PIC16F873A和LT3476的汽车照明系统设计

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 XR-E 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。

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。

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。

本系统使用2个通道的A／D转换器，分别接人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。