HV LED燈無線控制系統

徐 晟，劉廷章，陳一凡

(上海大學機電工程與自動化學院，上海 200072)

HVLED燈無線控制系統

徐 晟，劉廷章，陳一凡

(上海大學機電工程與自動化學院，上海 200072)

針對HV LED設計了一套無線燈控系統。分析了HV LED燈的優勢，驅動電路恒流的實現原理和PWM調光原理，以及說明了ZigBee無線串口透傳的設計方案。實驗結果表明設計的驅動電源的具有良好的恒流特性和輸出一致性，且可以通過無線控制實現在寬范圍平滑連續的PWM調光。

HV LED；恒流；PWM調光；ZigBee

引言

高壓LED也稱HV LED，狹義上的高壓LED是把一個芯片的外延層分割成數個芯粒單元[1]，并把它們串聯起來，構成高電壓LED芯片。它具有體積更小，性能更穩定，散熱更好，封裝成本更低等優勢[2]。

HV LED直接在芯片級就實現了微晶粒的串并聯，使其在低電流高電壓下工作，將簡化芯片固晶、鍵合數量，封裝成本降低。HV芯片是在單位面積內形成多顆微晶粒集成，避免了芯片間BIN內波長、電壓、亮度、跨度等帶來的一致性問題[3]。

與傳統DC LED功率芯片相比，此類高壓LED 芯片具有高電壓、小電流的特點。一顆傳統的1W DC LED芯片采用350 mA驅動，電壓為3.4 V左右，試定電壓為220 V，需要使用60～70顆LED芯片，而電流達到350 mA左右，在這種室溫條件下需要使用電壓轉接器，降低電流量。而一顆HVLED芯片電流為20 mA，電壓為50 V，在試定電壓220 V，4～5顆芯片，電流在100 mA以下，可以省掉變壓器，節約成本，提高芯片的一致性。由此可以看出，同樣輸出功率的高壓LED在工作時耗散的功率要遠低于低壓LED，這也意味著散熱鋁外殼的成本可大大降低。按照目前的產品來說，高壓芯片的制造成本比低壓成本少10%～30%。近年來，LED照明燈具的設計更傾向于簡便化和輕薄化，而高壓芯片以其靈活性、多樣性及其低成本性等優勢為市場所看好[4-5]。

本文針對高壓LED高電壓的特性，設計了一款直流輸出驅動電路。并且基于該驅動電路設計了一整套無線調光控制系統。實驗表明該驅動電路可以實現良好的恒流特性以及大范圍連續平穩無閃爍的調光，并且整套控制系統能夠實現穩定的無線遠程控制。

1 HV LED控制系統的設計

設計的總體方案如圖1所示，分為高壓LED燈板，恒流源，無線控制電路，電源轉換電路這四部分的設計，電源為40 V直流電。其中電源要通過恒流源給LED供電，并且同時要給控制電路進行供電，控制電路通過無線和上位機實現通信，并且按照通信指令實現輸出PWM的改變，從而改變LED燈的亮度。

圖1 系統結構圖Fig.1 System structure diagram

1.1高壓LED燈板的設計

本次采用的2835高壓貼片LED燈珠的正向電壓為30 V，額定電流為30 mA,額定功率為0.9 W。通過將20個高壓LED燈珠并聯，做成一個正向電壓為30 V，額定電流為0.6A，額定功率18 W的HV LED陣列。光源板設計如下所示，20個LED焊接在獨立設計的鋁基板上，連接形式為全部并聯。如圖2所示。

圖2 高壓LED燈Fig.2 HV LED light

1.2LED恒流驅動電路的設計

一個可靠、穩定、高效率的驅動電路是LED的關鍵和保障[6],驅動電路控制芯片選用了Supertex公司的HV9910B芯片。HV9910B是一款高效PWM LED驅動器控制集成電路芯片。該芯片的驅動電流能從幾毫安到超高1安，并且芯片使用了高壓隔離連接工藝，能經受高達450 V的浪涌輸入電壓的沖擊。

設計的基于HV9910B的多通道LED恒流驅動電路中的單個驅動電路結構如圖3所示。工作原理是首先芯片內部振蕩器給RS觸發器一個啟動信號，GATE引腳輸出高電平，MOSFET導通，輸入VIN供電給LED，同時電感L1開始充電，由于電感L1的存在，流經LED的電流不能突變，流過電流檢測電阻RS的電流線性增加，然后到RS上的電壓上升至250 mV時，HV9910B內部邏輯處理電路給內部RS觸發器一個復位信號，GATE引腳輸出低電平，MOSFET關斷，電感L1電流不能突變，L1通過續流二極管D1放電以驅動LED[7]。本文設計的驅動電路輸入電壓為40 VDC，輸出電壓為30 VDC，輸出電流為0.6 A,芯片工作在固定關斷時間模式下。

圖3 LED驅動電路結構簡圖Fig.3 Driving circuit structural block diagram

1.3電源轉換電路的設計

恒流源采用的是40 V直流電壓輸入，為了同時給arm，ZigBee模塊提供3.3 V供電電壓，采用了LM2575-3.3芯片，寬輸入電壓范圍為4～44 V，該芯片包含五個引腳，分別是輸入Vin，輸出Output，地Ground，反饋端Feedback，使能端 On/Off。基本轉換電路如圖4所示，通過該電路，輸出穩定的3.3 V電壓，并且能給arm，ZigBee模塊供電。

圖4 電源轉換電路Fig.4 Power conversion circuit

1.4無線控制電路的設計

PWM 調光實質是通過PWM 信號控制LED 的通斷，在某一固定頻率下，通過調節脈沖的占空比來改變LED的通斷時間[8]。控制電路由MCU電路和基于ZigBee協議的無線通信電路組成，其原理是上位機通過無線模塊實現與MCU的通信，從而控制MCU輸出PWM占空比的變化，實現恒流源電流大小的調節，最終實現LED亮度的無線調節。其原理如圖5所示。

圖5 控制電路結構圖Fig.5 Control circuit Structure diagram

1.4.1 MCU電路

MCU采用ARM系列單片機STM32,具體型號是STM32F103R8T6.這是一款常用的增強型系列微控制器。該型號單片機工作電壓為3.3 V, 72 M主頻，芯片內部集成3個16位普通定時器，1個16位高級定時器，3個usart通信接口。

本文使用的電路為arm最小系統，包含了供電模塊，晶振，下載口，復位四個部分，最終將PA6引腳引出，作為PWM輸出口連接到恒流芯片hv9910b的pwm引腳，如圖6所示。

圖6 MCU電路Fig.6 MCU circuit

1.4.2 無線通信電路

ZigBee通信技術具有低功耗、低成本、組網簡單等特點，是適合大規模傳感器組網的短距離無線通信技術[9]。通過無線通信方式可以形成一個多能自組織網絡系統[10]。

本文使用的ZigBee模塊核心芯片是CC2530芯片，其結合了領先的RF收發器的優良性能以及業界標準的增強型8051 CPU。本文所設計的無線模塊只要實現串口通信和無線傳輸，其電路以CC2530芯片為核心設計單片機最小系統同時再將RF無線外圍電路配合上。其電路結構如圖7所示。

圖7 ZigBee模塊電路Fig.7 Circuit of ZigBee module

本文中的ZigBee模塊程序是基于協議棧Z-Stack，通過調用協議棧的庫函數實現模塊可以通過無線將接收到的信息從串口傳送給上位機，同時可以將上位機從串口發送的信息通過無線發送出去給ZigBee接收模塊。本文最終實現了兩個ZigBee模塊實現串口透傳，其中連接上位機的ZigBee模塊是協調器，連接MCU的ZigBee模塊是終端。原理圖如圖8所示。

圖8 無線通信電路Fig.8 Wireless communication circuit

1.4.3 上位機與MCU的通信

上位機使用的是普通的串口助手軟件，與發送端的ZigBee模塊相連接，當上位機通信內容發出后，發送端的ZigBee模塊通過串口接收后，并將通信內容無線發送出去，接收端的ZigBee模塊接收到信息后通過串口發送給MCU的串口接收端，MCU對發送的內容進行判斷是否符合通信協議，若符合則將通信內容中所需的光強信息解析出來。并且按照解析出來的光強亮度調整PWM的占空比。從而實現上位機對LED光亮度的調節。

在本文設計的系統當中，通信協議較為簡單，協議格式如下：

AA 亮度值 08 01 0d 校驗和 AA

MCU通過判斷首位以及末位是否為AA,以及校驗和是否正確來判斷是否是符合要求的通信信息，從而獲得上位機所需亮度值的大小，在MCU中這些都是以十六進制的形式獲得。例如亮度值是ff,則PWM的占空比設置為100%;亮度值是80,則PWM的占空比設置為50%；亮度值是00,則占空比設置為0%。

2 實驗結果與分析

2.1恒流特性測試

對所設計的輸出驅動電源進行實驗測試。實驗條件：輸入40(1±10%)V。負載為18 W的LED燈串(即20個HV LED燈珠并聯)，圖9為在輸入電壓變化下這個驅動電路的輸出電流。

圖9 恒流特性測試圖Fig.9 Constant current characteristic test chart

由圖9可知，輸入電壓在36～44 V之間變化，且占空比為1時，驅動電路輸出電流為0.595～0.615 A，電流變化波動率為3.3%，驅動電路的穩定性比較高。

2.2無線調光測試

作為協調器的ZigBee模塊與上位機串口連接，終端ZigBee模塊與MCU的串口連接，當上位機和下位機都上電之后，無線連接顯示燈亮，說明無線通信連接成功。在輸入電壓40 V穩定條件下，按照通信協議，通過無線發送上位機設定的占空比給MCU，平滑地改變占空比。在占空比為0、0.25、0.5、0.75、1時，分別測出輸出電流，輸出電流隨占空比改變如圖10所示。輸出電流連續變化，其調光范圍為0～100%。

圖10 無線調光測試圖Fig.10 Wireless dimming test chart

3 結論

本文利用驅動芯片HV 9910B設計了一款18 W小功率HV LED驅動電源，并設計了一套無線控制系統，使其能夠通過上位機實現無線調節亮度。在36～44 V DC輸入條件下，驅動電路輸出電流維持在0.6A左右，電流波動率為3.3%，并且調光范圍為0～100%，調光過程中HV LED燈模組無閃爍現象，實現寬范圍的線性調光。該系統驅動電路結構簡單容易實現，具有很強的實用性。設計的燈控系統還能在ZigBee終端增加更多的燈，形成更加復雜的照明系統，ZigBee協議端已將串口通信接口留出來，可以根據需求設計功能多樣化的上位機，實現整個照明系統的集成控制和網絡控制。

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WirelessControlSystemofHVLEDLight

XU Sheng, LIU Tingzhang, CHEN Yifan
(SchoolofMechatronicsEngineeringandAutomation,ShanghaiUniversity，Shanghai200072，China)

A wireless lighting control system is designed for HV LED. This paper analyzes the advantages of the HV LED, the implementation principle of driving circuit for constant current and the principle of PWM dimming, and illustrates the design scheme of the ZigBee wireless serial port.The experimental results show that the driving power supply designed has a good constant current characteristics and output consistency, and can be realized through wireless control in a wide range of smooth and continuous PWM dimming.

HV LED; Constant current; PWM dimming; ZigBee

TM923

A

10.3969j.issn.1004-440X.2017.05.011

上海市科委“HV-LED一體化模組的開發及應用”課題(13111102500);上海自然科學基金(13ZR1417000)。