用于给n个LED单元的串联连接馈电的方法和电路装置与流程

本发明涉及用于从具有波动的操作电压的电压源通过受控电源给机动车辆的至少一个照明单元的n个led单元馈电的方法，其中根据所述操作电压的水平，各个led单元被串联连接和/或并联连接和/或旁路。

本发明此外涉及用于从具有波动的操作电压（ub）的电压源通过受控电源给n个led单元馈电的电路装置，并且该电路装置包括用于激活所述电源的控制单元和被分配给所述led单元并包括受控开关的开关矩阵，其中所述控制单元被配置成根据所述操作电压的水平将各个led单元串联和/或并联连接和/或将这些led单元旁路。

本发明的范围内的led单元应被理解为意指单独的发光二极管（led）和由并联和/或串联连接的多个led组成的单元二者。

背景技术：

在wo2010/013177a1中例如描述了开关矩阵，led组或各个led被分配给所述开关矩阵并且所述开关矩阵被连接到电压源以及到可控电源。此外，设置有控制单元，该控制单元能够激活开关矩阵的各个开关以及电源，并且该控制单元被配置成比较电压源的电压与存储在存储器中的电压阈值。为了即使在电压源的严重波动的情况下也确保对led的令人满意的馈电，控制单元被配置成根据在电压源处检测到的电压的水平将led中的所有或一些串联或并联连接，其中实际上串联/并联连接的所有可设想的组合都是可能的。所描述的解决方案针对每个led需要三个受控开关，以及相应地复杂的激活逻辑电路；然而，首先，存在以下缺点：如果发生操作电压波动，则不确保所使用的led的均匀亮度，并且更确切地说一个或多个led甚至保持暗的。

技术实现要素：

本发明的目的是创建用于给用于在机动车辆中使用的n个led单元的串联连接馈电的方法和电路装置，其中尽管通常将导致相应照明模块的故障的操作电压的波动，仍然实现驾驶操作，该驾驶操作仍确保必要的交通安全，或者即使发生严重的电压波动，也尽可能小地损害整个led系统的外观。

通过上面提及的该类型的方法来实现此目的，在所述方法中根据本发明，在操作电压下降时，通过考虑所存储的关于分配给各个led单元的优先级的权重来将led单元互连。

由于在存储器中预定义的优先级化，在电压急剧下降的情况下不是所有的或任意的led单元失效。更确切地说，将对于安全性来说最重要的led单元保持激活，而关闭其它的可能较不重要的led单元。

在易于设计的一个变型方案中，规定：给n个led单元的串联连接馈电，其中根据操作电压的水平将各个led单元短路，并且在操作电压（ub）下降时，考虑到所存储的关于优先级的权重，将串联连接的k个led单元短路，其中电流继续同时流过（n-k）个led单元。

如果在正常操作电压和正常操作状态下选择k=0且给串联连接馈送恒定电流，则是适宜的。

在一个值得推荐的变型方案中，规定：如果将led单元短路，则激活电源以用于改变为所述恒定电流的更高/更低的值。以这种方式，电流的暂时增大可以被用于维持基本上不被干扰的操作。

在当操作电压下降时增大通过串联连接的电流和/或以循环滚动的、不断交替的方式将未被永久短路的剩余led单元中的至少一个短路时，获得针对降低在电压下降的情况下的问题的另一值得推荐的选项。

有利地，如果电流的增大根据对led单元来说重要的温度进行，则考虑加热问题。

在实际变型方案中，因而将一个序列的持续时间（τ）选择为在1μs与50ms之间、且优选地为5ms。

本着交通安全性的精神，如果最接近hv点的区域被给予最高优先级/权重，则是特别适宜的。

可以在基于所供应的与当前的驾驶状况有关的信号、诸如gps信号、方向盘信号或车载计算机的其它信号进行加权时实现交通安全性的进一步增加。

同样地，通过上面所描述的类型的电路装置来实现所述目的，根据本发明，在所述电路装置中，用于存储关于与确定的led单元的优先级有关的权重的信息的存储单元被分配给控制单元，并且控制单元被配置成比较操作电压和/或电源的电流与可预定义的阈值并根据该比较和权重激活开关矩阵，使得在操作电压下降时考虑到所存储的关于被分配给各个led单元的优先级的权重来将led单元互连。

在可容易地实现的变型方案中，规定：该电路装置包括n个受控开关，所述受控开关各自将串联连接的led单元旁路，并且控制单元被配置成根据所述比较和所述权重经由所分配的开关将串联连接的k个led单元短路，其中电流继续同时流过（n-k）个led单元。

控制单元有利地被配置成基于所供应的与当前的驾驶状况有关的信号、诸如gps信号、方向盘信号或车载计算机的其它信号来执行加权。

此外，如果控制单元被配置成依次且以循环滚动的、不断交替的方式根据所述比较经由所分配的开关将串联连接的k个led单元短路，则是适宜的，其中电流继续同时流过（n-k）个led单元。

一个实际变型方案的特征在于，序列的持续时间是在1μs与50ms之间，且优选地为5ms。

此外，如果用于存储的存储单元也被分配关于最大电流以及电压和电流的相应实际值以及确定的led单元的权重的信息，则是有利的。

如果控制单元被配置成在操作电压下降时增大通过串联连接的电流和/或以循环滚动的、不断交替的方式将led单元中的至少一个短路，可以实现在电压下降的情况下的问题的补充补偿。

附图说明

此后将基于在附图中所图示的示例性实施例更详细地描述本发明连同另外的优点。在附图中：

图1示出根据本发明的电路装置的框图；

图2示出如图1那样的框图的部分，然而针对关于led的激活的一个变型方案；

图3示出led前灯单元的示例性光分布；

图4示出涉及按照根据本发明的方法的第一变型方案4个led的激活的按时间顺序的发展的示图；

图5示出涉及按照根据本发明的方法的第二变型方案5个led的激活的按时间顺序的发展的示图；

图6示出用于根据本发明的方法的一个实施例的流程图；以及

图7以4个示图示出在经由电流同时补偿亮度波动的情况下4个led的激活的按时间顺序的发展。

具体实施方式

图1示出使用激活4个发光二极管（此后称为led）的示例的、根据本发明的电路装置的第一实施例的框图。在该示例中，在能量管理系统1的帮助下尽可能地将机动车辆中的车辆电池2维持在具有12伏特的目标电压的充电状态中，所述能量管理系统没有更详细地示出并且特别是包括发电机和充电控制器。实际电池电压通过ub表示，并且在驾驶操作期间通常为13.5到15伏特。

该电压ub将要被用于给4个串联连接的led单元led1、led2、led3和led4馈电，所述led单元在最简单的情况下由各个led组成，并且为了简化也是以这种方式被示出的；然而，应清楚的是，led单元也可以各自包括多个led，特别是在多个led被组合在芯片上时。由控制单元3激活的开关单元4被分配给led单元led1、led2、led3和led4，其中受控电源5被设置以向串联连接供应恒定电流。开关单元4至少提供使用开关s1至s4在确定的时间段内选择性地使4个led单元中的每一个短路的选项。一般通过开关晶体管实现开关s1至s4。控制单元被供应参考电压uref，通过参考电压单元6使该参考电压可用，并且控制单元3此外连接到存储单元7，在该存储单元中可以存储关于最大电流、电压和电流的各自的实际值、确定的led单元关于优先级的权重、激活时间和最大温度、最近激活的开关等的信息。

在图2中所示的变型方案中规定：多个发光二极管或led单元d1至d6（在本示例中为6个）各自利用其两个端子而被引导到开关矩阵4'，该开关矩阵具有多个受控开关si，使得原则上ledd1至d6可以被任意地并联或串联连接。这对应于现有技术，例如上面提及的wo2010/013177a1。例如，在图2中的右侧，示出了针对特定操作模式互连的串联连接d1–d2//d3–d4–d5//d6。如此后更详细地描述的，开关矩阵4'在这里被用于实现紧急照明功能。

图3示意性地示出近光灯的光分布，其中该近光灯是由多个led单元形成的。在本情况下，存在4个led单元hd1、hd2、asym和vf，其中一个led单元形成远场vf，另外两个led单元形成水平亮/暗边界hd1和hd2，并且第四个led单元形成近光灯的不对称asym。在本情况下，名称hd1、hd2、asym和vf因而被用于led单元和用于所述led单元照亮的相应的场二者。这对应于在实践中所使用的典型的led近光灯模块，该led近光灯模块被设计为包括多隔间反射器的投影系统，其中相应的led单元被分配给隔间，并且它们总体上形成近光灯。

这意味着局部光分布的数目取决于模块的设计，其中，如上面提及的，一个led单元也可以由多个led组成，所述多个led在任意地被互连时可以充当本发明的意义内的led单元，以便又能够产生所定义数目的局部光分布。应指出：在确定的实施例中led的互连导致led单元的不同的前向电压或总电压。可单独地开关的局部光分布的数目因而一方面取决于模块，并且另一方面取决于互连，但是可以在确定的范围内被改变。

在任何情况下，现今的led模块中的光图案总是由多个led单元形成，所述多个led单元各自形成局部光分布，使得led前灯的所生成的光图案总是由多个局部光分布组成，其中的确定的局部光分布由于相对于其他道路使用者的能见度而比其它局部光分布更重要。相应地，可以为各个局部光分布分配确定的权重/优先级化，该权重/优先级在确定的欠压的情况下确保：至少相对于其他道路使用者的能见度被确保。

一般而言，可以认为最接近hv点（hv点位于光束中心中的亮/暗边界之上25cm处；hv点是机动车辆照明技术中的重要术语，并且hv点是光图案中的点，在该点处水平和竖直相交，也就是说0º/0º点）的区域（局部光分布）、并且优选地甚至在水平0º线之上几度必须被给予最高的优先级/权重，因为该区域对应于如下区域，在该区域中其他道路使用者最可能出现，或者在该区域中遇到其他道路使用者的风险最大。根据状况，对恰恰如下区域给予较高优先级也可以是有利的，这些区域从驾驶员的角度来看似乎重要，并且因而不服务于相对于其他道路使用者的能见度，而是似乎对为驾驶员照亮确定的区域来说重要。例如，提供关于舒适性的权重也是可能的，并且具体来说使得如下区域被给予较低权重，在这些区域中驾驶员不立即注意到这些区域具有较暗的外观。

替代地，该功能可以与gps、方向盘传感器、倾斜传感器等合作，以便根据道路状况来适配优先级化的区域，例如以便使led单元的弯道的通过优先级化，该led单元被配置成在弯道的方向上提供照明或至少被配置成朝向侧面提供照明，因为在这样的状况中hv点附近的局部光分布的优先级化将不是最佳选择。换言之，这里，考虑到当前驾驶状况来执行加权。

在正常操作状态中，在标称操作电压ub、诸如12伏特下，所有4个led都被串联连接（参见图1）并通过该电压来供电。在控制单元3中，不断地将瞬时操作电压ub与参考电压uref相比较，并且基于存储在存储器中的值作出关于是否将要进行由于欠压导致的干预的决策。在这样的干预期间，可以按照根据本发明的方法周期性地将led单元短路，或者可以发起通过串联连接的电流is的改变，因为控制单元3向受控电源5输出了适当信号。

现在将结合图1参考图4描述可以通过根据本发明的电路装置实现的根据本发明的方法。在所示的示图中，相叠地、并且更具体地针对如下操作情况图示了4个ledled1、led2、led3、led4的时间相关的开关状态，在该操作情况下操作电压ub已下降至这样的值，使得每次4个led中的一个临时地被关闭、并且具体而言通过开关s1至s4（图1）中的一个被短路。在y轴上的字母e和a针对特定led分别表示“开”和“关”。

从图4显而易见的是，在循环滚动的基础上，每次将串联连接的4个led中的一个短路，其中同时电流继续流过3个led。在这样的持续时间或时钟脉冲长度τ内执行短路，使得令人不愉快的闪烁不能被人眼识别。在实践中，例如，可以选择τ=20的时钟脉冲持续时间，但是一般而言，1μs到50ms的时钟脉冲长度可以是有用的。此外从图4显而易见的是，整个开关过程以t=4τ的周期持续时间循环地进行。

根据图4的图示也阐明在任何给定的时间点上4个led中的3个打开，而一个led被关闭（短路）。较低的操作电压仅允许操作3个led而不是4个led（在正常操作情况下），其中led中的一个不永久地保持暗的，如根据现有技术的情况那样。

在这一点上应已经提及的是，利用适当的电路设计，可以通过增大通过串联连接的电流来至少部分地补偿由一个led的（周期性的）断电引起的亮度的下降。

此外，应提及的是，经常将期望确保打开和关闭边缘不太陡，但是期望设计这些打开和关闭边缘以便更平缓，超出技术上可行的边缘斜率，以便避免闪烁效应和/或emc缺点。

结合图4，讨论了简单的特殊情况，其首先意图简化对本发明的理解。然而，一般情况此外是，串联连接包括n个led单元，根据操作电压的水平将n个led单元中的k个led单元短路，其中同时电流继续流过（n-k）个led单元。在图4的情况下，因而n=4且k=1。

基于该考虑，现在将讨论图5，其涉及5个led单元led1、led2、led3、led4和led5的串联连接，并且按照如下假设进行：供应电压ub已下降到如下程度：每次将5个led中的两个短路以确保相应照明设备的适当操作。再次示出了时钟脉冲长度τ，然而，符合led单元的数目5的周期持续时间是t=5τ。类似于基于图4描述的情况，在任何给定时间5个led中的3个被打开，并且两个led被关闭（短路）。这里，较低的操作电压仅足够用于3个而不是5个led（在正常操作情况下），其中led中的一个或甚至更多不永久地保持暗的，如根据现有技术的情况那样。在5个led单元串联连接的情况下，当然，如果操作电压ub已仅仅轻微地下降，那么周期性地关闭仅仅一个led也是可能的。

在这一点上应，led或led单元的数目，也与其前向电压和可用的操作电压、在机动车辆中车载电压有关，车载电压也可以是24伏特或更多。

图6示出举例来说与根据本发明的方法有关的流程图，该流程图此后将在补充的基础上被描述到不自解释的程度。

从步骤10中的关闭状态开始，在步骤20中以控制单元3连同存储器7的初始化来执行打开。在步骤30中，通过参考电压或通过串联连接的电流的目标/实际比较来检查操作电压ub是否足够高。如果情况不是这样，那么执行步骤40以检查必须对多少个led单元去激活。通过k=n–(ub/uled，取整)来给定相应数目k。

类似于该数目，在相应周期中获得每个led单元的确定的开持续时间（on-duration）。与脉冲宽度调制可比较地，因而获得(n-k)/n的每个led单元的占空比。在4个led的示例中：k=1导致75%，参见图3，k=2导致50%，以此类推。

如果在步骤30中发现了ub足够高、或者实际电流对应于电流的目标值（参见下一段中的解释），那么根据步骤50操作是正常的，所有开关、诸如图1中的s1至s4是打开的，并且不断地、也就是说不以脉冲方式操作led单元。有利地，提供如下流程也是可能的，在该流程中要操作的led的数目递增地增大。

经由电压的阈值的控制是可能的，但是在实践中可能引起缺点，因为led的前向电压急剧地波动（由于与生产有关的原因），并且取决于电流和温度。适宜的控制规定当电流下降时将led旁路。电源努力保持电流恒定；如果电源不设法这样做，那么例如由于欠压，电流下降。通过例如经由分流电阻器测量电流，可以执行实际值从目标值（该目标值被存储在存储器中）的偏离。首先，在所定义的、诸如-5%（至95%）的偏离时，一个led将要被短路。如果可以达到目标电流，则以交替的方式将一个led短路。如果情况不是这样，那么必须将另一led短路，以此类推。

为了能够经由电流测量切换回到正常操作、或者能够使用电流测量方法来检查操作电压是否甚至允许切换回到正常操作，可能的是短暂地操作所有led（例如在10µs范围中，使得该切换不能被眼睛识别）。在该时间期间，测量电流。如果所测量的电流对应于目标电流、也就是说应在正常操作期间流动的电流且其值被存储在存储器7中，那么转变为正常操作（所有开关打开）是可能的。

在步骤60、70、80（可选的）中，检查电流可以被增大至什么程度。取决于类型，led可以以双倍或甚至三倍的电流、但是仅在短持续时间（10到100ms）内被操作，因为否则led的温度将急剧地上升。脉冲长度取决于电流和温度的水平，并且由led制造商来指定。然而，为了基于照明led单元的降低的数目补偿亮度波动，取决于温度，电流可以被增大直至确定的值。

换言之，根据led单元的类型和使用，必须不超过最大结温（通过测量触点温度和环境温度和/或功率消耗，经由制造商的关于势垒结与触点之间的热阻的信息来计算led的、或led单元的多个led的结温是可能的）。一般而言，在那里将测量对led的（结）温度来说重要的温度，并且可选地也可以记录环境温度。

如果结温低于确定的值，那么可以相应地增大is以便防止由于循环的连续不断的短路而导致的led单元串的总亮度的降低。相应地，将is设置成所述水平的n/（n-k）倍。如果例如由于操作电压降低到10伏特而必须关闭一个led单元，那么：4/(4-1)=1.333并且is可以被增大至133%。应指出，led在电流上升时丧失效率，换言之不展现出线性特性。因此，将必须将电流设置在符合制造商的信息的较高值处以便实现相应的照明增加。例如，针对33%的期望的光增加，将必须将电流增大大约40%。

电流的改变可以有利地随时间不断地进行，从而产生在电源5的技术尺寸确定和emc特性两方面的优点。

如果结温超过确定的值，则is可以被增大，但是仅被增大到确定的最大值，以该最大值确保：增大到该最大值不导致对led单元的损坏。自然地，使用多个阈值以便实现亮度波动的优选地不断的补偿是可能的。

在步骤90（可选的）中，检查急剧的欠压在多大程度上存在，其中可以自由地根据系统而选择相应的比较值。例如，欠压可以被定义为低于7伏特的电压。在操作电压下降、例如下降到6伏特期间，步骤110将相应地跟随。根据该步骤，在存储器7中建立的确定的优先级化将进行。如上所述，因而可以实现一种紧急照明功能。

与之相反，在大于7伏特的本示例中，在操作电压下进行led单元的所描述的循环操作。

根据针对欠压的阈值的设计，当然，在4个led单元的示例中，以循环方式连接仅仅3个led单元、即具有最高权重/优先级的3个led单元也是可能的。这实现极端可变的使用范围。

在步骤90中，连续地操作led单元，其中，访问存储器，使用存储器功能以便防止同一led单元被不断地去激活。为了附加的解释，将对图4和5的示图进行参考。

存储器功能也被用于防止在“正常操作”之后各个led单元的连续短路的系统驱动的重置，如图7中所示。替代地，代替存储器功能可以使用随机数发生器，以便例如在具有相等持续时间的不断再发的短波动的情况下防止led单元的不均匀的利用或老化。短波动指的是电压下降，由于电压下降，例如，每次例如4个led单元中的仅仅直至3个被交替地短路。如已经指出的，可以在控制单元3或如果需要的话被分配给该控制单元的存储单元7中将各个led单元优先级化。因而，可以确定：以供应电压ub的确定的下降开始，仅有限的、但是所定义数目的led单元将要被操作。前灯模块例如可以包括多组led单元，其中每组负责一个照明区域。参考图3，例如当存在4组时，可以执行向照明区域hd1、hd2、asym和vf的分配。为了在欠压的情况下仍确保相对于其它车辆的足够能见度，有利地，负责照明asym的组例如是被给予最高优先级、也就是说最大权重的一组。

举例来说，一种权重可以是：asym–hd1–hd2–vf。如果控制单元检测到欠压或电流下降，那么首先远场vf可以被调光。就这一点而言，此外应指出，例如假设标称操作电压为ub=12伏特，即使当操作电压下降至ub=4伏特时也可以通过使用其它led的循环滚动的操作或短路和/或通过较高权重来正常地操作led。

在一般情况下，可以不仅通过循环切换而且通过激活受控电源来进行对各个led单元或led的功率分布的干预，这此后将要参考图7来描述。

出发点是4个led或led单元的标称操作电压ub=12伏特，该标称操作电压根据在图6的顶部处的第一示图在时间段t1之后下降至9伏特，在时间段t2之后再次达到12伏特的标称值，并在另一时间段t3之后再次下降至9伏特。当然，所图示的按时间顺序的发展是简化的或理想化的，并且仅被提供用于本发明的解释。

从图7中的顶部起的第二示图对应于图4的示图，并且示出在时间t1到期之后一个led的循环操作或短路的开始。在时间t2已到期之后，进行到“正常操作”的暂时转变，在该正常操作期间使所有led通电，并且在时间t3到期之后再次开始一个led的循环短路。

从图7中的顶部起的第三示图示出为了改变电流is的目的对受控电源的干预。在时间t1期间，电流is保持在其标称值处，该标称值在此处通过“100%”来表示。为了尽管一个led循环关闭仍保持led系统的整体光通量，或者为了至少部分地补偿所述整体光通量，现在可以暂时地、也就是说在时间段t2期间增大电流is，在本情况下该电流被增大到标称电流的大约140%。在时间t2到期、也就是说操作电压ub返回至其标称值之后，将电流t1设置回其100%的标称值，以便在时间t3到期之后再次将电流增大至133%。可以在图7的底部示图中看到图示光通量的结果，尽管间歇性循环去激活，该光通量仍不改变。

虽然权重对于紧急照明系统的运转来说是重要的，但是各个led单元的循环操作（短路）不是绝对必要的。如从现有技术已知的，问题在于适当的照明直接取决于操作电压，并且在机动车辆中取决于电池电压。该问题在操作电压ub例如由于有缺陷的汽车电池而下降到（可定义的）确定值之下时存在，在该确定值时能够操作仅仅一个或一般而言少于总数个led单元。例如，如果led单元（自然地，取决于互连，led单元应该由多个led组成）的前向电压例如为大约3伏特，在10伏特下情况将已经是这样。在该情况下，对于“正常操作”来说将需要大约12伏特。确定的电压值可以可选地通过可控电阻器来影响，所述确定的电压值引起这些电压值具有恰好在关闭和不关闭led单元之间的阈值范围中的水平。在上面提及的10伏特的操作电压ub下，可以将led单元短路，使得在该示例中仅产生大约3x3伏特=9伏特的所需电压，并且在串联电阻器或如在本示例中那样在电源上存在1伏特的剩余电压。

重要的是，由于权重，不只是将任何任意的led单元短路，而是将具有最低优先级的led单元短路，该led单元在本示例或上面提及的示例中将是将要照亮远场的led单元fv。

再次回到图2，将描述的是，在紧急照明情况下，可以不仅通过将各个led单元短路而且通过各个led单元的互连的重要修改来实现该功能。例如，在4个led单元的情况中，可以将两个led单元与另外两个并联连接的led单元串联连接，由此将所需电压降低四分之一，其中电流的仅仅一半和相应地降低的发光强度针对并联连接的led单元产生。

在包括6个led单元的图2的示例中，在右侧上的图示中，在确定的紧急照明状况（特别是由于不充足的操作电压）下，led单元d1和d4以全电流来操作，并且led单元d2、d3、d5和d6原则上各自以该电流的一半来操作。这里，这也导致如下选项：决定哪些led单元对于相对于其他道路使用者的能见度来说将更重要，并且因而应是最后被降低其发光强度的。根据该示例（停留在图2所示出的示例中，右手侧），d1和d4将比d2、d3、d5和d6具有更高的优先级。

显而易见的是，对于紧急照明来说必要的是，根据led单元的优先级对led单元进行分类以便将具有低优先级的一个单元去激活、也就是说短路。附加地，也可以在周期性滚动的基础上将剩余的、未永久地短路的led单元短路，并且也可以采用由受控电源进行的电流is的改变。