徐 晟，劉廷章，陳一凡

(上海大學(xué)機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院，上海 200072)

HVLED燈無(wú)線(xiàn)控制系統(tǒng)

徐 晟，劉廷章，陳一凡

(上海大學(xué)機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院，上海 200072)

針對(duì)HV LED設(shè)計(jì)了一套無(wú)線(xiàn)燈控系統(tǒng)。分析了HV LED燈的優(yōu)勢(shì)，驅(qū)動(dòng)電路恒流的實(shí)現(xiàn)原理和PWM調(diào)光原理，以及說(shuō)明了ZigBee無(wú)線(xiàn)串口透?jìng)鞯脑O(shè)計(jì)方案。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)電源的具有良好的恒流特性和輸出一致性，且可以通過(guò)無(wú)線(xiàn)控制實(shí)現(xiàn)在寬范圍平滑連續(xù)的PWM調(diào)光。

HV LED；恒流；PWM調(diào)光；ZigBee

引言

高壓LED也稱(chēng)HV LED，狹義上的高壓LED是把一個(gè)芯片的外延層分割成數(shù)個(gè)芯粒單元[1]，并把它們串聯(lián)起來(lái)，構(gòu)成高電壓LED芯片。它具有體積更小，性能更穩(wěn)定，散熱更好，封裝成本更低等優(yōu)勢(shì)[2]。

HV LED直接在芯片級(jí)就實(shí)現(xiàn)了微晶粒的串并聯(lián)，使其在低電流高電壓下工作，將簡(jiǎn)化芯片固晶、鍵合數(shù)量，封裝成本降低。HV芯片是在單位面積內(nèi)形成多顆微晶粒集成，避免了芯片間BIN內(nèi)波長(zhǎng)、電壓、亮度、跨度等帶來(lái)的一致性問(wèn)題[3]。

與傳統(tǒng)DC LED功率芯片相比，此類(lèi)高壓LED 芯片具有高電壓、小電流的特點(diǎn)。一顆傳統(tǒng)的1W DC LED芯片采用350 mA驅(qū)動(dòng)，電壓為3.4 V左右，試定電壓為220 V，需要使用60～70顆LED芯片，而電流達(dá)到350 mA左右，在這種室溫條件下需要使用電壓轉(zhuǎn)接器，降低電流量。而一顆HVLED芯片電流為20 mA，電壓為50 V，在試定電壓220 V，4～5顆芯片，電流在100 mA以下，可以省掉變壓器，節(jié)約成本，提高芯片的一致性。由此可以看出，同樣輸出功率的高壓LED在工作時(shí)耗散的功率要遠(yuǎn)低于低壓LED，這也意味著散熱鋁外殼的成本可大大降低。按照目前的產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，高壓芯片的制造成本比低壓成本少10%～30%。近年來(lái)，LED照明燈具的設(shè)計(jì)更傾向于簡(jiǎn)便化和輕薄化，而高壓芯片以其靈活性、多樣性及其低成本性等優(yōu)勢(shì)為市場(chǎng)所看好[4-5]。

本文針對(duì)高壓LED高電壓的特性，設(shè)計(jì)了一款直流輸出驅(qū)動(dòng)電路。并且基于該驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)了一整套無(wú)線(xiàn)調(diào)光控制系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)表明該驅(qū)動(dòng)電路可以實(shí)現(xiàn)良好的恒流特性以及大范圍連續(xù)平穩(wěn)無(wú)閃爍的調(diào)光，并且整套控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定的無(wú)線(xiàn)遠(yuǎn)程控制。

1 HV LED控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的總體方案如圖1所示，分為高壓LED燈板，恒流源，無(wú)線(xiàn)控制電路，電源轉(zhuǎn)換電路這四部分的設(shè)計(jì)，電源為40 V直流電。其中電源要通過(guò)恒流源給LED供電，并且同時(shí)要給控制電路進(jìn)行供電，控制電路通過(guò)無(wú)線(xiàn)和上位機(jī)實(shí)現(xiàn)通信，并且按照通信指令實(shí)現(xiàn)輸出PWM的改變，從而改變LED燈的亮度。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 System structure diagram

1.1高壓LED燈板的設(shè)計(jì)

本次采用的2835高壓貼片LED燈珠的正向電壓為30 V，額定電流為30 mA,額定功率為0.9 W。通過(guò)將20個(gè)高壓LED燈珠并聯(lián)，做成一個(gè)正向電壓為30 V，額定電流為0.6A，額定功率18 W的HV LED陣列。光源板設(shè)計(jì)如下所示，20個(gè)LED焊接在獨(dú)立設(shè)計(jì)的鋁基板上，連接形式為全部并聯(lián)。如圖2所示。

圖2 高壓LED燈Fig.2 HV LED light

1.2LED恒流驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)

一個(gè)可靠、穩(wěn)定、高效率的驅(qū)動(dòng)電路是LED的關(guān)鍵和保障[6],驅(qū)動(dòng)電路控制芯片選用了Supertex公司的HV9910B芯片。HV9910B是一款高效PWM LED驅(qū)動(dòng)器控制集成電路芯片。該芯片的驅(qū)動(dòng)電流能從幾毫安到超高1安，并且芯片使用了高壓隔離連接工藝，能經(jīng)受高達(dá)450 V的浪涌輸入電壓的沖擊。

設(shè)計(jì)的基于HV9910B的多通道LED恒流驅(qū)動(dòng)電路中的單個(gè)驅(qū)動(dòng)電路結(jié)構(gòu)如圖3所示。工作原理是首先芯片內(nèi)部振蕩器給RS觸發(fā)器一個(gè)啟動(dòng)信號(hào)，GATE引腳輸出高電平，MOSFET導(dǎo)通，輸入VIN供電給LED，同時(shí)電感L1開(kāi)始充電，由于電感L1的存在，流經(jīng)LED的電流不能突變，流過(guò)電流檢測(cè)電阻RS的電流線(xiàn)性增加，然后到RS上的電壓上升至250 mV時(shí)，HV9910B內(nèi)部邏輯處理電路給內(nèi)部RS觸發(fā)器一個(gè)復(fù)位信號(hào)，GATE引腳輸出低電平，MOSFET關(guān)斷，電感L1電流不能突變，L1通過(guò)續(xù)流二極管D1放電以驅(qū)動(dòng)LED[7]。本文設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)電路輸入電壓為40 VDC，輸出電壓為30 VDC，輸出電流為0.6 A,芯片工作在固定關(guān)斷時(shí)間模式下。

圖3 LED驅(qū)動(dòng)電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.3 Driving circuit structural block diagram

1.3電源轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)

恒流源采用的是40 V直流電壓輸入，為了同時(shí)給arm，ZigBee模塊提供3.3 V供電電壓，采用了LM2575-3.3芯片，寬輸入電壓范圍為4～44 V，該芯片包含五個(gè)引腳，分別是輸入Vin，輸出Output，地Ground，反饋端Feedback，使能端 On/Off?；巨D(zhuǎn)換電路如圖4所示，通過(guò)該電路，輸出穩(wěn)定的3.3 V電壓，并且能給arm，ZigBee模塊供電。

圖4 電源轉(zhuǎn)換電路Fig.4 Power conversion circuit

1.4無(wú)線(xiàn)控制電路的設(shè)計(jì)

PWM 調(diào)光實(shí)質(zhì)是通過(guò)PWM 信號(hào)控制LED 的通斷，在某一固定頻率下，通過(guò)調(diào)節(jié)脈沖的占空比來(lái)改變LED的通斷時(shí)間[8]?？刂齐娐酚蒑CU電路和基于ZigBee協(xié)議的無(wú)線(xiàn)通信電路組成，其原理是上位機(jī)通過(guò)無(wú)線(xiàn)模塊實(shí)現(xiàn)與MCU的通信，從而控制MCU輸出PWM占空比的變化，實(shí)現(xiàn)恒流源電流大小的調(diào)節(jié)，最終實(shí)現(xiàn)LED亮度的無(wú)線(xiàn)調(diào)節(jié)。其原理如圖5所示。

圖5 控制電路結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Control circuit Structure diagram

1.4.1 MCU電路

MCU采用ARM系列單片機(jī)STM32,具體型號(hào)是STM32F103R8T6.這是一款常用的增強(qiáng)型系列微控制器。該型號(hào)單片機(jī)工作電壓為3.3 V, 72 M主頻，芯片內(nèi)部集成3個(gè)16位普通定時(shí)器，1個(gè)16位高級(jí)定時(shí)器，3個(gè)usart通信接口。

本文使用的電路為arm最小系統(tǒng)，包含了供電模塊，晶振，下載口，復(fù)位四個(gè)部分，最終將PA6引腳引出，作為PWM輸出口連接到恒流芯片hv9910b的pwm引腳，如圖6所示。

圖6 MCU電路Fig.6 MCU circuit

1.4.2 無(wú)線(xiàn)通信電路

ZigBee通信技術(shù)具有低功耗、低成本、組網(wǎng)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，是適合大規(guī)模傳感器組網(wǎng)的短距離無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)[9]。通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信方式可以形成一個(gè)多能自組織網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)[10]。

本文使用的ZigBee模塊核心芯片是CC2530芯片，其結(jié)合了領(lǐng)先的RF收發(fā)器的優(yōu)良性能以及業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的增強(qiáng)型8051 CPU。本文所設(shè)計(jì)的無(wú)線(xiàn)模塊只要實(shí)現(xiàn)串口通信和無(wú)線(xiàn)傳輸，其電路以CC2530芯片為核心設(shè)計(jì)單片機(jī)最小系統(tǒng)同時(shí)再將RF無(wú)線(xiàn)外圍電路配合上。其電路結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 ZigBee模塊電路Fig.7 Circuit of ZigBee module

本文中的ZigBee模塊程序是基于協(xié)議棧Z-Stack，通過(guò)調(diào)用協(xié)議棧的庫(kù)函數(shù)實(shí)現(xiàn)模塊可以通過(guò)無(wú)線(xiàn)將接收到的信息從串口傳送給上位機(jī)，同時(shí)可以將上位機(jī)從串口發(fā)送的信息通過(guò)無(wú)線(xiàn)發(fā)送出去給ZigBee接收模塊。本文最終實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)ZigBee模塊實(shí)現(xiàn)串口透?jìng)鳎渲羞B接上位機(jī)的ZigBee模塊是協(xié)調(diào)器，連接MCU的ZigBee模塊是終端。原理圖如圖8所示。

圖8 無(wú)線(xiàn)通信電路Fig.8 Wireless communication circuit

1.4.3 上位機(jī)與MCU的通信

上位機(jī)使用的是普通的串口助手軟件，與發(fā)送端的ZigBee模塊相連接，當(dāng)上位機(jī)通信內(nèi)容發(fā)出后，發(fā)送端的ZigBee模塊通過(guò)串口接收后，并將通信內(nèi)容無(wú)線(xiàn)發(fā)送出去，接收端的ZigBee模塊接收到信息后通過(guò)串口發(fā)送給MCU的串口接收端，MCU對(duì)發(fā)送的內(nèi)容進(jìn)行判斷是否符合通信協(xié)議，若符合則將通信內(nèi)容中所需的光強(qiáng)信息解析出來(lái)。并且按照解析出來(lái)的光強(qiáng)亮度調(diào)整PWM的占空比。從而實(shí)現(xiàn)上位機(jī)對(duì)LED光亮度的調(diào)節(jié)。

在本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)當(dāng)中，通信協(xié)議較為簡(jiǎn)單，協(xié)議格式如下：

AA 亮度值 08 01 0d 校驗(yàn)和 AA

MCU通過(guò)判斷首位以及末位是否為AA,以及校驗(yàn)和是否正確來(lái)判斷是否是符合要求的通信信息，從而獲得上位機(jī)所需亮度值的大小，在MCU中這些都是以十六進(jìn)制的形式獲得。例如亮度值是ff,則PWM的占空比設(shè)置為100%;亮度值是80,則PWM的占空比設(shè)置為50%；亮度值是00,則占空比設(shè)置為0%。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1恒流特性測(cè)試

對(duì)所設(shè)計(jì)的輸出驅(qū)動(dòng)電源進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試。實(shí)驗(yàn)條件：輸入40(1±10%)V。負(fù)載為18 W的LED燈串(即20個(gè)HV LED燈珠并聯(lián))，圖9為在輸入電壓變化下這個(gè)驅(qū)動(dòng)電路的輸出電流。

圖9 恒流特性測(cè)試圖Fig.9 Constant current characteristic test chart

由圖9可知，輸入電壓在36～44 V之間變化，且占空比為1時(shí)，驅(qū)動(dòng)電路輸出電流為0.595～0.615 A，電流變化波動(dòng)率為3.3%，驅(qū)動(dòng)電路的穩(wěn)定性比較高。

2.2無(wú)線(xiàn)調(diào)光測(cè)試

作為協(xié)調(diào)器的ZigBee模塊與上位機(jī)串口連接，終端ZigBee模塊與MCU的串口連接，當(dāng)上位機(jī)和下位機(jī)都上電之后，無(wú)線(xiàn)連接顯示燈亮，說(shuō)明無(wú)線(xiàn)通信連接成功。在輸入電壓40 V穩(wěn)定條件下，按照通信協(xié)議，通過(guò)無(wú)線(xiàn)發(fā)送上位機(jī)設(shè)定的占空比給MCU，平滑地改變占空比。在占空比為0、0.25、0.5、0.75、1時(shí)，分別測(cè)出輸出電流，輸出電流隨占空比改變?nèi)鐖D10所示。輸出電流連續(xù)變化，其調(diào)光范圍為0～100%。

圖10 無(wú)線(xiàn)調(diào)光測(cè)試圖Fig.10 Wireless dimming test chart

3 結(jié)論

本文利用驅(qū)動(dòng)芯片HV 9910B設(shè)計(jì)了一款18 W小功率HV LED驅(qū)動(dòng)電源，并設(shè)計(jì)了一套無(wú)線(xiàn)控制系統(tǒng)，使其能夠通過(guò)上位機(jī)實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)調(diào)節(jié)亮度。在36～44 V DC輸入條件下，驅(qū)動(dòng)電路輸出電流維持在0.6A左右，電流波動(dòng)率為3.3%，并且調(diào)光范圍為0～100%，調(diào)光過(guò)程中HV LED燈模組無(wú)閃爍現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)寬范圍的線(xiàn)性調(diào)光。該系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單容易實(shí)現(xiàn)，具有很強(qiáng)的實(shí)用性。設(shè)計(jì)的燈控系統(tǒng)還能在ZigBee終端增加更多的燈，形成更加復(fù)雜的照明系統(tǒng)，ZigBee協(xié)議端已將串口通信接口留出來(lái)，可以根據(jù)需求設(shè)計(jì)功能多樣化的上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)整個(gè)照明系統(tǒng)的集成控制和網(wǎng)絡(luò)控制。

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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一體化模組的開(kāi)發(fā)及應(yīng)用”課題(13111102500);上海自然科學(xué)基金(13ZR1417000)。