基于線性高壓恒流驅動的智能LED 燈設計

徐志春，徐根達

(1.中國電子科技集團第52 研究所，浙江 杭州 310012;2.杭州意博高科電器有限公司，浙江 杭州 311112)

0 引言

智能照明是指利用計算機、無線通信數(shù)據(jù)傳輸、擴頻電力載波通信技術、計算機智能化信息處理及節(jié)能型電器控制等技術組成的分布式無線遙測、遙控、遙訊控制系統(tǒng)，來實現(xiàn)對照明設備的智能化控制。智能化是LED 照明燈具未來的發(fā)展方向。智能LED 燈具有燈光亮度的強弱調節(jié)、色溫控制、燈光軟啟動、定時控制、場景設置等功能。目前，國內外一些企業(yè)都先后推出了智能LED 照明產品，比如國外照明行業(yè)巨頭飛利浦推出了Philip Hue，三星推出了可以手機控制的藍牙智能燈，LG 公司推出了無線WIFI/藍牙LED燈。國內，iMagic 研發(fā)團隊推出了iMagic 藍牙智能燈泡，小米公司也推出了Yeelight 藍牙智能燈。雖然智能LED 燈有許多優(yōu)點，但還存在方案復雜、壽命短、成本高的一些問題。正是基于對以上問題的思考，本產品的方案，選擇了集成度高、具有數(shù)字接口的多路線性高壓恒流驅動IC 作為高壓燈珠的驅動電源，采用低功耗藍牙4.0BLE 模塊實現(xiàn)LED 燈的智能控制和通信功能。

1 智能LED 燈的總體方案

智能LED 燈通過硬件和軟件的設計，實現(xiàn)的功能包括:1)色彩調節(jié)。1 600 萬種顏色可自由選擇，可根據(jù)用戶需求生成所需要的顏色;2)亮度調節(jié)。調光的數(shù)量介于全滅(0)及全亮(255)數(shù)值之間，即具有256級亮度調節(jié);3)色溫調節(jié)。輸出單路黃光LED 控制，根據(jù)需要的應用場景調整黃光亮度控制色溫，提供冷白和暖白雙色照明;4)提供智能手機支持的APP 軟件，實現(xiàn)藍牙無線控制LED 燈;5)可選擇手機APP 中預置的不同情景模式，滿足不同場景的照明色彩需要;6)總功率不超過9 W 的球泡燈，可用手機藍牙無線連接和控制。

根據(jù)上述的功能需求，設計的系統(tǒng)如圖1 所示，主要包括以下幾個功能單元:電源管理，提供系統(tǒng)所需要的不同大小和類型的電源;藍牙4.0BLE 控制模塊，實現(xiàn)和智能手機之間的無線通信，還要和高壓線性恒流驅動IC 通過IIC 協(xié)議進行通信，完成各種控制功能;高壓線性恒流驅動模塊，接收藍牙4.0BLE 的命令，通過PWM 方式輸出恒流，并通過輸出電流的大小，實現(xiàn)對高壓RGB LED 燈珠組合的色彩變化控制。

圖1 系統(tǒng)總體方案

2 智能LED 燈的硬件設計

2.1 電源設計

系統(tǒng)需要兩種電源，分別是給藍牙4.0BLE 模塊供電的3.3 V 電源和給高壓燈珠提供的直流220 V 左右電源。交流220 V 供電輸入，經過全波整流、濾波之后成為直流電壓。理想情況下，該電壓平均值是198 V 左右，需要經過降壓AC/DC 芯片降壓到直流3.3 V 輸出，給藍牙4.0BLE 供電。藍牙4.0BLE模塊回路最大工作電流不超過10 mA，在設計時，考慮到降額70%設計，LDO 降壓芯片最大輸出的電流在15 mA 左右。

選擇小功率開關電源的恒壓功率開關芯片SM7205 作為降壓AC/DC，在全電壓90 Vac～264 Vac范圍內，輸出電壓3.3 V，其最大輸出電流高達1.2 A。在不同負載下，在恒壓精度范圍內滿足藍牙4.0BLE對供電電源的要求。為了保證電源輸出精度，電阻R1和R2選擇精度為1%的貼片電阻。為了增強EMC 性能，在220 V 交流輸入回路中需防雷、防浪涌保護電路(見圖2)。

2.2 線性高壓恒流驅動設計

遵循成本和性能適合原則，LED 驅動電源選用的是線性高壓恒流芯片SM2135。該芯片具備5 個獨立輸出端口，內部還集成了IIC 協(xié)議輸入端口，可接收MCU 輸出信號控制每個端口輸出電流大小。芯片內部采用PWM 控制恒流方式驅動多芯封裝HVLED 燈珠，高壓燈珠具有高電壓和小電流的特點，可以解決低壓LED 光源工作時發(fā)燙問題。設計的電路如圖3所示。

SM2135 最多支持5 路恒流輸出，每路都可以單獨控制。其中，芯片輸出的OUT1/OUT2/OUT3 引腳用于控制RGB 三基色，每通道最大輸出電流是45 mA。OUT4/OUT5 用于控制冷白和暖白雙色，每通道最大輸出電流是60 mA。因為紅光LED 燈珠壓降為2 V，綠/藍光LED 燈珠壓降為3 V，LED1 至LED2 為紅光LED 燈珠，和LED 燈珠串接的穩(wěn)壓管是為了滿足直流高壓的壓降要求。其中，DZ1-DZ4，DZ7，DZ10 穩(wěn)壓管穩(wěn)壓值為47 V，DZ5，DZ6 和DZ8，DZ9 穩(wěn)壓值為51 V。冷白、暖白采用高壓9 V 燈珠，以30 串1 并的方式組成。

圖2 電源原理圖設計

圖3 線性高壓恒流驅動原理圖

2.3 無線藍牙模塊設計

藍牙4.0BLE 模塊是整個系統(tǒng)的控制和通信核心單元。BK3434 是一款遵循藍牙4.0 協(xié)議的藍牙模塊，該模塊集成的藍牙芯片內置了8051 單片機，具有16 kB Flashrom 和2 kB SRAM，還嵌入了藍牙4.0協(xié)議。工作電流不超過10 mA，無線傳輸距離最大20 m，靈敏度-89 dBm。內置的8051 單片機作為系統(tǒng)的主CPU，通過IIC 接口，完成和高壓芯片SM2135 數(shù)字接口的通信。在和智能手機通信時，內置的藍牙模塊作為從機，最大可以同時連接8 個智能LED 燈。具體的藍牙模塊外圍電路設計可參考圖3。

3 智能LED 燈的驅動設計

實現(xiàn)和智能手機之間的藍牙通信協(xié)議，主要包括三大部分:內置MCU 和SM2135 通信接口軟件的實現(xiàn)、藍牙協(xié)議的構建、藍牙通信軟件設計。

3.1 智能調光的實現(xiàn)

藍牙模塊內置的MCU 通過IIC 接口發(fā)送調光信號對高壓芯片SM2135 恒流輸出控制。其中，CLK 端口接收時鐘信號，DATA 端口接收數(shù)據(jù)。兩者遵循的協(xié)議(見圖4、圖5)規(guī)則如下。

1)當CLK 為高電平，DATA 由高變低表示開始傳輸;當CLK 為高電平，DATA 由低變高表示結束傳輸。

2)傳輸數(shù)據(jù)時，采用串行傳輸，每8 位為1 組數(shù)據(jù)，當CLK 由低變高時(時鐘上升沿)，數(shù)據(jù)寫入。每完成8 位數(shù)據(jù)傳輸，即8 個時鐘后，在第9 個時鐘，芯片內部產生應答信號ACK 將DATA 管腳拉低。

3)每次數(shù)據(jù)傳輸時，第一組8 位信號為地址數(shù)據(jù)，即選擇RGB、冷白、暖白通道數(shù)據(jù)寫入;第2 組8位數(shù)據(jù)為開關電流數(shù)據(jù)，控制每個通道的最大電流;第3 組到第7 組8 位數(shù)據(jù)分別控制RGB、冷白、暖白的256 級灰度變化。

圖4 藍牙模塊和SM2135 通信協(xié)議

圖5 智能手機藍牙通信流程圖

3.2 智能手機藍牙通信協(xié)議

智能LED 燈作為從機，在初始化的時候，對外廣播，并響應主機的掃描請求，匹配UUID 后建立連接成為從機，接收主機服務和特性，并返還主機發(fā)送過來的命令數(shù)據(jù)，內置的MCU 定時掃描存儲器，根據(jù)存儲器中命令的要求執(zhí)行LED 燈的開關、調光、調色和情景模式的控制。

在低功耗藍牙中，數(shù)據(jù)的傳輸是通過特征值的讀寫來實現(xiàn)的。在這里重點介紹兩個函數(shù):(1)bStatus_t GAPRole_SetParameter(uint16 param，uint8 len，void* pValue)，主要用來配置從機的參數(shù)。(2)static void simpleProfileChangeCB(uint8 paramID)是特征值改變時的回調函數(shù)。當主機給從機發(fā)送數(shù)據(jù)時，從機便回調這個函數(shù)來告知應用層有數(shù)據(jù)送達。

4 小 結

文章利用線性高壓恒流驅動芯片SM2135 和藍牙4.0BLE 模塊實現(xiàn)了一種小功率智能LED 燈。該應用方案電路簡潔，沒有磁性器件，不需要電解電容，而且效率高，PF 值高，THD 低，發(fā)熱小。整燈系統(tǒng)可以采用塑包鋁或全塑料散熱器，輕松解決隔離的難題。該方案不僅能應用于小功率球泡燈，也可廣泛應用于白熾燈、日光燈、吸頂燈、平板燈等項目。

［1］王蔚，賈文超.LED 照明調光裝置設計與實現(xiàn)［J］.照明工程學報，2010，21(2):74～76

［2］梁人杰.智能照明控制技術發(fā)展現(xiàn)狀與未來展望［J］.照明工程學報，2014，25(2):15～26

［3］鄧隱北，周保臣，齊紅柱.LED 照明調光設計的方案分析與比較［J］.照明工程學報，2011，35(2):40～42

［4］顏重光.發(fā)展迅速的AC 直接驅動LED 光源技術［J］.電子產品世界，2009(2):64～66

［5］沙占友，王彥朋，馬洪濤.LED 驅動電源設計入門［M］.北京:中國電力出版社，2011