一種PWM調光方法及PWM調光裝置與流程

2023-05-05 20:34:01 5

本發明涉及一種PWM調光方法和PWM調光裝置。

背景技術：

隨著LED的快速技術的發展，越來越多的LED光源取代了傳統的光源。眾所周知，LED作為光源具有諸多的優點，易調光調色是LED的最大優點之一。隨著物聯網和智能家居的發展和推廣，對光源調光需求越來越多，且對調光的質量要求也越來越高。所以LED的調光技術需要不斷進步，才能發揮自身的優勢，順應智能家居的發展大潮。

目前，最常用的LED調光方式為PWM調光，其原理是是利用PWM信號對Buck/Boost型開關電源電路進行控制，根據PWM信號的佔空比值，輸出對應的電壓電流值。如圖1所示Buck/Boost型開關電源的開關頻率較高，一般在數十Khz到數百Khz之間。PWM的頻率一般在幾百到幾Khz之間，通過PWM電平的High/Low來控制開關電源基波的電流開啟/關斷。PWM信號的周期一般為開關電源電路周期的整數倍，因為，如圖1所示PWM脈寬PWM HIGH時間增加的部分Δt如果正好位於開關電源電路一個周期內的LOW時，這樣PWM脈寬的增加對於輸出電流來說就是無效的，後端輸出給LED的電流無變化，不能起到實際的調光作用。而且考慮到兩個信號的同步問題，因此在現有的PWM控制方案中PWM的有效調光等級等於開關電源電路頻率fb除以PWM頻率fp（Leff=fb/fp）。

通常照明設備內的調光控制電路和調光界面是對應的，如，牆面上的分檔位的調光開關，其調光等級和PWM信號的頻率相匹配，但是，隨著人們對光環境的要求越來越高，大家普遍認識到當PWM頻率低時，LED光源容易出現頻閃，用攝像設備對LED光源拍攝時，會看到明顯的波紋。現在很多照明設備都通過提高PWM頻率來改善這一狀態，而改變頻率後的照明設備就和原有的調光開關無法匹配，如果要重新安裝相應的調光開關十分麻煩，也會增加客戶的費用支出。

技術實現要素：

本發明的目的是為了解決上述問題，提供一種可以兼容高調光等級調光開關的PWM調光方法、PWM調光裝置。

本發明為實現上述功能，所採用的技術方案是提供一種PWM調光方法，對至少一個光源進行調光，通過PWM信號的高/低電平來開啟/關斷驅動電路向負載輸出驅動電壓或驅動電流，所述PWM信號為脈衝信號，其特徵在於：

所述PWM信號脈寬不變時，所述光源處於工作狀態，對所述PWM信號脈寬進行變動設置時，所述光源處於調光狀態，當所述光源處於工作狀態時所述PWM信號的頻率為工作頻率fW,當所述光源處於調光狀態時所述PWM信號的頻率為調光頻率fP，所述PWM信號的脈寬變動在調光頻率fP下完成。

優選的，所述調光頻率fP小於所述工作頻率fW。

優選的，所述控制信號通過以下步驟產生：

步驟A 接收調光信號，計算所述PWM信號的PWM信號特徵值；

步驟B 將所述PWM信號的頻率從所述工作頻率fW變為所述調光頻率fp；

步驟C改變所述PWM信號的所述PWM信號特徵值；

步驟E將所述PWM信號的頻率從所述調光頻率fp變為所述工作頻率fW。

優選的，所述步驟B中工作頻率fW經N步逐步變為調光頻率fP，具體步驟分解為：

步驟B1 i=1，fP（i）=fW；

步驟B2 fP（i）=fP（i）-i*（fW-fP）/N；

步驟B3 判斷i=N，等式成立結束，不成立，i=i+1並繼續執行步驟B2。

優選的，所述步驟E之前還有一個步驟D，所述步驟D為一個延時步驟，經一個延遲時間T再繼續後續步驟。

優選的，所述延遲時間T的選值範圍為10~100ms。

優選的，所述延遲時間T的選值範圍為20~50ms。

優選的，所述步驟E中調光頻率fP經M步逐步變為工作頻率fW，具體步驟分解為：

步驟E1 j=1，fP（j）=fP；

步驟E2 fP（j）=fP（j）+j*（fW-fP）/M；

步驟E3 判斷j=M，等式成立結束，不成立，j=j+1並繼續執行步驟B2。

本發明還提供一種PWM調光裝置，包括：

調光信號接口電路，接收調光信號；

驅動電路，輸出驅動電壓或驅動電流，其工作周期為Td；

驅動電源輸出接口電路，連接負載；

控制電路，所述控制電路從所述調光信號接口電路接收所述調光信號，生成PWM信號，輸出至所述驅動電路，其特徵在於所述控制電路採用前述的PWM調光方法生成PWM信號，所述控制電路包括運算模塊和PWM信號執行模塊，所述運算模塊根據所述調光信號計算PWM信號特徵值，所述PWM信號執行模塊根據所述PWM信號特徵值生成控制信號輸出至所述驅動電路。

優選的，所述控制電路包括：

運算模塊 從所述調光信號接口電路接收所述調光信號，並根據所述調光信號計算PWM信號特徵值，發出調光命令；

頻率控制模塊 接收所述運算模塊發出的調光命令，計算並輸出頻率信號；

PWM信號發生器 接收所述運算模塊計算獲得的PWM信號特徵值和所述頻率控制模塊輸出的頻率信號，生成所述PWM信號，輸出至所述驅動電路。

優選的，所述頻率控制模塊包括頻率發生器，所述頻率發生器根據所述調光命令，在不同的時間發出不同的頻率信號值，所述頻率信號值為調光頻率fP或工作頻率fW。

優選的，所述頻率控制模塊還包括頻率計算模塊，所述頻率計算模塊根據所述調光命令計算各時間點的頻率信號值，並控制所述頻率發生器在指定時間發出和所述指定時間相對應的頻率信號值。

優選的，所述頻率計算模塊還包括一定時器。

優選的，所述控制電路還包括一存儲單元，用以存放所述PWM信號特徵值。

優選的，所述驅動電路為開關型電路。

優選的，所述PWM信號特徵值為脈寬值或佔空比值。

本發明所提供的技術方案在PWM調光進行時和照明設備正常工作時採用不同的PWM頻率，使其可以兼容調光等級不同的調光開關，而在正常工作時可以有效避免頻閃發生，同時可以獲得更為平順柔和的調光效果。

附圖說明

圖1是現有PWM調光方法的波形示意圖；

圖2是符合本發明優選實施例的PWM調光裝置的結構示意圖；

圖3是本發明PWM調光方法的流程圖。

具體實施方式

以下結合附圖和具體實施例對本發明提出的一種PWM調光方法、PWM調光裝置作進一步詳細的說明。

請參考圖2，圖2所示是本發明提出的一種PWM調光裝置的一個較佳實施例的結構示意圖，該PWM調光裝置包括調光信號接口電路1、控制電路2、驅動電路3、驅動電路輸出接口電路4。調光信號接口電路1接收外部傳來的調光控制信號並傳送給控制電路2，由控制電路2對調光控制信號做解析，並產生控制信號傳送到驅動電路3。調光控制信號由各類和用戶交互的界面產生，交互的界面可以是旋轉式的開關、分檔位的按鈕、遙控器或者手持行動裝置，而控制信號是由和調光控制信號相對應的特定佔空比的PWM信號，驅動電路3依據PWM信號的佔空比值輸出對應的驅動電壓電流值，並由驅動電源輸出接口電路4輸出給相應的光源。在本實施例中驅動電路3為Buck/Boost型開關電源電路。控制電路2可以由一些分離元件搭建而成也可以由一個MCU來實現。當然一個完整的調光裝置還會包括電源、AC/DC電路等（圖2中未示出），這個可以根據實際實用情況作相應的配置。

本發明和現有調光系統的主要區別在於控制電路的處理方法。在現有的PWM調光裝置中，一般控制電路通過對外部調光控制信號的運算獲得PWM佔空比值，PWM信號發生器根據這個佔空比輸出PWM信號實現調光。這樣的調光方法在用戶界面的調光等級和PWM信號頻率相匹配的情況下是完全沒有問題，但是當用戶界面的調光等級大於可實現的調光等級，即大於驅動電路頻率fb和PWM頻率fp的商（Leff=fb/fp），系統就無法順利實現調光。而本發明的解決方法是在調光階段和正常工作階段採用不同的PWM頻率，本發明優選實施例中，驅動電路頻率fb為100khz，通過事先的測試，確定照明設備正常工作時的PWM頻率，即工作頻率fw為4khz，在此PWM頻率下，光源的頻閃、拍攝波紋的效果可以滿足客戶的使用需求，而在調光進行時，根據所用戶交互界面的調光等級來確定PWM頻率即調光頻率fp，因為調光等級Leff =fb/fp，這裡我們的Leff值為200，這樣fp就等於500hz。在本實施例中是為了在工作時採用較高的頻率避免頻閃，因此工作頻率fw大於調光頻率fp。為了實現這樣的方案，控制電路的結構也必須要作相應的改進，首先控制電路中必須要有一個運算模塊21，該運算模塊21輸入為調光控制信號，輸出為一個控制信號周期中各PWM信號的特徵值以及調光命令。這個PWM信號特徵值可以表示為PWM信號的佔空比，也可以表示成為PWM信號的脈寬。控制電路2中還包括一個頻率控制模塊23，該頻率控制模塊23根據運算模塊21發出的調光命令，計算並輸出頻率信號。另外控制電路2中還有一個PWM信號發生器24，PWM信號發生器24接收所述運算模塊21計算獲得的PWM信號特徵值和頻率控制模塊23輸出的頻率信號，生成相應頻率及脈寬的PWM信號，輸出至驅動電路3。運算模塊21可以在每一個PWM信號周期向PWM信號發生器24輸出相應的PWM信號特徵值，但是這樣顯然不夠經濟，因此在本實施例中，還包括一個存儲單元22，運算模塊21僅在檢測到調光控制信號發生變化時進行一次運算，然後將運算結果寫入存儲單元22，所述存儲單元22可以是一個硬體存儲設備，也可以通過數組、棧、隊列等數據結構來實現。

在頻率控制模塊23中包括頻率信號發生器2301，頻率信號發生器2301可以根據調光命令發出不同的頻率信號，即在收到調光命令時頻率信號發生器2301發出的頻率信號值等於調光頻率fp，而在沒有調光命令時頻率信號發生器2301發出的頻率信號值等於工作頻率fw。整個調光過程可以表述為，運算模塊21接到調光控制信號，計算獲得PWM特徵值並同時發出調光命令，頻率控制模塊23收到調光命令後，頻率信號發生器2301發出值為調光頻率fp的頻率信號，PWM信號發生器24接收該頻率信號及新的PWM特徵值，生成具有新計算的佔空比的PWM信號，然後調光周期結束，頻率信號發生器2301發出值為工作頻率fw的頻率信號，PWM信號發生器24則生成頻率為工作頻率fw，脈寬保持不變即和剛才一樣為新計算的佔空比的PWM信號。這裡的調光周期如果僅為一個PWM周期，時間上太短以人的視覺來看無法感知到亮度的變化，因此需要PWM信號在一定時間內維持在調光頻率fp，因此在頻率控制模塊23中還包括一個定時器2303，當接到調光命令時向定時器2303填充預設的時間值，定時器2303走完設定的定時時間後，頻率信號發生器2301頻率信號的數值由調光頻率fp再變為工作頻率fw，從而完成調光階段。而這個定時時間選值範圍為10~100ms，優選的為20~50ms，在本實施例中為30ms。另外由於PWM信號的頻率在調光頻率fp和工作頻率fw兩者之間變動，而驅動電路輸出的也是一個脈衝信號，雖然PWM信號特徵值保持不變，PWM信號和驅動電路信號疊加後，在頻率變化時實際輸出的電壓電流值會有一個微小的變化，因此在本實施例中並不是直接將工作頻率fw變為調光頻率fp，而是通過設置在頻率控制模塊23中的另一個功能模塊，頻率計算模塊2302，來分步進行頻率變化，即在本實施例中PWM頻率由fw逐步降低至fp（可以分N步，每一步降低（fw-fp）/N），反之亦然，PWM頻率在fp上升至fw也分多步實現（可以分為M步）。N和M可以相同，也可以不同，N或M的取值主要取決於fw與fp的頻率差距，如果差距小N值可以比較小，單步步長優選為100hz~1000hz, 在本實施例中單步取值400hz，從而計算N的值。而每一步都可以停留一段時間，因此前述定時器2303也可以是頻率計算模塊2302的一個組成部分，每完成一個定時時間，頻率計算模塊2302向頻率信號發生器2301發出一個信號，令其改變頻率信號值。

下面就具體實施例的流程圖對本發明的PWM調光方法進行說明，圖3為本發明一個較佳實施例的流程圖，其包括四個基本步驟：

步驟A 接收調光信號，由運算模塊21計算PWM信號的PWM信號特徵值；

步驟B 將PWM信號的頻率從工作頻率fW變為調光頻率fp；

步驟C改變所述PWM信號的PWM信號特徵值；

步驟E將PWM信號的頻率從調光頻率fp變為工作頻率fW。

前面所描述的PWM調光方法是本發明的最基本的實施形態，即假設已有一個調光信號傳來，再通過運算並輸出控制信號，這是一個基本的步驟。但是在實際應用中用戶的調光需求是不可預測的，必須經常檢查是否有調光需求，因此我們這裡提供了檢測判斷步驟，即步驟A包括兩個子步驟，即偵測調光控制信號，將調光控制信號和當前的亮度值比較，如有變化執行運算步驟，無變化則繼續檢測，也就是說僅在亮度需要改變時才執行運算步驟。系統首次運行時，當前的亮度值為零，這樣只要打開燈具就會有亮度信息過來從而進入運算步驟，並依次進行後續的步驟B，並且完成步驟E後這裡的結束僅僅是調光過程的結束，只要沒有關燈就重新回到步驟A，從而繼續不斷地檢測，一旦發現調光亮度的變化就開始執行步驟B。

而如前所述，在優選的實施例中工作頻率fW是經N步逐步變為調光頻率fP的，因此而如圖3所示，步驟B可進一步細化分解為以下步驟：

步驟B1 i=1，fP（i）=fW；

步驟B2 fP（i）=fP（i）-i*（fW-fP）/N；

步驟B3 判斷i=N，等式成立結束，不成立，i=i+1並繼續執行步驟B2。

與步驟B相對應的步驟E也是一個逐步變化頻率的過程，因此如圖3所示，步驟E可進一步細化分解為以下步驟：

步驟E1 j=1，fP（j）=fP；

步驟E2 fP（j）=fP（j）+j*（fW-fP）/M；

步驟E3 判斷j=M，等式成立結束，不成立，j=j+1並繼續執行步驟B2。

同時如前所述，在完成PWM信號特徵值的變化後，PWM信號會先在調光頻率fp下保持一段時間，因此如圖3所示在步驟E之前還有一個步驟D，步驟D為一個延時步驟，經一個延遲時間T再繼續後續步驟。

上文對本發明優選實施例的描述是為了說明和描述，並非想要把本發明窮盡或局限於所公開的具體形式，顯然，可能做出許多修改和變化，這些修改和變化可能對於本領域技術人員來說是顯然的，應當包括在由所附權利要求書定義的本發明的範圍之內。