CN111565489B - 一种照明和可见光通信可独立控制的led驱动电路 - Google Patents

一种照明和可见光通信可独立控制的led驱动电路 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种照明和可见光通信可独立控制的LED驱动电路，包括：直流供电电源；电流型BUCK电路，用于将电压源的直流供电电源转换成电流幅值可控可调的直流电流源；并接MOSFET调光电路，在MCU主控电路的控制下实现照明调光用LED阵列的PWM调光；照明调光用LED阵列；光通信调制MOSFET电路，用于在光耦隔离驱动电路控制下实现传输信号的高速调制功能；光通信调制用LED阵列；MCU主控电路，对电流型BUCK电路电流采集，获取外部给定信号，并通过PWM发生器产生对并接MOSFET调光电路控制的脉宽调制PWM控制信号，并获取需传输的高速VPPM信号输出；光耦隔离驱动电路，连接MCU主控电路。

Description

一种照明和可见光通信可独立控制的LED驱动电路
技术领域
本发明涉及LED(Light Emitting Diode，发光二极管)驱动技术领域，特别是涉及一种照明和可见光通信可独立控制的LED驱动电路。
背景技术
LED(Light Emitting Diodes)具有节能、寿命长、环保、响应速度快等诸多优点，是一种性能优越的照明光源。可见光通信技术(Visible Light Communication，VLC)是在LED响应速度快、易调制特性的基础上，将特定信号加载到光的强度上进行传输，同时实现照明和通信双重功能的一种新型无线通信技术。将LED照明与可见光通信相结合，实现照明通信一体化，可进一步拓展LED的应用前景。
一般地，LED要实现通信，就必须对LED进行高速调制，但，和PWM调光一样，对LED进行高速调制会破坏LED的光功率谱，引起照明的闪烁。目前，LED调光和光通信调制普遍都采用同一组LED阵列来实现，这势必会造成两者的相互影响，进一步影响数据传输的可靠性。
发明内容
为克服上述现有技术存在的不足，本发明之目的在于提供一种照明和可见光通信可独立控制的LED驱动电路，以使得LED照明电路与可见光通信调制电路既可以一起工作，又可以分别独立工作，从而既满足了正常的LED照明需求，又可实现基于可见光通信的无线数据传输。
为达上述及其它目的，本发明提出一种照明和可见光通信可独立控制的LED驱动电路，包括：
直流供电电源，用于给所述电路提供电源；
电流型BUCK电路，用于将电压源的所述直流供电电源转换成电流幅值可控可调的直流电流源，以驱动后级的照明调光用LED阵列或光通信调制用LED阵列并完成相应电流采样；
并接MOSFET调光电路，连接所述电流型BUCK电路，并并联连接在照明调光用LED阵列的两端，用于在MCU主控电路的控制下实现照明调光用LED阵列的PWM调光功能；
照明调光用LED阵列，包括若干照明LED灯，以根据所述并接MOSFET调光电路进行PWM调光；
光通信调制MOSFET电路，连接所述电流型BUCK电路，并并联连接在光通信用LED阵列的两端，用于在光耦隔离驱动电路的输出控制下实现传输信号的高速调制功能；
光通信调制用LED阵列，包括若干光通信LED灯，以根据所述光通信调制MOSFET电路实现基于LED光源的可见光通信；
MCU主控电路，用于对所述电流型BUCK电路进行电流采集，获取外部给定信号，并通过PWM发生器产生对所述并接MOSFET调光电路控制的脉宽调制PWM控制信号，以及获取需传输的高速VPPM信号输出至光耦隔离驱动电路；
光耦隔离驱动电路，用于接收并处理所述MCU主控电路发送的高速VPPM信号，经光耦隔离和高速驱动处理后输出通信控制信号至所述光通信调制MOSFET电路。
优选地，所述电流型BUCK电路包括第一开关二极管(D1)、第二开关二极管(D2)、第一续流二极管(D3)、第二续流二极管(D4)、第一整流控制开关管(S1)、第二整流控制开关管(S2)和第一滤波电感(L1)、第二滤波电感(L2)以及第一电流采样装置(Det1)、第二电流采样装置(Det2)，所述直流供电电源的正端连接至所述第一开关二极管(D1)、第二开关二极管(D2)的阳极，所述第一开关二极管(D1)的阴极连接至所述第一整流控制开关管(S1)的漏极，所述第一整流控制开关管(S1)的源极和衬底连所述第一接滤波电感(L1)的一端和所述第一续流二极管(D3)的阴极，所述第二开关二极管(D2)的阴极连接至第二整流控制开关管(S2)的漏极，所述第一滤波电感(L1)的另一端经所述第一电流采样装置(Det1)连接至所述第二整流控制开关管(S2)的源极和衬底、所述第二滤波电感(L2)的一端以及第二续流二极管(D4)的阴极，所述第一续流二极管(D3)和第二续流二极管(D4)的阳极连接所述直流供电电源的负端，所述第二滤波电感(L2)的另一端经所述第二电流采样装置(Det2)连接至所述并接MOSFET调光电路及所述照明调光用LED阵列，所述第一电流采样装置Det1、第二电流采样装置Det2以及所述第一整流控制开关管S1与所述第二整流控制开关管S2的栅极连接所述MCU主控电路。
优选地，所述并接MOSFET调光电路包括照明调光MOSFET开关管(S3)，并联连接在所述照明调光用LED阵列的两端，其漏极还连接所述第二滤波电感，栅极连接所述MCU主控电路。
4、如权利要求3所述的一种照明和可见光通信可独立控制的LED驱动电路，其特征在于：所述光通信调制MOSFET电路包括MOSFET开关管(S4)，并联连接在所述光通信用LED阵列的两端，其漏极还连接所述照明调光MOSFET开关管(S3)的源极和衬底，栅极连接所述光耦隔离驱动电路。
优选地，所述照明调光用LED阵列、光通信调制用LED阵列包括根据需要进行串并联组合的若干照明LED灯或光通信LED灯。
优选地，所述MCU主控电路包括微处理器，基于微处理器的内部A/D完成所述电流型BUCK电路的包括滤波电感L1的电感电流(iL1)、直流输出电流(idc)的电流采集、通过通用输入输出IO口完成包括输出直流设定值(Idcref)、调光设定值(DIM_set)的外部给定信号的读取，同时所述微处理器根据电感电流(iL1)、直流输出电流(idc)、直流设定值(Idcref)利用PI控制算法实现恒流与均流控制并通过PWM发生器分别产生所述第一整流控制开关管S1、第二整流控制开关管S2的脉宽调制PWM控制信号PWM1、PWM2至所述第一整流控制开关管S1、第二整流控制开关管S2栅极。
优选地，所述光耦隔离驱动电路包括光耦隔离电路和高速驱动电路，所述MCU主控电路通过通用输入输出接口I/O口读取需传输的高速信号VPPM输出至所述光耦隔离驱动电路，以将所述高速VPPM信号经光耦隔离和高速驱动处理后传输给所述光通信调制MOSFET电路。
优选地，所述MCU主控电路通过所述光耦隔离驱动电路将调制信号加载到所述光通信调制MOSFET开关管(S4)栅极上，以控制其高速开通和关断，使所述的光通信调制用LED阵列的LED光源产生亮灭或亮暗变化，完成电信号转换为光信号，实现基于LED光源的可见光通信。
优选地，所述MCU主控电路的微处理器读取外部的调光设定值(DIM_set)并转换为占空比可调的PWM信号，经由所述PWM发生器产生并接至所述MOSFET调光电路的照明调光MOSFET开关管(S3)的驱动控制信号，实现PWM调光功能。
优选地，调光频率设定在200Hz到2kHz之间。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1、本发明通过采用同一个电路，既满足一般照明要求，又满足可见光通信要求。
2、本发明的照明光源与通信光源采用相互独立控制方式，因此通信光源在信号传输过程中所产生的亮灭变化不会影响照明效果。
3、本发明的通信光源也可以实现大功率工作，从而容易增加信号传输距离。
4、本发明采用数字化控制，可以随时调整照明用和光通信用LED负载，大大提高了驱动电源适应不同负载能力。
附图说明
图1为本发明一种照明和可见光通信可独立控制的LED驱动电路的电路结构图；
图2为本发明实施例中工作模式Ⅰ时的调光和光通信调制信号的示意图；
图3为本发明实施例中工作模式Ⅱ时的调光和光通信调制信号的示意图；
图4为本发明实施例中工作模式Ⅲ时的调光和光通信调制信号的示意图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例并结合附图说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其它优点与功效。本发明亦可通过其它不同的具体实例加以施行或应用，本说明书中的各项细节亦可基于不同观点与应用，在不背离本发明的精神下进行各种修饰与变更。
图1为本发明一种照明和可见光通信可独立控制的LED驱动电路的电路结构图。如图1所示，本发明一种照明和可见光通信可独立控制的LED驱动电路，包括：直流供电电源1、电流型BUCK电路2、并接MOSFET调光电路3、照明调光用LED阵列4、光通信调制MOSFET电路5、光通信调制用LED阵列6、MCU主控电路7和光耦隔离驱动电路8。
其中，直流供电电源1为DC24V或DC48V，用于给电路供电；电流型BUCK电路2由开关二极管D1-D2、续流二极管D3-D4、整流控制开关管S1-S2和滤波电感L1-L2以及电流采样装置Det1-Det2组成，用于将电压源直流供电电源1转换成电流幅值可控可调的直流电流源，以驱动后级的照明调光用LED阵列4或光通信调制用LED阵列6并完成相应电流采样，本发明采用电流型DC-DC电路，可以省去大电解电容滤波电路，有助于提高LED阵列驱动电源的寿命；并接MOSFET调光电路3由照明调光MOSFET开关管S3组成，其并联连接在照明调光用LED阵列4的两端，用于通过控制该MSOFET开关管的通断以实现照明调光用LED阵列4的PWM调光功能；照明调光用LED阵列4由多个照明LED灯LED11-LEDmn组成，可根据实际照明需要进行串并联组合，图示为n个串联组成1组，再m组并联；光通信调制MOSFET电路5由MOSFET开关管S4组成，其并联连接在光通信用LED阵列6之两端，用于通过控制该MSOFET开关管的通断以实现传输信号的高速调制功能；光通信调制用LED阵列6由多个光通信LED灯DD11-DDpq组成，可根据实际照明需要进行串并联组合，图示为q个串联组成1组，再p组并联；MCU主控电路7由微处理器STM32组成，基于STM32的微处理器的内部A/D完成电流型BUCK电路2的电流采集(包括滤波电感L1的电感电流iL1、直流输出电流idc)、通过通用输入输出IO口完成外部给定信号的读取(包括输出直流设定值Idcref、调光设定值DIM_set)，同时由微处理利用PI控制算法实现恒流+均流控制并由PWM发生器分别产生MOSFET开关管S1、S2、S3的脉宽调制PWM控制信号PWM1、PWM2、V_DIM，通过通用输入输出接口I/O口读取需传输的高速信号VPPM_Data并输出至光耦隔离驱动电路8的输入端；光耦隔离驱动电路8由光耦隔离电路和高速驱动电路组成，用于接收并处理MCU主控电路7发送的高速VPPM信号，经光耦隔离和高速驱动处理后输出通信控制信号V_Data传输给光通信调制MOSFET电路5的光通信调制MOSFET开关管S4的栅极。
具体地，直流供电电源1之正端连接至开关二极管D1-D2的阳极，开关二极管D1的阴极连接至MOSFET开关管S1的漏极，MOSFET开关管S1的源极和衬底连接滤波电感L1的一端和续流二极管D3的阴极，开关二极管D2的阴极连接至MOSFET开关管S2的漏极，滤波电感L1的另一端经电流采样装置Det1连接至MOSFET开关管S2的源极和衬底、滤波电感L2的一端以及续流二极管D4的阴极，续流二极管D3-D4的阳极连接直流供电电源1之负端；
滤波电感L2的另一端经电流采样装置Det2连接至照明调光MOSFET开关管S3的漏极和照明LED灯LED11-LEDm1的阳极，照明调光MOSFET开关管S3的源极和衬底连接至照明LED灯LED1n-LEDmn的阴极、光通信LED灯DD11-DDp1的阳极和MOSFET开关管S4的漏极，照明LED灯LEDi1-LEDin依次同向串联组成1组照明LED灯(i＝1,2,……,m)；MOSFET开关管S4的源极和衬底、光通信LED灯DD1q-DDmq的阴极连接至直流供电电源1之负端；
输出直流设定值Idcref、电流采样装置Det1-Det2输出的电感电流iL1、直流输出电流idc分别连接至恒流+均流控制电路的3个输入端，恒流+均流控制的输出连接至PWM发生器的一输入端，调光设定值DIM_set经微处理器之内部A/D转换后连接至PWM发生器的另一输入端，PWM发生器输出的脉宽调制PWM控制信号PWM1、PWM2、V_DIM分别连接至整流控制开关管S1-S2、照明调光MOSFET开关管S3的栅极；高速信号VPPM_Data经通用输入输出IO口连接至光耦隔离驱动电路8的输入端，光耦隔离驱动电路8的输出端通信控制信号V_Data连接至MOSFET开关管S4的栅极。
在本发明中，并接MOSFET调光电路3及照明调光用LED阵列4构成并联型LED调光电路，通过MCU主控电路7的微处理器STM32读取调光设定值DIM_set并转换为占空比可调的PWM信号，经由PWM波形发生器产生并接MOSFET调光电路3的MOSFET开关管S3的驱动控制信号，即可实现PWM调光功能，在本发明具体实施例中，调光频率可设定在200Hz到2kHz之间。
在本发明中，光通信调制MOSFET电路5与光通信调制用LED阵列6构成并联型光通信调制电路，适用于开关键控(On-Off Key,OOK)调制和脉冲位置调制(Pulse PositionModulation,PPM)等常用LED电流调制方式，发送信号的LED阵列与MOSFET开关管S4并联，将调制信号加载到MOSFET开关管S4上，控制高速开通和关断，使LED光源产生亮灭或亮暗变化，完成电信号转换为光信号，实现基于LED光源的可见光通信。
以下配合图2-图4来说明的本发明实施例中照明和可见光通信独立控制的工作模式：
其中，调光频率设定在1kHz，光通信调制频率为100kHz。
(1)工作模式Ⅰ：照明从关闭到开启，光通信开启
如图2所示,在0～0.0005s，控制MOSFET开关管S3的脉宽调制PWM控制信号V_DIM为高，MOSFET开关管S3导通，照明调光用LED阵列被旁路，等效为照明关闭，在时间大于0.0005s后，控制MOSFET开关管S3的脉宽调制PWM控制信号V_DIM为低，MOSFET开关管S3截止，照明调光用LED阵列被接入，等效为照明开启；通信控制信号V_Data有数据，MOSFET开关管S4随通信控制信号V_Data的高/低电平轮流导通/截止，同时光通信调制用LED阵列熄灭/点亮，等效为光通信开启。
(2)工作模式Ⅱ：照明从关闭到开启，光通信关闭
如图3所示，在0～0.0005s，控制MOSFET开关管S3的脉宽调制PWM控制信号V_DIM为高，MOSFET开关管S3导通，照明调光用LED阵列被旁路，等效为照明关闭，在时间大于0.0005s后，控制MOSFET开关管S3的脉宽调制PWM控制信号V_DIM为低，MOSFET开关管S3截止，照明调光用LED阵列被接入，等效为照明开启；通信控制信号V_Data为高电平，MOSFET开关管S4导通，光通信调制用LED阵列被旁路(熄灭)，等效为光通信关闭；
(3)工作模式Ⅲ：照明关闭，光通信开启
如图4所示，控制MOSFET开关管S3的脉宽调制PWM控制信号V_DIM为高，MOSFET开关管S3导通，照明调光用LED阵列被旁路，等效为照明关闭；通信控制信号V_Data有数据，MOSFET开关管S4随通信控制信号V_Data的高/低电平轮流导通/截止，同时光通信调制用LED阵列熄灭/点亮，等效为光通信开启。
可见，本发明一种照明和可见光通信可独立控制的LED驱动电路通过对照明光源与通信光源采用相互独立控制方式，使得通信光源在信号传输过程中所产生的亮灭变化不会影响照明效果，使得LED照明电路与可见光通信调制电路既可以一起工作，又可以分别独立工作，从而既满足了正常的LED照明需求，又可实现基于可见光通信的无线数据传输。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何本领域技术人员均可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰与改变。因此，本发明的权利保护范围，应如权利要求书所列。

Claims (8)

1.一种照明和可见光通信可独立控制的LED驱动电路，包括：
直流供电电源，用于给所述电路提供电源；
电流型BUCK电路，用于将电压源的所述直流供电电源转换成电流幅值可控可调的直流电流源，以驱动后级的照明调光用LED阵列或光通信调制用LED阵列并完成相应电流采样；
并接MOSFET调光电路，连接所述电流型BUCK电路，并并联连接在照明调光用LED阵列的两端，用于在MCU主控电路的控制下实现照明调光用LED阵列的PWM调光功能，所述并接MOSFET调光电路包括照明调光MOSFET开关管（S3），并联连接在照明调光用LED阵列的两端，其漏极连接所述电流型BUCK电路的第二滤波电感，栅极连接所述MCU主控电路；
照明调光用LED阵列，包括若干照明LED灯，以根据所述并接MOSFET调光电路进行PWM调光；
光通信调制MOSFET电路，连接所述电流型BUCK电路，并并联连接在光通信用LED阵列的两端，用于在光耦隔离驱动电路的输出控制下实现传输信号的高速调制功能，所述光通信调制MOSFET电路包括MOSFET开关管（S4），并联连接在光通信用LED阵列的两端，其漏极连接所述照明调光MOSFET开关管（S3）的源极和衬底，栅极连接光耦隔离驱动电路；
光通信调制用LED阵列，包括若干光通信LED灯，以根据所述光通信调制MOSFET电路实现基于LED光源的可见光通信；
MCU主控电路，用于对所述电流型BUCK电路进行电流采集，获取外部给定信号，并通过PWM发生器产生对所述并接MOSFET调光电路控制的脉宽调制PWM控制信号，以及获取需传输的高速VPPM信号输出至光耦隔离驱动电路；
光耦隔离驱动电路，用于接收并处理所述MCU主控电路发送的高速VPPM信号，经光耦隔离和高速驱动处理后输出通信控制信号至所述光通信调制MOSFET电路，其中，
在工作模式Ⅰ，所述光耦隔离驱动电路输出的通信控制信号（V_Data）有数据，所述MOSFET开关管（S4）随通信控制信号（V_Data）的高/低电平轮流导通/截止，光通信开启；通过控制所述脉宽调制PWM控制信号控制所述MOSFET 开关管（S3）的导通或截止实现照明从关闭到开启的控制；
在工作模式Ⅱ，通过所述光耦隔离驱动电路输出的通信控制信号（V_Data）控制所述MOSFET开关管（S4）导通，光通信关闭；通过控制所述脉宽调制PWM控制信号控制所述MOSFET开关管（S3）的导通或截止实现照明从关闭到开启的控制；
在工作模式Ⅲ，通过控制所述脉宽调制PWM控制信号控制所述MOSFET 开关管（S3）的导通实现照明关闭；所述光耦隔离驱动电路输出的通信控制信号（V_Data）有数据，所述MOSFET开关管（S4）随通信控制信号（V_Data）的高/低电平导通/截止，光通信开启。
2.如权利要求1所述的一种照明和可见光通信可独立控制的LED驱动电路，其特征在于：所述电流型BUCK电路包括第一开关二极管（D1）、第二开关二极管（D2）、第一续流二极管（D3）、第二续流二极管（D4）、第一整流控制开关管（S1）、第二整流控制开关管（S2）和第一滤波电感（L1）、第二滤波电感（L2）以及第一电流采样装置（Det1）、第二电流采样装置（Det2），所述直流供电电源的正端连接至所述第一开关二极管（D1）、第二开关二极管（D2）的阳极，所述第一开关二极管（D1）的阴极连接至所述第一整流控制开关管（S1）的漏极，所述第一整流控制开关管（S1）的源极和衬底连所述第一滤波电感（L1）的一端和所述第一续流二极管（D3）的阴极，所述第二开关二极管（D2）的阴极连接至第二整流控制开关管（S2）的漏极，所述第一滤波电感（L1）的另一端经所述第一电流采样装置（Det1）连接至所述第二整流控制开关管（S2）的源极和衬底、所述第二滤波电感（L2）的一端以及第二续流二极管（D4）的阴极，所述第一续流二极管（D3）和第二续流二极管（D4）的阳极连接所述直流供电电源的负端，所述第二滤波电感（L2）的另一端经所述第二电流采样装置（Det2）连接至所述并接MOSFET调光电路及所述照明调光用LED阵列，所述第一电流采样装置Det1、第二电流采样装置Det2以及所述第一整流控制开关管S1与所述第二整流控制开关管S2的栅极连接所述MCU主控电路。
3.如权利要求2所述的一种照明和可见光通信可独立控制的LED驱动电路，其特征在于：所述照明调光用LED阵列、光通信调制用LED阵列包括根据需要进行串并联组合的若干照明LED灯或光通信LED灯。
4.如权利要求2所述的一种照明和可见光通信可独立控制的LED驱动电路，其特征在于：所述MCU主控电路包括微处理器，基于微处理器的内部A/D完成所述电流型BUCK电路的包括滤波电感L1的电感电流（i L1）、直流输出电流（i dc）的电流采集、通过通用输入输出IO口完成包括输出直流设定值（I dcref ）、调光设定值（DIM_set）的外部给定信号的读取，同时所述微处理器根据电感电流（i L1）、直流输出电流（i dc）、直流设定值（I dcref ）利用PI控制算法实现恒流与均流控制并通过PWM发生器分别产生所述第一整流控制开关管S1、第二整流控制开关管S2的脉宽调制PWM控制信号PWM1、PWM2至所述第一整流控制开关管S1、第二整流控制开关管S2栅极。
5.如权利要求4所述的一种照明和可见光通信可独立控制的LED驱动电路，其特征在于：所述光耦隔离驱动电路包括光耦隔离电路和高速驱动电路，所述MCU主控电路通过通用输入输出接口I/O口读取需传输的高速信号VPPM输出至所述光耦隔离驱动电路，以将所述高速VPPM信号经光耦隔离和高速驱动处理后传输给所述光通信调制MOSFET电路。
6.如权利要求5所述的一种照明和可见光通信可独立控制的LED驱动电路，其特征在于：所述MCU主控电路通过所述光耦隔离驱动电路将调制信号加载到所述光通信调制MOSFET开关管（S4）栅极上，以控制其高速开通和关断，使所述的光通信调制用LED阵列的LED光源产生亮灭或亮暗变化，完成电信号转换为光信号，实现基于LED光源的可见光通信。
7.如权利要求4所述的一种照明和可见光通信可独立控制的LED驱动电路，其特征在于：所述MCU主控电路的微处理器读取外部的调光设定值（DIM_set）并转换为占空比可调的PWM信号，经由所述PWM发生器产生并接至所述MOSFET调光电路的照明调光MOSFET开关管（S3）的驱动控制信号，实现PWM调光功能。
8.如权利要求7所述的一种照明和可见光通信可独立控制的LED驱动电路，其特征在于：调光频率设定在200Hz到2kHz之间。
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