基于MP2481和BH1710的自调光LED驱动器设计

孙 颖，侯艳波，张利利，林战国

(1.空军西安军械厂，西安710611;2.杭州电子科技大学电子信息学院，杭州310018)

随着近年来石油、煤炭、天然气等不可再生资源的日渐枯竭和人类对能源需求的日益增加，节能减排引起了人们的高度重视。LED作为一种新型照明光源技术已经备受关注，各国也开始出台相关政策限制白炽灯，日光灯的生产销售，转而扶持LED［1］。LED光源具有很高的效能，消耗能量较同光效的白炽灯减少80%，又不含汞和玻璃，被公认为绿色节能先锋。此外，LED的发光亮度主要受正向电流影响，利用这一特性，实现对LED的调光，不仅可以调整灯光视觉效果，还能进一步降低能耗20% ～50%。在学校教室、体育场馆、路灯等照明场所，由于昼光影响，过亮的照明会造成电能浪费，而有时过暗的照明又会引起视觉疲劳，影响人们正常的学习和工作，甚至引发安全事故［2］。由此可见，准确的照度测量，适当的照明亮度在生产生活中也非常重要［3］。本文设计的自调光LED驱动器，可以测量照度数据后，根据算法调节LED发光亮度，在提供给人们一个舒适的视觉环境的同时，有效的降低了电力能源消耗。

1 驱动器硬件设计

1.1 驱动器组成框图

整个LED驱动器的组成框图如图1所示(为了使图示清晰明了，图1中只列出了重要的信号线)。BH1710为新型数字光强传感器，采集到环境光强信息后通过I2C通信协议发送给AT89C2051为主要器件的控制中心，控制中心接收到数据进行处理，然后依据数据改变MP2481的DIM脚的PWM输入信号的占空比，进而达到自动调光的目的。

图1 驱动器组成框图

1.2 控制中心电路

控制中心的电路设计如图2所示。AT89C2051单片机的P32引脚与P33引脚模拟I2C通信所需的SCL与SDA信号线，和BH1710传感器进行数据通信，来获取自调光所需要的光照强度数据。由于BH1710的工作电压为2.4 V～3.6 V，所以为了能和工作电压为5 V的单片机正常通信，需要将SDA和SCL信号线接5.1 kΩ的上拉电阻，接至5 V电源上。P37引脚用于向MP2481芯片的DIM脚输出PWM方波信号。MP2481芯片的DIM引脚所需的不同占空比PWM信号可由单片机内部的16 bit定时器进行精确控制产生。

单片机的第4引脚与第5引脚接外界石英晶体振荡器。AT89C2051在Vcc=2.7 V～6 V时可支持0～12 MHz的晶振，在Vcc=4 V～6 V时可支持0～24 MHz的晶振。晶振两端的两个负载电容选取容值为(30±10)pF的电容较为合适。

图2 控制中心电路

1.3 BH1710典型应用电路

光传感器BH1710FVC的典型应用电路如图3所示。应用AMS1117 3.3 V稳压芯片将5 V电压稳压至3.3 V为BH1710提供工作电压。ADDR接至GND，DVI经 1 μF 电容接 GND，SCL 与 SDA 经过1 kΩ的限流电阻接AT89C2051单片机的P32与P33脚。BH1710传感器内置16 bit AD转换器，直接输出数字量值，支持I2C通信协议，应用电路无需更多外围器件，较为简单易用。

图3 BH1710典型应用电路

1.4 MP2481驱动电路

MP2481是一款支持4.5 V～36 V宽电压的白光LED驱动芯片，最大可输出1.2 A的电流，具有1.4 MHz的固定频率，支持模拟调光和PWM两种调光方式［4］。此外，它还具有过压保护、开路保护、热停机保护以及峰值电流限制功能。它的典型应用电路如图4所示。一般输入电容C1取4.7 μF，Cbs一般取10 nF。D1为一个肖特基二极管。滤波电容C2取2.2 μF。R1与R2以及Rs、L1的参数则需要我们应用芯片手册提供的公式及信息，根据实际电路设计的参数进行计算得出具体值。例如我们要驱动3 W的(4 V/680 mA)LED灯珠，共六串两并，即需要设计输出25 V电压，1.2 A的LED驱动器，则根据所选图4所示电路结构及式(1)～式(4)计算器件参数如下:

其中:L为要计算的电感量(μH);Vout为MP2481输出电压(V);Vin为MP2481输入电压V;ΔIL为电感的纹波电流(A);fsw为MP2481的工作频率(Hz)。将Vin=5 V，Vout=25 V，ΔIL=0.24 A，fsw=1.4 MHz代入式(1)，可以得到L1的取值为18.6 μH。芯片手册的建议取值范围为3.3 μH至22 μH。

其中:Rs为电流取样电阻(Ω);ILED为流过LED负载的电流(A)。

图4 MP2481驱动电路

在计算Rs的时候，我们要以电流达到峰值的情况来计算，而不是以正常工作的LED电流来计算。峰值电流按式(3)来计算:

其中:IL(MAX)为要计算的峰值电流;ILOAD为正常工作时的负载电流;ΔIL为电感纹波电流。将ILOAD=680 mA，ΔIL=240 mA 代入式(3)，得到IL(MAX)=0.8 A，再将此值代入式(2)可以得到取样电阻的值Rs=0.25 Ω。

其中:Vo为驱动器正常输出电压(V);R1，R2为分压电阻(Ω)。

电阻R1与R2组成的分压电路，将R2的分压接到芯片第OVP引脚上。R1和R2的取值决定了过压保护点。一般过压保护点设置为正常输出的1.3倍～1.5倍。我们设计的电路正常输出为25 V，取1.3倍即32.5 V为过压保护点。芯片的OVP引脚电压超过1.23 V时会触发芯片进行过压保护。因此，我们可以根据式(4)得到R1和R2的取值。将Vo=25 V代入上面公式，可以得到R2/(R1+R2)=0.037 84，我们将R2取值10 kΩ，则得到R1的值约为254 kΩ。

2 驱动器软件设计

由于BH1710光强传感器内置16 bit AD，直接输出数字信号，并且支持I2C通信协议，这使得驱动器的单片机程序设计变得十分容易。只需要AT89C2051单片机的P32与P33引脚模拟I2C通信中SCL与SDA的时序，从传感器中读取其输出的数字信号即可。然后对数字信号进行处理，判断，然后通过一定的算法来修改单片机定时器的中断频率，从而改变P37引脚的PWM信号的占空比，使LED驱动器实现自动调光［4］。驱动器软件流程图如图5所示。

图5 系统程序流程图

2.1 BH1710传感器的数据读取

BH1710为数字型传感器，器件设计有高、中、低3种精度模式，其中高精度模式下分辨率可达1 lx，中精度模式分辨率为4 lx，低精度模式分辨率为16 lx。可根据不同的应用场合通过向传感器发送指令码的方式进行模式选择。器件还支持连续和单次两种读取模式。单次读取时，每读完一次数据后传感器进入睡眠模式，直到接收到下一次读取命令才被唤醒，这样可降低器件功耗。传感器的I2C通信格式定义如表1、表2所示。

表1 传感器写入格式

表2 传感器读出格式

读取的精度越高，所需的测量时间越长。高精度模式测量间隔需大于120 ms，中精度模式测量间隔需大于16 ms，低精度模式测量间隔需大于2.9 ms。

2.2 BH1710传感器的数据处理

通过I2C协议连续读取两个字节，共16 bit数据。测量范围为1 lx～655 35 lx。将读取的数据根据式(5)转换为十进制数据后除以1.2则得到比较精确的光强值。

其中:bit(x)—第x位二进制位;2x—第x二进制位的十进制值。

3 实际应用

通常，晴天室内的照度为100 lx～1 000 lx，阴天室内的照度为10 lx～50 lx。人视觉较为舒适的室内桌面照度约为300 lx～500 lx。我们设定室内照度值为380 lx，室内照度超过380 lx时，无需灯管补尝，使PWM信号占空比为0%;当室内照度低于30 lx时，使PWM信号占空比为100%。调节定时器的TH与TL的初值，使这个照度范围内占空比近线性渐变［5-6］。则占空比与室内照度有如下关系，如式(6):

其中:P(x)为PWM信号占空比;x为实际读取的光照强度。程序限定占空比大于1时取100%，小于0时取0%。此函数的理论图形如图6所示。实际应用中，为克服传感器读数小范围频繁波动产生的抖动问题，将采取分段调节的方法［7-9］，其输出关系如图6所示(其中:P(lx)是光强和占空比的理论计算图形，y(lx)是光强和占空比的实际输出图形)。

图6 光强值与PWM占空比关系

图7为光照强度为135 lx时，用示波器观察到的单片机P37引脚的输出情况。

图7 光强130 lx时的PWM波形

4 结论

节能减排是国家大力倡导的，舒适的照明环境是人们所追求的。由图6和图7可以看出，本文设计的基于MP2481和BH1710的自调光LED驱动器，(1)能够实现自调光功能;(2)可以提供一个舒适的照度环境;(3)能够有效的节能省电。

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