一种可控硅调光电路、调光方法以及应用其的一种LED驱动电路

摘要

本发明涉及一种可控硅调光电路，用以接收一外部交流电源并产生一调光信号，以调节后续LED灯负载的亮度，包括：一可控硅整流电路，用以接收所述交流电源，并输出一缺相的交流电压信号；一整流桥，接收所述缺相的交流电压信号，并将其转换为一缺相的直流电压信号；导通相角信号发生电路，与所述整流桥连接，用以接收所述缺相的直流电压信号，并产生一表征所述可控硅整流元件导通相角范围的控制信号；调光信号发生电路，其具有一由预设的起始相角和截止相角确定的相角调光范围；所述调光信号发生电路与所述导通相角信号发生电路连接，用以接收所述控制信号和一基准斜坡信号，并将两者进行比较，其输出结果作为所述调光信号。

说明书

技术领域

本发明涉及一种应用于驱动灯负载的调光电路，具体的说更涉及一种可控硅调光电路、可控硅调光方法及应用其的一种LED驱动电路。

背景技术

对照明领域而言，由于可控硅相控(斩波法)调光方法具有体积小、价格合理和调光功率范围宽的优点，因此可控硅相控调光法是目前应用最为广泛的调光方法，广泛应用于舞台照明和环境照明领域。应用可控硅相控工作原理，通过控制可控硅整流元件的导通角，将交流电网输入的正弦波电压斩掉一部分，以降低输出电压的平均值，从而控制灯电路的供电电压，实现对灯负载的调光功能。

参考图1A，所示为一种现有的采用可控硅相控调光方法的调光电路原理框图，其包括交流输入源101、可控硅整流元件106、触发电路113、整流桥107、维持电阻108和由二极管109和滤波电容110组成的滤波电路。其中，触发电路113可以为由双向触发二极管105、整流桥107以及由可调电阻102、电阻103和电容103等几部分组成。可控硅整流元件106的阳极接收交流输入源101的一端，阴极连接至整流桥107；依次串联连接的可调电阻102、电阻103和电容103组成的触发电路中的A’点连接至可控硅整流元件106的控制极。

在工作过程中，通过调节可调电阻102的电阻值，改变可控硅整流元件106控制极的电压，当控制极的电压大于一定电压时，可控硅整流元件106开始导通，从而控制可控硅整流元件106的导通角相对于交流输入源101的相位。从图1B所示的可控硅前沿触发的相控调光工作波形原理图可以看出，在正弦交流输入源101的电压过零后的某一时刻t₁(或某一相位w_t1)，在可控硅整流元件106的控制极上加一正触发脉冲V_trg1，使可控硅整流元件106触发导通，根据可控硅整流元件的开关特性，这一导通将维持到正弦波的正半周结束。所以在正弦波的正半周(即0～π区间)中，0～w_t1范围内即α控制角内，可控硅整流元件106不导通；而在w_t1～π的相位区间即 导通角内可控硅导通，这一范围见图1B中的斜线部分)。同样在正弦交流电的负半周，在t₂时刻(即相位角w_t2)施加触发脉冲V_trg2，使其导通。 如此周而复始，对正弦波的每一半周期控制其导通，获得相同的导通角。通过改变触发脉冲的触发时间(或相位)就可以改变可控硅导通角 (或控制角α)的大小，从而获得一缺相的交流电压V_acin，经过整流桥107进行整流后，获得一直流电压V_dcin，可见导通角 越大，电路的输出电压V_dc越高，通过功率级电路和驱动电路111对负载112进行控制，从而使得负载112的发光越亮。

由于可控硅通过零交点时处于关闭状态，传统的交流/直流切换模式LED驱动器会关闭，同时无法驱动LED的负载。因此，可控硅调光器在极低导通角的状况下，人眼将会辨识出LED负载在两倍频率(如100Hz/120Hz)下的短开启时间，造成眼睛看的出的闪烁效果。

因此，要使可控硅整流元件TRIAC维持在开始状态的最低要求，就必须满足其要求的维持电流。许多采用桥式整流器的交流/直流LED驱动器，一般均具有一滤波电路以对整流桥输出的波动较大的直流电压进行滤波，如较大的滤波电容110。因此，电流只在电压峰值出现时的一小段时间内出现，而在每个半周期的其余时间都不会有电流出现。因此没有足够的交流电流可以维持TRIAC的导通。

通常，当外部供电电压处于较小值状态时，为了能够得到维持可控硅整流元件TRIAC正常导通的电流，必须增加额外的维持电阻108来维持该正常电流，因此不可避免的带来了额外的功率损耗，降低了电路的工作效率，调光工作性能差。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种高效率、无闪烁、调光性能较佳的可控硅调光电路及其调光方法。

由于滤波电容的存在，使得电流在一与滤波电容的电容值和交流电源电压值相关的一起始相角和90°相角之间存在，因此利用该相角范围进行调光操作，避免维持电阻的使用。

根据本发明的一种可控硅调光电路的优选实施例，包括，

一可控硅整流电路，其包括一可控硅整流元件，用以接收所述交流电源，并输出一缺相的交流电压信号；

一整流桥，与所述可控硅整流电路的输出连接，用以接收所述缺相的交流电压信号，并将其转换为一缺相的直流电压信号；

所述缺相的直流电压信号通过一滤波电容产生一平滑的直流电压，以给后级 驱动器提供电源；

导通相角信号发生电路，与所述整流桥连接，用以接收所述缺相的直流电压信号，并产生一表征所述可控硅整流元件导通相角范围的控制信号；

调光信号发生电路，其具有一由预设的起始相角和截止相角确定的相角调光范围，所述相角调光范围由所述滤波电容和所述交流电源的数值确定；

所述调光信号发生电路与所述导通相角信号发生电路连接，用以接收所述控制信号和一基准斜坡信号，并将两者进行比较，其输出结果作为所述调光信号；

所述基准斜坡信号表征半周期所述交流电源在各相角处的平均值，具有与起始相角对应的第一基准值和与截止相角对应的第二基准值；

当所述控制信号等于所述第一基准值时，所述调光信号控制所述LED灯负载以最大亮度工作；

当所述控制信号等于所述第二基准值时，所述调光信号控制所述LED灯负载以最小亮度工作；

当所述控制信号在所述第一基准值和第二基准值之间时，所述调光信号控制LED灯负载在最大亮度和最小亮度之间连续线性变化；

当控制信号小于所述第二基准值时，所述调光信号控制所述后续LED灯负载以一预设固定亮度工作。

优选的，所述起始相角为0°-90°之间的一相角，所述截止相角为90°相角。

进一步的，所述导通相角信号发生电路进一步包括：

相角检测电路，与所述整流桥的输出连接，用以接收所述整流桥输出的缺相的直流电压信号，以输出一方波信号；

控制信号发生电路，与所述相角检测电路连接，用以接收所述方波信号，并对其进行整理和滤波处理，以获得一相对平滑的表征可控硅整流元件导通相角范围的控制信号。

进一步的，所述相角检测检测电路进一步包括一由稳压二极管组成的箝位电路和一晶体管，所述稳压二极管的击穿电压设置为与所述起始相角相对应的交流电压值；所述稳压二极管的阳极连接至所述整流桥的第二输出端，阴极通过一电阻连接至所述整流桥的第一输出端；所述晶体管的控制端连接至所述稳压二极管的阴极，第一端连接至所述整流桥的第一输出端；第二端通过一电阻连接至地，以获得一表征可控硅整流元件导通相角范围的方波信号。

进一步的，所述控制信号发生电路进一步包括第一反相器和一由电阻和电容组成的第一滤波电路，所述反相器的一端接收所述方波信号，所述电阻和电容依次串联连接在所述反相器的另一端和所述整流桥的第二输出端；所述电阻和电容的公共连接点的电压作为所述控制信号。

优选的，所述调光信号发生电路进一步包括：

基准斜坡信号发生电路，用以产生表征半周期所述交流电源在各相角处的平均值，具有与起始相角对应的第一基准值和与截止相角对应的第二基准值；

比较和处理电路，其第一输入端接收所述控制信号，第二输入端接收所述基准斜坡信号，并将两者进行比较和处理，以作为所述可控硅调光电路输出的调光信号，以调节后灯负载的亮度。

根据本发明的一种可控硅调光方法的优选实施例，包括以下步骤：

接收外部输入交流电源，利用可控硅整流电路将其转换为一缺相的交流电压；

接收所述缺相的交流电压，并对其进行整流，以获得一缺相的直流电压；

接收所述缺相的直流电压，并对其进行转换，以获得一表征可控硅整流元件导通相角范围的控制信号；

将所述控制信号和一参考斜坡信号进行比较，比较结果作为所述调光信号；

当控制信号等于所述斜坡信号的第一基准值时，输出一调光信号，使得此时LED灯处于最大亮度状态；

当控制信号等于所述斜坡信号的第二基准值时，输出一调光信号，使得此时LED灯处于最小亮度状态；

当控制信号处于所述斜坡信号的第一基准值和第二基准值之间时，输出一调光信号，以在LED最大亮度状态和最小亮度状态之间连续调节LED灯负载的亮度；

当控制信号小于第二基准值时，所述调光信号控制所述后续LED灯负载以一预设固定亮度工作。

进一步的，进一步包括：

接收所述缺相的直流电压，并对其进行箝位，以获得一表征所述可控硅整流元件导通相角范围的方波信号；

接收所述方波信号，并根据一基准值进行滤波运算，以获得一表征所述可控硅整流元件导通相角范围平滑的电压信号。

依据本发明的一种LED驱动电路的优选实施例，包括所述的可控硅调光电路， 还包括：功率级电路和驱动电路；

所述功率级电路和驱动电路接收所述滤波电容产生的直流电压和所述调光信号，以驱动后续LED灯，并进行亮度调节动作。

可见，采用本发明的可控硅调光电路，其调光范围不是可控硅的整个导通角，即从触发角处至一个正弦半波结束，而是采用其中的电压幅值较高的一段范围，如起始相角至90°相角的范围，在该范围内进行调节。

由于调节范围在起始相角至90°相角的范围内，因此电压幅值较高，对于维持可控硅整流元件正常导通的电流而言，正常导通时的电流即可以维持可控硅的工作电流，因此可以不需要维持电阻或者采用阻值较大的电阻也可以。

采用本发明的可控硅调光电路，可以不需要维持电阻或者采用阻值较大的电阻即可以满足可控硅的正常工作电流，提高了电路的工作效率，并且调光性能佳，不会存在负载灯闪烁的现象。

附图说明

图1A所示为采用现有技术的一种可控硅调光电路的原理框图；

图1B所示为图1A所示的可控硅调光电路的工作波形图；

图2A所示为依据本发明的可控硅调光电路的一实施例的电路原理框图；

图2B所示为图2A所示的依据本发明的可控硅调光电路的一实施例的工作波形图；

图3A所示为依据本发明的可控硅调光电路的另一实施例的电路原理框图；

图3B所示为图3A所示的依据本发明的可控硅调光电路的另一实施例的工作波形图；

图4所示为依据本发明的可控硅调光方法的一实施例的流程图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的几个优选实施例进行详细描述，但本发明并不仅仅限于这些实施例。本发明涵盖任何在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。为了使公众对本发明有彻底的了解，在以下本发明优选实施例中详细说明了具体的细节，而对本领域技术人员来说没有这些细节的描述也可以 完全理解本发明。

与图1A所示的现有的可控硅调光技术不同，图2A所示的依据本发明第一实施例的可控硅调光电路增加了导通相角信号发生电路201和调光信号发生电路202。

导通相角信号发生电路201与所述整流器107的输出连接，通过对整流桥输出的缺相的直流电压V_dcin进行检测，从而获得一表征可控硅整流元件106导通角范围的控制信号V_ctrl。

调光信号发生电路202接收所述导通相角信号发生电路201输出的控制信号V_ctrl和一基准斜坡信号V_ramp，并将两者进行比较，其输出结果作为所述调光信号，并据此产生一表征所述可控硅整流元件导通相角范围的调光信号V_ref。

调光信号发生电路202，其具有一预设的起始相角和截止相角确定的相角调光范围，所述相角调光范围由所述滤波电容110和所述交流电源101的数值确定。

所述基准斜坡信号V_ramp表征半周期所述交流电源在各相角处的平均值，具有与起始相角对应的第一基准值和与截止相角对应的第二基准值；

当所述控制信号V_ctrl等于所述第一基准值时，所述调光信号V_ref控制所述LED灯负载以最大亮度工作；

当所述控制信号V_ctrl等于所述第二基准值时，所述调光信号V_ref控制所述LED灯负载以最小亮度工作；

当所述控制信号V_ctrl在所述第一基准值和第二基准值之间时，所述调光信号V_ref控制LED灯负载在最大亮度和最小亮度之间连续线性变化；

当控制信号V_ctrl小于所述第二基准值时，所述调光信号V_ref控制所述后续LED灯负载以一预设固定亮度(如10％亮度)工作。

所述起始相角为0°-90°之间的一相角，所述截止相角为90°相角。

假设有电流流过所述滤波电容110的相对于半周期正弦交流电压的相角范围为30°-90°相角范围，则起始相角即为30°相角，因此可以将30°-90°的相角范围作为相角调光范围。在该相角范围内，一定有一定的电流流过滤波电容110，足以提供可控硅整流元件106维持正常导通的维持电流，从而在该相角调光范围内连续调节后续灯负载的亮度。参考图2B，所示为此时的基准斜坡信号和控制信号之间的对应关系图。基准斜坡信号的第一基准值V_ref1对应为30°-180°相角的平均值5V_pi/6；第二基准值V_ref2对应为90°-180°相角的平均值V_pi/2。

当所述控制信号V_ctrl等于所述第一基准值V_ref1时，所述调光信号控制所述LED灯负载以最大亮度工作；

当所述控制信号V_ctrl等于所述第二基准值V_ref2时，所述调光信号控制所述LED灯负载以最小亮度工作；

当所述控制信号V_ctrl在所述第一基准值V_ref1和第二基准值V_ref2之间时，所述调光信号控制LED灯负载在最大亮度和最小亮度之间连续线性变化。

当所述控制信号V_ctrl大于所述第一基准值V_ref1时，所述调光信号控制所述后续灯负载112以一预设固定亮度工作(如10％亮度)。

当所述控制信号V_ctrl小于所述第二基准值V_ref2时，所述调光信号控制所述后续灯负载112熄灭或者以一预设固定亮度工作。

可见，采用图2A所示的依据本发明的可控硅调光电路，通过导通相角信号发生电路201检测可控硅整流元件106的导通相角范围，并通过调光信号发生电路202控制其在一定的调节相角范围内，进行相应的调光操作。调节相角范围由滤波电容和输入交流源确定，从而不再需要阻值较小的维持电阻108；并且，调光相角范围对应的电压值也较高，不会出现现有的可控硅调光电路引起的灯闪烁的问题。

参考图3A，所示为图2A所示的依据本发明的可控硅调光电路的另一实施例的电路原理框图。在该实施例中，导通相角信号发生电路201包括相角检测电路306和控制信号发生电路310；调光信号发生电路202包括比较电路316。

以下以相角调光范围为30°-90°相角为例，结合图3B详细说明该实施例的工作原理。图3B所示为图3A所述的相角检测电路的工作波形图。

相角检测电路306接收整流桥107输出的缺相的直流电压V_dcin，并对其进行箝位，从而输出一表征可控硅整流元件106导通相角范围的方波信号。

所述稳压二极管301的阳极连接至所述整流桥107的第二输出端，阴极通过一电阻302连接至所述整流桥107的第一输出端，其公共连接点为A点；所述晶体管303的控制端连接至所述稳压二极管301的阴极，所述晶体管303的第一端连接至所述整流桥107的第一输出端，其第二端通过一电阻304连接至地，其公共连接点为B点。

当整流桥107的第一输出端的电压小于所述稳压二极管301的击穿电压时，晶体管303处于关断状态，A点的电压为零；当整流桥107的第一输出端的电压大于所述稳压二极管301的稳压电压时，晶体管303导通，A点的电压为所述稳 压二极管301的稳压电压，从而在A点获得一表征可控硅整流元件106导通相角范围ψ的方波信号V_A。由于晶体管303的压降，B点的电压V_B略低于A点的电压。B点的电压V_B经过电阻305传递至后级电路。

然后，通过控制信号发生电路310将该方波信号转换为一相对平滑的控制信号V_ctrl。

控制信号发生电路310进一步包括依次串联连接在电压源V_DD和整流桥107的第二输出端之间的第一反相器307、电阻308和电容309，其中所述第一反相器307的一端接收所述方波信号，所述电阻308和电容309依次串联连接在所述反相器307的另一端和所述整流桥107的第二输出端；所述电阻308和电容309的公共连接点C的电压作为所述控制信号V_ctrl。在C端输出的控制信号V_ctrl的数值为：

其中，V_pi表示第一反相器307的基准值，ψ表示可控硅整流元件106的导通相角。

优选的，控制信号发生电路310还可以进一步包括晶体管311、晶体管312和恒流源314。晶体管311，当电压V_B大于晶体管311的阈值电压时，晶体管311导通，电流通过晶体管311镜像至晶体管312，通过恒流源314对该电流进行限制。

调光信号发生电路202包括基准斜坡信号发生电路316和比较和处理电路315。

基准斜坡信号发生电路316用以产生表征半周期所述交流电源在各相角处的平均值的基准斜坡信号V_ramp，具有与起始相角对应的第一基准值V_ref1和与截止相角对应的第二基准值V_ref2。

基准斜坡信号发生电路316可以采用各种类型的斜坡信号发生电路，如计数器结构以及恒流源对电容的充电电路等结构。

比较和处理电路315接收所述控制信号V_ctrl和基准斜坡信号V_ramp，以对两者进行实时比较，并对比较结果进行相应处理。

当所述控制信号V_ctrl等于所述第一基准值V_ref1时，所述调光信号控制所述LED灯负载以最大亮度工作；

当所述控制信号V_ctrl等于所述第二基准值V_ref2时，所述调光信号控制所述LED 灯负载以最小亮度工作；

当所述控制信号V_ctrl在所述第一基准值V_rf1和第二基准值V_ref2之间时，所述调光信号控制LED灯负载在最大亮度和最小亮度之间连续线性变化。

当所述控制信号V_ctrl大于所述第一基准值V_ref1时，所述调光信号控制所述后续灯负载112以一预设固定亮度工作(如10％亮度)。

当所述控制信号V_ctrl小于所述第二基准值V_ref2时，所述调光信号控制所述后续灯负载112熄灭或者以一预设固定亮度工作。

采用图3A所示的可控硅调光电路的实施例，通过导通相角信号发生电路检测可控硅整流元件106的导通相角范围，并通过调光信号发生电路202控制其在一定的调节相角范围内，进行相应的调光操作。

参考图4，所示为依据本发明的可控硅调光方法的一优选实施例的流程图。在该实施例中，包括以下步骤：

S401：接收外部输入交流电源，利用可控硅整流电路将其转换为一缺相的交流电压；

S402：接收所述缺相的交流电压，并对其进行整流，以获得一缺相的直流电压；

S403：接收所述缺相的直流电压，并对其进行转换，以获得一表征可控硅整流元件导通相角范围的控制信号；

S404：将所述控制信号和一参考斜坡信号进行比较和处理，以作为所述调光信号。

当控制信号等于所述斜坡信号的第一基准值时，输出一调光信号，使得此时LED灯处于最大亮度状态；

当控制信号等于所述斜坡信号的第二基准值时，输出一调光信号，使得此时LED灯处于最小亮度状态；

当控制信号处于所述斜坡信号的第一基准值和第二基准值之间时，输出一调光信号，以在LED最大亮度状态和最小亮度状态之间连续调节LED灯负载的亮度；

当控制信号大于所述第一基准值时，所述调光信号控制所述后续LED灯负载以一预设固定亮度工作；

当所述控制信号小于所述第二基准值时，所述调光信号控制所述后续LED灯负载熄灭或者以一预设固定亮度工作。

优选的，所述可控硅调光方法，进一步包括：

接收所述缺相的直流电压，并对其进行箝位，以获得一表征所述可控硅整流元件导通相角范围的方波信号；

接收所述方波信号，并根据一基准值进行滤波运算，以获得一表征所述可控硅整流元件导通相角范围平滑的电压信号。

本发明还公开了依据本发明的一种LED驱动电路，包括图2A或者3A所示的可控硅调光电路，还包括：功率级电路和驱动电路。

如图2A所示，所述功率级电路和驱动电路111接收所述滤波电容110产生的直流电压V_dcin和所述调光信号V_ref，以驱动后续LED灯负载112，并进行亮度调节动作。

以上对依据本发明的优选实施例的可控硅调光电路及其调光方法进行了详尽描述，本领域普通技术人员据此可以推知其他技术或者结构以及电路布局、元件等均可应用于所述实施例，晶体管可以为MOSFET晶体管，斜坡信号发生电路、滤波电路可以为任何形式的合适的电路。本发明的实施例中采用的前沿触发的控制方式，本领域技术人员可以得知，基于本发明思想的采用后沿触发的控制方式也可以实现本发明的目的，达到相同的有益效果。

依照本发明的实施例如上文所述，这些实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施例。显然，根据以上描述，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本发明以及在本发明基础上的修改使用。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。