CN102612194B - 调光电路及控制方法、微控器及其侦测相位角方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种适用于发光二极管(LED)照明设备的调光电路及控制方法、微控器及其侦测相位角方法。该调光电路适用于控制至少一个LED元件。调光电路包括至少一整流装置、一泄放电路、一相位角侦测电路、电流控制电路、以及一微处理器。其中,相位角侦测电路与微处理器耦接。微处理器根据相位角侦测电路的输出信号,产生调变信号进而调整LED元件耦接的电流控制电路,以控制LED元件输出亮度。
Description
技术领域
本发明是关于调光电路及控制方法,特别是关于一种相位调光器使用的调光电路及控制方法。
背景技术
相位调光器(TRIAC Dimmer)应用于家用传统钨丝灯泡由来已久,其可以通过相位(phase)的调整来控制输出功率(Power)的大小,因而达到调整灯泡本身的亮度输出大小,相位调光器的三端双向可控硅开关元件(Triode for Alternating Current,TRIAC)(以下皆用TRIAC简称)的工作特性是当其栅极(Gate)被激发(Triggered),要让此元件呈导通(conductive)的情况,则需要一导通电流来使TRIAC维持导通,此电流称为栓锁电流Ilatch,接着当TRIAC导通后便需要一保持电流Ihold来使TRIAC持续导通;以上条件必须满足,TRIAC才可工作于稳定的条件中。
基于相位调光器的TRIAC应用电路必须随时使电流的大小维持在栓锁电流Ilatch和保持电流Ihold两种条件电流,所以在做TRIAC系统设计时往往必须设计一种形式的负载系统来提供Ilatch和Ihold,而已往的传统钨丝灯泡因为本身可视为一种线性负载,所以可以满足Ilatch和Ihold电流的产生,让系统处于稳态工作情况。
然而,对于发光二极管(LED)照明设备来讲,其LED负载的等效电路并非是线性负载,所以对相位调光器来说并不能直接的有效的提供Ilatch和Ihold电流,必须通过其他外部电路来达到Ilatch和Ihold的产生。
一般来说,使用外部泄放(Bleeder)电路作为上述相位调光器负载的设计是最简易的一种方式,但是设计外部泄放(Bleeder)电路往往会有下面至少一问题产生:
a.电源的效率降低,功耗增加;
b.必须依照不同相位(TRIAC)调光器特性来调整Ilatch和Ihold电流;
c.使用线性负载来提供Ilatch和Ihold会造成系统热温升问题;
d.动态负载线路设计复杂,增加系统成本。
另外,在不同相位(TRIAC)调光器之间,其启始的导通角度也会因不同调光器之间的设计而有所不同,这差异是因为TRIAC调光器内部栅极(Gate)控制电路不同设计所致,此差异会在功率的输出表现显现出来,所以设计者在发光二极管(LED)的控制线路上会面临诸如下面至少一问题:
a.TRIAC本身正负半波导通角度不同;
b.不同TRIAC相位调光器的起始导通角度不同;
c.栅极控制电路不易线性化,造成LED控制线路不易同步稳态调光;
d.LED端的调光曲线,依照不同需求程式化困难度高;
e.避免因TRIAC调光器不稳定的工作,让LED不正常闪烁。
发明内容
以上所列问题皆可能是在三端双向可控硅开关元件(Triode for Alternating Current,TRIAC)调光电路时会面临到的挑战,当然本发明并不限于解决上述问题,且不限于解决三端双向可控硅开关元件的问题,其他可以利用调整相位来达到调整功率输出的开关元件,亦落于本发明的范畴。
本发明的目的之一是利用可编程的微处理器,以软件的方式改变微处理器的运作方式,而可配合各种市面现有的泄放电路及/或相位侦测电路及/或LED电流控制电路来运作,达成调整LED元件亮度的功效。
本发明的目的之一是利用一已烧录程式后的微处理器,配合市面现有的泄放电路及/或相位侦测电路及/或LED电流控制电路运作,达成调整LED元件亮度的功效。
本发明的目的之一是利用预设的微处理器,控制一预设的泄放电路及/或相位侦测电路及/或一预设的LED电流控制电路,达成调整LED元件亮度的功效。
本发明的目的之一是利用一调光电路,根据使用者的需求,调整LED元件的亮度。
本发明的目的之一是利用一频率调变控制方法,控制一预设的泄放电路达成改善现有泄放电路效率不佳的方法。
本发明的目的之一是利用一同步侦测相位方法,配合泄放电路,控制一预设的相位侦测电路,取得调光器相位角的方法。
本发明的实施例提出有效的调光电路与控制方法。其中,调光电路可包括泄放(Bleeder)电路控制架构、TRIAC调光器的相位角(phase angle)侦测方法和相位角滤波器(phase anglefilter)、调光曲线转换模块(Dimming curve translator)、脉冲宽度调变(PWM)输出电路架构等方法。
本发明实施例的调光电路与控制方法的工作方法,可以由微处理器产生驱动信号给泄放电路,然后经由相位角侦测电路取得相位角参数,且经由微处理器内部相位角滤波器和调光曲线转换模块计算输出参数,再经由PWM输出模块输出调变信号给LED电流控制电路。进而达成可以依据使用者的需求正确调整(改变)LED的亮度。
本发明的一实施例提供了一种调光电路,适用于发光二极管照明设备,包括一泄放电路、一相位调光器、一相位侦测电路、一脉冲宽度调变输出电路、以及一微控器。该泄放电路用以作为一虚负载。相位调光器是依据使用者的调整相位调光器的调整量,产生相对应该调整量大小的信号波形。相位侦测电路是侦测信号波形的相位角。脉冲宽度调变输出电路,是用以产生一脉冲宽度信号,以驱动该发光二极管照明设备。而微控器是耦接相位侦测电路,当信号波形的相位角度不变时,维持泄放电路信号波形的开启频率,且该脉冲宽度信号的脉冲宽度保持不变,使该发光二极管照明设备的光线保持不变;当相位角改变时,增加或降低该泄放电路信号波形的开启频率,并产生一调整信号,且脉冲宽度调变输出电路依据调整信号,产生相对应调整信号的脉冲宽度,以相对应地改变发光二极管照明设备的光线亮度。
本发明的一实施例提供了一种微控器,包括一相位角侦测单元、一相位角滤波器、一计时器、一泄放电路驱动单元、一调光曲线转换模块、一脉冲宽度调变输出电路、以及一控制逻辑。该相位角侦测单元是侦测一相位侦测电路提供的信号波形的相位角。而相位角滤波器用以过滤相位角的噪声。计时器用以产生一与泄放电路和相位侦测电路同步的时脉。泄放电路驱动单元用以依据一指令产生驱动讯号,以控制泄放电路信号波形的开启频率。调光曲线转换模块用以提供一调光曲线。脉冲宽度调变输出电路用以产生一脉冲宽度调变信号,以控制一发光二极管照明设备的光线亮度。而控制逻辑,是配合该计时器时脉来运作,接收相位角,依据相位角来决定如何产生控制泄放电路驱动单元的指令与如何控制脉冲宽度调变输出电路产生脉冲宽度调变信号。
本发明的一实施例提供了一种控制泄放电路的频率调变控制方法,包括下列步骤:首先,提供一对时信号,依据相位侦测电路的相位角信号,以判断提高或降低对时信号时间基准,并比较是否上溢,若上溢则触发泄放电路;令该相位角与一转换曲线相关,并加以计算,依据该计算结果产生相对应的脉冲宽度调变工作周期,以控制发光二极管照明设备LED的亮度;以及判断目前相位角是否大于先前相位角,若大于,则降低对时信号时间基准;若小于则提高对时信号时间基准。
本发明的一实施例提供了一种微控器侦测相位角方法,包括下列步骤:判断相位角侦测的运作时脉是否与泄放电路的触发信号同步,若同步则撷取该相位角;判断目前相位角是否为新进来的相位角,若是,对该新进来的相位角进行滤波动作;判断接收的相位角是否改变,若是,则依据改变的相位角的相关信息进行相位角/光线转换,并提供计算结果产生对应计算结果的脉冲宽度调变信号输出,以控制一发光二极管照明设备的光线亮度。
附图说明
图1是根据本发明一实施例的一调光电路的示意图。
图2是根据本发明一实施例的一调光电路的内部控制的功能方块图。
图3是根据本发明一实施例的一调光控制方法的流程图。
图4是根据本发明另一实施例的一调光控制方法的流程图。
具体实施方式
以下是以三端双向可控硅开关元件(Triode for Alternating Current,TRIAC)调光电路来说明本发明的实施例,须注意本发明并不限于三端双向可控硅开关元件,本发明的技术亦适用于目前现有或未来发展出的其他可以调整电源相位的开关元件。本领域的技术人员,根据本发明的技术适当的改变与调整所获得的技术,均应落入本发明技术保护的范畴。
图1显示本发明一实施例的调光电路1的示意图。调光电路1适用于发光二极管照明设备LED。调光电路1包括一相位调光器10、一整流电路11、一泄放电路(Bleeder)12、一相位侦测电路13、一微控器(Micro controller)14、一定电流电路(constant current circuit)15。其中,该定电流电路15可依据设计者的设计选择性地设置或省略。
相位调光器10依据使用者的调整量,产生相对应该调整量大小的交流信号波形wa;
整流电路11,用以对该交流信号波形整流,以产生一直流信号波形wd。
泄放电路12,耦接整流电路11,用以作为一虚(dummy)负载;
相位侦测电路13,耦接泄放电路12,接收直流信号波形wd且侦测直流信号波形wd的相位角ag,并输出相位角ag;
微控器14,耦接相位侦测电路13,接收直流信号波形wd与相位角ag,依据该相位角ag的变化决定如何产生一脉冲宽度调变(Pulse Width Modulation,PWM)输出信号PWM(以下简称PWM输出信号)。微控器14产生一控制信号c1导通(turn on)泄放电路12使其产生负载消耗,让调光器可以稳定输出交流信号波形wa,当微控器14取得相位角ag后会产生一控制信号c1断路(turn off)泄放电路12,消除泄放电路,当直流信号波形wd的相位角ag的角度不变时,使PWM输出信号PWM的脉冲宽度保持不变。之后,输出PWM输出信号PWM至定电流电路15,产生固定大小的电流以让发光二极管照明设备LED的光线保持不变。
当该相位角ag的改变时,微控器14通过产生控制信号c1导通(turn on)泄放电路12使其产生负载消耗,让调光器可以稳定输出交流信号波形wa,当微控器14取得相位角ag后会产生一控制信号c1断路(turn off)泄放电路12,消除泄放电路,微控器14接收直流信号波形wd的相位角ag的角度变化,来调整PWM输出信号PWM的脉冲宽度,使该脉冲宽度对应该相位角ag的变化量。之后定电流电路15接收该调整后的PWM信号,相对应的调整其输出电流大小,以改变发光二极管照明设备LED的光线。须注意,光线改变后,若相位角ag保持不变,则定电流电路15的电流亦会固定,使光线的亮度固定至此次改变的亮度。
图2显示本发明一实施例的微控器14的示意图。微控器14适用于发光二极管照明设备LED。如图2所示,微控制器包括泄放(Bleeder circuit)电路驱动单元14a、相位角侦测单元(phase angle detect unit)14b、相位角滤波器(phase angle filter)14c、计时器14d、控制逻辑14e、调光曲线转换模块(Dimming curve translator)14f、PWM输出电路14g。
于运作时,微控器14的控制逻辑14e配合计时器14d的时脉来运作。而计时器的时脉一实施例可设为与驱动单元14a和相位角侦测单元14b同步。而相位角侦测单元14b接收相位输入的信号,并配合相位角滤波器14c过滤噪声而取得相位角ag。接着控制逻辑14e接收该相位角ag,依据该相位角ag来决定如何控制驱动单元14a与如何产生PWM输信号。
一实施例,请参考第1、2图,驱动单元14a是可依据相位角侦测单元14b所侦测到的目前相位角(phase angel)开启角度,来提供信息给控制逻辑14e如何控制驱动单元14a而决定泄放(Bleeder circuit)电路12的动作频率。
请参考图2、图3,说明微控器14控制泄放电路12的动作方式的实施例。图3显示微控器14控制泄放电路12的频率调变控制技术的动作说明图。
步骤S302:电源开启初始时间。
步骤S304:控制逻辑14e接收计时器14d提供的对时信号(Tick timer),当计时器14d产生溢位(overflow)中断信号时便跳至步骤S306;若否则重新判断计时器的对时信号是否上溢。
步骤S306:微控器14触发泄放电路12同时跳至步骤S316与步骤S308。
步骤S308:微控器14的相位角侦测单元14b取得相位角ag且传送至相位角滤波器14c,并同时跳至步骤S310与S318。
步骤S310:微控器14判断目前相位角ag是否大于先前相位角,若是,跳至步骤S312,若否跳至步骤S314。
步骤S312:微控器14降低计时器14d的对时信号时间基准(Tick timer base)。
步骤S314:微控器14提高计时器14d的对时信号时间基准。
步骤S316:微控器14控制驱动单元14a驱动外部泄放电路12。须注意,一实施例,依据设计者需求,泄放电路12亦可设置在微控器14中。
步骤S318:微控器14令相位角ag与调光曲线转换模块14f提供的转换曲线相关,并加以计算,已将计算结果输出至PWM输出电路14g。一实施例,微控器14可将相位角ag...等相关信号状态信息提供给调光曲线转换模块14f,并由调光曲线转换模块14f依据其调光曲线(Diming curve)转换该相位角ag,以产生计算结果提供至PWM输出电路14g。须注意,调光曲线可依据设计者需求而设定,其可为目前现有或未来发展出的各种调光曲线。
步骤S320:PWM输出电路14g依据计算结果,产生PWM工作周期(duty cycle)。
步骤S322:PWM输出电路14g产生PWM输出信号PWM,以控制发光二极管照明设备LED的亮度。
当微控器14驱动单元14a控制泄放电路12,相位角ag开启角度越小时,会让泄放电路12的动作频率越高;反之开启角度越大时,泄放电路12的动作频率越小。
须注意的是,驱动泄放电路S316步骤的一实施例中,在泄放电路12信号波形开启的角度为小时,经由相位调光器10所输入的功(Power)为小,所以不会造成太大功耗,同时因为开启角度小的关系,泄放电路12的动作频率高,会让调光电路1系统处于相对稳定的操作情况,如此也可以提升调光电路1系统的反应速度;反之,当开启角度越大时,泄放电路12动作频率则越低,因为此时由相位调光器10所输入的功(Power)足够大,电源系统已可以工作在稳定区,并且不会造成太大功耗在泄放电路上。依此方式,微控器通过不同相位角开启角度来决定泄放电路12的动作频率,可以有效的让相位调光器10适时工作,并因为泄放电路12的负载为一虚(dummy)负载,可适当调整负载大小,即可解决一般线性负载的功耗问题。请参考图2、图4,相位角侦测电路(phase angle detect circuit)14b和相位角滤波器(phase angle filter)14c此架构系搭配泄放(Bleeder circuit)电路而所设计。
请参考图2、图4,说明微控器14处理相位角的动作方式的实施例。图4显示微控器14的侦测机机制。
步骤S402:相位角侦测单元14b准备好撷取相位。
步骤S404:控制逻辑14e判断相位角侦测单元14b是否与泄放电路的触发信号同步,若是,跳至步骤S406;若否回到步骤S404。
步骤S406:相位侦测单元14b取得相位角ag。
步骤S408:控制逻辑14e判断目前相位角ag是否为新进来的相位角,若是,跳至步骤S410;若否,跳至步骤S404。
步骤S410:相位角滤波器14c对新进来的相位角进行滤波动作后传送至控制逻辑14e。
步骤S412:控制逻辑14e判断其所接收的相位角是否改变,若是,跳至步骤S414;若否,跳至步骤S404。
步骤S414:控制逻辑14e将相位角的相关信息传送至调光曲线转换器14f,进行相位角/光线转换,并提供计算结果(即调整信号)至PWM输出电路14g。一实施例,控制逻辑14e是将新进相位角的角度提供给调光曲线转换器14f转换;另一实施例,控制逻辑14e是将相位角的改变量提供给调光曲线转换器14f转换。
步骤S416:PWM输出电路14g依据转换的计算结果,产生对应该计算结果的PWM输出信号输出。
须注意,因为泄放电路12采用频率调变控制,所以前端相位调光器并非一直工作于稳态状况,若是实时(real-time)的侦测相位角会让系统得到过多的错误相位角数据,所以设计此相位角侦测单元14b可以配合泄放电路12来作同步的侦测动作。当泄放(Bleeder circuit)电路动作时,微控器14才去开启相位角侦测单元14b,如此可以有效的降低错误机率。
另外,相位角滤波器14c所扮演的角色,则是滤除因外部噪声、相位调光器不稳定、操作温度和电源干扰等等问题所造成的相位角错误值。
而调光曲线转换模块(Dimming curve translator)14f的设计,可以解决因不同相位调光器10的输出调光曲线不线性、曲线变化陡峭、不符合人眼舒适度等等所架构,此模块采用数学模块设计,所以可经由数学程式化的权值计算方式、等比例计算或查表法来实现不同的调光区线需求,可以克服硬件电路不易实现诸多调光曲线变化的需求,让设计者容易的设计出所要调光曲线。
PWM输出电路14g用以产生一脉冲宽度信号,以驱动该发光二极管照明设备。而PWM输出电路14g的运作是依据调整信号,产生相对应该调整信号的脉冲宽度,以相对应地改变该发光二极管照明设备的光线亮度。PWM输出电路14g架构可以精确的做LED功率输出控制,让后端定电流(Constant current circuit)电路15可以依附相位调光器10所开启的相位角度作适当调光,其动作是经由相位角侦测单元14b,取得相位角数值后再经由相位角滤波器14c取得正确的调光数值。然后依照设计者所需要的调光曲线(Dimming curve)来计算PWM的输出工作周期(duty cycle)。
本发明的实施例可用来改善现有技术所面临到的难题;本实施例设计方向和创新特点至少如下:
a.使用线性负载简化线路设计降低系统成本;
b.改善传统线性负载低效率高功耗缺点;
c.采用的微控器14为微处理器架构设计,其可以程式化系统参数、频率调变控制、同步取样、数位滤波器架构、调光曲线转换、PWM调变输出等技术,以上优势可以让系统相容于不同特性的TRIAC调光器;
d.泄放电路12的工作方式一实施例中可采用频率调变控制技术(Frequencymodulation),以降低功耗;
e.相位调光器10的相位角(phase angle)侦测时,相位侦测电路13是采用同步于泄放电路12的取样技术;
f.设置相位角滤波器(phase angle filter),以本滤波器去除噪声可有效取得相位调光器的相位角wd来作为调光参数;
g.调光曲线转换模块(Dimming curve translator)可以将取得的相位角wd的角度,依比例搭配PWM信号的输出,来实现不同调光比例值;
h.PWM输出电路(PWM circuit)设计,可有效率且轻易地调整发光二极管照明设备LED的亮度。
以上虽以实施例说明本发明,但并不因此限定本发明的范围,若本领域的技术人员进行各种变形或变更,只要不脱离本发明的要旨,亦不脱离本发明的权利要求的保护范围。
Claims (10)
1.一种调光电路,其特征在于,所述调光电路适用于发光二极管照明设备,包括:
一泄放电路,用以作为一虚负载,具有一动作频率;
一相位调光器,依据使用者的调整相位调光器的调整量,产生相对应所述调整量大小的信号波形;
一相位侦测电路,侦测所述信号波形的相位角;
一微控器,包括一脉冲宽度调变输出电路,用以产生一脉冲宽度调变信号,以控制所述发光二极管照明设备的光线亮度;以及
所述微控器,耦接所述相位侦测电路,当所述信号波形的相位角度不变时,维持所述泄放电路的所述动作频率,且所述脉冲宽度调变信号的脉冲宽度保持不变,使所述发光二极管照明设备的光线保持不变;当所述相位角改变时,增加或降低所述泄放电路的所述动作频率,并产生一调整信号,且所述脉冲宽度调变输出电路依据所述调整信号,产生相对应所述调整信号的脉冲宽度,以相对应地改变所述发光二极管照明设备的光线亮度。
2.如权利要求1所述的调光电路,其特征在于,所述微控器包括:
一相位角滤波器,用以过滤所述相位角的噪声,产生一滤波后信号;以及
一调光曲线转换模块,接收所述相位角的相关信息,依据一调光曲线转换所述相位角的相关信息,以产生相对应所述相位角相关信息的所述脉冲宽度。
3.如权利要求1所述的调光电路,其特征在于,所述微控器包括:
一相位角侦测单元,用以取得所述相位角;
一相位角滤波器,用以过滤所述相位角的噪声;
一泄放电路驱动单元,用以依据一指令产生驱动讯号,以决定所述泄放电路的所述动作频率;
一计时器,用以产生一与所述泄放电路驱动单元和相位角侦测单元同步的时脉;
一调光曲线转换模块,用以提供一调光曲线;
一脉冲宽度调变输出电路,用以产生该脉冲宽度调变信号,以控制所述发光二极管照明设备的光线亮度;以及
一控制逻辑,是配合所述计时器时脉来运作,接收所述相位角,依据所述相位角来决定如何产生控制所述泄放电路驱动单元的指令与如何控制所述脉冲宽度调变输出电路产生所述脉冲宽度调变信号。
4.如权利要求1所述的调光电路,其特征在于,所述相位调光器为一三端双向可控硅开关元件。
5.如权利要求1所述的调光电路,其特征在于,所述微控器为可编程化的装置,其运作与控制方式是以软件、固件或硬件的方式修改。
6.如权利要求1所述的调光电路,其特征在于,所述泄放电路与所述相位侦测电路互为同步。
7.一种微控器,其特征在于,所述微控器包括:
一相位角侦测单元,侦测一相位侦测电路提供的信号波形的相位角;
一相位角滤波器,用以过滤所述相位角的噪声;
一泄放电路驱动单元,用以依据一指令产生驱动讯号,以决定泄放电路的动作频率;
一计时器,用以产生一与所述泄放电路驱动单元和相位角侦测单元同步的时脉;
一调光曲线转换模块,用以提供一调光曲线;
一脉冲宽度调变输出电路,用以产生一脉冲宽度调变信号,以控制一发光二极管照明设备的光线亮度;以及
一控制逻辑,是配合所述计时器时脉来运作,接收所述相位角,依据所述相位角来决定如何产生控制所述泄放电路驱动单元的指令与如何控制所述脉冲宽度调变输出电路产生所述脉冲宽度调变信号。
8.一种控制泄放电路的频率调变控制方法,其特征在于,所述控制泄放电路的频率调变控制方法包括:
提供一对时信号,依据相位侦测电路的相位角信号,以判断提高或降低对时信号时间基准,并比较是否上溢,若上溢则触发所述泄放电路;
令所述相位角与一转换曲线相关,并加以计算产生一计算结果,依据所述计算结果产生相对应的脉冲宽度调变工作周期,以控制发光二极管照明设备LED的亮度;以及
判断目前相位角是否大于先前相位角,若大于,则降低所述对时信号时间基准;若小于则提高所述对时信号时间基准。
9.一种微控器侦测相位角方法,其特征在于,所述微控器侦测相位角方法包括:
判断相位角侦测的运作时脉是否与泄放电路的触发信号同步,若同步则撷取所述相位角;
判断目前相位角是否为新进来的相位角,若是,对所述新进来的相位角进行滤波动作;
判断接收的相位角是否改变,若是,则依据所述改变的相位角的相关信息进行相位角/光线转换,并提供计算结果产生对应所述计算结果的脉冲宽度调变信号输出,以控制一发光二极管照明设备的光线亮度。
10.如权利要求9的微控器侦测相位角方法,其特征在于,所述改变的相位角相关信息为所述新进相位角的角度、或所述相位角的改变量。
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