PIC16F873A和LT3476的汽车照明系统设计

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摘要　分析将高亮度LED应用于汽车照明系统的关键问题，提出基于PIC16F873A和LT3476实现汽车照明系统的电路设计方案。该方案具有节能、高效、低成本等特点，有效抑制了高亮度LED阵列应用中的热辐射和开关噪声问题，为设计更为高效的汽车照明系统提供了新的解决方案，具有一定的应用价值。
关键词　汽车照明系统　PIC16F873A　LT3476　PWM
引言
　　相对于传统的卤素低压照明模式，采用高亮度LED作为汽车照明系统的照明设备可带来诸多好处。高亮度LED能以相对较小的功率消耗来提供更高的亮度，并能通过简单的电流控制来获得很宽的调光范围，而其低成本、低功耗、快速接通时间、长寿命、结构坚固、外围电路简单、受振动影响小等特点更可带来绝对的经济优势。高亮度LED照明也给汽车电子产品设计师和制造商带来了全新的机遇和挑战。
　　为确保高亮度LED最佳的性能和长久的工作寿命，需要搭建有效的驱动电路。针对汽车照明系统中要求控制简单、节能环保、高效安全等特点，笔者采用凌力尔特公司的4通道LED驱动器LT3476来驱动多个LED发光，使用Microchip公司的8位单片机PIC16F873A输出不同占空比的PWM脉冲来动态控制其发光强度，并使用热敏电阻搭建反馈回路进行自热管理，同时采用光敏电阻进行亮度的自动调节。
1　硬件设计
1.1　汽车高亮度LED照明系统设计参数
　　在汽车照明系统中，LED驱动电路必须能够从相当苛刻的汽车电源总线中获取工作电源，同时兼顾应用成本和空间效益。在实际应用中，为获取所需亮度的照明光源，需采取多个LED串联、并联或串并联混合的结构。同时，为保证LED的使用寿命，需根据LED阵列结构及LED的正向电压降（VF）和驱动电流（IF）来设计合法的电路。表1列举了一个典型的高电流白光LED的正向电压降与驱动电流之间的关系。
　　汽车电源总线提供标称值为12 V的电源，由表1可以看出，根据不同应用而导致的LED颜色和亮度差异，其允许的电压范围为2.68～4.88 V。若采用单个至3个LED组成（串联）LED阵列，则需使用降压型LED驱动器将汽车总线电源电压降至一个比较合适的范围。同样，在诸如汽车头灯、转向灯等需多个（8个以上）LED串联组成阵列使用的应用场合，需采用升压型LED驱动器将输出电压调整至比较合适的范围。在汽车照明系统中，一般只需输出光通量范围为150～800 lm。本设计采用Cree公司的XLamp XRE LED，其理论上可达到100 lm/W的发光效率，考虑到终端用户不同的照明亮度需求，使用单通道多LED串联、多通道并联的组合LED阵列结构。
　　汽车照明系统中要求进行设备的调光控制，需要所选LED驱动器提供方便的调节输出电流来控制LED亮度的方案。通常情况下，可采用外部SET电阻、线性调节和PWM调节等技术来控制LED的亮度，上述方法各有利弊。在LED驱动器外部使用SET电阻的方式缺乏灵活性，无法让用户进行动态调节。线性调节可动态控制LED的亮度，但会降低LED的效率，并引起白光LED朝向黄色光谱的色彩偏移。相比较而言，PWM调节技术的优势十分明显， 当PWM脉冲为有效高电平或低电平时，LED输入电流分别为最大或0，其导通时间受控于PWM引脚输入脉冲的占空比。由于LED始终工作于相同的电流条件下，通过施加一个PWM信号来控制LED亮度的做法，可以在不改变彩色的情况下实现对LED亮度的动态调节。
表1　典型的高电流白光LED的正向电压降与驱动电流关系


　　在照明系统中使用高亮度LED的优势在于： 输入电流变化较大（25%以内）时，人眼无法察觉到亮度变化，但均普遍存在LED的自热问题，需添加额外的热管理单元，主要用于在温度增加时反馈电压信号至MCU控制单元，改变MCU输出PWM脉冲信号的占空比来降低LED的亮度，从而减少LED的辐射热。实际应用中，汽车照明系统应能感应环境的光强，并据此自动改变LED阵列的输出光通量，达到节能减耗的目的。
1.2　系统整体设计
　　本系统采用PIC16F873A作为主控芯片，其上2个通道的10位A/D转换器分别接收来自热控反馈回路和光控回路的输出，并据此输出不同占空比的PWM脉冲至LT3476驱动器的PWM引脚，从而调节LED阵列的输出光通量。结构框图如图1所示。


图1　汽车照明系统结构框图
1.3　PIC16F873A单片机
　　PIC16F873A基于哈佛结构，采用14位的精简指令集（RISC），内部包含3个定时器、5通道10位A/D转换器、2路PWM脉冲输出、USART接口、看门狗、SPI总线接口等，资源比较丰富，能满足紧凑、稳定的设计要求。其内部A/D转换器包含的主要寄存器及其功能如表2所列。
表2　A/D转换器包含的主要寄存器及其功能


　　本系统使用2个通道的A/D转换器，分别接入光控回路和热控反馈回路的输出。光控回路采用光敏电阻，在其两端加5 V的电压，当环境光强发生变化时，光敏电阻的阻值发生变化，引起输出电压在0～5 V之间变化。热控反馈回路采用热敏电阻，在其两端加5 V电压，当高亮度LED阵列内部环境温度发生变化时，热敏电阻的阻值发生变化，引起输出电压在0～5 V之间变化。分别采集2个电位器两端的A/D值，可获得控制参数，进而通过算法调整输出PWM脉冲的占空比，实现对LED阵列输出光通量的动态控制。
　　PIC16F873A内部的CCP1和CCP2模块有3种工作模式：捕捉模式、输出比较方式和PWM（脉冲调制）模式。当处于PWM模式时，可在RC1和RC2引脚输出2路分辨率高达10位的PWM信号，使用程序语句控制PWM信号的周期和高电平维持时间，可动态控制输出PWM脉冲的占空比，从而达到控制LED阵列输出光通量的目的。
1.4　LT3476驱动器
　　LT3476为4通道输出 DC/DC转换器，是专为驱动高电流 LED而设计的恒定电流源，其固定频率和电流模式架构可保证在很宽的输入和输出电压范围内实现稳定的运作。其主要特性如下：
　　◆ True Color PWM调光技术，可提供高达5000∶1的调光比；
　　◆ 采用高压侧检测的LED电流调节；
　　◆ VADJ引脚可在10～120 mV的范围内准确地设定LED电流检测门限；
　　◆ 具有1.5 A、36 V内部NPN开关的4个独立驱动器信道；
　　◆ 频率调节引脚：200 kHz～2 MHz；
　　◆ 高达96%的转换效率；
　　◆ 开路LED保护；
　　◆ 低静态电流：在运行模式中为 22 mA，在停机模式中<10 μA；
　　◆ 较宽的输入电压范围：2.8～16 V；
　　◆ 耐热增强型38引脚QFN封装。
　　高压侧电流检测是目前灵活性最高的LED驱动方案，可提供降压、升压或降压升压型配置。在105 mV的全标度值条件下，可将每个电流监视器门限的准确度修整至2.5%以内。用户可利用一个外部检测电阻来设置每个通道的输出电流范围。4个稳压器均由对应信道的PWM信号来独立操作，从而精准地调节LED信号源的混色或调光比，可实现高达1000∶1的调光比。频率调节引脚允许用户在200 kHz～2 MHz的范围内设置开关频率，能有效抑制LED阵列的噪声干扰。
　　LED是电流驱动型器件，其光照强度取决于传导电流的大小。为获得恒定的光照强度并提高其使用寿命，必须在其正向偏置时保持输入电流恒定。LT3476驱动器的典型应用电路如图2所示。


图2　LT3476驱动器典型应用电路
　　本系统中LT3476芯片的PWM引脚与PIC16F873A单片机的PWM脉冲输出引脚相连，用于控制目标驱动器通道来调整LED阵列的输出光通量。根据汽车电源总线输出12 V以及照明亮度需求，采用每个通道串联3个XLamp XRE LED、4通道并联的LED阵列布局，各通道之间使用滤波电容隔开。
2　软件设计
　　本系统的软件部分比较简单。系统上电后初始化PIC16F873A，并由其读取光控回路和热控反馈回路的A/D值，据此调整输出PWM脉冲的占空比并发送至LT3476的PWM引脚，循环往复，从而达到动态调光的目的。软件流程如图3所示。


图3　软件流程　　
　　根据已获取的2路A/D值动态调整PWM输出脉冲的占空比，为本系统软件模块中最为关键的部分。操作PIC16F873A内部控制寄存器可调整输出PWM脉冲的占空比，其步骤如下：
　　① 初始化CCP1模块控制寄存器CCP1CON的低4位为11XX，并将TRISC[2]位清零，使CCP1模块工作在PWM脉冲输出模式下，可输出分辨率达10位的PWM脉冲；
　　② 写定时器TMR2的8位周期寄存器PR2，设置PWM输出脉冲的周期；
　　③ 写定时器TMR2的控制寄存器T2CON，使能定时器TMR2并初始化TMR2的前分频值；
　　④ CCP1模块包含2个8位寄存器CCPR1H（高字节）和CCPR1L（低字节），通过写入CCP1CON控制器和CCPR1L寄存器的4、5位可得到PWM脉冲的高电平时间，可在任意时刻写入，但仅当定时器TMR2的增量计数值与周期寄存器PR2的值相等时，数据才真正写入到CCPR1H寄存器内部。
　　相关计算公式如下：
　　PWM脉冲周期=[(PR2)+1]×4×Tosc×(TMR2前分频值)
　　PWM高电平时间=（CCPR1L∶CCP1CON[5∶4])×Tosc×(TMR2前分频值)
　　PWM输出占空比=(CCPR1L∶CCP1CON[5∶4])/(PR2+1)×4
结语
　　高亮度LED应用于汽车照明系统是近年来汽车电子发展的一大亮点，采用“单片机+LED驱动器”的方案有利于增强系统开发的灵活性。实际应用表明，本设计充分发掘了LT3476驱动器的潜力，高亮度LED阵列输出稳定，能根据周边环境的光强和LED阵列的温度进行亮度的自动调整，且能有效抑制LED阵列的输出噪声。
参考文献
[1] Jeff Gruetter. 汽车LED应用给电源管理IC带来了新的机遇和挑战[J]. 电子系统设计(电源技术特刊)，2007(12)：2224.
[2] Colin Davies. 高亮度LED在汽车照明应用中的关键问题[J]. 电子系统设计(汽车电子&GPS),2007(10)：2426.
[3] 陈娟，何培祥，李庆东,等. 基于PIC16F87X的电子油门的控制[J]. 现代电子技术，2007(1):167169.
[4] Microchip Technology Inc. PIC16F87XA Data Sheet,DS39582B,2003:6367.
杨水清(硕士)、张永亮（博士），主要研究方向为实时系统与专用集成电路。

李小路

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