CN101697653A - 组网型大功率成组led智能调光驱动器 - Google Patents
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Abstract
本发明为组网型大功率成组LED智能调光驱动器，包括功率调节系统和数字化控制系统；功率调节系统由接入单相交流输入电源的单相整流滤波模块、谐振软开关逆变模块、变压整流模块依次连接组成；数字控制系统由异常检测保护模块、采样检测模块、ARM微处理器系统、高频驱动模块、参数给定模块和串行总线通信模块相互连接组成。本发明能够根据大功率成组LED的工作特性自动匹配恒流、恒压以及变特性驱动输出，实现远程组网以及智能调光。
Description
技术领域
本发明涉及一种LED调光驱动器，特别涉及一种组网型大功率成组LED智能调光驱动器。
背景技术
照明能耗在整个电力消耗中占了举足轻重的位置，美国能源部数据显示，美国22％的电力消耗于照明领域。国内更甚，以上海为例，照明用电占上海全市用电的1/3以上，既节能又环保的照明革命迫在眉睫。半导体照明(LED照明)是上世纪90年代发展起来的新一代冷光源，具有传统光源无可比拟的优势：节约能源、保护环境(不含汞等有害物质)、寿命长(5万小时)、减少维护费用、提供更好的灯光品质、改进灯光视觉效果和安全性，这些都使LED技术在众多基础设施建设中得到越来越多的应用。美国计划在未来12年内，逐步淘汰白炽灯，改用节能环保的新式照明灯，将比目前的灯泡至少节电70％；澳大利亚政府宣布，将在2010年之前全面禁止使用白炽灯照明。2008年1月21日，财政部、国家发展和改革委员会联合发布《高效照明产品推广财政补贴资金管理暂行办法》，重点支持包括半导体照明产品在内的高效照明产品替代在用的白炽灯和其他低效照明产品。除了节能之外，LED最大的优势在于不含汞等有害金属物质，代替传统照明后可以大大降低汞、铅等对环境的污染。以在背光上的应用为例，2008年全球个人电脑出货量预期将达到2.96亿台(IDC公司预测)，如果LED取代一半背光，以每台1支CCFL(冷阴极灯管)，每支5mg汞计算，那么将减少740kg的汞污染，大大减少了对环境的污染。
目前LED领域的专利，尤其是白光专利仍然集中在世界五大厂商Cree、Nichia、Osram、Lumileds、TG手中，主要的LED芯片供应商也集中于这些国际大厂。经过30多年的发展，中国LED产业已初步形成了较为完整的产业链，在经历了买器件、买芯片、买外延片之路后，已经实现了自主生产外延片和芯片。在“国家半导体照明工程”的推动下，形成了上海、大连、南昌、厦门和深圳等国家半导体照明工程产业化基地。LED理论上的使用寿命在10万小时以上，但在实际应用过程中，由于驱动电源的设计及驱动方式选择不当，使LED极易损坏。根据LED的电压、电流变化特性，LED均采用直流驱动，在市电与LED之间需要加一个电源适配器即LED驱动器，把交流市电转换成合适LED的直流电。LED驱动器应该具备高可靠性、高效率、高功率因素等特点。目前，LED通行驱动方式有两种，一是单个恒压源供多个恒流源，每个恒流源单独给每路LED供电，这种方式组合灵活，一路LED故障，不影响其他LED的工作，但成本略高；另一种是直接恒流供电，LED串联或并联运行，成本低，但灵活性差，还要解决某个LED故障，不影响其他LED运行的问题。
LED驱动电源按电路结构可以分为以下六类：常规变压器降压(重量偏重、电源效率也很低，一般在45％～60％，可靠性不高)，电子变压器降压(转换效率低，电压范围窄，一般180～240V，波纹干扰大)，电容降压(容易受电网电压波动的影响，电源效率低，容易损坏芯片)，电阻降压(效率很低，而且系统的可靠性也较低，受电网电压变化的干扰较大，不容易做成稳压电源)，RCC降压式开关电源(稳压范围比较宽、电源效率比较高，一般可在70％～80％，应用较广，开关频率不易控制，负载电压波纹系数较大，异常情况负载适应性差)，PWM控制式开关电源。其中，PWM控制式开关电源的输出电压或电流稳定，采用高频逆变技术，电源转换效率极高，一般都可以高达80％～90％，驱动器功率输出能力强，由于逆变频率高，电源的时间常数小，动态性能好，输出电压、电流的波形控制非常精确和稳定，可靠性高。
采用软开关高频逆变技术，不仅可以有效改善功率器件工作环境、提高系统可靠性，还可以有效地降低逆变电源电磁干扰，提高电磁兼容性，实现“绿色化”设计，能够较好的降低电源的“电磁污染”，有利于电源行业逆变电源“绿色化”改造，提高产品的竞争力。
PWM控制式LED开关电源对时间要求比较苛刻，需要对电源的各种状况做出及时而有效的响应，采用数字化和嵌入式控制技术是比较先进而稳妥的解决方案。不少国际一流厂家对嵌入式数字电源的应用采用了稳妥的应对方案，一般分为四个级别，其中，最高的级别就是实现真正的数字控制，它用一个数字控制器集成了所有PWM控制环路以及监控管理通讯等功能。TI公司推出的基于Cortex-M3内核的ARM芯片组就是面向这个等级的专用控制芯片。从目前的情况来看，绝大多数开关电源都采用传统的模拟电路，部分还处于第二或者第三个阶段，嵌入式数字控制电源作为一种新兴技术还处于摸索阶段。可以预料，数字电源产品在未来的前景将相当可观。
发明内容
针对目前LED驱动电源存在的问题以及相关技术的发展趋势，本发明的目的在于提供一种组网型大功率成组LED智能调光驱动器。该驱动器包括数字控制系统和功率调节系统两大部分。以基于Cortex-M3内核的32位ARM嵌入式微处理器为控制核心，以RTX-Kernel为嵌入式实时内核，实现组网型大功率成组LED智能调光驱动器的全数字控制，改善驱动器的一致性、可靠性和动态响应能力；结合高频软开关逆变技术，使LED驱动器体积小巧，具有良好的电能转换效率和电磁兼容能力，驱动能力强，能够满足大功率成组LED驱动的需要；采用串行总线通信技术，易于实现多驱动器的组网控制。
为实现本发明的目的，采用如下技术方案：组网型大功率成组LED智能调光驱动器，连接单相交流输入电源，其特征是，包括能根据LED负载情况自动实现恒流、恒压以及时变特性匹配输出的功率调节系统和数字化控制系统；所述功率调节系统由单相整流滤波模块、谐振软开关逆变模块、变压整流模块依次连接组成，包括单相整流桥、滤波电路、LC谐振换流电路、功率开关管、变压器、高频快速整流桥以及吸收电路等；所述单相交流输入电源连接单相整流滤波模块，所述变压整流模块与LED负载相连接；所述数字控制系统由异常检测保护模块、采样检测模块、ARM微处理器系统、高频驱动模块、参数给定模块和串行总线通信模块相互连接组成；其中，所述单相交流输入电源通过异常检测保护模块和ARM微处理器系统相连接；所述变压整流模块的输出还与采样检测模块和ARM微处理器系统依次连接；所述ARM微处理器系统和高频驱动模块以及功率调节系统中的谐振软开关逆变模块依次连接；所述串行总线通信模块与ARM微处理器系统相互连接；所述参数给定模块与ARM微处理器系统相连接。
为了更好地实现本发明，所述功率调节系统中的谐振软开关逆变模块采用高频谐振移相全桥软开关拓扑结构，以高频功率MOSFET作为功率开关管，功率MOSFET工作于零电压软开关换流模式。
所述数字化控制系统中的采样检测模块由串联于功率调节系统的变压整流模块处的精密采样电阻R1、并联于功率调节系统的变压整流模块处的采样电阻R2、R3、电流随光照度增强呈线性变化的可见光照度传感器On9658F和转换隔离电路及其外围电路相互连接组成；所述转换隔离电路由高线性度、高稳定度、宽频带的光藕HCNR200、运算放大器LF353以及LM324相互连接组成。
所述数字化控制系统中的ARM微处理器系统由基于32位Cortex-M3内核的、固化有以RTX-Kernel为实时内核的软件系统、能够产生4路数字PWM以及具备可编程UART的ARM嵌入式微处理器LM3S818、晶振电路、滤波电路、复位电路及其外围电路相互连接组成。
所述数字化控制系统中的串行总线通信模块由芯片MAX232A及其外围电路相互连接组成；其中，MAX232A的13和14引脚直接连接到ARM微处理器系统的32位ARM微处理器LM3S818的17和18引脚。
所述数字化控制系统中的高频驱动模块由芯片MC34152和KD101及其外围电路相互连接组成；其中，芯片MC34152和KD101与ARM微处理器LM3S818的25、26、29和30引脚相连接，将LM3S818产生的4路数字移相PWM信号进行隔离和放大。
所述数字化控制系统中的参数给定模块由3个电位器以及2个开关构成，分别与ARM微处理器系统的ARM芯片LM3S818的A/D端口和I/O端口直接连接，由电位器上分压的大小来改变驱动电流和电压大小的给定，由开关的关和断对应的不同电平信号来决定驱动类型是电流型驱动、电压型驱动还是变特性驱动。
所述数字化控制系统中的异常检测保护模块由桥式检测电路、与非门及其外围电路相互连接组成。
本发明的原理是这样的：
本发明为组网型大功率成组LED智能调光驱动器，功率调节系统主电路为全桥拓扑结构，工作于谐振软开关模式。ARM微处理器系统通过串行总线或者从参数给定模块经过A/D转换端口接收到相关工艺参数以及采样反馈信号之后，在运行于RTX-Kernel实时内核的软件系统中进行给定信号与反馈信号的比较运算，通过软件编程产生4路移相的数字PWM信号，经过高频驱动模块的隔离和放大，去控制功率调节系统全桥逆变主电路的4个功率MOSFET，实现功率管的软开关换流，逆变频率高达100KHz，动态性能好，易于根据要求输出恒流、恒压或者时变特性的波形输出，直接加载于成组LED上，驱动LED发光。电流反馈是在变压整流模块之后使用串联采样电阻的方式得到采样信号，而电压反馈则是通过电阻分压的方式得到采样信号，LED发光亮度的采样则是通过可见光照度传感器进行采样，这几个采样信号经过放大、比较之后，输送到ARM微处理器的A/D转换端口，通过与给定值的比较来改变四个功率MOSFET的导通与截止时间，实现占空比的调节从而达到对LED进行调光驱动目的。驱动器的ARM微处理器系统通过串行总线通信模块与其他LED驱动器或者是远程控制终端进行组网和数字通信，获取相关参数和指令，实现组网协同工作。
本发明与现有的技术相比，具有如下优点和有益效果：
1、本发明组网型大功率成组LED智能调光驱动器实现了对大功率成组LED调光驱动的数字化和智能化控制，使LED驱动器具有更好的一致性、动态响应性能和可靠性，能够自动对LED照度进行准确调节。
2、本发明组网型大功率成组LED智能调光驱动器采用了高频谐振移相软开关换流技术，进一步提高了电能转换效率，改善了电磁环境和功率MOSFET的工作状况，动态性能好，易于实现对输出波形的精确调制，适应性好。
3、本发明组网型大功率成组LED智能调光驱动器具有串行总线通信模块，易于与其他驱动器或者远程控制终端组网，构成LED照明网络，可扩展性和移植性好。
附图说明
图1是本发明组网型大功率成组LED智能调光驱动器的系统结构方框图；
图2是本发明组网型大功率成组LED智能调光驱动器的功率调节系统的原理图；
图3是本发明组网型大功率成组LED智能调光驱动器的数字化控制系统的结构方框图；
图4是本发明组网型大功率成组LED智能调光驱动器的数字化控制系统的ARM微处理器系统的原理图；
图5是本发明组网型大功率成组LED智能调光驱动器的数字化控制系统的串行总线通信模块的原理图；
图6是本发明组网型大功率成组LED智能调光驱动器的数字化控制系统的高频驱动模块原理图；
图7是本发明组网型大功率成组LED智能调光驱动器的数字化控制系统的采样检测模块原理图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
如图1所示，本发明组网型大功率成组LED智能调光驱动器包括数字化控制系统100和功率调节系统200两大部分；所述功率调节系统由单相整流滤波模块2001、谐振软开关逆变模块2002、变压整流模块2003依次连接组成，所述单相交流输入电源与单相整流滤波模块2001相连接，所述变压整流模块2003与LED负载相连接；所述数字控制系统100由异常检测保护模块1001、采样检测模块1002、ARM微处理器系统1003、高频驱动模块1004、参数给定模块1005和串行总线通信模块1006相互连接组成；其中，所述单相交流输入电源通过异常检测保护模块1001和ARM微处理器系统1003相连接，所述功率调节系统中的变压整流模块2003的输出还与采样检测模块1002和ARM微处理器系统1003依次连接，所述ARM微处理器系统1003和高频驱动模块1004以及功率调节系统中的谐振软开关逆变模块2002依次连接；串行总线通信模块1006与ARM微处理器系统1003相互连接；参数给定模块1005与ARM微处理器系统1003相连接。
如图2所示，本发明组网型大功率成组LED智能调光驱动器的功率调节系统200由单相整流滤波模块2001、谐振软开关逆变模块2002、变压整流模块2003依次连接组成。单相交流输入电源从插座P1接入，经过D0整流桥整流和电容C1滤波之后变成平滑的直流电，进入由L1、C5以及功率MOSFET-NQ1～Q4构成的谐振移相软开关逆变电路，进行高频软开关逆变，获得高频交流方波，然后进入高频功率变压器T1变压，经D1整流，之后通过L2和C6平滑滤波，获得LED驱动所需的低压直流电，经P2输出给LED负载。R1为电流采样精密电阻，采集到的电流信号经过X1和X2接入采样检测模块；R2和R3为输出电压的采样电阻，采用分压的方式采样，采样信号经过X2和X3接入采样检测模块。
如图3所示，本发明组网型大功率成组LED智能调光驱动器的数字化控制系统100由异常检测保护模块1001、采样检测模块1002、ARM微处理器系统1003、高频驱动模块1004、参数给定模块1005和串行总线通信模块1006相互连接组成。
如图4所示，本发明组网型大功率成组LED智能调光驱动器的数字化控制系统的ARM微处理器系统1003主要由32位基于Cortex-M3内核的ARM嵌入式微处理器LM3S818、由Y1、C1～C2构成的晶振电路、C13～C16的滤波电路、由R61、C18构成的复位电路及其外围电路相互连接组成。
如图5所示，本发明组网型大功率成组LED智能调光驱动器的数字化控制系统100的串行总线通信模块1006主要由芯片MAX232A及其外围电路相互连接组成，其中，MAX232A的13和14引脚直接连接到ARM微处理器系统1003的32位ARM微处理器LM3S818的17和18引脚。
如图6所示，本发明组网型大功率成组LED智能调光驱动器的高频驱动模块，由芯片MC34152和KD101及其外围电路相互连接组成，用于将ARM微处理器LM3S818的25、26、29和30引脚产生的4路数字移相PWM信号进行隔离和放大，该4路数字移相PWM信号分别接入高频驱动模块的X12、X13、X14和X15，X16为输入信号的公共地，经过隔离放大之后的驱动信号分别经过Y1/Y2、Y3/Y4、Y5/Y6和Y7/Y8接入到功率调节系统，驱动功率MOSFET。
如图7所示，本发明组网型大功率成组LED智能调光驱动器的采样检测模块1002由精密采样电阻R1(串联于功率调节系统200的变压整流模块2003处)、采样电阻R2和R3，电流随光照度增强呈线性变化的可见光照度传感器On9658F，由高线性度、高稳定度、宽频带的光藕HCNR200、运算放大器LF353以及LM324等构成的转换隔离电路以及外围元件构成。从电流精密采样电阻R1两端采集到的电流信号经过X1和X2接入采样检测模块1002进行线性转换隔离之后经X11输入ARM微处理器系统的LM3S818的A/D端口；从输出电压的采样电阻R2和R3上采样的电压信号经过X2和X3接入采样检测模块，进行线性转换隔离之后，经过X12输入ARM微处理器系统的LM3S818的A/D端口；照度传感器的输出电流随照度呈线性变化，从而采样电阻R40上的电压也跟随照度传感器输出电流变化，该信号经过采样检测模块之后进行线性隔离放大，经过X13输入ARM微处理器系统的LM3S818的A/D端口。
本发明是这样工作的：单相220V工频交流电经过单相整流滤波模块2001后成为平滑直流电，进入谐振软开关逆变模块2002进行高频逆变，获得高频方波脉冲，然后进入变压整流模块2003进行降压和高频快速整流滤波，获得平滑的直流电；ARM微处理系统1003从参数给定模块1005或者串行总线通信模块1006获得预设的参数值以及驱动器输出驱动类型指令，从采样检测模块1002检测到的电流、电压以及照度的采样反馈信号，在基于RTX-Kernel实时内核的软件系统中进行给定信号与反馈信号的高速数据运算和处理，通过编程方式经过ARM微处理系统1003的ARM微处理器LM3S818的数字PWM端口输出4路移相的数字PWM信号，经过高频驱动模块1004隔离和放大之后，控制谐振软开关逆变模块2002的4个功率MOSFET的开关的移相角度，从而改变占空比，达到驱动器恒流特性、恒压特性以及变特性驱动目的。谐振软开关逆变模块2002的4个功率MOSFET工作于LC谐振软开关换流模式，逆变频率高达100KHz以上，系统的时间常数很小，动态性能好，调节精确。为保证系统工作的安全，ARM微处理系统1003通过异常检测保护模块1001与单相220V工频交流电源相连接，一旦检测到有异常情况出现，系统立刻关断所有PWM信号的输出，停止工作。为提高本发明全数字化双逆变型交变磁控电弧发生装置的可扩展性和移植性，本发明驱动器的ARM微处理器系统通过串行总线通信模块与其他LED驱动器或者是远程控制终端进行组网和数字通信，获取相关参数和指令，实现组网协同工作。
本发明的上述实施例具有以下特点：
1、全数字化：本实施例首次以Cortex-M3内核的32位ARM嵌入式微处理器LM3S818为控制核心，以RTX-Kernel作为软件系统实时内核，采用模块化、可移植的设计方法，通过数字编程方式集成了大功率成组LED驱动器所有PWM控制环路、输出特性控制以及监控管理通讯等功能，实现了大功率成组LED智能调光驱动器的全数字化控制，使驱动器具有更好的一致性、动态响应性能和可扩展性。
2、效率高：本实施例采用LC谐振移相软开关拓扑，逆变频率高达100KHz以上，电能转换效率高，电磁污染低，功率MOSFET的工作环境好，体积小巧，成本低。
3、扩展性好：本发明组网型大功率成组LED智能调光驱动器具有串行总线通信模块，易于与其他驱动器或者远程控制终端组网，构成LED照明网络，可扩展性和移植性好。
4、智能化：本发明采用了电流随光照度增强呈线性变化的可见光照度传感器，通过高精度的线性隔离和放大电路处理之后，经过全数字化控制系统构成照度的闭环控制系统，能够实现LED照明亮度的智能控制；此外，本发明的驱动器可以根据大功率成组LED的工作特性自行匹配或者选择恒流驱动、恒压驱动以及变特性驱动模式，智能化程度高。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.组网型大功率成组LED智能调光驱动器，连接单相交流输入电源，其特征是，包括能根据LED负载情况自动实现恒流、恒压以及时变特性匹配输出的功率调节系统和数字化控制系统；所述功率调节系统由单相整流滤波模块、谐振软开关逆变模块、变压整流模块依次连接组成，所述单相交流输入电源连接单相整流滤波模块，所述变压整流模块与LED负载相连接；所述数字控制系统由异常检测保护模块、采样检测模块、ARM微处理器系统、高频驱动模块、参数给定模块和串行总线通信模块相互连接组成；其中，所述单相交流输入电源通过异常检测保护模块和ARM微处理器系统相连接；所述变压整流模块的输出还与采样检测模块和ARM微处理器系统依次连接；所述ARM微处理器系统和高频驱动模块以及功率调节系统中的谐振软开关逆变模块依次连接；所述串行总线通信模块与ARM微处理器系统相互连接；所述参数给定模块与ARM微处理器系统相连接。
2.根据权利要求1所述组网型大功率成组LED智能调光驱动器，其特征是，所述功率调节系统中的谐振软开关逆变模块采用高频谐振移相全桥软开关拓扑结构，以高频功率MOSFET作为功率开关管，功率MOSFET工作于零电压软开关换流模式。
3.根据权利要求1所述的组网型大功率成组LED智能调光驱动器，其特征是，所述数字化控制系统中的采样检测模块由串联于功率调节系统的变压整流模块处的精密采样电阻R1、并联于功率调节系统的变压整流模块处的采样电阻R2、R3、电流随光照度增强呈线性变化的可见光照度传感器On9658F和转换隔离电路及其外围电路相互连接组成；所述转换隔离电路由高线性度、高稳定度、宽频带的光藕HCNR200、运算放大器LF353以及LM324相互连接组成。
4.根据权利要求1所述的组网型大功率成组LED智能调光驱动器，其特征是，所述数字化控制系统中的ARM微处理器系统由基于32位Cortex-M3内核的、固化有以RTX-Kernel为实时内核的软件系统、能够产生4路数字PWM以及具备可编程UART的ARM嵌入式微处理器LM3S818、晶振电路、滤波电路、复位电路及其外围电路相互连接组成。
5.根据权利要求1所述的组网型大功率成组LED智能调光驱动器，其特征是，所述数字化控制系统中的串行总线通信模块由芯片MAX232A及其外围电路相互连接组成；其中，MAX232A的13和14引脚直接连接到ARM微处理器系统的32位ARM微处理器LM3S818的17和18引脚。
6.根据权利要求1所述的组网型大功率成组LED智能调光驱动器，其特征是，所述数字化控制系统中的高频驱动模块由芯片MC34152和KD101及其外围电路相互连接组成；其中，芯片MC34152和KD101与ARM微处理器LM3S818的25、26、29和30引脚相连接，将LM3S818产生的4路数字移相PWM信号进行隔离和放大。
7.根据权利要求1所述的组网型大功率成组LED智能调光驱动器，其特征是，所述数字化控制系统中的参数给定模块由3个电位器以及2个开关构成，分别与ARM微处理器系统的ARM芯片LM3S818的A/D端口和I/O端口直接连接。
8.根据权利要求1所述的组网型大功率成组LED智能调光驱动器，其特征是，所述数字化控制系统中的异常检测保护模块由桥式检测电路、与非门及其外围电路相互连接组成。
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