专利名称：发光二极管(led)的微控制器优化的脉宽调制(pwm)驱动的制作方法
技术领域：
本发明涉及利用脉宽调制电流驱动LED的照明设备。本发明还进一步涉及用于 所述微控制器优化的照明设备(诸如脉宽调制驱动的LED串)的节能配置及方法。
背景技术：
LED具有很低的动态电阻，相同的压降下电流的变化很大。因此，它们在不造 成自身的损坏的情况下无法与大多数电源直接连接。因此就有了对驱动电路的需求。LED驱动器控制提供给发光二极管的电流与电压量。在本领域内，采用了模拟 电子器件的LED驱动器电路是公知的。但是模拟电子电路存在很多不便，其中一个不便 就是需要大量的辅助电子电路(电容、电阻等)，它们的设置只能通过改变有源或无源元 件来实现，而且在有些情况下它们的精密度与电子元件的精密度极其相关。因此，就需要一种基于控制器的电子器件来替代市场上现有的并被广泛使用 的、只有模拟电子元件的LED驱动器电路。LED照明设备可以具有控制LED输出的数字控制器。该控制器可以是脉宽调制 器、脉冲幅度调制器、脉冲位移调制器、电阻梯形电路、电流源、电压源、电压梯形电 路(voltage ladder)、电压控制器或其他功率控制器。LED的光输出与正向电流成正比，所以如果未能适当地控制正向电流(IF)，则 可能会造成光输出的不可接受的变化。而且，超出制造商的最大IF规定可能严重地缩短 LED的使用寿命。在另一种方法中，可以通过周期为T的固定频率的脉宽调制实现功率控制，通 过改变脉冲宽度实现亮度调节。多个占空比可以实现多个发光度级别。通过利用固定宽 度的控制脉冲原理的频率调制来实现功率控制。脉冲A始终保持相同的持续时间。通过 脉冲A自身多久重复一次来控制发光度。此外，功率控制还可以通过基于包含强度值的 二进制脉冲序列的位角调制(Bit Angle Modulation)来实现。所述脉冲序列中的每一位与 其有效性成比例地拉伸。如果最低有效位b0的持续时间为1，那么bl位的持续时间为 2，b2位至b7位的持续时间分别为4、8、16、32、64和128。虽然微控制器的使用在管理LED串的性能方面有各种优势，但还是存在多个局 限性。关于电压和电流，如果VDD是LED和微控制器的电源，那么只有足够驱动一个 LED的电压。简单的拓扑结构不允许LED电压高于VDD。对于串联成串的多个LED，凭 借所有LED处于相同的电流的益处，VDD必须要更高，并且微控制器需要独立的电源。在支持通信的物理接口方面，微控制器只提供简单的同步(SPI)或异步(SCI)通 信。要实现DALI、DMX、LIN以及更多，需要附加的软件和硬件。所需要的是对成本 影响小的配置，即多个LED的照明设备的简单配置。在恒定电流调节和切换速度方面，这个应用中的关键参数是切换速度。电感器 越大，造价越高，需要越低的切换速度。大部分微控制器可以在大约15PS内完成A/D转换。增加将读取值与内部阈值进行比较的几个指令，每个ON(开)或OFF(关)周期 的完整分析的转换高达30至40 ys，具有大约15 ys的不确定值。这一误差决定了最小 的电感值。另一种方法是设置任意的ON(开)和OFF(关)持续时间，然后对他们进行 重新调整来适应两个电流阈值。这种间接的方法允许更小、成本更低的电感器，但是它 的精度更低。所需要的是多LED的照明设备的精确配置。在亮度调节和调制速度方面，在100%发光度下，不需要对晶体管进行调制。在 其它最低发光度等级的极端情况下，即1%，有必要使晶体管在的时间内为导通。假 设必须在100Hz以上进行亮度调节以防止闪烁的事实，PWM的频率必须达到10kHz或更 高。眼睛在较低的发光度范围内可以感知微小的变化，因此100等级是不够的。如果需 要4,000等级(12-比特分辨率)，则PWM频率必须要在400kHz左右，这对于简单的微 控制器而言几乎是不可能的。因此，可以克服上述局限的基于微控制器的LED驱动器必须至少提供已提出 的、涉及易控制、可编程、恒定电流源的解决方案，同时具有高的效率、处理速度及对 电感大小和亮度调节分辨率的影响、与工业标准的通信能力、和对多输出和/或LED串 的驱动能力。在本领域，为了解决上述的缺陷，已经进行了几个尝试，并提出了微控制器的 优化设计。美国2007/0247305A1中示例了一种提出的解决方案，该解决方案教导通过发送 表示当前的LED类型的‘签名(signature) ’来控制LED的微控制器的使用。然后，通
过使用发送的签名信息设置二极管的最佳(额定)电流。因此，基于上述所有，具体的说，需要能够弥补与本领域有关的上述一个或者 更多个缺陷的系统和方法。需要具有节能能力同时允许较好的热能管理的电子电路。进一步地讲，需要可 以管理、控制LED节能驱动的算法。可以设想出至少两种解决方案，用于提供优化的驱 动和优化的热能管理的产品和/或测量系统。因此，至少可以认为本发明所要解决的目标技术问题是针对发光设备的总能耗 提供了经改进的优化设备和方法。至少可以认为本发明所解决的进一步的目标技术问题是通过计算和优化多个电 路参数(例如，驱动电流、调制频率、以及PWM控制的占空比)来针对LED串的总能 耗提供所述经改进的优化设备和方法。根据独立权利要求中的特征，本发明解决了这些目标技术问题。从属权利要求 以尤其有利的方式进一步发展了本发明的核心原理。
发明内容
本发明提出了一种受控照明设备，该受控照明设备至少包含多个二极管灯和微 控制器，所述多个二极管灯被布置成预定的结构，所述微控制器至少包含针对照明设备 的多个特征值的数据获取和处理装置，其中，额定占空比范围是预设的，所述额定占空 比范围具有允许的占空比最小值和允许的占空比最大值。另选地，预设与多个不同温度 相对应的多个占空比范围。预设的额定占空比范围和多个占空比范围被存储在所述微控
4制器中。所述的多个二极管灯和微控制器可以放置得彼此很远，并通过多个通信束和接 口进行通信。照明设备的多个特征值至少包括电流、功率强度、频率和温度。多个二极 管灯的预定结构还包括温度传感器，而按照由该温度传感器提供的温度的函数来选择占 空比。所述微控制器从数据获取和处理装置接受数据并进行调节是按照该数据的函数向 多个二极管灯提供电流。多个二极管灯的预定结构是LED串。本发明还提出了一种照明设备的功率最优化方法，该方法包括开始以低占空 比操作所述照明设备，连续地增加占空比并测量与各增加相对应的反馈信号，基于每瓦 特光强度比计算功耗水平；以及每次重置时微控制器进行占空比扫描，其中占空比的额 定占空比范围是预设的，所述额定占空比范围具有允许的最小值和允许的最大值。微控 制器存储功率效率-占空比曲线。预设的允许的占空比的值确保了所述照明设备随后的 运行将在所述最优占空比范围内执行。还预设与多个不同温度相对应的多个占空比范 围。
以下附图描述了本发明的一些示例性实施方式，图中相同的参考标志指代相同 的部件。在任何情况下所描述的这些实施方式应当理解为本发明的示例而非作为限制。图1是根据本发明的原理实现的照明设备的框图。图2是本发明的方法的框图。图3示出了在受控照明设备是白LED串的情况下作为占空比的函数的归一化的 Ix/W值的曲线图。图4示出了在受控照明设备是白LED串的情况下作为占空比的函数的归一化的 Ix值的曲线图。图5示出了在受控照明设备是白LED串的情况下作为占空比的函数的归一化的 Ix差的曲线图。图6示出了在受控照明设备是白LED串的情况下作为占空比的函数的归一化的 Ix/W差的曲线图。
具体实施例方式下面的描述涉及到本发明的几个示例性实施方式。虽然本领域技术人员可以设 想出本发明的许多变型，但是这些变型和改进旨在被包含在本公开中。因此，在任何情 况下，本发明的范围不局限于以下公开的内容。在这里以及在该文档中进一步交替使用的术语“LED”或“二极管灯”是指能 够接受电信号并响应于该信号产生某种颜色光的任何系统。因此，术语“LED”应理 解为包含所有类型的发光二极管、发光聚合物、响应于电流产生光的半导体裸片、有机 LED、电致发光条以及其他这样的系统。在实施方式中，“LED”可以指具有多个单独 受控的半导体裸片的一个发光二极管封装。在不同的实施方式中，“LED”可以指串联 或并联连接的多个LED。在更进一步的实施方式中，“LED”可以指LED串。还应该 理解，术语“LED”或者术语二极管灯并不限制LED的封装类型。术语“LED”包括 封装的LED、未封装的LED、表面安装LED、板上芯片(Chip on Board) LED、以及所有其他配置的LED。LED是必须以特定电流驱动以实现可预测的发光度和色度级别的电流工作型器 件。可以使用不影响色度的脉宽调制(PWM)来控制发光度。根据本发明的目的，在文档中进一步交替使用的“处理器”或“处理装置” 可以包括微处理器、微控制器、可编程数字信号处理器、其他可编程设备、控制器、可 寻址控制器、可寻址微处理器、计算机、可编程处理器、可编程控制器、专用处理器、 专用控制器、集成电路、控制电路或其他处理器。处理器可以还或替代地包括专用集成 电路、可编程门阵列、可编程阵列逻辑、可编程逻辑设备、数字信号处理器、模数转换 器、数模转换器、或任何其他可以被配置为处理电信号的设备。另外，处理器可以包括 离散数字组件，诸如逻辑器件、移位寄存器、锁存器、或者用于实现数字功能的任何其 他独立封装芯片或其他组件。上述电路和组件的任意组合，无论是直接封装，作为芯 片、作为芯片组、或者作为裸片，可以适当地适于用作这里所描述的处理器。还将理 解，术语处理器可以应用于集成系统，例如个人计算机、网络服务器或者如在此描述的 那样可以自主或响应于命令工作来处理电信号的其他系统。当处理器包括诸如以上提到 的微处理器或微控制器的可编程设备时，处理器可以进一步包括控制可编程设备运行的 计算机可执行代码。“控制器”或“微控制器”可以是脉宽调制器、脉冲幅度调制器、脉冲位移调 制器、电阻梯形电路、电流源、电压源、电压梯形电路、开关、晶体管、电压控制器或 其他控制器，微控制器可以被集成在计算机中，也可以不被集成在计算机中。控制器控 制通过LED的电流、电压或功率。控制器还具有信号输入端，控制器可以对信号输入端 接收到的信号作出响应。信号输入端与处理器相关联，使得处理器向信号输入端发送信 号，并且控制器调节通过LED的电流、电压和/或功率。在实施方式中，可以使用具有 不同谱输出的多个LED。可以通过分开的控制器驱动这些颜色中的各颜色。处理器和 控制器可以合并成一个设备中。该设备可以具有驱动成串的多个LED的能力，或者它可 以只能直接支持一个或几个LED。处理器和控制器也可以是分开的设备。通过独立控制 LED,可以实现颜色混合，来实现灯光效果。为了实现本发明的目的，还可以设置“电子存储器”。存储器能够存储算法、 表单、或与控制信号相关联的值。存储器可以存储用于控制LED或处理器的程序。该 存储器可以存储器、只读存储器、可编程存储器、可编程只读存储器、电可擦除可编程 只读存储器、随机存取存储器、动态随机存取存储器、双数据率随机存取存储器、直接 型Rambus随机存取存储器、闪存或任何其他易失或非易失存储器，用于存储程序指令、 程序数据、地址信息和程序输出或其他中间或最终结果。例如，程序可以存储用以操作微控制器的控制算法。用户接口也可以与处理器 相关联。用户接口可以用于从存储器选择程序、修改来自存储器的程序、修改来自存储 器的程序参数、选择外部信号、初始化或提供其他的用户接口方案。处理器还可以是可寻址的，以接收被编址到该处理器的编程信号。另一个“接 口”是与电源相关联的接口。储能器件可以与电源相关联。储能器件也可以与处理器相关联。储能器件可以 是电容器、非易失性存储器、电池供电存储器、继电器、存储设备或其他储能器件。该器件可以根据该器件的状态将逻辑高和逻辑低信号传送给处理器。例如，该器件可以在 该器件设备连接到电源时发送低逻辑信号，在该设备与电源断开时发送高逻辑信号。高 逻辑信号可以随着预定的时间周期变为低逻辑信号，而处理器可以监控该信号。照明设 备可以被编程为，使得当该设备被断电时最后的照明程序可以工作。如果该设备在预定 的周期内重新供电，同时逻辑信号仍然为高，则该设备可以从存储器中选择新程序来执 行。如果该设备在预定周期内没有重新供电，则该设备可以启动最后的照明程序或默认 程序。可以设置非易失性存储器、电池供电存储器或者其他的存储器，使得记住最后的 程序。该技术可以用来改变程序、程序参数或其他设置。该技术通过开启和关闭照明设 备的电源，可以用于不包括独立用户接口的设备中。还可以采用独立的开关，以提供用 户接口以及开启/关闭的切换。根据本发明的目的，以上提及的任何或所有设备都将被理解为包括在本发明的 示例性实施方式中。根据本发明的目的，本示例性实施方式中关注白LED和具有模拟亮度调节可能 性的PWM LED驱动器。通常，照明设备包含温度传感器。在非限制性实施方式中，温度传感器被设置 在照明模块的最热的点。在另一非限制性布置中，温度测量电路也可以是独立的测量器 件。图1是根据本发明的原理实现的照明设备的框图。将结合图1所示的电子电路，进一步讨论与本发明提出的具有功率优化能力和 优化的热能管理能力的照明设备有关的电子电路。结合图1所示的本发明的示例性实施 方式，还将很好地举例说明管理和控制LED节能驱动的算法。结合图1所示的实施，还 将进一步讨论提供优化驱动和优化热能管理的产品和/或测量系统。结合图1的电路，还将进一步讨论，针对LED串照明设备的总能耗的、通过计 算和优化多个电路参数(例如，驱动电流、调制频率和PWM控制的占空比)改进了的功 率优化设备和方法。照明设备100的示例电路包括，但任何情况下不局限于部件101，其是用于微控制器102的可视化和编程的个人计算机，部件102，其是不但用于数据获取以及PC与照明系统之间的数据传输而且用于 PWM控制的微控制器，部件103，其是用于使功能信号化的LCD，部件104，其是诸如，例如分流器的电流测量设备，部件105，其是用于响应于PC 102提供的PWM信号驱动开关(比如，晶体 管)105’的驱动器，部件106，其是正向电压测量装置，部件107，其是温度测量电路，部件108，其是通信链路，例如，如RS-232半双工通信链路，部件109，其是包括一个或更多个LED的LED串，部件110，其是用于LED串的恒流源，部件111，其是手动接口，例如，如当计算机由于PWM控制被放弃时用于参数选择和参数设置的按钮区，部件112，其是用于光功率计算的外部波长测量设备，以及部件114，其是用于光功率检测的光电二极管测量部件。根据测量值，并且根据控制策略，可以手动地或者自动地操作用于可视化和编 程的计算机101。可以根据本文前面在讨论“处理器”、“控制器”或“微控制器”以及“电 子存储器”时已经描述的元器件来实现用于可视化和编程的个人计算机101和微控制器 102，或者，用于可视化和编程的个人计算机101和微控制器102可以包括本文前面在 讨论“处理器”、“控制器”或“微控制器”以及“电子存储器”时已经描述的元器 件，并且，用于可视化和编程的个人计算机101和微控制器102可以配备有前文中作为针 对“接口”和“接口”中包含的控制和计算软件的操作性实施方式所讨论的装置。此 外，计算机可以确保外部波长参数测量值能够输入微控制器、微处理器、数字信号处理 器(DSP)等。下面，讨论光功率的测量和计算算法光功率的测量是通过使用光电二极管实现的，例如，借助于类似于测量光强度 的设备112的设备。各光电二极管具有针对其额定波长的各自的A/W值，其中A表示取决于检测到 的光功率W的电流。光电二极管电流A可以通过例如使用仪器放大器来测量，而光功率可以在电流 转换为电压后被计算成参数V/W，其中V代表电压。光通量必须被校准，进而光功率必须被校准。这通过使用外部试验设备来完 成，该外部试验设备没有结合在图1所示的设备中明确示出。针对各光电二极管，在增益(gaining)具有各自的V/WU)特征后，在所请求的 波长范围内制备查找表，因为嵌入乘法必需具有波长参数的输入。这可以通过使用外部 波长测量系统来解决。下面的数学公式用于计算发出的光功率计算VAmplifier (lDiode) = KIDiode(1)Wlight 一 VAmplifier (入)一 KLookupy4mpiifler这里VAmpllto代表放大器的电压，IDl(xte代表每个二极管的正向电流，K代表功 率系数，wllght代表光功率，x代表波长，Kb—代表查找表中存储的功率系数，而 VAmpllfeU )是谱发光效率函数。为了简化光功率的计算算法，优选地借助拟线性曲线来选择范围。电流测量器件104测量LED串109的正向电流，所述测量结果被反馈到微控制器 102。通过LED串109的电流初始被设置为组成该LED串的特定LED的额定电流值。用于正向电压测量的器件106测量LED串两端的电压，并将该信息反馈给微控 制器102。基于这些值，例如微控制器102所包括的处理元件102c，采用使用实施上述 计算的数学公式的算法，理想地计算出LED串所消耗的电能。由于微控制器在自由选择控制算法、对偏差进行自由补偿方面表现出了潜力，
8他们在检测所需参数方面具有可接受的分辨率，总之，他们是当“编程”检测到的照明 设备中的正向电流或温度时的可行的备选对角，所以采用微控制器。如以上示出地容纳在微控制器102中的控制算法可以是基于功率控制的，其是 在LED串检测到的正向电流与检测到的电压的乘积。此外，微控制器的解决方案适用于具有传统控制(PID)或者查找表控制算法形 式的节能解决方案。对于附加的反馈，还存在在照明设备中集成三刺激RGB(红绿蓝)传感器，或者 诸如112的光强度传感器反馈的可能性。PWM占空比方法可以用于功率计算，并且使用可以驻留在微控制器102上的数 字乘法算法，可以计算所消耗的功率。此外，为了进一步进行比较，可以计算出电功率、温度和发光量之间的比率。计算可能关注的电功率参数可以使用下面的公式
权利要求
1.一种受控照明设备，该受控照明设备包括 至少一个LED,控制单元，例如微处理器，其被设计为用于利用PWM信号驱动至少一个LED， 其中，预设了所述PWM信号的占空比的额定占空比范围，该额定占空比范围具有允 许的最小值和允许的最大值。
2.根据权利要求1所述的受控照明设备，其中，预设了多个占空比范围，每一个占空 比范围针对一预定温度或温度范围。
3.根据权利要求1或2所述的受控照明设备，其中所述预设的额定占空比范围被存储 在所述控制单元中。
4.根据在前权利要求中任一项所述的受控照明设备，其中，所述控制单元检测LED 电流、LED光功率强度、LED电压和温度中的至少一项。
5.根据在前权利要求中任一项所述的受控照明设备，其中，作为由温度传感器提供 的温度的函数，来选择所述占空比、频率和电流。
6.根据在前权利要求中任一项所述的受控照明设备，该受控照明设备包括多个 LED,例如LED串。
7.—种受控照明设备的运行方法，该受控照明设备包含至少一个受PWM控制的 LED,该方法包含以下步骤执行驱动至少一个LED的PWM信号的占空比扫描，同时检测表示所述至少一个 LED的功耗的至少一个参数，从而除了与等效模拟电流值的比较计算之外计算出反映所 述至少一个LED的功率效率对占空比的依赖关系的曲线。
8.根据权利要求7所述的方法，该方法包含存储反映功率-效率占空比范围的值的步 骤。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，针对所述占空比，存储具有允许的最小值和允 许的最大值的的额定占空比范围。
10.根据权利要求8或9所述的方法，其中，所述存储的允许的占空比的值确保了所 述照明设备随后的操作将在所述优化的占空比范围内执行。
11.根据权利要求7至10所述的方法，该方法在所述照明设备的控制单元被重置时执行。
12.根据权利要求7至11所述的方法，该方法包含除了与等效模拟电流值的比较之外 存储功率效率_占空比曲线的步骤。
13.根据权利要求7至12所述的方法，其中，存储与多个不同温度相对应的多个占空 比和频率值。
14.一种集成电路，例如微处理器或者ASIC，该集成电路被设计用于执行根据权利 要求7至13任一项所述的方法。
15.一种计算机软件程序产品，当该产品在计算设备上运行时执行根据权利要求7至 13任一项所述的方法。
全文摘要
本发明提出了一种受控照明设备的操作方法，该照明设备包含至少一个PWM控制LED，所述方法包括以下步骤实施驱动所述至少一个LED的脉宽调制信号的占空比扫描，同时检测表示所述至少一个LED的功耗的至少一个参数，来计算出反映所述至少一个LED的功率效率对占空比的依赖关系的曲线。
文档编号H05B33/08GK102027804SQ200980117547
公开日2011年4月20日 申请日期2009年4月6日 优先权日2008年4月15日
发明者亚当·豪瓦斯, 汉斯·克里斯蒂安·霍绍普夫 申请人:莱登照明詹纳斯多夫股份公司