CN102510618A - 半导体照明驱动电路、半导体照明装置及其调光方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及可兼容可控硅调光器和电压输入型调光器的半导体照明驱动电路，其包括用于将来自交流电源的交流电转换成直流电的整流滤波电路、用于对所述直流电进行降压处理的PFC电路、用于根据经过降压处理的直流电或电压输入型调光器的输出电压产生PWM控制信号的控制电路和用于根据所述PWM控制信号为半导体照明装置提供电能的转换电路。本发明的半导体照明驱动电路可以兼容可控硅调光器和电压输入型调光器，在各种调光模式下均可很稳定的运行，通用性强。该半导体照明驱动电路可独立运行，方便与其他电路模块一起组成性价比较高的产品。此外，本发明电路由于具备功率因素校正电路，可显著减少电路的电磁干扰，使电路运行更稳定、可靠。

Description

半导体照明驱动电路、半导体照明装置及其调光方法

技术领域

本发明涉及半导体照明驱动电路，特别是涉及一种多功能的可调光半导体照明驱动电路、使用其的半导体照明装置及其调光方法。

背景技术

目前半导体照明的调光IC（integrated circuit，集成电路板）种类繁多，性能参差不齐，均为专用调光IC。一种调光IC一种功能，对输入调光开关的兼容性不高，另外还具有输出电流或电压不稳定，导致半导体输出光线不平滑，存在抖动、闪烁等现象。

发明内容

基于此，有必要提供一种可兼容多个调光开关的半导体照明驱动电路。

一种用于为一半导体照明装置提供电源的半导体照明驱动电路，其包括整流滤波电路，其用于将来自交流电源的交流电转换成直流电输出；PFC电路，其用于对电路功率因数进行校正并对所述直流电进行降压处理；控制电路，其用于根据所述经过降压处理的直流电产生PWM控制信号；以及转换电路，其用于根据所述PWM控制信号将所述经过降压处理的直流电变换为对应的输出电流或电压并输出给所述半导体照明装置。其中，整流滤波电路可选的通过可控硅调光器连接到所述交流电源，所述经过降压处理的直流电的电压和述PWM控制信号的占空比与经过所述可控硅调光器切相的交流电压成正比；所述控制电路可选的与电压输入型调光器相连，所述控制电路还根据所述电压输入型调光器的输出电压产生所述PWM控制信号。

在优选的实施例中，所述控制电路与电压输入型调光器相连时，所述PWM控制信号的占空比与所述电压输入型调光器的输出电压成正比。 

在优选的实施例中，所述的半导体照明驱动电路还包括光电耦合电路，所述光电耦合电路可选的与一按键型调光器相连，其用于根据所述按键型调光器的状态输出对应的高低电平信号；所述控制电路用于根据所述经过降压处理的直流电和所述高低电平信号产生所述PWM控制信号。

在优选的实施例中，所述整流滤波电路包括电流互感器，当所述光电耦合电路与按键型调光器相连时，所述光电耦合电路的输入端的一端与所述按键型调光器相连，另一端与所述电流互感器的输出端相连。

在优选的实施例中，所述控制电路包括单片机、供电电路和开关管，所述供电电路接收所述经过降压处理的直流电并向所述单片机提供稳定的工作电压；所述单片机的第一采样端通过电阻与所述PFC电路的输出端相连，同时通过电容接地；所述第一采样端可选的与电压输入型调光器相连；所述单片机的信号输出端通过电阻与所述开关管的控制端相连，所述开关管的第一端作为所述控制电路的输出端与所述转换电路相连，同时通过电阻与所述PFC电路的输出端相连；所述开关管的第二端接地。

在优选的实施例中，所述控制电路包括单片机、供电电路和开关管，所述供电电路接收所述经过降压处理的直流电并向所述单片机提供稳定的工作电压；所述单片机的第一采样端通过电阻与所述PFC电路的输出端相连，同时通过电容接地；所述第一采样端可选的与电压输入型调光器相连；所述单片机的第二采样端与所述光电耦合电路的输出端相连；所述单片机的信号输出端通过电阻与所述开关管的控制端相连，所述开关管的第一端作为所述控制电路的输出端与所述转换电路相连，同时通过电阻与所述PFC电路的输出端相连；所述开关管的第二端接地。

在优选的实施例中，所述的半导体照明驱动电路还包括与所述转换电路相连的功能切换电路，所述功能切换电路用于控制所述转换电路的输出模式，所述输出模式至少包括恒流模式和恒压模式。

此外，还有必要提供一种可兼容多个调光开关的半导体照明装置，其包括至少一个LED及其驱动电路，其中该驱动电路可为上述任何一种半导体照明驱动电路。

此外，还有必要提供一种半导体照明装置的调光方法，该方法包括：将来自交流电源的交流电转换成直流电；对电路功率因数进行校正并对所述直流电进行降压处理；判断所述经过降压处理的直流电是否低于预设值，如果是则根据所述经过降压处理的直流电产生PWM控制信号；判断是否接收到一反应电压输入型调光器的输出电压的电压值，如果是则根据所述电压值产生PWM控制信号；判断是否接收到一反应按键型调光器状态的高低电平信号，如果是则根据所述高低电平信号产生PWM控制信号；根据所述PWM控制信号将所述经过降压处理的直流电变换为对应的输出电流或电压并输出给所述半导体照明装置。

本发明的半导体照明驱动电路可以兼容可控硅调光器和电压输入型调光器，在各种调光模式下均可很稳定的运行，通用性强。该半导体照明驱动电路可独立运行，方便与其他电路模块一起组成性价比较高的产品。此外，本发明电路由于具备功率因素校正电路，可显著减少电路的电磁干扰，使电路运行更稳定、可靠。

附图说明

图1为一实施例的半导体照明驱动电路的电路原理框图。

图2为一实施例的整流滤波电路的电路原理图。

图3为一实施例的PFC电路的原理图。

图4为一实施例的信号采集电路的电路原理图。

图5为一实施例的控制电路的电路原理图。

图6为一实施例的转换电路、功能切换电路和联机接口的电路原理图。

具体实施方式

下面将结合具体实施例及附图对本发明半导体照明驱动电路作进一步详细描述。

本发明的半导体照明驱动电路可用于驱动半导体照明装置，特别是具有多个相互串联和并联的LED（light emitting diode，发光二极管）的大功率LED照明灯具。

如图1所示，根据本发明的一个实施例，半导体照明驱动电路主要包括整流滤波电路、PFC（power factor correction，功率因数校正）电路、控制电路、转换电路、信号采集电路、联机接口和功能切换电路。其中，可选择地将整流滤波电路通过可控硅调光器与输入AC（交流）电源的输入端相连，还可选择地将一个电压输入型调光器与控制电路相连，还可选择地将一个按键型调光器通过信号采集电路与控制电路相连。从而通过本发明电路架构，半导体照明驱动电路可兼容至少以下三种调光器：可控硅调光器、电压输入型调光器和按键型调光器。

其中，可控硅调光器可为现有应用于传统白炽灯的可控硅调光器。电压输入型调光器可为一根据用户操作输出特定范围电压信号，例如0-10V电压的调光器。按键型调光器可为一常开机械按键式开关，正常情况下开关为常开，人为的按下即导通，松开即断开，通过按键按下的时间长短来控制灯光的亮度及亮与灭。

整流滤波电路主要用于将来自AC电源的交流电转换成直流电Vin，还可以用于衰减来自和去往AC电源的电磁干扰。整流滤波电路可采用目前常用的电路架构，例如但不限于包括位于输入端的熔断器F1、滤波电容C1、与电容C1并联的电流互感器L1、与电流互感器L1相连的整流模块（如全桥整流芯片）U1以及并联在整流模块U1输出端的滤波电容C2，如图2所示。熔断器F1可通过可控硅调光器或直接与AC电源的输入端的火线端L相连，滤波电容C1直接与AC电源的输入端的零线端N相连。

PFC电路用于对电路功率因数进行校正并对整流滤波电路输出的直流电Vin进行降压处理，输出直流电V+。其中直流电V+随直流电Vin的变化而变化。本实施例中，直流电V+与直流电Vin成正比。本实施例中，采用如图3所示的具有高功率因素、性价比高、输出稳定的单级PFC电路，其主要包括控制芯片U2、开关管Q1以及变压器T1。控制芯片U2通过控制开关管Q1的通和断控制变压器T1的工作，将直流电Vin转变为期望的直流电V+。

信号采集电路可与按键型调光器相连，用于检测按键型调光器的开关状态，并输出反应按键型调光器开关状态的信号。本实施例中，采用一个如图4所示的光电耦合电路作为信号采集电路，其根据按键型调光器的状态输出对应的高低电平信号Vf1，有效防止输入端的电磁干扰被传送到控制电路。该光电耦合电路主要包括一集成的光电耦合器U3，该光电耦合器U3的输入端的一端与按键型调光器相连、另一端与整流滤波电路的电流互感器的输出端相连，其输出端的一端接地，另一端向控制电路输出高低电平信号Vf1。其他实施例中，可不用信号采集电路，按键型调光器的输出端直接连接至控制电路。

控制电路用于根据直流电V+或电压输入型调光器的输出电压（标记为Vf2）或高低电平信号Vf1产生相应的PWM（Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制）控制信号（标记为Vp）。本实施例中，控制电路根据直流电V+判断可控硅调光器是否接入电路。当可控硅调光器连接在整流滤波电路与AC电源的火线之间时，可控硅调光器对输入的AC电压进行切相并输出切向电压，整流滤波电路产生的Vin与该切相电压基本呈正比，从而PFC电路输出的直流电V+基本与该切向电压成正比。控制电路根据直流电V+判断可控硅调光器切相的相位角，产生占空比与该相位角成正比的PWM信号Vp。当控制电路检测到电压输入型调光器的输出电压Vf2时，产生占空比与电压Vf2成正比的PWM信号Vp。当控制电路检测到高低电平信号Vf1时，可根据设定程序产生相应占空比的PWM信号Vp。

如图5所示，本实施例的控制电路主要包括单片机U4、供电电路、采样单元和开关管Q2。供电电路主要利用稳压管D1和电阻R3为单片机U4提供稳定的工作电压，使单片机U4可以正常工作。采样单元包括由电阻R1、R2和电容C3构成的串联支路。其中电阻R1的一端与PFC电路的输出端相连，另一端通过电阻R2与电容C3的一端相连。电容C3的一端作为采样端与单片机U4的第一采样端（图5中为标记在单片机U4内的2脚）相连，其另一端接地。第一采样端还可有选择地与电压输入型调光器相连。单片机U4的第二采样端（图5中为标记在单片机U4内的3脚）与信号采集电路相连，从信号采集电路接收代表按键型调光器状态的高低电平信号Vf1。开关管Q2可以是三极管、IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管）或MOS（Metal-Oxid-Semiconductor，金属-氧化物-半导体）晶体管。单片机U4的信号输出端（图5中为标记在单片机U4内的6脚）通过电阻与开关管Q2的控制端（如三极管的基极，IGBT或MOS管的栅极）相连，开关管Q2的第一端（如三极管的集电极，IGBT或MOS管的漏极）作为控制电路的输出端向转换电路输出PWM控制信号Vp，同时通过电阻与PFC电路的输出端相连。开关管Q2的第二端（如三极管的发射极，IGBT或MOS管的源极）接地。

通过对单片机U4编程，可实现：（1）当电路采用可控硅调光器时，与可控硅调光器切相的相位角呈特定关系的直流电V+通过采样单元被单片机U4的第一采样端采样，单片机U4根据程序产生占空比与可控硅调光器切相的相位角成正比的PWM信号Vp。如此，若占空比为0-100%时，即可实现0-100%调光功能。

（2）当电路采用电压输入型调光器时，电压输入型调光器的输出电压Vf2通过采样单元被单片机U4的第一采样端采样，单片机U4根据程序产生占空比与电压Vf2成正比的PWM信号Vp。如此，若占空比为0-100%时，即可实现0-100%调光功能。

（3）当电路采用按键型调光器时，单片机U4的第二采样端采样到对应的高低电平信号Vf1。当按键型调光器的开关被快速按一下（例如小于20ms）时，单片机U4可判定此信号为开灯或者关灯信号，输出为占空比为0%或者为100%的PWM控制信号（即按照按一下为开，再按一下为关的规则）其他实施例中，可设计为：按一下输出占空比为10%的PWM控制信号，再按一下输出占空比为50%的PWM控制信号，以此类推。当按键型调光器的开关被常按下时（例如大于1S），单片机U4可判定此信号为自动调光模式，单片机可输出渐变的脉宽，使PWM控制信号的占空比由0到100%，再由100%到0，周而复始，中间的任何一个时间点判断按键型调光器的开关被松开时，保持当前输出的PWM控制信号。从而可实现0-100%调光功能。

本领域技术人员很容易想到，其他实施例中，单片机U4可利用不同的采样端分别对可控硅调光器和电压输入型调光器进行识别。

转换电路用于驱动LED负载，其是根据PWM控制信号Vp将输入其的直流电V+转化为LED负载所需的各种电压及电流的驱动电路，实现各种亮度需求。一实施例中，转换电路如图6中方框外的电路所示，其主要通过一个DC-DC转换器U5来实现其功能。

本实施例中，半导体照明驱动电路还包括一个与转换电路相连的功能切换电路。当电路不需要使用调光器时，可利用该功能切换电路实现LED负载的恒流和恒压驱动功能。如图6所示，功能切换电路主要包括编码器（例如8421编码器）U6和与其相连的不同阻值的电阻和不同稳压值的稳压管。在编码器U6的不同组合下，可得到不同的电阻值来设定DC-DC转换器U5的输出恒流值。以8段8421编码器为例，理论上可实现28种（256种）输出电流值，实际应用中，一般仅设置几个需要的值。同恒流模式类似，通过配置不同的稳压管，可实现不同的输出电压的恒压功能。

本领域技术人员可以想到的，通过在控制电路的输出端连接一联机接口（见图6），可实现多台驱动电路同时调光控制的目的。当多台驱动电路协同工作时，可共用整流滤波电路、PFC电路、信号采集电路和控制电路。

综上，本发明的半导体照明驱动电路具有如下优点：①可以兼容至少三种主流调光器，用户可根据实际情况选择使用不同的调光器，在各种调光模式下均可很稳定平滑调光，无抖动及闪烁；②本发明电路由于具备功率因素校正电路，可显著减少电路的电磁干扰，使电路运行更稳定、可靠；③在增加非常少成本的情况下可同时具有多种恒压和恒流模式，通用性强；④通过增加联机接口，还可实现一个调光器控制多组负载等；⑤在硬件完全不改变的情况下，后期还可以通过升级端口修改软件，实现功能的升级（请举例）；⑥通过整流滤波电路和PFC电路，实现输入端和输出端的安全隔离；⑦电路中各模块均可采用通用模块或通用IC，供应商供货足，备料方便，成本低；若采用SMD元件，可方便机械化生产，降低劳动力成本。

此外，半导体照明驱动电路的各部分可独立运行，方便与其他电路模块一起组成性价比较高的产品，例如：1）当只需要高功率因素的恒压或者恒流输出时，生产时可不焊接控制电路及调光控制部分，直接就是个低成本的恒压或者恒流电源；2）只需要单一调光功能时，硬件可不修改或者对应的调光电路元件不焊接，修改软件即可实现单一功能，方便实用，改造成本为0；3）由于采用单片机控制，本电源还可以扩展为亮化景观照明的独立控制器，修改程序后，可实现灯光的跳变、渐变、流水等功能，升级改造方便；通过预留通信接口，以后可升级为DMX512及未来CAN协议。

一实施例中，半导体照明装置的调光方法包括步骤：

将来自交流电源的交流电转换成直流电；

对电路功率因数进行校正并对所述直流电进行降压处理；

判断所述经过降压处理的直流电是否低于预设值（可控硅切相导致实际输入电压降低），如果是则根据所述经过降压处理的直流电产生PWM控制信号；

判断是否接收到一反应电压输入型调光器的输出电压的电压值，如果是则根据所述电压值产生PWM控制信号；

判断是否接收到一反应按键型调光器状态的高低电平信号，如果是则根据所述高低电平信号产生PWM控制信号；

根据所述PWM控制信号将所述经过降压处理的直流电变换为对应的输出电流或电压并输出给所述半导体照明装置。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (9)

1.一种半导体照明驱动电路，用于为一半导体照明装置提供电源，其特征在于所述驱动电路包括：

整流滤波电路，其用于将来自交流电源的交流电转换成直流电输出；

PFC电路，其用于对电路功率因数进行校正并对所述直流电进行降压处理；

控制电路，其用于根据所述经过降压处理的直流电产生PWM控制信号；以及

转换电路，其用于根据所述PWM控制信号将所述经过降压处理的直流电变换为对应的输出电流或电压并输出给所述半导体照明装置；

其中，整流滤波电路可选的通过可控硅调光器连接到所述交流电源，所述经过降压处理的直流电的电压和述PWM控制信号的占空比与经过所述可控硅调光器切相的交流电压成正比；所述控制电路可选的与电压输入型调光器相连，所述控制电路还根据所述电压输入型调光器的输出电压产生所述PWM控制信号。

2.根据权利要求1所述的半导体照明驱动电路，其特征在于，所述控制电路与电压输入型调光器相连时，所述PWM控制信号的占空比与所述电压输入型调光器的输出电压成正比。

3.根据权利要求1所述的半导体照明驱动电路，其特征在于，还包括光电耦合电路，所述光电耦合电路可选的与一按键型调光器相连，其用于根据所述按键型调光器的状态输出对应的高低电平信号；所述控制电路用于根据所述经过降压处理的直流电和所述高低电平信号产生所述PWM控制信号。

4.根据权利要求3所述的半导体照明驱动电路，其特征在于，所述整流滤波电路包括电流互感器，当所述光电耦合电路与按键型调光器相连时，所述光电耦合电路的输入端的一端与所述按键型调光器相连，另一端与所述电流互感器的输出端相连。

5.根据权利要求1所述的半导体照明驱动电路，其特征在于，所述控制电路包括单片机、供电电路和开关管，所述供电电路接收所述经过降压处理的直流电并向所述单片机提供稳定的工作电压；所述单片机的第一采样端通过电阻与所述PFC电路的输出端相连，同时通过电容接地；所述第一采样端可选的与电压输入型调光器相连；所述单片机的信号输出端通过电阻与所述开关管的控制端相连，所述开关管的第一端作为所述控制电路的输出端与所述转换电路相连，同时通过电阻与所述PFC电路的输出端相连；所述开关管的第二端接地。

6.根据权利要求3所述的半导体照明驱动电路，其特征在于，所述控制电路包括单片机、供电电路和开关管，所述供电电路接收所述经过降压处理的直流电并向所述单片机提供稳定的工作电压；所述单片机的第一采样端通过电阻与所述PFC电路的输出端相连，同时通过电容接地；所述第一采样端可选的与电压输入型调光器相连；所述单片机的第二采样端与所述光电耦合电路的输出端相连；所述单片机的信号输出端通过电阻与所述开关管的控制端相连，所述开关管的第一端作为所述控制电路的输出端与所述转换电路相连，同时通过电阻与所述PFC电路的输出端相连；所述开关管的第二端接地。

7.根据权利要求1所述的半导体照明驱动电路，其特征在于，还包括与所述转换电路相连的功能切换电路，所述功能切换电路用于控制所述转换电路的输出模式，所述输出模式至少包括恒流模式和恒压模式。

8.一种半导体照明装置，包括至少一个LED及其驱动电路，其特征在于所述驱动电路为如权利要求1至7项中任一项所述的半导体照明驱动电路。

9.一种半导体照明装置的调光方法，包括：

将来自交流电源的交流电转换成直流电；

对电路功率因数进行校正并对所述直流电进行降压处理；

判断所述经过降压处理的直流电是否低于预设值，如果是则根据所述经过降压处理的直流电产生PWM控制信号；

判断是否接收到一反应电压输入型调光器的输出电压的电压值，如果是则根据所述电压值产生PWM控制信号；

判断是否接收到一反应按键型调光器状态的高低电平信号，如果是则根据所述高低电平信号产生PWM控制信号；

根据所述PWM控制信号将所述经过降压处理的直流电变换为对应的输出电流或电压并输出给所述半导体照明装置。

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