CN204948424U - 一种单片机进行数字控制的可调光驱动电源 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种单片机进行数字控制的可调光驱动电源，包括依次连接的输入电源、电磁兼容滤波电路、工频整流滤波电路、功率因数校正电路、功率变换电路及高频整流滤波电路，单片机接受电压电流电路信号，与预设值比较，实现对电路的保护功能，然后接受调光接口的信号，通过预设的照度调整曲线，计算蓝光和红光的输出比例，通过低通滤波器、脉冲频率调制电路、功率变换电路输出蓝色灯光组，通过红色LED恒流控制电路输出到红色灯光组，完成恒定色温和恒定显色指数调光功能。

Description

一种单片机进行数字控制的可调光驱动电源

技术领域

本实用新型涉及LED驱动电源技术领域，具体涉及一种单片机进行数字控制的可调光驱动电源。

背景技术

照明能耗在整个电力消耗中占了举足轻重的位置，据统计，照明所消耗的电能，约占全球电力总耗能的20％以上，尤其是在中国，占比高达30％以上，因此，推广高效的照明光源，对减少电力损耗，保护地球环境具有举足轻重的意义。

近年来，LED以其优良的性能，被越来越多地应用于室内外照明场合。在不同的场合，不同的照明需求对光源的色温和显色指数等指标有着不同的要求，尤其是商业照明，对光源的色温和显色指数具有严格的要求。LED作为光源，希望可以产生白光，替代传统的照明光源。LED产生白光的基本方法是利用荧光粉将蓝光LED或紫外LED所产生的蓝光或紫外光分别转换为双波长或三波长白光，该方法可得到中高色温的白光，具有很高的光效，但是，对于暖色温显色性较差。为了解决上述问题，通常加入红色荧光粉，但红色荧光粉的激发效率较低，降低了光源的整体光效。

为提高光源整体光效，采用蓝、红两种LED，并在荧光粉中适当加入红色荧光粉，通过合理设计，可以获得2700K低色温，高光效和高显色指数的照明光源。

有了新光源，必须有相应的LED驱动器驱动，才可全面发挥其优点。目前，还没有这类驱动器满足该光源的要求。

实用新型内容

为了克服现有技术中存在的缺点与不足，本实用新型提供一种单片机进行数字控制的可调光驱动电源。

本实用新型采用如下技术方案：

一种单片机进行数字控制的可调光驱动电源，包括输入电源、电磁兼容滤波电路、工频整流滤波电路、功率因数校正电路、功率变换电路、高频整流滤波电路、红色LED恒流控制电路及LED光源，所述LED光源包括红色灯光组及蓝色灯光组；

所述输入电源、电磁兼容滤波电路、工频整流滤波电路、功率因数校正电路、功率变换电路及高频整流滤波电路依次连接，所述高频整流滤波电路的输出端分别与LED光源中的蓝色灯光组输入端及红色LED恒流控制电路输入端连接，所述红色LED恒流控制电路输出端与LED光源中的红色灯光组输入端连接；

还包括单片机、调光接口、低通滤波电路、脉冲频率调制电路及电压电流采用电路；

所述单片机包括模数转换模块及脉冲控制模块，所述模数转换模块输入端分别与调光接口输出端及电压电流采样电路输出端连接，所述电压电流采样电路输入端与LED光源的输出端连接；

所述脉冲控制模块包括两路输出，一路输出依次连接低通滤波电路、脉冲频率调制电路及功率变换电路，另一路输出到红色LED恒流控制电路。

还包括辅助电源，所述辅助电源与功率因数校正电路连接，对单片机，低通滤波电路和脉冲频率调制电路供电。

所述输入电路与220V或110V工频交流电压连接，所述输入电路包括双向浪涌抑制器及保险丝。

所述功率变换电路由半桥LLC谐振变换器构成。

所述电磁兼容滤波电路由单级或多级差模及共模LC无源滤波网络构成。

所述单片机通过模数转换模块输入端获得LED光源运行时的电流及电压参数，并与预设值进行比较，实现空载、短路、过流及过载的保护功能；

接受调光接口输出的调光指令，通过单片机内预设的照度调整曲线，计算出蓝光和红光的输出比例，进一步得到蓝色灯光组和红色灯光组驱动电流的大小；

通过单片机的脉冲调制模块输出蓝色灯光组指令及红色灯光组指令，完成恒定色温和恒定显色指数调光功能。

脉冲频率调制电路提供功率变换电路所述的驱动频率信号，并与电压电流采样电路中的电流采样电路共同构成电流负反馈闭环控制，对蓝色灯光组进行恒流控制。

所述红色LED恒流控制电路接受脉冲调制模块输出红色灯光组指令信号，输出信号对红色灯光组进行恒流控制。

本实用新型的有益效果：

(1)数字控制恒定显色指数可调光LED驱动电源实现了对具有蓝、红双路LED灯组的光源进行双路不等功率恒定电流驱动输出，并具有双路不等比例非线性调光功能，实现不同照度下色温和显色指数的恒定控制；

(2)采用了半桥LLC高频谐振软开关换流技术，进一步提高了电能转换效率，改善功率MOSFET的工作状况，辅以EMI滤波，PFC校正的各种手段，减少了驱动电源的电磁干扰，增强了驱动电源的电磁兼容性；

(3)采用数字控制手段，使得驱动电源具有更好的一致性，互换性和可扩展性。

附图说明

图1是本实用新型的结构框图；

图2本实用新型功率变换电路及高频整流滤波电路的电气原理图；

图3是本实用新型红色LED恒流控制电路电气原理图；

图4是本实用新型单片机电气原理图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图，对本实用新型作进一步地详细说明，但本实用新型的实施方式不限于此。

实施例

如图1-图4所示，一种单片机进行数字控制的可调光驱动电源，包括输入电源、电磁兼容滤波电路、工频整流滤波电路、功率因数校正电路、功率变换电路、高频整流滤波电路、红色LED恒流控制电路及LED光源，所述LED光源包括红色灯光组及蓝色灯光组；

所述输入电源、电磁兼容滤波电路、工频整流滤波电路、功率因数校正电路、功率变换电路及高频整流滤波电路依次连接，所述高频整流滤波电路的输出端分别与LED光源中的蓝色灯光组输入端及红色LED恒流控制电路输入端连接，所述红色LED恒流控制电路输出端与LED光源中的红色灯光组输入端连接；

还包括单片机、调光接口、输入电源、低通滤波电路、脉冲频率调制电路及电压电流采用电路；

所述单片机包括模数转换模块及脉冲控制模块，所述模数转换模块输入端分别与调光接口输出端及电压电流采样电路输出端连接，所述电压电流采样电路输入端与LED光源的输出端连接；

所述脉冲控制模块包括两路输出，一路输出依次连接低通滤波电路、脉冲频率调制电路及功率变换电路，另一路输出到红色LED恒流控制电路。

所述的辅助电源电路从功率因数校正电路取得高电压直流电源输入，变换成低电压直流电后，供应给单片机，低通滤波电路和脉冲频率调制电路，并与他们相连接。

所述输入电源输入220V或110V工频交流电压，其电路中连接有双向浪涌抑制器，保险丝，为驱动电源提供防浪涌保护和过流保护。

所述的电磁兼容滤波电路由单级或多级差模、共模LC无源滤波网络组成，对输入电源进行输入和输出双向滤波，防止电网高频干扰进入LED驱动电源的同时，也阻值LED驱动电源产生的高频谐波污染电网。

所述工频整流滤波电路由单相桥式整流器构成，将工频交流电压整流为直流电压。

所述功率因数校正电路由boost升压型直流-直流变换电路和电解电容组成，boost升压型直流-直流变换电路可工作在连续电流模式或临界电流模式，其作用是消除电解电容充电电流与交流电压的相位差，减小电解电容充电电流的总谐波失真，提高LED驱动电源的输入功率因数，减少对电网的高频污染。

所述功率变换电路由半桥LLC谐振变换器构成，变换电路中的功率场效应管工作在零电压和零电流开关状态，提高了功率变换电路的效率。半桥LLC谐振变换器工作在脉冲频率调制方式，由脉冲频率调制电路提供变换频率的调节。

如图2所示，功率变换电路由场效应管Q301，Q302，电感T301及电容C304构成半桥LLC谐振变换器，变换器中的功率场效应管工作在零电压和零电流开关状态，提高了功率变换电路的效率。半桥LLC谐振变换器工作在脉冲频率调制方式，由集成电路FAN7631及外围电阻、电容网络构成的脉冲频率调制电路提供变换频率的调节。电容C302，电阻R305，R311，二极管D301，D303共同构成LLC变换器的初级电流检测电路，检测结果馈入集成电路FAN7631，完成LLC变换器初级过流保护功能。高频整流电路由D302A和D302B组成半桥全波整流电路，高频交流电压进行整流变换为直流电压，并由C308，C309，C310，C311四个电容进行平滑滤波，为LED光源的蓝色LED灯组提供恒定的驱动电流。电容C305和电阻R306组成缓冲吸收电路，为二极管D302B提供保护，电容C306和电阻R307组成缓冲吸收电路，为二极管D302A提供保护。

所述高频整流电路由快速恢复二极管组成半桥全波整流电路，高频交流电压进行整流变换为直流电压，并由高频特性良好的大容量电容进行平滑滤波，为LED光源的蓝色LED灯组提供恒定的驱动电流。

所述的红色LED恒流控制电路由单片集成电路及外围元件组成buck降压型直流-直流变换电路，从高频整流电路获取输入电压，进行降压变换和恒流控制，为LED光源的红色LED灯组提供恒定的驱动电流。

如图3所示，由集成电路IC701(采用LM3401)及外围元件L701，D705组成buck降压型直流-直流变换电路，从高频整流滤波电路获取输入电压，进行降压变换和恒流控制，为LED光源的红色LED灯组提供最大420mA的驱动电流。电容C702，C703组成输入电压滤波电路，电容C701为高位场效应管驱动自举电容，电阻R701，R706和场效应管Q701组成通断控制电路，控制IC701工作或截止。电阻R702为驱动电流取样电阻，其两端压降有集成电路IC702进行20倍电压放大后，有电阻R707和电阻R705构成的分压网络分压，馈入IC701的第5管脚，形成电流闭环负反馈控制。IC701的第3脚馈入PWM脉冲序列，可以控制IC701输出的通和断的时间比率，间接改变红色LED的驱动电流平均值，从而实现红色LED调光功能。

所述LED光源包括红色灯光组及蓝色灯光组，所述蓝色灯光组由蓝色LED晶片串联、并联或混联组成，红色灯光组由红色LED晶片串联组成。

所述电压电流采样电路由电阻分压网络构成电压采样电路，完成LED光源的蓝色灯光组工作电源的采样功能，电流取样电阻和高位电流监控集成电路构成电流采样电路，分别完成LED光源中的蓝色灯光和红色灯光组的电路采样功能。

所述单片机包括模数转换模块及脉冲控制模块，具有4路模拟-数字转换输入、2路脉冲宽度调制输出、多路通用数字输入/输出接口、随机存储器、只读存储器、运算等功能的微控单元集成电路，并与其外围的复位电路、在线调试/编程电路共同构成。微控单元只读存储器中固化有控制程序，可通过编程控制LED驱动电源每一路输出的电流大小，检测输出电压的高低进行空载和短路保护，检测输出电流的大小进行过载保护，检测调光接口的输出大小，通过计算，控制输出电流大小，从而实施LED光源照度调整及恒定色温、恒定显色指数功能。

如图4所示，单片机IC601采用8位AVRMega系列单片机芯片，型号是ATTiny261-ESSZ，片内具有256-Byte随机存储器，2048-Byte程序存储器，8路10位模拟/数字转换模块，及3路定时器。IC601的模拟输入ADC2、ADC3分别馈入电压电流采样电路的蓝色LED灯组工作电压电流采样结果，ADC4、ADC6则馈入红色LED灯组工作电压电流的采样结果，VREF端馈入2.5V基准电压，基准电压由电阻R622和集成电路IC605构成的基准电压发生器提供，IC601的内部定时器1配置成PWM发生器，PWM脉冲序列通过PB5引脚输出连接低通滤波电路13，作为蓝色LED电流调节指令，IC601的内部定时器2配置成PWM发生器，PWM脉冲序列通过PA1引脚输出连接红色LED恒流控制电路，调光指令由ADC7引脚馈入IC601，IC601由模拟/数字转换模块获得LED光源8的各路LED灯组运行时电压和电流参数，并与预设值进行比较，实现空载、短路、过流、过载的保护功能，另外，接受调光接口输出的调光指令，通过预设的照度调整曲线，计算出蓝光和红光的输出比例，据此得到蓝光LED和红光LED的驱动电流大小，借助脉冲宽度调制模块分别输出蓝光和红光电流指令，完成恒定色温和恒定显色指数调光功能。IC601的复位电路由电阻R619，电容C611，二极管D601组成，在线编程/调试接口由接插件X601组成，各引脚分别与IC601的响应同名引脚相连，提供IC601的在线编程功能和程序跟踪调试功能。

所述低通滤波电路由电阻、电容网络或集成电路等组成无源或有源阶低通滤波器。

所述的调光接口由整流桥、电阻分压网络、电阻-电容滤波网络组成，将直流1-10V调光指令转换为单片机可以接受的电压范围，并提供防止反接保护、限流保护和滤除高频干扰的功能。

本实用新型具体工作过程如下：

工频交流220V或110V电压由输入电源引入，并由输入电源提供浪涌保护和过载保护。受保护的交流电压通过电磁兼容滤波电路进行滤波处理，获得无高频干扰成分的纯净的工频交流电压，并通过工频整流滤波电路进行整流和滤波处理，完成AC-DC变换，获得高压直流电压，再通过功率因数校正电路进行电解电容充电电流的功率因数校正，此时在功率因数校正电路的输出端可以产生稳定的约400V的直流电压，完成第一级稳压功能。

功率变换电路产生100kHz左右的高频高压交流电压，完成DC-AC变换，并经由功率变换电路中的高频变压器降压，通过高频整流滤波电路实现交流AC-直流DC的变换，获得与LED光源合适的工作电压，驱动光源中的蓝色灯光组工作。

脉冲频率调制电路提供功率变换电路所需要的驱动频率信号，并与电压电流采样电路中的电流采样电路共同构成电流负反馈闭环控制，对蓝色灯光组的工作电流进行恒流控制，其电流指令由单片机通过调光指令进行综合运数后，通过以脉冲宽度调制模块与低通滤波电路组成PWM式数字/模拟转换器产生。

LED光源的红色灯光组由红色LED恒流控制电路的输出电流驱动，该电路的电源取自高频整流滤波电路的输出，电流指令从单片机的脉冲宽度调制模块中的另一路输出获取。

所述的单片机通过编程，由模拟/数字转换模块获得LED光源的各路LED灯组运行时电压和电流参数，并与预设值进行比较，实现空载、短路、过流、过载的保护功能，另外，接受调光接口输出的调光指令，通过预设的照度调整曲线，计算出蓝光和红光的输出比例，据此得到蓝光LED和红光LED的驱动电流大小，借助脉冲宽度调制模块分别输出蓝光和红光电流指令，完成恒定色温和恒定显色指数调光功能。

不等功率驱动蓝色和红色LED，其中，蓝色LED为主要发光元件，需要功率大，红色LED作为调整色温，增加光效之用，需要功率小。当进行调光操作时，在整个调光覆盖的照度范围内，必须保证光源的色温和显色指数恒定在设计允许的误差范围内，这要求驱动器对蓝光和红光LED的电流进行非线性的、不等比例地进行调节。目前，现有的LED驱动器不能满足这类新光源的要求。

本实用新型有两路不等功率的输出，分别控制蓝、红LED，单片机通过接受1～10V调光指令，按照预设的调光曲线计算，不等比例地调整蓝光和红光LED驱动电流，使光源总体的色温和显色指数在不同的照度下保持不变。

上述实施例为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种单片机进行数字控制的可调光驱动电源，其特征在于，

包括输入电源、电磁兼容滤波电路、工频整流滤波电路、功率因数校正电路、功率变换电路、高频整流滤波电路、红色LED恒流控制电路及LED光源，所述LED光源包括红色灯光组及蓝色灯光组；

所述输入电源、电磁兼容滤波电路、工频整流滤波电路、功率因数校正电路、功率变换电路及高频整流滤波电路依次连接，所述高频整流滤波电路的输出端分别与LED光源中的蓝色灯光组输入端及红色LED恒流控制电路输入端连接，所述红色LED恒流控制电路输出端与LED光源中的红色灯光组输入端连接；

还包括单片机、调光接口、低通滤波电路、脉冲频率调制电路及电压电流采用电路；

所述单片机包括模数转换模块及脉冲控制模块，所述模数转换模块输入端分别与调光接口输出端及电压电流采样电路输出端连接，所述电压电流采样电路输入端与LED光源的输出端连接；

所述脉冲控制模块包括两路输出，一路输出依次连接低通滤波电路、脉冲频率调制电路及功率变换电路，另一路输出到红色LED恒流控制电路。

2.根据权利要求1所述的可调光驱动电源，其特征在于，还包括辅助电源，所述辅助电源与功率因数校正电路连接，对单片机，低通滤波电路和脉冲频率调制电路供电。

3.根据权利要求1所述的可调光驱动电源，其特征在于，所述输入电路与220V或110V工频交流电压连接，所述输入电路包括双向浪涌抑制器及保险丝。

4.根据权利要求1所述的可调光驱动电源，其特征在于，所述功率变换电路由半桥LLC谐振变换器构成。

5.根据权利要求1所述的可调光驱动电源，其特征在于，所述电磁兼容滤波电路由单级或多级差模及共模LC无源滤波网络构成。