CN103313491A - 一种led的数字调光控制系统及其方法 - Google Patents

Abstract

一种用于LED的数字调光控制系统，包括主功率电路和LED负载，设有外部控制输入模块、含有解码单元、驱动控制单元、计时单元及定时单元的控制模块、PWM驱动模块、D/A转换模块、反馈电路及比较器。控制模块根据外部控制输入模块的需求，通过对PWM驱动模块的控制来调节PWM驱动波形的开关时间，一方面驱动控制单元通过D/A转换模块改变比较器输入端的电压参考值

，另一方面驱动控制单元控制PWM信号的导通，计时单元用于计算每个周期PWM的开通时间，定时单元用于确定PWM的开关时间，驱动控制单元通过定时单元确保PWM驱动模块开关周期恒定，根据计时单元所得到的时间

和驱动控制单元内部存储时间

进行比较来控制和调节PWM的开通时间，并实现相应保护。

Description

一种LED的数字调光控制系统及其方法

技术领域

本发明涉及LED调光控制系统，尤其涉及一种LED数字调光控制系统及其方法。

背景技术

调光控制系统已由原来的模拟调光、半数字化调光系统发展到成熟的全数字化调光系统，随着半导体技术的发展，全数字调光的应用也更加广泛。在LED照明中，由于发光二极管的亮度由流过二极管的电流决定，在数字调光控制系统中，通过控制数字调光信号的占空比来控制功率管开关，进而控制流过发光二极管的平均电流，从而达到调光的目的。在调光控制系统中，根据输入端控制信号和反馈信号，通过改变流过输出端LED的电流来达到对LED进行调光的目的，要想实现这个目的，在数字调光系统中通常需要复杂的A/D、D/A转换电路，系统复杂，成本高，可靠性差。

发明内容

本发明针对现有技术存在的缺陷，提供一种LED的数字调光控制系统及其方法，采用如下技术方案：

一种用于LED的数字调光控制系统，包括含有输入端保护、整流滤波、BOOT升压及BUCK电路构成的主功率电路和LED负载，主功率电路的输入连接交流输入，主功率电路的输出连接LED负载，其特征在于：设有外部控制输入模块、含有解码单元、驱动控制单元、计时单元及定时单元的控制模块、PWM驱动模块、D/A转换模块、反馈电路及比较器，外部控制输入模块的输出连接解码单元，解码单元、计时单元及定时单元的输出分别连接驱动控制单元，驱动控制单元的输出分别连接PWM驱动模块及D/A转换模块，PWM驱动模块的输出连接主功率电路中的功率管Q1的栅极，反馈电路的采样输入取自与主功率电路中的功率管Q1源极相连接的采样电阻Rs端的电压值，反馈电路的输出连接比较器的反向输入端，D/A转换模块输出参考电压V_ref连接比较器的正向输入端，比较器的输出连接驱动控制单元；

所述外部控制输入模块是作为调光控制信号的红外控制信号；

所述反馈电路包括电阻R4、电阻R6、可调电阻R7和电容C5，电阻R4的一端连接比较器的反向输入端，电阻R4的另一端与电阻R6的一端、电容C5的一端以及采样电阻Rs与功率管Q1源极的连接端连接在一起，电阻R6的另一端连接可调电阻R7的一端，可调电阻R7的另一端、电容C5的另一端以及采样电阻Rs的另一端共同接地；

所述D/A转换模块包括电阻R1和电容C1构成的RC积分电路，电容C1的一端连接主功率电路中与功率管Q1源极相连接的采样电阻Rs的接地端，电容C1的另一端连接电阻R1的一端并作为参考电压V_ref连接比较器的正向输入端，电阻R1的另一端连接驱动控制单元的输出；

所述含有解码单元、驱动控制单元、计时单元及定时单元的控制模块采用78F0746芯片，该芯片的红外信号接收引脚PIN_x连接外部的红外控制调光信号，控制输出引脚PIN_a与PWM驱动模块连接，输出占空比方波PIN_b引脚与D/A转换模块中电阻R1的另一端连接，反馈信号接收引脚PIN_c连接比较器的输出端，GND引脚与主控电路中的前级地连接，VCC引脚为芯片78F0746的电源供电端口，与主功率电路中经BOOST升压电路后的电压转换电路的输出连接。

上述用于LED的数字调光控制系统的调光控制方法，其特征在于包括以下内容：

（1）调光信息来自外部控制输入模块产生的调光控制信号及取自与主功率电路中的功率管Q1源极相连接的采样电阻Rs端的反馈输入信号；

（2）外部控制输入模块产生的调光控制信号输出给控制模块中的解码单元进行解码；

（3）驱动控制单元接受解码单元输出的解码后的调光控制信息，判断需要进行的调光等级，输出相应占空比的方波信号；

（4）D/A转换模块接受驱动控制单元输出的方波信号，输出给比较器的正向输入端来改变参考电压V_ref值，不同等级的调光信号对应不同的占空比，占空比的大小最终决定比较器输入端的参考信号

t_on为驱动控制单元输出的方波信号高电平持续时间，V_m为方波为高电平时的电压值，在不同调光等级下，驱动控制单元通过控制输出持续不同高电平时间的方波信号，使V_ref为对应相应调光等级的恒定值；

（5）PWM驱动模块接受驱动控制单元输出的方波信号产生开关周期固定的PWM驱动信号，控制主功率电路中功率管Q1的导通或关断；

（6）控制模块中的定时单元为驱动控制单元提供恒定的定时时间，定时单元从功率管Q1导通时刻开始计时，当定时单元所计算的时间与定时时间相等时，功率管Q1导通；功率管Q1导通时，该导通回路中的电流随着功率管Q1导通时间的增加而增加，采样电阻RS上的电压也随之增加，经反馈电路输出作为比较器的反向输入端电压值V_fb随着功率管导通时间的增加而增加，当V_fb电压值与V_ref相等时，比较器输出端输出下降沿脉冲，驱动控制单元每次检测到下降沿脉冲后，控制PWM驱动模块输出给功率管Q1的关断信号将功率管Q1关断；定时时间结束后，驱动控制单元驱使PWM驱动模块产生另外一个周期的PWM驱动信号，实现对主功率电路LED负载的调光控制；

（7）控制模块中的计时单元计算功率管Q1每个开关周期中的开通时间，对于某一等级的调光状态，驱动控制单元中都有一个默认的允许功率管Q1开通的时间与之对应，驱动控制单元依据计时单元所获得的功率管Q1开通时间与该调光状态下的默认的允许开通的时间进行比较，该比较结果将作为判断此次调光过程是正常的调光过程，还是输出端LED出现了短路、过载的依据：

如果是正常调光，改写默认参数值；如果出现过载情况，进行过载保护，通过控制PWM驱动模块使功率管Q1关断；如果出现短路情况，进行短路保护，通过控制PWM驱动模块使功率管Q1关断。

对于每一个调光等级或调光状态，驱动控制单元内部设有三个默认参数与之对应：在相应调光等级或状态下允许PWM驱动波形开通的最短时间T_down、在该调光等级或状态下允许PWM驱动波形开通的最长时间T_up、当前调光等级下默认的PWM驱动波形开通时间T_static，T_up＞T_down，另外还包含一个临时参数T_real，T_real表示由计时单元所获得的当前PWM驱动波形开通的时间；

当驱动控制单元判断T_static-T_real＞T_up时，则系统输出端短路；当驱动控制单元判断T_real-T_static＞T_down时，则系统输出端过载；

当T_static-T_real＜T_up或T_real-T_static＜T_down时，驱动控制单元将用T_real替换掉T_static保存在存储器中，一次正常调光过程完成。

本发明具有如下优点及显着效果：

1）外部输入控制信息由控制单元解码后，只需要简单的D/A装换电路即实现了输入对输出的控制，所需要的电路结构简单。

2）在不增加额外系统硬件的情况下，可实现精确实现连续、分级调光，实现恒流输出。

3）控制单元可快速进行过载、过流保护，对系统进行实时控制，保证照明系统的稳定性。

附图说明

图1是本发明LED数字调光控制系统的结构框架图；

图2是本发明LED数字调光控制系统的电路结构图；

图3是本发明调光控制方法流程图；

图4是本发明数字调光控制算法；

图5是本发明误差放大器输入端信号及PWM波形图；

图6是本发明的实施例电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明：

如图1所示，本发明调光控制系统包括外部控制输入模块1、控制模块2、PWM驱动模块3、D/A转换模块4、主功率电路5、LED负载6、反馈电路7、比较器8，上述各部分电路（模块）除权利要求书和说明书已记载说明的以外，均采用公知电路（模块）。控制模块2包含解码单元U1，用于获得外部控制输入模块1的调光信息；驱动控制单元U2，用于根据需求实现对PWM驱动模块相应控制，根据外部控制输入模块1控制信号及计时单元U3、定时单元U4的计时信息及比较器8的反馈信息，通过PWM驱动模块3控制PWM驱动波形的占空比，实现调光控制和输出保护；计时单元U3用于计算每个周期PWM的开通时间；定时单元U4用于确定PWM的开关时间，确保PWM驱动开关波形的开关时间为固定值。控制模块2根据调光需求，通过PWM驱动模块来调节PWM驱动波形的开关时间。一方面驱动控制单元U2通过数模（D/A）转换模块改变比较器输入端的电压参考值V_ref，该参考值V_ref的大小影响PWM驱动模块关闭PWM的驱动信号的时间（当需要提高LED的亮度时V_ref会增大，相应的PWM驱动波形开通的时间变长，相反，当要降低LED的亮度时，V_ref会减小，相应的PWM驱动波形开通的时间变短）；另一方面驱动控制单元控制PWM信号的导通。计时单元U3用于计算PWM的每个开关周期的开通时间，定时单元U4用于确定PWM每个开关周期的时间。驱动控制单元U2通过定时单元U4确保PWM驱动模块开关周期恒定，通过将计时单元U3所获得的PWM的开通时间与内部自身存储的相应调光状态下的PWM默认开通时间进行比较来控制和调节PWM的开通时间，实现恒流控制、调光控制及相应保护。

如图2所示，图1中的PWM驱动模块3由IR2103芯片实现，D/A转换模块4由R1和C1组成的RC积分电路实现，主功率电路5中包含一个功率管Q1，反馈电路采集与功率管Q1源级相连的采样电阻Rs端的电压值，该电压值作为比较器8的反向输入端信号。

如图3所示，外部调光控制输入产生调光需求，该需求信息经过解码单元U1进行解码，从而使控制模块获得外部的调光控制信息，驱动控制单元U2根据解码信息判断需要进行的调光等级，一方面该调光信息最终将通过D/A转换模块来改变V_ref，当需要提高LED（6）的亮度时V_ref会增大，相应的PWM驱动波形开通的时间变长，相反，当需根据权利要求1和2所述的一种用于LED数字调光的控制方法，其特性在于要降低LED（6）的亮度时，V_ref会减小，相应的PWM驱动波形开通的时间变短。另一方面，定时单元U4为驱动控制单元U2提供恒定的定时时间，用于控制PWM驱动模块驱动信号以固定的时间间隔开通，计时单元U3用于提供PWM驱动模块产生的PWM驱动信号的开通时间，该时间将输入给驱动控制单元，为该单元实现调光及输出控制提供依据。当反馈电压值与V_ref相等时，比较器输出信号为驱动控制单元U2提供反馈信息，利用该信息可控制PWM驱动模块关断驱动信号。

如图4所示，在每个调光等级中存在三个基本参数：T_down、T_up、T_static，控制模块通过计时单元来计算每个PWM周期中PWM驱动波形的开通时间，该时间记作T_real,驱动控制单元将该时间与该单元中保存的T_static相比较，首先需要判断T_static与T_real的大小关系，＞T_static＞T_real时，若T_static-T_real＞T_up时，驱动控制单元判断该过程中输出端出现短路情况，驱动控制单元通过控制PWM驱动模块，将关闭驱动波形，实现短路保护，若T_static-T_real＜T_up,驱动控制单元判断该过程为正常的调光过程，系统将实现正常调光，调光结束后，将T_real作为T_static写回到驱动控制单元中。当T_static＜T_real时，若T_real-T_static＞T_down，驱动控制单元判断该过程中输出端出现过载情况，驱动控制单元通过控制PWM驱动模块，将关闭驱动波形，实现过载保护，若T_real-T_static＜T_down，驱动控制单元判断该过程为正常的调光过程，系统将实现正常调光，调光结束后，将T_real作为T_static写回到驱动控制单元中，用于下个周期的控制判断，保证输出电流的稳定。

如图5所示，描述了三个不同控制过程，其中PWM1和PWM2为第二个工作周期中输出存在异常的情况，PWM3为第二个工作周期输入调光控制信号后系统的相应过程。在第一个工作周期的某一调光状态下，误差放大器V_ref为恒定值，这时刻控制单元中的存储器保存在正常输出条件下功率管开通时间。在下一个PWM周期中，PWM1中定时器计时时间t12与上一个周期中的计时时间t11差值超过此调光状态下所设定的误差范围上限（T_up），系统进入过流保护状态；同理，PWM2中定时器计时时间t22与上一个周期中的计时时间t21差值超过此调光状态下所设定的误差范围下限（T_down），系统进入过载保护状态；在PWM3所示波形的第二个工作周期，外部发出调光信号，控制单元正确接收该信号进行解码后，通过D/A转换电路，改变误差放大器输入端参考电压（V_ref）的值，图中误差放大器输入端信号V_ref及PWM开通时间的变化情况。V_ref增大（变小），功率管开通时间变长（变短），控制单元通过与上一个周期功率管开通时间进行对比，发现这两个周期中的时间变化在（T_down,T_up）这一误差范围内，为正常的调光状态，控制单元会将T_real作为下一个周期的T_static保存在控制单元的存储器中，从而控制单元完成了一次调光过程。

如图6所示实施例，外部控制输入模块1发出红外控制信号，控制模块2采用78F0746芯片为LED控制芯片，该芯片内部具有存储器和控制算法，与外部电路配合，用于实现解码、定时、计时、调光控制及输出保护功能，78F0746芯片中的PIN_x用于接收外部的红外控制信号，PIN_a用于发出控制PWM驱动模块3的控制信号，与主功率电路中经BOOST升压电路后的二极管D1负端相连接的电压转换供电芯片IC3通过Vcc引脚实现对该芯片的供电。IR2103芯片为PWM驱动模块3，C₅和R₃组成控制系统中的D/A转换模块4。主功率电路5构成该调光电路的AC/DC转换电路，在该电路中，前级输入端器件保险丝Fuse、整流桥DB电容C1、共模电感FL1共同构成输入端保护。整流滤波电路，二极管D1、电容C2、电容C3、功率管Q、芯片IC1（NCP1607）、电阻R采样电阻Rs共同组成BOOT升压电路，并实现对该电路功率因数的控制。二极管D2、电阻R2、电阻R5、电阻R8、功率管Q1、电容C4、电容C6、电感L1共同组成BUCK电路。输出端模块6为LED负载，电阻R4、电阻R6、可变电阻R7、电容C5共同构成反馈电路7，8为比较器。78F0746芯片接受比较器输出的反馈信息，内部可实现定时，计时及输出控制功能，驱动功率管定时开通，根据调光信息关闭，可以很好的实现分级、连续调光，及输出保护。

Claims (3)

1.一种用于LED的数字调光控制系统，包括含有输入端保护、整流滤波、BOOT升压及BUCK电路构成的主功率电路和LED负载，主功率电路的输入连接交流输入，主功率电路的输出连接LED负载，其特征在于：设有外部控制输入模块、含有解码单元、驱动控制单元、计时单元及定时单元的控制模块、PWM驱动模块、D/A转换模块、反馈电路及比较器，外部控制输入模块的输出连接解码单元，解码单元、计时单元及定时单元的输出分别连接驱动控制单元，驱动控制单元的输出分别连接PWM驱动模块及D/A转换模块，PWM驱动模块的输出连接主功率电路中的功率管Q1的栅极，反馈电路的采样输入取自与主功率电路中的功率管Q1源极相连接的采样电阻Rs端的电压值，反馈电路的输出连接比较器的反向输入端，D/A转换模块输出参考电压Ｖ_ref连接比较器的正向输入端，比较器的输出连接驱动控制单元；

所述外部控制输入模块是作为调光控制信号的红外控制信号；

所述反馈电路包括电阻R4、电阻R6、可调电阻R7和电容C5，电阻R4的一端连接比较器的反向输入端，电阻R4的另一端与电阻R6的一端、电容C5的一端以及采样电阻Rs与功率管Q1源极的连接端连接在一起，电阻R6的另一端连接可调电阻R7的一端，可调电阻R7的另一端、电容C5的另一端以及采样电阻Rs的另一端共同接地；

所述D/A转换模块包括电阻R1和电容C1构成的RC积分电路，电容C1的一端连接主功率电路中与功率管Q1源极相连接的采样电阻Rs的接地端，电容C1的另一端连接电阻R1的一端并作为参考电压V_ref连接比较器的正向输入端，电阻R1的另一端连接驱动控制单元的输出；

所述含有解码单元、驱动控制单元、计时单元及定时单元的控制模块采用78F0746芯片，该芯片的红外信号接收引脚PIN_x连接外部的红外控制调光信号，控制输出引脚PIN_a与PWM驱动模块连接，输出占空比方波PIN_b引脚与D/A转换模块中电阻R1的另一端连接，反馈信号接收引脚PIN_c连接比较器的输出端，GND引脚与主控电路中的前级地连接，VCC引脚为芯片78F0746的电源供电端口，与主功率电路中经BOOST升压电路后的电压转换电路的输出连接。

2.根据权利要求1所述用于LED的数字调光控制系统的调光控制方法，其特征在于包括以下内容：

（1）调光信息来自外部控制输入模块产生的调光控制信号及取自与主功率电路中的功率管Q1源极相连接的采样电阻Rs端的反馈输入信号；

（2）外部控制输入模块产生的调光控制信号输出给控制模块中的解码单元进行解码；

（3）驱动控制单元接受解码单元输出的解码后的调光控制信息，判断需要进行的调光等级，输出相应占空比的方波信号；

（4）D/A转换模块接受驱动控制单元输出的方波信号，输出给比较器的正向输入端来改变参考电压V_ref值，不同等级的调光信号对应不同的占空比，占空比的大小最终决定比较器输入端的参考信号

t_on为驱动控制单元输出的方波信号高电平持续时间，V_m为方波为高电平时的电压值，在不同调光等级下，驱动控制单元通过控制输出持续不同高电平时间的方波信号，使V_ref为对应相应调光等级的恒定值；

（5）PWM驱动模块接受驱动控制单元输出的方波信号产生开关周期固定的PWM驱动信号，控制主功率电路中功率管Q1的导通或关断；

（6）控制模块中的定时单元为驱动控制单元提供恒定的定时时间，定时单元从功率管Q1导通时刻开始计时，当定时单元所计算的时间与定时时间相等时，功率管Q1导通；功率管Q1导通时，该导通回路中的电流随着功率管Q1导通时间的增加而增加，采样电阻RS上的电压也随之增加，经反馈电路输出作为比较器的反向输入端电压值V_fb随着功率管导通时间的增加而增加，当V_fb电压值与V_ref相等时，比较器输出端输出下降沿脉冲，驱动控制单元每次检测到下降沿脉冲后，控制PWM驱动模块输出给功率管Q1的关断信号将功率管Q1关断；定时时间结束后，驱动控制单元驱使PWM驱动模块产生另外一个周期的PWM驱动信号，实现对主功率电路LED负载的调光控制；

（7）控制模块中的计时单元计算功率管Q1每个开关周期中的开通时间，对于某一等级的调光状态，驱动控制单元中都有一个默认的允许功率管Q1开通的时间与之对应，驱动控制单元依据计时单元所获得的功率管Q1开通时间与该调光状态下的默认的允许开通的时间进行比较，该比较结果将作为判断此次调光过程是正常的调光过程，还是输出端LED出现了短路、过载的依据：

如果是正常调光，改写默认参数值；如果出现过载情况，进行过载保护，通过控制PWM驱动模块使功率管Q1关断；如果出现短路情况，进行短路保护，通过控制PWM驱动模块使功率管Q1关断。

3.根据权利要求2所述用于LED的数字调光控制系统的调光控制方法，其特征在于：对于每一个调光等级或调光状态，驱动控制单元内部设有三个默认参数与之对应：在相应调光等级或状态下允许PWM驱动波形开通的最短时间T_down、在该调光等级或状态下允许PWM驱动波形开通的最长时间T_up、当前调光等级下默认的PWM驱动波形开通时间T_static，T_up＞T_down，另外还包含一个临时参数T_real，Ｔ_real表示由计时单元所获得的当前PWM驱动波形开通的时间；

当驱动控制单元判断T_static-T_real＞T_up时，则系统输出端短路；当驱动控制单元判断T_real-T_static＞T_down时，则系统输出端过载；

当Ｔ_static-T_real＜T_up或T_real-T_static＜T_down时，驱动控制单元将用T_real替换掉T_static保存在存储器中，一次正常调光过程完成。

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