基于溫度反饋控制的RGB汽車氛圍燈應(yīng)用研究

　　隨著人們對(duì)于汽車個(gè)性化、舒適性的要求逐漸提高，可變色的全彩汽車內(nèi)飾氛圍燈逐漸成為一種新的趨勢(shì)。應(yīng)用在汽車中的LED在使用壽命和可靠性等方面比普通LED的要求高很多，隨著汽車級(jí)RGB單封裝LED的出現(xiàn)，RGB氛圍燈的設(shè)計(jì)也變得越來(lái)越靈活，比采用三顆R、G、B不同顏色的汽車級(jí)LED顆粒，更節(jié)省車內(nèi)有限的寶貴空間，且混光更均勻。同時(shí)汽車內(nèi)飾背光及其氛圍燈對(duì)于顏色和亮度一致性要求很高，由于氛圍燈的安裝位置和工作溫度各不相同，RGB中任何一個(gè)的顏色或亮度的變化都會(huì)引起最終混光的顏色和亮度變化，因此顏色一致性的控制成為RGB氛圍燈的應(yīng)用難點(diǎn)。本文從RGB混光的基本原理和LED的特性出發(fā)，探討了基于溫度探測(cè)反饋的RGB汽車氛圍燈顏色一致性控制方法。

　　RGB混光的基本原理

　　LED三原色混光時(shí)，遵循混光加法原理。如圖1，在參與混光的RGB三色的LED光源光譜分布或色坐標(biāo)確定的情況下，則可以混合出該三個(gè)點(diǎn)圍成的三角形內(nèi)的任意顏色。混光后的顏色由RGB三原色的光通量相對(duì)比例決定，混光的總亮度等于三原色的光通量總和。由于RGB三色LED的不同顏色的光強(qiáng)分布基本相同，因此光通量與其出光面法向量方向的發(fā)光強(qiáng)度之間的轉(zhuǎn)換系數(shù)相同。在進(jìn)行混光計(jì)算時(shí)可采用各種顏色的發(fā)光強(qiáng)度代替光通量。

　圖1 RGB混光區(qū)域

　　假設(shè)RGB三色的色坐標(biāo)為：(x1，y1），(x2，y2），(x3，y3），參與混光LED的發(fā)光強(qiáng)度分別為：Y1，Y2，Y3，混光后的色坐標(biāo)為：(x，y），混光后的發(fā)光強(qiáng)度為：Y。則：

　　RGBLED特性及混光控制的難點(diǎn)

　　由上式1~3可知，混光顏色可以量化為與RGB三色的色坐標(biāo)和亮度的關(guān)系式，RGB三色的色坐標(biāo)或亮度中任何一個(gè)參數(shù)值變化都會(huì)導(dǎo)致最終混光的顏色和亮度的變化。LED的亮度和顏色與其工作電流及結(jié)溫相關(guān)。

　　我們以OSRAM的汽車級(jí)LRTB GVSG為例，分析電流和溫度對(duì)于RGB LED的顏色和亮度的影響。從圖2中可知，隨著電流的增加，LED的光強(qiáng)輸出也增加，RGB三色的電流-光強(qiáng)曲線各不相同。

　　圖2 RGB LED電流-亮度曲線

　　紅光LED的純度很高，隨電流的變化其主波長(zhǎng)幾乎穩(wěn)定不變。由圖3可知，隨著電流的增加，藍(lán)光的主波長(zhǎng)略有減小，True Green的主波長(zhǎng)減小最多。

　　圖3 RGB LED電流-波長(zhǎng)曲線

　　由圖4可知，隨著結(jié)溫的上升，LED的亮度輸出均下降，但紅綠藍(lán)三色降幅各部相同：紅光最多，綠光次之，藍(lán)光最少。

　　圖4 RGB LED結(jié)溫-相對(duì)光強(qiáng)曲線

　　由圖5可知，隨著結(jié)溫的上升，LED的主波長(zhǎng)均增加。

　　圖5 RGB LED結(jié)溫-主波長(zhǎng)變化曲線

　　結(jié)溫的變化，同樣也影響LED的正向電壓，如圖6所示。

　　圖6 RGB LED結(jié)溫-正向電壓變化曲線

　　汽車氛圍燈通常與光導(dǎo)一起使用來(lái)營(yíng)造車內(nèi)不同的氛圍，其安裝位置各不相同，同時(shí)光導(dǎo)的長(zhǎng)度也不盡相同。這就使得作為光源的RGB LED的工作溫度及其有效工作電流也各不相同，而電流和結(jié)溫的變化對(duì)于RGB三色的亮度和顏色影響各不相同，使得RGB LED混光顏色一致性控制成為了難點(diǎn)，包括同一個(gè)RGB LED不同工作狀態(tài)下的混光顏色一致性和不同位置的RGB LED的混光顏色一致性。

　　溫度探測(cè)反饋的控制方法探討

　　汽車制造廠為了保證車內(nèi)背光的一致協(xié)調(diào)性，通常會(huì)規(guī)定所需要的顏色和亮度。因此在實(shí)際應(yīng)用中更多的需求是，給定混光后的效果，即：給定了混光目標(biāo)的色坐標(biāo)（x，y）和亮度Y。

　　要保證混光顏色的一致性，可采用恒流PWM脈寬調(diào)制驅(qū)動(dòng)方式，因不改變驅(qū)動(dòng)電流的峰值，可有效的消除電流對(duì)于RGB LED光學(xué)特性影響，此時(shí)通過(guò)調(diào)整RGB三色不同的占空比，就可以改變各自的亮度輸出，從而混合出所需的不同顏色。采用恒流PWM驅(qū)動(dòng)時(shí)，LED的有效亮度輸出與峰值電流下的亮度和占空比成正比，即：

　　 （4）

　　其中Ys為有效輸出亮度，Yp為峰值電流下的亮度，D為PWM的調(diào)制占空比。

　　LED在工作過(guò)程中結(jié)溫會(huì)上升（相對(duì)外界環(huán)境溫度），我們無(wú)法消除RGB LED結(jié)溫的變化對(duì)于RGB三色的光學(xué)特性的影響。但是通過(guò)一定的控制方法，可以消除溫度對(duì)于最終混光的顏色影響，即在未超規(guī)格應(yīng)用的情況下，無(wú)論LED結(jié)溫為多少，都能使最終混光的顏色的色坐標(biāo)（x，y）保持不變。

　　實(shí)際應(yīng)用中，通過(guò)調(diào)整RGB不同的占空比，來(lái)混合出不同的顏色。因此，結(jié)合式4，可將式1和式2的色坐標(biāo)關(guān)系式調(diào)整為矩陣方程：

　　 （5）

　　將式3調(diào)整為：

　　 （6）

　　根據(jù)結(jié)溫對(duì)LED的影響，RGB三種顏色的亮度和色坐標(biāo)都是結(jié)溫的函數(shù)，只是沒(méi)有具體的函數(shù)關(guān)系式，而是相應(yīng)的對(duì)應(yīng)關(guān)系值，即參數(shù)表。因此可以將式5描述成結(jié)溫相關(guān)函數(shù)：

　　 （7）

　　LED的結(jié)溫Tj無(wú)法直接測(cè)量，通常使用溫度傳感器探測(cè)LED的焊盤(pán)溫度Ts，再計(jì)算得到結(jié)溫：

　　 （8）

　　其中Ps為L(zhǎng)ED輸入電功率，PL為L(zhǎng)ED有效光功率，Rthjs-real為焊盤(pán)到結(jié)點(diǎn)的真實(shí)熱阻。

　　 （9）

　　 （10）

　　其中為L(zhǎng)ED的光轉(zhuǎn)換效能，對(duì)于某一LED的光譜功率分布函數(shù)，結(jié)合人眼視覺(jué)響應(yīng)函數(shù)，則：

　　 （11）

　　事實(shí)上，由于LED的光譜分布于結(jié)溫相關(guān)，因此也與結(jié)溫相關(guān)。由于的變化量較小，且在整個(gè)混光計(jì)算公式中的影響因數(shù)較小，把看做一個(gè)定量來(lái)考慮。

　　由以上的分析可知，通過(guò)溫度探測(cè)我們可以計(jì)算得到RGB LED各色芯片的結(jié)溫，現(xiàn)假設(shè)RGB LED初始結(jié)溫分別為T(mén)j1，Tj2，Tj3，RGB三色燈PWM調(diào)制的占空比分別為D1(Tj1)、D2(Tj2)、D3(Tj3)。

　　汽車在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中LED工作的環(huán)境溫度和結(jié)溫會(huì)發(fā)生比較大的變化，假設(shè)各LED工作的結(jié)溫分別變?yōu)門(mén)j1，Tj2，Tj3，則可以調(diào)整RGB三色燈的占空比分別到D1(Tj1)、D2(Tj2)、D3(Tj3)，來(lái)保持最終的（x，y）色坐標(biāo)不變。

　　總結(jié)

　　采用溫度探測(cè)反饋的控制方式，理論上無(wú)論RGBLED的實(shí)際輸出顏色和亮度如何變化，基本上都可以通過(guò)調(diào)節(jié)RGB各路的占空比來(lái)保證混光顏色的一致性。但由于LED顆?？倳?huì)與規(guī)格書(shū)中的各典型曲線有差異，且大批量生產(chǎn)中不可能實(shí)際測(cè)量每顆LED的關(guān)系曲線，僅采用溫度探測(cè)控制無(wú)法非常精準(zhǔn)的控制混光色坐標(biāo)不變，不過(guò)對(duì)于內(nèi)飾氛圍燈的應(yīng)用基本可以滿足要求，因?yàn)槿搜蹖?duì)于顏色的辨識(shí)有一定的公差，同時(shí)由于氛圍燈的安裝位置通常較遠(yuǎn)，人眼無(wú)法同時(shí)觀測(cè)到所有的氛圍燈，從而不會(huì)感覺(jué)到略微的顏色差異，甚至在實(shí)際的應(yīng)用中也可以不采用溫度探測(cè)反饋的方式，即直接固定各占空比即可滿足氛圍燈的應(yīng)用需求。通過(guò)本文的探討，希望對(duì)RGB汽車氛圍燈的應(yīng)用有所幫助，我們相信今后的內(nèi)飾背光也會(huì)更加豐富多彩。