CN103338550A - 一种带遥控可调光led灯驱动电路及其控制方法 - Google Patents

Abstract

一种带遥控可调光LED灯驱动电路及其控制方法，包括交流输入端EMI滤波电路、整流滤波电路、Buck拓扑电路、直流输出端滤波电路、控制调节电路、红外遥控调光电路以及保护电路，所述交流输入端EMI滤波电路、整流滤波电路、Buck拓扑电路依次连接并接到恒流源输出端，控制调节电路接到Buck拓扑电路的开关管控制端、恒流输出端、整流滤波电路输出端，所述红外遥控调光电路通过单片机采集红外传感器的信号输出相应的PWM脉冲波，实现对LED进行调光。本发明构造简单、成本低、使用方便、可调光、功率因数高、安全可靠。

Description

一种带遥控可调光LED灯驱动电路及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种LED灯驱动电源，尤其是带遥控可调光LED灯驱动电路及其控制方法。 

背景技术

传统的照明方式主要是白炽灯、日光灯、节能灯等，这些照明技术都比较成熟，但是却始终存在一些缺点，如寿命短、能耗高、发光效率低、污染大、安全性低等，所以新型照明设备的发明和研究是很有必要的。 

大功率LED灯作为新型光源，与传统照明设备相比有明显的优势，如体积小、能耗低、发热量小、发光效率高、寿命长、响应速度快、安全、绿色环保等，能满足更多场合的需求。随着社会资源的日渐短缺，拥有明显节能优势的大功率LED灯必将取代传统的照明设备，引领绿色照明的新时代。 

大功率LED灯只能用直流电驱动，不能直接接在交流电上，所以需要电源转换器将220V交流电转换成稳定的直流电来驱动大功率LED灯。然而，目前大功率LED灯的驱动电源不是很成熟，主要存在功率因数低、输入端干扰信号大、发光效率不稳定、电路复杂、成本高、实用性低等问题，驱动电源的电路也存在抗干扰能力弱、输出稳定性差、输出精度偏低、功率因数低等缺点。 

发明内容

本发明针对现有技术大功率LED驱动电源电路实用性低、电路结构复杂、成本高、功率因数低的缺点，设计一种带遥控功能可调光LED灯驱动电路，其构造简单、成本低、使用方便、可调光、功率因数高、安全可靠。 

本发明采用以下技术方案达到上述目的：一种带遥控可调光LED灯驱动电路，包括交流输入端EMI滤波电路、整流滤波电路、Buck拓扑电路、直流输出端滤波电路、控制调节电路、红外遥控调光电路以及保护电路，所述交流输入端EMI滤波电路、整流滤波电路、Buck拓扑电路依次连接并接到恒流源输出端，控制调节电路接到Buck拓扑电路的开关管控制端、恒流输出端、整流滤波电路输出端，所述红外遥控调光电路通过单片机采集红外传感器的信号输出相应的PWM脉冲波，实现对LED进行调光。 

所述控制调节电路由芯片BP2808及其外围电路组成，负责检测各电路参数和控制调节整个开关电源电路稳定工作。 

所述控制调节电路控制Buck拓扑电路，抑制输入扰动。当Buck拓扑电路中的电流存在扰动时，BP2808芯片的CS脚与GND之间的电流检测电阻上的电压发生变化，这个变化反馈到芯片内部的比较器，与标准电压比较，通过控制开关管的PWM来消除扰动。 

所述控制调节电路中的芯片有一个管脚LN，用来检测输入电压，随输入电压升高，降低基准电压的值，可保证系统在很宽的电压范围内恒流。 

所述控制调节电路采用源极驱动功率MOSFET的方法，使得芯片的工作电流非常低，同时把MOSFET开关损耗的电能通过馈电二极管给芯片供电，以此提高系统的效率。 

所述控制调节电路由电流采集电阻采集得到的参考电流信号送到芯片CS端。 

所述红外遥控调光电路通过红外遥控器输出调制红外信号实现远程遥控功能。 

所述红外遥控调光电路由红外接收器电路、STC单片机电路、红外遥控器电路和数模转换电路组成，单独的红外遥控器发送红外信号，再由红外调光电路上的红外传感器接收红外信号，通过单片机处理接收到的信号，以及控制数模转换电路输出模拟电压到控制调节电路中BP2808芯片的PWM管脚进行模拟调光，达到遥控调节LED灯亮度的目的。 

所述的带遥控可调光LED灯驱动电路的控制方法，包括如下步骤： 

（1）红外发射部分：采用单片机专用的红外编码遥控器，其电路包括频率发生器电路和红外调制发射电路，调制的红外信号载波频率为38KHz，设置10个不同的按键，代表10个不同的LED亮度； 

（2）红外接收部分：由红外接收传感器和基本转换电路组成，能接收8米左右的红外调制信号，将信号转换成电平信号传输给单片机处理； 

（3）信号处理及控制调光部分：电路包括STC11F系列单片机及其外围电路，通过单片机设置10个调光档位，根据收到的遥控信号判断用户选择的档位，输出相应的PWM信号控制BP2808芯片，实现遥控调光。 

本发明的突出优点在于：构造简单、成本低、使用方便、可调光、功率因数高、安全可靠。 

附图说明

图1是电路结构框图。 

图2是整体电路原理图。 

图3是模块关联图。 

图4是滤波整流部分电路图。 

图5是Buck拓扑部分电路图。 

图6是控制调节部分电路图。 

图7是红外调光部分电路图。 

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。 

如图1所示，本发明所述的带遥控可调光LED灯驱动电路，包括交流输入端EMI滤波电路、整流滤波电路、Buck拓扑电路、直流输出端滤波电路、控制调节电路、红外调光电路。过程<1>表示220V交流电输入到交流输入端EMI滤波电路，此电路有输入过压保护和输入过流保护作用，利用各种滤波电路对输入信号进行初次滤波。过程<2>表示滤波后的交流电输 入到整流滤波电路，此电路用整流桥对交流电进行全波整流，并使用“填谷”电路对整流后的信号进行滤波和整形，得到较稳定的直流高电压信号。过程<3>表示将直流高电压输入到Buck拓扑电路，Buck拓扑是开关电源中一种基本的降压电路拓扑，通过PWM信号控制开关管的断开和导通，从而使续流电感充电和放电，再利用输出端电容的稳压，即可实现输入稳定的电压和电流。过程<4>表示控制调节电路输出的PWM信号控制Buck拓扑中开关管的导通和断开。过程<5>表示控制调节电路检测Buck拓扑电路中的输出电流。过程<6>表示控制调节电路检测从整流滤波电路输入到Buck拓扑电路中的电压。过程<7>表示控制调节电路检测输出端与VDD的电压差值。控制调节电路通过过程<5><6><7>采集电路信息，通过过程<4>调节电路。过程<8>表示外部红外调光信号通过控制调节电路调节LED灯亮度。过程<9>表示直流输出端的滤波电路对Buck拓扑中的信号进行滤波和调整，过程<10>表示滤波后对LED灯输出的稳定电流和电压。 

如图2所示，输入220V交流电经过前级保护和第一级滤波后，由整流桥整流成为直流电，再由“填谷”电路整形，电容稳压，得到稳定的高压直流电到Buck拓扑电路，开关管的导通和断开两种状态分别决定了拓扑结构的两个状态回路，再由BP2808芯片及其外部器件构成的控制调节电路对Buck拓扑进行实时监测和控制，从而达到输出恒定电流的目的。由单片机电路、红外接收电路组成的红外调光模块可以接收红外遥控器的红外信号，并处理，输出相应的PWM信号给BP2808芯片，再由BP2808控制Buck拓扑，调节LED灯的亮度。单片机芯片由+5V的稳压管提供电源，BP2808芯片由+12V的稳压管提供电源，都是从Buck拓扑中取电，不需要外电源供电。输出级有两个滤波电容，开关管和快速恢复二极管（肖特基二极管）之间可以串一个磁珠来减小干扰。 

如图3所示，此图清晰地表明了各个模块的接口和模块间的相互联系。<1>电路和<2>电路主要都是高压功率电路，<3>电路和<4>电路主要都是低压控制电路。<1>电路是输入部分，起整流滤波和交流电转换成直流电的作用，与其他部分没有相互联系。<2>电路主要受到<3>电路的控制，起到功率转换，稳定输出的作用。<3>电路作用实时监测<2>电路的变化，通过控制开关管控制<2>电路，同时<3>电路受到<4>电路的影响。<4>电路主要作用是接收并处理红外信号，发出PWM信号影响<3>电路，进行调光。 

如图4所示，AC+和AC-为交流电的两个输入端，输入电压为176V到265V，输入频率为50Hz。通过计算得正常工作时输入电流小于300mA，所以RV选择500mA的保险管，用于过流保护。市电输入一般为交流电压有效值220V，压敏电压取为U1＝2.2x VAC＝484V，在此压敏电阻采用直径7mm，压敏电压470V的07D471，压敏电阻接在AC+和AC-之间，图中未画出。C1和C2是0.1uF的安规电容，T1是共模扼流圈或者共模滤波电感，值为60mH。D1是桥式振流器，耐压值为500V以上。D5、D6、D7、C4、C5、C3组成填谷式电路，其实也称为二级逐流电路，它可以使得整流桥在一个周期里的电流导通达到240度，从而提高功率因数。D5、D6、D7是二极管，C4、C5是22uF/250V的电解电容，C3是0.1uF的安规电容。 

如图5所示，主电感的值为： 

$L_2=\frac{V_{\mathrm{Out}}}{I_{\mathrm{lrp}}}\&times;T_{\mathrm{off}}$

$=76.8\&times;10.8\&divide;0.32$

$=2.6\left(\mathrm{mH}\right)$

开关管： 

（1）耐压值：需大于最高输入电压时的峰值 

$V_{\mathrm{DS}}=\sqrt{2}\&times;V_{\mathrm{IN}\_\mathrm{MAX}}$

$=1.414\&times;265=374.71\left(V\right)$

（2）电流：开关管中的有效值为 

$I_{S\_\mathrm{RMS}}=2\&times;\frac{P_{O\_\mathrm{MAX}}}{V_{O\_\mathrm{MIN}}\&times;{\mathrm{\&eta;}}_{\mathrm{MIN}}}=2\&times;\frac{20.7}{0.9\&times;70}=0.64A$

考虑降额值（选25%） 

I_MOS＝0.64×1.25＝0.8A 

继流二极管D8： 

（1）耐压：需大于最大输入电压时的峰值 

$V_{\mathrm{DS}}=\sqrt{2}\&times;V_{\mathrm{IN}\_\mathrm{MAX}}$

$=1.414\&times;265=374.71\left(V\right)$

（2）电流：开关管中的有效值 

$I_{D\_\mathrm{RMS}}=2\&times;\frac{P_{O\_\mathrm{MAX}}}{V_{O\_\mathrm{MAX}}\&times;{\mathrm{\&eta;}}_{\mathrm{MIN}}}$

$=2\&times;20.7\&divide;(70\&times;0.9)$

$=640\left(\mathrm{mA}\right)$

考虑降额值（选25%） 

I_MOS＝0.64×1.25＝0.8A 

当开关管导通时，电流经过LED+、LED、LED-、L2、开关管组成的回路，电感L2储能；当开关管断开时，电流经过L2、D8、LED+、LED、LED-组成的回路，电感L2释放能量。Buck拓扑电路正常工作时，电感工作在连续模式。C9、C10、C11为输出端滤波电容， 其值分别为0.1uF/250V、0.1uF/250V、0.22uF/250V，其中C11还有输出稳压作用。 

图6表示了控制调节电路的基本原理图。BP2808工作于连续电流模式的降压系统中，通过控制LED峰值电流和纹波电流来实现LED平均电流的恒定。其中电阻RT用于设定内部MOSFET的截止时间T_off，电阻RS用于检测外部负载回路的峰值电流I_p，然后反馈回芯片内部并调节PWM以控制I_p。相关公式如下： 

T_off＝4×10^-5×RT(μs) 

$I_p=\frac{V_{\mathrm{REF}}}{\mathrm{RS}}\left(\mathrm{mA}\right)$

其中V_REF为芯片内部产生的基准参考电压。对于实际系统，峰值电流会因为输入电压的变化而变化。为了对这种偏差进行补偿，芯片有一个专门的引脚LN（Pin2）。在VDD和LN之间接加了一个分压电阻R_ref，电阻一端接VDD，已经经过稳压二极管稳压为12V，另一端对电压进行检测，当输入电压升高，降低V_REF的值，LN和VDD相差1V，V_REF就降低30mV，如此能够保证系统在宽电压范围内持续恒流。在每个周期的开始，PWM驱动场效应管导通，直到储能电感L3上的电流上升到I_p，然后PWM驱动场效应管截止，截止时间为T_off，L3中电流开始下降。过了T_off后，PWM再次驱动场效应管导通，也就进入下个周期，如此周而复始。此外，BP2808还提供调光功能，具备过热保护，输出短路或开路保护。 

R6、R7为采样电阻，计算公式如下： 

$\mathrm{RS}=\frac{V_{\mathrm{REF}}}{I{L}_P}=\frac{0.25}{0.396}=0.63\mathrm{\&Omega;}$

Rs实际值： 

Rs＝R6×R7÷(R6+R7)＝0.667(Ω) 

可以取R6=1.2Ω，R7=1.5Ω。 

电阻R5用于设定内部开关管的截止时间Toff,计算如下： 

R5＝T_off(4×10^-5)＝270(KΩ) 

R1、R2、R4为启动及前馈补偿电阻，R1和R2为510KΩ，R4为1KΩ。 

图7是红外调光部分电路图。处理芯片选择STC11F系列单片机，对于本设计而言功能已经足够，考虑到成本，选择较便宜的STC11F04E芯片，本芯片有内部晶振，可减小电路体积。P6为程序下载接口，C14、C15、Y1构成外部晶振电路（实际电路中可省略外部晶振），C13和R14组成复位电路，P9是红外传感器接口，用芯片的P1.0口接收红外遥控信号，P3.7口输出相应的PWM信号到BP2808芯片的DIM口，PWM信号频率为270Hz。红外调光想实现的功能是用遥控器来控制LED的亮度，使用了遥控器上面10个按键，从0到9，这十个按键控制着不同的亮度，并且随着按键的增加，LED灯的亮度也按照一定的梯度增加，比如，当按键为0的按键被按下时，LED的亮度为0，当按键为9的按键被按下时，亮度为最亮， 而1到8的按键所控制的LED灯的亮度都是大于0且小于最亮，红外调光的原理是遥控器发射已调制的红外脉冲，然后被红外传感器感应，红外传感器把这个红外脉冲信号转换为单片机可以识别的信号，然后用单片机来检测并处理这个信号，这样的话，单片机就知道是哪一个按键按下，然后单片机根据按下的按键来产生相应的PWM，这个PWM输入BP2808芯片的DIM口后就达到控制LED的明暗的目的。 

Claims (6)

1.一种带遥控可调光LED灯驱动电路，其特征在于：包括交流输入端EMI滤波电路、整流滤波电路、Buck拓扑电路、直流输出端滤波电路、控制调节电路、红外遥控调光电路以及保护电路，所述交流输入端EMI滤波电路、整流滤波电路、Buck拓扑电路依次连接并接到恒流源输出端，控制调节电路接到Buck拓扑电路的开关管控制端、恒流输出端、整流滤波电路输出端，所述红外遥控调光电路通过单片机采集红外传感器的信号输出相应的PWM脉冲波，实现对LED进行调光。

2.如权利要求1所述的带遥控可调光LED灯驱动电路，其特征在于：所述控制调节电路由芯片BP2808及其外围电路组成，负责检测各电路参数和控制调节整个开关电源电路稳定工作。

3.如权利要求1所述的带遥控可调光LED灯驱动电路，其特征在于：所述控制调节电路采用源极驱动功率MOSFET的方法，使得芯片的工作电流非常低，同时把MOSFET开关损耗的电能通过馈电二极管给芯片供电，以此提高系统的效率。

4.如权利要求1所述的带遥控可调光LED灯驱动电路，其特征在于：所述控制调节电路由电流采集电阻采集得到的参考电流信号送到芯片CS端。

5.如权利要求1所述的带遥控可调光LED灯驱动电路，其特征在于：所述红外遥控调光电路通过红外遥控器输出调制红外信号实现远程遥控功能。

6.如权利要求1所述的带遥控可调光LED灯驱动电路的控制方法，其特征在于：包括如下步骤：

（1）红外发射部分：采用单片机专用的红外编码遥控器，其电路包括频率发生器电路和红外调制发射电路，调制的红外信号载波频率为38KHz，设置10个不同的按键，代表10个不同的LED亮度；

（2）红外接收部分：由红外接收传感器和基本转换电路组成，能接收8米左右的红外调制信号，将信号转换成电平信号传输给单片机处理；

（3）信号处理及控制调光部分：电路包括STC11F系列单片机及其外围电路，通过单片机设置10个调光档位，根据收到的遥控信号判断用户选择的档位，输出相应的PWM信号控制BP2808芯片，实现遥控调光。

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