一种数码化多通道线性控制模块、系统及方法与流程

本发明涉及led驱动控制集成电路技术领域，特别是涉及一种数码化多通道线性控制模块、系统及方法。

背景技术：

近年来，多通道线性控制电路成为led驱动集成电路发展的一个新方向。多通道线性控制电路是在交流市电输入条件下控制led照明的一个简单而又有效的驱动方案，利用一系列开关电路将串联的led灯珠逐段地接通或关闭，使串联的led灯串的正向驱动电压和输入交流市电电压相匹配，加上电路的恒流控制，从而满足led的恒流照明的控制要求。

为了使开关能有效地控制串联的led灯串的正向驱动电压，使其与输入电压相匹配，目前采用的控制方案如下：

如图1所示为现有的多通道线性驱动方案，包括电压输入模块11、串联的多段led、控制各段led导通或关断的功率管、采样电阻rcs及驱动控制模块12。当输入电压升至大于第一段led的正向驱动电压vf1时，开通第一通道功率管m1，并控制第一段led实现恒流工作；当电压继续升至大于第一、第二段的led正向驱动电压总和vf1+vf2时，打开第二段的通道功率管m2，同时关闭第一段的功率管m1，并控制两段串联的led实现恒流工作；依此类推，直到输入电压升至接近峰值，最后的功率管接通所有串联的led，同时关闭其他通道，从而使所有led灯串都工作在恒流状态。当输入交流电压从正弦峰值下降时采用一个逆向的逻辑控制使通道开关管依次关闭和开启，从而使led灯串上的正向驱动电压值始终低于输入电压，以实现直接控制的目的。

但是，现有的多通道线性驱动方案存在以下问题：

1、随着输入电压的上升，led负载逐段开启；电压下降时再逐段关闭。因此，每段的实际工作时间不同，其中第一段led的工作时间最长，其次是第二段led，依此类推；由此带来了亮度不均匀和负载有效寿命不等的问题。

2、线性工作时输入和负载的关系为vi＝vds+vfi，其中，vi为输入电压、vds为led的漏源电压、vfi为各段led的正向驱动电压，则每一段的效率为vfi/vi，各段led的正向驱动电压基本接近相当是一个固定值(相当于vftotal/n，vftotal为整个led灯串的正向导通电压，n为串联控制通道的阶数)，而输入电压vi是一个正弦输入的变量，随着输入电压vi的上升，led的漏源电压vds将随之上升，从而效率会大幅下降。一直到输入电压vi上升到大于2vfi+vds(min)，下一组开关开始工作，效率升为2vfi/vi，然后重复上述效率下降的过程，显然减小每段正向驱动电压vfi，即增加串联控制的阶段数会是一个有效的解决方案。一般这类实际工作电路有3～6阶，如果上升为10～20阶，可以有效地提高工作效率，但是控制通道也随之升为10～20阶，控制电路的成本要大幅上升，所以这样的应用没有实用价值，因此现有的多通道线性驱动方案存在效率受限的问题。

因此，如何解决现有技术中多通道线性驱动方案中存在的各led亮度不均、有效寿命不等问题，同时提高效率已成为本领域技术人员亟待解决的问题之一。

技术实现要素：

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种数码化多通道线性控制模块、系统及方法，用于解决现有技术中各led亮度不均、有效寿命不等及效率受限等问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种数码化多通道线性控制方法，所述数码化多通道线性控制方法至少包括：

对输入电压进行采样，将所述输入电压的采样信号进行模数转换以得到相应的n位数字信号，将n位数字信号转换为相应的n路开关驱动信号，其中，n为不小于2的自然数；

各路开关驱动信号分别对串联的n段led灯段进行开关控制，各led灯段的正向导通电压分别为2ⁿvf，0≤n<n，其中，n为对应数字信号的位数，vf为设定的单元正向导通电压；随着所述输入电压的升高，点亮的led灯的数量依次增多，各led灯在所述输入电压的一个周期内的实际工作时间概呈相同。

优选地，所述数字信号的值与所述输入电压的幅值成正比。

优选地，所述数码化多通道线性控制方法还包括对流经各led灯段的电流进行采样，并根据采样电流进行输出电流的恒流控制。

优选地，当各通道的数字信号的相应位信号为“0”时，对应的开关驱动信号为第一电流或第一电压，对应的开关闭合，对应的led灯段被短路而无法点亮；当各通道的数字信号的相应位信号为“1”时，对应的开关驱动信号为第二电流或第二电压，对应的开关断开，对应的led灯段中有电流流过并被点亮。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明还提供一种数码化多通道线性控制模块，所述数码化多通道线性控制模块至少包括：

模数转换单元、开关驱动单元、恒流控制单元；

所述模数转换单元接收输入电压的采样信号，对所述输入电压的采样信号进行模数转换，以得到n位数字信号，其中，n为不小于2的自然数；

所述开关驱动单元连接于所述模数转换单元的输出端，将n位数字信号转化为相应的n路开关驱动信号，进而控制各负载在所述输入电压的一个周期内的实际工作时间相同；

所述恒流控制单元接收负载输出电流的采样信号，并根据所述负载输出电流的采样信号对所述负载的输出电流进行恒流控制。

优选地，所述恒流控制模单元包括功率开关管及比较器；所述功率开关管与负载串联；所述比较器的输入端分别连接所述负载输出电流的采样信号及参考信号、输出端连接所述功率开关管的栅端，用于调整所述负载输出电流以实现恒流控制。

优选地，所述数码化多通道线性控制模块还包括接收所述输入电压的供电单元，用于为所述数码化多通道线性控制模块中的各单元供电。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明还提供一种数码化多通道线性控制系统，所述数码化多通道线性控制系统至少包括：

电压输入模块、输入电压采样模块、负载、开关管、上述数码化多通道线性控制模块，以及负载电流采样模块；

所述电压输入模块提供输入电压；

所述输入电压采样模块连接于所述电压输入模块的两端，对所述输入电压进行采样；

所述负载连接于所述电压输入模块的输出端，包括串联的n段led灯段，各led灯段的正向导通电压分别为2ⁿvf，0≤n<n，其中，n为对应数字信号的位数，vf为设定的单元正向导通电压；

各开关管分别并联于各led灯段的两端，用于控制各led灯段的点亮或熄灭；

所述数码化多通道线性控制模块连接所述输入电压采样模块、各开关管、所述负载及所述负载电流采样模块，用于将所述输入电压的采样信号转化为数字信号，并根据所述数字信号控制各开关管，以使得各led灯在所述输入电压的一个周期内的实际工作时间概呈相同，同时根据所述负载的采样电流对流经所述负载的电流进行恒流控制。

优选地，所述开关驱动单元输出电流信号或电压信号。

优选地，所述数码化多通道线性控制系统应用于集成电路中。

如上所述，本发明的数码化多通道线性控制模块、系统及方法，具有以下有益效果：

本发明的数码化多通道线性控制模块、系统及方法采用数字化控制将输入电压数字化，然后以此控制具有相应正向导通电压的通道，当输入电压以正弦形式变化，对应的数码开关输出控制也从0000到1111顺序开启和关闭，有效地提高了系统的工作效率；同时采用数码化输出控制，每个通道在正弦周期内工作的时间基本是相等的，对应的每一组led负载亮度和可靠寿命也相等，大大提高了led的实用性。

附图说明

图1显示为现有技术中的多通道线性驱动方案的结构示意图。

图2显示为本发明的数码化多通道线性控制系统的结构示意图。

图3显示为本发明的数码化多通道线性控制模块集成为芯片后的系统示意图。

元件标号说明

11电压输入模块

12驱动控制模块

2数码化多通道线性控制系统

21电压输入模块

22输入电压采样模块

23数码化多通道线性控制模块

231模数转换单元

232开关驱动单元

233恒流控制单元

2331比较器

234供电单元

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅图2～图3。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

如图2所示，本发明提供一种数码化多通道线性控制系统2，所述数码化多通道线性控制系统2至少包括：

电压输入模块21、输入电压采样模块22、负载、开关管、数码化多通道线性控制模块23以及负载电流采样模块。

如图2所示，所述电压输入模块21用于提供输入电压vin。

具体地，在本实施例中，所述电压输入模块21包括一交流电源ac及一整流单元，所述整流单元包括并联的两组二极管组，各二极管组包括串联的两个二极管，所述交流电源ac的两极分别连接于各二极管组的两个二极管之间，所述输入电压vin为连续增大或连续减小的正弦电压整流后的整流电压。

如图2所示，所述输入电压采样模块22连接于所述电压输入模块21的两端，对所述输入电压vin进行采样。

具体地，在本实施例中，所述输入电压采用模块22包括第一采样电阻rcs1及第二采样电阻rcs2，所述第一采样电阻rcs1与所述第二采样电阻rcs2串联，然后并联于所述电压输入模块21的两端，对所述输入电压vin分压后输出所述输入电压vin的采样信号。在实际应用中任意可实现采样的电路均适用于本发明的输入电压采样模块22，不以本实施例为限。

如图2所示，所述负载连接于所述电压输入模块21的输出端，用于照明。

具体地，所述负载包括串联的n段led灯段，各led灯段的正向导通电压分别为2ⁿvf，0≤n<n，其中，n为对应数字信号的位数，vf为设定的单元正向导通电压(所述单元正向导通电压vf根据整个负载的总正向导通电压vftotal的1/2^n-1进行设定，即vf＝vftotal/2^n-1)。在本实施例中，所述负载包括4段led灯段，分别为第一led灯段led1、第二led灯段led2、第三led灯段led3及第四led灯段led4，所述第四led灯段led4连接于所述电压输入模块21的输出端，所述第三led灯段led3串联于所述第四led灯段led4的输出端，所述第二led灯段led2串联于所述第三led灯段led3的输出端，第一led灯段led1串联于所述第二led灯段led2的输出端，其中，所述第一led灯段led1的正向导通电压为2⁰vf、所述第二led灯段led2的正向导通电压为2¹vf、所述第三led灯段led3的正向导通电压为2²vf、所述第四led灯段led4的正向导通电压为2³vf。当led灯段的段数增加时，高位的led灯段中正向导通电压基于位数增长，在此不一一赘述。在本实施例中，通过led灯的数量体现正向导通电压，因此，各led灯段中led灯的数量分别为2ⁿ，0≤n<n，其中，n为对应数字信号的位数。

如图2所示，各开关管分别并联于各led灯段的两端，用于控制各led灯段的点亮或熄灭。

具体地，在本实施例中，所述开关管的数量与led灯段的数量保持一致，设定为4个，包括第一开关管m1、第二开关管m2、第三开关管m3及第四开关管m4，所述第一开关管m1并联于所述第一led灯段led1的两端、所述第二开关管m2并联于所述第二led灯段led2的两端、所述第三开关管m3并联于所述第三led灯段led3的两端、所述第四开关管m4并联于所述第四led灯段led4的两端。在本实施例中，所述第一开关管m1、所述第二开关管m2、所述第三开关管m3及所述第四开关管m4为nmos管。

如图2所示，所述数码化多通道线性控制模块23连接所述输入电压采样模块22、各开关管、所述负载及所述负载电流采样模块，用于将所述输入电压的采样信号转化为数字信号，并根据所述数字信号控制各开关管，以使得各led灯在所述输入电压的一个周期内的实际工作时间概呈相同(此处概呈相同是指各段有效工作概率相同，由于输入电压和时间呈正弦关系及控制器件的响应时效而导致实际各段工作时间仍会稍有差异)，同时根据所述负载的采样电流对流经所述负载的电流进行恒流控制。

具体地，如图2所示，所述数码化多通道线性控制模块23包括模数转换单元231、开关驱动单元232、恒流控制单元233及供电单元234。

更具体地，所述模数转换单元231接收所述输入电压vin的采样信号，将所述输入电压vin的采样信号转换为二进制的n位数字信号，其中，n为不小于2的自然数。在本实施例中，二进制数字信号的位数和led灯段的数量保持一致，设定为4位，表示为q3q2q1q0；所述输入电压vin的采样信号从0到vpeak(峰值)通过模数转换为2⁰～2⁴，即0000～1111，采用4个通道实现了16阶输出。

更具体地，所述开关驱动单元232连接于所述模数转换单元231的输出端，将n位数字信号转化为相应的n路开关驱动信号，进而控制各负载在所述输入电压的一个周期内的实际工作时间相同。在本实施例中，所述开关驱动信号包括4路，包括与4为数字信号相对应的第一开关驱动信号s0(与所述数字信号的第一位q0相对应)、第二开关驱动信号s1(与所述数字信号的第二位q1相对应)、第三开关驱动信号s2(与所述数字信号的第三位q2相对应)、第四开关驱动信号s3(与所述数字信号的第四位q3相对应)。在本实施例中，所述开关驱动单元输出电流信号，当各通道的数字信号的相应位信号为“0”时，对应的开关驱动信号为第一电流，对应的开关管闭合，对应的led灯段被短路而无法点亮；当各通道的数字信号的相应位信号为“1”时，对应的开关驱动信号为第二电流，对应的开关断开，对应的led灯段中有电流流过并被点亮。在本实施例中，所述第一电流为大电流，表现为作用于所述第一开关管m1、所述第二开关管m2、所述第三开关管m3或所述第四开关管m4栅端的高电平电压，以导通该开关管，所述第一电流的值可根据驱动需求设定，在此不一一限定；所述第二电流为小电流，表现为作用于所述第一开关管m1、所述第二开关管m2、所述第三开关管m3或所述第四开关管m4栅端的低电平电压，以截止该开关管，所述第二电流的值也可根据驱动需求设定，不以本实施例为限，在本实施例中，所述第二电流的值为0安。所述开关驱动单元232可输出电压信号，在此不一一赘述。

更具体地，所述恒流控制单元233接收负载输出电流的采样信号，并根据所述负载输出电流的采样信号对所述负载的输出电流进行恒流控制。在本实施例中，所述恒流控制模单元233包括功率开关管m0及比较器2331，所述功率开关管m0串联于负载及所述负载电流采样模块(在本实施例中，所述负载电流采样模块为第三采样电阻rcs3，在实际使用中任意可采样的单路均适用于本发明的负载电流采样模块，不以本实施例为限)之间；所述比较器2331的反向输入端连接所述负载电流采样模块、正向输入端连接一参考信号、输出端连接所述功率开关管m0的栅端，用于将所述负载电流采样模块的输入端稳定在所述参考信号vref处，以实现恒流控制。所述比较器2331的输入端的极性可互换，可通过增加反相器实现相同的逻辑，不以本实施例的连接关系为限。所述参考信号vref为固定值或者是跟随输入vin的一个正弦参考电压以改善系统的thd和pf值；具体可根据应用需要进行设定。在本实施例中，所述参考信号vref为固定值。

更具体地，所述供电单元234连接所述电压输入模块21，将所述输入电压vin转化为直流工作电压，用于为所述数码化多通道线性控制模块23中的各单元供电。

如图3所示，所述数码化多通道线性控制模块23为集成电路芯片，作为驱动的核心整体使用。

具体地，芯片的vcc端连接所述输入电压vin，为所述供电模块234提供电源。芯片的采样端ln连接所述输入电压采用模块22。芯片的comp端通过电容接地，用于进行补偿。芯片的接地端gnd接地。芯片的各开关端s0～s3分别连接各开关管的栅端。芯片的dr端连接led灯串的输出端。芯片的采样端cs连接采样电阻rcs3后接地。

具体地，在本实施例中，第一led灯段包括1个led灯，其正向导通电压为18v(即为所述单元正向导通电压vf)；第二led灯段包括2个串联的led灯，其正向导通电压为36v；第三led灯段包括4个串联的led灯，其正向导通电压为72v；第四led灯段包括8个串联的led灯，其正向导通电压为144v；随着输入电压vin的升高，点亮的led灯逐渐增多。

本发明还提供一种数码化多通道线性控制方法，在本实施例中，基于所述数码化多通道线性控制系统2实现：

对输入电压进行采样，将所述输入电压的采样信号进行模数转换以得到相应的n位数字信号，将n位数字信号转换为相应的n路开关驱动信号，其中，n为不小于2的自然数；

各路开关驱动信号分别对串联的n段led灯段进行开关控制，各led灯段的正向导通电压以2ⁿ增长，0≤n<n，其中，n为对应数字信号的位数，随着所述输入电压的升高，点亮的led灯的数量依次增多，各led灯在所述输入电压的一个周期内的实际工作时间相同。

具体地，采用模数转换(analogytodigitalconvert-adc)把输入电压vin换为2进制n位的数字信号，以所述n位数字信号的相应位控制对应的n个通道。以2³位为例，当输入电压vin的幅值从零到峰值变化，通过模数转换为2⁰～2⁴，即0000～1111，采用4个通道实现了16阶输出。

具体地，每一个通道对应于一位数码输出，控制相应的二进制不同正向导通电压的负载。即，第一位数字信号q0对应正向导通电压为vf的通道；第二位数字信号q1对应正向导通电压为2¹vf的通道；第三位数字信号q2对应正向导通电压为2²vf的通道；第四位数字信号q3对应正向导通电压为2³vf的通道。

具体地，当输入电压vin的幅值以正弦形式从零到峰值变化，对应的数字信号控制各开关管也从0000～1111顺序开启和关闭，如下表所示为输入电压vin从零逐渐升高的过程中，所述数字信号及led灯段的变化情况：

输入电压vin从峰值逐渐下降的过程为上表的逆序过程，在此不一一赘述。

本发明的数码化多通道线性控制模块、系统及方法中单元正向导通电压vf显著减小，以4组通道为例，单元正向导通电压vf为总正向导通电压vftotal的1/2³，相比于现有技术，有效地提高了系统的工作效率，在实际使用中，可大幅提高线性控制方案的效率。

本发明的数码化多通道线性控制模块、系统及方法采用数码化输出控制，每个通道在正弦周期内工作的时间基本是相等的；所以对应的每段led负载亮度也是相等的；等效利用了led的均匀光效。

而且，本发明的数码化多通道线性控制模块、系统及方法的功率因数高达99％。

综上所述，本发明提供一种数码化多通道线性控制模块、系统及方法，包括：基于模数转换单元对输入电压的采样信号进行模数转换，以得到n位数字信号；再基于开关驱动单元将n位数字信号转化为相应的n路开关驱动信号，进而控制各负载在输入电压的一个周期内的实际工作时间相同；基于恒流控制单元接收负载输出电流的采样信号，并根据所述负载输出电流的采样信号对所述负载的输出电流进行恒流控制。本发明的数码化多通道线性控制模块、系统及方法从驱动集成模块的架构上解决现有架构下各组灯珠亮度不一带来的均匀和可靠寿命不等以及效率低的问题，大大提高了led的实用性。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。