照明對於健康的潛在影響是很常見的，美國國家醫學院(Institute of Medicine)估計，有5,000~7,000萬的美國人因睡眠障礙和睡眠不足而患有疾病，且存在健康風險。這些影響包括心臟病、中風、抑鬱症、肥胖和糖尿病的風險較高。
當然，光譜受到控制的人造光源對人類的正面影響也很重要。例如，一般認為，相較於較溫暖、偏黃光的色調，較冷或偏藍光的光線更能促進人們持續專注在工作任務上，因此，照明方案的設計對工作場所的生產力有重大影響。
可控光源CCT帶來多元應用
光源CCT(Correlated Color Temperature)，是照明產業用來表示其顏色外觀的單一數值，這對於白光的相對「暖光」或「冷光」是很有用的指示，但是這個數值無法進一步提供x、y顏色坐標映射至CIE 1931色度圖的資訊。在過去，對人工照明的日夜節律效應的研究，主要集中於學術領域，因為大部分的室內照明是由具有固定的「暖光」相關色溫約2,700K的白熾光源所提供，或者是由通常具有冷卻器、固定CCT大於4,000K的螢光光源所提供。
然而，現代LED光源的出現，讓照明產業得以控制其產品的光輸出色溫。從2,700K到6,500K內各種CCT的LED都是立即可用的，利用熟悉的類比或數位調光技術，就能控制LED的輸出強度。
如此一來，現在的技術能設計出可變、可調白光輸出的燈具。這讓製造商能夠行銷許多新產品，例如可隨著日夜改變光輸出的CCT，使燈光與使用者的晝夜節律一致；或者是動態調節工作場所的照明，在工作者的舒適性及生產力間取得平衡。
然而，對於那些以前只使用固定CCT開發產品的系統設計人員來說，採用可調白光設計的控制元件，卻帶來了一些陌生的問題。本文說明用以實現可調白光照明的方法，並介紹一種新解決方案，該方案既提供精度和控制功能，又能讓系統設計人員毋須採用複雜的演算法。
LED老化/色偏有解
對於白光照明系統CCT的調整方式，使用者的需求是無邊無際的。最常見的要求可能是與自然晝夜節律協調一致的照明。簡而言之，這意味在大部分的日光時間內提供相對較高的CCT，約4,000K的更藍、更「冷」的白光，並且在傍晚和晚上時，逐漸將色溫降低至2,700K的暖白色CCT。
這種可變CCT輸出的基本硬體架構包括一串暖白光LED和一串冷白光LED，它們都具有固定的CCT，這些LED被並排安裝在擴散膜(Diffuser)後面，LED光輸出在到達照明平面之前會先經由擴散膜混合。
這種色彩控制架構看起來很簡單。一個低成本的8位元微控制器就能很容易地透過參考即時時鐘來調整每個LED串的驅動電流，在白天時間內從冷白色燈串中產生較大比例的總照明輸出，而暖白色燈串的光輸出則占較小比例，反之亦然。由於LED晶片在過去幾年的價格大幅降低，所以此種系統很便宜，且構建簡單。
然而，這種方法卻不夠精確、穩定，且難以大量製造。隨著生產批次不同，LED的CCT規格可能會出現高度變異，因此LED製造商提供的LED會以CCT進行「分類」。基於MCU的控制系統需要兩個LED串，且每個LED串皆具有固定、已知的CCT，以便在照明平面處實現既定的CCT。如果設計設定冷白色LED燈串的CCT為4,000K，然而由於燈具生產過程中的分類變異，燈具的冷白光LED燈串的CCT實際是4,100K，如此就會導致調光後的色彩輸出出現錯誤。
這就意味燈具製造商必須嚴格規定LED供貨的分類。不幸的是，對於分類嚴格限定的訂單，LED製造商會收取較高的費用。針對分類選擇設限，也會使得燈具製造商面臨供應鏈風險。
更糟糕的是，LED的輸出不是固定的：CCT和LED的光輸出強度都會隨著時間和溫度而出現明顯變化。
上述的簡單MCU系統不能處理製造單元的變異或老化效應。如果燈具製造商想要推出一種能夠在燈具使用壽命內精準調控白光顏色的產品，則需要採用不同的解決方案。
感測器製造商ams提出一種採用閉路即時回饋系統(Closed-Loop Real-Time Feedback System)的技術，該系統是基於安裝在LED顏色混合裝置上的色彩感測器的量測結果，這個裝置一般是位在燈具擴散膜的後方，或是間接或容積設計(Volumetric Design)中的反射混合室內(圖1)。
該系統的架構與上述8位元MCU解決方案一樣簡單，因為所有的感測和控制功能都整合在單一模組AS7221智慧照明管理器(Smart Lighting Manager, SLM)中。但是，由於該模組包含一個經過校準的XYZ色度白光感測器，可以對燈具的光輸出進行即時測量，因此在運作上，LED的色溫或強度可以不受LED電流、溫度或老化或任何其他外部因素的影響。它也幾乎消弭了分類之間的差異所造成的影響。
尺寸僅為4.5mm×4.7mm×2.5mm，採用20接腳閘型陣列封裝(LGA)晶片封裝，AS7221模組可安裝在燈具的任何位置和方向上。
AS7221模組確保正確光輸出
AS7221的整合型三色刺激(Tri-Stimulus)色彩感測器提供與CIE 1931色彩空間一致的座標，能指明人眼對顏色的感知。藉由使用兩串LED(暖光和冷光)，燈具的輸出可以是非常線性的，如同圖2的黑色軌跡，這標記著理想目標白光的CCT範圍，從暖光到冷光的數值。該設計不限於控制兩串LED，所以如果添加第三串，例如琥珀色的LED，則可能甚至可以更緊密的追蹤這黑色軌跡。
AS7221是利用它的「大腦」來實現這種嚴格的色彩控制，此處的「大腦」是指一種先進的認知照明引擎(Cognitive Lighting Engine, CLE)。CLE不間斷地處理來自整合色彩感測器的輸入，並且將其與所期望的CCT值進行比對，在晝夜節律模式中，CCT值在一天中會有所變化。當檢測到實際CCT與所需CCT之間的差異時，它會調整兩個(或三個)LED燈串的驅動電流，直到所選LED之間的變異縮小至最低程度。這個閉路回饋系統持續運作，以保持光輸出維持在正確的色溫和強度。
LED燈串驅動電流的控制，是透過直接從AS722饋送至LED驅動器的三通道脈衝寬度調變(PWM)訊號來實現的。其中一個PWM通道可以選擇做為0-10V類比調光輸出，另外兩個通道可做為電流轉向機制，如此就能採用低成本的恆流電源。
對於LED照明新產品的設計人員而言，這個系統的兩個重要特性提高了它的價值。首先就是實作起來非常簡單。設計人員不必為了因應色彩感測器的測量而開發用於計算每個LED串的溫度、老化因子或驅動電流的演算法。設計人員也不用實現PWM控制器。設計人員僅需確定CCT目標值，並將其編程至一個外部4MB串列快閃記憶體，然後透過SPI匯流排連結至AS7221即可。
其次，為了實現環境感知照明，AS7221提供了一個現成的框架(圖3)。它為外部感測器，如占用(存在)、室內空氣品質監測和其他類型的感測器提供輸入，使AS7221能夠做為物聯網(IoT)感測器中樞。使用者還可以連結諸如TSL4531之類的ams環境光感測器(Ambient Light Sensor, ALS)，以實現日光採集和色彩調整功能。日光採集所節省的能源和成本，通常有助終端使用者在短時間內回收回智慧或可調白光照明的額外成本。
非同步收發傳輸(UART)串列介面的提供，用於AS7221的設定、控制和管理。這使得它可以很容易地透過Bluetooth、ZigBee無線電模組或其他有線或無線通訊介面連結網路。智慧照明管理器實際上能以獨立模式運作。然而，由於它能連網，所以也可以將數據推送至中央控制器以進行數據分析。
AS7221的智慧照明指令集使用簡單的AT型文本指令來設定和控制各種功能，如開/關、調光和流明維持等。ams提供的開發套件、智慧照明整合套件或SLIK，讓設計師能快速方便地將AS7221連結至燈具(圖4)。傳統的壁掛式調光器、占用感測器和LED驅動鎮流器單元都可以連結至該電路板。
在ams為Smart Lighting Manager提供的API中，包含一個配置元素庫，這些智慧照明指令用來定義不同顏色和亮度設定之間的轉換。使用者可以使用這些指令來配置參數，例如轉換開始時間、轉換速度以及初始和最終亮度級別。基於PC的圖形使用者介面(GUI)讓使用者能夠設定系統測試及記錄測試數據。
AS7221為可調白光照明技術帶來的重大突破，在於僅需將一個模組和相關的快閃記憶體安裝在LED串附近就能輕易地實現連續、精確的閉路控制。在一個模組中結合了一個精確、週期內校準(Calibrated-for-Life)的色彩感測器及一個認知光引擎，就能夠實現完整的顏色調整功能，並提供了連結外部感測器的靈活性，以實現環境感知。因此，AS7221的推出有助於開發新一代智慧可調白光照明產品，讓室內空間更舒適、生產力更高，進而促進使用者的福祉。
(本文作者任職於ams)
