基于MP2481和BH1710的自調光LED驅動器設計

孫 穎，侯艷波，張利利，林戰國

(1.空軍西安軍械廠，西安710611;2.杭州電子科技大學電子信息學院，杭州310018)

隨著近年來石油、煤炭、天然氣等不可再生資源的日漸枯竭和人類對能源需求的日益增加，節能減排引起了人們的高度重視。LED作為一種新型照明光源技術已經備受關注，各國也開始出臺相關政策限制白熾燈，日光燈的生產銷售，轉而扶持LED［1］。LED光源具有很高的效能，消耗能量較同光效的白熾燈減少80%，又不含汞和玻璃，被公認為綠色節能先鋒。此外，LED的發光亮度主要受正向電流影響，利用這一特性，實現對LED的調光，不僅可以調整燈光視覺效果，還能進一步降低能耗20% ～50%。在學校教室、體育場館、路燈等照明場所，由于晝光影響，過亮的照明會造成電能浪費，而有時過暗的照明又會引起視覺疲勞，影響人們正常的學習和工作，甚至引發安全事故［2］。由此可見，準確的照度測量，適當的照明亮度在生產生活中也非常重要［3］。本文設計的自調光LED驅動器，可以測量照度數據后，根據算法調節LED發光亮度，在提供給人們一個舒適的視覺環境的同時，有效的降低了電力能源消耗。

1 驅動器硬件設計

1.1 驅動器組成框圖

整個LED驅動器的組成框圖如圖1所示(為了使圖示清晰明了，圖1中只列出了重要的信號線)。BH1710為新型數字光強傳感器，采集到環境光強信息后通過I2C通信協議發送給AT89C2051為主要器件的控制中心，控制中心接收到數據進行處理，然后依據數據改變MP2481的DIM腳的PWM輸入信號的占空比，進而達到自動調光的目的。

圖1 驅動器組成框圖

1.2 控制中心電路

控制中心的電路設計如圖2所示。AT89C2051單片機的P32引腳與P33引腳模擬I2C通信所需的SCL與SDA信號線，和BH1710傳感器進行數據通信，來獲取自調光所需要的光照強度數據。由于BH1710的工作電壓為2.4 V～3.6 V，所以為了能和工作電壓為5 V的單片機正常通信，需要將SDA和SCL信號線接5.1 kΩ的上拉電阻，接至5 V電源上。P37引腳用于向MP2481芯片的DIM腳輸出PWM方波信號。MP2481芯片的DIM引腳所需的不同占空比PWM信號可由單片機內部的16 bit定時器進行精確控制產生。

單片機的第4引腳與第5引腳接外界石英晶體振蕩器。AT89C2051在Vcc=2.7 V～6 V時可支持0～12 MHz的晶振，在Vcc=4 V～6 V時可支持0～24 MHz的晶振。晶振兩端的兩個負載電容選取容值為(30±10)pF的電容較為合適。

圖2 控制中心電路

1.3 BH1710典型應用電路

光傳感器BH1710FVC的典型應用電路如圖3所示。應用AMS1117 3.3 V穩壓芯片將5 V電壓穩壓至3.3 V為BH1710提供工作電壓。ADDR接至GND，DVI經 1 μF 電容接 GND，SCL 與 SDA 經過1 kΩ的限流電阻接AT89C2051單片機的P32與P33腳。BH1710傳感器內置16 bit AD轉換器，直接輸出數字量值，支持I2C通信協議，應用電路無需更多外圍器件，較為簡單易用。

圖3 BH1710典型應用電路

1.4 MP2481驅動電路

MP2481是一款支持4.5 V～36 V寬電壓的白光LED驅動芯片，最大可輸出1.2 A的電流，具有1.4 MHz的固定頻率，支持模擬調光和PWM兩種調光方式［4］。此外，它還具有過壓保護、開路保護、熱停機保護以及峰值電流限制功能。它的典型應用電路如圖4所示。一般輸入電容C1取4.7 μF，Cbs一般取10 nF。D1為一個肖特基二極管。濾波電容C2取2.2 μF。R1與R2以及Rs、L1的參數則需要我們應用芯片手冊提供的公式及信息，根據實際電路設計的參數進行計算得出具體值。例如我們要驅動3 W的(4 V/680 mA)LED燈珠，共六串兩并，即需要設計輸出25 V電壓，1.2 A的LED驅動器，則根據所選圖4所示電路結構及式(1)～式(4)計算器件參數如下:

其中:L為要計算的電感量(μH);Vout為MP2481輸出電壓(V);Vin為MP2481輸入電壓V;ΔIL為電感的紋波電流(A);fsw為MP2481的工作頻率(Hz)。將Vin=5 V，Vout=25 V，ΔIL=0.24 A，fsw=1.4 MHz代入式(1)，可以得到L1的取值為18.6 μH。芯片手冊的建議取值范圍為3.3 μH至22 μH。

其中:Rs為電流取樣電阻(Ω);ILED為流過LED負載的電流(A)。

圖4 MP2481驅動電路

在計算Rs的時候，我們要以電流達到峰值的情況來計算，而不是以正常工作的LED電流來計算。峰值電流按式(3)來計算:

其中:IL(MAX)為要計算的峰值電流;ILOAD為正常工作時的負載電流;ΔIL為電感紋波電流。將ILOAD=680 mA，ΔIL=240 mA 代入式(3)，得到IL(MAX)=0.8 A，再將此值代入式(2)可以得到取樣電阻的值Rs=0.25 Ω。

其中:Vo為驅動器正常輸出電壓(V);R1，R2為分壓電阻(Ω)。

電阻R1與R2組成的分壓電路，將R2的分壓接到芯片第OVP引腳上。R1和R2的取值決定了過壓保護點。一般過壓保護點設置為正常輸出的1.3倍～1.5倍。我們設計的電路正常輸出為25 V，取1.3倍即32.5 V為過壓保護點。芯片的OVP引腳電壓超過1.23 V時會觸發芯片進行過壓保護。因此，我們可以根據式(4)得到R1和R2的取值。將Vo=25 V代入上面公式，可以得到R2/(R1+R2)=0.037 84，我們將R2取值10 kΩ，則得到R1的值約為254 kΩ。

2 驅動器軟件設計

由于BH1710光強傳感器內置16 bit AD，直接輸出數字信號，并且支持I2C通信協議，這使得驅動器的單片機程序設計變得十分容易。只需要AT89C2051單片機的P32與P33引腳模擬I2C通信中SCL與SDA的時序，從傳感器中讀取其輸出的數字信號即可。然后對數字信號進行處理，判斷，然后通過一定的算法來修改單片機定時器的中斷頻率，從而改變P37引腳的PWM信號的占空比，使LED驅動器實現自動調光［4］。驅動器軟件流程圖如圖5所示。

圖5 系統程序流程圖

2.1 BH1710傳感器的數據讀取

BH1710為數字型傳感器，器件設計有高、中、低3種精度模式，其中高精度模式下分辨率可達1 lx，中精度模式分辨率為4 lx，低精度模式分辨率為16 lx。可根據不同的應用場合通過向傳感器發送指令碼的方式進行模式選擇。器件還支持連續和單次兩種讀取模式。單次讀取時，每讀完一次數據后傳感器進入睡眠模式，直到接收到下一次讀取命令才被喚醒，這樣可降低器件功耗。傳感器的I2C通信格式定義如表1、表2所示。

表1 傳感器寫入格式

表2 傳感器讀出格式

讀取的精度越高，所需的測量時間越長。高精度模式測量間隔需大于120 ms，中精度模式測量間隔需大于16 ms，低精度模式測量間隔需大于2.9 ms。

2.2 BH1710傳感器的數據處理

通過I2C協議連續讀取兩個字節，共16 bit數據。測量范圍為1 lx～655 35 lx。將讀取的數據根據式(5)轉換為十進制數據后除以1.2則得到比較精確的光強值。

其中:bit(x)—第x位二進制位;2x—第x二進制位的十進制值。

3 實際應用

通常，晴天室內的照度為100 lx～1 000 lx，陰天室內的照度為10 lx～50 lx。人視覺較為舒適的室內桌面照度約為300 lx～500 lx。我們設定室內照度值為380 lx，室內照度超過380 lx時，無需燈管補嘗，使PWM信號占空比為0%;當室內照度低于30 lx時，使PWM信號占空比為100%。調節定時器的TH與TL的初值，使這個照度范圍內占空比近線性漸變［5-6］。則占空比與室內照度有如下關系，如式(6):

其中:P(x)為PWM信號占空比;x為實際讀取的光照強度。程序限定占空比大于1時取100%，小于0時取0%。此函數的理論圖形如圖6所示。實際應用中，為克服傳感器讀數小范圍頻繁波動產生的抖動問題，將采取分段調節的方法［7-9］，其輸出關系如圖6所示(其中:P(lx)是光強和占空比的理論計算圖形，y(lx)是光強和占空比的實際輸出圖形)。

圖6 光強值與PWM占空比關系

圖7為光照強度為135 lx時，用示波器觀察到的單片機P37引腳的輸出情況。

圖7 光強130 lx時的PWM波形

4 結論

節能減排是國家大力倡導的，舒適的照明環境是人們所追求的。由圖6和圖7可以看出，本文設計的基于MP2481和BH1710的自調光LED驅動器，(1)能夠實現自調光功能;(2)可以提供一個舒適的照度環境;(3)能夠有效的節能省電。

［1］Cheng Y K，Cheng K W E.General Study for Using LED to Replace Traditional Lighting Device［C］//2nd International Conference on Power Electronics Systems and Application，2006，173-177.

［2］林久翔，謝堯宏，謝佳潔.液晶熒幕中卷動文件對視覺績效與視覺不適之研究［J］.電子器件，2008(1):342-344.

［3］蘇黎明，劉愛華.自制簡易數字照度計［J］.實驗技術與管理，2010(3):57-60.

［4］居大鵬.LED驅動器的調光技術［J］.電子產品世界，2010(11):34-36.

［5］朱虹.LED照明驅動及自適應調光技術研究［D］.上海:上海大學，2008.

［6］田立東，周繼軍，秦會斌.PWM調光LED驅動器設計［J］.機電工程，2012(4):465-468.

［7］朱德強，張東來，周建平.基于電荷控制的反激單級PFC變換器仿真［J］.電力電子技術，2005(6):46-48.

［8］Robert Kollman.LED的高效驅動［J］.電子設計應用，2007(12):111-114.

［9］Keith S.4 W LED Driver Includes Power Switch，Compensation Components and Schottky in16-Pin MSOP［Z］.2009.