魏志遠 暴 婷

(北京工業(yè)大學軟件學院 北京 100123)

脈沖寬度調(diào)變在智能LED燈灰度調(diào)節(jié)中的研究

魏志遠 暴 婷

(北京工業(yè)大學軟件學院 北京 100123)

針對脈沖寬度調(diào)變(PWM)技術(shù)在LED燈灰度調(diào)節(jié)中的應用，提出一種可用于調(diào)節(jié)LED燈灰度的調(diào)光電路的解決方案。實驗結(jié)果是通過改變藍牙芯片的各個IO端口產(chǎn)生的PWM方波的占空比，來實現(xiàn)對調(diào)光電路中流過LED燈珠電流的調(diào)節(jié)，進而實現(xiàn)對LED燈的灰度調(diào)節(jié)。由此設(shè)計并研究出一套完整可行的調(diào)光電路系統(tǒng)。

脈沖寬度調(diào)變 PWM 調(diào)光電路 LED 灰度調(diào)節(jié)

0 引 言

在能源日益緊缺、污染嚴重的環(huán)境下，發(fā)光二極管LED作為新一代的光源，相較于其他傳統(tǒng)電光源，LED有著眾多優(yōu)點。LED具有壽命長、耗電低、體積小、結(jié)構(gòu)穩(wěn)固、在調(diào)光工作時發(fā)光效率提高等特點[1-4]，利用LED的優(yōu)點制作的LED照明燈具以其壽命長、結(jié)構(gòu)穩(wěn)固、省電、無紫外輻射、燈具可塑性強和裝飾更美觀等優(yōu)點，逐漸進入人們的視野，被視為替代傳統(tǒng)照明光源的第四代照明光源[5-8]。隨著紅、綠、藍三原色的混色技術(shù)和PWM方波調(diào)光技術(shù)在LED照明中的應用日漸成熟，可以使用不同的色彩和灰度來組合不同的氛圍[9-10]。

與此同時隨著短距離無線通信市場的快速增長，像WiFi、藍牙技術(shù)(Bluetooth)、ZigBee、超寬帶技術(shù)(UWB)、射頻識別技術(shù)(RFID)及近場通信(NFC)等低功耗、微型化的無線通信技術(shù)更多應用于日常生活中來[11-12]，為LED無線控制技術(shù)帶來許多新的發(fā)展。目前很多公司的Bluetooth和ZigBee芯片增加了PWM方波輸出端口，為PWM調(diào)節(jié)技術(shù)帶來了許多的方便。

本文旨在研究PWM調(diào)光技術(shù)在LED燈的灰度調(diào)節(jié)中的應用方法，建立適用于情景照明的調(diào)光電路實驗模型。通過理論指導和大量的實驗發(fā)現(xiàn)電路設(shè)計和軟件編程中的不足，研究出一個穩(wěn)定、可靠的LED照明系統(tǒng)。

1 脈沖寬度調(diào)變

脈沖寬度調(diào)變(PWM)技術(shù)是一種對模擬信號電平進行數(shù)字編碼的方法[13-14]。通過高分辨率計數(shù)器的使用，方波的占空比(DON)被調(diào)制用來對一個具體模擬信號的電平進行編碼。占空比為:

(1)

式中，t為正脈沖的持續(xù)時間；T為脈沖總周期。

保持PWM方波振幅不變的情況下改變占空比，平均電壓可以被控制，如圖1所示。當應用于直流電機、燈等電器,一個更加平滑有效的直流電壓可以通過高的脈沖頻率獲得。相比電位計或變阻器散熱時浪費的電力，PWM方波調(diào)控方法更有效而且節(jié)能。

圖1 PWM信號圖

考慮到用PWM方波驅(qū)動LED燈，如圖2所示，當選擇低占空比的脈沖信號時，對應所產(chǎn)生的電壓相對較低，因此流過LED燈珠的電流也是相對較低的，亮度也是相對較低的；相同原理，當選擇高占空比的脈沖信號時，對應所產(chǎn)生的電壓較高，因此LED燈珠的亮度也是相對較高。

圖2 占空比改變對輸出電壓的影響

當?shù)驼伎毡鹊拿}沖信號變?yōu)楦呙}沖信號時，需要一個過度時間。如圖，低電壓變?yōu)楦唠妷阂彩且粋€漸變的過程，因此LED燈珠的亮度變化也是一個漸變的過程；同理適用高電壓變?yōu)榈碗妷骸?/p>

在軟件編程的時候，可以在程序中設(shè)定這個變化時間為0。但是，實際的電路中，低占空比和高占空比之間的轉(zhuǎn)化所消耗時間是不可避免的。并且兩個占空比之間差越大，變化時消耗的時間越多，無用能量消耗也越多。從節(jié)能和散熱的角度考慮，應該減少無用能量的消耗。

2 調(diào)光電路總體方案的設(shè)計

現(xiàn)在市面上可以產(chǎn)生PWM的無線芯片種類繁多，考慮到實驗人員以及用戶的使用方便，本設(shè)計方案選擇藍牙芯片CSR1010。使用藍牙芯片IO口產(chǎn)生的PWM方波直接驅(qū)動LED燈珠，理論上只要PWM方波大于10Hz就可以實現(xiàn)。但對于高功率的LED燈珠，除了電壓合適，還要確保有足夠大的電流流過LED燈珠，這樣藍牙芯片IO輸出口明顯供電不足。這時就需要藍牙芯片和大功率的LED燈珠中間就需要一個LED調(diào)光電路，通過間接的方式去控制流過大功率LED燈珠的電流。

調(diào)光電路的總體方案如圖3所示，輸入220V/50Hz交流電，通過AC/DC電壓轉(zhuǎn)換模塊變?yōu)橹绷麟妷?8VDC，為中間的調(diào)光電路供電。調(diào)光電路可以輸出恒定的電流為LED燈珠供電，稱這種供電方式為恒流源供電。當有外界干擾使得電流變化時，流過LED的電流都可以在調(diào)光電路調(diào)節(jié)作用下達到設(shè)定值。由于LED具有非線性I-V特性，較小的電壓波動將引起電流的大波動，所以相對于恒壓源供電，恒流源為LED燈珠供電可以達到較好的性能。

圖3 調(diào)光電路的設(shè)計

2.1LED驅(qū)動集成電路芯片

為了實現(xiàn)恒流源穩(wěn)定供電的功能，在這里引入一款高性能、高效率、低功耗的LED驅(qū)動集成電路芯片——FT3811。FT3811芯片帶有降壓功能，能驅(qū)動1A的LED電流可高達30V的電壓輸入。如圖4所示芯片內(nèi)部框圖及其外圍電路。DM端口為使能控制端口，為PWM方波輸入端口；SW為開關(guān)節(jié)點。當使能控制端DM輸入PWM方波的占空比為一定值時，F(xiàn)T3811芯片通過控制進入SW端的電流，來實現(xiàn)控制流過LED燈的電流，同時也保證了為LED供電為恒流源。最多能驅(qū)動6只串聯(lián)的LED燈珠。

圖4 FT3811芯片內(nèi)部框架圖及其外圍電路

設(shè)計FT3811芯片的外圍電路時，需要在輸入PWM方波的使能控制端加一個阻值為1kΩ下拉電阻，如圖5所示。如果不加下拉電阻，整個電路上電時，LED燈珠會出現(xiàn)瞬間爆閃的現(xiàn)象。這是由于上電瞬間，PWM方波輸出口從高電平瞬間還原成軟件設(shè)置的狀態(tài)，導致開機瞬間爆閃。當加上阻值為RL=1kΩ下拉電阻時，PWM方波輸出端口主動拉低開始時的接口電壓。

圖5 PWM方波輸入電路圖

2.2LED燈珠的灰度調(diào)節(jié)

人眼具有視覺暫留特性，當光源停止發(fā)光后，光源的視覺像不會馬上消失，可以暫時在眼睛中停留1/16s，所以將光源每秒閃爍次數(shù)超過16次，人眼將會看到穩(wěn)定的光源。PWM技術(shù)正是利用人眼的視覺暫留特性，輸出高頻PWM方波，產(chǎn)生讓人眼無法察覺的燈光閃爍。同時通過改變PWM方波的占空比來調(diào)節(jié)流過LED燈珠的電流，實現(xiàn)LED燈珠調(diào)光。

根據(jù)藍牙芯片時鐘的計數(shù)規(guī)則，設(shè)定計數(shù)是32 768。同時考慮到調(diào)色的方便，選擇0～255區(qū)間的調(diào)色方法。所以初步設(shè)計PWM方波周期為：

T=255/32 768=7.78 ms

(2)

所以其頻率為：

f=1/T=128.5 Hz

(3)

本實驗的LED燈珠統(tǒng)一選用德國ORSAM公司的紅、綠、藍、白四色大功率LED燈珠。通過對FT3811芯片使能控制端DM輸入不同占空比的PWM方波(相當于輸入不同的電壓)，觀察并記錄不同占空比下對應的流過LED燈珠的電流。所得結(jié)果如圖6所示，圖中為了方便后面說明，這里用電壓值表示使能控制端DM輸入的占空比。

圖6 DM VS ILED

由圖6所示，可以看出相同的LED驅(qū)動集成電路芯片控制下，不同種類LED燈珠的曲線是不同的。它們的使能控制端DM輸入電壓與電流ILED成正比，并且可以將紅、綠、藍這三色LED燈珠的變化曲線認為近似重合。白色的LED燈珠可以單獨考慮。

通過四種顏色燈珠的數(shù)據(jù)手冊，可以知道，LED燈珠的光通量ΦV和ILED電流成正比。所以可以推導出下面的等式：

(4)

其中，nΦV為灰度調(diào)節(jié)比，Φ為ILED=300mA下滿光通量值。

(5)

其中，nILED為流過LED燈珠調(diào)節(jié)比，I=ILED=300mA。

(6)

其中，nDM為DM使能控制端輸入電壓比，UDM為輸入電壓值，U=UDM=2.4V。最后得出結(jié)論：

nΦV=nILED=nDM=DON

(7)

通過式(4)-式(7)就實現(xiàn)了通過調(diào)節(jié)占空比對大功率LED燈珠的灰度調(diào)節(jié)。

3 調(diào)光電路中出現(xiàn)的問題及改進方法

整個實驗LED照明系統(tǒng)搭建好，用智能手機的藍牙控制LED燈，檢驗LED燈。發(fā)現(xiàn)LED燈換色時光效忽閃，而且變色速度不快。

3.1 光效忽閃

對于光效忽閃的問題，可以從倆個方面考慮：電源變壓器的功率不足和PWM頻率是否匹配電源。對于第一點，使用電源箱為調(diào)光電路供電，發(fā)現(xiàn)換光時光效還是忽閃的。由于電源箱可以提供充足的功率，所以排除電源變壓器的功率不足的問題。所以問題就出現(xiàn)在了第二點上。

對于第二點，因為初始時設(shè)計的藍牙IO端口的PWM頻率輸出為128.5Hz，而電源系統(tǒng)是220V/50Hz交流電供電，極有可能是電源頻率和PWM頻率相近引起忽閃。通過對藍牙芯片的編程，將PWM頻率提升23倍至：

f*=128.5Hz×23=1028Hz

(8)

實驗證明，當f>f*時，變色時出現(xiàn)的忽閃的問題得到解決。因此，f*為可接受的最低頻率。

3.2 提高變色速度

對于變色不快的問題，則需要從PWM方波的占空比上考慮。由第2節(jié)可以知道，當?shù)驼伎毡鹊拿}沖信號變?yōu)楦呙}沖信號時，需要一個過度時間。即使在軟件編程中設(shè)定這個變化時間為0，但是在實際電路中低占空比和高占空比之間的轉(zhuǎn)化所消耗時間是不可避免的。這就是為什么會發(fā)現(xiàn)LED燈珠的變色速度不快的原因。

因此，可以設(shè)計一個電路在縮小可調(diào)節(jié)占空比范圍的同時，又可以對整個流過LED燈珠的電流范圍進行控制。這個電路類似一個放大器的作用，設(shè)計電路如圖7所示。在PWM方波輸入端和LED驅(qū)動集成電路芯片間加入N型場效應管BSS138N。圖7中，R0=1kΩ,RL=10kΩ。

圖7 PWM方波輸入改進電路圖

通過實驗測試G點輸入電壓和D點輸出電壓的關(guān)系，得到下面的曲線圖，如圖8所示。可以將0.758≤UGS≤0.843V間的變化曲線近似的認為是線性變化，其中UGS與UDS成反比。根據(jù)圖6知道，流過紅、綠、藍色LED的電流范圍是在40～300mA之間，對應的LED集成電路控制芯片的使能控制端是0.5～2.4V。也就是UDS需要取值0.5～2.4V。根據(jù)圖8的變化曲線，UGS取值是0.77～0.84V。

圖8 N型場效應管電壓關(guān)系曲線圖

UGS的取值范圍是0.76～0.84V，對應的PWM方波的占空比取值范圍是0.775/3.3×100%～0.84/3.3×100%，即23.33%～25.45%。在軟件編程時設(shè)計紅、綠、藍的變色范圍的占空比取值為23.33%～25.45%。隨著占空比的取值范圍變小，初始設(shè)定的PWM方波的頻率顯得明顯不足，需要擴大輸出PWM方波頻率值。新的PWM方波頻率fNew取值：

fNew=f×26=8224 Hz>f*

(9)

其中，f為式(3)中的基本頻率，f=128.5Hz。

再將這個區(qū)間分為255個點，通過選擇不同的點來實現(xiàn)對LED燈珠灰度變化的調(diào)節(jié)。這時的軟件編程與之前的不同，PWM方波的占空比與LED燈的灰度變化成反比。

通過縮小PWM方波變化區(qū)間的方法實現(xiàn)LED燈的快速變色，同時由于占空比取值區(qū)間較小，前文中提出的占空比變化時無用能量的消耗也會相應大幅減少，減少了LED燈的無用熱量產(chǎn)生。

3.3 改進后的智能LED燈

如圖9所示，為完成智能LED燈的改進工作，我們分別設(shè)計了LED燈板、控制板和電源模塊三個部分。

將三個部分搭建在一個平臺上，組成實驗平臺，方便前期編程和實驗，如左圖所示；實驗和測試結(jié)束后，將三個部分組裝起來，如中間圖所示；最后封裝在燈殼中，如右圖所示。

改進后的LED解決了之前出現(xiàn)的灰度調(diào)節(jié)時忽閃以及變色速度慢的問題。

圖9 智能LED燈

4 結(jié) 語

本文針對脈沖寬度調(diào)變技術(shù)在LED燈調(diào)光電路中的應用進行了電路設(shè)計、軟件編程和實驗分析，以LED燈珠灰度調(diào)節(jié)為研究對象，并且通過實驗，對設(shè)計硬件電路和軟件編程中出現(xiàn)的一些問題進行了理論分析和設(shè)計改進，對于照明系統(tǒng)的制作提出了自己的見解和思路分析。下一步將設(shè)計完整的情景照明系統(tǒng)，將情景感知等應用功能加入進來，提高整個照明系統(tǒng)的實用性。

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THE RESEARCH OF PWM IN GRAY LEVEL ADJUSTMENT OF THE INTELLIGENT LED LIGHT

Wei Zhiyuan Bao Ting

(SchoolofSoftwareEngineering,BeijingUniversityofTechnology,Beijing100123,China)

Using pulse width modulation technology in the LED light gray level adjustment, a solution of a kind of dimming circuit which can be applied to adjust the gray level of the intelligent LED light is proposed. The experiments result show that the main function of this dimming circuit is to adjust the current flowing through the LED balls by changing the duty ratio of the square wave produced by every IO port of the Bluetooth chip and then realize gray level adjustment to the LED light. The conclusion is to work out a set of complete feasible dimming circuit system.

Pulse width modulation PWM Dimming circuit LED Gray level adjustment

2015-10-22。魏志遠，碩士生，主研領(lǐng)域：藍牙4.0技術(shù)，ARM設(shè)計與研發(fā)。暴婷，碩士生。

TP34

A

10.3969/j.issn.1000-386x.2017.01.017