動態(tài)激光調(diào)節(jié)下的數(shù)字式LED驅(qū)動電源設(shè)計

劉夢亭　李俊勇　趙麗紅

摘 要： 普通照明用的LED驅(qū)動電源無法智能調(diào)節(jié)亮度。借助單片機STC90C58RD+，以PWM控制器作為控制對象，將模擬組件和數(shù)字組件優(yōu)化組合，結(jié)合光傳感模塊、熱釋電紅外人體感應(yīng)模塊以及無線遙控模塊，設(shè)計動態(tài)激光調(diào)節(jié)的LED數(shù)字驅(qū)動電源，實現(xiàn)對LED燈組智能化亮度調(diào)節(jié)控制。仿真實驗證明，采用該動態(tài)激光調(diào)節(jié)方式可實現(xiàn)智能調(diào)節(jié)亮度。

關(guān)鍵詞： 動態(tài)調(diào)節(jié)； LED驅(qū)動電源； PWM； 光傳感； 人體感應(yīng)

中圖分類號： TN86?34； TP399 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）20?0184?03

Abstract： LED drive power supply for general lighting is not intelligent enough to adjust brightness. With the PWM controller as the control object， the microcontroller STC90C58RD+ is used for optimization combination of simulation components and digital components. The digital LED drive power supply regulated by dynamic laser was designed in combination with light sensing module， pyroelectric infrared human body induction module， and the wireless remote control module to realize intelligent brightness adjustment and control of LED light groups. The simulation experiments show that the dynamic laser regulation mode can realize intelligent brightness adjustment.

Keywords： dynamic regulation； LED drive power supply； PWM； light sensing； human body induction

0 引 言

LED光源作為一種新型的固體光源正在逐漸替代傳統(tǒng)光源成為主要的照明方式，半導(dǎo)體照明技術(shù)是一種低碳環(huán)保的高科技技術(shù)，LED光源具有節(jié)能、環(huán)保、壽命長、易控制和效率高等顯著優(yōu)點。LED光源現(xiàn)在已經(jīng)全面的應(yīng)用于室內(nèi)照明、家居照明、汽車照明、路政照明、電子產(chǎn)品等生活的方方面面，而LED驅(qū)動電源的智能化控制是另一個新的方向，基于外部動態(tài)激光的亮度而智能化調(diào)整控制LED光源的照射亮度與照射時間，并且通過無線模塊與智能手機連接，通過手機中的APP軟件或者遙控器遠(yuǎn)程控制LED光源的亮度與時間，從而最大程度地降低LED光源的能耗，以及讓LED照明更加具有智能性與可控制性[1]。

本研究就是基于這種智能化LED照明技術(shù)而設(shè)計的一種動態(tài)激光調(diào)節(jié)下的數(shù)字式LED驅(qū)動電源，以STC90C58RD+單片機為控制核心，采用光傳感技術(shù)、PWM調(diào)光技術(shù)、無線通信技術(shù)，實現(xiàn)了LED光源的無色偏、無閃爍、高精度的亮度控制，設(shè)計實現(xiàn)了高效率、低損耗的LED恒流驅(qū)動電源[2]。

1 系統(tǒng)設(shè)計原理

LED光源的優(yōu)勢是功耗低和壽命長，劣勢是其成本較高，占據(jù)了整個燈具成本的25%～40%，阻礙其大范圍的使用。要解決LED成本問題，可在產(chǎn)品規(guī)格允許范圍內(nèi)在最高的直流電流下驅(qū)動LED，這樣可提高LED亮度/成本比率。此方案需要更高的電流驅(qū)動器，將常規(guī)的低電流（<500 mA）驅(qū)動LED，提高至700 mA～4 A驅(qū)動LED，將DC?DC降壓穩(wěn)壓器轉(zhuǎn)換為智能數(shù)式LED驅(qū)動器[3?4]。

1.1 動態(tài)激光調(diào)節(jié)LED智能控制設(shè)計方案

根據(jù)動態(tài)激光調(diào)節(jié)LED智能控制系統(tǒng)的原理和需求，對LED照明燈組的智能控制系統(tǒng)方案進(jìn)行設(shè)計。此方案以單片機STC90C58RD+為平臺進(jìn)行開發(fā)，主要實現(xiàn)了人體紅外信號感應(yīng)智能燈激光控制，動態(tài)激光自適應(yīng)環(huán)境亮度調(diào)節(jié)功能，數(shù)字式LED驅(qū)動電源優(yōu)化設(shè)計等。其系統(tǒng)的主要組成模塊有： STC90C58RD+單片機主控制模塊、紅外人體感應(yīng)模塊、光傳感器模塊、無線遙控通信模塊、數(shù)字式LED恒流驅(qū)動模塊、LED燈組。

1.2 降壓穩(wěn)壓器電路設(shè)計

本設(shè)計方案中變壓器的設(shè)計指標(biāo)為：交流輸入電壓[Uin為180～270 V]，輸出電壓[Uout為30～60 V]，輸出電流[Iout為700 mA～4 A]，開關(guān)頻率[fs為93.6 kHz]，最大占空比[Dmax≤0.45]。變壓器輸出功率為[P=12LpI2pkfs]。其中：[Ipk]為原邊繞組峰值電流；[Lp]為原邊繞組電感。在使用變壓器將220 V的電壓降到合適值后再通過整流電路，將正弦波變?yōu)檩^為穩(wěn)定的直流電壓，再通過濾波及穩(wěn)壓電路，將整流過后的電壓進(jìn)行濾波穩(wěn)壓，最終得到滿足要求的直流電源。

1.3 數(shù)字式LED驅(qū)動電源設(shè)計

由于單個LED燈珠具有較小的功率，因此其亮度較低，一般將數(shù)十個甚至上百個單個的LED燈珠借助串并聯(lián)或單純串聯(lián)、并聯(lián)的方式進(jìn)行組合，以滿足普通照明的要求。綜合分析考慮，本文采用的LED驅(qū)動電源類型為恒流式，運用反激式變換器，隔離輸出與輸入，起到保護(hù)作用，以得到較高的拓?fù)湫剩瑫r使得成本較低[5]。基于單片機STC90C58RD+輸出PWM信號，以達(dá)到控制開關(guān)管的導(dǎo)通與截止的目的，實現(xiàn)直接控制輸出電流，最終完成智能調(diào)節(jié)LED的亮度，而不是簡單的控制輸出電流實現(xiàn)調(diào)光，因此，可避免反復(fù)開關(guān)的瞬間沖擊LED，從而延長LED的壽命。endprint

1.4 基于iW3610的LED亮度調(diào)節(jié)電路

基于iW3610芯片設(shè)計LED的動態(tài)亮度調(diào)節(jié)電路，其輸出功率最高可達(dá)45 W。iW3610芯片以數(shù)字控制原理為依據(jù)，對斬波電路進(jìn)行集成形成的芯片，采用iW3610可以在LED亮度調(diào)節(jié)過程中在調(diào)光器中插入動態(tài)阻抗提高亮度調(diào)節(jié)功率因數(shù)，同時還能對相位和調(diào)光器類型進(jìn)行有效識別，iW3610的模式開關(guān)可在無調(diào)光器時將LED亮度調(diào)節(jié)效率提高到85%，利用側(cè)反饋恒流控制技術(shù)對在±5%容差范圍內(nèi)對LED電流進(jìn)行調(diào)節(jié)[6]。

1.5 光傳感器模塊電路設(shè)計

光傳感器采用光敏二極管，光敏二極管是一種能夠?qū)⒐飧鶕?jù)使用方式，轉(zhuǎn)換成電流或者電壓信號的光探測器。管芯常使用一個具有光敏特征的PN結(jié)，對光的變化非常敏感，具有單向?qū)щ娦裕夜鈴姴煌臅r候會改變電學(xué)特性[7]。因此，可以利用光照強弱來改變電路中的電流。如圖1所示是光傳感器電路的信號放大電路，放大光敏二極管VD的差動信號，Vo為輸出信號，送入A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行數(shù)字化處理。

1.6 人體檢測感應(yīng)模塊電路設(shè)計

自然界中的任何物體均可以發(fā)射不同波長的紅外線。例如，人體正常體溫約為37 ℃，其發(fā)射的波長范圍在遠(yuǎn)紅外區(qū)，為9～10[μm]；對于400～700 ℃的高溫物體，所發(fā)射的波長一般在3～5[μm]中紅外區(qū)。而熱釋電紅外傳感器可以連續(xù)不停地檢測不同光線[8]。LH1778由高阻電阻、敏感元件、場效應(yīng)管等組成，是一種雙元探測器。

2 仿真實驗結(jié)果分析

系統(tǒng)在設(shè)計完成之后，需要通過實驗調(diào)試驗證其是否達(dá)到設(shè)計要求，測試的內(nèi)容包括：測試數(shù)字式LED恒流驅(qū)動電源工作是否正常；測試輸出電流與PWM占空比的關(guān)系，在不同光照情況下，系統(tǒng)能否自動調(diào)節(jié)LED電源的亮度。通過調(diào)節(jié)輸入的PWM脈沖信號占空比來調(diào)制LED驅(qū)動芯片對功率場效應(yīng)管MOSFET的柵極控制信號，以達(dá)到控制LED電流大小的目的，實現(xiàn)LED的亮度調(diào)節(jié)。圖2所示為在輸入交流電壓60 V時的功率場效應(yīng)管的柵極電壓波形。

調(diào)節(jié)PWM信號占空比，可實現(xiàn)對LED進(jìn)行調(diào)光的功能，當(dāng)PWM信號占空比增大時，輸出的直流電壓增大，加載在LED上的電流增大；當(dāng)PWM信號占空比減小時，輸出的直流電壓減小，加載在LED上的電流減小。不同占空比與輸出電流的定量關(guān)系測試結(jié)果如表1所示。

然后將系統(tǒng)設(shè)置在動態(tài)激光感應(yīng)LED自動亮度調(diào)節(jié)模式下，測試在不同的光照強度下，數(shù)字式LED驅(qū)動電源的輸出電流，如表2所示。

在動態(tài)激光感應(yīng)LED自動亮度調(diào)節(jié)模式下，隨著光照強度的增加，驅(qū)動電源的輸出電流減小，經(jīng)反復(fù)測試和調(diào)試，系統(tǒng)能有效檢測人體信號，在區(qū)域有人的情況下LED燈組自動開啟，無人的情況下自動關(guān)閉LED燈組，并能根據(jù)時間段以及外部光照的不同強度自動調(diào)節(jié)LED驅(qū)動電源的輸出電流，基本實現(xiàn)動態(tài)調(diào)光的設(shè)計要求。

3 結(jié) 語

本方案在對LED光源以及其數(shù)字式驅(qū)動電源研究的基礎(chǔ)上，針對動態(tài)激光條件下的智能LED亮度調(diào)節(jié)需求，設(shè)計實現(xiàn)了一款高效全數(shù)字式LED恒流驅(qū)動電源，可有效地提高作為負(fù)載的LED燈組的使用壽命。并以單片機STC90C58RD+為控制核心，采用PWM脈沖寬度調(diào)節(jié)LED亮度，結(jié)合光傳感模塊、熱釋電紅外人體感應(yīng)模塊以及無線遙控模塊，設(shè)計了智能化的LED亮度調(diào)節(jié)系統(tǒng)，實現(xiàn)了節(jié)能環(huán)保的理念。

參考文獻(xiàn)

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