专利名称：用于给电负载如光源馈电的单元装置、对应电路和设计方法
技术领域：
本发明涉及给如光源的电负栽馈电，该光源例如是发光二极管
(LED )。
本发明是通过特别关注本发明可能应用的高通量(HF) LED来设计 的，高通量LED正在越来越多地用作照明源。然而提及该优选的应用领 域并不理解为限制本发明的范围。
背景技术：
在上文提到的背景中，常常需要并联数个单元(cell )，这些单元包括 光源，比如需要恒定电流的半导体光源，如LED。
迄今为止，已经用两种方式基本上解决这一问题，即
-如果从压控源给单元馈电，则通过为各独立单元添加一个电流调节 器，或者
-如果经由高频(HF)生成器给单元馈电，则将某类去耦合网络与 各单元关联。
需要用于每个单元的电流整流器的那些解决方案本质上复杂且昂贵， 尤其是对于低成本的应用，采取去耦合网络的解决方案可能在向与单元关 联的一个或者多个光源如一个或者多个LED馈送的信号中引入HF波紋 (ripple),这不可避免地减少这些光源的有用寿命。
发明内容
本发明的一个目的在于提供一种改进的装置，该装置生产起来简单、 低廉而又给予如下可能性i^免在向电负载如一个或者多个LED提供的 信号中存在HF波紋和/或独立地对包括连接到单个功率源的多个单元的 电路装置中的各光源调光。
根据本发明，该目的利用具有权利要求1中所阐述的特征的单元装置来实现。本发明的有利itJL形成从属权利要求的主题。本发明还涉及包括 多个这样的单元的电路装置以及用于设计这样的电路装置的方法。权利要 求是这里提供的本发明的公开内容的组成部分。
这里描述的装置例如提供以下优点 -简单的系统结构；
-基于无源元件的简单而准确的电流控制，使得可以独立地调整向各 光源单元馈送的电流；
-可以独立地对各个单元/光源调光；
-可以将新单元添加到现有的装置而对现有装置的特性和性能没有 不利影响；并且
-主电源良好的效率和全负载时良好的有功/无功功率比。
这里描述的装置可能的使用不限于LED单元。
这里描述的装置可以有利地用于需要恒定电流以恰当地工作的各种 光源。例如，从这里描述的相同HF功率源装置可以供应一个或者多个放 电灯而无需使用输出整流器。对于这种光源，通常进行功率控制而不是电 流控制，因为这些灯在某些情况下可以表现负阻抗，这使得m^进行电流 控制。
这里所述的装置避免任何基于反馈的控制系统；由于向各负栽馈送的 电流由与之关联的去耦阻抗自动地限定，所以阻抗特性变得无关。
通过选择合适的阻抗，甚至可以将卣素灯——通常经由HF电压源 (电子变压器，例如Halotronic )驱动卣素灯——与HF功率源并联连接。 在这种情况下也可以省却整流器并且可以直接地向灯施加HF电流。
更一般而言，需要恒定电流的任一种电负栽(即使与照明无关)都可 以连接到这里描述的总线装置。这样的负载的示例是电池充电器，对于该 电池充电器而言一旦已经选择充电电流就可以识别正确的阻抗。
概括而言，即使存在用于各负栽的不同源电流，i^E描述的装置的优 选总线式实施例也可以用于给不同种类的电负载(比如需要恒定电流的光 源)馈电。
因此这里描述的总线装置是通用的并且易于使用。例如，如果针对经 由总线装置来馈电的负栽之一采用的新技术带来电流方面的新要求，则无
6需改变主电源，并且可以通过改变去耦合阻抗以便例如允许向新负栽馈送 更高的电流(当然考虑最大可用功率方面的 一般限制)来适应电流方面的 不同要求。
现在将参照附图仅作为示例来描述本发明
-图l是如这里所描述的包括多个单元的电路装置的示意框-图2至图4是有助于理解这里所描述的装置的操作的代表信号的时 间特性的示例-图5是示出了图1中所示装置的itJl的另一框-图6示出了适合于与图l和图5的两个实施例结合使用的有利改进；
并且
-图7是代表这里所描述的装置的操作的另一时间图。
具体实施例方式
总体来说，图l、图5和图6都涉及电路装置，包括 國功率源10;和
國多个单元20，具有这里由光源如半导体光源(例如LED) 4戈表的 关联的相应的电负栽。
在这里描述的示例性实施例中，各单元20包括一个或者多个光源。 在本示例性说明书中将通篇地考虑LED作为这些光源的示例。从电的观 点来看，LED如高通量(HF) LED ^L^示为二极管L和关联寄生电阻 器U的串联连接。
各种LED单元20经由实质上采用总线式(bus-like)结构这一形式 的连接结构30连接到功率源10。这里描述的电路装置使得有可能将几个 LED单元20连接到总线结构30，这些LED单元可以被配置为基于单元 的具体要求来汲取(draw)不同的固定电流值。为了简化的目的，在图5 和图6的框图中示出了单个LED单元20;然而将理解有关的电路装置将 事实上如图1中所示包括多个LED单元20 (例如三个LED单元)。
通常，功率源10采用适合于将电压信号递送到总线结构30上的高频源形式，该电压信号包括具有恒定幅度Vout的方波，例如在+Vout与-Vout 之间以例如48kHz的频率Fsw切换的信号，其中IVoutl理论上(notionally) 恒定——除了如下文讨论更多的那样可能存在电压波紋。
在这里考虑的示例性实施例中，功率源10是半桥逆变器，该逆变器 包括在半桥装置中与两个电容器14a、 14b连接在一起的两个电子开关 12a、 12b (比如两个MOSFET)。根据公知的^Mt原理，两个开关12a、 12b通过两个相应的驱动源16a、 16b以频率Fsw交替地接通和关断以将 输入直流电压V交替地连接到变压器18的初级绕组18a。如先前所述， 具有切换频率Fsw的方波输出因此经由变压器18的次级绕组18b馈送到 总线结构23。
各单元20包括整流器模块。这可以包括全桥整流器22 (与图1中上 方两个LED单元20以及图5和图6中的LED单元的情况一样)或者如 图1中针对下方的LED单元20示意性地示出的倍压器结构24。在又一 可替换的装置(未示出)中，LED单元20可以包括取代倍压器24的电 压倍增器。任何整流器模块和倍压器/电压倍增器本身都是公知的结构并 且无需在这里具体地加以描述。
因此在各LED单元20上拆分整流，并且由功率源(即逆变器10 )"所 见"的等效LED电压没有超过功率源的输出电压。例如，如果向总线结构 30施加的电压是在+24V与-24V之间切换的方波，那么如果LED单元20 使用全桥整流器来连接，则具有不超过24伏特的最大正向电压。具有更 高的最大正向电压(例如在48V的范围中)的LED单元使用倍压器(见 图1中的元件24)或者电压倍增器来连接。
在图1、图5和图6的框图中，LED单元20经由总线30连接到逆变 器输出，其中LC (电感-电容)去耦阻抗50介于其间。示出的各阻抗50 包括电阻器R(出于下文描述的目的，R代表阻抗中的损耗而事实上可以 忽略)、电感器L和电容器C。图1中所示各种去耦阻抗50表示为RLC1、 RLC2、 RLC3以便强调(如下文中更详细描述的那样)针对各去耦阻抗 50可以不同地选择用于电感器L的电感值和电容器C的电容值。
这里描述的装置依赖于LC阻抗的能力，以4吏得无论向单元输出施加 的由一个或者多个LED代表的负载如何(例如无论这样的单元输出是短 路还是#载最大负栽)都维持各LED单元20的输入处的电流的恒定(平 均)值。如果满足以下要求则可以实现这些结果
-功率源也就是逆变器10的输出电压具有基本上恒定的幅度+Z-Vout (除了可能存在叠加于其上的波紋)，并且
誦逆变器频率Fsw是去耦阻抗的谐振频率Fres-1/(2兀VI^)的大约一半。
功率源频率Fsw是LC谐振频率Fres的"大约"一半这一表述明显地 旨在于突出这里所描述的装置即使没有完全地满足Fsw=Fres/2的关系， 仍然能够以完全令人满意的方式操作。事实上必须考虑与实际上获得这样 的关系有关的固有容差，并且申请Ail今为止进行的实验表明在典型的情 形下Fsw将略低于Fres的一半。此外，在本说明书的最后部分中将描述 造成频率Fsw相对于它的标称值"摇摆，，大约+/-5-6 %以便补偿在馈送电压 V上可能叠加的波紋的可能性(见图1)。
如果满足上述条件，则经由总线30向各独立LED单元20施加的电 流将具有由去耦阻抗的特征阻抗Zc^VH限定的基本上恒定的平均值。
通过参照图2至图4的图表可以最好地理解图1、图5和图6中所示 装置的实际操作。这些图表中的各图表分别包括表示为U)和(b)的两 个叠加部分。图2a至图4a的图表代^J^跨LED单元负载(即一个或多 个LED L )的电压的时间特性，而图2b至图4b的图表代表在LED输入 处的电压的时间特性。在图2至图4的所有图表中，横坐标刻度代表时间 (毫秒——在图2的情况下刻度略有放大)，而纵坐标刻度代表电压信号 幅度(伏特)。
图2的图表涉及LED单元20在它的输出处短路(或者具有接近0 的输出电压)。最大电流为Ires=Vout/Zo。当电压Vout施加到该单元时， 对应的LC阻抗上的电流将按照可以与正弦波形的一部分基本上平行的 时间轨^M:开始达到最大正值、然后是最小负值、最终返回到零。该过 程在施加具有相^j敗性的电压时重新开始，该重新开始的it程首先达到负 峰值。
如M单元输出处的负栽增加，则第 一峰值电流增加而第二J^值电流 减少。然而，如图3中示意地所示，第二峰值以保持平均电流的绝对值恒 定这样的方式减少。
最后，如果单元负载上的电压逼近值Vout，则如图4中示意地所示， 第 一峰值达到最大值而第二峰值几乎为零。在考虑的所有情况中，平均电流的绝对值恒定而它的值为
Iavg=Ires_Max/7C，其中Ires_Max=2xVout/Zo。 当负栽电压略小于Vout
时达到该i (如通过参看图4来更好地理解的那样)。
如图1中大体上所示的装置可以基于下文描述的过程来这样i殳计，即
依赖于如下^MMft念的过程选择各单元20的LC去耦阻抗50的LC部 件，使得功率源(即逆变器10 )的切换频率Fsw是LC去耦阻抗50的谐 振频率Fres的大约一半。
优选地，作为设计过程中的第一步骤，考虑功率源10的特征。M"考 虑，，是用来突出功率源10事实上可以是已经存在并可以得到的源这一事 实。在所示实施例的情况下，限定交变电压Vout的幅度的逆变器的切换 频率Fsw和变压器18的匝数比(turn ratio)是考虑的主要特征。
然后，根据各单元20所期望的(平均)电流强度来限定该单元的去 耦阻抗Zo的值在LED用作照明源的情况下，该电流强度通常由所期 望的照明功率(lighting power)规定。
去耦阻抗50的两个电抗元件(电感L和电容器C )的值因此可以以 这样的方式被选择使得具有接近逆变器频率Fsw的两倍(理论上相同) 的谐振频率Fres，即Fsw-Fres/2。对应关系、即Zo-VI^和Fres-l/(2兀厄) 以唯一的方式确定L和C的值。
图5的框图涉及图1的基本方案可能的iL艮再次重申在图5和图6 的框图中为了简化的目的示出了单个单元20，而事实上有关的装置包括 多个单元。
具体而言，图5涉及其中在LED单元20的输出处需要特定电压的情 况。在该情况下，分别具有初级和次级绕组60a和60b的变压器60介于 单元20的去耦阻抗50与整流器22之间。可选地可以提供变压器60的初 级与次级侧之间的可选的绝缘。
由于存在变压器60， 一个或者多个LED上的最大电压VLED一max 为VLED—max=Vout_maxxN2/Nl，其中N2/N1是变压器60的次^^与初 级匝数比。
变压器60在理论上允许为电压VLED一max获得任何精确的、所期 望的值。相反地，电压倍增器(作为图1中^示为24的倍压器)将允许 为VLED一max仅获得是电压Vout的整数倍的值。
在存在变压器60的情况下，将通过考虑变压器匝数比N2/N1来选择阻抗Zo。因此根据平均功率平衡PinJrafo-Pout—trafo=P—LED_cell，必 须减少阻抗Zo以便增加变压器初级^上的电流，其中上^等式+的三项 分别代4^变压器的输入功率、变压器的输出功率和向^壳中(casketed) 的LED单元元件施加的功率。
将理解去耦阻抗50的电感部件L可以至少部分地由变压器60的漏 电感Llk代表(即可以包括漏电感Llk或者完全地由漏电感Llk组成)。 通过保持匝数比N2/N1恒定，可以改变具体的匝数Nl和N2以便为Llk 获得所期望的值。
如果无需绝缘电压，则具有更少的匝数和更简单的M结构的自耦变 压器(未绝缘)可以被用作变压器60。
在这里描述的装置中，可以使用具有比组成总线30的线的寄生M 明显地更高的值的电抗元件。因而，这里描述的装置表现出对寄生M的 负效应的良好的抗扰性。总线30可以包括长度为若干米的线，由此产生 如下实际的总线结构，各独立LED单元20可以通过提供简单的无源LC 去耦阻抗50来连接到该实际的总线结构而无需采取附加的开关或者后置 调节器(post regulator),此外，这里描述的装置确保流过总线30的无功 功率与有功功率(也就是向LED单元提供的有功功率)之间的适当比率。 该比率往往随着输出功率增加而减少，输出功率因为LED单元上的电压 的增加而增加。这是一个优点，因为效率随着由负载汲取的功率增加而增 加。当单元上的电压Vcell达到它的限制值(Vout、即来自逆变器10的 峰值电压)时，无功功率约为有功功率的1.5倍。
这里描述的装置的附加的、显著的优点在于可以通过4吏用与LED L 关联的低频电子开关70 (见图6的框图)如MOSFET、采取脉宽调制 (PWM)方案来独立地对各LED单元20调光。调光开关20由PWM调 制的调光驱动器72来驱动(以这里无需具体描述的、本身已经 ^知的方 式)。
开关70可以与一个或者多个LED串联或者并联连接。
在并联连接(未具体图示)时，开关70横跨包括一个或者多个LED L和电阻Ri的组件而连接，使得开关70在导通时使一个或者多个LED 短路。
并联连接(适合于以接地为参考的LED)具有使其本身通过使用廉 价的低端驱动器(low-side driver)来实施的优点。由于短路电流被完全地控制的事实(LED单元即使被短路也从总线30汲W目同的平均电流) 而可以采用该方法。事实上，电流流过开关70而不是流过一个或者多个 LED。 ilit成少量功率在线和部件中耗散而没有任何有用的(即光)输出。
作为(图6的框图具体地涉及的)可替换的方式，开关70可以与单 元中的一个或者多个LED串联连^^吏得在开关70没有导通时将单元20 从接地断开.该装置的有利之处在于当单元20从接地断开时将没有无功 功率沿着总线30流动。
申请人迄今为止进行的实验表明通过用双级转换器给这里描述的装 置(有或者无调光能力)馈电可以获得完全令人满意的结果，其中通过使 用功率因子校正器(PFC)功率级来生成用作为向逆变器10的输入的高 电压直流输入(图1中的V)。在输入功率等于或者超过25W的照明应用 中推荐使用PFC以满足与谐波电流有关的规章。PFC是用以生成允许逆 变器10在对于这里设想的应用而言理想的条件下工作的高直流电压的位 置。
PFC级通常在中间电容器上生成100Hz正弦电压波紋(约+/-5 % )， 该波紋往往在连接的各LED单元20的输出电流上传送。
因此感测PFC电压并且将逆变器10的切换频率Fsw在它的工作点 周围调制以4更补偿这种波紋;1有利的。
在图1的框图中，标号80表示与生成输入电压V的PFC级关联(以 已知方式)以感测电压V的瞬时值的控制模块。控制模块80作用于开关 12a、 12b的切换频率Fsw以造成频率Fsw在它的中心值周围的"摇摆，，(即 摆动)效应与波紋成比例(即与电压V的瞬时值和它的标称值(平均受 控电压)之差成比例)。与波紋成比例的这种摆动以如下方式出现，在来 自PFC级的瞬时电压高于平均受控电压V时的一半时段中减少频率Fsw (即向下变动(sw印t)——大约最大值的5-6% )，而在另一半时段中、 即当来自PFC级的瞬时电压低于平均受控电压V时增加频率Fsw (即向 上变动——相同的数量)。
即使存在这样适度的(10-12% )频率摆动，逆变器频率Fsw仍然是 各种LED单元加的去耦阻抗的谐振频率Fres-l/(27iViZ)的大约一半。
所描述的频率Fsw的调制/摇摆将造成LED上的100Hz波紋几乎完 全地被消除。此外，通过改变逆变器频率Fsw，在由逆变器输出级产生的 电磁干扰(EMI)方面实现又一优点。这是因为频率Fsw的调制造成由逆变器10产生的电磁噪声在频率频带内扩展，因此减少各单个谐波的峰值。
可以通过采取来自输入的前馈控制来实施所讨论的补偿方案而无需 来自输出的任何反馈、也就是说无需例如分路器、控制器和安全光耦合器 的附加部件。
在申请Ail今为止进行的实验中，在图1中所示的装置的情况下实现 特别令人满意的结果，其中使用以下^:
誦逆变器10的切换频率Fsw=48KHz，
國具有+A25V正弦波紋的400V的直流电压V (典型PFC输出)，
-第一、第二和第三LED单元20的去耦阻抗Zo的值分别为24.25 欧姆、12.12欧姆和24.25欧姆。
将理解第三单元20 (图1的底部)包括倍压器结构，这意味着单元 电流与具有全桥整流的类似单元相比为 一半.
附图中的图7包括分别表示为(a)和(b)的两个叠加图表。
参照以ms (毫秒)标记的时间横坐标刻度，表示为(a)的图表示出 了流过三个单元20的电流的值。具体而言，上面的曲线代表流过第一单 元20、平均电流约为600mA的电流，而下面两条叠加的曲线表示流过其 它两个单元、平均电流约为300mA的电流。
叠加到所有三个电流的100Hz的波紋清晰可见。
相反地，图(b )的图表示出了如前文所述当逆变器10的切换周期(也 就是频率Fsw)变化时，相同三个电流的时间特性。图7b的图标清楚地 示出了如何可以以上述方式实现波紋补偿。
当然，无碍于本发明强调的原理，细节和实施例可以仅作为示例关于 前文已经描述的内容明显地变化，而不脱离由所附权利要求限定的本发明 范围。
1权利要求
1. 一种用于利用开关功率源(10)来给至少一个电负载(L)馈电的单元(20)，所述开关功率源(10)提供以切换频率(Fsw)切换并且具有给定幅度(Vout)的电压信号，所述单元(20)包括LC去耦阻抗(50)，所述LC去耦阻抗(50)的阻抗值(Zo)限定从所述开关功率源(10)流入所述单元(30)中的电流的强度，其中所述LC去耦阻抗(50)包括LC部件，所述LC部件限定所述去耦阻抗(50)的谐振频率(Fres)，使得所述开关功率源(10)的所述切换频率(Fsw)是所述LC去耦阻抗(50)的所述谐振频率(Fres)的大约一半。
2. 根据权利要求1所述的单元，包括介于所述LC去耦阻抗(50 ) 与所述至少一个电负载(L)之间的整流器(22)。
3. 根据权利要求1所述的单元，包括介于所述LC去耦阻抗(50 ) 与所述至少一个电负栽(L)之间的倍压器(24)。
4. 根据权利要求1所述的单元，包括介于所述LC去耦阻抗(50 ) 与所述至少一个电负载(L)之间的电压倍增器。
5. 根据权利要求1所述的单元，包括介于所述LC去耦阻抗(50 ) 与所述至少一个电负栽(L)之间的变压器(60)。
6. 根据权利要求5所述的单元，其中所述变压器(60 )的漏电感(Llk) 包括在所述LC去耦阻抗(50)的L部件中。
7. 才艮据权利要求5所述的单元，其中所述变压器(60 )的漏电感(Llk) 组成所述LC去耦阻抗(50 )的L部件。
8. 根据权利要求5至7中任一权利要求所述的单元，其中所述变压 器(60)是自耦变压器。
9. 根据任一前a利要求所述的单元，其中所述至少一个电负载包 括光源(L)。
10. 根据权利要求9所述的单元，包括用于选择性地对所述光源调光 的调光装置(70， 72)。
11. ^iL据权利要求10所述的单元，其中所述调光装置包括用于对所 述光源(L)进行脉宽调制调光的开关(70)。
12. 才艮据权利要求11所述的单元，其中所述开关(70)是电子开关如MOSFET。
13. 根据权利要求11或12所述的单元，其中所述开关(70)被布置 用于与所述光源(L)并联连接。
14. 根据权利要求11或12所述的单元，其中所述开关(70)被布置 用于与所述光源(L)串联连接。
15. 根据任一前述权利要求所述的单元，包括所述至少一个电负栽a)。
16. 根据任一前述权利要求所述的单元，其中所述至少一个电负载包 括发光二极管或者LED (L )。
17. —种电路装置，包括國开关功率源(10)，提供以切换频率(Fsw)切换并且具有给定幅度 (Vout)的电压信号，以及陽多个单元(20 )，连接到所述开关功率源(10 )，所述多个单元(20 ) 包括根据权利要求1至15中的任一权利要求所述的单元。
18. 根据权利要求17所述的装置，其中所述多个单元(20)经由总 线式装置(30)连接到所述功率源(10)。
19. 根据权利要求17或18所述的装置，其中所述开关功率源(10) 是逆变器如半桥逆变器(10)。
20. 根据权利要求17至19中任一权利要求所述的装置，其中所述开 关功率源(IO)被配置用于经由直流电压源而祐 供电，所述直流电压源具 有向供应到所述开关功率源(10)的标称直流电压(V)叠加的电压波紋， 并且其中所述开关功率源(10)包括用于选择性地调整所述切换频率(Fsw)的控制器(80)以在来自所述直流电压源的所述电压由于向所述 标称直流电压(V)叠加的所述波紋而分别高于和低于所述标称直流电压 (V)时分别减少和增加所述切换频率(Fsw)。
21. —种i殳计单元(20)的方法，所述单元(20)利用开关功率源(10) 来给至少一个电负载(L)馈电，所述开关功率源(10)提供以切换频率(Fsw )切换并且具有给定幅度(Vout)的电压信号，其中所述单元(20 ) 包括LC去耦阻抗(Zo )，所述方法包括以下步骤选择所述LC去耦阻 抗(50 )的LC部件以具有谐振频率(Fres ),佳:得所述开关功率源(10 ) 的所述切换频率(Fsw )是所述LC去耦阻抗(50 )的所述谐振频率(Fres )的大约一半。
22. 根据权利要求21所述的方法，包括以下步骤-限定从所述开关功率源(10)流入所述单元中的期望的电流强度，并且-根据所述恒定幅度电压(Vout)来选择所述LC去耦阻抗(50)的 阻抗值(Zo)以给定所述期望的电流强度，由此所述谐振频率(Fres)和 所述阻抗值(Zo )确定用于所述LC去耦阻抗(50 )的L部件和C部件 的唯一值。
23. 根据权利要求21或22所述的方法，包括以下步骤设计变压器 (60 )以介于所述LC去耦阻抗(Zo)与所述至少一个电负载(L)之间，所述方法还包括以下步驟选择用于所述变压器的匝数(Nl， N2)以产 生用于所述变压器(60)的漏电感(Llk)，所述漏电感(Llk)构成所述 LC去耦阻抗(50)的L部件的至少部分。
全文摘要
一种用于驱动比如用作照明源的高通(HF)LED的电负载的电路装置包括开关功率源(10)，提供以切换频率(Fsw)切换并且具有给定幅度(Vout)的电压信号；以及连接到开关功率源(10)的多个单元(20)，其中LED单元(20)各自包括用于限定从开关功率源(10)流入LED单元(30)中的电流强度的LC去耦阻抗(50)。LC去耦阻抗(50)包括LC部件，这些LC部件限定谐振频率(Fres)，使得开关功率源(10)的切换频率(Fsw)是LC去耦阻抗(50)的谐振频率(Fres)的大约一半，由此无论LED单元(20)上的负载如何都保持流入单元中的电流的平均强度恒定。
文档编号H05B41/24GK101548585SQ200680056483
公开日2009年9月30日 申请日期2006年12月21日 优先权日2006年11月30日
发明者尼古拉·赞福林 申请人:奥斯兰姆有限公司