用於驅動至少一個發光二極體的電路裝置和方法
2023-09-20 23:10:05 2
專利名稱：用於驅動至少一個發光二極體的電路裝置和方法
技術領域：
本發明涉及一種用於驅動至少一個LED (發光二極體)的電路裝置 和方法。
背景技術：
LED由於其優點而越來越多地使用於通用照明中。在本上下文中， 希望的M本低廉的驅動電路。迄今，使用所謂的SELV(安全特低電壓) 電流供給，該電流供給提供了與電網電勢隔離的保護低電壓，用於為LED 供電。在此，在現有技術中花費巨大的電路技術的開銷，以便保證功率因 數校正、電勢隔離、輸出電壓或輸出電流的調節的功能以及防止過栽和短 路的保護措施。發明內容本發明的任務在於提供一種用於驅動至少一個LED的電路裝置和方 法，該電路裝置能夠在儘可能低的電a術開銷的情況下實現上述功能中 的多個功能。該任務通過具有權利要求1所述特徵的電路裝置以及通過具有權利 要求10所述特徵的驅動方法來解決。本發明基於以下知識上述任務可以通過包括逆變器的電路裝置來解 決，該逆變器通過具有諧振電路的匹配網絡來驅動所述至少一個LED， 其中逆變器通過泵浦電路在功率因數和電網電流諧波方面被進行校正。如果直接從第一整流器對主儲能器充電，則會形成充電電流"％值，該 充電電流峰值會導致it^有關規定例如IEC 1000 - 3 - 2。電荷泵的拓樸包含有整流器通過電子泵浦開關與主儲能器耦合。由 此，在整流器與電子泵浦開關之間形成泵浦節點。泵浦節點通過泵浦網絡 與逆變器輸出端耦合。泵浦網絡可以包含能同時分配給匹配網絡的部件。 電荷泵的原理在於，在逆變器頻率的半周期中通過泵浦節點獲取電網電壓的能量並且緩存在泵浦網絡中。在逆變器頻率的接下來的半周期中，^L緩 存的能量通過電子泵浦開關輸送給主儲能器。因此以逆變器頻率的節拍從電網電壓中獲取能量。可以通過濾波電路 抑制電網電流在逆變器頻率附近或者在該頻率之上的譜分量。由此，電荷 泵可以設計為使得電網電流的諧波低到遵守上述規定。一個優選的實施形式的特色在於，其包括第二整流器，特別是全橋整 流器，該第二整流器耦合在匹配網絡與用於所述至少一個LED的連接端 子之間。通過這些措施，保證了所有由匹配網絡提供的能量以使得該能量 可以由LED轉換成光的形式(即電流方向)提供給所述至少一個LED。 因此，該措施導致根據本發明的電路裝置的高效率。優選地，電路裝置此外還包括至少一個耦合電容器，並且匹配網絡包 括LC串聯諧振電路，其中第二整流器的整流輸入端一方面與LC串聯諧 振電路的高點耦合而另一方面與所述至少一個耦合電容器耦合。與LC串 聯諧振電路的電感器串聯的至少一個耦合電容器防止了直流電流通過該 電感器，並且由此防止了其磁飽和以及防止降低其作為限流元件的效率。 相對於在逆變器上的電壓，在第二整流器的輸入端上的電壓振幅 (Spannungshub )決定了對電網電流諧波校正的質量。優選地，在匹配網絡與用於所述至少一個LED的連接端子之間耦合 有變壓器。由此，能夠以簡單的方式和方法實現電路裝置與所述至少一個 LED之間的電勢隔離。在此特別優選的是，變壓器的初級側與匹配網絡耦合而變壓器的次級 側與用於所述至少一個LED的連接端子耦合，其中在變壓器的次級側與 用於所述至少一個LED的連接端子之間耦合有第二整流器，尤其是耦合 有全橋整流器。在^f吏用第二整流器的情況下，優選的是與整流輸出端和用於所述至少 一個LED的連接端子串聯地設置有電感器。通過這樣的措施降低了輸送 給所述至少一個LED的電流的波動(ripple )。根據本發明的電路裝置的一個優選的改進方案此外還包括調節器，在 該調節器的調節器輸出端上可以提供調節信號，其中調節器輸出端與逆變 器耦合，4吏得調節信號影響逆變器頻率。優選地，在此調節器輸入端與用 於測量與通過所述至少一個LED的電流成比例的量的裝置耦合。由此， 在考慮到負載(即所使用的LED的數目、電網電壓和整個電路的部件公差)的情況下，可以以特別有利的方式將LED電流調節到可預先給定的 值上。本發明的另外的優點M屬權利要求中得到。參考根據本發明的電路裝置所提及的優選的實施形式及其優點相應 地適於祁^據本發明的方法，
在下面將參照所附的附圖更詳細地描述根據本發明的電路裝置的實 施例。其中圖1示出了根據本發明的用於驅動至少一個LED的電路裝置的框圖。 圖2示出了^IL據本發明的用於驅動至少一個LED的電路裝置的實施例。圖3示出了從電網中獲取的電流INetz以及通it^根據圖2的電路裝置 中的LED的電流Iled的時間曲線。
具體實施方式
在圖1中示出了根據本發明的用於驅動至少一個LED的電路裝置的 框圖。來自電網電壓源的電網電壓可以在連接端子J上被輸送給電路裝 置。電網電壓首先被饋送到塊FR中。 一方面，該塊包含用於對幹擾進行 濾波的已知裝置，而另一方面，該塊包含整流器，該整流器對通常是交流 電壓但也可以是直流電壓的電網電壓進行整流。通常，為此全波整流器被 使用在橋式電路中。對於在電路裝置中所實現的電荷泵的功能，重要的是 整流器的特性，即整流器不允許任何意味著從電路裝置到電網電源的能量 流的電流。整流後的電網電壓被輸送給電子泵浦開關UNI，其中在整流器FR和 電子泵浦開關UNI之間的連接部位處形成泵浦節點Nl。在最簡單的情況 下，電子泵浦開關UNI由泵浦二極體構成，該泵浦二極體僅僅允許從泵 浦節點N1流向泵浦二極體的電流。然而也可能的是，任意電子開關譬如 MOSFET (金屬氧化物半導體場效應電晶體)用於電子泵浦開關UNI， 該電子泵浦開關實現了泵浦二極體的功能。電子泵浦開關UNI允許其通過電流被饋送給主儲能器STO。通常，主儲能器STO實施為電解電容器。 然而其他電容器類型也是可能的。原理上，關於電容器的雙重儲能形式也 是可能的。在雙重形式的情況下，主儲能器STO實施為線團。由於成本 更低並且效率更好，電容器優選作為主儲能器STO。也存在具有多個所謂的泵浦支路的電荷泵的實施形式。在此，多個電 子泵浦開關UNI並聯。由此，形成多個泵浦節點N1。為了使泵浦節點相 互去耦，分別在整流器與泵浦節點之間連接有二極體。主儲能器STO將其能量提供給逆變器INV。逆變器INV產生交變量， 通常是輸送給用MN和PN表示的塊的交流電壓。MN表示塊的功能為匹 配網絡。關於該功能，塊MN/PN可以通過另一整流器GR以及電感器L 與至少一個LED相連。在此，整流器GR保證了僅在由LED可將電流轉 換成光的方向上為所述至少一個LED提供電流。也可以通過變壓器實現 的電感器L用於降低流經所述至少一個LED的電流lLED的波動。PN表 示塊的功能為泵浦網絡。關於該功能，塊MN/PN與泵浦節點N1相連。 在圖1中，泵浦節點Nl與塊MN/PN之間的連接線在兩端都設置有箭頭。 由此要表明的是，能量交替地從泵浦節點Nl流向塊MN/PN以及向回流。匹配網絡和泵浦網絡的功能在塊MN/PN中^ia合，因為本發明的實施形式可能的是，其中單個部件不僅可以分配給一個功能而且也可以分配給另 一功能。為了調節所希望的工作參數，設置有調節器CONT，該調節器通過 調節量來影響逆變器INV。由此，由逆變器發出的交變量的^lt(例如工 作頻率和/或脈衝寬度)被改變，使得^^作用於工作^lt的改變。工作參 數通過連接Bl被輸送給調節器CONT的輸入端。工作>|*1決定LED 的運行的量，例如通過LED的電流ItED。所以在圖1中，連接B1源自 於LED的塊。替代通過LED的電流Io:D，在LED中所轉換的功率例如 也可以構成工作M。這些量並非必須直接在LED上祐:檢測，而是也可 以從塊MN/PN中獲取。在圖2中示出了才艮據本發明的用於驅動至少一個LED的實施例。在連接端Jl和J2上可連接有電網電壓。通過由兩個電容器C1、 C2 和兩個線圏L1、 L2構成的濾波器將電網電壓輸送給由二極體D1、 D2、 D3、 D4構成的全橋整流器。該全橋整流器在其相對於參考節點N0的正 輸出端上將整流後的電網電壓提供給節點N21。節點N21同時是泵浦節7點。在此，要注意的是，在整流器中使用的二極體D1至D4必須能夠足 夠快速地切換，以《更跟隨整流器頻率。如果情況並非如此，則可以在整流 輸出端與泵浦節點之間連接快速二極體。實施為4管D5的電子泵浦開關被從泵浦節點N21引向節點N22。 在N22與N0之間連接有主儲能器，該主儲能器實施為電解電容器C6。 電容器C6對在此實施為半橋的逆變器饋電。然而，也可以使用其他的變 換器拓樸，譬如反向變換器或者全橋。在圖2中的實施例中所示的半橋包括兩個半橋電晶體Tl和T2的串 聯電路和兩個耦合電容器C15和C16的串聯電路。這兩個串聯電路與C6 並聯。半橋電晶體的連接節點N23和耦合電容器C15、 C16的連接節點 N24構成逆變器，在該逆變器上施加有具有逆變器頻率的梯形逆變器電 壓。在節點N23與節點N25之間連接有電感器L3。電容器C8用作梯形 電容器。通過電容器C7使能量分流用於供給集成電路IC1，下面對此還 將更為詳細地予以介紹。由於在逆變器工作時在節點N23上存在梯形的 電壓，所以在該時間期間通過電容器C7形成電流。在此，在二極體D17 上的正半波被用於對電路IC1進行電流供給，而在二改管D18上的負半 波被導向參考電勢N0。節點N25通過第一諧振電容器C9與泵浦節點N21 相連。在N21與N0之間連接有第二諧振電容器C5。 C9和C5與電感線 圍L3 —同構成諧振電路。電感線團L3與C9和C5 —同起匹配網絡的作 用，該匹配網絡將逆變器的輸出阻抗變換成對驅動所述至少一個LED所 需的阻抗。然而，通過將C9和C5與泵浦節點N21相連，L3、 C9和C5 的組合不僅作為諧振電路和匹配網絡起作用，而且同時作為泵浦網絡起作 用。如果在N21上的電勢低於瞬時電網電壓，則泵浦網絡L3、 C9、 C5 從電網電壓中獲取能量。如果N21上的電勢超過主儲能器C6上的電壓， 則從電網電壓中獲取的能量被輸iH^ C6。通iti^擇C9和C5的電容值的 關係，可以調整網絡L3、 C9、 C5作為泵浦網絡的效果。C5的電容值被 選擇得越大，網絡L3、 C5、 C9作為泵浦網路的效果就越低。另一泵浦作 用基於連接在N23與N21之間的電容器C8。 C8也不僅用作泵浦網絡， 而且如所提及的那樣實現了梯形電容器的任務。梯形電容器通常作為用於 在逆變器中的減輕開關的負荷的措施而祐/>開。跟著匹配網^ML後是第二全橋整流器，該全橋整流器由二極體D7、 D8、 D9和D10構成。這保證了僅一個方向的電流被輸送給LED。在整 流輸出端與用於所述至少一個LED的連接端J3、 J4之間設置有恆流電感線團L2，恆流電感線團負責減少輸送給所述至少一個LED的電流IMD 的波動。在根據本發明的電路裝置與所述至少一個LED之間希望電勢隔 離的情況下，恆流電感線團L2可以通過變壓器來實現，其中第二整流器 D7至D10於是設置在變壓器的次級側上。除了所示的具有泵浦支路的變形方案之外，具有兩個或者多個泵浦支 路的實施例也是可能的，其中被泵浦的能量被分配給多個部件。由此，可 以較低成本地設計部件的尺寸。由此也獲得在設計被泵浦的能量與所述至 少一個LED的工作^lt的相關性時的自由度。半橋電晶體T1、 T2設計為MOSFET。其他的電子開關也可用於此。 為了通過電阻R5和R6驅動電晶體Tl和T2的柵極，在該實施例中設置 有集成電路IC1。 IC1在本實施例中是國際整流器公司(International Rectifier)的型號為IR2153的電路。從市場上也可獲得該類型的替代的 電路，例如STM公司的L6571。開關電路IR2153包含所謂的高壓側驅 動器(High Side Treiber )，儘管該驅動器在參考電勢NO上沒有連接端， 但藉助該驅動器也可以驅動半橋電晶體Tl。對此，需要二極體D6和電 容器C4。 IC1的工作電壓供給通過IC1的連接端1來進行。在圖2中， 為此將連接端1與節點N26相連，該節點N26通過電阻R18耦合到節點 N22。節點N26上的電壓通過齊納二極體D12保持在可預先給定的值， 並且通過電容器C18提供給IC1。替代地，部件IC1例如可以通過電阻 被以整流後的電網電壓供電。除用於半橋電晶體T1、 T2的驅動電膝t外，IC1還包括振蕩器，該 振蕩器的振蕩頻率可以通過連接端2和3來調節。振蕩器的振蕩頻率對應 於逆變器頻率。在連接端2與3之間連接有確定頻率的電阻R12。在連接 端3與N0之間連接有確定頻率的電容器C12和雙極型電晶體T3的發射 極—集電極路徑的串聯電路。二極體D13與T3的發射極—集電極路徑並 聯，由此能夠對電容器C12充電和放電。通過T3的^fel連接端與N0之 間的電壓，可以調節逆變器頻率，並且由此形成對調節電路的調節量。 T3的基極連接端與調節量節點N24相連。T3、 IC1和其電路由此可以理 解為調節器。IC1的功能及其電路也可以通過任意的電壓控制或者電流控制的振 蕩器來實現，該振蕩器通過驅動電路實現對半橋電晶體的驅動。在該實施例中的調節電路檢測作為調節量的通過LED的電流Iled。對此，與電流ItED成比例的量通過電容器C17和二極體D14及D15輸送 給低阻值的測量電阻R7。 R7上的電壓降由此是通過所述至少一個LED 的電流的凡變。通過由電阻R8和電容器C19構成的、用於形成平均值的 低通濾波器，電壓降到達非反相的測量放大器的輸入端。測量放大器以已 知的方式通iti^算放大器AMP和電阻R9、 R10和Rll來實現。在該實 施例中，測量放大器的放大設置為大約10。對於R7上的電壓降具有可以 直接用作調節量的值的情況，測量放大器可以被去掉，或者被阻抗變換器 譬如射極跟隨器替代。測量放大器的輸出端與節點N27相連。由此，閉合了用於調節通過 LED的電流的調節電路。通過提高振蕩器頻率，由於感性的負載電路而 實現了減小流經所述至少一個LED的電流I^D。圖3以示意性布置示出了電網電流In泡的時間曲線以及通it^^^據圖 2的電路裝置中的所述至少一個LED的電流lLED的時間曲線。圖3中還 可看到的流經所述至少一個LED的電流I^D的調製(在此是與高頻的信 號疊加的100Hz調製，)可以通過優化上述調節來進一步降低，而高頻波 動可以通過增大恆流電感線圍L2來減小。
權利要求
1.一種用於驅動至少一個LED的電路裝置，包括-用於連接電網電壓的第一和第二電網連接端(J)；-第一整流器(FR)，其整流輸入端與電網連接端(J)耦合，並且在其整流輸出端上能夠提供整流後的電網電壓；-電子泵浦開關(UNI)，該電子泵浦開關與整流輸出端耦合，由此限定了泵浦節點(N1)；-主儲能器(STO)，該主儲能器與電子泵浦開關(UNI)的遠離整流輸出端的側耦合；-逆變器(INV)，該逆變器與主儲能器(STO)耦合用於從主儲能器供給能量，其中逆變器(INV)被設計為在其逆變器輸出端上提供具有逆變器頻率的逆變器電壓；-泵浦網絡(PN)，逆變器輸出端通過該泵浦網絡與泵浦節點(N1)耦合；-匹配網絡(MN)，逆變器輸出端通過該匹配網絡與用於所述至少一個LED的連接端子(J)耦合，其中匹配網絡(MN)具有帶有固有頻率的諧振電路。
2. 根據權利要求1所述的電路裝置，其特徵在於，該電路裝置還包括 第二整流器(GR)，特別是全橋整流器(D7， D8， D9， D10 )，該第二整 流器耦合在匹配網絡(L3， C9)與用於所述至少一個LED的連接端子(J3， J4)之間。
3. 根據權利要求2所述的電路裝置，其特徵在於，該電路裝置還具有 至少一個耦合電容器(C15; C16)，並且匹配網絡(MN)包括LC串聯諧 振電路(L3, C9)，其中第二整流器(D7， D8, D9， D10)的整流輸入端 一方面與LC串聯諧振電路的高點耦合，而另一方面與所述至少一個耦合 電容器(C15; C16)耦合。
4. 根據權利要求l所述的電路裝置，其特徵在於，在匹配網絡與用於 所述至少一個LED的連接端子之間耦合有變壓器。
5. 根據權利要求4所述的電路裝置，其特徵在於，變壓器的初級側與 匹配網絡耦合，而變壓器的次級側與用於所述至少一個LED的連接端子耦合，其中在變壓器的次級側與用於所述至少一個LED的連接端子之間 耦合有第二整流器，特別是全橋整流器。
6. 根據權利要求2、 3或者5所述的電路裝置，其特徵在於，電感器 (L2)與第二整流器(D7， D8， D9， D10)的整流輸出端和用於所述至少一個LED的連接端子(J3， J4)串聯設置。
7. 根據上述權利要求中任一項所述的電路裝置，其特徵在於，該電路 裝置還包括調節器(CONT)，在其調節器輸出端上能夠換:供調節信號， 其中該調節器輸出端與逆變器(INV)耦合，使得調節信號影響逆變器頻 率。
8. 根據權利要求7所述的電路裝置，其特徵在於，調節器輸入端與用 於測量與通過所述至少一個LED的電流成比例的量的裝置(Bl)耦合。
9. 根據上述權利要求中任一項所述的電路裝置，其特徵在於，該電路 裝置被設計用於驅動在該電路裝置的輸出端子(J3, J4)之間串聯的多個 LED。
10. —種用於在電路裝置上驅動至少一個LED的驅動方法，該電路 裝置具有用於連接電網電壓的第一和第二電網連接端(J);第一整流器(FR)，其整流輸入端與電網連接端(J)耦合，而在其整流輸出端上提供 整流後的電網電壓；電子泵浦開關(UNI)，其與整流輸出端耦合，由此限 定泵浦節點(Nl);主儲能器(STO),其與電子泵浦開關(UNI)的、遠 離整流輸出端的側耦合；逆變器(INV)，其與主儲能器(STO)耦合用於 從該主儲能器(STO)供給能量，其中該逆變器(INV)在其逆變器輸出 端上提供具有逆變器頻率的逆變器電壓；泵浦網絡(PN),逆變器輸出端 通過該泵浦網絡與泵浦節點(Nl)耦合；以及匹配網絡(MN)，逆變器輸 出端通過該匹配網絡與用於所述至少一個LED的連接端子(J)耦合，其 中該匹配網絡(MN)具有帶有固有頻率的諧振電路。
全文摘要
本發明涉及一種用於驅動至少一個LED的電路裝置，包括用於連接電網電壓的第一和第二電網連接端(J)；第一整流器(FR)，其整流輸入端與電網連接端(J)耦合，並且在其整流輸出端上可提供整流後的電網電壓；電子泵浦開關(UNI)，該電子泵浦開關與整流輸出端耦合，由此限定了泵浦節點(N1)；主儲能器(STO)，該主儲能器與電子泵浦開關(UNI)的背離整流輸出端的側耦合；逆變器(INV)，該逆變器與主儲能器耦合，用於從主儲能器供給能量，其中逆變器被設計為在其逆變器輸出端上提供具有逆變器頻率的逆變器電壓；泵浦網絡(PN)，逆變器輸出端通過該泵浦網絡與泵浦節點(N1)耦合；匹配網絡(MN)，逆變器輸出端通過該匹配網絡與用於所述至少一個LED的連接端子(J)耦合，其中匹配網絡(MN)具有帶有固有頻率的諧振電路。本發明還涉及一種用於驅動至少一個LED的相應的驅動方法。
文檔編號H05B33/08GK101326859SQ200680045867
公開日2008年12月17日 申請日期2006年11月29日 優先權日2005年12月7日
發明者彼得·尼德邁爾, 貝恩德·魯道夫 申請人:奧斯蘭姆有限公司