CN103118466B - 一种无频闪的交流驱动led光源调光系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种无频闪的交流驱动LED光源调光系统和方法。所述系统包括：整流模块，对接收到的交流电进行整流并输出工作电压；LED阵列，包括依据串联的LED数量递增划分的多级灯组；开关模块，包括分别对应连接至各级灯组输出端的多个开关，用于导通及切断各级灯组的供电回路；采样模块，包括依据串联的电阻数量递减划分的多级采样电阻串；驱动电源芯片，用于对各级灯组的供电回路提供基准电平；压控电流源模块，依据照明控制中心输出的照明控制信号产生一预设范围内的直流电平，并由直流电平产生一偏置电流以对LED光源进行调幅调光作业。只需根据控制信号改变外部偏置电流大小就可以达到改变LED电流大小的目的，可以实现无频闪的深度调光。

Description

一种无频闪的交流驱动LED光源调光系统和方法
技术领域
本发明涉及一种LED光源调光系统和方法，特别是涉及一种无频闪的交流驱动LED光源调光系统和方法。
背景技术
目前，LED照明技术被市场广泛接受的主要阻力是LED照明系统的价格。根据成本对比和使用寿命分析结果表明，同基于开关电源驱动的LED照明系统相比，交流驱动LED照明系统在价格和寿命等方面的优势比较明显，所以大力发展交流驱动LED照明技术，对于降低LED照明产品价格和推广LED照明应用，是一个非常有力的措施。
LED照明控制中，驱动电源如何识别接收到的控制信号、电源如何响应控制信号并实现输出功率的变化（调光）同LED电源的拓扑结构密切相关，所以交流驱动LED照明的调光控制技术需要量身定做。
通过调整交流输入电压波形的导通相位角而实现调光的方法简称切相调光，该调光方法在传统的白炽灯调光中得到广泛地应用。对电网输入端而言，交流驱动LED线路可以等效为白炽灯。图1所示为交流驱动LED线路交流输入电流的波形示意图。调光效果试验表明，切相调光方法在交流驱动LED线路中是可以实现调光功能的，但是如图2所示，在深度调光时，切相调光方法会由于切相角不对称而产生明显的频闪，并且会带来严重的EMI问题。
事实上，LED光源与白炽灯光源的伏-安特性（V/I特性）存在很大区别。白炽灯呈现纯电阻特性，流过白炽灯的电流大小由欧姆定律决定，所以白炽灯是自镇流的。LED呈现二极管指数规律的V/I特性，LED正向压降的微小变化会引起LED电流的剧烈变化，所以LED驱动电源中必须有LED的稳流功能。稳流功能是通过驱动电源芯片中的基准电平来实现的，即LED电流和采样电阻的乘积等于芯片的基准电平。基于此原理，通过控制来改变驱动电源芯片的基准电平或者采样电阻的大小，就可以改变LED电流的大小，这就是交流驱动LED照明应用中的调幅调光技术。
但是在调幅调光过程中，譬如低于5%的功率输出时，电源芯片的基准电平会降低很多，如电源芯片满功率输出时的基准电平等于0.5V，而深度调光至5%的功率输出时，芯片的基准电平会降低至0.025V以下。由此带来的风险是：外部发送来的控制信号将芯片的基准电平调整至很低的水平，会因为信噪比低而导致电源芯片工作不稳定而产生LED频闪。
因此，需要一种切实有效、成本低的方法，来避免切相调光方法产生的频闪和EMI问题，以及交流驱动LED照明应用中深度调幅调光时，因芯片基准电平太低而引起的LED频闪问题。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种无频闪的交流驱动LED光源调光系统和方法，用于解决现有技术在交流驱动LED照明应用中，切相调光导致的严重频闪和EMI问题；以及调幅调光在深度调光时，因芯片基准电平太低而引起的线路工作异常和LED频闪的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种无频闪的交流驱动LED光源调光系统，所述调光系统包括：整流模块，对接收到的交流电进行整流并输出工作电压；LED阵列，其输入端连接于所述整流模块，包括依据串联的LED数量递增划分的多级灯组；开关模块，包括分别对应连接至各级灯组输出端的多个开关，用于导通及切断各级灯组的供电回路；采样模块，包括依据串联的电阻数量递减划分的多级采样电阻串，所述采样电阻串的级别与所述灯组的级别一致，各采样电阻串的输入端对应连接于所述开关模块，输出端接地；驱动电源芯片，连接所述开关模块和所述采样模块，用于对所述各级灯组的供电回路提供基准电平；以及压控电流源模块，其输入端连接于所述照明控制中心，输出端连接于所述采样模块，依据所述照明控制中心输出的照明控制信号产生一预设范围内的直流电平，并由所述直流电平产生一偏置电流以对LED光源进行调幅调光作业。
优选地，所述LED阵列中的各级灯组为多个串联的LED或者多个串联的LED并联组。
优选地，所述采样模块中的采样电阻串包括多个串联的电阻或者多个串联的电阻并联组。优选地，所述驱动电源芯片在相互对应的所述开关与所述采样电阻串之间施加基准电平。
优选地，所述压控电流源模块依据所述照明控制中心输出的照明控制信号产生一0～5V的直流电平，然后由所述直流电平产生一偏置电流，并将该偏置电流叠加至所述灯组的供电回路上对LED光源进行调幅调光作业。
本发明提供还提供一种无频闪的LED光源调光方法，包括以下步骤：1）压控电流源模块接收照明控制中心传送的照明控制信号，将所述照明控制信号一一对应转换为预设范围内的一直流控制电平；2）所述压控电流源模块产生与所述直流控制电平对应的偏置电流；3）将所述偏置电流叠加于灯组的供电回路上，在不改变基准电平和采样电阻的前提下，所述偏置电流与流过LED阵列的电流成反比，通过调整偏置电流对LED光源进行调幅调光作业。
优选地，所述压控电流源模块接收到所述照明控制中心传送的照明控制信号，将所述照明控制信号一一对应转换为0～5V的一直流控制电平。
如上所述，本发明的一种无频闪的交流驱动LED光源调光系统和方法，无需改变电源芯片的基准电平或者采样电阻，只需根据控制信号改变外部偏置电流大小就可以改变流经LED电流的大小，实现深度调幅调光，解决了电源芯片因为基准电平太低而工作异常带来的程度不一的频闪问题，也克服了切向调光方法带来的频闪和EMI问题。
附图说明
图1显示为交流驱动LED线路交流输入电流的波形示意图。
图2显示为交流驱动LED线路切向调光方式下交流输入电流的波形示意图。
图3显示为本发明无频闪的交流驱动LED光源调光系统结构示意图。
图4显示为本发明无频闪的交流驱动LED光源调光系统线路原理图。
图5显示为本发明无频闪的交流驱动LED光源调光系统的可控电流源偏置调幅调光的原理图。
图6显示为本发明无频闪的交流驱动LED光源调光系统在不同调光等级下交流输入电流的波形示意图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
请参阅图3和图4，分别为本发明无频闪的交流驱动LED光源调光系统的结构示意图和线路原理图。如图所示，该LED光源调光系统包括整流模块2、LED阵列3、开关模块4、采样模块5、驱动电源芯片6和压控电流源模块7。
整流模块2对接收到的交流电进行整流并输出工作电压。于本实施例中，整流模块2连接交流电源1，包括一个压敏电阻RV（也可以是热敏电阻）和整流电路。交流电源1的第一端与火线连接，第二端连接压敏电阻RV，压敏电阻RV的另一端与零线连接。整流电路的第一端与零线连接，第二端与交流电源的第二端连接。
LED阵列3的输入端连接于所述整流模块2，包括依据串联的LED数量递增划分的多级灯组。LED阵列3中的各级灯组为多个串联的LED或者多个串联的LED并联组。于本实施例中，LED阵列3中的各级灯组暂以多个串联的LED为例进行说明，例如灯组划分为4级，即级别N=4，第1级灯组由LED1和LED2组成，第2级灯组由LED1、LED2、LED3组成，第3级灯组由LED1、LED2、LED3和LED4组成，第4级灯组由LED1、LED2、LED3、LED4和LED5组成。本实施例中，始终处于供电回路中的第1级灯组的正极连接于整流电路的正极，整流电路的负极接地。
开关模块4包括分别对应连接至各级灯组输出端的多个开关，用于导通及切断各级灯组的供电回路。本实施例中，如图4中所示的，开关S1～S4分别对应于第1级灯组～第4级灯组，即开关S1连接于第1级灯组和第1级采样电阻串之间，开关S2连接于第2级灯组和第2级采样电阻串之间，开关S3连接于第3级灯组和第3级采样电阻串之间，开关S4连接于第4级灯组和第4级采样电阻串之间，用于分别导通及切断上述各级灯组的供电回路。
采样模块5包括依据串联的电阻数量递减划分的多级采样电阻串，采样电阻串包括多个串联的电阻或者多个串联的电阻并联组，采样电阻串的级别与灯组的级别一致。各采样电阻串的输入端对应连接于开关模块4中的各个开关，输出端接地。于本实施例中，采用电阻串暂以多个串联的电阻为例进行说明，采样电阻串级别与灯组级别相同，同样划分为4级，即N=4。第1级采样电阻串由采样电阻R1、R2、R3、R4组成，第2级采样电阻串由采样电阻R2、R3和R4组成，第3级采样电阻串由采样电阻R3和R4组成，第4级采样电阻串由采样电阻R4组成。采样电阻R4的另一端接地。
驱动电源芯片6连接开关模块4和采样模块5，在相互对应的开关与采样电阻串之间施加基准电平Vref。
本实施例中，在没有采用压控电流源模块7时，交流驱动LED光源的工作原理是：LED1～LED5（COB封装的多个串联的LED或者多个串联的LED并联组）的正向压降都等于50V，在每1/4个工频周期内，交流驱动LED光源总共有5个工作状态，分别是：
当有效值等于220V的交流输入电压的瞬时值Vac小于100V，即Vac<100V，开关S1～S4都是断开的，无光输出；当100V<Vac<150V时，开启S1（其它开关断开），第1级灯组和第1级采样电阻串接通，LED1和LED2发光，电流大小等于Vref/（R1+R2+R3+R4），其中Vref是控制芯片中的基准电平；
当150V<Vac<200V时，开启S2（其它开关断开），则第2级灯组和第2级采样电阻串接通，LED1、LED2和LED3发光，电流大小等于Vref/（R2+R3+R4）；
当200V<Vac<250V时，开启S3（其它开关断开），则第3级灯组和第3级采样电阻串接通，LED1、LED2、LED3和LED4发光，电流大小等于Vref/（R3+R4）；
当Vac>250V时，开启S4（其它开关断开），则第4级灯组和第4级采样电阻串接通，LED1、LED2、LED3、LED4和LED5全部发光，电流大小等于Vref/R4。以上分析表明，在每1/4个工频周期内的5个子状态中，流过灯组的电流都是可控的，改变R1～R4的电阻配置，或者通过控制来改变芯片中的基准电平Vref，就能改变流过灯组的电流大小。但是在深度调光过程中，如果基准电平被降低太多，则会带来程度不一的频闪问题。
因此，本实施例在采样模块5的输入端连接了压控电流源模块7，采用可控电流源偏置调幅调光的方法对交流驱动LED光源进行调幅调光作业。
如图5显示的可控电流源偏置调幅调光的原理图所示，将压控电流源产生的偏置电流IBias叠加至灯组供电回路的采样电阻Rs上，这样流过LED灯组的电流ILED大小满足的数学关系为：Vref＝Rs（ILED＋IBias）。在基准电平Vref维持不变的情况下，偏置电流IBias与流过LED灯组的电流ILED成反比，即IBias越大，ILED越小，从而实现对LED光源进行调幅调光的目的。
本发明还提供一种无频闪LED光源调光方法，包括以下步骤：
1）压控电流源模块7接收照明控制中心传送的照明控制信号，将照明控制信号一一对应转换为预设范围内的一直流控制电平。于本实施例中，压控电流源模块7将接受到的照明控制信号一一对应转换为0～5V的直流控制电平；
2）压控电流源模块7产生与直流控制电平对应的偏置电流IBias；
3）将偏置电流IBias叠加于灯组的供电回路上；
4）根据照明控制信号调节偏置电流IBias，依据前述的可控电流源偏置调幅调光的原理，偏置电流IBias与流过LED灯组的电流ILED成反比，通过调整偏置电流IBias的大小实现对LED光源进行调幅的调光作业。
本实施例中，在如图4所示的系统线路中，偏置电流IBias叠加至灯组供电回路中各级采样电阻串都包括的采样电阻R4上。在满功率输出时（控制电压等于0V），交流输入电压有效值等于220V，满功率输入功率等于22W，交流输入电流有效值约等于0.1A（100%），流过LED灯组的最大电流等于0.14A，如图6(a)所示。逐渐增大控制电压，则偏置电流IBias逐渐增大，通过LED灯组的电流和交流输入电流会逐渐减小。图6(b)、6(c)和6(d)所示为不同调光等级下（交流输入电流分别为满功率输出时的50%、25%和5%时）交流输入电流的波形示意图。
从该实施例中可以看出，在深度调光（交流输入电流小于等于满功率输出时的5％）时，整个交流驱动LED光源系统仍工作稳定，无丝毫的频闪出现，与切相调光方法相比，也不会引起EMI超标的问题，
综上所述，采用本发明无频闪的交流驱动LED光源调光系统和方法，可以实现对交流驱动LED照明线路进行深度调幅调光的目的，同时系统工作稳定，无频闪出现，还可克服切向调光方法带来的EMI问题。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (7)

1.一种无频闪的交流驱动LED光源调光系统，用于依据接收到照明控制中心输出的照明控制信号对LED光源进行调幅调光作业，其特征在于，所述调光系统包括：
整流模块，对接收到的交流电进行整流并输出工作电压；
LED阵列，其输入端连接于所述整流模块，包括依据串联的LED数量递增划分的多级灯组；
开关模块，包括分别对应连接至各级灯组输出端的多个开关，用于导通及切断各级灯组的供电回路；
采样模块，包括依据串联的电阻数量递减划分的多级采样电阻串，所述采样电阻串的级别与所述灯组的级别一致，各采样电阻串的输入端对应连接于所述开关模块，输出端接地；
驱动电源芯片，连接所述开关模块和所述采样模块，用于对所述各级灯组的供电回路提供基准电平；
压控电流源模块，其输入端连接于所述照明控制中心，输出端连接于所述采样模块，依据所述照明控制中心输出的照明控制信号产生一预设范围内的直流电平，并由所述直流电平产生一偏置电流以对LED光源进行调幅调光作业，所述偏置电流叠加在所述灯组的供电回路中各级采样电阻串都包括的采样电阻上。
2.根据权利要求1所述的无频闪的交流驱动LED光源调光系统，其特征在于：所述LED阵列中的各级灯组为多个串联的LED或者多个串联的LED并联组。
3.根据权利要求2所述的无频闪的交流驱动LED光源调光系统，其特征在于：所述采样模块中的采样电阻串包括多个串联的电阻或者多个串联的电阻并联组。
4.根据权利要求3所述的无频闪的交流驱动LED光源调光系统，其特征在于：所述驱动电源芯片在相互对应的所述开关与所述采样电阻串之间施加基准电平。
5.根据权利要求4所述的无频闪的交流驱动LED光源调光系统，其特征在于：所述压控电流源模块依据所述照明控制中心输出的照明控制信号产生一0～5V的直流电平，然后由所述直流电平产生一偏置电流，并将该偏置电流叠加至所述灯组的供电回路上对LED光源进行调幅调光作业。
6.一种无频闪的LED光源调光方法，其特征在于：包括以下步骤
1)压控电流源模块接收照明控制中心传送的照明控制信号，将所述照明控制信号一一对应转换为预设范围内的一直流控制电平；
2)所述压控电流源模块产生与所述直流控制电平对应的偏置电流；
3)在相互对应的开关与采样电阻串之间施加基准电平，将所述偏置电流叠加于LED灯组的供电回路上，在不改变基准电平和采样电阻的前提下，所述偏置电流与流过LED阵列的电流成反比，通过调整偏置电流对LED光源进行调幅调光作业；
所述LED灯组为依据串联的LED数量递增划分的多级灯组；对应连接至各级所述LED灯组的输出端有各个开关，所述开关用于导通及切断各级所述LED灯组的供电回路；对应连接于各所述开关的有各级采样电阻串，所述采样电阻串的级别与所述灯组的级别一致并依据串联的采样电阻数量的递减划分；所述偏置电流叠加在所述LED灯组的供电回路中各级采样电阻串都包括的采样电阻上。
7.根据权利要求6所述的调光方法，其特征在于：所述压控电流源模块接收到所述照明控制中心传送的照明控制信号，将所述照明控制信号一一对应转换为0～5V的一直流控制电平。
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