CN101832490A - 一种具有温度保护功能的可调光led照明*** - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有温度保护功能的可调光LED照明***，包括LED阵列、电压转换器电流检测模块、过压、开路保护模块、调光开关、降流及调光控制器、温度传感器。降流及调光控制器接收温度传感器监测LED阵列的工作温度信号并控制调光开关的开关，调光开关控制LED阵列的工作电流的开关由此达到根据LED阵列的工作温度控制LED阵列工作的效果。本发明的可调光LED照明***不会引起色彩偏移，还具有更高的调节精度和速度；另外本发明提供的LED阵列的温度调控方式与目前流行的数字调光方式兼容，可以在原有设备基础上改进，降低了升级成本。

Description

一种具有温度保护功能的可调光LED照明***

技术领域

本发明涉及电力电子领域，特别涉及一种具有温度保护功能的可调光LED照明***。

背景技术

目前随着人们对绿色节能的日益重视，愈来愈多的新技术和新技术被应用到日常生活中。在户外照明方面，高亮度白光二极管(LED)由于其亮度高、寿命长、驱动设备简单、光效与节能灯相近等诸多优点，有逐渐取代传统光源的趋势。但是户外照明也有其特殊性：由于室外一年四季受日光雨水等环境因素影响，温度波动较大，而LED由于密封在灯罩中，其本身发热所造成的相对环境温度的温升是基本固定的，因此LED的温度会随着环境温度的上升而上升。如果LED长期在高温下工作，会显著降低其发光效率和寿命。传统的保护方式是利用温度反馈信号直接改变流过LED的电流，这种方法的缺点在于电流的变化会改变LED发出的光谱，引起色偏。这在体育场馆、景观照明等对色彩有较高要求的场合并不适用。

发明内容

本发明提供一种能实现无色偏温度保护及兼容目前常用的数字调光的LED照明***，解决传统的具有温度保护功能的LED照明***在降电流操作时会引起色偏的缺点问题，提高LED光源的供电效率，延长LED光源的使用寿命。

一种具有温度保护功能的可调光LED照明***，包括电压转换器、LED阵列、电流检测模块和调光开关。

所述的电压转换器由电源供电，产生一个恒定电压，该恒定电压产生的电流流经所述的LED阵列，使LED阵列发光。从所述LED阵列流出的电流依次经过所述电流检测模块和所述调光开关到电源地。

所述电流检测模块依据流经的电流，给出电流检测信号，控制所述电压转换器输出电压稳定。

所述LED照明***还包括过压、开路保护模块。过压、开路保护模块监测电压转换器向LED阵列提供的输入电压。当所述LED阵列因意外导致其输入电压过高或因损坏导致开路时，所述过压、开路保护模块给出终止信号给所述电压转换器，控制输入电压以避免危险发生。

所述LED照明***还包括降流及调光控制器，所述降流及调光控制器包括锁相环、模拟-数字转换器、限流控制模块和占空比比较电路。

所述的调光开关，输出调光信号通过控制所述调光开关在较高频率下的开通和关断，在不影响所述LED阵列输出光谱的前提下减小流经其的平均电流，达到减小LED功率，减低自身发热引起的温升，实现温度驱使的降温保护功能。

所述锁相环可以自身或者根据可选的外部调光信号产生一个内部调光信号和一个同步信号。

所述限流控制模块依据所述锁相环产生的同步信号，产生一个与内部调光信号同相位、同频率的信号，并且该信号的占空比与所述温度传感器的输出信号有关。需要指出，所述限流控制模块也能判断所述LED阵列的温度是否处在正常区间，从而决定是否需要启用限流功能。

所述占空比比较电路比较内部调光信号的占空比和所述限流控制模块输出信号的占空比，选择两者中占空比较小的，作为输出调光信号。

所述的限流控制模块包括：

数字比较器，用于比较由所述的模拟-数字转换器输出的数字信号形式的温度信号与数字信号基准，判断所述的LED阵列是否过温，输出限流禁止信号；

限流运算模块，用于对由所述的模拟-数字转换器输出的数字信号形式的温度信号进行线性运算，产生适合转换为方波信号的数字限流信号；

数字信号-占空比转换器，用于依据由限流运算模块输出的数字限流信号，产生一个与调光信号同相位、同频率的方波信号形式的温度控制信号；

或门电路，用于依据所述的限流禁止信号和温度控制信号，判断输出限流信号。

所述LED照明***还包括温度传感器。所述温度传感器装配在能体现所述LED阵列总体温度的位置上，并给出温度信号给所述降流及调光控制器。

所述温度传感器给出的模拟信号状态的温度信号被所述模拟-数字转换器接收后，转化为所述限流控制模块可以识别的数字信号。

有益效果：本发明具有温度保护功能的可调光LED照明***采用了根据LED阵列的温度对输出调光信号进行最大占空比限制的调控方式，与传统直接随温度改变流经LED电流的方式相比，不会引起色彩偏移，并具有更高的调节精度和速度。另外本发明提供的LED阵列的温度调控方式与目前流行的数字调光方式兼容，可以在原有设备基础上改进，降低了升级成本。

附图说明

图1为本发明具有温度保护功能的可调光LED照明***的结构示意图；

图2为本发明降流及调光控制器结构示意图；

图3为本发明降流及调光控制器工作原理流程图；

图4为本发明限流控制模块工作原理流程图；

图5为本发明限流控制模块的结构示意图；

图6为本发明限流控制模块中数字限流信号转换为温度控制信号的原理图；

图7为本发明过压、开路保护模块工作原理图；

图8为本发明降流及调光控制器工作过程的关键波形图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

如图1所示为本发明具有温度保护功能的可调光LED照明***的结构示意图。该结构包括：电压转换器、LED阵列、电流检测模块、调光开关、温度传感器、降流及调光控制器和过压、开路保护模块。

其中，由电压转换器、LED阵列和电流检测模块构成功率主环路。电压转换器输入端接受来自电源的供电，在输出端产生一个高于或者低于LED阵列电源电压的输出电压，该输出电压施加在LED阵列输入端会产生电流并点亮LED，且该电流值大小与输出电压大小有关。电流从LED阵列流出后经过电流检测模块。电流检测模块将流经电流大小与预先设定电流门限之间的偏差信息转化为电流检测信号并反馈回电压转换器，该信号调节电压转换器输出电压使得最终流经LED阵列的电流与预先设定电流门限相同，达到恒流输出效果。

过压、开路保护模块监测电压转换器向LED阵列提供的输入电压。当LED阵列因意外导致其输入电压过高或因损坏导致开路时，过压、开路保护模块给出终止信号给电压转换器，控制输入电压以避免危险发生。

温度传感传感器装配在LED阵列中温度最高的位置上。温度传感器将温度转化并在输出端输出降流及调光控制器可以识别的模拟信号，即温度信号。

降流及调光控制器接收温度传感传感器输出的温度信号，判断LED阵列的温度是否处在正常区间，从而决定是否需要启用限流功能，将判断结果作为输出调光信号。

调光开关连接降流及调光控制器输出端，接受流及调光控制器输出的调光信号，控制调光开关的开通和关断，并控制流经LED阵列的工作电流的开通和关断。

如图2是本发明降流及调光控制器结构示意图。降流及调光控制器由锁相环、模拟-数字转换器、限流控制模块和占空比比较电路构成。

温度传感器给出的模拟信号形式的温度信号被模拟-数字转换器接收后，转化为限流控制模块可以识别的数字信号。限流控制模块依据锁相环产生的同步信号，产生一个与内部调光信号同相位、同频率的限流信号，并且限流信号的占空比与温度传感器的输出的温度信号有关。

内部调光信号与限流信号同时输入占空比比较电路。占空比比较电路通过比较输入两个信号的占空比，选择两者中占空比较小的那个信号作为输出调光信号。

图3是本降流及调光控制器工作原理流程图。具体工作的原理为：首先监测是否有外部调光信号，如果无外部调光信号，锁相环可以自身产生一个内部调光信号和一个同步信号，此时内部调光信号恒为高电平。如果接有外部调光信号，锁相环可以产生一个与外部调光信号同频率同相位且具有相同占空比的内部调光信号，及一个与外部调光信号同频率同相位的同步信号。占空比比较电路通过比较输入两个信号的占空比，选择两者中占空比较小的那个信号作为输出调光信号。

图4是限流控制模块工作原理流程图。限流控制模块先根据模拟-数字转换器输出的数字信号判断LED阵列是否过温。如果没有过温，禁用降流功能并输出满占空比信号，即输出高电平；如果过温，启用降流功能并判断温度变化趋势，如果温度上升，减小限流信号占空比，即一个周期内高电平所占时间减少；如果温度下降，增大限流信号占空比，即一个周期内高电平所占时间增加。

调光开关为三端器件，电流输入端接受来自电流检测模块的输出电流，若控制端输入高电平，调光开关开通，该电流可以近乎无损地流经调光开关并汇入电源地；若控制端输入低电平，调光开关关断，该电流被切断。

输出调光信号经降流及调光控制器输出后，输入调光开关控制端用来控制调光开关的开通和关断。当输出调光信号为高电平时，调光开关开通，恒定电流流过LED阵列，LED阵列发光；当输出调光信号为低电平时，调光开关关断，无电流流过LED阵列，LED阵列不发光。因此通过调节输出调光信号的占空比，即一个周期内高电平所占比例，可以控制LED在一个周期内发光的时间长度。由于在输出调光信号为高电平时流过LED阵列电流恒定，因此其光谱稳定。如果设置输出调光信号拥有一个相对较高的频率，人眼将无法察觉因电流断续导致的闪烁。此时占空比的变化在视觉上表现为一个稳定色彩下的明暗变化。

此外，调节输出调光信号的占空比可以控制流过LED阵列的平均电流，达到减小LED功率，减低自身发热引起的温升，实现温度驱使的降温保护功能。

图5为限流控制模块的结构示意图。由数字比较器、限流运算模块、数字信号-占空比转换器和或门电路构成。

数字比较器比较输入的数字信号形式的温度信号与数字信号基准，判断LED阵列是否过温，给出限流禁止信号。数字信号基准为8位固定的数字信号，对应LED阵列的过温临界值，可以根据不同的LED应用进行设置。当数字信号形式的温度信号的值小于数字信号基准的值，对应LED阵列没有过温的情况，此时限流禁止信号的输出为高电平，限流禁止信号连接到或门G1的输入端，或门的输出信号被置为恒高，限流控制模块的功能被禁止；反之，当数字信号形式的温度信号的值大于数字信号基准的值，对应LED阵列过温的情况，限流禁止信号被置为低电平，或非门的输出由限流信号决定。

限流运算模块对输入的数字信号形式的温度信号进行线性运算，产生适合转换为方波信号的数字限流信号，数字限流信号为8位的数字信号，仍然保持和LED阵列温度的线性关系。限流运算模块对输入信号进行以下的线性运算：当LED阵列温度处于过温临界值的时候，数字限流信号为8位满量程的值，用二进制表示为11111111；当LED阵列温度处于关断临界值的时候，数字限流信号为0；当LED阵列温度在这两个临界值之间变化时，数字限流信号的值从最大值线性变化到最小值。在本发明中，LED阵列的过温临界值定义为LED阵列从正常的温度状态进入到过温的工作状态的临界温度值；LED阵列的关断临界值定义为当LED阵列的温度达到比较高的值，在这个温度值下，LED不适合继续工作，需要完全切断LED的工作电流。限流运算模块的功能可以由加法器和乘法器来实现。

数字信号-占空比转换器依据输入的数字限流信号，产生一个与调光信号同相位、同频率的方波信号形式的温度控制信号。温度控制信号的占空比与数字限流信号的值成线性的关系。当数字限流信号的值为11111111时，温度控制信号的占空比为100％，对应LED阵列处于过温临界值的工作状态；当数字限流信号的值为0时，温度控制信号的占空比为0，对应LED阵列处于关断临界值的工作状态；当数字限流信号的值在最大值和最小值之间变化时，温度控制信号的占空比从100％线性变化到0。当限流禁止信号为低电平时，或门的输出由温度控制信号决定，输出限流信号的波形与温度控制信号保持一致。

图6为数字限流信号转换为温度控制信号的原理图。本模块中的RS触发器为上升沿触发的RS触发器，当S端输入一个上升沿的信号，输出端Q输出高电平并且保持；当R端输入一个上升沿信号，输出端Q输出低电平并保持。本模块中的数字比较器的功能是比较输入端的两个数字信号，当正端数字信号表示的值大于负端数字信号表示的值时，比较器输出高电平；反之输出低电平。信号同步信号由锁相环电路产生，是一个与调光信号同频率的窄脉冲信号，在一个调光信号周期的开始阶段同步信号为高电平，RS触发器的输出被置位。本模块中的数字斜坡信号是一个从00000000变化到11111111的8位数字信号，数字斜坡信号变化从0变化到幅值的周期等于一个调光周期。数字斜坡信号也由锁相环提供，为256倍频器从高到低的8位输出信号。由于LED阵列的热变化是一个积分的过程，在一个调光周期内，反映LED阵列热变化的数字限流信号的值可以近似认为不变。

在一个调光周期的开始阶段，同步信号给出一个上升沿，RS触发器被置位，温度控制信号为高电平；当数字斜坡信号的值上升到大于数字限流信号的值，数字比较器输出一个上升沿信号，RS触发器被复位，温度控制信号为低电平。由于数字斜坡信号在时间上是连续线性变化的，因此当数字限流信号的值从00000000线性变化到11111111，RS触发器输出端得到的温度控制信号相应地从0线性变化到100％。

图7为过压、开路保护模块工作原理图。本实施方式中有5个并联的LED负载，每个负载串接一个小电阻，用于检测流过LED的电流值大小。每路电流检测点接到电压比较器的正输入端，其负输入端接参考电平，输出端与开关相接，控制开关的闭合与断开，在电路和负载正常工作时S1-S5都闭合，则C点到地的总电阻R_C为R/5(假设R₁＝R₂＝R₃＝R₄＝R₅＝R)。电流放大器的A端检测到总负载电流I₁，输出端电流I₂与I₁成比例。电路稳定工作后，由于误差放大器正输入端与负输入端的电压值相等，所以C点电压U_C是一个稳定值。

则I2＝kI1＝U_C/R_C  (1)

由公式(1)可知负载电流I₁的大小由C点到地的总电阻R_C决定，电阻越大，电流越小，即成反比例关系。

当某一路LED负载因损坏开路后，电流值下降为0，电压比较器的正输入端也变为0，所以输出端为低电平，继而控制相应的开关断开，R_C由原来的R/5增大到R/4，I₁降低到原来的4/5，这样其它四路LED不会因为过流而损坏。

图8为降流及调光控制器工作过程的关键波形图。降流及调光控制器工作过程也可以用波形图表示，其工作过程包括以下情形：

1、当LED阵列温度低于温度保护启用门限时，限流信号恒为高电平。假设用户此时希望LED阵列以50％的最大亮度发光，可以输入一个占空比为50％的外部调光信号。锁相环产生一个与外部调光信号完全一致的内部调光信号。由于内部调光信号的占空比显然比限流信号的恒定高电平小，所以输出调光信号跟随内部调光信号。此时流过LED阵列的平均电流完全受用户设置决定。

2、当LED阵列温度略高于温度保护启用门限时，限流信号的占空比开始减小。假设用户依然输入一个占空比为50％的外部调光信号，只要限流信号的占空比大于外部调光信号的占空比，输出调光信号仍跟随内部调光信号。此时流过LED阵列的平均电流也还受用户设置决定。

3、当LED阵列温度超过温度保护启用门限较多，以致限流信号的占空比小于外部调光信号的占空比时，输出调光信号会跟随限流信号。此时即使用户调大外部调光信号的占空比，也不会改变输出调光信号。也就是说流过LED阵列的最大平均电流被限制，起到了温度保护的效果。

4、假设用户没有输入外部调光信号，该信号恒为高电平或低电平，由锁相环自身产生一个恒为高电平的内部调光信号。此时输出调光信号的占空比完全由限流信号决定。也就是说，LED照明***工作在不超过此时LED阵列温度对应平均电流的最大安全功率下。

Claims (3)

1.一种具有温度保护功能的可调光LED照明***，包括供电电源和LED阵列，其特征在于：所述的可调光LED照明***还包括：

电压转换器，连接供电电源和LED阵列，用于产生一个使LED阵列发光的恒定电压；

电流检测模块，连接流经LED阵列的电流，用于向所述的电压转换器提供电流检测信号并控制所述的电压转换器输出稳定的电压；

过压、开路保护模块，连接流入LED阵列的电流，用于监测所述的电压转换器向LED阵列提供的输入电压，并向电压转换器输出控制信号，控制电压转换器的输入电压；

调光开关，连接流经电流检测模块的LED阵列的工作电流，用于控制流经LED阵列的工作电流的开通和关断；

降流及调光控制器，连接调光开关，用于产生输出调光信号控制所述的调光开关的开通和关断；

温度传感器，装配在所述LED阵列上，用于监测LED阵列的工作温度，并向所述的降流及调光控制器输出温度信号。

2.如权利要求1所述的可调光LED照明***，其特征在于：所述的降流及调光控制器包括：

模拟-数字转换器，接收所述的温度传感器输入的温度信号，用于将所述的温度信号从模拟信号状态转化成数字信号状态；

锁相环，用于根据外部调光信号产生或者自身产生一个内部调光信号和一个同步信号；

限流控制模块，用于依据所述的同步信号产生一个与内部调光信号同相位、同频率的限流信号，并根据模拟-数字转换器转换的数字信号判断所述的LED阵列的温度是否处在正常区间，决定是否需要启用限流功能；

占空比比较电路，用于比较所述的锁相环产生的内部调光信号的占空比和所述的限流控制模块输出的限流信号的占空比，选择两者中占空比较小的信号输出作为所述的调光信号。

3.如权利要求2所述的可调光LED照明***，其特征在于：所述的限流控制模块包括：

数字比较器，用于比较数字信号基准与由所述的模拟-数字转换器输出的数字信号形式的温度信号，判断所述的LED阵列是否过温，并输出限流禁止信号；

限流运算模块，用于对由所述的模拟-数字转换器输出的数字信号形式的温度信号进行线性运算，产生适合转换为方波信号的数字限流信号；

数字信号-占空比转换器，用于依据由限流运算模块输出的数字限流信号，产生一个与调光信号同相位、同频率的方波信号形式的温度控制信号；

或门电路，用于依据所述的限流禁止信号和温度控制信号，判断输出限流信号。

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