引 言
相對(duì)于傳統(tǒng)的鹵素低壓照明模式，采用高亮度LED作為汽車(chē)照明系統(tǒng)的照明設(shè)備可帶來(lái)諸多好處。高亮度LED能以相對(duì)較小的功率消耗來(lái)提供更高的亮度，并能通過(guò)簡(jiǎn)單的電流控制來(lái)獲得很寬的調(diào)光范圍，而其低成本、低功耗、快速接通時(shí)間、長(zhǎng)壽命、結(jié)構(gòu)堅(jiān)固、外圍電路簡(jiǎn)單、受振動(dòng)影響小等特點(diǎn)更可帶來(lái)絕對(duì)的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。高亮度LED照明也給汽車(chē)電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)師和制造商帶來(lái)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(zhǎng)久的工作壽命，需要搭建有效的驅(qū)動(dòng)電路。針對(duì)汽車(chē)照明系統(tǒng)中要求控制簡(jiǎn)單、節(jié)能環(huán)保、高效安全等特點(diǎn)，筆者采用凌力爾特公司的4通道LED驅(qū)動(dòng)器LT3476來(lái)驅(qū)動(dòng)多個(gè)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(lái)動(dòng)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(shí)采用光敏電阻進(jìn)行亮度的自動(dòng)調(diào)節(jié)。
1 硬件設(shè)計(jì)
1.1 汽車(chē)高亮度LED照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)
在汽車(chē)照明系統(tǒng)中，LED驅(qū)動(dòng)電路必須能夠從相當(dāng)苛刻的汽車(chē)電源總線(xiàn)中獲取工作電源，同時(shí)兼顧應(yīng)用成本和空間效益。在實(shí)際應(yīng)用中，為獲取所需亮度的照明光源，需采取多個(gè)LED串聯(lián)、并聯(lián)或串并聯(lián)混合的結(jié)構(gòu)。同時(shí)，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(dòng)電流(IF)來(lái)設(shè)計(jì)合法的電路。表1列舉了一個(gè)典型的高電流白光LED的正向電壓降與驅(qū)動(dòng)電流之間的關(guān)系。
汽車(chē)電源總線(xiàn)提供標(biāo)稱(chēng)值為12 V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2.68～4.88 V。若采用單個(gè)至3個(gè)LED組成(串聯(lián))LED陣列，則需使用降壓型LED驅(qū)動(dòng)器將汽車(chē)總線(xiàn)電源電壓降至一個(gè)比較合適的范圍。同樣，在諸如汽車(chē)頭燈、轉(zhuǎn)向燈等需多個(gè)(8個(gè)以上)LED串聯(lián)組成陣列使用的應(yīng)用場(chǎng)合，需采用升壓型LED驅(qū)動(dòng)器將輸出電壓調(diào)整至比較合適的范圍。在汽車(chē)照明系統(tǒng)中，一般只需輸出光通量范圍為150～800 lm。本設(shè)計(jì)采用Cree公司的XLamp XR-E LED，其理論上可達(dá)到100 lm／W的發(fā)光效率，考慮到終端用戶(hù)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)。
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汽車(chē)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(dòng)器提供方便的調(diào)節(jié)輸出電流來(lái)控制LED亮度的方案。通常情況下，可采用外部SET電阻、線(xiàn)性調(diào)節(jié)和PWM調(diào)節(jié)等技術(shù)來(lái)控制LED的亮度，上述方法各有利弊。在LED驅(qū)動(dòng)器外部使用SET電阻的方式缺乏靈活性，無(wú)法讓用戶(hù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)。線(xiàn)性調(diào)節(jié)可動(dòng)態(tài)控制LED的亮度，但會(huì)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(shì)十分明顯，當(dāng)PWM脈沖為有效高電平或低電平時(shí)， LED輸入電流分別為最大或0，其導(dǎo)通時(shí)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(guò)施加一個(gè)PWM信號(hào)來(lái)控制LED亮度的做法，可以在不改變彩色的情況下實(shí)現(xiàn)對(duì)LED亮度的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)。
在照明系統(tǒng)中使用高亮度LED的優(yōu)勢(shì)在于：輸入電流變化較大(25％以?xún)?nèi))時(shí)，人眼無(wú)法察覺(jué)到亮度變化，但均普遍存在LED的自熱問(wèn)題，需添加額外的熱管理單元，主要用于在溫度增加時(shí)反饋電壓信號(hào)至MCU控制單元，改變MCU輸出PWM脈沖信號(hào)的占空比來(lái)降低LED的亮度，從而減少LED的輻射熱。實(shí)際應(yīng)用中，汽車(chē)照明系統(tǒng)應(yīng)能感應(yīng)環(huán)境的光強(qiáng)，并據(jù)此自動(dòng)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(jì)
本系統(tǒng)采用PIC16F873A作為主控芯片，其上2個(gè)通道的10位A／D轉(zhuǎn)換器分別接收來(lái)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(dòng)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。
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1.3 PIC16F873A單片機(jī)
PIC16F873A基于哈佛結(jié)構(gòu)，采用14位的精簡(jiǎn)指令集(RISC)，內(nèi)部包含3個(gè)定時(shí)器、5通道10位A／D轉(zhuǎn)換器、2路PWM脈沖輸出、USART接口、看門(mén)狗、SPI總線(xiàn)接口等，資源比較豐富，能滿(mǎn)足緊湊、穩(wěn)定的設(shè)計(jì)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。
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本系統(tǒng)使用2個(gè)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5 V的電壓，當(dāng)環(huán)境光強(qiáng)發(fā)生變化時(shí)，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(dāng)高亮度LED陣列內(nèi)部環(huán)境溫度發(fā)生變化時(shí)，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(gè)電位器兩端的A／D值，可獲得控制參數(shù)，進(jìn)而通過(guò)算法調(diào)整輸出PWM脈沖的占空比，實(shí)現(xiàn)對(duì)LED陣列輸出光通量的動(dòng)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(shí)，可在RC1和RC2引腳輸出2路分辨率高達(dá)10位的PWM信號(hào)，使用程序語(yǔ)句控制PWM信號(hào)的周期和高電平維持時(shí)間，可動(dòng)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(dòng)器
LT3476為4通道輸出DC／DC轉(zhuǎn)換器，是專(zhuān)為驅(qū)動(dòng)高電流LED而設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的運(yùn)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(cè)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(cè)門(mén)限；
◆具有1.5 A、36 V內(nèi)部NPN開(kāi)關(guān)的4個(gè)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)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(kāi)路LED保護(hù)；
◆低靜態(tài)電流：在運(yùn)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。
