CN105357804B - 一种编队灯led光源全寿命亮度精准控制系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种编队灯LED光源全寿命亮度精准控制系统，包括LED灯组和LED恒流源组成的LED灯体，以及用于驱动LED灯组的PWM输出模块，其特征在于所述系统还包括与LED灯组连接的LED灯组电压采样模块，LED灯组电压采样模块的输出端与控制模块连接，控制模块根据测量的LED两端电压以及工作时间预测LED亮度衰减率，驱动补偿亮度衰减，确定所需补偿的亮度所对应的PWM占空比的变化值，输出PWM信号给PWM输出模块。本发明的优点在于：该技术降低了成本、减小了空间，扩大了LED恒亮度的应用范围。

Description

一种编队灯LED光源全寿命亮度精准控制系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种在LED寿命期内(通常指半衰期)，保持LED亮度恒定不变的控制技术的编队灯LED光源全寿命亮度精准控制系统。

背景技术

随着我国军事工业的迅速发展，军用飞机的种类和数量都在不断增长。然而，由于机载设备LED背光、补光以及机内外照明光源在寿命期内均存在亮度衰减的问题，容易给飞行员的操作带来隐患甚至误判，从而造成事故。

目前该行业LED驱动绝大多数采用恒流驱动，该方式虽然有效地弥补了由于LED器件一致性差异造成亮度不均的问题，但对于LED寿命期内因时间老化带来的光效降低，使得恒流驱动的LED输出的光通量减小，从而亮度降低的问题并没有能够解决。另外，极少一部分采用恒压驱动LED的技术方案不仅不能解决亮度衰减问题，而且不能解决LED器件一致性差异造成亮度不均的问题。

在编队灯条件下，由于结构尺寸限制造成不能够附加光敏传感器进行亮度反馈信息采集，提升了技术难度。然而，由于编队灯工作时间一般在5000h以下，这又为亮度预测带来了便利。

发明内容

本发明的目的在于提供一种编队灯LED光源全寿命亮度精准控制系统，在编队灯条件下，以一种合理的采样方法精准控制LED光源全寿命亮度恒定的技术，解决了编队灯条件下光源亮度逐渐变暗的问题，避免了目前常见的编队灯初始亮度偏高，后期亮度偏低不良现象。

为了实现上述目的，本发明的技术方案为：一种编队灯LED光源全寿命亮度精准控制系统，包括LED灯组和LED恒流源组成的LED灯体，以及用于驱动LED灯组的PWM输出模块，其特征在于所述系统还包括与LED灯组连接的LED灯组电压采样模块，LED灯组电压采样模块的输出端与控制模块连接，控制模块根据测量的LED两端电压以及工作时间预测LED亮度衰减率，驱动补偿亮度衰减，确定所需补偿的亮度所对应的PWM占空比的变化值，输出PWM信号给PWM输出模块。

所述LED灯组包括多个串联连接的LED灯，所述多个串联连接的LED的两端与LED灯组电压采样模块的输入端连接，所述多个LED灯与多个串联连接的稳压管并联连接，其中每个LED分别与一个相应的稳压管并联连接，在所述多个串联连接的LED灯的正极连接二极管的负极，所述二极管的正极连接PWM输出模块，所述二极管的正极还通过第一电阻连接三极管的基极，三极管的发射极通过并联连接的第二电阻和第三电阻接地，三极管的集电极界所述多个串联连接的LED灯的负极，三极管的基极和发射极之间还并联一稳压管和一电容。

本发明的另一目的在于提供一种编队灯LED光源全寿命亮度精准控制系统的控制方法，在编队灯条件下，以一种合理的采样方法精准控制LED光源全寿命亮度恒定的技术，解决了编队灯条件下光源亮度逐渐变暗的问题，避免了目前常见的编队灯初始亮度偏高，后期亮度偏低不良现象。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种编队灯LED光源全寿命亮度精准控制系统的控制方法，其特征在于该方法包括以下步骤：A、采样LED灯组两端的电压；B、依据电压变化来预测LED的亮度衰减率；C、依据工作时间预测LED亮度衰减率；D、综合亮度预测，分别根据由于工作时间和结温造成的亮度衰减率的乘积，作为总的亮度衰减率；E、驱动补偿亮度衰减，调节PWM占空比，测量不同电流密度对应的LED亮度，从而确定所需补偿的亮度所对应的PWM占空比的变化值。

本发明由LED灯组和LED恒流源组成的LED灯体，采用LED额定恒流驱动，PWM可变占空比补偿LED亮度衰减；当LED由于寿命或温度原因，造成亮度衰减时，温度变化引起的亮度衰减会造成LED两端的电压变化，可由LED衰减参数采样数据送至MCU控制部分进行数据处理，然后由MCU控制部分改变PWM占空比补偿LED亮度的衰减；寿命原因造成的LED亮度衰减，可通过亮度-时间模型测试得到相关参数，然后依据RTC时钟记录的工作时间，定量预测亮度衰减的程度。本发明的优点在于：在无法利用光敏传感器作为亮度反馈的场合，综合利用亮度衰减造成其他电气参数的变化来准确预测亮度衰减的量值，进而在电气驱动方面进行补偿的技术。该技术降低了成本、减小了空间，扩大了LED恒亮度的应用范围。

附图说明

附图1为本发明的系统LED光源及驱动电路原理图。

附图2为本发明的系统原理框图。

下面结合附图和实施对本发明作详细说明。

具体实施方式

图中包括LED灯体及控制盒，其特征在于：LED光源灯体包含LED光源1、恒流驱动电路2和LED电压采样电路，控制盒包含MCU处理模块、RTC时钟、AD转换模块、PWM输出模块、RS485调试串口、电源电路等。

所述LED灯组包括多个串联连接的LED灯LED1～LED4，所述多个串联连接的LED的两端与LED灯组电压采样模块的正输入端+Vchk和-Vchk连接，所述多个LED灯与多个串联连接的稳压管Z1～Z4并联连接，其中每个LED分别与一个相应的稳压管并联连接，在所述多个串联连接的LED灯的正极连接二极管D1的负极，所述二极管D1的正极连接PWM输出模块，所述二极管的正极还通过第一电阻连接三极管Q1的基极，三极管Q1的发射极通过并联连接的第二电阻和第三电阻接地，三极管Q1的集电极界所述多个串联连接的LED灯的负极，三极管Q1的基极和发射极之间还并联一稳压管Z5和一电容C1。

由于LED亮度衰减的主要因素是：工作时间和结温。下面分别介绍关于这两方面数据处理的算法。

关于结温。

首先，依据电压变化间接测量结温。在小电流近似下，LED正向压降与结温之间可由(1)式表示：

式中V_f为LED正向压降，I_f为正向电流,I_O为反向饱和电流，q为电子电荷，K是玻尔兹曼常数，R_s是串联电阻，n是表征PN结完美性的一个参量,处在1～2之间，T为结温。分析式(1)的右边发现只是反向饱和电流I_O与温度密切相关,I_O值随结温的升高而增大,导致正向电压V_f值的下降。实验指出,在输入电流恒定的情况下,对于一个确定的LED器件,二端的正向压降与温度的关系可由式(2)表示：

V_fT＝V_fTO+A(T-T_O) (2)

式中V_fT与V_fTO分别表示结温为T与To时的正向压降,A是压降随温度变化的系数,其值有人给出了详细的实验数据。

其次，依据改变结温的方法来预测LED的亮度。该方法是通过指数模型来拟合归一化的强度衰减曲线，见式(3)和(4)：

式中I_nT为LED亮度值，为不同工作结温下的衰减系数，T_j为结温，K是玻尔兹曼常数，t为工作时间。

结合式(2)、(3)、(4)分别对T_j和t赋值并测量亮度，从而可依据V_fT预测亮度I_nT。

关于工作时间。

首先，可依据LED发光强度衰减的经验公式(5)，用来定性评估发光强度与所施加电流大小的关系。

d＝D₁+D₂J+(D₃+D₄J)ln(t) (5)

式中d为LED亮度衰减率，代表所施加给LED芯片的电流密度，D₁、D₂、D₃、D₄是与电流应力和所施加电流应力时间无关的常数,t为工作时间。

结合式(5)分别对J和t赋值并测量亮度，从而可求出D₁、D₂、D₃、D₄的值，从而依据工作时间t预测LED亮度I_nt。

综合亮度预测。

分别根据由于工作时间和结温造成的亮度衰减率的乘积，作为总的亮度衰减率，从而准确预测亮度衰减系数。

驱动补偿亮度衰减。

由MCU调节PWM占空比，测量不同电流密度对应的LED亮度，从而可以确定所需补偿的亮度所对应的PWM占空比的变化值。已知亮度衰减系数后如何进行驱动补偿为本领域的现有技术，在此不再赘述。

以上仅表达了本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (2)

1.一种编队灯LED光源全寿命亮度精准控制系统，包括LED灯组和LED恒流源组成的LED灯体，以及用于驱动LED灯组的PWM输出模块，其特征在于所述系统还包括与LED灯组连接的LED灯组电压采样模块，LED灯组电压采样模块的输出端与控制模块连接，控制模块根据测量的LED两端电压以及工作时间预测LED亮度衰减率，驱动补偿亮度衰减，确定所需补偿的亮度所对应的PWM占空比的变化值，输出PWM信号给PWM输出模块；所述LED灯组包括多个串联连接的LED灯，所述多个串联连接的LED灯的两端与LED灯组电压采样模块的输入端连接，所述多个LED灯与多个串联连接的稳压管并联连接，其中每个LED分别与一个相应的稳压管并联连接，在所述多个串联连接的LED灯的正极连接二极管的负极，所述二极管的正极连接PWM输出模块，所述二极管的正极还通过第一电阻连接三极管的基极，三极管的发射极通过并联连接的第二电阻和第三电阻接地，三极管的集电极接所述多个串联连接的LED灯的负极，三极管的基极和发射极之间还并联一稳压管和一电容。

2.一种编队灯LED光源全寿命亮度精准控制系统的控制方法，其特征在于该方法包括以下步骤：A、采样LED灯组两端的电压；B、依据电压变化来预测LED的亮度衰减率；C、依据工作时间预测LED的亮度衰减率；D、综合亮度预测，分别根据由于工作时间和结温造成的亮度衰减率的乘积，作为总的亮度衰减率；E、驱动补偿亮度衰减，调节PWM占空比，测量不同电流密度对应的LED亮度，从而确定所需补偿的亮度所对应的PWM占空比的变化值；

步骤B中，首先依据电压变化间接测量结温，在输入电流恒定的情况下,对于一个确定的LED器件,二端的正向压降与温度的关系表示为：

V_fT＝V_fTO+A(T-To)；

式中V_fT与V_fTO分别表示结温为T与To时的正向压降,A是压降随温度变化的系数；

然后依据改变结温的方法来预测LED的亮度，通过指数模型来拟合归一化的强度衰减曲线：

式中I_nT为LED亮度值，为不同工作结温下的衰减系数，T_j为结温，K是玻尔兹曼常数，t为工作时间；结合以上三个公式分别对T_j和t赋值并测量亮度，从而依据V_fT预测亮度I_nT，并计算亮度衰减率；

步骤C中，依据LED发光强度衰减的经验公式，来定性评估发光强度与所施加电流大小的关系：

d＝D₁+D₂J+(D₃+D₄J)ln(t)；

式中d为LED发光强度的衰减系数，J代表所施加给LED芯片的电流密度，D₁、D₂、D₃、D₄是与电流应力和所施加电流应力时间无关的常数,t为工作时间；结合上式分别对J和t赋值并测量亮度，从而求出D₁、D₂、D₃、D₄的值，从而依据工作时间t预测LED发光强度的衰减率。