CN112584573A - 一种七基色led混合光源及其驱动控制电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种七基色LED混合光源及其驱动控制电路，包括：主控模块，用于接收调光控制信号并转换为对应占空比的七路脉宽调制PWM信号；恒流型驱动模块，由七路恒流驱动升压电路组成，用于分别将直流供电电源的直流24V电压转换成不超过36V的直流电压并且输出电流可调，用于驱动后级的七色LED阵列；七色LED阵列，由七组独立配置单色光LED子阵列组成，分别连接相应的恒流驱动升压电路，用于在各恒流驱动升压电路输出的LED子阵列控制电压的控制下按指定占空比发射指定颜色。
Description
技术领域
本发明涉及LED(Light Emitting Diode，发光二极管)显示技术领域，特别是涉及一种七基色LED混合光源及其驱动控制电路。
背景技术
目前，常见的白光LED光谱连续性不强，色域不足，尤其R9(特殊显色指数)较低，无法表达某些颜色，且颜色不可调，其中的“富蓝化”蓝光伤害更是对人的生理心理和视神经带来一系列负面影响。
为解决该问题，业界也提出采用全光谱LED，虽然可以弥补上述白光品质不足的缺点，但均以三基色为基础，不具有杀菌作用的紫光，480-505nm的蓝绿光，560-590nm之间的黄橙光，以及630nm及以上的深红光。
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七基色LED混合光源及其驱动控制电路，具用深红、橙、黄、绿、青、蓝、紫七种单色，同时匹配白光LED，涵盖全色域可见、近红外区域、近紫外，颜色连续可调；同时兼顾光效(白光LED在合成白光时光效更高且较为简单)，达到丰富色彩和高光效的平衡。
为达上述及其它目的，本发明提出一种七基色LED混合光源及其驱动控制电路，包括：
主控模块，用于接收调光控制信号并转换为对应占空比的七路脉宽调制PWM信号；
恒流型驱动模块，由七路恒流驱动升压电路组成，用于分别将直流供电电源的直流24V电压转换成不超过36V的直流电压并且输出电流可调，用于驱动后级的七色LED阵列；
七色LED阵列，由七组独立配置单色光LED子阵列组成，分别连接相应的恒流驱动升压电路，用于在各恒流驱动升压电路输出的LED子阵列控制电压的控制下按指定占空比发射指定颜色。
优选地，每路恒流升压电路包括升压芯片(U1)、上拉电阻(R1)、上拉滤波电容(C4)、辅助电源输出入滤波电容(C1)、第一分压电阻(R3)、第二分压电阻(R4)、补偿电阻(R5)、补偿电容(C2)、电流设定电阻(R6)、电流设定消毛刺电容(C10)、控制电压滤波电容(C3)、输出补偿电阻(R2)、输出补偿电容(C6)、储能电感(L1)、整流二极管(D1)以及输出滤波电容(C7-C9)，对应的所述主控模块输出的脉宽调制PWM信号通过第一分压电阻(R3)连接至第二分压电阻(R4)的一端、控制电压滤波电容(C3)的一端和升压芯片(U1)的控制输入端EN/DIM，第二分压电阻(R4)的另一端、控制电压滤波电容(C3)的另一端接地；升压芯片(U1)的输入端VIN通过上拉电阻(R1)连接至直流供电电源并通过上拉滤波电容(C4)接地，升压芯片(U1)的辅助电源输出端VCC通过辅助电源输出滤波电容(C1)接地，升压芯片(U1)的补偿端通过串联的补偿电阻(R5)、补偿电容(C2)接地；升压芯片(U1)的电流设定端通过并联的电流设定电阻(R6)、电流设定消毛刺电容(C10)接地；直流供电电源通过储能电感(L1)连接至升压芯片(U1)的开关输出端SW、输出补偿电容(C6)的一端、整流二极管(D1)的阳极，补偿电容(C6)的另一端通过输出补偿电阻(R2)接地，整流二极管(D1)的阴极与输出滤波电容(C7、C8、C9)的一端组成相对应的单色光LED子阵列的控制电压正端LED1+，输出滤波电容(C7、C8、C9)的另一端接地，升压芯片(U1)的输出端为相对应的单色光LED子阵列的控制电压负端LED1-。
优选地，所述七组独立配置单色光LED子阵列为R-LED、G-LED、B-LED、Y-LED、C-LED、P-LED、O-LED子阵列，分别对应红色LED子阵列、绿色LED子阵列、蓝色LED子阵列、黄色LED子阵列、青色LED子阵列、紫色LED子阵列、橙色LED子阵列；每组LED子阵列分别采用若干颗相应LED芯片串联和/或并联的独立配置方式，从而实现七路光源独立可调，各七路恒流驱动升压电路的输出端LEDi+和LEDi-分别连接至第i路单色LED子阵列的控制电压输入端。
优选地，所述紫色LED子阵列配置的是发射峰值波长在380-400nm的紫光芯片，所述蓝色LED子阵列配置的是发射峰值波长在450-460nm的蓝光芯片，所述青色LED子阵列配置的是发射峰值波长在490-495nm的青色LED，所述绿色LED子阵列配置的是发射峰值波长在515-540nm的绿色LED，所述黄色LED子阵列配置的是发射波长在560-590nm的黄色LED，所述橙色LED子阵列配置的是发射峰值波长在590-613nm的橙色LED，发射波长在625-650nm的深红色LED。
优选地，所述电路还包括调试控制模块，用于通过串口向所述主控模块发送所述调光控制信号。
优选地，所述调试控制模块由电脑和色谱仪实现。
优选地，所述电路还包括：
无线通信模块，用于实现MCU串口与无线网络之间的数组转换；
便携控制模块，用于通过无线网络输出相应的调光控制信号至所述主控模块。
优选地，所述无线网络通过TCP/IP协议经由路由器和网关连接云服务器，接收所述便携控制模块的发送数据，经配对、识别并译码后由所述主控模块输出相应的脉宽调制PWM信号实现七色调光。
优选地，所述调试控制模块或便携控制模块，基于色度坐标与三刺激值的计算公式，构建七色混合光源色度坐标和光亮度的七色混光方程组，并对所述七色混光方程组，选取光效作为主约束条件，计算出各单色光源通道电流占空比的唯一最优解，根据获得的各单色光源通道电流占空比输出相应的调光控制信号至所述主控模块。
优选地，利用线性规划函数寻优并计算出各单色光源通道电流占空比的唯一最优解。
与现有技术相比，本发明一种七基色LED混合光源及其驱动控制电路实现了七基色LED混合光源，其不仅可以涵盖全色域，而且可以表现各种单色光，产生不同效应，可使LED光源能够在节约资源前提下，发光均匀性提高、显色性提高、色温处于理想太阳光范围内，有利于人眼的健康，可灵活地融入家居、商业、户外以及各种特殊照明当中。
附图说明
图1为本发明一种七基色LED混合光源及其驱动控制电路的电路结构图；
图2为本发明具体实施例中第一组恒流驱动升压电路的实现电路图；
图3为本发明具体实施例中基于WiFi的无线通信电路的示意图；
图4为本发明具体实施例中计算电流占空比的实现流程图。
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为本发明一种七基色LED混合光源及其驱动控制电路的电路结构图。如图1所示，本发明一种七基色LED混合光源及其驱动控制电路，包括：主控模块10、恒流型驱动模块(BOOST)20、七色LED阵列30、无线通信模块40、便携控制模块(手机APP)50以及调试控制模块60。
其中，主控模块10为基于MCU/DSP的控制电路，用于接收调光控制信号并转换为对应占空比的七路脉宽调制PWM信号，较佳地，本实施例采用STM32芯片。在本发明中，主控模块10有如下两种工作模式：
控制模式1：通过串口1接收来自手机APP的调光控制信号，并通过内部解码处理转换成对应占空比的七路脉宽调制信号PWM_i，发送给对应通道的BOOST电路用于输出电流的调节，从而实现调光控制；
控制模式2：即调试模式，通过串口2接收来自电脑的调光控制信号，即通过串口助手直接发出七路任意占空比数据，经过MCU/DSP内部程序解码并转换成相应占空比的七路脉宽调制信号PWM_i，发送给对应通道的BOOST电路用于输出电流的调节，便于测试时的调光控制，i＝1,2,……,7；
恒流型驱动模块(BOOST)20，由七组恒流驱动升压电路组成，每组恒流升压电路包括升压芯片U1、上拉电阻R1、上拉滤波电容C4、辅助电源输出入滤波电容C1、第一分压电阻R3、第二分压电阻R4、补偿电阻R5、补偿电容C2、电流设定电阻R6、电流设定消毛刺电容C10、控制电压滤波电容C3、输出补偿电阻R2、输出补偿电容C6、储能电感L1、整流二极管D1以及输出滤波电容C7-C9，用于将直流供电电源的直流(DC)24V电压转换成不超过36V的直流电压并且输出电流可调，用于驱动后级的七色LED阵列30。
如图2所示为第一组恒流驱动升压电路的实现电路图，以第一组恒流驱动升压电路为例，其中+24V为直流电压输入端，PWM_1为接收来自MCU的第一路脉宽调制信号，输出端口LED1+和LED1-为第一路LED子阵列的控制电压，分别接于后级LED阵列的正端和负端；第一路脉宽调制信号PWM_1通过第一分压电阻R3连接至第二分压电阻R4的一端、控制电压滤波电容C3的一端和升压芯片U1的控制输入端EN/DIM(第3脚)，第二分压电阻R4的另一端、控制电压滤波电容C3的另一端接地；升压芯片U1的输入端VIN(第1脚)通过上拉电阻R1连接至直流供电电源+24V并通过上拉滤波电容C4接地，升压芯片U1的辅助电源输出端VCC(第2脚)通过辅助电源输出滤波电容C1接地，升压芯片U1的补偿端(第4脚)通过串联的补偿电阻R5、补偿电容C2接地；升压芯片U1的电流设定端(第5脚)通过并联的电流设定电阻R6、电流设定消毛刺电容C10接地；直流供电电源+24V通过储能电感L1连接至升压芯片U1的开关输出端SW(第8脚)、输出补偿电容C6的一端、整流二极管D1的阳极，补偿电容C6的另一端通过输出补偿电阻R2接地，整流二极管D1的阴极与输出滤波电容C7、C8、C9的一端组成第一路LED子阵列的控制电压正端LED1+，输出滤波电容C7、C8、C9的另一端接地，压芯片U1的输出端LED(第6脚)为第一路LED子阵列的控制电压负端LED1-。
七色LED阵列30由七组独立配置单色光LED子阵列组成，用于在恒流型驱动模块(BOOST)20输出的LED子阵列控制电压的控制下按指定占空比发射指定颜色，具体地，七组独立配置单色光LED子阵列为R-LED、G-LED、B-LED、Y-LED、C-LED、P-LED、O-LED子阵列，分别对应红色LED子阵列、绿色LED子阵列、蓝色LED子阵列、黄色LED子阵列、青色LED子阵列、紫色LED子阵列、橙色LED子阵列(七色LED阵列)；每组LED子阵列分别采用若干颗(例如12颗)LED芯片串联和/或并联(并联支路数可根据实际工作电流确定)的独立配置方式，从而实现七路光源独立可调。在本发明具体实施例中，所述紫色LED子阵列配置的是若干发射峰值波长在380-400nm的紫光芯片，所述蓝色LED子阵列配置的是若干发射峰值波长在450-460nm的蓝光芯片，所述青色LED子阵列配置的是若干发射峰值波长在490-495nm的青色LED，所述绿色LED子阵列配置的是若干发射峰值波长在515-540nm的绿色LED，所述黄色LED子阵列配置的是若干发射波长在560-590nm的黄色LED，所述橙色LED子阵列配置的是若干发射峰值波长在590-613nm的橙色LED，发射波长在625-650nm的深红色LED。
无线通信模块40为任何无线通信电路，用于实现MCU串口与无线网络(Wi-Fi)之间的数组转换，本实施例为基于WiFi的无线通信电路，其由复位电阻R62、复位电容C69、滤波电容C70以及上拉电阻R60、R61、R63、R64组成：WIFI_TXD和WIFI_RXD分别是Wi-Fi模块的串口发送端和接收端，分别与STM32串口1的接收端和发送端相连接，实现MCU串口与Wi-Fi之间的转换。
如图3所示，本发明具体实施例中基于WiFi的无线通信电路的示意图。+3.3V电源连接至无线模组U7(ESP-12F)的电源引脚VCC(第8脚)，滤波电容C70跨接在源引脚VCC(第8脚)和地间，上拉电阻R60、R63、R64、R61分别通用输入输出口GPIO0(第12脚)、GPIO2(第11脚)、GPIO15(第10脚)、频道检测端CH_PD(第3脚)上拉至+3.3V电源，复位电阻R62连接在复位端REST(第1脚)和+3.3V电源间，复位电容C69连接在复位端REST(第1脚)和地间，无线模组U7的串口发送端TXD(第16脚)和接收端RXD(第15脚)分别连接至主控模块10之MCU的串口1(WIFI_TXD、WIFI_RXD)。
便携控制模块(手机APP)50为基于安卓或苹果IOS环境编写，用于搭建调光应用(APP)，无线局域网模块通过TCP/IP协议经由路由器和网关连接云服务器，接收便携控制模块(手机控制终端APP，手机APP)的发送数据，经配对、识别并译码后由主控芯片STM32输出相应的脉宽调制PWM信号实现七色调光。
调试控制模块60由电脑(PC)和色谱仪组成，用于通过串口2向主控模块10发送调光控制信号并显示调光结果。
具体地，主控模块10输出的七路脉宽调制信号PWM_i分别连接至七路恒流驱动升压电路的控制输入端，七路恒流驱动升压电路的输出端LEDi+和LEDi-分别连接至第i路LED子阵列的控制电压输入端；主控模块10同时通过串口1连接至无线通信模块40，无线通信模块40经由无线链路连接至无线局域网，便携控制模块(手机APP)50以无线方式连接至无线局域网，无线局域网经由路由器和网关连接至云服务器，主控模块10还可以通过串口2连接至调试控制模块60以便于调试。
在七基色混合光源中，假设七种基色(深红、橙、黄、绿、青、蓝、紫)的占空比分别为D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7以及对应的最大光通量分别为Y1、Y2、Y3、Y4、Y5、Y6、Y7(需说明的是，Y既是光通量又是三刺激值)；以三色混光方程组为基础，可推导获得七基色的混光方程组：
其中，i代表七基色中的任意一种，Xi、Yi、Zi代表光源i对应的三刺激值，可通过查表获得，而
即x、y为Di的表达式，方程(1)有7个未知量Di，因此，其解具有多值。
最大光通量的约束方程：
又因为Matlab中求解线性规划问题只能求解最小值，因此需要把求取最大光通量的约束方程添加一个负号，即得到如下表达式：
根据目标光源参数，联立方程(1)和(3)，即可求出七路单色光源对应的电流占空比。
在本发明具体实施例中，根据目标光源参数求取各单色光源电流占空比的实现流程如图4所示。基于色度坐标与三刺激值的计算公式，推导出七色混合光源色度坐标和光亮度的数学方程组，即七色混光方程组，给定目标光源参数即目标色温下的色品坐标值，根据七色混光方程求得目标色温时的方程通解，即各单色光源的电流占空比，七色通道采用不同的占空比组合，混合光源会产生不同的光谱功率分布曲线，导致混合光源光效不同。在七色混光方程组中，选取光效作为主约束条件，利用线性规划函数寻优并计算出各单色光源通道电流占空比的唯一最优解，通过积分球光谱测量仪等光学仪器，测量、计算并验证七色混合光源的光效是否满足要求，如满足要求，则存储七路通道相对应的电流占空比数据；如不能满足要求，则重新调整目标光效继续寻优并计算各通道的电流占空比，不断循环直至满足要求，最后主控模块10根据获得的七路通道相对应的电流占空比输出相应的七路脉宽调制信号PWM_i至七路恒流驱动升压电路的控制输入端，从而提高LED光源的光效。
本发明实现的七基色LED混合光源采用的七种单色，不仅可以涵盖全色域，而且可以表现各种单色光，产生不同效应，可使LED光源能够在节约资源前提下，发光均匀性提高、显色性提高、色温处于理想太阳光范围内，有利于人眼的健康，可灵活地融入家居、商业、户外以及各种特殊照明当中。
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 (10)
1.一种七基色LED混合光源及其驱动控制电路，包括：
主控模块，用于接收调光控制信号并转换为对应占空比的七路脉宽调制PWM信号；
恒流型驱动模块，由七路恒流驱动升压电路组成，用于分别将直流供电电源的直流24V电压转换成不超过36V的直流电压并且输出电流可调，用于驱动后级的七色LED阵列；
七色LED阵列，由七组独立配置单色光LED子阵列组成，分别连接相应的恒流驱动升压电路，用于在各恒流驱动升压电路输出的LED子阵列控制电压的控制下按指定占空比发射指定颜色。
2.如权利要求1一种七基色LED混合光源及其驱动控制电路，其特征在于：每路恒流升压电路包括升压芯片(U1)、上拉电阻(R1)、上拉滤波电容(C4)、辅助电源输出入滤波电容(C1)、第一分压电阻(R3)、第二分压电阻(R4)、补偿电阻(R5)、补偿电容(C2)、电流设定电阻(R6)、电流设定消毛刺电容(C10)、控制电压滤波电容(C3)、输出补偿电阻(R2)、输出补偿电容(C6)、储能电感(L1)、整流二极管(D1)以及输出滤波电容(C7-C9)，对应的所述主控模块输出的脉宽调制PWM信号通过第一分压电阻(R3)连接至第二分压电阻(R4)的一端、控制电压滤波电容(C3)的一端和升压芯片(U1)的控制输入端EN/DIM，第二分压电阻(R4)的另一端、控制电压滤波电容(C3)的另一端接地；升压芯片(U1)的输入端VIN通过上拉电阻(R1)连接至直流供电电源并通过上拉滤波电容(C4)接地，升压芯片(U1)的辅助电源输出端VCC通过辅助电源输出滤波电容(C1)接地，升压芯片(U1)的补偿端通过串联的补偿电阻(R5)、补偿电容(C2)接地；升压芯片(U1)的电流设定端通过并联的电流设定电阻(R6)、电流设定消毛刺电容(C10)接地；直流供电电源通过储能电感(L1)连接至升压芯片(U1)的开关输出端SW、输出补偿电容(C6)的一端、整流二极管(D1)的阳极，补偿电容(C6)的另一端通过输出补偿电阻(R2)接地，整流二极管(D1)的阴极与输出滤波电容(C7、C8、C9)的一端组成相对应的单色光LED子阵列的控制电压正端LED1+，输出滤波电容(C7、C8、C9)的另一端接地，升压芯片(U1)的输出端为相对应的单色光LED子阵列的控制电压负端LED1-。
3.如权利要求2一种七基色LED混合光源及其驱动控制电路，其特征在于：所述七组独立配置单色光LED子阵列为R-LED、G-LED、B-LED、Y-LED、C-LED、P-LED、O-LED子阵列，分别对应红色LED子阵列、绿色LED子阵列、蓝色LED子阵列、黄色LED子阵列、青色LED子阵列、紫色LED子阵列、橙色LED子阵列；每组LED子阵列分别采用若干颗相应LED芯片串联和/或并联的独立配置方式，从而实现七路光源独立可调，各七路恒流驱动升压电路的输出端LEDi+和LEDi-分别连接至第i路单色LED子阵列的控制电压输入端。
4.如权利要求3一种七基色LED混合光源及其驱动控制电路，其特征在于：所述紫色LED子阵列配置的是发射峰值波长在380-400nm的紫光芯片，所述蓝色LED子阵列配置的是发射峰值波长在450-460nm的蓝光芯片，所述青色LED子阵列配置的是发射峰值波长在490-495nm的青色LED，所述绿色LED子阵列配置的是发射峰值波长在515-540nm的绿色LED，所述黄色LED子阵列配置的是发射波长在560-590nm的黄色LED，所述橙色LED子阵列配置的是发射峰值波长在590-613nm的橙色LED，发射波长在625-650nm的深红色LED。
5.如权利要求4一种七基色LED混合光源及其驱动控制电路，其特征在于：所述电路还包括调试控制模块，用于通过串口向所述主控模块发送所述调光控制信号。
6.如权利要求5一种七基色LED混合光源及其驱动控制电路，其特征在于：所述调试控制模块由电脑和色谱仪实现。
7.如权利要求4一种七基色LED混合光源及其驱动控制电路，其特征在于，所述电路还包括：
无线通信模块，用于实现MCU串口与无线网络之间的数组转换；
便携控制模块，用于通过无线网络输出相应的调光控制信号至所述主控模块。
8.如权利要求7一种七基色LED混合光源及其驱动控制电路，其特征在于：所述无线网络通过TCP/IP协议经由路由器和网关连接云服务器，接收所述便携控制模块的发送数据，经配对、识别并译码后由所述主控模块输出相应的脉宽调制PWM信号实现七色调光。
9.如权利要求5或7一种七基色LED混合光源及其驱动控制电路，其特征在于：所述调试控制模块或便携控制模块，基于色度坐标与三刺激值的计算公式，构建七色混合光源色度坐标和光亮度的七色混光方程组，并对所述七色混光方程组，选取光效作为主约束条件，计算出各单色光源通道电流占空比的唯一最优解，根据获得的各单色光源通道电流占空比输出相应的调光控制信号至所述主控模块。
10.如权利要求9一种七基色LED混合光源及其驱动控制电路，其特征在于：利用线性规划函数寻优并计算出各单色光源通道电流占空比的唯一最优解。
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