LED智能驱动系统设计与实现

引言

大功率LED具有亮度高、节能环保、安全性和稳定性高等特点，比传统光源节电60%～70%.根据市场上的现有的大功率LED射灯产品，设计了可应用于走廊、楼梯、教室等场所的智能照明系统。

该系统采用24V/3A开关电源供电，下级可分布多路LED照明模块（见图1）。控制器采用AT89C2051，恒流驱动采用PT4115芯片。灯的亮灭及亮度通过调光方式实现和改变。

PT4115芯片的DIM端可用PWM调光实现输出电流从0到100%调整，根据此特点，设计了集声控、光控、时控于一体的智能调光模块。其功能有：

　　（1）当有光（自然光）时，不管有没有声响，灯不亮。
（2）当无光（自然光）时，若有人经过产生声响，控制器先判断时间段，若是在天色完全暗下来时（定义为第一时间段），则使LED发出100%亮度。其余时间段即天色还较亮，控制器可输出50%占空比方波，使LED发出50%亮度即可，这样可进一步节省电能，提高用电效率。

　　1　基于PT4115的恒流驱动

1.1　PT4115芯片介绍

PT4115是一款连续电感电流导通模式的降压恒流源，用于驱动一颗或多颗串联LED.PT4115输入电压范围为６V～30V，输出电流可调，最大可达1.2A。根据不同的输入电压和外部器件，PT4115可以驱动高达数十瓦的LED.PT4115内置功率开关，采用高端电流采样设置LED平均电流，并通过DIM引脚可以接受模拟调光和很宽范围的PWM调光。当DIM的电压低于0.3V时，功率开关关断，PT4115进入极低工作电流的待机状态。

1.2　LED射灯驱动电路

VIN上电时，电感（L）和电流采样电阻（RS）的初始电流为零，LED输出电流也为零（见图2）。这时候，内部功率开关导通，SW的电位为低。电流通过电感（L）、电流采样电阻（RS）、LED和内部功率开关从VIN流到地，电流上升的斜率由VIN、电感（L）和LED压降决定，在RS上产生一个压差VCSN，当（VIN-VCSN）＞115mV时，内部功率开关关断，电流以另一个斜率流过电感（L）、电流采样电阻（RS）、LED和肖特基二极管（D）；当（VIN-VCSN）＜85mV时，功率开关重新打开，这样使得在LED上的平均电流为IOUT＝（0.085＋0.015）/2×RS＝0.1/RS.如果不使用调光功能，可使DIM引脚悬空，这时可输出设定的最大电流。

　　2　基于TOP249Y的72W开关电源适配器设计

2.1　变压器设计

高频变压器设计应注意：

1）在高频变压器设计中，在最大输出功率时，磁芯中的磁感应强度不应达到饱和，以免在大信号时产生失真。

2）在瞬变过程中，高频链漏感和分布电容会引起浪涌电流和尖峰电压及脉冲顶部振荡，使损耗增加，严重时会造成开关管损坏。同时，输出绕组匝数多，层数多时，应考虑分布电容的影响，降低分布电容有利于抑制高频信号对负载的干扰。对同一高频变压器同时减少分布电容和漏感是困难的，应根据不同的工作要求，保证合适的电容和电感。

2.2　开关电源电路

图3中C6为X型电容，滤除电网之间的串模干扰。L2为共模抑制器，可以滤除共模干扰，C1为输入滤波电容。R11使用2MΩ的电阻值实现欠压和过压检测，同时提供降低输出电压频率纹波的电压前馈。

TOP249Y在本电路中的直流电压范围为100～450V，一旦超出了该电压范围，TOP249Y将自动关闭。电阻R10使用20.5K电阻值从外部将流限值设定为仅略高于低电压工作时的满载峰值电流，从而允许使用更小的变压器磁芯，同时避免启动和输出负载瞬态的磁芯饱和。VR1即瞬电压抑制管，型号是P6KE200，电容C11与之并联以降低齐纳箝位的损耗。D1为阻断二极管型号可选UF4006。目标钳位电压平均值约为180V.R4，R5，R6为输出电压的取样电阻，取样后与TL431的内部基准电压进行比较，产生误差电压，再通过PC817A光耦反馈到控制引脚C，进而改变TOP249Y的输出占空比，从而稳定输出电压。

　　3　基于AT89C2051的智能控制器

基于AT89C2051的智能控制器电路如图4所示，其主要由传感器单元、A/D转换单元、控制器单元组成。AT89C2051芯片用于对来自声控和光控传感器检测到的信号经过整形以后的信号数据做处理，进而控制LED驱动器。该电路中AT89C2051的ｐ3.0和ｐ3.1端口用作输入信号检测，剩下的13个端口可选择输出控制。软件流程图如图5所示。


　　4　结语

本文所设计的LED射灯智能驱动系统，能有效地监控、检测周围环境的变化，及时关闭、开启灯源以及调光。该系统与传统的声光控延时开关照明系统相比，不仅能大量节省电能，而且其特有的调光模块使用电效率大大提高。该系统在工程上有较好的应用前景。