恒照度自適應調光的LED驅動器設計

　　本文針對傳統照明能效低、耗電量大等問題，設計了LED恒照度調光驅動器。系統使用恒流LED控制芯片NCL30160作為LED光源驅動電路，采用TSL2561光照度傳感器采集室內光照度，通過處理器相應算法進行閉環控制，實現室內的恒照度調光。該算法實現了PWM波形平滑變化，避免因PWM突變造成閃光。同時，系統增加了人體運動控制，實現無人、有人時的不同調光方案，使設計進一步節能和智能化。

　　1 系統簡介及工作原理

　　系統由PIC16F690單片機、 TSL2561光照度傳感器、LED光源和LED驅動電路4部分組成。由于LED的亮度與工作電流成正比，故調節工作電流即可調節LED的發光亮度。目前主要有調節正向電流和脈沖調制調光兩種調光方法。由于脈寬調制調光具有不會產生任何色彩偏移、調光精度高、結合數字技術調光、調光范圍寬、不閃爍等優點，故本文選用脈沖調制調光。

　　系統主要由TSL2561采集光照度反饋給PIC16F690處理芯片，經過PIC16F690進行相應的算法處理，輸出隨光照度規律變化的PWM波形，經過帶有PWM接口的驅動電路驅動LED燈從而實現調光。系統框圖如圖1所示。

　　圖1 恒照度調光的LED驅動器系統框圖

　　同時，在本系統中加入了人體運動控制以及按鍵控制，能夠檢測人體運動，實現在無人時自動關閉LED燈，進一步減少電能浪費;按鍵能夠調節PWM波形的頻率以及設定環境最大光照度，使系統更為人性化。

　　1.1 PIC16F690單片機

　　PIC16F690單片機具有高性能的RISC CPU、低功耗以及豐富的外設資源，能夠滿足本系統的硬件資源需求。由于該款單片機資源豐富，既滿足系統需求，又不十分浪費資源，故降低了控制器成本。

　　1.2 TSL2561光照度傳感器

　　TSL2561是TAOS公司推出的一種高速、低功耗、寬量程、可編程靈活配置的光強度數字轉換芯片。該芯片的應用能夠提供最好的顯示亮度并降低電源功耗。TSL2561具有以下幾個特點：

　?、倏删幊膛渲迷S可的光強度上下閾值，當檢測光照度超過閾值時能產生中斷信號;

　?、跀底州敵龇蠘藴实腟MBus和I2C總線協議;

　?、劭删幊炭刂?a href="http://www.qd573.com/analog/" target="_blank">模擬增益和數字輸出時間;

　?、艹》庋b和超低功耗;

　?、葑詣右种?0 Hz/60 Hz的光照波動。

　　TSL2561 的內部結構如圖2所示。其內部有兩個光敏二極管通道，即通道0和通道1，其中通道0對可見光和紅外線都敏感，通道1僅對紅外線敏感。流過光敏二極管的電流經過積分式A/D轉換器轉換為數字量，轉換完后將數字量存入芯片內部的寄存器中。積分式A/D轉換器將在一個積分周期完成后自動進行積分轉換過程。 TSL2561可以通過對其內部16個寄存器設定來控制，該16個寄存器可通過標準的SMBus或者I2C總線協議訪問。

　　圖2 TSL2561的內部結構

　　2 硬件設計

　　2.1 控制電路設計

　　控制電路主要由PIC16F690的最小系統組成，包括復位電路、輸入按鍵電路、下載調試電路、供電電路、晶振電路以及相應的信號輸入/輸出接口。

　　由于本系統的研究重點在于調光算法，且系統屬于小功率，故供電電路采用簡單實用的阻容電路。芯片供電電壓為3.3 V，采用ASM1117穩壓芯片。

　　下載調試電路根據微芯公司提供的資料，采用微芯集成仿真器ICD3，接口電路根據官方資料設計。復位電路以及晶振電路按照常用電路設計?？傮w硬件框圖如圖3所示。

　　圖3 總體硬件框圖

　　2.2 驅動電路設計

　　圖 4為基于恒流LED控制芯片NCL30160的LED驅動電路。NCL30160是安森美半導體推出的一款NFET遲滯降壓、恒流LED驅動器。它將電流提升到了1.5 A，是新一代高能效的解決方案，損耗非常低，體積很小，可最大限度地減少空間和成本。通過利用僅55 mΩ的低導通阻抗內部MOSFET及以100%占空比工作的能力，能夠提供能效高達98%的方案。最高1.4 MHz的高開關頻率使設計人員可采用更小的外部元件，將電路板尺寸減至最小及成本降至最低。

　　圖4 驅動電路圖

　　根據NCL30160的數據手冊及輸出要求計算外圍器件參數。系統采用5顆1 W的LED串聯，恒定電流為350 mA。

　　R1=200 mV/ILED=200 mV/350 mA≈0.56 Ω （1）

　　式中，ILED為LED燈串電流。圖4中的C5采用官方數據手冊推薦的取值。電感L1及ROT由式（2）～（4）得到。式中，toff、ton、△I、RDS（oN）的取值參考數據手冊;VIN在此處取為24 V，DCRL為電感電阻，此處取為0 Ω。