張玉杰 鄭 培

(陜西科技大學電氣與信息工程學院，陜西 西安 710021)

一種帶總線接口的LED可調光驅動器的設計與實現(xiàn)

張玉杰 鄭 培

(陜西科技大學電氣與信息工程學院，陜西 西安 710021)

針對傳統(tǒng)LED恒流驅動器功能的單一性缺點，設計了一種帶RS- 485總線通信接口的LED可調光驅動器。以SN8P2511單片機作為LED控制器、PT4207作為LED驅動芯片、MAX485作為通信芯片,構成系統(tǒng)的硬件平臺，并在此基礎上完成系統(tǒng)的軟件開發(fā)。LED驅動器及控制器的一體化設計，實現(xiàn)了LED的PWM調光、LED的組網(wǎng)及智能控制。該驅動器具有體積小、成本低、功耗小、可靠性高及安裝維護方便等優(yōu)點，具有很好的應用前景。

LED驅動 RS- 485總線 PWM調光 智能控制 I/O

0 引言

LED作為新型高效固體光源，由于高效、環(huán)保、壽命長等優(yōu)點[1]，被廣泛應用在室內外照明、景觀設計、指示燈等領域。在當今環(huán)境污染日益嚴重、氣候變暖和能源日益緊張的背景下，基于大功率LED發(fā)展起來的半導體照明技術已經(jīng)被公認為是21世紀最具發(fā)展前景的高技術領域之一。

與傳統(tǒng)光源不同，LED需要專用驅動電源才能使其高效持續(xù)地工作，驅動電源是LED照明產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要保障，它的效率、功率因數(shù)、控制方式等直接決定了LED的性能[2]。但傳統(tǒng)恒流源LED照明系統(tǒng)主要存在以下幾點不足：①不具有PWM調光功能；②LED驅動電源和控制器分開，不利于安裝維護；③不具有總線通信接口，不便于LED的組網(wǎng)及智能控制。

為了克服上述技術缺點，本文設計并實現(xiàn)了一種帶總線通信接口的LED可調光驅動器。系統(tǒng)集成LED可調光恒流驅動、LED控制器以及RS- 485通信電路，可以方便地實現(xiàn)LED的PWM調光、LED的組網(wǎng)及智能控制。

1 系統(tǒng)總體設計方案

本系統(tǒng)主要由LED可調光恒流驅動、單片機控制電路、RS- 485通信電路以及LED燈具四部分組成，其結構如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結構圖

LED恒流驅動采用非隔離降壓型Buck電路，可調光恒流源采用LED驅動芯片PT4207專用電路設計，產(chǎn)生電流大小適當?shù)暮懔鞴┙oLED負載使用。通過單片機控制器向驅動芯片提供PWM信號，改變LED驅動負載電流的大小，從而實現(xiàn)LED的亮度調節(jié)。驅動電路中的電感器改為具有2個繞組的變壓器，利用變壓器的初級繞組代替電感器；而次級繞組經(jīng)線性穩(wěn)壓器LM78L05穩(wěn)壓后，為控制部分提供電源，輸出+5 V的穩(wěn)定電壓，確?？刂破骷巴ㄐ烹娐返目煽抗ぷ?。

控制電路以SONIX的8位低功耗單片機SN8P2511為核心，主要是生成PWM方波信號。PWM經(jīng)光耦耦合后，對恒流驅動部分的驅動芯片PT4207進行控制，使恒流源系統(tǒng)按PWM占空比調節(jié)LED負載電流[3]，改變LED的亮度。同時利用普通I/O口模擬UART時序，并結合RS- 485硬件通信電路，接收和發(fā)送從RS- 485總線傳輸過來的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對LED亮度的實時調節(jié)。

2 可調光恒流驅動設計

可調光恒流驅動電路如圖2所示，采用非隔離降壓型Buck電路，具有結構簡單、元件少、效率高和可靠性高等優(yōu)點[4]，其核心是PT4207芯片。PT4207是一款高壓降壓式LED驅動控制芯片，能適應20～450 V 的輸入電壓范圍[5]。本系統(tǒng)采用220 V交流電源輸入，通過整流濾波后，經(jīng)驅動芯片PT4207降壓、PT4207內置輸入電壓補償功能，極大改善了不同輸入電壓下LED電流的穩(wěn)定性。

圖2 可調光恒流驅動電路圖

2.1 恒流的實現(xiàn)

本LED驅動采用固定關斷時間模式控制輸出電流。參考圖2，假定Buck電路的電壓為UBuck，流經(jīng)電感L3的電流為IL。當Q9打開時，從UBuck到GND的電流流經(jīng)LED(S)、電感L3、Q9和電流采樣電阻R27。電感L3兩端電壓為UBuck-ULED-ILR27，由于加到電感兩端的電壓為正電壓，電感電流增加。PT4207通過R27采樣電感電流IL。當IL達到設定值時,Q9被關斷，進入關斷周期[6]。

關斷時間TOFF通過外部電阻設定，是固定不變的，經(jīng)過TOFF后Q9將被重新開啟。在關斷周期，IL經(jīng)過D16流到UBuck，電感兩端的電壓為-(ULED-UD16)[7]。由于電感兩端電壓反向為負，電感電流逐漸下降。在TOFF時間內，電感電流變化大小為：-TOFF(ULED-UD16)/L。在連續(xù)電感電流模式下，流過電感的平均電流為：Iavg=Ipk-0.5TOFF(ULED-UD16)/L。

2.2 PWM調光的實現(xiàn)

PT4207的DIM專用調光管腳可以接受PWM脈沖調光。當DIM電壓低于0.35 V時開關完全關掉，輸出電流最小，DIM電壓從0.5 V增加時輸出電流線性增加，直到DIM電壓達到2.5 V，電流達到最大Imax，超過2.5 V時輸出電流保持不變。因此在DIM腳加上一個低電平小于0.35 V、高電平大于2.5 V的PWM脈沖信號，可以實現(xiàn)PWM調光[8]。參考圖2，控制器的PWM輸出引腳輸出PWM信號后，接到光耦的2腳，經(jīng)光耦耦合后的SPWM(光耦的4腳)接到PT4207的DIM管腳，控制驅動的負載電流，從而實現(xiàn)PWM調光。如果調光信號占空比為D，則輸出電流可以表示為：ILoad=DImax(0≤D≤1)。

2.3 PFC功率因數(shù)校正

本驅動采用無源PFC電路來提高功率因數(shù)。參考圖2，C11、C15、D12、D14、D15構成一個兩級填谷電路[8]，UBuck為轉換器提供工作電源。電路允許負載在AC周期直接從母線抽取電流，從而提高功率因數(shù)[4]。由于C11、C15只承受一半的輸入電壓，因此可以選用耐壓較低的電解電容。

3 控制系統(tǒng)設計

3.1 控制系統(tǒng)硬件電路設計

圖3是控制系統(tǒng)硬件電路圖，78L05為DC降壓型穩(wěn)壓芯片，開關變壓器的次級繞組經(jīng)線性穩(wěn)壓器LM78L05穩(wěn)壓后，為控制部分提供電源，輸出+5 V的穩(wěn)定電壓，確保控制器及通信電路的可靠工作。通信電路選擇用于RS- 485通信的低功耗收發(fā)器MAX485，輸出電路的設計充分考慮各種干擾因素。在電路設計過程中，采用瞬態(tài)抑制TVS管D8、D9組成的吸收回路，吸收高脈沖干擾信號，保護輸入電路；在RS- 485總線的A、B之間接入雙向TVS，吸收A、B之間高壓脈沖，保護485電路；在485電路的A、B輸出端加接上拉、下拉電阻，使A端電位高于B端電位。這樣RXD的電平在485總線不發(fā)送期間(總線懸浮時)呈現(xiàn)唯一的高電平，單片機就不會產(chǎn)生錯誤接收的情況?？刂破鱏N8P2511的P5.4引腳具有脈寬調制輸出功能，輸出PWM信號通過光耦PC817耦合后，連接到控制驅動芯片PT4207的DIM管腳，控制驅動的負載電流，從而實現(xiàn)LED亮度的調節(jié)。

圖3 控制系統(tǒng)硬件電路圖

3.2 控制系統(tǒng)軟件設計

通信模塊程序流程如圖4所示。

圖4 通信模塊程序流程圖

用普通I/O口通過軟件來模擬串行通信時序，最終實現(xiàn)串行通信。選擇一外部中斷口做單片機輸入口和一普通I/O口做輸出口,并利用外部中斷和定時器中斷編程實現(xiàn)串口通信中1 B數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。其中外部中斷用來判斷接收數(shù)據(jù)的起始位標志，定時器中斷用來控制數(shù)據(jù)以正確的波特率接收和發(fā)送，如本程序中通信波特率為9 600 bit/s，則每傳輸1 bit數(shù)據(jù)的時間為104 μs。

LED亮度漸變調節(jié)模塊的主要功能是實現(xiàn)燈具亮度的漸變，避免亮度的迅速變化造成視覺沖擊大、影響視覺效果的缺點[8]。當系統(tǒng)收到從控制終端發(fā)來的亮度調節(jié)命令后，不是直接將當前亮度改變?yōu)樾枰O置的亮度，而是以一定的速度漸變。本程序中漸變的速度設置為每10 ms燈具亮度改變1%，即PWM占空比改變1/256，達到漸變的效果。程序流程圖如圖5所示。

圖5 漸變程序流程圖

圖5中,real_pwm為當前PWM占空比值，rx_pwm為控制終端發(fā)來的需要設置PWM占空比。

4 調光試驗

分別在PWM的輸出頻率為128 Hz和256 Hz時，測試了LED相對照度與PWM占空比的線性度，以及驅動負載電流與PWM占空比的線性度。測試結果如圖6、圖7所示。

圖6 PWM輸出頻率為128 Hz時測試結果

圖7 PWM輸出頻率為256 Hz時測試結果

試驗證明，當PWM輸出頻率為128 Hz與256 Hz時，LED 相對照度以及驅動負載電流與PWM占空比的線性度均較好，PWM的亮度調節(jié)范圍為20%～100%。

5 結束語

通過比較LED驅動器不同工作方式下的各種因素，如成本、性能、優(yōu)缺點、適用性等，確定了低成本、高可靠性的非隔離可調光方案。使用PT4207專用電路來設計可調光恒流源，完成了電路設計并進行了調光試驗。通過PWM占空比與驅動負載電流、LED相對照度的線性度測試，證明本驅動具有較好的調光性能。以SN8P2511單片機為核心的電路，實現(xiàn)了調光控制和數(shù)據(jù)通信，控制終端可通過總線傳輸命令數(shù)據(jù)，對LED亮度進行實時調節(jié)，實現(xiàn)了LED組網(wǎng)以及智能控制，具有較廣闊的應用前景。

[1] 張正平.LED驅動電源的研究與設計[D].廈門:華僑大學,2012.

[2] 徐超.LED驅動電路研究[D].武漢:武漢工業(yè)學院,2012.

[3] 王愛軍.基于LLC諧振變換器的可調光LED驅動電源的研究[D].南京:南京理工大學,2013.

[4] 彭少華.LED驅動電源的研究與設計[D].南京:南京理工大學,2012.

[5] 劉蘊.LED智能照明控制系統(tǒng)的研究與設計[D].西安:陜西科技大學,2013.

[6] 胡成龍.基于DC-DC開關變換器的LED驅動技術研究[D].杭州:杭州電子科技大學,2013.

[7] 楊東.高效LED驅動電源的設計[D].南京:南京理工大學,2012.

[8] 駱康城.大功率LED驅動研究[D].杭州:浙江大學,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

西安市科技計劃基金資助項目[編號：CX1259(2)]。

張玉杰(1966-)，男，1988年畢業(yè)于西北大學半導體物理專業(yè)，獲碩士學位，教授；主要從事信息采集與處理、模式識別、嵌入式系統(tǒng)開發(fā)等研究。

TP23

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201505023

修改稿收到日期：2014-04-10。