CN116647956B - 基于串联开关的并联分时复用亮度控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于串联开关的并联分时复用亮度控制系统，其包括分时复用控制模块、与分时复用控制模块的N个第一输出端连接的恒流直流‑直流变换器、分别与变换器的同一个输出端连接的N个彼此并联的LED灯串、以及分别与分时复用控制模块的N个第二输出端连接的N个LED灯串的控制开关，分时复用控制模块接收原始PWM信号，通过其第一输出端分别输出原始PWM信号的占空比，通过其第二输出端输出修正后的PWM驱动信号，以对LED灯串进行分时导通；恒流直流‑直流变换器接收原始PWM信号的占空比，求和得到总占空比，得到并分时输出修正后的参考电流值。本发明的系统的集成度高，拓展性强，并且大幅降低了产品成本。
Description
技术领域
本发明属于多灯串照明领域，具体涉及一种基于串联开关的并联分时复用亮度控制系统。
背景技术
LED(发光二极管)作为一种可高效将电能转换成光能的器件，广泛应用于显示背光、安防监控、室内外照明等领域。LED灯珠往往以串联/并联的形式连接来实现更高的亮度要求，相应的LED驱动技术也应运而生。由于应用场景的多样化，针对相同灯串电压的LED驱动方案有较大的局限性。对于多个不同总电压的灯串的驱动，现在的普遍方案是利用多个分立的LED驱动芯片去分别控制。例如图1所示是典型的安防摄像头的照明驱动方案，由于摄像头需要在不同的明暗环境均有较好的成像效果，这要求能同时驱动白光LED和红外LED，而白光LED灯串和红外LED灯串的总电压往往不一致，而传统的照明驱动方案需要多个恒流直流-直流变换器作为LED的驱动源，导致产品的集成度低，成本高。
因此，急需一种新的基于串联开关的并联分时复用亮度控制系统，以提高集成度，增强拓展性，并大幅降低产品成本。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于串联开关的并联分时复用亮度控制系统，以提高集成度，增强拓展性，并大幅降低产品成本。
为了实现上述目的，本发明提供一种基于串联开关的并联分时复用亮度控制系统，其包括分时复用控制模块、与分时复用控制模块的N个第一输出端连接的恒流直流-直流变换器、分别与恒流直流-直流变换器的同一个输出端连接的N个彼此并联的LED灯串、以及分别与分时复用控制模块的N个第二输出端连接的N个LED灯串的控制开关，N是至少是2的正整数；
所述分时复用控制模块设置为接收原始PWM信号，通过其第一输出端分别输出原始PWM信号的占空比，以及通过其第二输出端分别输出修正后的PWM驱动信号，以对LED灯串进行分时导通；
所述恒流直流-直流变换器设置为接收原始PWM信号的占空比，求和得到总占空比，随后将总占空比与各个LED灯串的原始的参考电流值相乘，得到并分时输出修正后的参考电流值。
原始PWM信号分别对应于第1个到第N个LED灯串，并且分别具有原始PWM信号的占空比D_1、D_2、D_3、…、D_N；修正后的PWM驱动信号PWM_1’、PWM_2’、……、PWM_N’分别具有修正后的占空比D_1’、D_2’、D_3’、…、D_N’，修正后的占空比D_1’、D_2’、D_3’、…、D_N’通过对原始PWM信号的占空比D_1、D_2、D_3、…、D_N进行修正来得到。
修正后的占空比为原始PWM信号的占空比与总占空比的比值，总占空比由原始PWM信号的占空比求和得到。
所述分时复用控制模块包括占空比检测模块101、一个加法器102、N个除法器103和一个驱动模块104；所述占空比检测模块101设置为检测并输出原始PWM信号的占空比；所述占空比检测模块101的N个输出端同时与唯一的加法器102连接，所述加法器102设置为对原始PWM信号的占空比D_1、D_2、D_3、…、D_N进行求和得到总占空比D；每个除法器103的两个输入端分别与加法器的输出端与占空比检测模块的其中一个输出端连接，其设置为将原始PWM信号的占空比D_1、D_2、D_3、…、D_N与总占空比D相除以得到修正后的占空比D_1’、D_2’、D_3’、…、D_N’；所有的除法器的输出端均与所述驱动模块连接，所述驱动模块设置为接收修正后的占空比D_1’、D_2’、D_3’、…、D_N’并输出N个具有修正后的占空比的PWM驱动信号PWM_1’、PWM_2’、……、PWM_N’。
N个LED灯串的所有阳极直接相连，N个LED灯串的阴极分别与N个控制开关相连，并且在控制开关闭合时接到参考地上。
i为1～N；在第i个PWM驱动信号PWM_i’为高电平时，对应的第i个LED灯串的控制开关处于导通状态和关断状态中的其中一个状态；在第i个PWM驱动信号PWM_i’为低电平时，对应的第i个LED灯串的控制开关处于导通状态和关断状态中的另一个状态。
不同的LED灯串的PWM驱动信号在同一时刻仅仅驱动一个控制开关导通的同时驱动其余的控制开关均关断。
不同的LED灯串所对应的原始的参考电流值相同或者不同。
各个原始PWM信号的占空比被恒流直流-直流变换器同时收到或者非同时地收到，各个原始PWM信号的占空比在被收到之前被认为是0。
本发明的基于串联开关的并联分时复用亮度控制系统，使得任意电压的灯串能够并联连接，并能够通过唯一的恒流直流-直流变换器作为LED的驱动源来对串联的开关进行控制，使每个灯串满足相应的亮度要求。本发明的基于串联开关的并联分时复用亮度控制系统集成度高，可拓展性强，能大幅降低产品成本。
附图说明
图1是一种典型的基于多变换器的驱动方案的原理图。
图2是根据本发明的一个实施例的基于串联开关的并联分时复用亮度控制系统的结构示意图。
图3是N＝2时不同模式下LED电流波形图。
具体实施方式
以下结合具体实施例，对本发明做进一步说明。应理解，以下实施例仅用于说明本发明而非用于限制本发明的范围。
如图2所示为根据本发明的一个实施例的基于串联开关的并联分时复用亮度控制系统，其包括分时复用控制模块100、与分时复用控制模块100的N个第一输出端连接的恒流直流-直流变换器200、分别与恒流直流-直流变换器200的同一个输出端连接的N个彼此并联的LED灯串300、以及分别与分时复用控制模块100的N个第二输出端连接的N个LED灯串300的控制开关SW_1-SW_N，N是至少是2的正整数。
所述分时复用控制模块100设置为接收原始PWM信号，其包括第1原始PWM信号PWM_1、第2原始PWM信号PWM_2、…、第N原始PWM信号PWM_N，通过其第一输出端分别输出原始PWM信号的占空比D_1、D_2、D_3、…、D_N，以及通过其第二输出端分别输出修正后的PWM驱动信号PWM_1’、PWM_2’、…、PWM_N’，以对LED灯串进行分时交替导通。其中，原始PWM信号分别对应于第1个到第N个LED灯串300，N是至少是2的正整数，并且分别具有原始PWM信号的占空比D_1、D_2、D_3、…、D_N；修正后的PWM驱动信号PWM_1’、PWM_2’、……、PWM_N’分别具有修正后的占空比D_1’、D_2’、D_3’、…、D_N’，修正后的占空比D_1’、D_2’、D_3’、…、D_N’通过对原始PWM信号的占空比D_1、D_2、D_3、…、D_N进行修正来得到。在本实施例中，修正后的占空比为原始PWM信号的占空比与总占空比的比值，总占空比由原始PWM信号的占空比求和得到。
原始的PWM信号是客户系统的MCU发出的，其用于控制亮度，原始的PWM信号PWM_1、PWM_2、…、PWM_N的占空比大小只和亮度有关。
分时复用控制模块100包括占空比检测模块101、一个加法器102、N个除法器103和一个驱动模块104，N是至少是2的正整数。所述占空比检测模块101设置为检测并输出原始PWM信号的占空比；所述占空比检测模块101的N个输出端同时与唯一的加法器102连接，所述加法器102设置为对原始PWM信号的占空比D_1、D_2、D_3、…、D_N进行求和得到总占空比D；每个除法器103的两个输入端分别与加法器102的输出端与占空比检测模块101的其中一个输出端连接，其设置为将原始PWM信号的占空比D_1、D_2、D_3、…、D_N与总占空比D相除以得到修正后的占空比D_1’、D_2’、D_3’、…、D_N’，也就是说，在分时复用控制方法中，原始PWM信号的占空比D_1、D_2、D_3、…、D_N会进行求和得到总占空比D，D_1’由D_1与D相除得到，D_2’-D_N’同理；所有的除法器103的输出端均与所述驱动模块104连接，所述驱动模块104设置为接收修正后的占空比D_1’、D_2’、D_3’、…、D_N’并输出N个具有修正后的占空比的PWM驱动信号PWM_1’、PWM_2’、……、PWM_N’。由此，LED灯串300在一个周期的平均电流与D_1’…D_N’有关。
在本实施例中，在第i个PWM驱动信号PWM_i’(i为1～N)为高电平时，对应的第i个LED灯串300的控制开关处于导通状态；在第i个PWM驱动信号PWM_i’为低电平时，对应的第i个LED灯串的控制开关处于关断状态。因此，一段时间内导通的总时长由修正后的占空比D_1’-D_N’决定，不同的LED灯串的PWM驱动信号不会同时导通，而是在同一时刻仅仅驱动一个控制开关导通的同时驱动其余的控制开关均关断，如图3的第三种模式所示。
在其他的实施例中，考虑到控制开关的类型可能存在不同，因此，也可能存在以下情况：在第i个PWM驱动信号PWM_i’(i为1～N)为高电平时，对应的第i个LED灯串300的控制开关处于导通状态；在第i个PWM驱动信号PWM_i’为低电平时，对应的第i个LED灯串的控制开关处于关断状态。也就是说，对于任何一个控制开关来说，其对应的驱动信号为高电平时，其处于导通状态和关断状态中的任意一个，其对应的驱动信号为低电平时，其处于导通状态和关断状态中的另一个。而对于多个不同的控制开关来说，其对应的驱动信号为高电平时，不同的控制开关可能一部分处于导通状态，一部分处于关断状态，也可能全部处于导通状态或全部处于关断状态。
其中，占空比检测模块101一般会集成在分时复用控制模块100的内部，空比检测模块101可以采用模拟或数字检测电路，以检测PWM信号的占空比，据此去做后续的处理。
所述恒流直流-直流变换器200作为LED灯串300的供电输入，其设置为接收原始PWM信号的占空比D_1、D_2、D_3、…、D_N，求和得到总占空比D，随后将总占空比D与各个LED灯串的原始的参考电流值Iref_1、Iref_2、…、Iref_N相乘，得到并分时输出修正后的参考电流值Iref_1×D,Iref_2×D,…,Iref_N×D，使得并联的LED灯串300进行分时的独立亮度调节。由此，修正后的参考电流值分时切换，以分别作为LED灯串300导通时流过该LED灯串300的电流ILED_1…ILED_N。
其中，不同的LED灯串300所对应的原始的参考电流值Iref_1、Iref_2、…
Iref_N不同，因此所述恒流直流-直流变换器200针对不同的LED灯串300有对应的不同的驱动参考电流值Iref_1×D,Iref_2×D,…,Iref_N×D。原始的参考电流值Iref_1,Iref_2,.,Iref_N是用户根据灯串的种类对所述恒流直流-直流变换器200进行主动配置来得到的，具体来说，原始的参考电流值Iref_1、Iref_2、…Iref_N根据灯串亮度需要达到多少，并根据亮度需求确定对应的灯需要通过多少电流对所述恒流直流-直流变换器200进行主动配置来得到，因此，可以通过配置恒流直流-直流变换器200的寄存器等方式来使得所述恒流直流-直流变换器200针对不同的LED灯串300有对应的不同的驱动参考电流值Iref_1×D,Iref_2×D,…,Iref_N×D。当相应灯串导通时，驱动参考电流值会对应切换。具体来说，所述恒流直流-直流变换器200内部可以加入相应的模拟电路逻辑，根据每个灯串的导通时刻进行切换。以两个灯串为例，当其中一个灯串如第i个灯串的具有修正后的占空比的PWM驱动信号PWM_i’在持续对应的占空比时间后其PWM驱动信号PWM_i’出现一个下降沿，所述恒流直流-直流变换器200会相应将电流切换，同时分时复用控制模块100会通过各个占空比信号的电平切换来控制导通另一个灯串。
在其他一些实施例中，不同的LED灯串300所对应的原始的参考电流值可以相同，参考电流值均为Iref；或者，不同的LED灯串300所对应的原始的参考电流值也可以不同。
实际上分时复用控制模块100和所述恒流直流-直流变换器200会集成在一起，以作为LED灯串300的驱动芯片，因此，设计的时候会根据输出的通道数量配置相应数量的输入控制端口。各个原始PWM信号的占空比可能被恒流直流-直流变换器200同时收到或者非同时地收到，在接收到第i原始PWM信号的占空比D_i之前，对应的第i原始PWM信号的占空比D_i会认为是0，由此相应对所有的原始PWM信号的占空比求和得到总占空比D。
多个LED灯串300的并联结构具体为：N个LED灯串300的所有阳极直接相连，N个LED灯串300的阴极分别与N个控制开关SW_1-SW_N相连，并且在控制开关SW_1-SW_N闭合时接到参考地上。所述控制开关SW_1-SW_N的闭合与断开分别受到PWM驱动信号PWM_1’、PWM_2’、……、PWM_N’的控制。在第i个PWM驱动信号PWM_i’(i为1～N)为高电平时，对应的第i个LED灯串300的控制开关导通；在第i个PWM驱动信号PWM_i’为低电平时，对应的第i个LED灯串的控制开关关断。
本发明的基于串联开关的并联分时复用亮度控制系统的基本工作原理如下：如图2所示，原始PWM信号的占空比D_1、D_2、D_3、…、D_N分别为第1、第2、…、第N个LED灯串300的亮度百分比，根据分时复用控制模块100修正得到修正后的PWM驱动信号PWM_1’、PWM_2’、……、PWM_N’，分别作为第1个到第N个LED灯串300的控制开关的驱动信号。其中，原始PWM信号分别对应于第1个到第N个LED灯串300，并且分别具有原始PWM信号的占空比D_1、D_2、D_3、…、D_N；修正后的PWM驱动信号PWM_1’、PWM_2’、……、PWM_N’分别具有修正后的占空比D_1’、D_2’、D_3’、…、D_N’，修正后的占空比D_1’、D_2’、D_3’、…、D_N’通过对原始PWM信号的占空比D_1、D_2、D_3、…、D_N进行修正来得到。在分时复用控制方法中，占空比D_1-D_N会进行求和得到占空比D，D_1’由D_1与D相除得到，D_2’-D_N’同理。因此，一段时间内导通的总时长由修正后的占空比D_1’-D_N’决定，在同一个周期中第i个PWM驱动信号PWM_i’不会同时导通，而是在一个控制开关导通的时候其余的控制开关均关断，经过分时控制后的平均亮度与输入亮度指令一致，具体如图3的第三种模式所示。
如图2所示，所述分时复用控制模块的输入信号为原始PWM信号，其对应的占空比为D_1-D_N，芯片内部一般会集成模拟或数字检测电路去检测PWM信号的占空比，据此去做后续的处理。
灯串#1、灯串#2至灯串#N分时导通，经过分时控制后的灯串的平均亮度与输入的原始PWM信号的占空比D_1、D_2、D_3、…、D_N所表示的亮度一致。其中：
其中，D_N’为第N个修正后的占空比，D_N为第N原始PWM信号的占空比，D_n为第n原始PWM信号的占空比，n为灯串序数，N为灯串总数目。
也就是说，输出的PWM驱动信号的占空比＝输入PWM占空比信号/所有输入PWM的占空比之和。
LED灯串300导通时流过LED灯串300的电流为：
其中，ILED_N为第N个LED灯串导通时流过该灯串的电流，Iref_N为第N个LED灯串的原始的参考电流值，D_n为第n原始PWM信号的占空比，n为灯串序数，N为灯串总数目。
以灯串总数目N＝2为例，有三种工作模式：
模式1：灯串#1单独工作，灯串#2不工作，即D_1≠0，D_2＝0；则D_1′＝1，ILED_1＝Iref_1×D_1，也就是说，灯串#1的修正后的PWM驱动信号的占空比为1(即为恒定信号)，灯串#1导通时流过该灯串的电流即为Iref_1×D_1。
模式2：灯串#1不工作，灯串#2工作，即D_2≠0，D_1＝0；则D_2′＝1，ILED_2＝Iref_2×D_2，也就是说，灯串#2的修正后的PWM驱动信号的占空比为1(即为恒定信号)，灯串#2导通时流过该灯串的电流即为Iref_2×D_2。
模式3：灯串#1和灯串#2分时复用工作，此时D_1′＝D_1/(D_1+D_2)，D_2′＝D_2/(D_1+D_2)，ILED_1＝Iref_1×(D_1+D_2)，ILED_2＝Iref_2×
(D_1+D_2)，灯串#1平均电流为Iref_1×D_1，灯串#2平均电流为Iref_2×D_2。也就是说，灯串#1和灯串#2的修正后的PWM驱动信号的占空比分别为D_1/(D_1+D_2)和D_2/(D_1+D_2)，灯串#1导通时流过该灯串的电流即为Iref_1×(D_1+D_2)，且灯串#2导通时流过该灯串的电流即为Iref_2×(D_1+
D_2)。具体波形如图3所示，相同逻辑可推广至N个灯串。
本发明的基于串联开关的并联分时复用亮度控制系统，使得任意电压的灯串能够并联连接，并能够通过恒流直流-直流变换器作为LED的驱动源来对串联的开关进行控制，使每个灯串满足相应的亮度要求。本发明的基于串联开关的并联分时复用亮度控制系统集成度高，可拓展性强，能大幅降低产品成本。
以上所述的，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做出各种变化。凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。本发明未详尽描述的均为常规技术内容。
Claims (7)
1.一种基于串联开关的并联分时复用亮度控制系统，其特征在于，包括分时复用控制模块、与分时复用控制模块的N个第一输出端连接的恒流直流-直流变换器、分别与恒流直流-直流变换器的同一个输出端连接的N个彼此并联的LED灯串、以及分别与分时复用控制模块的N个第二输出端连接的N个LED灯串的控制开关，N是至少是2的正整数；
所述分时复用控制模块设置为接收原始PWM 信号，通过其第一输出端分别输出原始PWM 信号的占空比，以及通过其第二输出端分别输出修正后的PWM驱动信号，以对LED灯串进行分时交替导通；
所述恒流直流-直流变换器设置为接收原始PWM 信号的占空比，求和得到总占空比，随后将总占空比与各个LED灯串的原始的参考电流值相乘，得到并分时输出修正后的参考电流值；
原始PWM 信号分别对应于第1个到第N个LED灯串，并且分别具有原始PWM 信号的占空比D_1、D_2、D_3、…、D_N；修正后的PWM驱动信号PWM_1’、PWM_2’、……、PWM_N’分别具有修正后的占空比D_1’、D_2’、D_3’、…、D_N’，修正后的占空比D_1’、D_2’、D_3’、…、D_N’通过对原始PWM 信号的占空比D_1、D_2、D_3、…、D_N进行修正来得到；
修正后的占空比为原始PWM 信号的占空比与总占空比的比值，总占空比由原始PWM 信号的占空比求和得到。
2.根据权利要求1所述的基于串联开关的并联分时复用亮度控制系统，其特征在于，所述分时复用控制模块包括占空比检测模块、一个加法器、N个除法器和一个驱动模块；所述占空比检测模块设置为检测并输出原始PWM 信号的占空比；所述占空比检测模块的N个输出端同时与唯一的加法器连接，所述加法器设置为对原始PWM 信号的占空比D_1、D_2、D_3、…、D_N进行求和得到总占空比D；每个除法器的两个输入端分别与加法器的输出端与占空比检测模块的其中一个输出端连接，其设置为将原始PWM 信号的占空比D_1、D_2、D_3、…、D_N与总占空比D相除以得到修正后的占空比D_1’、D_2’、D_3’、…、D_N’；所有的除法器的输出端均与所述驱动模块连接，所述驱动模块设置为接收修正后的占空比D_1’、D_2’、D_3’、…、D_N’并输出N个具有修正后的占空比的PWM驱动信号PWM_1’、PWM_2’、……、PWM_N’。
3.根据权利要求1所述的基于串联开关的并联分时复用亮度控制系统，其特征在于，N个LED灯串的所有阳极直接相连，N个LED灯串的阴极分别与N个控制开关相连，并且在控制开关闭合时接到参考地上。
4.根据权利要求1所述的基于串联开关的并联分时复用亮度控制系统，其特征在于，i为1~N；
在第i个PWM驱动信号PWM_i’为高电平时，对应的第i个LED灯串的控制开关处于导通状态和关断状态中的其中一个状态；在第i个PWM驱动信号PWM_i’为低电平时，对应的第i个LED灯串的控制开关处于导通状态和关断状态中的另一个状态。
5.根据权利要求1所述的基于串联开关的并联分时复用亮度控制系统，其特征在于，不同的LED灯串的PWM驱动信号在同一时刻仅仅驱动一个控制开关导通的同时驱动其余的控制开关均关断。
6.根据权利要求1所述的基于串联开关的并联分时复用亮度控制系统，其特征在于，不同的LED灯串所对应的原始的参考电流值相同或者不同。
7.根据权利要求1所述的基于串联开关的并联分时复用亮度控制系统，其特征在于，各个原始PWM 信号的占空比被恒流直流-直流变换器同时收到或者非同时地收到，各个原始PWM 信号的占空比在被收到之前被认为是0。
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