LED环境照明引领未来车内照明迅猛发展 - 全文

　　汽车OEM内饰设计师在追求提升产品价值和提高汽车吸引力的同时，也在致力于创造积极的驾驶体验和提高品牌知名度。这些因素共同奠定了LED环境照明解决方案迅猛发展的基石。电子设备继续成为汽车组件中增长最快的部分，其发展速度超过了机械装置、气动装置和液压装置。随着LED环境照明应用的数量不断增多（从集群背光到杯座灯，再到地图灯、脚踏空间和车门饰件的情境照明，以及顶灯），汽车OEM已对白色和彩色的LED环境照明解决方案进行区分使用。事实上，研究表明，照明可以增强驾驶员的视觉。

　　为了匹配应用要求并实现经济高效且上市时间更短的设计，选择正确的嵌入式解决方案仍然至关重要。本文将深入介绍以下内容：

　　1. 控制LED环境照明解决方案的方法之间的权衡

　　2. 使用控制算法实现对LED颜色的有效像素合并、调光和温度补偿

　　3. 通过更改LED阵列的颜色和亮度来创造驾驶员偏爱的照明场景

　　随着对联网照明模块的需求不断增长，在LED环境照明解决方案中实施LIN通信的最佳做法可有助于降低开发成本和缩短开发周期。由于LED消耗的能源更少，占用的空间更小，因而汽车燃油效率将增强，而且设计师可利用LED的封装优势将其创造力扩展到照明中，从而提高车内体验。

　　总的来说，LED环境照明解决方案让OEM拥有了为驾驶员和乘客创造舒适氛围的机会。

　　LED环境照明远不止于其新奇的特性。在过去几年，对车内照明影响的研究并未被人关注，而研发的重点一直在车外照明。这种情况正在发生变化。随着近几年来LED技术的飞速发展，OEM已不仅能提供更加多彩的车内照明，还能提供用户可调的照明。这样，驾驶员能够根据个人情绪或品味来调节照明。此外，车内照明还有更大的潜力。

　　在未来的车型中，车内照明极有可能成为高级驾驶员信息系统的一部分。这一创新的想法是根据驾驶情况调节车内照明灯。例如，汽车在城市中、乡村公路上和高速公路上行驶时，车内照明灯的颜色会有所不同。红色车内照明灯可提高驾驶员在城市中的警觉性，而黄色车内照明灯有助于驾驶员在高速公路上驾车时放松心情。车内照明甚至可以提醒驾驶员，事故可能就要发生。在许多情况下，无闪烁的车内照明与汽车制造商的高价值定位联系在一起，以使其产品在竞争日趋激烈的环境中脱颖而出。

　　驱动LED

　　LED必须使用恒流源驱动。大多数LED都有一个规定的电流级别，LED在该电流级别下可达到最大亮度，且不会过早损坏。LED的光能输出与经过的电流成正比。有两种方法可控制电路中的LED亮度。一种是改变LED驱动电流。LED驱动电流可通过可变电阻或可变电压电源控制。另一种方法是对LED驱动电流应用脉宽调制（PWM）或频率可变但占空比固定的PWM。

　　第一种方法主要有两个缺点：随着电流的降低，LED效率可能也随之降低。而且，在高功率白色LED中，电流级别降低可能会导致颜色偏差。PWM调光技术始终以全电流驱动LED。因此，可以消除效率降低和颜色偏差等问题。为了产生不同的颜色组合，PWM输出的占空比需要随时间发生变化。

　　颜色控制方法

　　利用嵌入式单片机技术，可以检测和主动控制光源的颜色成份。主动颜色控制可用于产生特定的灯光颜色，也可以用于产生混合颜色。例如，可以混合多种组成色来产生特定质量的白光。

　　利用三个分别表示红色（R）、绿色（G）和蓝色（B）的颜色值以及另外一个表示亮度的值可产生所需的颜色。可以采用三个PWM通道，或者采用四个PWM通道（其中三个通道分别表示三种颜色，额外的第四个通道表示亮度）实现，后者更加简单高效。福特汽车公司最新推出的提供情境照明的车型即采用了后一种方法。

　　使用三个通道将颜色和亮度统一控制的方法通常需要14位到16位的分辨率以及功能强大的单片机（MCU）。利用四个分辨率均为10位的通道也可以实现相同质量，这些通道通常在低成本8位MCU中提供。在四通道的方案中，由外部硬件电路计算颜色与亮度的乘积。在低成本8位MCU上也可以利用幂函数近似法足够精确地实现亮度控制所需的典型对数级渐变（见图1）。

　　

　　图1 采用3个和4个PWM通道的解决方案的框图

　　LED温度是对LED颜色有明显影响的因素之一。因此，需要对温度造成的影响进行补偿。一种廉价而简单有效的温度补偿方法是使用单片机的片上比较器和位于LED附近的低成本负温度系数（NTC）热敏电阻。另一种获得LED温度控制的方法是测量其正向压降。单片机集成的10位模数转换器（ADC）的分辨率足以完成此任务。正向压降测量有一定优势，因为无需额外的外部组件。

　　照明网络

　　颜色校正、温度补偿、颜色更改、颜色混合、亮度控制以及汽车制造商实现各种照明场景的期望都必然使用到单片机，例如带非易失性存储器的PIC® MCU。此外，对汽车内RGB照明节点进行联网的需求以及对诊断的要求，都需要合适的低成本通信协议。第一代车内照明采用分别接线，而OEM最新一代和最新开发的车内照明则采用众所周知且经济高效的LIN/J2602通信总线。LIN通信速度为19.2k波特，足以支持颜色变化和照明场景，且不会对驾驶员和乘客产生明显影响。

　　最近，一些汽车制造商正考虑将具有自动寻址功能的LIN通信用于此类应用。有多种已知的自动寻址方法，每种方法都有各自的优缺点（见图2）。所有方法的相同点是，与标准LIN通信相比，增加了硅的成本。但是，这种附加成本会降低OEM和1级供应商的物流成本。

　　

　　图2 带自动寻址和不带自动寻址的LIN收发器的框图

　　寻址空间限制

　　典型的车内照明应用会受到非常大的空间限制。灯节点嵌入在开关、杯架、门把手、仪表板、座位、阅读灯、脚踏区域和顶部控制台中。电子设备的可用空间通常被压缩到10 mm x 20 mm或更少，这推动了SSOP、QFN和DFN等小型封装解决方案的应用。在这种环境下，对于低功率耗散和扩展工作温度范围为-40°C到125°C的半导体器件，需要对环境温度和自身发热进行仔细的热量管理。通常情况下，节点连接到端子30，因此需要非常低的待机电流，要远低于100 µA。

　　Microchip的车内环境照明模块参考设计演示了基于单片机的RGB LED器件控制。该模块可由主体控制器通过LIN总线进行远程控制。这些模块以非常紧凑的10x20 mm的电路板形式提供，并包含PIC16F1829LIN解决方案，其中包括LIN收发器、稳压器、8位PIC单片机和RGB LED。LIN命令由模块解释，以控制颜色混合（16，383种颜色）和亮度（1023个级别）。

　　

　　图3（1） Microchip的PIC16F1829LIN RGB环境照明板（部件编号APGRD007正面）

　　

　　图3（2） Microchip的PIC16F1829LIN RGB环境照明板（部件编号APGRD007反面）

　　工具包配有四个模块，它们在LIN或J2602网络中可分配为照明区。这些模块还可以与Microchip的LIN串行分析器（部件编号APGDT001）配合使用，以便开箱即可快速创建有效的LIN RGB网络。

　　基于单片机的解决方案提供了未来基于RGB LIN的车内照明应用所需的灵活性和集成功能。精心考虑的系统架构设计允许使用低成本8位单片机，而不会降低性能。这使得OEM可在大批量畅销车型中提供彩色车内照明，从而提高产品的价值定位并增强驾驶的舒适感和安全性。接近传感和电容式触摸开关等附加功能可通过PIC单片机轻松实现，且几乎不需要任何额外成本，从而可进一步增加系统价值。
　　作者： Microchip科技公司 Johann Stelzer/Andreas Reiter/Frank Ziegenhorn

本文转摘自电子发烧友网《汽车电子特刊》5月刊