用于led照明的电流共享电路的制作方法

用于led照明的电流共享电路的制作方法
【专利摘要】本发明涉及用于LED照明的电流共享电路。公开了用于在照明应用中提供有效电流共享的技术和对应电路。该技术可以用来例如使给定照明设备的并联LED串之间的电流差最小化或另外减小该电流差，同时进一步使功率耗散最小化或另外减小该功率耗散。在某些实施例中，提供了有效电流共享电路，其包括用于每个LED串的串行直通子电路，诸如晶体管或晶体管电路（或其他有效串行直通电路）。另外，每个串具有用于感测该串的电流的电流传感子电路。串监视和控制子电路与串行直通子电路相结合地操作以保持所感测电流等于公共基准水平。在某些实施例中，该公共基准水平被控制成保持最低串行直通元件电压接近于或等于零伏（-0.25VDC至+0.25VDC）。
【专利说明】用于LED照明的电流共享电路
【技术领域】
[0001]本发明涉及电子电路，并且更具体地涉及用于在照明设备的并联LED串之间共享电流的技术。
【背景技术】
[0002]如已知的，发光二极管(LED)是在电流/电压被施加于器件时产生光的器件。LED光输出与LED电流成比例，并且因此，对于给定应用而言，一般使用电流源来驱动LED。LED可以在任何多种应用中使用(例如，汽车头灯、住宅和商用照明、光电子电路以及制造工艺)，并且相对于其他照明技术，提供多种益处，诸如长工作寿命、高效率和低剖面(lowprofile)。
[0003]在许多应用中，提供LED阵列，其中，该阵列包括并联连接的多个LED串，其中，每个串包括多个串行连接的LED。由于LED正向电压的宽单元间变化，并联的LED串需要与每个串串联的电流限制器或其他电流调节器来迫使各串之间的电流共享。例如，电阻器常被用作为电流限制器。然而，存在与此类电流共享技术相关联的多个重要的限制。
【专利附图】

【附图说明】
[0004]图1图示出具有根据本发明的实施例配置的电流共享电路的LED器件的方框图。
[0005]图2示意性地图示出具有根据本发明的实施例所配置的电流共享电路的LED器件。
[0006]图3示意性地图示出具有根据本发明的另一实施例所配置的电流共享电路的LED器件。
[0007]图4示意性地图示出具有根据本发明的另一实施例所配置的电流共享电路的LED器件。
[0008]图5示意性地图示出具有根据本发明的另一实施例所配置的电流共享电路的LED器件。
[0009]图6示意性地图示出具有根据本发明的另一实施例所配置的电流共享电路的LED器件。
[0010]图7示意性地图示出具有根据本发明的另一实施例所配置的电流共享电路的LED器件。
[0011]图8示意性地图示出具有根据本发明的另一实施例所配置的电流共享电路的LED器件。
[0012]图9示意性地图示出具有根据本发明的另一实施例所配置的电流共享电路的LED器件。
[0013]图10示意性地图示出具有根据本发明的另一实施例所配置的电流共享电路的LED器件。
[0014]图11以图形方式图示出根据图2至10中所示的示例性实施例所配置的照明器件的模拟性能特性。
[0015]图12是用于图2至10中所示的每个示例性实施例的作为各串之间的电压偏移的函数的建模电流不平衡(或偏移)的曲线图。
[0016]图13是用于图2至10中所示的每个示例性实施例的作为各串之间的电压偏移的函数的建模功率损耗的曲线图。
【具体实施方式】
[0017]公开了用于在照明应用中提供有效电流共享的技术和对应电路。该技术可以用来例如使给定照明设备的并联LED串之间的电流差最小化或另外减小该电流差，同时进一步使功率耗散最小化或另外减小该功率耗散。在某些实施例中，提供了有效电流共享电路，其包括用于每个LED串的串行直通(series-pass)子电路,诸如晶体管或晶体管电路(或其他有效串行直通电路)。另外，每个串具有用于感测该串的电流的电流传感子电路。监视和控制子电路与串行直通子电路相结合地操作以保持所感测电流等于公共基准水平，其中，该公共基准水平被控制成保持最低串行直通元件电压接近于或等于零伏。根据本公开，许多配置将是显而易见的。
[0018]总体概沭
如先前所解释的，存在与此类电流共享技术相关联的多个重要的限制。例如，LED照明器件常常局限于从低电压DC电源操作，从人电击危险和/或火灾安全的角度出发，该低电压DC电源被认为是安全的。此类限制由于每个LED的电压降(例如，每个LED?3V)而有效地限制了能够串联地操作的LED的数目。如果需要更多的LED以满足应用的给定发光要求，并且期望仅有单个电源，则有必要操作串联连接的LED的并联串。如果串的总正向电压不完全相等，则这种操作模式可能导致流过并联串的电流水平上的不相等。此外，LED电压的负斜率对比温度特性能够产生失控条件，由此，具有最高电流的串更多地变热，进一步降低其电压，并且对比其他串进一步增加其电流。通过保持LED串之间的良好热接触，能够部分地防止此类失控条件。然而，由于应用要求，此类接触并不始终是可能或方便的。为了平衡串电流，可以采用某种形式的镇流(ballasting)部件。最简单的镇流器是与每个LED串所串联地放置的电阻器。跨电阻器的电压在电流增加时充分地增加以使串电压的变化最小化并减小串电流之间的差。较大的电阻器值更好地平衡电流。另一方面，较大的电阻器值导致更大的功率耗散，这负面地影响系统功效。在此意义上，镇流电阻器值的选择是功率损耗与电流变化的容限之间的折中，这可能是不可接受的。
[0019]因此，并且根据本发明的实施例，电流共享电路被配置成提供用于LED照明应用的镇流功能。该电路更能够平衡电流，即使当在串之间存在显著的电压差时。此外，在某些实施例中，相对于常规镇流技术和电路，跨镇流电路的电压降和随之引起的功率损耗被最小化或另外减小。在一个此类实施例中，每个串被配置有或另外被操作耦合到串行直通子电路和用于感测该串的电流的电流传感子电路。监视和控制子电路与串行直通子电路相结合地操作以保持所感测电流等于公共基准水平，其中，该公共基准水平被控制成保持最低串行直通元件电压接近于或等于零伏。根据本公开，许多配置将是显而易见的。
[0020]电路架构
图1图示出具有根据本发明的实施例所配置的电流共享电路的LED器件的方框图。如可以看到的，该器件包括被操作耦合在多个并联LED串(串I至N)与LED电源之间的电流共享电路。电流共享电路包括用于每个串的串电路(SC)，其中每个串电路包括串行直通电路(SPC)和电流传感电路(CSC)。串电路被操作耦合在一起并被操作耦合至串监视和控制电路。可以利用多种配置来实现串行直通电路、电流传感电路和串监视和控制电路中的每一个，如根据本公开将认识到的，诸如根据图2 —10中所示的示例性实施例。
[0021]在操作中，每个串行直通电路控制流过对应LED串的电流，并且对应的电流传感电路感测该串的电流。如果串行直通电路传递了过大的电流，则对应的电流传感电路将产生较高电压降，因此降低串行直通电路的驱动电压，这将转而减小由串行直通电路所通过的电流。可以例如用晶体管(例如，MOSFET或BJT)或两个串联连接的晶体管(MOSFET、BJT或MOSFET与BJT的组合)来实现串行直通电路，并且可以用例如电阻器或电阻器网络来实现电流传感电路。根据本公开，许多变化将是显而易见的，并且可以用能够提供如本文中所述的相当的功能的任何适当部件或电路来实现串行直通电路和电流传感电路。
[0022]串监视和控制电路与串行直通电路相结合地操作以保持所感测电流等于公共基准水平。根据某些实施例，该公共基准水平被控制成保持最低串行直通元件电压接近于或等于零伏。在一个此类情况下，串监视和控制电路被配置成使跨晶体管的电压趋于零或另外基本上减小，该晶体管控制最高电压串，这可以通过例如平衡二极管和/或晶体管电压降来实现。例如，可以跨该串行直通子电路将多个基于PN结的半导体器件操作耦合，其中，PN结中的一个或多个具有第一极性且其他PN结具有相反极性，使得通过共同PN结器件的总电压降约为零伏(例如，-0.25VDC至+0.25VDC或更好，诸如-0.1VDC至+0.1VDC)0根据本公开，许多此类配置将是显而易见的。
[0023]示例性实施方式
在图2 —10中分别提供了九个具体的示例性实施例。注意到，图2的实施例有时在本文中被称为实施例#1，并且图3的实施例有时在本文中被称为实施例#2等，并且图10的实施例有时在本文中被称为实施例#9。根据这些示例性实施例，许多等价设计和偏差及替换配置将是显而易见的。
[0024]图2示意性地图示出具有根据本发明的实施例配置的电流共享电路的LED器件。如可以看到的，器件包括LED电源，其在本示例性情况下由电流源I1、电压源Vl和二极管DlOO来表示，其有效地为电流源提供由Vl设定的最高电压。如将认识到的，电源可以被配置有AC-DC转换器，诸如将120VAC转换成42VDC或转换成适合于给定照明应用的某个其他适当DC功率水平AC-DC转换器。可以使用任何数目的电源配置，并且要求保护的发明并不意图局限于任何特定的一个。在更一般的意义上，可以使用对于给定照明应用而言能够向LED串提供必需的电压和电流以用于适当的照明操作的任何电源。还注意到，电源输出可以超过将LED串驱动至其全输出电位所必需的总电压，或者可以有意地将该电源输出选择成提供对LED串(或该串的子集)驱动不足的输出，以便延长寿命，如有时所做的那样。
[0025]在本示例性实施例中，示出了三个LED串，但是其他实施例可以根据期望而具有更少或更多的串。如可以看到的，本示例的串具有不同数目的LED以对串之间的相当极端的电压差进行建模。实际上，该串将很可能具有每串相等数目的LED，但是此类串相等性不是必需的。另外，并且如先前所指示的，并联LED串理想地具有紧密地匹配的正向电压以具有类似的串电流，以便因此提供类似的光输出。然而，制造工艺上的变化在一定程度上有效地限制了一个LED与下一个LED的相同性。在任何情况下，根据本发明的实施例所配置的电流共享电路可以被用来减轻或另外抑制此类串电流不相等性。根据诸如期望LED正向电压降和光色彩和强度以及给定照明应用的细节详情(例如，办公室照明对比手术室照明等)的因素，可以使用任何数目的LED类型。LED的正向电压降可以例如在1.5VDC至3.5VDC的范围内，并且在一个具体的示例性情况下为约3VDC。在更一般的意义上，可以使用任何LED类型。
[0026]电流共享电路操作成将串电流平衡或另外控制在给定容限内(例如使得所有串展现出在彼此的+/_10%、或+/-5%、+/-2%或+/-1%内的电流)。本示例性实施例的每个串由一个金属氧化物半导体场效应晶体管(M0SFET)、一个电阻器和两个二极管所控制。特别地:LED串#1由MOSFET Q1、二极管DlA和DlB以及电阻器Rl来控制；LED串#2由MOSFET Q2、二极管D2A和D2B以及电阻器R2来控制；并且LED串#3由MOSFET Q3、二极管D3A和D3B以及电阻器R3来控制。如根据本公开将认识到的，可以通过复制电流共享电路的此子电路来添加附加LED串，只要给定电源能够充分地驱动那些串即可。
[0027]在本示例性配置中，MOSFET Ql至Q3的栅极被连接在一起。另外，每个MOSFET的漏极被连接到LED串的阴极端，并且每个MOSFET的源极通过小值电阻器Rl至R3被连接到电源的负回线。根据某些此类实施例，最初，可以忽视电阻器Rl至R3，因为其被假设为是短路，但是其还可以用于帮助平衡串电流，如随后将讨论的。如在本示例性情况下可以进一步看到的，MOSFET的栅极-源极电压是相等的。一般地，MOSFET控制响应于其栅极-源极电压而从漏极传递至源极的电流。当漏极-源极电压超过一定水平时，漏极-源极电流实际上独立于漏极-源极电压。因此，假设MOSFET Ql至Q3很好地匹配，意味着其电子性质几乎相同或另外在适当容限内，相等的栅极-源极电压导致MOSFET中的几乎相同的漏极电流以及因此几乎相等的LED串电流。在这种意义上，MOSFET Ql至Q3分别地有效地控制LED串#1至串#3中的每一个中的电流。
[0028]然而，注意到，三个串电流必须合计达到来自电源的总电流。这是如下实现的。电阻器R201提供从MOFSET栅极到正相电源的连接以使MOSFET Ql至Q3开启，并且在本示例性实施例中具有IOOkQ的值(也可以使用其他适当的电阻器值或电阻网络，只要能够实现如本文所述的期望电路功能即可)。然而，栅极电压由如所示的连接在每个MOSFET的栅极与漏极之间的串联的两个二极管所限制。这使栅极电压局限于高于最低漏极电压大约1.4VDC，假设是一般每个具有约0.7VDC的正向电压降的硅二极管。进一步假设，出于本具体示例的目的，用于所选MOSFET Ql至Q3的栅极-源极开启电压为约1.5VDC，因此结果是被附接于具有最高正向电压降的LED串的MOSFET上的约0.1VDC的漏极-源极电压。对于图2中所示的示例性电路而言，这恰巧是MOSFET Q3。如果电源电流将超过三个串电流的总和，则MOSFET Q3上的漏极电压将上升。这将允许MOSFET Q3的栅极电压上升，并且MOSFETQl至Q3将全部变得更具有传导性。因此，经由串联二极管(用于串#1的DlA和DIB、用于串#2的D2A和D2B以及用于串#3的D3A和D3B)的连接提供了保持LED串电流的总和等于电源电流所需的负反馈。通过使得双二极管电压降几乎等于MOSFET栅极-源极开启天涯，跨MOSFET Ql至Q3的电压降和得到的功率损耗被最小化。根据某些示例性实施例，可以将双二极管电压降与MOSFET栅极-源极开启电压之间的几乎相等性反映为例如两个值之间的百分比差，诸如10%或以下、或者7.5%或以下、或者5%或以下、或者2.5%或以下、或者1%或以下。假设是约1.4VDC的双二极管压降和约1.5VDC的栅极-源极开启电压，此百分比差(或几乎相等性)为约6.7% (即，[1.5 - 1.4] / 1.5 * 100%)。
[0029]在某些情况下，MOSFET的栅极-源极开启电压受到温度的影响，其中，较高的温度导致较低的开启电压。由于此原因，根据某些实施例，可以将MOSFET Ql至Q3相互热连接。否则，MOSFET Ql至Q3之间的温度差可能使串电流不平衡。注意到，不需要将LED串本身相互热连接。
[0030]本示例性实施例的电阻器R200可以用来当电流共享电路未被连接到电源或LED串时防止电压瞬态毁坏/损坏栅极连接。此可选电阻在本示例中被设置成IOOkQ，但是可以使用其他适当的高电阻值。电流传感电阻器Rl、R2和R3将MOSFET Ql至Q3的源极连接到接地，补偿MOSFET之间的差并更好地平衡串电流。如果任何MOSFET Ql至Q3使过大的电流通过，则对应的传感电阻器将产生较高的电压降，因此降低MOSFET的栅极-源极电压，这将减小漏极-源极电流。电阻值或Rl至R3被选作控制精度与功率耗散之间的折中。较高电阻值提供更精确的电流平衡，但耗散更多的功率。用于电阻器Rl至R3中的每一个的值在本示例性情况下为0.33Ω，但是也可以使用其他适当的传感电阻器，如根据本公开将认识到的。通过使用本文中提供的技术，相对于单独地在典型电阻器镇流方案的情况下将已经是必需的所必需的电阻器而言，可以使用用于Rl至R3的较小电阻器值。同样地，本发明的此类实施例可以被用来降低功率耗散。
[0031]在本示例性配置中，如果任何LED串未能打开，则所附接的MOSFET的漏极电压将下降至零，使得栅极电压经由两个二极管与之一起下降并关断所有的MOSFET Ql至Q3。这意味着串中的任何LED中的打开故障将有效地关断所有LED，并且电路对于电源而言将似乎是几乎打开的。在某些情况下，其余LED可以通过小的(例如，微安)电流水平，其使得这些LED中的某些能够微弱地发光。根据某些实施例，如果此故障条件是不可接受的，则与每个串并联地连接的大值电阻器能够确保在任何LED故障时根本不产生光。
[0032]如前文所解释的，通过串的电流不必保持相等。在某些或所有串中使用不同值的电流传感电阻器(Rl至R3)导致粗略地与电阻的倒数成比例的电流水平。根据某些实施例，如果例如每个串由不同色彩的LED组成，则可以使用控制串电流的比的能力来调谐和保持照明产品的色彩。对于图2中所示的示例性实施例而言，该比例性是相当粗略的，并且三个所描绘串之间的电流的比可能根据总电源电流而变化。随后将讨论的某些替换实施例随着电源电流变化而保持各串之间的更精确的比例和更加恒定的电流比，如果这对于给定应用而言是期望的话。
[0033]将任何电流传感电阻器Rl至R3断开连接都关断其关联的LED串，留下其余串进行操作并相等地划分电流。此类特征可以被用来例如从具有比所需的更多的晶体管的已构造电路去除不想要的串位置。因此，某些实施例可以包括与任何电流传感电阻器Rl至R3串联的开关以对通过关联串的电流进行脉宽调制(PWM)，或者仅允许将给定串从电路取出。相反地，根据某些实施例，当开关被闭合时，可以使用与任何电流传感电阻器Rl至R3并联地放置的开关来关断所有其他串。在这种情况下，全电源电流将被单独地输送给操作串的那一个。
[0034]电流共享电路可以例如由分立部件构成，或者使用任何适当的制造技术被构建为集成电路。如果被构建为集成电路，则可能期望留下电流传感电阻器Rl至R3作为分立部件，使得用户具有改变电流或关断未使用晶体管的选择权。集成电路方法提供各种优点，包括例如小零件计数、晶体管性质的密切匹配、以及晶体管之间的紧密热接触。在任何情况下，可以用任何可用工艺技术和/或现成零件来实现各种部件，并且要求保护的发明并不意图局限于任何特定的一组部件类型或工艺技术，如根据本公开将认识到的。
[0035]图2图示出本发明的一个特定示例性实施例；然而，其可能未提供所有应用所需的性能。同样地，在本文中提供了若干个替换实施例，以便产生广泛的性能属性和应用。如将看到的，各种实施例在被用作承载主电流的部件的晶体管类型(例如，MOFSET或BJT)、栅极或基极驱动子电路的复杂性以及每LED串子电路所使用的部件数目方面不同。将参考图11-13来讨论举例说明的实施例的各种性质。
[0036]图3示意性地图示出具有根据本发明的另一实施例所配置的电流共享电路的LED器件。本示例性实施例还使用单个MOSFET来控制每个LED串电流(MOSFET Ql控制LED串#1电流；M0SFET Q2控制LED串#2电流；并且MOSFET Q3控制LED串#3电流)。本实施例与图2中所示的示例性实施例类似，并且先前的相关讨论在这里同样可适用。然而，图3中所示的本示例性实施例包括双极结晶体管(BJT) Q300以控制MOSFETS Ql至Q3的栅极电压。此类配置允许漏极传感二极管Dl至D3中的较低电流并可以提供更准确的电流控制。如进一步可以看到的，本示例性实施例在每个串控制子电路中仅采用单个二极管(Dl、D2和D3)而不是图2的实施例中所示的两个二极管(D1A-B、D2A-B和D3A-B)。电阻器R300提供从MOSFET栅极到正相电源的连接以开启MOSFET Ql至Q3，并且在本示例性实施例中具有33kΩ的值(也可以使用其他适当的电阻器值或电阻网络，只要能够实现如本文所述的期望电路功能即可，如根据本公开将认识到的)。本示例性实施例的电阻器R301可以被用来防止如前所述的电压瞬态，并且还可以被用来设置Q300的发射极偏置。此可选电阻在本示例中被设置成1ΜΩ，但是如将认识到的，可以使用其他适当的高电阻值。
[0037]图4示意性地图示出具有根据本发明的另一实施例所配置的电流共享电路的LED器件。如在本示例性情况下可以看到的，使用单个BJT来控制每个LED串电流(BJT Ql控制LED串#1电流；BJT Q2控制LED串#2电流；并且BJT Q3控制LED串#3电流)。一般地，BJT晶体管的基极开启电压具有比MOSFET的栅极开启电压更紧密的容限。此更紧密的开启容限可以导致串之间的更精确的电流平衡，如果对于给定照明应用而言如此期望的话。BJT的集电极-发射极电流受到集电极-发射极电压的影响，然而，这将允许串电压中的差影响电流。电阻器R400提供从正相电源到BJT Q400与二极管D400之间的偏置节点的连接，并且在本示例性实施例中具有IOOkQ的值(也可以使用其他适当的电阻器值或电阻网络，只要能够实现如本文所述的期望电路功能即可，如根据本公开将认识到的)。
[0038]如MOSFET的情况一样，基极-发射极开启电压随着温度增加而减少。此电压类似于跨二极管的正向电压降。由于此原因，从BJT Q3的集电极，通过二极管D3、二极管D400和BJT Q400和Q3的基极-发射极结的路径应当导致跨Q3的接近零的集电极-发射极电压，无论温度如何。特别地，二极管D3和D400均提供约0.7VDC的电压降，其有效地抵消了跨BJT Q400和Q3的每个基极-发射极结的相反极性的0.7VDC电压降，假设对于每个二极管(Dl至D3和D400)和对于每个BJT (Ql至Q3和Q400)而言是硅结。因此，通过平衡二极管和晶体管电压降，能够实现使跨越控制最高电压串的晶体管的电压趋于零。
[0039]图5示意性地图示出具有根据本发明的另一实施例所配置的电流共享电路的LED器件。如图4的示例性实施例的情况一样，使用单个BJT晶体管来控制每个LED串电流(BJTQl控制LED串#1电流；BJT Q2控制LED串#2电流；并且BJT Q3控制LED串#3电流)。图5的本实施例与图4的实施例的不同之处在于，PNP BJT晶体管Q501已经替代二极管D400，并且电阻器R500具有R400的值的十分之一。此变化允许通过集电极传感二极管Dl至D3的电流较低，同时允许较大的电流通过Q500和BJT Ql、Q2和Q3的基极。此类实施例可以被用来提供电流平衡精度方面的改善和串控制晶体管(Ql至Q3)中的较低功率耗散。注意至IJ，通过平衡二极管和晶体管电压降，再次实现了基本上使跨越控制最高电压串的晶体管的电压趋于零。在本特定实施例中，二极管D3和PNP BJT Q501的基极-发射极结均提供约0.7VDC的电压降，其有效地抵消了跨NPN BJT Q500和Q3的每个基极-发射极结的相反极性的0.7VDC电压降，假设对于每个二极管(Dl至D3)和对于每个BJT (Ql至Q3、Q500和Q501)而言是硅结。
[0040]图6示意性地图示出具有根据本发明的另一实施例所配置的电流共享电路的LED器件。在本示例性情况下，使用按照级联配置的BJT和MOSFET来控制每个LED串电流(BJTQlA和MOSFET QlB控制LED串#1电流；BJT Q2A和MOSFET Q2B控制LED串#2电流；并且BJT Q3A和MOSFET Q3B控制LED串#3电流)。由于BJT晶体管的集电极-发射极电流并不完全独立于集电极-发射极电压，所以MOSFET晶体管(Q1B、Q2B和Q3B)被放置在每个串控制BJT (分别为Q1A、Q2A和Q3A)的集电极电路中以减少集电极电压的变化。电阻器R600提供从正相电源到MOSFET Q600与BJT Q601之间的偏置节点的连接，并且在本示例性实施例中具有IOOkQ的值(也可以使用其他适当的电阻器值或电阻网络，只要能够实现如本文所述的期望电路功能即可，如根据本公开将认识到的)。在本示例性控制子电路中，Q600是M0SFET，使得其栅极电压能够提供适当的偏置电压基准点以用于级联MOSFET Q1B、Q2B和Q3B的栅极的控制。
[0041]如将认识到的，本实施例还尝试使跨串电流控制晶体管的电压最小化或另外减小该电压，但是由于BJT Q1A、Q2A和Q3A及MOSFET Q1B、Q2B和Q3B的混合，以及存在对每个串执行电流控制的晶体管的串联组合的事实，存在跨晶体管的相对大的电压降。另一方面，此类实施例还具有非常精确的电流控制，其可以优于由图2— 5的前述实施例所提供的电流控制。
[0042]图7示意性地图示出具有根据本发明的另一实施例所配置的电流共享电路的LED器件。本示例性情况也采用按照级联配置的BJT和MOSFET来控制每个LED串电流(BJT QlA和MOSFET QlB控制LED串#1电流；BJT Q2A和MOSFET Q2B控制LED串#2电流；并且BJTQ3A和MOSFET Q3B控制LED串#3电流)。本实施例与图6的实施例之间的差异是关于控制子电路。特别地，附加NPN BJT Q702已按照级联配置被添加到MOSFET Q700，模拟串控制配置。BJT Q701已经改变成NPN类型且其基极被接合到BJT Q702的基极。电阻器701已被添加以向BJT Q701和Q702的基极供应偏置电流。这些改变允许跨越控制最高电压串的电路的电压的改善的趋于零，其在本示例性情况下包括Q3A和Q3B的串联组合。特别地，根据本发明的实施例，从MOSFET Q3B的漏极，通过二极管D3 (例如，+0.7VDC)和BJT Q601 (例如，+0.7VDC)、Q602 (例如，-0.7VDC)和Q3A (例如，-0.7VDC)的基极-发射极结应导致从Q3B的漏极至Q3A的发射极的接近零的电压。电阻器R700和R701提供从正相电源到BJTQ701和Q702的偏置节点的连接，在本示例性实施例中均具有IOOk Ω的值(也可以使用其他适当的电阻器值或电阻网络，只要能够实现如本文所述的期望电路功能即可，如根据本公开将认识到的)。
[0043]图8示意性地图示出具有根据本发明的另一实施例所配置的电流共享电路的LED器件。本示例性情况也采用三个BJT晶体管来控制每个LED串电流(BJT Q1A、QlB和QlC控制LED串#1电流；BJT Q2A、Q2B和Q2C控制LED串#2电流；并且BJT Q3A、Q3B和Q3C控制LED串#3电流)。本示例性实施例具有控制子电路，其包括一个电阻器R800，该电阻器R800具有470kQ的电阻值(可以使用许多其他值来提供适当的功能，如根据本公开将认识到的)。用于本示例性实施例的三个LED串中的每一个的LED串电流控制子电路均采用两个NPN BJT、一个PNP BJT、二极管和两个电阻器。如根据本公开将认识到的，附加的复杂性在性能方面获得显著的改善。如根据本公开将进一步认识到的，注意到，晶体管中的单个可以归于LED串电流控制电路，并且其他两个晶体管、二极管和两个电阻器可以归于控制子电路。在这种意义上，本文中的各种子电路参考并不意图暗指对什么部件属于什么子电路的严格限制，因为在某些情况下可以存在重叠。在更一般意义上，可以将电流共享电路的总功能划分到各种子电路中，在基本上不脱离要求保护的发明的精神的情况下，其从一个实施例到下一个实施例可以变化，并且其意图在于提供如本文所解释的功能的任何此类实施例落在权利要求的范围内。
[0044]在此更多细节中，串电流控制子电路的B晶体管(Q1B、Q2B、Q3B)监视对应电流传感电阻器(R1、R2、R3)的顶部处的电压。跨这些B晶体管的集电极-发射极电压和通过它们的集电极-发射极电流在各串之间是几乎相同的，因此存在感测电流方面的最小误差。B晶体管集电极电流流过对应的B晶体管(R1B、R2B、R3B)直至跨晶体管的电压降达到约0.6V,足以开启串电流控制子电路的C晶体管(Q1C、Q2C、Q3C)。在这点上，C晶体管能够向串电流控制子电路的A晶体管(Q1A、Q2A、Q3A)供应基极电流并将其开启，因此其能够传导LED电流。串电流控制子电路的B、C和A晶体管的组合作用提供高增益负反馈以使LED串电流稳定。从BJT Q3A的集电极，通过二极管D3 (例如，+0.7VDC)和BJT Q3B (例如，-0.7VDC)的基极-发射极结的路径应导致跨Q3A的接近零的集电极-发射极电压。注意到，由于二极管D3和BJT Q3B (或用于具有最高LED正向电压的无论哪一个串的对应部件)单独地设定输出电压，所以只有这些部件需要处于串之间的热接触。
[0045]在此类实施例中，注意到，处理串电流的A晶体管的电特性对电流平衡准确度或功率耗散几乎没有影响。事实上，本实施例是对A晶体管的选择是如此耐受的，使得不同的串甚至可以使用具有不同规格的晶体管。例如，具有由较小电流传感电阻器所设定的较高电流的串可以使用较高功率的A晶体管。倘若从栅极到源极添加适当大值的电阻器，在A晶体管角色中甚至可以使用N沟道MOSFET晶体管。如根据本公开将进一步认识到的，本实施例尤其适用于集成，以减少零件计数。如先前所讨论的，可以留下电流传感电阻器作为分立部分以获得更多的灵活性。此外，可以留下功率晶体管Q1A、Q2A和Q3A作为分立部分，允许功率处理能力和封装类型的选择方面的灵活性，如先前所指示的。
[0046]图9示意性地图示出具有根据本发明的另一实施例所配置的电流共享电路的LED器件。本示例性情况也采用两个BJT晶体管和一个MOFSET来控制每个LED串电流(MOSFETQlA以及BJT QlB和QlC控制LED串#1电流；M0SFET Q2A以及BJT Q2B和Q2C控制LED串#2电流；并且MOSFET Q3A以及BJT Q3B和Q3C控制LED串#3电流)。本实施例类似于图8中所示的实施例，用MOSEFT Q1A、Q2A和Q3A而不是BJT控制串电流。偏置电阻器(R1B、R2B、R3B )也已改变位置以适应晶体管类型上的变化，其中的每一个在本示例性实施例中具有3.3kQ的电阻值(但是可以使用任何适当的电阻值或网络来提供如本文所述的功能)。本实施例共享实施例#7 (图8)的益处，但是模拟显示出改善的性能。本示例性配置的控制子电路包括一个电阻器R900，其具有1ΜΩ的电阻值(可以使用许多其他值来提供适当的功能)。
[0047]图10示意性地图示出具有根据本发明的另一实施例所配置的电流共享电路的LED器件。本示例性情况也采用单个MOSFET来控制每个LED串电流(MOSFET Ql控制LED串#1电流；M0SFET Q2控制LED串#2电流；并且MOSFET Q3控制LED串#3电流)。本实施例与图3中所示的实施例类似。差别在于栅极控制子电路。特别地，MOSFET Q1000和二极管D1000以及电阻器R1000和R1001提供用于栅极控制线的良好控制的偏置电压。本实施例谨慎地使跨越控制最高电压串的晶体管的漏极-源极电压趋于零，所述晶体管在本示例性情况下恰巧是MOSFET Q3。根据一个示例性配置，从MOSFET Q3的漏极，通过二极管D3(例如，+0.7VDC)，通过Q1000 (例如，+1.5VDC)的源极-栅极电压降，通过二极管D1000 (例如，-0.7VDC)，以及通过Q3 (例如，-1.5VDC)的栅极-源极电压降的路径导致跨Q3的接近零的漏极-源极电压降。
[0048]如先前所指示的，可以使用任何数目的部件和工艺技术来实现每个实施例，并且每个实施例具有快速响应时间，允许其在其中LED电源对电流进行调制的脉宽调制(PWM)系统中起作用。许多其他替换实施例是可能的，包括使用运放电路和/或微控制器。根据本公开，许多变化和配置将是显而易见的。
[0049]因此，根据本发明的实施例所配置的电流共享电路一般地包括用于每个LED串的电流控制的串行直通控制部件和用于感测每个LED串的电流的电流传感部件。串行直通部件被控制成保持所感测电流等于公共基准水平。二极管或其他此类部件的网络监视跨越具有最低电压的串行直通元件的电压，并且由力求保持最低串行直通元件电压降等于或另外接近于零伏(例如，0VDC+/-0.25VDC,或 0VDC+/-0.2VDC,或 0VDC+/-0.15VDC,或 0VDC+/-0.1VDC,或 0VDC+/-0.075VDC,或 0VDC+/-0.05VDC,或 0VDC+/-0.025VDC,或0VDC+/-0.02VDC)的电路来控制该公共基准水平。
[0050]此外，注意到，所公开的实施例未进行关于哪个串具有最高电压的假设。相反，某些常规技术依赖于给定串具有最高正向电压。在此类设计中，不可能设计具有标称相等串电压的系统。这是设计中的固有低效，因为串电压之间的不相等性产生关联镇流或线性调节部件中的功率损耗。此外，如果任何其他串具有比指定最高串的正向电压更高的正向电压，则其晶体管将开始关断。在其中任何串电压大于指定最闻串的的电压超过给定开启电压的点处，通过该串的电流将完全衰减。
[0051]件能比较
在图11 一 13中所示的每个图表中分别绘制了在图2 —10中提供的九个实施例的模拟性能特性。注意到，与图2的实施例相关联的图11 一 13中的曲线图用编号I来指定，以及与图3的实施例相关联的图11 一 13中的曲线图用编号2来指定等，并且与图10的实施例相关联的图11 一 13中的曲线图用编号9来指定。
[0052]如参考图11的曲线图可以看到的，纵轴示出了示例性三个串之间的均方根(rms)电流不平衡。横轴示出了跨电流控制晶体管(或多个晶体管，对于图6和7的实施例而言)的最小电压。注意到，不包括跨电流传感电阻器的电压降，因为其在实施例之间是一致的且能够容易地计算，如果这样期望的话。图11中的九个曲线图跨越了每串从约6.66mA至333mA的范围。
[0053]最好的性能在图表的左下角处，指示LED串之间的小的电流失配和跨晶体管的低电压及因此的很少的功率耗散。从这个角度出发，图3中所示的实施例(曲线图2)看起来是最好的一个；然而，注意到，这些模拟结果不包括各部分之间的参数变化。这些示例性实施例的实际实施方式可以与模拟结果不同地表现，并且因此在图11中的图表上水平和/或垂直地迁移，如将认识到的。
[0054]为了进一步探索这些各种实施例的性能，对其中仅附接了两串LED的每一个实施例进行了模拟，并且施加串之间的可变电压偏移。总电源电流被固定在700mA。图12示出了作为串之间的电压偏移的函数的得到的建模电流不平衡的曲线图。电压偏移从O至IV的范围变动。如在图11中一样，将图12的图表上的每个曲线/曲线图用其对应的实施例编号来标记(其中实施例#1对应于图2，实施例#2对应于图3，...并且实施例#9对应于图10)。注意到，即使所示的最高电流偏移仅为约1mA，或者LED串电流的0.29%。
[0055]图13示出了作为串之间的电压偏移的函数的对应建模功率损耗。该条件与用于图12中所不的不例的条件相同。如可以看到的，用于实施例#7和8 (分别为图8和9)的曲线几乎是不可辨别的(其相互上下堆叠或另外相互非常靠近)。曲线图的底部处的虚线示出了对于线性(串行直通)调节器而言可能的最小功率损耗，用350mA的串电流来弥补电压偏移(该值是350mA乘以电压偏移的乘积)。注意到，最有效的实施例在此电流水平下在小于理论最小值的150mW的范围内。
[0056]来自曲线图中不明显的各种实施例之间的另一差异是其由于零件容限或热变化而引起的针对部件参数变化的鲁棒性。当跨输出晶体管从漏极(集电极)到源极(发射极)的路径包含被布置成使得其电压降相互抵消的相同类型的零件时，减小了图11中的水平迁移(对应于图13中的垂直迁移)。这已在实施例#3、4、6、7、8和9 (或者分别为图4、5、6、7、
8、9和10中的实施例)中完成。
[0057]电流偏移可以具有若干个分量。一个是流过漏极(集电极)电压传感二极管的非零电流的效应。此电流仅流入具有最低漏极(集电极)电压的一个输出晶体管中，添加到该串的传感电阻器中的电流而不是LED串本身。结果是用于具有最高正向电压的串的LED串电流上的减小。如果控制子电路要求来自电压传感二极管的很小的电流，这是微小的效应。对于各种示例性实施例而言，此电流以超过100的因数改变，其中实施例#1、3和6 (图2、4和7)具有最高电流，且实施例#2和5 (图3和6)具有最低电流。这很合理地与图11和12中的趋势相对应。实施例4、7、8和9 (图5、8、9和10)具有比实施例#2和5 (图3和6)略高的电压传感电流。
[0058]对电流偏移的另一贡献是电流对晶体管漏极-源极(集电极-发射极)电压的依赖性。此依赖性在最低漏极-源极(集电极-发射极)电压下是最强的，这是对于控制具有最大正向电压的串的晶体管而言的情况。在没有预防措施的情况下，使输出晶体管电压降最小化因此可能损害偏移电流。实施例#5、6、7和8 (图6、7、8和9)包括此类预防措施。实施例#5和6 (图6和7)使用级联配置来将LED串电压变化从BJT控制晶体管解耦。实施例#7和8 (图8和9)在每个串处实现双晶体管放大器以向电流控制晶体管馈送电流传感信息。在这两个实施例中，双晶体管放大器被放置在公共控制线与串行直通电流控制晶体管的栅极(基极)之间。此性质可以使得实施例#7和8比其他实施例对参数变化更有弹性。
[0059]实际上实现了类似于实施例#1 (即，图2中所示的实施例)的实施例。构造型式具有四个并联串而不是三个。电路的测试是使用单个功率电阻器来代替LED串所完成的。结果在表1中示出。总电源电流为1.95A，导致四个串中的每一个中的495mA的平均电流。串的电压以478mV从最高到最低变化。四个串中的电流以4.6mA或其平均电流的0.93%的标准偏差变化。在本示例性测试中，具有最高负载电压的串具有最高电流且反之亦然。电流模拟显示出与在表1中看到的相反的行为:电流对于具有最高漏极-源极电压和最高栅极-源极电压的MOSFET而言应是最高的。另一效应也应在与在表1中看到的相反的方向上推进:具有最高漏极-源极电压的MOSFET应耗散最高的功率，变得比其他MOSFET更热，并且减小其栅极-源极开启电压，从而增加电流。
【权利要求】
1.一种电流平衡电路，包括: 多个串行直通子电路，每个被配置成控制通过对应LED串的电流流动； 多个电流传感子电路，每个被配置成感测流过对应LED串的电流；以及 串监视和控制子电路，被配置成使跨越控制最高电压LED串的串行直通子电路的电压基本上趋于零。
2.权利要求1的电路，其中，使跨越控制最高电压LED串的串行直通子电路的电压趋于零以处于约-0.20VDC至+0.20VDC的范围内。
3.权利要求1的电路，其中，如果在串行直通子电路中的一个中电流增加，则对应的电流传感子电路被配置成产生较高电压降，从而降低该串行直通子电路的驱动电压，这转而减小了由该串行直通子电路传递的电流。
4.权利要求1的电路，其中，每个串行直通子电路包括晶体管，并且那些串行直通子电路晶体管中的每一个具有被连接到公共节点的栅极/基极，所述公共节点被进一步连接到串监视和控制子电路，并且那些串行直通子电路晶体管中的每一个具有被连接到串监视和控制子电路的漏极/集电极。
5.权利要求1的电路，其中，每个串行直通子电路包括被串联连接到第二晶体管的第一晶体管，并且那些串行直通子电路第一晶体管中的每一个具有被连接到第一公共节点的栅极/基极，所述第一公共节点被进一步连接到串监视和控制子电路，并且那些串行直通子电路第二晶体管中的每一个具有被连接到第二公共节点的栅极/基极，所述第二公共节点被进一步连接到串监视和控制子电路，并且那些串行直通子电路第一晶体管中的每一个具有被连接到串监视和控制子电路的漏极/集电极。
6.权利要求1的电路，其中，每个电流传感子电路包括电阻器，所述电阻器具有被连接到对应串行直通子电路的一个端子和用于与电源操作耦合的另一端子。
7.权利要求1的电路，其中，通过使用跨该串行直通子电路操作耦合的多个半导体PN结，串监视和控制子电路使跨越控制最闻电压LED串的串行直通子电路的电压基本上趋于零，PN结中的一个或多个具有第一极性，并且其他PN结具有相反极性，使得所述多个PN结的总电压降在约-0.25VDC至+0.25VDC的范围内。
8.一种照明设备，包括: 多个LED串，每个串具有多个串联耦合的LED ； 多个串行直通子电路，每个被配置成控制通过LED串中的对应的一个的电流流动； 多个电流传感子电路，每个被配置成感测流过LED串中的对应的一个的电流；以及 串监视和控制子电路，被配置成使跨越控制最高电压LED串的串行直通子电路的电压基本上趋于零。
9.权利要求8的设备，其中，使跨越控制最高电压LED串的串行直通子电路的电压趋于零以处于约-0.20VDC至+0.20VDC的范围内。
10.权利要求8的设备，其中，如果在串行直通子电路中的一个中电流增加，则对应的电流传感子电路被配置成产生较高电压降，从而降低该串行直通子电路的驱动电压，这转而减小了由该串行直通子电路传递的电流。
11.权利要求8的设备，其中，每个串行直通子电路包括晶体管，并且那些串行直通子电路晶体管中的每一个具有被连接到公共节点的栅极/基极，所述公共节点被进一步连接到串监视和控制子电路，并且那些串行直通子电路晶体管中的每一个具有被连接到串监视和控制子电路的漏极/集电极。
12.权利要求8的设备，其中，每个串行直通子电路包括被串联连接到第二晶体管的第一晶体管，并且那些串行直通子电路第一晶体管中的每一个具有被连接到第一公共节点的栅极/基极，所述第一公共节点被进一步连接到串监视和控制子电路，并且那些串行直通子电路第二晶体管中的每一个具有被连接到第二公共节点的栅极/基极，所述第二公共节点被进一步连接到串监视和控制子电路，并且那些串行直通子电路第一晶体管中的每一个具有被连接到串监视和控制子电路的漏极/集电极。
13.权利要求8的设备，其中，每个电流传感子电路包括电阻器，所述电阻器具有被连接到对应串行直通子电路的一个端子和用于与电源操作耦合的另一端子。
14.权利要求8的设备，其中，通过使用跨该串行直通子电路操作耦合的多个半导体PN结，串监视和控制子电路使跨越控制最高电压LED串的串行直通子电路的电压基本上趋于零，PN结中的一个或多个具有第一极性，并且其他PN结具有相反极性，使得所述多个PN结的总电压降在约-0.25VDC至+0.25VDC的范围内。
15.—种照明电路，包括: 电源电路； 多个LED串，每个串具有多个串联耦合的LED ； 用于控制通过每个 LED串的电流流动的装置； 用于感测流过每个LED串的电流的装置；以及 用于使跨越用于控制与最高电压LED串相关联的电流流动的装置的电压基本上趋于零的装置。
16.权利要求15的电路，其中，使跨越用于控制与最高电压LED串相关联的电流流动的装置的电压趋于零以处于约-0.20VDC至+0.20VDC的范围内。
17.权利要求15的电路，其中，用于控制电流流动的装置包括具有被连接到公共节点的栅极/基极的晶体管，所述公共节点被进一步连接到用于基本上趋于零的装置，并且那些晶体管中的每一个具有被连接到用于基本上趋于零的装置的漏极/集电极。
18.权利要求15的电路，其中，用于控制电流流动的每个装置包括被串联连接到第二晶体管的第一晶体管，并且那些第一晶体管中的每一个具有被连接到第一公共节点的栅极/基极，所述第一公共节点被进一步连接到用于基本上趋于零的装置，并且那些第二晶体管中的每一个具有被连接到第二公共节点的栅极/基极，所述第二公共节点被进一步连接到用于基本上趋于零的装置，并且第一晶体管中的每一个具有被连接到用于基本上趋于零的装置的漏极/集电极。
19.权利要求15的电路，其中，用于感测电流的每个装置包括电阻器，所述电阻器具有被连接到用于控制电流流动的对应装置的一个端子和用于与电源操作耦合的另一端子。
20.权利要求15的电路，其中，用于基本上趋于零的装置包括跨越用于控制电流流动的每个装置操作耦合的多个半导体PN结，PN结中的一个或多个具有第一极性，并且其他PN结具有相反极性，使得所述多个PN结的总电压降在约-0.25VDC至+0.25VDC的范围内。
【文档编号】H05B37/02GK103687183SQ201310384159
【公开日】2014年3月26日 申请日期:2013年8月29日 优先权日:2012年8月29日
【发明者】W.P.莫斯科维奇 申请人:奥斯兰姆施尔凡尼亚公司