CN103200744A - 可控硅调光电路、调光方法以及应用其的led驱动器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种可控硅调光电路、调光方法以及应用其的LED驱动电路。依据本发明的可控硅调光电路用以接收一缺相的直流电压信号，以产生一调光信号以调节后续LED灯负载的亮度，包括：一导通相角信号发生电路，与所述整流桥连接，用以接收所述缺相的直流电压信号，并产生一表征所述可控硅整流元件导通相角范围的控制信号；一调光信号发生电路，其与所述导通相角信号发生电路连接，用以接收所述控制信号、一可调节信号和一箝位电压信号以产生一调光信号，通过设置由所述箝位电压信号确定的一定值信号选择调光相角范围幅度；并通过调节所述可调节信号，调整所述调光信号的幅值，以将所述可控硅调光电路的调光相角范围进行相应的平移。

Description

可控硅调光电路、调光方法以及应用其的LED驱动器

本申请是申请号为201110089211.3，申请日为2011年04月08日，发明创造名称为“一种可控硅调光电路、调光方法以及应用其的一种LED驱动器”的分案申请。

技术领域

本发明涉及一种应用于驱动灯负载的调光电路，具体的说更涉及一种可控硅调光电路、可控硅调光方法及应用其的一种LED驱动器。

背景技术

对照明领域而言，由于可控硅相控（斩波法）调光方法具有体积小、价格合理和调光功率范围宽的优点，因此可控硅相控调光法是目前应用最为广泛的调光方法，广泛应用于舞台照明和环境照明领域。应用可控硅相控工作原理，通过控制可控硅整流元件的导通角，将交流电网输入的正弦波电压斩掉一部分，以降低输出电压的平均值，从而控制灯电路的供电电压，实现对灯负载的调光功能。

参考图1A，所示为一种现有的采用可控硅相控调光方法的调光电路原理框图，其包括交流输入源101、可控硅整流元件106、触发电路113、整流桥107、

维持电阻108和由二极管109和滤波电容110组成的滤波电路。其中，触发电路113可以为由双向触发二极管105、整流桥107以及由可调电阻102、电阻103和电容103等几部分组成。可控硅整流元件106的阳极接收交流输入源101的一端，阴极连接至整流桥107；依次串联连接的可调电阻102、电阻103和电容103组成的触发电路中的A点连接至可控硅整流元件106的控制极。

在工作过程中，通过调节可调电阻102的电阻值，改变可控硅整流元件106控制极的电压，当控制极的电压大于一定电压时，可控硅整流元件106开始导通，从而控制可控硅整流元件106的导通角相对于交流输入源101的相位。从图1B所示的可控硅前沿触发的相控调光工作波形原理图可以看出，在正弦交流输入源101的电压过零后的某一时刻t₁（或某一相位w_t1），在可控硅整流元件106的控制极上加一正触发脉冲V_trg1，使可控硅整流元件106触发导通，根据可控硅整流元件的开关特性，这一导通将维持到正弦波的正半周结束。所以在正弦波的正半周（即0～π区间）中，0～w_t1范围内即α控制角内，可控硅整流元件106不导通；而在w_t1～π的相位区间即导通角内可控硅导通，这一范围见图1B中的斜线部分）。同样在正弦交流电的负半周，在t₂时刻（即相位角w_t2）施加触发脉冲V_trg2，使其导通。如此周而复始，对正弦波的每一半周期控制其导通，获得相同的导通角。通过改变触发脉冲的触发时间（或相位）就可以改变可控硅导通角

（或控制角α）的大小，从而获得一缺相的交流电压V_acin，经过整流桥107进行整流后，获得一直流电压V_dcin，可见导通角

越大，电路的输出电压V_dc越高，通过开关电源驱动器111对负载112进行控制，从而使得负载112的发光越亮。

由于可控硅整流元件通过零交点时处于关闭状态，传统的交流/直流切换模式LED驱动器会关闭，同时无法驱动LED的负载。因此，可控硅调光器在极低导通角的状况下，人眼将会辨识出LED负载在两倍频率（如100Hz/120Hz）下的短开启时间，造成眼睛看的出的闪烁效果。

现有的可控硅调光电路根据可控硅整流元件的参数进行相应的电路元件参数的设定和选择，能够很好的适应该可控硅整流元件，使其工作较好的调光状态。但是，由于可控硅整流元件的特征参数各异，其导通相角范围各有不同，对于不同的可控硅整流元件，可控硅调光电路的参数需要进行不同的调整，否则，可控硅调光电路的调光性能将会降低，因此现有的可控硅调光电路的通用性不强。例如，由可控硅整流元件确定的调节相角范围优选为60°-120°相角；而当另一可控硅整流元件的起始导通角为75°相角时，如果再使用同样的可控硅调光电路，则负载可调节的亮度范围就相应的减小了。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种高效率、无闪烁、调光性能较佳的可控硅调光电路及其调光方法。

依据本发明的一种可控硅调光电路的一实施例，用以接收一缺相的直流电压信号，所述缺相的直流电压信号由一与可控硅整流电路连接的整流桥产生，所述可控硅整流电路接收外部正弦交流电源以产生一缺相的交流电压信号，所述可控硅调光电路根据所述缺相的直流电压信号产生一调光信号以调节后续LED灯负载的亮度，包括：

一导通相角信号发生电路，与所述整流桥连接，用以接收所述缺相的直流电压信号，并产生一表征所述可控硅整流元件导通相角范围的控制信号；

一调光信号发生电路，其与所述导通相角信号发生电路连接，用以接收所述控制信号、一可调节信号和一箝位电压信号以产生一调光信号，通过设置由所述箝位电压信号确定的一定值信号选择调光相角范围幅度；并通过调节所述可调节信号，调整所述调光信号的幅值，以将所述可控硅调光电路的调光相角范围进行相应的平移。

优选的，调节所述可调节信号，使得：

当可调节信号大于控制信号时，调光信号为最小值，LED灯处于关断即最小亮度状态；

当控制信号与可调节信号的差值大于所述定值信号时，调光信号为最大值，LED灯处于全亮即最大亮度状态；

当可调节信号大于控制信号与所述定值信号之差，而小于控制信号时，调光信号在最大值和最小值之间连续变化，LED灯的亮度在最小亮度和最大亮度之间处于连续调光状态。

进一步的，所述导通相角信号发生电路进一步包括：

相角检测电路，与所述整流桥的输出连接，用以接收所述整流桥输出的缺相的直流电压信号，以输出一检测电压信号；

控制信号发生电路，与所述相角检测电路连接，用以接收所述检测电压信号，以获得一相对平滑的表征可控硅整流元件导通相角范围的控制信号。

进一步的，所述相角检测检测电路进一步包括一稳压二极管和第一晶体管，所述稳压二极管的阳极连接至所述整流桥的第二输出端，阴极通过一电阻连接至所述整流桥的第一输出端；所述第一晶体管的控制端连接至所述稳压二极管的阴极，第一端连接至所述整流桥的第一输出端；第二端通过另一电阻连接至地。

进一步的，所述控制信号发生电路进一步包括方波信号发生电路和滤波电路；所述方波信号发生电路与所述相角检测电路连接，用以接收所述检测电压信号，并产生第一方波信号，所述第一方波信号表征所述可控硅整流元件的导通相角范围；所述滤波电路与所述方波信号发生电路连接，用以接收所述方波信号，并对其进行滤波运算，以获得一平滑的与所述可控硅整流元件的导通相角范围成比例的控制信号。

优选的，所述方波信号发生电路为一电流比较电路，其一端接收表征所述检测电压信号的电流信号，另一端接收一基准电流源信号，从而获得第一方波信号，以获得表征征所述可控硅整流元件的导通相角范围的方波信号。

优选的，所述方波信号发生电路为一电压比较电路，将所述检测电压信号与一基准电压进行比较，以获得表征所述可控硅整流元件的导通相角范围的方波信号。

进一步的，所述控制信号发生电路进一步包括第一反相器和一由电阻和电容组成的第一滤波电路，所述第一反相器的一端接收所述第一方波信号，所述电阻和电容依次串联连接在所述反相器的另一端和所述整流桥的第二输出端之间；所述电阻和电容的公共连接点的电压作为所述控制信号。

进一步的，所述调光信号发生电路进一步包括第一比较电路和平均值电路，其中

所述第一比较电路的第一输入端接收所述控制信号，第二输入端接收一锯齿波信号，并进行比较，以在其输出端输出第二方波信号；所述可控硅调光电路的调光相角范围幅度由锯齿波信号的峰峰值确定；

所述平均值电路与所述第一比较电路连接，用以接收所述第二方波信号和所述箝位电压，从而输出所述调光信号。

进一步的，所述调光信号发生电路进一步包括一锯齿波发生电路，所述锯齿波发生电路接收一固定值信号和所述可调节信号，以产生一谷底值为所述可调节信号，峰值为所述固定值信号和所述可调节信号之和的锯齿波信号，并输入至所述第一比较电路。

进一步的，所述平均值电路进一步包括第二反相器、串联连接在所述箝位电压和地之间的第二晶体管和第三晶体管，串联连接至所述第二晶体管和第三晶体管的公共连接点和地之间的电阻和电容组成的第二滤波电路；所述第二反相器的第一端接收所述第一比较电路的输出的第二方波信号，第二端连接至第三晶体管的控制端；第二晶体管的控制端接收所述第二方波信号；第二滤波电路中的电阻和电容的公共连接点上的电压作为所述调光信号。

进一步的，所述调光信号发生电路进一步包括，控制信号输入电路、可调节信号输入电路、差值运算电路、滤波电路和箝位电路；其中，

控制信号输入电路用以接收所述控制信号，并将其转换为第一电流信号；

可调节信号输入电路用以接收所述可调节信号，并将其转换为第二电流信号；

差值运算电路接收所述第一电流信号和第二电流信号，并进行差值运算，并输出一差值电流信号；

滤波电路接收所述差值电流信号并进行滤波处理，其输出作为所述调光信号；

箝位电路接收所述箝位电压信号和所述调光信号，当调光信号大于所述箝位电压信号时，将调光信号强制箝位至所述箝位电压信号。

优选的，所述差值运算电路为一电流比较电路，其包括串联连接在输入电压和地之间的第四晶体管和第五晶体管，第四晶体管接收所述第一电流信号，第五晶体管接收所述第二电流信号，第五晶体管的控制端连接至第二输入端，从而在第五晶体管的第二输入端获得第一电流信号和第二电流信号的差值电流信号。

依据本一种可控硅调光方法，其特征在于，包括以下步骤：

接收外部正弦交流电源，并将其转换为一缺相的交流电压信号；

接收所述缺相的交流电压信号，并将其整流为一缺相的直流电压信号；

检测所述缺相的直流电压信号，并将其转换为与导通相角范围成比例的控制信号；

接收所述控制信号、一可调节信号和一箝位电压信号以产生一调光信号，通过设置由所述箝位电压信号确定的一定值信号选择调光相角范围幅度；

通过调节所述可调节信号，调整所述调光信号的幅值，以将所述可控硅调光电路的调光相角范围进行相应的平移。

进一步的，所述控制信号的发生步骤还包括：

将所述缺相的直流电压信号进行箝位和比较，以转换为一表征导通相角范围的第一方波信号；

接收所述第一方波信号，并对其进行滤波运算，以获得与导通相角范围成比例的控制信号。

进一步的，所述调光信号的发生信号还包括：

将所述控制信号和一锯齿波信号进行比较，以获得第二方波信号；

接收所述第二方波信号和所述箝位电压信号，以对其进行平均值运算，运算结果作为所述调光信号。

进一步的，所述锯齿波信号的发生步骤还包括：

接收一固定值信号和所述可调节信号，以产生一谷底值为所述可调节信号，峰值为所述固定值信号和所述可调节信号之和的锯齿波信号。

进一步的，所述调光信号的发生步骤还包括：

接收所述控制信号，并将其转换为第一电流信号；

接收所述可调节信号，并将其转换为第二电流信号；

对所述第一电流信号和第二电流信号进行差值运算，并输出一差值电流信号；

对所述差值电流信号并进行滤波处理，其输出作为所述调光信号。

进一步的，所述调光信号的发生步骤还包括：

对所述调光信号根据所述箝位电压信号进行箝位，当调光信号大于所述箝位电压信号时，将调光信号强制箝位至所述箝位电压信号。

依据本发明的一种LED驱动电路的一实施例，包括所述的可控硅调光电路，还包括：功率级电路、逻辑/驱动电路和误差放大电路；其中，

可控硅调光电路接收所述整流桥输出的缺相的直流电压信号，并产生一与导通相角范围相关的调光信号；

误差放大电路接收所述调光信号和表征所述功率级电路输出电压的反馈电压信号，其误差运算结果输入至逻辑/驱动电路；

逻辑驱动电路接收所述误差运算结果，以根据所述调光信号和表征功率级电路输出电压的反馈电压信号，产生相应的驱动信号来控制功率级电路，从而输出一定的电压信号以驱动负载LED灯，并且使得LED灯的亮度可以根据所述调光信号进行相应的亮度调节。

采用本发明的可控硅调光电路及其调光方法，至少可以实现以下有益效果：

（1）可以选择在合适的对应的电压幅值较高的角度范围进行调光，因此可以不需要维持电阻或者采用阻值较大的电阻即可以满足可控硅整流元件的正常工作电流，提高了电路的工作效率，并且调光性能佳，不会存在负载灯闪烁的现象。

（2）通过对调光相角范围的调整，可以满足不同起始导通参数的可控硅整流元件的应用，适应性更高，应用范围更广，不需要对电路的更改。

（3）可以将调光相角范围调整为在正弦半波的前半部分范围内，如30°-90°等其它角度，从而使得电路处于最大最大功率因数状态。

附图说明

图1A所示为采用现有技术的一种可控硅调光电路的原理框图；

图1B所示为图1A所示的可控硅调光电路的工作波形图；

图2所示为依据本发明的可控硅调光电路的第一实施例的电路原理框图；

图3A所示为依据本发明的可控硅调光电路的第二实施例的电路原理框图；

图3B所示为图3A所示的依据本发明的可控硅调光电路的第二实施例中锯齿波发生电路的电路原理框图；

图3C所示为图3A和3B所示的可控硅调光电路的第二实施例的工作波形图；

图4A所示为依据本发明的可控硅调光电路的第三实施例的电路原理框图；

图4B所示为图4A所示的依据本发明的可控硅调光电路的第三实施例的工作波形图；

图5所示为依据本发明的可控硅调光方法的一实施例的流程图；

图6所示为依据本发明的一种LED驱动电路的一实施例的电路原理框图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的几个优选实施例进行详细描述，但本发明并不仅仅限于这些实施例。本发明涵盖任何在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。为了使公众对本发明有彻底的了解，在以下本发明优选实施例中详细说明了具体的细节，而对本领域技术人员来说没有这些细节的描述也可以完全理解本发明。

与图1A所示的现有的可控硅调光技术不同，图2所示的依据本发明第一实施例的可控硅调光电路增加了导通相角信号发生电路201和调光信号发生电路202。

导通相角信号发生电路201与所述整流器107的输出连接，通过对整流桥输出的缺相的直流电压V_dcin进行检测，从而获得一表征可控硅整流元件106导通角范围的控制信号V_ctrl。

调光信号发生电路202接收所述导通相角信号发生电路201输出的控制信号V_ctrl、一可调节信号V_adj和一箝位电压信号V_clamp、，并据此产生调光信号V_ref。

通过设置由所述箝位电压信号确定的一定值信号V_fix选择调光相角范围幅度；并通过调节所述可调节信号V_adj，调整所述调光信号的幅值V_ref，以将所述可控硅调光电路的调光相角范围进行相应的平移。

调光信号V_ref、可调节信号V_adj、控制信号和箝位电压信号之间的关系可以设置为：

当可调节信号V_adj大于控制信号V_ctrl时，调光信号V_ref为最小值，LED灯处于关断即最小亮度状态；

当控制信号V_ctrl与可调节信号V_adj的差值大于所述定值信号V_fix时，调光信号V_ref为最大值，LED灯处于全亮即最大亮度状态；

当可调节信号V_adj大于控制信号V_ctrl与所述定值信号V_fix之差，而小于控制信号时，调光信号V_ref在最大值和最小值之间连续变化，LED灯的亮度在最小亮度和最大亮度之间处于连续调光状态。

可见，所述可调节信号V_adj的数值确定了截止角度范围幅值，在截止角度范围内，负载LED灯处于关断状态。固定值信号确定了调光角度范围幅值。

假设采用图1所示的可控硅调光电路的原始调光相角范围为20°至略低于180°，假设为20°-150°，在20°相角处，负载LED灯的亮度最大，在150°相角处，负载LED灯的亮度最小。由于150°相角或者20°相角对应的正弦波电压的幅值较小，电阻108的阻值需要足够的小来保证所述可控硅整流元件的维持电流，此时电路效率较低，且容易出现负载LED灯闪烁的问题。

而采用图2所述的依据本发明的可控硅调光电路的实施例，通过调节所述可调节信号V_adj，调节可控硅调光电路的截止角度范围幅值。假设可调节信号V_adj的数值确定的截止角度范围幅值为60°，则在120°-180°范围内，LED灯处于关断状态即最小亮度状态。固定值信号确定了调光角度范围幅值，假设定值信号V_fix确定的调光角度范围幅值为60°，则此时的调光相角范围被调整为60°-120°。这样的调光相角范围使得对应的正弦波电压的幅值较大一些，足以获得满足可控硅整流元件的维持电流，可以不需要电阻108或者采用较大阻值的电阻也可。

另外，采用图1A所示的可控硅调光电路，如果新的可控硅整流元件的起始导通相角变为30°，则此种情况下，如果还是采用原有的调光电路，则调光相角范围变为30°-150°，显然调光相角范围变小了，负载LED的亮度范围变为30°相角对应的LED亮度至最小亮度，可调节的LED灯的亮度范围也相应变小了。

而采用图2所述的依据本发明的可控硅调光电路的实施例，通过调节所述可调节信号V_adj和设置定值信号V_fix，可以将调光相角范围调整为30°-160°，在30°相角处，负载LED灯的亮度最大，在160°处，负载LED灯的亮度最小，保证可调节的LED灯的亮度范围保持不变。

另外，在一般的开关电源驱动器中，通常整流桥107输出的直流电压V_dcin均会通过一电容值较大的电容110对其进行滤波以获得一相对平滑的直流电压，以对后续电路进行供电。由于滤波电容110的存在，使得在正弦半波的前半部分即0°-90°范围内有电流流过，并且电流导通角度较小，如可以为30°-90°，如图1B中的F部分所示；而通常的可控硅调光电路的调光范围一般包括正弦半波的后半部分范围，如60°-120°，则在90°-120°角度范围内，没有电流，因此电路功率因数会低一些。

而采用图2所示的可控硅调光电路，通过调节所述可调节信号V_adj和设置定值信号V_fix，可以将调光相角范围调整为落在30°-90°范围内，显然此时电路功率因数会比其它角度范围要大一些。

参考图3A，所示为依据本发明的可控硅调光电路的第二实施例的电路原理框图。在该实施例中，导通相角信号发生电路201包括相角检测电路306和控制信号发生电路313；调光信号发生电路202包括比较电路314和平均值电路317。

相角检测电路306接收整流桥107输出的缺相的直流电压信号V_dcin，以获得一表征所述可控硅整流元件导通相角范围

的一检测电压信号，其为一矩形波信号。

控制信号发生电路313接收所述检测电压信号，并将其转换为与所述可控硅整流元件导通相角范围

成比例关系的控制信号V_ctrl，其为一平滑的直流信号。

比较电路314接收所述控制信号V_ctrl和一锯齿波信号V_saw，以输出一方波信号；所述锯齿波信号V_saw的峰峰值为一固定值，其谷底值可以进行调节；通过对谷底值的调节可以调节所述方波信号的占空比。并且，锯齿波信号V_saw的频率可以设置为较高的频率，使得方波信号的频率提高，后续电路器件参数可以设置相对小一些，便于电路的集成。

平均值电路317，接收所述方波信号，并对其进行平均值运算，运算结果作为所述调光信号，以调节负载LED灯的亮度。

进一步的，所述相角检测电路306包括连接在整流桥107输出端的串联的电阻302和稳压管301，其公共连接点为B点；以及依次连接在整流桥107输出端的串联的晶体管303和电阻304，其公共连接点为C点；以晶体管303为P型MOSFET晶体管为例，其连接方式为晶体管303的栅极连接至B点，漏极连接至整流桥107的第一输出端，源极连接至电阻304。

当可控硅整流元件106导通后，并且整流桥107第一输出端的电压高于稳压管的稳压值时，B点的电压被箝位至稳压管301的稳压电压；然后，晶体管303开始导通，从而在C点获得所述检测电压信号V_on，其近似为一矩形波信号，其中电压持续时间约为可控硅整流元件106的导通时间。

进一步的，所述控制信号发生电路313包括方波信号发生电路313-1和滤波电路313-2；其中，方波信号发生电路313-1接收所述检测电压信号V_on，并将其转换为一方波信号，其高电平或者低电平的时间表征所述可控硅整流元件的导通相角范围。滤波电路313-2接收所述方波信号，并进行滤波运算，以获得与所述可控硅整流元件的导通相角范围成正比例关系的一相对平滑的控制信号V_ctrl。

方波信号发生电路313-1进一步包括电阻305、晶体管311、晶体管312和电流源310。晶体管311和晶体管312呈背对背连接设置，以晶体管311、晶体管312为P型MOSFET晶体管为例，电阻305的一端连接至C点，另一端分别与晶体管311和晶体管312的栅极以及晶体管311的漏极连接；晶体管312的漏极与所述电流源310连接，其公共连接点为D；晶体管311和晶体管312的源极连接至整流桥107的第二输出端。

当C点的电压大于晶体管311的开启电压后，晶体管311导通，电流流过晶体管311，通过晶体管312的镜像作用，传递至晶体管312；当镜像电流大于电流源310的电流时，D点的电压为低，当镜像电流小于电流源310的电流时，D点的电压为高，从而在D点获得一方波信号，其低电平的时间表征所述可控硅整流元件的导通相角范围。

滤波电路313-2进一步包括反相器307、电阻308和电容309；反相器307的输入端接收所述方波信号，输出端依次串联连接电阻308和电容309，以对其进行滤波，电阻308和电容309的公共连接点为E点，从而在E点处获得所述控制信号V_ctrl。假设反相器307的输入电压为V_pi，可控硅整流元件的导通相角范围为

则控制信号V_ctrl的数值为：

这里方波信号发生电路313-1采用电流比较的方法，同样的，其也可以采用一比较器电路，将所述检测电压信号与一基准电压进行比较，以获得表征所述可控硅整流元件的导通相角范围的方波信号。

在该实施例中，调光信号发生电路202中的比较电路314进一步包括比较器315和锯齿波发生电路316，比较器315的同相输入端接收所述控制信号V_ctrl，反相输入端接收所述锯齿波发生电路316输出的锯齿波信号V_saw。并且，锯齿波发生电路316接收一可调节信号V_adj和一固定值信号V_fix，来调节所述锯齿波信号V_saw的谷底值以及维持峰峰值保持不变。

图3B所示为依据本发明的的锯齿波发生电路316的一优选实施例的电路原理框图，其包括固定值信号和可调节信号之和运算电路316-1和充放电回路316-2。

以下以晶体管为MOSFET晶体管为例进行说明。固定值信号和可调节信号之和运算电路316-1包括固定值信号转换电路和可调节信号转换电路；固定值信号转换电路包括放大器323、电阻324、电容325和晶体管326。放大器323的反相输入端接收固定值信号V_fix，同相输入端分别与电阻324的一端和晶体管326的漏极连接，电阻324的另一端连接至地；放大器323的输出连接至晶体管326的栅极，晶体管326的源极连接输入电压；电容325连接在放大器323的输出端和晶体管326的栅极的公共连接点和地之间；根据运算放大器的虚短原理，晶体管326的漏极流过电流I_fix，其数值为；

I_fix=V_fix/R₃₂₄

类似的，可调节信号转换电路包括放大器328、电阻330、电容329和晶体管331。其连接方法与固定值信号转换电路类似，使得晶体管331的漏极流过数值为电流I_adj，其数值为：

I_adj=V_adj/R₃₃₀

晶体管327的栅极与晶体管326的栅极连接，源极连接输入电压，漏极连接至电阻333的一端，其公共连接点为F，电阻333的另一端连接至地；电流I_fix通过晶体管327的镜像作用获得相应的镜像电流；晶体管332的栅极与晶体管331的栅极连接，源极连接输入电压，漏极连接至公共连接点F，从而在F点获得一数值为V_fix+V_adj的电压V_F。

比较器334的反相输入端连接电压V_F，同相输入端连接输出的锯齿波电压V_saw，其输出连接至RS触发器的设置端S；比较器335的同相输入端连接可调节信号V_adj，反相输入端连接输出的锯齿波电压V_saw，其输出连接至RS触发器的复位端R。RS触发器的输出通过反相器337连接至晶体管338的栅极，晶体管338的漏极连接至第一电流源346，其公共连接点为G，源极连接至第二电流源347；电容339连接在G点和地之间，G点处的电压作为锯齿波信号V_saw，以输入至比较器315。

当锯齿波电压V_saw大于可调节信号V_adj时，晶体管338处于关断状态，第一电流源346向电容339充电，电压持续上升；第一电流源346可以进一步包括恒流源342、呈镜像连接的晶体管340和晶体管341，两者的源极连接输入电压，晶体管340的漏极连接恒流源342，晶体管341的漏极连接至G点。

当电压上升至V_fix+V_adj时，RS触发器翻转，晶体管338导通，电容339持续放电，G点处的电压持续下降直至达到电压V_adj，RS触发器再次翻转，电容339再次充电，从而在G点获得峰值为V_fix+V_adj，谷底值为V_adj的锯齿波信号V_saw。

其中，第二电流源的数值要大于第一电流源的数值，从而使得放电时间更短，锯齿波下降斜率比上升斜率要大。第二电流源347进一步包括电流源345，晶体管343和晶体管344，其中，晶体管343的漏极连接所述电流源345，源极连接至地；晶体管343的栅极和晶体管344的栅极以及晶体管343的漏极连接；晶体管344的源极连接至地，漏极连接至晶体管338的源极。

如图3C中的3C-1和3C-2部分所示，图3A中的比较器315接收所述控制信号V_ctrl和锯齿波信号V_saw，从而输出一占空比为D的方波信号D_dim。

调光信号发生电路202的平均值电路317进一步包括反相器318，串联连接在箝位电压V_clamp和地之间的晶体管319和晶体管320，其公共连接点为H；反相器318的输入端接收方波信号D_dim，输出端连接至晶体管320的栅极；电阻321和电容322依次串联连接在H点和地之间，其公共连接点为I，I点输出的电压作为所述可控硅调光电路输出的调光信号V_ref，其数值为：

$V_{\mathrm{ref}}=\min (V_{\mathrm{clamp}},\max (0,\frac{(V_{\mathrm{ctrl}}-V_{\mathrm{adj}})}{V_{\mathrm{fix}}}\×V_{\mathrm{clamp}}))$

调光信号V_ref、箝位电压V_clamp、控制信号V_ctrl、固定值信号V_fix和可调节信号V_adj之间的关系如图3C中的3C-3部分所示。

在相角调光范围内，调光信号V_ref可以表示为：

因此，可以得知当可调节信号V_adj为下式

时，

调光信号V_ref为零，此时LED亮度最小。

当可调节信号V_adj为下式，

时，

调光信号V_ref=V_clamp，LED亮度最大。

控制信号V_ctrl和锯齿波信号V_saw通过比较器315进行比较，从而在输出端输出一方波信号D_dim，其占空比D由控制信号的数值和锯齿波信号的数值确定。当调节所示可调节信号V_adj使其与控制信号V_ctrl相等时，此时方波信号D_dim的占空比D最小，V_ref=0，负载LED灯关断，对应于可控硅整流元件的第一导通范围ψ_on1；当控制信号V_clamp与被调节信号V_adj和固定值信号V_fix之和相等时，此时方波信号的占空比D最大，V_ref=V_clamp，负载LED灯处于最大亮度状态，对应于可控硅整流元件的第二导通范围ψ_on2；在第二导通范围ψ_on2和第一导通范围ψ_on1之间，方波信号的占空比D连续变化，负载LED灯的亮度在最大亮度和最小亮度之间被连续调节。

在本实施例中，通过调节所述可调节信号V_adj，使得锯齿波信号V_saw的谷底值进行上移或者下移，并且保持锯齿波信号的峰峰值不变，保持为数值V_fix。假设原始调光相角范围为60°-120°，在60°相角时，V_ctrl=V_adj+V_fix，此时方波信号的占空比D最大，V_ref=V_clamp，负载LED灯处于最大亮度状态；在120°相角时，V_ctrl=V_adj，此时方波信号的占空比D最小，V_ref=0，负载LED灯处于最小亮度状态。

通过增大可调节信号V_adj，使得锯齿波信号上移，使得在45°相角处，V_ctrl=V_adj+V_fix，负载LED灯处于最大亮度状态；在105°相角处，V_ctrl=V_adj，负载LED灯处于最小亮度状态，从而实现了对调光相角范围的平移，进而使其满足不同可控硅整流元件不同导通参数的需求，使得在不同可控硅整流元件条件下，均可以在最大亮度状态和最小亮度状态之间连续调节负载LED灯的亮度。

如以上对图2所示的可控硅调光电路的描述，通过调节可调节信号V_adj，当然也可以将调光相角范围调整为正弦半波的前半部分范围内，如30°-90°角度范围，使得电路工作于较大的功率因数值。

参考图4A，所示为图2所示的依据本发明的可控硅调光电路的第二实施例的电路原理框图。

在该实施例中，导通相角信号发生电路201可以为图3所示的实施例，或者其他基于本发明的合适的实施例。

与图3所示的实施例不同的是调光信号发生电路采用图4A所示的电路结构。其包括控制信号输入电路416、可调节信号输入电路417、差值运算电路418、滤波电路419和箝位电路420。

控制信号输入电路416用以接收所述控制信号V_ctrl，并将其转换为第一电流信号I_ctrl；可调节信号输入电路417用以接收所述可调节信号V_adj，并将其转换为第二电流信号I_adj；差值运算电路418接收所述第一电流信号I_ctrl和第二电流信号I_adj，并进行差值运算，并输出一差值电流信号；滤波电路419接收所述差值电流信号并进行滤波处理，其输出作为所述调光信号V_ref；箝位电路420接收箝位电压信号V_clamp和所述调光信号V_ref，当调光信号V_ref大于箝位电压信号V_clamp时，将调光信号强制箝位至所述箝位电压信号，防止其继续增加超出一定范围。

其中，控制信号输入电路416进一步包括运算放大器401、电阻403、晶体管406和滤波电容414。以晶体管405为N型MOSFET晶体管为例，其中，运算放大器401的反相输入端接收所述控制信号V_ctrl，电阻403串联连接在反相输入端和地之间；输出端分别连接滤波电容414的一端和晶体管405的栅极，源极连接输入电压V_in，漏极连接至运算放大器401的反相输入端。

根据运算放大器的虚短原理，流过晶体管405和电阻403的电流近似为：

I_ctrl=V_ctrl/R₄₀₃；

可调节信号输入电路417进一步包括运算放大器402、电阻404、晶体管406和滤波电容415。以晶体管406为N型MOSFET晶体管为例，其中，运算放大器402的反相输入端接收所述可调节信号V_adj，电阻404串联连接在反相输入端和地之间；输出端分别连接滤波电容415的一端和晶体管406的栅极，漏极连接至运算放大器401的反相输入端。

根据运算放大器的虚短原理，流过晶体管406和电阻404的电流近似为：

I_adj=V_adj/R₄₀₄；

差值运算电路418进一步包括晶体管407、晶体管408和电阻410。以下以晶体管407和晶体管408为N型MOSFET晶体管为例，晶体管407的栅极连接晶体管405的栅极，源极连接至输入电压V_in，漏极分别与晶体管408的源极和晶体管406的源极连接，其公共连接点为J；晶体管408的栅极连接至其漏极；电阻410连接至晶体管408的漏极和地之间，电阻410和晶体管408的漏极间的公共连接点为L。

流过晶体管405的电流I_ctrl经过晶体管407的镜像作用，使得晶体管407的漏极获得第一电流信号I_ctrl。J点接收所述第一电流信号I_ctrl和第二电流信号I_adj；由于晶体管408的栅极和漏极连接，因此，流过晶体管408漏极的电流为I_ctrl-I_adj。

滤波电路419进一步包括串联连接的电阻409和电容411，其公共连接点为M。电阻409的一端连接至L点，另一端连接至电容411的一端，电容411的另一端连接至地。

L点上的电压为经过滤波电路419的滤波作用，以在M点获得所述调光信号V_ref。

箝位电路420进一步包括运算放大器413、晶体管412和补偿电容421。其中，运算放大器413的同相输入端接收箝位电压信号V_clamp，反相输入端接收调光信号V_ref，输出端连接至晶体管412的栅极，漏极接地，源极连接至J点；补偿电容421一端连接至运算放大器413和晶体管412的公共连接点K，另一端连接至地。

如果调光信号V_ref大于箝位电压V_clamp时，运算放大器413输出端的电压降低，第一电流信号I_ctrl流过晶体管412，从而使得L点的电压下降，以将调光信号V_ref箝位至箝位电压V_clamp。

当电阻403的阻值与电阻404的阻值相同时，调光信号V_ref可以表示为：

V_ref=min(V_clamp,max(0,((V_ctrl-V_adj)×R₄₁₀/R₄₀₃)))

调光信号V_ref、箝位电压V_clamp、控制信号V_ctrl和可调节信号V_adj之间的关系如图4B所示。

当可调节信号V_adj大于控制信号V_ctrl时，V_ref=0；LED灯处于关断即最小亮度状态；

当可调节信号V_adj小于控制信号V_ctrl，而大于V_ctrl-V_clamp×R₄₀₃/R₄₁₀时，V_ref=在0和V_clamp之间，LED灯处于在最小亮度和最大亮度之间处于调光状态；

即当处于调光状态时，

V_ref=(V_ctrl-V_adj)×R₄₁₀/R₄₀₃

因此，可以得知当可调节信号V_adj为下式

时，

V_ref为零，LED亮度最小。

可调节信号V_adj为下式

V_adj=V_ctrl-V_clamp×R₄₀₃/R₄₁₀时，

V_ref=V_clamp，LED亮度最大。

当可调节信号V_adj小于V_ctrl-V_clamp×R₄₀₃/R₄₁₀时，V_ref=V_clamp，LED亮度最大。

通过调节所述可调节信号V_adj，对关断角度进行调节，同时最大亮度角度也进行了相应调整，从而实现了对调光相角范围的调整。

假设原始调光相角范围为60°-120°，在60°相角时，

$V_{\mathrm{ctrl}}=V_{\mathrm{adj}}+\frac{V_{\mathrm{clamp}}\×R_{403}}{R_{410}}$

此时，V_ref=V_clamp，负载LED灯处于最大亮度状态；在120°相角时，V_ctrl=V_adj，此时，V_ref=0，负载LED灯处于最小亮度状态。

通过增大可调节信号V_adj，使得在45°相角处，

$V_{\mathrm{ctrl}}=V_{\mathrm{adj}}+\frac{V_{\mathrm{clamp}}\×R_{403}}{R_{410}},$

负载LED灯处于最大亮度状态；在105°相角处，V_ctrl=V_adj，负载LED灯处于最小亮度状态；从而实现了对调光相角范围的平移，进而使其满足不同可控硅整流元件不同导通参数的需求，使得在不同可控硅整流元件条件下，均可以在最大亮度状态和关断状态之间连续调节负载LED灯的亮度。如以上对图2所示的可控硅调光电路的描述，通过调节可调节信号V_adj，当然也可以将调光相角范围调整为正弦半波的前半部分范围内，去30°-90°角度范围，使得电路工作于较大的功率因数状态。

基于上述提供的可控硅调光电路，本发明还提供了一种可控硅调光方法，下面结合具体实施例来详细说明其工作流程。

参考图5，所示为依据本发明的一种可控硅调光方法的一优选实施例的流程框图，其包括以下步骤：

S501：接收外部正弦交流电源，并将其转换为一缺相的交流电压信号；

S502：接收所述缺相的交流电压信号，并将其整流为一缺相的直流电压信号；

S503：检测所述缺相的直流电压信号，并将其转换为与导通相角范围成比例的控制信号；

S504：接收所述控制信号、一可调节信号和一箝位电压信号以产生一调光信号，通过设置由所述箝位电压信号确定的一定值信号选择调光相角范围幅度；

S505：通过调节所述可调节信号，调整所述调光信号的幅值，以将所述可控硅调光电路的调光相角范围进行相应的平移。

优选的，图5所述的可控硅调光方法还可以包括：

当可调节信号V_adj大于控制信号V_ctrl时，调光信号为最小值，LED灯处于关断即最小亮度状态；

当控制信号V_ctrl与可调节信号V_adj的差值大于所述定值信号V_fix时，调光信号为最大值，LED灯处于全亮即最大亮度状态；

当可调节信号V_adj大于控制信号V_ctrl与所述定值信号V_fix之差，而小于控制信号V_ctrl时，调光信号在最大值和最小值之间连续变化，LED灯的亮度在最小亮度和最大亮度之间处于连续调光状态。

进一步的，图5所述的可控硅调光方法中控制信号的发生步骤还可以包括：

将所述缺相的直流电压信号进行箝位和比较，以转换为一表征导通相角范围的第一方波信号；

接收所述第一方波信号，并对其进行滤波运算，以获得与导通相角范围成比例的控制信号。

图5所述的可控硅调光方法中调光信号的发生步骤还包括：

将所述控制信号和一锯齿波信号进行比较，以获得第二方波信号；

接收所述第二方波信号和所述箝位电压信号，以对其进行平均值运算，运算结果作为所述调光信号。

其中，所述锯齿波信号的发生步骤为：

接收一固定值信号和所述可调节信号，以产生一谷底值为所述可调节信号，峰值为所述固定值信号和所述可调节信号之和的锯齿波信号。

图5所述的可控硅调光方法中调光信号的发生步骤还包括：

接收所述控制信号，并将其转换为第一电流信号；

接收所述可调节信号，并将其转换为第二电流信号；

对所述第一电流信号和第二电流信号进行差值运算，并输出一差值电流信号；

对所述差值电流信号并进行滤波处理，其输出作为所述调光信号。

以上步骤中还可以包括：

对所述调光信号根据所述箝位电压信号进行箝位，当调光信号大于所述箝位电压信号时，将调光信号强制箝位至所述箝位电压信号。

参考图6，所述为依据本发明的一种LED驱动电路的优选实施例，其包括可控硅整流元件106及其触发电路113、整流桥电路107、可控硅调光电路、功率级电路603、逻辑/驱动电路602和误差放大电路601；其中，

可控硅整流元件106及其触发电路113接收一外部正弦交流电压信号，并产生一缺相的交流电压信号；

整流桥电路107接收所述缺相的交流电压信号V_acin，并将其转换为一缺相的直流电压信号V_dcin；

可控硅调光电路接收所述缺相的直流电压信号V_dcin，并产生一调光信号V_ref；

误差放大电路接收所述调光信号V_ref和表征功率级电路输出电压的反馈电压信号V_FB，其输出输入至逻辑/驱动电路602；

逻辑驱动电路602根据所述调光信号V_ref和表征功率级电路输出电压的反馈电压信号V_FB，以据此产生相应的驱动信号以控制功率级电路603，从而输出一定的电压信号以驱动负载LED灯，使得LED灯的亮度可以根据所述调光信号V_ref进行相应的亮度调节。

其中，可控硅调光电路可以为以上图2、图3A、图3B和图4所示的任一依据本发明的可控硅调光电路实施例，其电路结构以及工作原理在此不再赘述。功率级电路可以为反激式、降压以及升压等合适的各种类型的拓扑结构。

采用图5所示的LED驱动电路，可以选择在合适的电压幅值较高的角度范围进行调光，提高了电路的工作效率，并且调光性能佳，不会存在负载LED灯闪烁的问题；另外，通过对调光相角范围的调整，可以满足不同起始导通参数的可控硅整流元件的应用，适应性更高，应用范围更广；并且，通过将调光相角范围调整为在正弦半波的前半部分范围内，如30°-90°等其它角度，可以使电路工作于最大功率因数状态。

综上所述，依照本发明所公开的可控硅调光电路以及应用其的可控硅调光方法，可以通过对可调节信号的调节，实现对调光相角范围的选择和调整。

以上对依据本发明的优选实施例的可控硅调光电路进行了详尽描述，本领域普通技术人员据此可以推知其他技术或者结构以及电路布局、元件等均可应用于所述实施例。例如，晶体管也可以为双极型晶体管；电流镜的数目也可以为2个以上；差值运算电路可以为其他形式的运算电路，也可以为对直接对两电压进行差值运算，而不需要将其转换为电流信号；滤波电路可以为其他合适形式的电路结构等；可控硅整流元件及其触发电路可以为其他形式的触发电路。

依照本发明的实施例如上文所述，这些实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施例。显然，根据以上描述，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本发明以及在本发明基础上的修改使用。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (14)

1.一种可控硅调光电路，用以接收一缺相的直流电压信号，一可控硅整流电路接收外部正弦交流电源以产生一缺相的交流电压信号，经过整流桥整流获得所述缺相的直流电压信号，所述可控硅调光电路根据所述缺相的直流电压信号产生一调光信号以调节后续LED灯的亮度，其特征在于，包括，

一导通相角信号发生电路，与所述整流桥连接，用以接收所述缺相的直流电压信号，并产生一表征所述可控硅整流电路中的可控硅整流元件导通相角范围的控制信号；

一调光信号发生电路，其与所述导通相角信号发生电路连接，用以接收所述控制信号、一可调节信号和一箝位电压信号以产生所述调光信号，通过调节所述可调节信号，对关断角度进行调节，同时对最大亮度角度进行相应调整，从而实现对调光相角范围的调整；

当所述调光信号为零值时，所述LED灯处于最小亮度状态；

当所述调光信号等于所述箝位电压信号时，所述LED灯处于最大亮度状态；

当所述调光信号大于零值，而小于所述箝位电压信号时，所述LED灯在所述最小亮度状态和所述最大亮度状态之间处于调光状态。

2.根据权利要求1所述的可控硅调光电路，其特征在于，所述导通相角信号发生电路包括，

相角检测电路，与所述整流桥连接，用以接收所述缺相的直流电压信号，以输出一检测电压信号；

控制信号发生电路，与所述相角检测电路连接，用以接收所述检测电压信号，以获得所述控制信号。

3.根据权利要求2所述的可控硅调光电路，其特征在于，所述相角检测电路包括稳压二极管和第一晶体管，所述稳压二极管的阳极连接至所述整流桥的第二输出端，阴极通过一电阻连接至所述整流桥的第一输出端；所述第一晶体管的控制端连接至所述稳压二极管的阴极，第一端连接至所述整流桥的第一输出端，第二端通过另一电阻连接至地。

4.根据权利要求2所述的可控硅调光电路，其特征在于，所述控制信号发生电路包括方波信号发生电路和滤波电路；所述方波信号发生电路与所述相角检测电路连接，用以接收所述检测电压信号，并产生方波信号，所述方波信号表征所述可控硅整流元件的导通相角范围；所述滤波电路与所述方波信号发生电路连接，用以接收所述方波信号，并对其进行滤波运算，以获得所述控制信号。

5.根据权利要求4所述的可控硅调光电路，其特征在于，所述方波信号发生电路包括一电流比较电路，其一端接收表征所述检测电压信号的电流信号，另一端接收一基准电流源信号，从而获得所述方波信号。

6.根据权利要求4所述的可控硅调光电路，其特征在于，所述方波信号发生电路包括一电压比较电路，将所述检测电压信号与一基准电压进行比较，以获得所述方波信号。

7.根据权利要求4所述的可控硅调光电路，其特征在于，所述滤波电路包括第一反相器和一由电阻和电容组成的第一滤波电路，所述第一反相器的一端接收所述方波信号，所述电阻和所述电容依次串联连接在所述反相器的另一端和所述整流桥的第二输出端之间；所述电阻和所述电容的公共连接点的电压作为所述控制信号。

8.根据权利要求1所述的可控硅调光电路，其特征在于，所述调光信号发生电路包括，控制信号输入电路、可调节信号输入电路、差值运算电路、滤波电路和箝位电路；其中，

所述控制信号输入电路用以接收所述控制信号，并将其转换为第一电流信号；

所述可调节信号输入电路用以接收所述可调节信号，并将其转换为第二电流信号；

所述差值运算电路接收所述第一电流信号和所述第二电流信号，并进行差值运算，以输出一差值电流信号；

所述滤波电路接收所述差值电流信号并进行滤波处理，其输出作为所述调光信号；

所述箝位电路接收所述箝位电压信号和所述调光信号，当所述调光信号大于所述箝位电压信号时，将所述调光信号强制箝位至所述箝位电压信号。

9.根据权利要求8所述的可控硅调光电路，其特征在于，所述差值运算电路包括一电流比较电路，其包括串联连接在一输入电压和地之间的第四晶体管和第五晶体管，所述第四晶体管接收所述第一电流信号，所述第五晶体管接收所述第二电流信号，所述第五晶体管的控制端连接至所述第五晶体管的第二端，从而在所述第五晶体管的第二端获得所述差值电流信号。

10.一种可控硅调光方法，用于调节LED灯的亮度，其特征在于，包括以下步骤，

接收外部正弦交流电源，并将其转换为一缺相的交流电压信号；

接收所述缺相的交流电压信号，并将其整流为一缺相的直流电压信号；

检测所述缺相的直流电压信号，并将其转换为与可控硅整流元件的导通相角范围成比例的控制信号；

接收所述控制信号、一可调节信号和一箝位电压信号以产生一调光信号；

调节所述可调节信号，对关断角度进行调节，同时对最大亮度角度进行相应调整，从而实现对调光相角范围的调整；

当所述调光信号为零值时，所述LED灯处于最小亮度状态；

当所述调光信号等于所述箝位电压信号时，所述LED灯处于最大亮度状态；

当所述调光信号大于零值，而小于所述箝位电压信号时，所述LED灯在所述最小亮度状态和所述最大亮度状态之间处于调光状态。

11.根据权利要求10所述的可控硅调光方法，其特征在于，还包括，

将所述缺相的直流电压信号进行箝位和比较，以转换为一表征所述导通相角范围的方波信号；

接收所述方波信号，并对其进行滤波运算，以获得所述控制信号。

12.根据权利要求10所述的可控硅调光方法，其特征在于，还包括，

接收所述控制信号，并将其转换为第一电流信号；

接收所述可调节信号，并将其转换为第二电流信号；

对所述第一电流信号和所述第二电流信号进行差值运算，并输出一差值电流信号；

对所述差值电流信号并进行滤波处理，其输出作为所述调光信号。

13.根据权利要求12所述的可控硅调光方法，其特征在于，还包括，

对所述调光信号根据所述箝位电压信号进行箝位，当所述调光信号大于所述箝位电压信号时，将所述调光信号强制箝位至所述箝位电压信号。

14.一种LED驱动电路，其特征在于，包括权利要求1-9任一项所述的可控硅调光电路，还包括，功率级电路、逻辑/驱动电路和误差放大电路；其中，

所述可控硅调光电路接收所述整流桥输出的缺相的直流电压信号，并产生一与导通相角范围相关的调光信号；

所述误差放大电路接收所述调光信号和表征所述功率级电路的输出电压的反馈电压信号，其误差运算结果输入至所述逻辑/驱动电路；

所述逻辑/驱动电路接收所述误差运算结果，以根据所述调光信号和所述反馈电压信号，产生相应的驱动信号来控制所述功率级电路，从而输出一定的电压信号以驱动LED灯，并且根据所述调光信号调节所述LED灯的亮度。

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