基于藍牙調光LED驅動電源研究

(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，目前正逐步占領照明市場，在LED照明場合應用各種調光技術，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，已經可以實現多種控制功能，因此開發(fā)智能手機操作系統(tǒng)與LED燈光控制相結合的產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，藍牙無線技術為通信方式的LED燈光控制系統(tǒng)設計方案。

2 電路總體方案

基于藍牙調光LED驅動電源結構框圖如圖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)、調光信號轉化電路等。

根據LED的伏安特性可知，LED適合使用恒流源來驅動，因此需要設計驅動電路來完成交流市電輸入到恒定直流輸出的轉化過程。LED驅動電路不僅要滿足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成的兩級變換電路作為LED驅動電路拓撲，選用IW3631作為控制芯片，實現對LED燈的恒流和調光控制。

本文所使用的藍牙調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議，支持新一代低功耗藍牙自組網技術，支持自我修復、自我組織網狀網絡，可直接與手機藍牙通信，廣泛應用于國內外無線通信市場。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，就可以實現藍牙模塊與單片機模塊的通訊了。

圖1 藍牙調光LED驅動電源框圖

圖2 藍牙模塊

3 硬件電路設計

3.1 LED驅動電路設計

基于電源控制芯片IW3631的LED驅動電路如圖3所示，電路采用兩級結構，前級Boost變換器實現功率因數校正功能，后級反激式變換器實現LED恒流輸出，兩級電路都工作于準諧振模式，減少了開關損耗，提高了變換器效率。IW3631芯片采用數字控制，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，經過二極管D1、D2、D3、D4構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、開關管Q2、電容C3構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、開關管Q1、二極管D5、電解電容C2構成，主要實現功率因數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、開關管Q3、電阻RSENSE、二極管D7、電解電容C4組成，采用原邊反饋技術，在不需要將輸出側電流反饋到原邊側條件下實現輸出側電流的恒定控制。電阻R11、電容C5、二極管D8構成RCD吸收電路，在開關管Q3關斷后吸收由變壓器漏感引起的尖峰電壓，防止開關管過壓擊穿。芯片的DIM口是調光口，可以接收0～1.8V的模擬調光信號實現LED無頻閃調光。

圖3 基于電源控制芯片IW3631的LED驅動電路

3.2 調光信號轉化電路設計

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

圖4 PWM調光信號轉模擬調光信號電路

單片機系統(tǒng)輸出的PWM調光信號接入到IW337芯片的DIM引腳，DRV引腳輸出的PWM信號驅動線性光耦PC817，PC817的集電極與開關管QC1柵極相連作為驅動信號，開關管QC1的導通會將并聯的電阻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芯片調光口的電壓將在0～1.8V范圍變化，以此來實現LED的無頻閃調光。

4 藍牙調光設計

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)了相應的APP應用軟件，此APP軟件界面上有開關、定時、分組、情景模式等設置，支持固件的無線升級、參數設置等功能。用戶只需在APP軟件界面上添加對應藍牙的模塊，然后在APP界面上做相應的操作就可以實現手機與EB10藍牙模塊的通信，EB10藍牙模塊接收手機發(fā)送的相關命令后通過串口傳輸給單片機，單片機根據接收到的串口信息改變PWM調光信號的占空比實現藍牙智能調光控制。具體的APP調光界面如圖5所示。

圖5 藍牙調光APP界面

打開手機藍牙調光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光信號，與單片機相連的EB10藍牙模塊接收此調光信號后通過串口傳輸給單片機，經過單片機藍牙調光程序處理后輸出PWM調光信號。EB10藍牙模塊與單片機異步串行通信數據以數據幀為基本單位來傳輸的，傳送波特率為9600，一幀數據是10位數據，1位起始位，8位數據，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，然后響應中斷讀取數據幀中的8位調光數據，根據此調光數據改變PWM調光信號的占空比，最終實現LED輸出電流的控制。

EB10藍牙模塊與單片機傳輸的一幀數據里面的調光數據是8位二進制數，數據值在0～255范圍變化，不同調光數據值對應不同的調光輸出占空比。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，調光曲線適合采用對數調光，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，具體的對數調光轉化公式為:

(1)

設計出具體的藍牙調光程序流程圖如圖6所示。

圖6 藍牙調光程序流程圖

5 實驗結果

為驗證所提出的基于藍牙調光功能的LED驅動電源的可行性，搭建了一臺28W的LED驅動電源樣機。主要實驗參數如下：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主電路開關管選取TK10A60D，反激電路開關管選取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，圖中表示調光數值為0x29，代表APP界面上10%調光亮度，單片機接收到串口信號后轉化為PWM調光信號，實現藍牙調光。

圖8 調光數值為0x29

藍牙調光的波形如圖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，隨著調光占空比增加，輸出電流相應增大。

圖9 調光比1%

圖10 調光比70%

圖11是根據藍牙調光實驗測出的相關數據，做出藍牙調光曲線。由于人眼對燈光亮度的變化敏感，采用對數調光曲線可以更好地滿足了人眼對燈光的適應，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。從藍牙調光曲線可以看出，藍牙調光曲線近似模擬了對數調光曲線，調光范圍在4.4%～100%。

圖11 藍牙調光曲線

6 結語

本文對基于藍牙調光LED驅動電源進行了研究，通過相關軟硬件的設計，實現了通過手機APP界面對LED驅動電源進行調光控制。最后設計了一臺實驗樣機，驗證了所設計的方案具有可行性。