用於可調電流光源的功率控制系統的製作方法

2024-02-10 08:00:15

專利名稱：用於可調電流光源的功率控制系統的製作方法
技術領域：
(15)本發明一般地涉及到電子及照明領域，具體地說，涉及電流調節光源如發光 二極體光源的功率控制及/或供給的系統及方法。
相關技術說明 (16)商業上實用的白熾燈泡已經使用了 100多年。但是，其它光源也有望成為白 熾燈泡的商業上可行的替代品。發光二極體(LED)作為主流光源特別有吸引力，部分原因 是其通過光輸出效率高而節省能量、壽命長，以及環境激勵，如減少了汞的使用。
(17)LED是半導體，由直流電驅動。LED的亮度與通過LED的電流呈正比地變化。 於是，增加供給LED的電流將提高其亮度，而減少供給LED的電流將減低其亮度。
(18)

圖1示出了一個開關LED的驅動系統100。 LED驅動系統100包括有一個連 續的電流模塊，和降壓式功率轉換器102用於提供恆定電源電壓V,以開關LED系統104。 電壓源101向一個二極體全整流橋103提供一個交流輸入電源電壓V^g。譬如，電壓源101 是公共電源，而交流電源電壓V ^!在美國是60Hz/120V電源電壓，在歐洲是50Hz/230V電源 電壓。整流器103對輸入的電源電壓V^g進行整流。保持電容器C1使通過電容器C1的電 壓相對於參考電壓VJ呆持在近似直流的供電電壓Va。供電電壓Va也是功率轉換器102的 輸出電壓，以及控制器106的輸入電壓。輸入濾波電容C2為整流器103輸出電壓中的高頻 分量提供了高通濾波。熱敏電阻NTC1為功率轉換器102提供浪湧電流保護。
(19)譬如說，控制器106是一個Supertex HV9910B集成電路控制器，可以從加利 福尼亞州Sunnyvale市的Supertex公司購得。供電電壓Va能夠改變，譬如從8V變到450V。 控制器106有一個內部電壓調節器，使得可以直接在直流電源電壓Vc上進行操作。控制器 106從GATE輸出節點向n-通道金屬氧化物場效應電晶體(MOSFET) Ql提供一個柵極驅動 信號。控制器106調製柵極驅動信號，於是調節後MOSFET Ql的導通性提供了恆定電流對 LED系統104進行開關控制。控制器106通過改變脈衝寬度調製的柵極驅動信號VMTE的佔 空比來調節MOSFET Ql的平均阻抗。電阻&和電容C3為控制器106的接地參考點提供了外部聯接。 (20)控制器106產生並利用反饋，來保持一個恆定的電流i，。控制器106收到一 個電流反饋信號Vfb，它代表著在傳感電阻R2上所測得的反饋電壓Vfb。反饋電壓Vft與LED 108中的LED電流i，呈正比。如果反饋電壓Vft超過了預期的LED電流相應的預設參考 值，控制器106將對反饋電壓Vft做出反應，辦法是減小柵極驅動信號GATE的佔空比，以使 MOSFET Ql的平均阻抗隨時間而增大。如果反饋電壓Vfb超過了預期的LED電流相應的預設 參考值，控制器106將對反饋電壓Vfb做出反應，辦法是增大柵極驅動信號GATE的佔空比， 以使MOSFET Ql的平均阻抗隨時間而減小。 (21)開關LED系統104包括有一個或多個串聯的LED 108鏈。當M0SFETQ1接通 時，即處於導通狀態時，二極體Dl的偏壓被反轉，於是電流i，流過LED,並給電感器充 電。當MOSFET Ql被斷開，即處於不導通狀態時，電感器k上的電壓的極性改變，二極體D工 就為二極體電流i，形成一條電流通路。要選擇可貯存足夠能量的電感器，使得當MOSFET Ql被斷開時，它能維持恆定的電流i，。 (22)圖2示出了一個功率控制系統200，它包括有一個開關功率轉換器202。整流 器103將輸入的電源電壓V^g進行整流，並向開關功率轉換器提供一個經過整流的，隨時間 而變的初級供電電壓Vx。開關功率轉換器202向負載222提供一個經過功率因數校正的， 近似恆定的電壓功率。 (23) PFC和輸出電壓控制器214控制著PFC開關208，以向開關功率轉換器202提 供功率因數校正並調節輸出電壓V。。功率因數校正技術的目的是使開關功率轉換器202對 電壓源101體現電抗性。於是，PFC和輸出電壓控制器214試圖控制電感器電流k，使得平 均電感器電流^線性地且直接地與初級供電電壓Vx相關。PFC和輸出電壓控制器214提 供一個脈衝寬度調製的(P麗)控制信號CS。，以控制開關208的導通性。在至少一個實施例 中，開關208是一個場效應電晶體(FET)，而控制信號CS。是開關208的柵極電壓。控制信 號CS。的脈衝寬度值和佔空比取決於兩個反饋信號，即初級供電電壓Vx和電容電壓/輸出 電壓V。。 一般也將輸出電壓V。稱為"連結電壓"。 (24)為了將輸入電壓V,轉變成經過功率因數校正的輸出電壓V。，PFC和輸出電壓 控制器214調製著PFC開關208的導通性。為了調節傳輸的能量並將功率因數保持在接近 1， PFC和輸出電壓控制器214改變著控制信號CS。的周期，使輸入電流能夠追蹤到輸入 電壓Vx中的變化，並使輸出電壓Vc保持恆定。於是，當輸入電壓Vx增加時，PFC和輸出電壓 控制器214將增加控制信號CS。的周期TT ;當輸入電壓Vx減少時，PFC和輸出電壓控制器 將減少控制信號CS。的周期。同時，控制信號CS。的脈衝寬度(PW)受到調整，以使控制信號 CS。的佔空比保持恆定，這樣就保持了輸出電壓Vc的恆定。當開關208導通時，即接通時， 電感器電流^驟然上升。當開關208處於非導通狀態時，即被斷開時，電感器電流驟然 下降，提供電感器電流ij合電容206充電。 一般將電感器電流ij聚然下降的時間周期稱 為"電感器歸零時間"。二極體211防止反向電流流進電感器210。電感器電流i^與開關 208的"接通時間"呈比例。在至少一個實施例中，開關功率轉換器202以間斷電流的模式 工作，即，電感器電流的上升時間加電感器歸零時間少於控制信號CS。的周期，這就控制 了開關208的導通性。Prodi6功率因數校正整流器的快速電壓環路的補償器設計與穩定性 評價，IEEE Transactions on Power Electronics (IEEE電力電子學彙刊)，第22巻，第5
9期，2007年9月，第1719-1729頁。(在本文內稱為Prodi6 )，該文描述了一個PFC和輸出電 壓控制器214的例子。 (25)在至少一個實施例中，PFC和輸出電壓控制器214以遠高於輸入電壓V,的頻 率更新控制信號CS。。輸入電壓Vx的頻率一般為50-60Hz。譬如說，控制信號CS。的頻率1/ TT介於20kHz與130kHz之間。等於或高於20kHz的頻率避免了聲音頻率的影響，等於或低 於130kHz的頻率避免了有較大影響的開關無效性，同時又能維持一個很好的功率因數，譬 如0. 9 1的功率因數，並使輸出電壓Ve保持近似的恆定值。 (26)當二極體211的偏壓被反轉時，電容器206向212提供貯存的能量將其加載。 電容器206足夠大，可使PFC和輸出電壓控制器214 (將在以下詳細討論)所建立起的輸出 電壓V。較好地保持恆定。在恆定負載條件下，輸出電壓V。能較好地保持在一個恆定的目標 值上。但是當負載改變時，輸出電壓V。將變化。PFC和輸出電壓控制器214將調整控制信 號CS。，使輸出電壓V。回到目標值上，以對電壓V。的變化做出反應。PFC和輸出電壓控制器 214包括一個小電容器215，以濾掉初級供電電壓Vx中的任何高頻信號。
(27)PFC和輸出電壓控制器214控制著開關功率轉換器202的過程，以將預期的能 量轉送給電容器206。預期的能量取決於負載212的電壓和電流要求。為了確定負載212的 能量要求，PFC和輸出電壓控制器214包括一個補償器228。補償器228測定參考電壓VKEF 與實際的輸出電壓V。之差，前者指示輸出電壓V。的目標電壓，後者是從節點222上感測並 作為來自電壓環路218的反饋被接收。補償器228 —般利用如比例積分(PI)控制這樣的 技術，以對輸出電壓V。與參考電壓VKEF之差做出反應。PI控制對誤差進行處理，使PFC和 輸出電壓控制器214能夠平滑地調整輸出電壓V。，使得在對小的誤差信號做出反應時，可避 免引起輸出電壓V。的快速波動。補償器228向脈衝寬度調製器(P麗)230提供一個輸出信 號，使P麗230產生一個控制信號CS。用於驅動開關208。 (28)LED照明系統控制器，如控制器106，使用的供電電壓是可變的，如變化於8V 到450V之間，這種控制器一般都需要使用較昂貴的集成電路，它們比運行於最大供電電壓 之一部分的集成電路要昂貴。如使用帶反饋控制的普通PFC控制器，當負載所需要的功率 迅速降低時，輸出電壓Vc將瞬間增加，同時PFC控制器將降低輸出電壓，以對輸出電壓的反 饋做出反應。使用補償器的普通開關功率轉換器，對負載所需功率的較大變化的反應一般 會比較慢。此外，普通的PFC控制器往往包含有大且相對昂貴的電解電容，用以承受電壓峰 值。
發明總結 (29)在本發明的一個實施例中，發光二極體照明系統包括有功率因數校正(PFC) 和LED驅動控制器。該控制器包括有一個數字式信號處理器，它被耦合到LED反饋節點上 並作如下配置在數字水平供電電壓上進行操作；產生一個PFC控制信號；並產生一個LED 電流控制信號。該控制器還包括有一個第一緩衝器，它被耦合到處理器上並作如下配置在 中等水平供電電壓上進行操作。中等水平供電電壓大於數字水平供電電壓。該控制器還進 一步配置得能夠接收PFC控制信號並將PFC控制信號轉換成PFC開關控制信號，以控制高 壓PFC開關的導通性。該控制器還包括一個第二緩衝器，它被耦合到處理器上並作如下配 置在中等水平供電電壓上進行操作；接收LED電流控制信號；將LED電流控制信號轉換成
10LED電流控制開關信號以控制高壓LED電流控制開關的導通性。 (30)在本發明的另一個實施例中，一個方法包括在數字水平供電電壓上操作功 率因數校正(PFC)的數字式信號處理器和輸出電壓控制器並產生一個PFC控制信號；產生 一個LED電流控制信號。該方法還包括在中等水平供電電壓上操作耦合到處理器上的第 一緩衝器。中等水平供電電壓大於數字水平供電電壓；接收PFC控制信號。該方法還包括 將PFC控制信號轉換成PFC開關控制信號以控制高壓PFC開關的導通性，並在中等水平供 電電壓上操作耦合到處理器上的第二緩衝器。該方法還包括接收LED電流控制信號並將 LED電流控制信號轉換成LED電流控制開關信號，以控制高壓LED電流控制開關的導通性。
(31)在本發明的進一步實施例中，一個發光二極體(LED)照明系統包括有LED照 明功率系統。在LED照明系統正常工作時，LED照明功率系統產生一個相對於共享電壓而 言的第一電源電壓。第一電源電壓是一個連結電壓。該LED照明功率系統包括一個開關功 率供應系統，它具有功率因數校正(PFC)開關，在該LED照明系統正常工作時，LED照明功 率系統的PFC開關工作於電流節點電壓上，後者等於或低於相對於共享參考電壓的第一電 源電壓的0. 1倍。該LED照明功率系統也包括有一個LED電流控制開關，在該LED照明系 統正常工作時，LED電流控制開關工作於電流節點電壓上，後者等於或低於相對於共享參考 電壓的第一電源電壓的0. 1倍。該LED照明系統還包括一個PFC和輸出電壓控制器，它們 被耦合到第一及LED驅動電流開關的導通控制節點上。在該照明控制系統正常工作時，控 制器在相對於共享電壓的第二電源電壓上進行操作，並控制PFC開關以及LED電流控制器 的導通性；且至少一個LED被耦合到LED電流控制開關上。
附圖簡要說明 (32)參考附圖可以更好地理解本發明，還可以使熟練掌握該技術的人更清楚地看 到本發明的大量目的、特徵和優點。在這些附圖中使用相同參考號代表相同或相似要素。
(33)圖l(標示出了以前的技術)示出了一個開關發光二極體(LED)驅動系統。
(34)圖2(標示出了以前的技術)示出了一個功率控制系統，它包括有一個開關功 率轉換器。 (35)圖3示出了一個LED照明系統，它包括有一個共享節點，後者工作於共享參考 電壓上。 (36)圖4示出了 一個LED照明系統。 (37)圖5的5A、5B、5C和5D示出了不同的開關。 (38)圖5的5E示出了 一個驅動電路。 (39)圖6的6A和6B示出了開關LED系統。 (40)圖7-8示出了圖4中各種控制信號、傳感器信號，以及LED照明系統電流之間 的關係。 (41)圖9示出了一個擴展頻譜系統。 (42)圖10示出了前饋式照明功率和控制系統的一個實施例。
(43)圖11示出了一個帶有多個電流傳感組件的開關LED系統。
(44)圖12示出了一個帶有單個電流傳感組件的開關LED系統。
(45)圖13以圖形表示非重疊控制信號與電流傳感信號。
(46)圖14以圖形表示重疊控制信號與電流傳感信號。
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(47)圖15示出了圖3所示的照明系統控制器的一個實施例。
詳細說明 (48)發光二極體(LED)照明系統包括有一個PFC和輸出電壓控制器，以及一個 LED照明功率系統。該LED照明功率系統在初級供電電壓上進行操作，該電壓來自於初級電 源。控制器的操作用電來自輔助電源，該電源提供的輔助電壓低於LED照明功率系統在共 享參考節點上產生的、相對於共享參考電壓的連結電壓。在至少一個實施例中使用了較低 的電壓，於是控制器的製造成本就低於可比較的、使用LED照明功率系統所產生的初級功 率工作的控制器。此外，在LED照明系統正常工作時，分別控制著功率因數校正和LED驅動 電流的功率因數校正(PFC)開關和LED驅動電流開關都被耦合到共享參考節點上，並有控 制節點到共享節點的絕對電壓，使控制器可控制這些開關的導通性。在至少一個實施例中， 每個PFC開關和LED驅動電流開關都有控制節點到共用節點的絕對電壓，其值在相對於共 享參考電壓而言的連結電壓的15%之內。當電流節點電壓在(相對於共享參考電壓而言 的)連結電壓絕對值的15%之內時，控制器可有效地控制住這些開關。
(49)在至少一個實施例中，控制器305是用贈送的12-20伏特("V")金屬氧化 物半導體(CMOS)集成電路處理器("IC Process")製造的，它在集成電路(IC)控制器的 外部被耦合到200-500V級的場效應電晶體(FET)上。該實施例是成本效益比特別高的各種 技術的組合。在較好的實施例的進一步改進中，在IC處理器的IC控制器中，除12V 20V 的電晶體外還包括有5V的或電壓更低的電晶體，因此可進行密集的數字設計。具有.35微 米級或更小處理器的數字控制器製造技術，可用於製造出極小的，性價比高的數字控制器。 12V 20V處理實現了適當驅動外部高壓場效應電晶體(FET)的柵極。在至少一個實施例 中，IC控制器是控制器305(見圖3和4)。上述的電壓限制典型地指出了，高壓設備(在 柵_源電壓大約為12V時接通，而低於IV完全斷開)的電源電壓幾乎相同，才能使同一個 控制器可同時驅動兩個設備。 (50) —個有調光能力的LED照明系統，通過開關LED系統的負載，就可以承受功 率需求的快速變化。開關LED系統包括一個或多個發光二極體(LED)。例如，如果LED工 作於全強度下，且要求的調光水平為全強度的15X，那麼開關LED系統的功率需求將快速 並顯著地降低。在至少一個實施例中，LED照明系統利用前饋式控制使控制器可同時改變 LED照明功率系統的功率需求，以及改變一個或多個開關LED系統的功率需求。於是在至少 一個實施例中，LED照明系統可減少從一個電源如電網得到的功率，以迅速地對較低的功率 需求做出反應，並使用補償器如比例式積分控制器進行較小的校正，以保持一個理想的LED 照明系統的輸出電壓。 (51)此外，在至少一個實施例中，LED照明系統包括有多個開關LED系統，且每個 開關LED系統都至少包括有一個LED。在至少一個實施例中，LED照明系統利用了一個共享 電流傳感設備，向控制器提供共享的反饋信號，該控制器向至少兩個開關LED系統提供電 流。在至少一個實施例中，利用了一個共用電流傳感設備來減少用於反饋的控制器的插腳 數目，並減少電流傳感器的數目。 (52)圖3示出了 LED照明系統300，它包括一個共享參考節點302，後者在共享參 考電壓Ve。m上，如正常工作時的接地參考點。LED照明系統300在兩個電源電壓Vx和VAUX上 進行操作，二者都被稱為共享參考電壓。第三個電壓V。(示於圖15中)可在控制器305內部產生，其電壓範圍最好為1.5V-5. 0V，這取決於所選的CM0S技術。"正常工作"指的是LED 照明系統300在被供給功率之後，且任何初始的電壓或電流瞬變已經被壓制後的工作。LED 照明系統300產生連結電壓Va。 PFC開關308和LED驅動電流控制開關310都有控制從 節點到共享節點的絕對電壓，其值為絕對連結電壓Va減去共享參考電壓V。。m之差的15%， 即，Va-Ve。m。 PFC和輸出電壓控制器305(稱為"控制器305")在輔助電源電壓VAUX上進行 操作。輔助電源電壓VAUX的絕對值低於連結電壓Vei的絕對值。 (53)圖5A、5B、5C和5D示出了開關530的示範實施例，該例代表了開關308及310 的一個實施例。請參考圖5A，共享開關530的節點532、534和536代表了各自的控制、共 享和開關節點。圖5B、5C和5D代表了開關530的實施例。請參考圖5B，開關540是一個 n-通道MOSFET，柵極節點542、源極節點544和漏極節點546分別代表了控制節點，共享節 點和開關節點。請參考圖5C，開關550是一個雙極結型電晶體(BJT)，基極節點552、發射極 節點554和集電極節點556分別代表了控制節點，共享節點和開關節點。請參考圖5D，開關 560是一個絕緣柵雙極性電晶體(IGBT)，柵極節點562、發射極節點562和集電極節點566 分別代表了控制節點，共享節點和開關節點。 (54)圖5E示出了一個範例性的驅動線路570，它代表了驅動線路307和309的一 個實施例。P-信道FET 572的源極和n-通道FET 574的漏極聯接到一起，並提供輸出信 號C&，此處CSX代表控制信號CS工和CS2。 p-通道FET 572的漏極被聯接到高側供電幹線 電壓上，它低於或等於輔助供電電壓VAUX. n-通道FET 574的源極被聯接到低側供電幹線電 壓V。。m上。FET 572和574共享柵極節點576以得到控制信號CSX. (55)請參考圖3 ， 二極體整流器103將輸入的電源電壓V ^g進行整流，並向開關功 率轉換器303提供經過整流的，隨時間而變的初級供電電壓Vx。在至少一個實施例中，電源 電壓V電源是圖1和2所示的電源電壓V電源。請參考圖3，輔助電源311向控制器305提供低 電壓。向控制器305提供低電壓，可以低於高電壓控制器的成本生產控制器305。此外，在 LED照明系統正常工作時，分別控制著功率因數校正和LED驅動電流的功率因數校正(PFC) 開關和LED驅動電流開關都被耦合到共享參考節點上，並有控制節點到共享節點的絕對電 壓，使控制器可控制這些開關的導通性。在正常工作時，開關功率轉換器303將初級電源電 壓Vx轉換成輸出連結電壓Va。在至少一個實施例中，由於使控制器305參考共享參考節 點，並且使開關308和310的控制從節點到共享節點的電壓處於電壓差Va-V。。m的15%之 內，控制器305就能控制開關308和310的導通性，同時在輔助電源311的輔助電壓VAUX上 進行操作。在至少一個實施例中，電流節點312和313上的電壓值為共享參考電壓V，的 +1V之內。根據為控制器308所選擇的控制模式，PFC開關308中可以需要或不需要電流傳 感電阻。在較好的實施例中，控制器305是間斷電流模式控制器，不使用電流傳感器來控制 功率因數校正。 (56)輔助電源311向控制器305供電。輔助電源311提供的電源電壓VAUX要低 於連結電壓V^的絕對值，例如大約為後者的1% _15%。譬如在至少一個實施例中，額定的 RMS初級供電電壓Vx是IIOV，而供電電壓VAUX是從+1V到+15V之間的任何值，如+1V、+3V、 +5乂、+12￥或+15￥。由於控制器305是由較小的電源電壓供電的，所以它的生產成本可低於 使用較高電壓的控制器。選擇電壓V皿時，要使它符合外部開關所要求的驅動電壓。對於 場效應電晶體(FET)，該電壓的典型值為12V左右。對於雙極性電晶體，由於經常使用電流驅動，所以電壓值應為1V-2V。 (57)在正常工作時，開關功率轉換器303將初級供電電壓V,轉換成輸出連結電壓 Va。在至少一個實施例中，開關功率轉換器303是升壓式轉換器，即連結電壓Vei > Vx。對 於某一特定的調光水平，開關功率轉換器303向LED光源308提供近似恆定的電流i，。電 流i，隨調光水平而變，但在至少一個實施例中，它對於某一特定的調光水平約為恆定值。 開關功率轉換器303包括開關308用以控制輸入電流iin，使平均輸入電流iin與初級供電電 壓Vx線性且直接地相關，由此使開關功率轉換器303顯得對電壓源301體現出電抗性。由 於控制了輸入電流iin，開關308也控制了連結電壓Va的值。在LED照明系統300正常工作 時，連結電壓Va的值接近恆定，不隨時間而變，因此接近直流電壓。在至少一個實施例中， 開關LED系統304包括了一個或多個單個的LED，或一個或多個並聯耦合的LED串，比如參 考圖5A和5B所詳細描述的。連結電壓Va值的範圍一般為200V-500V，具體值取決於交流 電源電壓V^g。 (58)控制器305產生PFC控制信號CS工以控制開關308的導通性。控制器305包 括一個緩衝器307，為PFC控制信號CS工提供驅動電流。控制器305產生一個數字PFC控制 信號CS1D，它被緩衝器307所放大，以產生PFC開關控制信號CSlt)緩衝器307在高側供電 幹線電壓上進行操作，該電壓小於或等於輔助電壓VAUX，也在低側供電共享幹線電壓V。。m上 進行操作。控制器305調節PFC控制信號CS工的脈衝寬度，當初級供電電壓Vx上升時就增 加寬度，當初級供電電壓V,下降時就減少寬度，以此提供功率因數校正。當控制器305調節 著PFC控制信號CS工的脈衝寬度時，也保持PFC控制信號CS工的佔空比，以保持近似恆定的 連結電壓Va。控制器305接收反饋信號V,'以檢測電壓V,的值。控制器305也接收反饋 信號VJ以檢測電壓V^的值。控制器305利用檢測到的反饋信號V/和VJ的值來調節 PFC控制信號CS15使開關功率轉換器303提供功率因數校正並保持一個近似恆定的連結電
ffivcl。 (59)可以用許多方法中的任何一種使控制器305產生PFC控制信號CS"如在 Melanson IV、Melanson V和Melanson VII中所描述的範例方法。可以用許多方法中的任 何一種來產生反饋信號Vx'和Vd'，如在Melanson V、 MelansonVI和Melanson VIII中所 描述的範例方法。 (60)控制器305產生一個LED電流控制開關信號CS2用以調製LED驅動電流控制 開關310的導通性。控制器305產生一個數字LED電流控制信號CS③，它被緩衝器309放 大，以產生LED電流控制開關控制信號CS2。控制器305包括一個緩衝器309，為LED電流控 制開關信號CS2提供驅動電流。緩衝器309在高側供電幹線電壓上進行操作，該電壓低於或 等於輔助電壓VAUX，也在低側供電共享幹線電壓V。。m上進行操作。在至少一個實施例中，LED 電流控制開關信號CS2是佔空比調製的柵極驅動信號。佔空比調製的柵極驅動信號調製著 開關310的導通性，因此就控制著由開關功率轉換器303所提供的LED電流i，。電流i， 是開關LED系統304的驅動電流。調節電流i，就能改變開關LED照明系統304的強度。 控制器305調製了開關310的導通性，於是平均LED電流i，使開關LED系統304內的每 個LED都以理想的強度水平發光。在LED照明系統300的一種非調光配置中，理想的強度 水平可以是開關LED系統304的全(100% )額定強度，或零(0)強度(關斷)。
(61)如後面所詳述的，為了調節LED驅動電流i，，控制器305從電流傳感裝置314接收一個LED反饋信號LEDisense。在至少一個實施例中，反饋信號LEDisense是電流im， 或電流i，的比例值。在另一個實施例中，反饋信號LEDismse是與電流i，成正比的電壓。 控制器305對反饋信號LEDisa_做出反應，途徑是改變傳遞給開關LED系統304的電流，以 保持一個理想的LED電流i，和理想的連結電壓Va。電流傳感裝置314可以是能夠檢測 LED電流i，的任何裝置。在至少一個實施例中，電流傳感裝置314是個電阻，而反饋信號 LEDi，M是該電阻上檢測到的電壓。在至少一個實施例中，反饋信號LEDi，M是被一個磁性 電流傳感器所檢測到的，該傳感器在開關LED系統304內，位於流經電感器(如圖6A中的 電感器606或圖6B中的電感器612)的電流附近。在至少一個實施例中，電流傳感器314 是個鏡像電流源電路。在高壓應用設備中一般不用鏡像電流源。控制器305可以用許多方 法之一種產生LED電流控制開關信號CS2。 Melanson III描述了一個用於產生LED電流控 制開關信號CS2的示範性系統和方法。 (62)在至少一個實施例中，LED照明系統300可以給開關LED系統304的LED調 光，即調節開關LED系統304的LED的光強度，以對調光信號Dv做出反應。調光信號Dv可 以是數字調光信號Dv digital或是模擬調光信號Dv mal。g，這些信號指出了開關LED系統304的 調光水平。調光信號Dv的值起目標參考值的作用，它與控制器305外部的LEDismse進行比 較，或與集成電路控制器305的整數部分進行比較。在至少一個實施例中，控制器305調節 LED電流控制開關信號CS2，通過比較將調光信號Dv與反饋信號LEDi，^之差減至最低。在 至少一個實施例中，調光信號Dv是如在Melanson I和Melanson II中所述的那樣產生和 檢測的。 (63)在至少一個實施例中，調光信號Dv代表了普通的，佔空比改變的調光信號對 一個預設值的映射，該預設值不同於調光輸出信號值所代表的調光水平。在至少一個實施 例中，普通的調光器320產生一個調光信號VDIM。調光信號V皿可以是一個佔空比改變的 (即斷相)模擬信號，其佔空比或相角代表了一個調光水平。映像系統322包括了一個照 明輸出函數，它將調光信號VDIM所指示的調光水平轉換成一個數字調光信號Dv—digital，後者 的值將測得的光水平映射成可見的光水平，這種情況已經結合Melanson I和Melanson II 中所述的示例系統討論過了。在至少一個實施例中，控制器305利用數字調光信號Dvdwtd 直接地產生LED電流控制開關信號C&。在至少一個實施例中，數字-模擬轉換器(DAC)324 將數字調光信號Dv—digital轉換成對應的模擬調光信號Dv—mal。g。在本文中，調光信號Dv的數 字和模擬形式統稱為調光信號Dv。調光器320，映射系統322和DAC 324都用虛線表示，因 為對於LED照明系統300來說，調光是可選的。 (64)圖4示出了 LED照明系統400，它代表了 LED照明系統300的一個實施例。 LED照明系統400包括了開關功率轉換器402，它將整流的輸入電壓Vx變成近似的直流鏈 接電壓Va。開關功率轉換器402和控制器305也提供功率因數校正。開關功率轉換器402 包括開關308，它以"接通"(導通狀態)和"斷開"(非導通狀態)對PFC和輸出電壓控制 器305所產生的PFC控制信號做出反應。當開關308 "接通"時，電感器408從全橋式 二極體整流器103得到電流Iu而被充電。當開關308 "斷開"時，電感器408通過二極體 412得到電流Iu給電容408充電。PFC控制信號CS工改變開關308的佔空比，使得蓄能電 容器408上的直流連結電壓Va被平均而得到一個理想的直流電壓Va。在至少一個實施例 中，穩態的電壓Va的平均值介於200V到400V之間。在至少一個實施例中，電流Iu代表了圖3中的電流iin。 PFC和輸出電壓控制器305都如前述那樣操作，它們控制著開關308的 佔空比，使電流Iu線性地正比於輸入電壓Vx。電容432進行濾波，使電感器電流Iu變得平 滑，於是平均的電感器電流Iu就是與輸入信號Vx同相的正弦波。 (65)控制器305根據比較器438輸出信號Ve。mp的值而產生LED電流控制開關信號 CS2。在至少一個實施例中，比較器輸出信號V。。mp是一個電壓，如果反饋信號LEDis_的值大 於調光信號Dv anal。g的模擬值，則該電壓就代表一個邏輯"l"。否則比較器輸出信號V。。mp就 代表著邏輯"O"。調光信號Dv是個目標參考值，控制器305產生控制信號CS^用以改變電 流i，，以將反饋信號LEDisense與調光信號Dv—mal。g之差減至最低。調光信號Dv—anal。g被按比 例縮小，這樣當反饋信號LEDisense與調光信號Dv anal。g之差被減至最低時，開關LED系統304 中的LED的光強度可與被調光信號Dv—mal。g所指示的調光水平相匹配。當調光信號Dv—mal。g 所指示的調光水平發生變化時，比較器輸出信號V。。mp的值也發生變化，於是控制器305使 LED電流控制開關信號CS2追蹤被調光信號Dv mal。g所指示的調光水平的變化。如前所述， 在至少一個實施例中，控制器305利用比較器輸出信號V。。mp來產生LED電流控制開關信號 CS2，如在Melanson III中所述的那樣。 (66)圖6A和6B示出了開關LED系統304的示範性實施例。開關LED系統600 包括一個或多個LED 602。 LED 602可以是任何類型的LED,包括白色的，琥珀色的，其它色 的，或LED顏色的任意組合。此外，LED 602也可以配置成任何物理形式，如線性的，圓形的， 螺旋狀的，或任意其它的物理形式。在至少一個實施例中，每個LED 602都是串聯的。電容 604是與LED 602並聯的，並進行濾波以防止LED 602接收到直流信號。電感器606使來自 LED電流i，的能量變得平滑，因而當開關310導通時，就可保持近似恆定的電流i，。當開 關310開放時，二極體608可使電流持續流動。 (67)在開關LED系統610中，電感器612與LED 602串聯，以此貯存能量並濾波。 電感器612將來自LED電流i，的能量變得平滑，當開關310導通時，可使電流i，保持近 似的恆定。當開關310開放時，二極體614使電流連續地流過。雖然已經描述了開關LED 系統304的兩個具體的實施例，但開關LED系統304可以是任何一種開關LED系統。
(68)圖7以圖形表示比較器電壓VOTP、LED電流控制開關信號CS2以及電流i，sense 之間的關係700(圖4)。當LED電流控制開關信號CS2為高時，開關310導通，LED電流i， 增加。當比較器電壓VroMP上升時，PFC和輸出電壓控制器305將保持一個高的LED電流控 制開關信號C&，直至比較器電壓■再次降低。通過這種方式，平均電流i，sa_，因此還有 平均LED電流i，，就能對調光信號Dv做出反應，於是在開關LED系統內的LED的光強度也 能對調光信號Dv做出反應。 (69)圖8以圖形表示LED電流控制開關信號CS2與電流i，之間的關係800。當 LED電流控制開關信號CS2變高時(即當它引起開關310導通時)，LED電流i，驟然上升， 當LED電流控制開關信號C&變低時(即當它引起開關310關斷時)，該電流驟然下降。平 均電流i，將跟蹤調光信號Dv。開關LED系統304的光強度近似直接正比於驅動LED電流
1ledo (70)圖9指出了一個擴展頻譜系統900的一個實施例。該擴展頻譜系統可以作 為控制器305的一個部分，或當作單獨的IC使用獨立的分立組件製造。擴展頻譜系統900 也可以用作存貯於計算機可讀介質中的代碼，並被控制器405所執行。 一般地說，擴展頻譜系統900接收輸入信號TT^et，並產生一個輸出信號T。uT。在被A^所預設的範圍內，輸出
信號T。UT隨機地偏離輸入信號TT grt，且輸出信號T。UT的平均值將等於輸入信號TT grt。輸入
信號TTafgrt可以是控制信號CS工及/或CS2的脈衝寬度。Amax的值可以是PFC控制信號CS工 額定值的+/_10%。控制器305可以使用多個擴展頻譜系統900來擴展多個輸入信號的頻 譜，如控制信號CS工和CS2的脈衝寬度。 (71)擴展頻譜系統900包括一個增量_總和調製器901。增量-總和調製器901 包括一個累加器902，它將輸入信號TT grt的當前值加到以前的輸出信號T。UT的負值上，以 產生一個差值信號TDiff 。在至少一個實施例中，擴展頻譜系統900被輸出信號T。UT = 0當做 啟動程序所初始化。差值信號TDiff被環路濾波器904所處理，以產生環路濾波輸出信號U。
(72)增量-總和調製器輸出信號T。UT的值圍繞著輸入信號TTafgrt的值而隨機化。 隨機數發生器906產生隨機信號RN的隨機輸出值，RN被乘以A^以產生隨機信號RN'。 在擴展頻譜系統900的每個周期中，累加器910都給環路濾波器輸出信號U加上隨機信號 RN'，而量化器912將RN'與U之和量化，以產生量化輸出信號T。『隨機數發生器906的 值有個預設的範圍，是範圍限制值A^所設定的。在至少一個實施例中，RN'變化約10X。
(73)增量-總和調製器901可以是任何類型的增量_總和調製器，如一級或多級 增量_總和調製器，它們在了解增量_總和數據轉換器一文有所敘述，作者是Schreier和 Temes，發表於IEEE Press, 2005， ISBN 0-471-46585-2，或可從美國德克薩斯州Austin市 的Cirrus Logic公司購得。增量_總和調製器901進行噪聲整形，並試圖持續地產生增 量_總和輸出信號T。UT的值，以將輸出信號T。UT與差值信號TDiff之間的差減至最低。於是， 增量_總和調製器901就有助於保證平均輸出信號T。UT等於平均輸入信號TTawt。
(74)圖10示出了前饋式照明功率及控制系統1000的一個實施例。功率及控制 系統1000最好也包括一個用於開關308和310的(通過電流傳感裝置314)以及控制器 1002的共享參考節點。控制器1002代表了控制器305的一個實施例。控制器1002在邏輯 上被分為兩個單獨的控制系統，PFC控制系統1004控制功率因數校正並調節開關功率轉換 器402的連結電壓Va，而開關LED系統控制器1006則控制著LED電流i，，以此控制著開 關LED系統304的發光強度(即亮度)。 (75)功率及控制系統1000利用前饋式控制，使PFC控制器1004可以更快地對變 化的功率需求做出反應，這一變化是由於調光改變了開關LED系統的光源304對功率的需 求。當調光信號Dv指示光源304的調光水平發生變化時，開關LED系統控制器1006即對 調光信號Dv做出反應，辦法是減小受佔空比調製的LED電流控制開關信號CS2的脈衝寬度， 以減小電流i，的平均值。減小電流i，就減少了光源304對功率的需求。
(76)前饋式控制使得PFC系統控制器1004可預測光源304對功率需求的變化，這 變化可以是調光造成的。PFC系統控制器1004的配置使之得能夠為具體的調光水平提供一 個特定的輸出連結電壓Va。在至少一個實施例中，控制器1004對比較信號V。。mp做出反應， 該信號指出了在所需的調光水平中發生的變化，因此就是光源304對功率需求的變化。反 應的機制是按比例改變LED電流控制開關信號CS2的脈衝寬度。在至少一個實施例中，調 光信號Dv是直接提供給控制器1004，如虛線1008所示。然而，向控制器1004提供調光信 號可能要求控制器1002多一隻插腳，這就增加了控制器1002的成本。如果使用前饋式控 制，控制器1002就可以改變功率因數校正控制系統1004對功率的需求，同時改變開關LED
17系統控制器1006所提供的功率。術語"同時"也包括因控制器1006的處理等而引起的短 時延遲。 (77)為了與調光信號Dv所指示的調光水平的變化相符，在至少一個實施例中，PFC 系統控制器1004包括有一個比例積分器(PI)補償器IOIO，它接收代表著連結電壓Va的 反饋信號連結電壓Vd，並利用PI傳遞函數，如MelansonIV的PI傳遞函數和系統，產生一 個輸出信號。但是，因為調光信號Dv預測到了光源304的功率需求，控制器1004就可以同 時對調光水平的變化做出反應，而在至少一個實施例中，PI補償器1010隻進行功率需要的 調整，調整量可以是功率及控制系統IOOO所提供的全部功率的10%。更快地對光源304對 功率需求的變化做出反應，就使開關功率轉換器402能夠利用小數值電容器，如4. 7 F的 電容器408，因為連結電壓Va的上升被減少了，其值落到了陶瓷電容、聚丙烯電容以及其它 比電解質電容更好的電容的工作特性內。這些電容的優點是溫度特性好，因為光源304容 易產生高溫，所以適合使用陶瓷電容、聚丙烯電容以及其它耐高溫電容。在至少一個實施例 中，控制器1004產生PFC控制信號CS工的方式與控制器305的相同，所以調光信號Dv所指 示的調光水平的變化就等相當於開關功率轉換器402所給出的功率(Vei*iin)的變化，同時 該轉換器還保持著近似恆定的連結電壓VC1。 (78)圖11示出了一個開關光源庫1100，它有N+1個開關LED系統，此處N是大於 或等於1的整數。開關LED系統庫1100是開關LED系統304的替代物。在至少一個實施 例中，每個光源304. x都是如開關LED系統304那樣的光源，此處x表示第x個光源，因此 是整數，並在數集{0，...，N}中。這N+1個光源中的每一個都至少有一個LED，至於每個光 源中LED的數目和每個LED的顏色，那是設計方面的事情。每個光源304. x都被聯接到各 自的開關1104. x上，每個開關1104. x都是n-通道場效應電晶體(FET)。在至少一個實施 例中，控制器305通過產生各個的控制信號CS2. 0，. . . CS2. N而獨立地控制著每個光源304. x，從而控制著開關1104. 0， . . ， 1104N的導通性。驅動電流i，. 0， . . . ， i，. N的平均值控 制著各自的開關LED系統304. 0， . . . ， 304. N中LED的光強度。開關LED系統304. 0，...， 304. N被聯接到各自的電流傳感組件314. 0， . . . ， 314. N上。 (79)電流傳感組件314.0， ... ，314.N可以是不同的或相同的。每個電流傳感 組件314. x都向控制器305提供一個反饋信號LEDsense. x。在至少一個實施例中，控制 器305產生每個控制信號CS2x的方式，與LED電流控制開關信號CS2產生的方式相同(圖 4)。輸出信號LEDisense. 0，. . . ， LEDisense. N被反饋給控制器305，使控制器305能夠調整開關 1104. 0，. . . ， 1104. N的開關頻度，於是LED驅動電流i，. 0，. . . ， im. N就與光源304. 0，...， 304. N中LED的理想發光強度相關聯起來。在至少一個實施例中，理想強度是調光信號Dv 所指示的調光水平。開關LED系統304.0， ...，304.N中LED的類型、數目和排列等是設計 方面的事情，並取決於諸如開關LED系統304. 0， . . . ， 304. N的理想發光強度和色溫等。
(80)圖12示出了開關LED系統庫1200，它代表著開關LED系統304的替代物(圖 4)。電流傳感組件312提供一個反饋信號LEDi，se，它代表著所有開關LED系統304. O，...， 304. N的LED傳感電流，這是為了給各自的開關LED系統304.0， ... ，304.N測出LED傳 感電流iLEDsense. 0， ， iLEDsense. N中的每一個。開關1204. ， ， 1204. N中的每個都有一 個共享的電流節點1206。在共享電流節點1206上，全部的LED傳感電流ife.O，...， if e. N都組合起來，來自電流傳感組件312的反饋信號LEDisense代表了全部LED傳感
18電流i脆鵬.O， ， iLEDs鵬.N的組合。在至少 一 個實施例中，反饋信號LED i sense = 1/
x (iLEDsense. 0+iLEDsense. 1+，. ，+iLEDsense. N)，此處"x"是電流傳感組件312的比例因數。利用 共享傳感組件312，就減少了控制器1208的集成線路的插腳數目，這就降低了控制器1208 的成本。控制器1208代表了控制器305的一個實施例。 (81)圖13是非重疊控制信號與電流傳感信號的圖形表示1300。 LED光源庫1200 和控制器1208 (圖12)的工作，將結合圖13中的信號加以敘述。控制信號CS2. 0和CS2. N代 表了控制信號CS2. 0， . . . ， CS2. N的兩個示例控制信號。控制信號CS2. 0和CS2. N是用0. 25 的佔空比亦即脈衝寬度/周期和非重疊脈衝寬度所表示的。在控制信號CS2. 0和CS2. N的 每個脈衝中，各自的電流iLEDsense. 0和iLEDsense. N都流經各自的開關1204. 0和1204. N，並組 合成信號LEDi，^，此即來自電流傳感組件312的反饋信號。 (82)請參考圖12和13，控制器1208包括了一個LED電流檢測器1210，它檢測及 測定在開關LED系統304. ， ， 304. N中來自LEDisenseiLED反饋信號的各個LED電流iLED。 當每個電流"EDsense. 0和imsense. N加入到反饋信號LEDisense中時，其位置相當於控制信號 CS2. 0和C^.N各自的脈衝。 (83)在至少一個實施例中，在可調光的配置中，調光信號Dv用於給開關LED系統 304. 0， . . . ，304. N指出調光水平。比較器438將反饋信號LEDisense與調光信號Dv進行比 較。比較器輸出信號V。。mp發生變化的時間，大約與電流i，sa_. 0和i，sa_. N加入到反饋 信號LEDisense中的時間相同。因為控制器1208產生控制信號CS2. 0和CS2. N，所以LED電流 檢測器1210就知道什麼時候電流iLEDsense. 0和iLEDsense. N將改變比較器輸出信號V。。mp。知道 了比較器輸出信號Vramp中的什麼變化相當於開關LED系統304. 0，. . . ， 304. N中的每個具體 的電流，控制器1208就可以調節每個LED電流控制開關信號CS2. 0和CS2. N，以對調光信號 Dv做出反應，將開關LED系統304. 0和304. N中的LED的光調到被調光信號Dv所指示的調 光水平上。在至少一個實施例中，控制器1208可以任何方式產生每個LED電流控制開關信 號CS2. 0， . . . ， CS2. N，產生方式將結合控制器305敘述。 (84)在至少一個實施例中，開關LED系統304. 0，. . . ， 304. N沒有調光。在該實施 例中，LED電流檢測器1210直接接收反饋信號LEDisa_。因為控制器1208產生控制信號 CS2. 0和CS2. N，即產生電流i，sense. 0和i，sense. N的時間，LED電流檢測器1210就在各個控 制信號CS2. 0和CS2. N不相重疊的時候檢測電流i，s se. 0和i，smse. N對反饋信號的貢獻。
(85)圖14以圖形表示重疊控制信號與電流傳感信號之間的關係1400，這是為了 經過控制器1208的處理而為多個光源從一個反饋信號LEDismse中產生多個控制信號。每個 重疊控制信號的佔空比都為0. 5。 LED電流檢測器1210檢測電流i，sense. 0和i，sense. N對 反饋信號LEDisra_或者比較器輸出信號V。。mp的貢獻，檢測時間是在控制信號CS2. 0和CS2. N 不重疊的時候。例如，LED電流檢測器1210檢測電流i，smse. 0的貢獻，時間是從^到t2， 從t5到t6，從t9到t1Q等等。類似地，LED電流檢測器檢測電流N的貢獻，時間是從 t3到V從^到V等等。 (86)圖15示出了照明系統1500，它是照明系統300的一個實施例。照明系統1500 包括了 PFC開關1502，它是一個n-通道FET，並代表了開關308的一個實施例。PFC開關 1502工作於初級供電電壓Vx與共享參考電壓Ve。m之間。PFC開關1502不必直接聯接到初 級供電電壓l上。在至少一個實施例中，PFC開關1502通過其它組件(未示出)被耦合
19到初級供電電壓節點1506上，該節點傳導初級供電電壓Vx。照明系統1500也包括LED驅 動電流控制開關1504，它是一個n-通道FET並代表了開關310的一個實施例。LED驅動電 流控制開關1504通過開關LED系統304被耦合到連結電壓節點1508上。LED驅動電流控 制開關1504工作於連結電壓Vx與共享參考電壓V。。m之間。電壓Vx和Va都是開關功率轉 換器電壓，並都被稱為"高"供電電壓1510，因為它們反映了照明系統1500中的最高電壓。 節點1506和1508被稱為高電壓源節點。於是PFC開關1502就被稱為高電壓PFC開關，而 LED電流控制開關1504就被稱為高電壓LED電流控制開關。在至少一個實施例中，高供電 電壓1510的均方根(RMS)大於或等於IOOV。 (87)照明系統1500也包括PFC和輸出電壓控制器1512，它在至少一個實施例中 與控制器305相同。PFC和輸出電壓控制器1512在至少兩個低於高電壓1510的不同電壓 上進行操作。輸出緩衝器307和309在電壓Ve和共享參考電壓之間進行操作。電壓Vd氐 於或等於輔助電壓VAUX，並大於或等於數字參考電壓VD。電壓VB被設置得足夠大，能驅動開 關1502和1504的柵極電極，因此能控制開關1502和1504的導通性。電壓VB被稱為"中 等水平供電電壓"。在至少一個實施例中，中等水平供電電壓的範圍為8V-50V。
(88)照明系統1500也包括一個數位訊號處理器(DSP) 1514，以產生PFC控制信號 CS1D和LED電流控制信號CS2D。 DSP 1514被耦合到一個LED反饋節點1518上。DSP 1514在 數字供電電壓V。與共享參考電壓V。。m之間進行操作。數字供電電壓V。足以操作DSP 1504 的數字組件，譬如，其電壓範圍為3V-8V。電平變換器(LS) 1516將來自DSP 1504的數字PFC 控制信號CS1D和數字LED電流控制信號CS2D都轉換至足以控制各自的緩衝器307和309導 通的電平上。數字供電電壓V。可以是降壓的輔助電壓V皿，它是由控制器1512在內部產生 的。 (89)於是，雖然控制器1512工作於數字電壓V。和輔助電壓V皿上，而且開關工作 於高電壓1510上，但照明系統1500卻有共享的參考電壓V，，使照明系統1500的全部組件 都能一起工作。由於用輔助電壓V皿進行工作，控制器1512的製造成本就可以低於工作於 高電壓1510上的控制器。 (90)於是，在至少一個實施例中，LED照明系統控制器工作於供電電壓V皿上，它 低於連結電壓Vd，後者是由LED照明功率系統相對於共享參考電壓在共享參考節點上產生 的。在至少一個實施例中使用了較低的電壓，於是控制器的製造成本就低於可比較的、使用 LED照明功率系統所產生的初級功率工作的控制器。此外，在LED照明系統正常工作時，分 別控制著功率因數校正和LED驅動電流的功率因數校正(PFC)開關和LED驅動電流開關都 被耦合到共享參考節點上，並有控制節點到共享節點的絕對電壓，使控制器可控制這些開 關的導通性。在至少一個實施例中，PFC開關和LED驅動電流開關每個都有控制從節點到 共享節點的絕對電壓，其值在相對於共享參考電壓的連結電壓絕對值的15%之內。在至少 一個實施例中，LED照明系統利用前饋式控制來同時改變LED照明功率系統所需的功率以 及一個或多個開關LED系統所需的功率。在至少一個實施例中，LED照明系統利用一個共 享的電流傳感裝置來為控制器提供一個共享的反饋信號，該控制器在至少兩個開關LED系 統中反映著電流。 (91)儘管已經詳細描述了本發明，但是必須知道，仍然可以在不偏離所附權利要 求定義的本發明的範圍和精神的條件下進行多種變化、替代和更改。
20
權利要求
一個發光二極體(LED)照明系統包括一個功率因數校正(PFC)和LED驅動控制器，該控制器由以下部分組成一個數位訊號處理器，它耦合到LED反饋節點上並被配置得能夠工作於數字水平供電電壓上；產生一個PFC控制信號；以及產生一個LED電流控制信號；一個第一緩衝器，它被耦合到處理器上，並作如下配置工作於中等水平供電電壓上，此處中等水平供電電壓高於數字水平供電電壓；接收PFC控制信號；並且將PFC控制信號轉換成PFC開關控制信號，以控制高壓PFC開關的導通性；以及一個第二緩衝器，它被耦合到處理器上，並作如下配置工作於中等水平供電電壓上；接收LED電流控制信號，並且將LED電流控制信號轉換成LED電流控制開關信號，以控制高壓LED電流控制開關的導通性。
2. 權利要求1所述的照明系統，其控制器還包括一個LED反饋節點用以接收LED電流反饋信號，後者反映一個或多個開關LED系統中 的一個或多個電流水平；以及一個電壓反饋節點用以接收一個輸入電壓反饋信號，後者反映出供給照明系統的輸入 電壓水平。本發明的處理器被進一步配置得能夠產生PFC控制信號，以對被輸入電壓反饋信號所 代表的輸入電壓水平做出反應，並能產生LED驅動電流控制信號，以對被LED電流反饋信號所代表的一個或多個電流水平做出反應。
3. 權利要求1所述的照明系統，它的數字供電電壓的絕對值低於或等於8V，中等供電 電壓的絕對值低於或等於50V，高電壓PFC開關被耦合到兩個電壓節點之間，在該照明系統 正常工作時，其電壓差至少為100V，高電壓LED驅動電流開關被耦合到兩個電壓節點之間， 在該照明系統正常工作時，其電壓差至少為100V
4. 權利要求1所述的照明系統還進一步包括有 一個共享電壓參考節點； 傳導初級電壓的第一高電壓源節點； 傳導該照明系統的連結電壓的第二高電壓源節點； 耦合到共享電壓參考節點和第一高電壓源節點上的PFC開關；以及LED電流控制開關，以控制至少一個LED的電流，其中，LED電流控制開關被耦合到共享 電壓參考節點和第二高電壓源節點上；在本發明中，當該照明系統正常工作時，LED照明系統的PFC開關和LED電流控制開關 都有各自的控制從節點到共享節點的電壓，其絕對值可使控制器控制住這些開關的導通， 對於被調光信號所指示的每個調光水平，它們都給LED開關系統進行功率因數校正並提供 近似恆定的電流。
5. 權利要求4所述的照明系統，在它的PFC開關和LED電流控制開關中，控制從節點到共享節點的電壓低於或等於相對於共享電壓參考節點電壓的第一電壓源節點電壓的O. 15倍。
6. 權利要求4所述的照明系統，它包括PFC開關和LED電流控制開關，它們都是以下組件組的成員場效應電晶體和絕緣柵雙極性電晶體。PFC開關和LED電流控制開關的控制節點都是以下組件組的成員場效應電晶體的柵極節點，絕緣柵雙極性電晶體的柵極節點；以及PFC開關和LED電流控制開關的共享節點都是以下組件組的成員場效應電晶體的源極節點，絕緣柵雙極性電晶體的發射極。
7. 權利要求4所述的照明系統還包括電流傳感裝置，它被耦合到LED驅動電流開關節點上和共享電壓參考節點上，在該照明系統正常工作時，其電流傳感裝置上的電壓低於或等於相對於共享電壓參考節點電壓的第一電壓源節點電壓的0. 15倍，並為控制LED電流控制開關而提供反饋信號。
8. 權利要求7所述的照明系統還包括LED驅動電流開關陣，其內的每個LED驅動電流開關都控制著至少一個LED的電流，並被耦合到共享電壓參考節點上，第一電壓源節點上，以及控制器上；以及一個電流傳感裝置，它被耦合到LED驅動電流開關上，在本照明系統正常工作時，該電流傳感裝置在全部LED驅動電流開關中檢測電流，並提供反饋信號，供控制器用於控制全部LED電流控制開關的電流。
9. 權利要求8所述的照明系統還包括多個LED鏈，每個鏈包括一個或多個LED,每個LED鏈都被耦合到一個電流傳感裝置上。
10. 權利要求7所述的照明系統，其電流傳感裝置是一個電阻。
11. 權利要求1所述的照明系統還進一步包括有一個調光信號輸入裝置以接收一個調光信號；其控制器的配置使之能夠控制被開關功率轉換器傳送給開關LED系統的功率；以及改變功率因數校正控制系統所需的功率，同時根據調光信號所指示的調光水平的變化而改變開關功率轉換器提供的功率。
12. 權利要求11所述的照明系統，它的控制器包含一個第一控制模塊，供開關功率轉換器控制功率因數校正，還包含一個第二控制模塊來控制開關功率轉換器提供的功率，且第一和第二控制模塊都包含輸入裝置用以接收調光信號
13. 權利要求1所述的照明系統，在該系統正常工作時，中等電壓低於或約等於相對於共享電壓參考節點電壓的第一高電壓源節點電壓的15%。
14. 權利要求4所述的照明系統還包括一個第三電壓源節點用以傳導第三電壓，第三電壓低於連結電壓及供電電壓；還有一個或多個電晶體，它們被耦合到第三電壓源節點和共享電壓參考節點上，此一個或多個電晶體在第三電壓源節點的電壓和共享電壓參考節點的電壓上進行操作。
15. —種方法包括在數字水平供電電壓上操作功率因數校正(PFC)和輸出電壓控制器的數位訊號處理器；產生一個PFC控制信號；還有 產生一個LED電流控制信號；在中等水平供電電壓上操作被耦合到處理器上的第一緩衝器，此處的中等水平供電電壓大於數字水平供電電壓；接收PFC控制信號將PFC控制信號轉換成PFC開關控制信號用以控制高電壓PFC開關的導通性；以及在中等水平供電電壓上操作被耦合到處理器上的第二緩衝器；接收LED電流控制信號；以及將LED電流控制信號轉換成LED電流控制開關信號用以控制高電壓LED電流控制開關的導通性。
16. 權利要求15所述的方法，它的控制器包含一個LED反饋節點用以接收LED電流反饋信號，後者反映了一個或多個開關LED系統中的一個或多個電流的水平，還包含一個電壓反饋節點用以接收輸入電壓反饋信號，後者反映了供給該照明系統的輸入電壓水平。該方法還包含產生PFC控制信號以對輸入電壓反饋信號所反映的輸入電壓水平做出反應；以及產生LED驅動電流控制信號以對LED電流反饋信號所反映的一個或多個電流水平做出反應。
17. 權利要求15所述的方法，其中數字供電電壓的絕對值低於或等於8V，中等水平供電電壓的絕對值低於或等於50V，高電壓PFC開關被耦合到兩個電壓節點之間，在該照明系統正常工作時，此二節點間的電壓差至少為IOOV，高電壓LED驅動電流開關被耦合到兩個電壓節點之間，在該照明系統正常工作時，此二節點間的電壓差至少為IOOV。
18. 權利要求15所述的方法，該方法還包含產生一個第一電壓，其中該第一電壓是連結電壓；在相對於共享電壓的第一源電壓上操作LED照明功率系統的開關功率轉換器，其中，開關功率轉換器包括PFC開關；在控制節點到共享節點、絕對電壓上操作PFC開關，使PFC和輸出電壓控制器能夠控制PFC開關，並為開關功率轉換器進行功率因數校正；在控制節點到共享節點、絕對電壓上操作LED電流控制開關，使PFC和輸出電壓控制器能夠控制LED電流控制開關，並在被調光信號所指示的每個調光水平上為LED開關系統提供近似恆定的電流；以及用PFC和輸出電壓控制器來控制PFC開關和LED電流控制開關的導通性。
19. 權利要求18所述的方法，其中在控制節點到共享節點、絕對電壓上操作開關功率轉換器的PFC開關，使PFC和輸出電壓控制器能夠控制PFC開關，並為開關功率轉換器進行功率因數校正，這包括用控制從節點到共享節點的絕對電壓來操作LED照明功率系統的PFC開關，該絕對電壓低於或等於相對於共享參考電壓的第一源電壓值的O. 15倍；以及在控制節點到共享節點、絕對電壓上操作LED電流控制開關，使PFC和輸出電壓控制器能夠控制LED電流控制開關，並在被調光信號所指示的每個調光水平上為LED開關系統提供近似恆定的電流，這包括在控制節點到共享節點、絕對電壓上操作LED電流控制開關，該絕對電壓低於或等於相對於共享參考電壓的第一源電壓值的0. 15倍。
20. 權利要求18所述的方法，其PFC和LED電流控制開關包含場效應電晶體；用PFC和輸出電壓控制器來控制PFC開關和LED電流控制開關的導通性，這包含向PFC開關和LED電流控制開關的柵極提供各自的由佔空比調製的控制信號。
21. 權利要求18所述的方法還包含接收經過整流的初級供電電壓，它的均方根(RMS)值大於中等供電電壓；將初級供電電壓升到第一源電壓，提升初級供電電壓還包含對PFC開關的導通性進行調製，以產生一個經過功率因數校正的第一源電壓。
22. 權利要求18所述的方法，其開關LED系統包含LED,且控制LED電流控制開關的導通性還包含接收來自開關LED系統的反饋信號；以及對該反饋信號做出反應，以保持進入每個LED的電流的預設值。
23. 權利要求22所述的方法還包含檢測一個電阻上的電壓，該電阻反映了通過每個LED的電流，因而在該電阻上測得的電壓即是反饋信號。
24. 權利要求18所述的方法還包含在各自的電流節點電壓上操作額外的LED電流控制開關，該電壓低於或等於相對於共享參考電壓的第一源電壓值的O. 15倍，每個LED電流控制開關都控制著通過各自LED鏈的電流，且每個LED鏈都包含至少一個LED ;接收一個反饋信號，該信號反映了每個LED電流控制開關所傳導的電流；以及用PFC和輸出電壓控制器來控制每個LED電流控制開關的導通性，以對反饋信號做出反應。
25. 權利要求24所述的方法，根據此方法，用PFC和輸出電壓控制器來控制每個LED電流控制開關的導通性以對反饋信號做出反應，還包含著在單獨的時間段內測定每個LED電流控制開關所傳導的電流。
26. 權利要求18所述的方法還包含在各自的電流節點電壓上操作額外的LED電流控制開關，該電流節點電壓低於或等於相對於共享參考電壓的第一源電壓值的O. 15倍，每個LED電流控制開關都控制著通過各自LED鏈的電流，且每個LED鏈都包含至少一個LED ;接收反饋信號，每個反饋信號都反映了一個LED電流控制開關所傳導的電流；以及用PFC和輸出電壓控制器來控制每個LED電流控制開關的導通性，以對反饋信號做出反應。
27. 權利要求18所述的方法還包含接收一個調光信號；以及控制PFC開關和LED電流控制開關的導通性還包含根據調光信號所指示的調光水平的變化來同時控制PFC開關和LED電流控制開關的導通性，以改變LED照明功率系統對功率的需求並改變該照明系統所提供的功率。
28. 權利要求18所述的方法，其中，第二源電壓近似小於或等於第一源電壓的15%。
29. 權利要求18所述的方法還包含在第三電壓源節點和共享電壓參考點上操作PFC和輸出電壓控制器的一個或多個電晶體，其中，第三電壓低於連結電壓和第二源電壓。
30. —種發光二極體(LED)照明系統包括一個LED照明功率系統，在LED照明系統正常工作時，該LED照明功率系統產生相對於共享電壓而言的第一源電壓，該第一源電壓是連結電壓，且此LED照明功率系統包含一個開關電源，其具有功率因數校正(PFC)開關，當該LED照明系統正常工作時，LED照明功率系統的PFC開關在電流節點電壓上進行操作，該電流節點電壓小於或等於相對於共享參考電壓的第一源電壓值的0. 1倍；以及一個LED電流控制開關，當該LED照明系統正常工作時，LED電流控制開關在電流節點電壓上進行操作，該電流節點電壓小於或等於相對於共享參考電壓的第一源電壓值的0. 1倍；一個PFC和輸出電壓控制器，它們耦合到第一及LED驅動電流開關的導通性控制節點上，當該LED照明系統正常工作時，該控制器在相對於共享電壓的第二源電壓上進行操作，並控制著PFC開關和LED電流控制器的導通性；以及至少有一個LED耦合到LED電流控制開關上。
全文摘要
發光二極體(LED)照明系統包括有一個PFC和輸出電壓控制器，以及一個LED照明功率系統。該控制器的優點在於其工作於輔助電壓上，該輔助電壓低於LED照明功率系統所產生的連結電壓。共享參考電壓使照明系統的全部組件都能一起工作。一個功率因數校正開關和一個LED驅動電流開關被耦合到共享參考節點上，並有控制從節點到共享節點的絕對電壓，這使控制器能夠控制開關的導通性。該LED照明系統可以利用前饋式控制來同時改變LED照明功率系統對功率的需求以及一個或多個LED對功率的需求。該LED照明系統可以利用一個共享電流傳感裝置向控制器供給共享反饋信號，該控制器反映了至少兩個LED的電流。
文檔編號H05B33/08GK101707874SQ200880008270
公開日2010年5月12日 申請日期2008年3月12日 優先權日2007年3月12日
發明者約翰·L·梅蘭松 申請人:塞瑞斯邏輯公司