CN104363680A

CN104363680A - 电源线边沿信号触发的算术运算装置及led驱动器

Info

Publication number: CN104363680A
Application number: CN201410632645.7A
Authority: CN
Inventors: 罗小华
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2014-11-11
Filing date: 2014-11-11
Publication date: 2015-02-18
Anticipated expiration: 2034-11-11
Also published as: CN104363680B

Abstract

本发明公开了一种电源线边沿信号触发的算术运算装置及LED驱动器，该算术运算装置包括边沿触发运算单元、充电单元和初始化单元，充电单元根据电源线输入的边沿信号为边沿触发运算单元提供供电电平，且初始化单元根据供电电平对边沿触发运算单元进行初始化。LED驱动器包括电源线边沿信号触发的算术运算装置和用于根据电源线边沿信号触发的算术运算装置的运算结果驱动LED的驱动单元。本发明利用电源线边沿信号触发的算术运算装置，对电源线输入的边沿信号进行运算实现对驱动单元的控制进而驱动LED完成七彩发光，只需要一根电源线和地线，不需要额外信号线，有利于电路实现LED驱动器芯片。

Description

电源线边沿信号触发的算术运算装置及LED驱动器

技术领域

本发明涉及电路技术领域，具体涉及一种电源线边沿信号触发的算术运算装置及LED驱动器。

背景技术

发光二极管(Light Emitting Diode，LED)广泛应用于建筑照明、汽车头尾灯、景观灯、节日灯等。LED具有效率高、方向性良好、色彩稳定性良好、可靠性高、寿命长，体积小、以及环境安全性等显著优点，尤其适合应用于景观照明、节日灯照明。红、绿、蓝三色LED通过控制装置可实现七彩色或者更多种颜色的控制，让LED灯具呈现出精彩多姿的绮丽景象，其中控制装置是LED照明系统关键部分。

近年来，随着集成电路技术及计算机技术的应用，基于DMX512协议、DALI协议、归零码协议等的LED控制方法在LED装饰照明领域获得较广泛的应用，实现了LED控制系统的数字化，提高了LED控制系统的灵活度。

DMX512协议由美国剧场协会最早制定于1985年，物理层的设计采用RS-485收发器，总线用一对双绞线实现调光台与调光器连接。RS-485采用平衡发送和差分接收，接收灵敏度高，而且抗干扰的能力强，信号传输距离可达千米。DMX512协议采用数字技术对实现调光设备的亮度调节，协议对灯光控制台信息的数据格式以及物理层都做了严格的规定，给灯光控制提供了一个标准接口。由于DMX512协议具有广泛的适用性，很快被全世界的制造商和用户采用，几乎所有的灯光控制台和受控设备都兼容了DMX512协议标准。

DALI是欧洲提出来的一种灯光控制总线方案，是用于照明系统控制的开放式异步串行数字通信协议。DALI系统采用主从式结构，系统最多可以连接64个从模块，每个从模块使用唯一的个体标识地址，该地址在系统初始化时设定，使用过程中根据需求可修改从模块的地址。

目前也有采用归零码协议，在单根信号线上传输控制信号，通过设置红、绿、蓝LED的占空比实现多种颜色的控制。

现有的基于以上协议的控制装置可以通过控制红、绿、蓝三色LED占空比获得多种颜色效果，但都需要通过一根以上的信号线传递控制信号，不能通过电源线控制LED，不能应用到只有电源线、地线的产品场合。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种电源线边沿信号触发的算术运算装置及LED驱动器。

一种电源线边沿信号触发的算术运算装置，包括：

边沿触发运算单元，由电源线边沿信号触发进行算术运算，并输出运算结果；

充电单元，用于根据电源线输入的边沿信号为边沿触发运算单元提供供电电平，当边沿信号为高电平时充电，当边沿信号为低电平时放电；

初始化单元，用于根据所述的供电电平对边沿触发运算单元进行初始化。

本发明的算术运算装置中各个功能单元可以集成为计数芯片。

本发明中通过初始化，可以对边沿触发运算单元置任意数，根据需要设定，通常为置“零”(即清零)。

当电源线信号为高电平时，充电单元充电，当充电单元提供的电平达到高电平时，边沿触发运算单元和初始化单元上电成功。

为保证算术运算装置正常工作，边沿信号的低电平的持续时长必须小于充电单元的供电电平由高电平降低至低电平所需的时长。

所述的边沿触发运算单元包括n个并联的D触发器和一个n位算术逻辑单元，以各个D触发器的输出端输出运算结果，其中：

各个D触发器的触发端分别与算术逻辑单元相应位的输出端连接；

各个D触发器的复位端与初始化单元连接，时钟端与电源线连接；

算术逻辑单元的A组输入端分别与相应位的D触发器的输出端连接，B组输入端外接模式控制常量。

本发明中的算术逻辑单元可以为加法器、减法器，可以为乘法器或除法器。实际应用时模式控制常量可以固定不变，也可以外接模式选择电路，由模式选择电路对B组输入进行置数，用户根据需要通过模式选择电路对模式控制常量进行置数，以使整个边沿触发运算单元以不同的方式进行运算。例如，在算术逻辑单元为加法器时，模式控制常量为2^m(十进制表示，m为大于等于0且小于n的整数)。当为m为0时模式控制常量为2⁰，边沿触发运算单元采用递增方式进行计数；当m为1时模式控制常量为2¹，边沿触发运算单元采用加2方式进行计数，运算结果(采用二进制表示)最低1位保持不变；当m为2时模式控制常量为2²，边沿触发运算单元采用加4方式进行计数，运算结果(采用二进制表示)最低2位保持不变。

另外，在算术逻辑单元为加法器时，模式控制常量还可以设为2ⁿ-2^m(十进制表示，m为大于等于0且小于n的整数)。例如：当m为0时模式控制常量为2ⁿ-1，算术逻辑单元实际上加-1的补码，边沿触发运算单元采用递减方式进行计数；当m为1时模式控制常量为2ⁿ-2，算术逻辑单元实际上加-2的补码，边沿触发运算单元采用减2方式进行计数，运算结果(采用二进制表示)最低1位保持不变；当m为2时模式控制常量为2ⁿ-4，算术逻辑单元实际上加-4的补码，边沿触发运算单元采用减4方式进行计数，运算结果(采用二进制表示)最低2位保持不变。

可以看出，通过外接模式控制常量从而完成运算模式的多样化，在LED彩灯上控制更加灵活，在LED彩灯控制领域更加具有应用竞争力。

未作特殊说明，本发明中的边沿触发运算单元的输出具有高低位之分。第一个D触发器是指根据边沿触发运算单元中最低位对应的D触发器。相邻两个D触发器中以相对低位的D触发器作为前一个，相对高位的D触发器作为后一个。相应的，对于算术逻辑单元，A组输入和B组输入中的各位也具有相应的高低位。

D触发器可以为上升沿计数，也可以为下降沿计数，根据需求选择。

D触发器的个数越多，边沿计数单元对应的计数范围越大。作为优选，所述的边沿计数单元包括至少两个并联的D触发器。进一步优选，所述的边沿计数单元包括2～200个并联的D触发器，即n的取值优选为2～200。

所述的充电单元包括二极管，所述二极管的阳极与电源线连接，阴极通过一储能元件接地，所述的充电单元通过二极管的阴极为边沿触发运算单元和初始化单元提供供电电平。

考虑到与COMS工艺的兼容性，作为优选，所述的充电单元包括NPN三极管，所述NPN三极管的集电极和基极连接后与电源线连接，发射极通过一储能元件接地，所述的充电单元通过NPN三极管的发射极为边沿触发运算单元和初始化单元提供供电电平。作为优选，所述的充电单元包括PNP三极管，所述PNP三极管的集电极和基极连接后通过一储能元件接地，发射极与电源线连接，所述的充电单元通过PNP三极管的集电极或基极为边沿触发运算单元和初始化单元提供供电电平。

储能元件应理解为可以进行充放电的电子元件。作为优选，所述的储能元件为充电电容或MOS管。由于充电电容与传统的CMOS工艺不兼容，因此可以使用与CMOS工艺兼容性好的MOS管作为等效电容作为储能元件，便于集成，使用MOS管时，该MOS管的源极和漏极短接，形成等效电容。

通过二极管防止充电电容反向放电，防止边沿信号不稳使计数结果出现错误。NPN三极管和PNP三极管通过设定对应的连接方式，也可以形成一等效二极管，也可以起到防止反向充电的作用。

本发明还提供了一种LED驱动器，包括上述的电源线边沿信号触发的算术运算装置，以及用于根据电源线边沿信号触发的算术运算装置输出的运算结果驱动LED的驱动单元。

驱动单元可以根据驱动需要采用现有的LED驱动电路实现。

与现有技术相比，本发明中利用电源线边沿信号触发的算术运算装置，通过对电源线输入的边沿信号进行运算实现对驱动单元的控制进而驱动LED完成七彩发光，只需要一根电源线和地线，不需要额外的信号线，有利于实现LED驱动器的芯片集成。

附图说明

图1为本实施例的LED驱动器的结构框图；

图2为本实施例的边沿触发运算单元的电路原理图；

图3为本实施例的充电单元的电路原理图；

图4为本实施例的初始化单元的电路原理图；

图5为本实施例的电源线边沿信号触发的算术运算装置的时序图。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施例对本发明进一步详细描述。

如图1所示(虚线框所示部分)，本实施例的电源线边沿信号触发的算术运算装置，包括：

图2为本实施例的边沿触发运算单元，包括3个并联的D触发器和一个3位算术逻辑单元，以各个D触发器的输出端输出运算结果。

本实施例中的D触发器为带低电平复位的时钟上升沿触发D触发器，分别为第一D触发器F1、第二D触发器F2和第三D触发器F3，对应的正向输出端分别为Q1、Q2和Q3，对应的运算结果从低到高依次为Q1、Q2、Q3。

各个D触发器的触发端分别与算术逻辑单元相应位的输出端连接，即D1连C1、D2连C2、D3连C3。

各个D触发器的复位端(包括RD1、RD2和RD3)与初始化单元的输出端连接，通过初始化单元对D触发器进行初始置数。

时钟端(包括CK1、CK2和CK3)与电源线连接，由电源线输入的边沿信号触发进行算术运算。

本实施例中算术逻辑单元为三位加法器，该算术逻辑单元的A组输入由低到高依次为A1、A2和A3，B组输入由低到高依次为B1、B2和B3，输出端由低到高依次为C1、C2和C3。算术逻辑单元的A组输入端分别与相应位的D触发器的输出端连接(即Q1接A1、Q2接A2、Q3接A3)。B组输入端外接模式控制常量。模式控制常量可以根据用户需求进行置数。

图3为本实施例的充电单元的具体电路，包括二极管D，二极管D的阳极与电源线连接，阴极通过一储能元件C接地(本实施例中充电电容为源漏短接的MOS管等效电容，等效电容的大小为0.2μF)。整个充电单元通过二极管D的阴极为边沿触发运算单元和初始化单元提供供电电平。

图4为初始化单元的电路原理图，包括四个MOS管，分别为p沟道MOS管T1、p沟道MOS管T2、n沟道MOS管T3和n沟道MOS管T4、第一反相器V1、第二反相器V2。具体连接关系如下：

MOS管T1的源极和漏极均连接至充电单元中二极管D1的阴极，栅极与MOS管T3的漏极连接，MOS管T3的栅极与MOS管T1的源极连接，MOS管T3源极接地。MOS管T2的栅极和源极分别与MOS管T1的栅极和源极连接，漏极串联一限流电阻R后(本实施例中限流电阻的大小为500Ω)，与MOS管T4的栅极连接，且MOS管T4的漏极和源极分别与MOS管T3的源极和地连接。

MOS管T4的栅极连接第一反相器V1输入端，第一反相器V1的输出端连接第二反相器V2输入端，第二反相器V2的输出端作为初始化单元的输出端，以向边沿触发运算单元输出复位信号对各个D触发器进行初始置数。

本实施例的电源线边沿信号触发的算术运算装置的工作原理如下：

当该运算装置未上电时，充电单元提供的供电电平为低电平，此时初始化单元和边沿触发运算单元供电不足，整个运算装置不能运算。

当运算装置上电时，且在边沿信号为高电平时，充电单元中的储能元件C被充电。在高电平持续时间足够长的情况下，供电电平由低电平翻转为高电平，初始化单元和边沿触发运算单元被正常供电。

此时，初始化单元中的MOS管T3导通，使MOS管T2导通，因此，充电单元可以通过限流电阻R对用作电容的MOS管T4充电。在对MOS管T4充电过程中，MOS管T4栅极的电压逐渐增大，当充电到达使得第二反相器V2输出的复位信号由低电平翻转至高电平后完成初始化。

第二反相器V2的输出端与边沿触发运算单元中的各个D触发器的复位端连接，当第二反相器V2输出低电平时，各个D触发器复位，即边沿触发运算单元清零。

图5为本实施例中电源线输入的边沿信号、初始化单元输出的复位信号以及三位加法器B组输入的模式控制常量为二进制001时运算结果的时序示意图，其中运算结果采用三个D触发器的正向输出端的输出信号表示。在电源上电后，在T时间三个D触发器复位为逻辑0，即运算结果清零。在边沿信号的上升沿E1处，运算结果为001；在电源线上升沿E2，运算结果为010；在电源线上升沿E3，运算结果为011；在电源线上升沿E4，运算结果为100；在电源线上升沿E5，运算结果为101；在电源线上升沿E6，运算结果为110；在电源线上升沿E7，运算结果为111；在电源线上升沿E8，运算装置溢出，运算结果为000。

为保证运算过程中，初始化单元和边沿触发运算单元能够正常供电，边沿信号中低电平的持续时长必须小于充电单元中储能元件C由高电平放电至低电平的放电时长。

此外，由于二极管的单向导通作用，放电时充电电容不会对电源线进行反向放电。

本实施例中未作特殊说明，高电平对应的电压幅值为3.0～5V，低电平小于1.0V。

电源线边沿信号触发的算术运算装置可用于控制LED的驱动单元实现彩色控制，如应用于红绿蓝三色LED彩灯控制，就可以只通过电源线发送边沿控制信号，实现七彩色的控制。驱动时，所采用的LED驱动器如图1所示，包括上述的电源线边沿信号触发的算术运算装置，以及用于根据电源线边沿信号触发的算术运算装置的运算结果驱动LED的驱动单元。驱动单元可采用现有的LED驱动电路实现，保证采用的LED驱动单元的输入接口与运算装置的输入接口匹配。

本实施例的LED驱动器仅利用一根电源线输入边沿信号，通过对边沿信号进行运算，使控制驱动单元驱动完成LED的七彩色发光，不需要使用多于一根的信号线传递控制信号。

以上仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内，如：在电源线与边沿触发运算单元时钟端之间增加滤波电路、延迟电路或取反电路；算术逻辑单元为隐含B组输入的加法电路或减法电路。

Claims

1.一种电源线边沿信号触发的算术运算装置，其特征在于，包括：

初始化单元，用于根据所述的供电电平对边沿触发运算单元进行初始化；

2.如权利要求1所述的电源线边沿信号触发的算术运算装置，其特征在于，所述的n为大于1的整数。

3.如权利要求2所述的电源线边沿信号触发的算术运算装置，其特征在于，所述的n取值为2～200。

4.如权利要求3所述的电源线边沿信号触发的算术运算装置，其特征在于，所述的充电单元包括二极管，所述二极管的阳极与电源线连接，阴极通过一储能元件接地，所述的充电单元通过二极管的阴极为边沿触发运算单元和初始化单元提供供电电平。

5.如权利要求3所述的电源线边沿信号触发的算术运算装置，其特征在于，所述的充电单元包括NPN三极管，所述NPN三极管的集电极和基极连接后与电源线连接，发射极通过一储能元件接地，所述的充电单元通过NPN三极管的发射极为边沿触发运算单元和初始化单元提供供电电平。

6.如权利要求3所述的电源线边沿信号触发的算术运算装置，其特征在于，所述的充电单元包括PNP三极管，所述PNP三极管的集电极和基极连接后通过一储能元件接地，发射极与电源线连接，所述的充电单元通过PNP三极管的集电极或基极为边沿触发运算单元和初始化单元提供供电电平。

7.如权利要求4～6中任意一项所述的电源线边沿信号触发的算术运算装置，其特征在于，所述的储能元件为充电电容或MOS管。

8.一种LED驱动器，其特征在于，包括如权利要求1～7中任意一项权利要求所述的电源线边沿信号触发的算术运算装置，以及用于根据电源线边沿信号触发的算术运算装置输出的运算结果驱动LED的驱动单元。