基于Zigbee网络和驱动LM3409HV的LED调光系统

李慧 吴建德 邓焰 何湘宁

(浙江大学，浙江 杭州 310027)

1 引言

近年来，LED照明产业正在世界范围内引发一场划时代的绿色照明革命和能源革命，日益显示出巨大的产业前景。与传统的白炽灯、荧光灯照明相比，LED具有高效率、低功耗、低电压驱动、使用寿命长等优点，因此LED被越来越广泛地应用于各种照明场合。LED具有一个显著的不同点，LED的发光亮度与流过LED正向电流的大小基本成正比例关系［1］。利用这个特点，可通过改变流过 LED的电流改变LED的亮度，从而实现调光。

Zigbee技术是一种新兴的短距离、低功耗、低数据速率、低成本、低复杂度的无线网络技术［2］。本文提出了一种通过Zigbee无线通信技术对LED进行开关和调光控制，为LED等的控制提供了一种更加便捷的新方法。其中LED驱动部分采用美国国家半导体公司的LM3409HV、通信部分采用华立的HT-MDL-Z-EM-2400-021-A-V1.3.0 Zigbee模块。

2 系统结构

整个系统的结构如图1所示，左边是一个键盘，用来输入控制信号，右边是LED驱动部分。在键盘端装有Zigbee协调器模块，上电后负责组建Zigbee网络和传送控制信号给LED驱动部分的路由器。控制信号是通过单片机的I/O口输入的，单片机扫描I/O口，将I/O口的数据进行处理后，通过串口通信将其传送到Zigbee协调器模块进行发送。通过键盘可实现对LED进行开、关、调亮、调暗控制。

LED驱动模块中，Zigbee路由器模块接收到协调器的数据包时直接通过UART口传送到单片机中，由单片机判断数据的准确性，同时，单片机要读取数据包中的控制信号，并输出相应的PWM调光信号给 LED驱动芯片 LM3409HV。LM3409HV根据PWM信号使能或者禁止电流流过LED串。不同的PWM占空比可以控制一个周期内使能电流流过LED串的时间，从而实现调光的功能。

3 Zigbee概述

Zigbee网络中主要包括三种类型的设备，分别为网络协调器、路由器、叶节点。其中，一个Zigbee网络有且仅需要一个网络协调器，上电后它负责建立一个网络，并等待路由器或者叶节点加入该网络，给网络中的路由器分配个域网网络标识符(PANID)，并与网络中的其他设备进行通信。路由器具有路由功能，当它加入到某个网络中后，允许其他设备向其申请加入到网络中。而叶节点只能进行发送和接收数据。本文在通信部分采用华立的HT-MDL-Z-EM-2400-021-A-V1.3.0 Zigbee 模 块，LED驱动模块部分采用Zigbee路由器通信。

为使整个通信系统可以正确运行，必须利用华立公司的 “AT-Commands User's Manual”对 Zigbee模块进行一些配置，其中一些基本的配置步骤如下:第一，配置串口通信的波特率和奇偶校验，必须注意的是，本文所提出的系统，Zigbee模块所接收或者发送的信息，都是通过其UART(通用异步接收/发送装置)直接与单片机的USART(通用同步/异步串行接收器和发送器)进行通信，所以必须将Zigbee模块UART的波特率和奇偶校验与单片机的USART设置保持一致，否则无法进行通信。第二，Zigbee通信的频带和信道的选择。2.4GHz是全球通用的频带，里面包括16个信道。第三，将网络协调器与其他设备之间的通信设置为广播通信方式，网络协调器发送的信息，每个路由器或者叶节点都可以收到，这样就可以在传送的数据串中加入地址信息，然后在与路由器或者叶节点相连的单片机I/O口用拨码开关定义Zigbee模块的地址，当接收到数据时，先判断数据串中的地址信息与从拨码开关读入的地址是否一致，一致的话再进行其他的命令操作，否则丢弃此次接收到的数据。由于Zigbee内部的通信是靠PANID(个域网网络标识符)来识别的，通常用户不知道这个标识符，通过以上方法定义地址，用户就无需知道内部标识符，而且当接收模块需要更换时，也不会因为不知道其内部标识符而无法对其进行单点控制，使用起来既方便又简单。

4 LM3409HV

LM3409HV是一种由P沟道MosFET控制 buck型电流控制器。LM3409HV具有输入电压范围宽，低可调门槛电压的高端电流检测、快速输出使能/禁止、加强散热的封装等特点，适合作为恒流源驱动LED。LM3409HV使用恒关断时间 (COFT)控制来调节电流而不需要外部的补偿回路。

图2所示为LM3409HV的典型应用图。其中EN脚用于接收PWM调光信号，COFF脚通过外围的ROFF和 COFF设置关断时间，UVLO通过 RUV1和RUV2从输入分压进行欠电压锁定，检测电阻RSNS用于MOS管的峰值电流检测，PGATE用于驱动外围电路的P-MosFET。

图2 LM3409HV典型应用图

图3所示为LM3409HV的恒关断时间控制电路图。在一个开关周期开始时，开关管开通，电感电流增加。当峰值电流被检测到时，开关管关断。开关管开通时，电容COFF两端的电压为零，开关管关断时，VO对 COFF进行充电，当 VCOFF的电压达到门槛电压1.24V时，关断时间结束，开关管重新开通，VCOFF复位到零。根据电路图，tOFF的计算公式如下:

虽然TOFF的计算公式不是线性的，但是当tOFFROFF×COFF(等效于VO1.24V)，tOFF可近似表达为:

由于电流是恒定的，VO也会保持恒定，故tOFF可近似看成一个常数。

图3 恒关断时间控制原理图

图4所示为LM3409HV内部的PWM调光原理图。图中的脉冲波形表示的是从EN脚输入的PWM调光信号。PWM调光方法，实际上是在小段时间内启动和重新启动LED电流。这个启动和重新启动循环的频率必须快于人眼可以感知的速度，以免出现闪烁效果［3］。在 LM3409HV中，当 EN脚的输入电平为低时 (小于0.5V)，内部的驱动就会被禁止，同时关断了流过LED串的电流。当EN脚的输入电平达到高电平时 (大于1.74V)，将会重新开通流过LED串的电流。由图可得，调光后流过LED的电流可表示为:

式中 IDIM-LED——LED平均电流;

DDIM——调光波形的占空比;

ILED——选择的负载LED的额定电流值。

虽然当EN脚为低电平时，芯片内部会关断流过LED串的电流，但是由于电路中电感的原因，电流需要通过一段时间的续流才能到零。在BUCK电路中，当开关管关断时，电感两端的电压为VO，因此图4中的关断延时时间tf可计算如下:

式中 Δipp——电感的纹波电流;

ILED——负载LED的额定电流。

从图4中可以看出，为了能够准确地对LED的电流进行调整，tf应该满足以下条件:

因此，在设计时，调光频率的选择是很重要的。通常情况下，为防止出现震荡，调光频率至少要比固定开关频率小一个数量级。

图4 PWM调光原理图

5 实验结果

根据上述的方案，本文做了一个样机，并对其进行了测试。实验样机的一些基本设计参数如下:

输入电压:VIN=48V，VIN－MAX=75V

开关频率:fSW=200 kHz

调光频率:fDIM=10 kHz

DC-DC模块的拓扑:Buck

负载:12个 (1W，350Ma)LED串联

基于LM3409HV的LED无线调光系统如图5，图6所示。当调光占空比如图5(a)所示为10%时，LED灯的状态如图5(b)所示。当调光占空比如图6(a)所示为50%时，LED灯的状态如图6(b)所示。比较以上两种情况可得，当从EN脚输入的PWM波的占空比越大时，LED灯的亮度越高。因此，如果需要进行调光，改变输入EN脚的PWM波形的占空比。而且，在本文中提出用Zigbee无线技术进行调光，只需要在键盘处输入所需要调光的占空比，Zigbee网络协调器就会负责将此控制信号传送到与LED驱动相连的路由器或者叶节点，并通过单片机读取传送的信息，单片机根据接收到数据串中的命令产生相应的PWM信号给LM3409HV的EN脚，就可以实现对LED的调光。从实验结果可以看出，对整个系统的操作既简单又方便。

图5

图6

6 结论

由于无线通信技术可以不用固定电缆就可以在一个有限距离内进行传送信息，因此应用很方便。本文提出了运用Zigbee无线通信技术进行LED调光的系统，其中LED驱动部分采用美国国家半导体公司的LM3409HV。在Zigbee通信部分，本文提出通过改变通信的数据串格式就可以从单片机外围的拨码开关进行自主定义接收部分的地址。在LED驱动部分，所选择的LM3409HV采用的是恒关断时间(COFT)的PWM控制方式，实验结果表明，这种调光技术可对LED进行准确的恒流控制。整个调光系统操作简单、方便。今后，可以通过增加路由器或者叶节点的个数，对不同的LED串进行调光控制，通过自定义地址，既可以对其进行统一控制，还可以进行点对点的单独控制，是一种很有前景的调光控制系统。

［1］宋适，刘廷章，艾叶，许炜﹒基于AVR单片机的 LED自适应调光系统［J］．电气自动化﹒2009，31(1):33～35

［2］王海涛，朱兆优﹒基于 Zigbee的 LED节能街灯控制系统［J］．东华理工大学学报﹒2009，32(4)﹕ 394～396

［3］PrathyushaNarra， Zinger， D．S． An effective LED dimming approach ［C］﹒ Industry applications Conference，2004

［4］National Semiconductor LM3409/LM3409HV PFET Buck Controller for High Power LED Drivers［R］﹒ June 12，2009

［5］Holley Group﹒ 20 Zigbee Module HT-MDL-Z-EM-2400-021-A-V1.3.0［R］﹒ June 10，2008

［6］Holley Group﹒ AT-Commands User’s Manual(V3.1.1b)［R］﹒ September 4，2008