LED驱动电路、LED电路和驱动方法与流程

文档序号:11162613
LED驱动电路、LED电路和驱动方法与制造工艺

本发明涉及基于LED的照明,并且特别地,其与原始设计用于其他照明技术(诸如白炽灯照明)的调光器开关兼容。



背景技术:

基于LED的(改装)灯被越来越多地用于家庭建筑物和办公室。除了它们的高效率之外,它们还由于新设计特征、不同的色温、调光能力等而吸引消费者。

如果LED灯连接至已经安装/现有的调光器,则它们需要与这些调光器兼容,即它们需要在相沿/相切期间应对由调光器生成的高振荡并且在(相切)市电电压的整个循环期间保证最小的保持电流。最后,根据导通角,LED灯需要作为较低操作电流的结果而减小其光学输出。

目前,全世界大约90%的安装相切调光器是前沿或后沿类型。在正弦电压的开始处(前沿)或者在正弦电压的末端处(后沿),这些调光器切掉市电电压的一部分,因此减少了能量被馈送至连接的驱动器电子器件的时间。

为了保证适当的操作,即使对于最低的调光设置,调光器中的电子开关(通常为三端双向可控硅开关元件(triac))的最小保持电流需要由连接的电子器件在所提供市电电压的整个循环内来汲取。然而,在各个时间,现代LED驱动电子器件仅需要少量的电流。例如,可以通过电子电路来汲取非恒定电流,例如在市电循环的开始处汲取较大的电流且在该循环的剩余时间期间汲取较小电流。当然,低瓦特LED封装需要低电流。如果较高功率LED封装的效率进一步增加,则甚至更高功率的LED封装可具有低电流要求。US20120319621A和其他现有技术公开了各种解决方案以使得调光器高兴:即满足调光器对最小锁存电流的要求。它们的基本解决方案是:当负载电流太小而不能保持调光器操作时,从调光器汲取额外的电流来使得调光器输出电流高于其最小锁存电流。

通常,LED转换器(由驱动器电路和镇流器电路组成)的调光状态向LED传送太多的功率,导致仍然较高的光输出,即使在相切调光器的小导通角下。为了对此进行补偿,由转换器传送的过剩功率需要通过所谓的泄放结构来转换,通常被转换为热。

申请人提出了(但是在本申请的优先权日还没有公开)包括位于LED板上的电路的泄放方法(所谓的层级2泄放器),其中,由于LED在调光期间在较低瓦特下运行,所以充分的热扩散可能性是可用的。

泄放结构的目的在于允许更深的调光水平。所提出的系统在泄放功能有效时汲取恒定的电流,使得LED电流和泄放电流的总和保持恒定。



技术实现要素:

然而,泄放器结构在较低的驱动水平下导致增加的闪烁。

因此,需要一种泄放器结构,其在抑制闪烁问题的同时允许深度的调光水平。

通过权利要求限定本发明。

根据本发明,提供了一种用于驱动LED装置的驱动器电路,包括:

电源,用于为LED装置提供调节驱动电流,所述转换器适于将调光输入功率转换为所述驱动电流;

电流感测元件,与LED装置串联并且适于感测通过LED装置的LED装置电流;

泄放器电路,具有与LED装置并联的泄放路径,适于从驱动电流中去除泄放部分,以降低LED装置的输出功率;以及

控制电路,用于在由电流感测元件感测的LED装置电流低于阈值时启用泄放器电路,以进一步调暗LED装置。

泄放器电路能够消耗例如来自电源输出的过剩功率,使得深调光变得可能。因此,本发明能够实现基于LED的灯的真实深度调光,而具有非常低的闪烁。通常,在调光状态下,LED转换器(驱动器/镇流器)向LED传送太多的功率,导致高光输出,即使在用于相切调光器的示例的小导通角下。为了对此进行补偿,由转换器传送的过剩功率需要通过泄放器结构来转换。驱动电路相对于现有技术的巨大差别在于,泄放器电流汲取来自LED装置的电流,以将其进一步调暗,而在现有技术中,从调光器而非负载汲取泄放电流,从而负载电流不被修改。

本发明的电路的优势在于,其允许驱动器达到甚至更深的调光水平,而具有更低的闪烁。例如,这可以平滑LED平滑电容器的放电曲线。此外,由于要求更少的部件,所以电路减少了所需的板空间并且相对于恒定电流方法提供了成本优势。该电路还可以示出近乎完美的温度稳定性。

在一个实施例中,电源可以包括:

开关模式功率转换器,接收输入信号,该输入信号包括向其应用调光功能的整流市电功率信号,所述开关模式功率转换器适于将输入信号转换为所述驱动信号;

其中,所述开关模式功率转换器可选地包括振铃扼流式转换器。

该实施例提供了本发明的对低成本转换器(诸如振铃扼流式转换器(“RCC”)进行集成的实施例,其具有低部件数量。该实施例具有低成本的优势。

在一个另一实施例中,整流市电功率可以是应用所述调光功能的相切信号,驱动信号与整流市电功率同相地进行同步,并且泄放器电路包括开关装置,该开关装置适于根据整流市电功率的阶段或驱动信号的阶段进行开关,从而在泄放路径中调制电流。

开关可用于将部件连接到电路中或断开部件,从而影响泄放电流部分的大小。由于在振铃扼流式转换器中驱动信号与整流市电功率同相地进行同步,所以泄放器电路可以通过检测驱动信号或输入相切市电功率来得到主动或被动供电的阶段。

在一个另一实施例中,泄放器电路可以包括:

第一分支,包括:

电流泄放分支,与所述LED装置并联;并且

电路感测元件包括感测电阻器装置,感测电阻器装置具有连接至LED装置和电流泄放分支的输出,其中感测电阻器用于感测驱动电流并适于根据驱动电流调节电流泄放分支的泄放部分,

并且泄放器电路还包括:

电流设置分支,用于设置驱动信号的由电流泄放分支泄放的泄放部分;

其中,电流泄放分支和电流设置分支形成电流镜,并且其中驱动电流的泄放部分取决于电流镜中的电流设置分支的发射极电阻和电流泄放分支中的发射极电阻之间的比率。

该泄放器电路对组合的泄放电流部分和电流设置部分(传输至LED)进行设置。这可启用自激活泄放器电路,其可以仅在LED电流下降到阈值之下时进行操作。此外,使用电流镜可以得到泄放器电路的精确电流控制。

给定上述泄放器电路,泄放器电路还包括:

电阻调谐电路,耦合至电流设置分支和电流泄放分支中的任一个,并适于调节耦合分支的发射极电阻,从而根据进入电源的整流市电功率的阶段或者驱动电流的阶段来实现高泄放电流或低泄放电流。

一个方面是不经由泄放器汲取恒定电流,但调节通过泄放器汲取的电流。在最大LED电流附近,将汲取较高的泄放电流(降低该LED最大值)并且在剩余时间期间,将汲取较低的泄放电流(不降低最小值太多或者根本不降低)。以这种方式,可以利用通过LED和泄放器电路的组合汲取的电流的两个不同设置值来实施至少两阶梯调制功能。更特别地,当在主动供电期间需要高泄放时,电阻调谐电路可以将泄放电路设置为泄放高幅度电流;否则泄放低幅度电流。可以进一步降低闪烁。

在用于实施电阻调谐电路的更具体实施例中,电阻调谐电路可以包括开关装置,其中:

开关装置耦合至电流设置分支并用于:

当整流市电功率被切至零时,将并联电阻器切换至电流设置分支以减小电流设置分支的发射极电阻,从而实现低泄放电流;

当整流市电功率为未切时,从电流设置分支中切换出并联电阻器以增加电流设置分支的发射极电阻,从而实现高泄放电流;

或者

开关装置耦合至电流泄放分支并用于:

在整流市电功率未切时,短路电流泄放分支的发射极电阻的至少一部分,从而实现高泄放电流;

在整流市电功率切至零时,保持电流泄放分支的发射极电阻,从而实现低泄放电流。

以这种方式,可以再次利用通过泄放器电路汲取的电流的两个不同设置值来实施至少两阶梯调制功能。通过控制电流设置部分或电流泄放部分,控制提供给LED的电流的大小。

在一个实施例中,该电路可以包括耦合至感测电阻器装置的峰值检测器,用于检测驱动信号的阶段,其中,所述峰值检测器适于检测驱动电流正在增加,并且启用开关部分用于短路电流设置分支的发射极路径中的电阻器,从而在驱动电流增加时实现高泄放电流,

并且泄放器电路还包括时间延迟电路,其适于在相对于检测到驱动电流正在增加的一定时间延迟之后作用以使开关装置失效以免短路电阻器。

这提供了可简化实施以提供电阻器的短路的电路,从而提供泄放电流部分的期望的至少两个调制水平。

在该实施例中,仅一个装置被用于检测增加的驱动电流,即主动供电阶段,而简单的时间延迟电路用于反映被动供电阶段的到来,并且不需要用于被动供电阶段的特定检测电路,这又降低了成本。

在一个实施例中,该电路还包括平滑电容器,用于连接在LED装置两端并向LED装置提供平滑驱动电压,并且时间延迟电路包括具有电容器(C6)的子电路,该电容器耦合至开关装置的基极。

该实施例的目的在于解决源于泄放器的恒定电流功能的闪烁问题。在不存在该子电路的情况下,泄放电流和LED电流目的在于保持它们的总和相同。因此,泄放电流具有鞍形(下面进一步说明),并且LED电流更加陡峭。子电路用于在第二阶段的末尾前一定持续时间使开关装置失效以免短路电阻器。由于高水平泄放的提前末端,鞍形中的第二峰值将被去除,这又会使得LED电流更加平坦。

在一个实施例中,感测电阻器装置可包括串联的第一电阻器和第二电阻器,并且短路装置,其用于根据驱动电流高于第一阈值短路电阻器之一。

如果调光信号的导通角较大(使得需要更小的泄放电流),则该装置能够通过使得泄放电流部分更小来实现效率改进。

在一个实施例中,该电路可以包括用于检测驱动信号的检测器,并且用于在驱动电流超过第二阈值时断开泄放器电路。

该电路提供了激活功能,使得泄放电流仅在LED驱动电压低于阈值时被激活。反过来,当LED不被调光时,泄放器电路不动作,由此确保LED的高流明输出并且还节省了能量。

在另一实施例中,驱动电路可进一步包括:

平滑电容器,用于连接在LED装置两端;

输入,接收驱动电流,其中,在第二阶段中对平滑电容器进行充电,以及在第一阶段中不对平滑电容器进行充电并允许平滑电容器放电;以及

传感器,用于感测流至电容器的电流并且用于仅在充电电容器电流在第二阶段中流动时激活泄放器电路。

这提供了更主动的方式来控制泄放器电路,来仅在充电电流期间动作。因此,对电容器进行充电的能量降低,并且最大LED电流将降低,而不影响电容器的放电,由此LED电流的最大和最小水平之间的比率较小,并且降低闪烁。

在又一实施例中,泄放器电路包括:电流感测元件,与平滑电容器串联,用于感测平滑电容器的充电电流;以及控制电路,包括比较电路,用于通过平滑电容器的感测充电电流与感测LED装置电流的比较来启用泄放器电路。

该实施例使用一个比较电路来控制泄放器电路:在LED装置电流高的情况下,泄放器将不被激活;在LED装置电流低但电容器不被充电的情况下,泄放器也不激活。该结构具有较少的部件,因为在处理LED装置电流和电容器充电电流的检测中仅需要一个比较电路。

在又一实施例中,驱动电路还包括:

平滑电容器,用于连接在LED装置两端;

其中,电源适于在对平滑电容器进行充电的第二阶段和在不对平滑电容器充电并允许平滑电容器放电第一阶段中提供驱动电流;以及

驱动电路还包括位于泄放器电路与平滑电容器之间的解耦合二极管形式的开关装置,以防止泄放器电路在第一阶段中泄放来自平滑电容器的放电电流,从泄放器电路传输至平滑电容器前置连接解耦合二极管。

该解耦合二极管意味着泄放器电路仅在一个方向上吸收电流,例如充电电流。以这种方式,泄放器电路在整流(和相切)输入的高压(未切)阶段期间更为有源并且在低电压(切割)阶段期间不太有源。二极管的使用提供了简化的无源电路。

作为平滑的结果,输入信号的第二阶段对应于电容器充电,并且第一阶段对应于电容器放电。泄放器电路仅在第二阶段期间进行操作以降低波纹。

在优选实施例中,泄放器电路包括经由二极管耦合至电源的输出的泄放路径,该电路还包括与泄放路径并联的电容器,泄放路径经由解耦合二极管与平滑电容器断开,其中,泄放器电路还包括控制路径,并且平滑电容器耦合至所述控制路径。

在该实施例中,平滑电容器经由解耦合二极管与泄放路径断开,由此平滑电容器将不通过泄放路径放电。

可替换地,泄放路径与平滑电容器和LED装置并联,并且泄放器电路还包括控制路径,电源的输出耦合至所述控制路径,并且控制路径经由解耦合二极管与平滑电容器断开。

在该实施例中,控制路径仅在通过电源对控制路径供电时激活泄放路径;当电源不提供驱动电流时,控制路径解激活泄放路径,因为解耦合二极管将控制路径与平滑电容器断开。

在又一实施例中,控制路径被偏置为导通,并且控制电路包括耦合至泄放器电路的控制路径的控制开关,适于:在感测的LED装置电流小于阈值时,导通以分流控制路径,以使泄放器电路无效;在感测的LED装置电流大于上限时,关断以启用泄放器电路。

该实施例提供了特定的电路拓扑以通过使用分立部件来实施控制电路。

本发明的一个方面提供了一种照明电路,包括:

本发明的上述方面和实施例的驱动电路;以及

LED装置,由所述驱动电路来驱动。

本发明的一个方面还提供了一种驱动LED装置的方法,包括:

接收包括多个阶段的驱动信号,每一个阶段具有被动供电的第一阶段和主动供电的第二阶段中的一个;

选择性地从驱动信号中去除泄放部分,并且将剩余的驱动信号提供给LED装置

其中,泄放部分的大小取决于驱动信号的阶段,并且在第二阶段期间比第一阶段器件具有更大的平均值。

泄放部分的大小可以通过根据输入信号的定时的切换来设置,从而调制泄放部分。

本发明的这些和其他方面可以参照以下描述的实施例而变得显而易见并且得以阐述。

附图说明

现在参照附图详细描述根据本发明各个方面的示例,其中:

图1示出了基于振铃扼流式转换器(“RCC”)的已知LED驱动器电路;

图2示出了RCC转换器在LED电流、效率、功率因子和闪烁响应方面的典型性能;

图3示出了由申请人提出的泄放电路(但是在本申请的申请日还未公开);

图4图形地示出了图3的转换器同样在LED电流、效率、功率因子和闪烁响应方面的功能;

图5提供了图3的转换器的功能的进一步分析;

图6示意性示出了作为图5的波形修改的根据本发明采用的基本方法的示例;

图7示出了转换器电路的第一示例;

图8示出了用于45°导通角的图7的电路的性能;

图9示出了转换器电路的第二示例;

图10示出了用于45°导通角的图9的电路的性能;

图11示出了仅在图9中概念性示出的电路的实施方式;

图12示出了图11的电路的操作的模拟;

图13示出了对于图11的电路,在LED电流、效率、功率因子和闪烁响应方面的该电路的性能;

图14提供了对于两个不同相位角,图11的转换器的功能的进一步分析;

图15示出了转换器电路的第三示例;

图16提供了对于两个不同相位角,图15的转换器的功能的分析;

图17示出了对于图15的电路,在LED电流、效率、功率因子和闪烁响应方面的性能;

图18示出了转换器电路的第四示例;

图19提供了对于两个不同相位角,图18的转换器的功能的分析;

图20示出了对于图18的电路,在LED电流、效率、功率因子和闪烁响应方面的性能;

图21示出了转换器电路的第五示例;

图22示出了转换器电路的第六示例以及泄放电流轮廓的示意性表示;

图23示出了转换器电路的第六示例的变形;

图24示出了转换器电路的第六示例的另一变形;以及

图25示出了转换器电路的第七示例。

具体实施方式

本发明提供了用于驱动LED装置的驱动器电路,包括:电源,用于为LED装置提供调节驱动电流,所述转换器适于将调光输入功率转换为所述驱动电流;电流感测元件,与LED装置串联并且适于感测通过LED装置的LED装置电流;泄放电路,具有与LED装置并联的泄放路径,适于从驱动电流中去除泄放部分以降低LED装置的输出功率;以及控制电路,用于在由电流感测元件所感测的LED装置电流低于阈值时启用所述泄放电路,从而进一步将LED装置调暗。

现在,将本发明描述为图1所示的驱动LED光源的已知LED驱动器电路(已知为“振铃扼流式转换器”或“RCC”)的延伸。

注意,不同电路中使用的相同参考标号表示相同的部件。

该电路由市电源组成,该市电源实现为例如具有前沿调光器12的230市电电压系统10。普通的二极管桥式整流器14后跟随RC锁存器16,以抑制高频振荡/振铃。EMI滤波器级18为RCC转换器20提供其dc操作电源。

自振RCC转换器通常以降压-升压模式来工作,其利用两个耦合的线圈L1、L2来生成控制馈送给LED光源22的电流的反馈信号。电感器L1用作能量存储器并且当主开关晶体管21断开时将电流传送至LED光源22。耦合的电感器L2影响晶体管基极的偏置以提供期望的自振。在更加详细的原理中,当晶体管21断开时,功率将经由电阻器20a、20b流至电荷电容器20c。当电容器20c被充电至特定电平时,晶体管导通,并且电流将经由电感器L1、晶体管21和感测电阻器20d流动。电感器L2上的电感电压由于与电感器L1的耦合而使得电容器20c放电,并且反过来晶体管21将再次断开。

图2示出了RCC转换器的典型性能,例如用于约10W的LED光源(y轴数字表示实际LED输出功率的1/10)。在x轴上,给出了以电阻器值形式的导通角。在下表面中表示出该电阻器值与实际导通角之间的关系。

因此,x轴表示导通角从180度下降到45度。

曲线30是LED功率,曲线32是效率,曲线36是功率因子,以及曲线38是闪烁的水平。通过考虑通过LED或LED串的实际电流来计算闪烁。

在下面的描述中,重要的关系是闪烁曲线36与曲线30所示LED光源的实际输出功率的关系。深度调光功能的目的是在最低的导通角尽可能地降低LED输出功率以及具有尽可能低的闪烁。从图2可以看出,随导通角降低,LED输出功率降低而闪烁平滑地增加。在大约45°的最低导通角处,达到1.5W(15%)的最小LED输出功率并具有12%的闪烁。

1.5W的功率下操作的LED仍然给出高光强度。通过泄放电路,LED的该输出功率可以进一步降低,但是不增加闪烁。

图3示出了由申请人提出的泄放电路(但是在本申请的申请日还未公开)。存在通过基于电阻和/或半导体的负载消耗由转换器所传输的过剩能量的不同可能性。

图3所示的解决方案是基于并联的恒定电流消耗,其在LED电流低于特定值时自激活。泄放电路被示为40。其包括LED电流经过的感测电阻器42。

具有将电流传输至感测电阻器42的两个分支。一个是包括晶体管46的电流设置分支,另一个是由晶体管44控制的电流泄放分支。可以理解,两个分支的结构类似电流镜,其中,通过两个分支的电流保持特定关系。

该电路包括反馈,从而一旦泄放电路被激活则保持恒定电流通过感测电阻器42。

只要通过LED(相应地通过感测电阻器42)的电流下降到特定值以下,晶体管48的发射极电位下降,晶体管48开始导通并且泄放功能被激活。实际的激活点可以通过选择对应感测电阻器42的电阻值来预定(在有限范围中)。此外,LED电流越低,通过晶体管44的并联泄放电流越大,因为晶体管48的发射极电位较低。晶体管44和电阻器42用作耗散元件,用于吸收由RCC转换器传送的过剩能量。示例性泄放器用作恒定电流消耗,即,LED电流和泄放电流的总和保持恒定,其由晶体管46来控制。特别地,晶体管46和48用作电流镜,并且补偿温度变化。泄放电流与泄放电阻器49的值以及电流镜配对46、48的发射极电阻相关。

为了调整泄放电流,可以调整泄放电阻器值49。调整泄放电流(和整个功能)的又一主要的参数是两个发射极电阻的关系g=Re48/Re46:增益“g”越大,泄放电流越大。在图3中,Re48被示为连接至发射极的独立电阻器,以及Re46也被示为连接至发射器的独立电阻器。

图4示出了图3的转换器的性能。曲线与图2的相同,从而曲线30是LED功率,曲线32是效率,曲线36是功率因子,以及曲线38是闪烁的水平。

通过将与该结果与图2所示的数据(不具有泄放器的RCC)进行比较,可以观察到明显的改进。低端水平(LEL)可以降低至11%(而不是15%)。闪烁稍微增加到约13.5%(而不是12%)。

然而,这仍然存在问题,即对于非常低的发射水平(例如,仅5%,因此近似为0.5W),闪烁增加到大于20%。该值太高,因为对消费者有不愉悦的反应。

根据本发明的各个示例使得基于LED的灯的‘低端水平’(LEL)光输出与根据现有技术(如上所示)的状态相比更多地被减少。同时,与闪烁通常变遭的已知泄放器相比,可以进一步减少闪烁。

可以通过更加详细地分析信号来使得具有恒定电流方法的问题更加清楚。

图5示出了作为曲线50的针对180°的相切(全导通角)的LED电流以及作为曲线51的针对45°的相切的LED电流。针对180°的相切的泄放电流被示为曲线52,以及针对45°的相切的泄放电流被示为曲线53。感测电压被示为作为针对180°的相切的曲线54,以及感测电压被示为针对45°的相切的55。

相切信号被示为56。

如果导通角低于45°,则可以清楚地观察到,泄放电流53不同于LED电流51动作。如果LED电流增加,则泄放电流降低(反之亦然)。由于恒定电流方法,泄放器被设计为保证由LED电流和泄放电流的总和产生恒定电流。然而,在降低闪烁方面,该行为不是非常好地适应。

下面的一些实施例实现了泄放电流波形,其减少了LED光源的闪烁。这可以通过实施调制泄放电流来实现。为了平滑LED电流,泄放电流需要在LED电流的最大值附近为高,并且需要在剩余时间为(较)低。这导致降低了最大LED电流(由于通过泄放器并行地汲取电流)。此外,由于在剩余时间期间由泄放器汲取较低的电流,所以来自LED光源电路的平滑电容器的平滑放电电流导致提升最小LED电流。结果,最大LED电流和最小LED电流之间的差值较小,由此闪烁较低。

图6示出了基本方法的第一示例,其中,在图5的波形上叠加期望的泄放电流波形60。

泄放电流具有高水平和低水平,并且基于这两个水平采用方波轮廓。

根据高水平泄放电流和低水平泄放电流的幅度以及两个子循环的每一个循环的持续时间,通过LED的电流可以在大范围内被影响,使得可以非常良好地降低闪烁。

如果低水平泄放幅度为零,则可以使用普通的矩形脉冲形电压波形而不具有任何dc偏移。这允许进一步提高性能和降低成本,因为甚至更少的部件被要求用于实现期望的电路。

在图7中示出了实现2阶梯调制泄放器功能的第一方法。

该电路包括对图3的电路的修改,其通过使用电路框70、72、74添加两阶梯调制功能来实现。

为了提高效率以及在非调光状态(180°导通角)中断开泄放器,向恒定电流泄放器方法添加两个开关功能。

由框70和72实施的一个开关功能降低了感测电阻器42中的损耗,该感测电阻器通过将该电阻器划分为两个独立的电阻器42a和42b来感测通过LED和泄放器的电流。因此,感测电阻器装置包括串联的第一和第二电阻器,并且提供短路装置来根据高于第一阈值的驱动信号来使电阻器之一短路。如果电流足够高,例如处于非常大的导通角,可以通过晶体管71来短路电阻器42a。

另一晶体管开关74用于解激活整个泄放器功能,因此也可以在大导通角下提高效率。晶体管74使得泄放器电路40的控制晶体管46的发射器电阻器短路,并且下拉主泄放晶体管44的基极。

上述开关功能可容易地通过使用其他开关器件(例如,PNP晶体管或MOSFET晶体管来代替所示NPN双极晶体管)来实现。

两阶梯调制泄放器功能还通过电路框72中的开关76来实现。定义为g=R_e48/R_e46的增益限定了通过泄放器电路的电流以及整个功能。在图7中,电阻器49是R_e48且电阻器47是R_e46。增益‘g’越高,泄放电流越大。可以通过开关晶体管76来调制发射极电阻,并且相应地修改或调制增益。至少要求两级(高水平和低水平),但是也可以实施更多级/水平。

增益本身通过向晶体管46的发射极感测电阻器47增加并联电阻器78并且通过可控开关(即,晶体管76)来激活该附加电阻器来进行调制。如果该开关闭合,则通过47和78的并联电路来限定发射极感测电阻器,并且将相应地降低增益,导致较低的泄放电流(低水平泄放)。如果开关断开,则附加感测电阻器78被去耦合,因此增益将增加(仅通过与电阻器49相关的感测电阻器47来限定)。在该状态下,泄放电流达到其标称值(高水平泄放)。

开关晶体管76的控制被示为简单地根据时间以理想的方式实施。为此,又一(理想)开关80被表示用于当激活低水平泄放电流时通过低dc电压来馈给晶体管76的基极。当解激活低水平泄放(即,要求高水平泄放)时,开关80断开并且晶体管76的基极经由下拉并联电阻器78被下拉。

对于根据时间来控制开关,如果相切调光器产生(市电电压的)上升沿,则有效供电开始,并且开关80被解激活(高水平泄放被激活)。在市电电压达到零之后大约1毫秒,被动供电开始,并且开关80被激活(低水平泄放被激活)。电路也可以通过其他定时和/或触发方法来实现。

在图7的电路中,泄放器电路包括第一分支,该第一分支包括:与LED装置22并联的电流泄放分支48、44以及具有连接至LED装置和电流泄放分支的输出的感测电阻器装置42a、42b。电流设置分支46用于设置驱动信号的泄放部分,其通过电流泄放分支来泄放。电流泄放分支和电流设置分支中的晶体管形成上面解释的电流镜。

可以看出,泄放器电路附加地包括开关装置,其适于根据整流市电功率的阶段进行开关,从而调制泄放路径中的电流。

驱动信号的泄放部分取决于电流设置分支的发射极电阻47与电流镜电路的电流泄放分支49的发射极电阻的比率。

电路72用作电阻调谐电路,其在该示例中耦合至电流设置分支并且调整电流设置分支的发射极电阻。

在图7的示例中,电路72包括耦合至电流设置分支的开关装置,并且用于:

(i)当出现驱动信号的第一阶段或者整流市电功率被切至零时,将附加并联电阻器切换至电流设置分支,以降低电流设置分支的发射极电阻,从而实现低泄放,或者

(ii)当出现驱动信号的第二阶段或者整流市电功率未被切时,从电流设置分支中切换出附加并联电阻器以增加电流设置分支的发射极电阻,从而实现高泄放。

图8示出了针对45°的导通角的图7的电路的性能。泄放电流被示为82,并且LED电流被示为84。整流相切市电电压被示为86,以及开关信号控制的泄放功能被示为88。可以在约35mA的高水平泄放与约15mA的低水平泄放之间观察到泄放电流的两阶梯调制开关行为。在泄放电流的最大值附近,标准泄放器的恒定电流功能起作用,导致生成所示的小下降。

实现调制泄放器功能的另一方法是修改第二发射极感测电阻器49。由于该电阻形成泄放器功能的分母(denominator),所以短路电路开关的功能需要与使用第二发射极电阻器47的情况相反。然而,基本方法与图9所示相同。

为了减小增益,附加电阻器90与发射极感测电阻器49串联。如果该电阻器90足够高,则增益减小到非常小的数(几乎为零)。如果可通过开关92短路附加电阻器90,则可以实现相同的增益调制(高水平泄放,低水平泄放)。

为了短路添加的串联电阻器90,开关92被控制。如果开关闭合(附加电阻器被短路),则将汲取标称泄放电流(高水平泄放),如果开关断开,则晶体管48的发射极电阻较高,因此降低泄放电流(低水平泄放)。

同样对于45°的导通角,使用与图9相同的参考,在图10中示出了对应的性能。泄放电流82可以在60mA和零之间切换,这对LED的电流形状具有大影响。

在该示例中,开关72的开关装置耦合至电流泄放分支并用于:

(i)当发生驱动信号的第二阶段或者整流市电功率未切时,短路电流泄放分支的发射极电阻49的至少一部分,从而实现高泄放;或者

(ii)当发生驱动信号的第一阶段或者整流市电功率被切至零时,保持电流泄放分支的发射极电阻49,从而实现低泄放。

图11示出了用于图9的电路的电路框72的开关的实现。特别地,提出了开关92的实现,其根据驱动信号的阶段来导通或非导通。开关92通过普通的双极晶体管110与用于感测驱动信号的阶段的其他部件一起来实现,尽管也可以使用任何其他开关部件。具体地,为了控制该开关110,使用RC峰值检测器116、118,后面跟随晶体管112和在其发射极处的相关联的电阻器113,因此形成晶体管110的基极电阻器。这些元件限定开关晶体管的状态,其导致泄放状态(高/低水平泄放)。这些单元一起形成电路框114。

每当LED电流进行正阶梯(positive step)时,峰值检测器的电阻器116两端生成较高的峰值电压。如果该电压足够高,则控制晶体管112变得非导通,激活开关晶体管110,短路附加的高欧姆发射极电阻器90,并且相应地激活高水平泄放状态。在特定时间内,根据由峰值检测器的电阻器116和电容器118限定的时间常数,电容器两端的电压增加,降低电阻器两端的电压,迫使控制晶体管112开始导通。这使得晶体管110断开,并由此激活电阻器90,并且相应地进入低水平泄放模式。

因此,该装置使用耦合至感测电阻器装置的峰值检测器来检测驱动信号的阶段以及在电流设置分支的发射极路径中短路电阻器。由框114实施的时间延迟电路适于在关于检测到的所述增加的驱动电流的一定时间延迟之后进行动作来使开关装置失效以免短路电阻器。

在图12中示出了针对45°的导通角的该电路的模拟结果,并使用与图10相同的参考。泄放电流可以在75mA和零之间切换,这对LED的电流形状具有大影响。

图13示出了用于图11的电路的典型性能数据。

与图2相同,曲线30是LED功率,曲线32是效率,曲线36是功率因子,以及曲线38是闪烁的水平。

整个电路例如可以被调整以在45°的最低导通角处实现仅4%的LEL。可以观察到在LEL时闪烁下降到仅10%的改进。如果这些数值与图4的之前结果(11%LED功率,13.5%闪烁)进行比较,则可以理解为大的改进。

在该示例中,闪烁在近似60°的导通角处仍然示出约15%的局部最大值。下面进一步描述改进方式(由此降低局部最大值)。

在导通角的变化期间用于局部最大值的基本的根本原因是基于以下事实:泄放器的恒定电流功能在这些中间导通角处激活,保持LED电流和泄放电流的总和相同,从而泄放电流的形式为鞍形。仅在LEL周围,泄放器不再有效(导致降低的闪烁),在图14中示出了恒定电流功能进行操作的方式。

曲线84a是用于60度相切的LED电流,以及曲线84b是用于90度相切的LED电流。恒定电流方法试图稳定LED和泄放电流的总和。因此,在LED电流的最大值附近,泄放电流达到其局部最小值。然而,该行为如之前所述的并不是有利的。对应的泄放电流被示为82a和82b。对应的整流相切市电电压被示为86a和86b,以及对应的开关信号被示为88a和88b。

由于恒定电流功能不能容易地在上述方法中解激活,所以如果期望的话,实施轻微修改来对此进行补偿。

在图15中示出了对图11的电路的修改,其中,高水平泄放时间被缩短,导致平滑电容器的平坦放电行为。具有耦合至开关装置的子电路,其适于在第二阶段的结尾之前的特定时间处,使开关装置失效以免短路电阻器。高水平泄放的结尾提前,并且去除了鞍形泄放电流的第二/最后峰值,因此LED电流将不再如前陡峭并具有更加平坦的形状,从而减少了闪烁。

可以通过添加至开关晶体管112的基极电阻器113的并联电容器120来实现该子电路。这使得开关晶体管的导通时间能够被减少,并且最终通过由电容器120和基极电阻器113给出的时间常数来限定。晶体管110的基极电流不再仅通过其基极电阻来确定。相反,存在AC纹波电流,并且该纹波的一部分具有流至电容器的电流,从而防止电流流至晶体管的基极。

在该设计中,平滑电容器可以在驱动信号的第二阶段期间被充电和放电,并且泄放器电路进一步包括位于峰值检测器和开关装置之间的过滤元件,用于在驱动信号的第二阶段中缩短高泄放的持续时间。

在图16中示出了对应性能,其中与图14相同的对应曲线被给予相同的标号。可以观察到高水平泄放模式的缩短导通时间,从而导致平滑电容器所要求的更平滑放电。如图16所示,在泄放电流的第二峰值之前终止高水平泄放。这通过添加电容器120来引起。

在图17中示出了用于该电路的性能数据。

如图2,曲线30是LED功率,曲线32是效率,曲线36是功率因子,以及曲线38是闪烁的水平。

可以观察到闪烁性能的清楚改进,90°至60°之间的局部最大值相当大地减小,实际上几乎消失。闪烁在整个调光范围期间保持低于11%。

上述解决方案在更低的成本和要求的板空间(由于使用较少部件)下更好地执行。

图18示出了一个完整的电路示例,其与先前电路相比包括一些简化以减少部件数量。

基本地,具有三个功能部分,这在上面已经使用并讨论。

如果LED电流低于由感测电阻器42两端的电压降所限定的特定限值,则基于晶体管132的激活电路130用于激活整个调制泄放器电路。如果感测电压足够高,则晶体管132导通,通过短路RC检测器116、118的电阻器来解激活泄放器。

控制级134包括RC检测器116、118,并且基于来自RC检测器的放大信号,得到用于激活泄放器电路136的控制信息。

泄放器电路136用作电流泄放分支,并且具有主晶体管138。

泄放晶体管138的基极处的RC电路140、142能够减少泄放时间。

图19示出了用于图18的电路的波形,其对应于图14和图16的那些波形。因此,曲线84a是用于60°相切的LED电流,以及曲线84b是用于90°相切的LED电流。对应的泄放电流被示为82a和82b。对应的整流相切市电电压被示为86a和86b,以及对应的开关信号被示为88a和88b。

图19另外还示出了泄放器电路控制输入(用于两个相位角)作为信号150。

图19示出了在最大LED电流的附近具有平坦电流形状的泄放电流的近乎理想的形状。

图20示出了用于对应于图2的电路的系统参数。因此,再次,曲线30是LED功率,曲线32是效率,曲线36是功率因子,以及曲线38是闪烁水平。从线160开始,泄放器有效。

泄放器的激活可以根据感测电阻器(用于感测LED电流)两端的压降来调整。该电路使得达到5%(以上)的LEL、10%的闪烁(在约60°的导通角处有10.5%,仅仅稍高一点)。该方法还被示为具有可忽略的温度依赖性。27℃、75℃和120℃下的电路建模示出在该温度范围内LED输出功率的相对变化在1%以下。

图21示出了包括泄放器电路的已知驱动电路的稍微不同的实施方式。

使用相同的基本单元。因此,具有整流器14、锁存器16、过滤器18和RCC转换器20。该电路示出了三个耦合电感器,使得具有驱动LED负载22的独立输出电感器。泄放器电路根据感测电阻器42上的信号来操作,并且包括用于触发泄放分支的操作的比较电路。如上所解释的,由于闪烁,该类型的电路能够从不具有泄放器电路的20%左右的最小值调光至具有泄放器电路的5%左右。闪烁的根本原因在于,仅根据LED电流来控制泄放器电路。当使用深度调光时,恒定泄放电流将从来自电源的充电电流和来自平滑电容器的放电电流中汲取。因此,最大和最小LED电流的幅度之间的比率将增加。例如,在泄放之前,最大LED电流可以为50mA,最小LED电流可以为25mA,并且比率为2:1。当汲取15mA的恒定泄放电流时,最大LED电流变为35mA,但是最小LED电流仅为10mA,使得比率增加到3.5:1,这又使得闪烁更加明显。

图22示出了根据上述教导对图21的电路的修改。泄放器电路包括经由二极管D6耦合至电源的输出的泄放路径40,该电路还包括与泄放路径并联的电容器(C6),泄放路径经由解耦合二极管D1与平滑电容器C3断开,其中,泄放器电路还包括被实施为图22中的运算放大器U1的控制路径。

目标在于布置泄放器电路40仅吸收输出平滑电容器170的充电电流。这具有以与上面解释的相同方式减少LED电流波纹的效果。

该电路包括泄放分支中的二极管172以及位于泄放分支与平滑电容器170和LED装置22之间的二极管173。当调暗时,LED电流也下降,并且感测电阻器42两端的电压降低。当感测电阻器电压下降为低于Vref*k(其中k是由比较电路的电阻器限定的比率)时,输出为正,并且在传导模式下驱动泄放晶体管174。然后,通过二极管172吸收电流。该吸收电流可仅在有效供电阶段期间发生。二极管173防止泄放分支的操作,以在被动供电阶段期间从输出电容器对电流进行放电。

图22还以简化形式示出了对LED电流的效果。曲线180示出了不具有泄放器电路的LED电流。曲线182示出了被转移的泄放电流。

在该电路中,感测LED电流(即,在去除泄放电流部分之后)。在这种情况下,第二阶段的驱动信号对所述平滑电容器170进行充电,并且第一阶段的驱动信号不对所述平滑电容器170进行充电并允许平滑电容器170放电。该电路包括位于泄放器电路40和平滑电容器170之间的解耦合二极管173的形式的开关装置,以防止泄放器电路在第一(被动供电)阶段中从平滑电容器中泄放放电电流。如上述示例,这结果是泄放部分的在第二(主动供电)阶段期间的大小平均比在第一(被动供电)阶段期间更大。

图23示出了图22中的电路的变形。图23中的转换器是非隔离升压转换器。图23的实施例中与图22基本相似的部件使用相同的参考标号。在图23中,使用分立部件用于实施控制电路来代替图22中的运算放大器U1。通过晶体管174形成泄放路径,并且控制路径是耦合至平滑电容器170并被偏置以导通晶体管174的晶体管Q2。控制电路通过晶体管Q3来实施,该晶体管Q3在感测电阻器42上的电压高于阈值的情况下导通,这反过来分流控制路径,这进一步断开晶体管Q2和晶体管174。电阻器R3可以感测泄放部分,并且为控制电路给出反馈以调节泄放部分。

图24示出了图22和图23中的电路的变形。图24中的转换器是非隔离升压转换器。图24的实施例中与图22和图23基本相似的部件使用相同的参考标号。通过与平滑电容器170和LED装置22并联的晶体管174来形成泄放路径。泄放器电路的控制路径是耦合至电源输出并且被偏置以导通晶体管174的晶体管Q2。控制路径进一步经由解耦合二极管173与平滑电容器170断开。

实施控制电路的开关Q3适于:

在感测的LED装置电流小于阈值时,导通以分流控制路径,从而使泄放器电路失效;

在感测的LED装置电流大于上限时,关断以启用泄放器电路;以及进一步

当感测的LED装置电流在阈值和上限之间时在线性区域中进行操作。

优选的线性区域可以在不调光和深度调光之间提供平滑转换,由此对用户会更加友好。

图25示出了根据本发明示例的另一方法。

输入侧(市电输入、整流器和滤波器)被表示为电流源190。对于本发明的所有示例,实施方式独立于在先转换器的实际拓扑,并且转换器的输出可以简单地考虑为电流源。

LED输出22被示为LED的串,并且泄放器电路20再次在激活时在电流部分达到LED输出22之前消耗电流部分。

LED电流中的不期望AC分量的根本原因是输出电容器电压中的AC分量。由于电容器和LED串的并联连接,电压变化经由LED的V/I曲线转换为电流变化。

电压中的AC分量可以通过直接操作电容器的充电电流来减少。

该电路具有第一测量单元192,其检测通过平滑输出电容器170的电流。根据该电流,得到泄放电流。泄放电流例如可以高于电容器电流。

由于仅在灯被调光时要求泄放器功能,所以第二测量单元194用于确定平均功率。该信号随着平均功率的增加而逐渐降低泄放电流。

泄放器电路形成损耗电流槽。忽略来自第二测量单元194的反馈信号,第一测量单元192处的任何正电压(源于输出电容器的充电)被复制到泄放电阻器196。在泄放分支中流动的电流可以是该充电电流的比率,例如双倍。该比率可容易地通过电路中电阻器的比率来设置。

然后,大多数电流将形成用于泄放器电路晶体管的集电极电流,其从母线(bus)电压中消耗。泄放器电路的电阻器196用于从晶体管中转移出一些损耗。

因此,进入电容器170的任何充电电流都将导致泄放器电路中的损耗电流。以这种方式,来自转换器的电流的仅一部分可用于LED串。通常这降低了平均光输出。通过泄放器控制级的输入信号为电容器电流,消耗泄放电流的时间段仅对应于电容器的充电周期,这与图22的示例为相同方式。这同样使得输出电容器170两端的电压波纹最小。在放电周期期间不形成泄放电流。

仅在调光期间要求泄放器功能。第二测量电路194经由电阻器198提供LED串中的电流测量。该电阻器上的信号的过滤版本被叠加在控制泄放器功能(通过比较电路)的信号上,并且随着增加的功率,这逐渐阻挡泄放功能。在全功率下,没有来自泄放器的影响。用于该电路的电阻的比率确定不执行泄放动作时的功率水平(LED电流)。存在泄放器功能的逐渐激活和解激活。

通过额外部件(电阻器、二极管、齐纳二极管),还可以影响调光曲线。

图23的电路实质上使用传感器192来感测流至电容器的电流并且仅在充电电容器电流在第二阶段中流动时用于激活泄放器电路。

可以看出,上面的所有示例共享同一个构思方法,即使得泄放电流部分的大小取决于驱动信号的阶段。这可以是或者可以不是相切市电信号。然而,泄放电流部分被控制为:与仅向负载传输电容器所存储的能量的被动驱动阶段相比,在能量被主动地提供给负载时的驱动阶段期间,其平均值较高。该主动驱动阶段是LED电流最大的阶段,因此比被动阶段期间的平均值更大。

本发明可用于基于LED或OLED(和PLED、AMOLED等)的所有可调光(但是也可以是非调光)光源。此外,具有不同调光色调的基于LED的灯可以通过所提出的方法和电路来扩展,以改变暖白LED和冷白LED之间的电流分布。此外,在其他传统的灯(诸如白炽灯或荧光/气体放电灯)中也可以使用,其中,灯的驱动器根据灯所要求的来传送更多功率,从而降低其输出功率(光)。

本领域技术人员在研究附图、公开和所附权利要求之后实践本发明的过程中可以理解和实现对所公开实施例的其他变形。在权利要求中,词语“包括”不排除其他元件或步骤,并且不定冠词“一个”不排除多个。在相互不同的从属权利要求中引用特定措施的仅有事实并不表示这些措施的组合不可用于获利。权利要求中的任何参考符号不应限制范围。

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