Led调光器兼容性的系统和方法
【专利摘要】本发明涉及一种LED调光器兼容性的系统和方法，其提供适合应用的LED系统，而不管调光器是否存在或使用的调光开关的类型。这些系统和方法提供高功率因数，而不浪费能量。至少有三种LED照明器件可见的波形类型。该兼容性电路可以被集成到LED照明器件中，使得该器件可以被拧到任何现有的灯插座中。该器件可用在插座中，而无论调光器是否存在于线路上。如果调光器存在，其可以是后沿调光器或前沿调光器。如果线路上不存在调光器，LED照明器件接收直接的AC线路输入。PFC级的输出晶体管的切换基于存在的调光器类型被智能应用。
【专利说明】LED调光器兼容性的系统和方法
【背景技术】
[0001]调光开关是允许用户通过简单转动旋钮或滑动条从近乎暗淡调整到全亮的光照水平的有用的电气组件。早期的调光开关具有调整光照水平的非常简单的解决方案，即可变电阻器。利用可变电阻器，所述电阻器的总电阻通过调整电荷必须经过的电阻材料的距离来进行调整。在电荷移动通过电阻器时，能量以热量的形式失去。串联电路中的电阻器引起电路中的电压降，减少可用于其他负载的能量(例如，灯泡)。灯泡两端的减少的电压将降低其光输出。
[0002]这种解决方案的问题是大量的能量损失加热电阻器，这不利于照亮房间，但仍然消耗能源成本。除了低效以外，这些开关往往是累赘和潜在危险的，这是由于可变电阻器释放大量热量。
[0003]代替将灯泡的能量转移到电阻，现代的调光开关快速关闭和接通灯电路，以降低流过电路的总能量。灯泡电路每秒被关断很多次。开关周期围绕交流(AC)波动建立。AC电流在起伏的正弦波中具有变化的电压极性，其从正电压波动到负电压。现代的调光开关在每次电流反向时(就是说，每逢有零电流穿过电路时)自动关断灯泡电路。发生这种情况是每个周期两次，或每秒120次。当电压返回达到一定的电平时，再打开灯电路。
[0004]这个打开值基于调光开关旋钮或滑动条的位置。如果调光器被转到较亮的设置，将在切断后快速接通。电路在周期的大部分时间接通，因此其向灯泡供应每秒更多的能量。如果调光器被设置较低的光亮，电路将等待直到周期中的稍晚再接通。这种开关电路中的中心元件是三极管交流开关，或双向三极管开关。
[0005]双向三极管开关是较小的半导体器件，类似于二极管或晶体管。双向三极管开关具有连接到电路两端的两个端子和用于触发导通的第三栅极端子。两个端子之间总是有电压差，但是其随着交流电流的波动而变化。就是说，当电流以一个方向移动时，第一端子带正电，而第二端子带负电，以及当电流以另一个方向移动时，第一端子带负电，而第二端子带正电。
[0006]栅极通过可变电阻器的方式也被连接到电路。这种可变电阻器以与较旧的调光开关设计中的可变电阻基本相同的方式工作，但是其不浪费相当多的能量来产生热量。双向三极管开关作为电压驱动的开关动作，其利用控制开关动作的栅极上的电压，以及可变电阻器控制栅极上的电压。
[0007]当端子间存在正常的电压以及栅极上有较小的电压时，双向三极管开关像断开的开关一样动作(其不会导电)。一旦足够的电压被施加到栅极，其开始导电。双向三极管开关具有其保持导通所需要的最小“保持电流”。如果这种保持电流不满足，双向三极管开关将断开，无论调光器或负载存在多少电压。如果这种保持电流在典型AC期间不满足，双向三极管开关会重复触发，产生非预期的操作例如多个接通/断开周期。
[0008]实际的顺序取决于电流的方向改变，就是说，AC周期的哪一部分存在于双向三极管开关之间。通过使用用于不同光源例如发光二极管(LED)的双向三极管开关，引入了以前的解决方案迄今未解决的需求。
【发明内容】
[0009]示例实施例提供LED调光器兼容性的系统和方法。
[0010]系统的示例实施例包括具有至少一个LED的LED照明器件；以及被连接在LED照明器件与到LED照明器件的AC输入之间的功率因数校正(PFC)控制器。PFC控制器经配置确定LED照明器件是接收来自直接AC线路、后沿调光器还是来自前沿调光器的AC输入；以及基于所述确定控制被连接到LED照明器件的栅极晶体管。
[0011 ] 其他实施例提供所述系统的方法和LED调光器兼容性的方法。示例方法包括确定LED照明器件是接收来自直接AC线路、后沿调光器还是来自前沿调光器的AC输入；以及基于这样的确定控制被连接到LED照明器件的功率因数校正(PFC)电路的栅极晶体管。
【专利附图】
【附图说明】
[0012]图1示出用于白炽灯泡的墙壁调光器的示例实施例的电路图。
[0013]图2示出用于白炽灯泡的后沿调光器的示例实施例的电路图。
[0014]图3示出图2的后沿调光器的电压和电流曲线的示例实施例的信号图。
[0015]图4示出被用于控制前沿调光器中的调光的相位角的示例实施例的信号图。
[0016]图5示出被用于控制后沿调光器中的调光的相位角的示例实施例的信号图。
[0017]图6示出升压功率因数控制器电路的示例实施例的电路图。
[0018]图7示出结合调光开关的图6的升压功率因数控制器电路的示例实施例的电路图。
[0019]图8示出具有智能PFC控制器的图7的升压功率因数控制器电路的示例实施例的电路图。
[0020]图9示出图8电路的各种调光器输出和开关控制信号的示例实施例的信号图。
[0021]图10示出LED调光器兼容性的方法的示例实施例的流程图。
【具体实施方式】
[0022]转动调光器开关旋钮，将接触臂(或接触片)在可变电阻器上枢轴转动，增加或减少其总电阻。当旋钮被设置在“暗淡”时，可变电阻器提供更大的电阻，因此其阻碍电流。结果，必要的升压电压不会在燃点电容器上尽快建立。在电容器被充电足以使双向三极管开关导通的时候，AC电流周期有条不紊地进行。如果旋钮以其他方向转动，则可变电阻器提供更小的电阻，并且电容器在波动周期中较早产生必要的升压电压。当电流波动返回到零电压点时，没有什么驱动电流通过双向三极管开关，因此电子停止移动。耗尽区再次形成，并且双向三极管开关失去其导电性，直到升压电压在栅极上建立。
[0023]现代的LED灯本身不采用现有的照明设施例如调光器来工作。LED通常不提取足以保持现有调光器导通的功率，从而引起不稳定的行为。如果未被设计为采用基于双向三极管开关的调光器工作的LED照明器件被插入到双向三极管开关调光器中，则根据调光器的设置和所述调光器的设计，会发出很少的光(如果有的话)。通常情况下，LED会重复闪烁，这是因为LED未提取足够的功率以保持调光器的双向三极管开关元件持续导通。如图1的电路100所设置，基于双向三极管开关的调光器可以在器件中用RC电路建模。被连接到灯泡130的墙壁调光器120包括双向三极管开关125和二端交流开关135。在AC周期的开始，双向三极管开关125在非导通状态。接着，电容器Cl通过电阻器Rl和灯泡130充电。当电容器Cl上的电压超出二端交流开关135的阀值电压(例如，20伏)时，二端交流开关135被触发，将能量转储到双向三极管开关125的控制栅极，使得双向三极管开关导通，所述二端交流开关135可以被认为是一个可控硅整流器(SCR)的锁存器。电阻器Rl控制双向三极管开关125何时导通，从而启用调光的功能，所述电阻器Rl在调光器应用中是可变的。
[0024]一旦双向三极管开关125导通，其需要一定量的电流例如50毫安持续流过，以保持导通模式。否则，双向三极管开关125断开。来自灯泡130的负载维持双向三极管开关125的保持电流。双向三极管开关125断开，接近AC输入的过零点，所述周期重复。
[0025]LED照明灯具的挑战是首先提取一些合理的电流电平，这看上去好像是AC线路输入HO的低阻抗，以获得Cl上的电压，从而将Cl初次充电到20伏。一旦双向三极管开关125导通，LED照明灯具通常不提取保持双向三极管开关125导通的足够电流，从而断开双向三极管开关125。这种挑战可以用额外的线路或能量存储来解决。
[0026]其他的解决方案已经提出线路的低阻抗，以在双向三极管开关断开之前触发双向三极管开关和电容器中的存储能量。这些先前的解决方案可以解决LED照明灯具中存在的双向三极管开关的挑战，但是当直接连接到AC源时，这些电路产生非常低的功率因数。此夕卜，这些解决方案可以满足基于双向三极管开关的调光器，但是他们并非一直很好地与后沿调光器工作。另一个方案是通过浪费能量来操控系统。能量可以通过提取试图保持双向三极管开关在导通状态的过电流而被浪费。这实现了更高功率因数，但是以效率为代价。所公开的LED调光器兼容性的系统和方法提供适合应用的LED系统，而不管调光器是否存在或使用的调光开关的类型。这些公开的系统和方法提供高功率因数，而不浪费能量。
[0027]不是所有的调光器都是相同的(例如，某些响应于前沿，而其他响应于后沿)。不同的方法可以被用在某些应用中，以满足不同调光器的电流要求。新的条例要求当LED灯被直接连接到AC电网(无调光器)时，LED灯满足特定PF标准。迄今为止，大多数电路需要浪费功率以利用大多数调光器实现良好的PF并进行工作。至少有三种LED照明器件可以看得见的波形类型。兼容性电路电源可以被集成到LED照明器件中，使得该器件被拧入任何现有的灯插座中。该器件无论调光器是否存在于线路而在插座中可用。如果调光器存在，其可以是后沿调光器或前沿调光器。如果线路上不存在调光器，LED照明器件接收直接AC线路输入。在没有调光器的情况下，AC输入缓慢上升并且缓慢下降。不过，在后沿调光器的情况下，AC信号在适当触发时缓慢上升并且快速下降。在前沿调光器的情况下，AC信号在适当触发时快速上升并且缓慢下降。
[0028]图2中提供的后沿调光器的示例提供特别的问题。后沿调光器电路200包括开关210、延迟电路220、过零检测器250、灯泡230以及电容器240。开关210的非限制示例是MOSFET和IGBT。后沿调光器传统上不使用双向三极管开关，而替代地包括其他过渡性的电子组件。在AC周期(在图3中示出)的开始，开关210在导通状态。延迟电路220例如在时间310断开开关210，切断通过AC线路周期的部分路线。来自灯泡230的负载电流在开关210断开后对电容器240放电。过零检测器250复位开关210并且所述周期重复。正如上面所提供的，LED照明器件并非总是消耗足够的电力以对电容器240放电。[0029]分别在图4和5中示出前沿调光与后沿调光之间的差异。如图4的信号图400所示，在前沿调光中，每个正弦半波的早期部分被砍掉。前沿调光器适于电阻性负载(例如普通白炽灯、高压卤素灯等)以及感性负载(例如线圈、具有普通变压器的低压卤素灯等)。如图5的信号图500所示，在下降沿调光中，每个正弦半波的后期部分被砍掉。下降沿调光器适于电阻性负载和电容性负载例如低压卤素灯、变压器、或初级调光电子镇流器。前沿和后沿调光器是基于相位角的调光的示例。照明的亮度与调光器的导通相位角(图4中的^和图5中的tn)成比例。在最高导通角处实现最大光。基于相位角的调光与基于交流RMS电压的调光技术相比，提供了对AC线路电压变化的增强抑制。
[0030]当被直接连接到AC线路时，LED应用要求具有某种PFC的水平。所述PFC可以被量化为: [0031 ] PF =有效功率(W) /视在功率(VA)。
[0032]最近美国的能源之星规范规定住宅应用的功率因数不低于0.7，并且商业应用的功率因数不低于0.9。在世界各地对于指定功率因数的限制以及在某些情况下的THD限值(EN61000-3-2类C，>25ff)的需求增加。当直接AC连接被确定存在时，可以提供PFC，并且当有调光器时，可以不提供PFC，这是因为调光器的操作反作用由PFC提供的增益。例如利用升压PFC，可以在前端实现近单位功率因素。虽然本公开主要是指升压PFC电路，不过其他技术例如反激、降压和正激拓扑结构都可以使用。
[0033]在图6中提供升压PFC电路600的示例实施例。电路600包括电源610、整流器620、开关630、升压电容器640、升压二极管650、升压电感器660、负载电阻670以及感测电阻器680。升压PFC电路600通过迫使输入电流遵循(follow)输入电压而进行工作。输出电压将大于峰值线电压。短路的输出无法通过控制升压开关进行保护。升压PFC电路600可以被用于例如多级宽输入范围转换器中。升压PFC电路600可以被用在三种原则操作模式中的一种中:连续导通模式(CCM)、非连续导通模式(DCM)、以及过渡或临界导通模式(CRM)。
[0034]在电路600中，二极管桥或整流器620对在电感器660之前的AC输入电压610进行整流。升压调节器的输出是恒定电压，但是输入电流由输入电压编制为半正弦波。流入输出电容器640的功率不是常数，而是线频率两倍的正弦波，这是由于功率是电压和电流的瞬时产物。当输入电压高时，输出电容器640存储能量，并且当输入电压低时，输出电容器640释放能量，以维持输出功率流。所公开的LED照明兼容性的系统和方法适用于隔离和非隔离的应用。
[0035]图7提供具有调光器790的升压PFC电路的电路700的示例实施例。电路700包括电源710、整流器720、开关730、升压电容器740、升压二极管750、升压电感器760、负载电阻770、感测电阻器780以及调光器790。如果调光器790不存在，在有直接AC连接的情况下，升压PFC电路可以提供近单位PF。如果调光器790包括后沿调光器，升压开关730的正常切换动作将对图2的调光器电容器240放电。如果调光器790包括前沿双向三极管开关调光器，升压FET730可以向双向三极管开关提供低阻抗“触发”负载。升压电容器740可以提供满足双向三极管开关保持电流的能量存储。随着用于满足调光器双向三极管开关的能量首先被转移到升压电容器740以及接着被输送到负载770，可以实现基本无损的调光器控制。[0036]LED照明器件中的附加智能对于在前沿调光器被检测到时控制PFC电路是必要的。后沿调光器连接可以如直接AC连接一样被处理。后沿调光器的导通在调光器内(图2的定时器220)被控制，从而使得其独立于负载。双向三极管开关和前沿调光器依赖对图1的双向三极管开关135充电的负载。后沿调光器中的下降沿电压的放电可以被认为是PFC电路的正常操作。除了像直接AC连接一样处理后沿调光器连接以外，PFC开关可以在后沿的下降沿被检测到的期间和之后保持接通。这将节省由于PFC得开关电流的某些功率损耗并且确保图2的电容器240的更快放电。前沿调光器具有要进行管理的不同特性。
[0037]在示例实施例中，升压PFC级被施加到前沿调光器。升压PFC电路的栅极晶体管被保持处于基本上100 %的占空比，直到双向三极管开关启动以及接着过渡到正常PFC操作(切换)。在确定足够的能量已经被转移到PFC输出电容器后，升压PFC的栅极晶体管可以被断开。在PFC级被断开之前，双向三极管开关启动之后，PFC级运行短期时间以确保合理的能量转移到升压电容器是优选的。如果在前沿调光器断开后(由于不充足的电流)，PFC栅极晶体管一直运行，会导致双向三极管开关的错误触发。在示例实施例中，升压PFC电路触发双向三极管开关，从而产生从AC线路周期到AC线路周期是一致的双向三极管开关导通角，以便前沿应用仿真后沿应用。这可以被用在隔离或非隔离设计中。
[0038]通过使用用于能量存储的PFC级，允许用于触发双向三极管开关的能量转移到PFC的输出电容器并且从而转移到LED负载中。这是可实现的，因为用于对双向三极管开关的RC网络充电的电流经由PFC开关的100%占空比被存储在PFC电感器中。当双向三极管开关启动并且PFC级变得有效(切换)时，存储在所述电感器中的能量随后被重定向到输出电容器中。虽然这不是明显的功率量，但当用在低于IOW和5W的系统时，毫瓦的功率会对整体效率产生影响。
[0039]图8提供具有调光器890的升压PFC电路的电路800的示例实施例。电路800包括电源810、整流器820、PFC控制器825、开关830、升压电容器840、升压二极管850、升压电感器860、负载电阻870、感测电阻器880、以及调光器890。电路800经由PFC控制器825的AC感测输入提供对AC输入的连续监测。PFC控制器825可以确定调光器的存在和类型。在示例实施例中，两个比较器可以被用于确定到LED照明器件的连接是直接AC线路、后沿调光器还是前沿调光器。该两个比较器可以被用于监测AC输入电压的上升速率和下降速率。在直接AC连接应用中，上升速率与下降速率之间的时间延迟是低的，并且可以是基本相等的(例如，根据两个比较器电压阀值之间的差异，可以是几百微秒)。在后沿对前沿的情况下，输出切换的次序确定上升沿切换还是下降沿切换更快。在前沿调光器中，上升速率比下降速率更快。在下降沿调光器中，下降速率比上升速率更快。
[0040]PFC控制器825可以测量由调光器890产生的导通相位角并且提供用于调光器负载的PFC栅极830的智能控制。如果直接AC连接被确定，PFC控制器825可以提供传统的PFC操作。如果调光器890被确定是后沿调光器，PFC控制器825可以在后沿调光器890被禁用后接通开关830，通过生效图2的开关210执行的禁用有效地允许调光器的输出电压下降到零。如果调光器890被确定是前沿调光器，PFC控制器825接通开关830以触发调光器890中的双向三极管开关，并且在调光器890中的双向三极管开关停止导通之前断开开关 830。
[0041]在前沿调光器的情况下，Vout的滞后调节也可以由PFC控制器825来提供。在示例实施例中，附加的滞后电压控制回路与PFC控制器825集成，从而当PFC级的输出电压低于给定阀值时，启用PFC电路。一旦输出电压下降到低于这个阀值，PFC级在双向三极管开关的触发后变得有效，并且保持有效直到PFC输出电压超过更高的电压阀值。滞后回路确保足够的负载提供到所述调光器以保持导通。选择PFC输出上的电压滞后量确保正确的操作。阀值之间的电压差越大，将其充电回到满值所需要的功率越多。滞后算法会引起在输出电压衰减时的随后AC线路周期的跳过(PFC保持禁用)。
[0042]图9提供到LED照明器件的三个连接的信号图的示例实施例。信号910是到LED照明器件的直接AC连接的半周期。PFC控制器825用信号例如信号920控制开关830，以提供LED照明器件的高功率因数和稳定照明。信号930是到LED照明器件的后沿调光器连接的半周期。PFC控制器825用恒定开关信号控制开关830，直到开关830被断开的时间935。一旦该电路确定电压已经下降到零，PFC级切换可以被中止，断开开关830直到电压返回到下一个线路周期以及切换被恢复。信号950是到LED照明器件的前沿调光器连接的半周期。PFC控制器825用100%占空比信号控制开关830，以触发调光器中的双向三极管开关。当双向三极管开关在时间955处开始导通时，PFC控制器825开始切换开关830，从而将能量转移到电容器840。接着，PFC控制器825进入0%占空比，以确保AC信号的过零检测。通过PFC级的PFC输出电压或电流的监测也可以被用于确定开关830何时被禁用。如果双向三极管开关返回断开，PFC级不应该运行，这在轻负载/深度调光条件下有很高的可能性。PFC级可能具有预确定的电荷量，从而无论何时PFC被启用，通过使用滞后回路，将PFC输出电容器再装满。
[0043]图10提供LED调光器兼容性的方法的流程图1000。在框1010中，确定LED照明器件是从直接AC线路输入、前沿调光器还是从后沿调光器供电。在框1020，PFC电路的栅极晶体管基于框1010的确定而被控制。
[0044]本发明涉及领域的技术人员应当明白，在本发明权利要求的范围内，可以对上述示例实施例进行更改，并且许多其他的实施例也是可能的。
【权利要求】
1.一种用于控制发光二极管照明器件即LED照明器件的照明的系统，其包括: 第一比较器，其经配置监测到所述LED照明器件的交流输入即AC输入的上升时间； 第二比较器，其经配置监测到所述LED照明器件的所述AC输入的下降时间；以及 连接在所述LED照明器件与所述AC输入之间的功率因数校正控制器即PFC控制器，所述PFC控制器经配置: 通过比较所述第一比较器和所述第二比较器的输出的切换时序，确定所述LED照明器件是从直接AC线路、后沿调光器还是从前沿调光器接收所述AC输入；以及基于所述比较，控制连接到所述LED照明器件的栅极晶体管。
2.根据权利要求1所述的系统，其中当所述第一比较器的所述上升时间与所述第二比较器的所述下降时间基本相等时，所述LED照明器件被确定接收直接AC线路输入。
3.根据权利要求1所述的系统，其中当所述下降速率比所述上升速率更快时，所述LED照明器件被确定接收后沿调光器输入。
4.根据权利要求1所述的系统，其中当所述上升速率比所述下降速率更快时，所述LED照明器件被确定接收前沿调光器输入。
5.根据权利要求1所述的系统，其中如果所述AC输入被确定来自所述直接AC线路或所述后沿调光器，所述栅极晶体管被驱动以连续的脉宽调制信号。
6.根据权利要求1所述的系统，其中如果所述AC输入被确定来自所述前沿调光器，所述栅极晶体管被驱动 以基本上100%的占空比，直至所述调光器中的双向三极管开关开始导通。
7.根据权利要求1所述的系统，其中所述PFC控制器经配置在反激电路、升压电路和降压电路中的至少一个中。
8.根据权利要求1所述的系统，其进一步包括经配置控制所述PFC控制器的启用的滞后控制回路。
9.一种发光二极管照明器件即LED照明器件的照明方法，其包括: 确定所述LED照明器件是接收来自直接AC线路、后沿调光器还是来自前沿调光器的AC输入；以及 基于所述确定控制连接到所述LED照明器件的功率因数校正电路即PFC电路的栅极晶体管。
10.根据权利要求9所述的方法，其中所述确定包括比较到所述LED照明器件的所述AC输入的上升速率和下降速率。
11.根据权利要求9所述的方法，其中当所述第一比较器的所述上升时间与所述第二比较器的所述下降时间基本相等时，所述LED照明器件被确定接收直接AC线路输入。
12.根据权利要求9所述的方法，其中当所述下降速率比所述上升速率更快时，所述LED照明器件被确定接收后沿调光器输入。
13.根据权利要求9所述的方法，其中当所述上升速率比所述下降速率更快时，所述LED照明器件被确定接收前沿调光器输入。
14.根据权利要求9所述的方法，其进一步包括如果所述AC输入被确定来自所述直接AC线路或所述后沿调光器，则利用连续的脉宽调制信号驱动所述栅极晶体管。
15.根据权利要求9所述的方法，其进一步包括如果所述AC输入被确定来自所述前沿调光器，则利用基本上100%占空比信号驱动所述栅极晶体管，直至所述调光器中的双向三极管开关开始导通。
16.一种发光二极管即LED照明系统，其包括: 包括LED的LED照明器件；以及 连接在所述LED照明器件与到所述LED照明器件的AC输入之间的功率因数校正控制器即PFC控制器，所述PFC控制器经配置: 确定所述LED照明器件是接收来自直接AC线路、后沿调光器还是来自前沿调光器的AC输入；以及 基于所述确定，控制连接到所述LED照明器件的栅极晶体管。
17.根据权利要求16所述的器件，其进一步包括: 第一比较器，其经配置监测所述AC输入的上升时间；以及 第二比较器，其经配置监测所述AC输入的下降时间； 其中通过所述PFC控制器进行的确定比较所述第一比较器与所述第二比较器的输出。
18.根据权利要求16所述的器件，其中如果所述AC输入被确定来自所述直接AC线路或所述后沿调光器，所述栅极晶体管被驱动以连续的脉宽调制信号。
19.根据权利要求16所述的器件，其中如果所述AC输入被确定来自所述前沿调光器，所述栅极晶体管被驱动以基本上100%的占空比，直至所述调光器中的双向三极管开关开始导通。
20.根据权利要求16所述的器件，其中所述PFC控制器经配置在反激电路、降压电路和升压电路中的至少一个中。
【文档编号】H05B37/02GK103975650SQ201280060706
【公开日】2014年8月6日 申请日期:2012年12月7日 优先权日:2011年12月7日
【发明者】M·T·默多克 申请人:德克萨斯仪器股份有限公司