专利名称：发光二极管照明系统及控制发光二极管照明系统的方法
技术领域：
一般地，本发明是关于电子学和照明领域，更具体地，是关于根据相位调制信号的相位延迟来确定功率因数校正控制参数的系统和方法。
背景技术：
商业上实用的白炽灯泡已经有一百多年的历史。但也有其它光源有望用作白炽灯泡的商业上可行的替代品。LED(发光二极管)作为主流光源而特别有吸引力，部分原因是其通过高效光输出而实现节能以及环境激励，如减少汞的使用。LED是半导体装置，通过直流电驱动。LED的光输出强度(即亮度)与通过LED的电流大致成正比。因而，增加LED的电流可以提高LED的亮度，降低电流则减弱亮度。电流可通过以下方式调节:直接将直流电平降至白色LED，或者通过占空比调节降低平均电流。在使用光源的环境中调暗光源不仅可以节能，还能让用户将光源亮度调至要求的水平。许多设施如住房和建筑物等，部安装有光源调节电路(以下简称"调光器")。图1描述了照明系统100-其产生连接电压Vunk和驱动电流iQUT来照亮光源102。交流(AC)电压源101如发电站，可产生电源电压Vw，为照明系统100供电。电源电压V S的特定频率和均方根值(RMS)通常为地方化，在美国标称为60Hz/120VAC，在欧洲和其它地方是50Hz/230VAC。照明系统100含有一个调光器104，用于产生原始相位调制信号VtcΜ。整流器105调整原始相位调制信号卩。— ，形成整流的相位调制信号νφ。例如，整流器105是一个全桥二极管整流器。每个周期的相位调制信号Vtc的相位延迟都表示一个特定的调光水平。调光器104可以为任意产生相位调制信号的常规调光器，如MelansonI所述的基于三端双向可控硅(triac)的调光器。照明系统100还包括一个光源驱动电路106，用于接收相位调制信号Νφ。在至少一个实施例中，光源驱动电路106是带有内部PFC开关(未显不)的电源转换器，开关用于控制功率因数校正(PFC)和相位调制信号Vtc至连接电压Vunk的增压。光源驱动电路106将调节光源驱动电流iOTT，以响应相位调制信号Vtc表示的调光水平。光源驱动电路106通过〃闭合〃和〃断开〃光源驱动电流iOTT，来调节光源驱动电流iOT，取得与相位调制信号νφ表示的调光水平对应的光源驱动电流平均值iOT。驱动电流iTOT将使光源102发光，可调节驱动电流iQUT改变光源102的亮度。这样，光源驱动电路106尝试调节驱动电流iQUT，使得光源102减弱到相位调制信号Vtc表示的水平上。对基于LED的光源102，连接电压Vunk可以在400V或以上。为了调暗光源102，光源驱动电路106将降低控制信号Cs的占空比，从而 ，降低驱动电流iTOT。灯光减弱后，光源102的功率需量便减少。当光源102的功率需量减少时，光源驱动电路106将降低内部开关(未显示)的占空比，此开关控制相位调制信号电压Vtc至连接电压Vunk的增压。不管功率需量是否减少，光源驱动电路106将保持连接电压Vuffi在一个大致不变的水平上。尽管减弱光源102的功率需量较低，随着光源驱动电路106继续增压连接电压Vunk至光源102全功率需量使用的电压，106的整流效果稳步降低。例如，当光源驱动电路106的内部PFC开的占空比小于50%时，效率损耗就变得更加突出。
当调暗光源102时，其功率需量的减少实际上可能增加光源驱动电路106的功率需量。光源驱动电路106将尝试提供单位功率因数校正，而使光源驱动电路106对交流电压源101产生阻力。因此，检查接线端A和B。理论上，光源驱动电路106具有可为交流电压源101感知的有效电阻Reff『有效电阻Reff C1等于νφ/ ΙΝ。其中，Vtc为相位调制信号，iIN 为光源驱动电路106的输入电流。随右光源102的功率需量因调暗而降低，电流iIN实际上不降反增，从而，降低有效电阻Reffji并从交流电压源101获得更多功率。当调暗光源102 时，降低光源驱动电路106的有效电阻Reff』即表示对功率的低效使用。
图2描述了一系列电压波形200，这些波形代表照明系统100中两个各自存在的波形周期。两个典型的周期202和204说明电源电压Vwi是正弦波形。调光器104将电源电压V S周期分成各半，使周期206的每一半产生相同的前沿相位延迟α 1，从而产生原始的相位调制信号νφ。原始相位调制信号νφ的相位延迟随着调光水平的降低而增加，即光源 102的亮度降低。对应于调光水平的降低，半周期208显示较长的相位延迟α2。前沿相位延迟α X表示半周期开始与相位调制电源电压^前沿之间耗时，其中X是给定值。相位调制信号Vtc的整流周期210和212具有与原始相位调制信号νΦ Μ各自相同的相位延迟α I 和α 2。
当为有效负载(如光源驱动电路106)提供原始相位调制信号νφ KAW时，常规调光器通常部表现不佳，如基于三端双向可控硅(triac)的调光器，其设计用于无效负载如白炽灯泡。例如，为有效负载提供信号时，调光器可能会错过在一些原始信号调制信号νφ— 周期内产生相位延迟，并且在相位延迟期间可能产生波动。对用于有效负载时至少一种常规调光器的典型问题，可参见Rand等人所著的"LED灯三端双向可控硅调制相位调光的问题、模型和解决 方案〃，2007年6月，《2007年电力电子技术专家会议》第1398-1404页。该书由电气电子工程师学会出版，编号1SBN978-1-4244-0655-5。
图2B描述了美国加州桑尼维尔Supertex公司生产的LED驱动电路250 (基于HV9931的LED驱动器；120VAC，兼容调光器开关；LED电压:160VDC最大值；LED电流 350mADC)。LED驱动电路250是光源驱动电路106的一种具体应用。LED驱动电路250在 Supertex公司的Supertex设计笔记DN-H05中有更加详细的描述。LED驱动电路250包括两个额外电路一阻尼电路252和泄流电路254，用于提供与调光器如104的兼容性。根据 DN-H05,阻尼电路252在P16上对驱动器输入滤波器电路进行阻尼充电。阻尼电路252提供电阻阻尼，防止由于交流线电压的突然升高而引起的交流线路输入电流振荡，如相位调制信号Vtc的边上。泄流电路254在Ρ21为整流交流线提供标称的I欧姆负载，防止在相位调制信号Vtc的相位延迟期间输入电容器C21-C23上的电压升高，否则会引起LED驱动电路 250驱动的灯光闪烁。
图2C描述了单位功率因数LED灯驱动器280，其是光源驱动电路106的一个实施例代表。LED灯驱动器280在Supertex公司的Supertex应用笔记ΑΝ-Η52中的图9有更加详细的描述。LED灯驱动器280含有阻尼电路282，用于在相位调制信号的相位延迟期间对调光器104施加负载。阻尼电路282含有一个泄流电阻IV，其在相位调制输入信号的相 位延迟期间通过晶体管M2连接到灯驱动器280上。晶体管M2导电时，泄流电阻在Vin 时给交流线增加负载，衰减相位延迟期间的相位调制信号。增加一个额外晶体管M2和电阻 Rbl会增加灯驱动器280的系统成本。
在调暗光源102时，光源驱动电路106表现为一种或多种低效情况。例如，光源 102的功率需量降低时，连接电压大致保持不变。另外，光源102的功率需量降低时，光源驱 动电路106的有效电阻Reff C1增加，从而，即便光源102的功率需量减少，其也将从交流电压 源101获得更多功率。另外，对常规LED驱动电路增加电路会增加LED驱动电路的成本。发明内容
在本发明的一个实施例中，发光二极管(LED)照明系统包含有一个功率因数校正 (PFC)控制器。此控制器含有一个输入口，用于接收表不相位调制调光器信号相位延迟的信 号。控制器还包括一个数字信号处理器，与输入口 一起接收相位延迟信号，并根据相位延迟 信号来确定PFC控制操作参数，以及使用确定的操作参数产生PFC开关控制信号。
在本发明的另一实施例中，发光二极管(LED)照明系统的控制方法包括:接收表 示相位调制调光器信号相位延迟的信号；使用数字信号处理器，根据相位延迟信号来确定 PFC控制操作参数；以及使用确定的操作参数产生PFC开关控制信号。
本发明的其它应用之一是，发光二极管(LED)照明系统包含有一个功率因数校正 (PFC)控制器，用于接收表示调光水平的信号，产生PFC开关控制信号，使PFCLED驱动电路 能够响应以信号表示的调光水平，而不需要在信号表示的调光水平增加时，降低可为PFC 负载驱动电路电压源感知的有效电阻。
在本发明的另一实施中，发光二极管(LED)照明系统的控制方法包括:接收表示 调光水平的信号并产生功率因数校正控制信号，使PFCLED驱动电路能够对信号表示的调 光水平作出响应，而不需要在信号表示的调光水平增加时，降低可为PFC负载驱动电路电 压源感知的有效电阻。
在本发明的另一实施中，发光二极管(LED)照明系统包含有一个功率因数校正 (PFC)控制器，用于产生占空比调制控制信号，以控制PFCLED驱动电路的调节连接电压；并 在控制信号的占空比降低到O与阈值之间的数值时，降低连接电压。
在本发明的另一实施中，发光二极管(LED)照明系统的控制方法包括:产生占空 比调制控制信号，以控制PFC LED驱动电路的调节连接电压；并在控制信号的占空比降低 到O与阈值之间的数值时，降低连接电压。
在本发明的一个实施例中，发光二极管(LED)照明系统包含有一个功率因数校正 (PFC)控制器,该控制器含有一个输入口，用于接收表不相位调制调光器信号相位延迟的信 号。PFC控制器通过配置，可用于接收相位延迟信号，并在相位调制信号的相位延迟期间产 生PFC开关控制信号的脉冲。在相位延迟期间产生的PFC开关控制信号的脉冲宽度和占空 比足以衰减相位调制信号在相位延迟期间的波动。
在本发明的另一实施中，发光二极管(LED)照明系统的控制方法包括:接收表示 相位调整调光器信号相位延迟的信号，并产生在相位调制信号的相位延迟期间PFC开关控 制信号的脉冲。在相位延迟期间产生的PFC开关控制信号的脉冲宽度和占空比足以衰减相位调制信号在相位延迟期间的波动。
参考附图可以更好地理解本发明，还可以使熟悉该技术领域者明白本发明的各种目的、特征和优点。在这些附图中使用相同参考号代表相同或相似要素。图1 (标示先前技术)描述了带有功率因数校正驱动电路和控制器的照明系统。图2(标示先前技术)描述了图1照明系统中的各种波形。图2B(标示先前技术)描述了带有调光器开关兼容电路的LED驱动电路。图2C(标示先前技术)描述了带有调光器开关兼容电路的另一个LED驱动电路。图3描述了带有功率因数校正控制器的发光二极管照明系统，控制器根据相位调制信号产生一个或多个功率因数校正控制参数。图4和图5描述了具有各种前沿和后沿相位延迟的相位调制信号。图6描述了相位延迟探测器。图7描述了典型的相位调制信号和相关PFC开关控制信号波形。图8描述了 PFCLED驱动电路的有效电阻模型。图9描述了相位调制信号与伴/不伴调光的电感器电流之间关系。图10描述了 PFC开关控制信号占空比与连接电压之间关系。图11和图12描述了 LED设备。
具体实施例方式发光二极管(LED)照明系统含有一个功率因数校正(PFC)控制器，该控制器根据相位调制信号的相位延迟确定至少一个功率因数校正控制参数。在至少一个实施例中，相位调制信号的峰值电压用作PFC控制参数-PFC控制器将其用于控制功率因数校正及经由PFCLED驱动电路产生的连接电压。相位延迟与相位调制信号的峰值电压有关。因此，在至少一个实施例中，探测一个或多个相位调制信号周期中的相位延迟可以让PFC控制器测定相位调制信号的峰值电压。PFCLED驱动电路提供输出电流，以驱动LED设备的LED。随着调光水平降低，PFC控制器将降低PFCLED驱动电路中PFC开关的占空比，使得PFCLED驱动电路降低供给LED的输出电流。例如，当相位调制信号指示调光水平低于阈值时，PFC控制器保持PFC开关的占空比大致不变，以便在不明显牺牲功率因数校正的情况下保持开关效率。在至少一个实施例中，PFC控制器产生PFC开关控制信号，使PFCLED驱动电路对调光信号(如相位调制信号)表示的调光水平降低作出响应，而不需要在调光信号表示的调光水平增加时，降低可为PFCLED驱动电路电压源感知的有效电阻。相位调制信号是调光信号的一个实施例。在至少一个实施例中，PFC控制器产生占空比调制控制信号，以控制PFCLED驱动电路的调节连接电压；并在控制信号的占空比降低到O与阈值之间的数值时，降低连接电压。在至少一个实施例中，当PFC开关控制信号的占空比低于预定阈值时，PFC控制器在每个相位调制信号周期中产生大致不变的PFC开关控制信号脉冲宽度。
在至少一个实施例中，PFC控制器在相位调制信号的相位延迟期间产生PFC开关控制信号脉冲，其中，相位延迟期间产生的PFC开关控制信号脉冲比相位调制信号有效周期内的PFC开关控制信号具有明显大得多的脉冲周期。
图3描述了带有PFC控制器302和PFCLED驱动电路304的照明系统300。PFC控制器302产生占空比调制PFC开关控制信号CS1,以控制开关306的导电率。开关306可以为任意开关，在至少一个实施例中，开关306为η-通道场效应晶体管(FET)。PFCLED驱动电路304为开关式电源转换器，将相位调制信号Vtc增压至通过保持电容器308上的连接电压Va。在至少一个实施例中，连接电压Va具有范围为200V-400V的峰值电压。开关306〃 断开〃(即不导电)时，二极管310正偏，电感器312驱动通过二极管310的电感器电流iu。 通过二极管310的电感器电流iu给电容器308充电，保持大致不变的连接电压Va。开关 306 “闭合”(即导电)时，通过电感器312的电压转向，二极管310为反偏，电感器312利用电流iu通电。PFC控制器302控制PFC开关控制信号CS1和开关306的占空比，因而，电流iu与相位调制信号Vtc成比例。电容器314提供稳定驱动电流iu的过滤，因此，平均驱动电流iu与相位调制信号Vtc为同相正弦关系。
PFC控制器302含有一个数字信号处理器316，用于进行各种操作，包括测定PFC 开关控制信号脉冲宽度和占空比。例如，数字信号处理器316为数字信号处理器。在至少一个实施例中，PFC控制器302利用MelansonV和MelansonVI中发现的算法来测定PFC 开关控制信号CS1的脉冲宽度和占空比。
在至少一个实施例中，PFC开关控制信号CS1的脉冲宽度Tl是由数字信号处理器 316通过方程式[I]表示的控制信号状态算法来测定:
权利要求
1.发光二极管(LED)照明系统，包括:一个功率因数校正(PFC)控制器，用于接收表示调光水平的信号以及产生PFC开关控制信号，使PFCLED驱动电路对信号表示的调光水平作出响应，而不需要在信号表示的调光水平增加时，降低可为PFC负载驱动电路电压源感知的有效电阻。
2.权利要求1所述的照明系统，其中，PFC控制器还配置为在调光水平降低时，降低PFC 开关控制信号的占空比，直到调光水平达到调光水平阈值为止；并且在调光水平低于调光水平阈值时，保持PFC开关控制信号的占空比大致不变。
3.权利要求1所述的照明系统，其中，PFC控制器还配置为在调光信号表示的调光水平降低时，增加PFC负载驱动电路的有效电阻。
4.一种控制发光二极管(LED)照明系统的方法,该方法包括:接收表示调光水平的信号；和产生功率因数校正控制信号，使PFCLED动电路对信号表示的调光水平作出响应，而不需要在信号表示的调光水平增加时，降低可为PFC负载驱动电路电压源感知的有效电阻。
5.权利要求4所述的方法还包括:在调光水平降低时，降低PFC开关控制信号的占空比，直到调光水平降至调光水平阈值为止；和在调光水平低于调光水平阈值时，保持PFC开关控制信号的占空比大致不变。
6.权利要求4所 述的方法还包括:在调光信号表示的调光水平降低时，增加PFC负载驱动电路的有效电阻。
7.发光二极管(LED)照明系统，包括:一个功率因数校正(PFC)控制器，用于产生占空比调制控制信号，以控制PFC LED驱动电路的调节连接电压；并在控制信号的占空比降低到O与阈值之间的数值时，降低连接电压。
8.权利要求7所述的LED照明系统中，PFCLED驱动电路配置为根据电源电压操作， PFC控制器配置为将连接电压降至大约等于电源电压。
9.权利要求7所述的LED照明系统中，占空比阈值为0.25-0.5之间且包括0.5的一个数值。
10.一种控制发光二极管(LED)照明系统的方法,其包括:产生占空比调制控制信号，以控制PFC LED驱动电路的调节连接电压；且当控制信号的占空比降低到O与占空比阈值之间的数值时，降低连接电压。
11.权利要求10所述的方法，其中，PFCLED驱动电路配置为根据电源电压操作，该方法还包括:将连接电压降至大约等于电源电压。
12.权利要求10所述的方法，其中，占空比阈值为0.25-0.5之间且包括0.5的一个数值。
13.发光二极管(LED)照明系统，包括:一个功率因数校正(PFC)控制器，包括:一个接收相位延迟信号的输入口，用于接收表示相位调制调光器信号的相位延迟；和其中，PFC控制器配置为接收相位延迟信号以及在相位调制信号的相位延迟期间产生PFC开关控制信号，其中，所产生信号的脉冲宽度和占空比足以衰减相位调制信号在相位延迟期间的波动。
14.一种控制发光二极管(LED)照明系统的方法,该方法包括:接收表示相位调制调光器信号相位延迟的相位延迟信号；在相位调制信号的相位延迟期间产生PFC开关控制信号，其中，所产生信号的脉冲宽度和占空比足以衰减相位调制信号在相位延迟期间的波动。
全文摘要
本申请公开了发光二极管照明系统及控制发光二极管照明系统的方法。其中，发光二极管照明系统包括:一个功率因数校正(PFC)控制器，用于接收表示调光水平的信号以及产生PFC开关控制信号，使PFCLED驱动电路对信号表示的调光水平作出响应，而不需要在信号表示的调光水平增加时。降低可为PFC负载驱动电路电压源感知的有效电阻。
文档编号H05B37/02GK103209526SQ201310120809
公开日2013年7月17日 申请日期2008年3月12日 优先权日2007年3月12日
发明者约翰·L·梅兰松 申请人:塞瑞斯逻辑公司