功率因數校正控制數據由相位調製信號確定的照明系統的製作方法

2024-02-10 09:31:15

專利名稱：功率因數校正控制數據由相位調製信號確定的照明系統的製作方法
功率因數校正控制數據由相位調製信號確定的照明系統對相關專利申請的交叉引用(1) 本專利申請要求依據35 U.S.C. § 119(e)和37 C.F.R. § 1.78享有2007年 3月12日遞交的名為"照明器材"的60/894,295號美國臨時專利申請的權益。 60/894,295號美國臨時專利申請內包含示範性系統和方法，其通過引用被整體納 入本專利申請。(2) 本專利申請要求依據35 U.S.C. § 119(e)和37 C.F.R. § 1.78享有2007年4 月1日遞交、發明人為JohnL.Melanson、代理人檔案編號為1666-CA-PROV、名為"發光二極體光源鎮流器"的60房9,458號美國臨時專利申請的權益。該 專利申請描述了示範性方法和系統，在此通過引用將其整體納入。(3) 2008年3月12日遞交、發明人為JohnL. Melanson、代理人檔案編號為1666- CA、名為"發光二極體光源鎮流器"的一號美國專利申請描述了示範 性方法和系統，在此通過引用將其整體納入。(4) 2007年3月31日遞交、發明人為John L. Melanson、代理人檔案編號為1667- CA的、名為"帶穩定色溫光源的可調光設備的色調變化"的11/926,864 號美國專利申請描述了示範性方法和系統，在此通過引用將其整體納入。以下 簡稱Melanson I。(5) 2007年3月31日遞交、發明人為JohnL.Melanson和JohnPaulos、代理 人檔案編號為1668-CA-PROV、名為"多功能佔空比調節器"的60/909,457號美國臨時專利申請描述了示範性方法和系統，在此通過引用將其整體納入。以 下簡稱Melanson II。(6) 2008年3月12日遞交、發明人為JohnL.Melanson和JohnPaulos、代理 人檔案編號為1668-CA、名為"多功能佔空比調節器"的號美國專利申請描述了示範性方法和系統，在此通過引用將其整體納入。以下簡稱Melanson III。(7) 2007年3月31日遞交、發明人為JohnL. Melanson和JohnPaulos、代理 人檔案編號為1669-CA、名為"帶照明調光器輸出映射的照明系統"的 11/695,024號美國專利申請描述了示範性方法和系統，在此通過引用將其整體 納入。(8) 2007年9月28日遞交、發明人為John L. Melanson、代理人檔案編號為 1692-CA的、名為"帶有整合響應、基於時間的系統控制器"的11/864,366號 美國專利申請描述了示範性方法和系統，在此通過引用將其整體納入。以下簡 稱Melanson IV。(9) 2007年12月31日遞交、發明人為JohnL. Melanson、代理人檔案編號為 1745-CA、名為"使用帶非線性功率轉換過程模型的非線性Ai:調節器的功率控 制系統"的11/967,269號美國專利申請描述了示範性方法和系統，在此通過引 用將其整體納入。以下簡稱MelansonV。(10) 2007年12月31日遞交、發明人為JohnL. Melanson、代理人檔案編號為 1759-CA的、名為"可編程功率控制系統"的11/967,275號美國專利申請描述了 示範性方法和系統，在此通過引用將其整體納入。以下簡稱MelansonVI。(11) 2008年3月12日遞交、發明人為JohnL.Melanson、代理人檔案編號為 1784-CA、名為"調壓光源功率控制系統"的——號美國專利申請描述了示範 性方法和系統，在此通過引用將其整體納入。發明背景 發明領域(12) —般地，本發明是關於電子學和照明領域，更具體地，是關於根據相位 調製信號的相位延遲來確定功率因數校正控制參數的系統和方法。相關技術說明
(13) 商業上實用的白熾燈泡已經有一百多年的歷史。但也有其它光源有望用 作白熾燈泡的商業上可行的替代品。LED (發光二極體)作為主流光源而特別 有吸引力，部分原因是其通過高效光輸出而實現節能以及環境激勵，如減少汞 的使用。
(14) LED是半導體裝置，通過直流電驅動。LED的光輸出強度(即亮度)與 通過LED的電流大致成正比。因而，增加LED的電流可以提高LED的亮度， 降低電流則減弱亮度。電流可通過以下方式調節直接將直流電平降至白色 LED，或者通過佔空比調節降低平均電流。
(15) 在使用光源的環境中調暗光源不僅可以節能，還能讓用戶將光源亮度調 至要求的水平。許多設施如住房和建築物等，都安裝有光源調節電路(以下簡 稱"調光器")。
(16) 圖1描述了照明系統100 -其產生連接電壓VuNK和驅動電流iouT來照亮
光源102。交流(AC)電壓源101如發電站，可產生電源電壓Va源，為照明系統 100供電。電源電壓V電源的特定頻率和均方根值(RMS)通常為地方化，在美國 標稱為60Hz/120VAC，在歐洲和其它地方是50Hz/230VAC。照明系統100含有 一個調光器104，用於產生原始相位調製信號Vo_raw。整流器105調整原始相 位調製信號V^raw，形成整流的相位調製信號V0。例如，整流器105是一個 全橋二極體整流器。每個周期的相位調製信號Vo的相位延遲都表示一個特定的 調光水平。調光器104可以為任意產生相位調製信號的常規調光器，如 Melanson I所述的基於三端雙向可控矽(triac)的調光器。
(17) 照明系統100還包括一個光源驅動電路106，用於接收相位調製信號 V。。在至少一個實施例中，光源驅動電路106是帶有內部PFC開關(未顯示) 的電源轉換器，開關用於控制功率因數校正(PFC)和相位調製信號V。至連接電
壓VuNK的增壓。光源驅動電路106將調節光源驅動電流iouT，以響應相位調製
信號Vo表示的調光水平。光源驅動電路106通過"閉合"和"斷開"光源驅動 電流iouT，來調節光源驅動電流iouT，取得與相位調製信號V①表示的調光水平對應的光源驅動電流平均值i0UT。驅動電流icHJT將使光源102發光，可調節驅動電流iouT改變光源102的亮度。這樣，光源驅動電路106嘗試調節驅動電流 icxjT ，使得光源102減弱到相位調製信號V。表示的水平上。(18) 對基於LED的光源102，連接電壓VuNK可以在400V或以上。為了調 暗光源102，光源驅動電路106將降低控制信號Cs的佔空比，從而，降低驅動 電流icxjT。燈光減弱後，光源102的功率需量便減少。當光源102的功率需量 減少時，光源驅動電路106將降低內部開關(未顯示)的佔空比，此開關控制 相位調製信號電壓V。至連接電壓VuNK的增壓。不管功率需量是否減少，光源 驅動電路106將保持連接電壓Vunk在一個大致不變的水平上。儘管減弱光源 102的功率需量較低，隨著光源驅動電路106繼續增壓連接電壓Vunk至光源 102全功率需量使用的電壓，106的整流效果穩步降低。例如，當光源驅動電路 106的內部PFC開的佔空比小於50%時，效率損耗就變得更加突出。(19) 當調暗光源102時，其功率需量的減少實際上可能增加光源驅動電路 106的功率需量。光源驅動電路106將嘗試提供單位功率因數校正，而使光源 驅動電路106對交流電壓源101產生阻力。因此，檢査接線端A和B。理論上，光源驅動電路106具有可為交流電壓源101感知的有效電阻REFFJ)。有效 電阻REFFO等於V①/iiN。其中，Vo為相位調製信號，iiN為光源驅動電路106的輸入電流。隨著光源102的功率需量因調暗而降低，電流iiN實際上不降反增，從而，降低有效電阻REFFJ)並從交流電壓源101獲得更多功率。當調暗光源102時，降低光源驅動電路106的有效電阻Reffjj即表示對功率的低效使用。(20) 圖2A描述了一系列電壓波形200，這些波形代表照明系統100中兩個各 自存在的波形周期。兩個典型的周期202和204說明電源電壓V頓是正弦波 形。調光器104將電源電壓V頓周期分成各半，使周期206的每一半產生相同 的前沿相位延遲al，從而產生原始的相位調製信號V①。原始相位調製信號Vo 的相位延遲隨著調光水平的降低而增加，即光源102的亮度降低。對應於調光 水平的降低，半周期208顯示較長的相位延遲a2。前沿相位延遲aX表示半周 期開始與相位調製電源電壓V①前沿之間耗時，其中7是給定值。相位調製信號Vo的整流周期210和212具有與原始相位調製信號V^raw各自相同的相位延遲 al和a2。
(21) 當為有效負載(如光源驅動電路106)提供原始相位調製信號V^raw 時，常規調光器通常都表現不佳，如基於三端雙向可控矽(triac)的調光器，其 設計用於無效負載如白熾燈泡。例如，為有效負載提供信號時，調光器可能會 錯過在一些原始信號調製信號V①一raw周期內產生相位延遲，並且在相位延遲期 間可能產生波動。對用於有效負載時至少一種常規調光器的典型問題，可參見 Rand等人所著的"LED燈三端雙向可控矽調製相位調光的問題、模型和解決方 案"，2007年6月，《2007年電力電子技術專家會議》第1398-1404頁。該書 由電氣電子工程師學會出版，編號ISBN 978-1-4244-0655-5。
(22) 圖2B描述了美國加州桑尼維爾Supertex公司生產的LED驅動電路 250。 LED驅動電路250是光源驅動電路106的一種具體應用。LED驅動電路 250在Supertex公司的Supertex設計筆記DN-H05中有更加詳細的描述。LED 驅動電路250包括兩個額外電路——阻尼電路252和洩流電路254，用於提供 與調光器如104的兼容性。根據DN-H05,阻尼電路252在P16上對驅動器輸 入濾波器電路進行阻尼充電。阻尼電路252提供電阻阻尼，防止由於交流線電 壓的突然升高而引起的交流線路輸入電流振蕩，如相位調製信號V。的邊上。洩 流電路254在P21為整流交流線提供標稱的1歐姆負載，防止在相位調製信號 Vo的相位延遲期間輸入電容器C21-C23上的電壓升高，否則會引起LED驅動 電路250驅動的燈光閃爍。
(23) 圖2C描述了單位功率因數LED燈驅動器280，其是光源驅動電路106 的一個實施例代表。LED燈驅動器280在Supertex公司的Supertex應用筆記 AN-H52中的圖9有更加詳細的描述。LED燈驅動器280含有阻尼電路282， 用於在相位調製信號的相位延遲期間對調光器104施加負載。阻尼電路282含 有一個洩流電阻RBL，其在相位調製輸入信號的相位延遲期間通過電晶體M2 連接到燈驅動器280上。電晶體M2導電時，洩流電阻R肌在VrN時給交流線增 加負載，衰減相位延遲期間的相位調製信號。增加一個額外電晶體M2和電阻 RBL會增加燈驅動器280的系統成本。
12(24) 在調暗光源102時，光源驅動電路106表現為一種或多種低效情況。例如，光源102的功率需量降低時，連接電壓大致保持不變。另外，光源102的
功率需量降低時，光源驅動電路106的有效電阻REFFj增加，從而，即便光源
102的功率需量減少，其也將從交流電壓源101獲得更多功率。另外，對常規LED驅動電路增加電路會增加LED驅動電路的成本。

發明內容
(25) 在本發明的一個實施例中，發光二極體(LED)照明系統包含有一個功率因數校正(PFC)控制器。此控制器含有一個輸入口，用於接收表示相位調製調光器信號相位延遲的信號。控制器還包括一個數位訊號處理器，與輸入口一起接收相位延遲信號，並根據相位延遲信號來確定PFC控制操作參數，以及使用確定的操作參數產生PFC開關控制信號。
(26) 在本發明的另一實施例中，發光二極體(LED)照明系統的控制方法包括接收表示相位調製調光器信號相位延遲的信號；使用數位訊號處理器，根據相位延遲信號來確定PFC控制操作參數；以及使用確定的操作參數產生PFC開關控制信號。
(27) 本發明的其它應用之一是，發光二極體(LED)照明系統包含有一個功率因數校正(PFC)控制器，用於接收表示調光水平的信號，產生PFC開關控制信號，使PFC LED驅動電路能夠響應以信號表示的調光水平，而不需要在信號表示的調光水平增加時，降低可為PFC負載驅動電路電壓源感知的有效電阻。
(28) 在本發明的另一實施中，發光二極體(LED)照明系統的控制方法包括接收表示調光水平的信號並產生功率因數校正控制信號，使PFC LED驅動電路能夠對信號表示的調光水平作出響應，而不需要在信號表示的調光水平增加時，降低可為PFC負載驅動電路電壓源感知的有效電阻。
(29) 在本發明的另一實施中，發光二極體(LED)照明系統包含有一個功率因數校正(PFC)控制器，用於產生佔空比調製控制信號，以控制PFCLED驅動電路的調節連接電壓；並在控制信號的佔空比降低到0與閾值之間的數值時，降低連接電壓。(30) 在本發明的另一實施中，發光二極體(LED)照明系統的控制方法包括產生佔空比調製控制信號，以控制PFC LED驅動電路的調節連接電壓；並在控制信號的佔空比降低到0與閾值之間的數值時，降低連接電壓。
(31) 在本發明的一個實施例中，發光二極體(LED)照明系統包含有一個功率因數校正(PFC)控制器，該控制器含有一個輸入口，用於接收表示相位調製調光器信號相位延遲的信號。PFC控制器通過配置，可用於接收相位延遲信號，並在相位調製信號的相位延遲期間產生PFC開關控制信號的脈衝。在相位延遲期間產生的PFC開關控制信號的脈衝寬度和佔空比足以衰減相位調製信號在相位延遲期間的波動。
(32) 在本發明的另一實施中，發光二極體(LED)照明系統的控制方法包括接收表示相位調整調光器信號相位延遲的信號，並產生在相位調製信號的相位延遲期間PFC開關控制信號的脈衝。在相位延遲期間產生的PFC開關控制信號的脈衝寬度和佔空比足以衰減相位調製信號在相位延遲期間的波動。
簡要


(33) 參考附圖可以更好地理解本發明，還可以使熟悉該技術領域者明白本發明的各種目的、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。
(34) 圖l (標示先前技術)描述了帶有功率因數校正驅動電路和控制器的照明系統。
(35) 圖2A (標示先前技術)描述了圖1照明系統中的各種波形。
(36) 圖2B (標示先前技術)描述了帶有調光器開關兼容電路的LED驅動電路。
(37) 圖2C (標示先前技術)描述了帶有調光器開關兼容電路的另一個LED驅動電路。(38) 圖3描述了帶有功率因數校正控制器的發光二極體照明系統，控制器根據相位調製信號產生一個或多個功率因數校正控制參數。
(39) 圖4和圖5描述了具有各種前沿和後沿相位延遲的相位調製信號。
(40) 圖6描述了相位延遲探測器。
(41) 圖7描述了典型的相位調製信號和相關PFC開關控制信號波形。
(42) 圖8描述了 PFC LED驅動電路的有效電阻模型。
(43) 圖9描述了相位調製信號與伴/不伴調光的電感器電流之間關係。
(44) 圖10描述了 PFC開關控制信號佔空比與連接電壓之間關係。
(45) 圖11和圖12描述了 LED設備。詳細說明
(46) 發光二極體(LED)照明系統含有一個功率因數校正(PFC)控制器，該控制器根據相位調製信號的相位延遲確定至少一個功率因數校正控制參數。在至少一個實施例中，相位調製信號的峰值電壓用作PFC控制參數一PFC控制器將其用於控制功率因數校正及經由PFC LED驅動電路產生的連接電壓。相位延遲與相位調製信號的峰值電壓有關。因此，在至少一個實施例中，探測一個或多個相位調製信號周期中的相位延遲可以讓PFC控制器測定相位調製信號的峰值電壓。
(47) PFC LED驅動電路提供輸出電流，以驅動LED設備的LED。隨著調光水平降低，PFC控制器將降低PFC LED驅動電路中PFC開關的佔空比，使得PFC LED驅動電路降低供給LED的輸出電流。例如，當相位調製信號指示調光水平低於閾值時，PFC控制器保持PFC開關的佔空比大致不變，以便在不明顯犧牲功率因數校正的情況下保持開關效率。
(48) 在至少一個實施例中，PFC控制器產生PFC開關控制信號，使PFCLED驅動電路對調光信號(如相位調製信號)表示的調光水平降低作出響應，而不需要在調光信號表示的調光水平增加時，降低可為PFC LED驅動電路電
壓源感知的有效電阻。相位調製信號是調光信號的一個實施例。
(49) 在至少一個實施例中，PFC控制器產生佔空比調製控制信號，以控制PFC LED驅動電路的調節連接電壓；並在控制信號的佔空比降低到O與閾值之間的數值時，降低連接電壓。
(50) 在至少一個實施例中，當PFC開關控制信號的佔空比低於預定閾值時，PFC控制器在每個相位調製信號周期中產生大致不變的PFC開關控制信號脈衝寬度。
(51) 在至少一個實施例中，PFC控制器在相位調製信號的相位延遲期間產生PFC開關控制信號脈衝，其中，相位延遲期間產生的PFC開關控制信號脈衝比相位調製信號有效周期內的PFC開關控制信號具有明顯大得多的脈衝周期。
(52) 圖3描述了帶有PFC控制器302和PFC LED驅動電路304的照明系統300。 PFC控制器302產生佔空比調製PFC開關控制信號CS,，以控制開關306的導電率。開關306可以為任意開關，在至少一個實施例中，開關306為n-通道場效應電晶體(FET)。 PFC LED驅動電路304為開關式電源轉換器，將相位調製信號V。增壓至通過保持電容器308上的連接電壓VC1。在至少一個實施例中，連接電壓Vd具有範圍為200V-400V的峰值電壓。開關306 "斷開"(即不導電)時，二極體310正偏，電感器312驅動通過二極體310的電感器電流iu。通過二極體310的電感器電流iu給電容器308充電，保持大致不變的連接電壓Vd。開關306 "閉合"(即導電)時，通過電感器312的電壓轉向，二極體310為反偏，電感器312利用電流iu通電。PFC控制器302控制PFC開關控制信號CS!和開關306的佔空比，因而，電流iu與相位調製信號V。成比例。電容器314提供穩定驅動電流iu的過濾，因此，平均驅動電流iu與相位調製信號Vo為同相正弦關係。
(53) PFC控制器302含有一個數位訊號處理器316，用於進行各種操作，包括測定PFC開關控制信號CS!的脈衝寬度和佔空比。例如，數位訊號處理器316為數位訊號處理器。在至少一個實施例中，PFC控制器302利用MdansonV和Melanson VI中發現的算法來測定PFC開關控制信號CS,的脈衝寬度和佔空比。
(54) 在至少一個實施例中，PFC開關控制信號CS,的脈衝寬度Tl是由數位訊號處理器316通過方程式[1]表示的控制信號狀態算法來測定
formula see original document page 17
"Tl"為PFC開關控制信號CS!的脈衝寬度。"L"表示電感器312的電感值。"V①』k"為無相位延遲的相位調製信號V。的峰值電壓。"P"表示與LED設備322功率需量相關的功率需量變量。在至少一個實施例中，P為Melanson V和Melanson VI所規定的比例積分輸出值。在至少一個實施例中，"TT"為PFC開關控制信號CS,的周期，也是按照Melanson V和Melanson VI的規定來測定。"V巾"為相位調製信號V0的抽樣值。"VC1"為連接電壓Vd的抽樣值。
(55) 在至少一個實施例中，方程式[1]的所有PFC控制參數均為已知，可以直接可靠地測定，或者根據除Vo^k之外的反饋信號V①'和VC1'來可靠地測定。因為相位調製信號Vo包括在調暗LED設備322的LED時的相位延遲，所以不能直接測量相位調製信號Vo的峰值電壓Vojk。但是，按照圖4和圖5所述，相位調製信號Vo的相位延遲可以被數位訊號處理器316用來估算V0_pk。
(56) 在至少一個實施例中，PFC控制器302還根據Melanson IV規定的示範性系統和方法控制輸出電流iouT。
(57) 圖4和圖5描述了具有各種前沿和後沿相位延遲的相位調製信號Vo的周期。波形400表示峰值電壓為Vo^k的兩個周期402和404。周期402包括兩個相位延遲aO和al，周期404則包括兩個相位延遲a2和ot3。可以直接從周期402上測量峰值電壓Vo^k，因為相位延遲aO和al均小於T/4，其中，T為相位調製信號V①的周期。但由於相位延遲a2和a3大於T/4，因此，不能直接從周期404上測量峰值電壓V①jk。雖然在至少一個實施例中，可以直接從周期402上測量峰值電壓V。jk，但數位訊號處理器316將測定所有相位調製信號V。周期的相位電壓Vo』k。在至少一個實施例中，數位訊號處理器316定期或
17者間斷性地測定峰值電壓V。jk。在至少一個實施例中，數位訊號處理器316從 每個可以測量的周期上測量各峰值電壓Vo』k。
(58) 參考圖3， 4禾B5，相位延遲探測器318接收相位調製信號V①，且在至 少一個實施例中測定每個相位調製信號Vo周期中的各相位延遲aX和(3X的數 值，其中，X為給定值。為根據相位調製信號Vo的相位延遲來測定峰值電壓 Vo』ic，相位延遲探測器318將檢測每個相位調製信號Vo周期的相位延遲情 況。在至少一個實施例中，對在相位調製信號Vo中檢測到的每個相位延遲，相 位延遲探測器318都會產生一個相位延遲信號數值O。每個相位延遲信號數值 O表示一個相位延遲，而每個相位延遲表示一個調光水平。例如，50Hz相位 調製信號Vo周期為1/50或0.02秒。25%的調光水平以(0.5'0.02) '0.25秒的相 位延遲表示。其中，(0;0.02)表示相位調製信號Vo各半個周期的持續時間， 0.25表示調光水平。因此，每個相位延遲信號①也可以稱作一個調光器信號。
(59) 數位訊號處理器316根據相位延遲信號O來測定峰值電壓Vo)』k。相位 調製信號V。的各半個周期為180度。根據方程式[2]，每個相位延遲(phase delay)可以轉化為一個等量相角(phase angle):
相位角=2.相位延遲><18° [2]
r
其中，T是相位調製信號V①的周期。
(60) 在至少一個實施例中，數位訊號處理器316根據方程式[3]來測定峰值
電壓Vojk:
Vo』k-abs(VAx/[sin (相角)]} [3],
其中，"abs"表示括號內數量的絕對值函數，VM表示與相位延遲相關的前沿或 後沿的峰值電壓，"x"為給定值。
(61) 例如，如果相位調製信號V屯為50Hz的信號且aO-al，那麼，根據方程 式[2]和[3]，周期402前半個周期的峰值電壓V①jk等於abs{VAG/[sin((2'aO)/0.02)'180)]。如果a2:a3，根據方程式[2]和[3],周期402後 半個周期的峰值電壓Vojk等於abs{VA1/[sin((2'a2)/0.02;H80)]。
(62) 例如，在至少一個實施例中，相位延遲a0和al按照Melanson II禾口 MelansonIII的規定獨立產生。當周期中的相位延遲為獨立產生時，則各獨立產 生的相位延遲上的峰值電壓Vo』k可被更新。
(63) 圖5描述了前沿相位延遲a0和後沿相位延遲P0。在至少一個實施例 中，數位訊號處理器316根據方程式[2]和[3]，測定獨立產生的前沿和後沿相 位延遲的峰值電壓V^jk。在至少一個實施例中，當檢測獨立產生的前沿和後沿 相位延遲時，數位訊號處理器316接收原始相位調製信號Vo一RAw，通過探測各 半個周期的極性來測定其開始和結束時間。
(64) 圖6描述了基於時間的相位延遲探測器600 —相位延遲探測器318的一 個實施例代表。比較器602用於比較相位調製信號Vo和已知參考值Vref。參考 值Vref—般為相位調製信號Vo的周期交叉點電壓，如建築物交流電的中性勢。 在至少一個實施例中，參考值Vref為剛好超過中性勢任意預計電壓波動的電壓
值。計數器604計算時鐘信號周期數f他，直到比較器602顯示已經達到相位調 制信號Vo的邊沿為止。由於相位調製信號V①的頻率和時鐘信號頻率fk已知， 因此，可以根據比較器602顯示已經達到相位調製信號Vo的邊沿為止發生的時 鍾信號周期數fk，以測定相位延遲信號O)表示的相位延遲。因而，相位延遲探 測器600是基於時間的相位延遲探測器一 使用基於時間的程序來探測相位延遲 信號O表示的相位延遲。
(65) 圖7描述了典型的波形700，其代表相位調製信號Vo的一個周期702和 PFC開關控制信號CS,的脈衝波形。在至少一個實施例中，在相位調製信號V① 的相位延遲期間，PFC控制器302繼續讓PFC開關306跳動，即閉合和斷開 PFC開關306 ，以增加PFC LED驅動電路304的有效電阻REFF—!，無需增加外 部零件，也不會造成額外的效率損耗。
(66) 相位調製信號V^周期702的相位延遲a2表示LED的調光水平。增加相 位延遲表示增加調光水平，並降低PFC LED驅動電路的功率需量。參照圖3 和圖7，相位調製信號Vo的半周期704和706分別包括具有有效時間周期TA的活動區(未切)(簡稱為"有效周期Ta")。有效周期TA加上相位延遲a2 等於周期702的半個周期T/2。參照圖l，常規PFC驅動電路和控制器如光源 驅動電路106，在相位延遲a2期間將切斷輸出電流iouT。圖l中的相位調製信 號Vo在相位延遲a2期間通常發生波動，可能會引發問題，如難以探測相位調 制信號V①的邊沿。
(67) 參照圖3和圖7，在至少一個實施例中，在相位延遲a2期間，PFC控制 器302產生脈衝712，降低PFC開關控制信號CS,的有效電阻REF^，並衰減相 位延遲a2期間相位調製信號V。的波動。通過衰減相位延遲a2期間相位調製信 號Vo的波動，相位調製信號V①在周期702所示的相位延遲a2期間大約為 0V。衰減波動促使相位延遲探測器318可以更準確地探測邊沿。而更準確的邊 沿探測使得可以更準確地測定相位調製信號V①表示的調光水平和峰值電壓 Vojk。相位延遲a2期間PFC開關控制信號CSi的周期和佔空比不是按比例顯 示。在至少一個實施例中，PFC開關控制信號CS!的周期和佔空比足以衰減相 位調製信號V①的波動。在至少一個實施例中，相位延遲a2期間PFC開關控制 信號CS!的周期為0.0001- 0.0002秒，等於範圍為10kHz-20kHz的開關頻率。 在相位延遲期間，對調光器如調光器104 (圖l)保持負載，可以提高調光器性 能，從而不需要額外增加LED燈驅動器280的阻尼電路282 (圖2)。
(68) —般來說，在相位調製信號Vo的有效周期TA期間，PFC控制器302根 據方程式[l]來測定PFC開關控制信號CSi的脈衝寬度。但是，隨著相位延遲 a2的增加，PFC開關控制信號CS!的佔空比隨之降低。在至少一個實施例中， 一旦PFC開關控制信號CS!的佔空比低於佔空比閾值，方程式[l]的[l-(Va/Vd)] 項變為1左右。相應地，在至少一個實施例中， 一旦PFC控制器302的佔空比 低於佔空比閾值，便會產生PFC開關控制信號為CSi的脈衝714，其中，脈衝 寬度和佔空比保持不變。在至少一個實施例中，PFC控制器302產生頻率在25 kHz-150kHz之間的脈衝714，避免低頻端的音頻以及高頻端的開關失效。另 外，在照明應用中，避免使用與商業電子設備如紅外線遙控器相關的頻率。在 至少一個實施例中，特定佔空比閾值是設計選擇上的問題，例如，當方程式[l] 的[1-(V①/Vd)]項變為1左右時，其被選為佔空比，從而，降低佔空比不會對照明系統300的性能產生不可接受之影響。在至少一個實施例中，佔空比閾值為 0.4。
(69) 控制信號CS,的脈衝716表示脈衝714的時間延長窗口 718，以說明脈 衝714的不變脈衝寬度。脈衝714為示範性，不必按比例顯示。窗口718的持 續時間為TVX，其中，X為係數，等於5/ (PFC開關控制信號CSi的頻率)。
(70) 圖8描述了 PFC LED驅動電路304的有效電阻模型。從電壓源來看， 如交流電壓源IOI (圖l) ， PFC LED驅動電路304包括有效電阻REFF—^在 至少一個實施例中，PFC控制器302產生PFC開關控制信號CS!，讓PFC LED 驅動電路304對相位延遲信號0表示的調光水平作出響應，而不需要在信號表 示的調光水平增加時，降低可為PFC LED驅動電路304的電壓源感知的有效 電阻REFFj。在調光水平增加時，防止PFC LED驅動電路304有效電阻Rmrj 降低可以節能。
(71) 在至少一個實施例中，數位訊號處理器316通過監控方程式[1]中的功率 需量變量P值來監控LED設備322的功率需量。例如，當調光增加引起LED 設備322的功率需量降低時，功率需量P值將減少。通過依據方程式[l]來測定 PFC開關控制信號CSt的脈衝寬度，數位訊號處理器316降低脈衝寬度，從 而，降低PFC開關控制信號CS,的佔空比。降低PFC開關控制信號CSi的佔空
比可以防止有效電阻REI^隨著調光水平的增加而增加。
(72) 圖9描述了相位調製信號Vo與不帶調光視圖902和帶調光視圖904的電 感器電流iu之間的關係。參照圖3和圖9， PFC負載驅動電路304的有效電阻 REFFj等於Vo/iu。在視圖902中，相位調製信號V①無相位延遲，說明沒有調 光。因為PFC負載驅動電路304進行功率因數校正，電感器電流iu與相位調製 信號Vo同相且同軌。在視圖904中，相位調製信號Vo包括相位延遲al和
a2，說明有調光。如果電感器電流iu不隨著調光而降低，則虛線波形906和 卯8表示電感器電流iu的數值。實線波形910和912表示PFC控制器302控制 的電感器電流iu的實際值。因此，PFC負載驅動電路304的有效電阻REFF」不 隨著調光水平的增加而降低，在至少一個實施例中，實際上是隨著調光水平的 增加而增加。(73) 圖10描述了PFC開關控制信號CS!佔空比和連接電壓Vd之間的示範性 圖形關係1000。參照圖3和圖10，根據PFC開關控制信號CSi的佔空比，PFC 負載驅動電路304將相位調製信號V①增壓為不同連接電壓VC1 。例如，降低 LED設備322的功率需量導致方程式[l]中功率需量P的減少。按照方程式[l]， PFC控制器302通過降低PFC開關控制信號CSi的佔空比，對LED設備322的 功率需量減少作出響應。例如，LED設備322的功率需量減少是由於LED設備 322的LED調光引起。在至少一個實施例中，將相位調製信號V①增壓至較高 的連接電壓VC1—H會導致在大約400V的直流電壓上增加120V的交流電。當 PFC開關控制信號CS,的佔空比隨LED設備322功率需量的減少而降低時， PFC負載驅動電路304如通過與開關306相關的開關損耗而失去功效。
(74) 相應地，在至少一個實施例中，PFC控制器302產生佔空比調製PFC開 關控制信號CS!，以控制PFC LED驅動電路304的調節連接電壓Vcl。當PFC 開關控制信號CS!的佔空比降低到0與閾值DGm之間的數值時，PFC控制器 302將連接電壓VC1從高連接電壓值V(^H降至低連接電壓值VdL。佔空比閾 值DCm的特定值是設計選擇上的問題，例如，在提供適當的連接電壓Vd以滿 足LED設備322的功率需量時，其被選為一個特定值，用於增加PFC負載驅動 電路304的效率。在至少一個實施例中，佔空比閾值DOrH設為0.5。在至少一 個實施例中，對於電壓峰值V^k為120V的相位調製信號Vo，高連接電壓 VC1_H可以為大約200V-400V範圍內的任意值，而低連接電壓Vd;為大約 120V-175V範圍內的值。
(75) 從高連接電壓VC1H到低連接電壓VC1_L的過渡段1002的坡度和形狀是 設計選擇上的問題，例如，取決於高連接電壓Vdji和低連接電壓Vaj^之間所 需要的過渡段。在至少一個實施例中，坡度為90度，表示連接電壓Vd的兩種 可能值Vd—H和Vd—L。在其它實施例中，坡度小於90度，表示高連接電壓 Vcl—H和低連接電壓Vcu之間的多個連接電壓值VC1。過渡段1002的形狀可以 為線性，也可以為非線性。
(76) 圖11和圖12表示LED設備322的示範性應用。LED設備1100包括一 個或多個LED 1102。 LED 1102可以為任意類型的LED，包括白色、琥珀色、其它顏色或者任何LED顏色組合。另外，LED 1102可以配置為任何類型的物 理排列，如直線型、圓形、螺旋狀或任何其它物理排列。在至少一個實施例 中，每個LED 1102為串聯。電容器1104與LED 1102並聯，提供保護LED 1102免於交流信號的過濾作用。電感器1106穩定LED電流i0UT能量，在PFC 開關306閉合時保持大致不變的電流iouT。 PFC開關306斷開時，二極體1108 保持電流持續。
(77) 在開關LED系統1210中，電感器1212與LED 1102串聯，以儲能和過 濾。電感器1212穩定LED電流iour能量，在PFC開關306閉合時保持大致不 變的電流ioirr。 PFC開關306斷開時，二極體1214保持電流持續。儘管已經描 述了 LED設備322的兩個特定實施例，但是LED設備322可以為任意LED、 LED陣列或任意開關LED系統。
(78) 因此，PFC控制器302可以根據相位調製信號Vo的相位延遲確定至少 一個功率因數校正控制參數。
(79) 在至少一個實施例中，隨著調光水平降低，PFC控制器302將降低PFC LED驅動電路304中PFC開關306的佔空比，從而，使PFC LED驅動電路 304降低供給LED的輸出電流。例如，當相位調製信號Vo指示調光水平低於 閾值OTH時，PFC控制器302保持PFC開關306的佔空比大致不變，以便在不 明顯犧牲功率因數校正的情況下保持開關效率。
(80) 在至少一個實施例中，PFC控制器302產生PFC開關控制信號CS2，使 PFC LED驅動電路304對調光信號如相位調製信號V。表示的調光水平降低作 出響應，而不需要降低PFC LED驅動電路304的有效電阻。
(81) 在至少一個實施例中，PFC控制器302產生佔空比調製PFC開關控制信 號CS,，以控制PFC LED驅動電路304的調節連接電壓Va;並在PFC開關控
制信號CS!的佔空比降低到0與閾值DCTH之間的數值時，降低連接電壓VC1。
權利要求
1.發光二極體(LED)照明系統包括一個功率因數校正(PFC)控制器，包括一個接收相位延遲信號的輸入口，用於接收表示相位調製調光器信號的相位延遲；和一個數位訊號處理器，與輸入口一起接收相位延遲信號，並根據相位延遲信號來確定PFC控制操作參數，以及使用確定的操作參數產生PFC開關控制信號。
2. 權利要求1所述的LED照明系統還包括一個基於時間的相位延遲探測器，用於探測相位調製信號的相位延 遲情況，並以數位訊號形式產生相位延遲信號。
3. 權利要求1所述的LED照明系統，其中，數位訊號處理器配置 為利用控制信號狀態算法來測定PFC開關控制信號的脈衝寬度。
4. 權利要求1所述的LED照明系統，其中，操作參數為相位調製調 光器信號的峰值電壓。
5. 權利要求1所述的LED照明系統，其中，相位延遲信號表示調光 水平，PFC控制器還配置為產生PFC開關控制信號，使PFC LED驅動電路對 信號表示的調光水平作出響應，而不需要在信號表示的調光水平增加時，降低 可為PFC驅動電路電壓源感知的有效電阻。
6. 權利要求1所述的LED照明系統，其中，PFC控制器還配置為產 生佔空比調製控制信號，以控制PFC LED驅動電路的調節連接電壓；並在控 制信號的佔空比降低到0與閾值之間的數值時，降低連接電壓。
7. 權利要求1所述的LED照明系統中，PFC控制器還配置為在 PFC開關控制信號的佔空比低於預定閾值時，在每個相位調製信號周期中產生 大致不變的PFC開關控制信號脈衝寬度。
8. 權利要求l所述的LED照明系統中，PFC控制器還配置為在相位 延遲期間產生PFC開關控制信號，其中，所產生信號的脈衝寬度和佔空比足以 衰減相位調製信號在相位延遲期間的波動。
9. 權利要求8所述的LED照明系統中，在相位延遲期間產生的PFC 開關控制信號脈衝比相位調製信號有效周期內的PFC開關控制信號具有明顯大 得多的脈衝周期。
10. —種控制發光二極體(LED)照明系統的方法，其包括 接收表示相位調製調光器信號相位延遲的相位延遲信號；根據相位延遲信號，數位訊號處理器將測定PFC控制操作參數；和 使用測定的操作參數產生PFC開關控制信號。
11. 權利要求io所述的方法還包括-使用一個基於時間的相位延遲探測器，探測相位調製信號的相位延遲； 和以數位訊號形式產生相位延遲信號。
12. 權利要求10所述的方法還包括利用控制信號狀態算法來測定PFC開關控制信號的脈衝寬度。
13. 權利要求10所述的方法，其中操作參數為相位調製調光器信號的 峰值電壓。
14. 權利要求10所述的方法，其中，相位延遲信號表示調光水平，這個方法還包括產生功率因數校正控制信號，使PFC LED驅動電路對信號表示的調光水平作 出響應，而不需要在信號表示的調光水平增加時，降低可為PFC負載驅動電路 電壓源感知的有效電阻。
15. 權利要求10所述的方法還包括產生佔空比調製控制信號，以控制PFC LED驅動電路的調節連接電 壓；且當控制信號的佔空比降低到O與佔空比閾值之間的數值 時，降低連接電壓。
16. 權利要求10所述的方法還包括當PFC開關控制信號的佔空比低於預定閾值時，在每個相位調製信號周 期中產生大致不變的PFC開關控制信號脈衝寬度。
17. 權利要求10所述的方法還包括在相位調製信號的相位延遲期間產生PFC開關控制信號，其中，所產生 信號的脈衝寬度和佔空比足以衰減相位調製信號在相位延遲期間 的波動。
18. 權利要求17所述的方法，其中，在相位延遲期間產生的PFC開 關控制信號脈衝比相位調製信號有效周期內的PFC開關控制信號具有明顯大得 多的脈衝周期。
19. 發光二極體(LED)照明系統包括一個功率因數校正(PFC)控制器，用於接收表示調光水平的信號以及產生PFC 開關控制信號，使PFC LED驅動電路對信號表示的調光水平作出響應，而不 需要在信號表示的調光水平增加時，降低可為PFC負載驅動電路電壓源感知的 有效電阻。
20. 權利要求19所述的方法，其中，PFC控制器還配置為在調光水 平降低時，降低PFC開關控制信號的佔空比，直到調光水平達到調光水平閾值 為止；並且在調光水平低於調光水平閾值時，保持PFC開關控制信號的佔空比 大致不變。
21. 權利要求19所述的照明系統，其中，PFC控制器還配置為在調 光信號表示的調光水平降低時，增加PFC負載驅動電路的有效電阻。
22. —種控制發光二極體(LED)照明系統的方法，該方法包括 接收表示調光水平的信號；和產生功率因數校正控制信號，使PFC LED驅動電路對信號表示的調光水平 作出響應，而不需要在信號表示的調光水平增加時，降低可為PFC負載 驅動電路電壓源感知的有效電阻。
23. 權利要求19所述的方法還包括在調光水平降低時，降低PFC開關控制信號的佔空比，直到調光水平降至調光水平閾值為止；和 在調光水平低於調光水平閾值時，保持PFC開關控制信號的佔空比大致不變。
24. 權利要求19所述的方法還包括 在調光信號表示的調光水平降低時，增加PFC負載驅動電路的有效電阻。
25. 發光二極體(LED)照明系統包括 一個功率因數校正(PFC)控制器，用於產生佔空比調製控制信號，以控制PFC LED驅動電路的調節連接電壓；並在控制信號的佔空比降低到O與 閾值之間的數值時，降低連接電壓。
26. 權利要求25所述的LED照明系統中，PFC LED驅動電路配置為 根據電源電壓操作，PFC控制器配置為將連接電壓降至大約等於電源電壓。
27. 權利要求25所述的LED照明系統中，佔空比閾值為0.25-0.5之 間且包括0.5的一個數值。
28. —種控制發光二極體(LED)照明系統的方法，其包括 產生佔空比調製控制信號，以控制PFC LED驅動電路的調節連接電 壓；且當控制信號的佔空比降低到0與佔空比閾值之間的數值時，降低連接電 壓。
29. 權利要求28所述的方法，其中，PFC LED驅動電路配置為根據 電源電壓操作，該方法還包括將連接電壓降至大約等於電源電壓。
30. 權利要求28所述的方法，其中，佔空比閾值為0.25-0.5之間且 包括0.5的一個數值。
31. 發光二極體(LED)照明系統包括 一個功率因數校正(PFC)控制器，包括一個接收相位延遲信號的輸入口，用於接收表示相位調製調光器信號的 相位延遲；和其中，PFC控制器配置為接收相位延遲信號以及在相位調製信號的相位 延遲期間產生PFC開關控制信號，其中，所產生信號的脈衝寬度 和佔空比足以衰減相位調製信號在相位延遲期間的波動。
32. —種控制發光二極體(LED)照明系統的方法，該方法包括接收表示相位調製調光器信號相位延遲的相位延遲信號； 在相位調製信號的相位延遲期間產生PFC開關控制信號，其中，所產生信號的脈衝寬度和佔空比足以衰減相位調製信號在相位延遲期間的波 動。
全文摘要
發光二極體(LED)照明系統含有一個功率因數校正(PFC)控制器，該控制器根據相位調製信號的相位延遲確定至少一個功率因數校正控制參數。在至少一個實施例中，相位調製信號的峰值電壓用作PFC控制參數-PFC控制器將其用於控制功率因數校正及經由PFC LED驅動電路產生的連接電壓。相位延遲與相位調製信號的峰值電壓有關。因此，在至少一個實施例中，探測一個或多個相位調製信號周期中的相位延遲可以讓PFC控制器測定相位調製信號的峰值電壓。
文檔編號H05B33/08GK101637064SQ200880008121
公開日2010年1月27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