引 言
相對于傳統的鹵素低壓照明模式，采用高亮度LED作為汽車照明系統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濟優勢。高亮度LED照明也給汽車電子產品設計師和制造商帶來了全新的機遇和挑戰。
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。針對汽車照明系統中要求控制簡單、節能環保、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脈沖來動態控制其發光強度，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。
1 硬件設計
1.1 汽車高亮度LED照明系統設計參數
在汽車照明系統中，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、并聯或串并聯混合的結構。同時，為保證LED的使用壽命，需根據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)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、多通道并聯的組合LED陣列結構。
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汽車照明系統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、線性調節和PWM調節等技術來控制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調節。線性調節可動態控制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調節技術的優勢十分明顯，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對LED亮度的動態調節。
在照明系統中使用高亮度LED的優勢在于：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，汽車照明系統應能感應環境的光強，并據此自動改變LED陣列的輸出光通量，達到節能減耗的目的。
1.2 系統整體設計
本系統采用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LED陣列的輸出光通量。結構框圖如圖1所示。
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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。
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本系統使用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，當環境光強發生變化時，光敏電阻的阻值發生變化，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陣列內部環境溫度發生變化時，熱敏電阻的阻值發生變化，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，進而通過算法調整輸出PWM脈沖的占空比，實現對LED陣列輸出光通量的動態控制。
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穩定的運作。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；
◆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；
◆頻率調節引腳：200 kHz～2 MHz；
◆高達96％的轉換效率；
◆開路LED保護；
◆低靜態電流：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。
