CN112969261A - 一种多路led灯分时驱动电路和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种多路LED灯分时驱动电路，包括电源端、至少两个开关管、至少一组灯组以及驱动芯片；驱动芯片包括至少一组PWM端口组以及至少两个GPIO端口；每个开关管的控制端单独连接一个GPIO端口；各个开关管的输入端同时连接电源端；在每一组灯组中，每颗LED灯中的输入端单独连接一个开关管的输出端，各颗LED灯的输出端同时连接同一组PWM端口组；驱动芯片以分时轮询的方式通过GPIO端口控制对应的开关管接通，使得驱动芯片可以在不同时间段内通过PWM端口组控制对应灯组内的不同颗LED灯。本发明有益效果在于可以通过分时轮询的方式在驱动芯片PWM通道数量不变的情况下，提高可控制点亮的LED灯数量，降低成本。

Description

一种多路LED灯分时驱动电路和方法
技术领域
本发明涉及灯光领域，具体涉及一种多路LED灯分时驱动电路和方法。
背景技术
多色氛围灯是一种应用于汽车内部，打造温馨舒适的车内空间，用于烘托车内环境氛围的内饰灯。近几年随着RGB氛围灯多样化的发展，车内仪表板、中控、空调出风口、门板、顶棚等部位多色氛围灯的应用需求越来越多。通常在大面积发光区域的位置需要使用多颗RGB-LED灯，而对于动态效果变化的区域则需要每颗RGB-LED灯能够单独调节亮度和切换颜色。
图1为目前对于多组RGB-LED灯的驱动方法，电源VDD给所有RGB-LED供电，多通道RGB驱动芯片U1通过PWM端口对每颗RGB-LED灯中的红、绿、蓝发光灯芯进行单独的控制，实现每颗RGB-LED的亮度和颜色调节。
从图1可看出，每颗RGB-LED灯需要占用RGB驱动芯片中的3个PWM通道。举例来说，一颗18通道的RGB驱动芯片，只能够用于控制驱动6颗RGB-LED灯。当RGB-LED灯的数量继续增多时，要么采用PWM通道更多的驱动芯片要么增加RGB驱动芯片的数量，不管是哪种方案，最终整个系统成本将会大大增加。
发明内容
为避免背景技术的不足之处，本发明提供一种多路LED灯分时驱动电路，可使驱动芯片PWM通道数量不变的情况下，驱动更多的LED灯。
本发明提出的一种多路LED灯分时驱动电路，包括电源端、至少两个开关管、至少一组灯组以及驱动芯片；每组灯组中包括至少两颗RGB-LED灯，灯组中RGB-LED灯的数量等于开关管的数量，单颗RGB-LED灯包括红色发光灯芯、绿色发光灯芯、蓝色发光灯芯、公共输入端以及红芯输出端、绿芯输出端、蓝芯输出端；驱动芯片包括至少一组PWM端口组以及至少两个GPIO端口，PWM端口组的组数大于或等于灯组的组数，每组PWM端口组中的PWM端口的数量为3个，GPIO端口的数量大于或等于开关管的数量；开关管包括输入端、输出端和控制端；每个开关管的控制端单独连接一个GPIO端口；各个开关管的输入端同时连接电源端；在每一组灯组中，每颗RGB-LED灯中的公共输入端单独连接一个开关管的输出端，各颗RGB-LED灯中的各红芯输出端相连并连接一组PWM端口组中的第一PWM端口，各绿芯输出端相连并连接同一组PWM端口组中的第二PWM端口，各蓝芯输出端相连并连接同一组PWM端口组中的第三PWM端口；驱动芯片以分时轮询的方式通过GPIO端口控制对应的开关管接通，使得驱动芯片可以在不同时间段内通过PWM端口组控制对应灯组内的不同颗RGB-LED灯。
在上述驱动电路的基础上，本发明还提出的一种氛围灯总成，包括如上所述的一种多路RGB-LED灯分时驱动电路。
在上述氛围灯总成的基础上，本发明还提出的一种车辆，包括如上所述的一种氛围灯总成。
本发明还提出的一种多路LED灯分时驱动方法，包括：
获取LED灯单次点亮的持续时间；
获取用于控制各个PWM端口的灯光变化周期数据，所述灯光变化周期数据包括与各PWM端口对应的随时间增加而变化的灯光信号，灯光信号变化的间隔时间等于所述持续时间；
获取用于控制各个GPIO端口的开关变化周期数据，所述开关变化周期数据包括与各GPIO端口对应的随时间的增加而变化的开关信号，开关信号变化的间隔时间等于所述持续时间；
根据所述灯光变化周期数据控制各个PWM端口输出对应的灯光信号；单个PWM端口同时连接一组LED灯的所有输出端，该一组LED灯中的每个LED灯的输入端分别连接一个开关管；当灯光变化周期结束后，程序初始化重新开始；
根据所述开关变化周期数据控制各个GPIO端口输出对应的开关信号；当某个GPIO端口输出开关信号使其对应的开关管接通时，同时其余GPIO端口输出开关信号使其对应的开关管断开；当开关变化周期结束后，循环继续新的开关变化周期。
在上述驱动方法的基础上，本发明还提出的一种氛围灯总成，包括用于存储程序的存储器和用于执行所述程序的处理器，所述程序被处理器执行时实现如上所述多路LED灯分时驱动方法的步骤。
在上述氛围灯总成的基础上，本发明还提出的一种车辆，包括如上所述的一种氛围灯总成。
本发明有益效果在于可以通过分时轮询的方式在驱动芯片PWM通道数量不变的情况下，直接将可控制点亮的LED灯数量翻好几倍；或者说，在控制点亮的LED灯数量不变的情况下，可以将原本的多通道驱动芯片替换为通道更少的驱动芯片，降低成本。
附图说明
图1是现有LED灯的驱动电路的示意图。
图2是实施例1两路单色LED灯分时驱动电路的示意图。
图3是实施例2两路RGB-LED灯分时驱动电路的示意图。
图4是实施例3三路RGB-LED灯分时驱动电路的示意图。
图5是实施例4多路LED灯分时驱动方法的流程示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
实施例1，参照附图2，一种两路单色LED灯分时驱动电路，包括电源端、两个开关管、N组灯组以及多通道PWM驱动芯片；每组灯组中包括两颗单色LED灯，单颗单色LED灯包括一个发光灯芯、一个输入端以及一个输出端；驱动芯片包括N个PWM端口以及两个GPIO端口；开关管包括输入端、输出端和控制端；每个开关管的控制端单独连接一个GPIO端口；各个开关管的输入端同时连接电源端；在每一组灯组中，每颗单色LED灯中的输入端单独连接一个开关管的输出端，各颗单色LED灯的输出端同时连接同一个PWM端口；驱动芯片以分时轮询的方式通过GPIO端口控制对应的开关管接通，使得驱动芯片可以在不同时间段内通过PWM端口组控制对应灯组内的不同颗单色LED灯。
本发明的原理主要是应用了人眼的一种性质，当人眼观看物体时，接收物体反射的光线并成像于视网膜上，并由视神经输入人脑，感觉到物体的图像。但当物体移去时，视神经对物体的印象不会立即消失而是保留一段时间，具体保留时间因人而异，普遍在0.1-0.4秒内，人眼的这种性质被称为“视觉暂留现象”。还有一种可以说是视觉暂留现象的另一种表达形式，即闪光融合现象：对于快速闪动的光源，虽然眼睛有视觉暂留，使人感到光源一直在亮着，但闪动频率低于一定数值时，人们会感觉到光源在闪动。通常把这种现象叫频闪。然而当闪动频率高于一定数值时，人们无法再感觉到光源的闪烁，从而认为光源是“稳定”地一直亮着。
本实施例中，驱动芯片以4ms作为一个周期，在第一个周期的前2ms时间段中，驱动芯片通过GPIO1端口控制开关管Q1接通，单色灯L1点亮，通过GPIO2端口控制开关管Q2断开，单色灯L2熄灭；在第一个周期的后2ms时间段中，驱动芯片控制开关管Q1断开，单色灯L1熄灭，控制开关管Q2断开，单色灯L2点亮；然后进入第二个周期，重复第一个周期的步骤，以此类推，持续重复，两个个灯闪烁的频率为500Hz,由于视觉暂留现象，此时对人眼来说单色灯L1和L2都是持续且同时点亮着的。
假设本实施例中的驱动芯片为18通道，如果以现有技术，18通道的驱动芯片只能控制18个单色灯，最终实现18个单色灯点亮的效果；而本实施例却可以通过分时轮询的方式使18通道的驱动芯片控制36个单色灯，最终实现人眼感知36个单色灯点亮的效果，也就是说在驱动芯片成本不变的情况下，直接将可控制点亮的单色灯数量翻倍。或者说，在控制点亮的单色灯数量不变的情况下，可以将原本的多通道驱动芯片替换为通道更少的驱动芯片，降低成本。
实施例2，参照附图3，一种两路RGB-LED灯分时驱动电路，包括电源端、两个开关管、N组灯组以及多通道PWM驱动芯片；每组灯组中包括两颗RGB-LED灯，单颗RGB-LED灯包括红色发光灯芯、绿色发光灯芯、蓝色发光灯芯、公共输入端以及红芯输出端、绿芯输出端、蓝芯输出端；驱动芯片包括N组PWM端口组以及两个GPIO端口，每组PWM端口组中有3个PWM端口；开关管包括输入端、输出端和控制端；每个开关管的控制端单独连接一个GPIO端口；各个开关管的输入端同时连接电源端；在每一组灯组中，每颗RGB-LED灯中的公共输入端单独连接一个开关管的输出端，各颗RGB-LED灯的输出端同时连接同一组PWM端口组，具体的，各颗RGB-LED灯中的各红芯输出端相连并连接一组PWM端口组中的第一PWM端口，各绿芯输出端相连并连接同一组PWM端口组中的第二PWM端口，各蓝芯输出端相连并连接同一组PWM端口组中的第三PWM端口；驱动芯片以分时轮询的方式通过GPIO端口控制对应的开关管接通，使得驱动芯片可以在不同时间段内通过PWM端口组控制对应灯组内的不同颗RGB-LED灯。
本实施例中，驱动芯片以4ms作为一个周期，在第一个周期的前2ms时间段中，驱动芯片通过GPIO1端口控制开关管Q1接通，RGB灯L1点亮，通过GPIO2端口控制开关管Q2断开，RGB灯L2熄灭；在第一个周期的后2ms时间段中，驱动芯片控制开关管Q1断开，RGB灯L1熄灭，控制开关管Q2断开，RGB灯L2点亮；然后进入第二个周期，重复第一个周期的步骤，以此类推，持续重复，此时对人眼来说RGB灯L1和L2都是持续且同时点亮着的。
假设本实施例中的驱动芯片为18通道，如果以现有技术，18通道的驱动芯片只能控制6个RGB-LED灯，最终实现6个RGB-LED灯点亮的效果；而本实施例却可以通过分时轮询的方式使18通道的驱动芯片控制12个RGB-LED灯，最终实现人眼感知12个RGB-LED灯同时点亮的效果，也就是说在驱动芯片成本不变的情况下，直接将可控制点亮的RGB-LED灯数量翻倍。或者说，在控制点亮的RGB-LED灯数量不变的情况下，可以将原本的多通道驱动芯片替换为通道更少的驱动芯片，降低成本。
实施例3，参照附图4，一种三路RGB-LED灯分时驱动电路，包括电源端、三个开关管、N组灯组以及多通道PWM驱动芯片；每组灯组中包括三颗RGB-LED灯，单颗RGB-LED灯包括红色发光灯芯、绿色发光灯芯、蓝色发光灯芯、公共输入端以及红芯输出端、绿芯输出端、蓝芯输出端；驱动芯片包括N组PWM端口组以及两个GPIO端口，每组PWM端口组中有3个PWM端口；开关管包括输入端、输出端和控制端；每个开关管的控制端单独连接一个GPIO端口；各个开关管的输入端同时连接电源端；在每一组灯组中，每颗RGB-LED灯中的公共输入端单独连接一个开关管的输出端，各颗RGB-LED灯的输出端同时连接同一组PWM端口组，具体的，各颗RGB-LED灯中的各红芯输出端相连并连接一组PWM端口组中的第一PWM端口，各绿芯输出端相连并连接同一组PWM端口组中的第二PWM端口，各蓝芯输出端相连并连接同一组PWM端口组中的第三PWM端口；驱动芯片以分时轮询的方式通过GPIO端口控制对应的开关管接通，使得驱动芯片可以在不同时间段内通过PWM端口组控制对应灯组内的不同颗RGB-LED灯。
本实施例中，驱动芯片以6ms作为一个周期，在第一个周期的第一2ms时间段中，驱动芯片通过GPIO1端口控制开关管Q1接通，RGB灯L1点亮，通过GPIO2端口和GPIO3端口分别控制开关管Q2和开关管Q3断开，RGB灯L2和L3熄灭；在第一个周期的第二2ms时间段中，驱动芯片通过GPIO2端口控制开关管Q2接通，RGB灯L2点亮，通过GPIO1端口和GPIO3端口分别控制开关管Q1和开关管Q3断开，RGB灯L1和L3熄灭；在第一个周期的第三2ms时间段中，驱动芯片通过GPIO3端口控制开关管Q3接通，RGB灯L3点亮，通过GPIO1端口和GPIO2端口分别控制开关管Q1和开关管Q2断开，RGB灯L1和L2熄灭；然后进入第二个周期，重复第一个周期的步骤，以此类推，持续重复，此时对人眼来说RGB灯L1、L2和L3都是持续且同时点亮着的。
假设本实施例中的驱动芯片为18通道，如果以现有技术，18通道的驱动芯片只能控制6个RGB-LED灯，最终实现6个RGB-LED灯点亮的效果；而本实施例却可以通过分时轮询的方式使18通道的驱动芯片控制18个RGB-LED灯，最终实现人眼感知18个RGB-LED灯同时点亮的效果。
理论上，分时驱动电路控制的路数可以很多，但实际上受到各种因素的限制，包括电路板的电流电压的安全上限、LED灯点亮持续时间、人眼无法感知频闪的阈值、路数增多后亮度衰减问题。
实施例4，参照附图5，一种多路LED灯分时驱动方法，可应用于实施例1-3所述的分时驱动电路，包括以下步骤：
S1获取LED灯单次点亮的持续时间；持续时间是一个很重要的参数，后续灯光变化周期数据和开关变化周期数据都是以持续时间作为单位时间而进行变化的；同时持续时间和电路驱动的路数决定了LED灯的闪烁频率，闪烁频率越高，人眼感知光源越稳定。
S2获取用于控制各个PWM端口的灯光变化周期数据，所述灯光变化周期数据包括与各PWM端口对应的随时间增加而变化的灯光信号，灯光信号变化的间隔时间等于所述持续时间；如果LED灯是RGB-LED灯，则3个PWM端口为一组，灯光信号就决定了该组PWM端口所连接的RGB-LED灯在某个时间段内的发光颜色；
S3获取用于控制各个GPIO端口的开关变化周期数据，所述开关变化周期数据包括与各GPIO端口对应的随时间的增加而变化的开关信号，开关信号变化的间隔时间等于所述持续时间；GPIO端口的数量、开关管的数量以及每组灯组中LED灯的数量是相同的；
S4根据所述灯光变化周期数据控制各个PWM端口输出对应的灯光信号；单个PWM端口同时连接一组LED灯的所有输出端，该一组LED灯中的每个LED灯的输入端分别连接一个开关管；当灯光变化周期结束后，程序初始化重新开始；
S5根据所述开关变化周期数据控制各个GPIO端口输出对应的开关信号；当某个GPIO端口输出开关信号使其对应的开关管接通时，同时其余GPIO端口输出开关信号使其对应的开关管断开；当开关变化周期结束后，循环继续新的开关变化周期。
假设本实施例方法应用于实施例3的三路RGB-LED灯分时驱动电路中，驱动芯片为18通道的PWM端口：
程序初始化，定时器启动计时，在以持续时间作为单位时间的第一个时间段内，驱动芯片根据所述灯光变化周期数据控制18个PWM端口输出第一时间段对应的灯光信号；驱动芯片根据所述开关变化周期数据控制各个GPIO端口输出对应的开关信号，开关管Q1接通，开关管Q2、Q3断开；此时，第一路的6个RGB-LED灯同时点亮，且每个RGB-LED灯根据3个GPIO端口输出的灯光信号发出红绿蓝颜色混合后的合成光；
在第二个时间段内，驱动芯片控制18个PWM端口输出第二时间段对应的灯光信号；驱动芯片控制3个GPIO端口输出对应的开关信号，开关管Q2接通，开关管Q1、Q3断开；此时，第二路的6个RGB-LED灯同时点亮，且每个RGB-LED灯根据3个GPIO端口输出的灯光信号发出红绿蓝颜色混合后的合成光；
在第三个时间段内，驱动芯片控制18个PWM端口输出第三时间段对应的灯光信号；驱动芯片控制3个GPIO端口输出对应的开关信号，开关管Q3接通，开关管Q1、Q2断开；此时，第三路的6个RGB-LED灯同时点亮，且每个RGB-LED灯根据3个GPIO端口输出的灯光信号发出红绿蓝颜色混合后的合成光；
在后续时间段内，由于灯光变化周期并未结束，驱动芯片继续控制18个PWM端口输出对应时间段对应的灯光信号直到灯光变化周期结束，灯光变化周期结束后程序初始化，灯光变化周期和开关变化周期同时重新开始；而开关变化周期已经结束，重新继续新的开关变化周期，驱动芯片重新控制3个GPIO端口输出对应的开关信号，开关管Q1接通，开关管Q2、Q3断开，如此循环往复；
也就是说每隔三个时间段后，同一路的RGB-LED灯才会点亮，由于每一路RGB-LED灯闪烁的频率高于人眼感知闪烁的阈值，故而人眼可以感知到3路的RGB-LED灯同时点亮，同时还感知到每个RGB-LED灯的颜色在根据时间的变化而变化。本实施例方法特别适合应用于氛围灯中，这类氛围灯往往需要控制很多数量的RGB-LED灯，通过本方法可以明显提高单个驱动芯片可控制RGB-LED灯的数量。
虽然本发明已通过参考优选的实施例进行了描述，但是，本领域普通技术人员应当了解，可以不限于上述实施例的描述，在权利要求书的范围内，可作出形式和细节上的各种变化。

Claims (6)

1.一种多路LED灯分时驱动电路，其特征在于：包括电源端、至少两个开关管、至少一组灯组以及驱动芯片；
每组灯组中包括至少两颗RGB-LED灯，灯组中RGB-LED灯的数量等于开关管的数量，单颗RGB-LED灯包括红色发光灯芯、绿色发光灯芯、蓝色发光灯芯、公共输入端以及红芯输出端、绿芯输出端、蓝芯输出端；
驱动芯片包括至少一组PWM端口组以及至少两个GPIO端口，PWM端口组的组数大于或等于灯组的组数，每组PWM端口组中的PWM端口的数量为3个，GPIO端口的数量大于或等于开关管的数量；
开关管包括输入端、输出端和控制端；每个开关管的控制端单独连接一个GPIO端口；各个开关管的输入端同时连接电源端；
在每一组灯组中，每颗RGB-LED灯中的公共输入端单独连接一个开关管的输出端，各颗RGB-LED灯中的各红芯输出端相连并连接一组PWM端口组中的第一PWM端口，各绿芯输出端相连并连接同一组PWM端口组中的第二PWM端口，各蓝芯输出端相连并连接同一组PWM端口组中的第三PWM端口；
驱动芯片以分时轮询的方式通过GPIO端口控制对应的开关管接通，使得驱动芯片可以在不同时间段内通过PWM端口组控制对应灯组内的不同颗RGB-LED灯。
2.一种氛围灯总成，其特征在于：包括如权利要求1所述的一种多路RGB-LED灯分时驱动电路。
3.一种车辆，其特征在于：包括如权利要求2所述的一种氛围灯总成。
4.一种多路LED灯分时驱动方法，其特征在于，包括：
获取LED灯单次点亮的持续时间；
获取用于控制各个PWM端口的灯光变化周期数据，所述灯光变化周期数据包括与各PWM端口对应的随时间增加而变化的灯光信号，灯光信号变化的间隔时间等于所述持续时间；
获取用于控制各个GPIO端口的开关变化周期数据，所述开关变化周期数据包括与各GPIO端口对应的随时间的增加而变化的开关信号，开关信号变化的间隔时间等于所述持续时间；
根据所述灯光变化周期数据控制各个PWM端口输出对应的灯光信号；单个PWM端口同时连接一组LED灯的所有输出端，该一组LED灯中的每个LED灯的输入端分别连接一个开关管；当灯光变化周期结束后，程序初始化重新开始；
根据所述开关变化周期数据控制各个GPIO端口输出对应的开关信号；当某个GPIO端口输出开关信号使其对应的开关管接通时，同时其余GPIO端口输出开关信号使其对应的开关管断开；当开关变化周期结束后，循环继续新的开关变化周期。
5.一种氛围灯总成，包括用于存储程序的存储器和用于执行所述程序的处理器，其特征在于：所述程序被处理器执行时实现权利要求4所述方法的步骤。
6.一种车辆，其特征在于：包括如权利要求5所述的一种氛围灯总成。
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