LED照明装置的制作方法

本发明描述了led照明装置和驱动led照明装置的方法。

背景技术：

led正在变得越来越广泛地被用作光源，并且由于其长寿命和低功耗而具有吸引力。多个led连同驱动电路一起可以被并入“改装”灯泡中，以代替较不节能的光源，例如白炽灯泡。白炽灯可以直接从ac市电电压(例如，240v)驱动。卤素灯通常从提供恒定dc输入电压(例如，12v或24v)的变压器驱动。常规的灯可以使用诸如切相调光之类的各种技术而被调光。例如，照明器材的(一个或多个)白炽灯可以借助于被集成到该照明器材的壁挂式开关中的切相调光器而被调光。类似地，用于卤素光源的电源可以并入变压器以及调光器。

存在确保led改装灯可以与现有的照明器材一起使用的各种方式。例如，led驱动器可以被实现为将切相市电ac输入转换为用于其led负载的对应的dc信号。然而，这样的驱动器可能非常复杂，并且可以显著地增加灯的成本。

因此，本发明的目的是提供一种对照明装置的led进行调光的替代方式。

技术实现要素：

本发明的目的通过权利要求1的led照明装置、以及通过权利要求13的驱动led照明装置的方法来实现。

根据本发明，led照明装置包括：具有多个led的led负载；用于连接到电源的输入端子，电源被实现为向照明装置提供初级输入电压；升压模块，升压模块被实现为基于调光水平输入信号将初级输入电压升压到大于标称操作电压的水平；以及调光模块，调光模块被实现为：当经升压的输入电压超过初级输入电压水平时减小通过led的电流(即“led电流”)。

led负载可以包括一个或多个led光源，例如，以任何适当的配置安装在电路板上的一个或多个led半导体。在本发明的上下文中，表述“初级输入电压水平”应当被理解为led负载的额定或标称电压，即应当跨led负载被施加的最大电压。例如，led可以具有约3.0v的正向电压。包括三个这样的led的led负载的标称电压将为9v。电源应当提供9v(“初级输入电压水平”)以及一定的开销(overhead)，如下文将说明的。在本发明的上下文中，电源可以被假设为是如下的dc电源，该dc电源被实现为在led照明装置的输入端处提供恒定dc电压。

根据本发明的led照明装置的优点是，可以以相对较少的努力为led负载提供调光功能。led照明装置可以直接连接到任何合适的dc电源，并且还可以借助于调光水平输入信号连接到已经存在的调光器。此外，如下文将说明的，调光模块可以被实现为始终确保led电流不超过驱动水平，从而保护led免受热损坏。因此，根据本发明的led照明装置对于与照明器材的现有调光调节器结合的低电压代替或“改装”灯(诸如mr16灯)呈现出吸引人的替代方案。改装的灯必须与它将与之一起使用的器材兼容，并且根据本发明的led照明装置可以被实现为提供这种兼容性，而比已知解决方案付出显著更少的努力和成本。根据本发明的led照明装置的另一优点是所提出的电路可以以非常紧凑的方式实现，使得即使是微型改装灯(诸如枝状烛台型(candelabra)灯)也是可能的。在下文中，将响应于经升压的输入电压来下调或减小led电流的本发明技术称为“反向电压调光”。因此，根据本发明的led照明装置可以被实现为支持调光功能，而没有任何不期望的电磁干扰(emi)或与脉宽调制(pwm)调光电路相关联的可听见的嗡嗡声。

根据本发明，驱动led照明装置的方法包括以下步骤：将led照明装置连接到被实现为向具有作为照明负载的一个或多个led的照明装置提供初级输入电压的电源；将调光水平输入信号连接到led照明装置，以指示调光水平；基于调光水平输入信号将初级输入电压升压到大于标称操作电压的水平；以及当经升压的输入电压超过初级输入电压水平时，减小通过照明负载的led的电流。

根据本发明的方法的优点在于，其允许led照明装置连接到现有的dc电源和现有的调光器，并且允许led以非常直接的方式被调光。不管所使用的调光器的类型如何，根据本发明的反向电压调光方法都允许通过led的电流以非常直接的方式被调节，以实现期望的光输出水平。

从属权利要求和以下描述公开了本发明的特别有利的实施例和特征。可以适当地组合实施例的特征。在一个权利要求类别的上下文中描述的特征可以同样适用于另一权利要求类别。

输入调光信号可以被解释为适合于用作控制信号以实现对应的经升压的电压。例如，调光器可以基于电位计来操作，该电位计以在低电压与高电压之间的范围内的电压的形式来递送调光水平输入信号，该范围对应于在低调光设置与高调光设置之间的调光范围。在本发明的一个优选实施例中，led照明装置包括用于将调光水平输入信号转换城升压模块的控制信号的接口电路。在下文中，可以假设完全光输出对应于0％调光水平，而零光输出对应于100％调光水平。当led电流处于其标称驱动水平时，实现完全光输出；当led电流降低到led实际上被“关断”的水平时，实现零光输出。根据本发明的方法与可比较的已知调光方法的不同之处在于：输入电压增加导致光输出减少；以及输入电压降低导致光输出增加。

升压模块可以包括能够将输入电压转换为较高的输出电压的任何电路。例如，输入电压可以使用诸如升压、反激式、单端初级电感转换器等的各种开关模式拓扑中的任一种被升压。输入电压可以跨升压模块的输入引脚(正输入引脚和负输入引脚)而施加，并且较高的输出电压可以在升压模块的输出引脚(一个正输出引脚和一个负输出引脚)处被提供。

在本发明的一个特别优选的实施例中，升压模块包括升压转换器。在这样的实现中，接口电路可以将调光水平输入信号转换为用于控制升压转换器的开关的开关控制信号。例如，从调光水平输入信号导出的开关控制信号可以设置升压转换器的开关的占空比。在这样的实现中，升压模块仅在调光期间是活动的，并且当led负载以全功率(100％的光输出)被驱动时保持不起作用。这种实现的优点是，可以使用相对便宜的现成或标准电源。

优选地，升压模块被实现为与调光水平的增加成正比地对初级输入电压进行升压，即经升压的电压随着调光水平的增加(即，随着期望的光输出水平的减小)而增加。在本发明的一个优选实施例中，升压模块被实现为：针对与最大调光水平相对应的调光水平输入信号而将初级输入电压升压到最大升压水平。换言之，100％的调光水平(零光输出)导致电压升高到最大升压水平，使得升压模块将不会向调光模块施加高于该最大升压水平的电压。因此，来自电源的电压可以在从初级输入电压水平到最大升压水平的“升压范围”内增加。在本发明的一个特别优选的实施例中，升压模块被实现为在3v的范围内对初级输入电压进行升压。例如，现成的dc电源可以在其输出处提供12v。根据本发明的照明装置的led负载可以包括4个led，每个led具有3v的标称电压。升压模块向调光模块提供高达3v的电压增加，调光模块进而通过以下来响应于经升压的电压水平与初级电压水平之间的差异：将led电流减小与该差异成正比的量。例如，如果在经升压的电压水平与初级电压水平之间仅有很小的差异，则led电流将仅减少小量(导致光输出的对应小的减少)；如果在经升压的电压水平与初级电压水平之间有大的差异，则led电流将降低到对应的程度(导致光输出的显著减少)。优选地，调光模块被实现为随着经升压的输入电压接近最大升压水平而将led电流降至零，即光输出被调光100％。

在本发明的一个优选实施例中，调光模块被实现为：当经升压的输入电压不超过初级输入电压水平时将led电流维持在最大或标称驱动水平。因此，最大或标称驱动水平是将穿过led的led电流的最高值，其对应于当直接从同一电源驱动时将流过同一led负载的电流。换言之，当调光水平输入信号指示0％调光(即100％光输出)时，升压模块对输入电压的升压为零，使得调光模块保持“不活动”并且led电流保持在标称驱动水平。

当跨led负载的电压超过某个最小值时，led负载将发出光。led电流取决于跨led的电压，并且光输出基本上遵循led电流。通常，输入电压不应当超过额定电压水平，因为过高的led电流最终会降低led的寿命。由于这些原因，重要的是，led电流不超过推荐的驱动水平。这可以通过多种方式实现。在一种方案中，led电流可以通过以下方式来控制：以相对直接的方式使用与led负载串联的诸如双极结型晶体管的半导体开关，并且向bjt的基极施加合适的电压来调节经过开关的电流量。电流控制电路调节bjt基极电压，以确保led电流对于直到额定或标称水平的输入电压基本上保持恒定。在常规电路中，当输入电压超过额定电压时，led电流保持恒定，并且多余的功率由电流控制电路耗散。

这样的常规控制方案与不利的高损失相关联。在根据本发明的led照明装置中，相比之下，调光模块确保led电流随着输入电压升高到大于初级或标称电压水平而降低。这可以通过多种方式完成。例如，可以使用微处理器来监测输入电压并且根据本发明的“反向电压调光”原理来调节led电流。然而，在本发明的一个优选实施例中，调光模块包括电流控制电路，电流控制电路包括参考输入和可变输入，并且电流控制电路被实现为：根据参考输入与可变输入之间的差异来通过第一半导体开关调节led电流。此外，调光模块包括电压监测电路，电压监测电路被实现为基于经升压的输入电压来生成到电流控制电路的可变输入。利用这种有利的实现，大于初级电压水平的电压的增加被检测到，并且led电流响应于较高的输入电压而被下调。电流控制电路和电压监测电路可以使用模拟部件来设计，从而允许有利紧凑的实现。以这种方式，以相对较少的努力和低成本，与现有电路相兼容的led照明装置是可能的，例如并入了用于卤素灯的传统高频变压器、切相调光器等的照明器材。

优选地，电压监测电路被实现为：当输入电压超过初级输入电压水平时升高到电流控制电路的可变输入处的电压水平。这可以使用任何合适的电路实现。在本发明的一个特别优选的实施例中，电压监测电路包括可编程分路调节器以实现这一功能。可编程分路调节器优选地经由其阴极连接到升压转换器的正输出引脚。到分流调节器的参考端子及其阳极的闭环反馈连接通过分压器形成。通过电阻器值的适当选择，分压器可以设置上限阈值水平，超过该上限阈值水平应当开始电流下调。在下文中，初级输入电压水平也可以被称为“调光触发水平”，因为当输入电压超过该水平时led电流减小，导致光输出被调光。

存在基于参考输入和控制输入来执行led电流控制的各种可能方式。然而，在本发明的一个特别优选的实施例中，电流控制器包括被实现为将可变输入与参考输入相比较的比较器，并且其中比较器的增益由输入电压控制。例如，可以使用单电源运算放大器，其正电源端子连接到升压转换器的正输出引脚。运算放大器的输出信号的幅度将取决于其输入之间的差异，并且也取决于其增益，其增益在这种配置中由输入电压确定。

在led照明装置的“正常”操作期间，输入电压将不超过初级输入电压水平。因此，到电流控制器的可变输入将经由电流感测电阻器来递送通过led的电流的量度。在本发明的一个优选实施例中，比较器将在这些情况下起作用以调整bjt基极端子电压，以便将led电流保持在基本上恒定的驱动水平。在输入电压超过初级输入电压水平或调光触发水平后，比较器就将调整bjt基极端子电压，以便减小led电流。例如，对于npn晶体管开关，降低基极端子电压将减小通过开关的电流并且因此还减小led电流。

当输入电压超过调光触发水平时，led电流可以以任何适当的方式被调节。例如，随着输入电压增加到大于调光触发水平，led电流可以以步进式方式降低。在本发明的一个特别优选的实施例中，随着输入电压被升压到大于调光触发水平，led电流以基本上线性的方式降低。以这种方式，led电流随着经升压的电压的稳步增加而稳步减小。

优选地，电流控制器和电压监测器被实现为：随着经升压的输入电压接近最大值而导致led电流减小到零。换言之，大于某个经升压的电压水平，led负载被完全调光，并且不发出光。

根据本发明的led照明装置优选地被实现为改装led灯，其具有用于插入到由dc电源供电的照明器材的插座中的连接器。连接器可以是任何标准连接器，诸如双引脚、卡口或螺纹式连接器。例如，根据本发明的led照明装置可以被实现为用于代替卤素灯的具有gu10连接器的mr16灯。

用于根据本发明的led照明装置的电源应当提供用于驱动led的电压以及用于令人满意的电流调节的足够的电压“余量(headroom)”。根据本发明的led照明装置的调光模块可能需要约0.5v-1.0v，并且布线和任何反极性二极管中的电压损耗也应当被考虑在内。通常，应当提供附加的3v开销或余量。

根据本发明的led照明装置的效率将在很大程度上取决于电源和在led负载中使用的led的数目。例如，在现成的24v电源和六个led的串(其中每个led具有3.0v正向电压)的情况下，电源的18.0v(3.0v的六倍)可以实际上用于光输出。led负载的标称或额定电压为上限阈值水平。因此，在上述示例中，上限阈值水平或调光触发水平为18.0v。3.0v的剩余开销可以由调光模块用来执行其电流调节。这样的电路的效率为75％(18除以24)。

在七个3.0v的led的情况下，总led电压为21.0v(3.0v的七倍)。这种情况下的效率是有利地高的87.5％(21除以24)。在该示例中，上限阈值水平或调光触发水平为21.0v。

通过结合附图考虑的以下详细描述，本发明的其他目的和特征将变得显而易见。然而，应当理解，附图仅被设计用于说明的目的，而不是作为本发明的限制的定义。

附图说明

图1是根据本发明的led照明装置的第一实施例的示意图；

图2示出了图示根据本发明的led照明装置的操作的曲线图；

图3是根据本发明的led照明装置的第二实施例的示意图；

图4示出了根据本发明的led照明装置的调光模块的可能实施例；

图5是被实现为改装灯的本发明led照明装置的示意图；

图6是根据本发明的led照明装置的第三实施例的示意图。

在附图中，相同的附图标记始终指代相同的对象。示图中的对象不一定按比例绘制。

具体实施方式

图1是根据本发明的led照明装置1的一个实施例的框图。该图示出了连接到dc电源2的led照明装置1，该dc电源2供应处于固定或初级电压水平的dc电压ups。电源2的输出端子连接到led照明装置1的输入端子14hi、14lo。led照明装置1包括led照明负载10，其在这种情况下由功率led100的串或串联布置组成。led优选地均具有相同的标称或额定电压。如上文已描述的，当跨足够高的电压(即，对于n个led100的串而言，至少为标称led电压的n倍)而连接时，led100将发出100％的光输出。在该实施例中，假定施加在led照明装置1的输入端子14hi、14lo处的dc电压ups足够高以实现100％的光输出，并且还为电流调节提供附加的几伏开销。

led照明装置1包括升压转换器11和调光模块12，升压转换器11被实现为根据调光水平输入信号30将输入电压ups升压到大于初级输入电压水平的水平，调光模块12被实现为当经升压的电压uboost超过初级输入电压水平时减少通过led负载10的led电流iled。

图2中示出了led照明装置1的操作原理。这里，曲线图20示出了相对于施加到调光模块12的电压uboost的光输出[％]。直到初级输入电压水平vps，光输出为100％或完全光输出。当施加到调光模块12的电压uboost增加到大于初级输入电压水平vps时，光输出开始减小。随着施加到调光模块12的电压uboost接近最大值vmax，光输出接近零。换言之，为了降低led负载的光输出，施加到调光模块12的电压uboost被增加。这是本发明的“反向电压调光”原理。

升压转换器11和调光模块12优选地被实现为在性能上彼此匹配，例如，使得升压转换器11被实现为在特定跨度200或范围200内增加电压，并且调光模块12(其从升压转换器11的输出端子被驱动)被实现为在从驱动水平(100％的光输出)到关断(0％的光输出)的完整的调光范围内减小led电流iled。

在图1所示的示例性实施例中，调光水平转换器13将调光水平输入信号30转换成用于升压转换器11的控制信号300。图3中示出了一种可能的实现。这里，升压转换器11包括电感器l、开关s、二极管d和电容器c的众所周知的布置。开关s通常使用mosfet来实现，因为这个种类的晶体管可以非常快速地切换。通过在升压转换器11的连续操作模式期间控制开关s断开和闭合的速率(即，通过控制其占空比)，可以设置可以跨电容器c而累积的输出电压uboost的水平。优选地，调光水平转换器13将调光设置(0％至100％)转换为占空比(0至1)。在为0的占空比下，输出电压uboost将基本上对应于初级输入电压水平vps；在为1的占空比下，输出电压uboost将处于最大水平vmax。

图4是示出了根据本发明的led照明装置的调光模块12的一个可能实施例的电路图。调光模块12包括电压监测电路17和电流控制电路16。led负载10与第一半导体开关q1和电流感测电阻器rsense串联连接。在该示例性实施例中，第一半导体开关q1是npnbjt，并且其基极端子连接到电流控制电路16的输出。

电流控制电路16包括运算放大器160和第二半导体开关q2。运算放大器160的参考输入161被连接到恒定电压，即参考水平(由电压源符号指示)。运算放大器160的正电源端子连接到升压转换器的正输出端子，升压转换器向调光模块12施加经升压的输入电压uboost。运算放大器160的负电源端子连接到接地。

电流感测电阻器rsense的大小确定默认或标称led驱动电流。电流感测电阻器rsense协助：在照明装置的正常操作期间，即当经升压的输入电压uboost不高于初级输入电压水平vps时，将led电流iled调节到基本上恒定的驱动水平。为此，电流感测电阻器rsense经由节点n连接到电流控制电路16的控制输入162，即连接到运算放大器160的可变输入162。

节点n还连接到使用可编程分路调节器170实现的电压监测电路17。只要输入电压uboost小于由分压器布置r1、r2设置的水平，节点n处的电压(以及因此到运算放大器160的控制输入162的“电流控制水平”)就将仅响应于led电流iled的变化而改变。运算放大器160通过调节第二晶体管开关q2的基极端子电压来对参考输入161与控制输入162处的电压之间的任何微小差异作出反应，由此间接调节第一晶体管开关q1的基极端子电压。因此，只要输入电压uboost处于该led负载10的标称水平，led电流iled就将保持在基本上恒定的驱动水平，并且光输出也将保持基本上恒定在100％。上限阈值水平或调光触发水平是led负载10的标称或额定电压。

包括电流感测电阻器rsense、运算放大器160和第二晶体管开关q2的电路的闭环行为总是试图保持控制输入162处的电压等于参考输入161处的电压或“电流控制水平”。换言之，闭环行为用于校正处于电流控制水平的电压，以使其等于参考电压。当输入电压uin增加到大于阈值电压时，电压监测电路17的分路调节器170将增加其通过电流。这种通过电流将提高节点n处的电压，因为它跨电阻器r4和电流感测电阻器rsense产生附加的电压降(由箭头指示)。换言之，分路调节器170将会将控制输入162处的电压拉到大于参考水平。结果，通过电流感测电阻器rsense的电流必须减小，以使控制输入162处的电压回到参考水平。控制输入162处的到运算放大器160的增加的电压增加了第二晶体管开关q2的基极处的电压，使得它下沉(sink)更多的电流，从而降低第一晶体管开关q1的基极端子处的电压并且减小led电流iled。led电流iled的减小导致光输出减少或变暗。电流控制电路16有效地响应于节点n与接地之间的电压降(如箭头所示)的变化，并且力图将参考输入161和控制输入162处的电压保持在同一水平。

电阻器r4被选择为比电流感测电阻器rsense大得多，以确保流过分路调节器170的小电流将产生led电流iled的大的下降。以这种方式，通过电路的总电流流动将减小。随着输入电压的增加来减小led电流iled的过程将持续，直到第一晶体管开关q1实际上被关断，导致0％的光输出(100％的调光)。当led电流通过“反向电压调光”而下调时，第一晶体管q1的功耗也将降低，并且当led电流iled达到0ma时降至0w。可以通过选择电阻器r1、r2、r3、r4的适当值来设置调光触发水平，即led负载10的“调光”开始时输入电压uin的水平。

图5是被实现为改装灯的根据本发明的led照明装置1的示意图。这里，led负载的led100安装在反射灯壳体50中。led照明装置1的控制电路(升压模块11和调光模块12)适当地布置在壳体50的基座中。改装灯可以具有合适的连接器接口51，其在该示例中被示出为双引脚连接器51。根据本发明的led照明装置1的控制电路可以非常紧凑，使得改装的微型灯是可能的。

图6是包括若干改装的枝状烛台型灯泡60的照明器材6的示意图。每个改装的枝状烛台型灯泡60可以包括微型壳体60和控制电路，微型壳体包围一个或多个led100，控制电路包括布置在灯壳体60的基座中的调光模块12。在该实施例中，共用的升压转换器11被布置在物理上分开的驱动电路61中，驱动电路61被实现为将ac市电输入转换为适当的dc输入，dc输入进而可以响应于到枝状烛台型器材6的调光输入30而被升压到输出电压uboost。调光信号转换器13将调光输入信号30转换为升压转换器11的开关控制信号。调光输入信号30可以是源自于诸如智能电话等的手持式控制器7的无线信号，手持式控制器具有作为调光应用程序而被安装的软件“调光器”3。在本发明的上下文中描述的led控制技术可以高度小型化，特别是与已知的市电电压可调光的枝状烛台型灯相比。这种微型实现可以产生非常吸引人的灯设计。在进一步的发展中，功率转换器单元61可以不引人注目地位于照明器材的中心位置，例如在枝状吊灯的悬挂器具中。

虽然已经以优选实施例及其变型的形式公开了本发明，但是应当理解，在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行很多附加的修改和变化。例如，“反向电压调光”原理可以与具有大于上述“100％的调光”水平的标称输出电压的电源一起使用，即，电源递送超过led电压、开销和控制范围之和的电压——对于七个3v的led，28v电源提供用于led的21.0v、用于开销的3.0v和用于电流控制的几伏。完全调光(0％的光输出)可以处于27.0v。为了调光到某个光水平，输出电压必须下调(使用适当的电压降低电路，诸如降压转换器、反激式转换器等)。例如，为了下调光至70％，电压可能下调至约25.0v。这样的实施例可能需要非标准电源，这可能会增加总体成本。电压降低电路将在非调光模式下是活动的，从而增加了功耗。

应当理解，为了清楚起见，贯穿本申请使用“一”或“一个”不排除多个，并且“包括”不排除其他步骤或元素。提及“单元”或“模块”不排除使用多个单元或模块。