基于溫度反饋控制的RGB汽車氛圍燈應(yīng)用研究

　　隨著人們對于汽車個性化、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。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RGB單封裝LED的出現(xiàn)，RGB氛圍燈的設(shè)計也變得越來越靈活，比采用三顆R、G、B不同顏色的汽車級LED顆粒，更節(jié)省車內(nèi)有限的寶貴空間，且混光更均勻。同時汽車內(nèi)飾背光及其氛圍燈對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中任何一個的顏色或亮度的變化都會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，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點(diǎn)圍成的三角形內(nèi)的任意顏色?；旃夂蟮念伾蒖GB三原色的光通量相對比例決定，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)行混光計算時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)或亮度中任何一個參數(shù)值變化都會導(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LRTB GVSG為例，分析電流和溫度對于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)光的主波長略有減小，True Green的主波長減小最多。

　　圖3 RGB LED電流-波長曲線

　　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-相對光強(qiáng)曲線

　　由圖5可知，隨著結(jié)溫的上升，LED的主波長均增加。

　　圖5 RGB LED結(jié)溫-主波長變化曲線

　　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)一起使用來營造車內(nèi)不同的氛圍，其安裝位置各不相同，同時光導(dǎo)的長度也不盡相同。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)動方式，因不改變驅(qū)動電流的峰值，可有效的消除電流對于RGB LED光學(xué)特性影響，此時通過調(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)動時，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在工作過程中結(jié)溫會上升（相對外界環(huán)境溫度），我們無法消除RGB LED結(jié)溫的變化對于RGB三色的光學(xué)特性的影響。但是通過一定的控制方法，可以消除溫度對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，通過調(diào)整RGB不同的占空比，來混合出不同的顏色。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)，只是沒有具體的函數(shù)關(guān)系式，而是相應(yīng)的對應(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無法直接測量，通常使用溫度傳感器探測LED的焊盤溫度Ts，再計算得到結(jié)溫：

　　 （8）

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

　　 （9）

　　 （10）

　　其中為LED的光轉(zhuǎn)換效能，對于某一LED的光譜功率分布函數(shù)，結(jié)合人眼視覺響應(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，且在整個混光計算公式中的影響因數(shù)較小，把看做一個定量來考慮。

　　由以上的分析可知，通過溫度探測我們可以計算得到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Tj1，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)行過程中LED工作的環(huán)境溫度和結(jié)溫會發(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)，來保持最終的（x，y）色坐標(biāo)不變。

　　總結(jié)

　　采用溫度探測反饋的控制方式，理論上無論RGBLED的實(shí)際輸出顏色和亮度如何變化，基本上都可以通過調(diào)節(jié)RGB各路的占空比來保證混光顏色的一致性。但由于LED顆?？倳c規(guī)格書中的各典型曲線有差異，且大批量生產(chǎn)中不可能實(shí)際測量每顆LED的關(guān)系曲線，僅采用溫度探測控制無法非常精準(zhǔn)的控制混光色坐標(biāo)不變，不過對于內(nèi)飾氛圍燈的應(yīng)用基本可以滿足要求，因?yàn)槿搜蹖τ陬伾谋孀R有一定的公差，同時由于氛圍燈的安裝位置通常較遠(yuǎn)，人眼無法同時觀測到所有的氛圍燈，從而不會感覺到略微的顏色差異，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。通過本文的探討，希望對RGB汽車氛圍燈的應(yīng)用有所幫助，我們相信今后的內(nèi)飾背光也會更加豐富多彩。