基于線性高壓恒流驅動的智能LED 燈設計

徐志春，徐根達

(1.中國電子科技集團第52 研究所，浙江 杭州 310012;2.杭州意博高科電器有限公司，浙江 杭州 311112)

0 引言

智能照明是指利用計算機、無線通信數據傳輸、擴頻電力載波通信技術、計算機智能化信息處理及節能型電器控制等技術組成的分布式無線遙測、遙控、遙訊控制系統，來實現對照明設備的智能化控制。智能化是LED 照明燈具未來的發展方向。智能LED 燈具有燈光亮度的強弱調節、色溫控制、燈光軟啟動、定時控制、場景設置等功能。目前，國內外一些企業都先后推出了智能LED 照明產品，比如國外照明行業巨頭飛利浦推出了Philip Hue，三星推出了可以手機控制的藍牙智能燈，LG 公司推出了無線WIFI/藍牙LED燈。國內，iMagic 研發團隊推出了iMagic 藍牙智能燈泡，小米公司也推出了Yeelight 藍牙智能燈。雖然智能LED 燈有許多優點，但還存在方案復雜、壽命短、成本高的一些問題。正是基于對以上問題的思考，本產品的方案，選擇了集成度高、具有數字接口的多路線性高壓恒流驅動IC 作為高壓燈珠的驅動電源，采用低功耗藍牙4.0BLE 模塊實現LED 燈的智能控制和通信功能。

1 智能LED 燈的總體方案

智能LED 燈通過硬件和軟件的設計，實現的功能包括:1)色彩調節。1 600 萬種顏色可自由選擇，可根據用戶需求生成所需要的顏色;2)亮度調節。調光的數量介于全滅(0)及全亮(255)數值之間，即具有256級亮度調節;3)色溫調節。輸出單路黃光LED 控制，根據需要的應用場景調整黃光亮度控制色溫，提供冷白和暖白雙色照明;4)提供智能手機支持的APP 軟件，實現藍牙無線控制LED 燈;5)可選擇手機APP 中預置的不同情景模式，滿足不同場景的照明色彩需要;6)總功率不超過9 W 的球泡燈，可用手機藍牙無線連接和控制。

根據上述的功能需求，設計的系統如圖1 所示，主要包括以下幾個功能單元:電源管理，提供系統所需要的不同大小和類型的電源;藍牙4.0BLE 控制模塊，實現和智能手機之間的無線通信，還要和高壓線性恒流驅動IC 通過IIC 協議進行通信，完成各種控制功能;高壓線性恒流驅動模塊，接收藍牙4.0BLE 的命令，通過PWM 方式輸出恒流，并通過輸出電流的大小，實現對高壓RGB LED 燈珠組合的色彩變化控制。

圖1 系統總體方案

2 智能LED 燈的硬件設計

2.1 電源設計

系統需要兩種電源，分別是給藍牙4.0BLE 模塊供電的3.3 V 電源和給高壓燈珠提供的直流220 V 左右電源。交流220 V 供電輸入，經過全波整流、濾波之后成為直流電壓。理想情況下，該電壓平均值是198 V 左右，需要經過降壓AC/DC 芯片降壓到直流3.3 V 輸出，給藍牙4.0BLE 供電。藍牙4.0BLE模塊回路最大工作電流不超過10 mA，在設計時，考慮到降額70%設計，LDO 降壓芯片最大輸出的電流在15 mA 左右。

選擇小功率開關電源的恒壓功率開關芯片SM7205 作為降壓AC/DC，在全電壓90 Vac～264 Vac范圍內，輸出電壓3.3 V，其最大輸出電流高達1.2 A。在不同負載下，在恒壓精度范圍內滿足藍牙4.0BLE對供電電源的要求。為了保證電源輸出精度，電阻R1和R2選擇精度為1%的貼片電阻。為了增強EMC 性能，在220 V 交流輸入回路中需防雷、防浪涌保護電路(見圖2)。

2.2 線性高壓恒流驅動設計

遵循成本和性能適合原則，LED 驅動電源選用的是線性高壓恒流芯片SM2135。該芯片具備5 個獨立輸出端口，內部還集成了IIC 協議輸入端口，可接收MCU 輸出信號控制每個端口輸出電流大小。芯片內部采用PWM 控制恒流方式驅動多芯封裝HVLED 燈珠，高壓燈珠具有高電壓和小電流的特點，可以解決低壓LED 光源工作時發燙問題。設計的電路如圖3所示。

SM2135 最多支持5 路恒流輸出，每路都可以單獨控制。其中，芯片輸出的OUT1/OUT2/OUT3 引腳用于控制RGB 三基色，每通道最大輸出電流是45 mA。OUT4/OUT5 用于控制冷白和暖白雙色，每通道最大輸出電流是60 mA。因為紅光LED 燈珠壓降為2 V，綠/藍光LED 燈珠壓降為3 V，LED1 至LED2 為紅光LED 燈珠，和LED 燈珠串接的穩壓管是為了滿足直流高壓的壓降要求。其中，DZ1-DZ4，DZ7，DZ10 穩壓管穩壓值為47 V，DZ5，DZ6 和DZ8，DZ9 穩壓值為51 V。冷白、暖白采用高壓9 V 燈珠，以30 串1 并的方式組成。

圖2 電源原理圖設計

圖3 線性高壓恒流驅動原理圖

2.3 無線藍牙模塊設計

藍牙4.0BLE 模塊是整個系統的控制和通信核心單元。BK3434 是一款遵循藍牙4.0 協議的藍牙模塊，該模塊集成的藍牙芯片內置了8051 單片機，具有16 kB Flashrom 和2 kB SRAM，還嵌入了藍牙4.0協議。工作電流不超過10 mA，無線傳輸距離最大20 m，靈敏度-89 dBm。內置的8051 單片機作為系統的主CPU，通過IIC 接口，完成和高壓芯片SM2135 數字接口的通信。在和智能手機通信時，內置的藍牙模塊作為從機，最大可以同時連接8 個智能LED 燈。具體的藍牙模塊外圍電路設計可參考圖3。

3 智能LED 燈的驅動設計

實現和智能手機之間的藍牙通信協議，主要包括三大部分:內置MCU 和SM2135 通信接口軟件的實現、藍牙協議的構建、藍牙通信軟件設計。

3.1 智能調光的實現

藍牙模塊內置的MCU 通過IIC 接口發送調光信號對高壓芯片SM2135 恒流輸出控制。其中，CLK 端口接收時鐘信號，DATA 端口接收數據。兩者遵循的協議(見圖4、圖5)規則如下。

1)當CLK 為高電平，DATA 由高變低表示開始傳輸;當CLK 為高電平，DATA 由低變高表示結束傳輸。

2)傳輸數據時，采用串行傳輸，每8 位為1 組數據，當CLK 由低變高時(時鐘上升沿)，數據寫入。每完成8 位數據傳輸，即8 個時鐘后，在第9 個時鐘，芯片內部產生應答信號ACK 將DATA 管腳拉低。

3)每次數據傳輸時，第一組8 位信號為地址數據，即選擇RGB、冷白、暖白通道數據寫入;第2 組8位數據為開關電流數據，控制每個通道的最大電流;第3 組到第7 組8 位數據分別控制RGB、冷白、暖白的256 級灰度變化。

圖4 藍牙模塊和SM2135 通信協議

圖5 智能手機藍牙通信流程圖

3.2 智能手機藍牙通信協議

智能LED 燈作為從機，在初始化的時候，對外廣播，并響應主機的掃描請求，匹配UUID 后建立連接成為從機，接收主機服務和特性，并返還主機發送過來的命令數據，內置的MCU 定時掃描存儲器，根據存儲器中命令的要求執行LED 燈的開關、調光、調色和情景模式的控制。

在低功耗藍牙中，數據的傳輸是通過特征值的讀寫來實現的。在這里重點介紹兩個函數:(1)bStatus_t GAPRole_SetParameter(uint16 param，uint8 len，void* pValue)，主要用來配置從機的參數。(2)static void simpleProfileChangeCB(uint8 paramID)是特征值改變時的回調函數。當主機給從機發送數據時，從機便回調這個函數來告知應用層有數據送達。

4 小 結

文章利用線性高壓恒流驅動芯片SM2135 和藍牙4.0BLE 模塊實現了一種小功率智能LED 燈。該應用方案電路簡潔，沒有磁性器件，不需要電解電容，而且效率高，PF 值高，THD 低，發熱小。整燈系統可以采用塑包鋁或全塑料散熱器，輕松解決隔離的難題。該方案不僅能應用于小功率球泡燈，也可廣泛應用于白熾燈、日光燈、吸頂燈、平板燈等項目。

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