Led驅動器的調光的製作方法
2023-06-01 03:57:56
專利名稱：Led驅動器的調光的製作方法
技術領域：
本發明涉及發光二極體(LED)驅動器的領域，並且更具體而言涉及LED驅動器的調光以獲得非常低的調光水平。
背景技術：
LED越來越多地用於各種照明應用。許多這種應用要求LED驅動器可調光，以改變 LED產生的光的量。此外，在產生不同顏色的光的LED的組合中，其中不同的顏色被混合，以獲得具有特定色溫的光，需要用於一種顏色或者若干種顏色的LED的驅動器可調光。
用於可調光LED驅動器目的的現有轉換器主要是硬開關轉換器。使用硬開關轉換器具有如下缺點硬開關轉換器不具有高效率，並且它們生成相對高水平的電磁幹擾 (EMI)。
硬開關轉換器的相對低的效率導致在通常使用的高轉換器頻率下的功耗增加。結果，某些轉換器功率部件的冷卻變成主要問題，這限制了期望的轉換器小型化。
生成相對高水平的EMI意味著需要保留相對大的區域以用於市電過濾，這進一步限制了轉換器的小型化。
LED驅動器通常使用脈衝寬度調製(PWM)來調光，其例如在參考文獻US 6，510，995中公開的使用諧振轉換器。對於PWM操作中非常小的佔空比而言，受PWM控制的轉換器不可以提供期望的佔空比穩定性。佔空比的不穩定性可以導致不期望的閃爍。發明內容
期望的是提供一種LED驅動器電路，其提供LED單元的穩定的深度調光。
為了更好地處理這些憂慮中的一個或者多個，在本發明的第一方面中，提供了一種可調光的LED驅動器電路，其包括
諧振DC-DC轉換器，其包括具有至少第一轉換器開關和第二轉換器開關並且耦合到諧振電路的切換電路，以及耦合到該諧振電路的整流器電路；
輸出電路，耦合到整流器電路，該輸出電路包括被布置成耦合到LED單元的LED輸出端子；以及
控制電路，被配置用於以可變的切換頻率切換轉換器開關，控制電路還被配置成用於控制切換電路，以用於幅度調製轉換器以及以用於以低於切換頻率的第一脈衝寬度調製頻率來脈衝寬度調製轉換器。
在本發明的第二方面中，提供了一種用於控制可調光LED驅動器電路的方法，該方法包括
提供諧振DC-DC轉換器，其包括具有至少第一轉換器開關和第二轉換器開關並且耦合到諧振電路的切換電路，以及耦合到該諧振電路的整流器電路；
提供輸出電路，耦合到整流器電路，該輸出電路包括被布置成耦合到LED單元的 LED輸出端子；
以可變的切換頻率切換轉換器開關；以及
控制切換電路，以用於幅度調製轉換器，以及以用於以低於切換頻率的第一脈衝寬度調製頻率脈衝寬度調製轉換器。
通過參考以下詳細描述以及與附圖結合考慮，將更好地理解以及更容易地領會本發明的這些和其他方面，在附圖中，相似的參考標記指示相似部件。
圖1描繪了根據本發明的、耦合至意性電路圖2描繪了根據本發明的、耦合至意性電路圖3描繪了根據本發明的、耦合至意性電路圖4描繪了根據本發明的、耦合至意性電路圖5描繪了圖1至圖4中任一圖中的LED驅動器電路的諧振轉換器的電壓增益示意圖6描繪了圖4的LED驅動器電路的諧振轉換器的電壓增益示意圖7描繪了圖4的LED驅動器電路的備選實施例的諧振轉換器的電壓增益示意圖。
具體實施方式
圖1、圖2、圖3和圖4描繪了包括諧振DC-DC轉換器的LED驅動器電路。諧振 DC-DC轉換器包括耦合到諧振電路的切換電路，以及耦合到諧振電路的整流器電路。
如圖1、圖2、圖3和圖4所描繪的那樣，LED驅動器電路的切換電路包括如下切換電路，該切換電路在所示的實施例中為半橋式切換電路，其具有串聯耦合在輸入電壓端子 20、21之間的轉換器開關10、11，該輸入電壓端子20、21被配置成接收DC輸入電壓VB。開關10、11中的每個可以為任何適當類型的電子開關，例如，金屬氧化物半導體場效應電晶體(MOSFET)開關。可以通過利用整流器電路對AC市電電壓進行整流來生成DC輸入電壓， 可以利用功率因數校正(PFC)電路來對整流器電路進行補充。在本領域中，整流器電路以及PFC電路在各個實施例中是公知的，並且因此此處不再詳細說明這些電路。
LED驅動器電路的諧振電路包括在開關10、11的公共節點與輸入電壓端子21之間串聯連接的諧振電容器Ck 30和變壓器32的初級繞組34。變壓器可以具有次級繞組36。 電感器38可以與變壓器32的初級繞組34串聯地包括在諧振電路中，或者所示變壓器32 可以被視為理想變壓器，其中電感器38表示在實踐中使用的變壓器32的洩露電感K。變壓器32的次級繞組36耦合到LED驅動器電路的整流器電路40的輸入。
在圖1中，整流器電路40的輸出端耦合到輸出電路。輸出電路包括輸出電容器C 50，其並聯耦合到LED單元52、感測電阻器& 54以及LED串聯開關56的串聯布置，LED單元52包括生成一種顏色的光的至少一個LED元件或者生成不同顏色的光的多個LED元件。IJ LED單元的LED驅動器電路的一個實施例的示 IJ LED單元的LED驅動器電路的另一實施例的示 IJ LED單元的LED驅動器電路的又一實施例的示 IJ LED單元的LED驅動器電路的再一實施例的示CN 102550128 A作為LED串聯開關56的替代，轉換器電路可以包括並聯地耦合到整流器電路40的輸出端的分路開關58。
在圖2中，整流器電路40的輸出端耦合到輸出電路。輸出電路包括輸出電容器C 50，其並聯耦合到包括LED單元52與感測電阻器& 54的串聯布置，該LED單元52生成一種顏色的光的至少一個LED元件或者生成不同顏色的光的多個LED元件。LED串聯開關57 與輸出電容器50和LED單元52和感測電阻器M的串聯布置的並聯布置串聯耦合。
在圖3中，整流器電路40的輸出端耦合到輸出電路。輸出電路包括電容器C 50, 其並聯耦合到包括至少一個LED元件的LED單元52、包括至少一個LED元件的LED單元53、 一個或者多個可能其他一些LED單元與感測電阻器& M的串聯布置。每個LED單元52、 53…生成相同或者不同顏色(例如，紅色、綠色、藍色或者白色)的光。LED單元52、53···均分別具有LED分路開關52a、53a···。在LED單元的串聯布置中的又一 LED單元可以不具有 LED分路開關。
在圖4中，整流器電路40的輸出端耦合到輸出電路。輸出電路包括輸出電容器C 50，其並聯耦合到包括生成一種顏色的光的至少一個LED元件或者生成不同顏色的光的多個LED元件的LED單元52與感測電阻器& 54的串聯布置。
在圖1、圖2、圖3以及圖4中，LED單元並不形成LED驅動器電路的一部分。LED 單元耦合在LED驅動器電路的LED輸出端子之間。LED驅動器電路和LED單元的組合形成發光單元。
LED驅動器電路還包括控制電路100，其用於控制轉換器開關10、11、LED串聯開關 56或者57 (如果存在的話)、LED分路開關58 (如果存在的話)的切換，並且用於感測跨/ 通過感測電阻器M的電壓/電流。在圖1、圖2、圖3和圖4中在控制電路100與不同開關之間的虛線可以例如表示用於切換這些開關的柵極驅動電路，其中控制電路100包括用於生成定時的和同步的柵極驅動電壓的電路。感測電阻器M與控制電路100之間的虛線可以例如表示將在生成柵極驅動脈衝的反饋控制中使用的電壓或者電流信號的信號線。
在下文中，當開關斷開時，其也可以被稱為非導通或者非導電的。另一方面，當開關閉合時，其也可以被稱為導通的或者導電的。描述根據本發明的LED驅動器電路的各種調光可能性。
首先，本發明提供了幅度調製(AM)，以通過改變轉換器開關10、11的切換頻率來獲得LED驅動器電路的期望的輸出電壓、輸出電流或者輸出功率。由於轉換器的諧振行為， 因此頻率變化導致輸出參數(即，輸出電壓、輸出電流或者輸出功率)的變化。在一個應用中，輸出電壓的變化可以用來補償LED的正向電壓的變化。對LED正向電壓進行補償所需的頻率變化相對低。類似的頻率變化可以用來補償轉換器容差。
由於轉換器的缺陷(諸如，電感元件的繞組以及輸出整流器的輸出電容)，將諧振轉換器調光到低電流水平不總是可能的。然而，可以通過諧振轉換器的頻率變化將所需的 LED驅動器電路的調光的一部分實現至可靠的AM調光水平。
第二，本發明提供了諧振轉換器的脈衝寬度調製(PWM)，以獲得LED驅動器電路的期望的平均輸出電壓、輸出電流或者輸出功率。脈衝寬度調製頻率低於轉換器開關的切換頻率。作為一個示例，轉換器開關的切換頻率可以在IOkHz之上，或者在IOOkHz之上，而脈衝寬度調製頻率可以在3kHz之下，或者在IkHz之下。
可以通過利用預定佔空比使轉換器以脈衝寬度調製頻率斷開和關閉來獲得諧振 DC-DC轉換器的脈衝寬度調製。這意味著在佔空比的一部分期間，轉換器開關10、11都是非導通的，而在佔空比的另一部分期間，轉換器開關10、11以其預定切換頻率(其可以是可變的以獲得AM)切換。
可以備選地或者補充地通過以不同切換頻率操作轉換器開關來獲得諧振DC-DC 轉換器的脈衝寬度調製。這意味著在佔空比的一部分期間，轉換器開關10、11以第一預定切換頻率(諧振電路以該頻率提供高輸出電壓)切換，而在佔空比的另一部分期間，轉換器開關10、11以第二預定切換頻率(諧振電路以該頻率提供低輸出電壓)切換。
第三，在諧振轉換器的AM和PWM (均如上所述)的組合中，可以在AM模式或者PWM 模式中獲得LED驅動器電路的第一調光，而可以通過組合AM模式和PWM模式來獲得進一步的調光。在組合的AM和PWM模式中，PWM模式並不需要提供非常短的佔空比，但仍然獲得深度調光。由於難以穩定地控制非常短的佔空比(這是由於僅使用控制範圍的一部分)，組合的AM和PWM模式利用PWM佔空比的穩定控制提供深度調光。
第四，如以下說明的那樣，調光是可能的。參考圖1，示出了 LED串聯開關56，並且假定並不存在LED分路開關58。也參考圖2，其示出了 LED串聯開關57。利用預定佔空比使LED串聯開關56、57斷開和關閉將導致LED單元52的PWM和調光。該脈衝寬度調製頻率可以與轉換器脈衝寬度調製頻率相同或者不同，並且低於轉換器開關的切換頻率。當LED 串聯開關56、57是非導通時，由於沒有負載(LED單元52)，因此LED驅動器電路具有高的品質因數Q。因此，LED驅動器電路具有高的電壓增益，以及跨輸出電容器50的對應的高輸出電壓。另一方面，當LED串聯開關56、57導通時，LED驅動器電路具有低的品質因數Q、低的電壓增益和跨輸出電容器50的低的輸出電壓。輸出電壓在斷開和閉合LED串聯開關56、57 時的改變是不期望的，這是由於為了恆定的輸出電流，需要恆定的輸出電壓。
可以通過當LED串聯開關56、57非導通時增加轉換器頻率達預定的量而獲得恆定的輸出電壓。這可以通過參照圖5來圖示。
圖5示出了圖1和圖2的LLC諧振轉換器的示例性電壓增益圖。水平軸示出了從 IOkHz到200kHz的範圍內的頻率f = ω/2·π。豎直軸示出了電壓增益G。在圖5中的實線表示了在預定負載(例如標稱電流)下的電壓增益曲線，而在圖5中虛線表示了在無負載下的電壓增益曲線。如圖5中可見的那樣，在IlOkHz的頻率fl處，在標稱電流下的電壓增益G為2. 6，而無負載轉換器在f 1 = IlOkHz處的電壓增益為3. 4。當再次閉合LED串聯開關56、57時，這將引起在輸出電容器50以該高電壓增益充電時通過LED單元52的不期望的高電流。因此，當LED串聯開關56、57非導通時，轉換器切換頻率需要增加Δ f到頻率 f2,以保持電壓增益在2. 6處(與在標稱電流下的電壓增益相同)。
例如可以通過向跨感測電阻器M感測到的電壓附加預定電壓而引入頻率的改變，其中該電壓是控制諧振轉換器切換頻率的控制電路100的參數。結果將是，跨輸出電容器50的電壓在PWM操作期間保持恆定，從而使得在PWM期間，在切換LED串聯開關56、57 時，LED電流即時呈現，這導致精確陡峭的PWM電流脈衝。這實現了非常小持續時間的LED 電流脈衝，其非常適於顏色LED驅動器電路。這限制或者消除了通過LED單元52的峰值電流。
參照圖1，當LED串聯開關56非導通時，輸出電容器50將不會被放電，這進一步改進了 PWM脈衝行為。在圖2的LED驅動器電路中，當LED串聯開關57非導通時，輸出電容器50將被放電，但是頻率漂移將保持整流器輸出電壓恆定。
保持跨輸出電容器的電壓恆定所需的頻率增加值可以作為固定值放入控制單元 100的存儲器中。備選地，轉換器電壓增益曲線(轉移特性)可以作為用於確定所需的頻率漂移的表格放入控制單元100的存儲器中。備選地，控制電路100可以利用查找表通過測量在轉換器的非加載條件中的輸出電壓來加載。這可以被視為校準。
參照圖1，並且假定存在LED分路開關58，同時LED串聯開關56永久地導通(換言之，利用串通連接替代LED串聯開關)，電感器38的值需要為使得無功電流在分路開關 58導通時刻期間相當低。當處於這種情況時，在轉換器開關10、11中的導通損耗較低。如圖1中可見，當LED分路開關58導通時，輸出電容器50放電。因此，使用LED串聯開關56 比LED分路開關58更適合。
在圖3的輸出電路中，所示出的每個LED單元52、53可以由LED分路開關52a、53a 分路。因此，在第一時隙中，可以通過斷開LED分路開關5 而閉合LED分路開關53a來對LED單元52供電。在第二時隙中，可以通過閉合LED分路開關5 而斷開LED分路開關 53a來對LED單元53供電。在第三時隙中，可以通過斷開LED分路開關52a、53a這兩者來對LED單元52、53供電。在第四時隙中，通過閉合LED分路開關52a、53a使LED單元52、53 都不供電。控制電路100能夠改變跨LED單元52、53的串的電壓，從而使得所需電流在不同時隙中通過LED單元。如上所述的在PWM期間的相同的頻率漂移技術可應用於此，以具有精確的低佔空比電流脈衝。
在應用如上所述的DC-DC諧振轉換器的各種方式的調光(AM和PWM調光)的情形下，通過切換LED串聯開關或者LED分路開關的PWM調光可以以相對低的LED電流水平開始。繼而，為了獲得期望的調光水平，通過切換LED串聯開關或者LED分路開關的PWM調光的佔空比不需要變得非常小來仍然實現深度調光。可以應用相對大的時間步驟，這導致穩定的深調光，由此避免不穩定性和對應的LED閃爍。
在改變LED驅動器電路的輸出參數的幅度期間，如參照圖4圖示的那樣，可能在諧振轉換器中引入附加的諧振階數，以延伸輸出參數範圍。
圖4示出了電容器62和電容器串聯開關60的串聯布置。該串聯布置並聯耦合到變壓器32的初級繞組34。備選地，該串聯布置可以並聯耦合到諧振電容器30。
通過閉合和斷開電容器串聯開關60，改變諧振電路及其增益曲線。作為一個示例， 圖6示出了增益G比對頻率f的不同曲線(一個為實線，另一個為虛線)，一個適用於當電容器串聯開關60導通時，另一個適用於當電容器串聯開關60非導通時。因此，電容器串聯開關60的斷開和閉合可以用於幅度調製諧振轉換器和/或脈衝寬度調製諧振轉換器。因此可以限制所需的頻率範圍，從而導致更優化和有效的設計。
在電容器62和電容器串聯開關60的串聯布置並聯耦合到變壓器的次級繞組36 的情形中，當閉合電容器串聯開關60時，增益曲線變得陡峭，如圖7中所圖示。因此，在這種電路配置中，電容器串聯開關60的斷開和閉合可以用於幅度調製諧振轉換器和/或脈衝寬度調製諧振轉換器。
如上說明的那樣，可調光LED驅動器電路包括耦合到輸出電路的諧振DC-DC轉換器。該轉換器包括耦合到諧振電路的半橋式或者全橋式切換電路。諧振電路的輸出被整流且被饋送到輸出電路。輸出電路包括至少一個LED串聯或者分路開關，以用於使LED單元斷開或者關閉。控制電路以可變的切換頻率控制切換電路的斷開和關閉。控制電路還被配置成用於控制切換電路，以用於幅度調製轉換器，以及用於以低於切換頻率的第一脈衝寬度調製頻率脈衝寬度調製轉換器。控制電路還被配置成以低於切換頻率的第二脈衝寬度調製頻率控制LED開關的切換。
如所要求的那樣，在本文中公開了本發明的一些詳細實施例；然而，將理解的是， 所公開的實施例僅是本發明的示例，本發明可以以各種形式體現。因此，在本文中公開的具體結構和功能細節並不應當被解釋為限制性的，而僅是權利要求的基礎，並且是用於教導本領域技術人員以實際上任何適當的詳細結構以各種方式採用本發明的代表性基礎。此外，本文中使用的術語和短語並不旨在為限制性的，而是為了提供本發明的可理解描述。
如本文所使用的，術語「一」或者「一個」被定義為一個或者多於一個。如本文所使用的，術語多個被定義為兩個或者多於兩個。如本文所使用的，術語「另一」被定義為至少第二個或者多個。如本文所使用的，術語包括和/或具有被定義為包括(即，開放式語言， 而不排除其他元件或者步驟)。在權利要求書中的任何參考標記不應當被解釋為限制本發明的權利要求的範圍。
某些手段在相互不同的從屬權利要求中記載的單個事實並不指示不能有利地使用這些手段的組合。如本文所使用的，術語耦合被定義為連接，其不必為直接連接，也不必為機械連接。
單個處理器或者其他單元可以滿足權利要求中記載的控制電路的功能。備選的， 控制電路可以涵蓋用於滿足其功能的多於一個處理器。
注意到，本發明可應用到隔離式和非隔離式諧振轉換器。還注意到，本發明可應用到具有同步整流的轉換器。進一步注意到，本發明可應用到半橋式、全橋式和單個轉換器開關諧振轉換器。還注意到，控制轉換器可以利用電壓、電流、功率或者光傳感器輸入作為用於控制的參數。
權利要求
1.一種可調光的LED驅動器電路，包括諧振DC-DC轉換器，其包括具有至少第一轉換器開關和第二轉換器開關並且耦合到諧振電路的切換電路，以及耦合到所述諧振電路的整流器電路；輸出電路，其耦合到所述整流器電路，所述輸出電路包括被布置成耦合到LED單元的 LED輸出端子；以及控制電路，被配置用於以可變的切換頻率切換所述轉換器開關，所述控制電路還被配置成用於控制所述切換電路，以用於幅度調製所述轉換器以及用於以低於所述切換頻率的第一脈衝寬度調製頻率來脈衝寬度調製所述轉換器。
2.根據權利要求1所述的可調光碟機動器電路，其中所述控制電路被配置成改變所述切換電路的所述切換頻率以用於幅度調製所述轉換器。
3.根據權利要求1所述的可調光碟機動器電路，其中所述控制電路被配置成使所述轉換器斷開和關閉，以用於以低於所述切換頻率的所述第一脈衝寬度調製頻率來脈衝寬度調製所述轉換器。
4.根據權利要求1所述的可調光碟機動器電路，其中所述控制電路被配置成在第一頻率和第二頻率之間改變所述切換電路的所述切換頻率，以用於以低於所述切換頻率的所述第一脈衝寬度調製頻率來脈衝寬度調製所述轉換器。
5.根據權利要求1所述的可調光碟機動器電路，其中所述轉換器包括電容器和電容器串聯開關的串聯布置，並且其中所述控制電路被配置成切換所述電容器串聯開關，以用於幅度調製所述轉換器以及用於以低於所述切換頻率的所述第一脈衝寬度調製頻率來脈衝寬度調製所述轉換器。
6.根據權利要求1所述的可調光碟機動器電路，其中所述輸出電路包括所述LED輸出端子和LED串聯開關的串聯布置，所述串聯布置並聯耦合到電容器，其中所述控制電路被配置成以低於所述切換頻率的第二脈衝寬度調製頻率切換所述LED串聯開關。
7.根據權利要求1所述的可調光碟機動器電路，其中所述輸出電路包括所述LED輸出端子和電容器的並聯布置，所述並聯布置串聯耦合到LED串聯開關，其中所述控制電路被配置成以低於所述切換頻率的第二脈衝寬度調製頻率切換所述LED串聯開關。
8.根據權利要求6或者7所述的可調光碟機動器電路，其中所述轉換器的所述切換頻率以與所述LED串聯開關的斷開和閉合同步的方式在第一切換頻率和第二切換頻率之間變化。
9.根據權利要求1所述的可調光碟機動器電路，其中所述輸出電路包括所述LED輸出端子、電容器、以及LED分路開關的並聯布置，其中所述控制電路被配置成以低於所述切換頻率的第二脈衝寬度調製頻率切換所述LED分路開關。
10.一種控制可調光LED驅動器電路的方法，所述方法包括提供諧振DC-DC轉換器，其包括具有至少第一轉換器開關和第二轉換器開關並且耦合到諧振電路的切換電路，以及耦合到所述諧振電路的整流器電路；提供輸出電路，其耦合到整所述流器電路，所述輸出電路包括被布置成耦合到LED單元的LED輸出端子；以可變的切換頻率切換轉換器開關；以及控制切換電路，以用於幅度調製所述轉換器以及用於以低於所述切換頻率的第一脈衝CN 102550128 A寬度調製頻率來脈衝寬度調製轉換器。
全文摘要
一種可調光LED驅動器電路，包括耦合到輸出電路的諧振DC-DC轉換器。該轉換器包括耦合到諧振電路的半橋式或者全橋式切換電路。諧振電路的輸出被整流且被饋送到輸出電路。輸出電路可以包括至少一個LED串聯或者分路開關，以用於使LED單元斷開或者關閉。控制電路以可變的切換頻率控制切換電路的開關。控制電路還被配置成用於控制切換電路，用於幅度調製轉換器以及用於以低於切換頻率的第一脈衝寬度調製頻率脈衝寬度調製轉換器。控制電路還可以被配置成以低於切換頻率的第二脈衝寬度調製頻率控制LED開關的切換。
文檔編號H05B33/08GK102550128SQ201080043834
公開日2012年7月4日 申請日期2010年9月21日 優先權日2009年9月30日
發明者G·W·范德文恩, J·斯內爾滕 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司