PIC16F873A和LT3476的汽車照明系統(tǒng)設計

　　引 言

　　相對于傳統(tǒng)的鹵素低壓照明模式，采用高亮度LED作為汽車照明系統(tǒng)的照明設備可帶來諸多好處。高亮度LED能以相對較小的功率消耗來提供更高的亮度，并能通過簡單的電流控制來獲得很寬的調光范圍，而其低成本、低功耗、快速接通時間、長壽命、結構堅固、外圍電路簡單、受振動影響小等特點更可帶來絕對的經(jīng)濟優(yōu)勢。高亮度LED照明也給汽車電子產(chǎn)品設計師和制造商帶來了全新的機遇和挑戰(zhàn)。

　　為確保高亮度LED最佳的性能和長久的工作壽命，需要搭建有效的驅動電路。針對汽車照明系統(tǒng)中要求控制簡單、節(jié)能環(huán)保、高效安全等特點，筆者采用凌力爾特公司的4通道LED驅動器LT3476來驅動多個LED發(fā)光，使用Microchip公司的8位單片機PIC16F873A輸出不同占空比的PWM脈沖來動態(tài)控制其發(fā)光強度，并使用熱敏電阻搭建反饋回路進行自熱管理，同時采用光敏電阻進行亮度的自動調節(jié)。

　　1 硬件設計

　　1.1 汽車高亮度LED照明系統(tǒng)設計參數(shù)

　　在汽車照明系統(tǒng)中，LED驅動電路必須能夠從相當苛刻的汽車電源總線中獲取工作電源，同時兼顧應用成本和空間效益。在實際應用中，為獲取所需亮度的照明光源，需采取多個LED串聯(lián)、并聯(lián)或串并聯(lián)混合的結構。同時，為保證LED的使用壽命，需根據(jù)LED陣列結構及LED的正向電壓降(VF)和驅動電流(IF)來設計合法的電路。表1列舉了一個典型的高電流白光LED的正向電壓降與驅動電流之間的關系。

　　汽車電源總線提供標稱值為12 V的電源，由表1可以看出，根據(jù)不同應用而導致的LED顏色和亮度差異，其允許的電壓范圍為2.68～4.88 V。若采用單個至3個LED組成(串聯(lián))LED陣列，則需使用降壓型LED驅動器將汽車總線電源電壓降至一個比較合適的范圍。同樣，在諸如汽車頭燈、轉向燈等需多個(8個以上)LED串聯(lián)組成陣列使用的應用場合，需采用升壓型LED驅動器將輸出電壓調整至比較合適的范圍。在汽車照明系統(tǒng)中，一般只需輸出光通量范圍為150～800 lm。本設計采用Cree公司的XLamp XR-E LED，其理論上可達到100 lm／W的發(fā)光效率，考慮到終端用戶不同的照明亮度需求，使用單通道多LED串聯(lián)、多通道并聯(lián)的組合LED陣列結構。

　　汽車照明系統(tǒng)中要求進行設備的調光控制，需要所選LED驅動器提供方便的調節(jié)輸出電流來控制LED亮度的方案。通常情況下，可采用外部SET電阻、線性調節(jié)和PWM調節(jié)等技術來控制LED的亮度，上述方法各有利弊。在LED驅動器外部使用SET電阻的方式缺乏靈活性，無法讓用戶進行動態(tài)調節(jié)。線性調節(jié)可動態(tài)控制LED的亮度，但會降低LED的效率，并引起白光LED朝向黃色光譜的色彩偏移。相比較而言，PWM調節(jié)技術的優(yōu)勢十分明顯，當PWM脈沖為有效高電平或低電平時， LED輸入電流分別為最大或0，其導通時間受控于PWM引腳輸入脈沖的占空比。由于LED始終工作于相同的電流條件下，通過施加一個PWM信號來控制LED亮度的做法，可以在不改變彩色的情況下實現(xiàn)對LED亮度的動態(tài)調節(jié)。

　　在照明系統(tǒng)中使用高亮度LED的優(yōu)勢在于：輸入電流變化較大(25％以內)時，人眼無法察覺到亮度變化，但均普遍存在LED的自熱問題，需添加額外的熱管理單元，主要用于在溫度增加時反饋電壓信號至MCU控制單元，改變MCU輸出PWM脈沖信號的占空比來降低LED的亮度，從而減少LED的輻射熱。實際應用中，汽車照明系統(tǒng)應能感應環(huán)境的光強，并據(jù)此自動改變LED陣列的輸出光通量，達到節(jié)能減耗的目的。

　　1.2 系統(tǒng)整體設計

　　本系統(tǒng)采用PIC16F873A作為主控芯片，其上2個通道的10位A／D轉換器分別接收來自熱控反饋回路和光控回路的輸出，并據(jù)此輸出不同占空比的PWM脈沖至LT3476驅動器的PWM引腳，從而調節(jié)LED陣列的輸出光通量。結構框圖如圖1所示。

　　1.3 PIC16F873A單片機

　　PIC16F873A基于哈佛結構，采用14位的精簡指令集(RISC)，內部包含3個定時器、5通道10位A／D轉換器、2路PWM脈沖輸出、USART接口、看門狗、SPI總線接口等，資源比較豐富，能滿足緊湊、穩(wěn)定的設計要求。其內部A／D轉換器包含的主要寄存器及其功能如表2所列。

　　本系統(tǒng)使用2個通道的A／D轉換器，分別接人光控回路和熱控反饋回路的輸出。光控回路采用光敏電阻，在其兩端加5 V的電壓，當環(huán)境光強發(fā)生變化時，光敏電阻的阻值發(fā)生變化，引起輸出電壓在0～5 V之間變化。熱控反饋回路采用熱敏電阻，在其兩端加5 V電壓，當高亮度LED陣列內部環(huán)境溫度發(fā)生變化時，熱敏電阻的阻值發(fā)生變化，引起輸出電壓在0～5 V之間變化。分別采集2個電位器兩端的A／D值，可獲得控制參數(shù)，進而通過算法調整輸出PWM脈沖的占空比，實現(xiàn)對LED陣列輸出光通量的動態(tài)控制。

　　PIC16F873A內部的CCP1和CCP2模塊有3種工作模式：捕捉模式、輸出比較方式和PWM(脈沖調制)模式。當處于PWM模式時，可在RC1和RC2引腳輸出2路分辨率高達10位的PWM信號，使用程序語句控制PWM信號的周期和高電平維持時間，可動態(tài)控制輸出PWM脈沖的占空比，從而達到控制LED陣列輸出光通量的目的。

　　1.4 LT3476驅動器

　　LT3476為4通道輸出DC／DC轉換器，是專為驅動高電流LED而設計的恒定電流源，其固定頻率和電流模式架構可保證在很寬的輸入和輸出電壓范圍內實現(xiàn)穩(wěn)定的運作。其主要特性如下：

　　◆True Color PWM調光技術，可提供高達5000；1 的調光比；

　　◆采用高壓側檢測的LED電流調節(jié)；

　　◆VADJ引腳可在10～120 mV的范圍內準確地設定LED電流檢測門限；

　　◆具有1.5 A、36 V內部NPN開關的4個獨立驅動器信道；

　　◆頻率調節(jié)引腳：200 kHz～2 MHz；

　　◆高達96％的轉換效率；

　　◆開路LED保護；

　　◆低靜態(tài)電流：在運行模式中為22 mA，在停機模式中<10μA；

　　◆較寬的輸入電壓范圍：2.8～16 V；

　　◆耐熱增強型38引腳QFN封裝。

　　高壓側電流檢測是目前靈活性最高的LED驅動方案，可提供降壓、升壓或降壓-升壓型配置。在105 mV的全標度值條件下，可將每個電流監(jiān)視器門限的準確度修整至2.5％以內。用戶可利用一個外部檢測電阻來設置每個通道的輸出電流范圍。4個穩(wěn)壓器均由對應信道的PWM信號來獨立操作，從而精準地調節(jié)LED信號源的混色或調光比，可實現(xiàn)高達1000：1的調光比。頻率調節(jié)引腳允許用戶在200 kHz～2 MHz的范圍內設置開關頻率，能有效抑制LED陣列的噪聲干擾。

　　LED是電流驅動型器件，其光照強度取決于傳導電流的大小。為獲得恒定的光照強度并提高其使用壽命，必須在其正向偏置時保持輸入電流恒定。LT3476驅動器的典型應用電路如圖2所示。

　　本系統(tǒng)中LT3476芯片的PWM引腳與PIC16F873A單片機的PWM脈沖輸出引腳相連，用于控制目標驅動器通道來調整LED陣列的輸出光通量。根據(jù)汽車電源總線輸出12 V以及照明亮度需求，采用每個通道串聯(lián)3個XLamp XR-E LED、4通道并聯(lián)的LED陣列布局，各通道之間使用濾波電容隔開。

　　2 軟件設計

　　本系統(tǒng)的軟件部分比較簡單。系統(tǒng)上電后初始化PIC16F873A，并由其讀取光控回路和熱控反饋回路的A／D值，據(jù)此調整輸出PWM脈沖的占空比并發(fā)送至LT3476的PWM引腳，循環(huán)往復，從而達到動態(tài)調光的目的。軟件流程如圖3所示。

　　根據(jù)已獲取的2路A／D值動態(tài)調整PWM輸出脈沖的占空比，為本系統(tǒng)軟件模塊中最為關鍵的部分。操作PIC16F873A內部控制寄存器可調整輸出PWM脈沖的占空比，其步驟如下：

　?、俪跏蓟疌CP1模塊控制寄存器CCP1CON的低4位為11XX，并將TRISC[2]位清零，使CCP1模塊工作在PWM脈沖輸出模式下，可輸出分辨率達10位的PWN脈沖；

　?、趯懚〞r器TMR2的8位周期寄存器PR2，設置PWM輸出脈沖的周期；

　?、蹖懚〞r器TMR2的控制寄存器T2CON，使能定時器TMR2并初始化TMR2的前分頻值；

　　④CCP1模塊包含2個8位寄存器CCPR1H(高字節(jié))和CCPR1L(低字節(jié))，通過寫入CCP1CON控制器和CCPR1L寄存器的4、5位可得到PWM脈沖的高電平時間，可在任意時刻寫入，但僅當定時器TMR2的增量計數(shù)值與周期寄存器PR2的值相等時，數(shù)據(jù)才真正寫入到CCPR1H寄存器內部。
　
　　相關計算公式如下：

　　PWM脈沖周期=[(PR2)+1]×4×Tosc×(TMR2前分頻值)

　　PWM高電平時間=(CCPR1L：CCP1CON[5：4])×Tosc×(TMR2前分頻值)

　　PWM輸出占空比=(CCPR1L：CCP1CON[5：4])／(PR2+1)×4

　　結 語

　　高亮度LED應用于汽車照明系統(tǒng)是近年來汽車電子發(fā)展的一大亮點，采用“單片機+LED驅動器”的方案有利于增強系統(tǒng)開發(fā)的靈活性。實際應用表明，本設計充分發(fā)掘了LT3476驅動器的潛力，高亮度LED陣列輸出穩(wěn)定，能根據(jù)周邊環(huán)境的光強和LED陣列的溫度進行亮度的自動調整，且能有效抑制LED陣列的輸出噪聲。