动态激光调节下的数字式LED驱动电源设计
刘梦亭 李俊勇 赵丽红
摘 要： 普通照明用的LED驱动电源无法智能调节亮度。借助单片机STC90C58RD+，以PWM控制器作为控制对象，将模拟组件和数字组件优化组合，结合光传感模块、热释电红外人体感应模块以及无线遥控模块，设计动态激光调节的LED数字驱动电源，实现对LED灯组智能化亮度调节控制。仿真实验证明，采用该动态激光调节方式可实现智能调节亮度。
关键词： 动态调节； LED驱动电源； PWM； 光传感； 人体感应
中圖分类号： TN86?34； TP399 文献标识码： A 文章编号： 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光源作为一种新型的固体光源正在逐渐替代传统光源成为主要的照明方式，半导体照明技术是一种低碳环保的高科技技术，LED光源具有节能、环保、寿命长、易控制和效率高等显著优点。LED光源现在已经全面的应用于室内照明、家居照明、汽车照明、路政照明、电子产品等生活的方方面面，而LED驱动电源的智能化控制是另一个新的方向，基于外部动态激光的亮度而智能化调整控制LED光源的照射亮度与照射时间，并且通过无线模块与智能手机连接，通过手机中的APP软件或者遥控器远程控制LED光源的亮度与时间，从而最大程度地降低LED光源的能耗，以及让LED照明更加具有智能性与可控制性[1]。
本研究就是基于这种智能化LED照明技术而设计的一种动态激光调节下的数字式LED驱动电源，以STC90C58RD+单片机为控制核心，采用光传感技术、PWM调光技术、无线通信技术，实现了LED光源的无色偏、无闪烁、高精度的亮度控制，设计实现了高效率、低损耗的LED恒流驱动电源[2]。
1 系统设计原理
LED光源的优势是功耗低和寿命长，劣势是其成本较高，占据了整个灯具成本的25%～40%，阻碍其大范围的使用。要解决LED成本问题，可在产品规格允许范围内在最高的直流电流下驱动LED，这样可提高LED亮度/成本比率。此方案需要更高的电流驱动器，将常规的低电流（<500 mA）驱动LED，提高至700 mA～4 A驱动LED，将DC?DC降压稳压器转换为智能数式LED驱动器[3?4]。
1.1 动态激光调节LED智能控制设计方案
根据动态激光调节LED智能控制系统的原理和需求，对LED照明灯组的智能控制系统方案进行设计。此方案以单片机STC90C58RD+为平台进行开发，主要实现了人体红外信号感应智能灯激光控制，动态激光自适应环境亮度调节功能，数字式LED驱动电源优化设计等。其系统的主要组成模块有： STC90C58RD+单片机主控制模块、红外人体感应模块、光传感器模块、无线遥控通信模块、数字式LED恒流驱动模块、LED灯组。
1.2 降压稳压器电路设计
本设计方案中变压器的设计指标为：交流输入电压[Uin为180～270 V]，输出电压[Uout为30～60 V]，输出电流[Iout为700 mA～4 A]，开关频率[fs为93.6 kHz]，最大占空比[Dmax≤0.45]。变压器输出功率为[P=12LpI2pkfs]。其中：[Ipk]为原边绕组峰值电流；[Lp]为原边绕组电感。在使用变压器将220 V的电压降到合适值后再通过整流电路，将正弦波变为较为稳定的直流电压，再通过滤波及稳压电路，将整流过后的电压进行滤波稳压，最终得到满足要求的直流电源。
1.3 数字式LED驱动电源设计
由于单个LED灯珠具有较小的功率，因此其亮度较低，一般将数十个甚至上百个单个的LED灯珠借助串并联或单纯串联、并联的方式进行组合，以满足普通照明的要求。综合分析考虑，本文采用的LED驱动电源类型为恒流式，运用反激式变换器，隔离输出与输入，起到保护作用，以得到较高的拓扑效率，同时使得成本较低[5]。基于单片机STC90C58RD+输出PWM信号，以达到控制开关管的导通与截止的目的，实现直接控制输出电流，最终完成智能调节LED的亮度，而不是简单的控制输出电流实现调光，因此，可避免反复开关的瞬间冲击LED，从而延长LED的寿命。
1.4 基于iW3610的LED亮度调节电路
基于iW3610芯片设计LED的动态亮度调节电路，其输出功率最高可达45 W。iW3610芯片以数字控制原理为依据，对斩波电路进行集成形成的芯片，采用iW3610可以在LED亮度调节过程中在调光器中插入动态阻抗提高亮度调节功率因数，同时还能对相位和调光器类型进行有效识别，iW3610的模式开关可在无调光器时将LED亮度调节效率提高到85%，利用侧反馈恒流控制技术对在±5%容差范围内对LED电流进行调节[6]。
1.5 光传感器模块电路设计
光传感器采用光敏二极管，光敏二极管是一种能够将光根据使用方式，转换成电流或者电压信号的光探测器。管芯常使用一个具有光敏特征的PN结，对光的变化非常敏感，具有单向导电性，而且光强不同的时候会改变电学特性[7]。因此，可以利用光照强弱来改变电路中的电流。如图1所示是光传感器电路的信号放大电路，放大光敏二极管VD的差动信号，Vo为输出信号，送入A/D转换器进行数字化处理。
1.6 人体检测感应模块电路设计
自然界中的任何物体均可以发射不同波长的红外线。例如，人体正常体温约为37 ℃，其发射的波长范围在远红外区，为9～10[μm]；对于400～700 ℃的高温物体，所发射的波长一般在3～5[μm]中红外区。而热释电红外传感器可以连续不停地检测不同光线[8]。LH1778由高阻电阻、敏感元件、场效应管等组成，是一种双元探测器。
2 仿真实验结果分析
系统在设计完成之后，需要通过实验调试验证其是否达到设计要求，测试的内容包括：测试数字式LED恒流驱动电源工作是否正常；测试输出电流与PWM占空比的关系，在不同光照情况下，系统能否自动调节LED电源的亮度。通过调节输入的PWM脉冲信号占空比来调制LED驱动芯片对功率场效应管MOSFET的栅极控制信号，以达到控制LED电流大小的目的，实现LED的亮度调节。图2所示为在输入交流电压60 V时的功率场效应管的栅极电压波形。
调节PWM信号占空比，可实现对LED进行调光的功能，当PWM信号占空比增大时，输出的直流电压增大，加载在LED上的电流增大；当PWM信号占空比减小时，输出的直流电压减小，加载在LED上的电流减小。不同占空比与输出电流的定量关系测试结果如表1所示。
然后将系统设置在动态激光感应LED自动亮度调节模式下，测试在不同的光照强度下，数字式LED驱动电源的输出电流，如表2所示。
在动态激光感应LED自动亮度调节模式下，随着光照强度的增加，驱动电源的输出电流减小，经反复测试和调试，系统能有效检测人体信号，在区域有人的情况下LED灯组自动开启，无人的情况下自动关闭LED灯组，并能根据时间段以及外部光照的不同强度自动调节LED驱动电源的输出电流，基本实现动态调光的设计要求。
3 结 语
本方案在对LED光源以及其数字式驱动电源研究的基础上，针对动态激光条件下的智能LED亮度调节需求，设计实现了一款高效全数字式LED恒流驱动电源，可有效地提高作为负载的LED灯组的使用寿命。并以单片机STC90C58RD+为控制核心，采用PWM脉冲宽度调节LED亮度，结合光传感模块、热释电红外人体感应模块以及无线遥控模块，设计了智能化的LED亮度调节系统，实现了节能环保的理念。
参考文献
[1] 赵涛，陈玉敏.激光二极管驱动电源的设计[J].现代电子技术，2015，38（24）：159?162.
[2] 高旭，许建平，阎铁生.高精度高功率因数原边控制CRM反激LED驱动电源[J].电工电能新技术，2015，34（11）：69?74.
[3] 许建平，杨琦，刘雪山.谐振式单开关多路输出Boost LED驱动电源[J].西南交通大学学报，2016，51（3）：475?486.
[4] 张艺文，金科.一种单级式高功率因数无电解电容AC/DC LED驱动电源略[J].中国电机工程学报，2015，35（22）：5851?5858.
[5] 卢惠辉，苏成悦，谢仕勇.LED驱动电源谐波生成与检测分析[J].照明工程学报，2014，25（6）：117?121.
[6] 阎铁生，许建平，曹太强，等.基于二次型Buck PFC变换器的无频闪无变压器LED驱动电源[J].电工技术学报，2015，30（12）：512?519.
[7] 汪飞，钟元旭，阮毅.AC?DC LED驱动电源消除电解电容技术综述[J].电工技术学报，2015，30（8）：176?185.
[8] 廖志凌，王生东，钱鞠.PFM控制交错并联反激LED驱动电源研究[J].电测与仪表，2014，51（8）：107?111.
摘 要： 普通照明用的LED驱动电源无法智能调节亮度。借助单片机STC90C58RD+，以PWM控制器作为控制对象，将模拟组件和数字组件优化组合，结合光传感模块、热释电红外人体感应模块以及无线遥控模块，设计动态激光调节的LED数字驱动电源，实现对LED灯组智能化亮度调节控制。仿真实验证明，采用该动态激光调节方式可实现智能调节亮度。
关键词： 动态调节； LED驱动电源； PWM； 光传感； 人体感应
中圖分类号： TN86?34； TP399 文献标识码： A 文章编号： 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光源作为一种新型的固体光源正在逐渐替代传统光源成为主要的照明方式，半导体照明技术是一种低碳环保的高科技技术，LED光源具有节能、环保、寿命长、易控制和效率高等显著优点。LED光源现在已经全面的应用于室内照明、家居照明、汽车照明、路政照明、电子产品等生活的方方面面，而LED驱动电源的智能化控制是另一个新的方向，基于外部动态激光的亮度而智能化调整控制LED光源的照射亮度与照射时间，并且通过无线模块与智能手机连接，通过手机中的APP软件或者遥控器远程控制LED光源的亮度与时间，从而最大程度地降低LED光源的能耗，以及让LED照明更加具有智能性与可控制性[1]。
本研究就是基于这种智能化LED照明技术而设计的一种动态激光调节下的数字式LED驱动电源，以STC90C58RD+单片机为控制核心，采用光传感技术、PWM调光技术、无线通信技术，实现了LED光源的无色偏、无闪烁、高精度的亮度控制，设计实现了高效率、低损耗的LED恒流驱动电源[2]。
1 系统设计原理
LED光源的优势是功耗低和寿命长，劣势是其成本较高，占据了整个灯具成本的25%～40%，阻碍其大范围的使用。要解决LED成本问题，可在产品规格允许范围内在最高的直流电流下驱动LED，这样可提高LED亮度/成本比率。此方案需要更高的电流驱动器，将常规的低电流（<500 mA）驱动LED，提高至700 mA～4 A驱动LED，将DC?DC降压稳压器转换为智能数式LED驱动器[3?4]。
1.1 动态激光调节LED智能控制设计方案
根据动态激光调节LED智能控制系统的原理和需求，对LED照明灯组的智能控制系统方案进行设计。此方案以单片机STC90C58RD+为平台进行开发，主要实现了人体红外信号感应智能灯激光控制，动态激光自适应环境亮度调节功能，数字式LED驱动电源优化设计等。其系统的主要组成模块有： STC90C58RD+单片机主控制模块、红外人体感应模块、光传感器模块、无线遥控通信模块、数字式LED恒流驱动模块、LED灯组。
1.2 降压稳压器电路设计
本设计方案中变压器的设计指标为：交流输入电压[Uin为180～270 V]，输出电压[Uout为30～60 V]，输出电流[Iout为700 mA～4 A]，开关频率[fs为93.6 kHz]，最大占空比[Dmax≤0.45]。变压器输出功率为[P=12LpI2pkfs]。其中：[Ipk]为原边绕组峰值电流；[Lp]为原边绕组电感。在使用变压器将220 V的电压降到合适值后再通过整流电路，将正弦波变为较为稳定的直流电压，再通过滤波及稳压电路，将整流过后的电压进行滤波稳压，最终得到满足要求的直流电源。
1.3 数字式LED驱动电源设计
由于单个LED灯珠具有较小的功率，因此其亮度较低，一般将数十个甚至上百个单个的LED灯珠借助串并联或单纯串联、并联的方式进行组合，以满足普通照明的要求。综合分析考虑，本文采用的LED驱动电源类型为恒流式，运用反激式变换器，隔离输出与输入，起到保护作用，以得到较高的拓扑效率，同时使得成本较低[5]。基于单片机STC90C58RD+输出PWM信号，以达到控制开关管的导通与截止的目的，实现直接控制输出电流，最终完成智能调节LED的亮度，而不是简单的控制输出电流实现调光，因此，可避免反复开关的瞬间冲击LED，从而延长LED的寿命。
1.4 基于iW3610的LED亮度调节电路
基于iW3610芯片设计LED的动态亮度调节电路，其输出功率最高可达45 W。iW3610芯片以数字控制原理为依据，对斩波电路进行集成形成的芯片，采用iW3610可以在LED亮度调节过程中在调光器中插入动态阻抗提高亮度调节功率因数，同时还能对相位和调光器类型进行有效识别，iW3610的模式开关可在无调光器时将LED亮度调节效率提高到85%，利用侧反馈恒流控制技术对在±5%容差范围内对LED电流进行调节[6]。
1.5 光传感器模块电路设计
光传感器采用光敏二极管，光敏二极管是一种能够将光根据使用方式，转换成电流或者电压信号的光探测器。管芯常使用一个具有光敏特征的PN结，对光的变化非常敏感，具有单向导电性，而且光强不同的时候会改变电学特性[7]。因此，可以利用光照强弱来改变电路中的电流。如图1所示是光传感器电路的信号放大电路，放大光敏二极管VD的差动信号，Vo为输出信号，送入A/D转换器进行数字化处理。
1.6 人体检测感应模块电路设计
自然界中的任何物体均可以发射不同波长的红外线。例如，人体正常体温约为37 ℃，其发射的波长范围在远红外区，为9～10[μm]；对于400～700 ℃的高温物体，所发射的波长一般在3～5[μm]中红外区。而热释电红外传感器可以连续不停地检测不同光线[8]。LH1778由高阻电阻、敏感元件、场效应管等组成，是一种双元探测器。
2 仿真实验结果分析
系统在设计完成之后，需要通过实验调试验证其是否达到设计要求，测试的内容包括：测试数字式LED恒流驱动电源工作是否正常；测试输出电流与PWM占空比的关系，在不同光照情况下，系统能否自动调节LED电源的亮度。通过调节输入的PWM脉冲信号占空比来调制LED驱动芯片对功率场效应管MOSFET的栅极控制信号，以达到控制LED电流大小的目的，实现LED的亮度调节。图2所示为在输入交流电压60 V时的功率场效应管的栅极电压波形。
调节PWM信号占空比，可实现对LED进行调光的功能，当PWM信号占空比增大时，输出的直流电压增大，加载在LED上的电流增大；当PWM信号占空比减小时，输出的直流电压减小，加载在LED上的电流减小。不同占空比与输出电流的定量关系测试结果如表1所示。
然后将系统设置在动态激光感应LED自动亮度调节模式下，测试在不同的光照强度下，数字式LED驱动电源的输出电流，如表2所示。
在动态激光感应LED自动亮度调节模式下，随着光照强度的增加，驱动电源的输出电流减小，经反复测试和调试，系统能有效检测人体信号，在区域有人的情况下LED灯组自动开启，无人的情况下自动关闭LED灯组，并能根据时间段以及外部光照的不同强度自动调节LED驱动电源的输出电流，基本实现动态调光的设计要求。
3 结 语
本方案在对LED光源以及其数字式驱动电源研究的基础上，针对动态激光条件下的智能LED亮度调节需求，设计实现了一款高效全数字式LED恒流驱动电源，可有效地提高作为负载的LED灯组的使用寿命。并以单片机STC90C58RD+为控制核心，采用PWM脉冲宽度调节LED亮度，结合光传感模块、热释电红外人体感应模块以及无线遥控模块，设计了智能化的LED亮度调节系统，实现了节能环保的理念。
参考文献
[1] 赵涛，陈玉敏.激光二极管驱动电源的设计[J].现代电子技术，2015，38（24）：159?162.
[2] 高旭，许建平，阎铁生.高精度高功率因数原边控制CRM反激LED驱动电源[J].电工电能新技术，2015，34（11）：69?74.
[3] 许建平，杨琦，刘雪山.谐振式单开关多路输出Boost LED驱动电源[J].西南交通大学学报，2016，51（3）：475?486.
[4] 张艺文，金科.一种单级式高功率因数无电解电容AC/DC LED驱动电源略[J].中国电机工程学报，2015，35（22）：5851?5858.
[5] 卢惠辉，苏成悦，谢仕勇.LED驱动电源谐波生成与检测分析[J].照明工程学报，2014，25（6）：117?121.
[6] 阎铁生，许建平，曹太强，等.基于二次型Buck PFC变换器的无频闪无变压器LED驱动电源[J].电工技术学报，2015，30（12）：512?519.
[7] 汪飞，钟元旭，阮毅.AC?DC LED驱动电源消除电解电容技术综述[J].电工技术学报，2015，30（8）：176?185.
[8] 廖志凌，王生东，钱鞠.PFM控制交错并联反激LED驱动电源研究[J].电测与仪表，2014，51（8）：107?111.
