(福州大學電氣工程與自動化學院，福建 福州 350108)

1 引言

隨著社會的快速發(fā)展以及人們對能源消耗和環(huán)境的重視，節(jié)能減排的觀念越來越深入人心。照明用電的需求量越來越大，成為節(jié)能減排的重點領(lǐng)域之一[1]。LED作為第四代照明光源，具有發(fā)光效率高、節(jié)能、環(huán)保、壽命長等優(yōu)點，目前正逐步占領(lǐng)照明市場，在LED照明場合應(yīng)用各種調(diào)光技術(shù)，不僅可以進一步減少能耗，還能改善空間視覺效果[2]。

藍牙具有低成本、低功耗、低復雜度，系統(tǒng)穩(wěn)定等優(yōu)點，安裝有藍牙模塊的智能手機在不斷快速發(fā)展，已經(jīng)可以實現(xiàn)多種控制功能，因此開發(fā)智能手機操作系統(tǒng)與LED燈光控制相結(jié)合的產(chǎn)品具有很廣闊的市場[3-5]?；诖颂岢鲆环N以智能手機操作系統(tǒng)為平臺，藍牙無線技術(shù)為通信方式的LED燈光控制系統(tǒng)設(shè)計方案。

2 電路總體方案

基于藍牙調(diào)光LED驅(qū)動電源結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，主要包括Boost PFC電路、反激恒流電路、藍牙模塊、單片機系統(tǒng)、調(diào)光信號轉(zhuǎn)化電路等。

根據(jù)LED的伏安特性可知，LED適合使用恒流源來驅(qū)動，因此需要設(shè)計驅(qū)動電路來完成交流市電輸入到恒定直流輸出的轉(zhuǎn)化過程。LED驅(qū)動電路不僅要滿足IEC100-3-2標準對電流諧波的限制，而且要抑制LED的頻閃問題，所以本文采用Boost PFC電路與反激變換器構(gòu)成的兩級變換電路作為LED驅(qū)動電路拓撲，選用IW3631作為控制芯片，實現(xiàn)對LED燈的恒流和調(diào)光控制。

本文所使用的藍牙調(diào)光模塊采用北京易方通達公司的EB10藍牙模塊，該模塊如圖2所示。EB10模塊符合低功耗藍牙協(xié)議，支持新一代低功耗藍牙自組網(wǎng)技術(shù)，支持自我修復、自我組織網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，可直接與手機藍牙通信，廣泛應(yīng)用于國內(nèi)外無線通信市場。使用此模塊只需要給模塊提供3.3V的供電，然后將模塊的URX接口與單片機的串口U1TX相連，模塊的UTX接口與單片機的串口U1RX接相連，就可以實現(xiàn)藍牙模塊與單片機模塊的通訊了。

圖1 藍牙調(diào)光LED驅(qū)動電源框圖

圖2 藍牙模塊

3 硬件電路設(shè)計

3.1 LED驅(qū)動電路設(shè)計

基于電源控制芯片IW3631的LED驅(qū)動電路如圖3所示，電路采用兩級結(jié)構(gòu)，前級Boost變換器實現(xiàn)功率因數(shù)校正功能，后級反激式變換器實現(xiàn)LED恒流輸出，兩級電路都工作于準諧振模式，減少了開關(guān)損耗，提高了變換器效率。IW3631芯片采用數(shù)字控制，在不需要外部環(huán)路補償元件的條件下保持電路環(huán)路穩(wěn)定，減少了元器件成本。

交流市電輸入后，經(jīng)過二極管D1、D2、D3、D4構(gòu)成的整流橋電路后成為半波整流波形，容值較低的電容C1可以濾除電路中的高頻電流紋波。電阻R7、開關(guān)管Q2、電容C3構(gòu)成芯片的有源啟動電路，啟動完成后通過變壓器L2的輔助繞組、二極管D6、電容C3來給芯片供電。前級Boost PFC電路主要由電感L1、開關(guān)管Q1、二極管D5、電解電容C2構(gòu)成，主要實現(xiàn)功率因數(shù)校正以及母線電壓的穩(wěn)定。后級反激電路主要由變壓器L2、開關(guān)管Q3、電阻RSENSE、二極管D7、電解電容C4組成，采用原邊反饋技術(shù)，在不需要將輸出側(cè)電流反饋到原邊側(cè)條件下實現(xiàn)輸出側(cè)電流的恒定控制。電阻R11、電容C5、二極管D8構(gòu)成RCD吸收電路，在開關(guān)管Q3關(guān)斷后吸收由變壓器漏感引起的尖峰電壓，防止開關(guān)管過壓擊穿。芯片的DIM口是調(diào)光口，可以接收0～1.8V的模擬調(diào)光信號實現(xiàn)LED無頻閃調(diào)光。

圖3 基于電源控制芯片IW3631的LED驅(qū)動電路

3.2 調(diào)光信號轉(zhuǎn)化電路設(shè)計

單片機系統(tǒng)接收藍牙模塊傳輸過來的調(diào)光信號后，經(jīng)過相關(guān)軟件程序處理，生成PWM調(diào)光信號，最后經(jīng)過調(diào)光信號轉(zhuǎn)化電路將PWM調(diào)光信號轉(zhuǎn)化成IW3631控制芯片DIM腳能夠接收的模擬調(diào)光信號，實現(xiàn)LED無頻閃調(diào)光，具體的轉(zhuǎn)化電路如圖4所示。

圖4 PWM調(diào)光信號轉(zhuǎn)模擬調(diào)光信號電路

單片機系統(tǒng)輸出的PWM調(diào)光信號接入到IW337芯片的DIM引腳，DRV引腳輸出的PWM信號驅(qū)動線性光耦PC817，PC817的集電極與開關(guān)管QC1柵極相連作為驅(qū)動信號，開關(guān)管QC1的導通會將并聯(lián)的電阻RC7、RC8與地短接，從而改變電阻RC6的分壓值，電阻RC6的分壓值就是給IW3631芯片DIM調(diào)光口的信號。所以芯片DRV引腳輸出的PWM信號占空比在0～100%范圍變化時，連接IW3631芯片調(diào)光口的電壓將在0～1.8V范圍變化，以此來實現(xiàn)LED的無頻閃調(diào)光。

4 藍牙調(diào)光設(shè)計

針對LED無線智能燈控系統(tǒng)，北京易方通達公司基于EB10藍牙模塊開發(fā)了相應(yīng)的APP應(yīng)用軟件，此APP軟件界面上有開關(guān)、定時、分組、情景模式等設(shè)置，支持固件的無線升級、參數(shù)設(shè)置等功能。用戶只需在APP軟件界面上添加對應(yīng)藍牙的模塊，然后在APP界面上做相應(yīng)的操作就可以實現(xiàn)手機與EB10藍牙模塊的通信，EB10藍牙模塊接收手機發(fā)送的相關(guān)命令后通過串口傳輸給單片機，單片機根據(jù)接收到的串口信息改變PWM調(diào)光信號的占空比實現(xiàn)藍牙智能調(diào)光控制。具體的APP調(diào)光界面如圖5所示。

圖5 藍牙調(diào)光APP界面

打開手機藍牙調(diào)光APP界面，選擇所控制藍牙模塊，在亮度控制處左右滑動改變調(diào)光信號，與單片機相連的EB10藍牙模塊接收此調(diào)光信號后通過串口傳輸給單片機，經(jīng)過單片機藍牙調(diào)光程序處理后輸出PWM調(diào)光信號。EB10藍牙模塊與單片機異步串行通信數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)幀為基本單位來傳輸?shù)?，傳送波特率?600，一幀數(shù)據(jù)是10位數(shù)據(jù)，1位起始位，8位數(shù)據(jù)，1位停止位。單片機的U1RX接口接收到串口信號后會置位串口接收中斷標志位，然后響應(yīng)中斷讀取數(shù)據(jù)幀中的8位調(diào)光數(shù)據(jù)，根據(jù)此調(diào)光數(shù)據(jù)改變PWM調(diào)光信號的占空比，最終實現(xiàn)LED輸出電流的控制。

EB10藍牙模塊與單片機傳輸?shù)囊粠瑪?shù)據(jù)里面的調(diào)光數(shù)據(jù)是8位二進制數(shù)，數(shù)據(jù)值在0～255范圍變化，不同調(diào)光數(shù)據(jù)值對應(yīng)不同的調(diào)光輸出占空比。由于人眼睛對燈光亮度的變化很敏感，在燈光較暗時，很小的亮度變化都能感受到，在燈光較亮時，只有亮度的大幅變化才能感覺到。所以針對人眼對燈光的敏感性，調(diào)光曲線適合采用對數(shù)調(diào)光，在燈光較暗時，亮度的變化很小，在燈光較亮時，燈光的亮度變化很大，具體的對數(shù)調(diào)光轉(zhuǎn)化公式為:

(1)

設(shè)計出具體的藍牙調(diào)光程序流程圖如圖6所示。

圖6 藍牙調(diào)光程序流程圖

5 實驗結(jié)果

為驗證所提出的基于藍牙調(diào)光功能的LED驅(qū)動電源的可行性，搭建了一臺28W的LED驅(qū)動電源樣機。主要實驗參數(shù)如下：交流輸入電壓范圍：90～265V，額定輸出電流Io=700mA，額定輸出電壓Uo=40V；Boost PFC電感為790μH，反激變壓器原邊電感為1.71mH；Boost PFC主電路開關(guān)管選取TK10A60D，反激電路開關(guān)管選取TK10A80D，副邊整流二極管選取MUR460；單片機選取Microchip公司的dsPIC33FJ16GS502。

圖7所示220V輸入電壓下，輸入電壓和電流波形，可以看出，輸入電流波形近似為正弦波，并且很好地跟隨了輸入電壓波形。

圖7 輸入電壓220V

圖8所示為EB10藍牙模塊與單片機進行串口通信的信號，圖中表示調(diào)光數(shù)值為0x29，代表APP界面上10%調(diào)光亮度，單片機接收到串口信號后轉(zhuǎn)化為PWM調(diào)光信號，實現(xiàn)藍牙調(diào)光。

圖8 調(diào)光數(shù)值為0x29

藍牙調(diào)光的波形如圖9,圖10所示，當PWM信號的占空比分別為0.01、0.71時，輸出電流Io分別為31.2mA、276.6mA，隨著調(diào)光占空比增加，輸出電流相應(yīng)增大。

圖9 調(diào)光比1%

圖10 調(diào)光比70%

圖11是根據(jù)藍牙調(diào)光實驗測出的相關(guān)數(shù)據(jù)，做出藍牙調(diào)光曲線。由于人眼對燈光亮度的變化敏感，采用對數(shù)調(diào)光曲線可以更好地滿足了人眼對燈光的適應(yīng)，在燈光較暗時亮度變化幅度小一點，在燈光較亮時亮度變化幅度盡量大一點。從藍牙調(diào)光曲線可以看出，藍牙調(diào)光曲線近似模擬了對數(shù)調(diào)光曲線，調(diào)光范圍在4.4%～100%。

圖11 藍牙調(diào)光曲線

6 結(jié)語

本文對基于藍牙調(diào)光LED驅(qū)動電源進行了研究，通過相關(guān)軟硬件的設(shè)計，實現(xiàn)了通過手機APP界面對LED驅(qū)動電源進行調(diào)光控制。最后設(shè)計了一臺實驗樣機，驗證了所設(shè)計的方案具有可行性。