基于蓝牙调光LED驱动电源研究

2018-06-06

电气开关 2018年6期

(福州大学电气工程与自动化学院，福建福州 350108)

1 引言

随着社会的快速发展以及人们对能源消耗和环境的重视，节能减排的观念越来越深入人心。照明用电的需求量越来越大，成为节能减排的重点领域之一[1]。LED作为第四代照明光源，具有发光效率高、节能、环保、寿命长等优点，目前正逐步占领照明市场，在LED照明场合应用各种调光技术，不仅可以进一步减少能耗，还能改善空间视觉效果[2]。

蓝牙具有低成本、低功耗、低复杂度，系统稳定等优点，安装有蓝牙模块的智能手机在不断快速发展，已经可以实现多种控制功能，因此开发智能手机操作系统与LED灯光控制相结合的产品具有很广阔的市场[3-5]。基于此提出一种以智能手机操作系统为平台，蓝牙无线技术为通信方式的LED灯光控制系统设计方案。

2 电路总体方案

基于蓝牙调光LED驱动电源结构框图如图1所示，主要包括Boost PFC电路、反激恒流电路、蓝牙模块、单片机系统、调光信号转化电路等。

根据LED的伏安特性可知，LED适合使用恒流源来驱动，因此需要设计驱动电路来完成交流市电输入到恒定直流输出的转化过程。LED驱动电路不仅要满足IEC100-3-2标准对电流谐波的限制，而且要抑制LED的频闪问题，所以本文采用Boost PFC电路与反激变换器构成的两级变换电路作为LED驱动电路拓扑，选用IW3631作为控制芯片，实现对LED灯的恒流和调光控制。

本文所使用的蓝牙调光模块采用北京易方通达公司的EB10蓝牙模块，该模块如图2所示。EB10模块符合低功耗蓝牙协议，支持新一代低功耗蓝牙自组网技术，支持自我修复、自我组织网状网络，可直接与手机蓝牙通信，广泛应用于国内外无线通信市场。使用此模块只需要给模块提供3.3V的供电，然后将模块的URX接口与单片机的串口U1TX相连，模块的UTX接口与单片机的串口U1RX接相连，就可以实现蓝牙模块与单片机模块的通讯了。

图1 蓝牙调光LED驱动电源框图

图2 蓝牙模块

3 硬件电路设计

3.1 LED驱动电路设计

基于电源控制芯片IW3631的LED驱动电路如图3所示，电路采用两级结构，前级Boost变换器实现功率因数校正功能，后级反激式变换器实现LED恒流输出，两级电路都工作于准谐振模式，减少了开关损耗，提高了变换器效率。IW3631芯片采用数字控制，在不需要外部环路补偿元件的条件下保持电路环路稳定，减少了元器件成本。

交流市电输入后，经过二极管D1、D2、D3、D4构成的整流桥电路后成为半波整流波形，容值较低的电容C1可以滤除电路中的高频电流纹波。电阻R7、开关管Q2、电容C3构成芯片的有源启动电路，启动完成后通过变压器L2的辅助绕组、二极管D6、电容C3来给芯片供电。前级Boost PFC电路主要由电感L1、开关管Q1、二极管D5、电解电容C2构成，主要实现功率因数校正以及母线电压的稳定。后级反激电路主要由变压器L2、开关管Q3、电阻RSENSE、二极管D7、电解电容C4组成，采用原边反馈技术，在不需要将输出侧电流反馈到原边侧条件下实现输出侧电流的恒定控制。电阻R11、电容C5、二极管D8构成RCD吸收电路，在开关管Q3关断后吸收由变压器漏感引起的尖峰电压，防止开关管过压击穿。芯片的DIM口是调光口，可以接收0～1.8V的模拟调光信号实现LED无频闪调光。

图3 基于电源控制芯片IW3631的LED驱动电路

3.2 调光信号转化电路设计

单片机系统接收蓝牙模块传输过来的调光信号后，经过相关软件程序处理，生成PWM调光信号，最后经过调光信号转化电路将PWM调光信号转化成IW3631控制芯片DIM脚能够接收的模拟调光信号，实现LED无频闪调光，具体的转化电路如图4所示。

图4 PWM调光信号转模拟调光信号电路

单片机系统输出的PWM调光信号接入到IW337芯片的DIM引脚，DRV引脚输出的PWM信号驱动线性光耦PC817，PC817的集电极与开关管QC1栅极相连作为驱动信号，开关管QC1的导通会将并联的电阻RC7、RC8与地短接，从而改变电阻RC6的分压值，电阻RC6的分压值就是给IW3631芯片DIM调光口的信号。所以芯片DRV引脚输出的PWM信号占空比在0～100%范围变化时，连接IW3631芯片调光口的电压将在0～1.8V范围变化，以此来实现LED的无频闪调光。

4 蓝牙调光设计

针对LED无线智能灯控系统，北京易方通达公司基于EB10蓝牙模块开发了相应的APP应用软件，此APP软件界面上有开关、定时、分组、情景模式等设置，支持固件的无线升级、参数设置等功能。用户只需在APP软件界面上添加对应蓝牙的模块，然后在APP界面上做相应的操作就可以实现手机与EB10蓝牙模块的通信，EB10蓝牙模块接收手机发送的相关命令后通过串口传输给单片机，单片机根据接收到的串口信息改变PWM调光信号的占空比实现蓝牙智能调光控制。具体的APP调光界面如图5所示。

图5 蓝牙调光APP界面

打开手机蓝牙调光APP界面，选择所控制蓝牙模块，在亮度控制处左右滑动改变调光信号，与单片机相连的EB10蓝牙模块接收此调光信号后通过串口传输给单片机，经过单片机蓝牙调光程序处理后输出PWM调光信号。EB10蓝牙模块与单片机异步串行通信数据以数据帧为基本单位来传输的，传送波特率为9600，一帧数据是10位数据，1位起始位，8位数据，1位停止位。单片机的U1RX接口接收到串口信号后会置位串口接收中断标志位，然后响应中断读取数据帧中的8位调光数据，根据此调光数据改变PWM调光信号的占空比，最终实现LED输出电流的控制。

EB10蓝牙模块与单片机传输的一帧数据里面的调光数据是8位二进制数，数据值在0～255范围变化，不同调光数据值对应不同的调光输出占空比。由于人眼睛对灯光亮度的变化很敏感，在灯光较暗时，很小的亮度变化都能感受到，在灯光较亮时，只有亮度的大幅变化才能感觉到。所以针对人眼对灯光的敏感性，调光曲线适合采用对数调光，在灯光较暗时，亮度的变化很小，在灯光较亮时，灯光的亮度变化很大，具体的对数调光转化公式为:

(1)

设计出具体的蓝牙调光程序流程图如图6所示。

图6 蓝牙调光程序流程图

5 实验结果

为验证所提出的基于蓝牙调光功能的LED驱动电源的可行性，搭建了一台28W的LED驱动电源样机。主要实验参数如下：交流输入电压范围：90～265V，额定输出电流Io=700mA，额定输出电压Uo=40V；Boost PFC电感为790μH，反激变压器原边电感为1.71mH；Boost PFC主电路开关管选取TK10A60D，反激电路开关管选取TK10A80D，副边整流二极管选取MUR460；单片机选取Microchip公司的dsPIC33FJ16GS502。

图7所示220V输入电压下，输入电压和电流波形，可以看出，输入电流波形近似为正弦波，并且很好地跟随了输入电压波形。