高压led及驱动器的制造方法
【专利摘要】本发明涉及通过使用高压驱动器驱动LED来提供照明的方法和设备，更具体而言，本发明涉及使用连接至交流市电电源的简化升压电路向LED阵列提供具有较高电压的直流驱动电压的方法和设备。
【专利说明】高压LED及驱动器
【技术领域】
[0001]本申请总体上涉及使用高压驱动器驱动LED，更具体而言，本申请涉及使用连接至交流市电电源的电流控制升压电路向LED阵列提供具有较高电压的直流电源的设备和方法。
【背景技术】
[0002]随着LED的成本由于制造业的提升而降低，为照明应用使用LED正变得越来越普遍。LED照明经常采用单个LED的阵列，例如串联连接的多个LED，以将输出的光量提高到期望量。由于LED通常在直流电压电源下操作，通常发现作为电源的交流电压需要被转换为直流电源以驱动LED阵列，因此提供LED驱动器以将交流电源转换为用于驱动所述阵列的直流电源。
[0003]但是，目前的系统提供的直流电压输出通常小于交流电源的电压，对于家庭应用，该交流电源的电压经常为120V。已经确定希望将LED阵列的操作电压提高至大于线电压的量，但总是希望减小这样的照明应用中所采用的部件的尺寸、成本和数量。相应的，理想的方式是提供比交流电源电压更高的高压直流电源以驱动LED阵列，同时也减小所用部件的成本、复杂度和尺寸。
【发明内容】
[0004]提供本发明的多个实施例，包括但不限于一种设备，其包括:LED阵列，所述LED阵列包括用于提供照明的串联连接的多个LED ;以及LED驱动器，所述LED驱动器用于向所述LED阵列提供操作电压。所述LED驱动器包括:整流器电路，用于将交流电源整流为提供直流电源电压的直流电源；滤波器，用于对所述直流电源电压进行滤波；升压电路，用于对所述直流电源电压进行升压以提供LED驱动电压；以及振荡电路，用于以振荡频率驱动所述升压电路，其中所述振荡升压电路是自激震荡的。
[0005]还提供一种设备，包括:LED阵列，所述LED阵列包括用于提供照明的串联连接的多个LED ；以及LED驱动器，所述LED驱动器用于向所述LED阵列提供操作电压。所述LED驱动器包括:整流器电路，用于将交流电源整流为提供直流电源电压的直流电源，所述直流电源电压具有大致等于所述交流电源的RMS电压值的RMS电压值；滤波器，用于对所述直流电源电压进行滤波；升压电路，用于对所述直流电源电压进行升压以提供LED驱动电压；以及振荡电路，用于以振荡频率驱动所述升压电路，其中所述振荡升压电路是自激震荡的。
[0006]对于以上设备，所述LED驱动电压可用于驱动所述LED阵列，从而所述LED阵列两端的电压降具有大于所述交流电源的RMS电压值的RMS电压值。
[0007]还提供一种设备，包括LED阵列，所述LED阵列包括用于提供照明的串联连接的多个LED ;以及LED驱动器，所述LED驱动器用于向所述LED阵列提供操作电压。所述LED驱动器包括:整流器电路，用于将交流电源整流为提供直流电源电压的直流电源，所述直流电源电压具有大致等于所述交流电源的RMS电压值的RMS电压值；滤波器，用于对所述直流电源电压进行滤波；升压电路，用于对所述直流电源电压进行升压以提供LED驱动电压；振荡电路，用于以振荡频率驱动所述升压电路，其中所述振荡升压电路是自激震荡的；自举振荡器电源，用于在启动阶段期间向所述振荡电路供电；振荡器电源，用于在所述启动阶段之后向所述振荡器供电；电流检测电路，用于控制所述升压电路的占空比；以及电流平均电路，用于滤除否则会在所述振荡电路中提供的电压峰值。
[0008]对于以上设备，所述LED驱动电压用于驱动所述LED阵列，从而所述LED阵列两端的电压降具有大于所述交流电源的RMS电压值的RMS电压值。
[0009]还提供一种用于驱动LED阵列的LED驱动器，所述LED驱动器包括:整流器电路，用于将交流电源整流为提供直流电源电压的直流电源，所述直流电源电压具有大致等于所述交流电源的RMS电压值的RMS电压值；滤波器，用于对所述直流电源电压进行滤波；升压电路，用于对所述直流电源电压进行升压以提供LED驱动电压；振荡电路，用于以振荡频率驱动所述升压电路，其中所述振荡升压电路是自激震荡的；自举振荡器电源，用于在启动阶段期间向所述振荡电路供电；振荡器电源，用于在所述启动阶段之后向所述振荡器供电；电流检测电路，用于控制所述升压电路的占空比；以及电流平均电路，用于滤除否则会在所述振荡电路中提供的电压峰值。
[0010]对于以上驱动器，所述LED驱动电压用于使输出端两端的电压降具有大于所述交流电源的RMS电压值的RMS电压值。此外，所述LED驱动器的功率效率大于90%。
[0011]任何以上装置还包括调光器兼容性电路，当不执行调光时所述调光器兼容性电路不起作用，当执行调光时所述调光器兼容性电路起作用。
[0012]任何以上装置具有大于90%的功率效率，或者等于或大于95%的功率效率。
[0013]还提供本发明的其他实施例，以下详细描述其中一些但并非全部实施例。
【专利附图】
【附图说明】
[0014]结合附图，通过阅读以下描述，本文描述的本发明的示例的特征和优点对于本发明所涉及的本领域技术人员将变得明晰，其中:
[0015]图1显不LED驱动器和LED阵列的一个不例性实施例的简化框图；
[0016]图2显示LED驱动器的升压部件的示例性实施例的框图；
[0017]图3显示由示例LED驱动器驱动的示例LED阵列的示意图；
[0018]图4显示LED驱动器的示例实施例的示意图；以及
[0019]图5显示用于图4的示例LED驱动器的调光器兼容性电路的示例实施例的示意图。
【具体实施方式】
[0020]通常，采用升压电路来提升线电压，以在较高电压操作LED阵列，进而提高操作效率。升压电路针对高效率而设计。
[0021]图1是显示系统主要部件的示例简化框图，该系统包括用于驱动LED照明阵列90的LED驱动器100。首先，驱动器100将包括用于对交流电源10 (例如120V交流住宅供电)进行整流的整流器电路，其优选地适于辅助与调光电路的兼容。驱动器100还包括用于滤除电磁干扰的滤波器30。驱动器还包括升压部件40，升压部件40用于对经整流和滤波的电源进行升压，以便向LED照明阵列90提供恒定电流。
[0022]图2更加具体地显示图1的示例简化系统的升压部件40的框图。升压部件包括升压电路41，升压电路41用于对经整流和滤波的直流电源31进行升压以及控制输出电流。升压电路通过隔离放大器45由振荡器44驱动。隔离放大器45用于隔离振荡器44与升压电路41，以避免来自升压电路41的大的电流耗用否则可能影响振荡器44的操作。
[0023]振荡器44由从升压电路41接收功率的振荡器电源43供电，但是由于在启动时升压电路41需要时间升至稳定操作状态，设置振荡器自举电源电路42以在初始时向振荡器44提供启动功率。振荡器44设置升压电路的操作频率，如以下详细描述。
[0024]设置输出保护和控制电路46以执行用于升压装置40的若干保护功能。例如，输出保护和控制电路46防止大的峰值电流馈入振荡器电路，它控制升压电路的占空比，并执行升压电路输出的过压控制。
[0025]设置输出滤波器47以滤除升压电路41输出的纹波电流(ripple currents)，并进一步提供调光器兼容性。还可以设置调光兼容性电路48以进一步提高与调光电路的兼容性。
[0026]图3显示LED照明装置的示意图，LED照明装置包括驱动示例LED阵列90的LED阵列驱动器100，LED阵列90包括连接在一个串联串中的多个LED91，92…93和连接在另一个串联串中的多个LED9r ,92' -93'，其中多个这样的LED的串联串显示为并联连接。通过使用本文公开的驱动器之一，其提供用于驱动LED的电压提升，更多LED可被放入每个串联串中，减小了获得所需照明量而必须并联设置的串的数量，从而提高了整个照明装置的总效率。
[0027]当然，根据LED阵列驱动器的输出电压以及根据LED两端的电压降，可以在每个串联串中设置不同数量的LED。例如，在每个LED两端的电压降为大致3V、驱动器100的输出为大致200V的情况下，串联串将具有66个LED。此外，根据所需的总的光输出，可以并联连接任意数量的LED串，从I串到2串或更多串。当然，并联连接的每个额外的串将驱动器100必须提供的电流增大整数倍的量，从而增大了其部件所需的尺寸(功率容量)。
[0028]图4显示LED驱动器的示例实施方式的示意图。整流器由Dl桥式整流器提供，电容器Cl被设置为输入滤波器，并且包括FET Q7A及其驱动电路(使用双极型晶体管Q6)，以便限制滤波器浪涌电流，从而与三端双向可控硅调光器(triac dimmers)更好的兼容。振荡电路包括QlA和Q1B，还设置有C2、R3以及R4和R5，振荡电路基于包括R7和C3的RC电路的部件的值振汤，所述值确定振汤电路的振汤频率，在本例中为大致IOOkHzο推挽放大器由Q2A和Q2B提供，Q2A和Q2B隔离振荡电路与升压电路。
[0029]升压电路由变压器绕组T1A、Q4和D16提供。基本上，振荡电路驱动Q4以振荡频率(大致IOOkHz)接通和切断，在Q4接通时引起TlA充电，在Q4切断时迫使Tla放电至LED负载，同时提升负载电压。推挽式放大器防止在该切换操作过程中Q4从振荡电路吸取过大电流，因为吸取过大电流可能关闭振荡。
[0030]振荡电路由振荡器电源(电源Vcc)供电，振荡器电源包括变压器的次级绕组T1B，并与作为滤波器的阻塞双二极管D5和C8组合以平均TlB输出的电压。但是在启动时，由于升压电路还没有被充电，振荡电路还没有振荡，因此如图所示设置包括D2、RU R16和Q3并由稳压二极管D4作为稳压器(在本例中设置为15V)的自举启动电源，以提供用于启动振荡电路和升压电路的初始Vcc。自举电路检测何时振荡器电源被充分充电和操作，在该时间Ql关闭以基本上切断由自举电源提供的电流。
[0031]在图4的示例实施例中设置三个部件/电路以支持不同的输出保护和控制功能。如果存在过压状态，齐纳二极管VRl和VR2动作以关闭振荡电路，从而保护驱动器的输出电压。二极管D7与电容器C12串联作为电流平均电路，以平滑馈入振荡电路的电流，进而避免大的峰值电流，既能提高效率又能避免过压状态。最后，电阻器R8与保护二极管D8和D9共同作用作为用于确定升压电路的占空比的电流感测电阻。
[0032]图4的电路提供非常高效的升压驱动器电路，该升压驱动器电路向具有比供至驱动器电路的线电压更高的RMS电压的外部LED阵列提供驱动电压，从而允许比如果并联设置LED的部分所需的负载电流更低的负载电流。这导致与否则可能出现的情况相比，通过Q5的I2R损耗大幅降低，大大提闻了装置的效率。图4的不例电路提供大于90%的效率，大致95%或更高的效率也是可实现的，并可以支持达到250V或更高的输出电压下的输出电流。可以采用达到5比I的比值的升压转换器，从而该设计可以驱动不超过大致1000V的任何LED的串联/并联组合。通过适当地改变主要电流路径部件的尺寸，更高的电流也是可能的。
[0033]图5是可添加到图4的LED驱动器的调光兼容电路的示意图。该电路在正常操作期间不起作用，但是在调光模式期间作为辅助。该电路的功能是向输出引入较低频率的(在本例中为1000Hz)脉宽调制(PWM)，从而基于平均输入交流线电压降低LED的平均电流。其实现方式是产生与线电压的代表性采样(R5、R10和C5)进行比较(UlB)的自激震荡锯齿波形(UlA)。当平均线输入降低到设定点以下时，输出将开始使用Q7B进行脉宽调制。当平均输入电压降低时，占空比将减小，直到光达到其最小编程水平。
[0034]在希望LED阵列具有与调光器电路的广泛兼容性的应用中添加调光器兼容性电路，调光器兼容性电路提供更理想的白炽灯等效类型的调光曲线。其还提供最小调光器设置输入下的较低的编程光输出，并有利于在提高调光输入时缓慢地开始光输出的上升。
[0035]这样，可以采用调光器兼容性电路与示例LED驱动器电路来提供用于代替白炽灯照明的更具适应性的方案。相应地，如果希望具有这样的兼容性，可以在LED照明系统中采用本文所公开的LED驱动器连同调光器兼容性电路，用于替换针对白炽灯照明设计的现有方案(例如用于替换100瓦特A-19白炽灯)，或者用于过去更适宜白炽灯照明的新的照明环境中。此外，LED驱动器可用于期望高效LED照明的新的定制化照明方案中，例如公共照明、办公照明等。
[0036]通过上述特征的不同组合可以提供本发明的许多其他示例实施例。虽然以上使用特定示例和实施例描述了本发明，但是本领域技术人员应理解，在不偏离本发明意指的范围的前提下，可以使用各种替代，以及等效物可以替换本文所述的元件和/或步骤。在不背离本发明意指的范围的前提下，为了使本发明适用于特定环境或特定需求，可能需要进行修改。本发明不限于本文所述的特定实施方式和实施例，相反，权利要求书被赋予其最宽的合理解释，以覆盖文字描述或等效的、公开或未公开的所被覆盖的所有新颖和非显而易见的实施例。
【权利要求】
1.一种设备，包括: LED阵列，所述LED阵列包括用于提供照明的串联连接的多个LED ;以及 LED驱动器，所述LED驱动器用于向所述LED阵列提供操作电压，所述LED驱动器包括: 整流器电路，用于将交流电源整流为提供直流电源电压的直流电源； 滤波器，用于对所述直流电源电压进行滤波； 升压电路，用于对所述直流电源电压进行升压以提供LED驱动电压；以及 振荡电路，用于以振荡频率驱动所述升压电路，其中所述振荡升压电路是自激震荡的。
2.根据权利要求1所述的设备，所述LED驱动器还包括: 自举振荡器电源，用于在启动阶段期间向所述振荡电路供电；以及 振荡器电源，用于在所述启动阶段之后向所述振荡器供电。
3.根据权利要求2所述的设备，所述LED驱动器还包括: 电流检测电路，用于控制所述升压电路的占空比；以及 电流平均电路，用于滤除 否则会在所述振荡电路中提供的电压峰值。
4.根据权利要求3所述的设备，还包括在过压状态期间停止所述振荡电路的振荡的过压部件。
5.根据权利要求1所述的设备，所述LED驱动器还包括: 电流检测电路，用于控制所述升压电路的占空比；以及 电流平均电路，用于滤除否则会在所述振荡电路中提供的电压峰值。
6.根据权利要求1所述的设备，所述LED驱动器还包括连接至所述整流器的输入滤波器，所述输入滤波器包括浪涌电流限制装置。
7.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述升压电路包括电感器和由所述振荡电路驱动的用于将来自所述电感器的电流在地和所述LED阵列之间切换的开关。
8.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述交流电源是120V交流市电电源，以及其中所述LED阵列两端的电压降至少为大致200V直流。
9.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述LED驱动器具有至少90%的功率效率。
10.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述LED驱动器具有大于或等于大致95%的功率效率。
11.一种设备，包括: LED阵列，所述LED阵列包括用于提供照明的串联连接的多个LED ;以及LED驱动器，所述LED驱动器用于向所述LED阵列提供操作电压，所述LED驱动器包括:整流器电路，用于将交流电源整流为提供直流电源电压的直流电源，所述直流电源电压具有大致等于所述交流电源的RMS电压值的RMS电压值； 滤波器，用于对所述直流电源电压进行滤波； 升压电路，用于对所述直流电源电压进行升压以提供LED驱动电压；以及振荡电路，用于以振荡频率驱动所述升压电路，其中所述振荡升压电路是自激震荡的，其中所述LED驱动电压用于驱动所述LED阵列，从而所述LED阵列两端的电压降具有大于所述交流电源的RMS电压值的RMS电压值。
12.根据权利要求11所述的设备，所述LED驱动器还包括:自举振荡器电源，用于在启动阶段期间向所述振荡电路供电；以及 振荡器电源，用于在所述启动阶段之后向所述振荡器供电。
13.根据权利要求12所述的设备，所述LED驱动器还包括: 电流检测电路，用于控制所述升压电路的占空比；以及 电流平均电路，用于滤除否则会在所述振荡电路中提供的电压峰值。
14.根据权利要求12所述的设备，还包括在过压状态期间停止所述振荡电路的振荡的过压部件。
15.根据权利要求11所述的设备，所述LED驱动器还包括: 电流检测电路，用于控制所述升压电路的占空比；以及 电流平均电路，用于滤除否则会在所述振荡电路中提供的电压峰值。
16.根据权利要求11所述的设备，所述LED驱动器还包括连接至所述整流器的输入滤波器，所述输入滤波器包括浪涌电流限制装置。
17.根据权利要求11所述的设备，其特征在于，所述升压电路包括电感器和由所述振荡电路驱动的用于将来自所述电感器的电流在地和所述LED阵列之间切换的开关。
18.根据权利要求11所述的设备，其特征在于，所述交流电源是120V交流市电电源，以及其中所述LED阵列两端的所述电压降至少为大致200V直流。
19.根据权利要求11所述的设备，其特征在于，所述LED驱动器具有大于90%的功率效率。
20.—种设备,包括: LED阵列，所述LED阵列包括用于提供照明的串联连接的多个LED ;以及LED驱动器，所述LED驱动器用于向所述LED阵列提供操作电压，所述LED驱动器包括:整流器电路，用于将交流电源整流为提供直流电源电压的直流电源，所述直流电源电压具有大致等于所述交流电源的RMS电压值的RMS电压值； 滤波器，用于对所述直流电源电压进行滤波； 升压电路，用于对所述直流电源电压进行升压以提供LED驱动电压；以及 振荡电路，用于以振荡频率驱动所述升压电路，其中所述振荡升压电路是自激震荡的； 自举振荡器电源，用于在启动阶段期间向所述振荡电路供电； 振荡器电源，用于在所述启动阶段之后向所述振荡器供电； 电流检测电路，用于控制所述升压电路的占空比；以及 电流平均电路，用于滤除否则会在所述振荡电路中提供的电压峰值， 其中所述LED驱动电压用于驱动所述LED阵列，从而所述LED阵列两端的电压降具有大于所述交流电源的RMS电压值的RMS电压值。
21.根据权利要求20所述的设备，还包括在过压状态期间停止所述振荡电路的振荡的过压部件。
22.根据权利要求20所述的设备，所述LED驱动器还包括连接至所述整流器的输入滤波器，所述输入滤波器包括浪涌电流限制装置。
23.根据权利要求20所述的设备，其特征在于，所述交流电源是120V交流市电电源，以及其中所述LED阵列两端的所述电压降至少为大致170V直流。
24.根据权利要求24所述的设备，其特征在于，所述LED驱动器具有大于90%的功率效率。
25.—种用于驱动LED阵列的LED驱动器,所述LED驱动器包括: 整流器电路，用于将交流电源整流为提供直流电源电压的直流电源，所述直流电源电压具有大致等于所述交流电源的RMS电压值的RMS电压值； 滤波器，用于对所述直流电源电压进行滤波； 升压电路，用于对所述直流电源电压进行升压以提供LED驱动电压； 振荡电路，用于以振荡频率驱动所述升压电路，其中所述振荡升压电路是自激震荡的； 自举振荡器电源，用于在启动阶段期间向所述振荡电路供电； 振荡器电源，用于在所述启动阶段之后向所述振荡器供电； 电流检测电路，用于控制所述升压电路的占空比；以及电流平均电路，用于滤除否则会在所述振荡电路中提供的电压峰值，其中所述LED驱动电压用于使输出端两端的电压降具有大于所述交流电源的RMS电压值的RMS电压值，以及其中 所述LED驱动器的功率效率大于90%。
26.根据权利要求25所述的LED驱动器，还包括调光器兼容性电路，当不执行调光时所述调光器兼容性电路为不起作用，当执行调光时所述调光器兼容性电路起作用。
27.根据权利要求11所述的设备，还包括调光器兼容性电路，当不在所述LED阵列上执行调光时所述调光器兼容性电路不起作用，当在所述LED阵列上执行调光时所述调光器兼容性电路起作用。
28.根据权利要求1所述的设备，还包括调光器兼容性电路，当不在所述LED阵列上执行调光时所述调光器兼容性电路不起作用，当在所述LED阵列上执行调光时所述调光器兼容性电路起作用。
【文档编号】H05B33/08GK103650639SQ201280035190
【公开日】2014年3月19日 申请日期:2012年7月12日 优先权日:2011年7月15日
【发明者】B.R.罗伯茨, L.内罗涅 申请人:通用电气公司