专利名称：用于led光单元的谐波补偿电路和方法
技术领域：
本发明涉及谐波补偿电路和相应的方法，用于补偿由LED光源从市电电压源获取 的输入电流中的至少三次谐波。此外，本发明涉及LED光单元。
背景技术：
尤其是在翻新型的应用，即具有相同的几何尺寸和配件(例如E14，E27)并使用在 家庭和建筑物中已经存在的设施的可直接替换旧白炽灯、卤素灯或其他灯的新产品中，驱 动器的效率和成本对于基于LED(发光二极管)的光源的成功是关键的。由于这个原因，产 生了这样的思路，即将LED串直接连接到交流市电电压，而仅由串联电阻器镇流。这种驱动 器的效率约为80%，这并不是很高，但仍然成就了无与伦比的形状因子和性价比。这种方法的主要缺点是，从交流市电电压吸取的电流受损于相当大的三次谐波成 分。目前这还不是问题，因为限制此电流的标准并不适用于额定输入功率等级小于25W的 光源。然而在不久的将来(即在未来1-3年)，这一界线将降低至5W并延及固态光源，从而 明显地限制ACLED解决方案的整体光输出。
发明内容
本发明的目的之一是提供谐波补偿电路和相应的方法以及LED光单元，由此至少 三次谐波将被充分抑制以满足未来的标准。在本发明的第一方面提供了谐波补偿电路，其用于补偿由LED光源从市电电压源 获取的输入电流中的至少三次谐波，包括-信号输入，用于接收正比于所述LED光源的输入电压的第一输入信号和正比于 所述LED光源的LED电流的第二输入信号；-信号输出，用于输出补偿电流；-处理单元，用于将所述第二输入信号与参考信号比较并用于基于所述比较生成 所述补偿电流，所述补偿电流与所述LED电流之和正比于所述LED光源的所述输入电压，并 且所述补偿电流被提供用于最小化由所述LED光源从所述市电电压源获取的所述输入电 流中的至少三次谐波。在本发明的另一方面，提出了如权利要求14中的相应的谐波补偿方法。在本发明的另一方面，提出了 LED光单元，其包括-LED 光源，-市电电压源输入，用于从市电电压源接收输入电压和输入电流，以及-根据权利要求1的谐波补偿电路，用于补偿由所述LED光源从所述市电电压源获 取的输入电流中的至少三次谐波，所述谐波补偿电路耦合到所述LED光源，用于接收正比 于所述LED光源的输入电压的第一输入信号和正比于所述LED光源的LED电流的第二输入信号。在从属权利要求中限定了本发明优选的实施方式。应当理解，要求保护的方法和要求保护的LED光单元有类似的和/或相同的如在权利要求1的从属权利要求中限定的优 选实施方式。根据本发明，提出了简单的电子电路，其有效抑制LED光源(也称为ACLED模块) 的市电输入电流中的三次谐波，从而有可能在引入新的限制后继续使用目前的(传统的) LED光源，并将光输出提高到高很多的值。本发明是基于这样的思路，即测量LED光源的瞬时电流并将其与参考电流比较。 该两个电流之间的差异被引入与实际LED光源并联的额外的(例如，可编程的)电流源，使 得在新标准实行后目前的LED光源可继续使用，并且与没有三次谐波补偿的情况相比处于 显著提高的功率级。具体地，根据本发明，生成和输出补偿电流使得所述补偿电流与原LED电流之和 优选地正比于所述LED光源的输入电压，但至少显示低于合法要求的最大限制(不违背其 他谐波的限制)的减弱的三次谐波电流成分。在优选的实施方式，所述第一输入信号是所述LED光源的输入电压，并且所述第 二输入信号是从所述LED光源的所述LED电流获得。这样做的益处是，基于这两个信号可 获得单位功率因数，因此，不仅三次谐波得到补偿，而且更高次的谐波也得到补偿。在另一实施方式，所述参考信号正比于所述LED光源的输入电压。其好处是，产生 的损耗更少但仍然可以实现合理的三次谐波电流补偿。优选地，所述处理单元不包括电抗元件，这是经济的且在实施时需要最少的物理 空间。有利地，所述处理单元适于将所述LED电流与参考电流比较。其好处是，使用合适 的参考电流可获得单位功率因数。在实际的实施方式中，所述处理单元包括第一运算放大器，用于测量代表LED电 流与参考电流之间的差异的电压差，其中所述参考电流正比于所述LED光源的输入电压。在要求保护的电路实施中，所述处理单元包括耦合到所述第一运算放大器的输出 的第一晶体管；和第二晶体管，用于当所述LED电流高于预定的最小电流时使所述第一晶 体管的基极输入电压短路以便禁用所述第二运算放大器。此外，所述处理单元优选包括电 阻器，用于设置所述最小电流阈值。在另一实际的实施方式中，所述处理单元包括比较器，用于将正比于所述LED电 流的电压与参考电流比较；和第二运算放大器，用于电压至电流转换，其中，所述比较器适 于只要所述LED电流大于所述参考电流，就禁用电压至电流转换器。其益处是，仅当通过 LED光源的电流低于某一最小电流(即几乎为零)时才生成补偿电流，从而限制补偿电路产 生的额外损耗，但仍然可以实现三次谐波电流的合理衰减。优选地，所述处理单元包括添加到所述第一运算放大器的多个电阻器，用于在振 幅上放大或缩小所述LED电流和/或所述参考电流，以及第二运算放大器，用于电压至电流 转换。其益处是，信号处理可在低电源电压水平上进行。转换至所需的补偿电流是作为最 后的步骤在模拟信号处理链中进行的，因而使额外的损耗最小化。在LED光单元优选的实施方式，所述谐波补偿电路与所述LED光源并联地耦合到 所述市电电压源。其好处是，原始LED光源的性能不受添加的补偿电路的干扰(除了与LED 光源串联的附加分流电阻器的可以忽略不计的效应)。
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更进一步地，还提供整流电路，用于对AC市电电压输入进行整流并将经整流的市 电电压输入输出到所述市电电压源输入。
本发明的这些和其他方面将从本文所述的实施方式成为显而易见的，并参考本文 所述的实施方式被阐述。在下面附1示出了 LED的简单的等效电路，图2示出了已知LED光单元的等效电路和典型的电压和电流波形，图3示出了根据本发明的LED光单元的框图，图4示出了根据本发明的谐波补偿电路第一实施方式的框图，图5示出了包括如图4所示的谐波补偿电路的LED光单元中电压和电流信号的图 形，图6示出了根据本发明的谐波补偿电路第二实施方式的框图，以及图7示出了包括如图6所示的谐波补偿电路的LED光单元中电压和电流信号的图形。
具体实施例方式图Ia示出了 LED的简单的等效电路1，所述等效电路包括二极管D、内部电阻器 Rint和提供阈值电压Vth的电压源Vint，所述元件被串联在一起。图Ib示出了所述LED光源 1的典型的电流波形ι·α)。图加示出了传统的LED光单元10的等效电路，所述LED光单元包括LED光源1、 提供(经整流的)市电电压Vmains⑴的直流市电电压源2和外部镇流电阻器Rext。图2b显 示了所述LED光单元10的市电电压Vmains(t) ( = 230Veff)、典型的电压VKED(t) ( = 198Vdc) 和电流波形Iled⑴(其中ILED, _(t) = 14mA)。如图2b所示的LED电流Imi(t)不符合针对具有大于5W的输入功率的SSL(固态 照明)设备的、从现在开始1-3年将实行的关于固态照明的新市电谐波限制。出于这个原 因，一旦新标准生效后，现存的LED光单元(ACLED模块)将无法用于需要高于5W输入功率 的未来的应用，除非采取额外的PFC(功率因数校正)措施。如果这些PFC措施需要额外的 昂贵的或大量的组件或电路，这种LED光单元的简单性就不复存在了，可能失去目前的独 特的卖点。根据本发明，提出了简单的附加电路，通过该附加电路，由LED光源从市电电源获 取的输入电流中的三次谐波可显著减弱。图3示出了根据本发明的LED光单元20的基本 框图。谐波补偿电路4并联地与实际LED光源1相连，来自整流器3的(经整流的)输入 电压Vin和经整流的输入电流Iin被提供给实际LED光源1，来自市电电压源2的市电电压 Vmains和市电电流Imains被提供给整流器3。除上述的输入电压Vin之外谐波补偿电路4还接 收额外的正比于LED电流的输入信号S。基于这些输入信号(Vin，I' L_(t))，在谐 波补偿电路4生成补偿电流I。。mp(t)，使得市电电流Imains (t)的谐波含量(例如，其三次谐 波成分)被最小化，而不折衷其他电流谐波的最大电流限制。图4示出了包括根据本发明的补偿电路如的第一实施方式的LED光单元20a的
6第一实施方式，借助于此实施方式本发明的目的可得以实现。谐波补偿电路如包括用于接 收所述LED光源1的输入电压Vin的信号输入21和用于接收输入电压信号Vsh的信号输入 22，其中输入电压信号Vsh正比于所述LED光源1的LED电流Imi并被提供给作为比较器的 第一运算放大器OAl的反相输入。谐波补偿电路如还包括在端子23的内部电压信号VKb， 其正比于输入电压Vin并被提供给第一运算放大器OAl的非反相输入。VKb正比于(欧姆的) 参考电流IKb，如果使用了适当执行控制的回路，IKb(VKb)应直接正比于灯输入电流Iin(对于 功率因数为1时Iin应正比于Vin)。 处理单元2 被提供用于将所述LED电流(由电压Vsh代表)与参考电流IKb (由 电阻器Rb上的参考电压VKb代表，电阻器Rb是分压电路Ra，Rb的一部分)作比较，并用于 生成所述欧姆补偿电流I。。mp，使得由所述LED光源1从所述市电电压源2获取的市电电流 Imains中的三次谐波被最小化，而不折衷其他电流谐波的最大电流限制，其中三次谐波是最 经常违背照明规范IEC 61000-3-2给出的限制的那个谐波。所述补偿电流I。。mp基本上在信 号输出W输出(假设相比于所述补偿电流，信号处理电子电路的电流可以忽略不计，实际 上便是如此)。实施为差分放大器的第一运算放大器OAl测量Rb上的参考电压VKb与Rsh上的电 压Vsh之间的差异(即VKb-Vsh)。此电压差代表电流(t)与正比于经整流的AC输入电压 Vin的参考电流IKb(通过电阻器Rb的电流)之间的差异。利用电阻器R2、Rl以及电阻器 R4、R3，两个电流均可以被放大或降低幅度，使得Vin*Rb/(Ra+Rb)*(Rl+R2)/Rl*R4/(R3+R4)_Vsh*R2/Rl = Icomp^Re (其中 Vsh = ‘*Rsh)，其中第二运算放大器0A2被配置为电压至电流转换器(连同电阻器Ite和晶体管 T)。因此，根据本发明，生成额外的电流I。。mp，假设通过电阻器Ra的电流与电流I。。mp和 Iin相比较小因而可以忽略不计，从而电流Imi禾日I。。mp之和(I_+I。。mp = IJ正比于输入电 压Vin。因此，额外的电流I。。mp根据定义具有等于1的功率因数(只要输入电压Vin呈正弦 曲线)。完整的负载-从输入电压Vin(或者Vmains)来看-呈现电阻特性，即存在等效负载 电阻，其获取与补偿后的LED光源1同样的电流。这是电力供应商想要达到的理想状况。图5示出了包括如图4所示的谐波补偿电路的LED光单元中电压和电流信号的图 形。具体地，示出了市电电流Imains和补偿电流I。。mp。由补偿电路引入的额外损耗为LED光 源的额定输入功率的20%的水平。因此，根据本发明，提出了简单的附加电路，通过该附加电路，由LED光源从市电 电源获取的输入电流中的三次谐波可显著减弱，使新的限制能得到满足。在图4中所示电 路的具体情况下，整个电路的功率因数甚至接近1，这意味着不仅是三次谐波，而且所有其 他谐波均得到补偿。有了这个电路-该电路极其适合于集成-简单的LED光源设计可以继 续被使用而无需作修改。此外，可用功率范围可扩展到更高流明的封装。从市电电源提取 的额外电流仅造成很少的额外损耗，其效率下降不久将得到由LED稳步增加的流明功效的 补偿(海兹(Haitz)定律)。图6示出了包括根据本发明的补偿电路4b的第二实施方式的LED光单元20b的第 二实施方式。在该实施方式，补偿电路4b仅产生LED光源的额定输入功率的8%左右(具 有低一些的功率因数)。仅当通过LED光源1的电流I·低于较低阈值电流(接近零)时才提取额外的输入电流整形电流(其正比于输入电压Vin)。与图4所示的电路不同，图6的电路仅产生正比于市电输入电压的电流。电压至 电流转换器级仅接收正比于输入电压Vin的电压(分压器Ra，Rb)。只要通过LED(串)的 电流超过一定的最小电流，附加的晶体管T2使晶体管Tl的基极输入电压短路，因而有 效地禁用电压到电流转换器0A2。此最小电流阈值可通过电阻器R6、R7的选择设定，其中 电阻器R6、R7的选择对正比于期望的阈值电流的、第一比较器的参考电压编程。针对谐波补偿电路的所需的电源电压V。。(参见图3，图4)，可利用已知的电路产 生。图7示出了包括如图6所示的谐波补偿电路的LED光单元中电压和电流信号的图 形。具体地，示出了市电电流Imains和补偿电流I。。mp。优选地本发明可应用于发光二极管的交流驱动(ACLED)，但并不局限于此应用。总之，本发明公开了简单的电子电路，该电子电路有效地抑制LED光源的市电输 入电流中的三次谐波，从而有可能将光输出提高到更高的值。这个附加电路所引入的额外 损耗仅略微降低整个光源的整体效率(以lm/W测量)。虽然本发明已在附图和前面的说明被详细说明和描述，这种说明和描述都应被认 为是说明性的或示例性的而不是限制性的；本发明并不局限于所公开的实施方式。所公开 的实施方式的其他变化可以由现有技术人员在实施要求保护的本发明时、从学习附图、公 开的内容、以及所附的权利要求书中理解和实现。在权利要求书中，术语“包括”不排除其他单元或步骤，不定冠词“一”或“一个”并 不排除复数形式。单个元件或其他装置可完成权利要求书中几个项目的功能。某些措施在 相互不同的从属权利要求中被述及这一事实并不表示这些措施的组合不能加以利用。在权利要求书中的任何附图标记不应被解释为限制保护范围。
权利要求
1.一种谐波补偿电路，用于补偿由LED光源⑴从市电电压源(2)获取的输入电流 (Ifflains)中的至少三次谐波，包括-信号输入01，22)，用于接收正比于所述LED光源(1)的输入电压(Vin)的第一输入 信号和正比于所述LED光源(1)的LED电流(I·)的第二输入信号(Vsh)；-信号输出05)，用于输出补偿电流(I。。mp)；-处理单元0如，24b)，用于将所述第二输入信号(Vsh)与参考信号(VKb，VK7)比较并用 于基于所述比较生成所述补偿电流(I。。mp)，所述补偿电流(I。。mp)与所述LED电流之 和正比于所述LED光源(1)的所述输入电压(Vin)，并且所述补偿电流(I。。mp)被提供用于最 小化由所述LED光源(1)从所述市电电压源( 获取的所述输入电流(Imains)中的至少三 次谐波。
2.根据权利要求1的谐波补偿电路，其中所述第一输入信号是所述LED光源(1)的所 述输入电压(Vin)并且所述第二输入信号(Vsh)从所述LED光源(1)的所述LED电流(I·) 获得。
3.根据权利要求1的谐波补偿电路，其中所述参考信号(VKb)正比于所述LED光源(1) 的所述输入电压(Vin)。
4.根据权利要求1的谐波补偿电路，其中所述处理单元04，Ma)不包括电抗元件。
5.根据权利要求1的谐波补偿电路，其中所述处理单元(Ma)适于将所述LED电流 (Iled)与参考电流(IKb)作比较。
6.根据权利要求1的谐波补偿电路，其中所述处理单元(Ma)包括比较器(OAl)，尤其 是包括第一运算放大器，用于将正比于所述LED电流(I·)的电压与参考电流比较，和第二 运算放大器(0A2)，用于电压至电流转换，其中，所述比较器(OAl)适于只要所述LED电流 (Iled)大于所述参考电流，就禁用所述电压至电流转换器。
7.根据权利要求6的谐波补偿电路，其中所述处理单元(Ma)包括添加到所述比较器 (OAl)的多个电阻器(R1-R4)，用于在振幅上放大或缩小所述LED电流(I·)和/或所述参 考电流。
8.根据权利要求1的谐波补偿电路，其中所述处理单元(Mb)包括第一运算放大器 (OAl)，用于测量代表所述LED电流(I·)与参考电流之间的差异的电压差，以及第二运算 放大器(0A2)，用于电压至电流转换。
9.根据权利要求8的谐波补偿电路，其中所述处理单元(Mb)包括耦合到所述第一运 算放大器(OAl)的输出的第一晶体管(Tl)；和第二晶体管(T2)，用于当所述LED电流(I·) 高于预定的最小电流时使所述第一晶体管(Tl)的基极输入电压短路，以便禁用所述第二 运算放大器(0A2)。
10.根据权利要求9的谐波补偿电路，其中所述处理单元(Mb)包括电阻器(R6，R7)， 用于设置所述最小电流阈值。
11.一种LED光单元，包括-LED 光源(1)，-市电电压源输入，用于从市电电压源⑵接收输入电压(Vmains)和输入电流(Imains),以及-根据权利要求1的谐波补偿电路Ga，4b)，用于补偿由所述LED光源(1)从所述市电电压源( 获取的输入电流(Imains)中的至少三次谐波，所述谐波补偿电路耦合到所述LED 光源，用于接收正比于所述LED光源(1)的输入电压(Vin)的第一输入信号和正比于所述 LED光源(1)的LED电流(Iled)的第二输入信号(Vsh)。
12.如权利要求11的LED光单元，其中所述谐波补偿电路Ga，4b)与所述LED光源(1) 并联地耦合到所述市电电压源O)。
13.如权利要求11的LED光单元，还包括整流电路(3)，用于对AC市电电压输入进行 整流并将经整流的市电电压输入输出到所述市电电压源输入。
14.一种谐波补偿方法，其用于补偿由LED光源⑴从市电电压源(2)获取的输入电流 (Ifflains)中的至少三次谐波，包括以下步骤-接收正比于所述LED光源(1)的输入电压(Vin)的第一输入信号，-接收正比于所述LED光源(1)的LED电流(Iled)的第二输入信号(Vsh)，-将所述第二输入信号(Vsh)与参考信号(VKb，VK7)比较，-基于所述比较生成补偿电流(I。。mp)，所述补偿电流(I。。mp)与所述LED电流(Imi)之和 正比于所述LED光源(1)的所述输入电压(Vin)，并且所述补偿电流(I。。mp)被提供用于最小 化由所述LED光源(1)从所述市电电压源( 获取的所述输入电流(Imains)中的至少三次 谐波，以及-输出所述补偿电流(1。_)。
全文摘要
本发明涉及一种谐波补偿电路，用于补偿由LED光源(1)从市电电压源(2)获取的输入电流(Imains)中的至少三次谐波，包括信号输入(21，22)，用于接收正比于所述LED光源(1)的输入电压(Vin)的第一输入信号和正比于所述LED光源(1)的LED电流(ILED)的第二输入信号(Vsh)；信号输出(25)，用于输出补偿电流(Icomp)；处理单元(24a，24b)，用于将所述第二输入信号(Vsh)与参考信号(VRb，VR7)比较并用于基于所述比较生成所述补偿电流(Icomp)，所述补偿电流(Icomp)与所述LED电流(ILED)之和正比于所述LED光源(1)的所述输入电压(Vin)，并且所述补偿电流(Icomp)被提供用于最小化由所述LED光源(1)从所述市电电压源(2)获取的所述输入电流(Imains)中的至少三次谐波。
文档编号G05F1/70GK102067405SQ200980122741
公开日2011年5月18日 申请日期2009年6月8日 优先权日2008年6月17日
发明者G·S·绍尔莱德尔 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司