关键词:LED 驱动器;自调光;MP2481;BH1710

      随着近年来石油、煤炭、天然气等不可再生资源的日渐枯竭和人类对能源需求的日益增加,节能减排引起了人们的高度重视。LED 作为一种新型照明光源技术已经备受关注,各国也开始出台相关政策限制白炽灯,日光灯的生产销售,转而扶持LED[1] 。LED光源具有很高的效能,消耗能量较同光效的白炽灯减少80%,又不含汞和玻璃,被公认为绿色节能先锋。此外,LED 的发光亮度主要受正向电流影响,利用这一特性,实现对LED 的调光,不仅可以调整灯光视觉效果,还能进一步降低能耗20% ~50%。在学校教室、体育场馆、路灯等照明场所,由于昼光影响,过亮的照明会造成电能浪费,而有时过暗的照明又会引起视觉疲劳,影响人们正常的学习和工作,甚至引发安全事故[2] 。由此可见,准确的照度测量,适当的照明亮度在生产生活中也非常重要[3] 。本文设计的自调光LED 驱动器,可以测量照度数据后,根据算法调节LED 发光亮度,在提供给人们一个舒适的视觉环境的同时,有效的降低了电力能源消耗。
1   驱动器硬件设计
1. 1   驱动器组成框图
      整个LED 驱动器的组成框图如图1 所示(为了使图示清晰明了,图1 中只列出了重要的信号线)。BH1710 为新型数字光强传感器,采集到环境光强
信息后通过I2C 通信协议发送给AT89C2051 为主要器件的控制中心,控制中心接收到数据进行处理,然后依据数据改变MP2481 的DIM 脚的PWM 输入信号的占空比,进而达到自动调光的目的。
1. 2  控制中心电路
      控制中心的电路设计如图2 所示。AT89C2051单片机的P32 引脚与P33 引脚模拟I2C 通信所需的SCL 与SDA 信号线,和BH1710 传感器进行数据通信,来获取自调光所需要的光照强度数据。由于BH1710 的工作电压为2. 4 V ~ 3. 6 V,所以为了能和工作电压为5 V 的单片机正常通信,需要将SDA和SCL 信号线接5. 1 k赘的上拉电阻,接至5 V 电源上。P37 引脚用于向MP2481 芯片的DIM 脚输出PWM 方波信号。MP2481 芯片的DIM 引脚所需的不同占空比PWM 信号可由单片机内部的16 bit 定时器进行精确控制产生。
     单片机的第4 引脚与第5 引脚接外界石英晶体振荡器。AT89C2051 在Vcc=2. 7 V ~6 V 时可支持0 ~12 MHz的晶振, 在Vcc = 4 V ~ 6 V 时可支持0 ~24 MHz的晶振。晶振两端的两个负载电容选取容值为(30依10)pF 的电容较为合适。
1. 3  BH1710 典型应用电路
      光传感器BH1710FVC 的典型应用电路如图3所示。应用AMS1117 3. 3 V 稳压芯片将5 V 电压稳压至3. 3 V 为BH1710 提供工作电压。ADDR 接至GND,DVI 经1 滋F 电容接GND,SCL 与SDA 经过1 k赘的限流电阻接AT89C2051 单片机的P32 与P33 脚。BH1710 传感器内置16 bit AD 转换器,直接输出数字量值,支持I2C 通信协议,应用电路无需更多外围器件,较为简单易用。
1. 4 MP2481 驱动电路
       MP2481 是一款支持4.5 V ~36 V 宽电压的白光LED 驱动芯片,最大可输出1. 2 A 的电流,具有1. 4MHz 的固定频率,支持模拟调光和PWM 两种调光方式[4] 。此外,它还具有过压保护、开路保护、热停机保以及峰值电流限制功能。它的典型应用电路如图4 所示。一般输入电容C1 取4. 7 滋F,Cbs 一般取10nF。D1 为一个肖特基二极管。滤波电容C2 取2. 2滋F。R1 与R2 以及Rs、L1 的参数则需要我们应用芯片手册提供的公式及信息,根据实际电路设计的参数进行计算得出具体值。例如我们要驱动3 W 的(4V/680 mA)LED 灯珠,共六串两并,即需要设计输出25 V 电压,1.2 A 的LED 驱动器,则根据所选图4 所示电路结构及式(1) ~式(4)计算器件参数如下:L = -Vout 伊Vin(Vin -Vout) 伊驻IL 伊fsw(1)其中:L 为要计算的电感量(滋H);Vout 为MP2481 输出电压( V);Vin 为MP2481 输入电压V;驻IL 为电感的纹波电流( A);fsw 为MP2481 的工作频率( Hz)。将Vin =5 V,Vout =25 V,驻IL =0. 24 A,fsw =1. 4 MHz代入式(1),可以得到L1 的取值为18. 6 滋H。芯片手册的建议取值范围为3. 3 滋H 至22 滋H。Rs =0. 2VILED(2)
其中:Rs 为电流取样电阻(赘);ILED为流过LED 负载的电流(A)。
     在计算Rs 的时候,我们要以电流达到峰值的情况来计算,而不是以正常工作的LED 电流来计算。峰值电流按式(3)来计算:IL(MAX) = ILOAD +驻IL / 2 (3)其中:IL(MAX) 为要计算的峰值电流;ILOAD 为正常工作时的负载电流; 驻IL 为电感纹波电流。将ILOAD =680 mA,驻IL = 240 mA 代入式(3), 得到IL(MAX) =0. 8 A,再将此值代入式(2) 可以得到取样电阻的值Rs =0. 25 赘。
        1. 23 V =Vo伊1. 3伊( R2R1 +R2) (4)其中:Vo 为驱动器正常输出电压(V);R1,R2 为分压电阻(赘)。
      电阻R1 与R2 组成的分压电路,将R2 的分压接到 芯片第OVP 引脚上。R1 和R2 的取值决定了过压保护点。一般过压保护点设置为正常输出的1. 3 倍~1. 5倍。我们设计的电路正常输出为25 V,取1. 3 倍即32郾5 V 为过压保护点。芯片的OVP 引脚电压超过1郾23 V 时会触发芯片进行过压保护。因此,我们可以根据式(4)得到R1 和R2 的取值。将Vo =25 V 代入上面公式,可以得到R2 / (R1+R2)= 0. 037 84,我们将R2 取值10 k赘,则得到R1 的值约为254 k赘。

2    驱动器软件设计
      由于BH1710 光强传感器内置16 bit AD,直接输出数字信号,并且支持I2C 通信协议,这使得驱动器的单片机程序设计变得十分容易。只需要AT89C2051 单片机的P32 与P33 引脚模拟I2C 通信中SCL 与SDA 的时序,从传感器中读取其输出的数字信号即可。然后对数字信号进行处理,判断,然后通过一定的算法来修改单片机定时器的中断频率,从而改变P37 引脚的PWM 信号的占空比,使LED 驱动器实现自动调光[4] 。驱动器软件流程图如图5 所示。
2. 1      BH1710 传感器的数据读取
       BH1710 为数字型传感器,器件设计有高、中、低3 种精度模式,其中高精度模式下分辨率可达1 lx,中精度模式分辨率为4 lx,低精度模式分辨率
为16 lx。可根据不同的应用场合通过向传感器发送指令码的方式进行模式选择。器件还支持连续和单次两种读取模式。单次读取时,每读完一次数据后传感器进入睡眠模式,直到接收到下一次读取命令才被唤醒,这样可降低器件功耗。传感器的I2C通信格式定义如表1、表2 所示。
     读取的精度越高,所需的测量时间越长。高精度模式测量间隔需大于120 ms,中精度模式测量间隔需大于16 ms,低精度模式测量间隔需大于2.9 ms。

2. 2     BH1710 传感器的数据处理
      通过I2C 协议连续读取两个字节,共16 bit 数据。测量范围为1 lx ~655 35 lx。将读取的数据根据式(5)转换为十进制数据后除以1. 2 则得到比较精确的光强值。
     光强值抑[215 伊bit(15) +214 伊bit(14) +…+20 伊bit(0)] /1. 2 (5)其中:bit(x)—第x 位二进制位;2x—第x 二进制位的十进制值。
3    实际应用
      通常,晴天室内的照度为100 lx ~1 000 lx,阴天室内的照度为10 lx ~50 lx。人视觉较为舒适的室内桌面照度约为300 lx ~500 lx。我们设定室内照度值为380 lx,室内照度超过380 lx 时,无需灯管补尝,使PWM 信号占空比为0%;当室内照度低于30 lx 时,使PWM 信号占空比为100%。调节定时器的TH 与TL的初值,使这个照度范围内占空比近线性渐变[5-6] 。则占空比与室内照度有如下关系,如式(6):P(x)= [ - x350+1. 086] 伊100% (6)其中:P(x)为PWM 信号占空比;x 为实际读取的光照强度。程序限定占空比大于1 时取100% ,小于0时取0% 。此函数的理论图形如图6 所示。实际应用中,为克服传感器读数小范围频繁波动产生的抖动问题,将采取分段调节的方法[7-9] ,其输出关系如图6 所示(其中:P(lx) 是光强和占空比的理论计算图形,y(lx)是光强和占空比的实际输出图形)。
      图7 为光照强度为135 lx 时,用示波器观察到的单片机P37 引脚的输出情况。
4      结论
       节能减排是国家大力倡导的,舒适的照明环境是人们所追求的。由图6 和图7 可以看出,本文设计的基于MP2481 和BH1710 的自调光LED 驱动器,(1)能够实现自调光功能;(2)可以提供一个舒适的照度环境;(3)能够有效的节能省电。