試論溫度補償技術在LED車燈上的應用

何宇虹

摘要：文章講述了溫度補償技術在汽車LED尾燈上的應用。通過單片機控制，從系統(tǒng)上解決了LED供貨不定Bin級及LED本身光衰帶來的光通量問題，從設計到實際應用使尾燈光通量處于長期穩(wěn)定狀態(tài)狀態(tài)，符合國家標準，并且很好地保持高度一致性，提高了行車安全。

關鍵詞：LED車燈；尾燈；光通量；光衰；位置燈；溫度補償技術 文獻標識碼：A

中圖分類號：TP306 文章編號：1009-2374（2016）20-0040-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.20.018

燈光是安全行車的保障，當前，LED照明技術在車燈上的應用已成為一個熱門領域，各大整車企業(yè)、零部件公司、學校及科研機構都開展了深入研究及應用。而實現(xiàn)這些系統(tǒng)方案的零部件公司，如海拉、法雷奧等在LED車燈技術上領先全球，基本壟斷了LED車燈業(yè)務。技術以及嚴格的標準和法規(guī)都是后來者難以逾越的門檻。如在尾燈設計上，法規(guī)對于位置燈、制動燈的照度上下限值有著嚴苛的要求。但LED芯片制造中固有的光學離散以及機構造型的高要求導致配光設計十分困難，因此如何保證符合法規(guī)及車企要求的穩(wěn)定的車燈光輸出，成為一個重要的技術難題。

1 法規(guī)對汽車LED尾燈照明的要求

本文的設計是尾燈，實現(xiàn)制動燈和后位置燈復合功能。我國機動車標準《汽車及掛車前位燈、后位燈、示廓燈和制動燈配光性能》（GB 5920-2008）對車燈有明確的光學要求限制：（1）在任一可見方向上，一個發(fā)光強度級制動燈的發(fā)光強度應不低于0.3cd，兩個發(fā)光強度級制動燈的發(fā)光強度，用于白天的不應低于0.3cd，用于夜晚的不應低于0.07cd；（2）對于與制動燈混合的后位燈，兩燈同時點亮和單獨點亮后位燈，在h-h上下5°和v-v左右10°所圍成的范圍內，測量的發(fā)光強度之比，應至少為5∶1。若制動燈具有兩個發(fā)光強度級，則在夜晚條件下必須滿足此要求。

2 產品設計及技術難點

本設計中，LED尾燈通過兩段光導實現(xiàn)尾燈的整體亮燈線條造型。因為造型及結構限制，主電路驅動模塊與LED分兩塊PCB設計，根據車身側輸入源通過驅動板的PWM調節(jié)控制，實現(xiàn)制動燈、后位置燈的功能。我們選用的OSLON某型號LED，表1是本設計的尾燈參數(shù)要求。經過充分考慮各種生產零部件尺寸誤差和損耗，計算需要的設計余量及整燈性能，反推出單顆LED必須滿足的光通量范圍，如表1所示，約使用4pcs，即可滿足法規(guī)要求。

表2使本設計使用LED的BIN規(guī)格，這是目前市場上能穩(wěn)定出貨的最大光輸出的LED。這里的數(shù)值是廠家出廠測試的最大值，通常是額定電流上電后1秒鐘的測量值。為了滿足設計要求，我們使用的電流大于額定電流，使LED輸出光通量加大。這種做法是可行的，只要散熱條件良好。如表2所示，LED行業(yè)的通行規(guī)則是隨機供貨三個Bin，光通量范圍不同，所以車燈設計者必須考慮如何讓三個Bin的LED都能使產品滿足光通量的限定，即法規(guī)要求的1分鐘和30分鐘光通量測試。

這里就出現(xiàn)了技術難點，設計光通量的比值（最大值/最小值）要求太小，位置燈在2lm，而從表2看出LED自身的一個Bin的最大值偏差范圍已經接近于這個值了，這意味著即使只使用一個Bin且驅動的電流精度誤差近似為0，也無法滿足要求。因為隨著溫度的升高，LED結溫上升，光通量在急劇下降。通過改變驅動上面調整電流的電阻是沒用的，因為那只是去改變電流來匹配LED Bin，提高電流精度，并不能使光通量穩(wěn)定。因此要保持穩(wěn)定的光通量，驅動輸出的電流應該要動態(tài)調整。本文實現(xiàn)的方法就是根據LED在點亮后，用單片機跟隨驅動板或燈板的溫度上升與LED亮度衰減的負相關規(guī)律，來動態(tài)調整驅動LED的電流。我們稱之為溫度補償技術。

3 溫度補償技術的控制方案及原理

圖1是本設計的驅動控制電路構架圖。電路采用線性恒流控制，5V電壓調整模塊為單片機MCU及恒流控制提供電源和參考電壓，我們設計了一個熱敏電阻NTC設計在LED的PCB上，這樣能得到較精確的采樣數(shù)據，反映出LED的溫度變化。MCU外接NTC監(jiān)控溫度變化，輸出PWM信號到線性恒流進行調光。設計采用的是一個低端配置8腳的性價比較高且通用的單片機PIC12F683。當車燈剛上電時，由于這時候LED結溫較低，光效較高，為了達到限制的光通最大值即法規(guī)的一分鐘測試值，MCU輸出的PWM占空比較小，使通過LED的電流較小。隨著LED結溫的上升，即反映在NTC的溫度變化上，阻值變化，反饋至MCU上。LED結溫上升，光效下降，此時MCU加大占空比，LED電流增大，從而使LED光通量保持在一個穩(wěn)定的水平。因此，在系統(tǒng)穩(wěn)定后的測試時，車燈仍然能滿足法規(guī)的30分鐘值。反之，如果由于某種原因導致溫度降低，MCU控制又會減小電流以維持光通穩(wěn)定?？偠灾?，MCU通過追蹤LED的溫度變化，在算法上根據LED光效與結溫的關系，來調整恒流控制模塊的輸出電流，以穩(wěn)定光通在一個有限的滿足法規(guī)的范圍內。

4 性能測試與結論

實際產品上需多次測試來得到準確的算法規(guī)律。我們對KX Bin的LED樣品尾燈進行了一系列的測試驗證，多次調整修正MCU算法，使其滿足了我們的設計要求。再把樣品與沒有溫度補償控制的尾燈按法規(guī)進行了輸出的光通量進行了穩(wěn)定性的對比測試。如圖2所示，在30分鐘內，有溫度補償?shù)那€明顯的在一個穩(wěn)定輸出狀態(tài)，而沒有溫度補償控制的光通量輸出，在開始240s的時候光衰非常明顯，至少降低了150lm。

實驗證明溫度補償控制技術可以很好地解決尾燈難以控制光輸出上下限的難題，同時實現(xiàn)LED車燈的光通量穩(wěn)定輸出的要求，即使LED使用不同的Bin，通過合理的設置，不需過度依賴于改變任何驅動的硬件，就可滿足窄范圍的光通要求，大大降低了產品的綜合成本。

參考文獻

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