CN205847695U - 照明***、照明驱动电源及其控制器 - Google Patents

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Abstract

本实用新型公开了照明***、照明驱动电源及其控制器。该照明驱动电源包括：开关变换器，将电网电压转换为输出电压和输出电流以驱动照明负载；逻辑控制电路，产生控制信号以控制开关变换器；整流电路，对电网电压进行整流，产生整流信号；比较电路，耦接至整流电路，将整流信号与阈值电压进行比较，产生同步信号；以及数字控制器，耦接至比较电路以接收同步信号，并基于同步信号进行计时，其中数字控制器还接收包含预约时间与具体操作的预约操作指令，并在计时时间达到预约时间时，通过逻辑控制电路执行所述具体操作。

Description

照明***、照明驱动电源及其控制器
技术领域
本实用新型涉及电子电路，尤其涉及照明***、照明驱动电源及其控制器。
背景技术
网络化控制的智能照明***是当前研究和应用的热点。在道路照明领域，由于组网规模庞大，网络结构多样，技术更为复杂，也更有应用价值。
网络化控制的智能照明***的主流方案是将现有的通信技术采用模块的形式与照明驱动电源相结合，以实现远程控制。如图1所示，其基本原理是通过服务器使用GPRS(General Packet Radio Service)等无线通信方案控制分布式的主节点，如果忽略掉互联网传输的交换机、移动通信基站等设备或设施以及其通信过程，则可认为该拓扑为星型网络，为***的最上层网络。
每个主节点一般管理几个到几百个从节点。从节点一般以灯杆或者灯具为单位，一个灯杆上一个或者数个从节点，主节点与从节点间构成第二层网络。由于灯杆距离较远，分布情况复杂，无论采用传统的微功率无线或者电力线载波方案，由于作为通信设备的从节点发射功率有限，通信距离较近，很多情况下主节点无法直接控制到该网络最远端的从节点，往往需要中间的从节点对通信信息进行转发。因此一般从节点既承担控制任务，也承担通信中继任务，故该网络拓扑非常复杂，可能为星型、树型、复合型等拓扑。需要指出的是，主节点管理从节点的数量越庞大，该网络越复杂，性能也越差。
从节点一般管理一个或者若干个驱动电源，可采用内置或者外置于驱动电源的方式。一般从节点控制驱动电源的开灯、关灯、调光，或者采集驱动电源工作状态，采集驱动电源输入输出的电参数。
节能与智能化是照明***发展的两个重要的目标。但无论节能还是智能化的目标，都与通信设备的组网性能有关。在这方面，存在不少问题有待解决，例如：
(1)照明驱动电源执行指令可靠性存在不足。由于使用环境复杂，设备数量巨大，指令执行成功的概率很难保证达到百分之百，特别是在一些关键操作上，比如开灯、关灯、调光等动作，如果执行失败，这种情形会带来恶劣的用户体验，也影响节能效果。
(2)批量性设备(照明驱动电源或者各种传感器、通信设备等)对操作指令的响应时间不一致，偏差较大。这种情形除了会影响用户操作体验，也会导致用电计量不准。节能是智能***重要的目标和推广的动力。特别是近年来兴起的合同能源管理(energymanagement contract,EMC)或者公私合营模式(Public-private-partnership,PPP)等商业模式，很可能是国内道路照明领域推广的重要模式。在这种背景下，准确的用电计量就变得非常重要。对于智能控制***，除了恶劣气象条件下的特殊开关灯操作，一般情况下，开灯、关灯以及调光的操作时间直接影响到用电情况。对于大批量的路灯，执行这种与用电量相关指令的时间偏差越大，用电的不可控性越大。对于节能方案的设计、使用以及后续商业模式执行方面会有不利影响。
上述问题主要源于大规模应用的通信技术的一些不足。由于道路状况复杂，这种规模化远程组网的网络拓扑多样化，有星型、网状、树状或复合型，对单次通信，不同的拓扑可能需要次数不一的中继(路由)。再加上电磁环境复杂、障碍物阻挡、气象条件多变，很多情况下，设备间的通信很难做到百分之百成功。往往需要握手、重发、跳频、路由等可能引起延时的方法来规避或者减小这种通信失败的情形，这就恶化了执行时间不一致等问题。此外，对于规模化的应用，主节点与服务器之间的通信也可能会出现丢包、错包、掉线等问题。本质上，这也属于通信技术的不足。
解决这些问题是研究和应用网络化控制的智能照明***的一个重要挑战。
实用新型内容
根据本实用新型实施例的一种照明驱动电源，包括：开关变换器，具有输入端、输出端和控制端，其中输入端接收电网电压，输出端提供输出电压和输出电流以驱动照明负载；逻辑控制电路，具有输入端和输出端，其中输出端耦接至开关变换器的控制端，提供控制信号以控制开关变换器；整流电路，具有输入端和输出端，其中输入端接收电网电压，整流电路对电网电压进行整流，在输出端产生整流信号；比较电路，具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中第一输入端耦接至整流电路的输出端，第二输入端接收阈值电压，比较电路将整流信号与阈值电压进行比较，在输出端产生同步信号；以及数字控制器，具有第一输入端、第二输入端与输出端，其中第一输入端耦接至比较电路以接收同步信号，第二输入端接收包含预约时间与具体操作的预约操作指令，输出端耦接至逻辑控制电路的输入端，数字控制器基于同步信号进行计时，并在计时时间达到预约时间时，在输出端提供信号以使逻辑控制电路执行所述具体操作。
在一个实施例中，当具体操作为开灯或关灯时，数字控制器在输出端提供开关控制信号至逻辑控制电路，使开关变换器在逻辑控制电路的控制下开始或停止向照明负载提供能量。
在一个实施例中，当具体操作为调光时，数字控制器在输出端提供调光信号至逻辑控制电路，使逻辑控制电路调节开关变换器的输出电压或输出电流。
在一个实施例中，数字控制电路基于同步信号进行的计时从照明驱动电源上电时刻开始。
在一个实施例中，整流电路为全波、半波或全桥整流电路。
在一个实施例中，比较电路包括滞环比较器。
在一个实施例中，照明负载包括LED、高压钠灯、石英金卤灯、陶瓷金卤灯、无极灯之一。
根据本实用新型实施例的一种照明***，包括：多个如前所述的照明驱动电源；多个从节点，其中每个从节点控制一个或数个照明驱动电源；多个主节点，其中每个主节点通过无线通信方案或电力线载波方案控制若干个从节点；以及服务器，通过无线通信方案控制所述多个主节点，产生所述包含预约时间与具体操作的预约操作指令。
根据本实用新型实施例的一种照明驱动电源的控制器，包括：整流电路，具有输入端和输出端，其中输入端接收电网电压，整流电路对电网电压进行整流，在输出端产生整流信号；比较电路，具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中第一输入端耦接至整流电路的输出端，第二输入端接收阈值电压，比较电路将整流信号与阈值电压进行比较，在输出端产生同步信号；以及数字控制器，具有第一输入端、第二输入端与输出端，其中第一输入端耦接至比较电路以接收同步信号，第二输入端接收包含预约时间与具体操作的预约操作指令，输出端耦接至逻辑控制电路的输入端，数字控制器基于同步信号进行计时，并在计时时间达到预约时间时，在输出端提供信号以控制照明驱动电源执行所述具体操作。
本实用新型的实施例提出适应网络化控制的照明驱动电源的同步策略，包括：第一，将开关灯、调光等可预期的操作设为预约操作(即将其指令通过通信设备提前下发至照明驱动电源，每台电源利用内部时钟进行定时操作)，改善了***执行指令的可靠性；第二，利用同一电网内电网电压周期、相位一致的特点，每台照明驱动电源使用电网电压进行同步计时，缩小了照明驱动电源执行指令的时间误差。
附图说明
图1为现有网络化控制的智能照明***的主流方案；
图2为根据本实用新型实施例的照明驱动电源200的原理性框图；
图3为根据本实用新型实施例的LED驱动电源200A的电路原理图；
图4为根据本实用新型实施例的图3所示LED驱动电源200A的工作波形图；
图5为根据本实用新型实施例的照明驱动电源的工作流程图。
具体实施方式
下面将详细描述本实用新型的具体实施例，应当注意，这里描述的实施例只用于举例说明，并不用于限制本实用新型。在以下描述中，为了提供对本实用新型的透彻理解，阐述了大量特定细节。然而，对于本领域普通技术人员显而易见的是，不必采用这些特定细节来实行本实用新型。在其他实例中，为了避免混淆本实用新型，未具体描述公知的电路、材料或方法。
在整个说明书中，对“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”的提及意味着：结合该实施例或示例描述的特定特征、结构或特性被包含在本实用新型至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个地方出现的短语“在一个实施例中”、“在实施例中”、“一个示例”或“示例”不一定都指同一实施例或示例。此外，可以以任何适当的组合和/或子组合将特定的特征、结构或特性组合在一个或多个实施例或示例中。此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的附图都是为了说明的目的，并且附图不一定是按比例绘制的。应当理解，当称“元件”“连接到”或“耦接”到另一元件时，它可以是直接连接或耦接到另一元件或者可以存在中间元件。相反，当称元件“直接连接到”或“直接耦接到”另一元件时，不存在中间元件。相同的附图标记指示相同的元件。这里使用的术语“和/或”包括一个或多个相关列出的项目的任何和所有组合。
对图1中***，一般情况下，影响节能与用户体验的关键操作是开灯、关灯、调光等操作。照明驱动电源对于开灯、关灯、调光这一类指令，大多数情况下是可预期的。例如，半夜由于道路行人车辆稀少，部分道路实施调光或者部分路灯关灯的操作有利于进一步节能。针对这种可预期操作，可以采用预约控制，将这种有规律的操作在***空闲时间下发到驱动电源内，由驱动电源定时执行。例如，从照明驱动电源上电开始计时，待计时时间到达预约时间时执行操作。
上述预约控制策略的核心是需要照明驱动电源内置时钟。然而专用时钟电路成本较高，而且照明驱动电源内部属于高温、强辐射的环境，提高精度比较困难。因而，本实用新型提出电网电压同步方案来改善驱动电源时间轴的精度与同步程度。
图2为根据本实用新型实施例的照明驱动电源200的原理性框图。其中开关变换器201将电网电压vline转换为输出电压vo和输出电流io以驱动照明负载。照明负载包括但不限于LED、高压钠灯、石英金卤灯、陶瓷金卤灯、无极灯等光源。照明驱动电源指驱动这些光源的电子驱动装置，包括但不限于LED驱动电源、电子镇流器。
整流电路204对电网电压vline进行整流(例如半波或全波整流)，产生整流信号Vrec。比较电路205耦接至整流电路204，将整流信号vrec与阈值电压vth进行比较，产生同步信号vsyn。数字控制器203耦接至比较电路205以接收同步信号vsyn，并基于同步信号vsyn进行计时，例如从照明驱动电源上电时刻开始计时。数字控制器203还由从节点处接收包含预约时间及具体操作(例如开关灯、调光等)的预约操作指令，该指令通常由服务器产生，再通过主节点逐层传输至从节点。数字控制器203在计时时间达到预约时间时，通过控制开关变换器201的逻辑控制电路202执行相应具体操作。当相应操作为开关灯时，数字控制器203可以提供开关控制信号ON/OFF至逻辑控制电路202，以使其控制开关变换器201开始或停止向照明负载提供能量。当相应操作为调光时，数字控制器203可以提供调光信号DIM至逻辑控制电路202，以使其据之调节开关变换器201的输出电压vo或输出电流io。
对于图1所示的照明***，主节点-从节点可以看做一个子网络，若干个子网络构成整个***。如果一个子网络由一个控制柜管理，则同一子网络内照明驱动电源的上电时间一致。故采用上述同步方案后，理想情况下该子网络内所有照明驱动电源时间轴应该都一致，从而避免了采用各自内部时钟造成不同步的情况。
以下以图3所示的LED驱动电源200A为例，对本实用新型作进一步详细描述。其中开关变换器201A包括前级的功率因数校正(PFC)电路与后级的半桥LLC谐振变换器。PFC电路将电网电压vline变为直流母线Vbus，半桥LLC变换器将Vbus电压作DC/DC变换，实现恒流限压的输出来驱动LED负载。
整流电路204A包括二极管D1～D4组成的整流桥和电阻器R1、R2组成的分压器。为了提高对电网畸变的抗干扰能力，比较电路205A采用滞环比较的形式，包括比较器COM以及电阻器R3～R6。
微程序控制器(MCU，micro control unit，例如单片机)用作数字控制器203A，根据比较电路206A产生的同步信号vsyn进行计时。MCU自LED驱动电源上电时刻起，对同步信号vsyn的周期进行计数。当计数值达到MCU接收到的预约操作指令中包含的预设值时，MCU通过逻辑控制电路202A执行相应操作，例如，通过调光接口提供调光信号DIM调节输出电流io，或通过开关控制接口提供开关控制信号ON/OFF以控制LED的亮灭。在一些实施例中，MCU还可用于采样输出电压vo与输出电流io，并通过从节点、主节点将采样数据提供至服务器，以实现实时监控。
图4为图3所示LED驱动电源200A的工作波形图。由图中可见，电网电压vline作为正弦波，经过整流和分压后得到正弦半波的整流信号vrec。该整流信号vrec被用作与高阈值电压vth_h和低阈值电压vth_l进行比较，产生形状为方波的同步信号vsyn。MCU可以自LED驱动电源上电时刻起，在同步信号vsyn的上升沿或者下降沿进行计数。
虽然前述实施例中，均自驱动电源上电时刻起基于同步信号开始计时，但本领域技术人员可以理解，上述计时也可以在驱动电源接收到时间校正指令时开始，或在接收到时间校正指令时被重置。
图5为根据本实用新型实施例的照明驱动电源的工作流程图，包括步骤S501-S506。
在步骤S501，对电网电压vline进行整流，产生整流信号vrec。
在步骤S502，将整流信号vrec与阈值电压Vth进行比较，产生同步信号vsyn。
在步骤S503，基于同步信号vsyn进行计时。
在步骤S504，接收包含预约时间与具体操作的预约操作指令。
在步骤S505，判断计时时间是否达到预约时间，是，则至步骤S506，否则继续等待。
在步骤S506，执行预约操作指令包含的具体操作。
虽然已参照几个典型实施例描述了本实用新型，但应当理解，所用的术语是说明和示例性、而非限制性的术语。由于本实用新型能够以多种形式具体实施而不脱离实用新型的精神或实质，所以应当理解，上述实施例不限于任何前述的细节，而应在随附权利要求所限定的精神和范围内广泛地解释，因此落入权利要求或其等效范围内的全部变化和改型都应为随附权利要求所涵盖。

Claims (9)

1.一种照明驱动电源，其特征在于，包括：
开关变换器，具有输入端、输出端和控制端，其中输入端接收电网电压，输出端提供输出电压和输出电流以驱动照明负载；
逻辑控制电路，具有输入端和输出端，其中输出端耦接至开关变换器的控制端，提供控制信号以控制开关变换器；
整流电路，具有输入端和输出端，其中输入端接收电网电压，整流电路对电网电压进行整流，在输出端产生整流信号；
比较电路，具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中第一输入端耦接至整流电路的输出端，第二输入端接收阈值电压，比较电路将整流信号与阈值电压进行比较，在输出端产生同步信号；以及
数字控制器，具有第一输入端、第二输入端与输出端，其中第一输入端耦接至比较电路以接收同步信号，第二输入端接收包含预约时间与具体操作的预约操作指令，输出端耦接至逻辑控制电路的输入端，数字控制器基于同步信号进行计时，并在计时时间达到预约时间时，在输出端提供信号以使逻辑控制电路执行所述具体操作。
2.如权利要求1所述的照明驱动电源，其特征在于，当具体操作为开灯或关灯时，数字控制器在输出端提供开关控制信号至逻辑控制电路，使开关变换器在逻辑控制电路的控制下开始或停止向照明负载提供能量。
3.如权利要求1所述的照明驱动电源，其特征在于，当具体操作为调光时，数字控制器在输出端提供调光信号至逻辑控制电路，使逻辑控制电路调节开关变换器的输出电压或输出电流。
4.如权利要求1所述的照明驱动电源，其特征在于，数字控制电路基于同步信号进行的计时从照明驱动电源上电时刻开始。
5.如权利要求1所述的照明驱动电源，其特征在于，整流电路为全波、半波或全桥整流电路。
6.如权利要求1所述的照明驱动电源，其特征在于，比较电路包括滞环比较器。
7.如权利要求1所述的照明驱动电源，其特征在于，照明负载包括LED、高压钠灯、石英金卤灯、陶瓷金卤灯、无极灯之一。
8.一种照明***，其特征在于，包括：
多个如权利要求1至7中任一项所述的照明驱动电源；
多个从节点，其中每个从节点控制一个或数个照明驱动电源；
多个主节点，其中每个主节点通过无线通信方案或电力线载波方案控制若干个从节点；以及
服务器，通过无线通信方案控制所述多个主节点，产生所述包含预约时间与具体操作的预约操作指令。
9.一种照明驱动电源的控制器，其特征在于，包括：
整流电路，具有输入端和输出端，其中输入端接收电网电压，整流电路对电网电压进行整流，在输出端产生整流信号；
比较电路，具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中第一输入端耦接至整流电路的输出端，第二输入端接收阈值电压，比较电路将整流信号与阈值电压进行比较，在输出端产生同步信号；以及
数字控制器，具有第一输入端、第二输入端与输出端，其中第一输入端耦接至比较电路以接收同步信号，第二输入端接收包含预约时间与具体操作的预约操作指令，输出端耦接至逻辑控制电路的输入端，数字控制器基于同步信号进行计时，并在计时时间达到预约时间时，在输出端提供信号以控制照明驱动电源执行所述具体操作。
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