CN103025022B - Led颜色调节中的自适应功率调节电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种LED颜色调节中的自适应功率调节电路，主要解决现有LED颜色调节电路中LED亮度跟随其颜色发生变化的问题。其技术方案是通过R、G、B积分器分别将其对应红、绿、蓝三色LED占空比转换为平均功率信号；通过R、G、B放大器输出对应红、绿、蓝三色LED放大后的平均功率信号；利用频率选择开关Sor、Sog、Sob和阈值选择开关Scr、Scg、Scb分别选择相对应红、绿、蓝三色LED不同开关频率和不同峰值电流；通过逻辑控制电路将压控振荡器输出的震荡信号和峰值电流比较器输出的高低电平相互作用，输出电压控制信号，以控制红、绿、蓝三色LED通路上开关的通断。本发明结构简单，根据LED发光颜色自行调节比例系数，实现在不同基色组合时对LED功率的补偿，使LED总亮度趋于一致，可用于模拟集成电路。

Description

LED颜色调节中的自适应功率调节电路

技术领域

本发明属于电子电路技术领域，涉及模拟集成电路，特别是一种LED颜色调节中的自适应功率调节电路。

背景技术

在LED照明领域中，不仅对LED亮度调节的需求越来越高，而且对LED变换色彩的需要也日益增加，并广泛应用于家用照明和景观照明中。所谓彩色LED，实际上是由三色LED组成，分别发出红、绿、蓝光。通过调节各个LED的电流值，理论上可以调节出任意色彩。调节电流分为直接调节电流和调节电压占空比两种方式。直接调节电流需要多路电源并行工作，各个颜色LED电流值的变换由电源之外的控制模块执行，系统较为复杂，适合LED点阵显示屏等大型系统的应用。如果是针对景观工程或家用照明系统，则显成本较高。

如图1显示了传统的升压型峰值电流模开关电源，并应用调节电压占空比的方法调节LED颜色系统的原理框图。图1中，开关Sr、Sg、Sb分别控制红、绿、蓝三色LED通路的通断。在每个显色周期T内，开关Sr、Sg、Sb开关导通占空比分别为Dr、Dg、Db。设电感L中电流IL峰值为Ip，则如果Ip一定，升压型开关电源输出的总功率可以表示为：

$P_{\mathrm{out}}=\frac{1}{2}{\mathrm{LI}}_p^2\·f_s$

其中，fs为该升压型AC-DC开关变换器的振荡器频率，一般在60KHz以上。红、绿、蓝三种颜色LED的功率分别可以表示为：

${P_r=P}_{\mathrm{out}}{D}_r=\frac{1}{2}{\mathrm{LI}}_p^2\·f_s{D}_r$

${P_g=P}_{\mathrm{out}}{D}_g=\frac{1}{2}{\mathrm{LI}}_p^2\·f_s{D}_g$

${P_b=P}_{\mathrm{out}}{D}_b=\frac{1}{2}{\mathrm{LI}}_p^2\·f_s{D}_b$

从而得到红、绿、蓝三种颜色LED的平均电流分别为：

$I_r=\frac{P_r}{V_{\mathrm{fr}}}=\frac{{\mathrm{LI}}_p^2\·f_s{D}_r}{{2V}_{\mathrm{fr}}}$

$I_g=\frac{P_g}{V_{\mathrm{fg}}}=\frac{{\mathrm{LI}}_p^2\·f_s{D}_g}{{2V}_{\mathrm{fg}}}$

$I_b=\frac{P_b}{V_{\mathrm{fb}}}=\frac{{\mathrm{LI}}_p^2\·f_s{D}_b}{{2V}_{\mathrm{fb}}}$

其中Vfr、Vfg、Vfb分别表示红、绿、蓝三色LED的正向导通电压。由于LED的亮度由流经LED的平均电流决定，所以理论上只要改变Dr、Dg、Db的值，就可以使不同基色LED亮度不同，从而调配出各种颜色。显色周期T需要设定在1ms之内，使人眼不易察觉即可。

然而，由于不同基色LED的发光效率不同，导致其正向导通电压存在微小差距。下表描述了一般情况下，红绿蓝三基色的正向导通电压Vf范围：

颜色	Vf范围
		红色	1.6～2.25V
绿色	2.8～4.0V
		蓝色	2.8～4.0V

由三基色平均电流公式可以得出，LED在同样功率下，正向导通电压Vf越小的颜色其平均电流也就越高，亮度就越大。由上表可以得出，红色LED的正向导通电压Vf最小，这样就造成了在家用照明或景观照明LED变换色彩的使用中，存在富含红色等暖色调色彩时亮度较大，而富含绿色或蓝色等冷色调色彩时亮度不足的缺陷。

发明内容

本发明的目的在于针对现有LED颜色调节电路的不足，提出了一种LED颜色调节中的自适应功率调节电路，以在进行颜色变换时，通过功率补偿的方法使各种色调的亮度趋于一致。

为实现上述目的，本发明包括：红、绿、蓝三色LED、分别对应红、绿、蓝的三色开关Sr、Sg、Sb和NMOS开关管M；NMOS开关管M用来确定红、绿、蓝三色LED的通断，三色开关Sr、Sg、Sb分别用来控制红、绿、蓝三色LED通路的占空比Dr、Dg、Db，其特征在于，还包括：

R积分器，用于将红色LED通路上三色开关Sr的开关控制信号Cr进行积分并求平均值，将红色LED发光占空比Dr转换为红色LED平均功率信号Vdr；

G积分器，用于将绿色LED通路上三色开关Sg的开关控制信号Cg进行积分并求平均值，将绿色LED发光占空比Dg转换为绿色LED平均功率信号Vdg；

B积分器，用于将蓝色LED通路上三色开关Sb的开关控制信号Cb进行积分并求平均值，将蓝色LED发光占空比Db转换为蓝色LED平均功率信号Vdb；

R放大器，用于将R积分器输入的红色LED平均功率信号Vdr乘以放大系数Ar后分别输出到压控振荡器OSC和峰值电流比较器AMP；

G放大器，用于将G积分器输入的绿色LED平均功率信号Vdg乘以放大系数Ag后分别输出到压控振荡器OSC和峰值电流比较器AMP；

B放大器，用于将B积分器输入的蓝色LED平均功率信号Vdb乘以放大系数Ab后分别输出到压控振荡器OSC和峰值电流比较器AMP；

频率选择开关Sor、Sob、Sog，用于在不同颜色LED发光时选择不同的开关频率；

阈值选择开关Scr、Scb、Scg，用于在不同LED发光时选择不同的峰值电流；

压控振荡器OSC，用于调节开关频率fs；

峰值电流比较器AMP，用于将其所在芯片的电感电流IL与内设阈值Ip相比较，当所在芯片的电感电流IL高于内设阈值Ip时关断NMOS开关管M；

逻辑控制电路Logic，用于分别输出开关控制信号Cr、Cg和Cb，综合振荡器OSC输入的震荡信号V1和峰值电流比较器AMP输入的高低电平信号V2，控制开关电源中开关管M的通断。

作为优选，上述LED颜色调节中的自适应功率调节电路的R积分器，G积分器，B积分器，其输入端分别与逻辑控制电路Logic输入的开关控制信号Cr、Cg、Cb相连，其输出端分别与R放大器、G放大器、B放大器的输入端相连。

作为优选，上述LED颜色调节中的自适应功率调节电路的频率选择开关Sor、Sog、Sob分别跨接于R放大器、G放大器、B放大器的输出端与压控振荡器OSC的输入端之间，其控制端分别与逻辑控制电路Logic输入的开关控制信号Cr、Cg、Cb相连。

作为优选，上述LED颜色调节中的自适应功率调节电路的阈值选择开关Scr、Scg、Scb分别跨接于R放大器，G放大器，B放大器的输出端与峰值电流比较器AMP的第一输入端之间，其控制端分别与逻辑控制电路Logic输入的开关控制信号Cr、Cg、Cb相连。

作为优选，上述LED颜色调节中的自适应功率调节电路的峰值电流比较器AMP，其第一输入端与阈值选择开关Scr、Scg、Scb的公共端相连，其第二输入端与其所在芯片的电感电流信号IL相连，其输出端与逻辑控制电路Logic的第一输入端相连，输出高低电平信号V2。

作为优选，上述LED颜色调节中的自适应功率调节电路的压控振荡器OSC，其输入端与频率选择开关Sor、Sog、Sob的公共端相连，其输出端与逻辑控制电路Logic的第二输入端相连，输出振荡信号V1。

作为优选，上述LED颜色调节中的自适应功率调节电路的逻辑控制电路Logic，其第一输入端与峰值电流比较器输入的高低电平信号V2相连，其第二输入端与压控振荡器输入的振荡信号V1相连，其第一输出端与开关电源NMOS开关管M的栅极相连，其第二输出端输出开关控制信号Cr，其第三输出端输出开关控制信号Cg，其第四输出端输出开关控制信号Cb。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

(1)本发明由于采用积分器提取三基色LED通路上开关控制信号的占空比信息，可使电路结构相对简单，版图占用面积较小。

(2)本发明由于采用放大器自适应定义三基色平均功率信号的放大系数，使得LED亮度不会因为LED的颜色不同而发生变化。

(3)本发明由于采用振荡器和峰值电流比较器自适应调整开关电源的开关频率和峰值电流，从而为不同基色LED提供不同输出功率，使三基色LED在变换颜色时，总亮度趋于一致。

附图说明

图1为传统用于LED变色照明的峰值电流模电路结构图；

图2为本发明的结构图；

图3为本发明的典型波形示意图。

具体实施方式

以下结合附图及其实施例对本发明作进一步描述。

参照图2，本发明的LED颜色调节中的自适应功率调节电路包括：红色LED、绿色LED、蓝色LED、对应红色LED的开关Sr、对应绿色LED的开关Sg、对应蓝色LED的开关Sb、NMOS开关管M、二极管D1、R积分器、G积分器、B积分器、R放大器、G放大器、B放大器、频率选择开关Sor、频率选择开关Sog、频率选择开关Sob、阈值选择开关Scr、阈值选择开关Scg、阈值选择开关Scb、压控振荡器OSC、峰值电流比较器AMP和逻辑控制电路Logic，其中：

对应红色LED的开关Sr跨接于红色LED的一端与地之间，用来控制红色LED通路的占空比Dr；

对应绿色LED的开关Sg跨接于绿色LED的一端与地之间，用来控制绿色LED通路的占空比Dg；

对应蓝色LED的开关Sb跨接于蓝色LED的一端与地之间，用来控制蓝色LED通路的占空比Db；

二极管D1跨接于红、绿、蓝三色LED的公共端与NMOS开关管M的漏极之间；

逻辑控制电路Logic，设有两个输入端和四个输出端，其第一输入端与峰值电流比较器AMP输入的高低电平信号V2相连，其第二输入端与压控振荡器OSC输入的振荡信号V1相连，其第一输出端输出电压控制信号V，其第二输出端输出开关信号Cr，用来控制红色LED通路上开关的导通与关断，其第三输出端输出开关信号Cg，用来控制绿色LED通路上开关的导通与关断，其第四输出端输出开关信号Cb，用来控制蓝色LED通路上开关的导通与关断；

NMOS开关管M，其栅极与逻辑控制电路Logic输入的电压控制信号V相连，其源极连接到地，NMOS开关管M用来控制红、绿、蓝三色LED的导通与关断；

R积分器，其输入端与逻辑控制电路Logic输入的开关控制信号Cr相连，其输出端与R放大器的输入端相连，R积分器将红色通路开关控制信号Cr的占空比信号转换为平均功率信号Vdr；

G积分器，其输入端与逻辑控制电路Logic输入的开关控制信号Cg相连，其输出端与G放大器的输入端相连，G积分器将绿色通路开关控制信号Cg的占空比信号转换为平均功率信号Vdg；

B积分器，其输入端与蓝色LED通路的开关控制信号Cb相连，其输出端与B放大器的输入端相连，B积分器将蓝色通路开关控制信号Cb的占空比信号转换为平均功率信号Vdb；

频率选择开关Sor跨接于R放大器的输出端与压控振荡器OSC的输入端之间，其控制端与逻辑控制电路Logic输入的开关控制信号Cr相连；

频率选择开关Sog跨接于G放大器的输出端与压控振荡器OSC的输入端之间，其控制端与逻辑控制电路Logic输入的开关控制信号Cg相连；

频率选择开关Sob跨接于B放大器的输出端与压控振荡器OSC的输入端之间，其控制端与逻辑控制电路Logic输入的开关控制信号Cb相连；

频率选择开关Sor、Sob、Sog，用于在不同颜色LED发光时选择不同的开关频率；

阈值选择开关Scr跨接于R放大器的输出端与峰值电流比较器AMP的第一输入端之间，其控制端与逻辑控制电路Logic输入的开关控制信号Cr相连；

阈值选择开关Scg跨接于G放大器的输出端与峰值电流比较器AMP的第一输入端之间，其控制端与逻辑控制电路Logic输入的开关控制信号Cg相连；

阈值选择开关Scb跨接于B放大器的输出端与峰值电流比较器AMP的第一输入端之间，其控制端与逻辑控制电路Logic输入的开关控制信号Cb相连；

阈值选择开关Scr、Scb、Scg，用于在不同LED发光时选择不同的峰值电流；

峰值电流比较器AMP，其第一输入端与阈值选择开关Scr、阈值选择开关Scg和阈值选择开关Scb的公共端相连，其第二输入端与其所在芯片的电感电流信号IL相连，其输出端输出高低电平信号V2，峰值电流比较器AMP为电压或电流比较器，用于将其所在芯片的电感电流IL与内设阈值Ip相比较，当电感电流IL高于内设阈值Ip时关断开关电源中的NMOS开关管M；

压控振荡器OSC，其输入端与频率选择开关Sor、频率选择开关Sog和频率选择开关Sob的公共端相连，其输出端输出振荡信号V1，压控振荡器OSC用于调节开关频率fs。

本发明的具体工作原理是：R积分器，G积分器，B积分器分别将红、绿、蓝三基色通路上的开关控制信号Cr、Cg、Cb的占空比信号Dr、Dg、Db转换为平均功率信号Vdr、Vdg、Vdb。设红、绿、蓝三基色LED的正向导通电压分别为Vfr，Vfg，Vfb，则三基色LED的亮度分别可以由正向电流表示为：

$I_r=\frac{P_r}{V_{\mathrm{fr}}}=\frac{{\mathrm{LI}}_p^2\·f_s{D}_r}{{2V}_{\mathrm{fr}}}$

$I_g=\frac{P_g}{V_{\mathrm{fg}}}=\frac{{\mathrm{LI}}_p^2\·f_s{D}_g}{{2V}_{\mathrm{fg}}}$

$I_b=\frac{P_b}{V_{\mathrm{fb}}}=\frac{{\mathrm{LI}}_p^2\·f_s{D}_b}{{2V}_{\mathrm{fb}}},$

其中Pr，Pg，Pb分别为红、绿、蓝色LED的功率，L为开关电源电感量，Ip为电感峰值电流，fs为开关频率，Dr、Dg、Db分别为红、绿、蓝三基色通路开关占空比。通过调整R放大器、G放大器、B放大器的比例系数Ar、Ag、Ab，以及控制红色LED通路上对应红色LED的开关Sr、频率选择开关Sor和阈值选择开关Scr的导通与关断，绿色LED通路上对应绿色LED的开关Sg、频率选择开关Sog和阈值选择开关Scg，蓝色LED通路上对应蓝色LED的开关Sb、频率选择开关Sob和阈值选择开关Scb的导通与关断，即可使在不同颜色LED导通时的系数发生改变，分别调整不同颜色LED导通时的使其系数比例为Vfr：Vfg：Vfb，即可对电流信号Ir、Ig、Ib做出完全补偿。

如图3所示，在一个显色周期T内，红、绿、蓝三色LED通路依次以占空比Dr、Dg、Db导通。由于红色LED的正向导通电压Vf较小，对应红色LED导通时的电感峰值电流Ipr和开关频率fsr均较小，以改变输出功率，对红色LED的亮度进行补偿。绿色、蓝色LED均采用相同方法进行补偿，只需满足条件即可：

$I_{\mathrm{pr}}^2\·f_{\mathrm{rs}}:I_{\mathrm{pg}}^2\·f_{\mathrm{rg}}:I_{\mathrm{pb}}^2\·f_{\mathrm{rb}}=V_{\mathrm{fr}}:V_{\mathrm{fg}}:V_{\mathrm{fb}};$

其中Ipr，Ipg，Ipb分别对应红、绿、蓝三基色LED电流通路导通时的电感电流峰值，fsr，fsg，fsb分别对应红、绿、蓝三基色LED电流通路导通时的开关频率。以上仅是本发明的一个实例，不构成对本发明的任何限制，显然在本发明的构思下，可以将LED灯串添加到所需要的数目，对电路进行不同的变更与改进，但这些均在本发明的保护之列。

Claims (7)

1.一种LED颜色调节中的自适应功率调节电路，包括：红、绿、蓝三色LED、分别对应红、绿、蓝的三色开关Sr、Sg、Sb和NMOS开关管M；NMOS开关管M用来确定红、绿、蓝三色LED的通断，三色开关Sr、Sg、Sb分别用来控制红、绿、蓝三色LED通路的占空比Dr、Dg、Db，其特征在于，还包括：

R积分器，用于将红色LED通路上三色开关Sr的开关控制信号Cr进行积分并求平均值，将红色LED发光占空比Dr转换为红色LED平均功率信号Vdr；

G积分器，用于将绿色LED通路上三色开关Sg的开关控制信号Cg进行积分并求平均值，将绿色LED发光占空比Dg转换为绿色LED平均功率信号Vdg；

B积分器，用于将蓝色LED通路上三色开关Sb的开关控制信号Cb进行积分并求平均值，将蓝色LED发光占空比Db转换为蓝色LED平均功率信号Vdb；

R放大器，用于将R积分器输入的红色LED平均功率信号Vdr乘以放大系数Ar后分别输出到压控振荡器OSC和峰值电流比较器AMP；

G放大器，用于将G积分器输入的绿色LED平均功率信号Vdg乘以放大系数Ag后分别输出到压控振荡器OSC和峰值电流比较器AMP；

B放大器，用于将B积分器输入的蓝色LED平均功率信号Vdb乘以放大系数Ab后分别输出到压控振荡器OSC和峰值电流比较器AMP；

频率选择开关Sor、Sob、Sog，用于在不同颜色LED发光时选择不同的开关频率；

阈值选择开关Scr、Scb、Scg，用于在不同LED发光时选择不同的峰值电流；

压控振荡器OSC，用于调节开关频率fs；

峰值电流比较器AMP，用于将其所在芯片的电感电流IL与内设阈值Ip相比较，当所在芯片的电感电流IL高于内设阈值Ip时关断NMOS开关管M；

逻辑控制电路Logic，用于分别输出开关控制信号Cr、Cg和Cb，压控振荡器OSC输入的振荡信号V1和峰值电流比较器AMP输入的高低电平信号V2，控制开关电源中开关管M的通断；

通过调整R放大器、G放大器、B放大器的比例系数Ar、Ag、Ab，以及控制红色LED通路上对应红色LED的开关Sr、频率选择开关Sor和阈值选择开关Scr的导通与关断，绿色LED通路上对应绿色LED的开关Sg、频率选择开关Sog和阈值选择开关Scg，蓝色LED通路上对应蓝色LED的开关Sb、频率选择开关Sob和阈值选择开关Scb的导通与关断，即可使在不同颜色LED导通时的系数发生改变，分别调整不同颜色LED导通时的使其系数比例为Vfr：Vfg：Vfb，即可对电流信号Ir、Ig、Ib做出完全补偿，即 $I_{\mathrm{pr}}^2\·f_{\mathrm{rs}}:I_{\mathrm{pg}}^2\·f_{\mathrm{rg}}:I_{\mathrm{pb}}^2\·f_{\mathrm{rb}}=V_{\mathrm{fr}}:V_{\mathrm{fg}}:V_{\mathrm{fb}};$

其中Ipr，Ipg，Ipb分别对应红、绿、蓝三基色LED电流通路导通时的电感电流峰值，fsr，fsg，fsb分别对应红、绿、蓝三基色LED电流通路导通时的开关频率。

2.根据权利要求1所述的LED颜色调节中的自适应功率调节电路，其特征在于R积分器，G积分器，B积分器，其输入端分别与逻辑控制电路Logic输入的开关控制信号Cr、Cg、Cb相连，其输出端分别与R放大器、G放大器、B放大器的输入端相连。

3.根据权利要求1所述的LED颜色调节中的自适应功率调节电路，其特征在于频率选择开关Sor、Sog、Sob分别跨接于R放大器、G放大器、B放大器的输出端与压控振荡器OSC的输入端之间，其控制端分别与逻辑控制电路Logic输入的开关控制信号Cr、Cg、Cb相连。

4.根据权利要求1所述的LED颜色调节中的自适应功率调节电路，其特征在于阈值选择开关Scr、Scg、Scb分别跨接于R放大器，G放大器，B放大器的输出端与峰值电流比较器AMP的第一输入端之间，其控制端分别与逻辑控制电路Logic输入的开关控制信号Cr、Cg、Cb相连。

5.根据权利要求1所述的LED颜色调节中的自适应功率调节电路，其特征在于峰值电流比较器AMP，其第一输入端与阈值选择开关Scr、Scg、Scb的公共端相连，其第二输入端与其所在芯片的电感电流信号IL相连，其输出端与逻辑控制电路Logic的第一输入端相连，输出高低电平信号V2。

6.根据权利要求1所述的LED颜色调节中的自适应功率调节电路，其特征在于压控振荡器OSC，其输入端与频率选择开关Sor、Sog、Sob的公共端相连，其输出端与逻辑控制电路Logic的第二输入端相连，输出振荡信号V1。

7.根据权利要求1所述的LED颜色调节中的自适应功率调节电路，其特征在于逻辑控制电路Logic，其第一输入端与峰值电流比较器输入的高低电平信号V2相连，其第二输入端与压控振荡器输入的振荡信号V1相连，其第一输出端与开关电源NMOS开关管M的栅极相连，其第二输出端输出开关控制信号Cr，其第三输出端输出开关控制信号Cg，其第四输出端输出开关控制信号Cb。