LED调光器、LED调光系统及其控制方法与流程

本申请涉及电力电子相关领域，具体地，涉及led调光器、led调光系统及其控制方法。

背景技术：

led灯已经广泛地用于照明领域。越来越多的用户需要适用于led灯的调光装置，以便于调节亮度或者根据环境需要调光以降低能耗。甚至在使用led灯的大型水晶灯或吊灯中也希望实现调光功能。

与使用单个led灯泡的照明装置不同，水晶灯或吊灯包括数量众多且小体积的led灯泡。每个led灯泡是包括外壳、容纳于外壳中的led灯和led驱动电路的模组，led灯与相应的led驱动电路相连接。led驱动电路包括信号接收模块和功率转换模块，信号接收模块用于接收调光控制信号并且根据调光控制信号产生调光信号，功率转换模块根据调光信号控制led驱动电路的输出电流和/或占空比，从而实现调光控制。

然而，水晶灯或吊灯使用的多个led灯泡的体积过小，难以容纳现有的led驱动电路。此外，led灯泡的外壳例如是塑包铝材料，位于led灯泡内部的信号接收模块接收的调光控制信号容易受到干扰。

技术实现要素：

鉴于上述问题，本发明的目的在于提供led调光器、led调光系统及其控制方法，其中，采用led调光器将调光控制信号转换成载波信号，在led调光器集成信号接收模块和旁路模块，以提高抗干扰能力和减小led灯泡中封装芯片的尺寸。

根据本发明的一方面，提供一种led调光器，包括：

串联连接在第一和第二交流输入端之间的调光模块和旁路模块，

其中，所述调光模块接收调光控制信号，并且从调光控制信号获得调光数据，所述调光模块和所述旁路模块的负载阻抗彼此匹配以形成电力载波回路，从而将调光数据叠加在交流电压上产生载波信号。

可选地，所述调光模块包括：

第一整流桥，所述第一整流桥的交流输入端连接至交流电源，根据所述交流电压产生第一直流母线电压；

信号接收模块，接收外部发送的调光控制信号；

控制模块，与所述信号接收模块相连接以获得调光控制信号，以及根据调光控制信号获得调光数据；

载波信号发生器，与所述控制模块相连接以获得调光数据，以及根据调光数据产生相应的数据信号；以及

功率传输模块，与所述载波信号发生器相连接以获得所述数据信号，以及连接在所述第一整流桥的第一直流输出端和第二直流输出端之间，根据所述数据信号改变所述第一整流桥的负载阻抗。

可选地，所述调光模块还包括供电模块，其中，所述供电模块连接在所述第一整流桥的第一直流输出端和第二直流输出端之间，采用所述第一整流桥输出的所述第一直流母线电压产生所述调光模块的内部供电电压。

可选地，所述调光模块还包括供电模块和二极管，其中，所述二极管对所述交流电压进行半波整流，所述供电模块连接至所述二极管，采用所述二极管整流后的第一直流母线电压产生所述调光模块的内部供电电压。

可选地，所述旁路模块包括：

第二整流桥，所述第二整流桥的交流输入端连接至所述交流电源，根据所述交流电压产生第二直流母线电压；

过零检测模块，连接至所述第二整流桥的第一直流输出端，用于检测所述第二直流母线电压的过零时刻；

数据采样模块，连接至所述第二整流桥的第一直流输出端，用于获得所述第二直流母线电压的采样信号；

第一微控制单元，与所述过零检测模块和所述数据采样模块相连接，用于根据所述采样信号获得所述载波信号的波形，并且与载波信号的信号调制相应地产生开关控制信号；以及

阻抗模块，与所述第一微控制单元相连接以接收所述开关控制信号，以及连接在所述第二整流桥的第一直流输出端和第二直流输出端之间，根据所述开关控制信号改变所述第一整流桥的负载阻抗，

其中，所述第一整流桥的交流输入端与所述第二整流桥的交流输入端连接在所述交流电源的同一条供电线上。

根据本发明的另一方面，提供一种led调光系统，包括：

led调光器，所述led调光器包括串联连接在第一和第二交流输入端之间的调光模块和旁路模块；

多个led驱动电路，与所述led调光器的所述旁路模块并联连接，

其中，所述调光模块接收调光控制信号，并且从调光控制信号获得调光数据，所述调光模块和所述旁路模块的负载阻抗彼此匹配，从而将调光数据叠加在交流电压上产生载波信号，

所述多个led驱动电路分别接收载波信号，根据所述载波信号获得电能和调光信号，以及根据所述调光信号控制电能传输实现调光。

可选地，所述调光模块包括：

第一整流桥，所述第一整流桥的交流输入端连接至交流电源，根据所述交流电压产生第一直流母线电压；

信号接收模块，接收外部发送的调光控制信号；

控制模块，与所述信号接收模块相连接以获得调光控制信号，以及根据调光控制信号获得调光数据；

载波信号发生器，与所述控制模块相连接以获得调光数据，以及根据调光数据产生相应的数据信号；以及

功率传输模块，与所述载波信号发生器相连接以获得所述数据信号，以及连接在所述第一整流桥的第一直流输出端和第二直流输出端之间，根据所述数据信号改变所述第一整流桥的负载阻抗。

可选地，所述调光模块还包括供电模块，其中，所述供电模块连接在所述第一整流桥的第一直流输出端和第二直流输出端之间，采用所述第一整流桥输出的所述第一直流母线电压产生所述调光模块的内部供电电压。

可选地，所述调光模块还包括供电模块和二极管，其中，所述二极管对所述交流电压进行半波整流，所述供电模块连接至所述二极管，采用所述二极管整流后的第一直流母线电压产生所述调光模块的内部供电电压。

可选地，所述旁路模块包括：

第二整流桥，所述第二整流桥的交流输入端连接至所述交流电源，根据所述交流电压产生第二直流母线电压；

过零检测模块，连接至所述第二整流桥的第一直流输出端，用于检测所述第二直流母线电压的过零时刻；

数据采样模块，连接至所述第二整流桥的第一直流输出端，用于获得所述第二直流母线电压的采样信号；

第一微控制单元，与所述过零检测模块和所述数据采样模块相连接，用于根据所述采样信号获得所述载波信号的波形，并且与载波信号的信号调制相应地产生开关控制信号；以及

阻抗模块，与所述第一微控制单元相连接以接收所述开关控制信号，以及连接在所述第二整流桥的第一直流输出端和第二直流输出端之间，根据所述开关控制信号改变所述第一整流桥的负载阻抗，

其中，所述第一整流桥的交流输入端与所述第二整流桥的交流输入端连接在所述交流电源的同一条供电线上。

可选地，所述多个led戏驱动电路分别包括：

第三整流桥，所述第三整流桥的交流输入端与所述第二整流桥的交流输入端并联连接，根据所述载波信号产生第三直流母线电压；

数据采样模块，连接至所述第三整流桥的第一直流输出端，用于获得所述第三直流母线电压的采样信号；

第二微控制单元，与所述数据采样模块相连接，用于根据所述采样信号获得所述载波信号的波形，并且对所述载波信号进行解调以获得调光信号；以及

功率转换模块，与所述第二微控制单元相连接以获得所述调光信号，以及与所述第三整流桥的直流输出端相连接以获取电能，

其中，所述功率转换模块根据所述调光信号控制提供至led灯的驱动电流和/或占空比，从而实现调光控制。

可选地，所述功率转换模块包括采用降压拓扑结构、升降压拓扑结构、反拓扑结构中任意一种拓扑结构的开关电源。

根据本发明的再一方面，提供一种led调光控制方法，包括：

接收调光控制信号；

从所述调光控制信号获得调光数据；

根据所述调光数据获得载波信号；

根据所述载波信号获得电能和调光信号；以及

根据所述调光信号控制电能传输实现调光，

其中，在获得载波信号的步骤中，控制彼此匹配的第一负载阻抗和第二负载阻抗，从而对交流电压进行调制以产生所述载波信号，所述第一负载阻抗和第二负载阻抗形成电力载波回路。

可选地，所述第一负载阻抗和所述第二负载阻抗分别是第一整流桥的负载阻抗和第二整流桥的负载阻抗。

可选地，所述第一负载阻抗相较于所述第二负载阻抗周期性的表现为高阻抗，从而形成电力载波回路。

可选地，采用所述第一整流桥产生内部供电电压。

可选地，采用二极管对交流电压进行半波整流以产生内部供电电压。

根据本发明实施例的led调光器，该led调光器的调光模块中集成有信号接收模块，因而可以将调光控制信号转换成载波信号传送给多个led灯泡的封装芯片。led灯泡中的封装芯片可以省去信号接收模块，以避免外壳对调光控制信号的干扰，从而提高了抗干扰能力。该led调光器还集成有旁路模块，调光模块和旁路模块的负载阻抗彼此匹配以形成电力载波回路。led灯泡的封装芯片中的led驱动电路与调光器的旁路模块并联连接，获得载波信号，进一步获得电能和调光信号。在调光器中集成旁路模块可以简化在led灯泡中封装的led驱动电路的电路结构和体积，从而适用于封装成小尺寸的led灯泡。

进一步的，该led调光器的调光模块中集成有供电模块和连接在供电模块和交流输入端的二极管，可以采用二极管半波整流后的电压直接对供电模块供电，提高了供电模块的电能及带载能力。

附图说明

通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：

图1示出根据现有技术的led调光系统的示意性框图。

图2示出根据本发明的第一实施例的led调光系统的示意性框图。

图3示出根据本发明的第一实施例的led调光系统电压波形图。

图4示出根据本发明的第一实施例的led调光系统的详细框图。

图5示出根据本发明第一实施例中调光模块中功率传输和载波信号发生器模块的具体框图。

图6示出根据本发明第一实施例中旁路模块中阻抗模块的具体框图。

图7示出根据本发明第一实施例中调光模块和旁路模块中的电压波形图。

图8示出根据本发明第二实施例的led调光系统的示意性框图。

图9示出根据本发明第二实施例的led调光系统的详细框图。

图10示出根据本发明第二实施例的led调光系统供电模块电压波形图。

具体实施方式

以下将参照附图更详细地描述本发明。在各个附图中，相同的元件采用类似的附图标记来表示。为了清楚起见，附图中的各个部分没有按比例绘制。此外，可能未示出某些公知的部分。

在下文中描述了本发明的许多特定的细节，例如器件的结构、材料、尺寸、处理工艺和技术，以便更清楚地理解本发明。但正如本领域的技术人员能够理解的那样，可以不按照这些特定的细节来实现本发明。

本发明可以各种形式呈现，以下将描述其中一些示例。

图1示出根据现有技术的led调光系统的示意性框图。led调光系统100包括开关sw和led驱动电路120。开关sw连接在交流电源ac和led驱动电路120之间，用于控制led驱动电路120的供电，从而点亮或熄灭led灯150。

led驱动电路120包括整流桥121、供电模块122、信号接收模块123和功率转换模块124。整流桥121的交流输入端经由开关连接至交流电源ac，直流输出端连接至供电模块122。整流桥121将交流输入电压整流成直流母线电压。供电模块122对直流母线电压进行平滑滤波以产生内部供电电压。信号接收模块123采用内部供电电压工作，将外部控制装置(例如手机)发送的调光控制信号转换成调光信号。功率转换模块124的输入端接收直流母线电压，输出端提供led灯的驱动电流。

在工作期间，功率转换模块124根据调光信号控制led驱动电路120的驱动电流和/或占空比，从而实现调光控制。

在上述现有的led调光系统中，同一个照明装置的多个led灯泡分别包括封装在外壳中的led驱动电路120和led灯150。led驱动电路120内嵌信号接收模块123，将接收的调光控制信号转换成调光信号，从而控制功率转换模块的驱动电流和/占空比。然而，在led灯泡内封装的信号接收模块导致led驱动电路120的体积过大以及容易受到干扰的问题。

图2示出根据本发明的第一实施例的led调光系统的示意性框图。led调光系统200包括开关sw、调光器210和多个led驱动电路220。开关sw连接在交流电源ac和调光器210之间，用于控制调光器210和多个led驱动电路220的供电，从而点亮或熄灭led灯250。

交流电源ac经由第一供电线和第二供电线提供交流电压。开关sw连接在第一供电线上。

调光器210包括调光模块211和旁路模块212。调光模块211连接在任意条供电线上，用于接收外部控制装置(例如手机)发送的调光控制信号，并且将调光控制信号转换成载波信号。旁路模块212连接在第一供电线和调光模块211的输出端之间，根据调光模块211的工作阶段产生相应的旁路阻抗，从而维持载波信号。

多个led驱动电路220连接在第一供电线和调光模块211的输出端之间。多个led驱动电路220分别提供相应led灯250的驱动电流，并且从载波信号中解调出调光信号。

在工作期间，多个led驱动电路220根据调光信号控制驱动电流和/或占空比，从而实现调光控制。

图3示出根据本发明的第一实施例的led调光系统电压波形图，交流电源ac提供的交流电压为正弦波电压。根据电路的工作状态，led调光系统200的工作模式可以分为三个阶段。如图所示，led调光系统200的第一阶段对应于图中的t0至t1，第二阶段对应于图中的t1至t2，第三阶段对应于图中的t2至t3，t0至t3时间段为正弦波的半个周期，在这个时间段内，正弦波的波形为大于0的波形。

在第一阶段的t0至t1时间段内，正弦波电压从零开始上升，此时，电路中通过旁路模块212和调光模块211的阻抗匹配，让正弦波电压基本上在调光模块211两端，用于给调光模块211供电，因此，第一阶段又可以称为供电阶段。

在供电阶段，旁路模块212相对于调光模块211为低阻抗，正弦波电压几乎全在调光模块211，旁路模块212两端没有电压。

在时刻t0至t1之间，电路中电流通过交流电源ac、开关sw、旁路模块212、调光模块211形成回路。在第二阶段的t1至t2时间段内，正弦波电压继续上升，并在到达峰值后开始下降，此时，电路中通过旁路模块212和调光模块211的阻抗匹配，让正弦波电压基本在旁路两端212，用于给led驱动电路220传输功率，因此，第二阶段又可以称为传输功率阶段。

在传输功率阶段，旁路模块212相对于调光模块211为高阻抗，正弦波电压几乎全在旁路模块212，调光模块211两端没有电压。

在时刻t1至t2之间，电路中电流通过交流电源ac、开关sw、led驱动电路220、调光模块211形成回路，此时led驱动电路220和旁路模块212并联工作，旁路模块212是高阻状态。

在第三阶段的t2至t3时间段内，正弦波电压继续下降，直到下降至0，此时，电路中通过旁路模块212和调光模块211的阻抗匹配，使旁路模块212两端的正弦波电压上带有调光数据，用于为led驱动电路220提供调光信号。因此，第三阶段又可以称为数据阶段。

在t2至t3之间，该调光系统中电流通过交流电源ac、开关sw、旁路模块212、调光模块211形成回路，此时led驱动电路220和旁路模块212并联工作。

图4示出根据本发明的第一实施例的led调光系统的详细框图。图5示出根据本发明第一实施例中调光模块中功率传输和载波信号发生器模块的具体框图。图6示出根据本发明第一实施例中旁路模块中阻抗模块的具体框图。

在该实施例中，调光模块211与旁路模块212、开关sw串联连接在交流电源ac的两个输出端之间。

调光器210包括调光模块211和旁路模块212。调光模块211包括整流桥2111、功率传输模块2112、信号接收模块2113、控制模块2114、载波信号发生器2115、供电模块2116。旁路模块212包括整流桥2121、阻抗模块2122、过零检测模块2123、数据采样模块2124、微控制器2125。

如图4所示，调光模块211的整流桥2111、旁路模块212的整流桥2121和开关sw串联连接在交流电源ac的两个供电端之间。

在调光模块211中，整流桥2111将交流电压整流成直流母线电压。功率传输模块2112和供电模块2116并联连接在整流桥2111的正负输出端之间。供电模块2116采用整流桥2111输出的直流电压产生供电电压，以及将供电电压提供给信号接收模块2113和控制模块2114。

信号接收模块2113例如是蓝牙、zigbee、wifi、红外等模块，主要作用是接收外部控制装置(例如手机)发送的调光控制信号。控制模块2114对调光控制信号进行解码以获得调光数据，以及根据调光数据控制功率传输模块2112和载波信号发生器2115的工作。

功率传输模块2112可以在高阻抗状态和低阻抗状态之间切换。例如，如图5所示，功率传输模块2112包括晶体管q1和电阻r1，通过控制晶体管q1控制端的电压或者电流，让晶体管q1处于饱和导通或者线性导通，从而控制整流桥2111的负载阻抗。载波信号发生器2115包括串联的晶体管q2、稳压管z1和二极管d1，用于产生固定频率的方波信号。控制模块2114根据载波信号发生器2115产生的方波信号的电平状态，从而获得数据信号。例如，在方波信号的每个时钟周期中根据相应数据位的数值控制方波信号的电平状态，从而将调光数据转换成相应电平状态的变化序列的数据信号，在交流电压上叠加数据信号。进一步地，采用数据信号控制功率传输模块2112中的开关状态，在多个时钟周期中获得功率传输模块2112的阻抗状态的变化序列，从而在交流电压半工频周期的至少一部分时间段进行信号调制，获得载波信号。

在旁路模块212中，整流桥2121将交流电压整流成直流母线电压。整流桥2111与整流桥2121的交流输入端串联连接在同一条供电线上。阻抗模块2122连接在整流桥2121的正负输出端之间。例如，如图6所示，阻抗模块2122包括串联连接的开关管q3和电阻r2，还包括和电阻r2并联的开关sw2，阻抗模块2122利用开关管q3的开关状态的变换控制整流桥2121的负载阻抗。

过零检测模块2123和数据采样模块2124分别连接至整流桥2121的正输出端，分别获得直流母线电压的过零时刻和采样信号。旁路模块212还包括微控制单元(microcontrollerunit；mcu)2125。该微控制单元2125根据采样信号获得载波信号的波形，并且与载波信号的信号调制相应地产生开关控制信号，从而控制阻抗模块2122中的开关管q3。

在调光器210中，至少在信号调制期间，调光模块211的整流桥2111的负载阻抗与旁路模块212中的整流桥2121的负载阻抗相匹配，从而形成电力载波回路。

例如，为了传输数据值“0”，在一个时钟周期中，功率传输模块2112相对于阻抗模块2122为低阻抗状态，使得调光模块211的整流桥2111上基本上没有电压降，旁路模块212的整流桥2121承受基本上全部的电压降，从而将交流电压的完整波形传输至多个led驱动电路250。为了传输数据值“1”，在一个时钟周期中，功率传输模块2112相对于阻抗模块2122为高阻抗状态，使得调光模块211的整流桥2111上承受基本上全部的电压降，旁路模块212的整流桥2121基本上没有电压降，从而将缺相的交流电压波形传输至多个led驱动电路250。

在该实施例中，多个led驱动电路220与旁路模块212并联连接。

led驱动电路220包括整流桥2211、数据采样模块2212、微控制单元(microcontrollerunit；mcu)2213和功率转换模块2214。整流桥2211的两个交流输入端分别连接至整流桥2121的两个交流输入端。整流桥2211将交流输入电压整流成直流母线电压。数据采样模块2122连接至整流桥2211的正输出端，获得直流母线电压的采样信号。微控制单元2123根据采样信号获得载波信号的波形，并且从载波信号解调出调光数据，以及产生相应的调光信号，进一步控制功率转换模块2214。

在led驱动电路220中，功率转换模块2214的输入端连接至整流桥2211的正负输出端。功率转换模块2214的输出端用于向负载灯具(例如led灯)供电。微控制单元2123向功率转换模块2214提供调光信号。功率转换模块2214根据调光信号控制提供至led灯250的驱动电流和/或占空比，从而实现调光控制。

功率转换模块2214可以采用开关电源或者线性恒流控制电路等方式来实现。例如，功率转换模块2214可以采用降压(buck)拓扑结构、升降压(buck-boost)拓扑结构、反激(flyback)拓扑结构等各种拓扑结构的开关电源来实现。

图7示出根据本发明第一实施例中调光模块和旁路模块中的电压波形图，如图5和图6所示，v1为开关管q1的控制信号，v2用于控制开关管q2，v3为开关管q3的控制信号，v4为开关sw2的控制信号。

如图7所示，调光模块211中，当控制信号v2为高电平时，通过功率传输模块2112中的驱动电阻r1，晶体管q1完全导通，电压完全传输到旁路模块212电路两端，当控制信号v2为低电平时，晶体管q1的阻抗由载波信号发生器2115决定。

当控制信号v2为低电平，v1为高电平时，调光模块211中整流桥2111两端的电压v调光上升，直到击穿载波信号发生器2115中的二极管d1、稳压管z1、晶体管q2，功率传输模块2112中的晶体管q1门级电压会上升，其电压最终稳定在米勒平台，电流从晶体管q1的漏极d、源极s两端流过，通过旁路模块212形成回路，所以调光器中整流桥2111输出两端电压v调光＝vd1+vz1+vds2+vgs1，其中vd1是二极管d1正向压降，vz1是稳压管z1击穿电压，vds2是晶体管q2的d极和s极两端电压，vgs1是晶体管q1的g极和s极两端电压。该回路路径包括交流源ac、整流桥2111、二极管d1、稳压管z1、晶体管q2、晶体管q1、整流桥2121、晶体管q3、电阻r2。

旁路模块212中，当电压v3是高电平，v4为低电平时，阻抗模块2122中晶体管q3的电流i＝(v3-vgs3)/r2，其中，vgs3是晶体管q3的g极和s极之间的电压，当电压v4为高电平时，晶体管q3完全导通，电流大小由调光模块211决定。

图8示出根据本发明的第二实施例的led调光系统的示意性框图。根据第二实施例的led调光系统与第一实施例的主要区别是调光模块211包括二极管d2，使得供电模块2116可以采用二极管d2独立供电，二极管d2的阳极直接连接到交流电源的任意一端，使得led调光系统在供电方面更优化。

图9示出根据本发明的第二实施例的led调光系统的详细框图。第二实施例的led调光系统与第一实施例的主要区别是调光模块211包括二极管d2，使得供电模块2116可以采用二极管d2独立供电。以下仅描述第一实施例与第二实施例的不同之处，对相同之处不再详述。

二极管d2的阳极连接至交流电源ac的一端，阴极连接至供电模块2116的高电位输入端。进一步地，供电模块2116的低电位端接地。交流电源ac的交流电压经过二极管d2的半波整流之后，将电能提供给供电模块2116，进一步产生内部供电电压。例如，当交流源ac的第二输出端电压高于第一输出端的时候，交流电压通过二极管d2给供电模块2116提供电能，这个电能比根据第一实施例的调光系统中调光模块211的两端电压高很多，使得供电模块2116的带载能力变强。

图10示出根据本发明第二实施例的led调光系统供电模块电压波形图。供电模块2116两端电压如图所示，电路中电流经过交流电源ac、二极管d2、供电模块2116、整流桥2111形成回路，构成半波整流电路。因为晶体管q1绝大多数时间都是导通的，导通时，从调光模块211内部看，电压v调光和与整流桥2111直接相连的交流电源ac一端电位基本一样，交流电源ac另一端才能通过二极管d2给供电模块2116提供能量。

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。本发明的保护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。