专利名称：阵列式led照明灯具中心区域温度动态控制方法
技术领域：
本发明涉及一种阵列式LED照明灯具中心区域温度动态控制方法，属于LED照明技术领域。
背景技术：
LED照明是近年来迅速发展的一种照明技术，与传统照明光源相比，LED照明技术具有工作电压低、耗电少、发光效率高、 寿命长等优势。目前已有的LED照明灯具比白炽灯省电80%以上，比荧光节能灯省电50%以上。在国家节能减排的大背景下，LED照明的低能耗的特性，必将使其成为照明技术发展的主流，在我国照明市场将具有广阔的发展空间。LED发光管大多体积较小，为增加照明亮度，其照明器具多采用LED发光管阵列的形式。大功率LED等的发热较为严重，尤其是在LED发光管阵列的中心区域，由于灯具照明阵列的热岛效应，中心区域的温度会显著高于外围区域。温度过热将会导致LED发光管迅速老化，使用寿命降低，因此必须保证LED照明灯具在工作时本身不能过热。此外，若LED灯具发热严重，其发光效率将会大大降低，能耗增加，为此不光要从提高灯具的散热能力方面解决过热问题，还要从源头上降低LED灯的发热情况。现有的降低LED照明灯具发热方法大多是采用散热片、风扇等外部散热措施来降低温度，利用热电阻、热电偶灯温度传感器来检测LED发光管的温度。对于这类方法有如下缺点
O增加了外部的机械结构，灯具的体积也随之增加，且影响美观；
2)风扇散热的方式不仅增加了灯具的电能损耗，且增加了灯具损坏的概率；
3)不论是散热片还是风扇散热，都是在LED照明灯具已发热的情况下对其进行辅助散热，此时电能已经有很大部分由于发热损耗，发光效率大大降低，降低了 LED照明低能耗优势；
4)温度检测采用外接传感器，增加成本，且容易因传感器安装不当造成传热不良问
题；
对全部LED发光管阵列进行散热，而不是对发热严重的重点区域进行控制，加大了散热措施作用范围和成本。
发明内容
本发明的目的是为了解决LED照明灯具中心区域温度过热的问题，同时克服传统降温方式中机械结构复杂、增加能耗、需要外接温度传感器的缺点，提出一种以不同占空比动态控制LED照明灯具中间区域LED发光管通断的方法，实现LED发光管阵列高温区域温度控制，在最小程度影响灯具整体亮度的情况下使LED发光管阵列中心区域温度显著降低。本发明采用的技术方案为一种阵列式LED照明灯具中心区域温度动态控制方法，该方法依据LED发光管PN结正向压降随温度升高而近似线性下降的特性曲线，通过实时测量和采集LED发光管PN结压降来获得LED发光管阵列从外围到中心不同层次区域LED的温度；微处理器通过PID算法分别对LED发光管阵列中心不同层次区域温度进行PWM(脉宽调制输出)闭环控制，以200-500HZ频率、经功率放大模块驱动控制LED发光管阵列中心各层次区域LED发光管的导通与截止时间。进一步的，本发明阵列式LED照明灯具中心区域温度动态控制方法，所述LED发光管阵列的温度获取方法是将LED发光管阵列的中心行列中每个LED发光管设置为测温LED发光管，每个测温LED发光管压降经过过压过流保护电路后接入微处理器，中心行列从外至内每个测温LED发光管对应位置所在的同一层LED发光管电气上连接在一起。该分区方式及电气连接方式适用矩形LED发光管阵列、圆形LED发光管阵列和其他形状LED发光管阵列。所述微处理器包含若干路AD输入口和若干路PWM输出口，所述功率放大模块包括若干MOSFET管，通过微处理器的AD输入接口获取中心行列各个LED发光管的PN结压降进而得到各层LED灯温度；通过PWM输出口输出PWM信号控制功率放大模块的通断，从而控制中心各不同层次区域LED发光管间歇导通。具体步骤为
步骤A，将LED发光管阵列中心行列的每个测温LED发光管压降经过过压过流保护电路后接入微处理器的若干对应AD输入口 ；
步骤B，将中心区域从外至内每层的测温LED发光管所对应在的同一层LED发光管连接在一起，将若干大功率MOSFET分别接入中心区域各层LED发光管的供电回路中，用以控制每层LED发光管供电的通断，微处理器的PWM信号输出端经过隔离后接至MOSFET的门极；步骤C，阵列式LED照明灯具开启后，微处理器首先保持PWM输出口满占空比输出，使MOSFET处于一直导通状态，在工作的第一分钟，温度分布均匀，中心区域温度未显著上升时，对中心行列的测温LED发光管的PN结初始压降进行始采集、存储；
步骤D，微处理器通过AD转换器连续获取LED发光管阵列中心行列每个测温LED发光管的压降，根据PN结压降随温度升高而近似线性下降的特性，结合步骤C中所获取的PN结初始压降，计算出中心区域的各层次LED发光管温度与最外围低温区域LED发光管的温度差;
步骤E，利用步骤D中所得到的温度差，通过增量式PID算法，分别控制中心区域各层LED发光管温度在最外层区域LED发光管温度的(120 ± 5 ) %范围内，计算出中心区域各层新的PWM信号输出占空比Dn;
当计算得到的新占空比D1JS于不影响亮度的最低占空比Dmin，则按照最低占空比Dmin,以200-500HZ的频率控制MOSFET导通，返回步骤D开始下一控制周期。当计算得到的新占空比Dn高于不影响亮度的最低占空比Dmin，则按照新计算的占空比Dn，以200-500HZ的频率控制MOSFET导通，返回步骤D开始下一控制周期。进一步的，本发明阵列式LED照明灯具中心区域温度动态控制方法，所述PWM功率放大模块为大功率M0SFET，其最大电流约为中心不同层次区域LED发光管在完全导通时所需电流的I. 5倍。本发明的有益效果
1)结构简单，不占用过多灯具的体积，不影响灯具美观；
2)此方法所需要的信号采集电路、微处理器电路、功率放大模块功耗都很低，相对于LED照明灯具的功耗几乎可以忽略不计，不增加灯具的额外能耗；3)方法从发热源LED发光管本身的控制方法为切入点，以减少导通时间的方式来降低LED发光管阵列中心区域的发热，不仅可达到降温的目的，而且可提高LED照明灯具的发光效率，减少热损耗，充分发挥LED照明低能耗的优势；
4)方法无需外接温度传感器，降低成本，并可避免因传感器安装不当造成传热不良、温度检测不准确的问题；
5)方法分别控制中心分不同层次LED发光管的导通时间，各层次细化控制，使各个层次温度均保持在在外围温度的(120±5) %范围内，可最低程度的影响灯具亮度。
图I为本发明所适用的矩形LED发光管阵列示意图。图2为本发明所适用的圆形LED发光管阵列示意图。 图3为本发明所用测温方法PN结压降随温度升高而近似线性下降示意图。图4为本发明的整体结构示意图。图5为本发明的PID闭环控制示意图。其中1_测温LED发光管，2-LED发光管阵列最外层区域，3- LED发光管阵列最内层区域。
具体实施例方式下面结合附图和具体实施方式
对本发明做进一步说明。实施例如图I、图2、图3、图4和图5所示所示，实施例提供一种阵列式LED照明灯具中心区域温度动态控制方法。控制对象是LED照明灯具发热严重的的LED发光管阵列中心不同层次区域。如图I和图2所示，温度检测方法是通过获取中心行列每个测温LED发光管I (图1，图2中的中间行列虚线LED发光管)的PN结压降，利用如图3所示的PN结压降随温度升高而近似线性下降的特性，得到LED发光管阵列中各个层次LED发光管的温度(包括LED发光管阵列最外层区域2和LED发光管阵列最内层区域3)。如图4和图5所示，微处理器通过AD输入口实时测量和采集中间行列测温LED发光管PN结压降来获得LED发光管阵列从外围到中心不同层次区域LED发光管的温度，通过PID算法分别对LED阵列中心不同层次区域温度进行闭环控制，以200-500HZ频率输出PWM控制信号，经功率放大模块MOSFET管驱动控制LED阵列中心各层次区域LED发光管的通断时间，调整其平均工作电流，进而控制其温度，使中心各层LED发光管温度均保持在最外层区域LED发光管温度的(120±5)%范围内。所述LED发光管阵列中心不同层次区域的LED发光管的电气连接方式为中心区域外至内每个测温LED发光管对应位置所在的同一层LED发光管，该层LED发光管电气上连接在一起。本实施例的分区方式及电气连接方式适用于矩形LED发光管阵列(如图I所示)，也是用于圆形LED发光管阵列(如图2所示)和其他形状LED发光管阵列。本实施例阵列式LED照明灯具中心区域温度动态控制方法具体工作过程包括以下步骤
步骤A，将LED发光管阵列中心行列的每个测温LED发光管压降经过过压过流保护电路后接入微处理器的若干对应AD输入口 ；步骤B，将中心区域从外至内每层的测温LED发光管所对应在的同一层LED发光管连接在一起，将若干大功率MOSFET分别接入中心区域各层LED发光管的供电回路中，用以控制每层LED发光管供电的通断，微处理器的PWM信号输出端经过隔离后接至MOSFET的门极；步骤C，阵列式LED照明灯具开启后，微处理器首先保持PWM输出口满占空比输出，使MOSFET处于一直导通状态，在工作的第一分钟，温度分布均匀，中心区域温度未显著上升时，对中心行列的测温LED发光管的PN结初始压降进行始采集、存储；
步骤D，微处理器通过AD转换器连续获取LED发光管阵列中心行列每个测温LED发光管的压降，根据PN结压降随温度升高而近似线性下降的特性，结合步骤C中所获取的PN结初始压降，计算出中心区域的各层次LED发光管温度与最外围低温区域LED发光管的温度差;
步骤E，利用步骤D中所得到的温度差，通过增量式PID算法，分别控制中心区域各层LED发光管温度在最外层区域LED发光管温度的(120±5) %范围内，计算出中心区域各层新的PWM信号输出占空比Dn;
当计算得到的新占空比D1JS于不影响亮度的最低占空比Dmin，则按照最低占空比Dmin,以200-500HZ的频率控制MOSFET导通，返回步骤D开始下一控制周期。当计算得到的新占空比Dn高于不影响亮度的最低占空比Dmin，则按照新计算的占空比Dn，以200-500HZ的频率控制MOSFET导通，返回步骤D开始下一控制周期。本实施例的有益效果是实现了对LED照明灯具中心区域温度动态控制，可有效控制LED发光管阵列中心区域发热情况，并最小程度的影响整体照明亮度；系统结构简单，不存在活动部件，便于安装，不影响灯具外形美观，可靠性高，寿命长；不增加灯具的额外能耗，并可有效提高发光效率，充分发挥LED照明低能耗优势；不需要温度传感器，可降低成本，并可避免因传感器安装不当造成传热不良、温度检测不准确的问题；控制区域少，只控制发热严重的中心区域，成本低，复杂度低，性价比高，适合大批量生产。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。
权利要求
1.一种阵列式LED照明灯具中心区域温度动态控制方法，其特征在于该方法依据LED发光管PN结正向压降随温度升高而近似线性下降的特性曲线，通过实时测量和采集LED发光管PN结压降来获得LED发光管阵列从外围到中心不同层次区域LED的温度；微处理器通过PID算法分别对LED发光管阵列中心不同层次区域温度进行PWM闭环控制，以200-500HZ频率、经功率放大模块驱动控制LED发光管阵列中心各层次区域LED发光管的导通与截止时间。
2.根据权利要求I所述阵列式LED照明灯具中心区域温度动态控制方法，其特征在于所述LED发光管阵列的温度获取方法是将LED发光管阵列的中心行列中每个LED发光管设置为测温LED发光管，每个测温LED发光管压降经过过压过流保护电路后接入微处理器，中心行列从外至内每个测温LED发光管对应位置所在的同一层LED发光管电气上连接在一起；所述微处理器包含若干路AD输入口和若干路PWM输出口，所述功率放大模块包括若干MOSFET管，通过微处理器的AD输入接口获取中心行列各个LED发光管的PN结压降进而得到各层LED灯温度；通过PWM输出口输出PWM信号控制功率放大模块的通断，从而控制中心各不同层次区域LED发光管间歇导通，具体步骤为 步骤A，将LED发光管阵列中心行列的每个测温LED发光管压降经过过压过流保护电路后接入微处理器的若干对应AD输入口 ； 步骤B，将中心区域从外至内每层的测温LED发光管所对应在的同一层LED发光管连接在一起，将若干大功率MOSFET分别接入中心区域各层LED发光管的供电回路中，用以控制每层LED发光管供电的通断，微处理器的PWM信号输出端经过隔离后接至MOSFET的门极； 步骤C，阵列式LED照明灯具开启后，微处理器首先保持PWM输出口满占空比输出，使MOSFET处于一直导通状态，在工作的第一分钟，温度分布均匀，中心区域温度未显著上升时，对中心行列的测温LED发光管的PN结初始压降进行始采集、存储； 步骤D，微处理器通过AD转换器连续获取LED发光管阵列中心行列每个测温LED发光管的压降，根据PN结压降随温度升高而近似线性下降的特性，结合步骤C中所获取的PN结初始压降，计算出中心区域的各层次LED发光管温度与最外围低温区域LED发光管的温度差; 步骤E，利用步骤D中所得到的温度差，通过增量式PID算法，分别控制中心区域各层LED发光管温度在最外层区域LED发光管温度的(120 ± 5 ) %范围内，计算出中心区域各层新的PWM信号输出占空比Dn; 当计算得到的新占空比D1JS于不影响亮度的最低占空比Dmin，则按照最低占空比Dmin,以200-500HZ的频率控制MOSFET导通，返回步骤D开始下一控制周期。
当计算得到的新占空比Dn高于不影响亮度的最低占空比Dmin，则按照新计算的占空比Dn,以200-500HZ的频率控制MOSFET导通，返回步骤D开始下一控制周期。
3.根据权利要求2所述阵列式LED照明灯具中心区域温度动态控制方法，其特征在于所述PWM功率放大模块为大功率M0SFET，其最大电流约为中心不同层次区域LED发光管在完全导通时所需电流的I. 5倍。
全文摘要
本发明公开一种阵列式LED照明灯具中心区域温度动态控制方法，该方法利用LED发光管PN结正向压降随温度升高线性下降的特性，对LED照明阵列的温度进行检测，微处理器获取到各个区域的温度后，通过PWM方式来调节LED发光管阵列中心区域各层次LED发光管的导通时间，调整其平均工作电流，从而对中心不同层次区域的LED的温度进行动态控制，使其保持在最外围低温区域LED灯温度的(120±5)%范围内。本发明可实现基本不影响整体亮度的情况下，有效降低LED发光管阵列中心区域的温度、提高LED发光管发光效率、节省LED灯电耗，并可延长中心区域LED发光管和整个LED灯具的使用寿命。
文档编号H05B37/02GK102883506SQ201210356239
公开日2013年1月16日 申请日期2012年9月21日 优先权日2012年9月21日
发明者周杏鹏, 孙凯, 王袆 申请人:东南大学