驱动led照明设备的方法、电路及其控制器的制造方法
【专利摘要】公开了一种用于驱动LED照明设备的方法、电路及控制器。该方法包括：从电池单元接收输入电压以及将输入电压转换为驱动电流以驱动LED照明设备。该方法还包括检测电池单元是否处于低电量状态。当电池单元处于低电量状态时，将驱动电流减小。
【专利说明】驱动LED照明设备的方法、电路及其控制器
【技术领域】
[0001] 本发明涉及电子电路，尤其涉及驱动LED照明设备的方法、电路及其控制器。
【背景技术】
[0002] LED手电筒和头灯相较于白炽手电筒和头灯在许多方面具有优势，例如，光效、灯 寿命、工作温度等等。但随着电池电量逐渐耗尽，白炽灯所展现出的关断性能却优于LED。 对于白炽灯来说，随着电池电量的逐渐耗尽，其灯光逐渐变暗，不仅照明时间长，而且能够 给用户发出警告。然而，对于LED来说，其电流通常靠功率变换器进行调节。不论电池的状 态如何，功率变换器都提供一恒定的驱动电流。这将使得LED在电池电量快耗尽时会突然 关断或工作在打卩g模式（hiccup mode)。
【发明内容】
[0003] 针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供可以逐渐关断的LED驱动方 法、电路及其控制器。
[0004] 根据本发明实施例的一种用于驱动LED照明设备的方法，包括：从电池单元接收 输入电压；将输入电压转化为驱动电流以驱动LED照明设备；检测电池单元是否处于低电 量状态；以及当电池单元处于低电量状态时，减小驱动电流。
[0005] 根据本发明实施例的一种耦接至功率变换器的控制器，其中，功率变换器从电池 单元接收输入电压并提供驱动电流至LED照明设备。控制器包括：检测电路，检测电池单元 是否处于低电量状态，并基于检测结果产生指示信号；以及控制电路，接收指示信号并基于 指示信号提供控制信号至功率变换器以调节驱动电流；其中，当电池单元处于低电量状态 时，驱动电流被减小。
[0006] 根据本发明实施例的一种用于驱动LED照明设备的电路，包括：功率变换器，从电 池单元接收输入电压，并提供驱动电流至LED照明设备；以及耦接至功率变换器的控制器。 控制器包括：检测电路，检测电池单元是否处于低电量状态，并基于检测结果产生指示信 号；以及控制电路，接收指示信号并基于指示信号提供控制信号至功率变换器以调节驱动 电流；其中，当电池单元处于低电量状态时，驱动电流被减小。
[0007] 在本发明的实施例中，由于驱动电流在电池单元处于低电量状态时被减小，LED的 照明时间得到延长。同时，驱动电流减小导致LED亮度减小，这使得用户可以及时意识到电 池单元的状态，并拥有足够的时间反应。
【专利附图】
【附图说明】
[0008] 图1示出依据本发明实施例的LED驱动电路10的框图；
[0009] 图2示出依据本发明实施例的LED驱动电路20的原理图；
[0010] 图3 (a)?3(c)示出根据本发明实施例的图2所示LED驱动电路20的波形示意 图；
[0011] 图4示出依据本发明实施例的LED驱动方法30的流程图。
【具体实施方式】
[0012] 下面将详细描述本发明的驱动LED照明设备的方法、电路及控制器的具体实施 例，应当注意，这里描述的实施例只用于举例说明，并不用于限制本发明。在以下描述中，为 了提供对本发明的透彻理解，阐述了大量特定细节。然而，对于本领域普通技术人员显而易 见的是：不必采用这些特定细节来实施本发明。在其他实例中，为了避免混淆本发明，未具 体描述公知的电路、材料或方法。
[0013] 在整个说明书中，对" 一个实施例"、"实施例"、" 一个示例"或"示例"的提及意味 着：结合该实施例或示例描述的特定特征、结构或特性被包含在本发明至少一个实施例中。 因此，在整个说明书的各个地方出现的短语"在一个实施例中"、"在实施例中"、"一个示例" 或"示例"不一定都指同一实施例或示例。此外，可以以任何适当的组合和/或子组合将特 定的特征、结构或特性组合在一个或多个实施例或示例中。此外，本领域普通技术人员应当 理解，在此提供的附图都是为了说明的目的，并且附图不一定是按比例绘制的。应当理解， 当称元件"连接到"或"耦接到"另一元件时，它可以是直接连接或耦接到另一元件或者可 以存在中间元件。相反，当称元件"直接连接到"或"直接耦接到"另一元件时，不存在中间 元件。相同的附图标记指示相同的元件。这里使用的术语"和/或"包括一个或多个相关 列出的项目的任何和所有组合。
[0014] 图1示出依据本发明实施例的LED驱动电路10的框图。如图1所示，LED驱动电 路10包括功率变换器102和控制器103。功率变换器102耦接至电池单元B以接收输入电 压Vb，并基于输入电压Vb产生驱动电流以提供至LED照明设备101。控制器103包括 检测电路1031和控制电路1032。检测电路1031耦接至电池单元B以检测电池单元B是否 处于低电量状态，并根据检测结果产生指示信号Sd。在一个实施例中，低电量状态是指电池 单元B的电量小于满电量的某一百分比，例如，10%。控制电路1032耦接至检测电路1031 以接收指示信号Sd，并基于指示信号Sd产生控制信号Sc以提供至功率变换器102,从而调 节驱动电流Iu; D。
[0015] 在一个实施例中，LED驱动电路10还包括反馈电路。反馈电路耦接至LED照明设 备101以检测驱动电流1_，并基于检测结果产生反馈信号以提供至控制电路1032。控制 电路1032基于指示信号Sd和反馈信号产生控制信号Sc以控制功率变换器102。
[0016] 随着电池单元B的电量被逐渐消耗掉，当电池单元B处于低电量状态时，控制电路 1032基于指示信号Sd控制功率变换器102以使驱动电流减小。随着驱动电流减 小，LED照明设备101发出的光变暗，以向用户发出警告。
[0017] 图2示出依据本发明实施例的LED驱动电路20的原理图。如图2所示，LED驱动 电路20包括功率变换器202、控制器203、反馈电路204和电流检测电路205。
[0018] 功率变换器202采用升压变换拓扑结构，其包括开关SW、整流器R、电感器L和电 容器C。电感器L具有第一端和第二端，其第一端耦接至电池单元（图中未示出）以接收输 入电压Vb。开关SW具有第一端、第二端和控制端，其第一端耦接至电感器L的第二端。整 流器R具有阳极和阴极，其阳极耦接至电感器L的第二端以及开关SW的第一端。电容器C 耦接于整流器R的阴极和参考地之间。整流器R和电容器C的公共端耦接至LED照明设备 201以向其提供驱动电流1_。
[0019] 反馈电路204检测流经LED照明设备201的驱动电流，并输出反馈信号Sf。反 馈电路204包括耦接于LED照明设备201和参考地之间的反馈电阻Rfb。电流检测电路205 检测流经电感器L的电流，并输出电流检测信号Ss。电流检测电路205包括耦接于开关SW 的第二端和参考地之间的检测电阻Res。
[0020] 控制器203包括检测电路2031和控制电路2032。检测电路2031包括具有同相输 入端、反相输入端和输出端的比较器CMP1，其中反相输入端接收输入电压Vb，同相输入端 接收预设电压Vth。比较器CMP1将输入电压Vb和预设电压Vth进行比较，并在输出端产生 指示信号Sd。控制电路2032包括误差放大器EA，比较器CMP2,参考信号产生器VG，补偿电 容器Ccomp，时钟信号产生器CLG和逻辑电路LOG。参考信号产生器VG耦接至比较器CMP1 的输出端以接收指示信号Sd，并根据指示信号Sd产生参考信号Vref。误差放大器EA具有 同相输入端、反相输入端和输出端，且反相输入端接收反馈信号Sf，同相输入端接收参考信 号Vref。误差放大器EA放大参考信号Vref和反馈信号Sf之间的差值，并在其输出端产生 误差信号Verr。误差信号Verr由耦接于误差放大器EA的输出端和参考地之间的补偿电 容器Ccomp进行补偿。比较器CMP2具有同相输入端、反相输入端和输出端，其反相输入端 接收电流检测信号Ss，同相输入端接收误差信号Verr。比较器CMP2将电流检测信号Ss和 误差信号Verr进行比较，并在输出端产生比较信号SET。时钟信号产生器CLG产生时钟信 号CLK。逻辑电路LOG具有置位端S、复位端R和输出端Q，其置位端S接收时钟信号CLK， 其复位端R接收比较信号SET。逻辑电路LOG基于比较信号SET和时钟信号CLK在其输出 端Q产生控制信号Sc并提供至开关SW的控制端，从而控制开关SW的导通与关断。
[0021] 随着电池电量的消耗，输入电压Vb逐渐降低。当输入电压Vb降低至预设电压Vth 时，指示信号Sd变为逻辑高电平。因此，参考信号产生器VG使参考信号Vref减小。随着 参考信号Vref的减小，误差信号Verr亦减小，从而使得控制信号Sc的占空比也减小。因 此，驱动电流Iu; D降低。
[0022] 本领域技术人员应当理解，在图2所示实施例中，比较器CMP1只是示例性的，不应 用于限制本发明。在其它实施例中，任何能够检测电池单元是否处于低电量状态的电路都 可以用于本发明，例如，用于检测电池单元电流的电路。
[0023] 本领域技术人员还应当理解，图2所示实施例采用峰值电流控制模式，然而，其它 合适的控制方法亦适用于本发明。
[0024] 本领域技术人员同时应当理解，在图2所示实施例中，功率变换器202采用升压变 换拓扑结构，然而，其它开关变换器，例如，降压变换器、反激变换器等等也可用于本发明。 而且，LED驱动电路还可采用LD0对驱动电流进行调节。
[0025] 本领域技术人员同时应当理解，图2所示实施例采用模拟调光方式来控制驱动电 流，然而，在其它实施例中，PWM调光亦可用于本发明。在示例性的PWM调光方式中，由调光 信号控制的开关与LED照明设备串联连接，调光信号的占空比根据指示信号Sd进行调节。 当电池单元处于低电量状态时，该占空比减小，因此，等效驱动电流亦减小。
[0026] 图3(a)?3(c)示出根据本发明实施例的图2所示LED驱动电路20的波形示意 图，其中波形图从上至下依次代表输入电压Vb、指示信号Sd、参考信号Vref和驱动电流 Iled。
[0027] 在图3(a)所示实施例中，每当输入电压Vb减小到预设电压Vth时，指示信号Sd 便从低电平转换为高电平，从而，参考信号产生器VG将参考信号Vref减小一预设值，然后 将参考信号Vref保持不变，直到输入电压Vb再次减小到预设电压Vth。
[0028] 在图3(b)所示实施例中，当输入电压Vb减小到预设电压Vth时，参考信号Vref 和驱动电流减小，然后一直保持不变直到电池单元电量耗尽。
[0029] 在图3(c)所示实施例中，一旦输入电压Vb减小到预设电压Vth，参考信号Vref和 驱动电流便持续地减小。
[0030] 作为一个例子，测试了采用单节锂离子电池（18650型）给LED闪光灯和头灯供电 的情况。预设电压Vth设置为3V，电池单元初始时的放电电流设置为1000mA。如果像现有 技术一样，电池单元以1000mA的放电电流持续进行放电，则电池单元在很短的时间内将消 耗殆尽。然而，依据本发明的实施例，电池单元在放电1.84小时后达到3V的预设电压。之 后，电池单元以100mA的放电电流进行放电，直到其再次达到3V的预设电压。这期间，电池 单元的放电时间为1. 37小时。因此，以本发明实施例方式驱动的LED照明设备能够提供 1. 84小时的最大壳度照明以及1. 37小时的可用壳度照明，以让用户有足够的反应时间。另 夕卜，如果电池单元继续以10mA的放电电流进行放电，即维持LED照明设备的亮度在其最大 亮度的10%，根据测试，电池单元再次达到3V预设电压所需的时间为5. 43小时。
[0031] 作为另一个例子，还以相似方式对三节串联的900mAH AAA镍氢电池进行了测试。 在该例子中，预设电压仍设置为3V，而每个测试时间段的放电电流分别取450mA, 45mA和 4. 5mA。结果，电池单元达到3V预设电压的时间分别为1. 59、2. 5和20小时。因此，在该例 子中，LED照明设备能够以最大亮度工作1. 59小时，然后以10%的亮度工作2. 5小时，最后 以1%的亮度工作20小时。
[0032] 可见，当电池单元处于低电量状态时，LED照明设备的亮度变暗，这提供了额外的 可用时间以让用户安全地反应。因此，依据本发明实施例驱动的LED照明设备能够被逐渐 地关断。
[0033] 图4示出依据本发明实施例的LED驱动方法30的流程图。如图4所示，LED驱动 方法30包括步骤301至304。在步骤301，将电池单元提供的输入电压Vb转换为驱动电流 以驱动LED照明设备。在步骤302中，检测电池单元是否处于低电量状态。如果是，则 进行步骤303,否则仍然工作在步骤302。在步骤303,减小驱动电流1_。
[0034] 在一个实施例中，步骤302可以包括检测输入电压Vb是否减小至预设电压。然 而，本领域技术人员应当理解，在其它实施例中，检测电池单元是否处于低电量状态的步骤 可以通过其它合适的技术实现，例如，通过进行电流检测来实现。
[0035] 而且，在一个实施例中，在步骤303,驱动电流被逐步减小。在每一步中，驱动 电流被减小一预设值。在一个实施例中，每一步中的预设值可以不同。只有当输入电 压Vb减小到预设电压时，驱动电流才进入下一步被减小。而且，在一个实施例中，在步 骤303中的每一步，驱动电流在被减小之后保持不变，直到进入下一步。
[0036] 在步骤303的另一实施例中，驱动电流被减小至第一电流水平，然后驱动电流 I? 一直维持在第一电流水平，直到电池单元的电量消耗殆尽。
[0037] 在步骤303的另一实施例中，驱动电流被持续地减小。
[0038] 本领域技术人员应当理解，在图1?4所示实施例中，LED照明设备可以包括单个 LED，LED串或多个LED串。另外，本发明不仅适用于闪光灯和头灯，还适用于其它由电池单 元驱动的LED照明设备。
[0039] 虽然已参照几个典型实施例描述了本发明，但应当理解，所用的术语是说明和示 例性、而非限制性的术语。由于本发明能够以多种形式具体实施而不脱离发明的精神或实 质，所以应当理解，上述实施例不限于任何前述的细节，而应在随附权利要求所限定的精神 和范围内广泛地解释，因此落入权利要求或其等效范围内的全部变化和改型都应为随附权 利要求所涵盖。
【权利要求】
1. 一种用于驱动LED照明设备的方法，包括： 从电池单元接收输入电压； 将输入电压转化为驱动电流以驱动LED照明设备； 检测电池单元是否处于低电量状态；以及 当电池单元处于低电量状态时，减小驱动电流。
2. 如权利要求1所述的方法，其中，检测电池单元是否处于低电量状态的步骤包括检 测输入电压是否达到预设电压。
3. 如权利要求2所述的方法，其中，减小驱动电流的步骤通过多步实现，在每一步中， 当输入电压达到预设电压时，驱动电流被减小一预设值。
4. 如权利要求3所述的方法，其中，在每一步中，驱动电流在被减小之后保持不变，直 到进入下一步。
5. 如权利要求1所述的方法，其中，当电池单元处于低电量状态时，驱动电流被减小至 第一电流水平，并保持第一电流水平不变，直到电池单元的电量耗尽。
6. 如权利要求1所述的方法，其中，当电池单元处于低电量状态时，驱动电流被持续地 减小。
7. -种耦接至功率变换器的控制器，其中，功率变换器从电池单元接收输入电压并提 供驱动电流至LED照明设备，控制器包括 ： 检测电路，检测电池单元是否处于低电量状态，并基于检测结果产生指示信号；以及 控制电路，接收指示信号并基于指示信号提供控制信号至功率变换器以调节驱动电 流； 其中，当电池单元处于低电量状态时，驱动电流被减小。
8. 如权利要求7所述的控制器，其中，控制电路包括： 参考信号产生器，接收指示信号并基于指示信号产生参考信号； 误差放大器，具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中，第一输入端稱接至参考信 号产生器以接收参考信号，第二输入端接收代表流过LED照明设备的电流的反馈信号，误 差放大器放大参考信号与反馈信号之间的差值，并在输出端产生误差信号； 比较器，具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中，第一输入端稱接至误差放大器 的输出端以接收误差信号，第二输入端接收电流检测信号，比较器将参考信号与电流检测 信号进行比较，并在输出端产生比较信号； 时钟信号产生器，产生时钟信号；以及 逻辑电路，具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中，第一输入端稱接于比较器的 输出端以接收比较信号，第二输入端耦接至时钟信号产生器以接收时钟信号，逻辑电路基 于比较信号和时钟信号，在输出端产生控制信号。
9. 如权利要求7所述的控制器，其中，检测电路包括比较器，比较器具有第一输入端、 第二输入端和输出端，其中，第一输入端接收输入电压，第二输入端接收预设电压，比较器 将输入电压与预设电压进行比较，并在输出端产生指示信号。
10. 如权利要求9所述的控制器，其中，驱动电流被逐步减小，在每一步中，当输入电压 达到预设电压时，驱动电流被减小一预设值。
11. 一种用于驱动LED照明设备的电路，包括： 功率变换器，从电池单元接收输入电压，并提供驱动电流至LED照明设备；以及 如权利要求7至10中任一项所述的控制器。
【文档编号】H05B37/02GK104219838SQ201410425460
【公开日】2014年12月17日 申请日期:2014年8月26日 优先权日:2013年8月29日
【发明者】杰森·皮尔斯, 布伦特·休斯 申请人:成都芯源系统有限公司