基于自适应可变电路的led节能灯及其电路控制方法
【专利摘要】本发明公开一种基于自适应可变电路的LED节能灯及其电路控制方法，包括电源单元；还包括自适应控制单元和LED芯片组电路；其中，所述电源单元用于将交流电转换为直流电并供给所述LED芯片组电路，以使LED芯片组发光；所述自适应控制单元用于检测交流电的电压状态，根据所述电压状态控制供电给所述LED芯片组的数量。采用本发明，能够使LED芯片组的电路结构自动适应外部输入电压的变化，达到自适应的目的，既便于节能，又便于保证电路的可靠性。
【专利说明】基于自适应可变电路的LED节能灯及其电路控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及照明灯具节能技术，尤其涉及一种基于自适应可变电路的LED节能灯 及其电路控制方法。
【背景技术】
[0002] 照明灯具是现代社会应用非常广泛的重要电气设备，与之相关的节能技术一直以 来都是研究的热门对象。目前，采用发光二极管（LED)进行照明，已成为照明灯具节能的一 个重要发展方向。
[0003] 从总体上看，由于LED节能灯可以比传统的白炽灯、日光灯和其他节能灯都具有 更好的节能效果，因此，LED节能灯必将成为可预见的将来一种主要照明灯具。但对于不同 的LED节能灯，本身也存在着节能效果优劣的问题，这个问题也就成为LED节能灯研发厂家 高度重视的一个技术性问题。由于LED节能灯的节能效果既与LED芯片的光效有关，也与 LED灯的驱动电源有关，因此，LED节能灯的节能措施就需要从这两个方面去考虑。
[0004] 一般，LED芯片的光效问题由LED芯片生产厂家来研究解决，而LED驱动电源的节 能问题，则是LED节能灯设计部门或生产厂家必须要重视的问题。目前，绝大部分LED节能 灯都采用开关电源来实现恒压驱动或恒流驱动，这种驱动方法可使得节能灯的亮度比较稳 定，LED芯片的寿命和可靠性能够得以保证。但它也会因开关电路本身的功耗而影响整个 节能灯的节电效果。
[0005] 目前还有少量电路采用直接整流滤波法实现对LED芯片的驱动，这种方法不但电 路简单，成本低廉，更主要的是节电效果明显要好于采用恒压或恒流驱动的LED节能灯。但 它存在一个明显的缺点：只能适用于交流供电电压比较稳定的场所，而当交流电压波动较 大时，则会严重降低LED节能灯的寿命，甚至会损坏LED灯。其原因是，LED芯片的正常工 作电压是由一定范围的，当电压高于上限电压时，其电流将显著增大；由于直接整流滤波电 路没有恒压和恒流措施，使得LED芯片上流过的电流与外部供电电压直接相关，当外部电 压上升时，LED芯片上的电流将显著上升，一旦上升到超出其工作范围时，就会造成芯片损 坏灯故障。
【发明内容】
[0006] 有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种基于自适应可变电路的LED节能灯及 其电路控制方法，使其能够在保证LED节能灯高效节能的前提下，又能使其在一个较宽的 供电电源范围下安全工作。
[0007] 为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的： 一种基于自适应可变电路的LED节能灯，包括电源单元；其特征在于，还包括自适应控 制单元和LED芯片组电路；其中，所述电源单元用于将交流电转换为直流电并供给所述LED 芯片组电路，以使LED芯片组发光；所述自适应控制单元用于检测交流电的电压状态，根据 所述电压状态控制供电给所述LED芯片组的数量。
[0008] 其中，所述LED芯片组电路包括与LED主芯片组电路并联的LED辅助芯片组电路。
[0009] 当交流电压不大于预设的额定电压时，所述LED芯片组电路中的LED辅助芯片组 两端短路；当交流电压大于预设的额定电压时，根据电压状态开启与输入电压相适应的一 定数量的LED辅助芯片组工作。
[0010] 所述电源单元进一步包括整流电路和滤波电路。
[0011] 所述自适应控制单元包括电压检测电路、控制电路、切换电路以及辅助电源电路。
[0012] 当LED辅助芯片组电路工作时，对控制电路采取延时措施使其在设定的时间间隔 内保持连接状态，以避免电路频繁切换状态。
[0013] 所述LED主芯片组电路或LED辅助芯片组电路均为相串联的若干个LED芯片。
[0014] 一种基于自适应可变电路的LED节能灯的电路控制方法，该方法包括： A. 将交流电转换为直流电源供给由LED主芯片组电路和LED辅助芯片组电路组成的 LED芯片组电路进行工作； B. 利用自适应控制单元对交流电的电压状态进行检测，并根据电压状态控制供电给所 述LED辅助芯片组的数量。
[0015] 其中，步骤B所述根据电压状态控制供电给所述LED辅助芯片组的数量的过程 为： B1.当交流电压不大于预设的额定电压时，所述LED芯片组电路中的LED辅助芯片组两 端短路； B2.当交流电压大于预设的额定电压时，根据电压状态开启与输入电压相适应的一定 数量的LED辅助芯片组工作。
[0016] 步骤B进一步包括：C.当LED辅助芯片组电路工作时，对控制电路采取延时措施 使其在设定的时间间隔内保持连接状态，以避免电路频繁切换状态。
[0017] 本发明所提供的基于自适应可变电路的LED节能灯及其电路控制方法，具有以下 优点： 1)采用直接整流和滤波方法给LED芯片组供电，可以大大降低电源单元的功耗，从而 提高节能灯的总体效率。
[0018] 2)采用LED主芯片组加 LED辅助芯片组这种电路结构方式，可以既保证电路在正 常电压时的亮度，又可以在高电压时用更多的芯片来分担额外的电源电压，从而使每个LED 芯片工作在额定电压范围内，以保证所有LED芯片的工作可靠性，并且将几乎所有的电能 都用在LED发光上。
[0019] 3)用电源电压检测电路3、控制电路4和切换电路5来构成控制电路，可以使LED 芯片组的电路结构自动适应外部输入电压的变化，达到自适应的目的，既便于节能，又便于 保证电路的可靠性。
【专利附图】
【附图说明】
[0020] 图1为本发明基于自适应可变电路的LED节能灯的功能框图； 图2为图1中电源单元的实施例的电路原理图； 图3为图1中辅助电源电路的实施例的电路原理图； 图4为图1中电源电压检测电路的实施例的电路原理图； 图5(a)和图5(b)为图1中控制电路的实施例的原理图； 图6(a)和图6(b)为图1中切换电路的实施例的电路原理图； 图7为图1中LED王芯片组电路的实施例的原理不意图； 图8为图1中LED辅助芯片组电路的实施例的原理不意图； 图9为本发明的LED节能灯工作过程示意图。
【具体实施方式】
[0021] 下面结合附图及本发明的实施例对本发明基于自适应可变电路的LED节能灯及 其电路控制方法作进一步详细的说明。
[0022] 图1为本发明基于自适应可变电路的LED节能灯的功能框图。本发明将从节能灯 的电源驱动电路和LED芯片连接结构两个方面来考虑节能与电压适应性问题。
[0023] 如图1所示，该节能灯主要由整流电路1、滤波电路2、电源电压检测电路3、控制电 路4、切换电路5、辅助电源电路6、LED主芯片组7和LED辅助芯片组8组成。其中，切换电 路5和LED辅助芯片组8分别由多个结构相同的子电路组成。
[0024] 如图1所示的节能灯电路，主要由三大部分组成：一是电源单元A，包括整流电路 1和滤波电路2 ;二是自适应控制单元B，包括电源电压检测电路3、控制电路4、切换电路5 和辅助电源电路6 ;三是LED芯片组C，即发光电路或电-光转换电路，包括LED主芯片组7 和LED辅助芯片组8。
[0025] 其中，第一部分和第三部分为所述LED节能灯的主体部分，而第二部分即自适应 控制单元B虽然是节能灯的辅助部分，但却是本发明的主要内容，也是实现自适应改变电 路结构的主要部分。
[0026] 其主要工作原理如下： 1)从外部进来的照明电220V左右的外接交流电源，经过整流电路1后，成为单方向的 交流电源，然后经过滤波电路2后，就成为高压直流电源(约280V左右)，此直流电源直接给 LED主芯片组7和LED辅助芯片组8供电，使LED芯片组发光，实现照明的目的。
[0027] 2)LED主芯片组7和LED辅助芯片组8均由多个LED芯片串联而得到。一般，LED 主芯片组7的串联芯片个数应该与交流电压正好为~220V时经整流和滤波后的直流电压相 适应，而LED辅助芯片组的组数及每组的LED芯片个数则需要根据控制精度要求、允许的控 制电路复杂程度和成本要求来具体确定，比如可选择辅助组数为2组、每组的电压对应交 流为16. 5V (即220*7. 5%)，这样就可以保证输入电压在220V* (1+15%)是，每个LED芯片 的工作电压都是在额定工作电压以内。
[0028] 3)工作过程是：当外接交流电源电压在220V以内时，电源电压检测电路3将此电 压状态送到控制电路4,然后控制电路4控制切换电路5,后者将所有LED辅助芯片组的两 端直接短路。这样，只有LED主芯片组接入到供电电路中，也只有他们能够发光，而所有LED 辅助芯片组均不发光。当外接交流电源电压超出220V时，电源电压检测电路3将所测得的 电压状态送到控制电路4,然后控制电路4控制切换电路5,使其将一定数量的LED辅助芯 片组接入到供电电路中，从而增加了 LED芯片数量，使LED芯片的数量自动与输入电源电压 相适应。这样，电源电压越高，串接进来的LED芯片数量也越多，每个LED芯片两端的电压 还是保持在额定电压范围内。由于芯片数量的增加，因此在输入电压增高时，整个LED节能 灯的亮度将会增加。通过这种方式，可以讲输入电源的绝大部分电能都转化为光能，提高了 整体的光效。
[0029] 4)较佳地，当电压在波动时，一旦电路切换到LED芯片数量较多的状态，控制电路 将采取一定的延时控制措施，以保证在一定的时间间隔内保持这种连接状态，避免电路出 现频繁切换状态的问题。
[0030] 5)辅助电源电路6是为电源电压检测电路3、控制电路4以及切换电路5提供电 源的。由于这些控制电路所需的功率非常小，因此，虽然电路的复杂程度有些增加，但从节 能角度看，本电路将大部分电能都用在了 LED芯片的发光上，因此总体节能效果很好。
[0031] 图2为图1中电源单元的实施例的电路原理图。如图2所示，该电源单元主要包 括包括(参考图1)整流电路1和滤波电路2。
[0032] 如图2所示，电容C1为输入电容，对后续电路能够起到一定的稳压作用。VB1是 桥式整流电路，将输入得交流电压进行全波整流，然后经滤波电容C2滤波后，成为直流电 压。电阻R1可对滤波效果和维修安全等起到一定的辅助作用。当空载时，直流电压V+约为 220*1. 414=311V，但当有负载电流时，V+的大小与负载电流有关，它将随着负载电流的增加 而有所下降。
[0033] 图3为图1中辅助电源电路的实施例的电路原理图。该辅助电源电路是为了给后 续的控制电路和切换电路提供电源的。
[0034] 如图3所示，辅助电源电路中，输入的照明电220V电压经电容C3和C4分压后，在 电容C4两端得到约9V交流电压，然后送到桥式整流电路VB2进行全波整流，再经过点解 电容C5滤波后，得到直流电压，其电压大小与负载电流大小相关，一般为9V~12V左右。然 后此直流电压经电阻R2后送到稳压二极管VZ1，得到所需的稳定直流电压VCC。VCC的电 压值与稳压管VZ1的选择有关，而VZ1的选择又要取决于后续的检测与控制电路器件的选 择。根据综合设计结果，VZ1的稳压值取5V左右即可，其功率取0. 5W~1W即可，这样可以提 供100mA以上的电流，一般能够满足后续各种电路的供电需要。
[0035] 图4为图1中电源电压检测电路的实施例的电路原理图。该电源电压检测电路的 作用是检测输入的~220V交流电源的电压状态的，根据整个LED节能灯的控制精度的要求 不同，电源电压检测电路的组成和结构会有所区别，相应后续的控制电路和切换电路自然 也要有所不同。
[0036] 从LED芯片本身的可靠工作电压范围来分析，一般在主芯片组以外增加2组辅助 芯片就可以很好地达到既保证LED节能灯的工作寿命又提高其对外部电源电压范围适应 性的目的，因此，本设计示例就设计了 2组辅助芯片。由此所需要的电源电压检测电路如图 4所示。
[0037] 如图4所示，输入的交流电压经过桥式整流电路VB3全波整流和电容C6滤波后， 得到直流电压。由于此直流电压的后续负载非常小，因此其电压值等于输入交流电压值乘 以 1. 414。
[0038] 设计所述电源电压检测电路最关键的是电阻R3、R4、R5的阻值选取。这些电阻的 阻值选取既与要控制的电压切换点相关，也与后续控制电路的电压基准相关。由于后续控 制电路的电压基准选择为2. 5V，因此按照图4参数所得到的电压切换点分别为： (1)当VT1=2. 5V时，VT1对应交流电压切换点为： 输入电压=(1000+0. 62+7. 5)八0· 62+7. 5)*2. 5/1. 414=219. 51V (2)当VT2=2. 5V时，VT2对应交流电压切换点为： 输入电压=(1000+0. 62+7. 5) /7. 5*2. 5/1. 414=237. 65V 此电压约等于220* (1+7. 5%) =236. 5V。由于每组辅助芯片以220V*7. 5%为主要参考 进行配置，因此经过第2组切换后，就可以使输入电源电压达到15%的上浮幅度。
[0039] 电路中的电阻R3、R4、R5需用精度为0. 1%的精密电阻。
[0040] 图5 (a)和图5 (b)为图1中控制电路的实施例的原理图。如图5 (a)和图5 (b)所 示，控制电路主要由比较器D1A和DIB (LM393)、精密电压基准VZ2 (LM385-2. 5)和上拉电阻 R7、R8组成。其中，电压VCC经电阻R6在精密电压基准VZ2的第2端产生2. 5V电压，此电 压稳定性非常好，精度可到mV量级；此2. 5V送到两个电压比较器D1A和DIB的正输入端。 然后从电源电压检测电路送来的两路信号VT1和VT2分别送到电压比较器的负输入端。
[0041] 根据输入电源电压状态的不同，控制电路输出状态也不同： (1)当输入电压低于219. 51V时，VT1和VT2均低于2. 5V，因此0UT1和0UT2均为高电 平。
[0042] (2)当输入电压高于219. 51而低于237. 65V时，VT1高于2. 5V，VT2低于2. 5V，因 此0UT1为低电平，0UT2为高电平。
[0043] (3)当输入电压高于237. 65V时，VT1和VT2均高于2. 5V，因此0UT1和0UT2均为 低电平。
[0044] 图6 (a)和图6 (b)为图1中切换电路的实施例的电路原理图。如图6 (a)和图6 (b) 所示，该切换电路主要由小功率三极管VI和V2组成。
[0045] 其中，三极管VI切换第1和第2组LED辅助芯片：当由控制电路送来的0UT1信号 为高电平时，三极管VI导通，将VZ2端与地短路，从而使第1和第2组LED辅助芯片不亮， 只有LED主芯片亮。
[0046] 三极管V2切换第2组LED辅助芯片：当由控制电路送来的0UT2信号为高电平时， 三极管V2导通，将VZ3端与地短路，从而使第2组LED辅助芯片不亮，只有LED主芯片和辅 助1组芯片壳。
[0047] 图7为图1中LED主芯片组电路的实施例的原理示意图。如图7所示，该主芯片 组由83个LED芯片串联而得到。所述主芯片组的LED芯片的个数与LED芯片本身的性能 参数以及主供电电路参数相关。在本发明的实施例中，LED芯片采用的是3. 2V、0. 2W的LED 芯片，其电流约为60mA。在此电流下，前述电源单元输出直流电压与交流电压的比例关系约 为1. 2倍，因此，LED主芯片组的个数为220*1. 2/3. 2=82. 5,取整数为83。
[0048] 图8为图1中LED辅助芯片组电路的实施例的原理示意图。如图8所示，该LED 辅助芯片组电路，包含两组辅助芯片组：第1组由VD84?VD89组成，第2组由VD90?VD95 组成。每组辅助芯片组包括6个LED芯片，对应交流电压约为：6*3. 2/1. 2=16V，对应于 220V*7. 3%。
[0049] 在设计印刷线路板制版时，我们将图2?图8中的所有LED芯片集成在一块线路 板上，而其他电路则可集成在另一块电路板上。当然，也可以根据该LED节能灯的外壳设计 的不同而分设在若干个线路板。
[0050] 图9为本发明的LED节能灯工作过程示意图。并请参考图1?图8,所述的LED节 能灯的工作过程如下： 步骤1 :由VB1和C2等组成的电源单元将输入的交流电压转换为直流电压，然后给 LED芯片组供电，使LED芯片发光。LED芯片组包括由VD1~VD83所组成的主芯片组、由 VD84?VD89所组成的辅助芯片组1和由VD90?VD95所组成的辅助芯片组2,共3个芯片组。
[0051] 步骤2 :由C3、C4、VB2、C5和VZ1等组成的辅助电源电路将输入交流电压转换为直 流低电压VCC，供给后续的控制电路和切换电路使用。
[0052] 步骤3 :由VB3、C6、R3~R5等组成的电源电压检测电路将输入的交流电源电压转换 为相应的电压检测信号(直流电压VT1和VT2)，送到后续的控制电路，使后者输出一定的控 制信号。
[0053] 步骤4 :主要由电压比较器D1 (包括D1A和DIB)和精密电压基准VZ2组成的控制 电路根据输入的电压检测信号VT1和VT2的值，输出控制信号0UT1和0UT2。
[0054] 步骤5 :由三极管VI和V2组成的切换电路根据0UT1和0UT2的电平状态，控制LED 辅助芯片组1和辅助芯片组2的工作状态。
[0055] 步骤6 :当输入电压低于219. 51V时，电源电压检测电路输出的VT1和VT2均低于 2. 5V，因此控制电路输出的0UT1和0UT2均为高电平，使切换电路的VI和V2均导通，使辅 助芯片组中的VZ2和VZ3两点的电压均钳位于接近0V，从而将辅助芯片组1和辅助芯片组 2强制退出工作状态，使只有LED主芯片组工作。这样，由于LED芯片数量较少，每个LED芯 片上得到的电压为正常的3. 2V左右，LED灯可以发光效果较好。
[0056] 步骤7 :当输入电压高于219. 51而低于237. 65V时，VT1高于2. 5V，VT2低于2. 5V， 因此0UT1为低电平，0UT2为高电平。此时，三极管VI截止，V2导通，因此，辅助芯片组1的 所有LED芯片加入到工作状态，但辅助芯片组2的LED芯片则还是处于非工作状态。这时， 虽然外部电源电压提高了，但LED芯片的数量由上一种状态的83个提高的89个，每个芯片 的电压还可以保持在正常的3. 2V左右，因此可以确保LED芯片的工作寿命和较好的发光效 果。
[0057] 步骤8 :当输入电压高于237. 65V时，VT1和VT2均高于2. 5V，因此0UT1和0UT2 均为低电平。此时，三极管VI和V2均截止，因此，辅助芯片组1和2的所有LED芯片加入 到工作状态。这时，虽然外部电源电压更高了，但LED芯片的数量进一步提高到95个，每个 芯片的电压还可以保持在正常的3. 2V左右，因此也可以确保LED芯片的工作寿命和较好的 发光效果。
[0058] 步骤9 :当输入电源电压下降到不同工作状态时，三极管VI和V2又会回到上述状 态，使LED芯片组处于对应的工作状态。由于三极管的切换速度很快，而且没有切换次数的 限制，因此，本电路可以长时间高效、高速工作。
[0059] 通过上述不同电压下LED数量的自动切换，就可以保证在不同输入电源电压下 LED节能灯的良好发光效果和工作寿命。
[0060] 以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。
【权利要求】
1. 一种基于自适应可变电路的LED节能灯，包括电源单元；其特征在于，还包括自适应 控制单元和LED芯片组电路；其中，所述电源单元用于将交流电转换为直流电并供给所述 LED芯片组电路，以使LED芯片组发光；所述自适应控制单元用于检测交流电的电压状态， 根据所述电压状态控制供电给所述LED芯片组的数量。
2. 如权利要求1所述基于自适应可变电路的LED节能灯，其特征在于，所述LED芯片组 电路包括与LED主芯片组电路并联的LED辅助芯片组电路。
3. 如权利要求1或2所述基于自适应可变电路的LED节能灯，其特征在于，当交流电压 不大于预设的额定电压时，所述LED芯片组电路中的LED辅助芯片组两端短路；当交流电压 大于预设的额定电压时，根据电压状态开启与输入电压相适应的一定数量的LED辅助芯片 组工作。
4. 如权利要求1所述基于自适应可变电路的LED节能灯，其特征在于，所述电源单元进 一步包括整流电路和滤波电路。
5. 如权利要求1所述基于自适应可变电路的LED节能灯，其特征在于，所述自适应控制 单元包括电压检测电路、控制电路、切换电路以及辅助电源电路。
6. 如权利要求2或5所述基于自适应可变电路的LED节能灯，其特征在于，当LED辅助 芯片组电路工作时，对控制电路采取延时措施使其在设定的时间间隔内保持连接状态，以 避免电路频繁切换状态。
7. 如权利要求2所述基于自适应可变电路的LED节能灯，其特征在于，所述LED主芯片 组电路或LED辅助芯片组电路均为相串联的若干个LED芯片。
8. -种基于自适应可变电路的LED节能灯的电路控制方法，其特征在于，该方法包括： A. 将交流电转换为直流电源供给由LED主芯片组电路和LED辅助芯片组电路组成的 LED芯片组电路进行工作； B. 利用自适应控制单元对交流电的电压状态进行检测，并根据电压状态控制供电给所 述LED辅助芯片组的数量。
9. 如权利要求8所述基于自适应可变电路的LED节能灯的电路控制方法，其特征在于， 步骤B所述根据电压状态控制供电给所述LED辅助芯片组的数量的过程为： B1.当交流电压不大于预设的额定电压时，所述LED芯片组电路中的LED辅助芯片组两 端短路； B2.当交流电压大于预设的额定电压时，根据电压状态开启与输入电压相适应的一定 数量的LED辅助芯片组工作。
10. 如权利要求8所述基于自适应可变电路的LED节能灯的电路控制方法，其特征在 于，步骤B进一步包括： C. 当LED辅助芯片组电路工作时，对控制电路采取延时措施使其在设定的时间间隔内 保持连接状态，以避免电路频繁切换状态。
【文档编号】H05B37/02GK104159373SQ201410401620
【公开日】2014年11月19日 申请日期:2014年8月15日 优先权日:2014年8月15日
【发明者】张晨, 史鸿娇, 王金凤 申请人:北京博尚信科技有限公司