CN110719664A - 开关分段调色调光恒流控制器集成电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种开关分段调色调光恒流控制器集成电路，其内部设有调色调光控制电路、第一、二NMOS管以及恒流控制电路。本发明的控制器集成电路实现了恒流控制器和色温控制器的共参考地和整合，能够使LED负载在中性色的情况下满负载工作，同时实现分段调色和分段调光。与目前市场上流行的方案相比，本发明成本更低，性能更优。

Description

开关分段调色调光恒流控制器集成电路

技术领域

本发明涉及恒流控制器，具体而言，涉及一种开关分段调色调光恒流控制器集成电路，包含所述集成电路的恒流源负载驱动装置，以及包含所述驱动装置的智能照明灯具。

背景技术

作为新一代的照明光源，发光二极管(LED)已经得到广泛应用。与其他照明灯具不同的是，LED灯具非常适合智能调光调色，例如适于开关分段调色和开关分段调光、无线遥控调光和调色。目前，智能照明已成为LED照明的发展大趋势。

上述开关分段调色的功能为，通过LED灯具的开和关来实现灯的色温控制。这里，LED光源色温以绝对温度K来表示。色温在3300K以下，光色偏红给人以温暖的感觉，这种光一般称做“暖色光”或者“暖光”；色温在3000K至6000K之间，此色调对人无特别明显的视觉心理效果，人有爽快的感觉，故称为“中性”色温，这种光称做“中性光”；色温超过6000K，光色偏蓝，给人以清冷的感觉，这种光称做“冷色光”或者“冷光”。例如，三段开关调色温的完整过程可以为，第一次开灯，LED灯以冷光点亮；关掉灯，灯灭；在5秒钟以内再次把灯打开，灯变成暖光，亮度不变；再关掉灯，灯灭；在5秒钟以内再次把灯打开，灯的色温变成中性光，亮度依然不变；第三次关掉灯，灯灭；在5秒钟以内再次把灯打开，灯的色温又变回冷光。而且，无论灯在任何色温状态下，只要关灯时间超过5秒钟以上，再次开灯后都回到冷光状态，这是LED灯色温状态的复位。当然，开关调色温不仅可以做成三段，也可以做成其他段数。

开关分段调光的功能则为，通过LED灯具的开和关来实现灯的亮度控制。例如，一个完整的三段开关调光过程描述如下：第一次开灯，LED灯以10W点亮；关掉灯，灯灭；在5秒钟以内再次把灯打开，灯的亮度变成5W，亮度减少一半，也就节能一半；再关掉灯，灯灭；在5秒钟以内再次把灯打开，灯的亮度变成2.5W，亮度只有1/4，可节能3/4；第三次关掉灯，灯灭；在5秒钟以内再次把灯打开，灯的亮度又变成10W，亮度达到最大。无论灯亮度处于何种状态，只要关灯时间超过5秒钟以上，再次开灯后都回到最大亮度状态，这就是LED灯亮度状态的复位。类似地，开关调光不仅可以做成三段，还可以做成其他任意段，比如两段、四段、五段、六段，甚至无极的调光。

分段调光技术最先发明应用，但现在只是小规模商用。后发明应用的分段调色技术，反而迅速得到了大规模商用。参照图1，图1为目前市场最新的LED分段调色电路。该方案中，以恒流控制器200为核心的恒流电路为LED负载提供稳定的输出电流。色温控制器100用于实现对LED色温的选择。LED负载005和006，一路为暖色温，即暖色；另一路为冷色温，即冷色。在色温控制器100内部，NMOS管103和104的导通与否决定着，LED负载发出的光是暖色、冷色、或者中性色。但不管是哪种色温，输出电流不变，也就是LED负载的亮度不变。该方案只能分段调色温，不能调亮度。当色温为中性色的时候，LED负载005和006同时亮，它们各分一半的输出电流，这意味着负载005和006只有一半负荷，没有满负荷工作。显然，这是一种浪费。

发明内容

本发明的目的是，针对现有技术中LED分段调色电路所存在的以上问题，在不增加成本的前提下，发明一种新的分段调色调光恒流控制器，使LED负载在中性色的情况下也能够满负载工作、物尽其用。

根据本发明的第一方面，提供一种开关分段调色调光恒流控制器集成电路，其内部设有调色调光控制电路、第一、二NMOS管以及恒流控制电路，其中，调色调光控制电路在一预定时间内，基于所述集成电路电源端电压(VCC)的上升和下降，产生第一、二色温控制信号以及亮度调整信号；第一、二NMOS管的栅极分别接收所述第一、二色温控制信号，漏极分别连接外部并联的不同色温的第一、二恒流源负载，源极共同连接来自外部功率转换级的负载电流检测信号；恒流控制电路，基于所述负载电流检测信号与亮度调整信号，通过控制外部功率转换级中功率开关的闭合与断开，调节所述第一、二恒流源负载的电流之和的平均值。

第一方面中，优选的是，所述调色调光控制电路包括上电/掉电检测电路、计时器、状态寄存器、调色译码电路以及调光译码电路，其中，上电/掉电检测电路与所述集成电路电源端相连，当检测到所述电源端电压(VCC)下降时，产生一状态更新信号，并启动所述计时器计时；在所述预定时间内检测到所述电源端电压(VCC)上升的情况下，关闭所述计时器计时；状态寄存器接收所述状态更新信号，并更新其状态信息；调色译码电路接收所述状态寄存器输出的状态信息，并将状态信息译码为所述第一、二色温控制信号；调光译码电路，接收所述状态寄存器输出的状态信息，并将状态信息译码为所述亮度调整信号。

优选的是，在上电/掉电检测电路于所述预定时间内未检测到所述电源端电压(VCC)上升的情况下，所述计时器向状态寄存器输出一复位信号。

优选的是，所述状态寄存器采用由两个D触发器组成的四进制计数器。

优选的是，所述恒流控制电路包括恒流电路，所述恒流电路包括：误差放大电路，一输入端接收所述负载电流检测信号，另一输入端接收所述亮度调整信号，输出端产生经放大的误差信号；比较器，将所述经放大的误差信号与锯齿波信号进行比较，并产生PWM信号。

优选的是，所述恒流控制电路还包括驱动器，所述PWM信号连接所述驱动器的输入端，所述驱动器的输出端连接所述功率开关的栅极。

根据第二方面，提供一种驱动恒流源负载的装置，所述恒流源负载由并联的不同色温的第一、二恒流源负载组成，所述装置包括上述第一方面中所述的集成电路、功率转换级以及一供电电阻，所述功率转换级包括功率开关、电感、续流二极管、电容以及检测电阻，其中，功率开关，其漏极与输入电压源(VIN)连接，源极经所述电感与续流二极管的正极连接；续流二极管，其负极连接所述供电电阻与电容一端之间的VCC节点；电容，其另一端连接至所述集成电路内第一、二NMOS管的源极与检测电阻一端之间的节点，为所述集成电路供电，并用作所述恒流源负载的滤波电容；检测电阻，其另一端连接至所述集成电路的参考地，用以产生负载电流检测信号。

第二方面中，优选的是，所述第一恒流源负载为冷色恒流源负载，所述第二恒流源负载为暖色恒流源负载。

根据第三方面，提供一种智能照明灯具，包括上述第二方面中所述的装置以及并联的冷色LED负载与暖色LED负载。

按照本发明的分段调色调光恒流控制器及相应驱动装置，能够使LED负载在中性色的情况下满负载工作，同时实现既能分段调色又能分段调光。与目前市场上流行的方案相比，本发明不仅成本更低，而且性能更优，对LED智能照明进一步的普及颇具价值。

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为目前市场最新的LED分段调色电路；

图2为本发明一实施例的恒流源负载驱动装置的电路结构图；

图3为图2中调色调光控制电路的示例；

图4为图3中上电/掉电检测电路、计时器和状态寄存器的示例；

图5为图3中调色译码电路的示例；

图6为图3中调光译码电路的示例；

图7为本发明调色调光状态真值表的示例；

图8为图2中恒流控制电路的示例；

图9为图8中恒流电路的示例。

具体实施方式

发明人考虑，要使LED负载在中性色的情况下实现满负荷工作，就需要暖色负载和冷色负载的工作电流不能减半，即，要求前级恒流电路的输出电流加倍。为了实现负载中性色情况下恒流输出电流加倍，则必须解决图1中色温控制器100与恒流控制器200之间的通讯问题。如图1所示，色温控制器100以负载滤波电容110的负极为零电位参考点，而恒流控制器200以整流桥001的地为零电位参考点，两者不共参考地。这样，两个控制器之间的相互通讯就成为一个难题。

要解决这一难题，同时还不增加成本，就必须找到一种新的电路结构。这种新结构首要的任务是，解决色温控制器和恒流控制器不共地的问题。解决了共地问题，就可以将色温控制器和恒流控制器整合在一起，以进一步降低成本。

参照图2，图2为本发明一实施例的恒流源负载驱动装置的电路结构图。不同于一般的升降压型拓扑，该驱动装置采用一种变种的升降压型拓扑结构。这里，恒流源负载由并联的LED负载005、006组成，这两路负载具有不同色温，例如，LED负载005为冷色温，LED负载006为暖色温。该驱动装置包括开关分段调色调光恒流控制器集成电路400、功率转换级和供电电阻301，功率转换级由功率开关307、电感309、续流二极管308、电容604以及检测电阻306构成。其中，功率开关307的漏极与输入电压源VIN连接，源极经电感309与续流二极管308的正极连接；续流二极管308的负极连接供电电阻301与电容604一端之间的VCC节点；电容604另一端连接至控制器集成电路400内NMOS管403、404的源极与检测电阻306一端之间的节点，为控制器集成电路400供电，并用作LED负载005、006的滤波电容；检测电阻306另一端连接至控制器集成电路400的参考地ICGND，用以产生负载电流检测信号CS。

在功率开关307的闭合阶段，也就是电感309的充电阶段，充电斜率为VIN/L。功率开关307断开后，电感309进入放电阶段，放电斜率为VCC/L(VCC电压就是电容604上的电压)；放电回路为，电流从电感309的GND端流出，通过续流二极管308进入VCC节点，再通过电容604和LED负载005、006流回电感309的ICGND端。可以看出，电容604既是LED负载005、006的滤波电容，也是控制器集成电路400的供电电容。

该驱动装置中，开关分段调色调光恒流控制器集成电路400实现了恒流控制器和色温控制器的共参考地和整合。如图2所示，控制器集成电路400内部设有恒流控制电路410、调色调光控制电路420以及NMOS管403、404。相应地，控制器集成电路400的管脚中，增设LEDN1和LEDN2，分别连接冷暖色LED负载005和006的负极。

控制器集成电路400中，调色调光控制电路420在一预定时间内，基于控制器集成电路400电源端电压VCC的上升和下降，产生色温控制信号GT1、GT2和亮度调整信号ADJ；NMOS管403、404的栅极分别接收色温控制信号GT1、GT2，漏极分别连接LED负载005和006，源极共同连接来自功率转换级的负载电流检测信号CS；恒流控制电路410基于负载电流检测信号CS和亮度调整信号ADJ，通过控制功率转换级中功率开关307的闭合与断开，调节LED负载005、006的电流之和的平均值。这里，亮度调整信号ADJ是调色调光控制电路420和恒流控制电路410之间的通讯信号，用于调节恒流输出电流的大小，实现调光(调亮)功能。

当初次开灯上电，电网电压整流滤波后，再通过供电电阻301对VCC电容604充电；当电容604电压上升到一定高度后，控制器集成电路400开始工作。按照初始状态的要求，调色调光控制电路420输出相应的色温控制信号GT1、GT2给NMOS管403和404，并输出亮度调整信号ADJ。恒流控制电路410根据负载电流检测信号CS和亮度调整信号ADJ，来决定最后输出电流的大小。当关灯掉电后，在例如5秒的预定时间内再次开灯上电，调色调光控制电路420会根据既定程序来调整色温控制信号GT1、GT2和亮度调整信号ADJ，以实现负载色温和亮度的改变。如果关灯掉电后在例如5秒内不再开灯，调色调光的状态会清零复位。

可以看出，与图1电路相比，图2电路优势明显，对LED负载既能调色也能调光；电路成本还更低，性能更优。

参照图3，图3为图2中调色调光控制电路的示例。该示例中，调色调光控制电路包括上电/掉电检测电路421、计时器422、状态寄存器423、调色译码电路424以及调光译码电路425。其中，上电/掉电检测电路421与控制器集成电路400的电源端VCC相连，当检测到电源端电压VCC下降时，检测电路421产生一状态更新信号，并启动计时器422计时；在例如5秒的预定时间内，当检测到电源端电压VCC上升时，检测电路421关闭计时器422计时。状态寄存器423接收上述状态更新信号，并更新其状态信息。调色译码电路424接收状态寄存器423输出的状态信息，并将状态信息译码为色温控制信号GT1、GT2。调光译码电路425也接收状态寄存器423输出的状态信息，并将其译码为亮度调整信号ADJ。若检测电路421在5秒的预定时间内未检测到电源端电压VCC上升，计时器422则向状态寄存器423输出一复位信号。

图4为图3中上电/掉电检测电路、计时器和状态寄存器的示例。如图4所示，状态寄存器423采用由两个D触发器组成的四进制计数器。当关灯后，上电/掉电检测电路421中的比较器会输出一下降沿的状态更新信号给状态寄存器423，使后者状态信息可以更新，同时启动计时器422计时。如果在随后如5秒内发生开灯操作，上电/掉电检测电路421的比较器会输出高电平信号去关闭计时器422计时。如果超过5秒没有再次开灯，计时器422会输出一高电平脉冲去复位状态寄存器423，使得调光调色状态信息复位。这样，图4电路实现了调光调色状态信息的更新和复位操作。

图5为图3中调色译码电路的示例。该示例中，调色译码电路由两个与非门组成，它们的输入信号来自状态寄存器423，输出的色温控制信号GT1、GT2提供给NMOS管403和404。

图6为图3中调光译码电路的示例。如图6所示，该电路由一与非门、一反相器以及两个NMOS管组成，输入信号来自状态寄存器423，输出的亮度调整信号ADJ提供给恒流控制电路410。

图4-6给出了调色调光控制电路420的一个完整示例，所实现的调色调光状态真值表如图7所示。该表共四段，有三种色温和两种亮度(一种是增强亮度)可选。初次上电时，光是暖色，普通亮度→5秒内关灯开灯后，光换成冷色，普通亮度→5秒内关灯开灯后，光换成中性色(暖色负载和冷色负载同时亮)，还是普通亮度→5秒内关灯开灯后，光还是中性色(暖色负载和冷色负载同时亮)，但是亮度增加一倍。需要说明，这只是一种色温和亮度组合而已，组合可以有多种，比如三段三种色温两种亮度；再比如四段三种色温三种亮度，这里不一一例举。

参照图8，图8为图2中恒流控制电路的示例。恒流控制电路410包括电源管理电路411、恒流电路412以及驱动器413。其中，电源管理电路411用以检测控制器集成电路400的工作电压(VCC节点电压)是否在正常范围内，同时为集成电路400内的其他子电路模块提供合适的电压和电流。

图9为图8中恒流电路的示例。如图9所示，恒流电路包括误差放大电路和比较器415。其中，误差放大电路一输入端接收负载电流检测信号CS，另一输入端接收亮度调整信号ADJ，其输出端产生经放大的误差信号；比较器415将这一经放大的误差信号与锯齿波信号进行比较，并产生PWM信号。如图8所示，该PWM信号连接驱动器413的输入端，驱动器413的输出端连接功率开关307的栅极。

按照本发明，驱动装置的恒流输出电流由电压V(ADJ)和检测电阻306共同决定，如下式所示：

I_OUT＝V(ADJ)/R₃₀₆

在前文的描述中，虽然本发明是以驱动LED负载为例，但是，本领域技术人员易于理解的是，本发明可用于驱动任何一种恒流源负载。

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 (9)

1.一种开关分段调色调光恒流控制器集成电路，其内部设有调色调光控制电路、第一、二NMOS管以及恒流控制电路，其中，

调色调光控制电路，在一预定时间内，基于所述集成电路电源端电压(VCC)的上升和下降，产生第一、二色温控制信号以及亮度调整信号；

第一、二NMOS管，栅极分别接收所述第一、二色温控制信号，漏极分别连接外部并联的不同色温的第一、二恒流源负载，源极共同连接来自外部功率转换级的负载电流检测信号；

恒流控制电路，基于所述负载电流检测信号与亮度调整信号，通过控制外部功率转换级中功率开关的闭合与断开，调节所述第一、二恒流源负载的电流之和的平均值。

2.如权利要求1所述的集成电路，其特征在于，所述调色调光控制电路包括上电/掉电检测电路、计时器、状态寄存器、调色译码电路以及调光译码电路，其中，

上电/掉电检测电路，与所述集成电路电源端相连，当检测到所述电源端电压(VCC)下降时，产生一状态更新信号，并启动所述计时器计时；在所述预定时间内检测到所述电源端电压(VCC)上升的情况下，关闭所述计时器计时；

状态寄存器，接收所述状态更新信号，并更新其状态信息；

调色译码电路，接收所述状态寄存器输出的状态信息，并将状态信息译码为所述第一、二色温控制信号；

调光译码电路，接收所述状态寄存器输出的状态信息，并将状态信息译码为所述亮度调整信号。

3.如权利要求2所述的集成电路，其特征在于，在上电/掉电检测电路于所述预定时间内未检测到所述电源端电压(VCC)上升的情况下，所述计时器向状态寄存器输出一复位信号。

4.如权利要求2或3所述的集成电路，其特征在于，所述状态寄存器采用由两个D触发器组成的四进制计数器。

5.如权利要求1所述的集成电路，其特征在于，所述恒流控制电路包括恒流电路，所述恒流电路包括：

误差放大电路，一输入端接收所述负载电流检测信号，另一输入端接收所述亮度调整信号，输出端产生经放大的误差信号；

比较器，将所述经放大的误差信号与锯齿波信号进行比较，并产生PWM信号。

6.如权利要求5所述的集成电路，其特征在于，所述恒流控制电路还包括驱动器，所述PWM信号连接所述驱动器的输入端，所述驱动器的输出端连接所述功率开关的栅极。

7.一种驱动恒流源负载的装置，所述恒流源负载由并联的不同色温的第一、二恒流源负载组成，所述装置包括权利要求1至6中任一项所述的集成电路、功率转换级以及一供电电阻，所述功率转换级包括功率开关、电感、续流二极管、电容以及检测电阻，其中，

功率开关，其漏极与输入电压源(VIN)连接，源极经所述电感与续流二极管的正极连接；

续流二极管，其负极连接所述供电电阻与电容一端之间的VCC节点；

电容，其另一端连接至所述集成电路内第一、二NMOS管的源极与检测电阻一端之间的节点，为所述集成电路供电，并用作所述恒流源负载的滤波电容；

检测电阻，其另一端连接至所述集成电路的参考地，用以产生负载电流检测信号。

8.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述第一恒流源负载为冷色恒流源负载，所述第二恒流源负载为暖色恒流源负载。

9.一种智能照明灯具，其特征在于，包括权利要求7所述的装置以及并联的冷色LED负载与暖色LED负载。

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