詳解基于線性高壓恒流驅(qū)動(dòng)的智能LED燈設(shè)計(jì)

 智能照明是指利用計(jì)算機(jī)、無線通信數(shù)據(jù)傳輸、擴(kuò)頻電力載波通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)智能化信息處理及節(jié)能型電器控制等技術(shù)組成的分布式無線遙測(cè)、遙控、遙訊控制系統(tǒng)，來實(shí)現(xiàn)對(duì)照明設(shè)備的智能化控制。智能化是LED 照明燈具未來的發(fā)展方向。智能LED 燈具有燈光亮度的強(qiáng)弱調(diào)節(jié)、色溫控制、燈光軟啟動(dòng)、定時(shí)控制、場(chǎng)景設(shè)置等功能。

雖然智能LED燈有許多優(yōu)點(diǎn)，但還存在方案復(fù)雜、壽命短、成本高的一些問題。正是基于對(duì)以上問題的思考，本產(chǎn)品的方案，選擇了集成度高、具有數(shù)字接口的多路線性高壓恒流驅(qū)動(dòng)IC 作為高壓燈珠的驅(qū)動(dòng)電源，采用低功耗藍(lán)牙4.0BLE 模塊實(shí)現(xiàn)LED 燈的智能控制和通信功能。

一、智能LED 燈的總體方案

智能LED 燈通過硬件和軟件的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)的功能包括： 1) 色彩調(diào)節(jié)。1 600 萬種顏色可自由選擇，可根據(jù)用戶需求生成所需要的顏色;2) 亮度調(diào)節(jié)。調(diào)光的數(shù)量介于全滅( 0) 及全亮( 255) 數(shù)值之間，即具有256級(jí)亮度調(diào)節(jié);3) 色溫調(diào)節(jié)。輸出單路黃光LED 控制，根據(jù)需要的應(yīng)用場(chǎng)景調(diào)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(jī)支持的APP 軟件，實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙無線控制LED 燈;5) 可選擇手機(jī)APP 中預(yù)置的不同情景模式，滿足不同場(chǎng)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(jī)藍(lán)牙無線連接和控制。

根據(jù)上述的功能需求，設(shè)計(jì)的系統(tǒng)如圖1 所示，主要包括以下幾個(gè)功能單元： 電源管理，提供系統(tǒng)所需要的不同大小和類型的電源; 藍(lán)牙4.0BLE 控制模塊，實(shí)現(xiàn)和智能手機(jī)之間的無線通信，還要和高壓線性恒流驅(qū)動(dòng)IC 通過IIC 協(xié)議進(jìn)行通信，完成各種控制功能; 高壓線性恒流驅(qū)動(dòng)模塊，接收藍(lán)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(shí)現(xiàn)對(duì)高壓RGB LED 燈珠組合的色彩變化控制。

二、智能LED燈的硬件設(shè)計(jì)

2.1 電源設(shè)計(jì)

系統(tǒng)需要兩種電源，分別是給藍(lán)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(jīng)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(jīng)過降壓AC /DC 芯片降壓到直流3.3 V 輸出，給藍(lán)牙4.0BLE 供電。藍(lán)牙4.0BLE模塊回路最大工作電流不超過10 mA，在設(shè)計(jì)時(shí)，考慮到降額70%設(shè)計(jì)，LDO 降壓芯片最大輸出的電流在15 mA 左右。

選擇小功率開關(guān)電源的恒壓功率開關(guān)芯片SM7205 作為降壓AC /DC，在全電壓90 Vac ～ 264 Vac范圍內(nèi)，輸出電壓3.3 V，其最大輸出電流高達(dá)1.2 A。在不同負(fù)載下，在恒壓精度范圍內(nèi)滿足藍(lán)牙4.0BLE對(duì)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(qiáng)EMC 性能，在220 V 交流輸入回路中需防雷、防浪涌保護(hù)電路( 見圖2) 。

2.2 線性高壓恒流驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

遵循成本和性能適合原則，LED 驅(qū)動(dòng)電源選用的是線性高壓恒流芯片SM2135。該芯片具備5 個(gè)獨(dú)立輸出端口，內(nèi)部還集成了IIC 協(xié)議輸入端口，可接收MCU 輸出信號(hào)控制每個(gè)端口輸出電流大小。芯片內(nèi)部采用PWM 控制恒流方式驅(qū)動(dòng)多芯封裝HVLED 燈珠，高壓燈珠具有高電壓和小電流的特點(diǎn)，可以解決低壓LED 光源工作時(shí)發(fā)燙問題。設(shè)計(jì)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(dú)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?yàn)榧t光LED 燈珠壓降為2 V，綠/藍(lán)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(wěn)壓管是為了滿足直流高壓的壓降要求。其中，DZ1-DZ4，DZ7，DZ10 穩(wěn)壓管穩(wěn)壓值為47 V，DZ5，DZ6 和DZ8，DZ9 穩(wěn)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。

2.3 無線藍(lán)牙模塊設(shè)計(jì)

藍(lán)牙4.0BLE 模塊是整個(gè)系統(tǒng)的控制和通信核心單元。BK3434 是一款遵循藍(lán)牙4.0 協(xié)議的藍(lán)牙模塊，該模塊集成的藍(lán)牙芯片內(nèi)置了8051 單片機(jī)，具有16 kB Flashrom 和2 kB SRAM，還嵌入了藍(lán)牙4.0協(xié)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(nèi)置的8051 單片機(jī)作為系統(tǒng)的主CPU，通過IIC 接口，完成和高壓芯片SM2135 數(shù)字接口的通信。在和智能手機(jī)通信時(shí)，內(nèi)置的藍(lán)牙模塊作為從機(jī)，最大可以同時(shí)連接8 個(gè)智能LED 燈。具體的藍(lán)牙模塊外圍電路設(shè)計(jì)可參考圖3。

三、智能LED 燈的驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

實(shí)現(xiàn)和智能手機(jī)之間的藍(lán)牙通信協(xié)議，主要包括三大部分： 內(nèi)置MCU 和SM2135 通信接口軟件的實(shí)現(xiàn)、藍(lán)牙協(xié)議的構(gòu)建、藍(lán)牙通信軟件設(shè)計(jì)。

3.1 智能調(diào)光的實(shí)現(xiàn)

藍(lán)牙模塊內(nèi)置的MCU 通過IIC 接口發(fā)送調(diào)光信號(hào)對(duì)高壓芯片SM2135 恒流輸出控制。其中，CLK 端口接收時(shí)鐘信號(hào)，DATA 端口接收數(shù)據(jù)。兩者遵循的協(xié)議( 見圖4、圖5) 規(guī)則如下。

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

2) 傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，采用串行傳輸，每8 位為1 組數(shù)據(jù)，當(dāng)CLK 由低變高時(shí)(時(shí)鐘上升沿) ，數(shù)據(jù)寫入。每完成8 位數(shù)據(jù)傳輸，即8 個(gè)時(shí)鐘后，在第9 個(gè)時(shí)鐘，芯片內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)答信號(hào)ACK 將DATA 管腳拉低。

3) 每次數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，第一組8 位信號(hào)為地址數(shù)據(jù)，即選擇RGB、冷白、暖白通道數(shù)據(jù)寫入; 第2 組8位數(shù)據(jù)為開關(guān)電流數(shù)據(jù)，控制每個(gè)通道的最大電流;第3 組到第7 組8 位數(shù)據(jù)分別控制RGB、冷白、暖白的256 級(jí)灰度變化。

3.2 智能手機(jī)藍(lán)牙通信協(xié)議

智能LED 燈作為從機(jī)，在初始化的時(shí)候，對(duì)外廣播，并響應(yīng)主機(jī)的掃描請(qǐng)求，匹配UUID 后建立連接成為從機(jī)，接收主機(jī)服務(wù)和特性，并返還主機(jī)發(fā)送過來的命令數(shù)據(jù)，內(nèi)置的MCU 定時(shí)掃描存儲(chǔ)器，根據(jù)存儲(chǔ)器中命令的要求執(zhí)行LED 燈的開關(guān)、調(diào)光、調(diào)色和情景模式的控制。

在低功耗藍(lán)牙中，數(shù)據(jù)的傳輸是通過特征值的讀寫來實(shí)現(xiàn)的。在這里重點(diǎn)介紹兩個(gè)函數(shù)： ( 1) bStatus_t GAP Role_SetParameter(uint16 param，uint8 len，void* pValue ) ，主要用來配置從機(jī)的參數(shù)。( 2 ) staticvoid simpleProfileChangeCB( uint8 paramID) 是特征值改變時(shí)的回調(diào)函數(shù)。當(dāng)主機(jī)給從機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，從機(jī)便回調(diào)這個(gè)函數(shù)來告知應(yīng)用層有數(shù)據(jù)送達(dá)。

四、小結(jié)

文章利用線性高壓恒流驅(qū)動(dòng)芯片SM2135 和藍(lán)牙4.0BLE 模塊實(shí)現(xiàn)了一種小功率智能LED 燈。該應(yīng)用方案電路簡(jiǎn)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(fā)熱小。整燈系統(tǒng)可以采用塑包鋁或全塑料散熱器，輕松解決隔離的難題。方案不僅能應(yīng)用于小功率球泡燈，也可廣泛應(yīng)用于白熾燈、日光燈、吸頂燈、平板燈等項(xiàng)目。