用于LED驱动器的电流控制电路的制作方法

本发明涉及如施加到由高电压交流电源操作的调节器并且驱动LED的矩阵的电流控制电路。

背景技术：

理想的是，当灯通过正弦波源(诸如电网)供电时，期望灯对源而言看起来是纯电阻性的。也就是说，灯应当从源以跟电压波形同相并紧密匹配的方式汲取电流。这最大限度地降低对发电和输电基础设施的压力。然而，随着输入电压波幅改变，来自灯的光输出应保持相当恒定。这需要线路调节电路。

虽然线路调节力求在施加到灯的电压减小时保持恒定光输出，但调光器旨在通过实际地减小提供给灯的电压来减小灯亮度。当外部调光器减小电源电压时，灯中的线路调节电路通过增加输入电流来做出响应以便保持相对恒定的功率和灯亮度，从而使得调光器无效。

更值得注意的是，在低调光水平下，线路调节电路可将输入电流增加到破坏性水平，这是安全问题。

通常需要复杂的电路来检测调光器的存在和甚至更多的电路以正确地响应。

从交流线路驱动LED需要独特的性质。虽然交流线路是恒定电压正弦波，但LED需要恒定的直流电流来操作。存在通过交流电源驱动LED的矩阵的许多方式。传统上，采取电感方法，使用电感元件以不同输入和输出电压存储和释放能量。这是传统的开关电源方法。这具有以下缺点：使用笨重、昂贵的磁性元件，由于所涉及的高开关频率而生成EMI，难以实现良好的功率因数，使用有限寿命的电解电容器，需要大电流装置，以及难与调光器兼容。

为了解决这些问题并且简化电路，多级、顺序操作的线性调节器已用于驱动LED的分段串。瞬时输入电流大致遵循输入电压，从而提供低失真和良好的功率因数。并且它们内在与大多数调光器兼容。

如图1所示，在现有技术中，多级、顺序操作的线性调节器，LED的长串在多个位置处抽头，每个抽头具有控制上游串区段的LED电流的线性电流调节器。随着瞬时整流输入电压升高，下游区段获得足够的电压来开始导通。一旦区段开始导通，下游调节器从上游调节器接替。当多个区段导通时，这限制跨调节器的电压，从而使功率损失降至最低。

通常，每个调节器在固定的电流水平下操作。因此，输入电流波形是阶梯形而不是平滑的正弦波，从而造成输入电流谐波。

线路调节已成为现有技术中的问题。也就是说，输出功率，也就是亮度，随着按时间平均的输入电压改变而改变。

需要的是用于LED驱动器并克服现有技术中的这些问题和缺点的改善的电流控制电路。

技术实现要素：

当施加于LED的矩阵和驱动矩阵的线性电流调节器时，本文所述的本发明提供连续的输入电流并对输入电压的变化进行补偿。本发明还提供固有的调光器兼容性，同时保持对正常电源电压范围的良好线路调节。其不需要专门的检测和对调光器的响应。

附图说明

图1示出与LED的串一起使用的现有技术线性调节器系统。

图2示出图1的系统的随着时间推移的输入电流。

图3示出与LED的串一起使用的现有技术电流调节电路。

图4示出电源电压的倒数的线性近似。

图5示出与电源电压的倒数及其线性近似相关联的功率。

图6示出利用电源电压的倒数的线性近似的输入电流LED驱动器的实施例。

图7示出各种线路调节电路的峰值输入电流。

图8示出各种线路调节电路的输入功率。

图9示出各种线路调节电路的输入电流。

图10示出与灯调光器一起使用的图6的实施例。

图11示出图10的系统的输入功率。

图12示出LED系统的实施例。

图13A-图13L示出用于线路调节电路的不同的部件配置。

具体实施方式

参见图1，示出基于多级、顺序操作的线性电流调节器的现有技术LED驱动器。输入电源是连接到全波桥式整流器121的稳压交流正弦波源120。整流交流电用于提供LED区段101、102、103、104和105。交流输入电压可采取除纯正弦波之外的波形，包括存在于直流-交流反相器中的所谓的伪正弦。

最初，输入电压开始于零伏并且所有调节器111、112、113、114和115均打开但不导通，因为电压不足以正向偏置第一LED区段101。随着瞬时整流交流电压增加，电压变得足以正向偏置LED区段，开始于第一区段101并且向下游进行。随着下游区段(例如串103)被正向偏置，与该区段相关联的线性电流调节器，例如与串103相关联的调节器113开始导通。最终，该下游调节器实现调节。当调节器113导通时，定序逻辑123则关闭上游调节器(例如调节器111和112)。当线性调节器导通时，关闭上游调节器使线性调节器上的电压降最小化，从而使功率损失最小化并且提高效率。

事件的顺序在整流交流的下坡上反转。具体地讲，随着整流交流电压降低，下游区段将停止正向偏置并且将停止导通。定序逻辑123将关闭下游调节器并且打开上游调节器。例如，当串(105)变为反向偏置时，定序逻辑123将关闭调节器115并且打开调节器114。

现在参见图2，阶梯(对应于图1的电路)和连续输入电流波形两者均被示出。在大多数多级、顺序操作的线性LED驱动器中，每个调节器以固定水平调节电流，如标记为“调节器1”、“调节器2”等的水平所指示。随着驱动器从一个调节器转变到下一个调节器，其使得输入电流从一个水平跳到下一个水平，从而产生阶梯波形。该波形导致输入电流的失真，并且可导致EMI。连续波形中的小凹口由第一LED串区段的电压造成。该第一区段的正向电压降之下没有输入电流流过。

参见图3，示出包括连续输入电流LED驱动器的现有技术LED系统300。为了便于解释，仅示出两级。在实际操作中，可使用多级，或者可使用仅一级。

如图1所示，输入电源是连接到全波桥式整流器121的稳压交流正弦波源120。整流交流电压(V_RAC)连接到LED区段103和LED区段104并且通过衰减元件105进行衰减。衰减因数由k₁表示。这将V_RAC减小到一定水平，V_REF，其可由低电压控制电路使用。V_REF用作线性电流调节器的基准，并且输入电流波形将为与输入电压相同的波形。

LED系统300包括电流调节电路310和电流调节电路320。通过电流调节电路310的电流由电流感测电阻器313测量，并且通过电流调节电路320的电流由电流感测电阻器323测量。其他电流感测方法可代替使用。相对于电流调节电路310，误差放大器311上的局部反馈回路比较感测电压与V_REF并且调整电流吸收器312的电流。类似地，相对于电流调节电路320，误差放大器321上的局部反馈回路比较感测电压与V_REF并且调整电流吸收器322的电流。随着下游串区段变为正向偏置，定序逻辑123关闭上游调节器。例如，当LED区段104变为正向偏置时，定序逻辑123关闭电流调节电路310。

该简化的现有技术方法的一个缺点在于，随着电源电压在波幅上增加(峰到峰)，电流也增加。因为输入功率是电压和电流的乘积(P＝I×V)，结果是随着输入电压和电流两者增加而更高的输入功率。这转化成更高的输出功率和灯亮度，从而导致较差的线路调节。一种解决方案是监控平均输入电压并且用它来调整电流的峰到峰波幅。电流和电压之间的关系是倒数I＝P/V，因此电流必须与电源电压的倒数相关。这需要除法运算。除法电路的实施可能是复杂的。代替实施除法电路，与乘法器组合的简单线性函数可用于近似反演。这样做将提供常规线路调节电路所无法提供的有价值的额外益处，而完全不需要额外的电路。

图4示出反演的线性近似完成的方式。实线示出反i₁(v)＝1/v函数，而虚线示出线性i₂(v)＝a-b×v函数。应当注意，i₁和i₂函数均具有正输入的负斜率，从而提供随着输入电压增加而减小输入电流所需的反比关系。在由竖直‘lo’和‘hi’虚线指示的i值的给定范围内，理想的i₁(v)函数可由线性i₂(v)函数近似。

功率为电压乘以电流(P＝V×I)。图5示出常规近似和线性近似两者的一般函数以获得：p₁(v)＝v×i₁(v)和p₂(v)＝v×i₂(v)。p₁表示理想的线路调节，而p₂表示线性近似。这两个函数描述了功率(p)为电压(v)乘以电流(i)。如图4所示，p₁函数保持在v值的整个范围内的恒定功率，而p₂函数下降到所关注的范围之上或之下。这不是线性近似的缺点，而是实际上提供常规线路调节电路缺乏的一些有用的益处。在输入电压的正常操作范围内，功率保持相当恒定，但随着输入电压降低到正常范围之下或增加到正常范围之上，输入电流和功率下降，从而提供安全的操作特性。这里，输入电压的正常操作范围在美国为120V+/-15％(或102V-138V)的峰值。在美国以外输入电压的正常操作范围可能具有不同的峰值，但是基于特定国家的标准峰值+/-15％的公差通常被认为是正常操作范围。与现有技术相比，本发明不与调光器相抵触(如果存在)，但是相反，允许调光器使灯变暗。并且在低调光设置下，输入电流下降而不是增加到破坏性水平。

参见图6，呈现了用于实施上述线性近似的LED系统600。LED系统600包括连接到全波桥式整流器121的稳压交流正弦波源120，如图1和图3所示。该实施例还包括线路调节电路610和电流调节电路620。

线路调节电路610包括衰减元件611，低通滤波器612、衰减元件613、接收基准电压V_RX的减法器614、乘法器616和基准电压615(V_REF)。电流调节电路620与之前用于图3所述的电流调节电路310和320相同。在电流调节电路620中，误差放大器621上的局部反馈回路比较感测电压与V_REF 615并且调整电流吸收器623的电流。

衰减元件611使整流电压V_RAC衰减k1倍。这将V_RAC减小到一定水平，其可由低电压控制电路使用。低通滤波器612具有远低于线路频率的截止频率，实质上提供V_RAC的平均值。表示V_RAC的平均电压的该信号(由k1缩放)然后可任选地由衰减元件613缩放，其值由k₂表示。k₂的值可小于1，等于1，或大于1。然后将缩放的信号提供给减法器614的负输入。将基准电压V_RX施加到减法器614的正输入。平均V_RAC被减去是至关重要的，因为这提供了相对于输入电压波幅的负斜率，该输入电压波幅近似随着输入电压增加而减小输入电流所需的反演。必须仔细选择k₁、k₂和V_RX的值以适当地配置电路以实现可能的最佳线路调节。

线性近似电路的输出然后乘以表示整流交流输入电压的V_RAC信号以提供基准以用于在线性电流调节器中建立电流。利用该线路调节电路，输入电流呈现出纯电阻性，从而精确跟踪输入电压波形。其同时提供合理的线路调节和调光器兼容性。

这些元件的顺序和布置可在不损害本发明的基本前提的情况下改变。

提供给电流调节器的基准电压615，V_REF，由下列公式描述。

当用于在由电流感测电阻器、误差放大器和输出晶体管构成的典型电流调节电路中建立电流时，可应用以下公式。

在图6的例子中，I_REG是通过电流吸收器623的电流，并且R_SNS是RCSX，感测电阻器622的电阻。

图7示出各种线路调节电路的峰值输入电流。标记为“未校正”的曲线示出在不存在线路调节的情况下峰值输入电流将会表现的形式。标记为“理想”的曲线示出在实施完善线路调节的情况下的峰值输入电流。标记为“发明”的曲线示出在使用k₁、k₂和V_RX的优化值实施图6的线路调节电路时的峰值输入电流。

图8示出就输入功率而言对于示于图7中的相同的三种配置的线路调节。输入电压范围为230VAC+/-15％。输出功率在名义上为14W并且在输入电压范围内改变约0.4W。这是+/-3％线路调节。

图9示出对于图7的三种配置在较宽的电源电压范围内的输入电流。线路电压的正常范围由‘Vlo’和‘Vhi’竖直线描绘。重要的是注意到，随着电源电压降低，使用线路调节电路的输入电流(标记为“发明”)峰值不比在正常低线路电压下高得多，然后反转方向并降低。将输入功率降低到正常电源电压范围之上和之下是重要的安全特征。将此与理想线路调节(由标记为“理想”的曲线示出)对比。对于理想的线路调节，输入电流随着输入电压降低而继续上升，最终达到破坏性水平。

图10示出图6的实施例在包括灯调光器1010的LED系统1000中的使用。

图11示出在与灯调光器1010一起使用时图10的电路的行为。随着灯调光器1010减小导通角，提供给驱动器的平均整流交流电压降低。如果采用理想的线路调节电路，调光器1010将不对灯亮度具有任何影响，因为调节电路随着输入电压降低而保持恒定功率。将此与本发明(由在图8中标记为“发明”的曲线示出)对比。随着输入电压降低到电源电压的正常范围之下，输入功率也下降，并且因此亮度随着调光器被调低而降低。调光器1010兼容性是线路调节电路的固有部分。对于调光器兼容性而言不需要专用电路。

参照图12，上述实施例的适用性示于包括N级的LED系统1200中，其中N为1或更大的整数，其中N级中的每个包括LED区段103和电流调节电路620。

参照图13A-图13L，示出线路调节电路610的不同实施例。线路调节电路610可包括衰减元件611、低通滤波器612(其执行平均功能)、衰减元件613、减法器614和乘法器616的不同配置，如各种图中所示。虽然各种部件的配置将在图13A-图13L中改变，但每个部件的操作将与之前所述相同。

本文中对本发明的引用并非旨在限制任何权利要求或权利要求条款的范围，而仅仅是对可由一项或多项权利要求涵盖的一个或多个特征的引用。上文所述的结构、工艺和数值的例子仅为示例性的，而不应视为限制权利要求。应当指出的是，如本文所用，术语“在…上面”和“在…上”均包括性地包括“直接在…上”(之间没有设置中间材料、元件或空间)和“间接在…上”(之间设置有中间材料、元件或空间)。