可以有很大差别，没有合适的反馈系统则不能获得想要的白光色彩和亮度。
先有技术中一种已知的系统使用流明反馈温度正向馈送控制系统，用以控制白色发光二极管发光体，以提供具有固定流明输出白光的稳定色彩。温度正向馈送补偿系统对因结温度导致的色温不同提供补偿，并提供基准流明。流明反馈控制系统将每一RGB二极管流明调整为基准流明。此控制系统需要发光二极管的温度特性鉴定，这需要高成本的工厂校准。另外，它还需要短暂地断开发光二极管光源以进行光测量。发光二极管光源的断开会产生闪变现象，因此电源必须要有快速响应时间。此外还需要脉宽调制驱动方法来克服随正向电流的LED变化。使用PWM控制使实现变得复杂，另外，发光二极管也不能发挥其全部潜能。
因此，技术上存在对控制基于RGB的发光二极管发光体的成本较低的控制系统的需要，而无上述先前技术中的问题。
本发明公开一种新颖的控制方法及控制基于RGB的LED发光体的系统，它将代表基于RGB的LED发光体混合输出光的反馈三基色激励值与代表所需光的基准三基色激励值进行比较，并调整LED发光体的正向电流，使得三基色激励值的差减为零。
具体地说，所述控制系统包括反馈单元，它包含用以产生LED发光体反馈三基色激励值的光电二极管；以及控制器，用来取得反馈三基色激励值和所需基准三基色激励值之差，并且用来产生控制电压以调节LED发光体正向电流，使得三基色激励值之差减为零。
进行比较的三基色激励值可以或者属于CIE 1931三色系统或属于新的RGB色度系统，但在任一情况中，对发光体的控制都跟踪基准三基色激励值。因此，在稳定状态下的反馈三基色激励值跟随所需的基准三基色激励值，LED发光体产生的光具有所要的目标色温和流明输出，它被精确地调整为目标值，而不管结温度、正向电流和LED老化的变化。
由于要对混合光的三基色激励值进行测量以便进行控制，所以本发明的控制方法无需用于获得与温度相关的LED特性的工厂标定。此外，它克服了LED的批与批的不同，由于使用任何批次的LED，这可导致可观的成本下降。
因为光电二极管仅测量混合光，而不考虑红绿蓝LED光源的单个成份，所以此方案无需断开电源以进行光测量。因此，电源无需迅速的瞬时响应。此外，由于LED容许较高的波纹因而较高的波纹并不影响系统性能这一事实，LED驱动器中关于波纹的极限值可以较大。这些因素促成了电源的成本节约。
当参照附图阅读以下最佳实施例的详细说明时，本发明的上述和其他特性和优点将更加清楚，附图中
图1是显示基于RGB的LED发光体的示意的图解说明，它结合了本发明闭环控制系统；图2显示控制器的功能，其中控制器跟踪CIE 1931三基色激励值；图3显示控制器的功能，其中控制器跟踪RGB色度系统中的三基色激励值；图4说明本发明闭环控制系统的设计，它将CIE 1931三基色激励值作为基准输入；图5是用于选择基于RGB的LED发光体的合适的控制器的流程图；图6说明本发明闭环控制系统的设计，它将RGB色度系统中的三基色激励值作为基准输入；以及图7a和7b说明本发明控制系统控制算法的流程图。
参考图1，它举例说明基于RGB的白光LED发光体系统的各组件，包括白光LED发光体10、反馈单元20和基准跟踪控制器30。作为示范性实施例，此处描述的是白光LED发光体10，但应理解本发明也应用于任何其他颜色的光。
白光LED发光体10包括红绿蓝(RGB)LED光源11、光学组件和散热器12以及具有三个独立的红绿蓝LED驱动器14的电源13。每个LED光源11都由多个具有相似电气和光学特性的LED构成，它们被适当地串联或并联以构成光源。这些发光二极管安装在散热器上，其在散热器上的布置取决于白光LED发光体10的应用，如用于背光和制冷器的光照明。根据应用场合，使用合适的光学系统来混合RGB发光二极管光源11的光输出以产生白光。
LED光源11由电源13驱动，后者包括用于三个RGB发光二极管光源11的三个独立驱动器14。电源13和用于LED光源11的驱动器14基于合适的交流-直流、直流-直流变换器布局。RGB发光二极管驱动器14从基准跟踪控制器30接收控制电压VCR-ref，VCG-ref和VCB- ref形式的LED正向电流基准信号，并向RGB发光二极管光源11提供必要的正向电流。LED驱动器14包括电流反馈和合适的电流控制系统，这使LED正向电流跟随其基准。这里的控制电压VCR-ref，VCG-ref和VCB-ref以关于驱动各LED光源11的相应的正向电流的电流控制系统为基准。
反馈单元20包括配备滤光片和必要的放大器的三个光电二极管21；以及信号转换电路，用以将光电二极管21的输出转换为可被基准跟踪控制器30所使用的电信号。光电二极管21以这样的方式安装在光学组件中的合适位置，即，使得光电二极管21接收到足够的混合光。因此，相应的光电流高于噪声电平，可以与噪声区分。光电二极管21还被屏蔽、使得光电二极管21不测量杂散的环境光线。光电二极管21设置的细节随具体应用而不同。放大器和信号转换电路将光电流转换为电压信号，并进行适当放大。
基准跟踪控制器30由用户接口31、基准发生器32和控制功能单元33构成，用以实现控制功能。基准跟踪控制器30可以用模拟或数字形式实现，但最好是利用微处理器和微控制器的数字实现。用户接口31从用户那儿获得所需的白色点和白光流明输出，并将其转换为适当的电信号，在基准发生器32上用它来产生三色基准。来自发生器32的基准和来自反馈单元20的反馈信号被输入到基准跟踪控制器30的控制功能单元33。
控制器30包括必要的控制功能单元33，用以跟踪和控制白光LED发光体10产生的混合光。代表白光所需颜色和流明输出的用户接口31的输出首先被输入到基准发生器32。基准发生器32根据这些用户输入信号为控制功能单元33导出必要的基准信号。控制功能单元33的反馈信号从反馈输出20导出。然后，控制功能单元33根据反馈信号和基准信号的状态为电源取得必要的控制电压，这又改变了LED光源的正向电流，使得反馈信号跟随基准。当系统达到稳定状态时，控制器30使反馈信号跟随基准信号。因为反馈信号代表白LED发光体10产生的白光，所以来自发光体10的光输出被调节为具有所需的色点和流明输出，不管LED的温度和正向电流如何都将保持。
应当指出，来自反馈单元20的输出信号和用户的基准信号输入是在两个不同系统中，即CIE 1931三色系统和新的RGB色度系统。两个系统中的三基色激励值可以互相线性变换，这将在下面作详细解释。
具体地说，用户接口31提供白光的所需色温和流明输出。白光的颜色由CIE 1931色度坐标值Xw-ref和Yw-ref代表。所需的流明输出以暗度的形式给出，它被变换为流明输出Lw-ref。输入所需的基准白光三基色激励值是在CIE 1931三色系统中，如下那样获得Yw-ref=Lw-ref683]]>Xw-ref=xw-refyw-ref*Yw-ref]]>Zw-ref=1-xw-ref-yw-refyw-ref*Yw-ref]]>具有滤光片和放大器组合的三个光电二极管21提供反馈信号，它代表新的RGB色度系统中的三基色激励值。新RGB色度系统中的三基色激励值可以变换为CIE 1931三基色激励值，这在专利申请第779016号中公开，标题为“检测用于控制发光体的三基色激励值的方法和系统”，它说明了通过使用三个光电二极管和滤光片组合来获得CIE 1931三基色激励值的转换技术(CIE 1931三基色激励值代表光源的颜色和流明)。专利申请第779016号的公开被包括在本文中作为参考并且作为附录A附在本文中。在所述方法中，CIE 1931三基色激励值通过使用转换技术从光电二极管的输出中获得，它定义如下XwYwZw=[TRGB-XYZ]3×3·RwGwBw]]>这里的Rw，Gw和Bw是光电二极管的输出，Xw，Yw和Zw是对应的光源CIE 1931三基色激励值。变换矩阵TRGB-XYZ用来将光电二极管-放大器组合的输出转换为CIE 1931三基色激励值，获得所述矩阵系数的方法在上面提到的专利申请第779016号中说明。此处应当指出，可以定义新的色度系统(例如RGB)，光电二极管的输出[RwGwBw]是新RGB色度系统中对应于CIE 1931三基色激励值[XwYwZw]的等价三基色激励值。
因此，光电二极管21和放大器组合的输出提供了检测白光LED发光体10所产生的混合光三基色激励值的手段。当基准信号也以三基色激励值的形式导出时，则为白光LED发光体10的混合白光输出设计了具有基准和反馈信号的基准跟踪控制系统。通过改变驱动LED光源11的正向电流，白光LED发光体10产生的光的三基色激励值也将改变，并因而使RGB发光二极管光源11的三支正向电流成为控制输入。根据基准和反馈信号的状态，控制功能单元33控制RGB发光二极管光源11的三支正向电流，以便将基准和反馈信号之间的差别或错误减为零。因为电源13和LED驱动器14提供正向电流，所以控制器30要向LED驱动器14提供必要的控制电压，LED驱动器然后提供正向电流。
控制功能可以用来将CIE 1931三基色激励值[Xw，Yw，Zw]或RGB色度系统中等价的三基色激励值[Rw，Gw，Bw]调整为其对应的基准三基色激励值。因为CIE 1931三基色激励值[Xw，Yw，Zw]和RGB系统之间的转换是线性的，所以在这两种情况下白光LED发光体10的控制是相同的。但是，基准输入信号必须以合适的形式导出，基准跟踪控制器的功能根据控制质量来采纳不同形式，这在图2和图3中显示。
在图2中，基准跟踪控制系统跟踪来自白光LED发光体10光输出的CIE 1931 XYZ三基色激励值，以跟随其基准。白光所需颜色和流明输出的基准CIE 1931三基色激励值首先从用户接口31获得，并输入到控制功能单元33。光电二极管21借助滤光片提供RGB色度系统中混合光的三基色激励值。来自白光LED发光体10的光输出的CIE 1931三基色激励值通过在光电二极管21和放大器组合的输出上应用变换矩阵[TRGB-XYZ]来获得。检测到的CIE 1931三基色激励值也输入到控制功能单元33。恰当选择控制功能单元33中的控制功能，以便提供具有所需瞬时响应的稳定的闭合系统，这将在稍后解释。控制功能单元33根据基准信号和反馈信号之间的误差为电源13产生控制电压。控制功能单元33是个MIMO系统，它同时控制RGB发光二极管的正向电流以将误差减为零。
对白光的色点和流明输出的跟踪还可通过使控制器30跟踪RGB色空间的等价三基色激励值来实现，如图3所示。在这种情况下，CIE1931三基色激励值的基准值被转换为RGB系统，并被作为基准信号输入到控制功能单元33(这儿的变换矩阵[TXYZ-RGB]是[TXYZ-RGB]的逆形式)Rw-refGw-refBw-ref=[TXYZ-RGB]·Xw-refYw-refZw-ref]]>光电二极管21和放大器组合的输出被直接输入到控制功能单元33，所述控制功能单元然后跟踪三基色激励值以遵循其基准。
用户输入端具有以适当形式提供所需白光信息的装置。具有预定颜色和暗度设置的按钮控制开关或分压器可被用来提供电信号，后者可以被解释为颜色和流明输出。若控制器30以数字形式实现，则这些值可以存储在存储阵列中，并且根据用户选择，可以将它们从存储器中读出。通过这种途径，选择颜色和流明输出的用户接口31变得更加容易实现，并具有简单的优点。
必须指出的是，控制功能是多重输入多重输出(MIMO)功能，其三基色激励值是输出，三支正向电流是控制输入。因此，仅当所有三个误差减为零时，才能达到稳定状态。在稳定状态条件下，反馈信号遵从基准信号，后者是从白光所需的颜色和流明输出中导出的。因此，白光LED发光体10产生的白光含有所要的颜色和流明输出。
因为仅检测来自白光LED发光体10的混合光三基色激励值，此方案无需检测来自单个LED光源11的光输出。因此它可消除对光测量而断开LED光源的需要，这样，电源13无需快速瞬变特性。并且，LED正向电流以直流电的形式提供，因此无需PWM驱动方案来提供平均电流。因为，利用控制电压校正由正向电流引起的白光流明输出和颜色的任何变化，正向电流由直流电提供，因而不需要复杂的PWM方法。而且，可以在无任何性能退化的情况下提高正向电流中的波纹量，它可导致电源成本的下降。由于向光电二极管21和放大器组合添加滤光片，所以在测量三基色激励值中除去波纹是可能的。
因为在所述控制方法中控制三基色激励值，LED中批与批的差别得到了克服。此方法无需温度前馈系统所需要的工厂LED特性鉴定。
因而，适当设计的基准跟踪控制系统可以将基准和反馈信号之间的误差减为零。因此，控制系统的准确性取决于用来检测三基色激励值的光电二极管和变换矩阵。
为取得具有所需瞬时响应的稳定闭环控制系统，必须适当地设计控制功能。为此，首先要获得RGB发光二极管发光体10和电源13的传递函数。必须指出的是，发光二极管的特性随温度、正向电流和批次而不同。因此，为发光二极管获得的任何传递函数模型取决于一种特定操作条件，因而不存在不变的白光LED发光体模型。然后，发光二极管11和白光LED发光体10的控制模型取决于发光体10中使用的LED个数、其特性以及工作点。模型中的不准确性通过使用控制器30来克服，它对于发光体10特性中的变化要具有一定程度的健壮性。尽管如此，传递函数模型的获得是将三基色激励值作为输出，并将正向电流作为控制输入，这是一种多重输入多重输出(MIMO)系统。
控制系统设计中的第二步是获得LED驱动器14和电源13的传递函数。传递函数的获得是将LED正向电流作为输出，将控制电压作为输入。小信号模型方法被用于此目的。
跟踪CIE 1931三基色激励值的基准跟踪控制系统框图示于图4。这里，基于RGB白光LED发光体10的传递函数表示为GLED(s)，RGB发光二极管驱动器14表示为GPS(s)。参数[IfR(s)IfG(s)IfB(s)]是LED正向电流。在图4中，GC(s)表示控制器30的传递函数。控制器30必须具有一定程度的健壮特性，以便使基于白光LED发光体模型设计的控制器30的性能不会因LED中的变化而改变很大。比例积分(PI)控制器将是健壮控制器的示例，它对于装置中的变化拥有一定程度的不变性和健壮特性。PI控制器在此作为示例进行说明，控制器30的传递函数在下面给出GC(s)=Kp11Kp12Kp13Kp21Kp22Kp23Kp31Kp32Kp33+1sKi11Ki12Ki13Ki21Ki22Ki23Ki31Ki32Ki33]]>其中Kp和Ki分别是比例和积分常数，它们必须正确地加以选择，以提供具有所需瞬时响应的稳定的闭环系统。图4中的框图用于设计控制系统，它也决定反馈系统的类型。此处说明的系统是单一反馈多重输入多重输出的基准跟踪系统。在图4中，基准三基色激励值和反馈三基色激励值之间的误差被输入至控制器30。因为控制器30包括积分电路，所以它根据现在和过去的误差导出控制操作，并通过对正向电流的控制驱使误差减为零。在稳定状态条件下，即当误差减为零时，反馈三基色激励值遵循其各自的基准。为获得良好的性能，必须谨慎地选择PI控制器的系数，以提供具有所需瞬时响应的稳定的控制系统。为此目的可以使用多种其他控制器，然后，反馈系统可以根据控制器采用不同形式。
图4中，白光LED发光体10的输出和至控制器30的误差输入之间的传递函数导出为[XYZ]w[XYZ]w-errGLED(s)*GPS(s)*GC(s)]]>现在可以使用多种控制设计技术来设计控制系统。一个这样的示例是使用伯德图方法，上述表达式将用于此方法。必须指出的是，白光LED发光体10的控制系统是个多变元系统，必须适当地选择控制器30的增益，以提供具有所需动态响应的稳定系统。合理设计的PI控制器将提供一个健壮的控制系统，并可不受LED变化的影响。
图5显示选择适当控制器及其增益的过程。首先，在步骤101获得基于RGB白光LED发光体10和电源13的传递函数。然后在步骤102得到光电二极管21和白光LED发光体10的变换矩阵[T]。接着在步骤103，选择如PI控制器这样的控制功能，并使用图4中所示传递函数模型导出控制器的增益。然后在步骤104利用模拟和实验方法验证控制器30的响应，若响应符合所需，则在步骤105以模拟或数字形式实现控制器30。数字实现方案需要选择取样间隔并在控制的设计中包含取样和保持效果、使得控制系统仍能产生所需响应。
图6显示反馈控制系统的框图，它跟踪RGB系统中的三基色激励值。在控制系统模型中，输出是RGB系统中的三基色激励值，它是光电二极管21和放大器组合的输出。CIE 1931三基色激励值是状态变量，变换矩阵是输出矩阵。图6中的虚线表示这里也可以将状态反馈用于控制过程。
图2和图3中所示的基准跟踪系统可以用模拟或数字形式实现。使用微控制器的数字实现提供了许多功能，例如可变颜色控制和暗度。对于数字实现，控制器的设计必须包括取样。控制系统设计还必须以离散形式实行。上述PI控制器取样数据系统中的控制定律(为了用数字形成实现)在下面给出Xw-err(k)Yw-err(k)Zw-err(k)=Xw-ref(k)Yw-ref(k)Zw-ref(k)-Xw(k)Yw(k)Zw(k)]]>VCR(k)VCC(k)VCB(k)=(Kp11Kp12Kp13Kp21Kp22Kp23Kp31Kp32Kp33-Ts2Ki11Ki12Ki13Ki21Ki22Ki23Ki31Ki32Ki33)·(Xw-err(k)Yw-err(k)Zw-err(k)-[Xw-err(k-1)Yw-err(k-1)Zw-err(k-1)])]]>+Ki11Ki12Ki13Ki21Ki22Ki23Ki31Ki32Ki33·Xw-err(k)Yw-err(k)Zw-err(k)]]>在上面的表达式中，Ts是取样间隔，[VCR(k)VCG(k)VCB(k)]是电源的控制电压，[Xw-err(k)Yw-err(k)Zw-err(k)]是在取样间隔为k时基准和反馈之间的误差。
上面的表达式显示控制电压和三个误差相联系，因此仅当所有三个误差都为零时系统才能达到稳定状态。
图7a和7b显示控制算法的流程图，若控制器30用数字形式实现的话。在开始步骤201中，微控制器30将外围设备初始化并设置计时器以产生取样间隔。然后在步骤202中，它输出电源的初始控制值，以使系统可以启动。因为数字实现提供了可变颜色和暗度控制功能，所以微控制器30在步骤203首先获得颜色控制和暗度的用户输入。用户接口31可以以描述性词语的形式如温白、冷白、日光等，或以色温形式如2700°K、5600°K等提供颜色选择。可以以范围(如25％，50％和100％)形式提供暗度选择。用户接口具有用适当形式提供这些信息的装置。Xw-ref、Yw-ref和流明输出Lw-ref的对应值存储在存储阵列中，微控制器在步骤204从所述存储器中取出所述信息。然后在步骤205获得CIE 1931三基色激励值，在步骤206获得RGB空间中的三基色激励值。如果需要跟踪CIE 1931三色系统中三基色激励值，则可以省略所述步骤。然后在步骤207中微控制器等待取样间隔出现。
在取样间隔之后，在步骤208中对光电二极管21和放大器组合的输出取样。然后，使用在步骤209中获得的误差，控制器在步骤210中根据基准输入和反馈信号计算电源的控制电压，并在步骤211中输出电源的控制电压。然后，微控制器检查用户输入的颜色和暗度是否改变了。若在步骤212中它改变了，则微控制器重复图7中显示的功能，否则它等待下一个取样间隔并执行控制操作。
以上说明了如何控制从基于RGB的白光LED发光体10产生的白光的基准跟踪控制系统。应当指出，因为使用基准跟踪控制系统来控制三基色激励值，所述控制系统可以用来控制任何由基于LED发光体产生光的颜色。因此，本公开的应用并不限于白光照明，并且也适用于任何基于LED的照明。
对于本专业的技术人员来说，在不背离本发明主旨的情况下，可以作各种替代和改变。因此，本发明的范围完全由随附的权利要求书唯一地确定。
权利要求
1.一种由正向电流驱动产生混合光的基于RGB的LED发光体的控制系统，所述系统包括反馈单元20，用于产生代表所述发光体产生的所述混合光的反馈三基色激励值；以及控制器33，用于获得所述基准三基色激励值和代表所需混合光的基准反馈三基色激励值之间的差别并根据所述差别调整所述正向电流以便将所述差别减为零。
2.如权利要求1所述的控制系统，其特征在于所述反馈单元包括带有滤光片的光电二极管，它们安装在所述基于RGB的LED发光体的光学组件中。
3.如权利要求2所述的控制系统，其特征在于所述反馈单元还包括放大器56和信号转换电路，用以将所述光电二极管21的输出光电流转换为适当放大的电压信号。
4.如权利要求3所述的控制系统，其特征在于所述反馈单元还包括将RGB色度系统中所述反馈三基色激励值转换成CIE 1931三色系统中的三基色激励值的装置。
5.如权利要求3所述的控制系统，其特征在于所述反馈单元还包括用于向所述控制器发送所述反馈三基色激励值的装置。
6.如权利要求1所述的控制系统，其特征在于所述控制器包括用户接口31，用以供用户选择所述需要的混合光。
7.如权利要求6所述的控制系统，其特征在于所述控制器还包括用于获得代表由所述用户选择的所述需要的混合光的所述基准三基色激励值的装置。
8.如权利要求7所述的控制系统，其特征在于所述控制器还包括用于将CIE 1931三色系统中所述基准三基色激励值转换成RGB色度系统中基准三基色激励值的装置。
9.如权利要求1所述的控制系统，其特征在于所述控制器包括根据所述反馈和基准三基色激励值之间的所述差别产生控制电压并将所述控制电压加到所述基于RGB的LED发光体的LED驱动器、以便调整所述正向电流的装置。
10.如权利要求1所述的控制系统，其特征在于所述控制器包括用于从所述反馈单元接收所述反馈三基色激励值33的装置。
11.如权利要求1所述的控制系统，其特征在于所述控制器33以模拟电路的方式工作。
12.如权利要求1所述的控制系统，其特征在于所述控制器33以数字形式实现。
13.如权利要求12所述的控制系统，其特征在于所述控制器33包括用于预存储色温和流明值的存储器，用户可以选择这些值代表所述需要的混合光。
全文摘要
用于控制基于RBG的LED发光体的系统，它同时跟踪反馈和基准的三基色激励值，根据馈送的三基色激励值和基准三基色激励值之间的误差来调整驱动LED发光体的正向电流，直到误差为零。
文档编号G09G3/34GK1460393SQ02800893
公开日2003年12月3日 申请日期2002年3月19日 优先权日2001年3月29日
发明者S·穆图 申请人:皇家菲利浦电子有限公司
技术领域：
本发明涉及基于红绿兰(RGB)的发光二极管发光体，更具体地说，涉及用来控制基于RGB的发光二极管发光体的系统，其中按照三基色激励值的不同而在发光体的混合输出光和所需光之间调整驱动发光二极管发光体的正向电流，使得发光二极管发光体产生所需的色彩和亮度。
在先有技术中我们知道，基于红色、绿色和蓝色(RGB)发光二极管的发光体被用来产生各种包括在白光中的光色彩，它被广泛用于各种应用中，如液晶显示器的背景照明、商业冷藏室照明、白光照明等。用基于发光二极管的发光体照明带有一些困难的问题，因为发光二极管的光学特性随温度、正向电流和老化而改变。此外，在相同发光二极管制造工艺的各批次之间，单个发光二极管的特性有很大差异。因此，基于RGB的发光二极管发光体所产生的光的质量可以有很大差别，没有合适的反馈系统则不能获得想要的白光色彩和亮度。
先有技术中一种已知的系统使用流明反馈温度正向馈送控制系统，用以控制白色发光二极管发光体，以提供具有固定流明输出白光的稳定色彩。温度正向馈送补偿系统对因结温度导致的色温不同提供补偿，并提供基准流明。流明反馈控制系统将每一RGB二极管流明调整为基准流明。此控制系统需要发光二极管的温度特性鉴定，这需要高成本的工厂校准。另外，它还需要短暂地断开发光二极管光源以进行光测量。发光二极管光源的断开会产生闪变现象，因此电源必须要有快速响应时间。此外还需要脉宽调制驱动方法来克服随正向电流的LED变化。使用PWM控制使实现变得复杂，另外，发光二极管也不能发挥其全部潜能。
因此，技术上存在对控制基于RGB的发光二极管发光体的成本较低的控制系统的需要，而无上述先前技术中的问题。
本发明公开一种新颖的控制方法及控制基于RGB的LED发光体的系统，它将代表基于RGB的LED发光体混合输出光的反馈三基色激励值与代表所需光的基准三基色激励值进行比较，并调整LED发光体的正向电流，使得三基色激励值的差减为零。
具体地说，所述控制系统包括反馈单元，它包含用以产生LED发光体反馈三基色激励值的光电二极管；以及控制器，用来取得反馈三基色激励值和所需基准三基色激励值之差，并且用来产生控制电压以调节LED发光体正向电流，使得三基色激励值之差减为零。
进行比较的三基色激励值可以或者属于CIE 1931三色系统或属于新的RGB色度系统，但在任一情况中，对发光体的控制都跟踪基准三基色激励值。因此，在稳定状态下的反馈三基色激励值跟随所需的基准三基色激励值，LED发光体产生的光具有所要的目标色温和流明输出，它被精确地调整为目标值，而不管结温度、正向电流和LED老化的变化。
由于要对混合光的三基色激励值进行测量以便进行控制，所以本发明的控制方法无需用于获得与温度相关的LED特性的工厂标定。此外，它克服了LED的批与批的不同，由于使用任何批次的LED，这可导致可观的成本下降。
因为光电二极管仅测量混合光，而不考虑红绿蓝LED光源的单个成份，所以此方案无需断开电源以进行光测量。因此，电源无需迅速的瞬时响应。此外，由于LED容许较高的波纹因而较高的波纹并不影响系统性能这一事实，LED驱动器中关于波纹的极限值可以较大。这些因素促成了电源的成本节约。
当参照附图阅读以下最佳实施例的详细说明时，本发明的上述和其他特性和优点将更加清楚，附图中
图1是显示基于RGB的LED发光体的示意的图解说明，它结合了本发明闭环控制系统；图2显示控制器的功能，其中控制器跟踪CIE 1931三基色激励值；图3显示控制器的功能，其中控制器跟踪RGB色度系统中的三基色激励值；图4说明本发明闭环控制系统的设计，它将CIE 1931三基色激励值作为基准输入；图5是用于选择基于RGB的LED发光体的合适的控制器的流程图；图6说明本发明闭环控制系统的设计，它将RGB色度系统中的三基色激励值作为基准输入；以及图7a和7b说明本发明控制系统控制算法的流程图。
参考图1，它举例说明基于RGB的白光LED发光体系统的各组件，包括白光LED发光体10、反馈单元20和基准跟踪控制器30。作为示范性实施例，此处描述的是白光LED发光体10，但应理解本发明也应用于任何其他颜色的光。
白光LED发光体10包括红绿蓝(RGB)LED光源11、光学组件和散热器12以及具有三个独立的红绿蓝LED驱动器14的电源13。每个LED光源11都由多个具有相似电气和光学特性的LED构成，它们被适当地串联或并联以构成光源。这些发光二极管安装在散热器上，其在散热器上的布置取决于白光LED发光体10的应用，如用于背光和制冷器的光照明。根据应用场合，使用合适的光学系统来混合RGB发光二极管光源11的光输出以产生白光。
LED光源11由电源13驱动，后者包括用于三个RGB发光二极管光源11的三个独立驱动器14。电源13和用于LED光源11的驱动器14基于合适的交流-直流、直流-直流变换器布局。RGB发光二极管驱动器14从基准跟踪控制器30接收控制电压VCR-ref，VCG-ref和VCB- ref形式的LED正向电流基准信号，并向RGB发光二极管光源11提供必要的正向电流。LED驱动器14包括电流反馈和合适的电流控制系统，这使LED正向电流跟随其基准。这里的控制电压VCR-ref，VCG-ref和VCB-ref以关于驱动各LED光源11的相应的正向电流的电流控制系统为基准。
反馈单元20包括配备滤光片和必要的放大器的三个光电二极管21；以及信号转换电路，用以将光电二极管21的输出转换为可被基准跟踪控制器30所使用的电信号。光电二极管21以这样的方式安装在光学组件中的合适位置，即，使得光电二极管21接收到足够的混合光。因此，相应的光电流高于噪声电平，可以与噪声区分。光电二极管21还被屏蔽、使得光电二极管21不测量杂散的环境光线。光电二极管21设置的细节随具体应用而不同。放大器和信号转换电路将光电流转换为电压信号，并进行适当放大。
基准跟踪控制器30由用户接口31、基准发生器32和控制功能单元33构成，用以实现控制功能。基准跟踪控制器30可以用模拟或数字形式实现，但最好是利用微处理器和微控制器的数字实现。用户接口31从用户那儿获得所需的白色点和白光流明输出，并将其转换为适当的电信号，在基准发生器32上用它来产生三色基准。来自发生器32的基准和来自反馈单元20的反馈信号被输入到基准跟踪控制器30的控制功能单元33。
控制器30包括必要的控制功能单元33，用以跟踪和控制白光LED发光体10产生的混合光。代表白光所需颜色和流明输出的用户接口31的输出首先被输入到基准发生器32。基准发生器32根据这些用户输入信号为控制功能单元33导出必要的基准信号。控制功能单元33的反馈信号从反馈输出20导出。然后，控制功能单元33根据反馈信号和基准信号的状态为电源取得必要的控制电压，这又改变了LED光源的正向电流，使得反馈信号跟随基准。当系统达到稳定状态时，控制器30使反馈信号跟随基准信号。因为反馈信号代表白LED发光体10产生的白光，所以来自发光体10的光输出被调节为具有所需的色点和流明输出，不管LED的温度和正向电流如何都将保持。
应当指出，来自反馈单元20的输出信号和用户的基准信号输入是在两个不同系统中，即CIE 1931三色系统和新的RGB色度系统。两个系统中的三基色激励值可以互相线性变换，这将在下面作详细解释。
具体地说，用户接口31提供白光的所需色温和流明输出。白光的颜色由CIE 1931色度坐标值Xw-ref和Yw-ref代表。所需的流明输出以暗度的形式给出，它被变换为流明输出Lw-ref。输入所需的基准白光三基色激励值是在CIE 1931三色系统中，如下那样获得Yw-ref=Lw-ref683]]>Xw-ref=xw-refyw-ref*Yw-ref]]>Zw-ref=1-xw-ref-yw-refyw-ref*Yw-ref]]>具有滤光片和放大器组合的三个光电二极管21提供反馈信号，它代表新的RGB色度系统中的三基色激励值。新RGB色度系统中的三基色激励值可以变换为CIE 1931三基色激励值，这在专利申请第779016号中公开，标题为“检测用于控制发光体的三基色激励值的方法和系统”，它说明了通过使用三个光电二极管和滤光片组合来获得CIE 1931三基色激励值的转换技术(CIE 1931三基色激励值代表光源的颜色和流明)。专利申请第779016号的公开被包括在本文中作为参考并且作为附录A附在本文中。在所述方法中，CIE 1931三基色激励值通过使用转换技术从光电二极管的输出中获得，它定义如下XwYwZw=[TRGB-XYZ]3×3·RwGwBw]]>这里的Rw，Gw和Bw是光电二极管的输出，Xw，Yw和Zw是对应的光源CIE 1931三基色激励值。变换矩阵TRGB-XYZ用来将光电二极管-放大器组合的输出转换为CIE 1931三基色激励值，获得所述矩阵系数的方法在上面提到的专利申请第779016号中说明。此处应当指出，可以定义新的色度系统(例如RGB)，光电二极管的输出[RwGwBw]是新RGB色度系统中对应于CIE 1931三基色激励值[XwYwZw]的等价三基色激励值。
因此，光电二极管21和放大器组合的输出提供了检测白光LED发光体10所产生的混合光三基色激励值的手段。当基准信号也以三基色激励值的形式导出时，则为白光LED发光体10的混合白光输出设计了具有基准和反馈信号的基准跟踪控制系统。通过改变驱动LED光源11的正向电流，白光LED发光体10产生的光的三基色激励值也将改变，并因而使RGB发光二极管光源11的三支正向电流成为控制输入。根据基准和反馈信号的状态，控制功能单元33控制RGB发光二极管光源11的三支正向电流，以便将基准和反馈信号之间的差别或错误减为零。因为电源13和LED驱动器14提供正向电流，所以控制器30要向LED驱动器14提供必要的控制电压，LED驱动器然后提供正向电流。
控制功能可以用来将CIE 1931三基色激励值[Xw，Yw，Zw]或RGB色度系统中等价的三基色激励值[Rw，Gw，Bw]调整为其对应的基准三基色激励值。因为CIE 1931三基色激励值[Xw，Yw，Zw]和RGB系统之间的转换是线性的，所以在这两种情况下白光LED发光体10的控制是相同的。但是，基准输入信号必须以合适的形式导出，基准跟踪控制器的功能根据控制质量来采纳不同形式，这在图2和图3中显示。
在图2中，基准跟踪控制系统跟踪来自白光LED发光体10光输出的CIE 1931 XYZ三基色激励值，以跟随其基准。白光所需颜色和流明输出的基准CIE 1931三基色激励值首先从用户接口31获得，并输入到控制功能单元33。光电二极管21借助滤光片提供RGB色度系统中混合光的三基色激励值。来自白光LED发光体10的光输出的CIE 1931三基色激励值通过在光电二极管21和放大器组合的输出上应用变换矩阵[TRGB-XYZ]来获得。检测到的CIE 1931三基色激励值也输入到控制功能单元33。恰当选择控制功能单元33中的控制功能，以便提供具有所需瞬时响应的稳定的闭合系统，这将在稍后解释。控制功能单元33根据基准信号和反馈信号之间的误差为电源13产生控制电压。控制功能单元33是个MIMO系统，它同时控制RGB发光二极管的正向电流以将误差减为零。
对白光的色点和流明输出的跟踪还可通过使控制器30跟踪RGB色空间的等价三基色激励值来实现，如图3所示。在这种情况下，CIE1931三基色激励值的基准值被转换为RGB系统，并被作为基准信号输入到控制功能单元33(这儿的变换矩阵[TXYZ-RGB]是[TXYZ-RGB]的逆形式)Rw-refGw-refBw-ref=[TXYZ-RGB]·Xw-refYw-refZw-ref]]>光电二极管21和放大器组合的输出被直接输入到控制功能单元33，所述控制功能单元然后跟踪三基色激励值以遵循其基准。
用户输入端具有以适当形式提供所需白光信息的装置。具有预定颜色和暗度设置的按钮控制开关或分压器可被用来提供电信号，后者可以被解释为颜色和流明输出。若控制器30以数字形式实现，则这些值可以存储在存储阵列中，并且根据用户选择，可以将它们从存储器中读出。通过这种途径，选择颜色和流明输出的用户接口31变得更加容易实现，并具有简单的优点。
必须指出的是，控制功能是多重输入多重输出(MIMO)功能，其三基色激励值是输出，三支正向电流是控制输入。因此，仅当所有三个误差减为零时，才能达到稳定状态。在稳定状态条件下，反馈信号遵从基准信号，后者是从白光所需的颜色和流明输出中导出的。因此，白光LED发光体10产生的白光含有所要的颜色和流明输出。
因为仅检测来自白光LED发光体10的混合光三基色激励值，此方案无需检测来自单个LED光源11的光输出。因此它可消除对光测量而断开LED光源的需要，这样，电源13无需快速瞬变特性。并且，LED正向电流以直流电的形式提供，因此无需PWM驱动方案来提供平均电流。因为，利用控制电压校正由正向电流引起的白光流明输出和颜色的任何变化，正向电流由直流电提供，因而不需要复杂的PWM方法。而且，可以在无任何性能退化的情况下提高正向电流中的波纹量，它可导致电源成本的下降。由于向光电二极管21和放大器组合添加滤光片，所以在测量三基色激励值中除去波纹是可能的。
因为在所述控制方法中控制三基色激励值，LED中批与批的差别得到了克服。此方法无需温度前馈系统所需要的工厂LED特性鉴定。
因而，适当设计的基准跟踪控制系统可以将基准和反馈信号之间的误差减为零。因此，控制系统的准确性取决于用来检测三基色激励值的光电二极管和变换矩阵。
为取得具有所需瞬时响应的稳定闭环控制系统，必须适当地设计控制功能。为此，首先要获得RGB发光二极管发光体10和电源13的传递函数。必须指出的是，发光二极管的特性随温度、正向电流和批次而不同。因此，为发光二极管获得的任何传递函数模型取决于一种特定操作条件，因而不存在不变的白光LED发光体模型。然后，发光二极管11和白光LED发光体10的控制模型取决于发光体10中使用的LED个数、其特性以及工作点。模型中的不准确性通过使用控制器30来克服，它对于发光体10特性中的变化要具有一定程度的健壮性。尽管如此，传递函数模型的获得是将三基色激励值作为输出，并将正向电流作为控制输入，这是一种多重输入多重输出(MIMO)系统。
控制系统设计中的第二步是获得LED驱动器14和电源13的传递函数。传递函数的获得是将LED正向电流作为输出，将控制电压作为输入。小信号模型方法被用于此目的。
跟踪CIE 1931三基色激励值的基准跟踪控制系统框图示于图4。这里，基于RGB白光LED发光体10的传递函数表示为GLED(s)，RGB发光二极管驱动器14表示为GPS(s)。参数[IfR(s)IfG(s)IfB(s)]是LED正向电流。在图4中，GC(s)表示控制器30的传递函数。控制器30必须具有一定程度的健壮特性，以便使基于白光LED发光体模型设计的控制器30的性能不会因LED中的变化而改变很大。比例积分(PI)控制器将是健壮控制器的示例，它对于装置中的变化拥有一定程度的不变性和健壮特性。PI控制器在此作为示例进行说明，控制器30的传递函数在下面给出GC(s)=Kp11Kp12Kp13Kp21Kp22Kp23Kp31Kp32Kp33+1sKi11Ki12Ki13Ki21Ki22Ki23Ki31Ki32Ki33]]>其中Kp和Ki分别是比例和积分常数，它们必须正确地加以选择，以提供具有所需瞬时响应的稳定的闭环系统。图4中的框图用于设计控制系统，它也决定反馈系统的类型。此处说明的系统是单一反馈多重输入多重输出的基准跟踪系统。在图4中，基准三基色激励值和反馈三基色激励值之间的误差被输入至控制器30。因为控制器30包括积分电路，所以它根据现在和过去的误差导出控制操作，并通过对正向电流的控制驱使误差减为零。在稳定状态条件下，即当误差减为零时，反馈三基色激励值遵循其各自的基准。为获得良好的性能，必须谨慎地选择PI控制器的系数，以提供具有所需瞬时响应的稳定的控制系统。为此目的可以使用多种其他控制器，然后，反馈系统可以根据控制器采用不同形式。
图4中，白光LED发光体10的输出和至控制器30的误差输入之间的传递函数导出为[XYZ]w[XYZ]w-errGLED(s)*GPS(s)*GC(s)]]>现在可以使用多种控制设计技术来设计控制系统。一个这样的示例是使用伯德图方法，上述表达式将用于此方法。必须指出的是，白光LED发光体10的控制系统是个多变元系统，必须适当地选择控制器30的增益，以提供具有所需动态响应的稳定系统。合理设计的PI控制器将提供一个健壮的控制系统，并可不受LED变化的影响。
图5显示选择适当控制器及其增益的过程。首先，在步骤101获得基于RGB白光LED发光体10和电源13的传递函数。然后在步骤102得到光电二极管21和白光LED发光体10的变换矩阵[T]。接着在步骤103，选择如PI控制器这样的控制功能，并使用图4中所示传递函数模型导出控制器的增益。然后在步骤104利用模拟和实验方法验证控制器30的响应，若响应符合所需，则在步骤105以模拟或数字形式实现控制器30。数字实现方案需要选择取样间隔并在控制的设计中包含取样和保持效果、使得控制系统仍能产生所需响应。
图6显示反馈控制系统的框图，它跟踪RGB系统中的三基色激励值。在控制系统模型中，输出是RGB系统中的三基色激励值，它是光电二极管21和放大器组合的输出。CIE 1931三基色激励值是状态变量，变换矩阵是输出矩阵。图6中的虚线表示这里也可以将状态反馈用于控制过程。
图2和图3中所示的基准跟踪系统可以用模拟或数字形式实现。使用微控制器的数字实现提供了许多功能，例如可变颜色控制和暗度。对于数字实现，控制器的设计必须包括取样。控制系统设计还必须以离散形式实行。上述PI控制器取样数据系统中的控制定律(为了用数字形成实现)在下面给出Xw-err(k)Yw-err(k)Zw-err(k)=Xw-ref(k)Yw-ref(k)Zw-ref(k)-Xw(k)Yw(k)Zw(k)]]>VCR(k)VCC(k)VCB(k)=(Kp11Kp12Kp13Kp21Kp22Kp23Kp31Kp32Kp33-Ts2Ki11Ki12Ki13Ki21Ki22Ki23Ki31Ki32Ki33)·(Xw-err(k)Yw-err(k)Zw-err(k)-[Xw-err(k-1)Yw-err(k-1)Zw-err(k-1)])]]>+Ki11Ki12Ki13Ki21Ki22Ki23Ki31Ki32Ki33·Xw-err(k)Yw-err(k)Zw-err(k)]]>在上面的表达式中，Ts是取样间隔，[VCR(k)VCG(k)VCB(k)]是电源的控制电压，[Xw-err(k)Yw-err(k)Zw-err(k)]是在取样间隔为k时基准和反馈之间的误差。
上面的表达式显示控制电压和三个误差相联系，因此仅当所有三个误差都为零时系统才能达到稳定状态。
图7a和7b显示控制算法的流程图，若控制器30用数字形式实现的话。在开始步骤201中，微控制器30将外围设备初始化并设置计时器以产生取样间隔。然后在步骤202中，它输出电源的初始控制值，以使系统可以启动。因为数字实现提供了可变颜色和暗度控制功能，所以微控制器30在步骤203首先获得颜色控制和暗度的用户输入。用户接口31可以以描述性词语的形式如温白、冷白、日光等，或以色温形式如2700°K、5600°K等提供颜色选择。可以以范围(如25％，50％和100％)形式提供暗度选择。用户接口具有用适当形式提供这些信息的装置。Xw-ref、Yw-ref和流明输出Lw-ref的对应值存储在存储阵列中，微控制器在步骤204从所述存储器中取出所述信息。然后在步骤205获得CIE 1931三基色激励值，在步骤206获得RGB空间中的三基色激励值。如果需要跟踪CIE 1931三色系统中三基色激励值，则可以省略所述步骤。然后在步骤207中微控制器等待取样间隔出现。
在取样间隔之后，在步骤208中对光电二极管21和放大器组合的输出取样。然后，使用在步骤209中获得的误差，控制器在步骤210中根据基准输入和反馈信号计算电源的控制电压，并在步骤211中输出电源的控制电压。然后，微控制器检查用户输入的颜色和暗度是否改变了。若在步骤212中它改变了，则微控制器重复图7中显示的功能，否则它等待下一个取样间隔并执行控制操作。
以上说明了如何控制从基于RGB的白光LED发光体10产生的白光的基准跟踪控制系统。应当指出，因为使用基准跟踪控制系统来控制三基色激励值，所述控制系统可以用来控制任何由基于LED发光体产生光的颜色。因此，本公开的应用并不限于白光照明，并且也适用于任何基于LED的照明。
对于本专业的技术人员来说，在不背离本发明主旨的情况下，可以作各种替代和改变。因此，本发明的范围完全由随附的权利要求书唯一地确定。
权利要求
1.一种由正向电流驱动产生混合光的基于RGB的LED发光体的控制系统，所述系统包括反馈单元20，用于产生代表所述发光体产生的所述混合光的反馈三基色激励值；以及控制器33，用于获得所述基准三基色激励值和代表所需混合光的基准反馈三基色激励值之间的差别并根据所述差别调整所述正向电流以便将所述差别减为零。
2.如权利要求1所述的控制系统，其特征在于所述反馈单元包括带有滤光片的光电二极管，它们安装在所述基于RGB的LED发光体的光学组件中。
3.如权利要求2所述的控制系统，其特征在于所述反馈单元还包括放大器56和信号转换电路，用以将所述光电二极管21的输出光电流转换为适当放大的电压信号。
4.如权利要求3所述的控制系统，其特征在于所述反馈单元还包括将RGB色度系统中所述反馈三基色激励值转换成CIE 1931三色系统中的三基色激励值的装置。
5.如权利要求3所述的控制系统，其特征在于所述反馈单元还包括用于向所述控制器发送所述反馈三基色激励值的装置。
6.如权利要求1所述的控制系统，其特征在于所述控制器包括用户接口31，用以供用户选择所述需要的混合光。
7.如权利要求6所述的控制系统，其特征在于所述控制器还包括用于获得代表由所述用户选择的所述需要的混合光的所述基准三基色激励值的装置。
8.如权利要求7所述的控制系统，其特征在于所述控制器还包括用于将CIE 1931三色系统中所述基准三基色激励值转换成RGB色度系统中基准三基色激励值的装置。
9.如权利要求1所述的控制系统，其特征在于所述控制器包括根据所述反馈和基准三基色激励值之间的所述差别产生控制电压并将所述控制电压加到所述基于RGB的LED发光体的LED驱动器、以便调整所述正向电流的装置。
10.如权利要求1所述的控制系统，其特征在于所述控制器包括用于从所述反馈单元接收所述反馈三基色激励值33的装置。
11.如权利要求1所述的控制系统，其特征在于所述控制器33以模拟电路的方式工作。
12.如权利要求1所述的控制系统，其特征在于所述控制器33以数字形式实现。
13.如权利要求12所述的控制系统，其特征在于所述控制器33包括用于预存储色温和流明值的存储器，用户可以选择这些值代表所述需要的混合光。
全文摘要
用于控制基于RBG的LED发光体的系统，它同时跟踪反馈和基准的三基色激励值，根据馈送的三基色激励值和基准三基色激励值之间的误差来调整驱动LED发光体的正向电流，直到误差为零。
文档编号G09G3/34GK1460393SQ02800893
公开日2003年12月3日 申请日期2002年3月19日 优先权日2001年3月29日
发明者S·穆图 申请人:皇家菲利浦电子有限公司
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