一种PWM调光方法及PWM调光装置与流程

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PWM HIGH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）。

通常照明设备内的调光控制电路和调光界面是对应的，如，墙面上的分档位的调光开关，其调光等级和PWM信号的频率相匹配，但是，随着人们对光环境的要求越来越高，大家普遍认识到当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。现在很多照明设备都通过提高PWM频率来改善这一状态，而改变频率后的照明设备就和原有的调光开关无法匹配，如果要重新安装相应的调光开关十分麻烦，也会增加客户的费用支出。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决上述问题，提供一种可以兼容高调光等级调光开关的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，对至少一个光源进行调光，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，其特征在于：

所述PWM信号脉宽不变时，所述光源处于工作状态，对所述PWM信号脉宽进行变动设置时，所述光源处于调光状态，当所述光源处于工作状态时所述PWM信号的频率为工作频率f_W,当所述光源处于调光状态时所述PWM信号的频率为调光频率f_P，所述PWM信号的脉宽变动在调光频率f_P下完成。

优选的，所述调光频率f_P小于所述工作频率f_W。

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，计算所述PWM信号的PWM信号特征值；

步骤B 将所述PWM信号的频率从所述工作频率f_W变为所述调光频率f_p；

步骤C改变所述PWM信号的所述PWM信号特征值；

步骤E将所述PWM信号的频率从所述调光频率f_p变为所述工作频率f_W。

优选的，所述步骤B中工作频率f_W经N步逐步变为调光频率f_P，具体步骤分解为：

步骤B1 i=1，f_P（i）=f_W；

步骤B2 f_P（i）=f_P（i）-i*（f_W-f_P）/N；

步骤B3 判断i=N，等式成立结束，不成立，i=i+1并继续执行步骤B2。

优选的，所述步骤E之前还有一个步骤D，所述步骤D为一个延时步骤，经一个延迟时间T再继续后续步骤。

优选的，所述延迟时间T的选值范围为10~100ms。

优选的，所述延迟时间T的选值范围为20~50ms。

优选的，所述步骤E中调光频率f_P经M步逐步变为工作频率f_W，具体步骤分解为：

步骤E1 j=1，f_P（j）=f_P；

步骤E2 f_P（j）=f_P（j）+j*（f_W-f_P）/M；

步骤E3 判断j=M，等式成立结束，不成立，j=j+1并继续执行步骤B2。

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PWM信号，输出至所述驱动电路，其特征在于所述控制电路采用前述的PWM调光方法生成PWM信号，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输出至所述驱动电路。

优选的，所述控制电路包括：

运算模块 从所述调光信号接口电路接收所述调光信号，并根据所述调光信号计算PWM信号特征值，发出调光命令；

频率控制模块 接收所述运算模块发出的调光命令，计算并输出频率信号；

PWM信号发生器 接收所述运算模块计算获得的PWM信号特征值和所述频率控制模块输出的频率信号，生成所述PWM信号，输出至所述驱动电路。

优选的，所述频率控制模块包括频率发生器，所述频率发生器根据所述调光命令，在不同的时间发出不同的频率信号值，所述频率信号值为调光频率f_P或工作频率f_W。

优选的，所述频率控制模块还包括频率计算模块，所述频率计算模块根据所述调光命令计算各时间点的频率信号值，并控制所述频率发生器在指定时间发出和所述指定时间相对应的频率信号值。

优选的，所述频率计算模块还包括一定时器。

优选的，所述控制电路还包括一存储单元，用以存放所述PWM信号特征值。

优选的，所述驱动电路为开关型电路。

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在PWM调光进行时和照明设备正常工作时采用不同的PWM频率，使其可以兼容调光等级不同的调光开关，而在正常工作时可以有效避免频闪发生，同时可以获得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调光方法的流程图。

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。调光控制信号由各类和用户交互的界面产生，交互的界面可以是旋转式的开关、分档位的按钮、遥控器或者手持移动设备，而控制信号是由和调光控制信号相对应的特定占空比的PWM信号，驱动电路3依据PWM信号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。在本实施例中驱动电路3为Buck/Boost型开关电源电路。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。这样的调光方法在用户界面的调光等级和PWM信号频率相匹配的情况下是完全没有问题，但是当用户界面的调光等级大于可实现的调光等级，即大于驱动电路频率f_b和PWM频率f_p的商（L_eff=f_b/f_p），系统就无法顺利实现调光。而本发明的解决方法是在调光阶段和正常工作阶段采用不同的PWM频率，本发明优选实施例中，驱动电路频率f_b为100khz，通过事先的测试，确定照明设备正常工作时的PWM频率，即工作频率f_w为4khz，在此PWM频率下，光源的频闪、拍摄波纹的效果可以满足客户的使用需求，而在调光进行时，根据所用户交互界面的调光等级来确定PWM频率即调光频率f_p，因为调光等级L_eff =f_b/f_p，这里我们的L_eff值为200，这样f_p就等于500hz。在本实施例中是为了在工作时采用较高的频率避免频闪，因此工作频率f_w大于调光频率f_p。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信号的特征值以及调光命令。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2中还包括一个频率控制模块23，该频率控制模块23根据运算模块21发出的调光命令，计算并输出频率信号。另外控制电路2中还有一个PWM信号发生器24，PWM信号发生器24接收所述运算模块21计算获得的PWM信号特征值和频率控制模块23输出的频率信号，生成相应频率及脉宽的PWM信号，输出至驱动电路3。运算模块21可以在每一个PWM信号周期向PWM信号发生器24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。

在频率控制模块23中包括频率信号发生器2301，频率信号发生器2301可以根据调光命令发出不同的频率信号，即在收到调光命令时频率信号发生器2301发出的频率信号值等于调光频率f_p，而在没有调光命令时频率信号发生器2301发出的频率信号值等于工作频率f_w。整个调光过程可以表述为，运算模块21接到调光控制信号，计算获得PWM特征值并同时发出调光命令，频率控制模块23收到调光命令后，频率信号发生器2301发出值为调光频率f_p的频率信号，PWM信号发生器24接收该频率信号及新的PWM特征值，生成具有新计算的占空比的PWM信号，然后调光周期结束，频率信号发生器2301发出值为工作频率f_w的频率信号，PWM信号发生器24则生成频率为工作频率f_w，脉宽保持不变即和刚才一样为新计算的占空比的PWM信号。这里的调光周期如果仅为一个PWM周期，时间上太短以人的视觉来看无法感知到亮度的变化，因此需要PWM信号在一定时间内维持在调光频率f_p，因此在频率控制模块23中还包括一个定时器2303，当接到调光命令时向定时器2303填充预设的时间值，定时器2303走完设定的定时时间后，频率信号发生器2301频率信号的数值由调光频率f_p再变为工作频率f_w，从而完成调光阶段。而这个定时时间选值范围为10~100ms，优选的为20~50ms，在本实施例中为30ms。另外由于PWM信号的频率在调光频率f_p和工作频率f_w两者之间变动，而驱动电路输出的也是一个脉冲信号，虽然PWM信号特征值保持不变，PWM信号和驱动电路信号叠加后，在频率变化时实际输出的电压电流值会有一个微小的变化，因此在本实施例中并不是直接将工作频率f_w变为调光频率f_p，而是通过设置在频率控制模块23中的另一个功能模块，频率计算模块2302，来分步进行频率变化，即在本实施例中PWM频率由f_w逐步降低至f_p（可以分N步，每一步降低（f_w-f_p）/N），反之亦然，PWM频率在f_p上升至f_w也分多步实现（可以分为M步）。N和M可以相同，也可以不同，N或M的取值主要取决于f_w与f_p的频率差距，如果差距小N值可以比较小，单步步长优选为100hz~1000hz, 在本实施例中单步取值400hz，从而计算N的值。而每一步都可以停留一段时间，因此前述定时器2303也可以是频率计算模块2302的一个组成部分，每完成一个定时时间，频率计算模块2302向频率信号发生器2301发出一个信号，令其改变频率信号值。

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为本发明一个较佳实施例的流程图，其包括四个基本步骤：

步骤A 接收调光信号，由运算模块21计算PWM信号的PWM信号特征值；

步骤B 将PWM信号的频率从工作频率f_W变为调光频率f_p；

步骤C改变所述PWM信号的PWM信号特征值；

步骤E将PWM信号的频率从调光频率f_p变为工作频率f_W。

前面所描述的PWM调光方法是本发明的最基本的实施形态，即假设已有一个调光信号传来，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检测判断步骤，即步骤A包括两个子步骤，即侦测调光控制信号，将调光控制信号和当前的亮度值比较，如有变化执行运算步骤，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，并依次进行后续的步骤B，并且完成步骤E后这里的结束仅仅是调光过程的结束，只要没有关灯就重新回到步骤A，从而继续不断地检测，一旦发现调光亮度的变化就开始执行步骤B。

而如前所述，在优选的实施例中工作频率f_W是经N步逐步变为调光频率f_P的，因此而如图3所示，步骤B可进一步细化分解为以下步骤：

步骤B1 i=1，f_P（i）=f_W；

步骤B2 f_P（i）=f_P（i）-i*（f_W-f_P）/N；

步骤B3 判断i=N，等式成立结束，不成立，i=i+1并继续执行步骤B2。

与步骤B相对应的步骤E也是一个逐步变化频率的过程，因此如图3所示，步骤E可进一步细化分解为以下步骤：

步骤E1 j=1，f_P（j）=f_P；

步骤E2 f_P（j）=f_P（j）+j*（f_W-f_P）/M；

步骤E3 判断j=M，等式成立结束，不成立，j=j+1并继续执行步骤B2。

同时如前所述，在完成PWM信号特征值的变化后，PWM信号会先在调光频率f_p下保持一段时间，因此如图3所示在步骤E之前还有一个步骤D，步骤D为一个延时步骤，经一个延迟时间T再继续后续步骤。

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。