专利名称：用于驱动发光二极管单元的装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于驱动发光二极管(LED )的装置。
作出本发明时特别考虑到其可能在包括多个LED单元如RGB LED 单元的装置中的使用，并且一般用于驱动多色发光系统如限定可调白光发 光系统，其中RGBLED单元即为包括RGB三色发光系统的LED单元。
背景技术：
除了用作显示单元之外，发光二极管(LED)作为发光源正在变得越 来越普遍。这主要适用于所谓的高通量(HF)或者高亮度LED。通常， 这些LED以单元布置，每个单元由以并^/串联布置来耦合的一个或者多 个LED组成。
其中每个都包括具有给定发射波长(即相应的"颜色")的一个或者多 个LED的多个单元的组合产生组合光辐射，该组合光辐射的特征(谱、 强度等)可以通过适当地控制各单元的贡献而被有选择地调整。例如，三 个单元，其中每个都包括以三色系统的基本色(例如RGB)之一的波长 来发射的一组二极管，产生白光和/或可有选择变化的颜色的辐射。这样 的装置可以包括例如适于产生不同"温度"的白光的所谓可调白光系统。基 本上相似的装置可以包括每个都由实质上同一颜色的一个或者多个LED 组成的多个单元，并且产生其强度可以被有选择地调节以满足具体发光要 求(例如在给定空间、显示区等的不同区域中提供不同的发光7jC平)的光 源。
在这样的装置中，需要并联连接两个或者更多LED通道，同时又避 免必须使用有源元件来控制具有不同电压降的各通道上的电流。
目前的解决方案涉及沿每个通道分布的电流调节器。这些电流调节器 尤其是在高电流LED的情况下引入造成不可忽略的功率损耗的附加电压 降。可以针对每单个通道引入具有电流控制的开关级以改进功率耗散。然 而，这又引入数个附加功率部件，且增加驱动器成本和复杂度。
发明目的和内容
尽管在前文中考虑的现有技术装置能够提供令人满意的操作，但是它
们仍然无法针对避免使用有源元件来控制向具有不同电压降的不同LED 的通道递送的电流这一 问题提供解决方案。
本发明的目的在于针对上文概述的问题提供一种完全令人满意的解 决方案。
根据本发明，该目的是通过具有所附权利要求中所阐述的特征的驱动 装置来实现。权利要求是这里提供的本发明公开内容的组成部分。
因此，本发明的优选实施例是用于将高频发生器生成的电流馈送^r 个都包括至少一个LED的多个LED单元的驱动装置，该装置包括以并联 结构布置的相应的多个LED通道，以及成对耦合所述多个LED通道的一 个或者多个耦合电感器。
实质上，这里描述的装置充分利用了在通道中引入耦合电感器以便即 使在通道中存在大为不同的正向电压也对LED电流执行电流均衡。
具体而言，当将高频电压源施加到表现出不同正向电压并且与一个耦 合电感器耦合的LED通道对时，在耦合电感器的芯中的不平衡磁通量确 定动态阻抗，其中该动态阻抗往往通过基本上运用负反馈行为来补偿不同 LED电压。
现在将参照附图，仅通过示例来描述本发明，在附图中 -图l是这里描述的驱动器装置的第一实施例的示例性电路图， 國图2是这里描述的驱动器装置的第二实施例的示例性电路图， -图3是表示图2所示驱动器装置中出现的电流的时间图。
具体实施例方式
图1图示了用于RGBLED单元的驱动装置的电路图。这样的驱动器 级基本上是"降压型(buck) "HF驱动器。
具体而言，在图1中，标号10表示方波发生器，该发波发生器将其
信号经由磁性元件11 (即电感器)以及串联置于这样的磁性元件11之后
的去耦合电容器12供应到分别以标号1、 2、 3和4表示的四个并联通道。
举例而言，方波发生器10是将24V电压施加到4.7nH电感器11和 150nF去耦合电容器12的逆变器。
四个并联通道l、 2、 3、 4中的每一个并联通道包括相应的LED单元 33，在图1中所示示例中，相应的LED单元33仅包括一个LED。在LED 单元33之前布置有电压倍增器结构，该结构包括通过第一 (优选为陶瓷 的)电容器42连接到接地点21的反向二极管43和通过第二 (优选为陶 瓷的)电容器41连接到接地21的正向二极管(direct diode) 44。 LED 单元33连接在陶资电容器41、 42的没有连接到接地21的端子之间。
虽然所有"LED，，通道1、 2、 3、 4都重复至所描述的相同的结构，但 是这些通道l、 2、 3、 4可以视为成对布置，其中耦合电感器(即变压器) L12、 L23、 L34在类似电压倍增器的结构上游、在各通道的开始处与所 述去耦合电容器12串g置。
更为重要的是
-耦合电感器L12包括通道l上的第一线團(即绕组)和通道2上的 相应的互感线圏，
-耦合电感器L23包括通道2上的第一线圏和通道3上的相应的互感 线圏，以及
-耦合电感器L34包括通道3上的第一线圏和通道4上的相应的互感 线圏。
这样的耦合电感器L12、 L23、 L34在通道l、 2、 3、 4的大为不同的 正向电压的情况下允许进行对LED电流的准完全电流均衡。
如果将高频电压源施加到正向电压Vf的值不同并且与这样的耦合电 感器之一耦合的两个LED单元，则自动产生由耦合电感器的芯中的不平 衡磁通量引起的动态阻抗，该动态阻抗往往补偿不同LED电压。
具体而言，由低正向电压Vf引起的一个通道中的电流增加将实质上 以负^J绩的形式产生该通道的动态阻抗的增加。
为了使用耦合电容器作为电流均衡器，要避免将连续电压施加到磁化 电感，将连续电压施加到/^化电感导致磁芯饱和。此外，为了得到耦合电
感器的正确表现，要执行对在耦合电感器中流过的电流的重置。因此，这
里描述的装置特别适合存在HF电压或者电流源的情况。
如果耦合电容器如刚刚所述那样使用，则仅需要小尺寸磁芯；事实上
不需要安全绝缘来去耦合两个不同的LED通道(没有爬电距离/电气间 隙)，且仅存在少量的不平衡通量(小的芯尺度)。
举例而言，在LED单元33表现出9欧姆的电阻且并联通道1、 2、 3、 4的正向电压分别为10V、 13.5V、 15V和20V的情况下，耦合电感器L12、 L23、 L34可以具有500nH值。可以选择具有ljiF值的电容器41和42。
图1的电路实质上需要例如仅仅两个用以创建HF电压发生器10的 功率MOSFET、 一个由磁性元件11代表的功率电感器和N-l个小耦合电 感器，其中N是代表LED通道数目的整数。
电容器12除去了负载电流的直流分量，而代表磁性元件11的电感器 减少了由引入的电容性元件引起的尖峰。
LED需要单向且优选为恒定的电流源；在所示装置中，这是通it^ 每个通道中插入两个二极管43、 44和两个陶瓷电容器41、 42来保证的。 (在前文中称为"类似电压倍增器的")这一结构通过将功率源的频率加倍 来产生所需电流，从而使动态响应4艮快。
电感器11和电容器12共同形成谐振电路;如果发生器10中MOSFET 的工作频率略低于所得谐振频率，则可以实现低存储无功功率(reactive power)和MOSFET零电流操作(低开关损耗)。
图2示出了驱动装置的第二实施例，其中，为了允许由各通道驱动的 一个或者多个LED的亮度有选择的变化，在各通道1，、 2，、 3，、 4，上添 加额外MOSFET 72，由相应的低侧驱动器70即在低频PWM(脉宽调制) 模式下工作的方波复生器来驱动。在其它方面，所公开的电路实质上对应 于参照图l描述的电路，区别在于在这里，四个去耦合电容器22置于 相应的通道l，、 2，、 3，、 4'中，相对于耦合电感器L12、 L23、 L34处于下 游且与其串联，由此去除了图1所示的去耦合电容器12。
保持了"电压倍增器"结构，且额外MOSFET 72将其漏电极连接到 LED单元33的正端子。
实质上，在图2的实施例中，图1的单个电容器12被各通道的电容 器22所取代，以避免在同一元件中的由所有通道的电流引起的电压降。 此外，仅提供电容器41,与LED单元33并耽故置。举例而言，电容器22具有56nF的电容，而电容器41具有2pF的电容。与已经参照图l描 述的部件对应的其它部件保持相同值。
所示MOSFET接地而无需隔离的驱动器。MOSFET驱动器哞^令为 负逻辑；当LED单元33关断时，对应的MOSFET 72导通，且使这样的 LED单元33短路，从而保持总的通道电流。
图3中所示的时间示了在PWM调光(PWMdimming)阶段中 针对各个通道测量的作为时间t的函数的电流Il、 12、 13、 14。
在发明人至今为止进行的实验中，使用了正向电压大为不同的LED (大于50%),同时使用频率相同的PWM控制信号，其中向三个通道应 用不同的接通间隔Ton。所得波形表明起始电it^目似，而通道的电流完全 不受其它通道断开的影响。
所提出的装置不但可以与谐振电路结合应用，而且也可以与具有不同 拓朴且在并联LED通道上工作的转换器结合应用。例如，它可以与通过 包含一个或者两个MOSFET的驱动级来馈送电流的逆变器结合应用。在 这一情况下，通过置于并联通道上的相同互感器的漏电感，能够获得滤波 电感器。
此外，在这一示例中也便于在每个开关循环重置互感器中的电流。根 据这样的模式操作，通过以"边界线"方式、即在连续和非连续操作之间的 边界上操作转换器，能够获得最佳性能。
本领域技术人员应当理解，例如
-尽管这里例示了四个通道，但是所讨论的单元和通道事实上可以是 任何数目(因此，在附图中图示可能存在三个单元完全是举例性质)，以 及
各通道可以包括具有单个LED或者多个LED的通道。
具体而言，所提出的装置不但结合RGB系统有效，而且一般结合并 联LED通道也有效。例如，当希望具有高功率、即希望使用24个白LED 时，这些LED需要按并联逸改置，以避免过度的电压降，该电压降由串 联结构确定并且需要通过电流调节所施加的超过电压限制的电压，例如 25Vrms。因此，需要按照每个具有六个LED的至少四个并联通道来配置 相关电路，在为每个通道仅仅添加少数低成本部件的情况下，所提出的装 置能够驱动该电路。
在不损害本发明的才艮本原理的情况下，相对于前文仅作为示例所述的 内容，甚至可以明显地改变各个细节和实施例而不脱离如所附权利要求限 定的本发明的范围。
因此，虽然特别考虑了在驱动RGB LED光源中可能的使用而示出和 描述了本发明的特定实施例，但是，应当理解本发明不限于此，因为本领 域技术人员可以在不脱离本发明的范围的情况下实现其它的实施例。因 此，设想本发明涵盖包括驱动多色发光系统如可调白光发光系统的任何实 施例。
权利要求
1.一种驱动装置，用于将高频发生器(10)生成的电流馈送给每个包括至少一个LED的多个LED单元(33)，所述装置包括以并联结构布置的相应的多个LED通道(1，2，3，4；1’，2’，3’，4’)以及耦合所述多个LED通道(1，2，3，4；1’，2’，3’，4’)中的通道对的一个或者多个耦合电感器(L12，L23，L34)。
2. 根据权利要求l所述的装置，其特征在于，所述装置包括级联至 所述高频发生器(10 )的磁性元件(11 )。
3. 根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述装置包括去 耦合电容器(12 )，该去耦合电容器(12 )布置在向着所述多个LED通道(1， 2, 3， 4)的电流的流动路径中。
4. 根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，包括多个去耦合 电容器(12)，其中每个去耦合电容器(12)布置在所述LED通道(l，， 2，， 3，， 4，)的相应的一个LED通道中。
5. 根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述多个去耦合电容 器(12)布置在所述LED通道(1，， 2，， 3，， 4，)的相应的一个LED通 道中包括的耦合电感器(L12， L23， L34)的下游。
6. 根据任一前a利要求所述的装置，其特征在于，所述多个LED 通道(l， 2， 3， 4; 1，， 2，， 3，， 4，)包括用于馈送所述LED单元(33) 的相应的电压倍增器结构(41, 42， 43， 44)。
7. 根据任一前述权利要求所述的装置，其特征在于，所述多个LED 通道(l， 2, 3， 4; 1，， 2，， 3，， 4，)包括用于执行调光功能的相应的附 加电子开关(72)。
8. 根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所W目应的附加电子 开关(72)耦合到根据PWM调;3b漠式来驱动所^目应的附加电子开关(72)的低侧驱动器(70)。
9. 据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置包括驱动器 级，所述驱动器级至少包括级联至所述高频发生器(10)的MOSFET。
10. 根据任一前述权利要求所述的装置，其特征在于，所述高频发生 器(10)被配置用于在每个开关循环重置所述一个或者多个耦合电感器(L12, L23, L34)中流过的电流。
11. 根据权利要求l所述的装置，其特征在于，所述多个发光二极管(33)共同限定三色发光系统。
12. 根据权利要求l所述的装置，其特征在于，所述多个发光二极管 (33)共同限定多色发光系统。
13. 根据权利要求l所述的装置，其特征在于，所述多个发光二极管 (33)共同限定RGB发光系统。
14. 根据权利要求l所述的装置，其特征在于，所述多个发光二极管 (33)共同限定可调白光发光系统。
全文摘要
一种驱动装置，用于将与磁性元件(11)耦合的高频发生器(10)生成的电流馈送给多个LED单元(33)，其中每个LED单元(33)都包括至少一个LED。该装置包括以并联结构布置的相应的多个LED通道(1，2，3，4；1’，2’，3’，4’)，以及成对耦合所述多个LED通道(1，2，3，4；1’，2’，3’，4’)中的通道的一个或者多个耦合电感器(L12，L23，L34)。
文档编号H05B33/08GK101347047SQ200680048883
公开日2009年1月14日 申请日期2006年11月16日 优先权日2005年11月22日
发明者尼古拉·赞福林 申请人:奥斯兰姆有限公司