CN106231737A - Pwm隔离调光电路及led调光驱动电源 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种PWM隔离调光电路及LED调光驱动电源，其中PWM隔离调光电路包括：方波发生电路，用于振荡生成方波信号；积分电路，其输入端连接所述方波发生电路的输出端，用于对所述方波信号进行积分运算，生成三角波信号；PWM生成电路，其输入端连接调光信号输入端及所述积分电路的输出端，用于将调光信号与所述三角波信号进行比较，根据比较结果生成PWM信号，调节所述PWM信号的占空比系数并输出调节后的PWM信号；光电耦合电路，其输入端连接所述PWM生成电路的输出端，其输出端连接LED驱动电源的控制端，以实现控制驱动电源的输出电流。上述PWM隔离调光电路及LED调光驱动电源，由于无需采用高频变压器，具有线性度良好、电路体积较小且成本低等优点。

Description

PWM隔离调光电路及LED调光驱动电源

技术领域

本发明涉及调光技术领域，特别是涉及一种PWM隔离调光电路及采用所述PWM隔离调光电路的LED调光驱动电源。

背景技术

随着电子技术的迅速发展，LED灯具产品逐渐走向智能化，为实现节电、场景灯光控制等目的，带有调光功能的LED灯具应用越来越广泛。

目前应用较为广泛的一种LED调光技术是PWM(Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制)技术，利用人眼对高频闪烁不敏感以及对亮度的感应累积特性，通过PWM信号控制LED光源的亮灭，调节PWM信号的占空比以调整LED光源的点亮时间，当PWM信号的占空比越大时，LED光源在一个周期内点亮的时间越长，人眼感知到的亮度越高，以此来实现调光。

现有技术中，为了隔离调光电路和负载，避免不同负载之间相互串扰，PWM调光电路通常使用高频变压器作为隔离器件，在变压器初次侧使用压控振荡器将输入的调光信号转换成脉冲信号，再将二次侧的感应脉冲信号转换成直流信号，从而实现隔离转换。由于变压器的漏感和寄生振荡，这种方案存在线性失真现象，在变压器两侧很难得到严格线性的电压信号。尤其是在脉冲信号占空比较大和较小的区域，线性失真更为严重，这将导致调光线性度较差。此外，变压器还存在体积较大、成本较高等缺点。

发明内容

基于此，有必要针对现有隔离调光电路线性失真严重且体积大、成本高的缺点，提供一种PWM隔离调光电路及LED调光驱动电源。

本发明公开了一种PWM隔离调光电路，其包括：

方波发生电路，用于振荡生成方波信号；

积分电路，其输入端连接所述方波发生电路的输出端，用于对所述方波信号进行积分运算，生成三角波信号；

PWM生成电路，其输入端连接调光信号输入端及所述积分电路的输出端，用于将调光信号与所述三角波信号进行比较，根据比较结果生成PWM信号，调节所述PWM信号的占空比系数并输出调节后的PWM信号；

光电耦合电路，其输入端连接所述PWM生成电路的输出端，其输出端连接驱动电源的控制端，以实现控制驱动电源的输出电流。

作为一种实施方式，所述PWM生成电路包括：

比较器，其第一输入端连接所述积分电路的输出端，其第二输入端连接所述调光信号输入端，用于将所述三角波信号及调光信号进行比较，根据比较结果生成PWM信号；

占空比系数调节器，连接所述比较器的输入端，用于调节所述PWM信号的占空比系数。

作为一种实施方式，所述比较器包括运算放大器U1、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电容C1及稳压管ZD1，其中：

所述运算放大器U1的反相输入端连接所述积分电路的输出端，所述运算放大器U1的同相输入端依次通过所述电阻R1、所述电阻R2及所述电阻R3连接第一电源输入端，所述运算放大器U1的输出端连接所述光电耦合电路；

所述电阻R1和所述电阻R2的连接节点通过所述电阻R4接地；

所述电阻R2及所述电阻R3的连接节点连接调光信号输入端；

所述稳压管ZD1的正极接地，负极连接所述述运算放大器U1的同相输入端；

所述电容C1与所述稳压管ZD1并联。

作为一种实施方式，所述占空比系数调节器包括电位器RP1，所述电位器RP1一端通过所述电阻R1连接所述运算放大器U1的同相输入端，另一端接地。

作为一种实施方式，所述积分电路包括运算放大器U2、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8及电容C2，其中：

所述运算放大器U2的同相输入端通过所述电阻R6连接第一电源输入端，并通过所述电阻R7接地，所述运算放大器U2的反相输入端通过所述电阻R5连接所述方波发生电路的输出端，所述电容C2及所述电阻R8并联于所述运算放大器U2的反相输入端和输出端之间，所述运算放大器U2的输出端连接所述PWM生成电路。

作为一种实施方式，所述方波发生电路包括三极管Q1、三极管Q2、电容C3、电容C4、电阻R9、电阻R10、电阻R11、电阻R12、电阻R13及稳压管ZD2，其中：

所述三极管Q1的基极和集电极分别通过所述电阻R9和所述电阻R10连接第一电源输入端，所述三极管Q1的发射极接地；

所述三极管Q2的基极通过所述电容C3连接所述三极管Q1的集电极，并通过所述电阻R11连接所述第一电源输入端，所述三极管Q2的集电极通过所述电容C4连接所述三极管Q1的基极，并通过所述电阻R12连接所述第一电源输入端，所述三极管Q2的发射极接地；

所述稳压管ZD2的正极接地，负极通过所述电阻R13连接所述三极管Q2的集电极，其中所述稳压管ZD2和所述电阻R13的连接节点与所述积分电路连接。

作为一种实施方式，所述光电耦合电路包括光电耦合器U3、电阻R14及电阻R15，其中：

所述光电耦合器U3的第一输入端连接所述PWM生成电路的输出端，第二输入端通过所述电阻R14连接第一电源输入端，所述光电耦合器U3的第一输出端连接驱动电源的控制端，并通过电阻R15连接第二电源输入端，所述光电耦合器U3的第二输出端接地。

作为一种实施方式，所述调光信号输入端用于输入0-10V的模拟调光信号。

作为一种实施方式，所述三极管Q1和所述三极管Q2为NPN型三极管。

本发明还公开一种LED调光驱动电源，其包括DC调光电路及上述PWM隔离调光电路，其中所述DC调光电路的输出端连接所述PWM隔离调光电路的调光信号输入端。

上述PWM隔离调光电路及LED调光驱动电源，通过方波发生电路、积分电路及PWM生成电路生成占空比系数可调的PWM信号，使用光电耦合器作为隔离器件，实现隔离调光功能。由于无需采用高频变压器，不仅避免高频变压器导致的线性失真严重的问题，而且电路体积较小且成本较低。

附图说明

图1为本发明一实施例的PWM隔离调光电路的结构示意图；

图2为本发明一实施例的PWM隔离调光电路的电路图；

图3为本发明一实施例中方波发生电路的输出信号示意图；

图4为本发明一实施例的积分电路的输出信号示意图；

图5为本发明一实施例中比较器的输出信号示意图；

图6为本发明一实施例的LED调光驱动电源的结构示意图；

图7为本发明一实施例的K值与电位器RP1阻值之间的关系示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

请参阅图1，其为本发明一实施例提供的PWM隔离调光电路100的结构示意图。如图1所示，所述PWM隔离调光电路包括方波发生电路10、积分电路20、PWM生成电路30及光电耦合电路40。其中，方波发生电路10通过振荡生成方波信号，该方波信号经积分电路20积分后转换为三角波信号；PWM生成电路30将该三角波信号与从调光信号输入端输入的调光信号进行比较，根据比较结果生成PWM信号，调节PWM信号的占空比系数并输出调节后的PWM信号，光电耦合电路40的输入端连接PWM生成电路30的输出端，光电耦合电路40的输出端连接LED驱动电源的控制端，用于将调节后的PWM信号进行隔离输出，以控制驱动电源的输出电流，实现对LED光源进行调光。

在一个实施例中，如图2所示，方波发生电路10为晶体管振荡电路。例如，方波发生电路10包括三极管Q1、三极管Q2、电容C3、电容C4、电阻R9、电阻R10、电阻R11、电阻R12、电阻R13及稳压管ZD2，其中以三极管Q1和三极管Q2均为NPN型三极管为例：三极管Q1的基极和集电极分别通过电阻R9和电阻R10连接第一电源输入端，三极管Q1发射极接地；三极管Q2的基极通过电容C3连接三极管Q1的集电极，并通过电阻R11连接第一电源输入端，三极管Q2的集电极通过电容C4连接三极管Q1的基极，并通过电阻R12连接第一电源输入端，三极管Q2发射极接地；稳压管ZD2的正极接地，负极通过电阻R13连接三极管Q2的集电极，其中稳压管ZD2和电阻R13的连接节点与积分电路20连接。

在本实施例中，第一电源输入端为第一电源电压VCC1的输入端，第一电源电压VCC1经过电阻分压，为三极管Q1及三极管Q2提供合适的工作电压。三极管Q1、三极管Q2、电容C3及电容C4构成正反馈闭合环路，电阻R9和电阻R11分别为三极管Q1和三极管Q2的基极限流电阻，电阻R10和电阻R12分别为三极管Q1和三极管Q2的集电极限流电阻。当方波发生电路10接通电源时，工作电压VCC1经过电阻R9和电阻R11，分别为三极管Q1和三极管Q2提供基极偏置电压，使三极管Q1和三极管Q2开始导通。由于个体差异，三极管Q1和三极管Q2的导通速度不完全一致，导通较快的三极管的发射极电压下降较快。由于两个三极管的发射极分别通过电容连接到对方的基极，形成正反馈，因此导通较快的三极管迅速饱和并拉低加载至另一个三极管的基极电压，使另一个三极管截止。例如，若三极管Q1导通较快，在三极管Q1饱和后，三极管Q2截止，此时三极管Q2的集电极输出高电平。电容C4通过三极管Q1放电，在工作电压VCC1的作用下，电容C3则开始充电，逐渐拉高三极管Q2的基极电压。当三极管Q2的基极电压大于其导通电压时，三极管Q2开始导通，并在饱和时拉低三极管Q1的基极电压，使三极管Q1截止，此时三极管Q2的集电极输出低电平。电容C3通过三极管Q2放电，在工作电压VCC1的作用下，电容C4则开始充电，逐渐拉高三极管Q1的基极电压，直到三极管Q1再次导通，三极管Q2再次截止。如此循环，形成振荡，三极管Q2的发射极交替输出高电平或低电平。三极管Q2的发射极电压经电阻R13和稳压管ZD2限幅之后，形成如图3所示的方波脉冲。在本实施例中，由于三极管Q1和三极管Q2每次导通相同的时间，因此形成的方波脉冲的占空比为50％。

在另一个实施例中，方波发生电路为基于运放的方波振荡电路，例如555方波振荡电路。

在一个实施例中，积分电路20包括运算放大器U2、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8及电容C2，其中：运算放大器U2的同相输入端通过电阻R6连接第一电源输入端，还通过电阻R7接地；运算放大器U2的反相输入端通过电阻R5连接方波发生电路的输出端，还通过并联的电容C2及电阻R8连接运算放大器U2的输出端；运算放大器U2的输出端连接PWM生成电路；运算放大器U2的电源端和接地端分别连接第一电源输入端和接地，运算放大器U2的输出端即积分电路的输出端。

在本实施例中，第一电源输入端为第一电源电压VCC1的输入端，第一电源电压VCC1经过电阻R6和电阻R7分压后为运算放大器U2的同相输入端提供输入信号，其中电阻R6和电阻R7起静态平衡作用，可以补偿运算放大器U2因偏置电流产生的输入失调电阻。电阻R8为积分漂移泄放电阻，用于防止运算放大器U2因积分漂移所造成的积分饱和或积分截止现象。积分电路20对方波发生电路10输出的方波脉冲进行积分，转换为如图4所示的三角波并输出，其中R6及电阻R7控制积分电路20的输出电位，电容C2、电阻R5及电阻R8控制积分电路20的积分斜率和输出幅度。在一较佳实施例中，电阻R8的阻值远大于电阻R5的阻值，例如电阻R8的阻值为电阻R5的阻值的至少10倍以上，例如R8＝16.5*R5。

在一个实施例中，PWM生成电路30包括比较器及占空比系数调节器，其中比较器的两个输入端分别连接调光信号输入端及积分电路的输出端，用于将积分电路输出的三角波信号V2及调光输入端输入的调光信号Uin进行比较，根据比较结果生成初始PWM信号V3。占空比系数调节器连接在比较器的输入端，用于调节比较器输出的PWM信号的占空比，使最终输出的PWM信号占空比等于初始PWM信号V3的占空比乘以系数K。

具体地，比较器包括运算放大器U1、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电容C1及稳压管ZD1，占空比系数调节器包括连接在比较器的输入端的电位器RP1，其中：运算放大器U1的反相输入端连接积分电路的输出端，运算放大器U1的同相输入端依次通过电阻R1、电阻R2及电阻R3连接第一电源输入端，运算放大器U1的输出端连接光电耦合电路。电阻R1和电阻R2的连接节点通过电阻R4接地；电阻R2及电阻R3的连接节点连接调光信号输入端；稳压管ZD1的正极接地，负极连接述运算放大器U1的同相输入端；电容C1与稳压管ZD1并联。电位器RP1一端通过电阻R1连接运算放大器U1的同相输入端，另一端接地。

如图5所示，当调光信号Uin的幅度大于三角波的幅度时，比较器输出高电平，当调光信号的幅度小于三角波的幅度时，比较器输出低电平，交替输出的高低电平形成初始PWM信号V3。其中一个周期内比较器输出高电平的时间越长，初始PWM信号V3的占空比越大，初始PWM信号V3的占空比与调光信号Uin之间存在函数对应关系，将初始PWM信号V3的占空比记为f(Uin)，则0≤f(Uin)≤100％。占空比系数调节器用于调节PWM信号的占空比系数K，使比较器最终输出的PWM信号的占空比为D＝K*f(Uin)，其中0≤K≤1。具体实施中，通过调节电位器RP1的阻值，改变比较器的输入电阻，进而改变比较器最终输出的PWM信号的占空比。其中，如图7所示，当电位器RP1的阻值越大时，K的值也越大，例如K与电位器RP1的阻值之间为单调递增函数关系。

具体地，若电阻R4和电位器RP1的并联电阻记为Rp＝R14//RP1，则K＝Rp÷(R2+Rp)。例如，当电位器RP1的阻值为0时，Rp＝0，K＝0；当电位器RP1的阻值趋于无穷大时，Rp几乎等于R2，K的取值趋近于1。其中，图7中KΩ指的是电阻单位为千欧。

作为一种实施方式，调光信号输入端连接外部电源，由外部电源提供调光信号Uin。例如，调光信号输入端连接0-10V模拟调光电源，由0-10V调光电源提供电压幅度在0-10V范围内的直流调光信号Uin。例如，调光信号输入端连接恒流电源，由恒流电源提供恒流调光信号Uin。

本发明实施例的PWM隔离调光电路可以同时连接一个或多个LED光源，其中，每个LED光源包括至少一个LED灯珠。例如，LED光源为一个LED灯珠，例如，多个LED灯珠串并联形成的LED灯组，例如，LED光源为包括一个或多个LED灯组的灯具。具体实施中，通过连接在PWM生成电路30和LED驱动电源控制端之间的光电耦合电路40实现调光电路与LED光源的电气隔离，即使上述PWM隔离调光电路同时连接多个LED光源，也能避免不同光源之间相互串扰。

在一个实施例中，光电耦合电路40包括光电耦合器U3、电阻R14及电阻R15，光电耦合器U3的第一输入端连接PWM生成电路30的输出端，第二输入端通过电阻R14连接第一电源输入端，光电耦合器U3的第一输出端连接LED驱动电源的控制端，并通过电阻R15连接第二电源输入端，光电耦合器U3的第二输出端接地。其中，光电耦合器U3由发光二极管及光敏三极管组成，光电耦合器U3的第一输入端为其内部发光二极管的负极，第二输入端为其内部发光二极管的正极，光电耦合器U3的第一输出端为其内部光敏三极管的集电极，第二输出端为其内部光敏三极管的发射极。具体实施中，第一电源电压VCC1经电阻R14分压限流，输入至光电耦合器U3的内部发光二极管的正极，当该内部发光二极管的正负极压差达到其导通电压时，其导通并发光，触发内部的光敏三极管在感应到光线后导通，使得光敏三极管的集电极(即光电耦合电路的第一输出端)输出高电平，其中从光敏三极管的集电极的电压幅值取决于第二电源输入端输入的第二电源电压VCC2及分压电阻R15的阻值。由于光敏三极管的导通时间取决于光电耦合器U3内部发光二极管的导通时间，即取决于比较器U3输出PWM信号的占空比，因此光电耦合器U3输出的信号PWM_out与比较器U3输出的PWM信号相位相同。由于光敏三极管的导通时间与负载无关，因此能实现信号的隔离输出。

在一较佳实施例中，光电耦合电路40还包括连接在光电耦合器U3发射极与地之间的去耦电容，用于滤除光电耦合器U3的输出端的噪声干扰。

上述PWM隔离调光电路，通过方波发生电路、积分电路及PWM生成电路生成占空比系数可调的PWM信号，使用光电耦合器作为隔离器件，实现隔离调光功能。由于无需采用高频变压器，不仅避免高频变压器导致的线性失真严重的问题，而且电路体积较小且成本较低。

本发明实施例还相应提供了一种LED调光驱动电路，如图6所示，该LED调光驱动电路200包括如图1或2所示的PWM隔离调光电路100及DC调光电路110，其中DC调光电路的输出端连接PWM隔离调光电路的调光信号输入端，DC调光电路将外部电源输入的电压信号转换为可驱动LED光源发光的调光信号，该调光信号经PWM隔离调光电路转换为占空比可调的PWM信号，用于控制LED驱动电源的输出电流，以调节LED光源的亮度。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种脉冲宽度调制PWM隔离调光电路，其特征在于，包括：

方波发生电路，用于振荡生成方波信号；

积分电路，其输入端连接所述方波发生电路的输出端，用于对所述方波信号进行积分运算，生成三角波信号；

PWM生成电路，其输入端连接调光信号输入端及所述积分电路的输出端，用于将调光信号与所述三角波信号进行比较，根据比较结果生成PWM信号，调节所述PWM信号的占空比系数并输出调节后的PWM信号；

光电耦合电路，其输入端连接所述PWM生成电路的输出端，其输出端连接LED驱动电源的控制端，以实现控制驱动电源的输出电流。

2.根据权利要求1所述的PWM隔离调光电路，其特征在于，所述PWM生成电路包括：

比较器，其第一输入端连接所述积分电路的输出端，其第二输入端连接所述调光信号输入端，用于将所述三角波信号及调光信号进行比较，根据比较结果生成PWM信号；

占空比系数调节器，连接所述比较器的输入端，用于调节所述PWM信号的占空比系数。

3.根据权利要求2所述的PWM隔离调光电路，其特征在于，所述比较器包括运算放大器U1、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电容C1及稳压管ZD1，其中：

所述运算放大器U1的反相输入端连接所述积分电路的输出端，所述运算放大器U1的同相输入端依次通过所述电阻R1、所述电阻R2及所述电阻R3连接第一电源输入端，所述运算放大器U1的输出端连接所述光电耦合电路；

所述电阻R1和所述电阻R2的连接节点通过所述电阻R4接地；

所述电阻R2及所述电阻R3的连接节点连接调光信号输入端；

所述稳压管ZD1的正极接地，负极连接所述述运算放大器U1的同相输入端；

所述电容C1与所述稳压管ZD1并联。

4.根据权利要求3所述的PWM隔离调光电路，其特征在于，所述占空比系数调节器包括电位器RP1，所述电位器RP1一端通过所述电阻R1连接所述运算放大器U1的同相输入端，另一端接地。

5.根据权利要求1所述的PWM隔离调光电路，其特征在于，所述积分电路包括运算放大器U2、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8及电容C2，其中：

所述运算放大器U2的同相输入端通过所述电阻R6连接第一电源输入端，并通过所述电阻R7接地，所述运算放大器U2的反相输入端通过所述电阻R5连接所述方波发生电路的输出端，所述电容C2及所述电阻R8并联于所述运算放大器U2的反相输入端和输出端之间，所述运算放大器U2的输出端连接所述PWM生成电路。

6.根据权利要求1所述的PWM隔离调光电路，其特征在于，所述方波发生电路包括三极管Q1、三极管Q2、电容C3、电容C4、电阻R9、电阻R10、电阻R11、电阻R12、电阻R13及稳压管ZD2，其中：

所述三极管Q1的基极和集电极分别通过所述电阻R9和所述电阻R10连接第一电源输入端，所述三极管Q1的发射极接地；

所述三极管Q2的基极通过所述电容C3连接所述三极管Q1的集电极，并通过所述电阻R11连接所述第一电源输入端，所述三极管Q2的集电极通过所述电容C4连接所述三极管Q1的基极，并通过所述电阻R12连接所述第一电源输入端，所述三极管Q2的发射极接地；

所述稳压管ZD2的正极接地，负极通过所述电阻R13连接所述三极管Q2的集电极，其中所述稳压管ZD2和所述电阻R13的连接节点与所述积分电路连接。

7.根据权利要求1所述的PWM隔离调光电路，其特征在于，所述光电耦合电路包括光电耦合器U3、电阻R14及电阻R15，其中：

所述光电耦合器U3的第一输入端连接所述PWM生成电路的输出端，第二输入端通过所述电阻R14连接第一电源输入端，所述光电耦合器U3的第一输出端连接驱动电源的控制端，并通过电阻R15连接第二电源输入端，所述光电耦合器U3的第二输出端接地。

8.根据权利要求1所述的PWM隔离调光电路，其特征在于，所述调光信号输入端用于输入0-10V的模拟调光信号。

9.根据权利要求6所述的PWM隔离调光电路，其特征在于，所述三极管Q1和所述三极管Q2为NPN型三极管。

10.一种LED调光驱动电源，其特征在于，包括DC调光电路及如权利要求1至9中任一项所述的PWM隔离调光电路，其中所述DC调光电路的输出端连接所述PWM隔离调光电路的调光信号输入端。