一种PWM调光方法及PWM调光装置

摘要

本发明提供一种PWM调光方法和PWM调光装置，通过将多个PWM周期组合形成控制信号来对照明设备的亮度进行控制，采用了这样的设计之后，可以在提高PWM信号的频率同时不影响调光精度，同时通过组合方案的变化，还可以获得更多的调光等级，从而实现调光精度更高以及更为平顺柔和的调光效果。

说明书

技术领域

本发明涉及一种PWM调光方法和PWM调光装置。

背景技术

随着LED的快速技术的发展，越来越多的LED光源取代了传统的光源。众所周知，LED作为光源具有诸多的优点，易调光调色是LED的最大优点之一。随着物联网和智能家居的发展和推广，对光源调光需求越来越多，且对调光的质量要求也越来越高。所以LED的调光技术需要不断进步，才能发挥自身的优势，顺应智能家居的发展大潮。

目前，最常用的LED调光方式为PWM调光，其原理是是利用PWM信号对Buck/Boost型开关电源电路进行控制，根据PWM信号的占空比值，输出对应的电压电流值。如图1所示Buck/Boost型开关电源的开关频率较高，一般在数十Khz到数百Khz之间。PWM的频率一般在几百到几Khz之间，通过PWM电平的High/Low来控制开关电源基波的电流开启/关断。PWM信号的周期一般为开关电源电路周期的整数倍，因为，如图1所示PWM脉宽PWMHIGH时间增加的部分Δt如果正好位于开关电源电路一个周期内的LOW时，这样PWM脉宽的增加对于输出电流来说就是无效的，后端输出给LED的电流无变化，不能起到实际的调光作用。而且考虑到两个信号的同步问题，因此在现有的PWM控制方案中PWM的有效调光等级等于开关电源电路频率f_b除以PWM频率f_p（L_eff=f_b/f_p）。

由于PWM控制的上述工作原理，就产生了一个矛盾，如果希望增加调光等级就应该减小PWM信号的频率，但是当PWM频率低时，LED光源容易出现频闪，用摄像设备对LED光源拍摄时，会看到明显的波纹。反之，PWM频率的提高，虽然会减小所述的频闪纹波问题，但带来的负面影响是降低了调光等级数，进而调光精细度会变低，造成调光过程中亮度变化不够平滑，视觉上甚至会感到光源闪烁。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述问题，提供一种调光效果更为平顺柔和的PWM调光方法、PWM调光装置。

本发明为实现上述功能，所采用的技术方案是提供一种PWM调光方法，通过PWM信号的高/低电平来开启/关断驱动电路向负载输出驱动电压或驱动电流，所述PWM信号为脉冲信号，周期为T_p，T_p为驱动电路周期T_d的整数倍,PWM基础调光等级数L_PWM=T_p/T_d,所述PWM信号的脉宽为Tw=p*T_d（p为正整数，1≤p≤L_PWM），其特征在于：

由N个（N≥2，N为正整数）所述PWM信号周期组合编制成控制信号，所述控制信号的周期为N*T_p，所述控制信号周期内的实际有效工作时间t_eff为该周期中各PWM信号周期的脉宽之和,i标示一个所述控制信号周期中所述PWM信号周期的位置，1≤i≤N，t_eff=∑^N_i=1Tw(i)，所述PWM调光方法由t_eff的值表现调光等级。

优选的，所述PWM调光方法通过不同的Tw(i)组合实现不同的t_eff来表现全部调光等级，可实现的调光等级为N*L_PWM。

优选的，所述控制信号通过以下步骤产生：

步骤A接收调光信号L_in；

步骤B计算所述控制信号周期内的所述N个PWM信号的组合序列,使所述N个PWM信号的组合可实现调光信号L_in所表达的调光等级；

步骤C控制所述PWM信号输出。

优选的，单个所述控制信号周期由m个（m为正整数，1≤m≤N）Tw=p*T_d的所述PWM信号周期和N-m个Tw=(p+1)*T_d的所述PWM信号周期组合而成。

优选的，所述步骤B可分解为以下步骤：

步骤B1计算最接近的PWM信号脉宽，即计算p值，p=INT((L_in/L_MAX)*L_PWM),其中L_MAX为最大调光值；

步骤B2计算m值，m=INT(N*(p+1-(L_in/L_MAX)*(T_p/T_b))+0.5)；

步骤B3编组，确定m个Tw=p*T_d的所述PWM信号周期和N-m个Tw=(p+1)*T_d的所述PWM信号周期的排列序列。

优选的，所述步骤B3采用以下算法：

当PWM信号周期的中位置i=j*INT(N/m)，则Tw(i)=p*T_d,j为1到m的正整数，不符合该等式的其他位置则Tw(i)=(p+1)*T_d。

优选的，所述步骤B3采用以下算法：

当m≤N/2时,如i≤2*m，则奇数位Tw(i)=p*T_d、偶数位Tw(i)=(p+1)*T_d,i＞2*m全部Tw(i)=(p+1)*T_d；当m＞N/2时,如i≤2*(N-m)，则奇数位Tw(i)=(p+1)*T_d、偶数位Tw(i)=p*T_d,i＞2*(N-m)全部Tw(i)=p*T_d。

优选的，各Tw(i)的值存放在一存储单元，所述步骤C包括如下步骤：

步骤C1对i赋值为0；

步骤C2定时器执行一个定时周期，所述定时周期等于T_p；

步骤C3i=i+1，从所述存储单元读取Tw(i)，根据Tw(i)修改所述PWM信号的占空比；

步骤C4判断i是否等于N，相等执行步骤C1，不等执行步骤C2。

优选的，所述步骤B完成后，还包括一个Tw(i)写入步骤，所述Tw(i)写入步骤包括：

中断所述步骤C执行；将各Tw(i)值写入所述存储单元；步骤C重新从步骤C1开始执行。

本发明还提供一种PWM调光装置，包括：

调光信号接口电路，接收调光信号；

驱动电路，输出驱动电压或驱动电流，其工作周期为T_d；

驱动电源输出接口电路，连接负载；

控制电路，所述控制电路从所述调光信号接口电路接收所述调光信号，生成控制信号，输出至所述驱动电路，其特征在于所述控制电路包括运算模块和PWM信号执行模块，所述运算模块采用权利要求1-9任一所述的PWM调光方法，根据所述调光信号计算PWM信号特征值，所述PWM信号执行模块根据所述PWM信号特征值生成控制信号。

优选的，所述控制电路还包括存储单元，所述PWM信号特征值存储于所述存储单元。

优选的，所述PWM信号执行模块包括PWM信号发生器、读写模块、定时器、计数器，所述定时器触发所述读写模块从所述存储单元读取特定位置的PWM信号特征值传输给所述PWM信号发生器，所述PWM信号特征值的位置由所述计数器的数值决定，所述PWM信号发生器根据所述PWM信号特征值生成相应的PWM信号，连续的N个所述PWM形成控制信号向所述驱动电路输出。

优选的，所述PWM信号特征值为脉宽值或占空比值。

本发明所提供的技术方案通过将多个PWM周期组合形成控制信号来对照明设备的亮度进行控制，采用了这样的设计之后，可以在提高PWM信号的频率同时不影响调光精度，同时通过组合方案的变化，还可以获得更多的调光等级，从而实现调光精度更高以及更为平顺柔和的调光效果。

附图说明

图1是现有PWM调光方法的波形示意图；

图2是符合本发明优选实施例的PWM调光装置的结构示意图；

图3是本发明PWM调光方法实施例一的流程图；

图4是本发明PWM调光方法实施例二的流程图；

图5是符合本发明优选实施例的PWM调光方法的波形示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种PWM调光方法、PWM调光装置作进一步详细的说明。

请参考图2，图2所示是本发明提出的一种PWM调光装置的一个较佳实施例的结构示意图，该PWM调光装置包括调光信号接口电路1、控制电路2、驱动电路3、驱动电路输出接口电路4。调光信号接口电路1接收外部传来的调光控制信号并传送给控制电路2，由控制电路2对调光控制信号做解析，并产生控制信号传送到驱动电路3。该控制信号是由和调光控制信号相对应的特定占空比的多个PWM信号组合而成，并且循环输出，驱动电路依据PWM的占空比值输出对应的驱动电压电流值，并由驱动电源输出接口电路4输出给相应的光源。控制电路2可以由一些分离元件搭建而成也可以由一个MCU来实现。当然一个完整的调光装置还会包括电源、AC/DC电路等（图2中未示出），这个可以根据实际实用情况作相应的配置。

本发明和现有调光系统的主要区别在于控制电路的处理方法。在现有的PWM调光装置中，一般控制电路通过对外部调光控制信号的运算获得一个单一的PWM占空比值，PWM信号发生器根据这个占空比输出PWM信号实现调光。但是这样就会出现如前文提到的一种问题，包括频闪、调光精度不够等。而本发明的解决方法是将多个PWM周期组合形成控制信号，本发明优选实施例中，在一个控制信号周期中各个PWM信号的占空比是不同的，如将占空比为3%和4%的PWM信号组合就可以获得原来不可能实现的占空比3.5%。采用这样的方式可以提高PWM的频率，如系统需要3.5%的亮度，直接通过PWM信号脉宽来进行的PWM频率至少要是这种组合方式的一半。另外，这样通过组合各种不同占空比的PWM信号的组合可以获得更多的调光等级。为了实现这样的方案，控制电路的结构也必须要作相应的改进，首先控制电路中必须要有一个运算模块21，该运算模块21输入为调光控制信号，输出为一个控制信号周期中各PWM信号的特征值，以及他们的排列顺序，这个PWM信号特征值可以表示为PWM信号的占空比，也可以表示成为PWM信号的脉宽。控制电路中还包括一个PWM信号执行模块23，该执行模块根据运算获得的PWM信号特征值逐个依次输出不同占空比或脉宽的PWM信号周期，形成最终的控制信号。即，PWM信号执行模块将一组PWM信号特征值循环输出，形成控制信号。运算模块21可以在每一个PWM信号周期向PWM信号执行模块23输出相应的PWM信号特征值，但是这样显然不够经济，因此在本实施例中，还包括一个存储单元22，运算模块21仅在检测到调光控制信号发生变化时进行一次运算，然后将运算结果写入存储单元22，所述存储单元22可以是一个硬件存储设备，也可以通过数组、栈、队列等数据结构来实现。而在PWM信号执行模块23中包括PWM信号发生器2301、读写模块2302、定时器2303及计数器2304，定时器2303设定定时时间等于PWM信号的周期时间，定时器2303走完设定的定时时间触发读写模块2302执行读写操作，读写模块2302从存储单元22读取和计数器2304数值相对应位置的PWM信号特征值，并将数据传送至PWM信号发生器2301，PWM信号发生器2301根据该特征值产生符合该特征值的PWM信号。在本实施例中一个控制信号由N个（N≥2，N为正整数）PWM信号周期组成，定时器2303每走完一个定时时间计数器2304加1，到N时清零，当计数器2304完成从1到N的一个循环，PWM信号发生器2301产生N个PWM信号周期便完成了一个控制信号周期，控制信号周期的不断循环实现了调光控制。

下面就具体实施例的流程图对本发明的PWM调光方法进行说明，图3为实施例一的流程图，图5为根据本发明PWM调光方法获得的一个控制信号的波形图。这里先对PWM控制基本原理及图标做一下说明，PWM调光方法是通过PWM信号的高/低电平来开启/关断驱动电路3向负载输出驱动电压或驱动电流，从而实现不同的电压或电流输出实现对光源亮暗的调整，PWM信号为脉冲信号，周期为T_p，在本实施例中采用Buck/Boost型开关电源电路作为驱动电路，驱动电路3的周期表示为T_d，为了实现可控的调光PWM信号周期T_p为T_d的整数倍,PWM基础调光等级数L_PWM=T_p/T_d,PWM信号的脉宽为Tw=p*T_d（p为正整数，1≤p≤L_PWM），p的不同选值形成不同的调光输出。在本实施例中，如图5所示，一个PWM信号周期T_p中包含5个驱动电路周期T_d，Tw表示的是PWM信号的脉宽，PWM信号为高电平时驱动电路向负载输出电压或电流，PWM信号为低电平时驱动电路输出被屏蔽。当然也可以在低电平时输出电压，高电平时屏蔽信号，这个对本发明的调光方法没有影响。如前所述由于驱动电路的输出也是脉冲形式的，因此当Tw为T_p的10%到20%间变动时，时间输出的电压是不会发生变化的，所以在这个实施例中，可实现的调光等级实际上只有5级，L_PWM=5，通过让Tw包含1、2、3、4或5个驱动电源周期T_d实现20%、40%、60%、80%、100%这5档调光等级，这里的百分比是指输出亮度和驱动电路可实现最大亮度的比值。很显然5个调光等级是不能满足我们的需要，当我们想增加调光等级又不想增加PWM信号周期T_p，我们采用的方法是用N个（N≥2，N为正整数）PWM信号周期组合编制成控制信号，如图5所示本实施例采用4个PWM信号周期编组成为一个控制信号周期T_c，T_c=N*T_p,我们采用变量i标示一个控制信号周期中所述PWM信号周期的位置，1≤i≤N，Tw(i)表示控制信号周期中第i个PWM信号周期的脉宽，当采用不同的脉宽组合时就可以产生更多级的调光等级，图5中Tw(1)=2T_d，Tw(2)=Tw(3)=Tw(4)=T_d，这样控制信号周期T_c中的实际有效工作时间t_eff为该周期中各PWM信号周期的脉宽之和，t_eff=Tw(1)+Tw(2)+Tw(3)+Tw(4)=5T_d，T_c中一共包含20个T_d，因此在这样一个控制信号周期T_c中实际的光输出为5T_d/20T_d等于25%，这样就实现了原来无法实现的25%的调光等级，由4个PWM信号周期编组可实现的调光等级为N*L_PWM，在本实施例中可以实现20级的调光等级。

一个完整的PWM调光方法流程如图3所示，包括三个步骤：

步骤A接收调光信号L_in；

步骤B计算所述控制信号周期内的所述N个PWM信号的组合序列,使所述N个PWM信号的组合可实现调光信号L_in所表达的调光等级；

步骤C由PWM信号执行模块实现PWM信号的组合输出形成控制信号。

在本实施例中步骤B计算的是第1到第N个PWM信号周期的Tw(i),即计算每个PWM信号周期T_p各自的脉宽值，以使得组合出来的实际有效工作时间t_eff可以实现调光信号L_in所表达的调光等级。一个控制信号中的各个PWM信号周期的Tw(i)可以是任意的，只要其满足Tw(i)为T_d的整数倍，即如前文所述Tw=p*T_d，但是优选的，在一个控制信号周期中各PWM信号周期的Tw(i)最多相差一个T_d，即是由p*T_d和(p+1)*T_d组合而成。也就是说单个控制信号周期是由m个（m为正整数，1≤m≤N）Tw=p*T_d的PWM信号周期和N-m个Tw=(p+1)*T_d的PWM信号周期组合而成。这样的好处是调光装置输出电压的波动不会太大，而且p*T_d和(p+x)*T_d的组合（这里的x为大于等于2的整数），完全可以通过调整m的数量来实现，如在本实施例中，采用1个4T_d的PWM信号周期和3个2T_d的PWM信号周期组合来实现50%的调光等级，完全可以通过2个3T_d的PWM信号周期和2个2T_d的PWM信号周期组合来实现，而采用后一种组合输出电压的波动明显要小于前者，不会有明显的明暗闪烁。

如图3所示，步骤B可进一步细化分解为以下步骤：

步骤B1计算最接近的PWM信号脉宽。由于我们是采用p*T_d和(p+1)*T_d的组合，也就是说是由两个相邻的PWM基础调光等级组合而成，这样我们需要的调光等级必定要位于这两个PWM基础调光等级之间，这里我们以图5所示的具体波形数据为例子来说明，当我们需要25%的调光等级，而我们的PWM基础调光等级只有20%、40%、60%、80%、100%这些选择，如果只能采用相邻的两个调光等级来进行组合，那么我们只能选择20%和40%组合采用实现25%的调光等级，如果将这个调光等级折算成脉宽，即p需要满足如下公式p*T_d≤(L_in/L_MAX)*T_p＜(p+1)*T_d。其中L_MAX为最大调光值，L_in和L_MAX的单位必须统一，如果输入调光信号L_in为亮度值，则L_MAX为系统可实现的最大亮度；如输入调光信号L_in为调光等级，则L_MAX为系统可实现的最多调光等级数；如输入调光信号L_in为最大亮度的百分比，则L_MAX为1。换言之即p的取值为小于L_in所需调光等级且最接近的值，这个步骤就是要计算p值，通过上面公式的变换我们可以得出p=INT((L_d/L_MAX)*L_PWM)，这里INT表示取整函数，因为p只能为整数当计算出现小数的时候就去除小数部分，以实际数值为例，25%的调光亮度在基础等级为5时p=INT((25%/1)*5)=INT(1.25)=1,这样我们就可以得出25%的调光亮度应该由1T_d和2T_d组合而成。

步骤B2计算m值。既然单个控制信号周期是由m个Tw=p*T_d的PWM信号周期和N-m个Tw=(p+1)*T_d的PWM信号周期组合而成的，那么m也是一个需要计算的重要数值。由等式(m*p*T_d+(N-m)*(p+1)*T_d)/N=(L_in/L_MAX)*T_p进行变换可得出m=N*(p+1-(L_in/L_MAX)*(T_p/T_b))，但是在实际应用中无法保证m的计算值正好为整数，需要对结构进行四舍五入，那么计算公式则变换成为m=INT(N*(p+1-(L_in/L_MAX)*(T_p/T_b))+0.5)。

步骤B3进行编组，确定m个Tw=p*T_d的所述PWM信号周期和N-m个Tw=(p+1)*T_d的所述PWM信号周期的排列序列。既然有了m个Tw=p*T_d的PWM信号周期和N-m个Tw=(p+1)*T_d的PWM信号周期，那么这些PWM信号周期该如何排列也是需要通过运算来确定的。我们可以简单地先发出m个Tw=p*T_d的PWM信号周期，然后发出N-m个Tw=(p+1)*T_d的PWM信号周期，但是这样会使输出电压的变化比较明显，优选的方式是将不同脉宽的PWM信号周期间错排列。在这里我们可以将这些信号均匀分布，具体算法如下：当PWM信号周期的中位置i=j*INT(N/m)，则Tw(i)=p*T_d,j为1到m的正整数，不符合该等式的其他位置则Tw(i)=(p+1)*T_d。以一个具体数值说明，当由10个PWM信号周期组成的编组中，有3个Tw=p*T_d的PWM信号，那么j代入1、2、3,则i等于1*INT(10/3)、2*INT(10/3)、3*INT(10/3)这3个位置分布3个Tw=p*T_d的PWM信号，分别为第3、第6、第9位，其余位置则为Tw=(p+1)*T_d的PWM信号。本步骤可选用的另一种算法为，起始位置选择占少数的脉宽作为起始信号，后面的信号逐一间隔排列直到这个占少数的脉宽数用完，后续则全部为另一种脉宽，还是用上面的数值为例：10个PWM信号周期组成编组，如Tw=p*T_d的PWM信号的信号有3个，Tw=(p+1)*T_d的PWM信号有7个，则第一位Tw(1)=p*T_d,随后的Tw(2)=(p+1)*T_d、Tw(3)=p*T_d、Tw(4)=(p+1)*T_d、Tw(5)=p*T_d这时3个Tw=p*T_d的PWM信号已经分布完成，后面的Tw(6)到Tw(10)就全部为(p+1)*T_d，若Tw=p*T_d的信号占多数，那么第一位Tw(1)=(p+1)*T_d后一位为p*T_d交替编列直至Tw=(p+1)*T_d的信号用尽，其余全部为Tw=p*T_d的信号。也就是说当m≤N/2时,如i≤2*m，则奇数位Tw(i)=p*T_d、偶数位Tw(i)=(p+1)*T_d,当i＞2*m时Tw(i)=(p+1)*T_d；当m＞N/2时,如i≤2*(N-m)，则奇数位Tw(i)=(p+1)*T_d、偶数位Tw(i)=p*T_d,当i＞2*(N-m)时Tw(i)=p*T_d。

如图3所示，步骤C也可进一步细化分解，我们结合图2中的硬件结构模块来具体讲解步骤C：

步骤C1对i赋值为0，计数器2304清零；

步骤C2定时器2303执行一个定时周期，所述定时周期等于T_p，T_p预先设置在定时器2303中，一个定时周期完成，硬件上定时器2303触发读写模块2302工作，程序中执行后续步骤C3；

步骤C3计数器执行加一操作，则i=i+1，读写模块2302从存储单元22读取Tw(i)，PWM信号发生器2301根据Tw(i)修改所述PWM信号的占空比并输出该PWM信号；

步骤C4判断i是否等于N，即判断计数器2304是否溢出，如i=N执行步骤C1，i≠N则执行步骤C2。

前面所描述的PWM调光方法是本发明的实施例一，在上面的调光执行步骤中是先接收调光信息，再通过运算并输出控制信号，这是一个基本的步骤。但是在实际应用中用户的调光需求是不可预测的，必须经常检查是否有调光需求，因此我们这里提供了实施例二，如图4所示。在实施例二中大部分的操作步骤和实施例一类似，但是步骤A包括两个子步骤，即检测调光控制信号，将调光控制信号和当前的亮度值比较，如有变化执行步骤B，无变化则继续检测，也就是说仅在亮度需要改变时才执行运算步骤。系统首次运行时，当前的亮度值为零，这样只要打开灯具就会有亮度信息过来从而进入运算步骤，具体运算方法同实施例一。而在本实例中运算完成后执行步骤C，步骤C的具体内容同实施例一，但是不同的是，在本实施例中，步骤C开始执行后就处于单独的执行状态，应为步骤C是一个循环执行程序，只要没有关灯就按照当前存储的PWM信号特征值不断输出，从而实现固定的一个特定的亮度。在步骤C执行的同时，步骤A也继续不断地检测，一旦发现调光亮度的变化就开始执行步骤B。由于这种步骤A和步骤C并行执行的模式，在步骤B完成后还有一个Tw(i)写入步骤，因为步骤B完成后需要将运算结果写入存储单元22，而此时步骤C正在不停地读取存储单元中的数据，直接写入的话会产生读写错误，且在一个控制信号周期执行到一半的时候使得后续的PWM信号周期的脉宽发生巨变无法实现平滑的调光变化。因此在Tw(i)写入步骤中首先发出一个中断命令，中断步骤C的执行，然后将步骤B的运算结果写入存储单元22。这样的中断只是停止运行步骤C但是PWM信号的输出并不会停止，不过由于不进行计数及读取操作，在中断期间PWM信号的脉宽不会发生变化，始终保持当前的Tw值输出PWM信号。当写入完成则重启步骤C，也就是从步骤C的开始点P处开始运行步骤C，不管调光之前步骤C运行到何处，此时都将计数器2304清零，并重新进行定时触发，从第1位置开始读取Tw(i)，并逐一输出实现新的调光亮度。

上文对本发明优选实施例的描述是为了说明和描述，并非想要把本发明穷尽或局限于所公开的具体形式，显然，可能做出许多修改和变化，这些修改和变化可能对于本领域技术人员来说是显然的，应当包括在由所附权利要求书定义的本发明的范围之内。