CN104219841B - 触摸式内置全闭环控制led调光驱动电路 - Google Patents

Abstract

本发明的触摸式内置全闭环控制LED调光驱动电路，技术目的是提供一种全新的全闭环控制策略可以完全避免上述几种偏差，从根本上实现真正的LED恒流的触摸式LED调光驱动电路。包括数据存储电路、输入电路和主控制计算电路，自校准电路。采用本发明具备Rcs采样电阻的开路、短路保护功能。适用于LED驱动电源中应用。

Description

触摸式内置全闭环控制LED调光驱动电路

技术领域

本发明涉及一种LED驱动电路，更具体的说，涉及一种触摸式内置宽电压输入LED调光驱动电路。

背景技术

针对LED台灯负载特点，目前使用宽电压100-265V内置触摸式调光驱动的方案并不是很多，而使用非隔离式的恒流驱动电源的拓扑结构基本上是BUCK降压结构，将把非隔离LED恒流控制技术的发展分为三代，讨论控制策略实现恒流的原理的发展，分析每一代的优缺点，每一代有哪些突破性进步。基于DU8623芯片，介绍最新一代集成式闭环电流控制技术，详细介绍这种控制策略如何突破性提高LED输出电流精度，从开环到闭环是其本质的突破。由于闭环控制对于电感变化不敏感，选用更低价的工字型电感，这就在提高可靠性和精度的同时，降低了整体方案成本。三代非隔离LED恒流控制技术发展第一代LED恒流芯片：此类芯片主要的技术特点是基于固定频率的PWM芯片（如UC384X等），通过降低电感纹波电流，固定电感峰值电流来实现恒流。但由于开关频率固定，为避免次谐振荡，它的最大占空比只能用到50%，其应用范围就很受限了；再者由于电感纹波很小，那就需要比较大的电感量，同时还有EMI较难解，效率也不高等缺点。这类芯片主要包括：HV9910(美国超科）、PT4107（华润矽微）、SMD802（台湾芯瑞）、FT870（辉芒微）、LNK506（PI）;第二代LED恒流芯片：此类芯片相对与第一代的创新是：固定Toff技术。固定开关管的关断时间,就可以允许较大的电感纹波电流，占空比也可以做到接近100%。其应用范围也比较宽。但这代产品有几个缺点，就是当输出电压变化或电感发生变化时，无法恒流。这类芯片主要有：HB9910B（超科），SN3910（矽恩），LM3445（国半)等。第三代LED恒流芯片：这类产品可以称为真正的恒流源，因为实时逐周期检测、控制了真实输出电流，最终无论是输出电压、电感还是输入电压发生变化时都能实现恒流。这类芯片包括：DU8608、 DU8633、DU2701 。现用的方案是通过固定关断时间来固定峰值电流，从而达到固定输出电流的控制策略。本方案这种控制策略实现恒流的原理，分析这种开环控制策略的优缺点和应用这种控制策略需要做的外围补偿。LED照明驱动环境很复杂，市电输入电压变化，输出LED数量、正向压降的变化，环境温度变化导致的器件参数变化，器件参数本身的离散性分布等等，这些都直接或间接的影响了LED电流的精度，基于以上甚至更多的考虑，使用的芯片提供了外部可编程的，PWM信号输入，高精度的输出电流控制方案，加入MCU控制芯片的软件程序自动控制电路，通过改变各输出端的占空比来改变LED亮度，只需要±1％精度的检测电阻，和不太精确的滤波电感，再加上少量的外围器件，实现3%系统恒流精度。目前LED非隔离恒流驱动电流领域主流的控制策略，电路是BUCK降压结构，芯片控制的是MOSFET的源极，这是一种开环的恒流电流控制方式（图2），控制原理如下：当MOSFET开通时，电流从DCBUS通过LED负载，流过电感，流入地MOSFET关断时，电感电流从D1续流。由于电流流过LED负载，如果电流固定，可以认为LED的电压Vo是固定的，所以只要电感值L固定，再固定关断时间(1-D)T，Io即固定，所以，这种开环的控制策略是，连接在Rt的电阻设定MOSFET的关断时间。每个周期开始，MOSFET 打开直到电感电流上升到峰值Vref/Rcs,这时MOSFET 关断，关断时间由Rt决定。过了设定的关断时间，MOSFET 又重新打开，这样周而复始地工作。关断时间控制了纹波电流LED 平均电流，根据想要输出的电流值，调节CS管脚的Rcs值，调节Rt值，固定每个开关周期的关断时间为一个值，从而实现了输出电流恒流。（图2）这是一种简单有效的控制策略，但是由于这是一种开环控制模式，只能检测电感上的峰值电流，无法检测输出电流，输出电流精度在三种情况下容易出现偏差：1. 输入电压波动。(开环控制，无法反馈，系统延时造成) ；2. 批量生产电感感值偏差。(L变化引起Io变化)； 3. LED负载电压不相同(Vo)对于第1种偏差，只能采取电压补偿的办法，即检测输入电压，根据输入电压调整内部CS参考电平值，但是效果一般，对于第2种和第3种偏差，比较难解决。

发明内容

本发明的技术目的是克服现有技术中LED控制电路存在的上述技术问题，提供一种全新的全闭环控制策略可以完全避免上述几种偏差，并且能通过触摸时间的长短来转换调光模式的触摸式内置全闭环控制LED调光驱动电路。

触摸式内置全闭环控制LED调光驱动电路，包括数据存储电路、输入电路和主控制计算电路，自校准电路；

数据存储电路存有组成LED光源输出电流占空比数据，并将该数据发送给主控制计算电路；

主控制计算电路，包括有控制芯片，其利用上述数据建立起内部数据库，通过该数据库把信号转化为LED实际输出的光通量或光强，并根据设定的数据发出相应控制信号给LED恒流驱动电路，使LED调整其光通量或光强比例；

自校准电路也对上述转化过程进行修正，确保实际值与设定值吻合。

更进一步的，所述控制芯片内部对检测到的 CS脚电感电流信号；基于TRUEC2技术部分做积分处理，并同时检测峰值电流并采样，测得电感电流的平均值，即输出电流的平均值；芯片针对检测到的值，控制输出占空比，实现了闭环控制。

更进一步的，所述主控制计算电路连接有触摸控制电路。

更进一步的，所述触摸控制电路控制过程为：

短触ON键默认的输出占空比为100%；

当短触ON输出100%,然后每短触一次跳一档，即：100%-0%,任意占空比，进行占空比调光；数据储存电路里含有记忆功能,此功能会根据关机时输出的占空比数据进行储存，再开机是恢复关机前的输出占空比；关机断电再开机时PWM以上一次关机前的百分比输出；

任意一占空比档位触摸OFF，即关机。

所述触摸控制电路控制过程还包括有：触摸控制电路包括有MCU芯片，长触ON键（3秒-4秒），MCU芯片依据数据储存电路里的数据指令，实现进入切换模式，即由原来的分段式调光转变为无极调光模式，长触调光，先由暗转亮，再由亮转暗，循环前述过程；转换后长触ON（3秒-4秒）也可切换回原来的分段式调光模式。

所述触摸控制电路控制过程还包括有：当OFF长触时间为（3秒-4秒），MCU芯片数据储存电路里含有延时关机记忆功能,此功能可实现延时30秒关机的功能。

无极调光是连续逐步变化，灯光是缓和逐渐变化。分档调光则是跳跃性的亮度变化。以触摸占空比为标准来发出PWM信号。本发明的MCU控制芯片的软件程序自动控制电路，通过改变PWM信号输出端的占空比来改变LED亮度，控制芯片采用芯片DU8623。

本发明的有益技术效果是：采用本发明的控制电路结构，同时使得线路极为简单，相比，省去了开环控制所需的输入电压补偿线路，省却了控制固定关断时间所需的Rt电阻。值得一提的是，由于闭环控制电流，相比于开环方式，此线路具有电感短路保护功能，同时具备Rcs采样电阻的开路、短路保护功能。（图3）；本发明大大降低了系统发生故障的风险。使得这种方案不仅在性能上有了质的飞跃，在可靠性上也大大提高。全闭环控制，检测输出电流，来发出PWM信号，是真正的恒流电源驱动控制技术。相对于其他非闭环的方案，这种独有的闭环恒流控制技术使输出电流精度有了质的飞跃，使整机电源在全电压、全负载、电感变化范围内的电流精度达到行业内目前最高的±0.9%， 同时，由于闭环控制，线路具备了电感短路、电流检测电阻短路/开路保护功能，相比与开环方案，电路可靠性有了很大提高。

附图说明

图1是本发明的一个电路原理图。

图2是开环控制策略（固定Toff）的电感电流波形示意图。

图3是TRUEC2部分工作示意图

图4是本发明一个实施例的电路原理图。

图5是系统负载调整率示意图。

图6是系统线性调整率的示意图，该图是基于在电流表误差范围内，视作恒定不变。

图7输出电流精度vs.电感量变化数据图。

图8是LISN测试结果示意图。

图9是 CDN测试结果示意图。

图10触摸控制电路原理图。（可接入1-8个触摸点）

图11是MCU芯片PWM输出占空比波形（可调节0-100%占空比）示意图，上图是PWM输出 100% 波形，中图是PWM输出70% 波形；下图是PWM输出10% 波形。

具体实施方式

本发明使用的芯片DU8623提供的外部可编程的PWM信号输入，经由MCU控制芯片PWM信号的输出，设置PWM信号的输出占空比；

在图1中，当用手短触触摸点时（电路上的ON/OFF-DIMMER点或其他接触点，可接入1-8个触摸点）人体感应的杂波信号经电阻进入MUC芯片内部，这样就激活MCU芯片内部的数据储存电路，储存数据电路再将已经编程好的组成LED光源输出电流占空比数据，并将该数据发送给主控制计算电路，再利用上述数据建立起内部数据库，通过该数据库把信号转化为LED实际输出的占空比信号，并根据设定的数据发出相应控制信号给DU8623 DIM调光引脚，使LED调整其光通量或光强比例，短触ON键默认的输出占空比为100%。当短触ON输出100%,然后每短触一次跳一档，即：100%-0%,任意占空比，进行占空比调光。

数据储存电路里含有记忆功能,此功能会根据关机时输出的占空比数据进行储存，再开机是恢复关机前的输出占空比；关机断电再开机时PWM以上一次关机前的百分比输出。

任意一占空比档位触摸OFF，即关机。

触摸控制电路包括有MCU芯片，长触ON键（3秒-4秒），MCU芯片依据数据储存电路里的数据指令，实现进入切换模式，即由原来的分段式调光转变为无极调光模式，长触调光，先由暗转亮，再由亮转暗，循环前述过程；在实施中，手离开触摸部件时，灯光的亮度即为选择亮度固定；进而，在转换后，再次长触ON（3秒-4秒）也可切换回原来的分段式调光模式。即是长触ON（3秒-4秒）即为调光模式转换指令，调光模式从当前模式转换到另一模式。

所述触摸控制电路控制过程还包括有：当OFF长触时间为（3秒-4秒），MCU芯片数据储存电路里含有延时关机记忆功能,此功能可实现延时30秒关机的功能。

以一个典型电路（图4）对于输入电压、负载LED变化情况下，我们测试得到如下交叉调整率结果：见图5

图5、图6可以看到，由于闭环控制，在设计的正常工作范围内，输出电流维持恒定，单颗系统可以认为是恒定的输出电流，即线性理论值是0，负载调整率为±0.5%。量产时，由于参数一致性分布，大量数据表明，恒流精度小于±0.9%.对于输出电感变化，我们测试到如下结果（图7）反映的是电感大范围变化设计标称值1.5mH)时，输出电流的变化，如（图8）。如果这种测试用于目前市场上开环系统芯片，输出电流会出现线性的大范围波动如（图9）。而DU8623 闭环的方式，使得输出电流依然保持±0.9%以内的恒流精度。充分说明了闭环系统对于整个系统恒流精度提高的重要性。

（图10）再加入MCU控制芯片的软件程序自动控制电路，通过改变PWM输出端的占空比来改变LED亮度，包括自校准电路、数据存储电路、输入电路和主控制计算电路；数据存储电路，存有组成LED光源输出电流占空比数据，并将该数据发送给主控制计算电路；主控制计算电路，其利用上述两组数据建立起内部数据库，通过该数据库把信号转化为LED实际输出的光通量或光强，并根据设定的数据发出相应控制信号给LED恒流驱动电路，使LED调整其光通量或光强比例；自校准电路也对上述转化过程进行修正，确保实际值与设定值吻合。（图11）

保护功能：

DU8623芯片集成了多重保护功能，以确保LED 灯具工作稳定可靠。输出短路：芯片在输出短路的情况下，依然可以实现很好的恒流特性；采样电阻开/短路：当采样电阻出现开路或短路的情况，芯片会立即启动保护功能；过温：当芯片结温超过150℃时，芯片会立即进入过温保护，直到结温小于120℃后，自动重启。内置500V高压MOSFET，TRUEC2闭环恒流控制技术，主电感短路保护，输出过压保护。

本发明的非隔离可宽电压100-265V输入内置触摸式调光驱动电路，AC宽电压输入，通过BR1整流桥堆进行AC/DC转换，在通过由（CE1- L1- C3）组成的EMI抗干扰滤波电路，使得低频的有用信号顺利通过，而对高频干扰有抑制作用，减小被外界干扰。（R11-14）电阻作为限压限流电路加入稳压二极管给MCU芯片提供稳定电源，Q1三极管在此电路中做为一个开关器件；（R1- R2）也为限压限流电路可提供给DU8623驱动芯片电压。（D5 - L2 - CE2- R3）组成降压结构电路，以满足宽电压0-36V安全电压的输出。电阻R16在此电路中作为±1％精度的检测采样电阻可调节0-360mA的输出电流。MCU芯片触摸控制电路，通过改变PWM输出端的占空比来改变LED亮度。当接触触摸点（可同时接入8个触摸点）时人体感应的杂波信号经电阻进入MUC芯片（如电阻R10，电容C8等有助于提升EMC和安规特性），并对此信号进行处理，再由MCU芯片内部的占空比数据，通过改变PWM输出端的占空比来改变LED亮度，对LED进行调光。

本发明在实施中,是一种非隔离可宽电压100-265V输入内置触摸式调光驱动，AC宽电压输入，通过BR1整流桥堆进行AC/DC转换，在通过由（CE1- L1- C3）组成的EMI抗干扰滤波电路，使得低频的有用信号顺利通过，而对高频干扰有抑制作用，减小被外界干扰。（R11-14）电阻作为限压限流电路加入稳压二极管给MCU芯片提供稳定电源，Q1三极管在此电路中做为一个开关器件；（R1- R2）也为限压限流电路可提供给DU8623驱动芯片电压。（D5- L2 - CE2 - R3）组成降压结构电路，以满足宽电压0-36V安全电压的输出。电阻R16在此电路中作为±1％精度的检测采样电阻可调节0-360mA的输出电流。MCU芯片触摸控制电路，通过改变PWM输出端的占空比来改变LED亮度。当接触触摸点（可同时接入8个触摸点）时人体感应的杂波信号经电阻进入MUC芯片（如电阻R10，电容C8等有助于提升EMC和安规特性），并对此信号进行处理，再由MCU芯片内部的占空比数据，通过改变PWM输出端的占空比来改变LED亮度，对LED进行调光。

恒流控制驱动器中DU8623采用独特的闭环恒流控制专利－TRUEC2 技术，可在宽输入电压、输出电压以及电感参数条件下实现高精度的输出电流，确保LED亮度的一致性。闭环恒流控制，即真正检测输出电流值，以此为标准来发出PWM信号。所谓开环，不以检测到的输出电流值来做发出PWM信号的参考。

Claims (4)

1.触摸式内置全闭环控制LED调光驱动电路，其特征是：包括数据存储电路、输入电路和主控制计算电路，自校准电路，恒流控制；

数据存储电路存有组成LED光源输出电流占空比数据，并将该数据发送给主控制计算电路；

主控制计算电路，包括有控制芯片，其利用上述数据建立起内部数据库，通过该数据库把输入电路信号转化为LED实际输出的光通量或光强，并根据设定的数据发出相应控制信号给LED恒流驱动电路，使LED调整其光通量或光强比例；

自校准电路对上述转化过程进行修正，确保实际值与设定值吻合；

所述主控制计算电路连接有触摸控制电路；所述触摸控制电路控制过程为：

短触ON键0.2-1秒默认的输出占空比为100％；当短触ON输出100％，然后每短触一次跳一档，即：100％-0％,任意占空比，进行占空比调光；数据储存电路里含有记忆功能,此功能会根据关机时输出的占空比数据进行储存，再开机是恢复关机前的输出占空比；关机断电再开机时PWM以上一次关机前的百分比输出；任意一占空比档位OFF长触1.5-2秒，即立刻关机。

2.根据权利要求1所述的触摸式内置全闭环控制LED调光驱动电路，其特征是：所述控制芯片内部对检测到的CS脚电感电流信号；基于TRUEC2技术部分做积分处理，并同时检测峰值电流并采样，测得电感电流的平均值，即输出电流的平均值。

3.根据权利要求1所述的触摸式内置全闭环控制LED调光驱动电路，其特征是：所述触摸控制电路控制过程还包括有：

触摸控制电路包括有MCU芯片，长触ON键3秒-4秒，MCU芯片依据数据储存电路里的数据指令，实现进入切换模式，即由原来的分段式调光转变为无极调光模式，长触调光，先由暗转亮，再由亮转暗，循环前述过程；转换后长触ON 3秒-4秒也可切换回原来的分段式调光模式。

4.根据权利要求3所述的触摸式内置全闭环控制LED调光驱动电路，其特征是：所述触摸控制电路控制过程还包括有：当OFF长触时间为3秒-4秒，MCU芯片数据储存电路里含有延时关机记忆功能,此功能可实现延时30秒关机的功能。