具有差分电压源的发光二极管驱动器的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及用于发光二极管(LED)光源的驱动电路领域，并且更特别地涉及用于LED的交流到直流(AC-DC)或直流到直流(DC-DC)变换器。
【背景技术】
[0002]LED通常用包括递送至少一个经调节输出的AC-DC或DC-DC变换器的驱动电路来驱动，从而使得能够生成和供应相对恒定的电流一一响应于变化的输入电压或者任何其他扰动，诸如可能由于负载的温度变化或老化而产生的负载阻抗的变化。
[0003]固态发光(SSL)行业对于用于LED的小型和紧凑型功率管理单元的需求正在增加，这种情况在其中来自电源的能量必须尽可能高效地以恒定电流的形式来递送的功率LED领域甚至更加突出。理想情况下，大小与LED本身可比的LED驱动器代表实现新的照明概念的显著的突破。这样的解决方案需要具有高水平的可靠性和效率的系统，以便满足寿命、大小和散热的要求。
[0004]当前，已知的LED驱动器通常基于两个主要技术:线性驱动器和开关模式电源(SMPS)0
[0005]用于DC-DC变换的线性驱动器具有以低成本提供高集成能力的优点，因为这样的驱动器可以仅包括能够使用成熟的技术来单片集成的长延迟半导体开关和电阻器;另一方面，基于线性驱动器的解决方案可能由于设计容限或者可能源于负载的温度变化或者老化或者两者的诸如负载阻抗的变化的系统中的扰动而在输入与输出之间的电压差变高时具有差的效率。
[0006]下文中详细描述的图1中图示的LED的电流电压特性在电压达到通常由VF来指定的某个正向电压阈值时突然起作用。可以由A VF来指定的对于给定LED的正向电压阈值的变化通常在±10%的数量级并且因此产生显著的功率损失，这表示LED驱动器的功率管理单元受到挑战。实际上，线性驱动器仅可以用于亚瓦特应用。
[0007]使用电感性存储装置的SMPS驱动器使得能够实现更好的效率;然而所有SMPS元件(实际上为无功部件，并且更特别地为电感器)的单片集成尚未成熟到足以满足所考虑的应用的要求。
[0008]使用电容性能量存储装置的SMPS驱动器一一主要包括开关电容器变换器(SCC)或电荷栗(CP)的SMPS—一可以在仅使用电容器和半导体开关的情况下提供高效的DC到DC电压变换。因此，与电感型SMPS相比，电容型SMPS可能更容易集成。在用于LED的驱动器中使用CP是已知的，并且一些可用的现成的集成电路包括电荷栗。然而，所有这些产品基本上包括将CP传动系和线性调节器与相关联的控制集成的单片芯片，这些产品广泛地用在移动电话背光中，通常用于最高达一瓦特的功率。在这些解决方案中，通常由锂离子电池供应的输入电压首先逐渐增加或者逐渐下降到LED的正向电压以上的最接近的电压。这些芯片借助于线性驱动器来提供电流调节，线性驱动器在多数情况下转化成差的效率，通常在80%以下。
[0009]尚没有已知的解决方案用于在通常等同于LED本身的体积的小体积与最小化的由LED的正向电压的变化所致的损失之间折衷的大功率LED驱动器。
【发明内容】
[0010]本发明的一个目的在于通过提出一种使得能够实现特别地被适配成不受LED正向电压的变化的影响的用于LED的小体积驱动器的解决方案来解决以上提及的现有技术的缺陷。本发明还使得能够实现可以很容易地集成在LED封装件内的用于LED的功率管理单元。
[0011]根据本发明，提出了用浮动差分电压来对LED驱动器供电，浮动差分电压由一个第一偏置电压和一个第二偏置电压限定，两个偏置电压之差等于或大于LED正向电压的期望变化。小的差分电源电压释放了驱动器的部件中的应力并且明显减小其电路系统的复杂性，尤其是在这样的驱动器由SCC组成时。
[0012]出于这一目的，本发明提出了一种用于驱动一个或多个LED的驱动器，驱动器包括被适配成由一个第一偏置电压与一个第二偏置电压之间的差分电压供电的驱动单元，差分电压被适配成等于或大于上述一个或多个LED的正向电压的最大期望变化。
[0013]在本发明的示例性实施例中，驱动器可以包括被适配用于根据上述差分电压供应输出电压的电压变换器，输出电压的时间特性基本上为方波。
[0014]在本发明的示例性实施例中，上述电压变换器可以由开关电容器变换器形成。
[0015]在本发明的示例性实施例中，上述电压变换器可以基于迪克森(Dickson)阶梯拓扑。
[0016]在本发明的示例性实施例中，上述开关电容器变换器可以包括供应中间电压的多个内部节点，并且驱动器还可以包括被适配成将驱动器输出电压选择性地连接到上述内部节点中的任一个内部节点的复用器。
[0017]在本发明的示例性实施例中，驱动器可以包括由输入电压供电并且被适配成供应上述两个偏置电压的电压源。
[0018]在本发明的示例性实施例中，电压源可以被适配成根据由LED的温度和逝去的操作时间组成的组中的至少一项的变化来改变两个偏置电压的值。
[0019]在本发明的示例性实施例中，电压源可以被适配成通过将确定的偏移值与每个偏置电压的值相加来改变每个偏置电压的值，偏移值取决于由LED的温度和逝去的操作时间组成的组中的至少一项的估计的变化。
[0020]在本发明的示例性实施例中，电压源可以包括降压变换器，上述两个偏置电压中的较低偏置电压由降压变换器来供应。
[0021]在本发明的示例性实施例中，降压变换器可以基于迪克森阶梯拓扑。
[0022]本发明的另一方面为一种LED封装件，其包括至少一个LED以及根据所描述的实施例中的任何实施例的相关联的驱动单元。
[0023]在本发明的示例性实施例中，LED封装件可以被集成为系统级功率芯片或者系统级功率封装件。
[0024]本发明的又一方面为一种光模块，其包括具有基本上相同的电压电流特性的多个LED，每个LED由根据所描述的实施例中的任何实施例的驱动单元来驱动。
[0025]在本发明的示例性实施例中，光模块还可以包括电压源，电压源由输入电压供电并且被适配成向多个驱动单元供应上述两个偏置电压。
[0026]本发明的另一方面为一种操作至少一个负载的方法，包括:提供被适配成由一个第一偏置电压与一个第二偏置电压之间的差分电压供电的至少一个驱动单元，差分电压被适配成等于或大于上述至少一个负载的正向电压的最大期望变化。
[0027]本发明的在其实施例中的一些实施例中的另一优点在于，与现有的架构相比，可以简化根据所描述的实施例中的任何实施例的LED驱动器或驱动单元的架构，尤其是在所需要的部件的数目方面。比如，如果驱动器或者驱动单元包括SCC，则与现有的基于SCC的驱动器架构相比，可以极大地减小开关和电容器的数目，从而使得能够实现相当的功率变换率。
[0028]本发明的另一优点在于，根据所描述的实施例中的任何实施例的LED驱动器、驱动单元或LED光模块可以非常功率高效使得其不需要散热器或低电阻热通路。
【附图说明】
[0029]本发明的这些和其他特征和优点鉴于被提供仅作为说明和非限制性示例的优选实施例的下面给出的详细描述以及附图将更清楚，附图表示:
[0030]图1，图示LED的典型的电流电压特性的图；
[0031]图2，图示根据本发明的包括多个LED和LED驱动单元的光模块的架构的框图；
[0032]图3，图示根据本发明的示例性实施例的LED驱动器的详细结构的图；
[0033]图4A和4B，图示根据本发明的示例性实施例的LED驱动器的操作原理的时序图。
【具体实施方式】
[0034]在下面的详细描述中，出于解释而非限制的目的，给出公开具体细节的代表性实施例以便提供对本教示的透彻理解。然而，得益于本公开内容的本领域普通技术人员应当清楚，偏离本文中所公开的具体细节的根据本教示的其他实施例保持在所附权利要求的范围内。另外，可以省略对众所周知的装置和方法的描述以免模糊对代表性实施例的描述。这样的方法和装置明显在本教示的范围内。
[0035]图1示出图示LED的典型的电流电压特性的图。图1旨在支持对本发明的正确理解；注意，正向电压和标称正向电压的变化的相对值仅在于说明而不一定对应于LED的实际特性。
[0036]图1描绘一个第一曲线11，其用实线绘制并且表示正向区域中的二极管的标称电压电流特征，也就是，其中纵坐标表示沿着从阳极到阴极的方向流经LED的电流的强度I并且横坐标表示LED两端的电压V的图。当LED电压V达到给定的正向电压降值VF时，LED电流I变得可感知并且LED呈现非常低的电阻。然而，给定LED的标称正向电压VF由于制造变化而可以稍微变化;正向电压VF在操作中也可以由于通过负载的电流的变化以及还由于环境参数(诸如温度)的变化而显著变化;其也可以由于LED的老化而显著变化。考虑到以上提及的所有可能的成因，可以认为LED的正向电压的最大期望变化在最小正向电压VFmin与最大正向电压VFmax之间的间隔中，这一间隔的长度表示为AVF。正向电压为最小或最大的极限情况下LED的V-1特性分别用虚