专利名称：：智能型恒功率直流led灯丝驱动电路的制作方法
技术领域：
：本发明涉及一种智能型恒功率LED灯丝驱动电路，属于半导体照明
技术领域：
，适用于各种设计合理的LED电路拓扑结构，特别在市电网供电场合，适用于驱动LED灯丝电路之LED光源，即本发明人此前诸多专利所涉及的'LED灯丝，技术方案200410081394.4、200510020493.6、200420060342.4、200420061456.0、200420105410.4、200520033431.4、200620157080.2等，目标在于获得LED照明灯具整备效率高和综合成本低的有益效果。综合构成的LED灯丝照明总体技术方案，具有明显的性能成本比较优势，在LED绿色节能照明
技术领域：
独树一帜，将成为该领域主流技术方案之一。
背景技术：
：目前用于交流市电网供电的LED照明灯具，绝大多数采用低压直流驱动模式将市电网AC220V、AC230V或AC110V、AC120V等，转换成相对较低的直流电压，例如DC12V、DC24V、DC36V，还有DC80V甚至更高的直流低电压，用以提供相应LED照明电路所需电能，保障LED光源正常工作，也就是为LED光源部件提供所谓'低压直流供电，环境。在这一环境中，绝大多数应用追求的技术目标是'恒流，控制，因为大多数技术人员觉得，LED应该在直流低电压恒流条件下使用，才能获得最佳使用效果。从市电网获取低压直流向LED光源电路供电有多种技术手段，主流技术方案大体两种。方案一采用电子变压器将市电网交流电变换成所需的较低电压交流电，再通过桥式整流、串联型稳压获得低压直流稳压电源。方案二采用PWM脉宽调制模式的开关电源获得低压直流稳压/恒流电源。这一PWM方案还有隔离式与非隔离式之分，在此不赘述。目前市场上还有RC阻容降压型驱动电路及其原理类似的衍生电路，也可以提供交流电网的电能来点亮LED照明光源，但此类电路的基因决定其不堪大用电能转换效率低下，电能质量差，功率输出小，不具备推广价值。3无论何种技术方案，从总体指标角度分析，只要配置有提供LED光源工作的电源驱动器，系统总体就必须为该驱动器分配合理的耗电指标。从整备效率角度分析，驱动器绝对功耗越低，特别是在灯具系统总功耗中所占百分比的相对功耗越低，说明该驱动器的效率越高。显然，高效率驱动器的节能效果明显优于低效率驱动器。其实，在成功的产品设计中，并不是追求某个功能部件单项指标的最佳化，而必须兼顾各项相关组成部分，通过综合平衡来优化分配总体技术指标，也就是追求产品整体综合指标的最佳化。这也就是说，不仅要考虑到产品各组成部件的特殊技术性能指标，更重要的还应涉及其它方面，包括成本、可靠性、体积、重量、热平衡、防护性能、环境适应性等各种要求，特别是该部件与其它部件之间的参数匹配显得尤其重要。从目前市场来看，基于隔离式PWM开关电源技术方案的LED驱动器，其电能转换效率大致在80°/。左右，指标提高一些则成本上升很快；非隔离式PWM开关电源技术方案成本相对较低、电能转换效率相对较高，但要在较宽的电压范围内都达到卯％不很容易，要超过95%以上仍然是比较困难的。LED光源驱动器这一电能转换部件的效率，无论是高还是低，其自身都是要消耗电能的，如同只有吃了草马儿才会跑一样天经地义。但是能不能叫马儿又能跑得好，又能少吃草呢？甚而至于我们是否能用廉价的毛驴代替昂贵的高头大马，吃更少的草，却仍能健步如飞呢？实现类似的神话正是本专利技术方案所要解决的技术问题。
发明内容本发明要解决的技术问题是提供一种先进的LED照明产品总体设计方案，其综合技术指标能够远远超过其它LED照明灯具，并在相对宽阔但又是定义合理的电网电压波动变化范围内，都能够提供恒定的功率输出，都能够实现LED照明灯具光线柔和、照度稳定、光效超高、长寿安全地照明之效果。除了上述的功效之外，本技术方案提供了LED照明光源实施智能化监控硬件平台的低成本方案，结合外围配置多种实用功能硬件接口，在嵌入式智能化软件操控下，可以实现时、定亮、接近感应，以及适应地理纬度、地理高程等特殊环境要求的智能化灯光开关和亮度增减控制，还可以通过内置的有线或无线数据通讯接口，将各类传感器感知的各种宝贵信息，及时进行实时处理、实时记录和定时传送，同时还能随时接收来自指挥中心的遥控指令和数据，经分析而后执行，实现普通照明灯具根本不可思议的超级功能，甚至包括节点故障自动诊断、自动排除，以及嵌入式监控软件遥控升级等其它特殊功能。本发明要解决该技术问题的关键在于提供一种智能型恒功率直流LED灯丝驱动电路，该功能部件拓扑结构简洁、元器件少、装配制造工艺简单、原材料取得方便，同时该部件不断升级的、功能强大的嵌入式监控软件，可以提供不断升级的智能化功能，使得该LED照明产品具有自适应能力和后天学习智能；在生产线上完成装配的LED照明灯具产品几乎无需调试，使得产品的综合成本低廉，有利于超大批量生产，超大规模普及和应用。本技术方案涉及的LED驱动电路或称LED驱动器，是专门用于驱动LED灯丝电路的。如同此前本发明人在上列文献中阐述过的概念市电网交流电压数值会影响LED灯丝级数。所谓LED灯丝的级数概念，是指LED灯丝电路结构中，串联LED单个元件的个数。LED灯丝中单个LED级数N的确定，可以用下列公式计算得到N=int(((VacX21/2)/VF)XK)式中NLED灯丝级数Vac市电网交流有效值，例如我国为220VFLED灯丝中单个LED正向工作电压平均值K经验系数，一般取K>0.9或K-0.85Int()取整函数，仅保留括号内运算结果的整数部分我国大陆AC220V交流电网，白光LED灯丝级数N大约在80100，即LED串联80颗到100颗，而对于AC110V的交流电网，LED灯丝级数大约在4050，即40颗到50颗单个LED串联而构成一个LED灯丝单元。举例说明当Vac-220V，VF=3.2V，K=0.85则N=int(((220X1.4142)/3.2)X0.85)=int(82.6423125)=82,即该LED灯丝由82颗单个的LED灯珠串联组成。制作一个基于LED灯丝技术方案的LED照明灯具，至少需要一串LED灯丝，但也常常需要多串LED灯丝并联使用，这在应用中完全合理，在技术上也容易实现。由于在LED灯丝单元中所有单个LED器件都工作在串联状态，因此流经所有单个LED器件的电流完全相等，则各个LED芯片截面的工作电流密度大体相当，可以推知发热强度也大体相当，因此在LED灯丝电路中就没有明显的电应力和热应力薄弱环节。应用LED灯丝结构，巧妙而廉价地迴避了低压直流少串多并电路结构所无法避免的麻烦事相同电压下多路LED并联使用，每一路电流在每个瞬间都不相等，如果对所有并联分支电路的电流均衡控制不周到，往往导致电流最大一路负荷过重，该路就易发生故障，从而危害到系统总体的可靠性。在提高LED照明灯具总体节能效率方面，本技术方案采取双管齐下的方针。一方面努力降低LED驱动电路功耗，即努力提高该驱动电路效率。另一方面，利用人眼视觉特点，充分发挥LED光源的物理和电学特性，在保障照明效果前提下进一步减少照明用电。首先，如图1所示'市电网供电的基于智能型恒功率直流LED灯丝晶体管驱动电路的LED照明光源电路总体方案'可知，电路总功耗由6部分构成，这6个部分也就是构成本技术方案的6个组成部分，其功能结构框图如图2所示，各组成部分是1市电网整流全桥Q2LC构成的;r型储能滤波环节3基于LED灯丝电路结构的LED照明光源单元4基于MCU的智能控制单元，包括独立电源和各种传感器、执行部件等5Tl、T2组成的高耐压半导体电子开关6馈送MCU采样单元ADC的LED灯丝工作电流取样电阻Re第4项中提到的MCU,即MicroControlUnit微控制单元，或MainControlUnit6主控制单元，是基于整合微处理器和外围接口的集成化硬件单元，结合嵌入式软件技术而成为高性能微系统器件。整个MCU功能框图内独立供电。现以我国大陆民用市电网使用的AC220V为背景对功耗与效率进行分析。设本系统LED照明灯具设计功耗150W,电流取样电阻Re=0.5Q,由于串联回路上各部件功耗之比等于其电压降之比，贝U:1整流桥Q平均压降1.4V，2;r型LC压降0.5V，5电子开关T1、T2工作在饱和导通状态，压降0.8V，6取样电阻Re平均压降0.6V，而整流后获得的直流电压平均值为285V，于是我们有串联环路的效率iil为til=(1—(1.4十0.5+0.8十0.6)/(285+1.4))X100%=98.848%折合成瓦数，则1256部分的合计功耗约为1.7284W，考虑到4项的总功耗不足0.26W，合计12456项功耗约为2W,则系统总效率ii为tl=(1-2/(2+150))X100%=98.68%考虑到LED灯丝光源3功耗尽管变化，系统中除3之外其余各项功耗大体相当，总和约为2W，则不同照明功率系统的总效率n'会有变化，下面分别计算LED灯丝功耗取30W、50W、IOOW、200W、250W各例的计算结果，列表示意<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>从上表可以看出，本技术方案电能利用效率之高，为此前绝大多数技术方案所无法企及，特别是在功率较大LED照明灯具的应用方面，更彰显其独特的优越之处。实测中最容易出现效率下降的环节在于5，如果采用双极性晶体管，当不是饱和导通时，电压Vce就会偏高，导致耗散功率明显增加，效率明显下降；解决这个问题的办法是增加基极电流的供给，尽量使双极型晶体管实现饱和导通。如果更换电子开关，如图3采用高压FET场效应管，当Ron仅有几十毫欧姆时，效率就很高。其次，这个重要的措施是利用人类视觉特点，进一步提高照明效果而进一步降低光源功耗。光源光照的亮度效果，遵从于视觉的基本规律，相同辐射功率之平稳光照和闪烁光照作用于视觉产生的亮度效果，遵从道格拉斯公式(Douglas'sEquation):(tl-t2)+0.2I对于短促强闪光，上述公式可近似为"5^;I(t)At,这表示短促强闪光可以获得近似5倍的同等恒定光强视觉，这一结论为进一步提高照明节能效率奠定了釆用全新照明控制方法的理论依据。本技术发明人在从事多年LED航标灯研制实践中，发现了这一规律并摸索运用了这一技术，使得依靠蓄电池供电的、电能宝贵的航标灯，在采用LED光源并结合使用此技术后，在不降低有效视距标准的要求下，极大地降低了电源总功耗，因此大大延长了蓄电池更换周期，既确保了航标灯更长时间的安全工作，又大大降低了设备维护成本。类似地运用这一技术方案，将会在LED照明领域带来更大幅度的节电节能效果。由于超高亮景物对人眼视网膜的刺激强度具有非线性的强化特征，再充分利用LED光源高频响应特性及其伏安光通关系，采用高频高强度窄电流脉冲产生超强光调制波，形成视觉上光线柔和、景物连续、强度适中的照明效果，可以获得实际功耗低于同样照明效果的常规LED光源恒流工作的功耗。这一技术方案将进一步发掘LED照明灯具的节能潜力。本发明人此前的一些实验数据证明，与LED恒流驱动方案相比，大致可进一步再节约电能15%以上，用于LED航标灯，这一技术的节能效果超过了25%。由于本技术方案的基础之一是LED灯丝理论，较常规设计的灯具，具有工作电压高、PWM控制的特点，因此如果在细节上处理不好，会导致严重的EMI电磁干扰问题。解决EMI的办法是优化布线、设置电网进出线滤波、搞好屏蔽。只要措施到位，就完全可以达到满意的效果，并且也不会造成LED灯具产品成本的明显上升。本发明技术方案，简化了LED照明灯具总体设计，简化了电路结构。由于采用MCU相关硬件和软件技术，为多种智能化功能手段提供了理想技术平台，实现了过去不可思议的控制效果，而最关键的效果在于在大幅提高LED照明产品性能和明显降低产品成本的同时，既大幅降低总电力消耗和原材料消耗，又提高了灯具性能和照明质量。本技术方案为社会从LED照明产品的采购到使用再到维护最后到回收，提供了全程低成本高效益解决方案。本发明的关键点在于-①以市电网桥式整流获'高压'直流直接施加LED灯丝，全无'低压直流驱动'概念；②基于高压晶体管、场效应管的电子开关执行部件，实现直接PWM开关驱动控制，完全不是通常追求的'恒流'控制方式；③基于多功能MCU配以嵌入式软件+优化算法，结合I/0接口驱动，实现IDPWM:IntelligentDigitalPulseWidthModulation,智能化数字式脉宽调制技术。为系统进一步升级提供了具有极大弹性空间的、低成本的硬件系统平台。本技术方案只是开启了此全新技术方案领域的入口，各项性能指标的提高以及技术细节的深入和改进仍有巨大空间，仅在进一步节能增效方面指出一个小小的实例整流环节目前采用的是全桥二极管整流，压降约为1.4V，如果采用图4所示的最新半导体器件有源FET桥式整流技术，对于小于500W的应用，整个整流环节的压降有望小于0.2V。其它环节当然也存在很多继续努力的空间，功夫到了，效果就会出来。再例如，在进一步改善实际控制效果方面，闭环控制的采样环节至关重要。本方案采用串联电阻Re对流经LED灯丝的电流取样Re上的电压馈送至MCU的ADC输入端口。为了提高ADC转换精度，需要信号电压尽可能充分利用满量程，因此采样信号电平较高为宜；而为了减少采样引入的无谓功耗，则希望Re上的信号电压越低越好，这就产生了根本上对立的矛盾。图6提供了有源比例放大器解决方案，可以根据实际的需要，既保持Re上的信号足够小、无谓功耗足够低，又保证ADC输入信号幅度足够高，满足高精度转换之用。图1是市电网供电的基于智能型恒功率直流LED灯丝晶体管驱动电路的LED照明光源电路总体方案示意图，图中的核心控制部件为MCU功能方框，也是本专利技术方案的核心部件之一，MCU的供电Vdd独立配置。该部件在其嵌入式软件指挥下，经信号出口Driver实现对电子开关Tl、T2构成的达林顿管进行开关控制，给LED灯丝LEDFilament实施智能化可控制供电，实现恒功率节能照明功能；LED灯丝工作电流经反馈电阻Re实时传到MCU的ADCin信号输入端口，为实现高效率安全可靠地闭环控制提供准确清晰的数据。图中英文符号'LEDFilament'翻译成lED灯丝'。图2为市电网直供电LED灯丝智能恒功率电路方框图。图3为市电网供电的基于智能型恒功率直流LED灯丝FET驱动电路的LED照明光源电路总体方案。与图1相比，除了将电子开关执行部件Tl、T2组成的达林顿晶体管换成FET场效应管外，其余部分不变，工作原理完全一样。图4是有源FET桥式整流电路原理示意图，该整流电路的整体压降仅为0.2V以下。图5是分立式晶体管的达林顿电路原理示意图，用于进一步降低成本和降低功耗提高效率。图6是LED灯丝工作电流采样标量放大电路。为避免釆样电路功耗过大，同时要提高采样数据的有效位数，用运算放大器构成的线性比例放大电路。其放大倍数e为P=1+R2/R例如取R1-1K，R2=9.1K，则放大倍数P约为IO。具体实施方式实施例一、120W恒功率LED路灯本实施例为120W恒功率LED路灯，其电路原理图如图1所示。LED灯丝采用88颗美国Cree公司生产的Q4型号LED器件串联组成，再配以反光式配光罩；Q4器件的额定功耗10为13W，额定光通量为1043001m;Cl、C2采用220uF/400V电解电容器，电感330mH,其直流电阻小于0.5Q，达林顿管型号为HDT13003A，射极采样电阻Re为1/2W、0.5Q，MCU为美国AnalogDevices公司生产的8位高速单片机ADuC832，内部设置有12位ADC高精度模数转换器；电流采样环节的比例放大器选用LM324运算放大器，调整放大倍数10,其电路原理图如图6所示；嵌入式监控软件具有闭环采样、数据传输、实时控制等功能。本实施例的主要技术要点如下1采用具有IDPWM控制功能的基于MCU的智能型恒功率LED灯丝驱动电路；2驱动电路节能效率高，电能转换效率高达98.36%;3电阿波动适应性强，大大超过国家电网电能质量标准GB12325的规定，高压超过AC264V(》+20%)仍能确保LED路灯整体的恒功率稳定工作；4视觉照度明显高于其它技术方案的LED照明灯具，节能效果更明显。实施例二、60W恒功率公共照明用吊灯本实施案例为60W恒功率公共照明用吊灯，其电路原理图仍采用图l，元器件参数适当调整:LED灯丝采用80颗美国Cree公司生产的Q4型号LED器件，C1、C2采用100uF/400V电解电容器，电感180mH，其直流电阻小于0.5Q，达林顿管型号为HDT13003A，射极采样电阻Re为1/2W、0.5Q，MCU为美国AnalogDevices公司生产的8位高速单片机ADuC832,内部设置有12位ADC高精度模数转换器；比例放大器环节选用LM324运算放大器，放大倍数为10,其电路原理图如图6所示；嵌入式监控软件具有电流釆样、接近感应、数据传输、实时控制等功能。除前例所述特点外，本实施例新增了接近感应照度控制功能，当有物体接近时，亮度自动调高，物体远离后亮度自动调低，亮暗变化的量化差别为额定照度的1/256，相当于无极调光，非常柔和舒服。增加这一功能的目的在于进一步节约电能，同时有效地延长LED灯具的使用寿命，降低维护费用。权利要求1、一种智能型恒功率直流LED灯丝驱动电路，其特征是包括将市电网交流电转变为直流电的桥式整流电路，包括光源电路LED灯丝，包括执行驱动功能的半导体开关器件，还包括产生驱动半导体开关器件信号的MCU微控制单元电路部分。2、根据权利要求1一种智能型恒功率直流LED灯丝驱动电路，其特征是连接于市电网经整流后的直流高电压直接作用于光源部件LED灯丝。3、根据权利要求1一种智能型恒功率直流LED灯丝驱动电路，其特征是MCU电路产生实时控制驱动半导体开关器件的信号。4、根据权利要求1一种智能型恒功率直流LED灯丝驱动电路，其特征是执行驱动的半导体开关管是双极型晶体三极管。5、根据权利要求1一种智能型恒功率直流LED灯丝驱动电路，其特征是执行驱动的半导体开关管是达林顿管。6、根据权利要求1一种智能型恒功率直流LED灯丝驱动电路，其特征是执行驱动的半导体开关管是FET场效应管。7、根据权利要求1一种智能型恒功率直流LED灯丝驱动电路，其特征是执行开关控制的MCU和半导体开关管是厚膜封装的混合集成电路的组成部分。8、根据权利要求3所述MCU电路产生实时控制驱动半导体开关器件的信号，其特征是包括恒功率和可调功率驱动的实时控制驱动信号。全文摘要本发明涉及一种智能型恒功率直流LED灯丝驱动电路，属于半导体照明
技术领域：
。市电网供电的LED照明光源多数采用低压直流驱动，电源功耗大，导致LED灯具整备光效降低、可靠性下降，成本上升，迟滞了原本性能优异的LED照明光源大面积推广普及。本发明听述的一种智能型恒功率LED灯丝驱动电路，能随电网波动自适应调整LED灯丝电应力，实现恒功率或恒流驱动之最佳效果。本发明提高了LED照明光源的电网波动适应性，功耗低光效高稳定可靠，更兼成本低廉易于集成，为升级LED照明光源全面智能化奠定硬件基础，低成本促进LED照明光源更节能、更长寿、更便于维护和升级。文档编号H05B37/02GK101626651SQ20091010942公开日2010年1月13日申请日期2009年8月18日优先权日2009年8月18日发明者吕大明申请人:吕大明