發光陣列以及降低輸出至發光二極體的輸出電流波紋的方法
2023-04-28 23:20:51
發光陣列以及降低輸出至發光二極體的輸出電流波紋的方法
【專利摘要】一種發光陣列以及用於降低輸出至發光二極體的輸出電流波紋的方法，該發光二極體陣列具有帶有輸出電壓波紋的單級功率因數校正驅動器，該輸出電壓波紋通過使用串聯連接在單級功率因數校正驅動器和發光二極體陣列之間的線性電流調節器降低，該線性電流調節器根據單級功率因數校正驅動器的輸出電壓波紋，有源地調節線性電流調節器的等效阻抗。
【專利說明】發光陣列以及降低輸出至發光二極體的輸出電流波紋的方法
[0001]相關申請的交叉參考
[0002]本申請要求於2013年9月26日提交的美國系列號14/037，909的優先權和權益，其通過參考併入本文。
【技術領域】
[0003]本發明涉及一種用於降低AC電源電壓驅動的單極功率因數校正驅動器的輸出功率波紋的設備和方法，主要地用於提供沒有閃爍的發光二極體陣列。
【背景技術】
[0004]發光二極體(LED)是一種照明設備，其將電流轉換為光。LED的亮度主要由驅動電流的量值確定。因此，為了獲得沒有閃爍的穩定發光輸出，應該由恆定電流源驅動LED。
[0005]一般的照明產品通常由50或60Hz線路頻率的110或220VAC的AC電源電壓供電。單極功率因數校正(SSPFC)驅動器一般用來將AC線電壓轉換為DC電壓以驅動這些LED。這是因為SSPFC驅動器是一種獲得電壓轉換和功率因數校正的簡單電路。然而，由於功率因數校正，SSPFC的輸入功率根據AC電源電壓變化。輸入功率波紋產生輸出電壓波紋和輸出電流波紋。因此，使用SSPFC驅動器給LED供電直接導致光以兩倍的線路頻率閃爍。增加SSPFC驅動器的輸出電容是一種降低輸出功率波紋的直接方法。但是，輸出電容器的值受到諸如尺寸、成本和壽命的因素限制。其他解決方案存在，但是這些方案導致效率降低、成本增加以及設計更加複雜。
【發明內容】
[0006]本發明的一個實施方式是發光陣列，該發光陣列包括單級功率因數校正驅動器，其將AC電源電壓轉換成DC以及提供功率校正因數；發光二極體陣列；以及線性電流調節器，其串聯連接在單級功率因數校正驅動器和發光二極體陣列之間，以根據單級功率因數校正驅動器的輸出電壓波紋，有源地調節線性電流調節器的等效阻抗。
[0007]本發明的另一實施方式是其中發光陣列還包括谷值電壓檢測器，其耦接在線性電流調節器和單級功率因數校正驅動器之間，以便將通過線性電流調節器的電壓降的谷值反饋至單級功率因數校正驅動器，從而調製單級功率因數校正驅動器的DC輸出電壓值。線性電流調節器可以是開關模式電流調節器或者有源線性電流調節器，以及發光二極體陣列可以是高電壓陣列。
[0008]在本發明的另一實施方式中，線性電流調節器包括半導體開關設備和恆定電壓控制器。
[0009]在本發明的另一實施方式中，單級功率因數校正驅動器在降壓拓撲中。
[0010]在本發明的另一實施方式中，輸出電壓波紋的頻率大約是輸入線路頻率的兩倍。
[0011]本發明的再一實施方式是一種用於降低輸出至發光二極體的輸出電流波紋的方法，包括^fAC電源電壓轉換為DC，以及通過單級功率因數校正驅動器提供功率校正因數，其中單級功率因數校正驅動器的輸出具有輸出電壓波紋；以及根據單級功率因數校正驅動器的輸出電壓波紋，通過串聯連接在單級功率因數校正驅動器和發光二極體陣列之間的線性電流調節器調節線性電流調節器的等效阻抗。
[0012]在本發明的再一實施方式中，還包括將通過線性電流調節器的電壓降的谷值反饋至單級功率因數校正驅動器，以調製單級功率因數校正驅動器的直流輸出值。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0013]附圖僅出於圖示目的，並未按照比例繪製。但是，結合附圖時，可以通過參照下面的詳細描述更好地理解本發明，其中:
[0014]圖1示出了本發明的一個實施方式的總體圖；
[0015]圖2示出了 LED陣列的V-1特性；
[0016]圖3描繪了具有AC和DC元件的電壓源並增加了電流源；
[0017]圖4A至4D示出了本發明的電壓源、通過電流源的電壓、LED陣列正向電壓和LED電流的波形；
[0018]圖5是在沒有電流源情況下圖3的等效電路；
[0019]圖6是線性調節器的最優化電壓降的曲線圖；
[0020]圖7示出了示例性LED的V-1特性；
[0021]圖8A和8B示出了不`同k值下電路的效率；
[0022]圖9和10是示出了需要如何有源地調節通過線性電流調節器的電壓以對抗電壓波紋變化、從而確保足夠用於線性調節器的電壓降以進行電流調節的曲線圖；
[0023]圖11是本發明的示例性實施方式；
[0024]圖12A示出了在沒有線性調節階段情況下的由SSPFC直接驅動的LED串的電壓和電流電平；
[0025]圖12B示出了本發明的示例性實施方式的電壓和電流電平；以及
[0026]圖13A和13B示出了本發明的實施方式的電壓特性，其中即使當變化發生在電壓波紋量值時調節發生。
【具體實施方式】
[0027]如圖1中所示，較少閃爍的LED驅動器100由SSPFC104、LED陣列106、線性電流調節器108和谷值電壓檢測器110組成。SSPFC104將AC線路102的電壓轉換成DC電壓，並且還提供功率因數校正。在SSPFC104的輸出端，線性電流調節器108與LED陣列106串聯。線性電流調節器108根據SSPFC104的輸出電壓波紋有源地調節其等效阻抗。通過線性電流調節器108的電壓降根據SSPFC104的輸出電壓波紋變化，導致去除LED陣列106輸入中的電壓波紋。
[0028]為了確保線性電流調節器108具有用於調節的足夠電壓降以及以最小功率損耗運行，線性電流調節器108上的電壓降的谷值通過谷值電壓檢測器110反饋回SSPFC104，從而使得SSPFC104能夠調節其輸出電壓電平。該反饋迴路允許線性電流調節器108的電壓降的調節。這種控制方案確保線性電流調節器108在獲得電流調節時以最小功率消耗運行。
[0029]更具體地，假設由於SSPFC的足夠大的輸出電容，SSPFC的輸出電壓具有在大約兩倍的線路頻率的波紋，並且假設當SSPFC運行時LED陣列一直導電。在這種情況下，當SSPFC驅動LED陣列時，其輸出電壓由LED陣列決定，原因在於如圖2所示，LED具有非線性V-1特性。因此，當LED陣列導電時，其箝位SSPFC的輸出電壓。因為SSPFC的輸出電壓承載電壓波紋，所以如圖3所示，可以將SSPFC建模成與AC電壓源串聯的DC電壓源。Vrat d。表示平均輸出電壓，Vout ac表不輸出電壓波紋。
[0030]為了避免電壓波紋被施加到LED陣列，如圖3中所示，將恆定電流源(例如，線性電流調節器308)加入與LED陣列306串聯。線性電流調節器308有源地調節其等效阻抗以使LED電流恆定，因此，通過線性電流調節器308的電壓根據輸出電壓波紋變化。結果，通過LED陣列306的電壓恆定。電壓源、通過電流源的電壓、LED陣列正向電壓和LED電流的隨之產生的波形分別如圖4A至4D中所示。圖4A和4B示出了提出的驅動方法的實質是利用電流源來佔據電壓源的波紋Vrat a。，從而使得LED的正向電壓恆定。實際上，電流源可以通過開關模式電流調節器或者有源線性電流調節器實施。 [0031]輸出電壓波紋
[0032]輸出電壓波紋根據串聯LED的數量、LED正向電壓和平均LED驅動電流變化。可以根據前述變量確定輸出電壓波紋的數學公式。在用公式表達輸出電壓波紋的討論中，忽略圖3所示的電流源以簡化分析，並且等效電路如圖5中所示。當LED正向電壓比電流調節器上的電壓降高很多時，電流調節器上的功率損耗與LED功率相比是小的。因此，忽略電流調節器上的電壓降是允許的。這被允許的原因在於增加恆定電流源並不會影響SSPFC的輸出電壓波紋很多，因為平均輸出功率幾乎未變化。
[0033]電壓波紋量值和電流波紋量值之間的關係由如圖2中所示的V-1曲線表示。為了簡化分析，LED的V-1特性由3階多項式近似得出，該3階多項式在LED在其操作區域驅動時是有效的:
[0034]= C<ll - hlf - cL - d (等式！)
[0035]對於包括串聯的η個LED並且由平均值為If avg的電流驅動的LED陣列，LED陣列的平均電壓由下式給出:
[0036]= η1}_3ν3 = anlIavs - hniLv3 — Cn!f^-,3 ~(等式 2)
[0037]當LED陣列的電流攜帶波紋時，用IHpple表示電流波紋量值，而If _和If—min表示電流的峰值和谷值，那麼:
[0038]Iripple — If—max_If—min (等式 3)
[0039]L，.+=^(等式 4)
J --J
[0040]用k表示電流波紋量值與平均電流的比率:
[0041]k(等式 5)
[0042]用VHpple表示LED陣列的電壓波紋(峰值至峰值)量值，那麼:
【權利要求】
1.一種發光陣列，包括: 單級功率因數校正驅動器，其用於將AC電源電壓轉換成DC以及提供功率校正因數，其中單級功率因數校正驅動器的輸出具有輸出電壓波紋； 發光二極體陣列；以及 線性電流調節器，其串聯連接在單級功率因數校正驅動器和發光二極體陣列之間，以根據單級功率因數校正驅動器的輸出電壓波紋，有源地調節線性電流調節器的等效阻抗。
2.根據權利要求1的發光陣列，還包括: 谷值電壓檢測器，其耦接在線性電流調節器和單級功率因數校正驅動器之間，以便將通過線性電流調節器的電壓降的谷值反饋至單級功率因數校正驅動器，從而調製單級功率因數校正驅動器的DC輸出電壓值。
3.根據權利要求1所述的發光陣列，其中所述線性電流調節器是開關模式電流調節器或者有源線性電流調節器。
4.根據權利要求1所述的發光陣列，其中所述發光二極體陣列是高電壓陣列。
5.根據權利要求1所述的發光陣列，其中所述線性電流調節器包括半導體開關設備和恆定電壓控制器。
6.根據權利要求1所述的發光陣列，其中所述單級功率因數校正驅動器在降壓拓撲中。
7.根據權利要求1所述的發光陣列，其中所述輸出電壓波紋的頻率大約是輸入線路頻率的兩倍。
8.一種用於降低輸出至發光二極體的輸出電流波紋的方法，包括: 將AC電源電壓轉換為DC，以及通過單級功率因數校正驅動器提供功率校正因數，其中單級功率因數校正驅動器的輸出具有輸出電壓波紋；以及 根據單級功率因數校正驅動器的輸出電壓波紋，通過串聯連接在單級功率因數校正驅動器和發光二極體陣列之間的線性電流調節器調節線性電流調節器的等效阻抗。
9.根據權利要求8的方法，還包括: 將通過線性電流調節器的電壓降的谷值反饋至單級功率因數校正驅動器，以調製單級功率因數校正驅動器的直流輸出值。
10.根據權利要求8所述的方法，其中所述線性電流調節器是開關模式電流調節器或者有源線性電流調節器。
11.根據權利要求10所述的方法，其中所述發光二極體陣列是高電壓陣列。
12.根據權利要求11所述的方法，其中所述輸出電壓波紋的頻率大約是輸入線路頻率的兩倍。
13.根據權利要求11所述的方法，其中所述單級功率因數校正驅動器在降壓拓撲中。
14.根據權利要求12所述的方法，其中所述線性電流調節器包括半導體開關設備和恆定電壓控制器。
【文檔編號】H05B37/02GK103648204SQ201310504074
【公開日】2014年3月19日 申請日期:2013年10月23日 優先權日:2013年9月26日
【發明者】蕭錦華, 梁華興, 黃兆康, 田博 申請人:惠州元暉光電股份有限公司