CN102264181A

CN102264181A - 一种多路led控制与驱动系统

Info

Publication number: CN102264181A
Application number: CN2011101920820A
Authority: CN
Inventors: 陈竞坤; 章燕; 冉宏宇
Original assignee: SUZHOU CHENGE ELECTRONICS CO Ltd
Current assignee: SUZHOU CHENGE ELECTRONICS CO Ltd
Priority date: 2011-07-11
Filing date: 2011-07-11
Publication date: 2011-11-30

Abstract

本发明提供了一种LED控制与驱动系统来实现，其包括：LED灯；集成驱动模块，驱动并控制LED灯，包括向LED灯输出能量的电源输出端口；控制终端，可操作的控制集成驱动模块和LED灯的运行；网络模块，连接控制终端和至少一个集成驱动模块，所述集成驱动模块包括专用集成电路，所述专用集成电路包括向LED灯发出控制信号的控制端口。本发明的有益效果主要体现在：低成本，高效率，低能耗；驱动稳定，延长LED寿命；布线成本低。

Description

一种多路LED控制与驱动系统

技术领域

本发明涉及LED领域，尤其涉及一种多路LED控制与驱动系统。

背景技术

LED被称为第四代照明光源或绿色光源，具有节能，环保，安全，寿命长，低耗，低热，色光，白光，高亮度，防水，微型，防震，易调光，光束集中，维护简单等等特点。

面对全球气候变迁与不断高涨的能源价格，各国政府都已经开始把一些高耗能的产品列为首要的禁用对象，如白炽灯就是最为明显的案例，因而，LED全面的取代白炽灯具已经成为大势所趋。在此背景下，LED应用领域不断扩广，下游需求不断旺盛。其在家用、商用照明，高档酒店，会所，室内装饰，车用LED灯，太阳能LED路灯方面应用也不断扩大。虽然LED灯较以往灯具优势明显，但为了发挥其可调，低耗等优势，也对驱动电路和控制电路提出了更高要求。

为了点亮LED灯，需要将市电220伏电压转变为LED芯片的工作电压，并且提供一个按照LED发光二极管所要求的恒定直流并以此驱动和点燃LED灯具。为了满足LED芯片的工作要求，现有的技术一般是在获得市电220伏供电电压的前提下接入变压器和整流稳压恒流模块，并把恒流输出端接到LED灯芯的两个正负端头，从而实现LED的工作流程。这种单灯作业的驱动模块因成本、自身功率消耗等因素，其能量转换效率一般不高，而且，再简单的系统也是麻雀虽小，五脏俱全，所以成本不菲。另外，这种单灯系统只能起一个灯亮与灭的作用，对于色温，超负荷与否，进一步的亮度控制，色彩混合就无能为力了，需要组建昂贵的专门的灯光控制系统。而由于PWM脉宽调制信号是事先设置好的，所以不能针对具体情况及时自动调整。

此外，现有技术中，LED的驱动方案或采用图3所示的恒流源，或采用图4所示的PWM脉宽调制信号，采用恒流源能最好的满足LED灯由于其自身的响应特性，采用PWM信号能得到最佳的亮度调节效果，而相应的在另一方面有所不足。

此外，现有技术中，LED的灯组和控制模块之间的信息交通通常采用DALI和DMX的串/并行通讯模式，因而在智能家居或者公共照明等各种应用场合，需要单独为LED的铺设独立的控制线路，结构复杂，成本升高。

发明内容

本发明的目的在于解决上述的技术问题，提供一种低成本、低能耗的一种多路LED控制与驱动系统。

本发明的目的通过提供如下的一种多路LED控制与驱动系统来实现，其包括：LED灯；集成驱动模块，驱动并控制LED灯，包括向LED灯输出能量的电源输出端口；控制终端，可操作的控制集成驱动模块和LED灯的运行；网络模块，连接控制终端和至少一个集成驱动模块，所述集成驱动模块包括专用集成电路，所述专用集成电路包括向LED灯发出控制信号的控制端口。

优选的，所述集成驱动模块还包括由PWM信号调制的恒流恒压源，所述恒流恒压源通过所述电源输出端口向LED灯输出能量。

优选的，所述专用集成电路包括多组控制端口，所述各个控制端口分别连接一组LED灯串，各个控制端口输出的控制信号相互独立。

优选的，所述专用集成电路包括一个4位寄存器，所述集成驱动模块通过4位寄存器至多对16组控制端口进行寻址。

优选的，所述集成驱动模块还包括网络单元，所述网络单元包括模组寄存器，所述网络模块通过所述模组寄存器对多个集成驱动模块寻址。

优选的，所述寻址通过TCP/IP协议进行。

优选的，专用集成电路还包括传感信号接入端口，所述传感信号接入端口连接外部传感器以接收传感信号。

优选的，所述传感器包括温度传感器，所述温度传感器收集LED灯的温度信息，所述专用集成电路根据接收到的温度信息调整提供给对应LED灯的驱动能量。

优选的，所述集成驱动模块自身的能耗小于等于其所驱动的所有LED的能耗的百分之一。

优选的，智能终端为电脑或智能手机或掌上电脑，具有供用户操作的控制界面。

本发明的有益效果主要体现在：

1、高效率，低能耗。经测试表明，本发明的专用集成电路(ASIC)只需消耗0.33瓦，就能驱动16通道高达400瓦的LED灯，其转换效率大于99.9％。相对于传统的LED驱动，本发明的驱动模块更节能环保；

2、驱动稳定，LED寿命长。本发明的集成驱动模块不同于传统的恒流，或PWM信号调制的驱动方式，采用PWM信号调制结合恒压恒流源，提出了第三种驱动方式。其便于实时观察LED的变化，从而调节其驱动的电流电压，从而增强LED的可靠性和延长使用寿命。

3、布线成本低。本发明的信号交通接口突破传统的DALI和DMX的串/并行通讯模式，采用现实分布广泛的无线控制或TCP/IP控制。这一控制模式的特点是节省了控制线路的布线成本，而直接采用现有的网络架构来实行交流。

附图说明

图1为本发明的具体实施例的LED控制系统结构框图。

图2为本发明的具体实施例的驱动原理示意图。

图3为传统恒流控制示意图。

图4为传统PWM控制示意图。

图5为本发明的集成驱动模块的控制示意图。

具体实施方式

有关本发明之前述及其他技术内容、特点与功效，在以具体实施方式的详细说明中，将可清楚的呈现。然而本领域技术人员将意识到此处的参考了附图的具体描述仅仅用于示例目的，本发明并不局限于此。

参照图1，本发明的具体实施例的LED控制系统主要包括控制终端4、集成驱动模块2、网络模块3和LED灯1。LED灯1是整个系统最终的工作部件，安装在各种场合，在系统的控制下发光照明；集成驱动模块2直接连接LED灯，为其输送能量和进行控制，集成驱动模块2通常连接多组LED灯串；网络模块3是控制终端4和集成驱动模块2之间的通信桥梁，多个集成驱动模块2通过网络模块3连接到控制终端4；控制终端4协调控制整个LED控制系统运作，可以为电脑或智能手机或掌上电脑、以及电视、专用的控制器等合适的装置，控制终端4具有供用户操作的控制界面。

参照图1及图2，集成驱动模块2和其所控制的至少一组LED灯串是整个系统的基础单元，不同于现有技术，集成驱动模块2整合了驱动电路和控制电路，通过一个模块同时控制多路LED灯串。

集成驱动模块2的核心为专用集成电路，即ASIC芯片。ASIC为Application-specific integrated circuit的简称，是指依特定用途而设计的特殊规格逻辑IC，在本发明中，ASIC芯片具有多路输出，形成多组控制端口以对应的、相互独立向LED灯发出控制信号，控制多组LED灯串。且其还可以通过外围组合电路接收PWM及恒流控制。由于高度集成化，该芯片、即专用集成电路具有最小的分流电阻，这使得高效能的转化成为可能，并且避免了控制系统的耗电散热问题，从而获得最大的输出功率以及极高的转换效率，经测试表明，本发明的专用集成电路(ASIC)只需消耗0.33瓦，就能驱动16通道高达400瓦的LED灯，其转换效率大于99.9％，集成驱动模块2自身的能耗小于等于其所驱动的所有LED的能耗的百分之一。同时，由于多组控制端口是各自独立的，各输出回路的电流量连续可调，这使得各LED芯片灯串之间因老化、温度、工厂制作工艺不同所造成的亮度不均匀很容易获得补偿。

具体的，专用集成电路内置有一个4位寄存器，4位寄存器对应的连接到外部的4线SPI接口。这种极其灵活的接口方式使得现行的各种控制的寻址方式都成为可能。通过外部电路的变换，专用集成电路可接受DMX、DALI、或TCP/IP协议的寻址与传递方式。本实施例中，使用TCP/IP协议，专用集成电路通过集成驱动模块上的Ethnet/T100网络芯片的引导与外部世界相连，4线SPI接口的寻址范围为2⁴＝16。例如图1中的192.168.1.1、192.168.1.16等。因而，本实施例中最多具有16路控制端口。

集成驱动模块2的电源输出端口与LED灯1通过低压功率线相连，图1中只列出三盏灯为例，实际上一个集成驱动模块2可带动16个灯串，其输出电压从5伏到48伏，具体根据所带灯串而定。每个单元的负载根据输出的灯串而定，其最大带载能力为400瓦，单路输出为0.35-1A。

集成驱动模块2还包括由PWM信号调制的恒流恒压源，该恒流恒压源通过所述电源输出端口向LED灯1输出能量，集成驱动模块2的驱动原理整合了恒流驱动和PWM驱动两种常用的方式，具体的如图5所示，集成驱动模块2把恒流源从输出端取出的反馈控制信号反送到PWM的控制端，对恒流源的波动部分进行微调，即调整区5。因波动部分的脉冲沟槽深度很浅，所造成的EMC影响，及输出电流稳定度的影响都很小。同时，又利用脉宽限制导通的原理克服了恒流电路耗能的缺陷。最终糅合了这两种控制的优点，又克服了恒流电路把波动部分的能耗在电路内部的缺点，克服了PWM控制回路因脉冲频率而导致的稳定度较差和EMC影响的缺点。经对整个控制驱动电路板作红外扫描看，整个集成驱动模块2没有一个耗能热点。

多组集成驱动模块2通过网络模块3连接到控制终端4。具体的，网络模块3是一个网路连锁-TCP/IP Ethnet，它可以是一个网关或是一个网路连接器，其目的是通过IP协议把各自独立的集成驱动模块2连接起来，该部件的寻址范围为2⁸*2⁸＝64K。对应的，集成驱动模块还包括网络单元，具体为Ethnet芯片，Ethnet芯片内置了一个十六位的模组寄存器，其寻址能力为2⁸*2⁸＝64K。网络模块通过所述模组寄存器对多个集成驱动模块寻址。

可以看到，本实施例中，寻址均通过TCP/IP协议进行，利用了现有的城市通信网络，节约了布线的难度和成本。同时，需要意识到，本实施例中的各个网路及端口连接由于利用了TCP/IP协议，可以采用现有的无线通信网路进行。

该网络模块3除了与集成驱动模块2连接外，还与控制终端4连接，通过这一连接，LED灯的控制功能得以实现。

除了上述基本结构，专用集成电路或者控制终端4还包括传感信号接入端口，其连接外部传感器以接收传感信号。传感器可能包括温度传感器、光线传感器、红外传感器等。温度传感器可以收集LED灯的温度信息，返回给专用集成电路后，专用集成电路根据接收到的温度信息调整提供给对应LED灯的驱动能量。光线传感器可以收集环境的亮度，返回给专用集成电路后，专用集成电路或控制终端从而相应的决定LED灯的适宜亮度，再由专用集成电路的控制端口控制LED灯相应的改变亮度，具体为通过PWM信号调制输送给LED灯的能量。这样就达到了自行调整的目的。

最终，通过上述的网络布置，控制终端4通过IP协议锁定欲通信的集成驱动模块2及具体的灯串，然后通过TCP协议与该灯串进行通讯，把控制终端4设定的亮度，时间，范围等的参数；或采集来自集成驱动模块2或控制终端4传感器的信息，通过控制终端4的计算后设定的参数，通过PREFILE(预置文件)的形式存入集成驱动模块2中的闪存中，以便于执行，从而完成整个控制的全过程。

下面我们将对这个智能化的LED控制系统在不同市场范围的应用来加以解释及简单说明：

1.家用照明，高档酒店，会所照明的应用

室内装饰灯市场是LED的一个新兴市场。通过电流的控制，LED可以实现几百种甚至上千种颜色的变化。在现阶段讲究个性化的时代中，LED颜色多样化有助于LED装饰灯市场的发展。LED已经开始做成小型装饰灯，装饰幕墙应用在酒店、居室中。据预测，室内LED装修市场在未来的5年内增率将达到CAGR，35％。在家具装修LED用灯时，如果能配套上智能的LED驱动控制系统，灯光的色彩可以根据日光的变化，人的心情等而随意变化，就真正能轻易地作到，“以人为本”的照明。

2.车用LED照明的应用

LED作为汽车车灯主要得益于低功耗、长寿命和反应速度快的特点。有统计显示，在汽车以100公里的时速行驶下，装有LED刹车灯的车辆较没有装LED刹车灯的车辆刹车距离将减少7英尺。目前，LED已经逐步应用在汽车的第三刹车灯上。虽然LED目前还面临着单位瓦数流明低以及相关政策的限制，在进入汽车尾灯及前灯市场还需要一定的时间，但是随着成本性能比的下降以及发光效率的提升，最终LED将逐步实现从汽车内部、外部尾端到前端的转移，最终占据整个汽车车灯市场。中国已是世界上最大的汽车市场，凭借着汽车的巨大产能，LED车灯市场面临着巨大的发展潜力。智能驱动及控制在这个方面的应用也将乘其东风，飞速发展。

3.太阳能LED路灯市场规模

国内太阳能LED照明产值超过300亿元。LED是低压，直流供电，必将取代传统路灯。预计到2012年，市场规模将由2008年的15.6亿元增长至139.6亿元，年复合增长率达到63.0％。

太阳能LED路灯是新型节能环保的方向。使用本发明的智能化LED控制系统，可以很好的控制灯光的亮暗，照亮的区域范围。最主要的是，通过简单的扩展，其可以同时控制太阳能板及电池的充放电和LED灯的驱动。这种多元一体的控制方式提供了以下几个优势：

首先，可以智能的控制测试电池的容量，从而准确地判定LED可用照明时间，为确保足够时间的照明，从而自动调节LED路灯的亮度或照明范围。如果今天是阴天的话，阳光不够充分，电池处于低能状态。这样，“SmartDrive”就会选择低能工作模式，从而确保足够照明时间；

其次，自我保护功能，延长系统的使用时间。系统控制会对电池进行充电电流过载限定或者电池容量不足警报，同时也会对LED进行过温保护等。

从而，减少了工程人员的维护时间，同时控制系统会不断地对电池，太阳能板及LED灯串进行自测。如果发现失效，会直接记录，并通过无线网络直接把问题通过邮件或信息的形式发送给管理员。

Claims

1.一种多路LED控制与驱动系统，包括：

LED灯；

集成驱动模块，驱动并控制LED灯，包括向LED灯输出能量的电源输出端口；

控制终端，可操作的控制集成驱动模块和LED灯的运行；

网络模块，连接控制终端和至少一个集成驱动模块，其特征在于，所述集成驱动模块包括专用集成电路，所述专用集成电路包括向LED灯发出控制信号的控制端口。

2.根据权利要求1所述的一种多路LED控制与驱动系统，其特征在于，所述集成驱动模块还包括由PWM信号调制的恒流恒压源，所述恒流恒压源通过所述电源输出端口向LED灯输出能量。

3.根据权利要求1所述的一种多路LED控制与驱动系统，其特征在于：所述专用集成电路包括多组控制端口，所述各个控制端口分别连接一组LED灯串，各个控制端口输出的控制信号相互独立。

4.根据权利要求3所述的一种多路LED控制与驱动系统，其特征在于：所述专用集成电路包括一个4位寄存器，所述集成驱动模块通过4位寄存器至多对16组控制端口进行寻址。

5.根据权利要求1所述的一种多路LED控制与驱动系统，其特征在于：所述集成驱动模块还包括网络单元，所述网络单元包括模组寄存器，所述网络模块通过所述模组寄存器对多个集成驱动模块寻址。

6.根据权利要求4或5所述的任一种多路LED控制与驱动系统，其特征在于：所述寻址通过TCP/IP协议进行。

7.根据权利要求6所述的一种多路LED控制与驱动系统，其特征在于：专用集成电路还包括传感信号接入端口，所述传感信号接入端口连接外部传感器以接收传感信号。

8.根据权利要求7所述的一种多路LED控制与驱动系统，其特征在于：所述传感器包括温度传感器，所述温度传感器收集LED灯的温度信息，所述专用集成电路根据接收到的温度信息调整提供给对应LED灯的驱动能量。

9.根据权利要求1所述的一种多路LED控制与驱动系统，其特征在于：所述集成驱动模块自身的能耗小于等于其所驱动的所有LED的能耗的百分之一。

10.根据权利要求1所述的一种多路LED控制与驱动系统，其特征在于：智能终端为电脑或智能手机或掌上电脑，具有供用户操作的控制界面。