基于自適應可變電路的led節能燈及其電路控制方法

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基于自適應可變電路的led節能燈及其電路控制方法
【專利摘要】本發明公開一種基于自適應可變電路的LED節能燈及其電路控制方法，包括電源單元；還包括自適應控制單元和LED芯片組電路；其中，所述電源單元用于將交流電轉換為直流電并供給所述LED芯片組電路，以使LED芯片組發光；所述自適應控制單元用于檢測交流電的電壓狀態，根據所述電壓狀態控制供電給所述LED芯片組的數量。采用本發明，能夠使LED芯片組的電路結構自動適應外部輸入電壓的變化，達到自適應的目的，既便于節能，又便于保證電路的可靠性。
【專利說明】基于自適應可變電路的LED節能燈及其電路控制方法

【技術領域】
[0001] 本發明涉及照明燈具節能技術，尤其涉及一種基于自適應可變電路的LED節能燈及其電路控制方法。

【背景技術】
[0002] 照明燈具是現代社會應用非常廣泛的重要電氣設備，與之相關的節能技術一直以來都是研究的熱門對象。目前，采用發光二極管（LED)進行照明，已成為照明燈具節能的一個重要發展方向。
[0003] 從總體上看，由于LED節能燈可以比傳統的白熾燈、日光燈和其他節能燈都具有更好的節能效果，因此，LED節能燈必將成為可預見的將來一種主要照明燈具。但對于不同的LED節能燈，本身也存在著節能效果優劣的問題，這個問題也就成為LED節能燈研發廠家高度重視的一個技術性問題。由于LED節能燈的節能效果既與LED芯片的光效有關，也與 LED燈的驅動電源有關，因此，LED節能燈的節能措施就需要從這兩個方面去考慮。
[0004] 一般，LED芯片的光效問題由LED芯片生產廠家來研究解決，而LED驅動電源的節能問題，則是LED節能燈設計部門或生產廠家必須要重視的問題。目前，絕大部分LED節能燈都采用開關電源來實現恒壓驅動或恒流驅動，這種驅動方法可使得節能燈的亮度比較穩定，LED芯片的壽命和可靠性能夠得以保證。但它也會因開關電路本身的功耗而影響整個節能燈的節電效果。
[0005] 目前還有少量電路采用直接整流濾波法實現對LED芯片的驅動，這種方法不但電路簡單，成本低廉，更主要的是節電效果明顯要好于采用恒壓或恒流驅動的LED節能燈。但它存在一個明顯的缺點：只能適用于交流供電電壓比較穩定的場所，而當交流電壓波動較大時，則會嚴重降低LED節能燈的壽命，甚至會損壞LED燈。其原因是，LED芯片的正常工作電壓是由一定范圍的，當電壓高于上限電壓時，其電流將顯著增大；由于直接整流濾波電路沒有恒壓和恒流措施，使得LED芯片上流過的電流與外部供電電壓直接相關，當外部電壓上升時，LED芯片上的電流將顯著上升，一旦上升到超出其工作范圍時，就會造成芯片損壞燈故障。

【發明內容】

[0006] 有鑒于此，本發明的主要目的在于提供一種基于自適應可變電路的LED節能燈及其電路控制方法，使其能夠在保證LED節能燈高效節能的前提下，又能使其在一個較寬的供電電源范圍下安全工作。
[0007] 為達到上述目的，本發明的技術方案是這樣實現的：一種基于自適應可變電路的LED節能燈，包括電源單元；其特征在于，還包括自適應控制單元和LED芯片組電路；其中，所述電源單元用于將交流電轉換為直流電并供給所述LED 芯片組電路，以使LED芯片組發光；所述自適應控制單元用于檢測交流電的電壓狀態，根據所述電壓狀態控制供電給所述LED芯片組的數量。
[0008] 其中，所述LED芯片組電路包括與LED主芯片組電路并聯的LED輔助芯片組電路。
[0009] 當交流電壓不大于預設的額定電壓時，所述LED芯片組電路中的LED輔助芯片組兩端短路；當交流電壓大于預設的額定電壓時，根據電壓狀態開啟與輸入電壓相適應的一定數量的LED輔助芯片組工作。
[0010] 所述電源單元進一步包括整流電路和濾波電路。
[0011] 所述自適應控制單元包括電壓檢測電路、控制電路、切換電路以及輔助電源電路。
[0012] 當LED輔助芯片組電路工作時，對控制電路采取延時措施使其在設定的時間間隔內保持連接狀態，以避免電路頻繁切換狀態。
[0013] 所述LED主芯片組電路或LED輔助芯片組電路均為相串聯的若干個LED芯片。
[0014] 一種基于自適應可變電路的LED節能燈的電路控制方法，該方法包括： A. 將交流電轉換為直流電源供給由LED主芯片組電路和LED輔助芯片組電路組成的 LED芯片組電路進行工作； B. 利用自適應控制單元對交流電的電壓狀態進行檢測，并根據電壓狀態控制供電給所述LED輔助芯片組的數量。
[0015] 其中，步驟B所述根據電壓狀態控制供電給所述LED輔助芯片組的數量的過程為： B1.當交流電壓不大于預設的額定電壓時，所述LED芯片組電路中的LED輔助芯片組兩端短路； B2.當交流電壓大于預設的額定電壓時，根據電壓狀態開啟與輸入電壓相適應的一定數量的LED輔助芯片組工作。
[0016] 步驟B進一步包括：C.當LED輔助芯片組電路工作時，對控制電路采取延時措施使其在設定的時間間隔內保持連接狀態，以避免電路頻繁切換狀態。
[0017] 本發明所提供的基于自適應可變電路的LED節能燈及其電路控制方法，具有以下優點： 1)采用直接整流和濾波方法給LED芯片組供電，可以大大降低電源單元的功耗，從而提高節能燈的總體效率。
[0018] 2)采用LED主芯片組加 LED輔助芯片組這種電路結構方式，可以既保證電路在正常電壓時的亮度，又可以在高電壓時用更多的芯片來分擔額外的電源電壓，從而使每個LED 芯片工作在額定電壓范圍內，以保證所有LED芯片的工作可靠性，并且將幾乎所有的電能都用在LED發光上。
[0019] 3)用電源電壓檢測電路3、控制電路4和切換電路5來構成控制電路，可以使LED 芯片組的電路結構自動適應外部輸入電壓的變化，達到自適應的目的，既便于節能，又便于保證電路的可靠性。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0020] 圖1為本發明基于自適應可變電路的LED節能燈的功能框圖；圖2為圖1中電源單元的實施例的電路原理圖；圖3為圖1中輔助電源電路的實施例的電路原理圖；圖4為圖1中電源電壓檢測電路的實施例的電路原理圖；圖5(a)和圖5(b)為圖1中控制電路的實施例的原理圖；圖6(a)和圖6(b)為圖1中切換電路的實施例的電路原理圖；圖7為圖1中LED王芯片組電路的實施例的原理不意圖；圖8為圖1中LED輔助芯片組電路的實施例的原理不意圖；圖9為本發明的LED節能燈工作過程示意圖。

【具體實施方式】
[0021] 下面結合附圖及本發明的實施例對本發明基于自適應可變電路的LED節能燈及其電路控制方法作進一步詳細的說明。
[0022] 圖1為本發明基于自適應可變電路的LED節能燈的功能框圖。本發明將從節能燈的電源驅動電路和LED芯片連接結構兩個方面來考慮節能與電壓適應性問題。
[0023] 如圖1所示，該節能燈主要由整流電路1、濾波電路2、電源電壓檢測電路3、控制電路4、切換電路5、輔助電源電路6、LED主芯片組7和LED輔助芯片組8組成。其中，切換電路5和LED輔助芯片組8分別由多個結構相同的子電路組成。
[0024] 如圖1所示的節能燈電路，主要由三大部分組成：一是電源單元A，包括整流電路 1和濾波電路2 ;二是自適應控制單元B，包括電源電壓檢測電路3、控制電路4、切換電路5 和輔助電源電路6 ;三是LED芯片組C，即發光電路或電-光轉換電路，包括LED主芯片組7 和LED輔助芯片組8。
[0025] 其中，第一部分和第三部分為所述LED節能燈的主體部分，而第二部分即自適應控制單元B雖然是節能燈的輔助部分，但卻是本發明的主要內容，也是實現自適應改變電路結構的主要部分。
[0026] 其主要工作原理如下： 1)從外部進來的照明電220V左右的外接交流電源，經過整流電路1后，成為單方向的交流電源，然后經過濾波電路2后，就成為高壓直流電源(約280V左右)，此直流電源直接給 LED主芯片組7和LED輔助芯片組8供電，使LED芯片組發光，實現照明的目的。
[0027] 2)LED主芯片組7和LED輔助芯片組8均由多個LED芯片串聯而得到。一般，LED 主芯片組7的串聯芯片個數應該與交流電壓正好為~220V時經整流和濾波后的直流電壓相適應，而LED輔助芯片組的組數及每組的LED芯片個數則需要根據控制精度要求、允許的控制電路復雜程度和成本要求來具體確定，比如可選擇輔助組數為2組、每組的電壓對應交流為16. 5V (即220*7. 5%)，這樣就可以保證輸入電壓在220V* (1+15%)是，每個LED芯片的工作電壓都是在額定工作電壓以內。
[0028] 3)工作過程是：當外接交流電源電壓在220V以內時，電源電壓檢測電路3將此電壓狀態送到控制電路4,然后控制電路4控制切換電路5,后者將所有LED輔助芯片組的兩端直接短路。這樣，只有LED主芯片組接入到供電電路中，也只有他們能夠發光，而所有LED 輔助芯片組均不發光。當外接交流電源電壓超出220V時，電源電壓檢測電路3將所測得的電壓狀態送到控制電路4,然后控制電路4控制切換電路5,使其將一定數量的LED輔助芯片組接入到供電電路中，從而增加了 LED芯片數量，使LED芯片的數量自動與輸入電源電壓相適應。這樣，電源電壓越高，串接進來的LED芯片數量也越多，每個LED芯片兩端的電壓還是保持在額定電壓范圍內。由于芯片數量的增加，因此在輸入電壓增高時，整個LED節能燈的亮度將會增加。通過這種方式，可以講輸入電源的絕大部分電能都轉化為光能，提高了整體的光效。
[0029] 4)較佳地，當電壓在波動時，一旦電路切換到LED芯片數量較多的狀態，控制電路將采取一定的延時控制措施，以保證在一定的時間間隔內保持這種連接狀態，避免電路出現頻繁切換狀態的問題。
[0030] 5)輔助電源電路6是為電源電壓檢測電路3、控制電路4以及切換電路5提供電源的。由于這些控制電路所需的功率非常小，因此，雖然電路的復雜程度有些增加，但從節能角度看，本電路將大部分電能都用在了 LED芯片的發光上，因此總體節能效果很好。
[0031] 圖2為圖1中電源單元的實施例的電路原理圖。如圖2所示，該電源單元主要包括包括(參考圖1)整流電路1和濾波電路2。
[0032] 如圖2所示，電容C1為輸入電容，對后續電路能夠起到一定的穩壓作用。VB1是橋式整流電路，將輸入得交流電壓進行全波整流，然后經濾波電容C2濾波后，成為直流電壓。電阻R1可對濾波效果和維修安全等起到一定的輔助作用。當空載時，直流電壓V+約為 220*1. 414=311V，但當有負載電流時，V+的大小與負載電流有關，它將隨著負載電流的增加而有所下降。
[0033] 圖3為圖1中輔助電源電路的實施例的電路原理圖。該輔助電源電路是為了給后續的控制電路和切換電路提供電源的。
[0034] 如圖3所示，輔助電源電路中，輸入的照明電220V電壓經電容C3和C4分壓后，在電容C4兩端得到約9V交流電壓，然后送到橋式整流電路VB2進行全波整流，再經過點解電容C5濾波后，得到直流電壓，其電壓大小與負載電流大小相關，一般為9V~12V左右。然后此直流電壓經電阻R2后送到穩壓二極管VZ1，得到所需的穩定直流電壓VCC。VCC的電壓值與穩壓管VZ1的選擇有關，而VZ1的選擇又要取決于后續的檢測與控制電路器件的選擇。根據綜合設計結果，VZ1的穩壓值取5V左右即可，其功率取0. 5W~1W即可，這樣可以提供100mA以上的電流，一般能夠滿足后續各種電路的供電需要。
[0035] 圖4為圖1中電源電壓檢測電路的實施例的電路原理圖。該電源電壓檢測電路的作用是檢測輸入的~220V交流電源的電壓狀態的，根據整個LED節能燈的控制精度的要求不同，電源電壓檢測電路的組成和結構會有所區別，相應后續的控制電路和切換電路自然也要有所不同。
[0036] 從LED芯片本身的可靠工作電壓范圍來分析，一般在主芯片組以外增加2組輔助芯片就可以很好地達到既保證LED節能燈的工作壽命又提高其對外部電源電壓范圍適應性的目的，因此，本設計示例就設計了 2組輔助芯片。由此所需要的電源電壓檢測電路如圖 4所示。
[0037] 如圖4所示，輸入的交流電壓經過橋式整流電路VB3全波整流和電容C6濾波后，得到直流電壓。由于此直流電壓的后續負載非常小，因此其電壓值等于輸入交流電壓值乘以 1. 414。
[0038] 設計所述電源電壓檢測電路最關鍵的是電阻R3、R4、R5的阻值選取。這些電阻的阻值選取既與要控制的電壓切換點相關，也與后續控制電路的電壓基準相關。由于后續控制電路的電壓基準選擇為2. 5V，因此按照圖4參數所得到的電壓切換點分別為： (1)當VT1=2. 5V時，VT1對應交流電壓切換點為：輸入電壓=(1000+0. 62+7. 5)八0· 62+7. 5)*2. 5/1. 414=219. 51V (2)當VT2=2. 5V時，VT2對應交流電壓切換點為：輸入電壓=(1000+0. 62+7. 5) /7. 5*2. 5/1. 414=237. 65V 此電壓約等于220* (1+7. 5%) =236. 5V。由于每組輔助芯片以220V*7. 5%為主要參考進行配置，因此經過第2組切換后，就可以使輸入電源電壓達到15%的上浮幅度。
[0039] 電路中的電阻R3、R4、R5需用精度為0. 1%的精密電阻。
[0040] 圖5 (a)和圖5 (b)為圖1中控制電路的實施例的原理圖。如圖5 (a)和圖5 (b)所示，控制電路主要由比較器D1A和DIB (LM393)、精密電壓基準VZ2 (LM385-2. 5)和上拉電阻 R7、R8組成。其中，電壓VCC經電阻R6在精密電壓基準VZ2的第2端產生2. 5V電壓，此電壓穩定性非常好，精度可到mV量級；此2. 5V送到兩個電壓比較器D1A和DIB的正輸入端。然后從電源電壓檢測電路送來的兩路信號VT1和VT2分別送到電壓比較器的負輸入端。
[0041] 根據輸入電源電壓狀態的不同，控制電路輸出狀態也不同： (1)當輸入電壓低于219. 51V時，VT1和VT2均低于2. 5V，因此0UT1和0UT2均為高電平。
[0042] (2)當輸入電壓高于219. 51而低于237. 65V時，VT1高于2. 5V，VT2低于2. 5V，因此0UT1為低電平，0UT2為高電平。
[0043] (3)當輸入電壓高于237. 65V時，VT1和VT2均高于2. 5V，因此0UT1和0UT2均為低電平。
[0044] 圖6 (a)和圖6 (b)為圖1中切換電路的實施例的電路原理圖。如圖6 (a)和圖6 (b) 所示，該切換電路主要由小功率三極管VI和V2組成。
[0045] 其中，三極管VI切換第1和第2組LED輔助芯片：當由控制電路送來的0UT1信號為高電平時，三極管VI導通，將VZ2端與地短路，從而使第1和第2組LED輔助芯片不亮，只有LED主芯片亮。
[0046] 三極管V2切換第2組LED輔助芯片：當由控制電路送來的0UT2信號為高電平時，三極管V2導通，將VZ3端與地短路，從而使第2組LED輔助芯片不亮，只有LED主芯片和輔助1組芯片殼。
[0047] 圖7為圖1中LED主芯片組電路的實施例的原理示意圖。如圖7所示，該主芯片組由83個LED芯片串聯而得到。所述主芯片組的LED芯片的個數與LED芯片本身的性能參數以及主供電電路參數相關。在本發明的實施例中，LED芯片采用的是3. 2V、0. 2W的LED 芯片，其電流約為60mA。在此電流下，前述電源單元輸出直流電壓與交流電壓的比例關系約為1. 2倍，因此，LED主芯片組的個數為220*1. 2/3. 2=82. 5,取整數為83。
[0048] 圖8為圖1中LED輔助芯片組電路的實施例的原理示意圖。如圖8所示，該LED 輔助芯片組電路，包含兩組輔助芯片組：第1組由VD84?VD89組成，第2組由VD90?VD95 組成。每組輔助芯片組包括6個LED芯片，對應交流電壓約為：6*3. 2/1. 2=16V，對應于 220V*7. 3%。
[0049] 在設計印刷線路板制版時，我們將圖2?圖8中的所有LED芯片集成在一塊線路板上，而其他電路則可集成在另一塊電路板上。當然，也可以根據該LED節能燈的外殼設計的不同而分設在若干個線路板。
[0050] 圖9為本發明的LED節能燈工作過程示意圖。并請參考圖1?圖8,所述的LED節能燈的工作過程如下：步驟1 :由VB1和C2等組成的電源單元將輸入的交流電壓轉換為直流電壓，然后給 LED芯片組供電，使LED芯片發光。LED芯片組包括由VD1~VD83所組成的主芯片組、由 VD84?VD89所組成的輔助芯片組1和由VD90?VD95所組成的輔助芯片組2,共3個芯片組。
[0051] 步驟2 :由C3、C4、VB2、C5和VZ1等組成的輔助電源電路將輸入交流電壓轉換為直流低電壓VCC，供給后續的控制電路和切換電路使用。
[0052] 步驟3 :由VB3、C6、R3~R5等組成的電源電壓檢測電路將輸入的交流電源電壓轉換為相應的電壓檢測信號(直流電壓VT1和VT2)，送到后續的控制電路，使后者輸出一定的控制信號。
[0053] 步驟4 :主要由電壓比較器D1 (包括D1A和DIB)和精密電壓基準VZ2組成的控制電路根據輸入的電壓檢測信號VT1和VT2的值，輸出控制信號0UT1和0UT2。
[0054] 步驟5 :由三極管VI和V2組成的切換電路根據0UT1和0UT2的電平狀態，控制LED 輔助芯片組1和輔助芯片組2的工作狀態。
[0055] 步驟6 :當輸入電壓低于219. 51V時，電源電壓檢測電路輸出的VT1和VT2均低于 2. 5V，因此控制電路輸出的0UT1和0UT2均為高電平，使切換電路的VI和V2均導通，使輔助芯片組中的VZ2和VZ3兩點的電壓均鉗位于接近0V，從而將輔助芯片組1和輔助芯片組 2強制退出工作狀態，使只有LED主芯片組工作。這樣，由于LED芯片數量較少，每個LED芯片上得到的電壓為正常的3. 2V左右，LED燈可以發光效果較好。
[0056] 步驟7 :當輸入電壓高于219. 51而低于237. 65V時，VT1高于2. 5V，VT2低于2. 5V，因此0UT1為低電平，0UT2為高電平。此時，三極管VI截止，V2導通，因此，輔助芯片組1的所有LED芯片加入到工作狀態，但輔助芯片組2的LED芯片則還是處于非工作狀態。這時，雖然外部電源電壓提高了，但LED芯片的數量由上一種狀態的83個提高的89個，每個芯片的電壓還可以保持在正常的3. 2V左右，因此可以確保LED芯片的工作壽命和較好的發光效果。
[0057] 步驟8 :當輸入電壓高于237. 65V時，VT1和VT2均高于2. 5V，因此0UT1和0UT2 均為低電平。此時，三極管VI和V2均截止，因此，輔助芯片組1和2的所有LED芯片加入到工作狀態。這時，雖然外部電源電壓更高了，但LED芯片的數量進一步提高到95個，每個芯片的電壓還可以保持在正常的3. 2V左右，因此也可以確保LED芯片的工作壽命和較好的發光效果。
[0058] 步驟9 :當輸入電源電壓下降到不同工作狀態時，三極管VI和V2又會回到上述狀態，使LED芯片組處于對應的工作狀態。由于三極管的切換速度很快，而且沒有切換次數的限制，因此，本電路可以長時間高效、高速工作。
[0059] 通過上述不同電壓下LED數量的自動切換，就可以保證在不同輸入電源電壓下 LED節能燈的良好發光效果和工作壽命。
[0060] 以上所述，僅為本發明的較佳實施例而已，并非用于限定本發明的保護范圍。
【權利要求】
1. 一種基于自適應可變電路的LED節能燈，包括電源單元；其特征在于，還包括自適應控制單元和LED芯片組電路；其中，所述電源單元用于將交流電轉換為直流電并供給所述 LED芯片組電路，以使LED芯片組發光；所述自適應控制單元用于檢測交流電的電壓狀態，根據所述電壓狀態控制供電給所述LED芯片組的數量。
2. 如權利要求1所述基于自適應可變電路的LED節能燈，其特征在于，所述LED芯片組電路包括與LED主芯片組電路并聯的LED輔助芯片組電路。
3. 如權利要求1或2所述基于自適應可變電路的LED節能燈，其特征在于，當交流電壓不大于預設的額定電壓時，所述LED芯片組電路中的LED輔助芯片組兩端短路；當交流電壓大于預設的額定電壓時，根據電壓狀態開啟與輸入電壓相適應的一定數量的LED輔助芯片組工作。
4. 如權利要求1所述基于自適應可變電路的LED節能燈，其特征在于，所述電源單元進一步包括整流電路和濾波電路。
5. 如權利要求1所述基于自適應可變電路的LED節能燈，其特征在于，所述自適應控制單元包括電壓檢測電路、控制電路、切換電路以及輔助電源電路。
6. 如權利要求2或5所述基于自適應可變電路的LED節能燈，其特征在于，當LED輔助芯片組電路工作時，對控制電路采取延時措施使其在設定的時間間隔內保持連接狀態，以避免電路頻繁切換狀態。
7. 如權利要求2所述基于自適應可變電路的LED節能燈，其特征在于，所述LED主芯片組電路或LED輔助芯片組電路均為相串聯的若干個LED芯片。
8. -種基于自適應可變電路的LED節能燈的電路控制方法，其特征在于，該方法包括： A. 將交流電轉換為直流電源供給由LED主芯片組電路和LED輔助芯片組電路組成的 LED芯片組電路進行工作； B. 利用自適應控制單元對交流電的電壓狀態進行檢測，并根據電壓狀態控制供電給所述LED輔助芯片組的數量。
9. 如權利要求8所述基于自適應可變電路的LED節能燈的電路控制方法，其特征在于，步驟B所述根據電壓狀態控制供電給所述LED輔助芯片組的數量的過程為： B1.當交流電壓不大于預設的額定電壓時，所述LED芯片組電路中的LED輔助芯片組兩端短路； B2.當交流電壓大于預設的額定電壓時，根據電壓狀態開啟與輸入電壓相適應的一定數量的LED輔助芯片組工作。
10. 如權利要求8所述基于自適應可變電路的LED節能燈的電路控制方法，其特征在于，步驟B進一步包括： C. 當LED輔助芯片組電路工作時，對控制電路采取延時措施使其在設定的時間間隔內保持連接狀態，以避免電路頻繁切換狀態。
【文檔編號】H05B37/02GK104159373SQ201410401620
【公開日】2014年11月19日申請日期:2014年8月15日優先權日:2014年8月15日
【發明者】張晨, 史鴻嬌, 王金鳳申請人:北京博尚信科技有限公司

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