CN112638002A - 基于pwm的led照明电路、分时调光电路和控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于PWM的LED照明电路，包括电源、控制电路、LED发光元件，其特征在于：还包括非发光负载元件，所述非发光负载元件与LED发光元件并联，所述电源连接一个恒流源，所述恒流源给LED发光元件和非发光负载元件供电，在恒流源处于电流上升或下降阶段时，所述控制电路控制LED发光元件回路断开、非发光负载元件回路接通；当恒流源的电流处于稳定状态时，控制电路控制非发光负载元件回路断开，LED发光元件回路接通。本发明还包括一种基于PWM的分时调光控制电路和控制方法，本发明能够解决现有技术中光源的亮度和颜色准确度达不到用户需求的问题。

Description

基于PWM的LED照明电路、分时调光电路和控制方法

技术领域

本发明属于影视行业灯光照明领域，更具体地说，涉及一种基于PWM的LED照明电路、分时调光电路和控制方法。

背景技术

目前的彩色灯光照明设备是利用红色绿色蓝色(RGB)三原色的光按照不同的比例混合，输出不同的颜色。为了改善RGB三色的灯珠混成的白光偏色明显，显色指数不高，色温调节范围和准确度的问题，会在RGB三色基础上加一路白光W或者两路高低色温的白光W，形成RGBW、RGBWW的模式，或者加入琥珀色A，即RGBA的模式。而白光灯光照明设备是通过两路高低色温的白光W混光来实现色温调节，即WW模式。不管是用哪种模式，都需要解决灯珠驱动问题，目前在影视行业的灯光照明设备中，最常见的驱动方法是总电源输入后采用多路恒流源分别驱动控制不同颜色的灯珠，利用不同占空比的PWM信号来控制灯珠串的通断，完成灯珠的混光，实现色彩调节。这种方法实现简单，但是为避免多路灯珠串同时工作时电源功率过载，通常设计时要以多路灯珠串单独工作时的最大功率之和作为总的电源功率，就会导致灯光照明设备工作时的实际功率达不到标称的功率，以RGB模式为例，灯光照明设备工作时的实际功率只有标称功率的三分之一。

为了解决上述问题，申请号为201110272764.2的发明专利申请公开了一种LED灯色彩调节驱动器通过时分复用控制模块，将三个色彩对应的光源模组控制信号在时间上进行分割，使它们在任何一个时刻，至多有一个处于高电平,功率输出模块至多一路输出驱动电压或电流，驱动对应的光源模组发光，这样将电源转换器提供的电能依次在不同时间段分配给不同的支路使用。在实施例中提供了一种利用一个恒流驱动器和三个开关控制光源模组通断的方案，说明了可以通过调整光源模组控制信号的高电平时间来混色成不同色彩和亮度状态，并且说明在控制时间T内，各个光源模组控制信号的高电平之间均匀间隔，这样可以进一步保持电源转换器输出功率的平稳性。

但是这种方案在实际应用中由于开关管是存在着响应时间的，也就是在实际高亮状态下一路灯珠串关断到另一路灯珠串接通，这两者之间是存在延时的，在这段延时时间内恒流驱动器的负载是不连续的。在半亮状态下，为了保持电源转换器输出功率的平稳性，各控制信号高电平之间均匀间隔，恒流驱动器的负载也是不连续的。负载不连续会导致恒流驱动器电路中的电感能量泄放异常，从而导致电路工作异常，比如光源模组会出现闪烁或者亮度异常的情况，甚至是电路器件损坏。另外，由于单个恒流源驱动器一直恒流输出，为了保持电源转换器输出功率的平稳性，各控制信号高电平之间的间隔时间不能随意调节，导致这种方案的亮度调节范围有限。

由于负载不连续的原因，当多路PWM分时调光的周期在毫秒级别时，上述因素可以忽略不计，但是在影视行业，需要考虑使专业摄像机的摄影效果无画面闪烁，就要求PWM周期在几十微秒级别及以下，那么负载不连续问题就不能忽略。而且影视行业要求灯光照明设备的亮度能够宽范围平滑调节，而现有技术中的这种技术方案的亮度调节范围有限，达不到影视行业对于灯光亮度的调节要求。

发明内容

1.要解决的问题

针对现有技术中影视照明领域中由于负载不连续导致灯光的亮度、颜色达不到用户需求的问题，本发明提供一种基于PWM的LED照明电路、分时调光方法和系统，进一步地，本发明还能够解决影视照明系统的亮度在宽范围内的调节不够平稳的问题。

2.技术方案

为了解决上述问题，本发明所采用的技术方案如下：一种基于PWM的LED照明电路，包括电源、控制电路、LED发光元件，还包括非发光负载元件，所述非发光负载元件与LED发光元件并联，所述电源连接恒流源，所述恒流源给LED发光元件和非发光负载元件供电，在恒流源处于电流上升或下降阶段时，所述控制电路控制LED发光元件回路断开、非发光负载元件回路接通；当恒流源的电流处于稳定状态时，控制电路控制非发光负载元件回路断开、LED发光元件回路接通。本技术方案通过在恒流源的电流上升或下降阶段，控制非发光负载元件接通以在非恒流阶段消耗电路能量，以避免在该段电流作用于发光元件使灯光照明设备的亮度和颜色的显示和调节会不受PWM信号的控制，进而影响照明设备的亮度和颜色的调节；在电流稳定阶段，再控制发光元件接通，从而使用户能够更加准确地调节灯光的亮度和颜色。

进一步地，所述非发光负载元件为电阻。

进一步地，所述非发光负载元件为2个，其中一个在恒流源的电流上升阶段接通，另一个在恒流源的电流下降阶接通。采用这种技术方案，使电流上升和下降时间分别可控，设计自由度更高，同时电流上升和下降时间更短、热量损耗更低。

本发明还提供一种基于PWM的分时调光控制电路，包括用于给整个电路供电的总电源，还包括：至少两个LED发光元件，恒流源，用于为LED发光元件提供驱动电流；控制模块，用于控制开关电路的通断；开关电路，用于控制恒流源与LED发光元件之间连接的通断；所述恒流源、开关电路和LED发光元件三者串联，所述开关电路包括至少两路开关，每一路开关连接一路LED发光元件，所述控制模块输出PWM控制信号控制开关电路的通断；当LED发光元件在切换时，控制模块控制两路LED发光元件对应的PWM波形部分重叠。本技术方案中，通过控制模块的控制，使两路LED发光元件对应的PWM波形部分重叠，从而在两路LED发光元件切换的瞬间实现电路的负载连续，以解决现有技术中用户在进行灯光的亮度和色彩调节时，光源的亮度和颜色的稳定性达不到用户需求的问题。

进一步地，所述控制模块控制后一路LED发光元件对应的PWM信号输出高电平，然后再控制前一路LED发光元件对应的PWM信号输出低电平，使两路LED发光元件对应的PWM波形部分重叠。在两路LED发光元件切换的瞬间，总是控制后一路LED发光元件对应的PWM信号输出高电平，再控制前一路LED发光元件对应的PWM信号输出低电平，以便在两路LED发光元件切换的瞬间实现电路的负载连续，以解决现有技术中用户在进行灯光的亮度和色彩调节时，光源的亮度和颜色的稳定性达不到用户需求的问题。进一步地，所述恒流源为多个。本技术方案中，设置多个级别的恒流源，一般而言电流最大的是安培级别的恒流源，设置安培级别的恒流源是为了满足灯光系统高亮度的需求，而设置更低更多级别的恒流源是为了满足灯光系统平滑过渡的需求，从而使本发明既能满足用户对灯光的高亮度的要求，在用户进行亮度和色彩的调节时又能够非常平滑地对亮度和色彩进行调节。

进一步地，所述控制模块控制多个开关电路的通断，在单个周期内对多个恒流源分时调用以实现对LED发光元件驱动电流的调节；

或者，控制模块控制多个开关电路的通断，以选择不同电流的恒流源驱动LED发光元件。

在上述两个技术方案中，为了实现亮度的平滑调节，控制模块既可以控制在单个周期内实现对多个恒流源的分时调用，也可以在需要输出不同的亮度时选择不同的恒流源驱动LED发光元件。

进一步地，所述恒流源为两个，其中一个为安培级恒流源，另一个为毫安级恒流源。本技术方案可以只采用两个恒流源，当灯光处于低亮度阶段时，仅有毫安级的恒流源工作；当灯光处于高亮或正常亮度阶段时，安培级恒流源和毫安级恒流源同时工作，采用两个恒流源可以在满足用户对高亮度和亮度平滑调节的需求的同时具有更简单的控制电路和更低的成本。

进一步地，所述控制模块包括用户控制模块和驱动模块，所述用户控制模块用于接收用户的指令并将其转换为PWM信号的高低电平转换的时间点并发送给驱动模块，所述驱动模块包括寄存器和PWM发生器，所述寄存器与PWM发生器相连，所述寄存器接收控制模块发送的PWM信号的高低电平转换的时间点进行保存，然后将其传输给PWM发生器，PWM发生器产生并输出分别控制恒流源和开关电路的PWM信号。

进一步地，还包括非发光负载元件，所述非发光负载元件与LED发光元件并联，在恒流源的电流上升或下降阶段，控制模块控制LED发光元件回路断开、非发光负载元件回路接通；当恒流源的电流稳定时，控制模块控制非发光负载元件回路断开、LED发光元件回路接通。设置非发光负载元件的目的在于解决在恒流源开、关或者切换时，存在电流上升或下降阶段，在这两个阶段，电流是变化的，如果在电流的变化阶段接入LED发光元件会导致用户在进行亮度调节的时候不够准确，从而也会导致颜色的准确度欠缺，本技术方案中的非发光负载元件在电流上升或下降阶段工作，即在电流不稳定的阶段，只有非发光负载元件接通而LED发光元件不接通，当电路稳定时，控制模块再输出PWM信号控制各LED发光元件的亮灭切换，从而解决因电流变化导致的亮度和颜色调节不够准确的问题。

本发明还提供一种基于PWM的分时调光控制方法，用于上述的基于PWM的分时调光控制电路，所述控制方法包括：当LED发光元件切换时，当两路LED发光元件切换时，控制模块控制两路LED发光元件对应的PWM波形部分重叠。两路LED发光元件对应的PWM波形部分重叠使电路负载始终能保持稳定，从而解决现有技术中电路负载不连续，而造成的现有技术中光源的亮度和颜色稳定性达不到用户需求的问题。

进一步的，所述控制模块控制后一路LED发光元件对应的PWM信号输出高电平，然后再控制前一路LED发光元件对应的PWM信号输出低电平。本技术方案中，在进行两路LED发光元件的切换时，总是先打开后一路LED发光元件，然后再关闭上一路LED发光元件，从而解决现有技术中电路负载不连续，而造成的现有技术中光源的亮度和颜色稳定性达不到用户需求的问题。

进一步地，所述控制方法还包括：

S1、所述控制模块接收并将用户输入指令转换成PWM占空比；

S2、PWM占空比信号发送给控制模块中的寄存器，寄存器将接收的PWM占空比信号发送给PWM发生器以产生PWM信号；

S3、控制模块输出PWM信号分别控制LED发光元件和恒流源的切换；

或者，

S1’、所述控制模块接收并将用户输入指令转换成PWM占空比；

S2’、将步骤S1’中的对应LED发光元件的PWM占空比转换成PWM信号高低电平转换对应的时间点；

S3’、所述步骤S2’中每个LED发光元件对应的时间点发送到控制模块中的寄存器，寄存器将存储的时间点发送给PWM发生器以产生PWM信号；

S4’、控制模块输出PWM信号分别控制LED发光元件和恒流源的切换。

控制模块在接收用户输入指令后转换成PWM占空比后得到PWM信号有两种方案，一种是利用PWM发生器直接产生PWM信号，另一种是将PWM占空比转换成PWM信号高低电平转换对应的时间点，并将各时间点存储起来，然后发送给PWM发生器，PWM发生器根据高低电平转换对应的时间点生成PWM信号，与前一种技术方案相比，后一种技术方案占用的芯片逻辑资源少、可移植性高，而且可以根据恒流源和开关电路的改变，相应地改变PWM的信号，更灵活。

进一步地，在恒流源的电流上升和下降阶段，控制模块控制LED发光元件回路断开、非发光负载元件回路接通；当电流稳定时，控制模块控制非发光负载元件回路断开、LED发光元件回路闭合。

3.有益效果

相比于现有技术，本发明的有益效果为：

(1)本发明能够解决多路PWM分时调光电路中由于负载不连续问题导致灯光的亮度、颜色达不到用户需求的问题，采用本发明的灯光照明设备的颜色稳定性和准确度更高，能够实现更丰富、更准确的色彩；

(2)本发明能够解决在单个恒流源驱动PWM分时调光电路中亮度调节范围有限的问题，使亮度宽范围平滑调节，不存在突变问题。

附图说明

图1为本发明的系统原理框图；

图2为图1的简化原理框图(将多串灯珠简化为一串)；

图3为图2的时序图；

图4为图1的时序图；

图5本发明在RGBW模式下的系统原理框图；

图6为本发明在RGBW模式下的等效电路图；

图7为本发明在某种橙色最大亮度的时序图；

图8为本发明在某种橙色30％亮度的时序图；

图9为本发明的实施例2的系统原理框图；

图10为本发明的实施例2的等效电路图；

图11为本发明的实施例3的原理框图；

图12为图11的负载简化原理框图；

图13为本发明中单周期内对多级电源分时调用的时序图；

图14为本发明在不同亮度等级下单独使用某一级电源的时序图；

图15为本发明在亮度持续调节过程中产生的多级电源时序图；

图16为本发明的实施例3的时序图；

图17为本发明的实施例4的系统原理框图；

图18为图17的时序图；

图19为本发明中控制模块的原理框图之一；

图20为本发明中用户控制模块的处理流程图；

图21为本发明中PWM占空比转换成时间点的原理示意图；

图22为本发明中同步器的作用示意图；

图23为本发明中的控制模块的原理框图之二；

图24为本发明中的控制模块的原理框图之三(用户控制模块集成在驱动模块内)；

图中：1：总电源；2：第一恒流源；3：控制模块；4：第二恒流源；5：多级调节电路；6：用户控制模块；7：驱动模块；8：寄存器；9：同步器；10：PWM发生器；11：电源转换模块。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进一步进行描述，在下面的实施例中，LED发光元件为灯珠串。

实施例1

如图1所示的多路PWM分时调光系统，包括总电源1，第一恒流源2，控制模块3，开关电路K、K1、K2、K3……Kn，非发光负载元件LD，也称为假负载LD，在说明书附图中以假负载LD表示，灯珠串CH1、CH2、CH3……CHn。总电源1可以是AC或DC的外部电源输入，需要说明的是，因为LED灯珠是非线性元件，在导通情况下，电压稍微增加，电流就会明显增加，容易过流，所以需要第一恒流源2的存在，总电源1输入后经过第一恒流源2，AC-DC或者DC-DC转换形成恒流输出，驱动多路灯珠串发光。灯珠串CH1、CH2、CH3……CHn的数量由系统选择的调光模式决定，可以是RGB、RGBW、RGBWW、RGBA、WW等模式。例如选择RGBW模式的话，灯珠串的数量就是4路，本实施例中，CH1为红光灯珠串，CH2为绿光灯珠串，CH3为蓝光灯珠串，CH4为白光灯珠串。非发光负载元件LD一般选择非发光的耗能器件，如电阻等，非发光负载元件LD在恒流源电流上升下降阶段接通，用于在非恒流阶段消耗电路能量，避免这两个阶段作用于灯珠串，影响灯光照明设备的亮度和颜色。由于恒流源的上升和下降阶段电流处于变化的状态，如果在这两个阶段灯珠串导通，则灯光照明设备的亮度和颜色的显示和调节会不受PWM信号的控制，对于影视照明领域来说，亮度和颜色就不够准确，因此要尽量避免在这两个阶段接入灯珠串。开关电路K1、K2、K3……Kn的数量和灯珠串的数量对应，即一路开关电路控制一个灯珠串，以实现灯珠串的分时控制。另有一路开关电路K用于控制非发光负载元件LD的通断。具体实施时，开关电路K、K1、K2、K3……Kn可以由MOSFET、IGBT、三极管、GaN场效应管或高速继电器等实现，控制模块3用于输出使能信号EN和PWMK、PWMK1……PWMKn信号，使能信号EN是第一恒流源2的使能信号，PWMK、PWMK1……PWMKn信号用于控制开关电路K、K1、K2、K3……Kn的通断，控制模块3的供电由总电源通过AC-DC或DC-DC实现(图中未示出)。控制模块3可以由MCU、CPLD、FPGA或DSP等逻辑控制芯片来实现。

为了便于描述非发光负载元件LD的作用，我们在描述的时候将图1的灯珠串CH1、CH2、CH3……CHn简化为图2的灯珠串CH。影视行业的摄像机摄影机的快门速度一般在微秒级别，而拍摄时可能会选择不同的帧率，对于帧率更高或快门速度更极端的情况，为了达到影视行业在进行摄影拍摄时，灯光无闪烁的要求，对周期时间T的设定必须要满足要求，周期时间T指的是所有的灯珠串CH1、CH2、CH3……CHn都经过一亮一灭的总时间加上非发光负载元件LD的接通时间和恒流源关断时间。在本实施例中，可以选取周期时间T为50us，具体实施时，可以根据具体的摄像机摄影机的快门速度和拍摄的帧率来确定周期时间T的长短，但周期时间T必须要小于快门速度，才能使灯光的调节能够满足影视行业的高要求。为了保证灯光照明设备在非最大亮度情况下，第一恒流源2的负载连续，在所有灯珠串CH1、CH2、CH3……CHn依次点亮后需要关断第一恒流源2。如图2、图3所示，在周期时间T(也可以说是周期T)内，控制模块3输出使能信号EN控制第一恒流源2输出电流I，由于第一恒流源2电路中电感的存在，其输出的电流不能突变，即电流不能在瞬间从0到1，或从1到0，其存在着上升和下降阶段，在这两个阶段第一恒流源2的输出电流是在不断变化的，输出电流的变化会导致用户在进行亮度调节的时候不够准确，从而也会导致显示的颜色不准确。因此灯珠串CH的通断需要避开这两个阶段。为了使这两个阶段第一恒流源2的电感能量能够正常泄放，就需要额外的非发光耗能器件来充当临时负载，也就是本发明所说的非发光负载元件LD。非发光负载元件的选择一般是耗能的非发光器件，常见的如电阻。在恒流源的电流上升、下降的两个阶段，控制模块3输出PWMK信号控制开关电路K接通，打开非发光负载元件LD，此时电路只有非发光负载元件LD在工作。在电流平稳恒流输出后，PWMK信号控制开关电路K断开，关闭非发光负载元件LD，输出PWMKch信号控制开关电路Kch接通，打开灯珠串CH，在灯珠串CH调节过程中保持第一恒流源2连续恒流输出。

由于非发光负载元件LD和灯珠串CH是通过开关电路K和Kch实现通断的，而开关电路存在一个开关速度的问题，为了避免因开关电路的开关速度给灯光设备造成影响，本发明采用控制模块3提前t1时长输出PWMK信号高电平，来控制开关电路K接通，延时t1时长输出PWMK信号低电平，控制开关电路K断开，如图3所示。在单个周期时间T的第一恒流源2关断阶段，由于第一恒流源2已经被控制模块3输出的使能信号EN关闭了，所以t3时间段不是必须存在的。t1、t3时长一般是根据控制开关电路K和Kch特性决定的。例如，开关电路K和Kch由MOSFET AON7534实现，其理论接通时间为8.8ns，断开时间为22.3ns，那么t1和t3时长就可设置为30ns。本发明采用的上述方法能够解决因开关响应时间和恒流源周期性的上升下降问题导致的电路负载不连续，从而导致的灯光的亮度、颜色不稳定，达不到用户需求的问题。

如图1所示的调光系统，假设所需要的灯光色彩需要在周期时间T内点亮灯珠串CH1、CH2、CH3……CHn的时长分别为D1、D2、D3……Dn，那么整个系统的时序图就如图4所示。在非发光负载元件LD和灯珠串CH1切换的瞬间，控制模块3控制使两路LED发光元件对应的PWM波形部分重叠，从而在两路LED发光元件切换的瞬间实现电路的负载连续，本实施例采用的方式为控制模块3在输出PWMK信号低电平前提前t1时长输出PWMK1信号高电平，控制开关电路K1接通，点亮灯珠串CH1；t1时长后再输出PWMK信号低电平，控制开关电路K断开。在灯珠串CH1和灯珠串CH2切换的瞬间，控制模块3在输出PWMK1信号低电平前提前t1时长输出PWMK2信号高电平，控制开关电路K2接通，点亮灯珠串CH2；t1时长后再输出PWMK1信号低电平，控制开关电路K1断开，关闭灯珠串CH1。依次类推，在两路灯珠串切换的瞬间，控制模块3总是在先控制后一路灯珠串对应的PWM信号输出高电平，再控制前一路灯珠串对应的PWM信号输出低电平(本发明中所说的前一路指的是在两路灯珠串切换之前点亮的那一路灯珠串，后一路指的是在两路灯珠串切换之后点亮的那一路灯珠串)。这样做的目的就是为了在两路灯珠串切换的瞬间让电路负载连续，恒流源能够连续输出电流I，稳定灯珠串的亮度和颜色。从而通过灯珠串占空比之和调节亮度，通过各灯珠串占空比的比例调节色彩，也就是改变D1、D2、D3……Dn的时长就能实现颜色和亮度的调节。

本发明所述的控制模块3控制PWM信号采用正逻辑，以高电平为有效，控制恒流源2驱动灯珠串CH发光，具体实施时，也可以采用负逻辑，以低电平为有效，或者采用正负逻辑混合的方式。

下面以RGBW模式为例描述调光系统的颜色和亮度调节，如图5所示，总电源1为DC48V输入，第一恒流源2为典型的DC-DC BUCK电路，输出恒流值5A，电路开关频率1MHz，电路等效为图6所示，Vin＝48V，第一恒流源2的电感L＝10uH，输出为4组14串的灯珠串，非发光负载元件LD为电阻Rld，参考灯珠串的电压典型值Vout＝3V×14＝42V(不同颜色的各灯珠电压值不同，选取典型的电压值3V带入计算)和电流值(5A)，等效电阻值为8.4Ω。由于DC-DC BUCK电路本身的震荡存在，实际上第一恒流源2的上升阶段的时间计算为电流从0％上升至90％所用时间，下降阶段的时间计算为电流从100％至下降至10％所用时间。在第一恒流源2的电流上升阶段

电流I(A)和时间t(us)关系为

控制模块3输出使能信号EN控制第一恒流源2打开后，电流从0％上升至90％所用时间tp约为1.84us。在第一恒流源2的电流下降阶段

电流I(A)和时间t(us)关系为I＝5×e^-0.84t，控制模块3输出使能信号EN控制第一恒流源2关断后，电流从100％至下降至10％所用时间td约为2.74us。调光系统周期时间T为50us，那么我们可以设定灯珠串总的打开时间45us为100％亮度的实现方式，剩余5us为非发光负载元件LD和关断时间。所有灯珠串的打开时间总和不超过45us。如上文所述，设定相邻的两个通道(包括非发光负载元件LD)同时打开的重合时间t1为30ns，占45us的0.0067％，计算占空比时可以忽略不计。在单个周期时间T内，所有灯珠串打开的时长总和决定了光源的总亮度，不同颜色灯珠串的时长比例决定了光源的颜色。如图7和图8所示，实现某种橙色需要红光R和绿光G的占空比比例为3：2，那么该橙色最大亮度的实现方式为单个周期内打开红光灯珠串R27us和绿光灯珠串G18us。该橙色30％亮度的实现方式为单个周期内打开红光灯珠串R8.41us和绿光灯珠串G5.4us。如图8所示，在亮度非最大情况下，还是依次点亮所需灯珠串，调节过程中保持第一恒流源2连续输出，在灯珠串依次点亮完成后，通过使能信号EN及时关断第一恒流源2，避免了第一恒流源2的负载不连续的问题，保证了颜色显示的稳定性和准确性。

实施例2

由于电感电流变化率的计算公式为ΔI/Δt＝ΔU/L。在任意DC-DC或AC-DC的电源拓扑模型中，电流上升和下降区间的ΔU是不同的，仅用一个非发光负载元件会使电流上升或下降时间较长，非发光负载元件的功率损耗也会较大。因此使用两个非发光负载元件是更加优化的设计，如图9所示。电路等效图为图10，在电流上升阶段，ΔI/Δt＝ΔU/L≈(Vin-I×Rld1)/L，因此Rld1越小电流上升越快，Rld1可以取mΩ等级的小值电阻；在电流下降阶段，ΔI/Δt＝ΔU/L≈I×Rld2/L，因此Rld2越大电流下降越快，Rld2可以取正常工作时的Vout/I。同实施例1，总电源1为DC48V输入，第一恒流源2为典型的DC-DC BUCK电路，输出恒流值5A，电路开关频率1MHz，Vin＝48V，第一恒流源2的电感L＝10uH，输出为4组14串的灯珠串，两个非发光负载元件分别为Rld1和Rld2，其中，Rld1为1mΩ的功率电阻(接通时约等于短路)，Rld2为10Ω的功率电阻；其中，ΔI为电感电流的变化量，Δt为时间的变化量，ΔU为电感电压的变化量，L为电感的感值，I为电感电流，Rld1为非发光负载元件LD1的电阻值，Rld2为非发光负载元件LD2的电阻值，Vin为总电源的直流输入电压，Vout为系统负载电路的输出电压。

与实施例1中的一个非发光负载元件相比，本实施例中的两个非发光负载元件有如下几个

优势：

(1)电流上升和下降时间分别可控，设计自由度更高。

(2)电流上升和下降时间更短，第一段电流从0％上升至90％时长

第二段电流I(A)和时间t(us)关系为I＝5e^-t，计算得电流从100％下降至10％的时长为2.3us。

(3)热量损耗更低。

在实施例1中，非发光负载元件的热量损耗功率估算公式为：

本实施例的两个非发光负载元件损耗可忽略电流上升阶段的Rld1，主要损耗在电流下降阶段的Rld2，因此实施例2中的非发光负载元件的热量损耗功率估计为：

相比实施例1，实施例2具有更低的热量损耗。

实施例3

实施例1和实施例2的亮度调节，都是通过控制模块3输出的各路灯珠串PWM信号的占空比时长总和来调节，这个亮度调节的范围还是有限。要想调整亮度最直接的办法就是降低流经灯珠的电流，因此为了提高灯光照明系统的调光精度，能够平滑地调节亮度，有必要对其中的电流源进行改进。

如图11所示，总电源1可以是AC或DC的外部电源输入，总电源1输入后经过开关电路S1、S2……Sn选择不同的恒流源A1、A2……An，AC-DC或者DC-DC转换形成多级恒流输出，驱动多路灯珠串发光。恒流源A1、A2……An输出不同的电流值I1、I2……In，例如5A、1A、0.2A、0.04A……或者4A、0.4A、0.04A……等设置，总之，恒流源A1、A2……An输出的电流值可以呈等比数排列或者以其他方式实现安培级到毫安级的过渡，这样设置的目的在于能够同时满足影视照明领域灯光系统的高亮度和灯光调节平滑过渡的问题，更具体地说，电流值为安培级别的恒流源是为了满足灯光系统高亮度的需求，而电流值为毫安级别的恒流源是为了满足灯光系统平滑过渡的需求，从而使本发明既具有高亮度又能够非常平滑地对亮度进行调节。控制模块3一方面输出PWMS1、PWMS2……PWMSn信号用于控制开关电路S1、S2……Sn的通断，从而实现对恒流源的控制；同时还输出PWMK1、PWMK2……PWMKn信号用于控制开关电路K1、K2……Kn的通断，从而控制灯珠串CH1、CH2……CHn的通断，即本实施例通过调节两组PWM信号来控制灯光颜色和亮度的改变。开关电路S1、S2……Sn可以由MOSFET、IGBT、三极管、GaN场效应管或高速继电器等实现。

为了便于描述控制模块3对多级恒流源的控制，将图11的多路灯珠串和非发光负载元件简化为如图12所示的灯珠串CH，并且假设恒流源和开关电路为理想状态，即不存在电流的上升和下降阶段或开关延时等问题。多级恒流源的工作方式有两种，一种是在单周期T内对多级电源分时调用，时序如图13所示，控制模块3通过PWMS1、PWMS2……PWMSn信号控制开关电路S1、S2……Sn的通断，在单个周期T内实现对恒流源A1、A2……An分时调用，所谓在单个周期T分时调用，即在单个周期T内，通过在不同的时间段调用不同的恒流源来控制PWMS1、PWMS2……PWMSn的占空比配比，就能实现对灯珠串CH驱动电流的调节，从而实现亮度的平滑调节。另一种是在不同亮度等级单独使用某一级电源，时序如图14所示，控制模块3通过PWMS1、PWMS2……PWMSn信号控制开关电路S1、S2……Sn的通断，在不同亮度时选择不同的恒流源驱动灯珠串CH，实现亮度平滑调节。如图15所示的是在亮度持续调节过程产生的时序图。

如图11所示的多级恒流源PWM分时调光系统，假设多级恒流源按照上述不同亮度选择不同恒流源驱动的方式工作，灯光色彩的PWM配比需要在周期T内点亮灯珠串CH1、CH2、CH3……CHn分别为D1、D2、D3……Dn时长，对该色彩亮度从最亮到最暗平滑调节，那么整个系统的时序图就如图16所示(省去了PWMS1、PWMS2……PWMSn)的时序图。

实施例4

本实施例是实施例3的特殊形态，即在实施例3中恒流源为多个，本实施例采用两个恒流源。如图17所示，总电源1输入后分成两路，一路经过电源转换模块11做AC-DC或者DC-DC转换成直流电源，再经过电阻，该部分可以等效为第二恒流源4，输出恒定电流i；另一路如实施例1，经过第一恒流源2后输出恒定电流I。电源转换模块11还需要给控制模块3供电。第二恒流源4和第一恒流源2并联驱动灯珠串CH1、CH2……CHn和非发光负载元件LD。第一恒流源2用于灯光设备的高电流阶段，电流I一般为安培级别；第二恒流源4用于灯光设备的低电流阶段，电流i一般为几十mA，即毫安级别。需要说明的是，控制模块3在控制两个灯珠串之间的切换时，实施例3、实施例4的高电流阶段与实施例1相同，控制模块3总是在先控制后一路灯珠串对应的PWM信号输出高电平，再控制前一路灯珠串对应的PWM信号输出低电平。

时序图如图18所示，使能信号EN控制第一恒流源2打开时，灯光照明设备工作在正常亮度阶段，时序和实施例1的图4类似。当使能信号EN控制第一恒流源2关闭后，只有第二恒流源4工作，灯珠串的驱动电流i只有毫安级别，灯光照明设备工作在低亮度阶段，第二恒流源4本身输出的能量就比较低，而且对于电源转换模块11而言，其负载电阻和控制模块3一直连续工作，此时的PWMK1、PWMK2……PWMKn信号无需提前输出高电平。

无论是实施例1还是实施例2、实施例3和实施例4，都涉及到PWM信号时序问题。PWM信号由控制模块3产生。如图19、图23和图24所示，控制模块3包括用户控制模块6和驱动模块7组成。驱动模块7内部包括寄存器8、同步器9和PWM发生器10。用户控制模块6和驱动模块7之间通过SPI接口传递信号。用户控制模块6负责将用户操作的结果转换成PWM占空比发送给驱动模块7，如图20所示的用户控制模块6的流程图所示，S1：用户操作，用户通过调整灯光照明设备的HSI参数调整需要的灯光色调、亮度和色温，用户控制模块6会将HSI参数转换成调光模式对应的各路灯珠串的数值，例如RGBWW或者RGB数值；S2：数值转PWM占空比，将各灯珠串的数值转换成对应的PWM占空比；上述S1和S2都是现有技术，不再赘述；S3：PWM占空比转时间点，即将对应灯珠串的PWM占空比转换成PWM信号高低电平对应的时间点；S4：发送，将S3得到的时间点发送到驱动模块7的寄存器8中保存。在步骤S3中，需要把PWM占空比转换成PWM高低电平变换对应的时间点，以实施例1的简化时序图，即图3为例，其标注的时间点如图21所示。在图21中，涉及到3路PWM信号8个时间点，依次是Reg1、Reg2、Reg3、Reg4、Reg5 Reg6、Reg7、Reg8，由于非发光负载元件LD最先打开，那么PWMK信号第一时间高电平输出，那么Reg1的时间点可以设置为0，也就是在0时间点PWMK信号需要由低电平变化为高电平，t1时间后打开第一恒流源2，使能信号EN高电平输出，那么Reg2的时间点就是0+t1，也就是在0+t1时间点使能信号EN需要由低电平变化为高电平。由于非发光负载元件LD的持续时间和第一恒流源2的电流上升、下降时间有关，而电流上升、下降时间由第一恒流源2的电路决定，取决于电感的电压电流大小，假设上升时间为tp，下降时间为td，那么Reg4的时间点就是tp+2t1，也就是在tp+2t1时间点PWMK信号需要由高电平变化为低电平。第一恒流源2稳定输出后就可以打开灯珠CH，PWMch信号高电平输出，Reg3的时间点就是Reg4-t1，也就是在tp+t1时间点PWMch信号需要由低电平变化为高电平。PWMch的高电平时间由PWM占空比算出，假设为D，那么Reg6的时间点就是Reg3+D，也就是在tp+t1+D时间点PWMch信号需要由高电平变化为低电平。Reg7的时间点等于Reg6，也就是在tp+t1+D时间点使能信号EN需要由高电平变化为低电平。Reg5的时间点就是Reg7-t1，也就是在tp+D时间点PWMK信号需要由低电平变化为高电平。Reg8的时间点就是Reg7+td+t1，也就是在tp+D+td+2t1时间点PWMK信号需要由高电平变化为低电平。

得到PWM信号相应的时间点后，用户控制模块6把时间点发送到寄存器8。寄存器8将时间点发送同步器9，再由同步器9发送到PWM发生器10，PWM发生器10根据寄存器8接收的时间点产生PWM信号。当然，也可以由用户控制模块6的步骤S2产生占空比送到寄存器8，再由PWM发生器10产生PWM信号。但PWM信号只随占空比改变而改变，一旦电路参数变动了，驱动模块7就不能适用了，可移植性差。而通过时间点产生PWM信号的话，PWM信号随时间点改变而改变，不管是用户还是生产厂家都可以根据电路参数的改变来改变PWM信号，例如，提供t1时长更短的精准模式供用户或者厂内调试选择。例如，第一恒流源2或者第二恒流源4的参数改动了，也只需要改变时长tp和td的值，驱动模块7可以适应不同的电路参数。同步器9的作用如图22所示，假设用户在箭头所示的时间点F调整灯光照明设备的HSI，按照正常步骤，在时间点F就应该调整PWMK1的时间点C，因为E的时间点和C相关，E的时间点就应该同步做调整，依次需要同步调整多路PWM波形，但是实际情况下由于PWM信号时间点是顺序产生，串行发送到寄存器8的，控制模块3，做不到同时调整多路PWM波形。就需要先将调整后的PWM信号时间点缓存在寄存器8中，再经过同步器9，在单个周期T结束后再将时间点发送到PWM发生器10，在下一个周期T再产生调整后的PWM信号。

当然，具体实施时，同步器9不是必须存在的，如图23所示，在实际使用中同步器9的功能可以在PWM发生器10中实现。另外只要驱动模块7的资源足够多，用户控制模块6的功能也可以在驱动模块7中实现，即，可以将用户控制模块6设置在驱动模块7中，如图24所示。

采用本发明的技术方案，在一个周期内，对单个恒流源实现使能控制，利用占空比之和调节亮度时，各PWM信号持续输出，调节过程中保持恒流源连续输出，在调节完成后关断恒流源；在多路PWM分时调光任意两路灯珠串切换的瞬间，先打开需要接通的那一路灯珠串，再关闭之前的灯珠串，消除正常切换存在的延时，保证系统总电流的连续性。

Claims (14)

1.一种基于PWM的LED照明电路，包括电源、控制电路、LED发光元件，其特征在于：还包括非发光负载元件，所述非发光负载元件与LED发光元件并联，所述电源连接恒流源，所述恒流源给LED发光元件和非发光负载元件供电，在恒流源处于电流上升或下降阶段时，所述控制电路控制LED发光元件回路断开、非发光负载元件回路接通；当恒流源的电流处于稳定状态时，控制电路控制非发光负载元件回路断开、LED发光元件回路接通。

2.根据权利要求1所述的基于PWM的LED照明电路，其特征在于：所述非发光负载元件为电阻。

3.根据权利要求1或2所述的基于PWM的LED照明电路，其特征在于：所述非发光负载元件为2个，其中一个在恒流源的电流上升阶段接通，另一个在恒流源的电流下降阶接通。

4.一种基于PWM的分时调光控制电路，包括用于给整个电路供电的总电源，其特征在于：还包括：至少两个LED发光元件，

恒流源，用于为LED发光元件提供驱动电流；

控制模块，用于控制开关电路的通断；

开关电路，用于控制恒流源与LED发光元件之间连接的通断；

所述恒流源、开关电路和LED发光元件三者串联，所述开关电路包括至少两路开关，每一路开关控制一路LED发光元件，所述控制模块输出PWM控制信号控制开关电路的通断；当两路LED发光元件在切换时，控制模块控制两路LED发光元件对应的PWM波形部分重叠。

5.根据权利要求4所述的基于PWM的分时调光控制电路，其特征在于：所述控制模块控制后一路LED发光元件对应的PWM信号输出高电平，然后再控制前一路LED发光元件对应的PWM信号输出低电平，使两路LED发光元件对应的PWM波形部分重叠。

6.根据权利要求4所述的基于PWM的分时调光控制电路，其特征在于：所述恒流源为多个。

7.根据权利要求6所述的基于PWM的分时调光控制电路，其特征在于：所述控制模块控制多个开关电路的通断，在单个周期内对多个恒流源分时调用以实现对LED发光元件驱动电流的调节；

或者，控制模块控制多个开关电路的通断，以选择不同电流的恒流源驱动LED发光元件。

8.根据权利要求4所述的基于PWM的分时调光控制电路，其特征在于：所述恒流源为两个，其中一个为安培级恒流源，另一个为毫安级恒流源。

9.根据权利要求4-8中任一权利要求所述的基于PWM的分时调光控制电路，其特征在于：所述控制模块包括用户控制模块和驱动模块，所述用户控制模块用于接收用户的指令并将其转换为PWM信号的高低电平转换的时间点并发送给驱动模块，所述驱动模块包括寄存器和PWM发生器，所述寄存器与PWM发生器相连，所述寄存器接收控制模块发送的PWM信号的高低电平转换的时间点进行保存，然后将其传输给PWM发生器，PWM发生器产生并输出分别控制恒流源和开关电路的PWM信号。

10.根据权利要求4-8中任一权利要求所述的基于PWM的分时调光控制电路，其特征在于：还包括非发光负载元件，所述非发光负载元件与LED发光元件并联，在恒流源的电流上升或下降阶段，控制模块控制LED发光元件回路断开、非发光负载元件回路接通；当恒流源的电流稳定时，控制模块控制非发光负载元件回路断开、LED发光元件回路接通。

11.一种基于PWM的分时调光控制方法，其特征在于：用于权利要求4-10中任一权利要求所述的基于PWM的分时调光控制电路，所述控制方法包括：当两路LED发光元件切换时，控制模块控制两路LED发光元件对应的PWM波形部分重叠。

12.根据权利要求11所述的基于PWM的分时调光控制方法，其特征在于：所述控制模块控制后一路LED发光元件对应的PWM信号输出高电平，然后再控制前一路LED发光元件对应的PWM信号输出低电平。

13.根据权利要求11所述的基于PWM的分时调光控制方法，其特征在于：所述控制方法还包括：

S1、所述控制模块接收并将用户输入指令转换成PWM占空比；

S2、PWM占空比信号发送给控制模块中的寄存器，寄存器将接收的PWM占空比信号发送给PWM发生器以产生PWM信号；

S3、控制模块输出PWM信号分别控制LED发光元件和恒流源；

或者，

S1’、所述控制模块接收并将用户输入指令转换成PWM占空比；

S2’、将步骤S1’中的对应LED发光元件的PWM占空比转换成PWM信号高低电平转换对应的时间点；

S3’、所述步骤S2’中每个LED发光元件对应的时间点发送到控制模块中的寄存器，寄存器将存储的时间点发送给PWM发生器以产生PWM信号；

S4’、控制模块输出PWM信号分别控制LED发光元件和恒流源的切换。

14.根据权利要求11、12或13所述的基于PWM的分时调光控制方法，其特征在于：在恒流源的电流上升和下降阶段，控制模块控制LED发光元件回路断开、非发光负载元件回路接通；当电流稳定时，控制模块控制非发光负载元件回路断开、LED发光元件回路闭合。

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