CN105142282A - 基于mcu的led分段式交替导通电路及其驱动方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于MCU的LED分段式交替导通电路及其驱动方法，该电路通过MCU控制电子开关，使各段LED灯珠轮流交替导通，实现整串LED灯珠导通时间基本一致，防止部分灯珠因导通时间长而提前产生光衰现象，克服目前高压驱动方案中各段LED灯珠导通时间不均等的问题，电路全部由半导体器件和电阻构成，其使用寿命与LED寿命相匹配，能够达到5万小时以上，经测试，效率达到97%，功率因数可达99%以上。

Description

基于MCU的LED分段式交替导通电路及其驱动方法

技术领域

本发明涉及电路设计领域，特别是涉及MCU智能控制、高边驱动电路及恒流电路，具体涉及一种基于MCU的LED分段式交替导通电路及其驱动方法。

背景技术

由于LED具有单向导通、反向耐压低、需恒流驱动的特点，因此需要由AC/DC电源变换器将交流电转换成直流电进行供电，其中采用开关电源技术的驱动器成为主流，但开关电源需要用到大容量的电解电容、变压器等储能元件。因LED灯具空间的局限及工作时的高温状态，使得电解电容的寿命缩短，成为灯具寿命的短板。

业界为了克服这一问题，各种高压线性驱动电路应运而生，目前主要有单段式和多段式驱动电路之分，单段式因LED导通门槛电压，造成LED导通时间短，光效和功率因数低；多段式一般通过电子开关的控制跟随输入电压波形分别投入LED灯串，提高功率因数和光效，但也存在着一部分LED灯串导通时间长而另外一些灯串导通时间短，造成导通时间长的LED灯串优先光衰的问题。

发明内容

发明目的：针对现有技术中存在的不足，本发明的目的是提供一种基于MCU的LED分段式交替导通电路，电路结构简单，控制方便，效率高。本发明的另一名第是提供一种上述基于MCU的LED分段式交替导通电路的驱动方法，能够实现各段LED光源导通时间基本一致，达到LED照明灯具长寿命。

技术方案：为了实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为：

一种基于MCU的LED分段式交替导通电路，包括将正弦交流电转换为脉动直流电的整流电路、检测输入电压瞬时值的电压检测电路、为MCU提供电源的供电电路、受MCU控制的电子开关、保持回路电流基本稳定的恒流电路和多段LED灯串；所述多段LED灯串与恒流电路串联后接到整流电路的输出端，每段LED灯串都并联有电子开关，在MCU的控制下，随时接入或断开电路，实现LED灯串的分段点亮；所述检测电路连接在整流电路的输出端，检测电路的输出端接到MCU的A/D转换输入端，由MCU检测输入电压的瞬时值，以确定电子开关的接通与关断，由此控制LED灯串的点亮顺序；所述恒流电路由场效应管及取样电阻配合MCU实现，MCU采集取样电阻上的反馈电压并根据电压值输出PMW信号，控制场效应管导通的时间，实现恒流目的；供电电路接到整流电路的输出端，为MCU提供电源。

所述的MCU检测过零点，控制电子开关使得LED灯串在相邻两个周期内的导通顺序相反，实现LED灯串的均衡发光。

所述电子开关选用双极型三极管、场效应三级管或电子继电器。

所述多段LED灯串为3段以上LED灯串，每个LED灯串均由不少于3个LED灯串联而成。

所述的基于MCU的LED分段式交替导通电路的驱动方法，包括：

1）通电电后，MCU的K1、K2、…Kn及PWM端口输出低电平，使得电子开关Q1、Q2、…Qn全部处于关断状态，T1也关断，全部LED灯串上无电流通过，不发光；

2）MCU的A/D1端口检测输入电压，当电压过零信号出现后，K1端口输出低电平使电子开关Q1保持关断，K2至Kn端口输出高电平使电子开关Q2至Qn开关接通，随着输入电压瞬时值的升高，第一段LED灯串流过电流发光；当输入电压瞬时值升高到V1时，K2端口输出低电平使电子开关Q2断开，第一段LED灯串和第二段LED灯串上流过电流发光；当输入电压瞬时值升高到V2时，K3端口输出低电平使电子开关Q3断开，第一段LED灯串、第二段LED灯串和第三段LED灯串上流过电流发光；依此类推，当输入电压瞬时值升高到Vn-1时，Kn端口输出低电平使电子开关Qn断开，全部LED灯串上流过电流发光；当输入电压瞬时值从最大值下降到Vn-1时，Kn端口输出高电平使电子开关Qn闭合，第n段LED灯串上不通过电流不发光；当输入电压瞬时值从最大值下降到Vn-2时，Kn-1端口输出高电平使电子开关Qn-1闭合，第n段LED灯串和第n-1段LED灯串上不通过电流不发光；依此类推，当输入电压瞬时值下降到V1时，K2端口输出高电平使电子开关Q2闭合，只有第一段LED灯串流过电流发光；随着输入电压瞬时值的降低，第一段LED灯串也会因为两端电压低于导通电压阈值而不发光；

3）当检测到第二个过零点时，K1端口输出高电平使电子开关Q1闭合，Kn端口输出低电平使电子开关Qn开关断开，随着输入电压瞬时值的升高，第n段LED灯串流过电流发光；当输入电压瞬时值达到V1时，Kn-1端口输出低电平使电子开关Qn-1断开，第n段LED灯串和第n-1段LED灯串流过电流发光；依次类推，当输入电压瞬时值升高到Vn时，K1端口输出低电平使电子开关Q1断开，第一段LED灯串流过电流发光；当输入电压瞬时值从最大下降到Vn时，K1端口输出高电平时电子开关Q1闭合，第一段LED灯串没有电流不发光；当输入瞬时电压下降到Vn-1时，K2端口输出高电平使电子开关Q2闭合，第一段LED灯串和第二段LED灯串没有电流不发光，依次类推，当输入电压瞬时值降到V1时，Kn-1端口输出高电平时电子开关Qn-1闭合，第n-1段LED灯串没有电流不发光；随着输入电压瞬时值的降低，第n段LED灯串因为两端电压低于导通阈值不发光；

4）按照以上步骤循环，实现各段LED灯串轮流交替导通。

有益效果：与现有技术相比，本发明的优点包括：

1）本发明的电路全部由半导体器件和电阻构成，其使用寿命与LED寿命相匹配，能够达到5万小时以上。

2）本发明在MCU的控制下，实现了LED灯串的轮流交替导通，使得每颗LED灯珠的发光时间一致，克服了其他分段驱动电路各LED灯珠导通时间不一致而导致的部分灯珠提前光衰的弊病。

3）本发明采用微处理器作为控制器件，比单纯采用电阻分压的方式更精确地控制电子开关的开关电压。

4）本发明电路通过设定MCU的定时器，可以定时降低LED灯具的功率。

5）本发明电路利用MCU的标准串行通信接口，可以与控制系统级联，实现集中控制。

附图说明

图1是基于MCU的LED分段式交替导通电路的结构图；

图2是LED分段式交替导通电路的驱动过程图；

图3是LED分段式交替导通电路的驱动效果示意图；

图4是典型的基于MCU的LED分段式交替导通电路的结构图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

实施例1

如图1所示，基于MCU的LED分段式交替导通电路，包括整流电路1，供电电路2、检测电路3、MCU4、恒流电路5、n段LED灯串以及相对应的n个电子开关，n为不小于2的整数，n段LED灯串包括第一段LED灯串6、第二段LED灯串7、…、第n段LED灯串12；n个电子开关包括电子开关Q19、电子开关Q210、…、电子开关Qn11。n段LED灯串与恒流电路5串联后接到整流电路1的输出端，每段LED灯串都并联有电子开关，可以在MCU4的控制下，随时接入或断开电路，实现LED灯串的分段点亮。整流电路1采用桥式整流电路，其输出端连接在恒流电路5、多段LED灯串构成的电路两端。检测电路3连接在整流电路1的输出端，其输出端接到MCU4的A/D转换输入端，由MCU4检测输入电压的瞬时值，以确定电子开关的接通与关断，由此控制LED灯串的点亮顺序。电子开关可以是双极型三极管或场效应管，也可以选用任何可以控制的电子开关。三极管基极连接MCU的对应输出端，三极管的集电极和发射极分别连接到LED灯串的两端。恒流电路5由场效应管T1及取样电阻R4配合MCU实现，MCU采集R4上的反馈电压并根据其值输出PMW信号，控制T1导通的时间，实现恒流目的。

基于MCU的LED分段式交替导通电路的驱动方法，可以实现多段LED灯串的轮流交替导通，流程图见图2和图3，过程如下：

1）上电后，MCU的K1、K2、…Kn及PWM端口输出低电平，使得电子开关Q1、Q2、…Qn全部处于关断状态，T1也关断，全部LED灯串上无电流通过，不发光。

2）MCU的A/D1端口检测输入电压，当电压过零信号出现后，K1端口输出低电平使Q1开关9保持关断，K2至Kn端口输出高电平使Q2至Qn开关接通，随着输入电压瞬时值的升高，第一段LED灯串6流过电流发光；当输入电压瞬时值升高到V1时，K2端口输出低电平使Q2开关10断开，第一段LED灯串6和第二段LED灯串7上流过电流发光；当输入电压瞬时值升高到V2时，K3端口输出低电平使Q3开关断开，第一段LED灯串6、第二段LED灯串7和第三段LED灯串上流过电流发光；依此类推，当输入电压瞬时值升高到Vn-1时，Kn端口输出低电平使Qn开关11断开，全部LED灯串上流过电流发光。当输入电压瞬时值从最大值下降到Vn-1时，Kn端口输出高电平使Qn开关11闭合，第n段LED灯串上不通过电流不发光；当输入电压瞬时值从最大值下降到Vn-2时，Kn-1端口输出高电平使Qn-1开关闭合，第n段LED灯串和第n-1段LED灯串上不通过电流不发光；依此类推，当输入电压瞬时值下降到V1时，K2端口输出高电平使Q2开关闭合，只有第一段LED灯串流过电流发光；随着输入电压瞬时值的降低，第一段LED灯串也会因为两端电压低于导通电压阈值而不发光。

3）当检测到第二个过零点时，K1端口输出高电平使Q1开关闭合，Kn端口输出低电平使Qn开关11断开，随着输入电压瞬时值的升高，第n段LED灯串流过电流发光；当输入电压瞬时值达到V1时，Kn-1端口输出低电平使Qn-1开关断开，第n段LED灯串和第n-1段LED灯串流过电流发光；依次类推，当输入电压瞬时值升高到Vn时，K1端口输出低电平使Q1开关断开，第一段LED灯串流过电流发光。当输入电压瞬时值从最大下降到Vn时，K1端口输出高电平时Q1开关闭合，第一段LED灯串没有电流不发光；当输入瞬时电压下降到Vn-1时，K2端口输出高电平使Q2开关闭合，第一段LED灯串和第二段LED灯串没有电流不发光，依次类推，当输入电压瞬时值降到V1时，Kn-1端口输出高电平时Qn-1开关闭合，第n-1段LED灯串没有电流不发光；随着输入电压瞬时值的降低，第n段LED灯串因为两端电压低于导通阈值不发光。

4）如此往复，可以实现各段LED灯串轮流交替导通。

5）A/D2端口检测反馈电压的大小并在PWM端口输出信号，调节T1控制回路电流使其基本恒定。

6）上电后，MCU内部定时器开始工作，达到程序设定的时长时，改变PWM信号的占空比，从而实现降功调光功能。

7）利用MCU内部标准串行通信接口，与上位机通信，可实现灯具的集中控制。

实施例2

图4所示为本发明的一个优选方案，在本优选方案中，LED灯串由90颗灯珠串联构成，将整条LED灯串分为三段，分别为第一段LED灯串6，第二段LED灯串7和第三段LED灯串8，每段30颗灯珠；电子开关由双极型三极管Q1、Q2、Q3担任，三极管基极分别连接在MCU4的输出端口K1、K2和K3上并受其控制，Q1电子开关9并接在第一段LED灯串6的两端，Q2电子开关10并接在第二段LED灯串7两端，Q3电子开关11并联在第三段LED灯串8两端，电子开关及三段LED灯串与恒流电路5相连。

输入的50Hz正弦波交流电，通过整流电路1整流后的电压波形为100Hz的全波。整流电路两输出端加在LED灯串和恒流电路串联而成的电路两端，恒流电路的工作电流小于等于LED灯的最大工作电流。供电电路为MCU4提供电源，MCU4通过电阻R2和电阻R3构成的电压取样电路检测输入电压，设定电压检测点为V1、V2、V3。当输入电压在0至V1电压范围之间上升时，MCU4的输出端K1输出低电平，Q1电子开关9断开，第一段LED灯串6导通发光；当输入电压上升到V1至V2范围之间时，MCU4输出端K2输出低电平，Q2电子开关10关断，第一段LED灯串6和第二段LED灯串7导通发光；当输入电压上升到V2至V3范围之间时，MCU4输出端K3输出低电平，Q3电开关11关断，所有LED灯串导通发光；当输入电压下降至V2时，MCU输出端K3输出高电平，Q3电子开关11导通，第三段LED灯串8无电流不发光；当输入电压低于V1时，MCU输出端K2输出高电平，Q2电子开关10导通，第二段LED灯串7无电流不发光；随着输入电压瞬时值的降低，第一段LED灯串6也因两端电压达不到导通阈值而停止工作，当输入电压瞬时值等于零时，MCU4的输出端K1输出高电平，Q1电子开关9导通。

下一个周期来临时，当输入电压在0至V1电压范围之间上升时，MCU4的输出端K3输出低电平，Q3电子开关11断开，第三段LED灯串8导通发光；当输入电压上升到V1至V2范围之间时，MCU4输出端K2输出低电平，Q2电子开关10关断，第二段LED灯串7和第三段LED灯串8导通发光；当输入电压上升到V2至V3范围之间时，MCU4输出端K1输出低电平，Q1电开关9关断，所有LED灯串导通发光；当输入电压下降至V2时，MCU输出端K1输出高电平，Q1电子开关9导通，第一段LED灯串6无电流不发光；当输入电压低于V1时，MCU输出端K2输出高电平，Q2电子开关10导通，第二段LED灯串7无电流不发光；随着输入电压瞬时值的降低，第三段LED灯串也因两端电压达不到导通阈值而停止工作。

如此往复，第一段和第三段LED灯串轮流交替导通，即每个周期中，每段LED灯串的导通时间均为2/3T，达到各段灯串发光时间基本相同的目的。

A/D2端口检测反馈电压的大小并在PWM端口输出信号，调节T1控制回路电流使其基本恒定。

上电后，MCU内部定时器开始工作，达到程序设定的时长时，改变PWM信号的占空比，从而实现降功调光功能。

利用MCU内部标准串行通信接口，与上位机通信，可实现灯具的集中控制。

本发明还可以根据需要增加LED灯串的段数和电子开关的个数，而不仅限于本优选方案。

另外，作为本发明另一优选方案，电子开关可以采用场效应管代替双极型三极管。

本发明的MCU8型号可以根据实际情况灵活选用。

作为一种优选方案，本发明的整流电路可以采用整流桥，稳压管D2可采用5V的稳压二极管，电阻R2、电阻R3的阻值均为820K；电阻R1的阻值为82K。电阻R4的阻值依据所需功率确定，调整管T1可以选用场效应管。

由上可见，使用本实施例的供电电路，随着电压的升高，LED灯串分段点亮，由于频率在100Hz以上，人眼感觉不到闪烁，这样电路就可以以分段微分的方式充分利用交流电，经测试，效率达到97%，功率因数可达99%以上。

上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种基于MCU的LED分段式交替导通电路，其特征在于，包括将正弦交流电转换为脉动直流电的整流电路、检测输入电压瞬时值的电压检测电路、为MCU提供电源的供电电路、受MCU控制的电子开关、保持回路电流基本稳定的恒流电路和多段LED灯串；所述多段LED灯串与恒流电路串联后接到整流电路的输出端，每段LED灯串都并联有电子开关，在MCU的控制下，随时接入或断开电路，实现LED灯串的分段点亮；所述检测电路连接在整流电路的输出端，检测电路的输出端接到MCU的A/D转换输入端，由MCU检测输入电压的瞬时值，以确定电子开关的接通与关断，由此控制LED灯串的点亮顺序；所述恒流电路由场效应管及取样电阻配合MCU实现，MCU采集取样电阻上的反馈电压并根据电压值输出PMW信号，控制场效应管导通的时间，实现恒流目的；供电电路接到整流电路的输出端，为MCU提供电源。

2.根据权利要求1所述的基于MCU的LED分段式交替导通电路，其特征在于，所述的MCU检测过零点，控制电子开关使得LED灯串在相邻两个周期内的导通顺序相反，实现LED灯串的均衡发光。

3.根据权利1所述的基于MCU的LED分段式交替导通电路，其特征在于，所述电子开关选用双极型三极管、场效应三级管或电子继电器。

4.根据权利1所述的基于MCU的LED分段式交替导通电路，其特征在于，所述多段LED灯串为3段以上LED灯串，每个LED灯串均由不少于3个LED灯串联而成。

5.权利1所述的基于MCU的LED分段式交替导通电路的驱动方法，其特征在于，

1）通电电后，MCU的K1、K2、…Kn及PWM端口输出低电平，使得电子开关Q1、Q2、…Qn全部处于关断状态，T1也关断，全部LED灯串上无电流通过，不发光；

2）MCU的A/D1端口检测输入电压，当电压过零信号出现后，K1端口输出低电平使电子开关Q1保持关断，K2至Kn端口输出高电平使电子开关Q2至Qn开关接通，随着输入电压瞬时值的升高，第一段LED灯串流过电流发光；当输入电压瞬时值升高到V1时，K2端口输出低电平使电子开关Q2断开，第一段LED灯串和第二段LED灯串上流过电流发光；当输入电压瞬时值升高到V2时，K3端口输出低电平使电子开关Q3断开，第一段LED灯串、第二段LED灯串和第三段LED灯串上流过电流发光；依此类推，当输入电压瞬时值升高到Vn-1时，Kn端口输出低电平使电子开关Qn断开，全部LED灯串上流过电流发光；当输入电压瞬时值从最大值下降到Vn-1时，Kn端口输出高电平使电子开关Qn闭合，第n段LED灯串上不通过电流不发光；当输入电压瞬时值从最大值下降到Vn-2时，Kn-1端口输出高电平使电子开关Qn-1闭合，第n段LED灯串和第n-1段LED灯串上不通过电流不发光；依此类推，当输入电压瞬时值下降到V1时，K2端口输出高电平使电子开关Q2闭合，只有第一段LED灯串流过电流发光；随着输入电压瞬时值的降低，第一段LED灯串也会因为两端电压低于导通电压阈值而不发光；

3）当检测到第二个过零点时，K1端口输出高电平使电子开关Q1闭合，Kn端口输出低电平使电子开关Qn开关断开，随着输入电压瞬时值的升高，第n段LED灯串流过电流发光；当输入电压瞬时值达到V1时，Kn-1端口输出低电平使电子开关Qn-1断开，第n段LED灯串和第n-1段LED灯串流过电流发光；依次类推，当输入电压瞬时值升高到Vn时，K1端口输出低电平使电子开关Q1断开，第一段LED灯串流过电流发光；当输入电压瞬时值从最大下降到Vn时，K1端口输出高电平时电子开关Q1闭合，第一段LED灯串没有电流不发光；当输入瞬时电压下降到Vn-1时，K2端口输出高电平使电子开关Q2闭合，第一段LED灯串和第二段LED灯串没有电流不发光，依次类推，当输入电压瞬时值降到V1时，Kn-1端口输出高电平时电子开关Qn-1闭合，第n-1段LED灯串没有电流不发光；随着输入电压瞬时值的降低，第n段LED灯串因为两端电压低于导通阈值不发光；

4）按照以上步骤循环，实现各段LED灯串轮流交替导通。