HV LED灯无线控制系统

徐 晟，刘廷章，陈一凡

(上海大学机电工程与自动化学院，上海 200072)

HVLED灯无线控制系统

徐 晟，刘廷章，陈一凡

(上海大学机电工程与自动化学院，上海 200072)

针对HV LED设计了一套无线灯控系统。分析了HV LED灯的优势，驱动电路恒流的实现原理和PWM调光原理，以及说明了ZigBee无线串口透传的设计方案。实验结果表明设计的驱动电源的具有良好的恒流特性和输出一致性，且可以通过无线控制实现在宽范围平滑连续的PWM调光。

HV LED；恒流；PWM调光；ZigBee

引言

高压LED也称HV LED，狭义上的高压LED是把一个芯片的外延层分割成数个芯粒单元[1]，并把它们串联起来，构成高电压LED芯片。它具有体积更小，性能更稳定，散热更好，封装成本更低等优势[2]。

HV LED直接在芯片级就实现了微晶粒的串并联，使其在低电流高电压下工作，将简化芯片固晶、键合数量，封装成本降低。HV芯片是在单位面积内形成多颗微晶粒集成，避免了芯片间BIN内波长、电压、亮度、跨度等带来的一致性问题[3]。

与传统DC LED功率芯片相比，此类高压LED 芯片具有高电压、小电流的特点。一颗传统的1W DC LED芯片采用350 mA驱动，电压为3.4 V左右，试定电压为220 V，需要使用60～70颗LED芯片，而电流达到350 mA左右，在这种室温条件下需要使用电压转接器，降低电流量。而一颗HVLED芯片电流为20 mA，电压为50 V，在试定电压220 V，4～5颗芯片，电流在100 mA以下，可以省掉变压器，节约成本，提高芯片的一致性。由此可以看出，同样输出功率的高压LED在工作时耗散的功率要远低于低压LED，这也意味着散热铝外壳的成本可大大降低。按照目前的产品来说，高压芯片的制造成本比低压成本少10%～30%。近年来，LED照明灯具的设计更倾向于简便化和轻薄化，而高压芯片以其灵活性、多样性及其低成本性等优势为市场所看好[4-5]。

本文针对高压LED高电压的特性，设计了一款直流输出驱动电路。并且基于该驱动电路设计了一整套无线调光控制系统。实验表明该驱动电路可以实现良好的恒流特性以及大范围连续平稳无闪烁的调光，并且整套控制系统能够实现稳定的无线远程控制。

1 HV LED控制系统的设计

设计的总体方案如图1所示，分为高压LED灯板，恒流源，无线控制电路，电源转换电路这四部分的设计，电源为40 V直流电。其中电源要通过恒流源给LED供电，并且同时要给控制电路进行供电，控制电路通过无线和上位机实现通信，并且按照通信指令实现输出PWM的改变，从而改变LED灯的亮度。

图1 系统结构图Fig.1 System structure diagram

1.1高压LED灯板的设计

本次采用的2835高压贴片LED灯珠的正向电压为30 V，额定电流为30 mA,额定功率为0.9 W。通过将20个高压LED灯珠并联，做成一个正向电压为30 V，额定电流为0.6A，额定功率18 W的HV LED阵列。光源板设计如下所示，20个LED焊接在独立设计的铝基板上，连接形式为全部并联。如图2所示。

图2 高压LED灯Fig.2 HV LED light

1.2LED恒流驱动电路的设计

一个可靠、稳定、高效率的驱动电路是LED的关键和保障[6],驱动电路控制芯片选用了Supertex公司的HV9910B芯片。HV9910B是一款高效PWM LED驱动器控制集成电路芯片。该芯片的驱动电流能从几毫安到超高1安，并且芯片使用了高压隔离连接工艺，能经受高达450 V的浪涌输入电压的冲击。

设计的基于HV9910B的多通道LED恒流驱动电路中的单个驱动电路结构如图3所示。工作原理是首先芯片内部振荡器给RS触发器一个启动信号，GATE引脚输出高电平，MOSFET导通，输入VIN供电给LED，同时电感L1开始充电，由于电感L1的存在，流经LED的电流不能突变，流过电流检测电阻RS的电流线性增加，然后到RS上的电压上升至250 mV时，HV9910B内部逻辑处理电路给内部RS触发器一个复位信号，GATE引脚输出低电平，MOSFET关断，电感L1电流不能突变，L1通过续流二极管D1放电以驱动LED[7]。本文设计的驱动电路输入电压为40 VDC，输出电压为30 VDC，输出电流为0.6 A,芯片工作在固定关断时间模式下。

图3 LED驱动电路结构简图Fig.3 Driving circuit structural block diagram

1.3电源转换电路的设计

恒流源采用的是40 V直流电压输入，为了同时给arm，ZigBee模块提供3.3 V供电电压，采用了LM2575-3.3芯片，宽输入电压范围为4～44 V，该芯片包含五个引脚，分别是输入Vin，输出Output，地Ground，反馈端Feedback，使能端 On/Off。基本转换电路如图4所示，通过该电路，输出稳定的3.3 V电压，并且能给arm，ZigBee模块供电。

图4 电源转换电路Fig.4 Power conversion circuit

1.4无线控制电路的设计

PWM 调光实质是通过PWM 信号控制LED 的通断，在某一固定频率下，通过调节脉冲的占空比来改变LED的通断时间[8]。控制电路由MCU电路和基于ZigBee协议的无线通信电路组成，其原理是上位机通过无线模块实现与MCU的通信，从而控制MCU输出PWM占空比的变化，实现恒流源电流大小的调节，最终实现LED亮度的无线调节。其原理如图5所示。

图5 控制电路结构图Fig.5 Control circuit Structure diagram

1.4.1 MCU电路

MCU采用ARM系列单片机STM32,具体型号是STM32F103R8T6.这是一款常用的增强型系列微控制器。该型号单片机工作电压为3.3 V, 72 M主频，芯片内部集成3个16位普通定时器，1个16位高级定时器，3个usart通信接口。

本文使用的电路为arm最小系统，包含了供电模块，晶振，下载口，复位四个部分，最终将PA6引脚引出，作为PWM输出口连接到恒流芯片hv9910b的pwm引脚，如图6所示。

图6 MCU电路Fig.6 MCU circuit

1.4.2 无线通信电路

ZigBee通信技术具有低功耗、低成本、组网简单等特点，是适合大规模传感器组网的短距离无线通信技术[9]。通过无线通信方式可以形成一个多能自组织网络系统[10]。

本文使用的ZigBee模块核心芯片是CC2530芯片，其结合了领先的RF收发器的优良性能以及业界标准的增强型8051 CPU。本文所设计的无线模块只要实现串口通信和无线传输，其电路以CC2530芯片为核心设计单片机最小系统同时再将RF无线外围电路配合上。其电路结构如图7所示。

图7 ZigBee模块电路Fig.7 Circuit of ZigBee module

本文中的ZigBee模块程序是基于协议栈Z-Stack，通过调用协议栈的库函数实现模块可以通过无线将接收到的信息从串口传送给上位机，同时可以将上位机从串口发送的信息通过无线发送出去给ZigBee接收模块。本文最终实现了两个ZigBee模块实现串口透传，其中连接上位机的ZigBee模块是协调器，连接MCU的ZigBee模块是终端。原理图如图8所示。

图8 无线通信电路Fig.8 Wireless communication circuit

1.4.3 上位机与MCU的通信

上位机使用的是普通的串口助手软件，与发送端的ZigBee模块相连接，当上位机通信内容发出后，发送端的ZigBee模块通过串口接收后，并将通信内容无线发送出去，接收端的ZigBee模块接收到信息后通过串口发送给MCU的串口接收端，MCU对发送的内容进行判断是否符合通信协议，若符合则将通信内容中所需的光强信息解析出来。并且按照解析出来的光强亮度调整PWM的占空比。从而实现上位机对LED光亮度的调节。

在本文设计的系统当中，通信协议较为简单，协议格式如下：

AA 亮度值 08 01 0d 校验和 AA

MCU通过判断首位以及末位是否为AA,以及校验和是否正确来判断是否是符合要求的通信信息，从而获得上位机所需亮度值的大小，在MCU中这些都是以十六进制的形式获得。例如亮度值是ff,则PWM的占空比设置为100%;亮度值是80,则PWM的占空比设置为50%；亮度值是00,则占空比设置为0%。

2 实验结果与分析

2.1恒流特性测试

对所设计的输出驱动电源进行实验测试。实验条件：输入40(1±10%)V。负载为18 W的LED灯串(即20个HV LED灯珠并联)，图9为在输入电压变化下这个驱动电路的输出电流。

图9 恒流特性测试图Fig.9 Constant current characteristic test chart

由图9可知，输入电压在36～44 V之间变化，且占空比为1时，驱动电路输出电流为0.595～0.615 A，电流变化波动率为3.3%，驱动电路的稳定性比较高。

2.2无线调光测试

作为协调器的ZigBee模块与上位机串口连接，终端ZigBee模块与MCU的串口连接，当上位机和下位机都上电之后，无线连接显示灯亮，说明无线通信连接成功。在输入电压40 V稳定条件下，按照通信协议，通过无线发送上位机设定的占空比给MCU，平滑地改变占空比。在占空比为0、0.25、0.5、0.75、1时，分别测出输出电流，输出电流随占空比改变如图10所示。输出电流连续变化，其调光范围为0～100%。

图10 无线调光测试图Fig.10 Wireless dimming test chart

3 结论

本文利用驱动芯片HV 9910B设计了一款18 W小功率HV LED驱动电源，并设计了一套无线控制系统，使其能够通过上位机实现无线调节亮度。在36～44 V DC输入条件下，驱动电路输出电流维持在0.6A左右，电流波动率为3.3%，并且调光范围为0～100%，调光过程中HV LED灯模组无闪烁现象，实现宽范围的线性调光。该系统驱动电路结构简单容易实现，具有很强的实用性。设计的灯控系统还能在ZigBee终端增加更多的灯，形成更加复杂的照明系统，ZigBee协议端已将串口通信接口留出来，可以根据需求设计功能多样化的上位机，实现整个照明系统的集成控制和网络控制。

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[10] 王明伟，陈立万，李洪兵，等.基于ZigBee协议WSN在智能家居中的控制实现[J].电子科技，2016,29(3):114.

WirelessControlSystemofHVLEDLight

XU Sheng, LIU Tingzhang, CHEN Yifan
(SchoolofMechatronicsEngineeringandAutomation,ShanghaiUniversity，Shanghai200072，China)

A wireless lighting control system is designed for HV LED. This paper analyzes the advantages of the HV LED, the implementation principle of driving circuit for constant current and the principle of PWM dimming, and illustrates the design scheme of the ZigBee wireless serial port.The experimental results show that the driving power supply designed has a good constant current characteristics and output consistency, and can be realized through wireless control in a wide range of smooth and continuous PWM dimming.

HV LED; Constant current; PWM dimming; ZigBee

TM923

A

10.3969j.issn.1004-440X.2017.05.011

上海市科委“HV-LED一体化模组的开发及应用”课题(13111102500);上海自然科学基金(13ZR1417000)。