CN115002959A - 一种数字调光led灯驱动电路 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种数字调光LED灯驱动电路，涉及LED灯驱动电路技术领域，包括电源模块和相应于LED灯设置的调光模块，调光模块包括解调单元、升压恒压单元和恒流斩波单元，电源模块用于将市电转换为直流电后输出给解调单元，还用于接收外部的调光信号并调制转换为数字信号；解调单元与电源模块连接，用于接收所述数字信号并解调，恒流斩波单元与解调单元连接，升压恒压单元和恒流斩波单元均与LED灯连接，使LED灯的电压和电流恒定，用于根据解调后的信号调整LED灯的亮度，并且使LED灯的亮度从1％‑100％都一致，使LED灯可适应的输入电压范围更宽，从原来的36‑54V拓展到了20‑60Vdc,可应用到150米长的养殖舍，实现全养殖舍长度覆盖。

Description

一种数字调光LED灯驱动电路

技术领域

本发明涉及LED灯驱动电路技术领域，更具体的说，本发明涉及一种数字调光LED灯驱动电路。

背景技术

养禽业中广泛应用了LED灯，传统的直流48V LED灯电路在养殖舍内的灯线长度超过一定长度时，比如120米时，由于低压大电流会导致线材压降大，在100％亮度时，前端和尾端区域的LED灯的灯光亮度差异特别大，从而影响用户的养殖效益。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种数字调光LED灯驱动电路。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种数字调光LED灯驱动电路，其改进之处在于：包括电源模块和相应于LED灯设置的调光模块，调光模块包括解调单元、升压恒压单元和恒流斩波单元，电源模块用于将市电转换为直流电后输出给解调单元，还用于接收外部的调光信号并调制转换为数字信号；解调单元与电源模块连接，用于接收所述数字信号并解调，恒流斩波单元与解调单元连接，升压恒压单元和恒流斩波单元均与LED灯连接，使LED灯的电压和电流恒定，用于根据解调后的信号调整LED灯的亮度，并且使LED灯的亮度一致。

在上述电路中，所述解调单元包括解调芯片U1、分压电路和第一滤波电路，分压电路与所述电源模块连接，接收所述数字信号进行分压，分压后的信号经过第一滤波电路滤波后，由解调芯片U1解调，并传输给恒流斩波单元。

在上述电路中，所述解调单元还包括第一稳压电路和第二滤波电路，第一稳压电路与所述电源模块连接，对电源模块输出的的直流电进行稳压，再由第二滤波电路滤波后，输出给解调芯片U1提供VCC电源。

在上述电路中，所述升压恒压单元包括升压芯片U2和升压型DC/DC转换器拓扑电路，升压芯片U2与升压型DC/DC转换器拓扑电路连接，升压型DC/DC转换器拓扑电路与LED灯的正输入端连接，

升压芯片U2输出自身的PWM信号给升压型DC/DC转换器拓扑电路，控制升压型DC/DC转换器拓扑电路输出恒压给LED灯。

在上述电路中，所述升压恒压单元还包括第二稳压电路和第三滤波电路，第二稳压电路与所述电源模块连接，对电源模块输出的的直流电进行稳压，再由第三滤波电路滤波后，输出给升压芯片U2提供VCC电源。

在上述电路中，所述升压恒压单元还包括电压反馈电路，该电压反馈电路包括用于分压的电阻R7和电阻R8，电阻R7的一端与所述升压型DC/DC转换器拓扑电路连接，另一端与电阻R8连接，电阻R8的的另一端接地，电阻R7和电阻R8之间设有第一连接点，该第一连接点与所述升压芯片U2的反馈端口FB连接。

在上述电路中，所述电压反馈电路还包括用于前馈网络的电容C7，该电容C7与所述电阻R7并联，一端与所述升压型DC/DC转换器拓扑电路连接，另一端与所述第一连接点连接。

在上述电路中，所述电压反馈电路还包括用于高频滤波的电容C5，该电容C5的一端与所述升压芯片U2的反馈端口FB连接，另一端接地。

在上述电路中，所述恒流斩波单元包括电阻R22、场效应管Q2、电阻R27、电阻R23和三极管Q4，

电阻R22与所述解调芯片U1连接，接收解调芯片U1解调后的PWM信号，电阻R22的另一端与场效应管Q2的栅极连接，场效应管Q2的漏极与LED灯的负输入端连接，场效应管Q2的源极与电阻R27连接，电阻R27的另一端接地；

电阻R22与场效应管Q2的栅极之间设有第二连接点，场效应管Q2的源极与电阻R27设有第三连接点，该第二连接点与三极管Q4的集电极连接，三极管Q4的基极与电阻R23连接，电阻R23的另一端与第三连接点连接，三极管Q4的发射极接地。

本发明的有益效果是：使LED灯可适应的输入电压范围更宽，从原来的36-54V拓展到了20-60Vdc,可应用到150米长的养殖舍，实现全养殖舍长度覆盖；在LED灯处于100％高亮度或1％低亮度时，150米长的养殖舍，前灯后灯的亮度都一致，满足使用需求，实现了LED灯的亮度从1％-100％都一致；并且BOM成本比原来方案降低40％,成本更优。

附图说明

附图1为一种直流48V调光系统的电路图。

附图2为本发明的一种数字调光LED灯驱动电路的结构框图。

附图3为本发明的一种数字调光LED灯驱动电路的电路示意图。

附图4为图3中的解调单元的电路结构图。

附图5为图3中的升压恒压单元的电路结构图。

附图6为图3中的恒流斩波单元的电路结构图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

以下将结合实施例和附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果进行清楚、完整地描述，以充分地理解本发明的目的、特征和效果。显然，所描述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明的实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本发明保护的范围。另外，专利中涉及到的所有联接/连接关系，并非单指构件直接相接，而是指可根据具体实施情况，通过添加或减少联接辅件，来组成更优的联接结构。本发明创造中的各个技术特征，在不互相矛盾冲突的前提下可以交互组合。

传统方案在养殖舍内的灯线长度超过百米时，由于低压大电流会导致线材压降大，在100％亮度时，前端和尾端区域的灯光亮度差异特别大，影响农户养殖效益的问题。

为解决该问题，目前有提出一种直流48V调光系统，由①本公司开发的AC-DC420W48V数字调光电源+②电缆线+③数字调光LED灯等组成，该系统各部分功能如下：①AC-DC 420W48V为数字调光电源,功能是将交流市电转换成直流48V输出供给LED灯,同时内部通过单片机程序将外部输入的0-10V调光信号，调制转换成数字信号，并利用②电缆线传输信号到③无压降LED的驱动器，实现调光控制；②为2芯电缆线，既输送直流48V电力给灯，又传输数字调光信号给灯；③无压降LED灯，通过驱动板上的单片机软件解码调光信号后，输出PWM信号去控制恒流驱动芯片电路，实现调光。该直流48V调光系统的核心部分，数字调光LED灯的工作原理如下：

数字调光LED灯由软件解调电路和支持PWM调光的降压恒流驱动电路组成，电路参考图1所示，1、软件解调电路：来自AC-DC 420W48V为数字调光电源的数字信号经由电阻R1和电阻R4分压，经C1滤波后传送到U10-3引脚，U10为辉芒微的单片机FT60F210,内嵌解调程序，U10把调光的数字信号解调出来，以0-100％的PWM信号从U10-4引脚输出到U20芯片。其中，电阻R9、电阻R10、稳压二极管ZD1组成5.1V稳压电路，电容C3滤波后给U10单片机提供VCC电源；2、恒流驱动电路：U20采用帝奥微的DIO8280A芯片，其支持PWM调光的恒流驱动LED芯片。芯片U20与电感L1、二极管D1、电容C9组成典型的降压型DC/DC转换器拓扑电路，二极管D2,电容C8是维持低亮度时电压平稳，不闪灯。U20为电流模式控制芯片，其U20-2脚输入调光PWM信号的大小，决定U20-5、6输出的脉冲宽度的大小，以此控制输出电流的大小，达到调节灯的亮度，电流越大灯越亮，反之越暗。U20-1脚为电流检测负端(CS-)，U20-8脚电流检测正端(CS+)，通过电阻R15连接到电阻R13、R14电流信号正端。C7是U20的VCC滤波电容，C5是滤除IC内部参考电压上的交流纹波,R11是U1-4引脚输出PWM信号的假负载，R16、R17是本电路输出的假负载，在1％亮度起电路工作稳定作用。U20-2引脚收到来自U10-4引脚的PWM信号后，U20-5、6脚输出开关脉冲,当该脚接通到GND时，电流通过二极管D2、负载LED、电阻R13、电阻R14、电感L1、芯片U2的第5引脚和第6引脚到芯片U20的第4引脚形成回路，同时电感L1和电容C9充电；当U20的第5引脚和第6引脚输出断开时，电容C9、电感L1、二极管D1形成放电，电流还通过二极管D2、电容C8、负载LED、电阻R13、电阻R14、电容C9形成回路。

该直流48V调光系统存在以下2个问题：

1、在1％低亮度时，亮度的一致性差。该数字调光LED灯在中高亮度时，所有的LED灯亮度一致性都很好，但是，在调光到1％低亮度时，亮度的一致性就有很大差异。问题原因分析：由于LED灯在微亮时只需要数十μA级电流便可点亮，其驱动器是用降压型DC/DC转换器拓扑电路，而本驱动器要求工作在开关连续状态下(因为LED灯要求输出纹波不能过大，否则会闪灯，所以芯片不能工作在间歇模式)，那就需要一个mA级的最小维持电流。前后二者相比，不在一个量级，所以，由于该拓扑电路最小工作电流原因，很难做到灯在1％低亮度时，有良好的一致性。

实际测试数据参考以下的表1.

从表1看出，在1％低亮度时，抽样10个灯里，最亮的LED灯的电流与平均值相比，正偏差达42.9％，显然，该方案的LED在低亮度时一致性很差。

2、应用的局限性。实验测试，控制房用AC-DC 420W48V的数字调光电源，线材用1.5平方mm的2芯线缆，长120米，中间均匀并接46个5W的LED灯，测量到线缆末端电压为38V(这是由于线缆的内阻+连接器接触阻抗，在低压大电流情况下产生的压降),当再增加1个LED灯时，会出现闪灯。该问题的原因分析为：以10串LED灯珠设计为例，那么灯珠电压正常在28.5-30V,由于该方案采用降压型DC/DC转换器拓扑，拓扑本身要求输入-输出电压差>8V.也就说，这个方案的LED灯输入电压要求>38V。目前，国内养禽业的养殖舍长度大多数在120米内，还可以使用，但是，国外的很多养殖舍长度达到150米，该直流48V调光系统就不能满足应用了。因此，该直流48V调光系统存在应用局限性，不能满足更大长度的养殖舍的使用需求。

结合图2和图3所示，本发明通过优化设计方案，将LED驱动器电路架构改为升压恒压模式+线性恒流+PWM斩波调光，提供了一种数字调光LED灯驱动电路，包括电源模块10和相应于LED灯设置的调光模块20，调光模块20包括解调单元30、升压恒压单元40和恒流斩波单元50，电源模块10包括AC-DC 420W48V的数字调光电源，将交流市电转换成直流48V，通过电缆线输出给解调单元30提供电源，还通过内部单片机程序将外部输入的0-10V调光信号调制转换成数字信号，并利用电缆线传输数字信号给解调单元30(通过电缆线传输电源和信号，是本技术领域内的常规手段，因此本方案省略了对电缆线内部结构和连接关系的详细说明)；解调单元30与电源模块10连接，接收所述数字信号并解调，恒流斩波单元50与解调单元30连接以接收解调后的信号，升压恒压单元40和恒流斩波单元50均与LED灯连接，根据解调后的信号调整LED灯的亮度，并且使LED灯上的电压和电流恒定，保证LED灯的亮度一致，实现调光控制。调光模块20相应于LED灯设置，每个LED灯都设置一个调光模块20，可使不同距离的LED灯的亮度都保持一致。

参照图4所示，所述解调单元30包括解调芯片U1、分压电路301和第一滤波电路302，分压电路301包括电阻R1和电阻R4,第一滤波电路302包括电容C1,电阻R1与所述电源模块10连接，电阻R1的另一端与电阻R4连接，接收输出的直流48V，并接收所述数字信号进行分压，分压后的数字信号经过电容C1滤波后，输出给解调芯片U1的端口PA2，由解调芯片U1解调，解调芯片U1的型号为FT60F210-URT，内嵌解调程序，解调后以0-100％的PWM信号由解调芯片U1的端口PA4传输给恒流斩波单元50。

进一步的，参照图4所示，所述解调单元30还包括5.1V的第一稳压电路303和第二滤波电路304，第一稳压电路303包括电阻R9、电阻R10和稳压二极管ZD1，第二滤波电路304包括电容C3，第一稳压电路303与所述电源模块10电性连接，对电源模块10输出的直流电进行稳压，再由电容C3滤波后，输出给解调芯片U1提供VCC电源。

参照图5所示，所述升压恒压单元40包括升压芯片U2和升压型DC/DC转换器拓扑电路，升压芯片U2的型号为MEI2001，是DC-DC升压电源控制芯片，升压芯片U2与升压型DC/DC转换器拓扑电路连接，升压型DC/DC转换器拓扑电路与LED灯的正输入端连接，升压芯片U2自身的PWM信号由端口EXT输出给升压型DC/DC转换器拓扑电路，控制升压型DC/DC转换器拓扑电路输出恒压给LED灯。所述升压型DC/DC转换器拓扑电路包括场效应管Q1、电感L1、整流二极管D1和滤波电容C9，场效应管Q1的型号为2N10。

进一步的，参照图5所示，所述升压恒压单元40还包括第二稳压电路401和第三滤波电路402，第二稳压电路401包括电阻R2和稳压二极管ZD2，第三滤波电路402包括电容C4，电阻R2的一端与所述电源模块10电性连接，另一端与稳压二极管ZD2的负极连接，稳压二极管ZD2的正极接地，电容C4与稳压二极管ZD2并联，电容C4的一端与电阻R2连接，另一端接地，对电源模块10输出的的直流电进行稳压，再由电容C4滤波后，输出给升压芯片U2的电源端口VIN，给升压芯片U2提供VCC电源。

参照图5所示，进一步的，所述升压恒压单元40还包括电压反馈电路，该电压反馈电路包括用于分压的电阻R7和电阻R8，电阻R7的一端与所述升压型DC/DC转换器拓扑电路连接，另一端与电阻R8连接，电阻R8的的另一端接地，电阻R7和电阻R8之间设有第一连接点60，该第一连接点60与所述升压芯片U2的反馈端口FB连接。进一步的，所述电压反馈电路还包括用于前馈网络的电容C7，该电容C7与所述电阻R7并联，一端与所述升压型DC/DC转换器拓扑电路连接，另一端与所述第一连接点60连接。进一步的，所述电压反馈电路还包括用于高频滤波的电容C5，该电容C5的一端与所述升压芯片U2的反馈端口FB连接，另一端接地。

当输入给升压恒压单元40的输入电压在20-60V时，升压芯片U2的端口VIN为电源VIN引脚,通过电阻R2和稳压二极管ZD2稳压到20V,经电容C4滤波后输入；升压芯片U2的端口VDD为VDD引脚,外接电容C6滤波；本发明的数字调光LED灯驱动电路开始工作时，升压芯片U2的端口EXT输出400KHz的PWM信号，控制场效应管Q1的栅极，从而控制场效应管Q1的漏极-源极的通断，场效应管Q1与升压电感L1、整流二极管D1、滤波电容C9组成典型的升压型DC/DC转换器拓扑电路(此处省略对该升压型DC/DC转换器拓扑电路的工作原理)，输出恒压72V。电压反馈通过电压反馈电路的电阻R7和电阻R8分压网络接到升压芯片U2的反馈端口FB，电容C7是前馈网络，电容C5是高频滤波；升压芯片U2的端口EXT为输出PWM驱动引脚,通过驱动电阻R5连接到场效应管Q1的栅极，电阻R6为场效应管Q1的栅极的放电电阻。

参照图6所示，所述恒流斩波单元50包括电阻R22、场效应管Q2、电阻R27、电阻R23和三极管Q4，场效应管Q2的型号是NCE6003，电阻R22与所述解调芯片U1的端口PA4连接，接收解调芯片U1解调后的PWM信号，电阻R22的另一端与场效应管Q2的栅极连接，场效应管Q2的漏极与LED灯的负输入端连接，场效应管Q2的源极与电阻R27连接，电阻R27的另一端接地；电阻R22与场效应管Q2的栅极之间设有第二连接点70，场效应管Q2的源极与电阻R27设有第三连接点80，该第二连接点70与三极管Q4的集电极连接，三极管Q4的基极与电阻R23连接，电阻R23的另一端与第三连接点80连接，三极管Q4的发射极接地。

来自解调芯片U1的端口PA4的PWM调光信号通过驱动电阻R22,控制场效应管Q2的门极电压，场效应管Q2是一个N沟道管，PWM调光信号给高电平，场效应管Q2就会导通，LED灯就可以被点亮。点亮后的LED灯的电流是恒定的。电流值计算如下：以6W灯为例，因为三极管Q4是一个NPN管，电阻R27阻值是9.6Ω，0.7V/9.6Ω＝0.073A。当流过电阻R27的电流等于0.07A时，加在三极管Q4基极的电压达到0.7V，三极管Q4就会导通，这时场效应管Q2门极的电压被拉到地，场效应管Q2截止,电阻R27没有电流流过，三极管Q4的基极电压下拉到地，三极管Q4截止，场效应管Q2门极被释放，三极管Q4又重新导通。如此反复循环工作，最终电路中的电流稳定在0.07A，无论升压电源电压怎么变化，电流一直恒定不变。

场效应管Q2的栅极接入的是PWM调光信号，频率为5KHz，而人的眼睛只能能看见35Hz以内的光，家禽的眼睛也感受不到该频率的闪烁，例如鸡的眼睛只能看见200Hz以内的光，因此人和家禽看不到灯闪烁现象。如果需要1％的亮度，就软件控制输出占空比1％的PWM,如果需要100％的亮度，软件控制输出占空比100％的PWM，如此便实现了调光。

由于每个LED灯里都有升压恒压单元40，只要输入电压在20-60V范围，都是升压到稳定的71V，加上恒流斩波单元50提供给每个LED灯的恒定电流，这使得LED灯上的电压(V)和电流(I)都是恒定的，每个LED灯的功率(P)也是恒定的，保证了每个LED灯的亮度都是一致的，因此本发明的数字调光LED灯驱动电路解决了48V灯光系统的压降问题。该数字调光LED灯驱动电路中的LED灯工作在1％低亮度时，原理同上，PWM出高电平1％的占空比期间，其电流也是恒定的0.073A，一个周期内其余99％的时间都是0A，由于余光效应，我们也能看到微亮的光。并且，因为PWM斩波频率是5KHz,远高于人和家禽的眼睛识别能力人和家禽看不见闪灯的现象，因此，该数字调光LED灯驱动电路的LED灯工作在1％低亮度时，也能做到很好的亮度一致性。

由于采用了升压DC-DC转换器方案，该拓扑理论上，输入/输出的电压比值可以是几倍甚至上百倍(实施例中考虑到IC的VCC最小启动电压，才要求输入电压在20V-60Vdc范围),使得即便是150米长的养殖舍，其灯线末端电压也在25V之上，都在该LED灯的输入电压范围内，能实现全养殖舍长度覆盖；并且本发明选用的是普通功能的IC、三极管和MOS管，成本比前者节省约40％。因此，本发明的数字调光LED灯驱动电路，使LED灯可适应的输入电压范围更宽，从原来的36-54V拓展到了20-60Vdc,可应用到150米长的养殖舍，实现全养殖舍的长度覆盖；在100％高亮度时，150米长的养殖舍，前灯后灯的亮度都一致，满足使用需求，在1％低亮度时，150米长的养殖舍，前灯后灯的亮度也一致，满足使用需求，实现了LED灯的亮度从1％-100％都一致；并且BOM成本比原来方案降低40％,成本更优。

以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (9)

1.一种数字调光LED灯驱动电路，其特征在于：包括电源模块和相应于LED灯设置的调光模块，调光模块包括解调单元、升压恒压单元和恒流斩波单元，

电源模块用于将市电转换为直流电后输出给解调单元，还用于接收外部的调光信号并调制转换为数字信号；

解调单元与电源模块连接，用于接收所述数字信号并解调，恒流斩波单元与解调单元连接，升压恒压单元和恒流斩波单元均与LED灯连接，使LED灯的电压和电流恒定，用于根据解调后的信号调整LED灯的亮度，并且使LED灯的亮度一致。

2.如权利要求1所述的一种数字调光LED灯驱动电路，其特征在于：所述解调单元包括解调芯片U1、分压电路和第一滤波电路，分压电路与所述电源模块连接，接收所述数字信号进行分压，分压后的信号经过第一滤波电路滤波后，由解调芯片U1解调，并传输给恒流斩波单元。

3.如权利要求2所述的一种数字调光LED灯驱动电路，其特征在于：所述解调单元还包括第一稳压电路和第二滤波电路，第一稳压电路与所述电源模块连接，对电源模块输出的的直流电进行稳压，再由第二滤波电路滤波后，输出给解调芯片U1提供VCC电源。

4.如权利要求2所述的一种数字调光LED灯驱动电路，其特征在于：所述升压恒压单元包括升压芯片U2和升压型DC/DC转换器拓扑电路，升压芯片U2与升压型DC/DC转换器拓扑电路连接，升压型DC/DC转换器拓扑电路与LED灯的正输入端连接，

升压芯片U2输出自身的PWM信号给升压型DC/DC转换器拓扑电路，控制升压型DC/DC转换器拓扑电路输出恒压给LED灯。

5.如权利要求4所述的一种数字调光LED灯驱动电路，其特征在于：所述升压恒压单元还包括第二稳压电路和第三滤波电路，第二稳压电路与所述电源模块连接，对电源模块输出的的直流电进行稳压，再由第三滤波电路滤波后，输出给升压芯片U2提供VCC电源。

6.如权利要求4所述的一种数字调光LED灯驱动电路，其特征在于：所述升压恒压单元还包括电压反馈电路，该电压反馈电路包括用于分压的电阻R7和电阻R8，电阻R7的一端与所述升压型DC/DC转换器拓扑电路连接，另一端与电阻R8连接，电阻R8的的另一端接地，电阻R7和电阻R8之间设有第一连接点，该第一连接点与所述升压芯片U2的反馈端口FB连接。

7.如权利要求6所述的一种数字调光LED灯驱动电路，其特征在于：所述电压反馈电路还包括用于前馈网络的电容C7，该电容C7与所述电阻R7并联，一端与所述升压型DC/DC转换器拓扑电路连接，另一端与所述第一连接点连接。

8.如权利要求7所述的一种数字调光LED灯驱动电路，其特征在于：所述电压反馈电路还包括用于高频滤波的电容C5，该电容C5的一端与所述升压芯片U2的反馈端口FB连接，另一端接地。

9.如权利要求2所述的一种数字调光LED灯驱动电路，其特征在于：所述恒流斩波单元包括电阻R22、场效应管Q2、电阻R27、电阻R23和三极管Q4，

电阻R22与所述解调芯片U1连接，接收解调芯片U1解调后的PWM信号，电阻R22的另一端与场效应管Q2的栅极连接，场效应管Q2的漏极与LED灯的负输入端连接，场效应管Q2的源极与电阻R27连接，电阻R27的另一端接地；

电阻R22与场效应管Q2的栅极之间设有第二连接点，场效应管Q2的源极与电阻R27设有第三连接点，该第二连接点与三极管Q4的集电极连接，三极管Q4的基极与电阻R23连接，电阻R23的另一端与第三连接点连接，三极管Q4的发射极接地。

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