專利名稱：：智能型恒功率直流led燈絲驅動電路的制作方法
技術領域：
：本發明涉及一種智能型恒功率LED燈絲驅動電路，屬于半導體照明
技術領域：
，適用于各種設計合理的LED電路拓撲結構，特別在市電網供電場合，適用于驅動LED燈絲電路之LED光源，即本發明人此前諸多專利所涉及的'LED燈絲，技術方案200410081394.4、200510020493.6、200420060342.4、200420061456.0、200420105410.4、200520033431.4、200620157080.2等，目標在于獲得LED照明燈具整備效率高和綜合成本低的有益效果。綜合構成的LED燈絲照明總體技術方案，具有明顯的性能成本比較優勢，在LED綠色節能照明
技術領域：
獨樹一幟，將成為該領域主流技術方案之一。
背景技術：
：目前用于交流市電網供電的LED照明燈具，絕大多數采用低壓直流驅動模式將市電網AC220V、AC230V或AC110V、AC120V等，轉換成相對較低的直流電壓，例如DC12V、DC24V、DC36V，還有DC80V甚至更高的直流低電壓，用以提供相應LED照明電路所需電能，保障LED光源正常工作，也就是為LED光源部件提供所謂'低壓直流供電，環境。在這一環境中，絕大多數應用追求的技術目標是'恒流，控制，因為大多數技術人員覺得，LED應該在直流低電壓恒流條件下使用，才能獲得最佳使用效果。從市電網獲取低壓直流向LED光源電路供電有多種技術手段，主流技術方案大體兩種。方案一采用電子變壓器將市電網交流電變換成所需的較低電壓交流電，再通過橋式整流、串聯型穩壓獲得低壓直流穩壓電源。方案二采用PWM脈寬調制模式的開關電源獲得低壓直流穩壓/恒流電源。這一PWM方案還有隔離式與非隔離式之分，在此不贅述。目前市場上還有RC阻容降壓型驅動電路及其原理類似的衍生電路，也可以提供交流電網的電能來點亮LED照明光源，但此類電路的基因決定其不堪大用電能轉換效率低下，電能質量差，功率輸出小，不具備推廣價值。3無論何種技術方案，從總體指標角度分析，只要配置有提供LED光源工作的電源驅動器，系統總體就必須為該驅動器分配合理的耗電指標。從整備效率角度分析，驅動器絕對功耗越低，特別是在燈具系統總功耗中所占百分比的相對功耗越低，說明該驅動器的效率越高。顯然，高效率驅動器的節能效果明顯優于低效率驅動器。其實，在成功的產品設計中，并不是追求某個功能部件單項指標的最佳化，而必須兼顧各項相關組成部分，通過綜合平衡來優化分配總體技術指標，也就是追求產品整體綜合指標的最佳化。這也就是說，不僅要考慮到產品各組成部件的特殊技術性能指標，更重要的還應涉及其它方面，包括成本、可靠性、體積、重量、熱平衡、防護性能、環境適應性等各種要求，特別是該部件與其它部件之間的參數匹配顯得尤其重要。從目前市場來看，基于隔離式PWM開關電源技術方案的LED驅動器，其電能轉換效率大致在80°/。左右，指標提高一些則成本上升很快；非隔離式PWM開關電源技術方案成本相對較低、電能轉換效率相對較高，但要在較寬的電壓范圍內都達到卯％不很容易，要超過95%以上仍然是比較困難的。LED光源驅動器這一電能轉換部件的效率，無論是高還是低，其自身都是要消耗電能的，如同只有吃了草馬兒才會跑一樣天經地義。但是能不能叫馬兒又能跑得好，又能少吃草呢？甚而至于我們是否能用廉價的毛驢代替昂貴的高頭大馬，吃更少的草，卻仍能健步如飛呢？實現類似的神話正是本專利技術方案所要解決的技術問題。
發明內容本發明要解決的技術問題是提供一種先進的LED照明產品總體設計方案，其綜合技術指標能夠遠遠超過其它LED照明燈具，并在相對寬闊但又是定義合理的電網電壓波動變化范圍內，都能夠提供恒定的功率輸出，都能夠實現LED照明燈具光線柔和、照度穩定、光效超高、長壽安全地照明之效果。除了上述的功效之外，本技術方案提供了LED照明光源實施智能化監控硬件平臺的低成本方案，結合外圍配置多種實用功能硬件接口，在嵌入式智能化軟件操控下，可以實現時、定亮、接近感應，以及適應地理緯度、地理高程等特殊環境要求的智能化燈光開關和亮度增減控制，還可以通過內置的有線或無線數據通訊接口，將各類傳感器感知的各種寶貴信息，及時進行實時處理、實時記錄和定時傳送，同時還能隨時接收來自指揮中心的遙控指令和數據，經分析而后執行，實現普通照明燈具根本不可思議的超級功能，甚至包括節點故障自動診斷、自動排除，以及嵌入式監控軟件遙控升級等其它特殊功能。本發明要解決該技術問題的關鍵在于提供一種智能型恒功率直流LED燈絲驅動電路，該功能部件拓撲結構簡潔、元器件少、裝配制造工藝簡單、原材料取得方便，同時該部件不斷升級的、功能強大的嵌入式監控軟件，可以提供不斷升級的智能化功能，使得該LED照明產品具有自適應能力和后天學習智能；在生產線上完成裝配的LED照明燈具產品幾乎無需調試，使得產品的綜合成本低廉，有利于超大批量生產，超大規模普及和應用。本技術方案涉及的LED驅動電路或稱LED驅動器，是專門用于驅動LED燈絲電路的。如同此前本發明人在上列文獻中闡述過的概念市電網交流電壓數值會影響LED燈絲級數。所謂LED燈絲的級數概念，是指LED燈絲電路結構中，串聯LED單個元件的個數。LED燈絲中單個LED級數N的確定，可以用下列公式計算得到N=int(((VacX21/2)/VF)XK)式中NLED燈絲級數Vac市電網交流有效值，例如我國為220VFLED燈絲中單個LED正向工作電壓平均值K經驗系數，一般取K>0.9或K-0.85Int()取整函數，僅保留括號內運算結果的整數部分我國大陸AC220V交流電網，白光LED燈絲級數N大約在80100，即LED串聯80顆到100顆，而對于AC110V的交流電網，LED燈絲級數大約在4050，即40顆到50顆單個LED串聯而構成一個LED燈絲單元。舉例說明當Vac-220V，VF=3.2V，K=0.85則N=int(((220X1.4142)/3.2)X0.85)=int(82.6423125)=82,即該LED燈絲由82顆單個的LED燈珠串聯組成。制作一個基于LED燈絲技術方案的LED照明燈具，至少需要一串LED燈絲，但也常常需要多串LED燈絲并聯使用，這在應用中完全合理，在技術上也容易實現。由于在LED燈絲單元中所有單個LED器件都工作在串聯狀態，因此流經所有單個LED器件的電流完全相等，則各個LED芯片截面的工作電流密度大體相當，可以推知發熱強度也大體相當，因此在LED燈絲電路中就沒有明顯的電應力和熱應力薄弱環節。應用LED燈絲結構，巧妙而廉價地迴避了低壓直流少串多并電路結構所無法避免的麻煩事相同電壓下多路LED并聯使用，每一路電流在每個瞬間都不相等，如果對所有并聯分支電路的電流均衡控制不周到，往往導致電流最大一路負荷過重，該路就易發生故障，從而危害到系統總體的可靠性。在提高LED照明燈具總體節能效率方面，本技術方案采取雙管齊下的方針。一方面努力降低LED驅動電路功耗，即努力提高該驅動電路效率。另一方面，利用人眼視覺特點，充分發揮LED光源的物理和電學特性，在保障照明效果前提下進一步減少照明用電。首先，如圖1所示'市電網供電的基于智能型恒功率直流LED燈絲晶體管驅動電路的LED照明光源電路總體方案'可知，電路總功耗由6部分構成，這6個部分也就是構成本技術方案的6個組成部分，其功能結構框圖如圖2所示，各組成部分是1市電網整流全橋Q2LC構成的;r型儲能濾波環節3基于LED燈絲電路結構的LED照明光源單元4基于MCU的智能控制單元，包括獨立電源和各種傳感器、執行部件等5Tl、T2組成的高耐壓半導體電子開關6饋送MCU采樣單元ADC的LED燈絲工作電流取樣電阻Re第4項中提到的MCU,即MicroControlUnit微控制單元，或MainControlUnit6主控制單元，是基于整合微處理器和外圍接口的集成化硬件單元，結合嵌入式軟件技術而成為高性能微系統器件。整個MCU功能框圖內獨立供電。現以我國大陸民用市電網使用的AC220V為背景對功耗與效率進行分析。設本系統LED照明燈具設計功耗150W,電流取樣電阻Re=0.5Q,由于串聯回路上各部件功耗之比等于其電壓降之比，貝U:1整流橋Q平均壓降1.4V，2;r型LC壓降0.5V，5電子開關T1、T2工作在飽和導通狀態，壓降0.8V，6取樣電阻Re平均壓降0.6V，而整流后獲得的直流電壓平均值為285V，于是我們有串聯環路的效率iil為til=(1—(1.4十0.5+0.8十0.6)/(285+1.4))X100%=98.848%折合成瓦數，則1256部分的合計功耗約為1.7284W，考慮到4項的總功耗不足0.26W，合計12456項功耗約為2W,則系統總效率ii為tl=(1-2/(2+150))X100%=98.68%考慮到LED燈絲光源3功耗盡管變化，系統中除3之外其余各項功耗大體相當，總和約為2W，則不同照明功率系統的總效率n'會有變化，下面分別計算LED燈絲功耗取30W、50W、IOOW、200W、250W各例的計算結果，列表示意<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>從上表可以看出，本技術方案電能利用效率之高，為此前絕大多數技術方案所無法企及，特別是在功率較大LED照明燈具的應用方面，更彰顯其獨特的優越之處。實測中最容易出現效率下降的環節在于5，如果采用雙極性晶體管，當不是飽和導通時，電壓Vce就會偏高，導致耗散功率明顯增加，效率明顯下降；解決這個問題的辦法是增加基極電流的供給，盡量使雙極型晶體管實現飽和導通。如果更換電子開關，如圖3采用高壓FET場效應管，當Ron僅有幾十毫歐姆時，效率就很高。其次，這個重要的措施是利用人類視覺特點，進一步提高照明效果而進一步降低光源功耗。光源光照的亮度效果，遵從于視覺的基本規律，相同輻射功率之平穩光照和閃爍光照作用于視覺產生的亮度效果，遵從道格拉斯公式(Douglas'sEquation):(tl-t2)+0.2I對于短促強閃光，上述公式可近似為"5^;I(t)At,這表示短促強閃光可以獲得近似5倍的同等恒定光強視覺，這一結論為進一步提高照明節能效率奠定了釆用全新照明控制方法的理論依據。本技術發明人在從事多年LED航標燈研制實踐中，發現了這一規律并摸索運用了這一技術，使得依靠蓄電池供電的、電能寶貴的航標燈，在采用LED光源并結合使用此技術后，在不降低有效視距標準的要求下，極大地降低了電源總功耗，因此大大延長了蓄電池更換周期，既確保了航標燈更長時間的安全工作，又大大降低了設備維護成本。類似地運用這一技術方案，將會在LED照明領域帶來更大幅度的節電節能效果。由于超高亮景物對人眼視網膜的刺激強度具有非線性的強化特征，再充分利用LED光源高頻響應特性及其伏安光通關系，采用高頻高強度窄電流脈沖產生超強光調制波，形成視覺上光線柔和、景物連續、強度適中的照明效果，可以獲得實際功耗低于同樣照明效果的常規LED光源恒流工作的功耗。這一技術方案將進一步發掘LED照明燈具的節能潛力。本發明人此前的一些實驗數據證明，與LED恒流驅動方案相比，大致可進一步再節約電能15%以上，用于LED航標燈，這一技術的節能效果超過了25%。由于本技術方案的基礎之一是LED燈絲理論，較常規設計的燈具，具有工作電壓高、PWM控制的特點，因此如果在細節上處理不好，會導致嚴重的EMI電磁干擾問題。解決EMI的辦法是優化布線、設置電網進出線濾波、搞好屏蔽。只要措施到位，就完全可以達到滿意的效果，并且也不會造成LED燈具產品成本的明顯上升。本發明技術方案，簡化了LED照明燈具總體設計，簡化了電路結構。由于采用MCU相關硬件和軟件技術，為多種智能化功能手段提供了理想技術平臺，實現了過去不可思議的控制效果，而最關鍵的效果在于在大幅提高LED照明產品性能和明顯降低產品成本的同時，既大幅降低總電力消耗和原材料消耗，又提高了燈具性能和照明質量。本技術方案為社會從LED照明產品的采購到使用再到維護最后到回收，提供了全程低成本高效益解決方案。本發明的關鍵點在于-①以市電網橋式整流獲'高壓'直流直接施加LED燈絲，全無'低壓直流驅動'概念；②基于高壓晶體管、場效應管的電子開關執行部件，實現直接PWM開關驅動控制，完全不是通常追求的'恒流'控制方式；③基于多功能MCU配以嵌入式軟件+優化算法，結合I/0接口驅動，實現IDPWM:IntelligentDigitalPulseWidthModulation,智能化數字式脈寬調制技術。為系統進一步升級提供了具有極大彈性空間的、低成本的硬件系統平臺。本技術方案只是開啟了此全新技術方案領域的入口，各項性能指標的提高以及技術細節的深入和改進仍有巨大空間，僅在進一步節能增效方面指出一個小小的實例整流環節目前采用的是全橋二極管整流，壓降約為1.4V，如果采用圖4所示的最新半導體器件有源FET橋式整流技術，對于小于500W的應用，整個整流環節的壓降有望小于0.2V。其它環節當然也存在很多繼續努力的空間，功夫到了，效果就會出來。再例如，在進一步改善實際控制效果方面，閉環控制的采樣環節至關重要。本方案采用串聯電阻Re對流經LED燈絲的電流取樣Re上的電壓饋送至MCU的ADC輸入端口。為了提高ADC轉換精度，需要信號電壓盡可能充分利用滿量程，因此采樣信號電平較高為宜；而為了減少采樣引入的無謂功耗，則希望Re上的信號電壓越低越好，這就產生了根本上對立的矛盾。圖6提供了有源比例放大器解決方案，可以根據實際的需要，既保持Re上的信號足夠小、無謂功耗足夠低，又保證ADC輸入信號幅度足夠高，滿足高精度轉換之用。圖1是市電網供電的基于智能型恒功率直流LED燈絲晶體管驅動電路的LED照明光源電路總體方案示意圖，圖中的核心控制部件為MCU功能方框，也是本專利技術方案的核心部件之一，MCU的供電Vdd獨立配置。該部件在其嵌入式軟件指揮下，經信號出口Driver實現對電子開關Tl、T2構成的達林頓管進行開關控制，給LED燈絲LEDFilament實施智能化可控制供電，實現恒功率節能照明功能；LED燈絲工作電流經反饋電阻Re實時傳到MCU的ADCin信號輸入端口，為實現高效率安全可靠地閉環控制提供準確清晰的數據。圖中英文符號'LEDFilament'翻譯成lED燈絲'。圖2為市電網直供電LED燈絲智能恒功率電路方框圖。圖3為市電網供電的基于智能型恒功率直流LED燈絲FET驅動電路的LED照明光源電路總體方案。與圖1相比，除了將電子開關執行部件Tl、T2組成的達林頓晶體管換成FET場效應管外，其余部分不變，工作原理完全一樣。圖4是有源FET橋式整流電路原理示意圖，該整流電路的整體壓降僅為0.2V以下。圖5是分立式晶體管的達林頓電路原理示意圖，用于進一步降低成本和降低功耗提高效率。圖6是LED燈絲工作電流采樣標量放大電路。為避免釆樣電路功耗過大，同時要提高采樣數據的有效位數，用運算放大器構成的線性比例放大電路。其放大倍數e為P=1+R2/R例如取R1-1K，R2=9.1K，則放大倍數P約為IO。具體實施方式實施例一、120W恒功率LED路燈本實施例為120W恒功率LED路燈，其電路原理圖如圖1所示。LED燈絲采用88顆美國Cree公司生產的Q4型號LED器件串聯組成，再配以反光式配光罩；Q4器件的額定功耗10為13W，額定光通量為1043001m;Cl、C2采用220uF/400V電解電容器，電感330mH,其直流電阻小于0.5Q，達林頓管型號為HDT13003A，射極采樣電阻Re為1/2W、0.5Q，MCU為美國AnalogDevices公司生產的8位高速單片機ADuC832，內部設置有12位ADC高精度模數轉換器；電流采樣環節的比例放大器選用LM324運算放大器，調整放大倍數10,其電路原理圖如圖6所示；嵌入式監控軟件具有閉環采樣、數據傳輸、實時控制等功能。本實施例的主要技術要點如下1采用具有IDPWM控制功能的基于MCU的智能型恒功率LED燈絲驅動電路；2驅動電路節能效率高，電能轉換效率高達98.36%;3電阿波動適應性強，大大超過國家電網電能質量標準GB12325的規定，高壓超過AC264V(》+20%)仍能確保LED路燈整體的恒功率穩定工作；4視覺照度明顯高于其它技術方案的LED照明燈具，節能效果更明顯。實施例二、60W恒功率公共照明用吊燈本實施案例為60W恒功率公共照明用吊燈，其電路原理圖仍采用圖l，元器件參數適當調整:LED燈絲采用80顆美國Cree公司生產的Q4型號LED器件，C1、C2采用100uF/400V電解電容器，電感180mH，其直流電阻小于0.5Q，達林頓管型號為HDT13003A，射極采樣電阻Re為1/2W、0.5Q，MCU為美國AnalogDevices公司生產的8位高速單片機ADuC832,內部設置有12位ADC高精度模數轉換器；比例放大器環節選用LM324運算放大器，放大倍數為10,其電路原理圖如圖6所示；嵌入式監控軟件具有電流釆樣、接近感應、數據傳輸、實時控制等功能。除前例所述特點外，本實施例新增了接近感應照度控制功能，當有物體接近時，亮度自動調高，物體遠離后亮度自動調低，亮暗變化的量化差別為額定照度的1/256，相當于無極調光，非常柔和舒服。增加這一功能的目的在于進一步節約電能，同時有效地延長LED燈具的使用壽命，降低維護費用。權利要求1、一種智能型恒功率直流LED燈絲驅動電路，其特征是包括將市電網交流電轉變為直流電的橋式整流電路，包括光源電路LED燈絲，包括執行驅動功能的半導體開關器件，還包括產生驅動半導體開關器件信號的MCU微控制單元電路部分。2、根據權利要求1一種智能型恒功率直流LED燈絲驅動電路，其特征是連接于市電網經整流后的直流高電壓直接作用于光源部件LED燈絲。3、根據權利要求1一種智能型恒功率直流LED燈絲驅動電路，其特征是MCU電路產生實時控制驅動半導體開關器件的信號。4、根據權利要求1一種智能型恒功率直流LED燈絲驅動電路，其特征是執行驅動的半導體開關管是雙極型晶體三極管。5、根據權利要求1一種智能型恒功率直流LED燈絲驅動電路，其特征是執行驅動的半導體開關管是達林頓管。6、根據權利要求1一種智能型恒功率直流LED燈絲驅動電路，其特征是執行驅動的半導體開關管是FET場效應管。7、根據權利要求1一種智能型恒功率直流LED燈絲驅動電路，其特征是執行開關控制的MCU和半導體開關管是厚膜封裝的混合集成電路的組成部分。8、根據權利要求3所述MCU電路產生實時控制驅動半導體開關器件的信號，其特征是包括恒功率和可調功率驅動的實時控制驅動信號。全文摘要本發明涉及一種智能型恒功率直流LED燈絲驅動電路，屬于半導體照明
技術領域：
。市電網供電的LED照明光源多數采用低壓直流驅動，電源功耗大，導致LED燈具整備光效降低、可靠性下降，成本上升，遲滯了原本性能優異的LED照明光源大面積推廣普及。本發明聽述的一種智能型恒功率LED燈絲驅動電路，能隨電網波動自適應調整LED燈絲電應力，實現恒功率或恒流驅動之最佳效果。本發明提高了LED照明光源的電網波動適應性，功耗低光效高穩定可靠，更兼成本低廉易于集成，為升級LED照明光源全面智能化奠定硬件基礎，低成本促進LED照明光源更節能、更長壽、更便于維護和升級。文檔編號H05B37/02GK101626651SQ20091010942公開日2010年1月13日申請日期2009年8月18日優先權日2009年8月18日發明者呂大明申請人:呂大明