CN105898934B - 一种灯芯一体化led灯珠及灯珠控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种灯芯一体化LED灯珠，包括驱动控制芯片，驱动控制芯片包括串行解码电路、PWM控制电路、RC振荡电路、整形转发电路、恒流控制电路、LED驱动电路、红色LED灯、绿色LED灯和蓝色LED灯，驱动控制芯片设有第一数据输入引脚、第二数据输入引脚、第一数据输出引脚和第二数据输出引脚，串行解码电路接收单线串行数据并进行解码，LED驱动电路控制红色LED灯、绿色LED灯和蓝色LED灯的发光亮度和灰度。本发明还涉及一种灯珠控制系统，包括控制器和多个级联的灯珠，灯珠为灯芯一体化LED灯珠。实施本发明，具有以下有益效果：电路相对简单、适合做体积小、各种异型、柔性或线路板很窄的产品。

Description

一种灯芯一体化LED灯珠及灯珠控制系统

技术领域

本发明涉及LED领域，特别涉及一种灯芯一体化LED灯珠及灯珠控制系统。

背景技术

LED具有高节能、长寿命、利环保、配套投资小和多变幻的优点。LED采用直流驱动，超低功耗(单管0.03瓦-1瓦)，电光功率转换接近100％，相同照明效果比传统光源节能80％以上。LED光源被称为长寿灯，意为永不熄灭的灯，其使用寿命可达5万到10万小时，比传统光源寿命长10倍以上。LED是一种绿色光源，环保效益更佳。由于LED照明灯具以极小的功率达到5倍功率的照明灯具的效果，其配套投资小。LED光源可利用红、绿、篮三基色原理，在计算机技术控制下使三种颜色具有256级灰度并进行任意混合，即可产生256*256*256＝16777216种颜色，形成不同光色的组合变化多端，实现丰富多彩的动态变化效果及各种图像。

传统的灯珠内部包含控制芯片，灯珠与用于驱动的芯片是各自独立的，这样使得电路相对复杂，元器件较多，不适合做体积小的产品或者线路板很窄的产品。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述电路相对复杂、不适合做体积小或线路板很窄的产品的缺陷，提供一种电路相对简单、适合做体积小、各种异型、柔性或线路板很窄的产品的灯芯一体化LED灯珠及灯珠控制系统。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种灯芯一体化LED灯珠，包括驱动控制芯片，所述驱动控制芯片包括串行解码电路、PWM控制电路、RC振荡电路、整形转发电路、恒流控制电路、LED驱动电路、红色LED灯、绿色LED灯和蓝色LED灯，所述驱动控制芯片还设有第一数据输入引脚、第二数据输入引脚、第一数据输出引脚和第二数据输出引脚，所述串行解码电路分别与所述第一数据输入引脚和第二数据输入引脚连接、用于对单线串行数据进行接收并解码，所述PWM控制电路分别与所述串行解码电路和LED驱动电路连接、用于通过脉宽调制的方式实现对所述红色LED灯、绿色LED灯和蓝色LED灯的亮度和灰度控制，所述RC振荡电路与所述PWM控制电路连接、用于为所述驱动控制芯片的工作提供振荡时钟，所述恒流控制电路分别与所述串行解码电路和LED驱动电路连接、用于控制使流过所述红色LED灯、绿色LED灯和蓝色LED灯的电流大小保持恒定，所述LED驱动电路还分别与所述红色LED灯、绿色LED灯和蓝色LED灯连接、用于控制所述红色LED灯、绿色LED灯和蓝色LED灯的发光亮度和灰度，所述整形转发电路接收所述串行解码电路传送的数据并分别通过所述第一数据输出引脚和第二数据输出引脚进行数据转发。

在本发明所述的灯芯一体化LED灯珠中，采用LED3535封装方式。

在本发明所述的灯芯一体化LED灯珠中，所述LED驱动电路设有用于控制所述红色LED灯的亮度和灰度的OUTR通道、用于控制所述绿色LED灯的亮度和灰度的OUTG通道和用于控制所述蓝色LED灯的亮度和灰度的OUTB通道。

在本发明所述的灯芯一体化LED灯珠中，当所述第一数据输入引脚在设定时间内保持悬空或低电平状态，所述驱动控制芯片自动切换到第二数据输入引脚选择信号输入。

在本发明所述的灯芯一体化LED灯珠中，所述设定时间为150ms。

在本发明所述的灯芯一体化LED灯珠中，当所述第一数据输入引脚保持高电平时，所述红色LED灯、绿色LED灯和蓝色LED灯处于关断状态。

在本发明所述的灯芯一体化LED灯珠中，采用单线通讯方式，采用归0码的方式发送信号。

在本发明所述的灯芯一体化LED灯珠中，所述驱动控制芯片还设有电源引脚和接地引脚。

本发明还涉及一种灯珠控制系统，包括控制器和多个级联的灯珠，所述灯珠为上述灯芯一体化LED灯珠中的任意一个，所述控制器的一输出引脚通过第一电阻与第一级灯珠的驱动控制芯片的第一数据输入引脚连接，所述控制器的另一输出引脚通过第二电阻与第二级灯珠的驱动控制芯片的第二数据输入引脚连接，当前级灯珠的驱动控制芯片的第一数据输出引脚通过所述第一电阻与下一级灯珠的驱动控制芯片的第一数据输入引脚连接，所述当前级灯珠的驱动控制芯片的第二数据输出引脚通过所述第二电阻与其后第二级灯珠的驱动控制芯片的第一数据输入引脚连接。

在本发明所述的灯珠控制系统中，所述控制器还设有电源引脚和接地引脚，所述电源引脚通过一个电容与所述接地引脚连接。

实施本发明的灯芯一体化LED灯珠及灯珠控制系统，具有以下有益效果：由于驱动控制芯片包括串行解码电路、PWM控制电路、RC振荡电路、整形转发电路、恒流控制电路、LED驱动电路、红色LED灯、绿色LED灯和蓝色LED灯，也就是将LED驱动电路、红色LED灯、绿色LED灯和蓝色LED灯做成了一体的封装形式，相当于灯珠内包含了发光的LED和控制其发光的驱动控制芯片，其集成度高，使外围电路得到简化，适合做小体积产品，所以其电路相对简单、适合做体积小、各种异型、柔性或线路板很窄的产品。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明灯芯一体化LED灯珠及灯珠控制系统一个实施例中驱动控制芯片的结构示意图；

图2为所述实施例中灯珠控制系统的结构示意图；

图3为所述实施例中灯珠控制系统的电路原理图；

图4为所述实施例中控制器发送一帧完整数据包的结构格式示意图；

图5为所述实施例中C1命令格式的示意图；

图6为所述实施例中C2命令格式的示意图；

图7为所述实施例中D1命令格式的示意图；

图8为所述实施例中控制器的一输出引脚的输出数据的格式示意图；

图9为所述实施例中控制器的另一输出引脚的输出数据的格式示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明灯芯一体化LED灯珠及灯珠控制系统实施例中，其灯芯一体化LED灯珠包括驱动控制芯片，驱动控制芯片的结构示意图如图1所示。图1中，该驱动控制芯片包括串行解码电路1、PWM控制电路2、RC振荡电路3、整形转发电路4、恒流控制电路5、LED驱动电路6、红色LED灯LED1、绿色LED灯LED2和蓝色LED灯LED3，驱动控制芯片还设有第一数据输入引脚DIN、第二数据输入引脚FDIN、第一数据输出引脚D01和第二数据输出引脚D02，双端输入输出可保证可靠性，可以实现单线串行级联传输，通过一根信号线完成数据的接收与解码，坏一个驱动控制芯片(灯芯一体化LED灯珠)不影响传输(只影响一个像素点，而传统的会影响1～1023个像素)。本实施例中，驱动控制芯片还设有电源引脚VDD和接地引脚GND。

本实施例中，串行解码电路1分别与第一数据输入引脚DIN和第二数据输入引脚FDIN连接、用于接收单线串行数据并对其进行解码，PWM控制电路2分别与串行解码电路1和LED驱动电路6连接、用于通过脉宽调制的方式实现对红色LED灯LED1、绿色LED灯LED2和蓝色LED灯LED3的亮度和灰度控制。PWM控制电路2能够实现256级调节，扫描频率2KHz。本实施例中，PWM控制电路2的内部集成gamma修正为65536，修正值2.4，gamma的丰线性调整更适合人眼的视觉特性，使得画面的对比度更高，画面层次感更好。值得一提的是，本实施例中，红色LED灯LED1、绿色LED灯LED2和蓝色LED灯LED3相当于三色一体。

本实施例中，RC振荡电路3与PWM控制电路2连接、用于为驱动控制芯片的工作提供振荡时钟，RC振荡电路3能根据数据线上信号进行时钟同步，其传输可靠。恒流控制电路5分别与串行解码电路1和LED驱动电路6连接、用于控制使导通时流过红色LED灯LED1、绿色LED灯LED2和蓝色LED灯LED3的电流大小保持恒定。恒流控制电路5能够实现128级调节(2mA～25mA)，无灰度损失的白平衡调整。

本实施例中，LED驱动电路6采用功率CMOS工艺。LED驱动电路6还分别与红色LED灯LED1、绿色LED灯LED2和蓝色LED灯LED3连接、用于控制红色LED灯LED1、绿色LED灯LED2和蓝色LED灯LED3的发光亮度和灰度，整形转发电路4接收串行解码电路1传送的数据，根据接收到的数据，对其对其波形及时序宽度按照芯片自身的振荡时钟重新生成新的标准时序的数据，并分别通过第一数据输出引脚D01和第二数据输出引脚D02进行数据转发。通过采用自动整形转发技术，信号不会失真衰减，使得灯芯一体化LED灯珠的级联个数不受信号传送的限制，仅受限于刷屏速度的要求。

本实施例中，通过将LED驱动电路6、红色LED灯LED1、绿色LED灯LED2和蓝色LED灯LED3做成了一体的封装形式，相当于灯珠内包含了发光的LED和控制其发光的驱动控制芯片，其集成度高，使外围电路得到简化，适合做小体积产品，所以其电路相对简单、适合做体积小、各种异型、柔性或线路板很窄的产品。

本实施例中，该灯芯一体化LED灯珠采用LED3535封装方式。值得一提的是，驱动控制芯片还内置上电复位电路(图中未示出)，上电复位后内部寄器默认清零。

本实施例中，LED驱动电路6设有OUTR通道、OUTG通道和OUTB通道(图中未示出)，其中，OUTR通道用于控制红色LED灯LED1的亮度和灰度，OUTG通道用于控制绿色LED灯LED2的亮度和灰度，OUTB通道用于控制蓝色LED灯LED3的亮度和灰度。控制器通过输入一组特定的数据，既可以实现对红色LED灯LED1、绿色LED灯LED2和蓝色LED灯LED3的控制。

本实施例中，该灯芯一体化LED灯珠采用单线通讯方式，采用归0码的方式发送信号。内部电路在上电复位以后，接收第一数据输入引脚DIN传送来的数据，接收完所需的数据后，第一数据输出引脚D01和第二数据输出引脚D02开始转发第一数据输入引脚DIN后续发来的数据，为下个级联的驱动控制芯片提供输入数据。在转发数据之前，第一数据输出引脚D01和第二数据输出引脚D02口一直为低电平。如果第一数据输入引脚DIN输入复位信号，内部电路将在复位成功后根据接收到的数据输出相对应PWM占空比，然后分别控制红色LED灯LED1、绿色LED灯LED2和蓝色LED灯LED3的点亮。且驱动电路重新等待接受新的数据，在接收完先前的数据后，通过第一数据输出引脚D01和第二数据输出引脚D02转发数据，驱动控制芯片在没有接收到复位信号前，OUTR通道、OUTG通道和OUTB通道原输出保持不变。

本实施例中，第一数据输入引脚DIN和第二数据输入引脚FDIN同时检测输入信号，如果第一数据输入引脚DIN在设定时间内保持悬空或低电平状态，则驱动控制芯片自动切换到第二数据输入引脚FDIN选择信号输入。第二数据输入引脚FDIN只有在第一数据输入引脚DIN没有信号输入时才起作用，作为输入备用通道。上述设定时间为150ms，当然，在本实施例的一些情况下，设定时间的大小可根据具体情况进行相应调整。本实施例中，当第一数据输入引脚DIN保持高电平时，红色LED灯LED1、绿色LED灯LED2和蓝色LED灯LED3处于关断状态。

值得一提的是，本实施例中，驱动控制芯片的逻辑电源电压的极限值为5.5V，驱动内部RGB电流的极限值为2～25mA，端口驱动电压的极限值为5.6V，串行时钟频率的极限值为1.2mHz，工作温度范围的极限值为-40～+85℃，储存温度范围的极限值为-55～+150℃，静电ESD的极限值为3000V。驱动控制芯片的工作电压为4.5V～5.5V，端口耐压为5.5V。灯珠内部电路长时间工作在上述极限参数条件下，可能造成器件可靠性降低或永久性损坏，实际使用时，任何一项参数需要在低于极限值的情况下工作。

本实施例还涉及一种灯珠控制系统，图2为本实施例中灯珠控制系统的结构示意图。本实施例中，该灯珠控制系统包括控制器和多个级联的灯珠，级联的灯珠为本实施例中的上述一体化LED灯珠。图2中，其中data1为控制器发送的数据，data2、data3、data4为级联的驱动控制芯片转发的数据。图2作为例子只画出了三个驱动控制芯片，为了进行区别，分别将其称为第一驱动控制芯片U1、第二驱动控制芯片U2和第三驱动控制芯片U3。

本实施例中，灯珠级联和数据传输并转发的过程如下：控制器发来data1数据，首先第一驱动控制芯片U1会对数据C1、C2进行校验，如果正确，则第一驱动控制芯片U1接收并转发C1命令和C2命令，吸收掉data1数据，如果此时没有复位信号，第一驱动控制芯片U1一直转发控制器继续发来的数据，第二驱动控制芯片U2同理也会进行对C1、C2校验，正确后才接收第一驱动控制芯片U1转发来的C1命令和C2命令，吸收掉data2数据，依此类推，发完所有数据后，发复位命令，所有的驱动控制芯片就会复位，并把各自接收到的数据解码后控制OUTR通道、OUTG通道和OUTB通道输出，完成一个数据刷新周期。所有的驱动控制芯片又回到接收准备状态。

本实施例中，数据刷新时间是根据一个灯珠控制系统系统中级联了多少像素点来计算的，一组RGB(红色LED灯LED1、绿色LED灯LED2、蓝色LED灯LED3)通常为一个像素，一个驱动控制芯片可以控制一组RGB。按照1200K传输速率计算：1bit传输最高速率为833ns(频率约1200KHz)，一个像素数据包括红(8bit)，绿(8bit)，蓝(8bit)共24bit位，传输时间为24×0.8uS＝20uS，如果一个灯珠控制系统系统中共有2000个像素点，一次刷新全部显示的时间为20uS×〔2000+1〕＝40mS(忽略RESET码时间)，即一秒钟刷新率为：1÷40×1000≈25Hz。如果珠控制系统系统对数据刷新率要求不高，则对级联像素点阵数量无要求，只要供电正常，理论上可用驱动控制芯片无限级联。本实施例中，刷新速率为30帧/s时，级联数不小于1024点。本实施例中，发送1码或0码的周期时间为833ns(频率1200KHz)。

图4为本实施例中控制器发送一帧完整数据包的结构格式示意图；图4中C1和C2为设定恒流值命令。每个驱动控制芯片都会接收并转发C1C2命令。D1～Dn为设定PWM值，RESET为复位命令。一个驱动控制芯片接收最小数据包为C1C2Dn+RESET(n最小值为1)。

图5为本实施例中C1命令格式的示意图。C1命令包含24bit数据位。R7、G7和B7默认为0。R[6:0]用于设定OUTR通道恒流电流，全0为2mA，全1为25mA，共128级恒流设定。G[6:0]用于设定OUTG通道恒流电流，全0为2mA，全1为25mA，共128级恒流设定。B[6:0]用于设定OUTB通道恒流电流，全0为2mA，全1为25mA，共128级恒流设定。

图6为本实施例中C2命令格式的示意图。C2命令是C1命令的对应bit位取反，用法同C1命令。控制器发送给驱动控制芯片的数据须遵循C1、C2命令互为取反的规则，否则驱动控制芯片将不能对数据进行正确解码。

图7为本实施例中D1命令格式的示意图；D1、D2、D3、D4...Dn的命令格式是一样的，包含24bit数据位。R[7:0]用于设置OUTR输出的PWM占空比。全0为关断，全1为占空比最大。G[7:0]用于设置OUTG输出的PWM占空比。全0为关断，全1为占空比最大。B[7:0]用于设置OUTB输出的PWM占空比。全0为关断，全1为占空比最大。

本实施例中，对于RESET命令(复位命令)格式来说，低电平有效，保存低电平大于40微秒，驱动控制芯片复位。驱动控制芯片复位后把接收到的数据解码输出，并重新回到接收数据状态。

图3为本实施例中灯珠控制系统的电路原理图。图3中，控制器的一输出引脚D01通过第一电阻R01与第一级灯珠的驱动控制芯片U1的第一数据输入引脚DIN连接，控制器的另一输出引脚D02通过第二电阻R02与第二级灯珠的驱动控制芯片U2的第二数据输入引脚FDIN连接，当前级灯珠的驱动控制芯片的第一数据输出引脚D01通过第一电阻R01与下一级灯珠的驱动控制芯片的第一数据输入引脚连接，当前级灯珠的驱动控制芯片的第二数据输出引脚D02通过第二电阻与其后第二级灯珠的驱动控制芯片的第一数据输入引脚DIN连接。

具体的，控制器的一输出引脚D01通过第一电阻R01与第一驱动控制芯片U1的第一数据输入引脚DIN连接，控制器的另一输出引脚D02通过第二电阻R02与第二驱动控制芯片U2的第二数据输入引脚FDIN连接，第一驱动控制芯片U1的第一数据输出引脚D01通过第一电阻R01与第二驱动控制芯片U2的第一数据输入引脚DIN连接，第一驱动控制芯片U1的第二数据输出引脚D02通过第二电阻R02与第三驱动控制芯片U3的第二数据输入引脚FDIN连接，第二驱动控制芯片U2的第一数据输出引脚D01通过第一电阻R01与第三驱动控制芯片U3的第一数据输入引脚DIN连接。

本实施例中，控制器还设有电源引脚VDD和接地引脚GND，电源引脚VDD通过一个电容C3与接地引脚GND连接。控制器数据输出规则为：在当前这个硬件接法下，控制器的一输出引脚D01和另一输出引脚D02输出的数据是不一样的，应当符合一定的规则。

图8为本实施例中控制器的一输出引脚D01的输出数据的格式示意图；图9为本实施例中控制器的另一输出引脚D02的输出数据的格式示意图。控制器的另一输出引脚D02输出的数据少了一组RGB的信息，其余不变。这是由于控制器的另一输出引脚D02的数据直接输入到第二个灯珠所导致的。

将驱动控制芯片应用到LED面板设计上时，通道间甚至驱动控制芯片间的电流差异很小，此源于该驱动控制芯片的优异特性。

总之，在本实施例中，每颗灯珠可通过双输入输出数字接口级联(也即通过第一数据输入引脚DIN、第二数据输入引脚FDIN、第一数据输出引脚D01和第二数据输出引脚D02级联)，实现单线信号传输，备用通讯端口(第二数据输入引脚FDIN)可防止主通讯端口(第一数据输入引脚DIN)损坏，双输出端口(驱动控制芯片的第一数据输出引脚D01和第二数据输出引脚D02)可实现级联中某颗灯珠损坏而不影响后级的正常使用。驱动控制芯片所驱动的每个LED灯(红色LED灯LED1、绿色LED灯LED2和蓝色LED灯LED3)的恒流电流与PWM控制电路3都可通过命令设置，电流调节非常简单。本发明性能优良，质量可靠。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种灯芯一体化LED灯珠，其特征在于，包括驱动控制芯片，所述驱动控制芯片包括串行解码电路、PWM控制电路、RC振荡电路、整形转发电路、恒流控制电路、LED驱动电路、红色LED灯、绿色LED灯和蓝色LED灯，所述驱动控制芯片还设有第一数据输入引脚、第二数据输入引脚、第一数据输出引脚和第二数据输出引脚，所述串行解码电路分别与所述第一数据输入引脚和第二数据输入引脚连接、用于对单线串行数据进行接收并解码，所述PWM控制电路分别与所述串行解码电路和LED驱动电路连接、用于通过脉宽调制的方式实现对所述红色LED灯、绿色LED灯和蓝色LED灯的亮度和灰度控制，所述RC振荡电路与所述PWM控制电路连接、用于为所述驱动控制芯片的工作提供振荡时钟，所述恒流控制电路分别与所述串行解码电路和LED驱动电路连接、用于控制使流过所述红色LED灯、绿色LED灯和蓝色LED灯的电流大小保持恒定，所述LED驱动电路还分别与所述红色LED灯、绿色LED灯和蓝色LED灯连接、用于控制所述红色LED灯、绿色LED灯和蓝色LED灯的发光亮度和灰度，所述整形转发电路接收所述串行解码电路传送的数据并分别通过所述第一数据输出引脚和第二数据输出引脚进行数据转发；

所述PWM控制电路能够实现256级调节，扫描频率2KHz，所述PWM控制电路的内部集成gamma修正为65536，修正值2.4；所述恒流控制电路能够实现128级调节2mA～25mA，无灰度损失的白平衡调整；所述LED驱动电路采用功率CMOS工艺；所述整形转发电路接收所述串行解码电路传送的数据，根据接收到的数据，对其对其波形及时序宽度按照芯片自身的振荡时钟重新生成新的标准时序的数据，并分别通过所述第一数据输出引脚和第二数据输出引脚进行数据转发；所述驱动控制芯片还内置上电复位电路，上电复位后内部寄存器默认清零；

当所述第一数据输入引脚在设定时间内保持悬空或低电平状态，所述驱动控制芯片自动切换到第二数据输入引脚选择信号输入；

所述灯芯一体化LED灯珠采用LED3535封装方式；所述设定时间为150ms；所述灯芯一体化LED灯珠采用单线通讯方式，采用归0码的方式发送信号。

2.根据权利要求1所述的灯芯一体化LED灯珠，其特征在于，所述LED驱动电路设有用于控制所述红色LED灯的亮度和灰度的OUTR通道、用于控制所述绿色LED灯的亮度和灰度的OUTG通道和用于控制所述蓝色LED灯的亮度和灰度的OUTB通道。

3.根据权利要求1所述的灯芯一体化LED灯珠，其特征在于，当所述第一数据输入引脚保持高电平时，所述红色LED灯、绿色LED灯和蓝色LED灯处于关断状态。

4.根据权利要求1所述的灯芯一体化LED灯珠，其特征在于，所述驱动控制芯片还设有电源引脚和接地引脚。

5.一种灯珠控制系统，其特征在于，包括控制器和多个级联的灯珠，所述灯珠为权利要求1至4中的任意一项灯芯一体化LED灯珠，所述控制器的一输出引脚通过第一电阻与第一级灯珠的驱动控制芯片的第一数据输入引脚连接，所述控制器的另一输出引脚通过第二电阻与第二级灯珠的驱动控制芯片的第二数据输入引脚连接，当前级灯珠的驱动控制芯片的第一数据输出引脚通过所述第一电阻与下一级灯珠的驱动控制芯片的第一数据输入引脚连接，所述当前级灯珠的驱动控制芯片的第二数据输出引脚通过所述第二电阻与其后第二级灯珠的驱动控制芯片的第一数据输入引脚连接。

6.根据权利要求5所述的灯珠控制系统，其特征在于，所述控制器还设有电源引脚和接地引脚，所述电源引脚通过一个电容与所述接地引脚连接。