用于控制至固态照明电路的电流的设备和方法与制造工艺

本发明总体针对固态照明设备的控制。更具体地，在此公开的各种创造性方法和装置涉及控制固态照明设备驱动器的功率因数和效率。

背景技术：
数字照明技术，即基于例如发光二极管(LED)的半导体光源的照明，提供了一种对于传统的荧光灯、HID和白炽灯的可行的替代。LED的功能性的优势和好处包括高的能量转换和光效率、耐久性、低运行成本和许多其他。LED技术的近来的进步已经提供了高效和强健的全光谱照明源，其能够在许多应用中实现各种照明效果。例如，如在美国专利No.6,016,038和6,211,626中所详细讨论的，实施这些源的一些器材的特征在于这样的照明模块，该照明模块包括：一个或多个LED，其能够产生不同的颜色(例如，红、绿和蓝)；以及处理器，其用于独立地控制LED的输出，以便产生各种颜色和颜色改变的照明效果。典型地，包括多个基于LED的光源(例如串联的LED串)的基于LED的照明单元或者LED负载由功率变换器驱动，功率变换器从市电电源接收电压和电流。为了降低驱动器成本，可以直接从市电电源驱动LED负载，作为替代，市电电源包括AC和DC操作。然而，存在关于直接从市电电源的进行AC驱动的缺点。例如，提供给LED负载的电流波形具有与平均值相比的高峰值。因此，由于下垂以及低功率因数，LED负载被以降低的效率驱动。此外，仅当瞬时市电电压高于LED负载的正向电压时，电流流动才有可能。因此，可能存在相对长的时期，在此期间，没有电流流向LED串并且没有光产生，导致闪烁。为了部分地解决这些问题，可以将整流电路连接在市电电源和照明单元之间，并且可以在照明单元内将电容器与LED负载并联。例如，图1图示了传统的基于LED的照明单元100的电路图，该照明单元100包括桥式整流电路110、LED负载160和电容器141，该电容器作为功率因数控制(PFC)和平滑电路。电容器141与LED负载160并联，LED负载160包括与一个或多个LED光源(由LED161和162指示)串联的电阻器163。桥式整流电路110经由电阻器105连接到市电电源101，并且包括二极管111-114。因此，桥式整流电路110向平滑电路输出经整流的市电电压或输入电压Urect。然而，由于输入至电容器141的电容器电流IC的充电和放电波形以及市电电压波形的形状，基于LED的照明单元100典型地消耗电流，例如以在相对短的时段内对电容器141进行再充电，导致高的电流峰值和低的功率因数。另外，主要是连接至市电电源101的电阻器105限制了电容器141的重复和初始充电。因此，当LED负载160初始打开时，可能存在过度的涌入电流。例如，如果LED负载160在市电电源101的市电电压峰值期间打开，则电容器141的电容器电流IC与标称操作相比可能相对较大。因此，除非LED负载160包括串联连接至一个电路的多个光源，导致标称LED操作电流的相对较低的值，否则由于基于LED的照明单元100中的另外的部件，先前的相对较少数目的光源将足以触发断路器的磁脱扣。因此，可连接至一个电路的基于LED的照明单元100的数量可能远远小于与根据标称电流所可能期望的数量(例如，仅1/10甚至1/50)。从效率的角度，并且当观察单独的基于LED的光源时，电流波形不存在问题。然而，当观察大量的基于LED的光源时，在短的时间间隔期间的高电流，在很短的时间间隔期间对市电网格产生失真，并且可能触发断路器(例如，触发断路器的快速动作磁脱扣)。由于市电失真，通过调节禁止以非常低的功率因数使用LED负载。例如，在欧洲，所需的功率因数可能是低到0.5，如上所述，使用整流器和电容器的解决方案，这是可以实现的。然而，其他地区需要相对高的功率因数，如0.7或更高，例如0.9。因此，现有技术中需要直接从市电电源AC驱动基于LED的照明单元，而维持相对高的功率因数。此外，当初始打开直接从市电电源驱动的基于LED的照明单元时，现有技术中需要防止过度的涌入电流。

技术实现要素：
本公开内容针对创造性的设计和方法以便使用和LED照明单元中的电容器串联的动态调制电流源来对电容器电流进行整形，从而提高LED照明单元的功率因数，同时增加或最大化效率，以及减少电流源中的峰值功耗。此外，经调制的电流源限制输入电流，防止LED照明单元触发断路器。通常，在一个方面，提供一种用于控制至固态照明负载的电流的设备，所述设备包括电容器和电流源。所述电容器与所述固态照明负载连接成并联布置。所述电流源与所述电容器和所述固态照明负载的并联布置串联连接，所述电流源被配置为基于输入电压，动态地调制提供给所述电容器和所述固态照明负载的并联布置的输入电流的幅度。在另一个方面，通过一种用于控制至发光二极管(LED)负载的电流的设备，所述设备包括电容器、晶体管和调制控制电路。所述电容器与所述LED负载并联连接。所述晶体管串联连接在所述电容器和提供经整流的输入电压的桥式整流电路之间。所述调制控制电路与所述电容器和所述晶体管并联连接，并且被配置为从所述桥式整流电路接收经整流的输入电压。所述调制控制电路包括连接至所述晶体管的栅极的电流镜，所述电流镜基于来自所述桥式整流电路的输入电压被选择性地激活和停用以向下和向上调制通过所述电容器的电流的幅度。在另一个方面，提供一种用于控制至固态照明负载的电流的方法。所述方法包括：接收具有波形的输入电压；以及响应于所接收的输入电压的所述波形和所接收的输入电压的所述波形中的时间延迟中的至少一个，调整与所述固态照明负载并联连接的电容器的电容器电流的幅度调制。调整所述电容器电流的所述幅度调制改变所述固态照明负载的功率因数和操作效率中的至少一个。如这里为了本公开内容的目的所使用的，术语“LED”应当理解为包括能够响应于电信号产生辐射的任何电致发光二极管或其它类型的基于载流子注入/结的系统。由此，术语LED包括但不限于响应于电流发光的各种基于半导体的结构、发光聚合物、有机发光二极管(OLED)、电致发光条带等。具体地，术语LED指代可以配置为在红外光谱、紫外光谱和各种部分的可见光谱(一般包括从近似400纳米到近似700纳米的辐射波长)的一个或多个中产生辐射的所有类型的发光二极管(包括半导体和有机发光二极管)。LED的一些示例包括但不限于各种类型的红外LED、紫外LED、红色LED、蓝色LED、绿色LED、黄色LED、琥珀色LED、橙色LED和白色LED(下面进一步讨论)。还应当领会的是，LED可以被配置和/或控制以产生这样的辐射：其对于给定光谱(例如，窄带宽、宽带宽)具有各种带宽(例如，一半最大处的完全宽度或FWHM)，以及给定的通常颜色分类内的各种主波长(dominantwavelength)。例如，配置为产生本质上白光的LED的一种实现(例如，白色LED照明器材)可以包括数个管芯，其分别发出组合地混合以形成本质上的白光的电致发光的不同光谱。在另一实现中，白光LED照明器材可以与转换具有第一光谱到不同的第二光谱的电致发光的磷光体材料相关联。在此实现的一个示例中，具有相对短波长和窄带宽的电致发光“泵激”磷光体材料，其继而辐射具有某种程度上更宽光谱的更长波长辐射。还应当理解，术语LED不限于LED的物理和/或电气封装类型。例如，如上面讨论的，LED可以指代具有多个管芯的单个发光设备，所述多个管芯被配置为分别发出辐射的不同光谱(例如，其可以或者不可以单独地可控)。此外，LED可以与被视为LED(例如，一些类型的白色LED)的整合部分的磷光体相关联。一般地，术语LED可以指代封装的LED、未封装的LED、表面安装的LED、板上芯片的LED、T封装安装的LED、径向封装的LED、功率封装的LED、包括一些类型的包封和/或光学元件(例如，漫射透镜)的LED等。术语“光源”应当理解为指代各种辐射源中的任何一个或多个，所述辐射源包括但不限于基于LED的源(包括如上面定义的一个或多个LED)、白炽源(如，钨丝灯、卤素灯)、荧光灯源、磷光源、高强度气体放电源(例如，钠蒸汽、汞蒸汽和金属卤化物灯)、激光、其它类型的电致发光源、火发光源(如，火焰)、蜡烛发光源(例如，气罩、碳弧辐射源)、光致发光源(例如，气体放电源)、使用电子饱和的阴极发光源、电发光源、晶体发光源、电视显像管发光源、热发光源、摩擦发光源、超音波发光源、辐射发光源、发光聚合物。给定的光源可以配置为产生可见光谱内、可见光谱外或者两者的组合的电磁辐射。因而，术语“光”和“辐射”在此可互换地使用。另外，光源可以包括作为集成组件的一个或多个滤波器(例如，滤色器)、透镜或其它的光学组件。此外，应当理解，光源可以配置用于各种应用，包括但不限于指示、显示和/或照明。“照明源”是具体配置为产生具有充足强度的辐射以有效地照亮内部或外部空间的光源。在此上下文中，“充足强度”指代在空间或环境中产生的用以提供环境亮度的可见光谱中的充足辐射功率(单位“流明”经常用于在辐射功率或者“光通量”方面表示从所有方向上的光源输出的全部光)(即，可能被间接地察觉到的光，以及例如在全部或者部分被察觉到之前可能从各种干预表面的一个或多个反射的光)。术语“光谱”应当被理解为指代由一个或多个光源产生的任意一个或多个频率(或波长)的辐射。相应地，术语“光谱”不仅指可见光范围内的频率(或波长)，还指红外、紫外以及全部电磁光谱内的其他区域内的频率(或波长)。同样，给定的光谱可具有相对较窄的带宽(例如，本身具有少数频率或者波长分量的FWHM)或者相对较宽的带宽(具有多种相对强度的多个频率或波长分量)。还应当理解，给定的光谱可为两个或多个其他光谱的混合的结果(例如，混合多个光源分别发出的辐射)。术语“照明器材”在此用于指代一个或多个照明单元按照特定形状因素、装配或封装的实施或设置。术语“照明单元”在此用于指代包括相同或不同类型的一个或多个光源的设备。给定的照明单元可以具有各种用于光源的安排列、外围/客体排列和形状、和/或电气和机械连接配置中的任何一个。另外地，可选择地，给定的照明单元可以与关于光源的操作的各种其它组件(例如，控制电子线路)相关联(例如包括：所述照明单元与所述其它组件耦接和/或与所述其它组件封装在一起)。“基于LED的照明单元”指代包括如上面讨论的、单独的或者与其它不基于LED的光源组合的一个或多个基于LED的光源的照明单元。“多通道”照明单元指代这样的基于LED或者不基于LED的照明单元：其包括被配置为分别产生辐射的不同光谱的至少两个光源，其中每个不同的源光谱可以称为多通道照明单元的“通道”。术语“控制器”在此通常用于描述与一个或多个光源的操作有关的各种装置。控制器可以以多种方式加以实施(例如，利用专用硬件)以进行在此讨论的各种功能。“处理器”是采用可以使用软件(例如，微代码)来编程的一个或多个微处理器来执行本文讨论的各种功能的控制器的示例。控制器可以通过或不通过采用处理器加以实施，并且还可以实施为用以执行一些功能的专用硬件和用以进行其它功能的处理器(例如，一个或多个编程的微处理器和相关联的电子线路)的组合。本公开内容的各种实施例中可以采用的控制器组件的示例包括但不限于传统的微处理器、微控制器、专用集成电路(ASIC)和现场可编程门阵列(FPGA)。在各种实施方式中，处理器或者控制器可以与一个或多个存储介质(总地在此称为“存储器”，例如，易失性和非易失性计算机存储器，如RAM,PROM,EPROM和EEPROM、软盘、光盘、光碟、磁带等)相关联。在一些实施方案中，存储介质可以被编码有一个或多个程序，该程序在一个或多个处理器和/或控制器上被执行时，实现在此论述的功能中的至少一些。各种存储介质可以固定在处理器或控制器内，或者可以是可便携式的，使得可以将其上存储的一个或多个程序加载至处理器或者控制器以便实施在此讨论的本发明的各种方面。术语“程序”或“计算机程序”在此以一般的意义用于指代可用于对一个或多个处理器或控制器编程的任何类型的计算机代码(例如，软件或微代码)。术语“可寻址的”在此被用于指代被配置为接收意图发送给包括该设备在内的多个设备的信息(例如数据)、并选择性地对意图发送给该设备的特定信息进行响应的设备(例如，普遍的光源，照明单元或器材，与一个或多个光源或照明单元相关联的控制器或处理器，其他非照明相关设备等)。术语“可寻址的”通常与网络环境(或网络，下文中将进行进一步论述)一起使用，在该网络环境中多个设备通过一些通信介质耦合在一起。在一个网络实现中，耦合到网络的一个或多个设备可以用作用于耦合到网络一个或多个设备的控制器(例如，在主/从关系中)。在另一实现中，网络化的环境可以包括一个或多个专用...