基于视觉舒适的LED驱动器评价方法

宋洁琼 林燕丹 童立青 孙耀杰

(复旦大学光源与照明工程系，上海 200433)

1 引言

随着社会整体生活水平的提高以及半导体技术的发展，人们对灯具的要求不仅是作为自然光的延伸，而且开始关注灯具与能源［1，2］、个性化照明［3］以及生理节律、心理情绪调节［4］之间的关系，因此对LED驱动器提出更高的需求。对于LED驱动器基本评价指标可借鉴一些成熟的电路评价体系中如成本、功率、功率因数、谐波含量、输出电压和电流波形等参数。考虑到LED特殊的光电特性以及复杂多变的视觉应用场合，在评价过程中还应注意其他因素。如目前毛昭祺［5］等人在研究LED驱动寿命及可靠性的关键因素，驱动寿命与LED长寿命之间的差异将影响整体灯具性能而降低LED长寿命特性的应用价值，因此有必要将驱动寿命以及可靠性作为系统评价的一个重要因素。此外，人们很容易忽略的一个问题是驱动器与灯具光能变化中所引起的视觉舒适度之间的关系。本文将着重阐释LED驱动器与人眼舒适度等因素之间的关系，并由此建立基于视觉舒适度的驱动器评价系统。

人类获取信息主要渠道来自于视觉通道，在自然界中经过漫长的进化过程也早已适应了太阳光连续光谱的照明环境，形成特殊的光谱敏感特性，称为光谱光效率函数，如图1所示［6］。

图1 光源的相对光谱功率分布与V(λ)曲线［6］

而对于特定光源来说，调光过程中驱动方式的改变所引起的电能质量变化则最终会影响光源发光光谱的变化，随之带来视觉感受上的变化。因此驱动器的选择对光源工作状态有至关重要的影响，要建立具备全局观的驱动器评价体系，则必须从驱动器能否协同系统其它部件使系统功效发挥到最大的角度来考量。

本文在前人研究基础上创新性建立起LED驱动与最终视觉舒适度之间的影响关系，如图2所示，打通电路以及视觉照明两部分专业之间的壁垒，并综合其他评判因素建立LED驱动器的评价体系。鉴于评价因素众多，且不同因素间存在定量分析与定性分析的区别，难以用统一方程表述，因此我们本文利用层次分析法 (Analytic Hierarchy Process，AHP)建立评价模型，最大限度实现公正客观的评价［7］，对不同场合的LED驱动应用起到选型评判作用。

图2 驱动电路与视觉舒适度间关系

2 驱动电路拓扑与波形对视觉影响

光源的作用就是将电能转换为人眼可见的光能。其光能能量形式以及变化趋势都与输入电能的能量形式有密切关系。由于LED光源具有一定的特殊性，与传统光源还有所区别，因此本文着重从以下几点讨论LED驱动与其所引起的视觉变化之间的关系。

(1)光源视觉效果受光谱影响

由于人工光源光谱与日光光谱之间存在差异，因此人眼视觉会出现多种不适应的问题，如视觉信息获取失误或视觉不舒适等症状。好的照明品质与光谱组成密切相关。如光源性能中所定义的显色性，则由光源光谱功率分布所决定。具有连续光谱特性的光源如日光、白炽灯和具有特定颜色光组合的混合光源均有较好的显色性［6］，如图3和图4所示。

图3 3000K金卤灯光谱功率分布

图4 5400K荧光灯光谱功率分布

对于特定光源而言，点亮期间发生的光谱变化则会对视觉感受产生一定影响。研究表明，InGaN LED发光的峰值波长会随着驱动电流的增加向短波方向移动［8］，而波长在±1nm的变化范围内就足以形成人眼可觉察的颜色偏移［9］。这是因为LED属于电流驱动型器件，当驱动电流变化时会引起LED结温变化改变发光材料禁带宽度，最终导致发光波长产生偏移［10，11］，最终导致照明光源的视觉效果发生变化，如图5所示。

图5 RGB混光与白光LED色坐标随电流变化图［12］

LED具有极快的响应速度，响应时间达纳秒级，而且属于电流驱动型器件。在小电流范围内，发光亮度L(cd/m2)与工作电流IF近似成正比［13］。

因此，驱动过程中细微的驱动电流的变化也会引起响应的LED亮度变化，要想实现理想的照明效果，则必须控制电流使得波长稳定在理想区域，实现精确调光。而对驱动器来说，则需要设定影响光源波长的稳定性评价性指标。

(2)调光过程对视觉影响

LED具有响应快、颜色多变等特点，因而常用于各种调光场合当中，实现亮度及颜色的变化。在光线变化过程中，低亮度情况下人眼对光线的细微变化很敏感;而在较亮时，由于人眼视觉的饱和，光线较大的变化却不易被察觉。这是由于接受光线刺激的神经结构按照机能被分为各个单元，因此只有在刺激量增量大到足以兴奋一个附加的神经量子单位时，才能察觉到刺激增量。刺激增量的大小将取决于该刺激量高于上一个兴奋了的神经单位的阈限多少，如图6所示。即视觉的心理感受量与实际的物理刺激量并不是线性对应，感受亮度 (B)与实际亮度 (L)之间存在如下关系［14］:

图6 感觉量与刺激量强度关系示意图

因此在系统调光过程中，为避免出现忽快忽慢的调光视觉效果，需要针对设计特殊的驱动变化过程来实现亮度线性平稳。

此外日本爱媛大学Masafumi JINNO教授通过研究PWM波驱动方式对LED发光的影响发现，在60Hz频率、占空比5%驱动情况下，人眼感受到的亮度约为直流电压时相比2倍［15］。进一步说明，即使利用PWM调光，在特定情况下也会出现感觉亮度与实际亮度变化之间呈非线性关系。

(3)不同驱动波形对LED发光影响

LED具有特殊的伏安驱动特性，因此只有对驱动器进行合理的设计解决电源变换问题才能保证LED正常发光。目前将上千种驱动方案按最终输出驱动电流形式可分为以下几类:稳压器控制下的恒流波形、调光所用的PWM波形、开关电源输出的三角波波形、交流驱动时正弦波形以及可控硅调光下的斩波波形。由于不同波形驱动下LED周期内点亮时间不同，产热不同引起芯片内结温变化，此外，电流改变也会引起能带填充效应，从而产生能带变宽、峰值波长偏移最终导致LED颜色变化［16］。据Marc Dyble研究表明，由于PWM调光采用连续周期性地开与关，而LED在调光过程中始终保持恒定的电流开通，因此整个调光过程中所引起的LED颜色偏移小于恒流驱动所引起的颜色偏移［12］。

综上所述，人眼对视觉信息的捕捉与光谱曲线分布密切相关。驱动电流的变化、不同的驱动方式以及调光过程都会对LED发光光谱长分布的变化产生影响。因此而引起颜色偏移、甚至视觉不舒适的感觉。鉴于驱动与视觉间的各种联系，因此在对其进行评价时，有必要将驱动与视觉舒适度之间的联系列入考察指标，具体评价指标将在下一节进行详细讨论。由于考察因素众多且无法将各指标以单一方程进行统一，因此本文引入层次分析法建立多角度全方位的评价体系。

3 建立多层次评价模型

3.1 评价模型建立

本文所述综合评价系统的总体目标为综合各方面因素评判特定场合下最优的LED驱动器。依上文所述，LED驱动灯具选择涉及因素众多，本文遵循层次分析法的理论，获得如图7所示层次判断分析图。以驱动与灯具系统匹配度、驱动自身性能以及视觉舒适性能三方面作为评价系统的准则层，准则层下细分为多项评价指标构成方案层。部分指标已作为传统驱动电路评价因素在此不做解释。只对几项涉及光源对视觉因素的影响指标进行分析:

(1)电路的调光线性相关度

图7 LED驱动选择综合评判系统指标体系

一个调光周期内光参数与LED平均光输出之间的线性化较差，会使得光输出形成突变或滞后于调光信号的变化，无法实时准确地控制LED光输出实现平滑过渡，增加调光不稳定性。因此本文利用线性关系的公式 (3)衡量调光信号x与一个周期内的平均光输出y之间的线性相关度。r绝对值反应两变量间相关关系的密切程度，取值范围是［－1，1］，当越大则表示线性相关度越大。=1表示二者完全线性相关，而=0则表示零相关。

(2)调光稳定度

LED具有快速响应的优点，因而方便调光。但在实际调光过程中，LED亮度可能随驱动电流的快速变化形成一定的波动，如图8所示。

图8 不同调光方式下调光稳定性示意图

通常情况下人眼所感受到的是一个调光周期内的平均光输出，但当亮度波动值超出目标亮度的误差允许范围时，则会造成人眼可识别的闪烁现象，严重者可造成造成视觉疲劳、头痛等症状［17］，同时这种波动也可能导致LED颜色发生偏移。由Daniele Gallo等人研究表明，人眼对亮度波动的感受程度与频率相关，其敏感曲线G(f)如图9所示［18］。

图9 人眼对不同频率光通量波动的敏感系数［18］

除频率外，另外一个影响因素是受驱动波形震荡引起的光源瞬时光输出的波动变化［19］，以波动深度［20］来描述，如公式 (4) 所示。其中 Emax，Emin，Eav为一个调光周期内照度变化的最大值、最小值和平均值。

(3)颜色稳定性

根据 K.H.Loo［21］以及 Marc.Dyble［12］等人的研究均表明，不同驱动方式会导致LED的光谱发生漂移因而引起不同程度的颜色或色温变化，其中PWM调光方式引起的颜色偏移程度小于恒流调光方式。

3.2 权重计算

不同的应用场合下LED驱动各判断因素权重有所不同，如路灯、体育场照明、视频应用、工厂照明等场合对频闪所引起的视觉舒适度要求很高，而广告牌灯箱等户外大型夜景工程对光源的舒适性则相对很低。而对于小家电等低功率应用场合，对价格敏感度较高，并且对系统调光的精度和驱动复杂度要求都相应降低。确定权重的方法是，在已建立的阶梯层次综合评价模型基础上利用Delphi的1～9标度法，如表1所示。

表1 1～9比较尺度含义

综合专家评分得到如下两两对比判断矩阵。再计算各层次对于系统的总排序权重排序。最后进行判断矩阵的一致性验证。而当衡量一致性的指标CI＜0.1时，如式 (1)所示，则称判断矩阵具有满意的一致性

其中以求解判断矩阵最大特征值所对应的特征向量W的方式来获得各层次的权重排序，即

4 综合评价应用实例分析

4.1 实例介绍

本文说明案例的应用背景为演播室中调光系统替换工程，演播室中原有照明系统利用可控硅调光方式进行调节。现响应节能减排的号召，同时为增加演播照明效果的生动性，因此选用新型光源LED对原有照明系统进行替换。由于演播室用于视频直播，因此对照明视觉舒适度的要求很高。频闪会导致视觉图像的模糊，而照明色彩的变化则要求平稳准确，实现最佳的照明效果。目前该替换工程拟选用有两种驱动调光更换方案，A方案是在原有可控硅调光系统基础上，采用兼容可控硅的驱动控制芯片LM3445进行驱动电路设计;B方案是基于LLC半桥谐振转换器的PWM调光驱动电路。

4.2 权重分配

依照上述原则，采用权重分配方法，获得如表2～表5所示的判断矩阵。

表2 标准层B层相对于目标层A层判断矩阵

表3 指标层C层相对于标准层B1判断矩阵

表4 指标层C层相对于标准层B2判断矩阵

表5 指标层C层相对于标准层B3判断矩阵

对于方案层内的评价指标，由于距目标层A的距离较远，准确确定其权重意义不大可以通过专家判定法分配适当的权重，最后获得各层次评价权重如图10所示。

图10 综合评价指标体系相对权重

4.3 驱动评价因素赋值及综合评价对比

由于定量指标和定性指标往往具有不同的性质和不同的量纲具有一定模糊性，难以直接用具体的数字量表述出来，为了消除它们对决策结果的影响而保留它们对综合评价的影响程度，本文引入模糊评判理论进行评估。按照5级划分法获得各个评价指标的模糊语言评分［22］。评价语集按影响程度划分为V={极小，小，中，大，极大}，对应分数集V={1，3，5，7，9}。

对比两种驱动方式性能参数，部分如表6所示，其余参数评价标准将进行详细讲解。

(1)电路的调光线相关度

对于本例而言，PWM调光模式下的一个周期的平均光输出与控制输入量PWM波占空比成正比，完全线性相关。兼容可控硅的调光方案，其驱动原理是将TRIAC斩波波形转换为对应的PWM波，利用占空比与导通角之间的关系控制Buck电路实现输出电流调节控制LED调光，最终光输出与控制量导通角 (之间为线性关系。调光系统前端的可控硅电路是通过RC电路的充电时间来获得电路延迟相位，当电容上电压Vt=V0+(V－V0)×(1－e－t/RC)达到可控硅导通电压，则电路导通。其中由于可控硅导通电压一定，则充电时间所控制的可控硅导通角与控制调节电阻成线性关系。因此兼容可控硅方案一个调光周期内的光输出平均值与控制信号电阻值变化成线性关系。

表6 两种驱动方式电路部分性能对比

(2)调光稳定度

由LM3445控制芯片的参数表可知［23］，该设计方案的驱动输出端电流为400mA，其中电流波动值通常为输出电流的15%～30%。由于LED的发光亮度L(cd/m2)与工作电流近似正比，因此上式中照度变化的比值可转化为驱动电流比值δLM3445=该驱动方式波动频率为250kHz。

(3)颜色稳定性

由于该变化难以定量描述，因此按模糊语言直接给予评分，取PWM调光模式的颜色稳定性影响评分为7，兼容可控硅模式输出为恒流输出对调光影响频分定为5分。

最终获得各指数评判分数如表7所示。经过矩阵运算后，得到各方案最终评价值为A=S×W'

从上述评判结果可知，尽管兼容可控硅的LM3445调光驱动方案在价格上占有一定的优势，而PWM调光调光方式驱动设计复杂。但如果综合考虑电路特性、系统性能以及视觉舒适性等指标的话，仍应选择PWM调光方式较为合适。

表7 各指标评判分数

5 结论

本文建立了可适用于不同场合的LED驱动器评判选择系统，在前人研究经验上建立起驱动与人感官视觉之间的联系，提出包含系统性能、电路性能、视觉舒适等多因素在内的LED驱动评判指标。由于该评判系统基于层次分析法进行设计，因此能够在主观与客观、理论与实际等方面做到有效的权衡，获得广泛使用与各种不同应用场合的客观评价系统。同时这种评判体系也适用于LED复杂多变的应用场合，实用性强，应用广泛。本文为LED驱动的评判选择提供一种综合性的新思路及方法，但涉及到具体的评判因素选择还有待于在实践当中逐渐完善补充。

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