用于至少一个负载的驱动器电路以及对其进行操作的方法
【专利摘要】提供了一种用于对至少一个诸如LED单元(7)的负载进行操作的驱动器电路(1)，包括用于从电源(6)接收输入电压(V?IN)的输入(2)，用于向所述负载提供输出电压(V?OUT)的输出(3)，以及具有与开关设备(13)相连接的至少一个存储电感器(11)的开关转换器(4)，所述开关转换器(4)被部署为通过所述开关设备(13)在至少充电模式和放电模式之间的连续开关操作而生成平均输出电流。此外，开关控制器(5)与所述开关设备(13)相连接以控制所述开关设备(13)的操作，并且包括电感性地耦合至所述存储电感器(11)以提供对应于通过所述存储电感器(11)的电感器电流(I?S)的变化的反馈电压的反馈电感器(24)，和与所述反馈电感器(24)相连接以从所述反馈电压确定至少一个补偿信号的电压补偿电路(25)，所述补偿信号对应于所述输入电压(V?IN)或所述输出电压(V?OUT)。为了提供一种成本有效且通用的驱动器电路(1)，该开关控制器(5)被配置为至少根据所述电感器电流(I?S)在所述放电和所述充电模式之间对所述开关设备(13)进行控制，并且根据所述至少一个补偿信号对开关操作的占空比进行控制，而使得在所述输入电压(V?IN)或输出电压(V?OUT)发生变化的情况下，提供至负载的所述平均输出电流基本上保持恒定。
【专利说明】用于至少一个负载的驱动器电路以及对其进行操作的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及电源的领域，尤其涉及一种用于至少诸如LED单元的负载的驱动器电路以及对其进行操作的方法。
【背景技术】
[0002]在照明领域，目前的研发专注于降低用于日常照明的功耗。对于诸如住宅或商业环境中的一般房间照明应用而言，发光二极管(LED)已经成为了常规的白炽灯或卤素灯的一种替代形式。除了有所降低的功耗之外，LED进一步提供了寿命明显有所增加的优势，这降低了安装和更换的成本。
[0003]当采用包括LED或类似设备的光源时，通常必须要为一个或多个LED提供恒定电流，原因在于通过LED的电流随着所施加的电压指数变化。在没有适当电路的情况下，电压变化容易导致过载电流并因此损坏LED。因此，驱动器电路是本领域已知的，其在利用诸如市电之类的电压源驱动LED时对电流加以限制。
[0004]出于诸如房间照明应用之类的照明目的而在光源中使用LED时所存在的一个普遍问题在于，照明输出需要基本上是无闪烁的以向例如办公环境中的用户提供恒定亮度的适当照明。本领域中存在着复杂的电路设计，例如使用开关模式电源，其允许即使在诸如电压源所提供的电压发生变化之类的困难操作条件下仍然为LED提供相对应的恒定电流。
[0005]然而，当前可用的解决方案通常包括复杂且因此高成本的电路，这对于大规模市场应用而言并不适宜。
[0006]鉴于上文，本发明的目标是提供一种用于至少诸如LED单元的负载的通用驱动器电路，其在提供高质量且基本上无闪烁的照明输出的同时也是成本有效的。
【发明内容】
[0007]该目标通过根据本发明的一种用于对至少一个诸如LED光源的负载进行操作的驱动器电路以及对负载进行操作的方法而实现。其它从属权利要求涉及本发明的优选实施例。
[0008]本发明的基本思想是提供一种自驱动类型的开关模式驱动器电路，即其包括开关转换器，该开关转换器具有与反馈电感器电感性地耦合的存储电感器，以及在操作期间不仅将所述反馈电感器所提供的反馈电压用于对通过存储电感器的电感器电流进行控制，而且还用于对所述驱动器电路的输入和/或输出电压的变化进行补偿。
[0009]本发明是基于本发明人的以下认识，特别是在对LED进行驱动的情况下，所述输入和输出电压的变化能够从所述反馈电压进行确定，这允许对这样的变化进行补偿而并不必具有复杂的附加电路系统或电压传感器，这提供了特别成本有效的设置而适用于大规模市场应用。
[0010]本发明因此允许对通过至少一个负载的控制有所改善，从而即使在所述输入和/或输出电压发生变化的情况下，在操作期间提供至负载的平均电流也基本上保持恒定。因此，当对LED进行驱动时，提供了高质量的输出照明。
[0011]本发明的驱动器电路至少包括用于从电源接收输入电压的输入、用于向诸如LED单元的负载提供输出电压的输出、以及具有至少一个存储电感器和开关设备的开关转换器，所述开关转换器被部署为通过所述开关设备在至少充电模式和放电模式之间的连续开关操作而生成平均输出电流。该驱动器电路进一步包括至少与所述开关设备相连接以控制器开关操作的开关控制器。
[0012]输入和输出可以为任意适当类型以允许分别连接至电源和至少一个负载。输入和输出中的每一个例如可以包括两个电气端子，诸如连接管脚、焊盘、插头/插座连接器或者任意其它适当连接器以允许相对应的电气连接。该连接可以是持久或临时的，后者至少对于电源和输入之间的连接是优选的。
[0013]在当前的解释中，术语“所连接”或“连接”是指导电连接，从而电流能够在分别连接的设备或电路之间进行流动。该连接可以是直接或间接的，即通过中间组件或电路。
[0014]输入和输出可以包括另外的组件或电路；例如，输入可以包括整流器和/或平滑级以向开关转换器提供单极或直流电压。相对应地，输出例如可以包括用于对输送至一个或多个所连接负载的电压和/或电流进行平滑的滤波器设备。可替换地或除此之外，输入和/或输出可以包括另外的机械组件，例如在驱动器电路被提供为从电力和/或负载去除的情况下，包括至少一个相对应可分离的电连接器或插头。特别是在至少一个所连接负载是LED单元的情况下，优选地输入和/或输出利用灯具插座、连接器和/或具有颜色识别器的独立悬索进行整合。
[0015]如以上所讨论的，输入适于从电源接收输入电压。该电源可以是任意适当类型，例如该电源可以是AC市电线路。输入电压因此可以对应于交变电压，即来自于IlOV或220V的市电连接。可替换地，该电源可以是提供DC电压的电气或电子变压器。
[0016]至少一个电气负载可以为任意适当类型。特别地，该驱动器电路可以是用于对例如白炽灯、卤素灯或荧光等之类的灯具或光源进行操作的灯具驱动器电路。优选地，至少一个负载是LED单元。该LED单元可以是任意适当类型并且可以包括至少一个发光二极管(LED)，在本发明的方面，发光二极管可以是任意类型的固态光源，诸如无机LED、有机LED或固态激光器，例如，激光器二极管。LED单元显然可以包括多于一个的以上所提到的串联和/或并联连接的组件。在本发明的驱动器电路的操作期间，多个LED单元的串联和/或并联连接例如可以通过诸如缓冲级之类的中间组件而连接至输出。
[0017]出于一般照明的目的，LED单元优选地可以包括至少一个高功率LED，即在例如3V的相对低的电压具有高达IA的高额定电流。优选地，所述高功率LED提供大于501m的光通量。
[0018]LED单元显然可以包括另外的电气、电子或机械组件，诸如例如对亮度和/或颜色进行控制的控制器、平滑级和/或一个或多个滤波电容器。
[0019]如以上所提到的，根据本发明的驱动器电路进一步包括开关转换器。该开关转换器包括至少一个存储电感器和开关设备。该开关转换器可以包括另外的组件。该开关转换器被部署为通过该开关设备至少在充电模式和放电模式之间的连续开关操作而输出所述平均输出电流。在该说明中，术语“平均输入电流”是指时间平均电流，其被提供至在操作期间连接至输出的至少一个负载。[0020]该存储电感器可以为任意适当类型而在与电源相连接时在磁场中存储电能。优选地，该存储电感器包括一个或多个导电体的绕组。最为优选地，该存储电感器包括至少一个线圈。
[0021]该开关设备可以为任意适当类型以至少允许所述充电和放电模式，诸如电力开关。优选地，该开关设备包括至少一个晶体管，最为优选地是M0SFET。
[0022]如之前所讨论的，该开关转换器至少允许充电和放电模式。在所述充电模式中，该存储电感器与输入和电源相连接以在所述磁场中存储电能。根据驱动器电路的一般设置，当前模式中的负载可以与输入相连接或者与之断开连接。
[0023]在放电模式期间，该存储电感器与负载向连接以提供所述输出电压。典型地，处于该模式的存储电感器与电源断开连接。然而，应当注意的是，即使在放电模式中，例如低于50mA的毫安范围内的微小空闲电流也可能从电源流向存储电感器。
[0024]该开关转换器可以对应于典型的升压和/或降压转换器的设置。优选地，特别是在所述负载为LED单元并且所述输入电压为市电电压的情况下，该开关转换器是降压转换器，诸如典型的降压式(buck)转换器。最为优选地，该驱动器电路是非隔离的开关模式驱动器电路，即对应于驱动器电路，其中所述输入和所述开关转换器串联连接至所述输入，例如没有任何另外的电流隔离。
[0025]如以上所描述的，根据本发明的驱动器电路进一步包括开关控制器。该开关控制器可以包括任意适当的离散和/或集成电路以对开关设备的开关操作进行控制，即将开关设备从充电模式设置为放电模式，反之亦然。因此，该开关控制器应当经由适当控制连接而与所述开关转换器和/或开关设备相连接。出于进一步提高成本效率的原因，优选地该开关控制器仅包括离散组件。
[0026]根据本发明，该开关控制器包括至少一个反馈电感器和电压补偿电路。该反馈电感器电感性地耦合至所述存储电感器以提供反馈电压，该反馈电压对应于操作期间通过所述存储电感器的电感器电流的变化。该反馈电感器可以是任意适当类型；优选地，该反馈电感器包括导电体的一个或多个绕组。最为优选地，该反馈电感器包括至少一个线圈。该反馈电感器可以通过任意适当布置而电感性地耦合至存储电感器，例如通过共用磁核。
[0027]根据本发明，该电压补偿电路与所述反馈电感器进行连接以从所述反馈电压确定至少一个补偿信号，其中所述补偿信号对应于所述输入或输出电压。该电压补偿电路可以为用于从所述反馈电压确定所述至少一个补偿信号的任意适当类型，包括集成或离散电路，其中后者是优选的。至少一个补偿信号可以为任意适当的模拟或数字类型。
[0028]根据本发明的开关控制器被配置为根据所述电感器电流而在所述充电和所述放电模式之间对所述开关设备进行控制，即提供基于电感器电流的电流控制。例如，该开关控制器可以被配置为将所述反馈电压与预定阈值进行比较并且相应地设置开关设备的模式，即所定义的上限和下限阈值之间的“阈值”电流控制。由于开关操作的控制基于通过存储电感器自身的电流，所以与使用振荡器等的开关控制相比，相对应的控制通常被称作“自驱动控制”。
[0029]此外，该开关控制器被配置为根据所述电压补偿电路所确定的所述至少一个补偿信号而对开关操作的占空比进行控制，这允许即使在所述输入或输出电压有所变化的情况下也保持提供至负载的平均输出电流基本恒定。在本文中，术语“基本上恒定”是指平均输出电流大幅独立于所述输入和/或输出电压的变化，即所述电压的变化仅以明显更小的量级对平均输出电路有所影响。
[0030]优选地，针对相结合的输入电压15%的变化以及输出电压20%的变化，该平均输出电流的变化小于5%。最为优选地，针对输出电压20%的变化，平均输出电流的变化小于3%。特别优选地，针对输入电压15%的变化，平均输出电流的变化小于4%。
[0031]特别地，当使用本发明的驱动器电路对诸如LED单元的灯具进行操作时，开关转换器的平均输出电流对应于LED的输出光通量，即亮度，从而本发明有利地即使在所述输入或输出电压发生变化的情况下也支持近似恒定的光输出，即提供高质量的光输出。
[0032]在本文中，术语“占空比”被理解为开关设备在其中处于充电模式的时间与充电和放电模式的总时间的比。
[0033]如之前所提到的，本发明因此有利地即使在电源所提供的输入电压或输出电压，即负载处的电压，发生变化的情况下也提供恒定的平均输出电流。
[0034]在市电连接的情况下，即当电源是AC市电线路时，输入电压的变化例如可能由于典型的线路波动而出现。在之前所提到的包括LED单元和开关转换器的串联连接的非隔离设置中，这样的波动在充电模式期间的各种时刻导致存储电感器处的各种压降并且因此导致增加/降低的电流消耗，即相对应地改变光通量。所述输入电压的变化例如可能是由于所连接的LED单元的变化的正向电压。例如，在使用颜色可控的RGB LED单元时或者在将本发明的驱动器电路随彼此具有不同正向电压的不同LED单元使用时可能会出现这种情况。此外，输出电压可能在LED单元存在缺陷时发生变化，即在串联连接中的一些LED发生短路的情况下。本发明在这些情况下也提供基本恒定的平均输出电流并且因此提供了一种高度通用的驱动器电路。
[0035]虽然根据本发明的研发而优选的是，电压补偿信号对应于输入电压而使得平均输出电流在输入电压发生变化的情况下基本上保持恒定，但是该电压补偿电路被配置为从所述反馈电压确定第一和第二补偿信号。该第一补偿信号对应于输入电压，而第二补偿信号则对应于输出电压。根据该优选实施例的开关控制器被配置为接收所述第一和所述第二补偿信号并且根据所述第一和所述第二补偿信号二者对开关操作的占空比进行控制。
[0036]该实施例优选地允许进一步有所改进的控制，原因在于所述输入电压和所述输出电压二者的变化都通过改变开关操作的占空比而得到补偿并且因此提供了平均输出电流。
[0037]除了以上所提到的电流控制之外，该实施例中的开关控制器可以被配置为基于所述第一和第二补偿信号的相加而对占空比进行控制，而使得该占空比在输入电压或输出电压发生变化时相应地进行调适。
[0038]优选地，该开关控制器被配置为使得在所述第一补偿信号增大的情况下，开关操作的占空比减小。根据该实施例，该开关控制器基于驱动器电路的输入电压而提供了空度比控制。
[0039]该实施例是基于以下认识，其中特别是在以上所提到的非隔离设置中，有所增大的输入电压由于其电阻减小而通过LED单元提供基本上更高的电流，即相对应有所减少的充电时间。根据该实施例，开关操作的占空比因此有所减小以保持输送至负载的平均电流恒定并且因此保持光通量恒定。在第一补偿信号有所减小的可替换情形中，最为优选地，该开关控制器应当被配置为增大占空比以相应地对减小的电流消耗进行补偿。[0040]针对上文可替换地或除此之外，该开关控制器优选地可以被配置为使得在所述第二补偿信号增大的情况下，该占空比增加，即基于驱动器电路的输出电压的反空度比控制。
[0041]对应于上文，例如由于所连接的LED单元的增加的正向电压所导致的更高的输出电压导致了平均输出电流的下降，特别是在以上所提到的非隔离设置中。由于在该设置中，在放电模式器件操作电力由存储电感器提供至负载，所以增大的输出电压导致了存储电感器更快的放电并且因此导致了放电模式的时间减少。为了对所导致的平均输出电流的下降进行补偿，占空比增力卩。显然，此外优选地，在所述第二补偿信号减小的情况下，该开关操作的占空比相应地减小。
[0042]虽然占空比根据所述输入和/或输出电压的线性控制是优选的，但是通常可以根据连接至输出的负载的特性而采用非线性控制。
[0043]根据本发明另外的研发，该电压补偿电路被配置为在充电模式期间根据反馈电压来确定所述(第一)补偿信号。
[0044]如上文中所讨论的，由于反馈电压与反馈电感器的电感性耦合，所述电压对应于电感器电流即其梯度的变化。在充电模式中，电能通过电感器电流而被存储在存储电感器的磁场中，该电感器电流在该模式中由电源所提供。电感器电流在充电模式中的增加即其梯度取决于所施 加的相应电压。因此，在充电模式期间，输入电压更高或更低的振幅导致不同的电流梯度并且因此在反馈电压的振幅中有所反映。
[0045]可替换地或除此之外，该电压补偿电路可以被配置为在放电模式期间根据反馈电压来确定所述第二补偿信号。
[0046]在放电模式期间，电能由存储电感器输送至负载。由于电感器的电气特性提供了该设备抵制电感器电流的变化，所以生成电压，直至电流可能通过负载进行流动。所生成的电压因此对应于输出电压(忽略最终的附加组件上的压降)，例如在对LED单元进行驱动时对应于其正向电压。由于更高的输出电压导致存储电感器更快放电，所以该模式中的电感器电流的梯度因此取决于输出电压，从而输出电压的改变或变化导致反馈电压相对应有所变化的振幅。
[0047]由于存储电感器在该模式中的放电，反馈电压可以表现出与放电模式中的极性相反的极性。
[0048]然而，要注意的是，反馈电压不必须需要反映输入和输出电压的确切振幅，因为为了允许对电压变化进行补偿，即对距标称电压的偏移进行补偿，反馈电压相应地反映该变化就足矣。
[0049]该电压补偿电路可以包括用于分别在充电和放电模式中确定所述第一和/或第二补偿信号的任意适当电路。例如，该电压补偿电路可以包括一个或多个开关以将反馈电感器循环地与相对应的信号调节电路进行连接，以相应地生成所述第一和第二电压补偿信号。优选地，该电压补偿电路包括用于确定所述第一补偿信号的正电流路径以及用于确定所述第二补偿信号的负电流路径，其二者都与所述反馈电感器相连接。为了确保每个电流路径仅在相应模式期间被激活，其均可以包括至少一个二极管，其以相反极性进行配置而使得在充电模式期间电流仅被提供至正电流路径而在放电模式期间电流仅被提供至负电流路径。
[0050]为了给予电感器电流提供以上所提到的电流控制，根据另外的优选实施例的开关控制器包括第一阈值电路，其与所述反馈电感器相连接并且被配置为在所述反馈电压对应于预定的最小电流阈值时将开关设备从放电模式设置为充电模式。
[0051]该实施例提供了基于如反馈电压所反映的电感器电流的控制。该第一阈值电路可以为任意适当类型，例如包括比较器，比较器将所述反馈电压与对应于所述最小电流阈值的预定最小电压进行比较。优选地，该预定最小电流阈值对应于基本上OA(+/-1OmA)的电感器电流，即根据大约OV的反馈电压。
[0052]除此之外或可替换地并且根据本发明的研发，该开关控制器包括第二阈值电路。该第二阈值电路被配置为在对应于所述电感器电流的电流控制信号对应于最大电流阈值时将开关设备设置为放电模式。
[0053]该第二阈值电路的操作对应于以上所讨论的第一阈值电路。该第二阈值电路可以为任意适当类型，例如包括比较器，比较器将所述电流控制信号与对应于所述最大电流阈值的预定电压进行比较。该电流控制信号可以使用另外的反馈电感器或使用单独的感应器件而得自于反馈电压。该最大电流阈值应当根据应用进行设置，即根据负载和/或开关转换器的电气规范进行设置。
[0054]优选地，该第二阈值电路连接至所述电压补偿电路以通过根据所述第一和/或第二补偿信号而改变所述电流控制信号和/或所述最大电流阈值而对所述开关操作的占空比进行控制。因此，该占空比通过对通过所述存储电感器的峰值电感器电流进行控制而得以被设置。
[0055]如以上所讨论的，该实施例提供了本发明的驱动器电路进一步简化的设置，特别是在最小电流阈值固定的情况下。该占空比控制因此可以通过针对所述最大电流阈值和/或电流控制信号提供偏移量或偏置而实现。如本领域技术人员将会显而易见的，可以通过减小所述最小电流阈值或者通过增大电流控制信号而相应地提供占空比的减小。
[0056]为了提供最简单的电路设置，优选地该第二阈值电路被配置为根据所述第二补偿信号而偏置最大电流阈值。
[0057]该实施例提供了在输出电压增大时，占空比相应增大，导致了所述反空度比控制。第二补偿信号例如可以针对基准电压提供偏移量，该基准电压对应于正常操作条件的预定最大电流阈值。
[0058]在进一步优选的实施例中，该第二阈值电路被配置为根据所述第一补偿信号而偏置电流控制信号，即针对对应于所述电感器电流的所述电流控制信号提供偏移量。根据该实施例，由所述第一补偿信号向所述电流控制信号提供偏移量以使得在输入电压增大并且因此第一补偿信号增大时，该占空比有所减小，即提供以上所提到的空度比控制。
[0059]如上文中所讨论的，电流控制信号例如可以从所述反馈电压进行确定。根据进一步优选的实施例，本发明的驱动器电路进一步包括电流传感器以确定所述电流控制信号。该电流传感器与所述存储电感器串联连接以使得所述电流控制信号至少在充电模式期间对应于所述电感器电流。该电流传感器可以包括任意适当电路，最简单地，可以采用典型的电流感应电阻器。
[0060]在本发明进一步优选的实施例中，该开关控制器还包括开路检测器。该开路检测器被配置为将第二补偿信号与预定安全电压阈值进行比较，从而该开关操作的占空比在所述输出电压超过预定安全电压阈值的情况下大幅地减小。[0061]该实施例对于解决开路输出情形中的最终危险是特别有利的，即在没有输出连接至负载或者负载故障的情况下。特别地，在以上所提到的开关转换器的非隔离设置中，其中在放电模式期间，存储电感器通过负载进行放电，由于电感器试图保持电感器电流，所以开路输出状态导致输出处的电压急剧增大。
[0062]该实施例因此降低开关操作的占空比以限制平均输出电流并因此限制所提供的电能。在该实施例中，术语“大幅地”是指至少50%的减小，优选地为90%，进一步优选为92%而最优选为95%。
[0063]根据本发明的研发，该开路检测器被配置为通过在输出电压超过所述预定安全电压阈值的情况下减小最大电流阈值而降低占空比。
[0064]虽然该开路检测器可以为任意适当设置，但是优选地该开路检测器与所述电压补偿电路进行整合。在上文中，已经对适于在根据本发明的驱动器电路中使用的开关转换器的若干种设置进行了讨论。特别是将该驱动器电路随所述至少一个LED单元使用时，该开关转换器优选地为分接开关转换器。根据分接开关转换器的典型设置，该存储电感器包括与开关设备串联连接的第一和第二绕组。
[0065]该实施例在输入电压和输出电压之间差异相当大的情况下特别有利，例如在发光二极管需要利用市电电压进行操作时的情形。典型的分接开关转换器设置提供了根据第一和第二绕组之间的绕组比率对电压进行调适。在这样的设置中，充电模式期间的输出优选地应当与第一和第二绕组串联连接。最为优选地，开关转换器应当包括交替电流路径，从而在放电模式期间，输出即负载连接至存储电感器的第一绕组。
[0066]根据本发明另外的方面，提供了一种LED光源，其至少包括如以上所描述的根据本发明的驱动器电路，该驱动器电路与至少一个LED单元相连接。显然，驱动器电路和/或LED单元可以对应于之前所提到的一个或多个实施例。
[0067]本发明的另一个方面涉及一种利用驱动器电路对诸如LED单元的负载进行操作的方法，该驱动器电路包括用于从电源接收输入电压的输入，用于连接至所述负载的输出，以及具有至少一个与开关设备相连接的存储电感器的开关转换器，所述开关转换器被部署为通过所述开关设备在至少充电模式和放电模式之间的连续开关操作而生成平均输出电流。该驱动器电路进一步包括电感性地耦合至所述存储电感器以提供反馈电压的反馈电感器，该反馈电压对应于通过所述存储电感器的电感器电流的变化。此外，电压补偿电路与所述反馈电感器相连接以从所述反馈电压确定至对应于所述输入或输出电压的至少一个补偿信号。
[0068]根据本发明的该方面，根据所述电感器电流对开关设备的开关设备进行控制并且根据所述至少一个补偿信号对开关操作的占空比进行控制，而使得在所述输入和输出电压发生变化的情况下，平均输出电流基本上保持恒定。显然，本发明的该方面可以在对应于以上所讨论的一个或多个优选实施例的实施例中进行操作。
【专利附图】
【附图说明】
[0069]本发明的这些和其它方面、特征和优势将结合附图参考优选实施例的描述进行阐述并且将由此是显而易见的，其中:
[0070]图1以示意性框图示出了根据本发明的驱动器电路的实施例；和[0071]图2以详细电路图示出了图1的实施例。
【具体实施方式】
[0072]图1示出了根据本发明的驱动器电路I的示意性框图。驱动器电路I包括输入2、输出3、开关转换器4和开关控制器5。输入2连接至电源6，其根据该示例为220V或IlOV的市电线路并且被配置为向驱动器电路I提供输入电压VIN。输出3通过输出端子8连接至LED单元7，该输出端子8可以形成可分离的连接器。根据该示例的LED单元7包括串联连接的多个高功率LED (未示出)，其导致了对应于LED的整体正向电压的输出电压VOT。
[0073]根据图1的驱动器电路I被配置为从市电电源6向LED单元7提供操作电流。由于典型的LED利用大幅地低于市电电压的电压进行驱动，所以根据该示例的驱动器电路I的设置对应于开关模式降压电源电路。
[0074]开关转换器4包括具有主绕组9和副绕组10的存储电感器11。两个绕组9、10形成线圈，线圈互相耦合并且与通过共用磁核26与另外的反馈电感器24进行耦合。绕组9、10在被提供以电力时被适配为在磁场中存储能量。此外，开关转换器4包括钳位二极管12和开关设备13，该钳位二极管12提供交流路径，而该开关设备13根据该示例为开关控制器5所控制的MOSFET。
[0075]如将从图1所显而易见的，输出3以及因此的LED单元7在输入2和开关转换器4之间串联连接，由于主绕组9和副绕组10，该开关转换器对应于典型的降压转换器配置并且更确切地对应于所谓的“分接”降压转换器配置。根据该实施例的分接降压转换器设置允许从诸如市电的电源6提供大幅地有所降低的输出电压VOTT，同时保持相对高的效率。在这样的配置中，副绕组10和主绕组9的绕组比率应当近似地匹配Vott与Vin之比以提供提高的效率。
[0076]输入2包括整流器14，例如典型的桥型二极管整流器。电容器15连接至整流器14的输出，即连接在DC线路16和接地端17之间以平滑所提供的输入电压VIN。输出3除了之前所提到的端子8之外还包括电解缓冲电容器18和保护齐纳二极管19。缓冲电容器18在开关转换器4的开关操作期间减少纹波电流。齐纳二极管19例如在没有负载连接至端子8，即输出3处于“开路”状态，的情况下将端子8上的电压限制为安全水平。
[0077]根据典型的降压转换器的功能，开关设备13顺序进行操作，即被设置为闭合和打开状态以允许其中存储电感器11串联连接在DC线路16和接地端17之间的充电模式(闭合状态)以及其中开关设备13断开从而并没有实质性的电流被开关设备4从电源6所获取的放电模式。在充电模式中，绕组9、10将电能存储在相对应的磁场中。
[0078]在放电模式期间，存储电感器11的副绕组10在闭合电路中与钳位二极管12和LED单元7连接而使得绕组9、10所存储的能量被提供至LED单元7。由于共用磁核26，绕组9、10的两者的能量被提供至LED单元7。因此,该示例中的LED单元7在充电和放电模式期间都被提供以操作电力。绕组9在放电模式期间被短路或者简单地保持开路。
[0079]如之前所提到的，开关设备13的模式由开关控制器5进行设置。控制器5根据电感器电流Is对开关设备13进行设置，并且包括第一阈值电路23和第二阈值电路21，这二者均与开关设备13相连接。第一阈值电路23在电感器电流Is下降至该示例中例如为OA的最低电流阈值Imin时将开关设备13从放电模式设置为充电模式。此外,第一阈值电路23在与电源6相连接时提供驱动器电路I的初始启动。
[0080]第二阈值电路21在电感器电流Is对应于根据所期望的平均输出电流所设置的最大电流阈值Imax时将开关设备13从充电模式设置为放电模式。
[0081]驱动器电路I的操作总体上对应于电流控制的开关模式电源。在电路I与电力连接之后，开关设备13被第一阈值电路23设置为充电模式。电感器电流Is相应地上升，利用电力对LED单元7和存储电感器11进行供电。当电感器电流Is达到Imax时，开关设备13被第二阈值电路21设置为放电模式。在该模式中，存储电感器11的副绕组10通过钳位二极管12利用来自于充电模式期间存储在其磁场之中的能量的操作电流对LED单元7进行供电。因此，(时间)平均输出电流被提供至LED单元7。
[0082]由于基于电感器电流Is的开关操作，驱动器电路I在无需例如外部振荡器的情况下提供了 “自驱动”控制，使得该设置是高度成本有效的。
[0083]为了确定电感器电流Is是否对应于所述最大电流阈值Imax，第二阈值电路21通过感应连接20与存储电感器11进行连接以接收电流控制信号。分流电阻器22被布置为使得感应连接20上的电流控制信号对应于电感器电流Is。
[0084]由于在放电模式期间，即在开关设备13处于其断开状态时，没有电流能够在感应连接20上被确定，第一阈值电路23连接至反馈电感器24，其根据所述主绕组和副绕组9、10而是具有所定义数量的导体绕组的线圈。如将从图1所显而易见的，反馈电感器24通过共用磁核26电感性地耦合至存储电感器11。因此，反馈电感器24在操作期间提供对应于电感器电流Is的变化的反馈电压。
[0085]如以上所提到的，反馈电感器24连接至第一阈值电路23，其在反馈电压下降至对应于最小电流阈值Imin = OA的OV时将开关设备13控制为闭合状态。如下文中将会更为详细解释的，反馈电压的极性变化被认为是Imin = OA的指示。为了允许第一阈值电路23对开关设备13的模式进行控制，第一阈值电路23与DC线路16相连接，DC线路16也在驱动器电路I与电源6初始连接时使得开始开关转换器4的开关操作。阈值电路21、23的设置和操作的细节将参考图2进行解释。
[0086]虽然反馈电感器24因此被用来基于电感器电流Is而对开关设备13进行控制，即用于以上所提到的自驱动控制，但是电感器24在操作期间所提供的反馈电压还允许确定输入电压Vin和输出电压Vott的变化，这允许对这样的变化进行补偿，否者其可能会导致所提供的平均输出电流的非预期变化，在对LED进行驱动时尤其如此。这里，由于LED的指数电压/电流关系，电压变化导致通过设备的电流的急剧变化，这导致了所发射光线的光通量的变化并且在最差情况下会损坏LED。
[0087]因此，反馈电感器24还与电压补偿电路25相连接。电压补偿电路25基于反馈电压而确定输入电压Vin和输出电压Vtot的变化并且向第二阈值电路21提供对应于Vin和Vqut的第一和第二补偿信号。
[0088]两个补偿信号被第二阈值电路21用来针对最大电流阈值Imax提供偏移量/偏差以及电流控制信号，这将参考图2更为详细地进行解释。相对应的“偏移量控制”提供了开关操作的占空比的调适。因此，提供至LED单元7的平均输出电流以及因此的光通量得以稳定化并且独立于Vin和Vtm的变化基本上保持恒定。
[0089]电压补偿电路25的操作基于本发明人的以下认识，其中反馈电感器24的反馈电压在充电模式期间对应于输入电压Vin而在放电模式期间则对应于输出电压Votjt,从而能够在没有复杂的额外感应电路的情况下确定所述输入电压Vin和输出电压Vtot的变化。
[0090]如以上所提到的，在充电模式期间，电感器电流Is将根据所施加的输入电压Vin而增大。当输入电压Vin例如由于市电线路的波动而增大时，电感器电流Is在充电模式期间的梯度相应增加，即电流将更快增大。有所增加的电感器电流Is的梯度由于电感耦合而导致了相应增大的反馈电压，并且因此是Vin的量级的度量。
[0091]对应于上文,在放电模式期间，Is的梯度取决于输出电压Vmjt,即LED单兀7的正向电压，原因在于增大/减小的输出电压Vtot使得存储电感器11更快/更慢地进行放电。因此，放电模式中的反馈电压对应于输入电压Vot。
[0092]注意到，反馈电压并非必然反映输入和输出电压Vin和Vot的绝对振幅。然而，由于如以上所提到的，电压补偿电路25被提供以确定Vin和Vtot的变化，即距正常操作水平的偏差，所以绝对振幅的重要性仅是微乎其微。
[0093]除了以上对Vin和Vtot的变化的补偿之外，Vout的确定进一步允许在输出3开路时增加驱动器电路I的安全性，当LED单元7在操作期间发生故障时尤其是这种情况，其导致了开路。在这样的情况下，处于所述放电模式的存储电感器11上的电压将急剧增大，这是因为电感器11试图抵御电流Is的变化。虽然齐纳二极管19在这样的情况下对缓冲电容器18进行保护，然而在端子8所施加的电压可能是危险的。
[0094]开关控制器5因此包括开路检测器28，其与所述电压补偿电路25整体形成。开路检测器28确定输出电压Vtot是否达到了预定安全电压阈值，并且因此允许确定LED单元7的故障。开路检测器28在这种情况下将Imax减小其正常设置的至少50%并且因此将平均输出电流减小至安全水平。
[0095]图1中本发明的驱动器电路特别是开关控制器5的详细功能随后将参考图2进行解释。
[0096]图2以详细电路图不出了图1的实施例。驱动器电路I的附图标记和基本功能对应于上文，因此以下解释将关注于开关控制器5的组件的设置和功能，也就是第一和第二阈值电路23、21以及电压补偿电路25。
[0097]如从该示图而会显而易见的，根据该示例的第一阈值电路23由电阻器Rl和R12以及电容器C2所构成。电阻器Rl和R12提供了在驱动器电路I与电源6的初始连接之后，操作电流从DC线路16提供至开关设备13的栅极以将开关转换器4设置为充电模式。
[0098]因此如之前所提到的，电感器电流Is增大并导致感应连接20上的电流控制信号相应地增大。
[0099]该电流控制信号被提供至第二阈值电路21的比较器U1，其将该电流控制信号与基准电压Vkef进行比较。
[0100]电压(DC分量加上功率频率波纹电压)Vkef对应于最大电流阈值Imax并且在正常操作期间根据MOSFET Q2的栅极驱动电源进行设置，栅极通过由Rl、R9和Rll所形成的分压器而反映了 DC线路16的电压。如将在下文中所解释的，开路检测器28的MOSFET Q2 (图2中未示出)在正常操作期间处于导通状态。
[0101]当感应连接20上的电流控制信号等于Vkef时，Ul的输出使能MOSFET Q3。因此，开关设备13的栅极通过Rll与接地端17相连接并且相应地进行放电，这导致开关设备13被设置为放电模式。
[0102]如上文中所提到的，在放电模式期间，通过钳位二极管12而保持副绕组10和LED单元7之间的电流流动。由于开关设备13并不导通，所以感应连接20上的电流控制信号将下降为零。因此，比较器Ul的输入为低并且对MOSFET Q3进行重置。在放电模式期间，反馈电感器24上的反馈电压将由于副绕组10和反馈电感器24的反向相位点而为负。因此，开关设备13将保持在放电模式。
[0103]此时，电感器电流Is下降至0A，存储电感器11将通过开关设备13的漏极-源极而利用寄生电容发生谐振，这将使得电流流动逆转。反馈电感器24上的反馈电压因此将改变其极性并且导致开关设备13被从DC线路16通过电阻器R12和Rl所提供的电压重置为充电模式，从而重复开关周期。
[0104]如上文中所讨论的，反馈电感器24进一步与电压补偿电路25相连接以允许从反馈电压对Vin和Vot进行补偿。
[0105]电压补偿电路25包括正电流路径，该正电流路径包括二极管D2、电阻器R8和齐纳二极管Z4。齐纳二极管Z4与比较器Ul的正输入相连接并且因此针对电流控制信号提供偏移量。由于二极管D2，该正电流路径在充电模式进行操作，接收反馈电压，其在该模式中对应于输入电压VIN。该正电流路径因此通过TA向第二阈值电路21提供第一补偿信号。
[0106]该正路径进一步包括从属电源电路，其由电阻器R2、R3和电容器C3、C4所构成。电阻器R2限制通过C3的电流并且使得从属电源与R8和TA解耦合，即与第一补偿信号解耦合。R3和C4针对从属电源而形成了高频解耦网络。在开路检测器28的操作中尤其需要该从属电源电路。
[0107]在充电模式中，如以上所讨论的，第一补偿信号通过电阻器R8和齐纳二极管Z4的组合而被提供至比较器Ul。在由反馈电感器24上有所增加的反馈电压所反映的输入电压Vin增大时，第一补偿信号相应增大。在这种情况下，针对感应连接20上对应于输入电压Vin的电流控制信号的增大的偏移量导致了占空比的减小。因此，将不会得到补偿的输入电压Vin的增大将会导致通过减小开关操作的占空比，而使得通过LED单元7有所增大的平均电流得到补偿，该占空比即开关设备13在其中处于充电模式的时间。在输入电压Vin下降的情况下，通过R8和TA所提供的电流较小，从而占空比相对应地有所增大。
[0108]电压补偿电路25进一步包括负电流路径，该负电流路径由二极管D3、齐纳二极管Z2、电阻器R6和双极晶体管Q4所组成。该负电流路径在放电模式期间由于负绕组10在该模式的放电而导通，反馈电感器24所提供的反馈电压将会为负。
[0109]晶体管Q4在作为由R6、Z2和D3所调整的等效阻抗而以线性模式进行工作。该负电流路径即Q4对基准电压Vkef进行调整，如上文中所提到的，该基准电压Vkef对应于最大电流阈值IMX。如将从图2显而易见的，晶体管Q4通过R13而从从属电源电路形成电流，即从从属电源电路所提供的电压Vdd形成电流。
[0110]当输出电压Vtot例如在LED单元7是RGB颜色可控类型并且其正向电压在操作期间有所变化的情况下有所增大，因此增大的反馈电压导致负电流路径中的反向电流增大。结果，晶体管Q4从Vdd向Vkef形成更大电流，导致Vkef的增大。
[0111]增大的Vkef导致占空比增大。相对应地，提供至LED单元7的平均输出电流有所增大而对增大的Vott进行补偿。[0112]在输出电压Vtot减小的情况下，相对应减小的反馈电压导致通过双极晶体管Q4的电流减小并且因此导致Vkef减小。
[0113]如上文中所提到的，电压补偿电路25进一步包括由MOSFET Q2、电阻器R4、R4和齐纳二极管Z1、Z3所组成的开路检测器28。在正常操作期间，Q2的栅极通过R4和Z3而被提供以来自Vdd的操作电压，即来自从属电源。Q2因此导通。
[0114]在LED单元7发生故障的情况下，即在端子8开路时，保护二极管19将电压限制为其齐纳电压。因此由反馈电压所反映的增大的输出电压￥_在负电流路径上提供负电源，将D3和Zl设置为导通。因此，在Q2的栅极出现反向电流，其将Q2设置为非导通状态。该状态中的电压基准Vkef由于分压器的附加电阻器RlO减小。RlO必须被选择为足够高。Vkef的减小导致了占空比明显减小，从而“负载开路”情形中的平均输入电流因此减小而提高的驱动器电路I的操作安全性。
[0115]已经在附图和上述描述中对本发明进行了详细图示和描述。这样的图示和描述要被理解为是说明性或示例性而非是限制性的；本发明并不局限于所公开的实施例。例如，可能根据以下实施例对本发明进行操作，其中:
[0116]-不同于LED单元7，另外类型的负载被连接至输出3，诸如例如白炽灯或卤素灯的光源，
[0117]-不同于所示出的分接降压转换器设置，开关转换器4对应于典型的降压转换器或反激式转换器设置，和/或
[0118]-反馈电感器24包括两个或更多单独耦合至存储电感器11的独立绕组。
[0119]在通过对附图、公开内容和所附权利要求的研习而对所请求保护的发明进行实践时，本领域技术人员能够理解并实施针对所公开实施例的可替换变化形式。在权利要求中，词语“包括”并不排除其它要素或步骤，并且不定冠词“一”和“一个”并不排除复数。某些措施在互相不同的从属权利要求中被引用的事实并非指示这些措施的组合无法被有利地利用。权利要求中的任意附图标记都不应当被理解为对其范围进行限制。
【权利要求】
1.一种用于对至少一个诸如LED单元(7)的负载进行操作的驱动器电路，包括 -输入(2)，所述输入⑵用于从电源(6)接收输入电压(Vin)， _输出(3),所述输出(3)用于向所述负载提供输出电压(Vom)的， -开关转换器(4)，所述开关转换器(4)至少具有与开关设备(13)相连接的存储电感器(11)，所述开关转换器(4)被部署为通过所述开关设备(13)在至少充电模式和放电模式之间的连续开关操作而生成平均输出电流，以及 -开关控制器(5)，所述开关控制器(5)与所述开关设备(13)相连接以控制所述开关设备(13)的所述开关操作，其至少包括: -反馈电感器(24)，所述反馈电感器(24)电感地耦合至所述存储电感器(11)以提供对应于通过所述存储电感器(11)的电感器电流(Is)的变化的反馈电压，以及 -电压补偿电路(25)，所述电压补偿电路(25)与所述反馈电感器(24)相连接以从所述反馈电压确定至少一个补偿信号，所述补偿信号对应于所述输入电压(Vin)或所述输出电压(Vqut)，其中 -所述开关控制器(5)被配置为根据所述电感器电流(Is)在所述放电和所述充电模式之间至少对所述开关设备(13)进行控制，并且根据所述至少一个补偿信号对所述开关操作的占空比进行控制，而使得在所述输入电压(Vin)或输出电压(Vott)发生变化的情况下，提供至所述负载的所述平均输出电流基本上保持恒定。
2.根据权利要求1所述的驱动器电路，其中所述电压补偿电路(25)被配置为从所述反馈电压确定第一和第二补偿信号，所述第一补偿信号对应于所述输入电压(Vin)而所述第二补偿信号则对应于所述输出电压(Vott)，并且其中所述开关控制器(5)被配置为根据所述第一补偿信号和所述第二补偿信号对所述占空比进行控制。
3.根据权利要求2所述的驱动器电路，其中所述电压补偿电路(25)被配置为在所述充电模式期间从所述反馈电压确定所述第一补偿信号。
4.根据权利要求2或3中的一项所述的驱动器电路，其中所述电压补偿电路(25)被配置为在所述放电模式期间从所述反馈电压确定所述第二补偿信号。
5.根据之前任一项权利要求所述的驱动器电路，其中所述开关控制器(5)进一步包括第一阈值电路(23)，所述第一阈值电路(23)与所述反馈电感器(24)相连接，所述第一阈值电路(23)被配置为在所述反馈电压对应于预定的最小电流阈值时将所述开关设备(13)从所述放电模式设置为所述充电模式。
6.根据之前任一项权利要求所述的驱动器电路，其中所述开关控制器(5)进一步包括第二阈值电路(21)，所述第二阈值电路(21)被配置为在对应于所述电感器电流(Is)的电流控制信号对应于最大电流阈值时将所述开关设备(13)设置为放电模式。
7.根据权利要求6所述的驱动器电路，其中所述第二阈值电路(21)连接至所述电压补偿电路(25)以通过根据所述第一补偿信号和/或所述第二补偿信号而改变所述电流控制信号和/或所述最大电流阈值而对所述开关操作的所述占空比进行控制。
8.根据权利要求6-7中的一项所述的驱动器电路，其中所述第二阈值电路(21)被配置为根据所述第二补偿信号而偏置所述最大电流阈值。
9.根据权利要求6-8中的一项所述的驱动器电路，其中所述第二阈值电路(21)被配置为根据所述第一补偿信号而偏置所述电流控制信号。
10.根据权利要求6-9中的一项所述的驱动器电路，其中所述控制信号由与所述存储电感器(11)串联连接的电流传感器所确定。
11.根据之前任一项权利要求所述的驱动器电路，其中所述开关控制器(5)进一步包括开路检测器(28)，所述开路检测器(28)被配置为将所述第二补偿信号与预定安全电压阈值进行比较，从而所述开关操作的所述占空比在所述输出电压超过预定安全电压电平的情况下被大幅地减小。
12.根据权利要求11所述的驱动器电路，其中所述开路检测器(28)被配置为通过在所述输出电压超过所述预定安全电压阈值的情况下减小所述最大电流阈值而大幅地降低所述占空比。
13.根据之前任一项权利要求所述的驱动器电路，其中所述开关转换器(40)为分接的开关转换器。
14.一种LED光源，包括根据之前任一项权利要求所述的驱动器电路(I)以及连接至所述驱动器电路的所述输出的至少一个LED单元(7)。
15.一种利用驱动器电路⑴对诸如LED单元(7)的负载进行操作的方法，所述驱动器电路⑴包括: -输入(2)，所述 输入⑵用于从电源(6)接收输入电压(Vin)， _输出(3),所述输出(3)用于向所述负载提供输出电压(Vom)， -开关转换器(4)，所述开关转换器(4)至少具有与开关设备(13)相连接的存储电感器(11)，所述开关转换器(4)被部署为通过在至少充电模式和放电模式之间的连续开关操作而生成平均输出电流， -反馈电感器(24)，所述反馈电感器(24)电感耦合至所述存储电感器(11)以提供对应于通过所述存储电感器(11)的电感器电流(Is)的变化的反馈电压，以及 -电压补偿电路(25)，所述电压补偿电路(25)与所述反馈电感器(24)相连接以从所述反馈电压确定至少一个补偿信号，所述补偿信号对应于所述输入电压(Vin)或所述输出电压(Vqut)，其中 -所述开关设备(13)根据所述电感器电流(Is)在所述放电模式和所述充电模式之间进行操作，并且所述开关操作的占空比根据所述至少一个补偿信号被控制，而使得在所述输入电压(Vin)或所述输出电压(Vott)发生变化的情况下，提供至所述负载的所述平均输出电流基本上保持恒定。
【文档编号】H05B33/08GK104025711SQ201380004446
【公开日】2014年9月3日 申请日期:2013年2月8日 优先权日:2012年2月10日
【发明者】赖兵 申请人:皇家飞利浦有限公司