专利名称：经磷转换的发光二极管的色温校正的制作方法
技术领域：
本发明涉及对发光二极管进行操作的方法。更具体的是，本发明涉及对发光二极管的发射光谱进行颜色校正的技术。
在目前市场上，白色的LED灯可以从Nichia、LumiLeds及其他发光半导体厂家得到。单芯片白光LED在照明市场上有着巨大的潜力。白光LED不需要复杂的控制和驱动电路或混色光学器件，具有几乎统一的制造工艺。基于单片LED的产生白光的现有载体是以用不同类型的荧光和磷光物质进行波长变换的技术为基础的。原则上，用LED结的蓝光或UV波长的发射来泵激所涂的用于光谱下变换的磷。一个例子是带有黄磷的LumiLeds白色LED。
磷的持续时间通常近似用e-at形式或指数律t-n或者这两者组合的指数衰减来表征。在本说明中，不失一般性地将磷光衰减过程用下式近似Lye1Tp,---(1)]]>其中，Ly为在去掉蓝或UV激励时刻的初始磷光发射。
持续时间降到10％的发磷光时间(标为衰减时间Tpd)从小于1μs到大于1秒，取决于所用材料的特性。在现有的高功率PC-LED例子中，测得的衰减时间常数(Tp)小于1μs。注意，Tpd≈4Tp。通常，呈现快速上升和衰减特性的磷与传统的通常衰减持续时间为10μs到100ms的中等电平的P20黄色/绿色磷相比亮度效率大约为50％以下。从可得到的PC-LED的数据表可见，磷的上升时间Tpr通常比衰减时间小几倍。PC白色LED内的磷理想上设计成持续时间大约在100μs到10ms的范围内。
图10示出了白光磷转换的LED组件在不同的DC驱动电流下的典型功率辐射谱。460nm附近的第一光谱峰是由于LED结(InGaN)的辐射引起的，而最大值在500-600nm附近的带宽较宽的第二峰是由于受到46nm附近的光子泵激的黄磷的发射引起的。
一旦在生产过程期间将磷材料涂在管芯圆顶周围，PC白色LED的相对发射光谱就固定了。在正常的DC电流驱动情况下，得到的与白光有关的色温(CCT)和颜色再现指数(CRI)在特定的结工作温度(如25℃)几乎是固定的。在结温度从25℃改变到80℃时，实验结果表明可以导致CCT增加差不多800K。这种CCT的漂移可以认为是磷转换的白色LED的不合适和不希望有的性质。LED CCT的漂移对于人对LED所照射的物体的颜色感觉具有相应的漂移影响。
此外，现有的改变多色LED发射的光谱含量的方法需要有多个幅度可变的电流源，从而增加了复杂性和成本。因此所希望的是能有一种可以克服这些及其他一些限制的使用现有的PC白色LED的方法。
本发明旨在提供一种在由脉冲宽度调制(PWM)电流驱动的磷转换的LED(PC-LED)的发射光谱内提供颜色校正的系统和方法。确定对驱动电流信号的调制。根据所确定的调制对恒定幅度的电流信号进行调制。再用经调制的电流信号在LED的发射光谱内实现色温校正。
按照本发明的另一方面，提供了一种在磷转换的LED的发射光谱内提供色温校正的设备。这种设备包括颜色校正控制电路和与之连接的磷转换的LED。
本发明还包括一种在由恒定电流PWM驱动的磷转换的白光LED的发射光谱内提供色温校正的系统。这种系统包括确定使发射光谱得到颜色校正的驱动电流调制的装置、用所确定的调制对电流信号进行调制的装置和施加经调制的电流信号从而在LED的发射光谱内实现色温校正的装置。
从以下结合附图对示范性的实施例的详细说明中可以清楚地看到本发明的以上这些及其他的特征和优点。该详细说明和附图仅仅是例示性的，并不是对本发明有所限制，本发明的范围由所附权利要求书及其等效方案进行限定。
图1示出了在Toff＞＞4Tp的低频f1典型的PC-LED驱动电流/蓝光发射和相应的磷光输出；图2示出了在Toff＞4Tp的中间范围频率f2典型的PC-LED驱动电流/蓝光发射和磷光输出；图3示出了在Toff≈4Tp的中间范围频率f3典型的PC-LED驱动电流/蓝光发射和磷光输出；图4示出了在Toff＜4Tp的中间范围频率f4典型的LED驱动电流/蓝光发射和磷光输出；图5为在本发明的一个实施例中的受到颜色校正的磷转换的LED系统的方框图；图6为在本发明的一个实施例中的颜色校正控制电路的方框图；图7为在本发明的另一个实施例中的带有颜色感应的受到颜色校正的磷转换的LED系统的方框图；图8示出了在由PWM电流驱动的磷转换的LED的发射光谱内提供颜色校正的过程；图9示出了现有技术的将调制加到一个LCD串上的简化电路实施例；以及图10示出了现有技术的白光磷转换的LED的功率辐射谱。
图1示出了在低频f1并且Toff＞＞4Tp的情况下，典型的驱动电流/蓝光发射100和相应的磷光输出110。概括地说，PC白色LED受频率为f0的恒定幅度的方波电流驱动。驱动信号的占空比为D＝Ton/(Toff+Ton)＝Ton/T＝Tonf0。因此，假设LED响应时间在50ns以下，在f0＜10MHz时LED结的蓝光发射通常跟随驱动电流信号。对于本例来说，假设f1≈200Hz。在这个条件下，磷光上升和衰减时间与截止时间Toff相比小到可以忽略。可以参考CIE颜色图表确定一个颜色坐标对，它描述了LED结和磷的组合发射。白光色点坐标(xw，yw)由以下方程确定xwywIyw=xbybxyyyIybIyy*IbIy,---(2)]]>其中，(xb，yb)和(xy，yy)分别为蓝光和黄磷光的颜色坐标，强度分别为Ib=LbTonf0LbTonf0+LyTonf0---(3)]]>Iy=LyTonfoLbTonfo+LyTonfo---(4)]]>图2和3示出了分别在诸如Toff＞4Tp的f2200和Toff≈4Tp的f3300之类的中间范围频率fmid时典型的LED驱动电流/蓝光发射和相应的磷光输出210、310。在中间频率范围内，磷光衰减过程开始对LED白光色点有影响。虽然蓝光强度保持为LbTonf0，但黄光强度由下式表示Iy(fmid)=foLy[T2-Tpα(1-eαT1Tp)+Tp(1-eT3-T2Tp)],---(5)]]>其中，α＞1。
白光色点(xw，yw)于是可以根据式(2)、(3)和(5)确定。
图4示出了在Toff＜4Tp的较高频率f4时典型的LED驱动电流/蓝光发射400和相应的磷光输出410。在更高频率范围内，磷光衰减过程对LED白光色点具有显著影响。虽然蓝光强度仍然保持为LbTonf0，但黄光强度由于更高频率驱动信号的影响而成为前面诸如在图2和3中所讨论的漂移和进一步增强的线性组合。黄光强度于是可表示为下式Iy(fhigh)=foLy[T2-Tpα(1-eαT1Tp)+Tp(1-eT3-T2Tp)]+Iy0,---(6)]]>其中，α＞1。
白光颜色坐标点(xw，yw)可以根据式(2)、(3)和(6)再一次确定。注意，由于PWM驱动电流的占空比与驱动电流频率无关，因此可替换地使用占空比来调整随LED的总光输出相应增大的CCT色移。此外，还可以用对恒定幅度的PWM电流信号进行占空比和频率调制，在补偿色温漂移的同时保持光输出不变。以所说明的方式，可以用一个经调制的PWM电流信号来调整磷转换的LED的发射光谱的幅度和形状。
在以下说明中，术语“连接”意味着在所说明的组件之间的直接电连接或者通过一个或多个无源或有源组件的连接。词组“颜色坐标”意味着“白光颜色坐标”。
图5为在本发明的一个实施例内的受到颜色校正的磷转换的LED系统的方框图。图5示出了颜色校正PC-LED系统500，它包括颜色校正控制电路600和磷转换的LED520。在图5中，颜色校正控制电路600(以下称为控制电路)示为与磷转换的LED(以下称为PC-LED)520连接。控制电路600的一个实施例稍后将结合图6详细说明。
控制电路600通常是一个为PC-LED520提供颜色校正控制的系统和器件的组合。控制电路600配置成用来确定对驱动电流信号的调制，根据所确定的调制对一个恒定幅度的电流信号进行调制，再将经调制的电流信号加到PC-LED520上，使PC-LED520的输出发射光谱内颜色得到校正。
PC-LED520是任何适合颜色校正的磷转换的LED。具体地说，PC-LED520通常具有由于工作温度而引起的CCT漂移。然而，本发明可以应用于在希望任何CCT偏移时对PC-LED520进行颜色变换，无论这偏移是否是与工作温度引起的CCT漂移相反的漂移。例如，低成本白光PC-LED520可能具有对于一个诸如阅读照明或夜间照明之类的特定应用不合需要的颜色坐标集合，因此可以用控制电路600根据应用使CCT向上或向下偏移来实现对LED输出的颜色调整。应该注意的是，虽然本说明应用于磷转换的白光LED，但本发明可以应用于任何PC-LED，包括设计成具有白光之外的光谱输出的PC-LED。
图6为在本发明的一个实施例中的颜色校正控制电路的方框图。图6示出了一个颜色校正控制电路600，它包括电源650、PWM调制器660和处理器控制系统670。电源650示为与处理器控制系统670和PWM调制器660连接。处理器控制系统670示为还与PWM调制器660连接。在控制电路600内可能还包括其他一些组件(未示出)，诸如电压和电流调整组件、温度监测装置、用户控制器等。电源650有选择地将经调整或未经调整的功率提供给负荷，而且可以包括各种调整电路。
在工作中，电源650根据来自处理器控制系统670的控制信号有选择地与PWM调制器660连接。各种产生和控制脉冲宽度调制的电流信号和将这信号耦合给负荷的装置和方法对本领域的普通技术人员来说是公知的，因此不再详细说明。
处理器控制系统670是一种控制系统，通常包括诸如微控制器(未示出)之类的处理器和各种所连接的组件，诸如输入/输出接口、含有所存储的处理器可执行指令(未示出)和所存储的数据(未示出)的存储器(未示出)之类。处理器控制系统可以有一个存储器，其中存有预定的基准数据，诸如按照式(1)参考LED工作温度曲线确定的颜色坐标点之类。在一个实施例(未示出)中，处理器控制系统670配置成接收LED工作温度信息，以允许根据由一些计算得到的颜色坐标组成的查找表进行基于LED温度的颜色校正。
在工作中，处理器控制系统670配置成确定造成诸如PC-LED520之类的LED的输出光谱内的CCT偏移的调制方案。处理器控制系统670能够确定对PWM驱动电流信号的频率和/或占空比调制。在一个实施例中，处理器控制系统670可以根据LED的输出实时收集测量数据，如图7所示。在一个实施例中，处理器控制系统670根据诸如PC-LED520输出强度的各个数据通过按照式(1)计算颜色坐标对来确定调制。实现处理器控制系统670的各种配置对本领域的普通技术人员来说是公知的，因此不再详细说明。
本领域技术人员可以看到，实现本发明也可以用其他的电路实施方式，例如用一个简化电路对LED串进行调制，如图9所示。
图7为在本发明的另一个实施例中的带有颜色感应的受到颜色校正的磷转换的LED系统的方框图。图7示出了一个受到颜色校正的PC-LED系统700，它包括颜色校正控制电路600、磷转换的LED520和颜色传感系统730。在图7中，颜色校正控制电路600示为与磷转换的LED520连接。磷转换的LED520示为向颜色传感系统730辐射光。
颜色校正系统700除了与图5的颜色校正系统500相同的部件外还添加了颜色传感系统730。颜色传感系统是任何设计成能感应与诸如PC-LED520之类的光源相应的颜色的系统。
在工作中，颜色传感系统730用来感应PC-LED520光发射的CCT，根据感应到的光发射为颜色校正电路提供颜色信号。颜色传感系统可以以任何形式，诸如表示PC-LED520光发射的光谱含量的数字调制或模拟信号，发送颜色信号。在颜色传感系统730与控制电路600之间的反馈控制环于是能随着时间的推移按一些可变参数控制PC-LED520发射光谱的CCT。各种在颜色校正系统700内实现颜色传感系统730的其他配置对本领域的普通技术人员来说是公知的，因此不再详细说明。
在以下对过程的说明中，一个或多个步骤可以合并在一起或者同时执行，这并不背离本发明。
图8示出了在由PWM电流驱动的磷转换的LED的发射光谱内提供颜色校正的过程。过程800开始于步骤810。在步骤810，确定对驱动电流信号的调制。调制通常是需加到一个方波PWM电流信号上的频率或占空比调制。调制可以随时确定。例如，可以根据数据信号、接通周期或用户输入来确定调制。该确定通常由诸如图5、6和7中的颜色校正控制电路之类的系统执行。或者，也可以根据厂商数据按照式(1)预先确定调制，并置于查找表中供诸如处理器控制系统670之类的处理器参考。根据诸如PC-LED在如温度、总的光输出和磷成分变化等变化的工作条件下所希望的CCT之类的准则确定调制。调制可以通过在预先选择一个坐标对(xw，yw)下用式(1)同时解式(2)、(3)、(4)或(5)确定。
在步骤820，根据在步骤810确定的调制对恒定幅度的电流信号进行调制。恒定幅度的电流信号通常由诸如电源650之类的稳压电源提供。在一个实施例中，处理器控制系统670根据在步骤810确定的调制有选择地将功率从电源650耦合给PWM调制器660，以产生一个经调制的电流信号。其他用电流和/或频率调制来调制恒定幅度的PWM电流信号的方法对于本领域的普通技术人员来说是显而易见的，就不再进一步详细说明。
在步骤830，用经调制的电流信号在PC-LED的发射光谱内进行颜色校正。将经调制的电流信号加到诸如PC-LED520之类的LED上。在一个实施例中，将在步骤820调制的电流信号从颜色校正电路600传送给PC-LED520。电流信号在步骤820调制后，随时施加经调制的电流信号。将经调制的电流信号加到PC-LED520上就实现了对CCT偏移的校正，补偿由于温度引起的漂移或者用于其他目的。在一个实施例中，所施加的电流信号包括频率和占空比调制，以使CCT校正不影响得到这电流信号的PC-LED的总的光输出。
虽然以上示出和说明了本发明的一些优选实施例，但对于本领域的普通技术人员来说可以进行许多的变形和可替代的实施例。因此，本发明仅由所附权利要求书限定。
权利要求
1.一种在由PWM电流驱动的磷转换的LED的发射光谱内提供色温校正的方法，所述方法包括下列步骤确定对驱动电流信号的调制810；根据所确定的调制对恒定幅度的电流信号进行调制820；以及施加经调制的电流信号以便在LED的发射光谱内实现色温校正830。
2.如权利要求1的方法，其中调制的确定810包括确定第一LED 520的发射光谱的颜色坐标集合和第二LED 520的发射光谱的颜色坐标集合，其中所述第一颜色坐标集合表示在第一LED 520的工作温度下的LED 520发射光谱而所述第二颜色坐标集合表示在LED 520发射光谱内由于LED 520在第二工作温度工作而引起的CCT漂移。
3.如权利要求2的方法，其中确定电流信号调制810，以便在LED520工作温度从第一LED 520工作温度改变到第二LED 520工作温度时向LED 520进行所确定的电流信号调制，从而使LED 520在第一颜色坐标集合的发射光谱基本不变830。
4.如权利要求1的方法，其中所述调制包括改变电流信号的频率。
5.如权利要求1的方法，其中所述调制包括改变电流信号的占空比。
6.如权利要求5的方法，其中所述LED 520的总的光输出响应电流信号占空比的改变而改变。
7.如权利要求5的方法，其中改变所述电流信号的频率，以便保持LED 520的总的光输出不变。
8.如权利要求1的方法，其中所述施加经调制的电流信号830包括根据所确定的调制有选择地将电源650连接到磷转换的LED 520上。
9.如权利要求8的方法，其中所述LED 520是磷转换的白光LED。
10.如权利要求9的方法，其中在所述磷发射强度响应电流信号调制而增大时，所述LED 520的结发射强度基本上恒定。
11.一种在磷转换的LED 520的发射光谱内提供色温校正的设备，所述设备包括颜色校正控制电路600；以及与控制电路600连接的磷转换的LED 520，其中该控制电路被配置成用于确定对LED 520的驱动电流信号的调制810，根据所确定的调制对恒定幅度的电流信号进行调制820，以及将经调制的电流信号加到LED 520上从而在LED 520的发射光谱内实现色温校正830。
12.如权利要求11的设备，其中所述控制电路600包括具有可配置的频率和占空比的恒定电流幅度的脉冲宽度调制电路660。
13.如权利要求12的设备，其中所述控制电路600包括电源650，其被有选择地配置成将功率传送给脉冲宽度调制电路660。
14.如权利要求11的设备，其中所述控制电路600包括处理器控制系统670。
15.如权利要求14的设备，其中所述处理器控制系统670能控制下列步骤确定对LED 520的驱动电流信号的调制810；根据所确定的调制对恒定幅度的电流信号进行调制820；以及将经调制的电流信号加到LED 520上从而在LED 520的发射光谱内实现色温校正830。
16.如权利要求15的设备，其中调制的确定810包括确定第一LED 520的发射光谱的颜色坐标集合和第二LED 520的发射光谱颜色坐标集合，其中所述第一颜色坐标集合表示在第一LED 520的工作温度下LED 520的发射光谱，而所述第二颜色坐标集合表示在LED 520发射光谱内由于LED 520在第二工作温度工作而引起的CCT漂移，以及其中确定电流信号调制810，以便在LED 520工作温度从第一LED 520工作温度改变到第二LED 520工作温度时将所确定的电流信号调制施加到LED 520上，从而使LED 520在第一颜色坐标集合的发射光谱基本不变830。
17.如权利要求11的设备，其中所述LED 520是白光磷转换的LED。
18.如权利要求15的设备，其中所述LED 520是InGaN磷转换的白光LED 520。
19.一种在由恒定电流PWM驱动的磷转换的白光LED 520的发射光谱内提供色温校正的系统，所述系统包括用于确定使发射光谱得到颜色校正的驱动电流调制810的装置；用于利用所确定的调制对电流信号进行调制820的装置；用于施加经调制的电流信号以便在LED的发射光谱内实现色温校正830的装置。
全文摘要
在磷转换的LED520中的颜色校正。本发明提供了一种在由PWM电流驱动的磷转换的LED的发射光谱内进行颜色校正的系统和方法。确定对驱动电流信号的调制810。根据所确定的调制对恒定幅度的电流信号进行调制820。施加经调制的电流信号以便在发射光谱内实现颜色校正830。本发明提供了在磷转换的LED的发射光谱内提供颜色校正的设备520。本发明还提供了颜色校正控制电路和与之连接的磷转换的LED600。
文档编号H05B35/00GK1732717SQ200380107539
公开日2006年2月8日 申请日期2003年12月18日 优先权日2002年12月26日
发明者C·昌 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司