本发明涉及用于驱动至少两组固态照明元件的驱动器和驱动方法。
背景技术：
将不同颜色的光源组合起来以使能可变的颜色输出是众所周知的。通过独立控制三个原色光源，可以生成一系列输出颜色。通常，每个光源都设置有分离的驱动器。例如wo2014/103666中所公开的这种单个驱动。
还存在照明系统，其中组合了两种不同颜色的光源。虽然这不能使得输出颜色的全色控制，但它确实使得能够获得各种照明效果。例如，通过组合白色和红色led串，色温调光是可能的，通过色温调光，色温根据调光水平而变化。
为了降低成本，在具有这种色温调光的系统(诸如基于发光二极管(led)的照亮器)中使用单一功率转换级将是可取的。
已经提出了使用组合了开关电容器转换器(scc)和切换电感式转换器的混合转换器的具有成本效益的功率转换器。这些类型的转换器提供有效的高开关频率操作、降低的尺寸以及降低的复杂性。当前的模式控制使得它们特别适用于基于led的照明应用。
例如，wo2015/040575公开了为驱动两种不同的led使用这种类型的混合开关电容器转换器设计以便实现黑体调光，其中，色点根据调光水平而变化。在wo2015/040575中，两个led处于分离的并联配置，并且转换器传递两个独立的输出电压，每个输出电压与分离的输出滤波器相关联。因此，仍然有一些组件的副本。此外，还使用额外的可控电压调节器来调整开关电容转换器的电压。
技术实现要素：
当需要分立解决方案时，避免添加具有两个分离驱动器的复杂性和成本是特别重要的，那么这可能还需要修改以提供附加智能以便使得期望的组合功能性能够被实施。相反，期望将双驱动器解决方案集成为单一集成电路的一部分，使得添加所期望附加功能性的电路开销成本方面存在较小影响。将组件计数降低到单一有源封装可减少印刷电路板的复杂性、占板面积和成本。
本发明的基本思想是在开关电容器功率转换器的相同输出处串联连接两个固态照明元件(诸如led区段)，使得开关电容器功率转换器可以为两个照明元件供电。此外，额外的开关可以被耦合到两个照明元件中的一个以用于附加的控制。以这样方式，可以分别地控制两个照明元件。
本发明由权利要求所限定。
根据本发明的一个方面的示例，提供了一种用于驱动至少两组固态照明元件的驱动器，包括：
开关电容器功率转换器，包括电容器组和开关阵列、输出根据开关阵列被限定；
开关装置，选择性地用于：
在输出处将第一组照明元件和第二组固态照明元件以串联连接方式连接；或者
在输出处连接第一组固态照明元件，而不连接第二组固态照明元件；以及
控制器，用于提供开关电容器功率转换器的第一占空比控制和开关装置的第二占空比控制。
在这种驱动器设计中，开关电容器功率转换器和开关装置是使用占空比方法独立控制的。开关电容器功率转换器被用于提供总体电流控制，并且开关装置被用于通过控制第二组照明元件是否被连接到输出来控制第二组的平均电流。本发明因此提供具有单一输出的驱动器，例如使用单一输出电感器来为两个以上的固态照明元件供电。该驱动程序适用于单片集成。
输出可以包括第一、第二和第三输出端子，每个在开关阵列的相应节点处，其中，开关装置选择性地用于：
将第三输出端子耦合到第二组固态照明元件，从而将第一组固态发光元件和第二组固态发光元件串联耦合在输出处；或者
将第二输出端子耦合到第一组固态照明元件和第二组固态照明元件的串联连接之间的连接点，从而在输出处耦合第一组固态照明元件，而不耦合第二组固态照明元件。
以这种方式，针对第一组照明元件在第一输出端子与第二输出端子之间限定第一双端子输出，并且针对第二组照明元件在第二输出端子与第三输出端子之间限定第二双端子输出。当开关装置的占空比控制关断第二组照明元件时，它们不会短路，而是较低的驱动电压仅被施加到第一组照明元件。这意味着不需要增加开关电容器功率转换器的电压范围/维持开关电容器功率转换器的转换比率，并且还降低开关电容器转换器的开关上的电压应力。
电感器优选地被设置在驱动器的第一输出端子与第一负载端子之间。这提供了一种使用电感和开关电容转换的混合转换器设计。该电感器可被用于平滑开关电容器功率转换器切换期间的输出电流。电感优选地在两个双端子输出之间共享。这是可能的，因为两组固态照明元件在两者被驱动时都是串联的。
该控制器可以包括：
光强度输入，适合于接收期望的光强度；以及
光颜色输入，适于接收期望的光颜色，
并且其中，控制器适于根据所接收的期望的光强度和期望的光颜色来确定通过第一组固态照明元件的第一平均电流和通过第二组固态照明元件的第二平均电流。
以这种方式，确定两个平均电流，从而使得期望的平均电流流过两组固态照明元件以发射期望的输出。
控制器可以被配置为根据第一平均电流来控制第一占空比。
以这种方式，第一占空比被用于设定总体电流水平，总体电流水平将通过第一组固态照明元件被完全驱动并且将通过第二组固态照明元件被部分地驱动。
控制器进一步适于根据第二平均电流和第一平均电流来控制第二占空比。
以这种方式，第二占空比被用于通过设定第二组照明元件正在使用的时间的一部分来设定颜色。
该驱动器可以包括：
第一电流传感器，用于感测流向第一组固态照明元件的电流并且报告给控制器；以及
第二电流传感器，用于感测流向第二组固态照明元件的电流并且报告给控制器。
以这种方式，反馈控制被用于调节两个电流，这反过来一起限定了期望的总体强度和颜色。
可以提供第一电流控制电路，用于调整第一占空比，以用于控制流向第一组固态照明元件的电流；并且可以提供第二电流控制电路，用于调节第二占空比，以用于控制流向第二组固态照明元件的平均电流。
控制电路因此实施独立的电流反馈控制，以及提供给两个电路的设置提供所需的强度和颜色设置。
该堆的电容器和开关阵列可以包括串联连接的开关，其中相应的电容器被连接在每个相邻开关对的两端，其中交替开关以互补方式切换。
因此，开关阵列包括第一组开关和利用在开关之间的节点以互补方式切换的第二组开关，并且这是开关电容器功率转换器(scc)的典型设计。
输出端子中一个例如适于提供具有水平是开关电容器功率转换器的输入电压水平的一部分的输出电压，并且该输出电压取决于开关电容器功率转换器的转换比率，并且第一输出端子处的电压高于第二输出端子处的电压，而反过来第二输出端子的电压高于第三输出端子处的电压。这是开关电容器功率转换器的典型输出布置。
第一组固态照明元件的正向电压优选地匹配开关电容器功率转换器的第一输出端子与第二输出端子之间的输出电压范围，并且第一组固态照明元件和第二组固态照明元件的正向电压的总和匹配开关电容器功率转换器的第一输出端子与第三输出端子之间的输出电压范围。第三输出端子例如是参考或接地电势。
以这种方式，驱动器的输出电压总是与被驱动的负载匹配。这意味着开关电容器功率转换器的电压范围不需要增加，维持开关电容器功率转换器的转换比率，并且开关电容器转换器的开关上的电压应力也被降低。
本发明还提供一种照明系统，包括如上文所限定的第一led串和第二led串，其中，第一led串和第二led串被串联连接，其中，第一led串的阳极被连接到第一负载端子，并且第二led串的阴极被连接到第三负载端子。
第一led串可以具有白色输出并且第二led串可以具有红色输出。
这使能驱动器提供黑体调光，其中，色点根据调光水平而变化。
根据本发明的另一方面的示例提供了一种用于驱动至少两组固态照明元件的方法，包括：
使用开关电容器功率转换器来生成用于形成第一驱动器输出、第二驱动器输出和第三驱动器输出的第一输出、第二输出和第三输出；
使用开关装置以选择性地：
在输出处将第一组固态照明元件和第二组固态照明元件以串联连接方式连接；或者
在输出处连接第一组固态照明元件，而不连接第二组固态照明元件；以及
提供开关电容器转换器的第一占空比控制和开关装置的第二占空比控制。
该方法可以包括：
根据所接收的期望的光强度和期望的光颜色来确定通过第一组固态照明元件的第一平均电流和通过第二组固态照明元件的第二平均电流；
根据第一平均电流控制第一占空比；以及
根据第二平均电流和第一平均电流来控制第二占空比。
参考下文描述的(一个或多个)实施例，本发明的这些和其他方面将变得显而易见并得以阐明。
附图说明
现在将参考附图详细描述本发明的示例，其中：
图1示出了用于以至少两组固态照明元件的形式驱动负载的驱动器；
图2更详细地示出了适合电路布置的一个示例；
图3示出了解释电路操作的电流和占空比曲线；
图4示出了用于控制转换器的两个分离的反馈系统；
图5示出了用于选择图4的反馈系统的设定点的光控制器。
具体实施方式
本发明提供了一种用于驱动至少两组固态照明元件的驱动器。提供了一种开关电容器功率转换器，并且开关装置被选择性地用于在功率转换器的输出处将第一组固态照明元件和第二组固态照明元件以串联连接方式连接，或者在功率转换器的输出处连接第一组固态照明元件，而不连接第二组的固态照明元件。开关电容器功率转换器的第一占空比和开关装置的第二占空比控制都被控制。
在这种驱动器设计中，开关电容器功率转换器和开关装置是使用占空比方法独立控制的。开关电容器功率转换器被用于向第一组固态照明元件和第二组固态照明元件二者提供电流控制，并且开关装置被用于控制第二组照明元件是否被连接到输出，以便调谐第二组的输出。
图1示出了驱动器，包括向开关电容器功率转换器12提供电源电压的电压源10。功率转换器12具有三个输出端子14a、14b、14c。第一输出端子14a被连接到至少包括电感器18的输出滤波器16，并且输出滤波器16的输出端限定了第一负载端子20a。
驱动器是用于以至少两组固态照明元件的形式驱动负载。第一组22固态照明元件包括具有白色输出的一串led，例如基于具有磷光体转换层的蓝色led以将蓝色光转换为白色光。第二组24固态照明元件包括具有红色输出的一串led。应理解的是，这些颜色仅仅是示例，并不限制选择第一组固态照明元件和第二组固态照明元件。
开关装置26被设置在功率转换器的第二输出端子14b和第三输出端子14c处并且控制输出端子与第二负载端子20b和第三负载端子20c之间的连接。
第一组22的led被连接在第一负载端子20a与第二负载端子20b之间，并且第二组24的led被连接在第二负载端子20b与第三负载端子20c之间。因此，两组22、24的led通过在它们之间的串联接合处的第二负载端子20b被串联连接在第一负载端子20a与第三负载端子20c之间，。
开关装置26是用于提供两种电路配置。
在第一电路配置中，第三输出端子14c被耦合到第二组固态照明元件24的阴极，从而在输出处将第一组固态照明元件22和第二组固态照明元件24串联耦合。在这种情况下，第二负载端子20b是浮动的。
在第二电路配置中，第二输出端子14b被连接到第二负载端子20b，由此在输出处耦合第一组22固态照明元件，而不耦合第二组24固态照明元件。在这种情况下，第三负载端子20c是浮动的。
以这种方式，第一双端子输出被限定在第一组22固态照明元件的第一输出端子14b与第二输出端子14c之间，并且第二双端输出被限定在第二组24固态照明元件的第二输出端子14b与第三输出端子14c之间。
控制器28提供开关电容器功率转换器12的第一占空比控制(由占空比控制信号d1示出)和开关装置26的第二占空比控制(由占空比控制信号d2示出)。
开关电容器功率转换器12和开关装置26使用占空比方法独立地控制。开关电容器功率转换器12被用于提供总体电流控制，并且开关装置26被用于控制第二组照明元件是否被连接到输出，以便调谐第一组与第二组之间的输出比率。
在第二电路配置中，第二组24的led不短路，而相反较低的驱动器电压(在输出端子14a与输出端子14b之间)仅被施加到第一组22照明元件。这意味着不需要增加开关电容器功率转换器的电压范围。
该驱动器具有双输出，但使用单一输出电感器18，并且已经降低了开关电容器功率转换器12的开关上的电压应力。该驱动器适用于单片集成。
提供第一电流传感器22a用于感测流向第一组22的led的电流并且报告给控制器28，以及提供第二电流传感器24a用于感测流向第二组24的led的电流并且报告给控制器28。感测的电流可以用于控制相应的占空比。
以这种方式，反馈控制被用于调节由反馈路径30表示的两个电流，这反过来一起限定了期望的总体强度和颜色。如前馈信号路径32所示，在电压源10处也存在电压感测。
控制器28因此实施反馈和前馈闭环控制。
两个控制输入被提供给控制器28。第一个34包括光强度设定点，而第二个36包括色温设定点。
在该驱动器中，由功率转换器12提供的输出电流可以通过三种措施来控制：脉宽调制(pwm)、频率调制(fm)和/或通道上电阻调制。通过第二组24的led的输出电流可以凭借脉宽调制使用开关装置26独立地控制，从而使能色温调光。
图2更详细地示出了适合的电路布置的一个示例。为了清楚起见，不包括控制器方框28和传感器。
开关电容器功率转换器12包括电容器组c1至c5和开关阵列s1至s6，其中，三个输出端子14a、14b、14c被限定在开关阵列的节点处。
该堆的电容器和开关阵列包括串联连接的开关s1至s6，其中相应的电容器被连接到每个相邻开关对两端。
在所示的示例中，存在六个开关和五个电容器。电容器c1与串联连接的开关s1和s2并联连接。电容器c2与串联连接的开关s2和s3并联连接。电容器c3与串联连接的开关s3和s4并联连接。电容器c4与串联连接的开关s4和s5并联连接。电容器c5与串联连接的开关s5和s6并联连接。
电容器c1、c3和c5限定了分压器，分压器设定了两个直流电压水平vdc1和vdc2。输出端子中的至少一个(特别是第一输出14a和第二输出端子14b)提供水平是输入电压vin的一部分的的电压，并且该电压与开关电容器功率转换器12的转换比率相关，并且根据开关s1至s6的占空比。第一输出端子14a处的电压高于第二输出端子14b处的电压，第二输出端子14b处的电压反过来高于第三输出端子14c处的电压。
开关s1与s2之间的节点限定了第一输出端子14a。开关s4与s5之间的节点限定了第二输出端子14b。开关阵列的底部(低电压)端处的节点限定了第三输出端子14c。这例如是接地连接。
第一组22固态照明元件的正向电压匹配开关电容器功率转换器的第一输出端子14a与第二输出端子14b之间的输出电压范围，并且第一组22固态照明元件和第二组24固态照明元件的正向电压的总和匹配开关电容器功率转换器的第一输出端子与第三输出端子之间的输出电压范围。以这种方式，驱动器的输出电压总是与被驱动的负载匹配。
该配置是已知的开关电容器配置。交替开关以互补方式切换。因此，只有两个开关控制信号φ1和φ2。这些一起形成第一占空比控制d1。
因此：
φ1＝(φ2)-
在开关电容器功率转换器中，对于一个典型示例，其中，电容器c1、c3和c5具有相同电容，取决于范围从100％至0％的φ1的占空比，在第一输出14a(相对于地)处的电压范围是从全输入电压至输入电压的2/3，。在第二输出14b处的电压是输入电压的1/3。
第一输出电容器col在第一组22的led的两端，并且第二输出电容器co2在第二组24的led的两端。该电路形成3:1梯形电路，其中，电压vol被限定在第一组22的led的两端并且电压vo2被限定在第二组24的led的两端。
限定第一占空比控制d1的两个信号的频率和占空比通过闭环控制来调整，以便根据光强度设定点34和色温来设定点36通过电感器18和led串来设定电流水平，这将在后文详细讨论。
开关装置26包括具有来自控制器的信号φd2所切换的第二输出端子14b与第二负载端子20b之间的第一开关s7，以及具有来自控制器的信号φd1所切换的第三输出端子14c与第三负载端子20c之间的第二开关s8。这些一起形成第二占空比控制d2。
因此：
φd1＝(φd2)-
当φd1激活时，s7断开，而s8闭合。这限定了电流流过两个led串22、24的第一配置，由此发射红色光和白色光。在这种情况下，占空比d1为：
d_(1,φd1)＝(3(〖v_o1+v〗_o2))/vin-2。
对于d1＝1的占空比，不存在转换并且(vo1+vo2)＝vin。当d1＝0，(vo1+vo2)＝0.666vin。输出电压可以在这些值之间调节。
当φd2激活时，s7闭合，而s8断开，电流仅流过第一(蓝色)led串22(其中主要为白色输出)。在这种情况下，占空比d1为：
d_(1,φd2)＝(3v_o1)/vin-1。
对于dl＝1的占空比，不存在转化并且vo1＝0.666(vin)，因为输入电压的三分之二落在电容器c1和c2两端。当d1＝0时，vol＝0.333vin，即仅电容器c3两端的电压。输出电压可以在这些值之间调节。
占空比与电压之间的上文的公式仅用于示出开关电容器功率转换器内的固有关系。在实时调节中，基于电流反馈而不是电压控制来控制占空比d1。为了调整占空比，感测通过电感器18的平均电流。存在不同的方式来实施这种控制，例如使用与led负载串联的电阻。该感测相反可以通过测量用于实施开关s1或s2的晶体管之一的漏极-源极电压来实施。
以这种方式，通过第二led串24的电流由高频脉宽调制而调光。通过闭环控制来调整占空比d2，以便根据光强度设定点34和色温设定点36来设定光输出，这将在后文详细讨论。
第二占空比控制d2使能控制通过第二组24的led的电流。
第一组22的led(i_led1)与第二组24的led(i_led2)的平均电流之间的关系由下式给出：
i_led2＝d2*i_led1
该方程将电感器或第一组22的led中的平均电流与第二组24的led中的平均电流相关。
应注意，当两组固态照明元件处于电路中时，输出处的负载会更大。因此，为设定占空比d1的电流反馈控制将适于负载以便设定输出电流。因此，d1的占空比控制比d2的更快速率。占空比控制d1操作直至开关电容器转换器的开关频率，而例如对于自适应调光控制，占空比控制d2较慢。
例如，第一循环控制d1的占空比控制在数十或数百khz下操作。而d2的占空比以较低的频率(例如khz或数百hz)操作以减轻闪烁。
形成开关装置26的开关s7和s8的线防止第一组22的led落在功率转换器12的降低的动态范围之外。当φd1为低(即(φd1)-)时，第二组24的led不被供应功率，因此功率转换器必须仅供应电压vo1，如果第二组24的led将短路接地，电压vo1将落在第一输出14a与第三输出14c之间的转换器的电压范围之外。相反，第一组22的led的阴极被连接到第二输出端子14b，第二输出端子14b改变功率转换器配置以提供用于仅供应第一组22的led的适当转换范围。
图3示出了电流和(d2的)占空比曲线以解释该电路操作。该曲线基于由具有作为第一组的正向电压为3v的单一蓝色led以及具有作为第二组的正向电压为2.75v的单一红色led组成的输出led串。
曲线40示出了通过蓝色led的电流。曲线42示出了通过红色led的电流。曲线44示出了提供给功率变换器(作为中心实线)的参考电流和电感器电流，这随着频率比在图中可以看到的频率更高而变化，因此在中心实线的上方和下方都有实心带。曲线46示出了用于控制开关s8的占空比信号φd1，并且其限定了占空比信号d2。
在图3中，首先，开关电容器功率变换器的输出电流水平为0.2a，然后存在从0.2a到0.3a电流水平中的调整。该电流稍后调节回到0.2a。可以看出，当红色led接通和关断时，电流是相同的，使得两个led的峰值电流相同。然而，总体强度和色点可以独立控制。例如，所显示的红色led被操作的较短时间段。这意味着所增加的亮度伴随着红色内容相对量的下降。
从图3可以看出，通过等于电感器电流的蓝色led的电流遵循光强度设定点和色温设定点，如曲线44中的实线所表示。红色led具有方波电流，其中，峰值等于电感器电流。红色led的导通时间由信号φd1所控制。该电路对通过两个led(并且因此在一个完整实施方式中通过两个led串)的电流的控制提供单一功率传动系，这可以被采用于led灯的黑体调光。
转换器的控制可以利用两个分离的反馈系统来实施，如图4中所示。
图4的顶部示出了电流控制电路50，电流控制电路50接收用于第一组22的led的电流设定点52。图4的底部示出了电流控制电路54，电流控制电路54接收用于第二组24的led的电流设定点56。存在两个独立的闭环控制电路，这使得可设定每个led串的电流。它们二者以常规方式利用负反馈操作，并且导致为两个占空比控制选择定时信号。通过直接或间接手段感测led电流，并且与参考设定点进行比较。所得的误差信号(∈_(r,x))由闭环控制器(gc,x)处理，为功率转换器提供占空比信号d1和d2。具有调制器(pwmx)的脉冲将占空比信号d1和d2转换为开关激活信号(φ_1、φ_2、φ_d1和φ_d2)。
通过调整两个电流设定点52、56来实施光强度和色点的正确组合。通过调整电感器中的平均电流来控制光强度(但是考虑到电流将流到一组、然后两组led的时间的量)，并且通过调整红色光与相关于白色光的比例，从而调整第二组led中的电流。
例如，如果亮度需要相当于通过一组led的200ma平均电流，并且色点需要白色(第一组)与红色(第二组)之间的4:1比率，则该设置可以被设定为第一组的平均电流为160ma，而为第二组的平均电流为40ma。160ma电流在第一负载端子处的恒定输出，并且输出到第一组led，并且它是电路50的设定点。占空比的1/4被施加到d2，使得1/4*160ma＝40ma。仅四分之一的时间是环路中的第二组照明元件，但也处在160ma。因此，恒定160ma白色光输出和1/4占空比160ma红色光的组合将提供200ma平均电流和4:1色点。
占空比d1对于第二组led处于接通和关断的时间段是不同的，因为从功率转换器汲取不同的功率。
为了选择正确的两个设定点，如图5所示的光控制器60包括能够将期望的视觉设置(光强度和色温)转换为(基于代数表达式或基于查找表)的所需的正确的电流水平的算法。然后这些电流水平被用作电流控制系统的设定点。以已知的方式，从光设置转换到led电流水平的算法是基于led的特性。
以这种方式，控制器根据所接收的期望的光强度和期望的光颜色，确定通过第一组固态照明元件的第一平均电流(其对应于平均电感器电流，因为该电流总是流过第一组固态照明元件)和通过第二组固态照明元件的第二平均电流。
因此，驱动器实施一种控制方法，通过该控制方法提供开关电容器转换器的第一占空比控制，以及提供开关装置的第二占空比控制。根据所接收的期望的光强度和期望的光颜色，如上文所解释，确定通过第一组固态照明元件的第一平均电流和通过第二组固态照明元件的第二平均电流。根据第一平均电流来控制第一占空比(因为这总是流过第一组照明元件)并且根据第二平均电流和第一平均电流来控制第二占空比。
本发明提供了一种多模式功率转换器，特别是用作led驱动器。该驱动器可被集成为片上系统或系统封装的一部分。它可能特别地被用于黑体色温调光。
上文示例是基于使用开关电容器布置和用于电流平滑的电感器滤波器的混合转换器。电感器不是必需的，并且本发明可以仅被施用于开关电容器转换器。
根据研究附图、公开内容和所附权利要求，本领域技术人员在实践要求保护的本发明时可以理解和实现所公开的实施例的其他变型。在权利要求中，词语“包括”不排除其他元件或步骤，并且数量词“一”或“一个”不排除多个。在相互不同的从属权利要求中所记载了某些措施这一纯粹事实并不指示这些措施的组合不能被有利地使用。权利要求中的任何参考符号不应被解释为限制范围。