CN102196625B - Led控制电路与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种LED控制电路与方法，供驱动抗虫LED灯。该LED控制电路包括：第一控制讯号输入端接收频率控制讯号；第二控制讯号输入端接收亮度控制讯号；脉冲边缘产生器连接该第一控制讯号输入端，用以产生脉冲，其频率由该频率控制讯号决定；以及责任周期比控制器连接该第二控制讯号输入端及该脉冲边缘产生器，用以产生LED驱动讯号，其频率由该脉冲的频率决定，其责任周期由该亮度控制讯号决定。该产生LED驱动讯号的方法包括：接收频率控制讯号及亮度控制讯号；产生脉冲，其频率由该频率控制讯号决定；以及根据该脉冲及该亮度控制讯号产生该LED驱动讯号，其频率由该脉冲的频率决定，其责任周期由该亮度控制讯号决定。
Description
技术领域
本发明涉及一种发光二极管(Light Emitting Diode；LED)，特别是关于一种抗虫的LED控制电路及方法。
背景技术
苍蝇、蚊子等昆虫对人类生活质量的危害极大，但最直接的杀虫剂又对人体及环境有害，因此，捕蝇纸、捕蚊灯等各式各样针对昆虫对气味、湿度、光亮等特性的除虫产品不断被研发。光线对于昆虫的生态有极大的影响力，例如萤火虫便是依赖其腹部荧光在黑暗中的闪光频率做为吸引异性交配以及沟通的工具。很多昆虫可以感知远高于人眼的闪光频率，而且某些闪光频率中的摆动态样(swing pattern)能够让昆虫焦虑及不舒服。
LED是一种让电流顺向流过半导体p-n接面而发光的器件，通常采用双异质接面和量子井结构。在1962年时，奇异(General Electric；GE)公司利用GaAsP首次将红色LED商品化，最初的红色LED的光通量为0.11m/W，约是普通灯光的1/150，其发光效率大约每10年提高一个数量级。最近，随着蓝色、绿色LED实用化，具有高功率的白光LED也出现于市面上，LED从装饰用途逐渐转向应用到照明上，朝着取代传统灯泡的目标前进。除了环保、省电的特性以外，LED还可以受控以极高的频率闪烁，其开关频率可达超过MHz的范围。在现有技术中，已经有许多利用PWM控制LED光源的亮度的方法。
发明内容
本发明的目的之一，在于提出一种用以产生LED驱动信号的LED控制电路及方法，可供驱动抗虫LED灯。
根据本发明，一种LED控制电路包括脉冲边缘产生器根据频率控制讯号产生脉冲，以及责任周期比控制器根据亮度控制讯号及该频率产生LED驱动讯号，其频率由该脉冲的频率决定，其责任周期由该亮度控制讯号决定。
根据本发明，一种产生LED驱动讯号的方法包括根据频率控制讯号产生脉冲，以及根据亮度控制讯号及该脉冲产生LED驱动讯号，其频率由该脉冲的频率决定，其责任周期由该亮度控制讯号决定。
本发明的LED控制电路及方法，在频率摆动期间，保持闪光频率摆动的范围超过人眼的感知范围且不超过昆虫的感知范围，以及保持固定亮度脉宽调变责任周期使得平均亮度几乎相同，这样的照明情况对人眼来说等同固定亮度的光源，因此可以在不影响人类的情况下达到驱逐、混淆或诱捕昆虫的效果。
附图说明
图1是人眼与昆虫感知的闪光频率范围关是和欲实施的闪光模式示意图；
图2是本发明的实施例；
图3提供图2中脉冲边缘产生器的三个实施例；
图4是图2中脉冲边缘产生器的第四实施例；
图5提供图2中责任周期比控制器的三个实施例；
图6是图2中责任周期比控制器的第四实施例；以及
图7是图2中责任周期比控制器的第五实施例。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细描述。
参照图1，在责任周期固定下，人眼可分辨的闪光频率在fL以下，fL因人而异，一般约在60Hz附近。当光源的闪光频率超出人眼感知范围，即高于fL后，人眼会自动对闪光的亮度取平均而视为一个稳定的光源，并且光源亮度与责任周期成正比而与闪光频率无关。但昆虫可以分辨的闪光频率上限fH高于人类，因此根据前述的原因，本发明的LED控制电路及方法可以被使用在抗虫LED灯。本发明的LED控制电路及方法，在频率摆动期间，保持闪光频率摆动的范围超过人眼的感知范围，以及保持固定亮度脉宽调变(Pulse Width Modulation；PWM)责任周期使得平均亮度几乎相同，这样的照明情况对人眼来说等同固定亮度的光源，因此可以在不影响人类的情况下达到驱逐、混淆或诱捕昆虫的效果。较佳者，亮度PWM责任周期可以设定或规划，但保持固定直到下次调整。
图2是本发明的实施例，其中LED控制电路38具有两控制讯号输入端40及42分别接受微控制器36提供的频率控制讯号VF及亮度控制讯号VD，并据以产生LED驱动讯号ILED。频率控制讯号VF用以控制LED驱动讯号ILED的频率fPWM，而亮度控制讯号VD用以控制LED驱动讯号ILED的责任周期D。在LED控制电路38中，脉冲边缘产生器44连接控制讯号输入端40以接收频率控制讯号VF并据以产生脉冲CLK，其频率fCLK由频率控制号VF决定，责任周期比控制器46连接控制讯号输入端42及脉冲边缘产生器44，根据脉冲CLK及亮度控制讯号VD产生LED驱动讯号ILED。LED驱动讯号ILED的频率fPWM是由脉冲CLK的频率fCLK决定，因此LED驱动讯号ILED的频率fPWM将由频率控制信号VF决定，而LED驱动讯号ILED的责任周期D由亮度控制讯号VD决定。LED驱动讯号ILED的工作时间(on-time)及非工作时间(off-time)分别为t1及t2，因此可得到LED驱动讯号ILED的频率fPWM及责任周期D为
fPWM＝1/(t1+t2)＝f(VF)，
以及
D＝t1/(t1+t2)＝f(VD)。
因此，频率控制讯号VF只控制LED驱动讯号ILED的频率fPWM，而亮度控制讯号VD只控制LED驱动讯号ILED的责任周期D。
LED驱动讯号ILED可用来驱动LED灯。由于LED驱动讯号ILED的频率fPWM及责任周期D分别只受控于频率控制讯号VF及亮度控制信号VD，因此频率控制讯号VF及亮度控制信号VD将分别决定被驱动的LED灯的闪烁频率及亮度，此控制架构是为了方便使用者在调整LED灯的亮度时，不会改变LED灯的闪烁特征，或是在调整LED灯的闪烁频率时，不会改变LED灯的亮度。例如，在一特定模式下，设定VD固定而VF随时间变化，LED灯将产生如图1所示的闪光特性。LED驱动电流ILED的责任周期D可以通过亮度控制讯号VD来设定或规划，但保持固定直到其被调整，换句话说，LED灯的亮度除非VD改变，否则将维持固定。通过频率控制讯号VF可以使LED灯发出在某频率摆动态样的闪光，例如频率变化在fL及fH之间。
如图3所示，频率控制讯号VF可能包括PWM讯号、模拟(或类比)位准讯号或编码讯号。如果频率控制讯号VF包括PWM讯号，则脉冲边缘产生器44包括低通滤波器(Low-Pass Filter；LPF)48以滤波该PWM讯号而产生模拟位准讯号V1，压控振荡器(Voltage Controlled Oscillator；VCO)50根据模拟位准讯号V1产生振荡讯号OSC，以及边缘侦测器52侦测振荡讯号OSC的脉冲边缘以产生脉冲CLK。如果频率控制讯号VF包括模拟位准讯号，可以直接被送入VCO 50，边缘侦测器52因而产生脉冲CLK。如果频率控制讯号包括编码讯号，则脉冲边缘产生器44包括数字模拟转换器(Digital-to-Analog Converter；DAC)58以转换该编码讯号产生模拟位准讯号V1，供VCO 50及边缘侦测器52产生脉冲CLK。在边缘侦测器52中，短暂延迟装置54短暂延迟振荡讯号OSC产生延迟的振荡讯号OSCD，以及数字逻辑闸56根据振荡讯号OSC及其延迟后的讯号OSCD产生脉冲CLK。
在另一实施例中，如图4所示，如果频率控制讯号VF包括PWM讯号，则脉冲边缘产生器44可以只包括边缘侦测器52侦测该PWM讯号的脉冲边缘以产生脉冲CLK。
如图5所示，亮度控制讯号VD可能包括PWM讯号、模拟位准讯号或编码讯号。如果亮度控制讯号VD包括PWM讯号，则责任周期比控制器46包括LPF60滤波该PWM讯号产生模拟位准讯号Va，LPF 62滤波LED驱动讯号ILED产生模拟位准讯号Vd，电压控制电流源(Voltage Controlled Current Source；VCCS)64根据差值Va-Vd产生电流I，晶体管M1具有输入端接收第一参考电压VREF1、控制端接收脉冲CLK以及输出端预设节点电压VC，电容C连接晶体管M1的输出端及VCCS 64，以及PWM产生器66根据电压VC产生LED驱动讯号ILED。在一实施例中，PWM产生器66包括比较器68比较电压VC及参考电压VREF2产生LED驱动讯号ILED。当脉冲CLK使晶体管M1导通(turn on)时，电压VC等于参考电压VREF1，因而触发LED驱动讯号ILED的工作时间t1。当脉冲CLK使晶体管M1不导通(turn off)时，电容C被VCCS 64的放电电流I放电，故电压VC由参考电压VREF1下降，在电压VC下降至低于参考电压VREF2时，LED驱动讯号ILED的工作时间t1结束。放电电流I决定电压VC的下降斜率，因而决定工作时间t1的宽度。放电电流I为差值Va-Vd的函数，而且与差值Va-Vd具有负变化率，较佳者，放电电流I与差值Va-Vd具有比例关系。在其它实施例中，PWM产生器66可能包括磁滞比较器70(其可以具有单一输入端或多个输入端)或反相器串72，根据电压VC产生LED驱动讯号ILED。如果亮度控制讯号VD包括模拟位准讯号，其可以直接作为讯号Va提供给VCCS 64。如果亮度控制讯号VD包括编码讯号，则使用DAC 74将其转换为讯号Va。
在另一实施例中，如图6所示，如果亮度控制讯号VD包括PWM讯号，则责任周期比控制器46包括比较器76比较该PWM讯号及LED驱动讯号ILED产生比较讯号Sc，以及LPF 78滤波比较讯号Sc产生模拟位准讯号Vx，模拟位准讯号Vx控制VCCS 64提供的电流I，电流I与模拟位准讯号Vx具有正变化率。
如图7所示，也可以使用另一种电路来控制电压VC，其中晶体管M1连接在电容C及地端之间，而VCCS 64提供充电电流I。当脉冲CLK使晶体管M1导通时，电容C接地以重置电压VC，因而触发LED驱动讯号ILED。当脉冲CLK使晶体管M1不导通时，电容C被VCCS 64充电，故电压VC上升，当电压VC上升超过参考电压VREF2时，LED驱动讯号ILED的工作时间t1结束。充电电流I决定LED驱动讯号ILED的责任周期D。
还有许多等效电路可以替代上述实施例中的电路，例如脉冲边缘侦测器可以用高通滤波器实现，而且可以与其它电路合并，磁滞比较器也可以用史密斯触发电路(Smith-trigger circuit)实现。此外，前述实施例与其它实施例可以由分离组件、集成电路、分离组件与集成电路的组合或单芯片集成电路构成。
以上，仅为本发明的较佳实施例，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求所界定的保护范围为准。
Claims (48)
1.一种LED控制电路，其特征在于，包括：
第一控制讯号输入端接收频率控制讯号；
第二控制讯号输入端接收亮度控制讯号；
脉冲边缘产生器连接该第一控制讯号输入端，用以产生脉冲，其频率由该频率控制讯号决定；以及
责任周期比控制器连接该第二控制讯号输入端及该脉冲边缘产生器，用以接收该脉冲及该亮度控制讯号以产生LED驱动讯号，其频率由该脉冲的频率决定，其责任周期由该亮度控制讯号决定。
2.如权利要求1所述的LED控制电路，其特征在于，该频率控制讯号包括脉宽调变讯号。
3.如权利要求2所述的LED控制电路，其特征在于，该脉冲边缘产生器包括：
低通滤波器连接该第一控制讯号输入端，对该脉宽调变讯号滤波而产生模拟位准讯号；
压控振荡器连接该低通滤波器，根据该模拟位准讯号产生振荡讯号；以及
边缘侦测器连接该压控振荡器，侦测该振荡讯号的脉冲边缘而产生该脉冲。
4.如权利要求3所述的LED控制电路，其特征在于，该边缘侦测器包括：
短暂延迟装置连接该压控振荡器，短暂延迟该振荡讯号产生延迟的振荡讯号；以及
数字逻辑闸连接该压控振荡器及该短暂延迟装置，根据该振荡讯号及该延迟的振荡讯号产生该脉冲。
5.如权利要求2所述的LED控制电路，其特征在于，该脉冲边缘产生器包括边缘侦测器连接该第一控制讯号输入端，用以侦测该脉宽调变讯号的脉冲边缘而产生该频率。
6.如权利要求5所述的LED控制电路，其特征在于，该边缘侦测器包括：
短暂延迟装置连接该第一控制讯号输入端，短暂延迟该脉宽调变讯号产生延迟的脉宽调变讯号；以及
数字逻辑闸连接该短暂延迟装置，根据该脉宽调变讯号与该延迟的脉宽调变讯号产生该脉冲。
7.如权利要求1所述的LED控制电路，其特征在于，该频率控制讯号包括模拟位准讯号。
8.如权利要求7所述的LED控制电路，其特征在于，该脉冲边缘产生器包括：
压控振荡器连接该第一控制讯号输入端，根据该模拟位准讯号产生振荡讯号；以及
边缘侦测器连接该压控振荡器，侦测该振荡讯号的脉冲边缘而产生该脉冲。
9.如权利要求8所述的LED控制电路，其特征在于，该边缘侦测器包括：
短暂延迟装置连接该压控振荡器，短暂延迟该振荡讯号产生延迟的振荡讯号；以及
数字逻辑闸连接该压控振荡器及该短暂延迟装置，根据该振荡讯号及该延迟的振荡讯号产生该脉冲。
10.如权利要求1所述的LED控制电路，其特征在于，该频率控制讯号包括编码讯号。
11.如权利要求10所述的LED控制电路，其特征在于，该脉冲边缘产生器包括：
数字模拟转换器连接该第一控制讯号输入端，将该编码讯号转换为模拟位准讯号；
压控振荡器连接该数字模拟转换器，根据该模拟位准讯号产生振荡讯号；以及
边缘侦测器连接该压控振荡器，侦测该振荡讯号的脉冲边缘而产生该脉冲。
12.如权利要求11所述的LED控制电路，其特征在于，该边缘侦测器包括：
短暂延迟装置连接该压控振荡器，用以短暂延迟该振荡讯号产生延迟的振荡讯号；以及
数字逻辑闸连接该压控振荡器及该短暂延迟装置，根据该振荡讯号及该延迟的振荡讯号产生该脉冲。
13.如权利要求1所述的LED控制电路，其特征在于，该LED驱动讯号的频率在60Hz以上摆动。
14.如权利要求1所述的LED控制电路，其特征在于，该亮度控制讯号包括脉宽调变讯号。
15.如权利要求14所述的LED控制电路，其特征在于，该责任周期比控制器包括：
晶体管具有输入端接收第一参考电压，控制端接收来自该脉冲边缘产生器的该脉冲，以及输出端提供电压；
电容连接该晶体管的输出端；
第一低通滤波器连接该第二控制讯号输入端，滤波该脉宽调变讯号产生第一模拟位准讯号；
第二低通滤波器连接该责任周期比控制器的输出端，滤波该LED驱动讯号产生第二模拟位准讯号；
压控电流源连接该晶体管的输出端，根据该第一及第二模拟位准讯号之间的差值提供电流，因而造成该电容在该晶体管不导通时被充电或放电；以及
脉宽调变产生器连接该晶体管的输出端，根据其电压产生该LED驱动讯号。
16.如权利要求15所述的LED控制电路，其特征在于，该脉宽调变产生器包括比较器连接该晶体管的输出端，比较该晶体管的输出端电压及第二参考电压，以产生该LED驱动讯号。
17.如权利要求15所述的LED控制电路，其特征在于，该脉宽调变产生器包括迟滞比较器连接该晶体管的输出端，根据该晶体管的输出端电压产生该LED驱动讯号。
18.如权利要求15所述的LED控制电路，其特征在于，该脉宽调变产生器包括反相器串连接该晶体管的输出端，根据该晶体管的输出端电压产生该LED驱动讯号。
19.如权利要求14所述的LED控制电路，其特征在于，该责任周期比控制器包括：
晶体管具有输入端接收第一参考电压，控制端接收来自该脉冲边缘产生器的该脉冲，以及输出端提供电压；
电容连接该晶体管的输出端；
比较器连接该第二控制讯号输入端及该责任周期比控制器的输出端，比较该脉宽调变讯号及该LED驱动讯号而产生比较讯号；
低通滤波器连接该比较器，滤波该比较讯号而产生模拟位准讯号；
压控电流源连接该晶体管的输出端，根据该模拟位准讯号提供电流，因而造成该电容在该晶体管不导通时被充电或放电；以及
脉宽调变产生器连接该晶体管的输出端，根据其电压产生该LED驱动讯号。
20.如权利要求19所述的LED控制电路，其特征在于，该脉宽调变产生器包括第二比较器连接该晶体管的输出端，比较该晶体管的输出端电压及第二参考电压，以产生该LED驱动讯号。
21.如权利要求19所述的LED控制电路，其特征在于，该脉宽调变产生器包括迟滞比较器连接该晶体管的输出端，根据该晶体管的输出端电压产生该LED驱动讯号。
22.如权利要求19所述的LED控制电路，其特征在于，该脉宽调变产生器包括反相器串连接该晶体管的输出端，根据该晶体管的输出端电压产生该LED驱动讯号。
23.如权利要求1所述的LED控制电路，其特征在于，该亮度控制讯号包括模拟位准讯号。
24.如权利要求23所述的LED控制电路，其特征在于，该责任周期比控制器包括：
晶体管具有输入端接收第一参考电压，控制端接收来自该脉冲边缘产生器的该脉冲，以及输出端提供电压；
电容连接该晶体管的输出端；
低通滤波器，滤波该LED驱动讯号产生第二模拟位准讯号；
压控电流源连接该晶体管的输出端，根据该第一及第二模拟位准讯号之间的差值提供电流，因而造成该电容在该晶体管不导通时被充电或放电；以及
脉宽调变产生器连接该晶体管的输出端，根据其电压产生该LED驱动讯号。
25.如权利要求24所述的LED控制电路，其特征在于，该脉宽调变产生器包括比较器连接该晶体管的输出端，比较该晶体管的输出端电压及第二参考电压，以产生该LED驱动讯号。
26.如权利要求24所述的LED控制电路，其特征在于，该脉宽调变产生器包括迟滞比较器连接该晶体管的输出端，根据该晶体管的输出端电压产生该LED驱动讯号。
27.如权利要求24所述的LED控制电路，其特征在于，该脉宽调变产生器包括反相器串连接该晶体管的输出端，根据该晶体管的输出端电压产生该LED驱动讯号。
28.如权利要求1所述的LED控制电路，其特征在于，该亮度控制讯号包括编码讯号。
29.如权利要求28所述的LED控制电路，其特征在于，该责任周期比控制器包括：
晶体管具有输入端接收第一参考电压，控制端接收来自该脉冲边缘产生器的该脉冲，以及输出端提供电压；
电容连接该晶体管的输出端；
数字模拟转换器连接该第二控制讯号输入端，将该编码讯号转换为第一模拟位准讯号；
低通滤波器连接该责任调期比控制器的输出端，滤波该LED驱动讯号产生第二模拟位准讯号；
压控电流源连接该晶体管的输出端，根据该第一及第二模拟位准讯号之间的差值提供电流，因而造成该电容在该晶体管不导通时被充电或放电；以及
脉宽调变产生器连接该晶体管的输出端，根据其电压产生该LED驱动讯号。
30.如权利要求29所述的LED控制电路，其特征在于，该脉宽调变产生器包括比较器连接该晶体管的输出端，比较该晶体管的输出端电压及第二参考电压，以产生该LED驱动讯号。
31.如权利要求29所述的LED控制电路，其特征在于，该脉宽调变产生器包括迟滞比较器连接该晶体管的输出端，根据该晶体管的输出端电压产生该LED驱动讯号。
32.如权利要求29所述的LED控制电路，其特征在于，该脉宽调变产生器包括反相器串连接该晶体管的输出端，根据该晶体管的输出端电压产生该LED驱动讯号。
33.一种产生LED驱动讯号的方法，其特征在于，包括：
(a)接收频率控制讯号及亮度控制讯号；
(b)产生脉冲，其频率由该频率控制讯号决定；以及
(c)根据该脉冲及该亮度控制讯号产生该LED驱动讯号，其频率由该脉冲的频率决定，其责任周期由该亮度控制讯号决定。
34.如权利要求33所述的产生LED驱动讯号的方法，其特征在于，该频率控制讯号控制该LED驱动讯号的频率在60Hz以上摆动。
35.如权利要求33所述的产生LED驱动讯号的方法，其特征在于，该频率控制讯号包括脉宽调变讯号。
36.如权利要求35所述的产生LED驱动讯号的方法，其特征在于，该步骤b包括：
滤波该脉宽调变讯号以产生模拟位准讯号；
根据该模拟位准讯号产生振荡讯号；以及
侦测该振荡讯号的脉冲边缘而产生该频率。
37.如权利要求35所述的产生LED驱动讯号的方法，其特征在于，该步骤b包括侦测该脉宽调变讯号的脉冲边缘而产生该脉冲。
38.如权利要求33所述的产生LED驱动讯号的方法，其特征在于，该频率控制讯号包括模拟位准讯号。
39.如权利要求38所述的产生LED驱动讯号的方法，其特征在于，该步骤b包括：
根据该模拟位准讯号产生振荡讯号；以及
侦测该振荡讯号的脉冲边缘而产生该脉冲。
40.如权利要求33所述的产生LED驱动讯号的方法，其特征在于，该频率控制讯号包括编码讯号。
41.如权利要求40所述的产生LED驱动讯号的方法，其特征在于，该步骤b包括：
将该编码讯号转换为模拟位准讯号；
根据该模拟位准讯号产生振荡讯号；以及
侦测该振荡讯号的脉冲边缘而产生该脉冲。
42.如权利要求33所述的产生LED驱动讯号的方法，其特征在于，该亮度控制讯号包括脉宽调变讯号。
43.如权利要求42所述的产生LED驱动讯号的方法，其特征在于，该步骤c包括：
滤波该脉宽调变讯号以产生第一模拟位准讯号；
滤波该LED驱动讯号以产生第二模拟位准讯号；以及
根据该第一及第二模拟位准讯号之间的差值决定该LED驱动讯号的责任周期。
44.如权利要求42所述的产生LED驱动讯号的方法，其特征在于，该步骤c包括：
比较该脉宽调变讯号及该LED驱动讯号而产生比较讯号；
滤波该比较讯号以产生模拟位准讯号；以及
根据该模拟位准讯号决定该LED驱动讯号的责任周期。
45.如权利要求33所述的产生LED驱动讯号的方法，其特征在于，该亮度控制讯号包括第一模拟位准讯号。
46.如权利要求45所述的产生LED驱动讯号的方法，其特征在于，该步骤c包括：
滤波该LED驱动讯号以产生第二模拟位准讯号；以及
根据该第一及第二模拟位准讯号之间的差值决定该LED驱动讯号的责任周期。
47.如权利要求33所述的产生LED驱动讯号的方法，其特征在于，该亮度控制讯号包括编码讯号。
48.如权利要求47所述的产生LED驱动讯号的方法，其特征在于，该步骤c包括：
将该编码讯号转换为第一模拟位准讯号；
滤波该LED驱动讯号以产生第二模拟位准讯号；以及
根据该第一及第二模拟位准讯号之间的差值决定该LED驱动讯号的责任周期。
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