PIC16F873A和LT3476的汽車照明系統(tǒng)設(shè)計

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(shè)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(diào)光范圍，而其低成本、低功耗、快速接通時間、長壽命、結(jié)構(gòu)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(jì)優(yōu)勢。高亮度LED照明也給汽車電子產(chǎn)品設(shè)計師和制造商帶來了全新的機(jī)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(qū)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(qū)動器LT3476來驅(qū)動多個LED發(fā)光，使用Microchip公司的8位單片機(jī)PIC16F873A輸出不同占空比的PWM脈沖來動態(tài)控制其發(fā)光強(qiáng)度，并使用熱敏電阻搭建反饋回路進(jìn)行自熱管理，同時采用光敏電阻進(jìn)行亮度的自動調(diào)節(jié)。

    1 硬件設(shè)計

    1.1 汽車高亮度LED照

    系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)

    在汽車照明系統(tǒng)中，LED驅(qū)動電路必須能夠從相當(dāng)苛刻的汽車電源總線中獲取工作電源，同時兼顧應(yīng)用成本和空間效益。在實際應(yīng)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(jié)構(gòu)。同時，為保證LED的使用壽命，需根據(jù)LED陣列結(jié)構(gòu)及LED的正向電壓降(VF)和驅(qū)動電流(IF)來設(shè)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(qū)動電流之間的關(guān)系。

    汽車電源總線提供標(biāo)稱值為12V的電源，由表1可以看出，根據(jù)不同應(yīng)用而導(dǎo)致的LED顏色和亮度差異，其允許的電壓范圍為2.68～4.88V。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(qū)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(zhuǎn)向燈等需多個(8個以上)LED串聯(lián)組成陣列使用的應(yīng)用場合，需采用升壓型LED驅(qū)動器將輸出電壓調(diào)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150～800lm。本設(shè)計采用Cree公司的XLamp XR-E LED，其理論上可達(dá)到100lm／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(jié)構(gòu)。

    汽車照明系統(tǒng)中要求進(jìn)行設(shè)備的調(diào)光控制，需要所選LED驅(qū)動器提供方便的調(diào)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(diào)節(jié)和PWM調(diào)節(jié)等技術(shù)來控制LED的亮度，上述方法各有利弊。在LED驅(qū)動器外部使用SET電阻的方式缺乏靈活性，無法讓用戶進(jìn)行動態(tài)調(diào)節(jié)。線性調(diào)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(diào)節(jié)技術(shù)的優(yōu)勢十分明顯，當(dāng)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(dǎo)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(diào)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(nèi))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(yīng)用中，汽車照明系統(tǒng)應(yīng)能感應(yīng)環(huán)境的光強(qiáng)，并據(jù)此自動改變LED陣列的輸出光通量，達(dá)到節(jié)能減耗的目的。

    1.2 系統(tǒng)整體設(shè)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(zhuǎn)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(qū)動器的PWM引腳，從而調(diào)節(jié)LED陣列的輸出光通量。結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

    1.3 PIC16F873A單片機(jī)

    PIC16F873A基于哈佛結(jié)構(gòu)，采用14位的精簡指令集(RISC)，內(nèi)部包含3個定時器、5通道10位A／D轉(zhuǎn)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(shè)計要求。其內(nèi)部A／D轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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5V的電壓，當(dāng)環(huán)境光強(qiáng)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5V電壓，當(dāng)高亮度LED陣列內(nèi)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0～5V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(jìn)而通過算法調(diào)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(nèi)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(diào)制)模式。當(dāng)處于PWM模式時，可在RC1和RC2引腳輸出2路分辨率高達(dá)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(dá)到控制LED陣列輸出光通量的目的。

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

    ◆True Color PWM調(diào)光技術(shù)，可提供高達(dá)5000；1 的調(diào)光比；

    ◆采用高壓側(cè)檢測的LED電流調(diào)節(jié)；

    ◆VADJ引腳可在10～120 mV的范圍內(nèi)準(zhǔn)確地設(shè)定LED電流檢測門限；

    ◆具有1.5 A、36 V內(nèi)部NPN開關(guān)的4個獨立驅(qū)動器信道；

    ◆頻率調(diào)節(jié)引腳：200 kHz～2 MHz；

    ◆高達(dá)96％的轉(zhuǎn)換效率；

    ◆開路LED保護(hù)；

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

    ◆較寬的輸入電壓范圍：2.8～16 V；

    ◆耐熱增強(qiáng)型38引腳QFN封裝。

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

    LED是電流驅(qū)動型器件，其光照強(qiáng)度取決于傳導(dǎo)電流的大小。為獲得恒定的光照強(qiáng)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(qū)動器的典型應(yīng)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(jī)的PWM脈沖輸出引腳相連，用于控制目標(biāo)驅(qū)動器通道來調(diào)整LED陣列的輸出光通量。根據(jù)汽車電源總線輸出12V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(shè)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(diào)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(fù)，從而達(dá)到動態(tài)調(diào)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(diào)整PWM輸出脈沖的占空比，為本系統(tǒng)軟件模塊中最為關(guān)鍵的部分。操作PIC16F873A內(nèi)部控制寄存器可調(diào)整輸出PWM脈沖的占空比，其步驟如下：

    ①初始化CCP1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(dá)10位的PWN脈沖；

    ②寫定時器TMR2的8位周期寄存器PR2，設(shè)置PWM輸出脈沖的周期；

    ③寫定時器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(dāng)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(nèi)部。
            　
    相關(guān)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(jié) 語

    高亮度LED應(yīng)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(jī)+LED驅(qū)動器”的方案有利于增強(qiáng)系統(tǒng)開發(fā)的靈活性。實際應(yīng)用表明，本設(shè)計充分發(fā)掘了LT3476驅(qū)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(qiáng)和LED陣列的溫度進(jìn)行亮度的自動調(diào)整，且能有效抑制LED陣列的輸出噪聲