基于线性高压恒流驱动的智能LED 灯设计

徐志春，徐根达

(1.中国电子科技集团第52 研究所，浙江 杭州 310012;2.杭州意博高科电器有限公司，浙江 杭州 311112)

0 引言

智能照明是指利用计算机、无线通信数据传输、扩频电力载波通信技术、计算机智能化信息处理及节能型电器控制等技术组成的分布式无线遥测、遥控、遥讯控制系统，来实现对照明设备的智能化控制。智能化是LED 照明灯具未来的发展方向。智能LED 灯具有灯光亮度的强弱调节、色温控制、灯光软启动、定时控制、场景设置等功能。目前，国内外一些企业都先后推出了智能LED 照明产品，比如国外照明行业巨头飞利浦推出了Philip Hue，三星推出了可以手机控制的蓝牙智能灯，LG 公司推出了无线WIFI/蓝牙LED灯。国内，iMagic 研发团队推出了iMagic 蓝牙智能灯泡，小米公司也推出了Yeelight 蓝牙智能灯。虽然智能LED 灯有许多优点，但还存在方案复杂、寿命短、成本高的一些问题。正是基于对以上问题的思考，本产品的方案，选择了集成度高、具有数字接口的多路线性高压恒流驱动IC 作为高压灯珠的驱动电源，采用低功耗蓝牙4.0BLE 模块实现LED 灯的智能控制和通信功能。

1 智能LED 灯的总体方案

智能LED 灯通过硬件和软件的设计，实现的功能包括:1)色彩调节。1 600 万种颜色可自由选择，可根据用户需求生成所需要的颜色;2)亮度调节。调光的数量介于全灭(0)及全亮(255)数值之间，即具有256级亮度调节;3)色温调节。输出单路黄光LED 控制，根据需要的应用场景调整黄光亮度控制色温，提供冷白和暖白双色照明;4)提供智能手机支持的APP 软件，实现蓝牙无线控制LED 灯;5)可选择手机APP 中预置的不同情景模式，满足不同场景的照明色彩需要;6)总功率不超过9 W 的球泡灯，可用手机蓝牙无线连接和控制。

根据上述的功能需求，设计的系统如图1 所示，主要包括以下几个功能单元:电源管理，提供系统所需要的不同大小和类型的电源;蓝牙4.0BLE 控制模块，实现和智能手机之间的无线通信，还要和高压线性恒流驱动IC 通过IIC 协议进行通信，完成各种控制功能;高压线性恒流驱动模块，接收蓝牙4.0BLE 的命令，通过PWM 方式输出恒流，并通过输出电流的大小，实现对高压RGB LED 灯珠组合的色彩变化控制。

图1 系统总体方案

2 智能LED 灯的硬件设计

2.1 电源设计

系统需要两种电源，分别是给蓝牙4.0BLE 模块供电的3.3 V 电源和给高压灯珠提供的直流220 V 左右电源。交流220 V 供电输入，经过全波整流、滤波之后成为直流电压。理想情况下，该电压平均值是198 V 左右，需要经过降压AC/DC 芯片降压到直流3.3 V 输出，给蓝牙4.0BLE 供电。蓝牙4.0BLE模块回路最大工作电流不超过10 mA，在设计时，考虑到降额70%设计，LDO 降压芯片最大输出的电流在15 mA 左右。

选择小功率开关电源的恒压功率开关芯片SM7205 作为降压AC/DC，在全电压90 Vac～264 Vac范围内，输出电压3.3 V，其最大输出电流高达1.2 A。在不同负载下，在恒压精度范围内满足蓝牙4.0BLE对供电电源的要求。为了保证电源输出精度，电阻R1和R2选择精度为1%的贴片电阻。为了增强EMC 性能，在220 V 交流输入回路中需防雷、防浪涌保护电路(见图2)。

2.2 线性高压恒流驱动设计

遵循成本和性能适合原则，LED 驱动电源选用的是线性高压恒流芯片SM2135。该芯片具备5 个独立输出端口，内部还集成了IIC 协议输入端口，可接收MCU 输出信号控制每个端口输出电流大小。芯片内部采用PWM 控制恒流方式驱动多芯封装HVLED 灯珠，高压灯珠具有高电压和小电流的特点，可以解决低压LED 光源工作时发烫问题。设计的电路如图3所示。

SM2135 最多支持5 路恒流输出，每路都可以单独控制。其中，芯片输出的OUT1/OUT2/OUT3 引脚用于控制RGB 三基色，每通道最大输出电流是45 mA。OUT4/OUT5 用于控制冷白和暖白双色，每通道最大输出电流是60 mA。因为红光LED 灯珠压降为2 V，绿/蓝光LED 灯珠压降为3 V，LED1 至LED2 为红光LED 灯珠，和LED 灯珠串接的稳压管是为了满足直流高压的压降要求。其中，DZ1-DZ4，DZ7，DZ10 稳压管稳压值为47 V，DZ5，DZ6 和DZ8，DZ9 稳压值为51 V。冷白、暖白采用高压9 V 灯珠，以30 串1 并的方式组成。

图2 电源原理图设计

图3 线性高压恒流驱动原理图

2.3 无线蓝牙模块设计

蓝牙4.0BLE 模块是整个系统的控制和通信核心单元。BK3434 是一款遵循蓝牙4.0 协议的蓝牙模块，该模块集成的蓝牙芯片内置了8051 单片机，具有16 kB Flashrom 和2 kB SRAM，还嵌入了蓝牙4.0协议。工作电流不超过10 mA，无线传输距离最大20 m，灵敏度-89 dBm。内置的8051 单片机作为系统的主CPU，通过IIC 接口，完成和高压芯片SM2135 数字接口的通信。在和智能手机通信时，内置的蓝牙模块作为从机，最大可以同时连接8 个智能LED 灯。具体的蓝牙模块外围电路设计可参考图3。

3 智能LED 灯的驱动设计

实现和智能手机之间的蓝牙通信协议，主要包括三大部分:内置MCU 和SM2135 通信接口软件的实现、蓝牙协议的构建、蓝牙通信软件设计。

3.1 智能调光的实现

蓝牙模块内置的MCU 通过IIC 接口发送调光信号对高压芯片SM2135 恒流输出控制。其中，CLK 端口接收时钟信号，DATA 端口接收数据。两者遵循的协议(见图4、图5)规则如下。

1)当CLK 为高电平，DATA 由高变低表示开始传输;当CLK 为高电平，DATA 由低变高表示结束传输。

2)传输数据时，采用串行传输，每8 位为1 组数据，当CLK 由低变高时(时钟上升沿)，数据写入。每完成8 位数据传输，即8 个时钟后，在第9 个时钟，芯片内部产生应答信号ACK 将DATA 管脚拉低。

3)每次数据传输时，第一组8 位信号为地址数据，即选择RGB、冷白、暖白通道数据写入;第2 组8位数据为开关电流数据，控制每个通道的最大电流;第3 组到第7 组8 位数据分别控制RGB、冷白、暖白的256 级灰度变化。

图4 蓝牙模块和SM2135 通信协议

图5 智能手机蓝牙通信流程图

3.2 智能手机蓝牙通信协议

智能LED 灯作为从机，在初始化的时候，对外广播，并响应主机的扫描请求，匹配UUID 后建立连接成为从机，接收主机服务和特性，并返还主机发送过来的命令数据，内置的MCU 定时扫描存储器，根据存储器中命令的要求执行LED 灯的开关、调光、调色和情景模式的控制。

在低功耗蓝牙中，数据的传输是通过特征值的读写来实现的。在这里重点介绍两个函数:(1)bStatus_t GAPRole_SetParameter(uint16 param，uint8 len，void* pValue)，主要用来配置从机的参数。(2)static void simpleProfileChangeCB(uint8 paramID)是特征值改变时的回调函数。当主机给从机发送数据时，从机便回调这个函数来告知应用层有数据送达。

4 小 结

文章利用线性高压恒流驱动芯片SM2135 和蓝牙4.0BLE 模块实现了一种小功率智能LED 灯。该应用方案电路简洁，没有磁性器件，不需要电解电容，而且效率高，PF 值高，THD 低，发热小。整灯系统可以采用塑包铝或全塑料散热器，轻松解决隔离的难题。该方案不仅能应用于小功率球泡灯，也可广泛应用于白炽灯、日光灯、吸顶灯、平板灯等项目。

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