用于固态灯泡组件的驱动电路的制作方法
【专利摘要】本文件涉及用于固态灯泡组件的驱动电路，特别是涉及用于包括发光二极管的灯泡组件的驱动电路。描述了一种用于固态光源（6）的驱动电路（112）。驱动电路（112）包括将输入电压（11）转换成中间电压（128）的第一电源转换器级（20）；将中间电压（128）转换成光源（6）的驱动电压（15）的第二电源转换器级（22）；以及控制器（100）。该控制器（100）包括：第一控制单元（130），用于产生用于第一电源转换器级（20）的第一控制控制信号（26）；第二控制单元（124），用于产生用于第二电源转换器级（22）的第二控制控制信号（28）；以及状态控制单元（101），用于确定光源（6）的目标状态；其中该第一和第二控制单元（130，124）用于接收指示目标状态的信息（162，163）；以及其中该第一和第二控制单元（130，124）用于基于该指示目标状态的信息（162，163）产生该第一和第二控制信号（26，28）。
【专利说明】用于固态灯泡组件的驱动电路
【技术领域】
[0001]本文件涉及用于固态灯泡组件的驱动电路，特别是涉及用于包括发光二极管的灯泡组件的驱动电路。
【背景技术】
[0002]人们对不使用白炽灯丝的电灯泡的兴趣日益增加，因为基于灯丝的灯泡都被认为是低效率和高能耗的。
[0003]事实上，最近的立法变化意味着传统的白炽灯泡在世界许多地方被淘汰。现有的对白炽灯泡的一种替代是紧凑型荧光灯灯泡。
[0004]固态照明(SSL)，例如基于改造灯的发光二极管(LED)和有机发光二极管(0LED)，提供在效率，即时光输出，光质量，和寿命方面高于基于改造灯的紧凑型荧光灯(CFL)的卓越性能。进入市场的主要成本是产品成本，因为当今的基于LED的灯的商店价格可达CFL灯的10倍。
[0005]LED灯组件的关键元素是LED光源。用流明每瓦测量的发光效率，已经在过去10年显著改善，并对于白光LED，继续进一步增加到2501m/W的水平，具有进一步改善的潜质。
[0006]采用LED光源的另一大优势是他们具有较高的寿命，因为唯一的失效模式是光源的输出耦合光学元件慢慢折旧。
[0007]SSL灯组件通常采用市电或电力线电力供应工作，该市电或电力线电力供应提供AC电压，通常为110V/120V或230V/240V，频率在50至60Hz之间。这种电源电压的交流性质因此导致SSL灯组件的功率本质上是与时间有关的。在一个功率周期中功率通常在零和数倍平均系统功率之间变化。
[0008]需要提供DC驱动信号给SSL装置。由于所谓的下垂影响上升的现时水平，DC驱动信号的任何波动会导致可见的影响如闪烁和SSL效率的退化。
[0009]每当瞬时输入功率高于瞬时输出功率，过剩功率必须存储在电源转换器。每当瞬时输入功率低于瞬时输出功率，缺少的功率必须由电源转换器传递。因此，电源转换器通常包括电存储元件。
[0010]电能量可以采用电感作为电流存储，或采用电容作为电压存储。为了在高于毫秒的时间区域内存储合理数量的电能，电感存储元件往往会变得非常庞大而笨重。电源转换器通常采用电容器储能。
[0011]在先前考虑的设计中，提供了一个包括开关元件的单级。该开关元件为能够以相当高频率来开关电幅值的MOSFET或双极型器件或其他任何设备。
[0012]典型的示例的单级转换器包括反激式变转换器，降压转换器或降压/升压转换器。如果使用单级转换器，该电感存储元件既可连接到转换器的输入端也可以连接到输出端。
[0013]如果存储元件设置在输入端，市电电流仅在一个非常短的时间内被拉升导致市电电流的大失真，该电源电流需要滤波以符合法律标准。进一步，在SSL灯组件中的典型环境温度下，该电容存储元件需要承受非常高的电压，该电压通常高于市电电压的峰值。
[0014]这种电容存储元件通常是具有湿性电解质的铝电解电容，该湿性电解质会慢慢蒸发或扩散，导致设备的退化，特别是在增加温度水平下导致设备的退化。这些设备昂贵，对寿命限制敏感和体积庞大。
[0015]如果存储元件在电源转换器的输出端，它实质上是设置成与SSL装置并联。SSL装置实质上产生非常低的增量电阻。因此能量存储设备的容量必须非常大以实现对进入SSL装置的电流波动进行适当的滤波。通常需要电容量大体高于lOOuF。在很多情况下需要电容量为IOOOuF或更高。
[0016]这种电容存储元件通常是具有湿性电解质的铝电解电容，该湿性电解质会慢慢蒸发或扩散，导致设备的退化，特别是在增加温度水平下导致设备的退化。这些设备昂贵，对寿命限制敏感和体积庞大。
[0017]一种先前考虑的电源转换器拓扑结构具有输入端，输出端和电源开关的公共参考电位。这种拓扑具有简单控制的优点但是具有输出电压高于输入电压的明显的缺点。这些拓扑也被称为升压电路。为在SSL灯组件中使用，输出电压变成高于市电峰值电压，生成高达400伏及以上的输出电压。所需的电容体积大，昂贵并且在提升的温度条件下电容的寿命受到强烈限制。
【发明内容】
[0018]根据另一个方面，描述了一种用于固态灯泡组件的驱动电路。固态光源可以是，例如LED和0LED。该驱动电路通常包括电源转换器，该电源转换器用于将市电电源的电力转换成光源的电力。特别地，该电源转换器可用于将DC输入电压转换成DC输出电压，其中该DC输出电压通常对应于SSL源的导通电压。特别地，该驱动电路可以包括多级电源转换器。因此，驱动电路可包括第一电源转换器级，该第一电源转换器级用于将输入电压转换成中间电压(也称这里为总线电压)。输入电压可以是已整流的市电电压。第一电源转换器级可包括开关电源转换器，例如单端初级电感转换器。此外，驱动电路可包括第二电源转换器级，该第二电源转换器级用于将中间电压转换成用于光源的驱动电压(例如导通电压)。第二电源转换器级可包括开关电源转换器，例如反激式转换器。
[0019]第一电源转换器级可包括用于接收输入电压的输入连接器，用于提供中间电压的输出连接器和开关器件。该输入连接器，输出连接器和开关器件可共用一个公共的参考电位，从而允许使用(成本效率)低端的驱动电路来驱动第一电源转换器级的开关器件。输入连接器的电压可大于第一电源转换器级的输出连接器的电压。第一电源转换器级的例子为SEPIC转换器,反激式转换器和正向转换器。以类似的方式，第一电源转换器级可包括用于接收中间电压的输入连接器，用于提供驱动电压的输出连接器和开关器件。该输入连接器，输出连接器和开关器件可共用一个公共的参考电位，从而允许使用(成本效率)低端的驱动电路来驱动第二电源转换器级的开关器件。
[0020]该驱动电路可包括控制器(例如控制器芯片)。该控制器可包括第一控制单元(如控制器的SW元件)，该第一控制单元用于产生用于第一电源转换器级的第一控制信号。进一步，该控制器可包括第二控制单元(如控制器的SW元件)，该第二控制单元用于产生用于第二电源转换器级的第二控制信号。如上面指出的，该第一和/或第二电源转换器级可包括含有各自的开关电源转换器。这样，该第一和第二控制信号可包括控制各自的开关(或开关器件)的脉冲宽度调制控制信号。该第一和第二控制单元可用于分别交换指示第一和第二控制信号的控制数据。通过这样做，该控制器(特别是第一和第二控制单元的控制器)可用于提高驱动电路的性能(特别是关于收敛速度和/或稳定性的性能)。
[0021]第一控制单元可用于采用具有第一组系数的第一控制算法产生第一控制信号。通过示例的方式，该第一控制算法包括PID控制算法。该第一组系数可包括比例增益、积分增益和/或微分增益。以类似的方式，第二控制单元可用于采用具有第二组系数的第二控制算法产生第二控制信号。通过示例的方式，该第二控制算法包括PID控制算法。该第二组系数可包括比例增益、积分增益和/或微分增益。
[0022]在第一和第二控制单元之间交换的控制数据可包括该第一和/或第二组系数。这样，该第二控制单元可用于基于第一控制单元使用的该组系数确定第二组系数(反之亦然)。更一般来说，第二控制单元可用于基于指示第一控制信号的控制数据产生第二控制信号(反之亦然)。这样，第一和第二控制单元可用于确定第一和第二组系数从而增加收敛速度和稳定性之间的平衡。
[0023]该控制器可包括状态控制单元，该状态控制单元用于确定光源的目标状态(例如目标照明状态)。特别地，该状态控制单元可用于采用状态机从当前状态确定目标状态。灯泡组件(或光源)可工作于多个不同的状态，其中该多个状态指示光源的多个对应的不同照度级。可选地或另外，多个不同状态的一个或多个状态可指示灯泡组件的内部状态。该状态机可包括(或可定义)多个指示光源的多个对应的照度级的状态，以及在该多个状态的至少一些状态之间的多个转换。多个转换通常取决于相应的多个事件。换句话说，从第一状态到第二状态的转换通常由检测到特定的事件触发。多个事件中的一个事件可由一个或多个条件限定。该一个或多个条件可包括一个或多个:关于驱动电路温度的条件；关于预定的时间间隔的条件；和/或关于市电电源电压的条件。
[0024]该状态控制单元可以用于确定该多个状态的当前状态。该当前状态通常是光源当前工作的状态。通过示例的方式，当前状态可指示光源的当前照度级。为此目的，状态可以包括关于提供给光源的功率值的信息。提供给光源的功率值可指示光源的照度级。电灯泡组件的所提供的功率值和实际的照度级之间的具体关系可以在灯泡组件的制造过程中的照明校准的上下文中确定。
[0025]该状态控制单元可用于检测事件，例如基于驱动电路或光源的温度的事件。该事件可由例如温度超过或低于预定的温度阈值的条件来定义。此外，该状态控制单元可以用于基于状态机确定多个状态的目标状态。以示例的方式，该状态机可指示从当前状态到目标状态(如目标照明状态)的取决于事件的转换。
[0026]第一和第二控制单元可用于接收指示目标状态的信息(如目标照明状态)。进一步，第一和第二控制单元可用于基于指示目标状态的信息产生第一和第二控制信号。进一步，第一和第二控制单元可以考虑当前状态(如当前照明状态)，以确保从当前状态到目标状态的快速和/或稳定的控制。
[0027]该控制器可用于接收指示光源的目标调光值的信息。该目标调光值可由调光器设置(例如切相调光器)。这样，该指示目标调光值的信息可对应于由调光器设置的传导角。进一步，控制器可用于接收指示用于设置目标调光值的调光器的类型的信息(如前沿切相调光器或后沿切相调光器)。该第一和第二控制单元可用于基于指示光源的目标调光值的信息和/或基于调光器的类型产生第一和第二控制信号。特别地，该第一和第二控制单元可用于基于指示光源的目标调光值的信息和/或基于调光器的类型确定该第一和/或第二控制算法的第一和/或第二组系数。换句话说，第一和/或第二控制单元可用于将第一和/或第二控制算法(特别是第一和/或第二控制算法的系数)适应到目标调光值和/或调光器的类型。该组系数可基于指示光源的调光值的信息的变化以动态方式适应。
[0028]控制器可进一步包括用于产生时钟信号的中央时钟信号发生器。该第一和第二控制单元可采用该时钟信号同步。
[0029]该控制器可用于接收一个或多个反馈信号。该一个或多个控制信号可包括一个或多个:指示输入电压的信号，指示中间电压的信号，指示驱动电压的信号。该第一和第二控制单元可用于另外基于该一个或多个反馈信息产生第一和第二控制信号。特别地，该第一和第二控制单元可用于基于该一个或多个反馈信号确定该第一和/或第二控制算法的第一和/或第二组系数。换句话说，第一和/或第二控制单元可用于根据该一个或多个反馈信号适应第一和/或第二控制算法(特别是第一和/或第二控制算法的系数)。
[0030]控制器可用于接收关于驱动电路吸取的功率的信息(如关于驱动电路吸取的电流)。该第一和第二控制单元可用于另外基于关于驱动电路吸取的功率的信息产生第一和第二控制信号。特别地，该第一和第二控制单元可用于基于关于驱动电路吸取的功率的信息分别确定该第一和/或第二控制算法的第一和/或第二组系数。换句话说，第一和/或第二控制单元可用于根据关于驱动电路吸取的功率的信息适应第一和/或第二控制算法(特别是第一和/或第二控制算法的系数)。
[0031]根据另一个方面，描述了一种用于包括多级电源转换器的驱动电路的控制器。控制器可包括任何当前文件中描述的特征和元件。
[0032]根据又一个方面，描述了一种灯泡组件。该灯泡组件可包括壳体，位于壳体中的固态发光器件以及连接到壳体并且用于连接到市电电源的电连接模块。进一步，该灯泡组件如本文件中描述的任一方面的驱动电路。该驱动电路可位于壳体中，并且可被连接以从电连接模块接收电力信号。进一步，该驱动电路可用于将电驱动信号提供给发光器件。
[0033]根据另一方面，提供了一种用于灯泡组件的驱动电路，该驱动电路包括固态发光器件和提供驱动电流给发光器件的驱动电路，该驱动电路包括:电源转换器，该电源转换器包括第一级和第二级，该第一级和第二级用于提供驱动电流给连接的发光器件；控制器，用于提供控制信号给第一和第二级，其中第一和第二级中的一个由转换电路实施，该转换电路包括用于接收输入电压的输入连接器，用于提供输出电压的输出连接器，以及开关器件该输入连接器，输出连接器和开关器件共用一个公共的参考电位，其中该转换电路用于提供输出信号，该输出信号的电压比输入信号的电压低。
[0034]根据另一方面，提供了一种灯泡组件，该灯泡组件包括壳体；处于壳体中的固态发光器件；电连接模块，连接到壳体，并且用于连接到市电电源；以及驱动电路(12)，位于壳体中，被连接以从电连接模块接收电力信号，以及用于将电驱动信号提供给发光器件。该驱动电路包括:电源转换器，该电源转换器包括第一级和第二级，该第一级和第二级用于提供驱动电流给连接的发光器件；控制器，用于提供控制信号给第一和第二级，其中第一和第二级中的一个由转换电路实施，该转换电路包括用于接收输入电压的输入连接器，用于提供输出电压的输出连接器，以及开关器件该输入连接器，输出连接器和开关器件共用一个公共的参考电位，以及其中该转换电路用于提供输出信号，该输出信号的电压比输入信号的电压低。
[0035]在一个例子中，该转换电路包括:位于参考电位和输入端之间的输入连接器，串联于输入端和参考电位之间的第一电感能量储存元件以及第一开关元件，串联于该第一电感能量存储元件和参考电位之间并与第一开关元件并联的电容能量存储元件和电压重置元件，与电容能量存储元件和电压重置元件连接的第二开关器件，以及位于第二开关器件和参考电位之间的输出连接器。在一个特定的示例中，电容存储元件在工作期间具有电压，以及电压重置元件用于维持该电压大体与施加到输入连接器的输入电压相等。在一个例子中，该转换电路包括:位于参考电位和输入端之间的输入连接器，串联于输入端和参考电位之间的第一电感能量储存元件以及第一开关元件，串联于该第一电感能量存储元件和参考电位之间并与第一开关元件并联的电容能量存储元件和第二电感能量存储元件，与电容能量存储元件和第二电感能量存储元件连接的第二开关器件，以及位于第二开关器件和参考电位之间的输出连接器。
[0036]在一个例子中，第一和第二级中的一个由单端初级电感转换器SEPIC电路提供。
[0037]在一个例子中，该电源转换器包括:第一电源转换器级，被连接以从电连接模块接收电力信号并且用于根据来自控制器的第一控制信号从电连接模块吸取电能；电容电能量存储装置，被连接用来接收来自该第一电源转换器级的电能；以及第二电源转换器级，被连接用于接收来自第一电源转换器级的电能，以及用于根据接收自控制器的第二控制信号将电驱动电流输出到固态发光器件。
[0038]在一个例子中，该控制器包括数字数据处理装置以及数字数据存储装置，该控制器用于接收输入信号，用于根据该输入信号和存储于数据存储装置的特性信息产生第一和第一控制信号，该特性信息与处于控制之下的灯泡组件相关，以及用于分别提供第一和第二控制信号给第一和第二电源转换器级以控制该第一和第二电源转换器级。根据另一方面，提供了一种灯泡组件，该灯泡组件包括壳体；处于壳体中的固态发光器件；电连接模块，连接到壳体，并且用于连接到市电电源；以及驱动电路(12)，位于壳体中，被连接以从电连接模块接收电力信号，以及用于将电驱动信号提供给发光器件。该驱动电路包括:电源转换器，该电源转换器包括第一级和第二级，该第一级和第二级用于提供驱动电流给连接的发光器件；控制器，用于提供控制信号给第一和第二级，其中第一和第二级中的一个由转换电路提供，该转换电路包括用于接收输入电压的输入连接器，用于提供输出电压的输出连接器，以及开关器件该输入连接器，输出连接器和开关器件共用一个公共的参考电位，以及其中该转换电路用于提供输出信号，该输出信号的电压比输入信号的电压低。
[0039]在一个例子中提供了一种两级电源转换器。在两级电源转换器中，设置存储元件的第三种选择是将该存储元件设置在第一转换器级的输出端。可以选择平均电压水平以及波动数量以优化存储元件的成本、尺寸和寿命并且该平均电压水平以及波动数量完全不与SSL装置工作产生的要求或符合由标准或de要素市场标准定义的某些电源质量目标的要求挂钩。
[0040]在另一个例子中，一种用于SSL灯的双级电源的特征在于存储元件连接在第一和第二级之间，以及选择装置的平均电压来优化装置的成本/性能/尺寸比并且可以设置波动从而使所需的电容值最小化。
[0041]在另一个例子中，连接在第一和第二功率级之间的电容存储元件为陶瓷电容。在一个例子中，电容为多层陶瓷电容器。在另外一个例子中，电容为塑料薄膜电容。
[0042]在另一个例子中，第二电源转换器级具有安全隔离屏障以根据全球安全法规，例如安全电子低电压法规(SELV)将第二级的输出电压与市电电压隔离。
[0043]多个电源转换器级往往具有更高的元件数量，但是由于相比于单级转换器具有较低的电量级和更少的电压条件，单个元件可以设计得更小。
[0044]在一个例子，提供了一种两级电源转换器的结构，该结构的特征在于所有涉及的功率开关与地关联，从而可被与同一地电位关联工作的控制IC装置控制，以及因此不需要额外的电路在参考电位驱动功率开关而是在公共地电位驱动功率开关。
[0045]在一个例子中，电容存储元件设置在第一个转换器级中，连接在电感存储元件和输出电压之间。在一个例子中，该附加的电容也串联有整流元件。通过持续对附加的电容充电达到定义的电压水平来保持输入电压低于输出电压，以及因此适于用于作为SSL装置的电源电压。附加的电容存储元件并不能促进能量转移，而是在通常低于100μ s的高频周期内保持电压恒定。因此，电容可以设计成小尺寸，低成本，并且没有实质性的寿命限制。为了将附加的存储元件的电压维持在一个定义的水平，需要电压重置元件。在一个例子中，该重置元件为连接在附加的电容元件和参考电位之间的电感。
[0046]应该注意，包括如本文件概述的优选实施例的方法和系统可以独立使用或结合该文件揭露的其他方法和系统使用。此外，系统的上下文中概述的特征也适用于相应的方法。此外，本文件概述的方法和系统的所有方面可任意结合。特别地，权利要求的特征可以以任意方式相互组合。
[0047]在本文件中，术语“耦合”或“被耦合”是指彼此之间电通信的元件，不论是直接连接如通过电线，或是以其他方式连接。
【专利附图】
【附图说明】
[0048]图1为灯泡组件的示意图；
[0049]图2为图1的组件的驱动电路的示意方块图；
[0050]图3为用于图2的电路的第二示例驱动的示意方块图；
[0051]图4为用于图2的电路的第三示例驱动的示意方块图；
[0052]图5为电源转换器电路的例子的示意方块图；
[0053]图6为用于图3或图4的驱动的示例控制器的示意方块图；以及
[0054]图7为包括多级电源转换器的示例灯泡组件的示意方块图。
【具体实施方式】
[0055]在当前上下文中，灯泡“组件”包括代替传统白炽灯灯丝型的灯泡所需要的所有的元件。从下面给出的例子的描述将会变得清楚，本文件的教导适于连接到标准电力供应的灯泡组件。在英式英语，该电力供应是指市电电力。而在美式英语，该供应是指“电力线”。其他术语包括“AC电源”，“线路电力”，“家用电力”以及“电网电力”。应当理解这些术语可以很容易互换，并具有相同的意思。[0056]通常，在欧洲的电力供应是230-240V AC，50Hz，以及在北美是110-120VAC，60Hz。载于下文的原理适用于任何合适的电力供应，包括提及的市电/电力线，DC电源，以及经整流的AC电源。
[0057]图1为灯泡组件的示意图；该组件I包括灯泡壳体2以及电连接模块4。该电连接模块4可为螺纹式或卡口式，或其他任何形式的连接到灯泡座的连接件。固态光源6，优选发光二极管(LED),设置在壳体2中。光源6可由单个发光器件或多个这样的器件提供。
[0058]驱动电路8位于灯泡壳体2中，用于将从电连接模块4接收到的电力转换成用于固态光源6的受控的驱动电流。
[0059]该壳体2给光源和驱动元件提供一个适当的坚固的外壳，并且包括需要的光学元件以从该组件提供所需的输出光。该壳体2也提供散热功能，因为光源温度的管理对光输出的最大化和光源寿命非常重要。相应地，该壳体设计成使光源产生的热能够从光源导走，并且作为一个整体位于组件外面。壳体设计的一个复杂之处在于，对于消费产品，为了防止伤害用户，壳体的外温度必须适当低。这些要求可导致壳体设计制造复杂。相应地，谨慎和准确地管理灯泡的热特性是可取的。
[0060]图2更详细地展示了图1的驱动电路8和光源6。该驱动电路8包括整流器10，该整流器10接收交流电(AC)，并在其输出处传送整流电流(DC)ll。这个DC电源由驱动器12接收,该驱动12用于输出受控的DC驱动信号以提供电能给光源6。来自驱动器12的输出驱动信号的电压和电流特性由光源6使用的发光器件的类型和数量确定。提供给光源6的功率根据所需的工作条件来控制。在一个例子中，该光源包括多个发光器件，以及需要具有50V或更高的驱动信号。通常，驱动信号可在IOV到高于100V的范围。
[0061]图3展示了示例的适于用于图2的驱动电路8的第一示例的驱动器12。该第一驱动器12包括由控制器24控制的第一和第二电源转换器级20和22。在这个例子中，该第一电源转换器级20接收来自整流器10的DC电源11，以及用于将电源信号转换成具有所需的功率，电压以及电流特性的中间信号。该中间信号被提供给第二电源转换器级22以转换成提供给光源的受控的输出驱动信号15。应当理解，该整流器10可由远程整流器替代，远程整流器给灯泡组件提供经整流的AC电源，或由DC电源如电池替代。
[0062]电感电能存储装置21设置在第一和第二电源转换器级20和22之间。能源存储装置21从第一电源转换器级接收电能，和提供能量给第二电源转换器级22。能量存储装置21有利于克服由输入电源信号的交流特性引起的可用功率的波动。
[0063]每个电源转换器20和22包括至少一个电感储能器件，以及至少一个开关器件。该开关器件由控制器16控制，并且可由金属氧化半导体场效应管(MOSFET)器件或其他适于开关高电压(例如数百伏)的器件提供。
[0064]在一个例子中，第一和第二电源转换器级20和22中的一个由转换电路提供，该转换电路具有输入和输出连接器，以及开关器件，该输入连接器，输出连接器和开关器件共用一个公共的参考电位，以及其中该转换电路使输出信号的电压比输入信号的电压低。该电路的一个例子是SEPIC (单端初级电感转换器)电路，下面将会进行描述。其他的级可由合适的电路拓扑提供。例如，可用于其他电源转换器级的降压转换电路，升压斩波电路，降压/升压转换电路，另一 SEPIC电路，或反激式转换电路。电路拓扑的一些组合会比其他更合适。[0065]控制器24接收与电源转换器级20和22和/或光源的工作相关的各个传感信号或反馈信号25和27，并提供各个控制信号26和28给第一和第二电源转换器级20和22以使驱动信号15适于光源6所需的操作。下面将更详细地解释控制器的工作。
[0066]图4展示了示例的适于用于图2的驱动电路8的第二示例的驱动器12。该第二驱动器12’与图5的第一驱动器12类似，并且包括由控制器24控制的第一和第二电源转换器级20和22。该第一电源转换器级20从合适的源例如整流器10接收DC电源11，以及用于将电源信号转换成具有所需的功率，电压以及电流特性的中间信号。该中间信号被提供给第二电源转换器级22以转换成提供给光源的受控的输出驱动信号15。
[0067]如前述的例子，电容电能存储装置21设置在第一和第二电源转换器级20和21之间。能源存储装置21从第一电源转换器级接收电能，和提供能量给第二电源转换器级22。能量存储装置21有利于克服由输入电源信号的交流特性引起的可用功率的波动。
[0068]每个电源转换器20和22包括至少一个电感储能器件，以及至少一个开关器件。该开关器件由控制器24控制，并且可由适于开关高电压的金属氧化半导体场效应管(MOSFET)器件或其他器件提供。如前面所述，第一和第二电源转换器级20和22中的一个由具有输入和输出连接器以及开关器件的电路提供，该输入连接器，输出连接器和开关器件共用一个公共的参考电位，以及其中该电路使输出信号的电压比输入信号的电压低，如SEPIC (单端初级电感转换器)电路。其他的级可由合适的电路拓扑提供。例如，可用于其他电源转换器级的降压转换电路，升压斩波电路，降压/升压转换电路，另一 SEPIC电路，或反激式转换电路。电路拓扑的一些组合会比其他更合适。
[0069]控制器24接收与电源转换器级20和22和/或光源的工作相关的各个传感信号或反馈信号25和27，并提供各个控制信号26和28给第一和第二电源转换器级20和22以使驱动信号15适于光源6所需的操作。下面将更详细地解释控制器的工作。
[0070]第二驱动器12还包括次级控制电路30和隔离器32。该次级控制电路30用于从第一电源转换器级20接收传感/反馈信号25，以及通过隔离器32将那些信号传递到控制器24。同样，控制器24可用于通过隔离器32将控制信号传递给次级控制电路30，以提供给第一电源转换器级20。在电源转换器级和控制器工作在不同的电压水平的情况下，该隔离器32用于将第一电源转换器级20与控制器24隔离。
[0071]SEPIC (单端初级电感转换器)电路为DC-DC电源转换器电路的配置，该DC-DC电源转换器电路的输入和输出信号具有公共地或参考电位。SEPIC电路的例子如图5所示，并且包括设置于输入端31和参考电位32之间的输入连接器。第一电感能量存储元件33和第一开关34串联于输入端31和参考电位32之间。电容能量存储元件35以及电压重置元件36串联于第一电感存储元件33以及参考电位32之间，并与第一开关34并联。电压重置元件36可用于维持电容存储元件35的电压大体等于在输入连接件接收的输入电压。该电压重置元件可由第二电感能量存储元件提供。
[0072]第二开关37连接在电容存储元件35和输出端38之间。该输出端38提供电路的输出连接器，该输出连接器与输入连接器具有相同的参考电位32。该电压重置元件36可由电感，电感/ 二极管组合，或任何合适的元件提供。
[0073]第一开关器件34被连接从而当开关接通时，输入电压施加到第一电感存储元件33。第一开关器件34可由任何合适的开关器件如MOSFET或双极型晶体管提供。[0074]电容存储装置35工作从而在一个开关周期内开关器件电压的变化明显小于由电容存储装置35存储的电压。此外，存储装置35的平均电压大体等于输入电压。
[0075]第二开关器件37被连接从而第二开关器件在开启状态时第一电感存储元件33的电压为输入电压，输入电压和电容存储兀件电压的线性总和。电容存储器件35的电压确定与第一电感存储元件33相关的电流。第二开关器件37可由任何合适的开关器件如二极管提供。
[0076]图5的SEPIC电路的重要特性为输入和输出连接器以及第一开关器件共用一个公共参考电位，以及电路用于产生输入电压低的输出电压。
[0077]图6展示了示例的适于用于图3或图4的驱动器的控制器40的一个可能的例子。该控制器40包括:输入/输出接口单元42，该输入/输出接口单元42用于接收传感/反馈信号S以及用于输出控制信号C ;用于系统的所有控制的处理单元；以及用于存储被处理装置44使用的数据的数据存储装置46。可提供通信输入/输出装置48使处理单元44能够与其他装置通信，例如使用合适的有线或无线通信协议。控制器40还包括:电源稳压器50，该电源稳压器给控制器40中的装置提供电源；以及时钟信号发生器52 (如震荡电路)，时钟信号发生器52用于向处理单元44提供基准时钟信号。
[0078]该处理单元44用于产生用于控制电源转换器中的开关器件或器件的控制信号C。通常，该控制信号为脉冲宽度调制信号，该脉冲宽度调制信号控制电源转换器的开关器件的占空比(也就是说“开”对“关”的比例)，以及因此控制该输出驱动信号15。该处理单元将接收到的与电源转换器和/或光源的工作条件相关的信号与作为数据存储在数据存储装置46的特性信息结合。该处理单元使用与输入信号相关的信息结合存储的特性信息来确定输出给电源转换器的正确的控制信号值。
[0079]在图6的例子，通过借助提供的数据存储装置46，该处理单元44是可编程的。该数据存储装置可由熔丝阵列，一次性可编程设备(0ΤΡ)，闪存设备，或任何其他非易失性存储设备来提供。该设备可以是可重新编程的，或在灯泡组件制造过程中可以可编程一次。提供可编程数据存储装置使处理单元的功能能够根据电源转换器的工作特性变化，可让单个驱动电路用于一系列不同的灯泡组件。该传感/反馈信号分别为电源转换器和/或光源的工作状态。例如，该信号可表示任何在电源转换器或光源中的电压或电流水平。可选地，或另外，该信号可与至少一个温度，输出光水平，输出光频率，具有特定频率或一个范围的频率的输出光量级，存在检测信号，红外水平和/或环境光水平相关。
[0080]该输入/输出界面单元42包括用于提供数字信息给处理单元44的模拟数字转换器。
[0081]在该驱动器的控制器可为标准元件，使控制单元的制造成本较低，以及因此驱动器的成本也低。另外，控制单元以及驱动器的物理尺寸可以优化，从而驱动器可以用于大范围的不同尺寸的灯泡应用。
[0082]可编程控制单元能够提供具有所需范围的特征的驱动器，如调光，不需要为每个类型的灯泡提供不同的驱动电路。在一个例子中，该控制器在单个集成电路中实现，例如使用CMOS (互补金属氧化物半导体)衬底0.35微米工艺。
[0083]图7展示了示例的包括驱动电路112 (例如驱动电路12或12’ )的灯泡组件I的方块图，驱动电路包括控制器(如控制芯片)100 (如控制器24或30)。驱动电路112包括两级电源转换器，该两级电源转换器具有第一转换器级20和第一转换器级22。在所示的例子中，该第一转换器级20为SEPIC转换器以及第二转换器级22为反激式转换器。两个转换器级20，22采用各个控制单元130，124以及各个PWM (脉冲宽度调制)发生单元131，125控制。控制器100的元件采用单个中央时钟信号发生器152计时，从而确保控制器100的不同元件(尤其是控制单元130，124以及PWM发生单元131，125)以同步方式工作。
[0084]该控制器100可从驱动电路112接收一个或多个模拟电信号，该模拟电信号可作为反馈信号控转换器级20，22.特别地，该控制器100可接收来自市电输入电压(例如与已整流的输入电压I成比例的电压)的电压，来自总线电压128的电压(例如使用分压器127)和/或来自驱动电压15的电压。控制器100可包括模拟数字(A/D)转换器126，该模拟数字转换器126用于将来自驱动电路112的一个或多个电反馈信号转换成数字信号。该反馈信号可被控制单元130，124用来控制转换器级20，22。
[0085]该控制器100还可包括状态控制单元101 (例如处理单元44)。该状态控制单元101可从温度传感器102 (通过A/D转换器103)接收温度信息和从存储单元146 (例如数据存储单元46)接收系统状态数据。该系统状态数据可描述用于灯泡组件I的状态机。该状态机的每个状态可以(例如特征为)与温度事件相关联，该状态对温度事件敏感。进一步，该状态机可以(例如特征为)与各个事件发生时进入的后续状态相关联。
[0086]换句话说，该状态机可包括多个状态(例如照明状态)，该多个状态可指示各个预定的调光值。特别地，多个状态中的一个状态可指示电源转换器级20，22的设置(设置与LED6的各个调光值相关联)。又换句话说，该状态可指示供给LED6的功率(功率与LED的各个调光值或照明水平相关联)。进一步，该状态机可定义一个或多个事件，该事件可触发状态机的多个不同状态之间的转换。通过示例的方式，LED6的温度特定估算值可导致多个不同状态之间的转换。可能的事件为，例如跨过温度阈值，超时事件，用户生成事件，在输入电源电压(即在市电电源)检测到的事件如输入电源电压的一个特定切相角。状态机可包括多个状态，其中每个状态与LED6的对应的照度级如LED的最大照度级(如100%)，LED的中间照度级(如50%)，LED的另一中间照度级(如10%)，和/或如LED的最小照度级(如0%)(如“关”)相关联。每个状态可由各个LED功率值定义，也就是说由提供给LED6的功率值定义。
[0087]进一步，该状态机可包括多个事件。事件可由一个或多个条件定义，例如与温度传感器102测量的温度(可对应于控制器芯片100的温度，假设片上温度传感器102)相关的条件。第一事件可由温度低于第一阈值Tl的条件定义，第二事件可由温度小于T2大于等于Tl的条件定义，第三事件由温度小于T3大于等于T2的条件定义，第四事件由温度大于等于T3的条件定义。
[0088]可选地或另外，事件可由与温度的转换有关的条件来定义，芯片温度702的转换为从低于阈值T1，T2，T3中的一个的温度转换成高于Τ1，Τ2，Τ3中的一个的温度(或相反)。换句话说，定义事件的事件或条件可与从任一方向跨过阈值Tl，Τ2，Τ3中的一个有关。
[0089]利用上述状态以及事件，状态机可定义从当前状态到目标状态的转换，取决于事件的检测。状态机多个不同状态之间的转换做出滞后。从较低的照度状态到较高的照度状态的转换的滞后比相反的转换的滞后通常需要更低芯片温度。通过这样做，状态机的稳定性可以得到改善。特别是可以避免状态之间的波动。
[0090]如上文所述，本文件提出使用双级开关电源转换器，该开关电源转换器采用例如由同步数字控制器100控制的组合的SEPIC/FLYBACK拓扑。提出的转换器架构的优点是在第一和第二转换器级20，22之间的DC连接总线电压128相对低和DC连接总线电压的动态范围相对高。使用两级电源转换器容许没有或有限的浪涌电流的工作。进一步，使用设置为适当的系数的控制回路允许相对高的功率因数。使用包括控制单元130的数字控制器容许可编程性。特别地，将控制单元130，124中使用的控制算法的控制系数适应到光源6的状态是可能的。另一优点是提出的转换器架构支持无力的泄漏的电流，从而使转换器结合调光器能够有效使用。
[0091]图7的控制器100包括中央时钟振荡器152 (如时钟信号发生器52)和系统状态机101。控制器100的所有方块作为完整的同步系统工作于由中央时钟振荡器152 (也称为时钟信号发生器)产生的公共时钟。输入电压，DC连接总线电压128以及LED电压15可使用公共A/D转换器单元126作为反馈和控制输入被感知。
[0092]控制器100用于接收关于在市电电源设置(如使用切相调光值设置)的所需的调光值166的信息。为了检测所需的调光值166，驱动电路112可包括调光值监测单元，该调光值检测单元从市电电压确定所需的调光值166。可选地或另外，所需的调光值166可以是时间函数或可通过外部接口(比如通过无线接口)接收。换句话说，调光值作为时间的函数，切相信息的函数或来自外部接口(无线)的函数设置输出功率。
[0093]状态控制单元101可用于调整控制算法，该控制算法作为所需的调光值166的函数，作为时间(灯泡组件的启动或灯泡组件的正常工作)的函数和/或作为市电电源(如通过切相角调光器如前沿切相模式或后沿切相模式提供的市电电源或正常模式的市电电源)的函数在控制单元130，124中执行。工作参数和/或状态信息可能存储在存储单元146 (例如可以使一次性可编程OTP存储器)。
[0094]如图7和4所示，控制单元130，124 (或30，24)可交换关于用于各个其他转换器级20，24的控制信号的信息。通过这样做，可以确保两级电源转换器的稳定性。如图7所示，第一转换器级20的第一控制单元130可从状态控制单元101接收状态信息162，从第二控制单元124接收控制数据161，从时钟信号发生器152接收控制信号和/或从驱动电路112 (通过A/D转换器126)接收一个或多个(如关于市电电压11，总线电压128和/或驱动电压15的)反馈信号。第一控制单元130可用于确定第一控制算法(如第一控制算法的系数)，该第一控制算法用于基于一些或所有接受到的信息控制第一转换器级20。特别地，第一控制算法可基于被第二控制单元124使用的控制数据161来确定。
[0095]以类似方式，第二控制单元124可从状态控制单元101接收状态信息163，从第一控制单元130接收控制数据161，从时钟信号发生器152接收控制信号和/或从驱动电路112 (通过A/D转换器126)接收一个或多个(如关于市电电压，总线电压和/或驱动电压I的)反馈信号。第二控制单元124可用于确定第二控制算法(如第二控制算法的系数)，该第二控制算法用于基于一些或所有接受到的信息控制第二转换器级22。特别地，第二控制算法可基于被第一控制单元130使用的控制数据161来确定。
[0096]通过示例的方式，取决于照明状态的改变(如从10%照明到50%照明)，可以响应由照明状态的改变引起的负载瞬态来修改第一和/或第二控制算法来避免DC连接总线电压128的瞬间下降。特别地，可以(暂时)增加第一和/或第二控制算法的收敛速度，以响应负载瞬态容许增加的收敛速度。收敛到新的照明状态后，收敛速度可再次下降，从而有利于第一和/或第二控制算法的精度和/或稳定性。
[0097]第一和第二控制算法可以由各自的第一和第二控制函数H(e(n))描述，其中e(n)是由控制算法降低或最小化的误差项(其中η表示样本数量)。通过示例方式，可操作第一控制级20从而第一控制级20的输出端的总线电压128对应于目标总线电压。第一控制函数的误差项可以是总线电压和目标总线电压的差值。以类似的方式，可以操作第二控制级22从而驱动电压15对应于光源6的开启电压。第二控制算法的误差项可以是驱动电压15和光源6的开启电压的差值。
[0098]第一和第二控制函数H(e (η))可包括第一和第二组系数。通过示例的方式，第一和第二控制函数H(e (η))可对应于PID控制函数
[0099]
【权利要求】
1.一种用于固态灯泡组件(6 )的驱动电路(112 )，该驱动电路(112 )包括: 将输入电压(11)转换成中间电压(128 )的第一电源转换器级(20 ); 将中间电压(128)转换成光源(6)的驱动电压(15)的第二电源转换器级(22);以及 控制器(100)，该控制器(100)包括: 第一控制单元(130)，用于产生用于第一电源转换器级(20)的第一控制控制信号(26)； 第二控制单元(124)，用于产生用于第二电源转换器级(22)的第二控制控制信号(28);以及 状态控制单元(101)，用于确定光源(6)的目标状态；其中该第一和第二控制单元(130，124)用于 接收指示目标状态的信息(162，163);以及其中该第一和第二控制单元(130,124)用于基于该指不目标状态的信息(162,163)产生该第一和第二控制信号(26,28)。
2.如权利要求1所述的驱动电路(112)，其中该第一和第二控制单元(130，124)用于分别交换指示第一和第二控制信号(26，28)的控制数据(161)。
3.如权利要求2所述的驱动电路(112)，其中 第一控制单元(130)利用具有第一组系数的第一控制算法产生第一控制信号(26); 第二控制单元(124)利用具有第二组系数的第二控制算法产生第二控制信号(28); 该交换的控制数据(161)包括第一和/或第二组系数。
4.如权利要求3所述的驱动电路(112)，其中该第一和/或第二控制算法包括PID控制算法；和/或 该第一和/或第二组系数包括比例增益、积分增益和/或微分增益。
5.如权利要求3或4所述的驱动电路(112)，其中该第一和第二控制单元(130，124)用于确定该第一和第二组系数从而增加收敛速度和稳定性之间的平衡。
6.如权利要求2至5任一项所述的驱动电路(112)，其中该第二控制单元(124)基于指示第一控制信号(26 )的控制数据(161)产生该第二控制信号(28 )。
7.如前述权利要求任一项所述的驱动电路(112)，其中 该状态控制单元(101)用于利用状态机从当前状态确定目标状态； 该状态机包括指示光源(6)的多个对应的照度级的多个状态，以及在该多个状态的至少一些状态之间的多个转换；以及 该多个转换取决于多个事件的各个事件。
8.如前述权利要求任一项所述的驱动电路(112)，其中 该控制器(100)用于取回指示光源(6)的目标调光值的信息(166);以及该第一和第二控制单元(130，124)用于基于指示光源(6)的目标调光值的信息(166)产生第一和第二控制信号(26，28)。
9.如权利要求8的驱动电路(112)，其中 该控制器(100)用于取回指示用于设置目标调光值的调光器的类型的信息；以及该第一和第二控制单元(130，124)用于基于调光器的类型产生第一和第二控制信号(26，28)。
10.如前述权利要求任一项所述的驱动电路(112)，其中该控制器(100)还包括用于产生时钟信号的中央时钟信号发生器(152);以及 该第一和第二控制单元(130，124)采用该时钟信号同步。
11.如前述权利要求任一项所述的驱动电路(112)，其中 该控制器(100)用于接收一个或多个反馈信号； 该一个或多个反馈信号包括一个或多个:指示输入电压(11)的信号，指示中间电压(128)的信号，指示驱动电压(15)的信号；以及 第一和第二控制单元(130，124)用于基于该一个或多个反馈信号产生第一和第二控制信号(26，28)。
12.如前述权利要求任一项所述的驱动电路(112)，其中该输入电压(11)为整流的市电电压。
13.如前述权利要求任一项所述的驱动电路(112)，其中 第一和第二电源转换器级(20，22)包括开关电源转换器，该开关电源转换器包括相应的开关；以及 第一和第二控制信号(26, 28)包括用于控制相应的开关的脉冲宽度调制控制信号。
14.如前述权利要 求任一项所述的驱动电路(112)，其中 第一电源转换器级(20)包括单端初级电感转换器；和/或 第二电源转换器级(22 )包括反激式转换器。
15.如前述权利要求任一项所述的驱动电路(112)，其中 第一个电源转换器级(20 )包括用于接收输入电压(11)的输入连接器，用于提供中间电压(128)的输出连接器，以及开关器件，该输入连接器，输出连接器和开关器件共用一个公共的参考电位；和/或 第二个电源转换器级(22)包括用于接收中间电压(128)的输入连接器，用于提供驱动电压(15)的输出连接器，以及开关器件，该输入连接器，输出连接器和开关器件共用一个公共的参考电位。
16.一种灯泡组件(I)包括: 壳体(2)； 处于壳体(2)中的固态发光器件(6)； 电连接模块(4)，连接到壳体(2)，并且用于连接到市电电源；以及如权利要求1-15任一项所述的驱动电路(12)，位于壳体(2)中，被连接以从电连接模块(4)接收电力信号，以及用于将电驱动信号(15)提供给发光器件(6)。
【文档编号】H05B33/08GK103843461SQ201280048949
【公开日】2014年6月4日 申请日期:2012年10月11日 优先权日:2011年10月12日
【发明者】霍斯特·诺根, 斯特凡·扎雷尔科赫 申请人:Dialog半导体有限公司