基于BTS629的自动调光装置的设计实现

 摘 要：为了实现自动调光，简要分析BTS629电路，并采用脉宽调制技术(PWM)对照明灯具及LED的功率进行连续控制以实现自动调光的工作原理。应用该IC芯片和光敏电阻设计了能够实现灯光自动调节的电路，并通过实测光敏电阻参数给出调光比较电位设计的方法。该装置可广泛应用于建筑、街道、汽车等照明应用场合，节能效果显著。
关键词：节能；交通事故；自动调光；脉宽调制；BTS629

0 引 言
    在世界能源越来越匮乏的今天，节能显得尤为重要。如果建筑物内照明灯具、街道路灯、汽车行驶照明灯等照明系统，能够根据环境自然光照强度自动调节其功率，则将会带来巨大的节能效益。例如，当环境自然光强烈时减小灯具的功率；当光强较弱时增大其功率。然而，若依靠人工实现这种调节将会带来增加人力成本，调节滞后，不够精确灵敏等诸多不便。另外，在汽车灯光照明应用中，驾驶员在行驶中开关汽车行驶照明灯，容易使注意力分散而造成道路交通事故。为此，在建筑、街道、汽车等的照明系统中采用自动调光技术既能节约大量能源，又可以减少人力投人，快捷灵敏，尤其在汽车上得到应用可使驾驶员集中注意力，从而利于避免交通事故的发生。

1 BTS629集成IC的自动调光工作原理
    BTS629是西门子公司研制生产的一款采用脉宽调制(PWM)技术对照明灯具及LED的功率进行连续控制的集成电路，具有欠压、过压自动停机，过载及温度超限自动保护，静电泄放(ESD)及射频干扰(RFI)最小化功能特点；控制应用外围电路简单容易操作，特别适合于灯光自动调节的应用需求。 BTS629的自动调光应用原理框图如图1所示。

    内部主要包括时钟发生器、脉宽比较器、逻辑电路、限流电路和电力场效应晶体管(P-MOSFET)，辅助部分有过／欠压检测(Over／Under Voltage Detection)、过压保护(Overvoltage Protection)、温度检测和用于输出参考电压的电压调节模块。时钟波形序列和由IC外部提供的比较电压VC(PIN2脚)输入脉宽比较器，经过脉宽调制产生与输入比较电压VC保持同步变化的等幅不等宽脉冲序列，即PWM波。该PWM波与过／欠压检测和温度传感信号一起提供给逻辑控制电路，产生控制 P-MOSFET门极导通与关断的开关信号。整个电路的工作过程是：当输入比较电压VC增大时，PWM波的占空比增大，每个开关周期管子的导通时间增加，主电路输出的平均电压增大；反之，主电路输出的平均电压减小；当发生欠／过压或过载温度升高时，由控制逻辑电路自动减小脉宽以保护电路。
    PWM调制技术基于采样控制理论的冲量等效原理：即冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时产生的效果相同，如图2所示。将图2(a)中正弦半波在时间上7等分，每一段记为TPWMi，则每一段正弦脉冲波形的冲量Ii(面积)各不相同，若在TPWMi段的中心处生成一个幅度相同的矩形脉冲，且使该等幅矩形脉冲序列符合2个条件：
    (1)其每个脉冲与对应的正弦分段脉冲的冲量Ii相等；
    (2)矩形脉冲序列足够高，以使得各个脉冲在TPWMi的中心处互不重叠，则可得到图2(b)所示的等幅矩形脉冲序列，该序列每个脉冲的周期均为 TPWM，而脉冲宽度各不相同。这种方法称为脉宽调制技术，该方法得到的脉冲系列称PWM波。那么根据冲量等效原理可知，该PWM波与正弦半波相同，若以此波的脉冲作为全控型开关管的门极控制信号则可方便地得到所需波形的功率形式。

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    如图3所示电路，以锯齿波和直流电压信号作为比较器的输入信号，经过比较输出PWM波，其脉冲序列的周期TPWM与锯齿波的周期TSAW相等，而每个脉冲的宽度ton与直流电压信号的幅值Vin成正比；由于直流信号幅值Vin不变，所以所有的脉冲宽度ton亦保持不变，将宽度与周期的比值记为占空比D= ton／TPWM，则有Uo=DUIN。由此可见，若增大Vin，则D随之增大，从而电路输出电压Uo亦增大。

    图1中系统的开关周期TPWM由时钟发生器电路产生的时钟波形周期决定，可通过PIN5脚外接编程电容Ct进行设定，对于BTS629和BTS629A两种型号的Ct分别取47 nF和68 nF。该开关频率编程电容一旦选定，则TPWM即可确定。从PIN7脚输出的电压UOUT由PIN2脚输入的比较电压VC决定，而PIN7的电流则基本保持不变，从而改变系统的输出功率P，以实现灯具调光作用。

2 基于集成IC BTS629的自动调光电路设计
    在实际应用中，可根据控制应用的需求灵活选择PIN2 脚比较电压VC的输入方式。为了实现自动调光功能，该设计中采用光敏电阻RO和固定电阻R1，并接在参考电压Vref(PIN3)脚和地之间，以光敏电阻的压降作为比较电压VC输入PIN2，如图1所示。光敏电阻是用光电导体制成的光电器件，又称光导管，其基于光电效应工作，没有极性，使用时等同于电阻器。工作原理是：当无光照射时，光敏电阻值(暗电流)很大，电路中电流很小；当光敏电阻受到一定波长范围的光照时，其电阻值(亮电流)急剧减少，因此电路中电流迅速增加。电路中Vref保持不变，这使得电阻R1上的电压降随着光照的强弱变化呈现正特性变化，则取自光敏电阻RO，两端的比较电压VC随着光照的强弱变化呈现出负特性，即当光照度强烈时，RO电阻值减小，比较电压VC亦减小；当光照度变弱时，RO电阻值增大，比较电压VC亦增大。由此可使由比较电压VC控制的输出电压UO随着光照的强弱变化亦呈现出负特性，从而控制照明灯具获得随光照强弱呈反向变化的功率以实现自动调光：即当光照度强烈时照明灯具功率降低，当光照度变弱时照明灯具功率增大。
    BTS629的工作电压(PIN4-GND)在5．5～16．9 V之间，负载电流(PIN4～PIN7)理论值最大为14 A，输出参考电压Vref=2．5 V，占空比变化范围在8 %～98％之间。该设计中供电电源为直流12 V，则负载获得电压变化范围在O．96～11．76 V之间变化，也即当完全无光照射和自然光照射时分别输出0．96 V和11．76 V；而光敏电阻在无光照射和自然光照射时的阻值分别为100 kΩ和100 Ω。为了使VC在8％Vref～98％Vref范围内变化，确保D<98％，取R1=2．2 kΩ；则当光照度达到最强时，Ro=100 Ω，对应的D值为4％由BTS629的自动保护而关闭，此时Uo接近于0V而关闭照明灯具。

3 结语

    利用BTS629构成的PWM自动功率连续控制电路可灵活构成自动调光装置，该装置可广泛应用于建筑、街道、汽车等照明应用场合，控制应用电路简单可靠，节能效果显著。