LED環(huán)境照明引領(lǐng)未來車內(nèi)照明迅猛發(fā)展

　　汽車OEM內(nèi)飾設(shè)計(jì)師在追求提升產(chǎn)品價(jià)值和提高汽車吸引力的同時(shí)，也在致力于創(chuàng)造積極的駕駛體驗(yàn)和提高品牌知名度。這些因素共同奠定了LED環(huán)境照明解決方案迅猛發(fā)展的基石。電子設(shè)備繼續(xù)成為汽車組件中增長最快的部分，其發(fā)展速度超過了機(jī)械裝置、氣動(dòng)裝置和液壓裝置。隨著LED環(huán)境照明應(yīng)用的數(shù)量不斷增多（從集群背光到杯座燈，再到地圖燈、腳踏空間和車門飾件的情境照明，以及頂燈），汽車OEM已對(duì)白色和彩色的LED環(huán)境照明解決方案進(jìn)行區(qū)分使用。事實(shí)上，研究表明，照明可以增強(qiáng)駕駛員的視覺。

　　為了匹配應(yīng)用要求并實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)高效且上市時(shí)間更短的設(shè)計(jì)，選擇正確的嵌入式解決方案仍然至關(guān)重要。本文將深入介紹以下內(nèi)容：

　　1. 控制LED環(huán)境照明解決方案的方法之間的權(quán)衡

　　2. 使用控制算法實(shí)現(xiàn)對(duì)LED顏色的有效像素合并、調(diào)光和溫度補(bǔ)償

　　3. 通過更改LED陣列的顏色和亮度來創(chuàng)造駕駛員偏愛的照明場景

　　隨著對(duì)聯(lián)網(wǎng)照明模塊的需求不斷增長，在LED環(huán)境照明解決方案中實(shí)施LIN通信的最佳做法可有助于降低開發(fā)成本和縮短開發(fā)周期。由于LED消耗的能源更少，占用的空間更小，因而汽車燃油效率將增強(qiáng)，而且設(shè)計(jì)師可利用LED的封裝優(yōu)勢將其創(chuàng)造力擴(kuò)展到照明中，從而提高車內(nèi)體驗(yàn)。

　　總的來說，LED環(huán)境照明解決方案讓OEM擁有了為駕駛員和乘客創(chuàng)造舒適氛圍的機(jī)會(huì)。

　　LED環(huán)境照明遠(yuǎn)不止于其新奇的特性。在過去幾年，對(duì)車內(nèi)照明影響的研究并未被人關(guān)注，而研發(fā)的重點(diǎn)一直在車外照明。這種情況正在發(fā)生變化。隨著近幾年來LED技術(shù)的飛速發(fā)展，OEM已不僅能提供更加多彩的車內(nèi)照明，還能提供用戶可調(diào)的照明。這樣，駕駛員能夠根據(jù)個(gè)人情緒或品味來調(diào)節(jié)照明。此外，車內(nèi)照明還有更大的潛力。

　　在未來的車型中，車內(nèi)照明極有可能成為高級(jí)駕駛員信息系統(tǒng)的一部分。這一創(chuàng)新的想法是根據(jù)駕駛情況調(diào)節(jié)車內(nèi)照明燈。例如，汽車在城市中、鄉(xiāng)村公路上和高速公路上行駛時(shí)，車內(nèi)照明燈的顏色會(huì)有所不同。紅色車內(nèi)照明燈可提高駕駛員在城市中的警覺性，而黃色車內(nèi)照明燈有助于駕駛員在高速公路上駕車時(shí)放松心情。車內(nèi)照明甚至可以提醒駕駛員，事故可能就要發(fā)生。在許多情況下，無閃爍的車內(nèi)照明與汽車制造商的高價(jià)值定位聯(lián)系在一起，以使其產(chǎn)品在競爭日趨激烈的環(huán)境中脫穎而出。

　　驅(qū)動(dòng)LED

　　LED必須使用恒流源驅(qū)動(dòng)。大多數(shù)LED都有一個(gè)規(guī)定的電流級(jí)別，LED在該電流級(jí)別下可達(dá)到最大亮度，且不會(huì)過早損壞。LED的光能輸出與經(jīng)過的電流成正比。有兩種方法可控制電路中的LED亮度。一種是改變LED驅(qū)動(dòng)電流。LED驅(qū)動(dòng)電流可通過可變電阻或可變電壓電源控制。另一種方法是對(duì)LED驅(qū)動(dòng)電流應(yīng)用脈寬調(diào)制（PWM）或頻率可變但占空比固定的PWM。

　　第一種方法主要有兩個(gè)缺點(diǎn)：隨著電流的降低，LED效率可能也隨之降低。而且，在高功率白色LED中，電流級(jí)別降低可能會(huì)導(dǎo)致顏色偏差。PWM調(diào)光技術(shù)始終以全電流驅(qū)動(dòng)LED。因此，可以消除效率降低和顏色偏差等問題。為了產(chǎn)生不同的顏色組合，PWM輸出的占空比需要隨時(shí)間發(fā)生變化。

　　顏色控制方法

　　利用嵌入式單片機(jī)技術(shù)，可以檢測和主動(dòng)控制光源的顏色成份。主動(dòng)顏色控制可用于產(chǎn)生特定的燈光顏色，也可以用于產(chǎn)生混合顏色。例如，可以混合多種組成色來產(chǎn)生特定質(zhì)量的白光。

　　利用三個(gè)分別表示紅色（R）、綠色（G）和藍(lán)色（B）的顏色值以及另外一個(gè)表示亮度的值可產(chǎn)生所需的顏色。可以采用三個(gè)PWM通道，或者采用四個(gè)PWM通道（其中三個(gè)通道分別表示三種顏色，額外的第四個(gè)通道表示亮度）實(shí)現(xiàn)，后者更加簡單高效。福特汽車公司最新推出的提供情境照明的車型即采用了后一種方法。

　　使用三個(gè)通道將顏色和亮度統(tǒng)一控制的方法通常需要14位到16位的分辨率以及功能強(qiáng)大的單片機(jī)（MCU）。利用四個(gè)分辨率均為10位的通道也可以實(shí)現(xiàn)相同質(zhì)量，這些通道通常在低成本8位MCU中提供。在四通道的方案中，由外部硬件電路計(jì)算顏色與亮度的乘積。在低成本8位MCU上也可以利用冪函數(shù)近似法足夠精確地實(shí)現(xiàn)亮度控制所需的典型對(duì)數(shù)級(jí)漸變（見圖1）。

　　圖1 采用3個(gè)和4個(gè)PWM通道的解決方案的框圖

　　LED溫度是對(duì)LED顏色有明顯影響的因素之一。因此，需要對(duì)溫度造成的影響進(jìn)行補(bǔ)償。一種廉價(jià)而簡單有效的溫度補(bǔ)償方法是使用單片機(jī)的片上比較器和位于LED附近的低成本負(fù)溫度系數(shù)（NTC）熱敏電阻。另一種獲得LED溫度控制的方法是測量其正向壓降。單片機(jī)集成的10位模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）的分辨率足以完成此任務(wù)。正向壓降測量有一定優(yōu)勢，因?yàn)闊o需額外的外部組件。

　　照明網(wǎng)絡(luò)

　　顏色校正、溫度補(bǔ)償、顏色更改、顏色混合、亮度控制以及汽車制造商實(shí)現(xiàn)各種照明場景的期望都必然使用到單片機(jī)，例如帶非易失性存儲(chǔ)器的PIC® MCU。此外，對(duì)汽車內(nèi)RGB照明節(jié)點(diǎn)進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)的需求以及對(duì)診斷的要求，都需要合適的低成本通信協(xié)議。第一代車內(nèi)照明采用分別接線，而OEM最新一代和最新開發(fā)的車內(nèi)照明則采用眾所周知且經(jīng)濟(jì)高效的LIN/J2602通信總線。LIN通信速度為19.2k波特，足以支持顏色變化和照明場景，且不會(huì)對(duì)駕駛員和乘客產(chǎn)生明顯影響。

　　最近，一些汽車制造商正考慮將具有自動(dòng)尋址功能的LIN通信用于此類應(yīng)用。有多種已知的自動(dòng)尋址方法，每種方法都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)（見圖2）。所有方法的相同點(diǎn)是，與標(biāo)準(zhǔn)LIN通信相比，增加了硅的成本。但是，這種附加成本會(huì)降低OEM和1級(jí)供應(yīng)商的物流成本。

　　圖2 帶自動(dòng)尋址和不帶自動(dòng)尋址的LIN收發(fā)器的框圖

　　尋址空間限制

　　典型的車內(nèi)照明應(yīng)用會(huì)受到非常大的空間限制。燈節(jié)點(diǎn)嵌入在開關(guān)、杯架、門把手、儀表板、座位、閱讀燈、腳踏區(qū)域和頂部控制臺(tái)中。電子設(shè)備的可用空間通常被壓縮到10 mm x 20 mm或更少，這推動(dòng)了SSOP、QFN和DFN等小型封裝解決方案的應(yīng)用。在這種環(huán)境下，對(duì)于低功率耗散和擴(kuò)展工作溫度范圍為-40°C到125°C的半導(dǎo)體器件，需要對(duì)環(huán)境溫度和自身發(fā)熱進(jìn)行仔細(xì)的熱量管理。通常情況下，節(jié)點(diǎn)連接到端子30，因此需要非常低的待機(jī)電流，要遠(yuǎn)低于100 µA。