地鐵車內照明短暫直流電力斬波無頻閃調光方法

朱凱濤

【摘 要】隨著時代的進步，人們生活的節奏越來越快，地鐵成為大多數人出行的必備交通工具。地鐵交通工具行駛在地下，照明成為它的一個重要的功能，伴隨科技的進步，地鐵車內照明由原來的高壓熒光燈發展到今天的低壓LED燈，由原來的不可調光發展到現今的可調光。由于地鐵行駛空間的特殊性，要求車的安全性較其他行駛工具更高，對車的布線及EMC的要求也更高。對此，文章提出一種短暫電力線斬波無頻閃調光照明方法改善照明環境，改善EMC，對出行在外的人們提供健康的光環境。

【關鍵詞】LED調光；健康光環境；PWM；信號遠程傳輸；直流電力短暫斬波；頻閃危害

【中圖分類號】TM923 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2018）07-0111-03

0 前言

近年來，我國的照明行業發展迅速，其中LED照明發展很快，LED是一種固態電光源，是一種半導體照明器件，其電學特性具有很強的離散性。它具有體積小、機械強度大、功耗低、壽命長，便于調節控制及無污染等特征，是具有極大發展前景的新型光源產品。并且，照明環境越來越被用戶所重視，照明的舒適性、環保性、節能性成為提高照明行業競爭力的重要一環。其中，LED調光技術在LED照明中十分重要。

LED調光方法的實現分為2種：模擬調光和數字調光。模擬調光即限流模式調光，通過晶體管作為可變電阻實現限流控制。限流模式調光是在直流恒壓源的模塊輸出中，將LED燈和晶體管串聯，晶體管工作在放大區作為可變限流電阻，通過改變可變電阻的阻值有效控制LED電流，從而控制LED燈的亮度；其優點是電流可連續，無頻閃。

數字調光又稱PWM調光，通過PWM波開啟和關閉LED來改變正向電流的導通時間，以達到亮度調節的效果。該方法基于人眼對亮度閃爍不夠敏感的特性，使負載LED時亮時暗。如果亮暗的頻率超過100 Hz，人眼看到的就是平均亮度，而不是LED在閃爍。PWM通過調節亮和暗的時間比例實現調節亮度，在一個PWM周期內，因為人眼對大于100 Hz內的光閃爍，感知的亮度是一個累積過程，即亮的時間在整個周期中所占的比例越大，人眼感覺越亮。但缺點是對于一些高頻采樣的設備，如高頻采樣攝像頭，采樣時有可能恰好采到LED暗時的圖像。并且，頻閃調光對人是有危害性的。頻閃危害有如下幾個方面：①照明光源頻閃會引發視覺疲勞、偏頭痛。②長期在高頻閃的燈光下生活，睫狀肌會不停地放大縮小，處于緊張運動的狀態，增加眼睛疲勞度，減退視力，導致人眼出現酸澀、疼痛、發癢等癥狀。③在光強不斷變化的有頻閃的光源下生活，視覺系統需要不斷地調節眼球瞳孔的大小來保證視網膜光照度的穩定性和成像的清晰度。總之，在有頻閃的光源下生活，輕者產生眼疲勞，酸痛，重則造成視覺系統的損傷。由于頻閃照明的危害性，無頻閃的調光是勢在必行的。地鐵車內的無頻閃照明也將成為趨勢。

地鐵車內照明的布置情況：地鐵單節車廂有20 m長，LED燈布置有18 m長，共有256個燈板，由集中控制電源集中控制。單燈板離集中控制電源遠的有17 m，如要控制LED燈板的亮度，需將調光信號遠程傳輸到LED燈板。現今的信號遠程傳輸有兩大類，一類是無線傳輸，另一類是有線傳輸。無線傳輸布線簡單但成本高，信號沒有有線傳輸的穩定。有線傳輸布線復雜，成本低。由于地鐵的特殊性，既要考慮信號的穩定性，又要考慮布線簡單，因此地鐵車內照明調光一直是電力線斬波調光，即在動力輸出線上斬波調光。這樣既不用專用的信號傳輸線，也沒有無線傳輸信號。這種調光方式雖然調光穩定性高，布線簡單，但是缺點是有頻閃，并對電磁環境有影響。因此，在信號的傳輸上要有新的設計方案，既可以將調光信號傳輸到燈板實現無線調光，又不增加專有的傳輸線路。本文提出一種電力線短暫斬波方式，既不用無線傳輸信號，又不用增加額外的線路傳輸信號，即可達到傳輸調光信號到燈板實現無頻閃調光，解決現今地鐵車內照明無頻閃調光的問題。

現今，地鐵車內的集中控制照明還沒有一種布線簡單且成本低的無頻閃的方案。

1 現今地鐵照明方案

110 VDC轉48 VDC模塊是指將直流100 VDC轉換為48 VDC直流電源模塊。PWM發生模塊是指發生PWM的電路模塊。MOS管是指將PWM信號控制直流電力輸出的元件。恒流芯片是指穩定流過LED燈珠的電流而達到所用到的LED燈珠出光量的一致性。LED燈珠是指將電能產生光的元件。燈板是指恒流芯片、LED燈珠2個模塊的組合。集中控制電源是指110 VDC轉48 VDC模塊、PWM發生模塊、MOS管、調光擋位模塊4個模塊組合。現有技術的結構示意圖如圖1所示。

該方案設計原理如下：將車載提供的110 VDC通過DC-DC電壓轉換模塊將高壓110 VDC轉為48 VDC安全電壓，PWM發生模塊根據調光擋位模塊、調光參數產生不同寬度的輻值為10 VDC PWM信號給驅動MOS管對輸出給燈板的48 VDC斬波，燈板恒流芯片在電壓不穩定的狀態下保證LED燈電流恒定，從而保證LED燈亮度不發生變化。

PWM發生模塊輸出10 VDC輻值的PWM VGS信號，MOS管采用共源極接法的電路，輸出特性如下面公式所示。

當VGS為10 VDC時：

iD=IDS■-12

由于MOS管是電壓控制元件，所以主要由柵源電壓VGS決定其工作狀態。MOS管作為開關元件，是工作在截止或導通2種狀態。由于MOS管的導通特性及電力線存在電感，所以在大電流的開關狀態下會產生電磁輻射，影響車內電子設備及手機用戶。

該LED集中控制電源對LED輸出的電力波形如圖2所示。

從圖2中我們可以看出，現有的地鐵照明是有閃頻的，這必然會對人體健康造成影響。因此，必須對其進行升級改進。

由于原方案是電力斬波，MOS管一直對電力輸出暫波，所以會產生電磁波，對EMC有較大的影響，并產生了頻閃照明。針對以上的缺點，本文提供一種1 s短暫對電力斬波的無頻閃調光方案，設計的思路如下：

（1）PWM斬波中是可以包含信息在波形中的，比如脈寬的寬度即可以表示所需調光值的大小，只要在燈板增加一個PWM信號分析電路采取電力線信號，即可將電力線PWM信號信息提取并保存。每當電力線的PWM信號更新時，保存最新調整的PWM信號參數。

（2）1 s對現今的單片機運算時間很短，1 s的時間人基本是不會注意的到光的變化過程。現今的單片機運算速度快，主頻基本上是幾十兆赫茲的，即1 s可以執行上萬條的指令，所以在1 s內完全可以將PWM波形中的信息分析出來，并輸出為模擬電壓信號。

（3）由于低頻對電路設計的要求低，電磁輻頻低，所以電力斬波頻率盡量選擇低頻。由于人的視覺反應在最低100 Hz頻閃中人眼也感覺不出閃爍，所以電力斬波頻率選擇為100 Hz。在信號分析上，100 Hz頻率1 s內包含100個脈寬信號，這足夠PWM分析模塊分析出調光參數。

（4）燈板上設計模擬調光模塊提取PWM信號分析模塊分析出的模擬電壓信號。調整LED燈珠電流，使LED中的電流保持穩定，從而達到LED燈無頻閃發光輸出。

2 新設計的方案

綜合上述，LED集中控制電源選擇提供1 s時間的頻率為100 Hz的電力斬波，燈板上PWM信號分析模塊分析PWM中的調光參數，即可實現無頻閃調光，而不用一直采用斬波方式調光。新的設計方案如圖3所示。

（1）在原有的基礎上對PWM發生器2模塊的程序進行新的設計。

（2）在燈板增加PWM信號分析模塊6，對PWM信號分析提取出調光模塊、調光參數輸出模擬電壓。

（3）在燈板上改進原LED恒流調光模塊4，該模塊可提取PWM信號分析模塊6輸出的模擬電壓值對LED電流值調整，從而實現LED燈無頻閃調光。

（4）PWM發生器2模塊的程序如圖4所示。

集中LED驅動電源開機時產生開機復位信號，PWM發生模塊單片機1 s常高電平，讓MOS驅動管導通，先給PWM信號分析模塊大電容充電使PWM信號分析模塊能在后續的1 s PWM的電力斬波中有電檢測集中電源調光擋位模塊調光參數，單片機根據該參數調整PWM脈寬寬度輸出頻率為100 Hz PWM波形驅動MOS管集中電源PWM輸出。1 s后輸出MOS管常通信號，使MOS常通，集中電源正常輸出。當調光擋位調光信號參數變化，單片機重新檢測集中電源調光信號參數，單片機根據該參數調整PWM脈寬寬度輸出頻率為100 Hz PWM波形驅動MOS管集中電源PWM輸出。1 s后輸出MOS管常通信號，使MOS常通，集中電源正常輸出。

功能不復雜的可采用低成本的8位單片機即可實現。波形如圖5所示。

從圖5中可以看出，LED燈只有1 s時間是頻閃的，其后一直無頻閃輸出，對人健康無影響。

（5）PWM信號分析模塊6程序框圖如圖6所示。

PWM信號分析模塊檢測電力線電壓信號，當檢測出有PWM波形時對PWM波形進行分析，根據斬波的脈寬寬度提取其中的調光參數信號，輸出模擬電壓信號，控制LED燈亮度。其中，脈寬寬度的測量可通過單片機的定時器計時功能測量，當PWM信號分析模塊檢測到電力線電壓信號有下降時，延時開始1 s的PWM脈寬寬度的測量。

測量的方法如下：當電力線電壓為低電平時開始計數，高電平結束計數。根據集中電源輸出PWM的頻率為100 Hz可計算出低電平脈寬的寬度，將計數寬度值保存到D/A轉換器寄存器中，輸出模擬電壓。每觸發一次的計數時，該次脈寬數值最大值為最終記錄值。

由于PWM信號分析模塊功能不復雜，所以單片機選擇上可采用低成本的8位單片機即可實現以上功能。PWM信號分析模塊6輸入輸出波形如圖7所示。

（6）LED恒流調光模塊根據PWM信號分析模塊輸出的電壓值調整LED驅動電流，從而達到LED燈無頻閃調光。LED光源采用相互串聯方式，共由14只高亮度小功率LED燈珠組成；每只LED燈珠的壓降約3.1 V，工作電流約30 mA。由白光LED的正向伏安特性可知，當LED端電壓超過其正向導通電壓后，較小的電壓波動都會導致工作電流的劇烈變化，從而影響LED的正常使用。因此，LED恒流調光模塊須采用電壓控制形高精度恒流控制電路。

電壓控制形高精度恒流控制電路設計如下：在LED回路中接入高精度的電流采樣電阻及電流控制三極管。運算放大器以PWM信號分析模塊輸出的電壓為基準跟蹤LED電流采樣電阻采樣電壓方式，驅動電流控制三極管，使LED回路中的電阻上電壓值與PWM信號分析模塊輸出的電壓值相等，使電流能閉環控制而達到高精度的線性流恒控制，保證了車內多燈亮度的一致性。

3 結語

本文主要根據照明頻閃對人健康造成的影響，結合現有的地鐵車內照明技術，總結了地鐵車內照明技術缺陷，在原車內照明設計的基礎上提出一種新的無頻閃照明解決方法，即通過直流電力線短暫斬波實現無頻閃調光而無需在原線路上增加多余的控制線，為今后地鐵車內照明提供新的方案設計。并且，直流電力線短暫斬波方式還可以應用在不用增加專用的信號傳輸線進行信號傳輸。

參 考 文 獻

[1]余希湖，蔣涌潮.光源閃爍對視覺影響的研究[J].照明工程學報，1996（2）.

[2]段九州.信號傳輸與通迅電路[M].北京：中國質檢出版社，2008.

[3]聞興業，孫利蘋，劉永志，等.LED照明及集中供電方式在軌道車輛上的應用[J].鐵道機車車輛，2014（1）.

[責任編輯：陳澤琦]