一种带总线接口的LED可调光驱动器的设计与实现

张玉杰 郑 培

(陕西科技大学电气与信息工程学院，陕西 西安 710021)

一种带总线接口的LED可调光驱动器的设计与实现

张玉杰 郑 培

(陕西科技大学电气与信息工程学院，陕西 西安 710021)

针对传统LED恒流驱动器功能的单一性缺点，设计了一种带RS- 485总线通信接口的LED可调光驱动器。以SN8P2511单片机作为LED控制器、PT4207作为LED驱动芯片、MAX485作为通信芯片,构成系统的硬件平台，并在此基础上完成系统的软件开发。LED驱动器及控制器的一体化设计，实现了LED的PWM调光、LED的组网及智能控制。该驱动器具有体积小、成本低、功耗小、可靠性高及安装维护方便等优点，具有很好的应用前景。

LED驱动 RS- 485总线 PWM调光 智能控制 I/O

0 引言

LED作为新型高效固体光源，由于高效、环保、寿命长等优点[1]，被广泛应用在室内外照明、景观设计、指示灯等领域。在当今环境污染日益严重、气候变暖和能源日益紧张的背景下，基于大功率LED发展起来的半导体照明技术已经被公认为是21世纪最具发展前景的高技术领域之一。

与传统光源不同，LED需要专用驱动电源才能使其高效持续地工作，驱动电源是LED照明产业发展的重要保障，它的效率、功率因数、控制方式等直接决定了LED的性能[2]。但传统恒流源LED照明系统主要存在以下几点不足：①不具有PWM调光功能；②LED驱动电源和控制器分开，不利于安装维护；③不具有总线通信接口，不便于LED的组网及智能控制。

为了克服上述技术缺点，本文设计并实现了一种带总线通信接口的LED可调光驱动器。系统集成LED可调光恒流驱动、LED控制器以及RS- 485通信电路，可以方便地实现LED的PWM调光、LED的组网及智能控制。

1 系统总体设计方案

本系统主要由LED可调光恒流驱动、单片机控制电路、RS- 485通信电路以及LED灯具四部分组成，其结构如图1所示。

图1 系统总体结构图

LED恒流驱动采用非隔离降压型Buck电路，可调光恒流源采用LED驱动芯片PT4207专用电路设计，产生电流大小适当的恒流供给LED负载使用。通过单片机控制器向驱动芯片提供PWM信号，改变LED驱动负载电流的大小，从而实现LED的亮度调节。驱动电路中的电感器改为具有2个绕组的变压器，利用变压器的初级绕组代替电感器；而次级绕组经线性稳压器LM78L05稳压后，为控制部分提供电源，输出+5 V的稳定电压，确保控制器及通信电路的可靠工作。

控制电路以SONIX的8位低功耗单片机SN8P2511为核心，主要是生成PWM方波信号。PWM经光耦耦合后，对恒流驱动部分的驱动芯片PT4207进行控制，使恒流源系统按PWM占空比调节LED负载电流[3]，改变LED的亮度。同时利用普通I/O口模拟UART时序，并结合RS- 485硬件通信电路，接收和发送从RS- 485总线传输过来的数据，实现对LED亮度的实时调节。

2 可调光恒流驱动设计

可调光恒流驱动电路如图2所示，采用非隔离降压型Buck电路，具有结构简单、元件少、效率高和可靠性高等优点[4]，其核心是PT4207芯片。PT4207是一款高压降压式LED驱动控制芯片，能适应20～450 V 的输入电压范围[5]。本系统采用220 V交流电源输入，通过整流滤波后，经驱动芯片PT4207降压、PT4207内置输入电压补偿功能，极大改善了不同输入电压下LED电流的稳定性。

图2 可调光恒流驱动电路图

2.1 恒流的实现

本LED驱动采用固定关断时间模式控制输出电流。参考图2，假定Buck电路的电压为UBuck，流经电感L3的电流为IL。当Q9打开时，从UBuck到GND的电流流经LED(S)、电感L3、Q9和电流采样电阻R27。电感L3两端电压为UBuck-ULED-ILR27，由于加到电感两端的电压为正电压，电感电流增加。PT4207通过R27采样电感电流IL。当IL达到设定值时,Q9被关断，进入关断周期[6]。

关断时间TOFF通过外部电阻设定，是固定不变的，经过TOFF后Q9将被重新开启。在关断周期，IL经过D16流到UBuck，电感两端的电压为-(ULED-UD16)[7]。由于电感两端电压反向为负，电感电流逐渐下降。在TOFF时间内，电感电流变化大小为：-TOFF(ULED-UD16)/L。在连续电感电流模式下，流过电感的平均电流为：Iavg=Ipk-0.5TOFF(ULED-UD16)/L。

2.2 PWM调光的实现

PT4207的DIM专用调光管脚可以接受PWM脉冲调光。当DIM电压低于0.35 V时开关完全关掉，输出电流最小，DIM电压从0.5 V增加时输出电流线性增加，直到DIM电压达到2.5 V，电流达到最大Imax，超过2.5 V时输出电流保持不变。因此在DIM脚加上一个低电平小于0.35 V、高电平大于2.5 V的PWM脉冲信号，可以实现PWM调光[8]。参考图2，控制器的PWM输出引脚输出PWM信号后，接到光耦的2脚，经光耦耦合后的SPWM(光耦的4脚)接到PT4207的DIM管脚，控制驱动的负载电流，从而实现PWM调光。如果调光信号占空比为D，则输出电流可以表示为：ILoad=DImax(0≤D≤1)。

2.3 PFC功率因数校正

本驱动采用无源PFC电路来提高功率因数。参考图2，C11、C15、D12、D14、D15构成一个两级填谷电路[8]，UBuck为转换器提供工作电源。电路允许负载在AC周期直接从母线抽取电流，从而提高功率因数[4]。由于C11、C15只承受一半的输入电压，因此可以选用耐压较低的电解电容。

3 控制系统设计

3.1 控制系统硬件电路设计

图3是控制系统硬件电路图，78L05为DC降压型稳压芯片，开关变压器的次级绕组经线性稳压器LM78L05稳压后，为控制部分提供电源，输出+5 V的稳定电压，确保控制器及通信电路的可靠工作。通信电路选择用于RS- 485通信的低功耗收发器MAX485，输出电路的设计充分考虑各种干扰因素。在电路设计过程中，采用瞬态抑制TVS管D8、D9组成的吸收回路，吸收高脉冲干扰信号，保护输入电路；在RS- 485总线的A、B之间接入双向TVS，吸收A、B之间高压脉冲，保护485电路；在485电路的A、B输出端加接上拉、下拉电阻，使A端电位高于B端电位。这样RXD的电平在485总线不发送期间(总线悬浮时)呈现唯一的高电平，单片机就不会产生错误接收的情况。控制器SN8P2511的P5.4引脚具有脉宽调制输出功能，输出PWM信号通过光耦PC817耦合后，连接到控制驱动芯片PT4207的DIM管脚，控制驱动的负载电流，从而实现LED亮度的调节。

图3 控制系统硬件电路图

3.2 控制系统软件设计

通信模块程序流程如图4所示。

图4 通信模块程序流程图

用普通I/O口通过软件来模拟串行通信时序，最终实现串行通信。选择一外部中断口做单片机输入口和一普通I/O口做输出口,并利用外部中断和定时器中断编程实现串口通信中1 B数据的发送和接收。其中外部中断用来判断接收数据的起始位标志，定时器中断用来控制数据以正确的波特率接收和发送，如本程序中通信波特率为9 600 bit/s，则每传输1 bit数据的时间为104 μs。

LED亮度渐变调节模块的主要功能是实现灯具亮度的渐变，避免亮度的迅速变化造成视觉冲击大、影响视觉效果的缺点[8]。当系统收到从控制终端发来的亮度调节命令后，不是直接将当前亮度改变为需要设置的亮度，而是以一定的速度渐变。本程序中渐变的速度设置为每10 ms灯具亮度改变1%，即PWM占空比改变1/256，达到渐变的效果。程序流程图如图5所示。

图5 渐变程序流程图

图5中,real_pwm为当前PWM占空比值，rx_pwm为控制终端发来的需要设置PWM占空比。

4 调光试验

分别在PWM的输出频率为128 Hz和256 Hz时，测试了LED相对照度与PWM占空比的线性度，以及驱动负载电流与PWM占空比的线性度。测试结果如图6、图7所示。

图6 PWM输出频率为128 Hz时测试结果

图7 PWM输出频率为256 Hz时测试结果

试验证明，当PWM输出频率为128 Hz与256 Hz时，LED 相对照度以及驱动负载电流与PWM占空比的线性度均较好，PWM的亮度调节范围为20%～100%。

5 结束语

通过比较LED驱动器不同工作方式下的各种因素，如成本、性能、优缺点、适用性等，确定了低成本、高可靠性的非隔离可调光方案。使用PT4207专用电路来设计可调光恒流源，完成了电路设计并进行了调光试验。通过PWM占空比与驱动负载电流、LED相对照度的线性度测试，证明本驱动具有较好的调光性能。以SN8P2511单片机为核心的电路，实现了调光控制和数据通信，控制终端可通过总线传输命令数据，对LED亮度进行实时调节，实现了LED组网以及智能控制，具有较广阔的应用前景。

[1] 张正平.LED驱动电源的研究与设计[D].厦门:华侨大学,2012.

[2] 徐超.LED驱动电路研究[D].武汉:武汉工业学院,2012.

[3] 王爱军.基于LLC谐振变换器的可调光LED驱动电源的研究[D].南京:南京理工大学,2013.

[4] 彭少华.LED驱动电源的研究与设计[D].南京:南京理工大学,2012.

[5] 刘蕴.LED智能照明控制系统的研究与设计[D].西安:陕西科技大学,2013.

[6] 胡成龙.基于DC-DC开关变换器的LED驱动技术研究[D].杭州:杭州电子科技大学,2013.

[7] 杨东.高效LED驱动电源的设计[D].南京:南京理工大学,2012.

[8] 骆康城.大功率LED驱动研究[D].杭州:浙江大学,2013.

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

西安市科技计划基金资助项目[编号：CX1259(2)]。

张玉杰(1966-)，男，1988年毕业于西北大学半导体物理专业，获硕士学位，教授；主要从事信息采集与处理、模式识别、嵌入式系统开发等研究。

TP23

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201505023

修改稿收到日期：2014-04-10。