CN104837267A - 多路调光装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多路调光装置，包括电源电路、单片集成通信处理器及电路以及多路可调电流电路，所述电源电路输入交流电，输出的第一路直流电源给多路LED负载供电，输出的第二路直流电源给所述单片集成通信处理器及电路供电，输出的第一路直流电源正极与多路LED负载阳极连接；所述单片集成通信处理器在一个芯片上集成了通信功能和多路PWM信号输出功能，所述单片集成通信处理器及电路与外界通信获取指令，按指令输出多路PWM信号；所述多路可调电流电路每一路串联在每一路LED负载阴极与地电位之间，每路分别受一位PWM信号控制，在PWM信号控制下，改变LED负载电流大小。本发明提高控制部分电路集成度以及AC/DC电源选择自由度，降低多路调光装置的成本。

Description

多路调光装置
技术领域
本发明涉及多路调光装置，具体而言，涉及一种用于驱动多路发光二极管(LED)负载，单独调节每路LED负载电流，控制亮度、色温或颜色的装置，以及包含所述多路调光装置的照明装置。
背景技术
作为新一代的照明光源，LED灯珠能发出不同色温和颜色的光，使得多路LED彩色照明逐渐得到广泛应用。目前市场上，多路LED负载驱动有两种方法。第一种方法是两级结构，如图1所示。第一级实现AC/DC恒压，第二级用多路PWM可控的DC/DC实现恒流。第一级隔离变压器两个输出绕组，分别给第二级和控制部分供电。控制部分包括通信电路和PWM产生电路。市场上多路调光产品是通信电路含一个核心芯片，PWM产生电路含一个核心芯片，AC/DC含一个核心芯片，每路DC/DC含一个核心芯片，电路比较复杂。第二种方法是一级结构，如图2所示。AC/DC是隔离恒压恒流电源，多路LED负载与调光开关串联，用PWM信号控制多路调光实现LED负载电流的变化。隔离恒压恒流保证电源最大输出电流不超过每路LED负载的额定电流，确保LED灯珠工作安全。
这两种方法的共同点是通信电路和PWM产生电路分别用各自的核心芯片实现。控制部分电路成本高，占PCB板面积大。而且第二种方法中隔离恒压恒流特性对电源的选择是一个约束。
发明内容
针对现有方案的上述缺陷，本发明的目的在于，降低多路调光装置的复杂度和成本。
一颗单片集成通信处理器核心芯片完成通信功能和多路PWM信号产生功能。通常单片集成通信处理器是为完成通信功能设计，没有硬件多路PWM功能。用纯软件的方法很难保证多路PWM信号定时精度。使用一个硬件定时器和若干GPIO引脚，每个GPIO引脚输出一路PWM信号，软件可以产生需要的多路PWM信号。如图3所示，单片集成通信处理器产生三路PWM信号。在一个周期T，三路PWM信号按高电平时间长度从小到大排序。第一路PWM1信号的高电平时间是t1，第二路PWM2信号的高电平时间是t1+t2，第三路PWM3信号的高电平时间是t1+t2+t3。在定时器中断服务程序中，硬件定时器中断计数时间依次设置t1、t2、t3以及T-t1-t2-t3。第一次初始化三路PWM信号均设置为高；t1计时到，PWM1设置为低；t2计时到，PWM2设置为低；t3计时到，PWM3设置为低；T-t1-t2-t3计时到，三路PWM信号均设置为高；依次循环。每次PWM占空比有变化，重新按PWM信号高电平时间长度排序。只要把定时器中断服务优先级设置为最高，可以保证PWM信号的定时精度。
选择不同种类AC/DC电源，可以降低多路调光装置成本。前述第二种方法中，成本较低的非隔离恒压恒流电源可以代替隔离恒压恒流电源。
提高方案的集成度和使用不同的电源结构从而降低多路调光装置的复杂度和成本是本发明专利的基本思想。
根据本发明的第一方面，提供一种多路调光装置，包括非隔离恒压恒流电源、单片集成通信处理器及其附属电路、多路调光开关以及辅助电源，所述非隔离恒压恒流电源输入交流电，输出的直流电源给多路LED负载和所述辅助电源供电，输出的直流电源正极与多路LED负载阳极、所述辅助电源输入正极连接；所述单片集成通信处理器在一个芯片上集成了通信功能和多路PWM信号输出功能，所述单片集成通信处理器及其附属电路与外界通信获取指令，按指令输出多路PWM信号；所述多路调光开关的每一路开关串联在每一路LED负载阴极与地电位之间，每一路调光开关分别受一位PWM信号控制；所述辅助电源从所述非隔离恒压恒流电源输出的直流电源取电，给非LED负载的其他电路供电，其中，多路PWM信号控制所述多路调光开关，改变LED负载电流大小。
在第一方面中，优选的是，所述多路调光开关的每一路开关用一个NMOS实现，每个NMOS的栅极对地分别接下拉电阻，每个NMOS的栅极分别接一位PWM信号。
优选的是，所述辅助电源输出第二路直流电源，而且，每个NMOS的栅极分别接上拉电阻到所述辅助电源输出的第二路直流电源，同时所述单片集成通信处理器的PWM引脚均设置为漏极开路输出。
根据第二方面，提供一种多路调光装置，包括隔离恒压恒流电源、单片集成通信处理器及其附属电路、多路调光开关以及辅助电源，所述隔离恒压恒流电源输入交流电，输出的第一路直流电源正极与多路LED负载阳极连接，给多路LED负载供电，输出的第二路直流电源给所述辅助电源供电；所述单片集成通信处理器在一个芯片上集成了通信功能和多路PWM信号输出功能，所述单片集成通信处理器及其附属电路与外界通信获取指令，按指令输出多路PWM信号；所述多路调光开关的每一路开关串联在每一路LED负载阴极与地电位之间，每一路开关分别受一位PWM信号控制；所述辅助电源从所述隔离恒压恒流电源输出的第二路直流电源取电，给非LED负载的其他电路供电，其中，多路PWM信号控制所述多路调光开关，改变LED负载电流大小。
在第二方面中，优选的是，所述多路调光开关的每一路开关用一个NMOS实现，每个NMOS的栅极分别对地接下拉电阻，每个NMOS的栅极分别接一位PWM信号。
优选的是，每个NMOS的栅极分别接上拉电阻到所述隔离恒压恒流电源输出的第二路直流电源，而且所述单片集成通信处理器的PWM引脚均设置为漏极开路输出。
根据第三方面，提供一种多路调光装置，包括非隔离电源、单片集成通信处理器及其附属电路、多路可调恒流电路以及辅助电源，所述非隔离电源输入交流电，输出的直流电源给多路LED负载和所述辅助电源供电，输出的直流电源正极与多路LED负载阳极、所述辅助电源输入正极连接；所述单片集成通信处理器在一个芯片上集成了通信功能和多路PWM信号输出功能，所述单片集成通信处理器及其附属电路与外界通信获取指令，按指令输出多路PWM信号；所述多路可调恒流电路的每一路串联在每一路LED负载阴极与地电位之间，在PWM控制下，调整每一路LED负载电流的大小；所述辅助电源从所述非隔离电源输出的直流电源取电，给非LED负载的其他电路供电，其中，多路PWM信号控制所述多路调光开关，改变LED负载电流大小。
在第三方面中，优选的是，所述多路可调恒流电路的每一路包括电流调整电路以及参考电压产生电路，所述电流调整电路包括电流检测电阻、运算放大器以及NMOS管；所述参考电压产生电路包括一个分压电阻、一个滤波电阻以及滤波电容，其中，运算放大器的反相输入端与NMOS的源极、电流检测电阻的一端相连接，电流检测电阻的另一端接地电位，NMOS的漏极接LED负载的阴极，NMOS的栅极接运算放大器的输出，运算放大器的同相输入端与所述参考电压产生电路的输出端连接；滤波电阻与滤波电容并联，并联一端接地电位，并联另一端是所述参考电压产生电路的输出端，与分压电阻的一端相连接，分压电阻的另一端是参考电压产生电路的输入端，与PWM信号连接。
优选的是，所述辅助电源输出第二路直流电源，给所述电流调整电路中的运算放大器供电。
根据第四方面，提供一种多路调光装置，包括隔离电源、单片集成通信处理器及其附属电路、多路可调恒流电路以及辅助电源，所述隔离电源输入交流电，输出的第一路直流电源正极与多路LED负载阳极连接，给多路LED负载供电，输出的第二路直流电源给所述辅助电源供电；所述单片集成通信处理器在一个芯片上集成了通信功能和多路PWM信号输出功能，所述单片集成通信处理器及其附属电路与外界通信获取指令，按指令输出多路PWM信号；所述多路可调恒流电路的每一路串联在每一路LED负载阴极与地电位之间，在PWM控制下，调整每一路LED负载电流的大小；所述辅助电源从所述隔离电源输出的第二路直流电源取电，给非LED负载的其他电路供电，其中，多路PWM信号控制所述多路调光开关，改变LED负载电流大小。
在第四方面中，优选的是，所述多路可调恒流电路的每一路包括电流调整电路以及参考电压产生电路，所述电流调整电路包括电流检测电阻、运算放大器以及NMOS管；所述参考电压产生电路包括一个分压电阻、一个滤波电阻以及滤波电容，其中，运算放大器的反相输入端与NMOS的源极、电流检测电阻的一端相连接，电流检测电阻的另一端接地电位，NMOS的漏极接LED负载的阴极，NMOS的栅极接运算放大器的输出，运算放大器的同相输入端与所述参考电压产生电路的输出端连接；滤波电阻与滤波电容并联，并联一端接地电位，并联另一端是所述参考电压产生电路的输出端，与分压电阻的一端相连接，分压电阻的另一端是参考电压产生电路的输入端，与PWM信号连接。
优选的是，所述电流调整电路中的运算放大器从所述隔离电源输出的第二路直流电源取电。
根据第五方面，提供一种照明装置，其特征在于，包括上述一至四方面中所述的装置以及LED负载。
本发明使用单片集成通信处理器及电路完成通信功能和多路PWM信号产生功能，省去了现有方案中的PWM信号产生电路；而且，通过使用非隔离AC/DC电源或第二级多路可调恒流电路，提高多路调光装置第一级电源的选择自由度，使得更多种类的电源用于多路调光。这对于促进LED的应用有重大意义。
附图说明
为更好地理解本发明，下文以实施例结合附图对本发明作进一步说明。附图中：
图1示出了现有两级结构的多路调光电路；
图2示出了现有一级结构的多路调光电路；
图3示出了三路PWM信号时序；
图4示出了本发明一实施例的非隔离恒压恒流多路调光电路结构；
图5示出了本发明另一实施例的隔离恒压恒流多路调光电路结构；
图6示出了本发明另一实施例的非隔离多路调光电路结构；
图7示出了本发明另一实施例的隔离多路调光电路结构。
具体实施方式
参照图4，图4示出了本发明一实施例的非隔离恒压恒流多路调光电路结构。该实施例中，单片集成处理器及其附属电路42完成了通信功能和多路PWM信号输出功能，不再需要额外的单片机来产生多路PWM信号。而且，使用非隔离电源40代替隔离电源20。通常，单片集成处理器供电电压VCC为3.3V，输出PWM的高电平为3.3V；GPIO引脚拉电流和灌电流能力在10mA以上。当选用NMOS作为电流开关时，如果NMOS米勒平台栅源电压VGS小于3.3V，则PWM信号可以正常开关NMOS；如果NMOS米勒平台栅源电压VGS大于3.3V，则需要把PWM引脚设置为漏极开路输出，同时对VDD上拉RUP电阻。RUP电阻阻值1K欧姆。RDN电阻为NMOS栅极下拉电阻，阻值为几十K欧姆，保证NMOS在栅极浮空时能可靠关闭。辅助电源41需要输出两路直流电压，可以使用DC/DC产生VDD，VDD通过LDO输出VCC。
参照图5，图5示出了本发明另一实施例的隔离恒压恒流多路调光电路结构。该实施例中，单片集成处理器及其附属电路42完成了通信功能和多路PWM信号输出功能，不再需要额外的单片机来产生多路PWM信号。而且，使用隔离恒压恒流电源20输出两路直流电源VLED和VDD。通常，单片集成处理器供电电压VCC为3.3V，输出PWM的高电平为3.3V；GPIO引脚拉电流和灌电流能力在10MA以上。当选用NMOS作为电流开关时，如果NMOS米勒平台栅源电压VGS小于3.3V，则PWM信号可以正常开关NMOS；如果NMOS米勒平台栅源电压VGS大于3.3V，则需要把PWM引脚设置为漏极开路输出，同时对VDD上拉RUP电阻。RUP电阻阻值1K欧姆。RDN电阻为NMOS栅极下拉电阻，阻值为几十K欧姆，保证NMOS在栅极浮空时能可靠关闭。辅助电源11输出一路直流电压，可以使用LDO产生VCC。
参照图6，图6示出了本发明另一实施例的非隔离电源多路调光电路结构。该实施例中，单片集成处理器及其附属电路42完成了通信功能和多路PWM信号输出功能，不再需要额外的单片机来产生多路PWM信号。而且，每一路可调恒流电路63实现LED恒流输出，前极AC/DC非隔离电源60可以是恒压输出或恒流输出。如果非隔离电源60是恒流输出，要求在输出过压(多路LED负载电流之和小于该恒流输出)保护时，非隔离电源60中核心芯片不能锁机。
可调恒流电路63包括参考电压产生电路61和电流调整电路62。其中，参考电压产生电路61对输入的PWM信号进行分压和低通滤波，产生参考电压VREF。参考电压VREF输出到运算放大器的同相输入端，LED负载电流为VREF/R1.PWM信号占空比变化改变参考电压VREF，从而改变LED负载电流ILED。ILED计算公式如下：
ILED＝VCC*Duty*R3/(R1*(R2+R3))，
其中，Duty为PWM信号占空比，变化范围为(0，1)。调光PWM信号频率通常为1KHZ，要求参考电压产生电路61低通滤波RC时间常数为10MS左右。
如果NMOS米勒平台栅源电压VGS小于VCC，VCC给电流调整电路62中运算放大器供电；如果NMOS米勒平台的栅源电压VGS大于VCC，则VDD给放大器供电。NMOS对地电位下拉电阻R4为几十K欧姆，从而保证NMOS能可靠工作。
如果VCC给运算放大器供电，则装置中辅助电源41仅需要一路直流电源VCC输出，可以用DC/DC产生；如果VDD给运算放大器供电，则装置中辅助电源41需要产生VDD和VCC两路直流电源，可以使用DC/DC产生VDD，VDD通过LDO输出VCC。
参照图7，图7示出了本发明另一实施例的隔离电源多路调光电路结构。该实施例中，单片集成处理器及其附属电路42完成了通信功能和多路PWM信号输出功能，不再需要额外的单片机来产生多路PWM信号。而且，每一路可调恒流电路63实现LED恒流输出，前极AC/DC隔离电源70可以是恒压输出或恒流输出。如果隔离电源70是恒流输出，要求在输出过压(多路LED负载电流之和小于该恒流输出)保护时，隔离电源70中核心芯片不能锁机。隔离电源70输出两路直流电压VLED和VDD.
可调恒流电路63包括参考电压产生电路61和电流调整电路62。其中，参考电压产生电路61对输入的PWM信号进行分压和低通滤波，产生参考电压VREF。参考电压VREF输出到运算放大器的同相输入端，LED负载电流为VREF/R1。PWM信号占空比变化改变参考电压VREF，从而改变LED负载电流ILED。ILED计算公式如下：
ILED＝VCC*Duty*R3/(R1*(R2+R3))，
其中，Duty为PWM信号占空比，变化范围为(0，1)。调光PWM信号频率通常为1KHZ，要求参考电压产生电路61低通滤波RC时间常数为10MS左右。
如果NMOS米勒平台栅源电压VGS小于出VCC，出VCC给电流调整电路62中运算放大器供电；如果NMOS米勒平台的栅源电压VGS大于出VCC，则VDD给放大器供电。NMOS对地电位下拉电阻R4为几十K欧姆，从而保证NMOS能可靠工作。
装置中辅助电源41使用LDO输出VCC。
显而易见，在此描述的本发明可以有许多变化，这种变化不能认为偏离本发明的精神和范围。因此，所有对本领域技术人员显而易见的改变，都包括在所附权利要求书的涵盖范围之内。

Claims (13)

1.一种多路调光装置，包括非隔离恒压恒流电源、单片集成通信处理器及其附属电路、多路调光开关以及辅助电源，所述非隔离恒压恒流电源输入交流电，输出的直流电源给多路LED负载和所述辅助电源供电，输出的直流电源正极与多路LED负载阳极、所述辅助电源输入正极连接；所述单片集成通信处理器在一个芯片上集成了通信功能和多路PWM信号输出功能，所述单片集成通信处理器及其附属电路与外界通信获取指令，按指令输出多路PWM信号；所述多路调光开关的每一路开关串联在每一路LED负载阴极与地电位之间，每一路调光开关分别受一位PWM信号控制；所述辅助电源从所述非隔离恒压恒流电源输出的直流电源取电，给非LED负载的其他电路供电，其中，
多路PWM信号控制所述多路调光开关，改变LED负载电流大小。
2.如权利要求1所述的多路调光装置，其特征在于，所述多路调光开关的每一路开关用一个NMOS实现，每个NMOS的栅极对地分别接下拉电阻，每个NMOS的栅极分别接一位PWM信号。
3.如权利要求2所述的多路调光装置，其特征在于，所述辅助电源输出第二路直流电源，而且，每个NMOS的栅极分别接上拉电阻到所述辅助电源输出的第二路直流电源，同时所述单片集成通信处理器的PWM引脚均设置为漏极开路输出。
4.一种多路调光装置，包括隔离恒压恒流电源、单片集成通信处理器及其附属电路、多路调光开关以及辅助电源，所述隔离恒压恒流电源输入交流电，输出的第一路直流电源正极与多路LED负载阳极连接，给多路LED负载供电，输出的第二路直流电源给所述辅助电源供电；所述单片集成通信处理器在一个芯片上集成了通信功能和多路PWM信号输出功能，所述单片集成通信处理器及其附属电路与外界通信获取指令，按指令输出多路PWM信号；所述多路调光开关的每一路开关串联在每一路LED负载阴极与地电位之间，每一路开关分别受一位PWM信号控制；所述辅助电源从所述隔离恒压恒流电源输出的第二路直流电源取电，给非LED负载的其他电路供电，其中，
多路PWM信号控制所述多路调光开关，改变LED负载电流大小。
5.如权利要求4所述的多路调光装置，其特征在于，所述多路调光开关的每一路开关用一个NMOS实现，每个NMOS的栅极分别对地接下拉电阻，每个NMOS的栅极分别接一位PWM信号。
6.如权利要求5所述的多路调光装置，其特征在于，每个NMOS的栅极分别接上拉电阻到所述隔离恒压恒流电源输出的第二路直流电源，而且所述单片集成通信处理器的PWM引脚均设置为漏极开路输出。
7.一种多路调光装置，包括非隔离电源、单片集成通信处理器及其附属电路、多路可调恒流电路以及辅助电源，所述非隔离电源输入交流电，输出直流电源给多路LED负载和所述辅助电源供电，输出的直流电源正极与多路LED负载阳极、所述辅助电源输入正极连接；所述单片集成通信处理器在一个芯片上集成了通信功能和多路PWM信号输出功能，所述单片集成通信处理器及其附属电路与外界通信获取指令，按指令输出多路PWM信号；所述多路可调恒流电路的每一路串联在每一路LED负载阴极与地电位之间，在PWM控制下，调整每一路LED负载电流的大小；所述辅助电源从所述非隔离电源输出的直流电源取电，给非LED负载的其他电路供电，其中，
多路PWM信号控制所述多路调光开关，改变LED负载电流大小。
8.如权利要求7所述的多路调光装置，其特征在于，所述多路可调恒流电路的每一路包括电流调整电路以及参考电压产生电路，所述电流调整电路包括电流检测电阻、运算放大器以及NMOS管；所述参考电压产生电路包括一个分压电阻、一个滤波电阻以及滤波电容，其中，
运算放大器的反相输入端与NMOS的源极、电流检测电阻的一端相连接，电流检测电阻的另一端接地电位，NMOS的漏极接LED负载的阴极，NMOS的栅极接运算放大器的输出，运算放大器的同相输入端与所述参考电压产生电路的输出端连接；
滤波电阻与滤波电容并联，并联一端接地电位，并联另一端是所述参考电压产生电路的输出端，与分压电阻的一端相连接，分压电阻的另一端是参考电压产生电路的输入端，与PWM信号连接。
9.如权利要求8所述的多路调光装置，其特征在于，所述辅助电源输出的第二路直流电源，给所述电流调整电路中的运算放大器供电。
10.一种多路调光装置，包括隔离电源、单片集成通信处理器及其附属电路、多路可调恒流电路以及辅助电源，所述隔离电源输入交流电，输出的第一路直流电源正极与多路LED负载阳极连接，给多路LED负载供电，输出的第二路直流电源给所述辅助电源供电；所述单片集成通信处理器在一个芯片上集成了通信功能和多路PWM信号输出功能，所述单片集成通信处理器及其附属电路与外界通信获取指令，按指令输出多路PWM信号；所述多路可调恒流电路的每一路串联在每一路LED负载阴极与地电位之间，在PWM控制下，调整每一路LED负载电流的大小；所述辅助电源从所述隔离电源输出的第二路直流电源取电，给非LED负载的其他电路供电，其中，
多路PWM信号控制所述多路调光开关，改变LED负载电流大小。
11.如权利要求10所述的多路调光装置，其特征在于，所述多路可调恒流电路的每一路包括电流调整电路以及参考电压产生电路，所述电流调整电路包括电流检测电阻、运算放大器以及NMOS管；所述参考电压产生电路包括一个分压电阻、一个滤波电阻以及滤波电容，其中，
运算放大器的反相输入端与NMOS的源极、电流检测电阻的一端相连接，电流检测电阻的另一端接地电位，NMOS的漏极接LED负载的阴极，NMOS的栅极接运算放大器的输出，运算放大器的同相输入端与所述参考电压产生电路的输出端连接；
滤波电阻与滤波电容并联，并联一端接地电位，并联另一端是所述参考电压产生电路的输出端，与分压电阻的一端相连接，分压电阻的另一端是参考电压产生电路的输入端，与PWM信号连接。
12.如权利要求11所述的多路调光装置，其特征在于，所述电流调整电路中的运算放大器从所述隔离电源输出的第二路直流电源取电。
13.一种照明装置，其特征在于，包括权利要求1至12中任一项所述的装置以及LED负载。
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