脈沖寬度調(diào)變?cè)谥悄躄ED燈灰度調(diào)節(jié)中的研究

魏志遠(yuǎn) 暴 婷

(北京工業(yè)大學(xué)軟件學(xué)院 北京 100123)

脈沖寬度調(diào)變?cè)谥悄躄ED燈灰度調(diào)節(jié)中的研究

魏志遠(yuǎn) 暴 婷

(北京工業(yè)大學(xué)軟件學(xué)院 北京 100123)

針對(duì)脈沖寬度調(diào)變(PWM)技術(shù)在LED燈灰度調(diào)節(jié)中的應(yīng)用，提出一種可用于調(diào)節(jié)LED燈灰度的調(diào)光電路的解決方案。實(shí)驗(yàn)結(jié)果是通過改變藍(lán)牙芯片的各個(gè)IO端口產(chǎn)生的PWM方波的占空比，來實(shí)現(xiàn)對(duì)調(diào)光電路中流過LED燈珠電流的調(diào)節(jié)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)LED燈的灰度調(diào)節(jié)。由此設(shè)計(jì)并研究出一套完整可行的調(diào)光電路系統(tǒng)。

脈沖寬度調(diào)變 PWM 調(diào)光電路 LED 灰度調(diào)節(jié)

0 引 言

在能源日益緊缺、污染嚴(yán)重的環(huán)境下，發(fā)光二極管LED作為新一代的光源，相較于其他傳統(tǒng)電光源，LED有著眾多優(yōu)點(diǎn)。LED具有壽命長、耗電低、體積小、結(jié)構(gòu)穩(wěn)固、在調(diào)光工作時(shí)發(fā)光效率提高等特點(diǎn)[1-4]，利用LED的優(yōu)點(diǎn)制作的LED照明燈具以其壽命長、結(jié)構(gòu)穩(wěn)固、省電、無紫外輻射、燈具可塑性強(qiáng)和裝飾更美觀等優(yōu)點(diǎn)，逐漸進(jìn)入人們的視野，被視為替代傳統(tǒng)照明光源的第四代照明光源[5-8]。隨著紅、綠、藍(lán)三原色的混色技術(shù)和PWM方波調(diào)光技術(shù)在LED照明中的應(yīng)用日漸成熟，可以使用不同的色彩和灰度來組合不同的氛圍[9-10]。

與此同時(shí)隨著短距離無線通信市場的快速增長，像WiFi、藍(lán)牙技術(shù)(Bluetooth)、ZigBee、超寬帶技術(shù)(UWB)、射頻識(shí)別技術(shù)(RFID)及近場通信(NFC)等低功耗、微型化的無線通信技術(shù)更多應(yīng)用于日常生活中來[11-12]，為LED無線控制技術(shù)帶來許多新的發(fā)展。目前很多公司的Bluetooth和ZigBee芯片增加了PWM方波輸出端口，為PWM調(diào)節(jié)技術(shù)帶來了許多的方便。

本文旨在研究PWM調(diào)光技術(shù)在LED燈的灰度調(diào)節(jié)中的應(yīng)用方法，建立適用于情景照明的調(diào)光電路實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。通過理論指導(dǎo)和大量的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)電路設(shè)計(jì)和軟件編程中的不足，研究出一個(gè)穩(wěn)定、可靠的LED照明系統(tǒng)。

1 脈沖寬度調(diào)變

脈沖寬度調(diào)變(PWM)技術(shù)是一種對(duì)模擬信號(hào)電平進(jìn)行數(shù)字編碼的方法[13-14]。通過高分辨率計(jì)數(shù)器的使用，方波的占空比(DON)被調(diào)制用來對(duì)一個(gè)具體模擬信號(hào)的電平進(jìn)行編碼。占空比為:

(1)

式中，t為正脈沖的持續(xù)時(shí)間；T為脈沖總周期。

保持PWM方波振幅不變的情況下改變占空比，平均電壓可以被控制，如圖1所示。當(dāng)應(yīng)用于直流電機(jī)、燈等電器,一個(gè)更加平滑有效的直流電壓可以通過高的脈沖頻率獲得。相比電位計(jì)或變阻器散熱時(shí)浪費(fèi)的電力，PWM方波調(diào)控方法更有效而且節(jié)能。

圖1 PWM信號(hào)圖

考慮到用PWM方波驅(qū)動(dòng)LED燈，如圖2所示，當(dāng)選擇低占空比的脈沖信號(hào)時(shí)，對(duì)應(yīng)所產(chǎn)生的電壓相對(duì)較低，因此流過LED燈珠的電流也是相對(duì)較低的，亮度也是相對(duì)較低的；相同原理，當(dāng)選擇高占空比的脈沖信號(hào)時(shí)，對(duì)應(yīng)所產(chǎn)生的電壓較高，因此LED燈珠的亮度也是相對(duì)較高。

圖2 占空比改變對(duì)輸出電壓的影響

當(dāng)?shù)驼伎毡鹊拿}沖信號(hào)變?yōu)楦呙}沖信號(hào)時(shí)，需要一個(gè)過度時(shí)間。如圖，低電壓變?yōu)楦唠妷阂彩且粋€(gè)漸變的過程，因此LED燈珠的亮度變化也是一個(gè)漸變的過程；同理適用高電壓變?yōu)榈碗妷骸?/p>

在軟件編程的時(shí)候，可以在程序中設(shè)定這個(gè)變化時(shí)間為0。但是，實(shí)際的電路中，低占空比和高占空比之間的轉(zhuǎn)化所消耗時(shí)間是不可避免的。并且兩個(gè)占空比之間差越大，變化時(shí)消耗的時(shí)間越多，無用能量消耗也越多。從節(jié)能和散熱的角度考慮，應(yīng)該減少無用能量的消耗。

2 調(diào)光電路總體方案的設(shè)計(jì)

現(xiàn)在市面上可以產(chǎn)生PWM的無線芯片種類繁多，考慮到實(shí)驗(yàn)人員以及用戶的使用方便，本設(shè)計(jì)方案選擇藍(lán)牙芯片CSR1010。使用藍(lán)牙芯片IO口產(chǎn)生的PWM方波直接驅(qū)動(dòng)LED燈珠，理論上只要PWM方波大于10Hz就可以實(shí)現(xiàn)。但對(duì)于高功率的LED燈珠，除了電壓合適，還要確保有足夠大的電流流過LED燈珠，這樣藍(lán)牙芯片IO輸出口明顯供電不足。這時(shí)就需要藍(lán)牙芯片和大功率的LED燈珠中間就需要一個(gè)LED調(diào)光電路，通過間接的方式去控制流過大功率LED燈珠的電流。

調(diào)光電路的總體方案如圖3所示，輸入220V/50Hz交流電，通過AC/DC電壓轉(zhuǎn)換模塊變?yōu)橹绷麟妷?8VDC，為中間的調(diào)光電路供電。調(diào)光電路可以輸出恒定的電流為LED燈珠供電，稱這種供電方式為恒流源供電。當(dāng)有外界干擾使得電流變化時(shí)，流過LED的電流都可以在調(diào)光電路調(diào)節(jié)作用下達(dá)到設(shè)定值。由于LED具有非線性I-V特性，較小的電壓波動(dòng)將引起電流的大波動(dòng)，所以相對(duì)于恒壓源供電，恒流源為LED燈珠供電可以達(dá)到較好的性能。

圖3 調(diào)光電路的設(shè)計(jì)

2.1LED驅(qū)動(dòng)集成電路芯片

為了實(shí)現(xiàn)恒流源穩(wěn)定供電的功能，在這里引入一款高性能、高效率、低功耗的LED驅(qū)動(dòng)集成電路芯片——FT3811。FT3811芯片帶有降壓功能，能驅(qū)動(dòng)1A的LED電流可高達(dá)30V的電壓輸入。如圖4所示芯片內(nèi)部框圖及其外圍電路。DM端口為使能控制端口，為PWM方波輸入端口；SW為開關(guān)節(jié)點(diǎn)。當(dāng)使能控制端DM輸入PWM方波的占空比為一定值時(shí)，F(xiàn)T3811芯片通過控制進(jìn)入SW端的電流，來實(shí)現(xiàn)控制流過LED燈的電流，同時(shí)也保證了為LED供電為恒流源。最多能驅(qū)動(dòng)6只串聯(lián)的LED燈珠。

圖4 FT3811芯片內(nèi)部框架圖及其外圍電路

設(shè)計(jì)FT3811芯片的外圍電路時(shí)，需要在輸入PWM方波的使能控制端加一個(gè)阻值為1kΩ下拉電阻，如圖5所示。如果不加下拉電阻，整個(gè)電路上電時(shí)，LED燈珠會(huì)出現(xiàn)瞬間爆閃的現(xiàn)象。這是由于上電瞬間，PWM方波輸出口從高電平瞬間還原成軟件設(shè)置的狀態(tài)，導(dǎo)致開機(jī)瞬間爆閃。當(dāng)加上阻值為RL=1kΩ下拉電阻時(shí)，PWM方波輸出端口主動(dòng)拉低開始時(shí)的接口電壓。

圖5 PWM方波輸入電路圖

2.2LED燈珠的灰度調(diào)節(jié)

人眼具有視覺暫留特性，當(dāng)光源停止發(fā)光后，光源的視覺像不會(huì)馬上消失，可以暫時(shí)在眼睛中停留1/16s，所以將光源每秒閃爍次數(shù)超過16次，人眼將會(huì)看到穩(wěn)定的光源。PWM技術(shù)正是利用人眼的視覺暫留特性，輸出高頻PWM方波，產(chǎn)生讓人眼無法察覺的燈光閃爍。同時(shí)通過改變PWM方波的占空比來調(diào)節(jié)流過LED燈珠的電流，實(shí)現(xiàn)LED燈珠調(diào)光。

根據(jù)藍(lán)牙芯片時(shí)鐘的計(jì)數(shù)規(guī)則，設(shè)定計(jì)數(shù)是32 768。同時(shí)考慮到調(diào)色的方便，選擇0～255區(qū)間的調(diào)色方法。所以初步設(shè)計(jì)PWM方波周期為：

T=255/32 768=7.78 ms

(2)

所以其頻率為：

f=1/T=128.5 Hz

(3)

本實(shí)驗(yàn)的LED燈珠統(tǒng)一選用德國ORSAM公司的紅、綠、藍(lán)、白四色大功率LED燈珠。通過對(duì)FT3811芯片使能控制端DM輸入不同占空比的PWM方波(相當(dāng)于輸入不同的電壓)，觀察并記錄不同占空比下對(duì)應(yīng)的流過LED燈珠的電流。所得結(jié)果如圖6所示，圖中為了方便后面說明，這里用電壓值表示使能控制端DM輸入的占空比。

圖6 DM VS ILED

由圖6所示，可以看出相同的LED驅(qū)動(dòng)集成電路芯片控制下，不同種類LED燈珠的曲線是不同的。它們的使能控制端DM輸入電壓與電流ILED成正比，并且可以將紅、綠、藍(lán)這三色LED燈珠的變化曲線認(rèn)為近似重合。白色的LED燈珠可以單獨(dú)考慮。

通過四種顏色燈珠的數(shù)據(jù)手冊(cè)，可以知道，LED燈珠的光通量ΦV和ILED電流成正比。所以可以推導(dǎo)出下面的等式：

(4)

其中，nΦV為灰度調(diào)節(jié)比，Φ為ILED=300mA下滿光通量值。

(5)

其中，nILED為流過LED燈珠調(diào)節(jié)比，I=ILED=300mA。

(6)

其中，nDM為DM使能控制端輸入電壓比，UDM為輸入電壓值，U=UDM=2.4V。最后得出結(jié)論：

nΦV=nILED=nDM=DON

(7)

通過式(4)-式(7)就實(shí)現(xiàn)了通過調(diào)節(jié)占空比對(duì)大功率LED燈珠的灰度調(diào)節(jié)。

3 調(diào)光電路中出現(xiàn)的問題及改進(jìn)方法

整個(gè)實(shí)驗(yàn)LED照明系統(tǒng)搭建好，用智能手機(jī)的藍(lán)牙控制LED燈，檢驗(yàn)LED燈。發(fā)現(xiàn)LED燈換色時(shí)光效忽閃，而且變色速度不快。

3.1 光效忽閃

對(duì)于光效忽閃的問題，可以從倆個(gè)方面考慮：電源變壓器的功率不足和PWM頻率是否匹配電源。對(duì)于第一點(diǎn)，使用電源箱為調(diào)光電路供電，發(fā)現(xiàn)換光時(shí)光效還是忽閃的。由于電源箱可以提供充足的功率，所以排除電源變壓器的功率不足的問題。所以問題就出現(xiàn)在了第二點(diǎn)上。

對(duì)于第二點(diǎn)，因?yàn)槌跏紩r(shí)設(shè)計(jì)的藍(lán)牙IO端口的PWM頻率輸出為128.5Hz，而電源系統(tǒng)是220V/50Hz交流電供電，極有可能是電源頻率和PWM頻率相近引起忽閃。通過對(duì)藍(lán)牙芯片的編程，將PWM頻率提升23倍至：

f*=128.5Hz×23=1028Hz

(8)

實(shí)驗(yàn)證明，當(dāng)f>f*時(shí)，變色時(shí)出現(xiàn)的忽閃的問題得到解決。因此，f*為可接受的最低頻率。

3.2 提高變色速度

對(duì)于變色不快的問題，則需要從PWM方波的占空比上考慮。由第2節(jié)可以知道，當(dāng)?shù)驼伎毡鹊拿}沖信號(hào)變?yōu)楦呙}沖信號(hào)時(shí)，需要一個(gè)過度時(shí)間。即使在軟件編程中設(shè)定這個(gè)變化時(shí)間為0，但是在實(shí)際電路中低占空比和高占空比之間的轉(zhuǎn)化所消耗時(shí)間是不可避免的。這就是為什么會(huì)發(fā)現(xiàn)LED燈珠的變色速度不快的原因。

因此，可以設(shè)計(jì)一個(gè)電路在縮小可調(diào)節(jié)占空比范圍的同時(shí)，又可以對(duì)整個(gè)流過LED燈珠的電流范圍進(jìn)行控制。這個(gè)電路類似一個(gè)放大器的作用，設(shè)計(jì)電路如圖7所示。在PWM方波輸入端和LED驅(qū)動(dòng)集成電路芯片間加入N型場效應(yīng)管BSS138N。圖7中，R0=1kΩ,RL=10kΩ。

圖7 PWM方波輸入改進(jìn)電路圖

通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試G點(diǎn)輸入電壓和D點(diǎn)輸出電壓的關(guān)系，得到下面的曲線圖，如圖8所示?？梢詫?.758≤UGS≤0.843V間的變化曲線近似的認(rèn)為是線性變化，其中UGS與UDS成反比。根據(jù)圖6知道，流過紅、綠、藍(lán)色LED的電流范圍是在40～300mA之間，對(duì)應(yīng)的LED集成電路控制芯片的使能控制端是0.5～2.4V。也就是UDS需要取值0.5～2.4V。根據(jù)圖8的變化曲線，UGS取值是0.77～0.84V。

圖8 N型場效應(yīng)管電壓關(guān)系曲線圖

UGS的取值范圍是0.76～0.84V，對(duì)應(yīng)的PWM方波的占空比取值范圍是0.775/3.3×100%～0.84/3.3×100%，即23.33%～25.45%。在軟件編程時(shí)設(shè)計(jì)紅、綠、藍(lán)的變色范圍的占空比取值為23.33%～25.45%。隨著占空比的取值范圍變小，初始設(shè)定的PWM方波的頻率顯得明顯不足，需要擴(kuò)大輸出PWM方波頻率值。新的PWM方波頻率fNew取值：

fNew=f×26=8224 Hz>f*

(9)

其中，f為式(3)中的基本頻率，f=128.5Hz。

再將這個(gè)區(qū)間分為255個(gè)點(diǎn)，通過選擇不同的點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)對(duì)LED燈珠灰度變化的調(diào)節(jié)。這時(shí)的軟件編程與之前的不同，PWM方波的占空比與LED燈的灰度變化成反比。

通過縮小PWM方波變化區(qū)間的方法實(shí)現(xiàn)LED燈的快速變色，同時(shí)由于占空比取值區(qū)間較小，前文中提出的占空比變化時(shí)無用能量的消耗也會(huì)相應(yīng)大幅減少，減少了LED燈的無用熱量產(chǎn)生。

3.3 改進(jìn)后的智能LED燈

如圖9所示，為完成智能LED燈的改進(jìn)工作，我們分別設(shè)計(jì)了LED燈板、控制板和電源模塊三個(gè)部分。

將三個(gè)部分搭建在一個(gè)平臺(tái)上，組成實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，方便前期編程和實(shí)驗(yàn)，如左圖所示；實(shí)驗(yàn)和測(cè)試結(jié)束后，將三個(gè)部分組裝起來，如中間圖所示；最后封裝在燈殼中，如右圖所示。

改進(jìn)后的LED解決了之前出現(xiàn)的灰度調(diào)節(jié)時(shí)忽閃以及變色速度慢的問題。

圖9 智能LED燈

4 結(jié) 語

本文針對(duì)脈沖寬度調(diào)變技術(shù)在LED燈調(diào)光電路中的應(yīng)用進(jìn)行了電路設(shè)計(jì)、軟件編程和實(shí)驗(yàn)分析，以LED燈珠灰度調(diào)節(jié)為研究對(duì)象，并且通過實(shí)驗(yàn)，對(duì)設(shè)計(jì)硬件電路和軟件編程中出現(xiàn)的一些問題進(jìn)行了理論分析和設(shè)計(jì)改進(jìn)，對(duì)于照明系統(tǒng)的制作提出了自己的見解和思路分析。下一步將設(shè)計(jì)完整的情景照明系統(tǒng)，將情景感知等應(yīng)用功能加入進(jìn)來，提高整個(gè)照明系統(tǒng)的實(shí)用性。

[1]ZhangL,GuoX,LiangT,etal.ColorrenderingandluminousefficacyoftrichromaticandtetrachromaticLED-basedwhiteLEDs[J].MicroelectronicsJournal,2007,38(1):1-6.

[2]YouJP,TranNT,ShiFG.Lightextractionenhancedwhitelight-emittingdiodeswithmulti-layeredphosphorconfiguration[J].OpticsExpress,2010,18(5):5055-5060.

[3] He G.Warm-white light-emitting diodes integrated with colloidal quantum dots for high luminous efficacy and color rendering:comment[J].Optics Letters,2011,36(15):2851.

[4] Hung P C,Tsao J Y.Maximum White Luminous Efficacy of Radiation Versus Color Rendering Index and Color Temperature:Exact Results and a Useful Analytic Expression[J].Journal of Display Technology,2013,9(6):405-412.

[5] Mirhosseini R,Schubert M F,Chhajed S,et al.Improved color rendering and luminous efficacy in phosphor-converted white light-emitting diodes by use of dual-blue emitting active regions[J].Optics Express,2009,17(13):10806-10813.

[6] He G,Zheng L.White-light LED clusters with high color rendering[J].Optics Letters,2010,35(17):2955-2957.

[7] 余桂英,金驥,倪曉武,等.基于光學(xué)擴(kuò)展量的LED均勻照明反射器的設(shè)計(jì)[J].光學(xué)學(xué)報(bào),2009,29(8):2297-2301.

[8] 陳健,王慶康,李海華.光子晶體結(jié)構(gòu)參數(shù)的隨機(jī)擾動(dòng)對(duì)光子晶體LED出光效率的研究[J].光學(xué)學(xué)報(bào),2010,30(1):233-236.

[9] 李薇,劉方.情景照明系統(tǒng)的LED混色技術(shù)研究(上)[J].中國照明電器,2009(10):8-10,27.

[10] 曹宇杰,金尚忠,岑松原.高顯色指數(shù)LED燈的設(shè)計(jì)[J].光學(xué)學(xué)報(bào),2011,32(12):200-206.

[11] Sandhya S,Devi K A S.Analysis of Bluetooth threats and v4.0 security features[C]//Computing,Communication and Applications (ICCCA),2012 International Conference on.IEEE,2012:1-4.

[12] Baronti P,Pillai P,Chook V W C,et al.Wireless sensor networks:A survey on the state of the art and the 802.15.4 and ZigBee standards[J].Computer Communications,2007,30(7):1655-1695.

[13] Svilainis L.LED PWM dimming linearity investigation[J].Displays,2008,29(3):243-249.

[14] Feng W,Lee F C,Mattavelli P.Optimal Trajectory Control of LLC Resonant Converters for LED PWM Dimming[J].IEEE Transactions on Power Electronics,2014,29(2):979-987.

THE RESEARCH OF PWM IN GRAY LEVEL ADJUSTMENT OF THE INTELLIGENT LED LIGHT

Wei Zhiyuan Bao Ting

(SchoolofSoftwareEngineering,BeijingUniversityofTechnology,Beijing100123,China)

Using pulse width modulation technology in the LED light gray level adjustment, a solution of a kind of dimming circuit which can be applied to adjust the gray level of the intelligent LED light is proposed. The experiments result show that the main function of this dimming circuit is to adjust the current flowing through the LED balls by changing the duty ratio of the square wave produced by every IO port of the Bluetooth chip and then realize gray level adjustment to the LED light. The conclusion is to work out a set of complete feasible dimming circuit system.

Pulse width modulation PWM Dimming circuit LED Gray level adjustment

2015-10-22。魏志遠(yuǎn)，碩士生，主研領(lǐng)域：藍(lán)牙4.0技術(shù)，ARM設(shè)計(jì)與研發(fā)。暴婷，碩士生。

TP34

A

10.3969/j.issn.1000-386x.2017.01.017