脉冲宽度调变在智能LED灯灰度调节中的研究

魏志远 暴 婷

(北京工业大学软件学院 北京 100123)

脉冲宽度调变在智能LED灯灰度调节中的研究

魏志远 暴 婷

(北京工业大学软件学院 北京 100123)

针对脉冲宽度调变(PWM)技术在LED灯灰度调节中的应用，提出一种可用于调节LED灯灰度的调光电路的解决方案。实验结果是通过改变蓝牙芯片的各个IO端口产生的PWM方波的占空比，来实现对调光电路中流过LED灯珠电流的调节，进而实现对LED灯的灰度调节。由此设计并研究出一套完整可行的调光电路系统。

脉冲宽度调变 PWM 调光电路 LED 灰度调节

0 引 言

在能源日益紧缺、污染严重的环境下，发光二极管LED作为新一代的光源，相较于其他传统电光源，LED有着众多优点。LED具有寿命长、耗电低、体积小、结构稳固、在调光工作时发光效率提高等特点[1-4]，利用LED的优点制作的LED照明灯具以其寿命长、结构稳固、省电、无紫外辐射、灯具可塑性强和装饰更美观等优点，逐渐进入人们的视野，被视为替代传统照明光源的第四代照明光源[5-8]。随着红、绿、蓝三原色的混色技术和PWM方波调光技术在LED照明中的应用日渐成熟，可以使用不同的色彩和灰度来组合不同的氛围[9-10]。

与此同时随着短距离无线通信市场的快速增长，像WiFi、蓝牙技术(Bluetooth)、ZigBee、超宽带技术(UWB)、射频识别技术(RFID)及近场通信(NFC)等低功耗、微型化的无线通信技术更多应用于日常生活中来[11-12]，为LED无线控制技术带来许多新的发展。目前很多公司的Bluetooth和ZigBee芯片增加了PWM方波输出端口，为PWM调节技术带来了许多的方便。

本文旨在研究PWM调光技术在LED灯的灰度调节中的应用方法，建立适用于情景照明的调光电路实验模型。通过理论指导和大量的实验发现电路设计和软件编程中的不足，研究出一个稳定、可靠的LED照明系统。

1 脉冲宽度调变

脉冲宽度调变(PWM)技术是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法[13-14]。通过高分辨率计数器的使用，方波的占空比(DON)被调制用来对一个具体模拟信号的电平进行编码。占空比为:

(1)

式中，t为正脉冲的持续时间；T为脉冲总周期。

保持PWM方波振幅不变的情况下改变占空比，平均电压可以被控制，如图1所示。当应用于直流电机、灯等电器,一个更加平滑有效的直流电压可以通过高的脉冲频率获得。相比电位计或变阻器散热时浪费的电力，PWM方波调控方法更有效而且节能。

图1 PWM信号图

考虑到用PWM方波驱动LED灯，如图2所示，当选择低占空比的脉冲信号时，对应所产生的电压相对较低，因此流过LED灯珠的电流也是相对较低的，亮度也是相对较低的；相同原理，当选择高占空比的脉冲信号时，对应所产生的电压较高，因此LED灯珠的亮度也是相对较高。

图2 占空比改变对输出电压的影响

当低占空比的脉冲信号变为高脉冲信号时，需要一个过度时间。如图，低电压变为高电压也是一个渐变的过程，因此LED灯珠的亮度变化也是一个渐变的过程；同理适用高电压变为低电压。

在软件编程的时候，可以在程序中设定这个变化时间为0。但是，实际的电路中，低占空比和高占空比之间的转化所消耗时间是不可避免的。并且两个占空比之间差越大，变化时消耗的时间越多，无用能量消耗也越多。从节能和散热的角度考虑，应该减少无用能量的消耗。

2 调光电路总体方案的设计

现在市面上可以产生PWM的无线芯片种类繁多，考虑到实验人员以及用户的使用方便，本设计方案选择蓝牙芯片CSR1010。使用蓝牙芯片IO口产生的PWM方波直接驱动LED灯珠，理论上只要PWM方波大于10Hz就可以实现。但对于高功率的LED灯珠，除了电压合适，还要确保有足够大的电流流过LED灯珠，这样蓝牙芯片IO输出口明显供电不足。这时就需要蓝牙芯片和大功率的LED灯珠中间就需要一个LED调光电路，通过间接的方式去控制流过大功率LED灯珠的电流。

调光电路的总体方案如图3所示，输入220V/50Hz交流电，通过AC/DC电压转换模块变为直流电压18VDC，为中间的调光电路供电。调光电路可以输出恒定的电流为LED灯珠供电，称这种供电方式为恒流源供电。当有外界干扰使得电流变化时，流过LED的电流都可以在调光电路调节作用下达到设定值。由于LED具有非线性I-V特性，较小的电压波动将引起电流的大波动，所以相对于恒压源供电，恒流源为LED灯珠供电可以达到较好的性能。

图3 调光电路的设计

2.1LED驱动集成电路芯片

为了实现恒流源稳定供电的功能，在这里引入一款高性能、高效率、低功耗的LED驱动集成电路芯片——FT3811。FT3811芯片带有降压功能，能驱动1A的LED电流可高达30V的电压输入。如图4所示芯片内部框图及其外围电路。DM端口为使能控制端口，为PWM方波输入端口；SW为开关节点。当使能控制端DM输入PWM方波的占空比为一定值时，FT3811芯片通过控制进入SW端的电流，来实现控制流过LED灯的电流，同时也保证了为LED供电为恒流源。最多能驱动6只串联的LED灯珠。

图4 FT3811芯片内部框架图及其外围电路

设计FT3811芯片的外围电路时，需要在输入PWM方波的使能控制端加一个阻值为1kΩ下拉电阻，如图5所示。如果不加下拉电阻，整个电路上电时，LED灯珠会出现瞬间爆闪的现象。这是由于上电瞬间，PWM方波输出口从高电平瞬间还原成软件设置的状态，导致开机瞬间爆闪。当加上阻值为RL=1kΩ下拉电阻时，PWM方波输出端口主动拉低开始时的接口电压。

图5 PWM方波输入电路图

2.2LED灯珠的灰度调节

人眼具有视觉暂留特性，当光源停止发光后，光源的视觉像不会马上消失，可以暂时在眼睛中停留1/16s，所以将光源每秒闪烁次数超过16次，人眼将会看到稳定的光源。PWM技术正是利用人眼的视觉暂留特性，输出高频PWM方波，产生让人眼无法察觉的灯光闪烁。同时通过改变PWM方波的占空比来调节流过LED灯珠的电流，实现LED灯珠调光。

根据蓝牙芯片时钟的计数规则，设定计数是32 768。同时考虑到调色的方便，选择0～255区间的调色方法。所以初步设计PWM方波周期为：

T=255/32 768=7.78 ms

(2)

所以其频率为：

f=1/T=128.5 Hz

(3)

本实验的LED灯珠统一选用德国ORSAM公司的红、绿、蓝、白四色大功率LED灯珠。通过对FT3811芯片使能控制端DM输入不同占空比的PWM方波(相当于输入不同的电压)，观察并记录不同占空比下对应的流过LED灯珠的电流。所得结果如图6所示，图中为了方便后面说明，这里用电压值表示使能控制端DM输入的占空比。

图6 DM VS ILED

由图6所示，可以看出相同的LED驱动集成电路芯片控制下，不同种类LED灯珠的曲线是不同的。它们的使能控制端DM输入电压与电流ILED成正比，并且可以将红、绿、蓝这三色LED灯珠的变化曲线认为近似重合。白色的LED灯珠可以单独考虑。

通过四种颜色灯珠的数据手册，可以知道，LED灯珠的光通量ΦV和ILED电流成正比。所以可以推导出下面的等式：

(4)

其中，nΦV为灰度调节比，Φ为ILED=300mA下满光通量值。

(5)

其中，nILED为流过LED灯珠调节比，I=ILED=300mA。

(6)

其中，nDM为DM使能控制端输入电压比，UDM为输入电压值，U=UDM=2.4V。最后得出结论：

nΦV=nILED=nDM=DON

(7)

通过式(4)-式(7)就实现了通过调节占空比对大功率LED灯珠的灰度调节。

3 调光电路中出现的问题及改进方法

整个实验LED照明系统搭建好，用智能手机的蓝牙控制LED灯，检验LED灯。发现LED灯换色时光效忽闪，而且变色速度不快。

3.1 光效忽闪

对于光效忽闪的问题，可以从俩个方面考虑：电源变压器的功率不足和PWM频率是否匹配电源。对于第一点，使用电源箱为调光电路供电，发现换光时光效还是忽闪的。由于电源箱可以提供充足的功率，所以排除电源变压器的功率不足的问题。所以问题就出现在了第二点上。

对于第二点，因为初始时设计的蓝牙IO端口的PWM频率输出为128.5Hz，而电源系统是220V/50Hz交流电供电，极有可能是电源频率和PWM频率相近引起忽闪。通过对蓝牙芯片的编程，将PWM频率提升23倍至：

f*=128.5Hz×23=1028Hz

(8)

实验证明，当f>f*时，变色时出现的忽闪的问题得到解决。因此，f*为可接受的最低频率。

3.2 提高变色速度

对于变色不快的问题，则需要从PWM方波的占空比上考虑。由第2节可以知道，当低占空比的脉冲信号变为高脉冲信号时，需要一个过度时间。即使在软件编程中设定这个变化时间为0，但是在实际电路中低占空比和高占空比之间的转化所消耗时间是不可避免的。这就是为什么会发现LED灯珠的变色速度不快的原因。

因此，可以设计一个电路在缩小可调节占空比范围的同时，又可以对整个流过LED灯珠的电流范围进行控制。这个电路类似一个放大器的作用，设计电路如图7所示。在PWM方波输入端和LED驱动集成电路芯片间加入N型场效应管BSS138N。图7中，R0=1kΩ,RL=10kΩ。

图7 PWM方波输入改进电路图

通过实验测试G点输入电压和D点输出电压的关系，得到下面的曲线图，如图8所示。可以将0.758≤UGS≤0.843V间的变化曲线近似的认为是线性变化，其中UGS与UDS成反比。根据图6知道，流过红、绿、蓝色LED的电流范围是在40～300mA之间，对应的LED集成电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。根据图8的变化曲线，UGS取值是0.77～0.84V。

图8 N型场效应管电压关系曲线图

UGS的取值范围是0.76～0.84V，对应的PWM方波的占空比取值范围是0.775/3.3×100%～0.84/3.3×100%，即23.33%～25.45%。在软件编程时设计红、绿、蓝的变色范围的占空比取值为23.33%～25.45%。随着占空比的取值范围变小，初始设定的PWM方波的频率显得明显不足，需要扩大输出PWM方波频率值。新的PWM方波频率fNew取值：

fNew=f×26=8224 Hz>f*

(9)

其中，f为式(3)中的基本频率，f=128.5Hz。

再将这个区间分为255个点，通过选择不同的点来实现对LED灯珠灰度变化的调节。这时的软件编程与之前的不同，PWM方波的占空比与LED灯的灰度变化成反比。

通过缩小PWM方波变化区间的方法实现LED灯的快速变色，同时由于占空比取值区间较小，前文中提出的占空比变化时无用能量的消耗也会相应大幅减少，减少了LED灯的无用热量产生。

3.3 改进后的智能LED灯

如图9所示，为完成智能LED灯的改进工作，我们分别设计了LED灯板、控制板和电源模块三个部分。

将三个部分搭建在一个平台上，组成实验平台，方便前期编程和实验，如左图所示；实验和测试结束后，将三个部分组装起来，如中间图所示；最后封装在灯壳中，如右图所示。

改进后的LED解决了之前出现的灰度调节时忽闪以及变色速度慢的问题。

图9 智能LED灯

4 结 语

本文针对脉冲宽度调变技术在LED灯调光电路中的应用进行了电路设计、软件编程和实验分析，以LED灯珠灰度调节为研究对象，并且通过实验，对设计硬件电路和软件编程中出现的一些问题进行了理论分析和设计改进，对于照明系统的制作提出了自己的见解和思路分析。下一步将设计完整的情景照明系统，将情景感知等应用功能加入进来，提高整个照明系统的实用性。

[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,金骥,倪晓武,等.基于光学扩展量的LED均匀照明反射器的设计[J].光学学报,2009,29(8):2297-2301.

[8] 陈健,王庆康,李海华.光子晶体结构参数的随机扰动对光子晶体LED出光效率的研究[J].光学学报,2010,30(1):233-236.

[9] 李薇,刘方.情景照明系统的LED混色技术研究(上)[J].中国照明电器,2009(10):8-10,27.

[10] 曹宇杰,金尚忠,岑松原.高显色指数LED灯的设计[J].光学学报,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。魏志远，硕士生，主研领域：蓝牙4.0技术，ARM设计与研发。暴婷，硕士生。

TP34

A

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