基于温度反馈控制的RGB汽车氛围灯应用研究

随着人们对于汽车个性化、舒适性的要求逐渐提高， 可变色的全彩汽车内饰氛围灯逐渐成为一种新的趋势。应用在汽车中的LED在使用寿命和可靠性等方面比普通LED的要求高很多，随着汽车级RGB单封装LED的出现，RGB氛围灯的设计也变得越来越灵活， 比采用三颗R、G、B不同颜色的汽车级LED颗粒，更节省车内有限的宝贵空间，且混光更均匀。同时汽车内饰背光及其氛围灯对于颜色和亮度一致性要求很高，由于氛围灯的安装位置和工作温度各不相同，RGB中任何一个的颜色或亮度的变化都会引起最终混光的颜色和亮度变化，因此颜色一致性的控制成为RGB氛围灯的应用难点。本文从RGB混光的基本原理和LED的特性出发，探讨了基于温度探测反馈的RGB汽车氛围灯颜色一致性控制方法。

RGB混光的基本原理

LED三原色混光时，遵循混光加法原理。如图1，在参与混光的RGB三色的LED光源光谱分布或色坐标确定的情况下，则可以混合出该三个点围成的三角形内的任意颜色。混光后的颜色由RGB三原色的光通量相对比例决定，混光的总亮度等于三原色的光通量总和。由于RGB三色LED的不同颜色的光强分布基本相同，因此光通量与其出光面法向量方向的发光强度之间的转换系数相同。在进行混光计算时可采用各种颜色的发光强度代替光通量。

图1 RGB混光区域

假设RGB三色的色坐标为：(x1,y1）, (x2,y2）, (x3,y3），参与混光LED的发光强度分别为：Y1,Y2,Y3，混光后的色坐标为：(x,y），混光后的发光强度为：Y。则：

                                        
RGB LED特性及混光控制的难点

由上式1~3可知，混光颜色可以量化为与RGB三色的色坐标和亮度的关系式，RGB三色的色坐标或亮度中任何一个参数值变化都会导致最终混光的颜色和亮度的变化。 LED的亮度和颜色与其工作电流及结温相关。

我们以OSRAM的汽车级LRTB GVSG为例，分析电流和温度对于RGB LED的颜色和亮度的影响。从图2中可知， 随着电流的增加，LED的光强输出也增加，RGB三色的电流-光强曲线各不相同。

图2  RGB LED电流-亮度曲线

红光LED的纯度很高， 随电流的变化其主波长几乎稳定不变。 由图3可知，随着电流的增加，蓝光的主波长略有减小，True Green的主波长减小最多。

 
图3 RGB LED电流-波长曲线

由图4可知，随着结温的上升，LED的亮度输出均下降，但红绿蓝三色降幅各部相同：红光最多，绿光次之，蓝光最少。

 
图4 RGB LED结温-相对光强曲线

由图5可知，随着结温的上升，LED的主波长均增加。

 
图5 RGB LED结温-主波长变化曲线

结温的变化，同样也影响LED的正向电压，如图6所示。

 
图5 RGB LED结温-正向电压变化曲线

汽车氛围灯通常与光导一起使用来营造车内不同的氛围，其安装位置各不相同，同时光导的长度也不尽相同。 这就使得作为光源的RGB LED的工作温度及其有效工作电流也各不相同，而电流和结温的变化对于RGB三色的亮度和颜色影响各不相同，使得RGB LED混光颜色一致性控制成为了难点，包括同一个RGB LED不同工作状态下的混光颜色一致性和不同位置的RGB LED的混光颜色一致性。

温度探测反馈的控制方法探讨

汽车制造厂为了保证车内背光的一致协调性，通常会规定所需要的颜色和亮度。因此在实际应用中更多的需求是，给定混光后的效果，即：给定了混光目标的色坐标（x,y）和亮度Y。

要保证混光颜色的一致性，可采用恒流PWM脉宽调制驱动方式，因不改变驱动电流的峰值，可有效的消除电流对于RGB LED光学特性影响，此时通过调整RGB三色不同的占空比，就可以改变各自的亮度输出，从而混合出所需的不同颜色。采用恒流PWM驱动时，LED的有效亮度输出与峰值电流下的亮度和占空比成正比，即：

                                         
其中为有效输出亮度，为峰值电流下的亮度，D为PWM的调制占空比。

LED在工作过程中结温会上升（相对外界环境温度），我们无法消除RGB LED结温的变化对于RGB三色的光学特性的影响。但是通过一定的控制方法，可以消除温度对于最终混光的颜色影响，即在未超规格应用的情况下，无论LED结温为多少，都能使最终混光的颜色的色坐标（x,y）保持不变。

实际应用中，通过调整RGB不同的占空比，来混合出不同的颜色。因此，结合式4， 可将式1和式2的色坐标关系式调整为矩阵方程：

                       
将式3调整为：

                                 
根据结温对LED的影响，RGB三种颜色的亮度和色坐标都是结温的函数，只是没有具体的函数关系式，而是相应的对应关系值，即参数表。因此可以将式5描述成结温相关函数：

       
LED的结温无法直接测量，通常使用温度传感器探测LED的焊盘温度 ，再计算得到结温：

                                       
其中为LED输入电功率，为LED有效光功率，为焊盘到结点的真实热阻。

                                                                                      
其中为LED的光转换效能， 对于某一LED的光谱功率分布函数，结合人眼视觉响应函数，则：

                                         
事实上，由于LED的光谱分布于结温相关，因此 也与结温相关。由于 的变化量较小，且在整个混光计算公式中的影响因数较小，把 看做一个定量来考虑。

由以上的分析可知，通过温度探测我们可以计算得到RGB LED各色芯片的结温，现假设RGB LED初始结温分别为，RGB三色灯PWM调制的占空比分别为 。

汽车在实际运行过程中LED工作的环境温度和结温会发生比较大的变化，假设各LED工作的结温分别变为，则可以调整RGB三色灯的占空比分别到， 来保持最终的（x,y）色坐标不变。

采用温度探测反馈的控制方式，理论上无论RGB LED的实际输出颜色和亮度如何变化，基本上都可以通过调节RGB各路的占空比来保证混光颜色的一致性。但由于LED颗粒总会与规格书中的各典型曲线有差异，且大批量生产中不可能实际测量每颗LED的关系曲线，仅采用温度探测控制无法非常精准的控制混光色坐标不变，不过对于内饰氛围灯的应用基本可以满足要求，因为人眼对于颜色的辨识有一定的公差，同时由于氛围灯的安装位置通常较远，人眼无法同时观测到所有的氛围灯，从而不会感觉到略微的颜色差异，甚至在实际的应用中也可以不采用温度探测反馈的方式，即直接固定各占空比即可满足氛围灯的应用需求。通过本文的探讨，希望对RGB 汽车氛围灯的应用有所帮助，我们相信今后的内饰背光也会更加丰富多彩。（本文作者：欧司朗光电半导体汽车应用工程师陈晓丽）


如需获取更多资讯，请关注LEDinside官网（www.ledinside.cn）或搜索微信公众账号（LED在线）。