一種帶總線接口的LED可調(diào)光驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張玉杰 鄭 培

(陜西科技大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，陜西 西安 710021)

一種帶總線接口的LED可調(diào)光驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張玉杰 鄭 培

(陜西科技大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，陜西 西安 710021)

針對(duì)傳統(tǒng)LED恒流驅(qū)動(dòng)器功能的單一性缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種帶RS- 485總線通信接口的LED可調(diào)光驅(qū)動(dòng)器。以SN8P2511單片機(jī)作為L(zhǎng)ED控制器、PT4207作為L(zhǎng)ED驅(qū)動(dòng)芯片、MAX485作為通信芯片,構(gòu)成系統(tǒng)的硬件平臺(tái)，并在此基礎(chǔ)上完成系統(tǒng)的軟件開(kāi)發(fā)。LED驅(qū)動(dòng)器及控制器的一體化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了LED的PWM調(diào)光、LED的組網(wǎng)及智能控制。該驅(qū)動(dòng)器具有體積小、成本低、功耗小、可靠性高及安裝維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，具有很好的應(yīng)用前景。

LED驅(qū)動(dòng) RS- 485總線 PWM調(diào)光 智能控制 I/O

0 引言

LED作為新型高效固體光源，由于高效、環(huán)保、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)[1]，被廣泛應(yīng)用在室內(nèi)外照明、景觀設(shè)計(jì)、指示燈等領(lǐng)域。在當(dāng)今環(huán)境污染日益嚴(yán)重、氣候變暖和能源日益緊張的背景下，基于大功率LED發(fā)展起來(lái)的半導(dǎo)體照明技術(shù)已經(jīng)被公認(rèn)為是21世紀(jì)最具發(fā)展前景的高技術(shù)領(lǐng)域之一。

與傳統(tǒng)光源不同，LED需要專(zhuān)用驅(qū)動(dòng)電源才能使其高效持續(xù)地工作，驅(qū)動(dòng)電源是LED照明產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要保障，它的效率、功率因數(shù)、控制方式等直接決定了LED的性能[2]。但傳統(tǒng)恒流源LED照明系統(tǒng)主要存在以下幾點(diǎn)不足：①不具有PWM調(diào)光功能；②LED驅(qū)動(dòng)電源和控制器分開(kāi)，不利于安裝維護(hù)；③不具有總線通信接口，不便于LED的組網(wǎng)及智能控制。

為了克服上述技術(shù)缺點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種帶總線通信接口的LED可調(diào)光驅(qū)動(dòng)器。系統(tǒng)集成LED可調(diào)光恒流驅(qū)動(dòng)、LED控制器以及RS- 485通信電路，可以方便地實(shí)現(xiàn)LED的PWM調(diào)光、LED的組網(wǎng)及智能控制。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

本系統(tǒng)主要由LED可調(diào)光恒流驅(qū)動(dòng)、單片機(jī)控制電路、RS- 485通信電路以及LED燈具四部分組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

LED恒流驅(qū)動(dòng)采用非隔離降壓型Buck電路，可調(diào)光恒流源采用LED驅(qū)動(dòng)芯片PT4207專(zhuān)用電路設(shè)計(jì)，產(chǎn)生電流大小適當(dāng)?shù)暮懔鞴┙oLED負(fù)載使用。通過(guò)單片機(jī)控制器向驅(qū)動(dòng)芯片提供PWM信號(hào)，改變LED驅(qū)動(dòng)負(fù)載電流的大小，從而實(shí)現(xiàn)LED的亮度調(diào)節(jié)。驅(qū)動(dòng)電路中的電感器改為具有2個(gè)繞組的變壓器，利用變壓器的初級(jí)繞組代替電感器；而次級(jí)繞組經(jīng)線性穩(wěn)壓器LM78L05穩(wěn)壓后，為控制部分提供電源，輸出+5 V的穩(wěn)定電壓，確?？刂破骷巴ㄐ烹娐返目煽抗ぷ?。

控制電路以SONIX的8位低功耗單片機(jī)SN8P2511為核心，主要是生成PWM方波信號(hào)。PWM經(jīng)光耦耦合后，對(duì)恒流驅(qū)動(dòng)部分的驅(qū)動(dòng)芯片PT4207進(jìn)行控制，使恒流源系統(tǒng)按PWM占空比調(diào)節(jié)LED負(fù)載電流[3]，改變LED的亮度。同時(shí)利用普通I/O口模擬UART時(shí)序，并結(jié)合RS- 485硬件通信電路，接收和發(fā)送從RS- 485總線傳輸過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)LED亮度的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)。

2 可調(diào)光恒流驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

可調(diào)光恒流驅(qū)動(dòng)電路如圖2所示，采用非隔離降壓型Buck電路，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、元件少、效率高和可靠性高等優(yōu)點(diǎn)[4]，其核心是PT4207芯片。PT4207是一款高壓降壓式LED驅(qū)動(dòng)控制芯片，能適應(yīng)20～450 V 的輸入電壓范圍[5]。本系統(tǒng)采用220 V交流電源輸入，通過(guò)整流濾波后，經(jīng)驅(qū)動(dòng)芯片PT4207降壓、PT4207內(nèi)置輸入電壓補(bǔ)償功能，極大改善了不同輸入電壓下LED電流的穩(wěn)定性。

圖2 可調(diào)光恒流驅(qū)動(dòng)電路圖

2.1 恒流的實(shí)現(xiàn)

本LED驅(qū)動(dòng)采用固定關(guān)斷時(shí)間模式控制輸出電流。參考圖2，假定Buck電路的電壓為UBuck，流經(jīng)電感L3的電流為IL。當(dāng)Q9打開(kāi)時(shí)，從UBuck到GND的電流流經(jīng)LED(S)、電感L3、Q9和電流采樣電阻R27。電感L3兩端電壓為UBuck-ULED-ILR27，由于加到電感兩端的電壓為正電壓，電感電流增加。PT4207通過(guò)R27采樣電感電流IL。當(dāng)IL達(dá)到設(shè)定值時(shí),Q9被關(guān)斷，進(jìn)入關(guān)斷周期[6]。

關(guān)斷時(shí)間TOFF通過(guò)外部電阻設(shè)定，是固定不變的，經(jīng)過(guò)TOFF后Q9將被重新開(kāi)啟。在關(guān)斷周期，IL經(jīng)過(guò)D16流到UBuck，電感兩端的電壓為-(ULED-UD16)[7]。由于電感兩端電壓反向?yàn)樨?fù)，電感電流逐漸下降。在TOFF時(shí)間內(nèi)，電感電流變化大小為：-TOFF(ULED-UD16)/L。在連續(xù)電感電流模式下，流過(guò)電感的平均電流為：Iavg=Ipk-0.5TOFF(ULED-UD16)/L。

2.2 PWM調(diào)光的實(shí)現(xiàn)

PT4207的DIM專(zhuān)用調(diào)光管腳可以接受PWM脈沖調(diào)光。當(dāng)DIM電壓低于0.35 V時(shí)開(kāi)關(guān)完全關(guān)掉，輸出電流最小，DIM電壓從0.5 V增加時(shí)輸出電流線性增加，直到DIM電壓達(dá)到2.5 V，電流達(dá)到最大Imax，超過(guò)2.5 V時(shí)輸出電流保持不變。因此在DIM腳加上一個(gè)低電平小于0.35 V、高電平大于2.5 V的PWM脈沖信號(hào)，可以實(shí)現(xiàn)PWM調(diào)光[8]。參考圖2，控制器的PWM輸出引腳輸出PWM信號(hào)后，接到光耦的2腳，經(jīng)光耦耦合后的SPWM(光耦的4腳)接到PT4207的DIM管腳，控制驅(qū)動(dòng)的負(fù)載電流，從而實(shí)現(xiàn)PWM調(diào)光。如果調(diào)光信號(hào)占空比為D，則輸出電流可以表示為：ILoad=DImax(0≤D≤1)。

2.3 PFC功率因數(shù)校正

本驅(qū)動(dòng)采用無(wú)源PFC電路來(lái)提高功率因數(shù)。參考圖2，C11、C15、D12、D14、D15構(gòu)成一個(gè)兩級(jí)填谷電路[8]，UBuck為轉(zhuǎn)換器提供工作電源。電路允許負(fù)載在AC周期直接從母線抽取電流，從而提高功率因數(shù)[4]。由于C11、C15只承受一半的輸入電壓，因此可以選用耐壓較低的電解電容。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

圖3是控制系統(tǒng)硬件電路圖，78L05為DC降壓型穩(wěn)壓芯片，開(kāi)關(guān)變壓器的次級(jí)繞組經(jīng)線性穩(wěn)壓器LM78L05穩(wěn)壓后，為控制部分提供電源，輸出+5 V的穩(wěn)定電壓，確?？刂破骷巴ㄐ烹娐返目煽抗ぷ鳌Ｍㄐ烹娐愤x擇用于RS- 485通信的低功耗收發(fā)器MAX485，輸出電路的設(shè)計(jì)充分考慮各種干擾因素。在電路設(shè)計(jì)過(guò)程中，采用瞬態(tài)抑制TVS管D8、D9組成的吸收回路，吸收高脈沖干擾信號(hào)，保護(hù)輸入電路；在RS- 485總線的A、B之間接入雙向TVS，吸收A、B之間高壓脈沖，保護(hù)485電路；在485電路的A、B輸出端加接上拉、下拉電阻，使A端電位高于B端電位。這樣RXD的電平在485總線不發(fā)送期間(總線懸浮時(shí))呈現(xiàn)唯一的高電平，單片機(jī)就不會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)誤接收的情況?？刂破鱏N8P2511的P5.4引腳具有脈寬調(diào)制輸出功能，輸出PWM信號(hào)通過(guò)光耦PC817耦合后，連接到控制驅(qū)動(dòng)芯片PT4207的DIM管腳，控制驅(qū)動(dòng)的負(fù)載電流，從而實(shí)現(xiàn)LED亮度的調(diào)節(jié)。

圖3 控制系統(tǒng)硬件電路圖

3.2 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

通信模塊程序流程如圖4所示。

圖4 通信模塊程序流程圖

用普通I/O口通過(guò)軟件來(lái)模擬串行通信時(shí)序，最終實(shí)現(xiàn)串行通信。選擇一外部中斷口做單片機(jī)輸入口和一普通I/O口做輸出口,并利用外部中斷和定時(shí)器中斷編程實(shí)現(xiàn)串口通信中1 B數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。其中外部中斷用來(lái)判斷接收數(shù)據(jù)的起始位標(biāo)志，定時(shí)器中斷用來(lái)控制數(shù)據(jù)以正確的波特率接收和發(fā)送，如本程序中通信波特率為9 600 bit/s，則每傳輸1 bit數(shù)據(jù)的時(shí)間為104 μs。

LED亮度漸變調(diào)節(jié)模塊的主要功能是實(shí)現(xiàn)燈具亮度的漸變，避免亮度的迅速變化造成視覺(jué)沖擊大、影響視覺(jué)效果的缺點(diǎn)[8]。當(dāng)系統(tǒng)收到從控制終端發(fā)來(lái)的亮度調(diào)節(jié)命令后，不是直接將當(dāng)前亮度改變?yōu)樾枰O(shè)置的亮度，而是以一定的速度漸變。本程序中漸變的速度設(shè)置為每10 ms燈具亮度改變1%，即PWM占空比改變1/256，達(dá)到漸變的效果。程序流程圖如圖5所示。

圖5 漸變程序流程圖

圖5中,real_pwm為當(dāng)前PWM占空比值，rx_pwm為控制終端發(fā)來(lái)的需要設(shè)置PWM占空比。

4 調(diào)光試驗(yàn)

分別在PWM的輸出頻率為128 Hz和256 Hz時(shí)，測(cè)試了LED相對(duì)照度與PWM占空比的線性度，以及驅(qū)動(dòng)負(fù)載電流與PWM占空比的線性度。測(cè)試結(jié)果如圖6、圖7所示。

圖6 PWM輸出頻率為128 Hz時(shí)測(cè)試結(jié)果

圖7 PWM輸出頻率為256 Hz時(shí)測(cè)試結(jié)果

試驗(yàn)證明，當(dāng)PWM輸出頻率為128 Hz與256 Hz時(shí)，LED 相對(duì)照度以及驅(qū)動(dòng)負(fù)載電流與PWM占空比的線性度均較好，PWM的亮度調(diào)節(jié)范圍為20%～100%。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)比較LED驅(qū)動(dòng)器不同工作方式下的各種因素，如成本、性能、優(yōu)缺點(diǎn)、適用性等，確定了低成本、高可靠性的非隔離可調(diào)光方案。使用PT4207專(zhuān)用電路來(lái)設(shè)計(jì)可調(diào)光恒流源，完成了電路設(shè)計(jì)并進(jìn)行了調(diào)光試驗(yàn)。通過(guò)PWM占空比與驅(qū)動(dòng)負(fù)載電流、LED相對(duì)照度的線性度測(cè)試，證明本驅(qū)動(dòng)具有較好的調(diào)光性能。以SN8P2511單片機(jī)為核心的電路，實(shí)現(xiàn)了調(diào)光控制和數(shù)據(jù)通信，控制終端可通過(guò)總線傳輸命令數(shù)據(jù)，對(duì)LED亮度進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了LED組網(wǎng)以及智能控制，具有較廣闊的應(yīng)用前景。

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Design and Implementation of the Dimmable LED Driver with Bus Interface

Aiming at the disadvantage of traditional constant current LED driver, i.e. the functional unitary, the dimmable LED driver with RS- 485 bus communication interface has been designed. The hardware platform of the system is composed of SN8P2511 single chip computer as the LED controller, PT420 as the LED driving chip and MAX485 as communication chip; and the software development is accomplished on this basis. The PWM dimming of LED, the networking of LED and the intelligent controller are implemented by the integrated design of LED driver and controller. The system features compact, low cost, low power consumption and high reliability as well as ease installation and maintenance, it possesses good application prospects.

LED drive RS- 485 bus PWM dimming Intelligent control I/O

西安市科技計(jì)劃基金資助項(xiàng)目[編號(hào)：CX1259(2)]。

張玉杰(1966-)，男，1988年畢業(yè)于西北大學(xué)半導(dǎo)體物理專(zhuān)業(yè)，獲碩士學(xué)位，教授；主要從事信息采集與處理、模式識(shí)別、嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)等研究。

TP23

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201505023

修改稿收到日期：2014-04-10。