CN118075946A - 用于实现调光的照明控制器 - Google Patents

Abstract

一种照明控制器包括照明驱动器和用于控制照明驱动器的控制单元。照明驱动器具有模拟调光模式和数字PWM调光模式。期望的调光电平被转换为具有第一占空比的第一模拟驱动电平和具有第二占空比的不同于第一模拟驱动电平的第二模拟驱动电平的组合。最终驱动信号基于该组合。通过在可能的情况下使用在两个非零模拟电平之间交替的PWM控制，减少了闪烁的感觉并且可以实现提高的调光比率。

Description

用于实现调光的照明控制器

发明领域

本发明涉及控制照明以执行调光功能。

发明背景

提供具有调光功能的照明驱动器(例如LED驱动器装置)是众所周知的。

调光控制可通过控制连续模拟电流输出来实现，以提供模拟调光控制。实现调光控制的另一种方式是使用脉冲宽度调制(PWM)调光。通过斩波驱动电流来控制平均电流，使得光源经历不连续的电流。电流的脉冲宽度基于调光要求而变化。

一些LED驱动器集成电路(IC)提供模拟和数字调光的组合，例如Diodes公司的AL8861。通过模拟电压或数字PWM信号，可以控制LED的亮度。

为了实现广泛的可控性，需要实现深度调光功能。深度调光是满足智能照明系统所需光学性能的关键参数。例如，在5％的调光能力和0.1％的调光能力之间，所能实现的颜色和色温覆盖范围之间存在较大差异。

传统的驱动系统通常允许将亮度调至下限，例如5％的亮度水平。利用现有驱动器架构，特别是基于开关模式转换器电路，难以实现低于该下限的所谓“深度调光”。

深度调光可能导致频闪效果。当使用低开关频率时会出现这种情况。例如，在3千赫以上的开关频率下，不会出现频闪效应。当需要深度调光时，例如调至1:1.000.000，3千赫信号周期内的信号脉冲持续时间为333ps。这需要3GHz的时钟频率来产生短时脉冲，而这在可用的微控制器和LED电子设备中是不可能的。

因此，由于需要短脉冲，很难在高PWM频率下实现深度调光(以避免频闪效应)。需要改进的调光解决方案。

WO 2013/039661公开了一种使用调光器单元的照明电路，该调光器单元可以接收数字调光控制信号和模拟调光控制信号。调光单元还可以接收模拟和数字调光信号，然后确定所请求的亮度水平。

发明内容

本发明由权利要求书限定。

根据本发明一个方面的示例，提供了一种照明控制器，包括:

照明驱动器；和

用于控制照明驱动器的控制单元，

其中所述照明驱动器具有模拟调光模式和数字调光模式，模拟驱动电平通过所述模拟调光模式是可调节的，脉冲宽度调制驱动电平的占空比通过所述数字调光模式是可调节的，

并且其中所述控制单元被配置为基于期望的调光电平控制所述照明驱动器产生具有第一占空比的第一模拟驱动电平和具有第二占空比的不同于所述第一模拟驱动电平的第二模拟驱动电平的组合。

该照明控制器将脉冲宽度调制与模拟电平调制相结合。以这种方式，为了实现深度调光，可以使用低模拟驱动电平，并且这不需要像高模拟驱动电平那样的低占空比。因此，可以使用更容易产生的更长的开启脉冲(on-pulse)。在不需要如此小的占空比的情况下就可实现低调光电平。

照明控制器还将两个不同模拟驱动电平的脉冲宽度调制驱动信号进行组合，以达到对应于所需调光电平的信号电平。这样，代替在零驱动电平和活跃驱动电平之间交替的脉冲宽度调制，它在两个非零电平之间交替(至少对于高于最小电平的调光电平而言)。这减少了闪烁的感觉。因此，本发明将模拟调光和PWM调光相结合，以使得调光比率的提高得以实现，并降低了调制深度。调制深度的降低进一步避免了频闪照明效果或光闪烁。

例如，模拟调光模式具有最小模拟电平、最大模拟电平和在许可模拟电平之间的步长。

在一些示例中，第一模拟驱动电平是高于第二模拟驱动电平的一个许可模拟电平。

因此，最终驱动电平由两个相邻模拟驱动电平的组合得出。对于最深调光，两个模拟驱动电平之一为零(使得对于最深调光，组合驱动电平将在零和最低许可模拟驱动电平之间交替)，

控制单元例如被配置为，当所述期望调光电平均高于最小模拟电平时，通过在没有零驱动电平时间的情况下渐进地调整第一和第二占空比和/或第一和第二模拟驱动电平，而从第一期望的调光电平过渡到第二期望调光电平。因此，对于除最深调光(当仅需要最低模拟驱动电平的一小部分时)以外的所有期望调光电平，避免了具有零分量的脉宽调制信号。

第一占空比优选地与第二占空比是颠倒(inverse)的。这意味着一个模拟驱动电平在PWM周期的第一部分有效，并且另一个模拟驱动电平在脉宽调制周期的剩余第二部分有效。如上所述，当两个模拟电平不为零时，这不会产生零信号。

当期望的调光电平低于最小模拟电平时，第一模拟驱动电平为最小模拟电平，第一占空比小于1，而第二模拟驱动电平为零。因此，对于最深调光而言，产生传统的脉宽调制信号，其高信号电平对应于最低许可模拟驱动电平。

第二模拟驱动电平优选地是最大许可模拟驱动电平，其在100％占空比下不超过期望的调光电平。通过这种方式，通过对直接高于期望的调光电平(第一电平)和低于期望的调光电平(第二电平)的许可模拟驱动电平取平均值，获得期望的调光电平。

模拟驱动电平例如包括模拟驱动电压电平，并且照明控制器包括用于将第一占空比的第一模拟驱动电压电平和第二占空比的第二模拟驱动电压电平求和的求和电路。因此，调光电平被定义为输出电压。然后，该输出电压可由电流驱动器转换成驱动电流。

控制单元例如被配置为根据期望的调光电平调整脉冲宽度控制频率。可以使用更低的频率，因此可以使用更长的时间段，以实现更深的调光。由于调制深度降低(仅在两个相邻的许可模拟电平之间进行调制)，频率不太重要，因此可以在闪烁成为问题之前使用较低的频率。

照明驱动器优选为发光二极管驱动器。

本发明还提供一种照明电路，包括:

光源；和

上述限定的照明控制器。

光源例如包括发光二极管装置。

本发明还提供了一种控制照明驱动器以实现光源的期望的调光电平的方法，其中照明驱动器具有模拟调光模式和数字调光模式，模拟驱动电平通过模拟调光模式是可调节的，脉冲宽度调制驱动电平的占空比通过数字调光模式是可调节的，该方法包括:

将期望的调光电平转换为具有第一占空比的第一模拟驱动电平和具有第二占空比的第二模拟驱动电平的组合；和

基于该组合输出驱动信号。

模拟调光模式例如具有最小模拟电平、最大模拟电平和许可模拟电平之间的步长。第一模拟驱动电平例如是高于第二模拟驱动电平的一个许可模拟电平。第一占空比优选地与第二占空比颠倒。

该方法可包括当所述期望的调光电平均高于最小模拟电平时，通过在无零驱动电平时间下渐进地调整第一和第二占空比和/或模拟驱动电平，从第一调光电平过渡到第二调光电平。

本发明还提供了一种包括计算机程序代码的计算机程序，当所述程序在上述照明控制器的控制单元上运行时，该计算机程序代码适于实现上述方法。

参考下文描述的实施例，本发明的这些和其他方面将变得显而易见并得以阐明。

附图说明

为了更好地理解本发明，并更清楚地显示本发明如何实施，现在仅通过举例的方式参考附图，其中:

图1示出了照明控制器；

图2示出了在PWM驱动信号的一个周期期间到光源的驱动电流；

图3示出了与图2等效的绘图，但示出了驱动电压；

图4示出了图1的求和电路的示例；以及

图5用于解释图4电路的操作。

具体实施方式

将参照附图描述本发明。

应当理解，详细描述和具体示例虽然指示了设备、系统和方法的示例性实施例，但仅用于说明的目的，并不旨在限制本发明的范围。通过以下描述、所附权利要求和附图，将更好地理解本发明的设备、系统和方法的这些和其他特征、方面和优点。应当理解，附图仅仅是示意性的，并且未按比例绘制。还应当理解，在所有附图中使用相同的参考标记来表示相同或相似的部分。

本发明提供一种照明控制器，其包括照明驱动器和用于控制照明驱动器的控制单元。照明驱动器具有模拟调光模式和数字PWM调光模式。期望的调光电平被转换为具有第一占空比的第一模拟驱动电平和具有第二占空比的不同于第一模拟驱动电平的第二模拟驱动电平的组合。最终驱动信号基于该组合。通过在可能的情况下使用PWM控制在两个非零模拟电平之间切换，可以减少闪烁的感觉并实现提高的调光比率。

图1示出了包括照明驱动器102和用于控制照明驱动器的控制单元104的照明控制器100。

照明驱动器102具有模拟调光模式和数字调光模式，通过模拟调光模式可调整模拟驱动电平，通过数字调光模式可调整脉冲宽度调制驱动电平的占空比。图1示出了照明驱动器102的信号发生器106，该信号发生器106产生作为PWM波形“PWM”的PWM信号和模拟驱动电平“ADL”。

控制单元104接收期望的调光电平“DL_desired”，并且作为响应，其控制照明驱动器102产生具有第一占空比的第一模拟驱动电平和具有第二占空比的不同于第一模拟驱动电平的第二模拟驱动电平的组合。

控制单元例如通过通信总线(例如I2C)与照明驱动器通信。

因此，该照明控制器将脉冲宽度调制与模拟电平调制相结合。以这种方式，为了实现深度调光，可以使用低模拟驱动电平，并且这不需要如此低的占空比。因此，可以使用更长的开启脉冲，这更容易产生。

通过组合不同模拟驱动电平的两个脉冲宽度调制驱动信号，产生的脉冲宽度调制在两个接近的模拟电平(例如，对于高于最小电平的调光电平而言的两个非零电平)之间交替。这减少了闪烁的感觉。一些驱动电路可被编程为具有独立的PWM输出，该PWM输出可用于产生所需组合的脉宽调制信号。

在图1的示例中，组合的PWM信号在电压域中产生。为此目的使用了一个求和电路108，这将在下文中进一步说明。然后，进行电压-电流转换，例如使用电源电路110。这为电流驱动的光源(例如发光二极管装置120)产生驱动电流。电压-电流转换是LED驱动器集成电路的一部分。

现在将解释照明控制器的操作。

图2示出了在PWM驱动信号的一个周期期间到光源的驱动电流。它显示了在从最小亮度(最大深度调光)到最大亮度(无调光)的不同调光电平下的驱动电流。

例如，模拟调光模式具有最小模拟电平、最大模拟电平和在许可模拟电平之间的步长。在所示示例中，最小模拟电平导致驱动电流为0.4A，而最大模拟电平导致驱动电流为0.6A，其中步长为0.1A。这只是为了说明。举例来说，驱动电流可以在0.4A和2.5A之间调整，因此具有比图2所示更多的步长。

在绘图A中，显示了接近最大的调光。模拟驱动电平最低为0.4A，而占空比处于最低值(或接近最低值)。平均输出电流低于0.4A。

在绘图B中，占空比增加，使得平均输出电流接近0.4A。在绘图和绘图B之间存在许多递增步长。

在绘图C中，占空比已达到100％，使得平均输出电流为0.4A。

对于这些绘图，第一模拟驱动电平为0.4A，第二模拟驱动电平为0A。

此时，第一模拟驱动电平被切换到下一个许可的驱动电平0.5A，而第二模拟驱动电平变为0.4A，使得0.4A至0.5A范围内的平均电流是可能的。这是假设高电平是第一电平，而低电平是第二电平。当然，第一电平和第二电平的命名是完全任意的，因此可以同等地认为，第一模拟驱动电平保持恒定在0.4A，而第二模拟驱动电平从0A跃至0.5A。为本说明之目的，较高的模拟电平被命名为第一信号。

在绘图D中，周期的第一部分(第一占空比)具有0.5A电流(第一模拟驱动电平)，而周期的第二部分(第二占空比)具有0.4A电流(第二模拟驱动电平)。存在低的占空比，使得平均电流接近0.4A。

因此，第一模拟驱动电平比第二模拟驱动电平高一个许可的模拟电平。即使对于深度调光，当第二模拟驱动电平为零时，第一模拟驱动电平仍可被视为高于第二模拟驱动电平一个模拟电平。因此，最终驱动电平由两个相邻的许可模拟驱动电平的组合得出。

在图绘E中，较高的第一模拟驱动电平的占空比增加，而较低的第二模拟驱动电平的占空比相应减少。在绘图D和绘图E之间存在许多递增步长。

在绘图F中，第一个模拟驱动电平的占空比达到100％，使得平均值现在为0.5A。

此时，第一模拟驱动电平被切换到下一个许可的驱动电平0.6A，而第二模拟驱动电平变为0.5A，使得在0.5A至0.6A范围内的平均电流是可能的。

在绘图G中，周期的第一部分(第一占空比)具有0.6A电流(第一模拟驱动电平)，而周期的第二部分(第二占空比)具有0.5A电流(第二模拟驱动电平)。存在低的占空比，使得平均电流接近0.5A。

在绘图H中，较高的第一模拟驱动电平的占空比增加，而较低的第二模拟驱动电平的占空比相应减少。在绘图G和绘图H之间存在许多递增步长。

在绘图I中，第一模拟驱动电平的占空比已达到100％，使得平均值现在为0.6A，这对应于完全不调光(假如最大模拟电流为0.6A，如本简化示例所示的)。

可实现的调光比率取决于最低许可模拟驱动电平(即最低可能模拟电流)、步长、最大模拟驱动电平(即最大模拟电流)和PWM控制的占空比范围。

当接收到所需调光电平的变化时，照明控制器可以直接切换至新的PWM设置。然而，优选地，光输出以渐进的方式改变，即，对于增加的亮度(减少的调光)，遵循绘图A至绘图I的顺序，或者对于减少的亮度(增加的调光)，遵循绘图I至绘图A的顺序。

以这种方式，从第一期望调光电平到第二期望调光电平的过渡包括逐步调整第一占空比和第二占空比和/或第一模拟驱动电平和第二模拟驱动电平。这使得灯可以平滑地开关。然而，也可以采用硬切换行为，从一个期望的调光电平更直接地过渡到另一个调光电平。

对于高于最低非零模拟驱动电平的期望的调光电平，将不存在零驱动电平时间。因此，对于除最深调光(图2中的绘图A和绘图B)之外的所有期望调光电平，避免了具有零分量的PWM信号。

可以看出，第一占空比是第二个占空比的倒置(inverse)。因此，一个为高，另一个为低，并且它们者共同占据整个PWM周期。因此，一个模拟驱动电平在PWM周期的第一部分有效，而另一个模拟驱动电平在PWM周期的剩余第二部分有效。

如上所述，驱动信号例如在电压域中产生。

图3示出了与图2等效的绘图，但示出了驱动电压。为简单起见，假设驱动电压和驱动电流之间存在一对一映射，例如，0.4V的驱动电压导致0.4A的驱动电流。

例如，这些驱动电压施加于LED驱动器IC AL8861的Vset引脚。

图4示出了图1的求和电路108的示例。

求和电路108包括加法器电路中的运算放大器200。求和电路接收两个PWM信号PWM1和PWM2，每一个信号均处于其自身的模拟驱动电压电平并具有其自身的占空比。如上所述，两个占空比彼此相反。

两个脉宽调制信号通过各自的输入电阻R1、R2提供给同相输入端，并且反相输入端连接到输出端和地之间的负反馈路径的电阻R3和R4之间的结点。

当R1＝R2时，输出电压可通过以下公式计算:

该平均是在PWM周期进行的，并且产生的电压可被视为仅与时间相关。

电阻R3和R4也可以相等。注意，作为运算放大器电路解决方案的代替，照明驱动器也可以选择输出具有灵活(可编程)电压电平的PWM。

图5用于解释图4电路的操作。

绘图D、绘图E和绘图F对应于图3中的相同绘图图，以显示从0.4V逐渐到0.5V的输出的提高。绘图DD、绘图EE和绘图FF显示了相关的PWM信号。PWM1是较高模拟驱动电平的信号。当平均驱动电平从接近0.4V增加到0.5V时，可以看到PWM1占空比中的渐进增加。

用于较高模拟驱动电平的PWM信号的有效部分可以在PWM周期开始时(如图5所示，其中电压在PWM周期期间下降)，但也可以在PWM周期结束时(因此，电压在PWM周期期间上升)。

此外，在上述示例中，在新的更高模拟亮度水平被引入到PWM周期之前，当前幅度电平的占空比被增加到100％。相反，当前选择的占空比的PWM脉冲的模拟电平之后可以跟随最低幅度的剩余PWM周期。然后，在调整占空比之前，可以将脉宽调制脉冲增加到最大值。因此，在上述示例中，当从一个调光电平平滑过渡到另一个调光电平时，占空比被调整地比模拟驱动电平更快。在备选的方法中，当从一个调光电平平滑过渡到另一个调光电平时，模拟电平被调整地比占空比更快。后一种方法不会在每个PWM周期内维持相邻的模拟电平，但仍可避免闪烁，因为仍然没有(与最低调光电平不同的)零光输出时间。

控制单元还能够根据期望的调光电平调整脉冲宽度控制频率。可以使用更低的频率，因此可以使用更长的时间段，以实现更深的调光。由于调制深度降低(仅在两个相邻的许可模拟电平之间进行调制)，频率不太重要，因此在闪烁成为问题之前可以使用较低的频率。从而进一步扩大了调光比率。

本发明可应用于任何具有调光功能的照明。一个示例是，作为闹钟的一个特征，唤醒灯的亮度逐渐变亮，以唤醒人。

本领域技术人员在实践所要求保护的发明时，通过研究附图、公开内容和所附权利要求，可以理解和实现所公开实施例的变化。在权利要求中，“包括”一词不排除其他元素或步骤，而不定冠词“一”或“一个”不排除复数。

由处理器(例如控制单元)实现的功能可以由单个处理器实现，或由多个单独的处理单元实现，这些处理单元可以共同被视为构成“处理器”。在某些情况下，这些处理单元可以彼此远离，并以有线或无线方式相互通信。

在相互不同的从属权利要求中列举某些措施的单纯事实并不表示这些措施的组合不能被有利地使用。

计算机程序可以存储/分布在合适的介质——诸如作为与其他硬件一起提供或作为其他硬件一部分提供的光存储介质或固态介质——上，但是也可以以其他形式分布，诸如通过互联网或其他有线或无线电信系统。

如果在权利要求或说明书中使用了术语“适于”，应注意术语“适于”旨在等同于术语“配置成”。如果在权利要求或说明书中使用“布置”一词，请注意，“布置”一词旨在等同于“系统”，反之亦然。

权利要求中的任何参考标记不应被解释为限制范围。

Claims (15)

1.一种照明控制器(100)，包括：

照明驱动器(102)；以及

用于控制所述照明驱动器的控制单元(104)，

其中所述照明驱动器(102)具有模拟调光模式和数字调光模式，模拟驱动电平通过所述模拟调光模式是可调节的，脉宽调制驱动电平的占空比通过所述数字调光模式是可调节的，

并且其中所述控制单元(104)被配置成基于期望的调光电平(DL_desired)控制所述照明驱动器(102)以生成具有第一占空比的非零的第一模拟驱动电平和具有第二占空比的不同于所述第一模拟驱动电平的非零的第二模拟驱动电平的组合。

2.根据权利要求1所述的照明控制器，其中所述模拟调光模式具有最小模拟电平、最大模拟电平和在许可模拟电平之间的步长。

3.根据权利要求2所述的照明控制器，其中所述控制单元被配置成：当所述期望的调光电平都高于所述最小模拟电平时，通过在没有零驱动电平时间的情况下渐进地调节所述第一占空比和所述第二占空比和/或所述第一模拟驱动电平和所述第二模拟驱动电平，使得第一期望的调光电平过渡到第二期望的调光电平。

4.根据权利要求2至3中任一项所述的照明控制器，其中所述第一占空比是所述第二占空比的倒置。

5.根据权利要求2至4中任一项所述的照明控制器，其中当所述期望的调光电平低于所述最小模拟电平时，所述第一模拟驱动电平是最小非零模拟电平，所述第一占空比小于1，并且所述第二模拟驱动电平是零。

6.根据权利要求2至5中任一项所述的照明控制器，其中所述第二模拟驱动电平是最大许可模拟驱动电平，所述最大许可模拟驱动电平在100％占空比的情况下不超过所述期望的调光电平，并且其中所述第一模拟驱动电平是高于所述第二模拟驱动电平的一个许可模拟电平。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的照明控制器，其中所述模拟驱动电平包括模拟驱动电压电平，并且所述照明控制器包括求和电路，所述求和电路用于对具有所述第一占空比的所述第一模拟驱动电压电平和具有所述第二占空比的所述第二模拟驱动电压电平求和。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的照明控制器，其中所述控制单元(104)被配置为根据所述期望的调光电平来调节所述脉冲宽度控制频率。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的照明控制器，其中所述照明驱动器是LED驱动器。

10.一种照明电路，包括：

光源(120)；以及

根据权利要求1至9中任一项所述的照明控制器。

11.根据权利要求9所述的照明电路，其中所述光源(120)包括LED装置。

12.一种控制照明驱动器以实现光源的期望的调光电平的方法，其中所述照明驱动器具有模拟调光模式和数字调光模式，模拟驱动电平通过所述模拟调光模式是可调节的，脉宽调制驱动电平的占空比通过所述数字调光模式是可调节的，所述方法包括：

将期望的调光电平转换为具有第一占空比的非零的第一模拟驱动电平和具有第二占空比的不同于所述第一模拟驱动电平的非零的第二模拟驱动电平的组合；以及

基于所述组合输出驱动信号。

13.根据权利要求12所述的方法，其中所述模拟调光模式具有最小模拟电平、最大模拟电平和在许可模拟电平之间的步长，其中所述第一占空比是所述第二占空比的倒置。

14.根据权利要求12所述的方法，其中所述第一模拟驱动电平是高于所述第二模拟驱动电平的一个许可模拟电平。

15.一种包括计算机程序代码的计算机程序，当所述程序在根据权利要求1至9中任一项所述的照明控制器的所述控制单元上运行时，所述计算机程序代码适于实现根据权利要求12至14中任一项所述的方法。