具有包括多个发光二极管的电路的照明设备、以及控制和校准照明设备的方法

专利名称：具有包括多个发光二极管的电路的照明设备、以及控制和校准照明设备的方法
技术领域：
本发明涉及具有包括多个发光二极管(LED)的电路的照明设备， 以及控制和校准照明设备的方法。
背景技术：
诸如电灯和电灯中使用的电灯泡之类的照明设备已被广泛使用多 年。这些电灯和电灯泡一般是白炽、囟素和荧光类的。最新，利用LED 的照明设备已进入市场。LED照明设备具有功率要求低，效率高和寿 命长的优点。虽然LED本身十分高效，不过用于驱动LED照明设备 的电路往往效率低。例如，由于易于获得的电压电源往往具有比驱动 LED所需的电压(2-4伏，取决于颜色)高得多的电压(例如，对于 车辆应用来说，12或24伏DC，对于出自墙壁插座的标准电源电压来 说，120或240伏)，因此通常一直使用电阻器和其它半导体组件来 调节电压。在调节供给LED的电压的过程中，这些电阻器和半导体组 件将大量的能量转换成热量，这是无效的，并且可能损害LED和其它 电路组件。
做出了使这些无效降至最小的各种尝试。例如，已知一种其中串 联排列多个LED，以致LED可由更高电压的电源驱动的照明设备。 US专利No.6239716Bl (参见图2) i兌明一种可用在汽车应用中的具 有多个串联连接的LED的电路。每个LED可通过开关被短路，以致 如果一个LED发生故障，通过借助逻辑电路使对应的LED短路，其 它的LED可继续工作，或者通过借助循环变化(circular variation ) 使LED短通(short-cutting)，能够实现LED的变暗。与逻辑电路 连接的另一控制电路与LED串联连接。逻辑电路还与控制电路的输入端连接。以通过控制电路借助逻辑电路调节的电流的形式，设置通过
LED的恒定电流，而不管多少LED正在工作。由于LED的串联连接， 和12伏或20伏的较低单板电压相比，全部LED两端之间的电压必须 -故向上调节到60伏。
'716专利的结构需要与每个LED并行的一个独立开关。从而，如 果使用大量的LED，那么还需要大量的开关，从而增大电路的成本。 另外，如'716专利的图2中所示，控制逻辑和控制电路输出(are run off of)和串联LED串基本相同的电压，即60伏，以便闭合开关。控 制电路和LED还共有相同的基准或接地电压。能够处理这样的较高电 压的控制电路往往比低电压(例如3.3-16伏)控制器和处理器更大， 更昂贵，产生更多的热量。
于是，本领域中仍然需要一种效率高，并且制造和工作成本合算 的照明设备。

发明内容
本发明涉及一种提供照明灯光和/或环境灯光的照明设备，所述照 明设备具有包括多个发光二极管的电路，本发明还涉及控制和校准所 述照明设备的方法。
这里使用的术语"校准"仅仅指的是根据 一 个或多个所需标准，设 置或调节某一特征或特性。
这里使用的术语组件的"额定电流"指的是该组件的平均(即，连 续)额定电流，峰值额定电流或者其它预定额定电流。
这里使用的术语"比较"及其变形形式指的是人进行的比较，计算 机或其它处理器进行的比较，以及人结合计算机或其它处理器进行的 比较。例如，可根据目视观测或感觉，调查数据，光谱分析数据，产 品设计规范等进行比较。
一方面，本发明涉及一种包含电路的照明设备。所述电路包含提 供供电电压的电源，和与电源串联连接，并由供电电压供电的多个发 光二极管。所述多个发光二极管包括至少两組串联连接的发光二极管，
各组串联连接的发光二极管串联连接。设置多个光学隔离的场效应晶 体管，不同的光学隔离的场效应晶体管与每组串联连接的发光二极管 并联连接，以便围绕该光学隔离场效应晶体管与之并联连接的 一组串 联连接的发光二极管有选择地分流。控制器与每个光学隔离场效应晶 体管的栅极连接，以便有选择地打开和闭合光学隔离的场效应晶体管。 这样，光学隔离的场效应晶体管使控制器和供电电压电隔离。
最好，所述电路还包括多个电容器，不同的电容器和每个光学隔 离场效应晶体管及与之关联的一组串联连接的发光二极管并联连接。 所述多个电容器与电源串联连接，以致多个电容器的电容累积，并用 于使电源供给的供电电流的波形平滑，同时每个电容器位于和多个发 光二极管基本相同的电位。
最好，所述电路还包括一个与控制器通信的可拆卸的存储介质。 所述存储介质存储至少 一个程序的数据。所述控制器按照存储在存储 介质上的数据，控制多个光学隔离的场效应晶体管，从而控制发光二 极管。
另一方面，本发明涉及一种包含电路的照明设备。所述电路包含 提供供电电压的电源，和与电源串联连接，并由供电电压供电的多个 发光二极管。所述多个发光二极管包括至少两组串联连接的发光二极 管，各组串联连接的发光二极管串联连接。设置多个电容器，不同的 电容器与每组串联连接的发光二极管并联连接。所述多个电容器与电
源串联连接，以致多个电容器的电容累积，并用于使电源供给的供电 电流的波形平滑，同时每个电容器位于和多个发光二极管基本相同的 电位。
另一方面，本发明涉及一种控制照明设备的方法。所述方法包括
下述步骤(a )提供多个发光二极管，所述多个发光二极管包括至少 两种不同额定电流的发光二极管，(b)从电源向所述多个发光二极管 供给大约等于一个或多个发光二极管的额定电流的供电电流，所迷一 个或多个发光二极管具有所述至少两种不同额定电流中的最高额定电 流，和(c)借助脉宽调制驱动所述多个发光二极管，以大约和发光二
极管的额定电流与供给电流的比值相等的最大占空度驱动每个发光二 极管。最好，在步骤(b)中供给的电流大约等于具有至少两种不同的 额定电流中的最高者的一个或多个发光二极管的平均额定电流。
最好，所述方法还包括通过改变低于在步骤(C)中设置的最大占 空度的至少 一组发光二极管的占空度，改变从所述至少 一组发光二极 管发出的灯光的强度的步骤。
另一方面，本发明涉及一种校准从照明设备输出的灯光的方法。
所述方法包括下述步骤(a)提供多个发光二极管，所述多个发光二
极管包括至少两种不同额定电流的发光二极管，(b)向所迷多个发光
二极管供给电流，(c)设置将以其驱动所述多个发光二极管中的每个
发光二极管的预定占空度，(d)比较灯光的初始光镨和灯光的预定对
照光谱，所述初始光谱是或者被设为当被以在步骤(c)中设置的预定
占空度驱动时，多个发光二极管发出的光镨，和(e)如果当进行比较
时，初始光镨和对照光i普至少相差预定量，那么调节将以其驱动所述
多个发光二极管中的至少一个发光二极管的占空度。
另一方面，本发明涉及一种包含多个发光二极管的照明设备，所
述多个发光二极管包括至少两种不同的额定电路的发光二极管。设置
电源，用于向所述多个发光二极管供给大约等于一个或多个发光二极
管的额定电流的供电电流，所述一个或多个发光二极管具有所述至少
两种不同额定电流中的最高额定电流。设置控制器，用于利用脉宽调
制驱动所述多个发光二极管，以大约和发光二极管的额定电流与供给
电流的比值相等的最大占空度驱动每个发光二极管。
参考其中举例说明本发明的优选实施例的附图和相应说明，可更
好地理解本发明的这些和其它特征及优点。


图1是按照本发明的一个实施例的照明设备的示意平面图，为了 清楚起见，除去了外軍。
图2是沿图1中的线2-2得到的图1的照明设备的示意横截面图。
图3是可和图1的照明设备一起使用的电路的示意图。 图3A是表示图3中所示电路的LED驱动器的电路图。 图3B是表示图3中所示电路的LED阵列的电路图。 图4是表示按照本发明的一个实施例的控制照明设备的方法的流 程图。
图5是表示按照本发明的另一实施例的校准从照明设备输出的光 的方法的流程图。
附图中，相同或对应的附图标记被用于相同或对应的部分。
具体实施例方式
图l和2中图解说明按照本发明的一种优选照明设备。在本实施 例中，照明设备包含Edison式电灯泡132 (即，安装在常规的电灯插 座中的拧入式电灯泡)。但是，如上所述，按照本发明的照明设备可 以采取任何所需形状和大小，不必被配置成与白炽灯具接合的电灯泡。 例如，按照本发明的照明设备还包括与任何标准灯具(例如，荧光、 白炽、卣素等)接合的电灯泡，以及被配置成插入墙壁插座的独立装 置等等。
如图1和2中所示，电灯泡132包括灯座140,灯座140具有适 合于与电灯、灯具等中的常规白炽电灯插座紧密配合的拧入式连接器 150。多个LED 120安装在灯座140上。最好， 一个或多个紧致的荧 光光源110被安装在灯座140上，以提供照明用白光光源。透明外軍 130最好安装在灯座140上，封闭多个LED 120和荧光灯管110。电 灯泡132最好还包括安装在灯座140上的活性组分散发器116。活性 组分散发器116最好包括将从电灯泡分送的活性组分的盒子118或其 它存储器。
最好，LED 120围绕灯座140的至少一部分圆周被排列在LED板 122上，以便环绕焚光灯管110。最好，LED 120包括被排列成任意两 个相邻LED颜色不同的"i午多不同颜色的LED。就这才羊的配置来i兌， 可使不同颜色的LED围绕外罩130的内侧间隔均匀，以便当从电灯泡
132的任意一侧感觉时，提供合适的光显示。可在外罩130上设置一 个或多个漫射体或者光界面(未示出)，以便漫射或者混合从多个LED 120发出的光，从而获得均匀颜色的感知光。另一方面，外罩130本 身可用作漫射体。在图l和2中所示的优选实施例中，所述多个LED 120包含围绕灯座140的圆周，按照重复的红、绿、蓝顺序物理排列 的24个LED—8个红色LED 120r, 8个绿色LED 120g和8个蓝色 LED120b。当然，可以使用任意数目、颜色组合和/或排列的LED。
在一个实施例中，LED 120可,皮成群排列，不同颜色的LED净皮布 置成相互靠近(例如，由呈三角形排列的一个红色、 一个绿色和一个 蓝色LED组成的多个群集)，从而增强对用户对从外罩130发出的颜 色的感知的控制。所述群集也可与光漫射体或者光界面相邻，或者被 光漫射体或者光界面覆盖。这样的安排使观测者感到该群集是单个像 素。另一方面，LED 120可隔开一定距离，或者以其它方式排列，以 致能够分别辨别各个LED发出的颜色。
荧光光源IIO最好包含一对U形的紧致荧光灯管，如图2中所示。 最好，每个紧致的荧光灯管110具有位于一端的第一电极，荧光灯管 110从所述第一电极沿着远离灯座140的方向向上延伸，直到它在外 罩130的顶部附近弯折，以便朝着灯座140延伸到位于另一端的第二 电极。当然，在本发明的范围内，荧光灯管110的各种其它尺寸、形 状、取向和排列都是可能的。
在一种备选方案中，紧致的荧光灯管110可由具有多个独立节段 (length)的单一灯管形成，每节从灯座140向上延伸，随后折返延 伸回灯座140。所述多节被互连，以便只具有位于总长度的相对两端 的两个电极(例如M形，双M形等)。在另一种备选方案中，可以 使用 一个或多个螺旋形灯管。
最好，多个紧致的荧光灯管110的总长度约为2-21英寸，不论紧 致的荧光灯管是实际上不同的灯管，还是具有多个不同节段的单一灯 管。最好，这可包括具有一个弯折的约1英寸节段到具有1-3个弯折 的约3.5英寸的节段。这提供高的发光表面积，从而提供照亮房间等
的充足光线。
活性组分散发器116被配置成按照任何已知方式分发活性组成， 比如香味、空气清洁剂和昆虫防治物质(例如，杀虫剂或者昆虫引诱 剂)。在一个优选实施例中，在装在容器，例如盒子118中的油或凝 胶中分发活性组分。容器或盒子118可以被可更换地放入和/或固定在 灯泡132上，以提供活性组分的所需散发。为了举例说明，我们关于 辅助加热蒸发装置讨论我们的发明，在辅助加热蒸发装置中，加热器 加热以增大包含活性组分的油、凝胶等的蒸发速率。当然，也可以使 用其它类型的活性组分散发器，比如风扇辅助蒸发装置，压电促动喷 雾器，和/或独力的活性组分散发器。独力的活性组分散发器可以仅仅 包括将活性组分暴露于周围环境的通风机构，或者增强/形成穿过活性 组分释放介质的对流气流的其它设计。这些活性组分散发器在本领域 中是已知的，这里不再详细说明。
LED 120、荧光灯管110和LED板122直接或间接地安装在灯座 140上。灯座140包括控制电路板162，控制电路板162包括LED驱 动器190和荧光镇流器180。通过在单板上为这些部件提供电力(和 控制)，获得更紧致的电灯泡132。另一方面，可为LED120和紧致 的荧光灯管110提供独立的底板。通过其与连接器150的电连接(未 示出)，向板162供给电力，当与常规的照明插座配合时，连接器150 获得电力。
控制板162最好还包括用于控制多个LED 120的处理器U2。例 如，LED的控制可涉及单独地或者整体地控制LED 120改变用户从外 罩130外感知的光的颜色(这可涉及漫射体等的使用)。另外，处理 器U2可通过改变应用于LED 120的电流，或者通过利用脉宽调制改 变占空度，控制LED120的亮度。此外，处理器U2可控制LED进行 一个或多个预定的照明显示(例如灯光表演或主题)，所述照明显示 改变显示期间的光颜色、亮度、启动等，从而提供有趣的灯光表演。 控制器U2还可被配置成控制荧光灯管110，包括它们的亮度或启动。 不过，荧光灯管110最好被独立启动，而不启动LED120，以便提供
照明房间或其它区域的充足白光。LED可被独立用作夜灯，或者利用 使用户愉快的色彩特征或色彩表现提供造成气氛。
灯光表演可被存储在存储器168中。存储器168可包括控制板162 和/或处理器进行预定显示的软件程序。存储器可被包括在控制板162 上，可包含可拆卸的存储卡或存储磁带，和/或可包含处理器U2的单
板存储器o
在存储器168被配置成可拆卸存储卡的实施例中，存储卡最好存 储用于按照一个或多个预定主题和/或灯光表演控制LED的一个或多 个预定程序。本实施例中的存储卡168最好适合于接合处理器U2的 扩展端口。扩展端口最好被配置成接受零售配件(aftermarket)存储 卡，例如利用5插针卡边缘连接器(插针对应于电源、接地、传送数 据、接收数据和控制)的卡。卡最好包含串行可编程只读存储芯片和 完成该接口所需的相关电子器件。所述卡最好被设计成成本极低，使 所述卡价格低廉和/或可随意处理。
当没有安装任何存储卡时，处理器U2可进行存储在单板存储器 中(或者存储在与处理器U2关联的一个独立、不可拆卸的外部存储 器中)的一个或多个预编程灯光表演或主题。通过插入存储卡，用户 能够更新预编程灯光表演或主题。当安装了存储卡时，存储卡将超越 包含在处理器的单板(或外部)存储器中的预编程灯光表演或主题。
在另一备选方案中，通过串行接口、 USB接口或其它已知接口， 借助标准个人计算机可用新的灯光表演数据重新编程在处理器U2上 的包含灯光表演数据的程序存储器的一部分和/或存储器168。这样的 数据可能已通过网络连接从服务器下载到个人计算机，或者已在个人 计算机上编程。
在灯座140上设置一个用户接口 170，以便向用户提供控制板162 和/或处理器U2的控制。用户接口 170允许用户选择LED 120和紧致 的荧光灯管IIO的感知颜色、亮度、启动等中的一个或多个。用户接 口 170还可允许用户控制活性组分散发器的启动、散发强度/速率、散 发的活性组分的种类等等。最好，用户接口 170包含一个三开关接口
(图2中只有一个开关是可见的)。下面将关于可和本发明一起使用 的优选电路，更详细地说明三开关接口 (开关S1、 S2和S3)。另一 方面，用户接口 170可包含用户能够来回切换，从而在不同的i殳置之 间转换的按钮。在其它实施例中，用户接口 170可以更精细(并且可 设置在灯座140上，可远程控制等等)，以便允许用户对灯泡132的 工作的更复杂控制。例如，用户接口 170可允许用户设置各种程序， 包括颜色变化，各个组件的亮度的变化，活性组发的散发强度/速率方 面的变化，定时启动和/或停用等，以及它们的组合。
如下更详细所述，LED 120和荧光灯管110最好由集成电路，比 如图3、 3A和3B中所示的集成电路控制和供电。活性组分散发器116 最好由独立的电路(未示出)供电和控制，从而活性组分散发器116 的操作与LED和/或荧光灯管110无关。另一方面，活性组分散发器 116可以和与LED 120及荧光灯管IIO相同的电路连接，以^更由控制 器2提供活性组分散发器116的控制(例如，与预先编程的灯光表演 配合地，按照用户对控制器U2的输入等等控制活性組分的输出)。 各种连接活性组分散发器和LED 120的电路(存在或不存在控制器 U2的控制)的方式对本领域的冲支术人员来说是显而易见的，因此这里 不再赘述。
下面参考图3、 3A和3B说明可用于控制按照本发明的照明设备 的集成电路。如图3中所示，该电路通常包括激励荧光灯管110的紧 致荧光镇流器18，具有驱动和控制LED阵列120的微处理器U2的电 子LED驱动器190,和在荧光灯管110与LED阵列120之间转换的 开关S3。通过利用电源开关S3，用户能够在荧光光源110 (白光)和 LED阵列120 (彩色灯光/灯光表演)之间选择。开关S3的一个位置 将连接AC电压电源与荧光镇流器180，提供白光。开关S3的另一位 置将连接AC电压电源与LED驱动器190,提供彩色灯光(包括用于 灯光表演、主题等的稳定照明，闪烁、不断变化的颜色等，取决于用 户对开关S1和S2的启动，如下进一步所述)。最好，荧光镇流器180、 LED驱动器190、微处理器U2、荧光光源110和LED阵列120都被
装配到一个集成模块中，所述集成模块大小接近于标准的60W白炽灯 泡的大小。不过，如上所述，按照本发明的照明设备可被配置成任意 形状和大小。
所示的开关S3是一个双刀单掷开关，它允许荧光镇流器180或 LED驱动器190被供电，但是不允许焚光镇流器180和LED驱动器 190同时被供电。不过另一方面，我们想象在一些情况下，可能希望 同时向荧光镇流器180和LED驱动器190供电，在这种情况下，可以 使用三位置开关，所述三位置同时使荧光镇流器180和LED驱动器 190与AC电压电源连接。另外，通过利用同一开关的其它位置，或 者利用一个或多个辅助开关，可以连接其它电子组件，比如活性组分 散发器。
在图3、 3A和3B中所示的例证实施例中，荧光光源110包含螺 旋状的15W T3灯管。当然，如上所述，可以改为使用各种其它的荧 光光源。可以使用任何适当的常规镇流器向荧光光源110供电。但是， 在所示的电路中，镇流器180包含电压馈电非隔离串联共振振荡器， 如同在紧凑的荧光灯应用中通常使用的那样。
LED驱动器l卯最好是恒流模式降压-升压(buck-boost)变换器， 它降压(降低)或升压(升高)线电压，以匹配所需的向LED阵列 120供电的线电压。LED阵列120可包括任意数目的一种或多种颜色 的LED。不过，LED阵列120最好包含多个红、绿和蓝LED。每种 颜色的LED的数目最好(不过并不需要必须)相同。最好，所述多个 LED与电源串联连接。图3B中图解说明的LED阵列120包含三组 LED,即串联连接的一组8个串联连接的蓝色LEDD15-D22， 一组8 个串联连接的绿色LED D29-D36和一组8个串联连接的红色LED D7-D14。虽然本实施例的中各组LED被表示成颜色相同，不过我们 想象可存在这样的情况，其中可取的是每组LED具备两种或更多种颜 色的LED。
每组串联连接的LED具有与之并联连接的光学隔离场效应晶体 管(opto-FET ) U3-U5，用于环绕该组LED有选择地分流。 一般来说，
叩to-FET是使用与光电探测器光通信的内部LED提供门信号的专门 设计的场效应晶体管(FET)。代替像在传统的FET中那样，直接驱 动门信号来接通opto-FET，通过对内部LED施加电流来接通 opto-FET。从内部LED发出的光激励光电探测器，光电探测器再关 闭opto-FET。内部LED与光电探测器完全分离(即，不与光电探测 器电连接)，于是，形成opto-FET的栅级和负载电压之间的电隔离。 从而，在图3B中所示的电路中，微处理器U2的电压并不与LED阵 列120的电压相同或相似，因为opto-FET U3-U5侵省i处理器U2和 LED阵列120电隔离。微处理器U2由5伏电源供电，所述5伏电源 相对于LED阵列120的电压浮动，并且不与LED阵列120共用公共 的基准或接地电压。这使得更易于和AC电源一起使用本发明的电路。
这样，各组串联连接的LED 120可被串联连接，以利用串联连接 的效率和其它性能优点，同时，每组可被单独控制。在图3A和3B中 所示的实施例中，LED 120的串联排列表示所有的LED仅由三个 opto-FET U3-U5启动。另外，通过使用opto-FET来启动各组LED， 可使微处理器U2与供给LED 120的高电压电隔离。
串联连接的LED可用相对高电压、低电流负载驱动，与可比的高 电流、低电压负载相比，所述相对高电压、低电流负栽能够更经济地 被驱动。如上所述串联连接LED产生与对于单个LED相比更高的压 降，因为串联连接的LED的压降是累积的。这种高的累积压降为更高 效的电力供应创造了条件，因为电源电压更接近于线电压。但是，这 种较高的电压远远大于多数常规的低成本控制器、微处理器等所需的 电压，所述多数常规的低成本控制器、微处理器等一般需要大约3.3 伏-16伏DC电压，最常见的需要大约3.3伏-5伏的电压。最好，微处 理器U2在5伏电压下运行；但是，在对电路进行轻微修改的情况下， 也可使用以不同电压工作的控制器。通过使用opto-FETU3-U5，相对 低电压、低成本的装置可被用作微处理器U2，因为它与施加于LED 120的更高电压电隔离。即，opto-FET将电路的低电压部分(即，被 供给大约5伏电压的微处理器U2和叩to-FET U3-U5的栅极)与电路的高电压部分(即，在所示的实施例中，被供给大约78伏电压的LED 阵列)分开。
代替图3A和3B中所示及上面说明的叩to-FET布置，也可以使 用被设计成在更高的电压下工作的高压驱动器。但是，与低电压装置 相比，这些所谓的高边驱动器更昂贵，因为它们需要更多的硅来实现， 并且因为它们的制造工艺费用更高。
微处理器U2接受来自开关Sl和S2的用户输入，并提供控制 opto-FET U3-U5的控制信号，opto-FET U3-U5再控制LED阵列120。 例如，微处理器最好能够启动存储在存储器(单板、外部和/或可拆卸 存储器)中的各种预先编程的灯光表演，以改变LED阵列中LED的 启动和/或强度，或者保持LED目前产生的特定颜色。
下面参考图3A更详细地说明可和该电路一起使用的一种优选 LED驱动器190。当S3 ,皮转换到LED驱动器190时，电流流经形成 半波整流器的二极管Dl和电容器Cl，从而形成Cl两端之间的DC 电压。电阻器R1形成少量的输入阻抗，以降低C1的浪涌电流，从而 降低电磁干扰(EMI),增大整个电路抵抗电压和电流浪涌的能力。 Cl两端之间的DC电压驱动按照恒流供电模式工作的开关电源，所述 开关电源包含集成的功率型金属氧化物场效应晶体管(MOSFET)和 控制模块U1，电感器L1， 二极管D3和电容器C5。
控制模块U1最好包含高频开关降压-升压变换器，例如总一&司位 于San Jose， California的Power Integrations制造的零件号LNK 306。控制模块U1具有4个插针FB-反馈，BP-旁路，D-漏极，S= 源极。控制模块U1，电感器L1， 二极管D3和电容器C5按照降压画 升压布局配置，以将线电压降到驱动LED所需的电压(例如，对于每 个红色LED来i兌约2.2伏，对于每个蓝色或绿色LED来i兌，约3.8 伏，对于图3B中所示的8个红色、8个绿色和8个蓝色LED来说， 总共约为78伏)。电流检测电阻器Rll向控制模块U1回送负载电流 的样本，以便按照恒流模式设置电源提供的电流。当BP插针电压超 过4.85伏，并且传给FB插针的输入电流小于49微安时，控制模块
Ul的内部MOSFET导通(处于on状态)。如果超过49微安的电流 被施加于FB插针，那么内部MOSFET不导通(处于off状态)。当 控制模块U1的内部MOSFET处于on状态时，电流通过电感器L1、 二极管D5、稳压二极管D6和整流二极管D3被传给负载LED Dl-D17。 当控制^t块Ul的内部MOSFET处于off状态时，电感器L1中的储 能通过二极管D5、稳压二极管D6和整流二极管D3向负载传递功率。
电阻器Rll、 R3和R4与电容器C4形成控制控制模块Ul的内部 MOSFET的开关的反馈网络。与电流检测电阻器Rll并联的电容器 C4均分电流检测电阻器Rll两端之间的脉沖电压。电流检测电阻器 Rll;帔测定大小，以致当其两端之间的电压达到2伏时，由电阻器R3 和R4形成的分压器网络对控制模块Ul的FB插针施加大于40微安 的电流，从而关闭控制模块U1的内部MOSET。当电阻器R3两端的 之间的电压小于2伏时，传给FB插针的电流小于40微安，允许控制 模块U1的内部MOSFET打开。这样，控制给LEDD1-D17的负载电 流，其平均值由等式I-2/Rll设定(从而， 一个40欧姆的电阻器导致 2伏/40欧姆=50亳安的负载电流)。
当内部MOSFET处于on状态时，控制模块Ul的内部电路由电 容器C3供电。当内部MOSFET处于off状态时，C3被充电到5.8伏。 电容器C3在BP插针提供来自内部MOSFET电源电压的微小电流， 以启动控制模块U1的内部5.8伏电源。这使控制模块U1可以连续运 行。
与负载串联的稳压二极管D6通过电阻器R5和R6向电容器C6 提供5伏电压。该5伏供电电压被用于在插针1向微处理器U2供电。
微处理器U2被编程为当被供电时，它分别在插针5、 6和7输出 三个脉宽调制(PWMKt号。PWM信号被直接耦接到叩to-FET U3-U5 的输入二极管阴极。opto-FET U3-U5的输入二极管阳极通过上拉电阻 R2、 R7和R13与电容器C6两端之间的5伏电源连接。当孩i处理器 U2的插针5、 6和/或7分别向opto-FETU3、 U4和U5中的一个或多 个的输入二极管阴极提供逻辑高(5伏)信号时，输入二极管被反向
偏置，相应的opto-FET被打开(断开)。当微处理器U2的插针5、 6和/或7分别向opto-FET U3、 U4或U5中的一个或多个的输入二极 管阴极提供逻辑低(0伏)信号时，输入二极管被正向偏置，相应的 opto-FET被关闭(接通)。当叩to-FET U3、 U4和U5被断开(打开) 时，电流通常从降压-升压变换器流经LED负载。当叩to-FET U3、 U4和U5被接通(闭合)时，电流转离LED并流经opto-FET (即， 电流围绕与每个闭合的opto-FET关联的LED被分流)。由于存在每 个opto-FET U3-U5的独立控制，因此可4吏电流转离每一组LED。 opto-FET U5为红色LED D7-D14提供电流旁路，opto-FET U4为绿 色LED D29-D36提供电流旁路，opto-FET U3蓝色LED D15-D22提 供电流旁路。这样，微处理器U2能够使用PWM单独控制每组LED 中的LED电流。
通过改变经由opto-FET的打开和闭合而对每组LED施加的 PWM信号的占空度，也能够调节施加于该组LED的平均电流。从而， 通过调节施加于每个opto-FET U3-U5的占空度，能够调节每个周期 施加于每组LED的平均电流，从而能够调节每组的亮度/强度。利用 PWM电流控制，控制印刷电路板上邻近的红色、绿色和蓝色LED的 相对强度可以产生超过256种的不同感知颜色。最好，PWM信号的 频率足够高，以致不存在明显的闪烁，并且以致人眼只感知以从各组 LED发出的红光、绿光和蓝光的比例为基础的混合颜色。不过另一方 面，我们想象其中可能希望将频率设置得较低，以致可观察到LED的 明显闪烁或闪光。
连接在开关电源的输出端和电源回返(power return)之间的电 容器C5通过提供负载电流平波，以致于供给LED的电流近似为AC 脉动较少的DC电流，有助于稳定开关电源。电容器C5为电源提供 适量的滤波(最好约l微法)。这里也可使用更大的电容器，不过它 们往往会在LED中产生浪涌电流，导致灯光的闪烁。在图3A和3B 的电路中使用更大的电容器还会超过LED的最大额定电流。电阻器 R7和电容器C7形成一个緩冲器网络(snubber network)，当控制模
块U1的内部MOSFET关闭时，限制电压偏移和振荡。
即使将较小的电容器用于电容器C5,当电容器C放电时，仍然 能够察觉灯光的闪烁。因此，最好在分别与opto-FET U3、 U4和U5 并联的电容器CIO、 C8和C9之间分布另外的电容。这种分布式电容 布局抑制当任意叩to-FET闭合时，电容器C5传递的LED脉冲电流。 三个电容器CIO、 C8和C9实际上串联连接，以致电容器的反向电容 是累积的(对于l.l微法的累积等效值，每一个最好为3.3微法)。但 是，由于每个电容器CIO、 C8和C9与相应的一组LED并联，因此 电容器不再形成相应LED串的浪涌电流的来源。这是因为电容器总是 位置LED串的电位。这样，可以获得用于稳定开关电源的高电容值， 同时避免当串联连接大电容与各组LED时发生的浪涌电流和关联的 灯光闪烁。
如上所述，用户接口还包括用于控制LED阵列120的操作的一对 开关S1和S2。开关S1是模式选择开关，当被闭合时，开关S1向微 处理器U2的输入插针3提供逻辑电平低(0伏)值。该输入指令微处 理器U2切换LED阵列120目前正在显示的彩色灯光表演。例如，当 用户启动模式选择开关Sl时，微处理器U2最好访问存储在存储器(比 如前面讨论的可拆卸的存储卡，微处理器U2的内部存储器，外部存 储器等)中的多个预编程灯光表演或主题中的下一个。开关S2是保持 开关，当被闭合时，开关S2向微处理器U2的输入插针2提供逻辑电 平低(0伏)信号。该输入指令微处理器U2保持LED阵列120目前 产生的特定混合颜色。当用户没有启动模式开关Sl和保持开关S2时， 电阻器R8、 R9和R10通过电容器C6两端之间的5V供电电压，将微 处理器U2的插针2、 3和4上拉到逻辑电平高信号(5伏)。
下面参考图4说明我们认为可用于控制本发明的具有串联连接 LED阵列的照明设备(不过也适用于具有按照其它布局排列的LED 的照明设备)的方法。
不同颜色的LED —般具有不同的额定电流(例如，平均或者连续 额定电流，峰值或最大额定电流等)。例如，红色LED —般具有约
50毫安的平均或连续额定电流，而绿色和蓝色LED —般具有约30亳 安的平均或连续额定电流。为了实现指定LED的全部潜能(即，全部 强度)，最好以其平均或连续额定电流或者接近其平均或连续额定电 流驱动LED。但是，当LED被串联连接并且由恒流电源驱动时，如 同图3、 3A和3B的实施例中一样，如果负载电流被设置为具有多个 LED中的最高额定电流的LED的平均或连续额定电流，那么将超过 其额定电流驱动平均或连续额定电流较低的LED,这会导致该LED 过早损坏，过热或者其它问题。相反，如果负载电流被设置为其额定 电流低于多个LED中的最高额定电流的LED的平均或连续额定电流， 那么将不能按照其全部潜能驱动额定电流高于负载电流的那些LED.
鉴于上面所述，我们提出一种图4的流程图中所示的控制和驱动 照明设备的LED,从而使得可以按照其全部潜能驱动LED的方法。 该方法适合于具有串联连接的多个LED的照明设备，例如在上面的实 施例中说明的照明设备，以及具有按照其它布局排列的LED的照明设 备。在步骤S101中，我们提供一个具有多个发光二极管的电路，所述 电路包括至少两种不同额定电流的发光二极管。最好，所述多个发光 二极管包含由第一颜色的发光二极管组成的第一组，和由第二颜色的 发光二极管组成的第二组。
在步骤S102，从电源向多个LED供给电流。最好，所述电源是 恒流电源，它供给大约等于LED的平均或连续额定电流的负载电流， 所述LED的平均或连续额定电流是所述多个LED的至少两种不同额 定电流中的最高者。例如，如果红色LED的平均或连续额定电流为 50毫安，绿色和蓝色LED的平均或连续额定电流为30毫安，那么供 给的负载电流将被设置为大约50毫安。
在步骤S103，利用PWM驱动多个LED。最好，以大约与多个 LED中每个LED的额定电流除以供给的负载电流得到的值相等的最 大占空度驱动该LED。从而，如果供给的负载电流被设为50毫安， 那么将以大约100% (50毫安的额定电流/ 50毫安的供给负载电流) 的最大占空度用PWM驱动额定电流为50毫安的红色LED,而将以
大约60% (30亳安的额定电流/50毫安的供给负载电流)的最大占空 度用PWM驱动额定电流为30毫安的蓝色和绿色LED。当然，这种 方法适用于具有任意额定电流的LED，并且理应根据上面的关系(额 定电流/供给的负载电流)相应地调节占空度。从而，在指定的工作循 环中，LED将被供给最多为该LED的平均额定电流的平均电流。另 外，我们预计通过利用除连续或平均额定电流之外的额定电流，例如 峰值额定电流等，也可应用该方法。
这样，可按照最大占空度驱动全部多个LED，以致工作循环内的 平均电流等于或接近它们各自的额定电流，从而实现它们的全部潜能， 而不超过多个LED中任意一个的额定电流。
另外， 一旦在步骤S103中确定了最大占空度，那么利用常规的 PWM技术可进一步调节实际驱动各个LED的占空度，从而改变LED 的强度，以改变从照明设备发出的灯光的颜色("强度占空度")。关 于LED的每种类型和/或颜色的最大占度空在步骤S101-S103中确定。 作为结果的PWM占空度(即，在任意指定时间实际驱动每个LED的 占空度)是基于最大占空度和强度占空度的复合信号。作为结果的 PWM占空度最好由存储在微处理器U2中的软件根据最大占空度和强 度占空度来计算。最好，作为结果的PWM占空度大约等于最大占空 度和强度占空度的乘积。在这种情况下，如果最大占空度为100%, 强度占空度为50%,那么PWM占空度应约为50%。类似地，如果最 大占空度为60%，强度占空度为50%，那么PWM占空度应约为30%。 这样，单一 PWM信号可被用于以等于或低于它们各自的最大占空度 的占空度驱动和调节LED。
另一方面，作为结果的PWM占空度可以最大占空度和强度占空 度的加权积，或者某一其它数学关系为基础。在另一种备选方案中， 作为结果的PWM占空度可由硬件实现，而不是由软件确定。
本发明的另一种方法涉及一种校准从具有串联连接的LED阵列 的照明设备输出的灯光，以便实现来自多组不同LED的灯光的特定比 例的方法(不过该方法也适用于具有按照其它布局排列的LED的照明
设备)。下面参考图5说明该方法。所述校准方法可以单独进^f亍，或 者和图4的控制方法和/或常规的强度占空度控制一起进行。当和图4 的方法一起进行时，每种方法的前两个步骤相同，只需要被执行一次。
在校准方法的步骤S201中，提供多个LED。所述多个发光二极 管最好包括至少两种不同额定电流的LED。随后，在步骤S202中， 从电源向多个LED供给电流。所述电源最好是恒流电源。随后在步骤 S203中，设置将以其驱动多个LED中的每个LED的预定占空度。可 手动或自动地进行这种设置，并且按照关于图4说明的控制照明设备 的方法，可被设成最大占空度。另一方面，可根据其它标准，例如关 于LED的制造商规范等进行所述设置。
在步骤S204，比较灯光的初始光镨和灯光的预定对照光i脊，所述 灯光的初始光镨是或者被设为当被以在步骤S203中设置的预定占空 度驱动时，多个发光二极管发出的光谱。可根据多个LED的设计规范 计算灯光的初始光谱，随后可比较该计算的初始光谱与对照光谱。另 一方面，可通过实际感知从多个LED发出的灯光，确定多个LED发 出的初始光i普，并且可比较该感知的初始光镨和对照光i普。在另一种 备选方案中，可借助仪器检测多个LED发出的初始光谱，并且可比较 该检测的初始光谱和对照光镨。如上所述，所述比较可由人和/或计算 机进行，并且可以是手动的或自动的。对照光谱对应于所需的照明光 谱，并且可根据众多的设计考虑来确定，所述众多的设计考虑的一些 例子是美观、颜色匹配(例如，某一对象、另一照明设备、其它灯饰 等的颜色匹配)，CIEXYZ色空间(CIE)表上的点，客户偏爱等等。
当在步骤S204中进行比较时，如果初始光谱和控制光谱相差预定 的量，那么通过增大或降低占空度，在步骤S205中调节以其驱动一个 或多个LED的占空度，以便更严密地匹配对照光镨。同样该步骤可由 人和/或由计算机进行，并且可以手动地或自动地进行。所述预定的差 异量可被设为任何所需的差值。例如，所述差值可被设置成CIE表上 的两个点之间的距离，所述差值被测量为CIE表上代表初始光镨的点 和代表对照光镨的点之间的距离。另一方面，所述预定差值可4皮定义
成任何明显的差别，并且可由一个或多个人通过观察测得。
在步骤S205中进行了调节之后，处理可返回步骤S204。从而， 一旦进行了调节，调节后的照明光谱可与对照光语进行比较。如果调 节后的光i普和对照光镨之间的差异仍然超过预定差值，那么可进行后 续调节，否则结束该方法。可重复该循环，直到初始(或者调节)光 镨和对照光镨之间的差异不再超过预定差值为止，或者可重复设定的 重复次数。
除了控制和校准照明设备的上述方法之外，通过利用相同或不同 的PWM信号来控制LED,从而随着时间调节各个LED的启动和/或 强度，以进行前面说明的灯光表演和/或灯光主题，也可控制LED。例 如，如果最大占空度被设成60%，按照上面关于图4说明的方法，以 该占空度驱动的LED将最多持续指定循环的60%处于on状态。从而， 如果将利用PWM调节LED的强度，那么占空度可,皮调节为0-60°/。之 间的任意占空度。LED的这种颜色变化控制在本领域中众所周知，于 是这里不再赘述。
我们的发明还涉及能够实现任意或全部前述方法的照明设备，这 里说明的照明设备只是可使用这里说明的方法的 一些照明设备。
上面描述成能够在计算机(即，个人计算机、微控制器、处理器 等)上执行的任意方法可被编程为执行所述方法的步骤，并且以计算 机可读格式存储在介质，例如随机存取存储器、只读存储器、硬盘驱 动器、软盘、CD-ROM等上的代码。鉴于方法的上述说明，对于本领 域的普通技术人员来说，实现这种方法的代码是显而易见的。当存储 在这样的介质上时，借助于或者不借助于另外的软件(比如操作系统), 所述代码可由一个或多个计算机执行，从而实现这里说明的方法。
上面讨论的实施例代表本发明的优选实施例，只是出于举例说明 的目的提供的。虽然显示和说明了具体的结构、尺寸、组件等，不过 所述具体的结构、尺寸、组件等不是对本发明的限制。实施例的各个 特征和元件可被互换、重新排列、省略和/或组合成各种不同的组合， 以获得所需的结果。
例如，虽然本发明的 一个优选照明设备被描述成具有供照明之用 的白光光源，活性组分散发器，可拆卸的存储卡等，不过本发明还适 用于其中省略这些特征中的一个或多个，或者其中按照不同的排列组
合这些特征，或者其中为该照明设备配备另外的电子组件的实施例。
此外，LED阵列、萸光光源、活性组分散发器、存储介质和该 照明设备配备的任何其它组件都可由独立的电路供给和/或控制。另一 方面，单一电路可向LED阵列、荧光光源、活性组分散发器、存储介 质和该照明设备可配备的任何其它组件中的两个或更多个的任意组合 供电。
这些和其它修改和变化在本发明的范围之内。
本发明提供一种具有包括多个发光二极管的电路的照明设备。所 述电路比给多个发光二极管供电并控制所述多个发光二极管的常规电 路更高效。本发明还提供利用脉宽调制，控制和校准具有多个发光二 极管的照明设备的方法。
权利要求
1、一种包含电路的照明设备，所述电路包括提供供电电压的电源；与所述电源串联连接、并由供电电压供电的多个发光二极管，所述多个发光二极管包括至少两组串联连接的发光二极管，所述各组串联连接的发光二极管串联连接；多个光学隔离的场效应晶体管，不同的光学隔离的场效应晶体管与每组串联连接的发光二极管并联连接，以便围绕所述光学隔离场效应晶体管与其并联连接的串联连接的发光二极管组有选择地分流；和控制器，所述控制器与每个所述光学隔离场效应晶体管的栅极连接，以便有选择地打开和闭合所述光学隔离的场效应晶体管，从而所述光学隔离的场效应晶体管使所述控制器和供电电压电隔离。
2、 按照权利要求1所述的照明设备，还包括多个电容器，不同的 电容器和每个光学隔离场效应晶体管及与之关联的一组串联连接的发 光二极管并联连接，所述多个电容器与所述电源串联连接，以致所述 多个电容器的电容累积，并用于使所述电源供给的供电电流的波形平 滑，同时每个电容器位于和所述多个发光二极管基本相同的电位。
3、 按照权利要求1所述的照明设备，还包括与所述控制器通信的 可拆卸存储介质，所述存储介质存储至少一个程序的数据，所述控制 器按照存储在所述存储介质上的数据，控制所述多个光学隔离的场效 应晶体管，从而控制所述发光二极管。
4、 按照权利要求1所述的照明设备，其中所述多个发光二极管包 含至少两种不同颜色的发光二极管。
5、 按照权利要求4所述的照明设备，其中所述至少两组发光二极 管包含由第一种颜色的发光二极管组成的第一组，以及由不同于第一 种颜色的第二种颜色的发光二极管组成的第二组。
6、 按照权利要求1所述的照明设备，其中所述照明设备包含电灯 泡，所述电灯泡包括透明外罩和灯座，所述灯座被配置成与照明插座 配合以便向所述电路供电，所述透明外罩和所述电路安装在所述灯座 上。
7、 按照权利要求6所述的照明设备，还包括与所述电路连接的荧 光光源。
8、 一种包含电路的照明设备，所述电路包括 提供供电电压的电源；与所述电源串联连接、并由供电电压供电的多个发光二极管，所 述多个发光二极管包括至少两组串联连接的发光二极管，所述各组串 联连接的发光二极管串联连接；多个电容器，不同的电容器与每组串联连接的发光二极管并联连 接，所述多个电容器与所述电源串联连接，以致所述多个电容器的电 容累积，并用于使所述电源供给的供电电流的波形平滑，同时每个电 容器位于和所述多个发光二极管基本相同的电位。
9、 按照权利要求8所述的照明设备，其中所述电源包含开关电源 或高/低驱动器。
10、 按照权利要求8所述的照明设备，还包括 多个场效应晶体管，不同的场效应晶体管与每组串联连接的发光二极管并联连接，以便围绕所述场效应晶体管与其并联连接的一组串 联连接的发光二极管有选择地分流；和 控制器，所述控制器与每个所述场效应晶体管的栅极连接，以便 有选择地打开和闭合所述场效应晶体管。
11、 按照权利要求10所述的照明设备，还包括与所述控制器通信的可拆卸存储介质，所述存储介质存储至少一个程序的数据，所述控 制器按照存储在所述存储介质上的数据，控制所述多个光学隔离的场 效应晶体管，从而控制所述发光二极管。
12、 按照权利要求8所述的照明设备，其中所述多个发光二极管 包含至少两种不同颜色的发光二极管。
13、 按照权利要求12所述的照明设备，其中所述至少两组发光二 极管包含由第一种颜色的发光二极管组成的第一组，以及由不同于第 一种颜色的第二种颜色的发光二极管组成的第二组。
14、 按照权利要求8所述的照明设备，其中所述照明设备包含电 灯泡，所述电灯泡包括透明外罩和灯座，所述灯座被配置成与照明插 座配合以便向所述电路供电，所述透明外罩和所述电路安装在所述灯 座上。
15、 按照权利要求14所述的照明设备，还包括与所述电路连接的 焚光光源。
16、 一种控制照明设备的方法，所述方法包括下述步骤(a) 提供多个发光二极管，所述多个发光二极管包括至少两种不 同额定电流的发光二极管；(b) 从电源向所述多个发光二极管供给大约等于一个或多个发光 二极管的额定电流的电流，所述一个或多个发光二极管具有所述至少 两种不同额定电流中的最高额定电流；和 (C)借助脉宽调制驱动所述多个发光二极管，以大约和发光二极 管的额定电流与所述供给电流的比值相等的最大占空度驱动每个发光 二极管。
17、 按照权利要求16所述的方法，其中在步骤(b)中供给的电 流大约等于具有至少两种不同的额定电流中的最高者的一个或多个发 光二极管的平均额定电流。
18、 按照权利要求16所述的方法，其中所述多个发光二极管与所 述电源串联连接。
19、 按照权利要求16所述的方法，其中所述多个发光二极管包含 由第 一种颜色的发光二极管组成的第一组，以及由第二种颜色的发光 二极管组成的第二组。
20、 按照权利要求19所述的方法，还包括通过改变低于在步骤(c ) 中设置的最大占空度的至少一组发光二极管的占空度，改变从所述至 少一组发光二极管发出的灯光的强度的步骤。
21、 一种校准从照明设备输出的灯光的方法，所述方法包括下述 步骤(a) 提供多个发光二极管，所述多个发光二极管包括具有至少两 种不同额定电流的发光二极管，(b) 向所述多个发光二极管供给电流，(c )设置将以其驱动所述多个发光二极管中的每个发光二极管的 预定占空度，(d)比较灯光的初始光镨和灯光的预定对照光谱，所述初始光谱 是或者被设为当以在步骤(c)中设置的预定占空度被驱动时，多个发 光二极管发出的光镨，和 (e)如果当被比较时，初始光镨和对照光镨至少相差预定量，那 么调节将以其驱动所述多个发光二极管中的至少 一个发光二极管的占 空度。
22、 按照权利要求21所述的方法，其中在步骤(d)中，根据所 述多个发光二极管的设计规范，计算被设定为由所述多个发光二极管 产生的初始光镨，比较所述计算的初始光谱和所述对照光镨。
23、 按照权利要求21所述的方法，其中在步骤(d)中，感知由 所述多个发光二极管发出的初始光谱，并比较所述感知的初始光谱和 所述对照光镨。
24、 按照权利要求21所述的方法，其中在步骤(d)中，利用仪 器检测所述多个发光二极管发出的初始光语，并比较所述检测的初始 光镨和所述对照光语。
25、 按照权利要求24所述的方法，其中用于检测所述初始光谱的 仪器是光镨仪。
26、 一种照明i殳备，包括多个发光二极管，所述多个发光二极管包括具有至少两种不同的 额定电路的发光二极管；电源，用于向所述多个发光二极管供给大约等于一个或多个发光 二极管的额定电流的供电电流，所述一个或多个发光二极管具有所述 至少两种不同额定电流中的最高额定电流；和控制器，用于利用脉宽调制驱动所述多个发光二极管，以大约和 发光二极管的额定电流与所述供给的电流的比值相等的最大占空度驱 动每个发光二极管。
全文摘要
一种包括电路的照明设备，所述电路具有一个电源和与所述电源串联连接的多个发光二极管(120)。所述多个发光二极管(120)包括至少两组串联连接的发光二极管，所述各组串联连接的发光二极管串联连接。不同的光学隔离场效应晶体管(U3-U5)与每组串联连接的发光二极管并联连接，以便围绕该组串联连接的发光二极管有选择地分流。不同的电容器(C8-C10)也能够与每组串联连接的发光二极管并联连接。控制器(U2)与每个光学隔离场效应晶体管(U3-U5)的栅极连接，以便有选择地打开和闭合所述光学隔离场效应晶体管(U3-U5)。从而，光学隔离场效应晶体管(U3-U5)使所述控制器和电源电隔离。可利用脉宽调制方法驱动和控制发光二极管(120)。
文档编号H05B33/08GK101189917SQ200680017509
公开日2008年5月28日 申请日期2006年3月30日 优先权日2005年4月8日
发明者斯科特·D·沃尔特, 本·A·贝尔, 理查德·G·马楚, 罗伯特·E·考贝特 申请人:约翰逊父子公司