CN104582194A - 一种用于led驱动器的单电源键时延状态控制的pwm调光电路 - Google Patents

一种用于led驱动器的单电源键时延状态控制的pwm调光电路 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于LED驱动器的单电源键时延状态控制的PWM调光电路，包括：电源键、T触发器、时延状态电路、编码电路、状态机、光强选择电路和输出门电路；本发明利用单电源键不仅实现对LED灯实现亮灭的控制，还可以通过按压开关间隔时间的长短对LED灯的亮度进行选择，相比以往含有多个按键的传统LED灯更加简洁、智能，有利于缩小产品的体积。并且本发明结合当下比较流行的PWM亮度调节方法，提供了多种亮度可供用户选择，可以直接应用到使用PWM亮度调节方案的LED驱动中，较之使用线性调光方法的传统型LED驱动效率更高，调光范围更广，可以实现对LED亮度的精确控制，设计思路新颖，符合未来产品智能化发展趋势。

Description

一种用于LED驱动器的单电源键时延状态控制的PWM调光电路
技术领域
本发明属于LED驱动技术领域，具体涉及一种用于LED驱动器的单电源键时延状态控制的PWM调光电路。
背景技术
近年来随着新材料的开发和工艺的改进，LED光源由于发光效率高、寿命长、体积小、绿色无污染等特点被称为第四代新型光源，并被广泛的应用于各种照明场合中，如液晶显示器背光源、交通信号灯、广告牌、汽车车灯和家居通用照明等。
LED和传统光源相比，有许多独特的特征和性能。LED是低电压直流器件，其电流电压特性是非线性的，而且电流变化不仅会影响发光亮度，还会引起色温的改变，所以LED需要特殊的驱动器保证其工作在直流恒流状态下。由于白光LED日益广泛的应用在各个领域，人们对LED驱动器的要求也在不断提高。现在市场上LED驱动器不仅要提供LED正常发光所需的最佳恒流源偏置，还必须要集成更多的模式和功能，其中调光功能更是受到消费者的青睐。
当下市场上做LED驱动器的厂家很多，各自也提出了很多新颖的结构设计，在LED调光方面，主要有线性调光、可控硅调光和PWM调光三种方案，它们共同的思路都是利用驱动电路来控制光的输出。其中：
线性调光方法就是采用模拟调光控制方法，在模拟调光控制下，通过调节LED的正向工作电流来实现LED的调光控制，调光控制范围可达10：1。但由LED特性可知LED正向电流的变化会引起白光LED朝向黄色光谱的色彩偏移，而且线性调光也会降低LED驱动器的效率；
可控硅调光又叫可控硅相控(斩波法)调光。可控硅调光工作原理是通过控制可控硅的导通角，将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，达到控制灯电路供电电压，从而实现调光，调节比例略小，约在50％～100％的范围内。同时这种调光方式最大的缺陷是其斩波方式会产生大量谐波，形成对电网系统的谐波污染；
PWM调光是利用PWM控制信号，通过控制LED的正向工作电流的占空比来调节LED的发光亮度。这种调节方法是利用人眼视觉暂留效应，采用频率较高的开关工作频率，以脉宽调制的方法改变LED驱动电流的脉冲占空比来实现LED的调光控制。一般选用大于100HZ开关频率避免人眼感觉到调光闪烁，在LED的PWM调光控制下，LED的发光亮度正比于PWM的脉冲占空比，在这种调光控制方法下，可以在高度调光比范围内保持LED的发光颜色不变，采用PWM的LED调光控制的调光比范围可达3000：1。
发明内容
本发明旨在设计一种用于LED驱动器的单电源键时延状态控制的PWM调光电路，产生亮度可调控PWM信号，可应用于采用PWM控制策略的LED驱动器中。
一种用于LED驱动器的单电源键时延状态控制的PWM调光电路，包括：电源键、T触发器、时延状态电路、编码电路、状态机、光强选择电路和输出门电路；其中：
所述的电源键与T触发器和输出门电路相连，其断开时产生开关信号VC为低电平，用以关断LED驱动器的输出，闭合时产生开关信号VC为高电平；
所述的T触发器的T端接高电平，时钟端接开关信号VC，输出端与时延状态电路和输出门电路相连；其采用上升沿触发，储存开关信号VC，实现电源键闭合一次输出信号X为高电平，电源键闭合两次输出信号X为低电平；
所述的时延状态电路的输入端接T触发器输出的信号X，输出端与编码电路相连；其根据T触发器输出信号X高电平时间的长短对内部四个电容C3～C0进行充电，产生跟T触发器输出信号X高电平时间相关的四路电压信号V3～V0，即对应四个电容C3～C0两端电压；
所述的编码电路的输入端与时延状态电路相连，输出端与光强选择电路相连；其将模拟的电压信号V3～V0转换成两位数字信号A1～A0；
所述的光强选择电路的输入端与编码电路相连，输出端与输出门电路相连；其用于对两位数字信号A1～A0进行译码并转换成四路电平信号B3～B0；
所述的状态机与输出门电路相连，其用于产生四路脉冲信号S3～S0分别对应4种不同的输出状态；
所述的输出门电路用于根据四路电平信号B3～B0对四路脉冲信号S3～S0进行选择，输出信号Y，进而利用信号X对信号Y进行与逻辑运算，从而生成具有调光功能的LED驱动信号。
所述的状态机由两个D触发器组成。
所述的编码电路由三个与门AND6～AND8和一异或门组成；其中，与门AND6的第一输入端接电压信号V0，第二输入端接电压信号V1，输出端与与门AND7的第一输入端和与门AND8的第一输入端相连；与门AND7的第二输入端与异或门的第一输入端相连并接电压信号V2，异或门的第二输入端接电压信号V3，异或门的输出端与与门AND8的第二输入端相连，与门AND7的输出端和与门AND8的输出端对应输出两位数字信号A1～A0。
所述的光强选择电路由四个与门AND9～AND12和两个反相器N0～N1组成；其中，反相器N1的输入端与与门AND9的第一输入端和与门AND10的第一输入端相连并接数字信号A1，与门AND9的第二输入端与与门AND11的第一输入端和反相器N0的输入端相连并接数字信号A0，反相器N1的输出端与与门AND11的第二输入端和与门AND12的第一输入端相连，反相器N0的输出端与与门AND10的第二输入端和与门AND12的第二输入端相连，四个与门AND9～AND12的输出端对应产生四路电平信号B3～B0。
所述的时延状态电路由四个NMOS管M0～M3和所述的四个电容C3～C0组成；其中，四个NMOS管M0～M3的源极与NMOS管M0的栅极相连并接信号X，NMOS管M0的漏极与电容C0的一端和NMOS管M1的栅极相连并产生电压信号V0，NMOS管M1的漏极与电容C1的一端和NMOS管M2的栅极相连并产生电压信号V1，NMOS管M2的漏极与电容C2的一端和NMOS管M3的栅极相连并产生电压信号V2，NMOS管M3的漏极与电容C3的一端相连并产生电压信号V3，四个电容C3～C0的另一端共连并接地。
所述的输出门电路包括五个与门AND1～AND5和一或门；其中，与门AND1～AND4的第一输入端分别接电平信号B3～B0，与门AND1～AND4的第二输入端分别接脉冲信号S3～S0，与门AND1～AND4的输出端分别与或门的四个输入端相连，或门的输出端输出信号Y并与与门AND5的第一输入端相连，与门AND5的第二输入端接信号X，与门AND5的第三输入端接开关信号VC，与门AND5的输出端输出LED驱动信号。
本发明PWM调光电路利用单电源键不仅实现对LED灯实现亮灭的控制，还可以通过感应触控开关时间的长短对LED灯的亮度进行选择，相比以往含有多个按键的传统LED灯更加简洁、智能，有利于缩小产品的体积。并且本发明结合当下比较流行的PWM亮度调节方法，提供了4种亮度可供用户选择，可以直接应用到使用PWM亮度调节方案的LED驱动中，较之使用线性调光方法的传统型LED驱动效率更高，调光范围更广，更受用户者的喜爱。此外，本发明采用数模混合电路，可以实现对LED亮度的精确控制，设计思路新颖，符合未来产品智能化发展趋势。
附图说明
图1为本发明PWM调光电路的结构示意图。
图2为时延状态电路的结构示意图。
图3为编码电路的结构示意图
图4为光强选择电路的结构示意图
图5为状态机的状态转换图。
具体实施方式
为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。
如图1所示，本发明PWM调光电路，包括：电源键、T触发器、时延状态电路、编码电路、光强选择电路、状态机和输出门电路；其中：
电源键用于产生开关信号Vc，并与T触发器和输出门电路连接。
T触发器采用上升沿触发，T端接高电平，时钟信号接电源键产生的Vc信号。T触发器的特性方程为Q*＝TQ′+T′Q，当T端接高电平时，特性方程则变为Q*＝Q′，所以这里利用T触发器一种特殊的逻辑功能，即当控制信号T＝1时，每来一个时钟信号它的状态就会翻转一次。当电源键第一次闭合时，产生的Vc信号由低电平跳变为高电平，此时T触发器输出信号X由低电平跳变成高电平，开始对时延状态电路中电容C3～C0充电，同时T触发器的输出信号X通过“非门”和输出调光信号y相连，使得最终的调光信号Y＝0；当电源键第二次闭合时，Vc信号电位由高电平跳变为低电平并再次跳变为高电平，T触发器输出信号X由高电平跳变成低电平，对时延状态电路中电容C3～C0充电截止，同时T触发器的输出信号X通过“非门”和输出调光信号y相连，使得最终的调光信号Y＝y，LED开始工作。
时延状态电路内部结构示意图如图2所示，包括4个CMOS管M3～M0、和4个电容C3～C0；其中，T触发器产生的X信号为M3～M0提供电平，并且和M3的栅极相连接，电源键第一次闭合时T触发器输出信号X为高电平，M3导通，开始为C0充电，因为C0同时和M2的栅极相连，经过一段时间对C0充电，当C0上的电压足够大时，M2开启，对C1开始充电。因为C1同时和M1的栅极相连，再经过一段时间，当C1上的电压足够大时，M1开启，对C2开始充电。因为C2同时和M0的栅极相连，再经过一段时间对C2充电，当C2上的电压足够大时，M0开启，对C3开始充电；电源键第二次闭合时T触发器输出信号X为低电平，充电停止。所以可以根据最终时延状态电路的输出状态V3～V0来表征T触发器输出信号X高电平存在的时间长短，即两次电源键闭合间隔。
编码电路与时延状态电路产生的信号V3～V0相连接，作用是将模拟信号V3～V0转换成2位的二进制数字信号A1A0，再将A1A0输入到光强选择电路中，以完成后续对光强选择的功能。如图3所示，本实施方式编码电路由三个与门AND6～AND8和一异或门组成；其中，与门AND6的第一输入端接电压信号V0，第二输入端接电压信号V1，输出端与与门AND7的第一输入端和与门AND8的第一输入端相连；与门AND7的第二输入端与异或门的第一输入端相连并接电压信号V2，异或门的第二输入端接电压信号V3，异或门的输出端与与门AND8的第二输入端相连，与门AND7的输出端和与门AND8的输出端对应输出两位数字信号A1～A0。
光强选择电路的输入端与编码电路相连，输出端与输出门电路相连；其用于对两位数字信号A1～A0进行译码并转换成四路电平信号B3～B0；如图4所示，本实施方式光强选择电路由四个与门AND9～AND12和两个反相器N0～N1组成；其中，反相器N1的输入端与与门AND9的第一输入端和与门AND10的第一输入端相连并接数字信号A1，与门AND9的第二输入端与与门AND11的第一输入端和反相器N0的输入端相连并接数字信号A0，反相器N1的输出端与与门AND11的第二输入端和与门AND12的第一输入端相连，反相器N0的输出端与与门AND10的第二输入端和与门AND12的第二输入端相连，四个与门AND9～AND12的输出端对应产生四路电平信号B3～B0。
状态机的状态转换图如图5所示，输出4种脉冲信号S3～S0，所以设计时使用两个D触发器。根据其状态转化图，可得到状态方程如下：
Q0 * Q′0
Q1 * Q1Q′0+Q0Q′1
输出方程如下：
S0 Q′0
S1 Q1Q′0+Q0Q′1
S2 Q′1
S3 Q′1+Q′0
所以根据状态方程和输出方程，将D触发器进行合理连接，可产生4种脉冲信号S3～S0，对应占空比四种不同的状态，供用户调光时选择。
输出门电路包含5个2端口与门AND5～AND1，1个4端口或门OR1。其中，与门AND1～AND4的第一输入端分别接电平信号B3～B0，与门AND1～AND4的第二输入端分别接脉冲信号S3～S0，与门AND4～AND1的输出端分别与或门OR1的四个输入端相连，或门OR1的输出端输出信号Y并与与门AND5的第一输入端相连，与门AND5的第二输入端接信号X′，与门AND5的第三输入端接信号Vc与门AND5的输出端输出LED驱动信号。
本实施方式先使用AND4～AND1将光强选择电路输出信号B3～B0分别与对应的状态机输出信号S3～S0进行“与”操作，并将操作结果P3～P0输入到OR1中进行“或”操作，最后将生成的信号y与T触发器产生的信号X“取反”及电源键信号Vc，进行“与”连接，输出最终所需要的调光PWM信号Y。
上述的对实施例的描述是为便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对上述实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种用于LED驱动器的单电源键时延状态控制的PWM调光电路，其特征在于，包括：电源键、T触发器、时延状态电路、编码电路、状态机、光强选择电路和输出门电路；其中：
所述的电源键与T触发器和输出门电路相连，其断开时产生开关信号VC为低电平，用以关断LED驱动器的输出，闭合时产生开关信号VC为高电平；
所述的T触发器的T端接高电平，时钟端接开关信号VC，输出端与时延状态电路和输出门电路相连；其采用上升沿触发，储存开关信号VC，实现电源键闭合一次输出信号X为高电平，电源键闭合两次输出信号X为低电平；
所述的时延状态电路的输入端接T触发器输出的信号X，输出端与编码电路相连；其根据T触发器输出信号X高电平时间的长短对内部四个电容C3～C0进行充电，产生跟T触发器输出信号X高电平时间相关的四路电压信号V3～V0，即对应四个电容C3～C0两端电压；
所述的编码电路的输入端与时延状态电路相连，输出端与光强选择电路相连；其将模拟的电压信号V3～V0转换成两位数字信号A1～A0；
所述的光强选择电路的输入端与编码电路相连，输出端与输出门电路相连；其用于对两位数字信号A1～A0进行译码并转换成四路电平信号B3～B0；
所述的状态机与输出门电路相连，其用于产生四路脉冲信号S3～S0分别对应4种不同的输出状态；
所述的输出门电路用于根据四路电平信号B3～B0对四路脉冲信号S3～S0进行选择，输出信号Y，进而利用信号X对信号Y进行与逻辑运算，从而生成具有调光功能的LED驱动信号。
2.根据权利要求1所述的PWM调光电路，其特征在于：所述的状态机由两个D触发器组成。
3.根据权利要求1所述的PWM调光电路，其特征在于：所述的编码电路由三个与门AND6～AND8和一异或门组成；其中，与门AND6的第一输入端接电压信号V0，第二输入端接电压信号V1，输出端与与门AND7的第一输入端和与门AND8的第一输入端相连；与门AND7的第二输入端与异或门的第一输入端相连并接电压信号V2，异或门的第二输入端接电压信号V3，异或门的输出端与与门AND8的第二输入端相连，与门AND7的输出端和与门AND8的输出端对应输出两位数字信号A1～A0。
4.根据权利要求1所述的PWM调光电路，其特征在于：所述的光强选择电路由四个与门AND9～AND12和两个反相器N0～N1组成；其中，反相器N1的输入端与与门AND9的第一输入端和与门AND10的第一输入端相连并接数字信号A1，与门AND9的第二输入端与与门AND11的第一输入端和反相器N0的输入端相连并接数字信号A0，反相器N1的输出端与与门AND11的第二输入端和与门AND12的第一输入端相连，反相器N0的输出端与与门AND10的第二输入端和与门AND12的第二输入端相连，四个与门AND9～AND12的输出端对应产生四路电平信号B3～B0。
5.根据权利要求1所述的PWM调光电路，其特征在于：所述的时延状态电路由四个NMOS管M0～M3和所述的四个电容C3～C0组成；其中，四个NMOS管M0～M3的源极与NMOS管M0的栅极相连并接信号X，NMOS管M0的漏极与电容C0的一端和NMOS管M1的栅极相连并产生电压信号V0，NMOS管M1的漏极与电容C1的一端和NMOS管M2的栅极相连并产生电压信号V1，NMOS管M2的漏极与电容C2的一端和NMOS管M3的栅极相连并产生电压信号V2，NMOS管M3的漏极与电容C3的一端相连并产生电压信号V3，四个电容C3～C0的另一端共连并接地。
6.根据权利要求1所述的PWM调光电路，其特征在于：所述的输出门电路包括五个与门AND1～AND5和一或门；其中，与门AND1～AND4的第一输入端分别接电平信号B3～B0，与门AND1～AND4的第二输入端分别接脉冲信号S3～S0，与门AND1～AND4的输出端分别与或门的四个输入端相连，或门的输出端输出信号Y并与与门AND5的第一输入端相连，与门AND5的第二输入端接信号X，与门AND5的第三输入端接开关信号VC，与门AND5的输出端输出LED驱动信号。
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