CN101010649B - 开关恒定电流驱动和控制电路 - Google Patents

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Abstract

根据本发明的驱动和控制设备向包括一个或多个电子器件的串的负载提供期望的开关电流，并且包括一个或多个电压转换装置、一个或多个调光控制装置、一个或多个反馈装置以及一个或多个检测装置。所述电压转换装置可以是例如DC-DC转换器，并基于输入控制信号将来自电源的电压的幅度转换成所述负载的高端处所期望的另一幅度。所述调光控制装置可以包括例如诸如FET、BJT、继电器、或任何其它类型的开关设备之类的开关，并且提供用于负载的启用和停用的控制。所述反馈装置连接到所述电压转换装置和一电流检测装置，并且向电压转换装置提供反馈信号，该反馈信号表示所述电流检测装置两端的电压降，从而表示流过所述负载的电流。所述电流检测装置可以包括固定电阻器、可变电阻器、电感或某种其它具有可预测的电压-电流关系从而将基于采集的电压信号提供对流过所述负载的电流的测量的元件。基于所接收到的反馈信号，所述电压转换装置可以随后调整其输出电压，以便向所述负载提供恒定的开关电流。

Description

开关恒定电流驱动和控制电路
技术领域
本发明涉及驱动器电路领域，更具体而言，涉及提供用于诸如发光元件等电子器件(electronic device)的开关恒定电流源的驱动器电路。
背景技术
半导体发光二极管(LED)和有机发光二极管(OLED)开发的最新进展使得这些器件适合于在一般的照明应用中使用，所述照明应用例如，包括建筑、娱乐以及道路照明。如此，这些器件变得与诸如白炽灯、荧光灯和高强度放电灯等光源越来越不相上下。
发光二极管是电流驱动器件，这意味着通过LED的电流量控制其亮度。为了避免相邻器件之间亮度的变化，流过LED以及其控制电路的电流应该精密匹配。制造商已经实现了几种解决方案来处理精密控制流过LED的电流量的需要。一种解决方案是使用线性恒定电流电路使流过LED的电流保持恒定。然而，使用线性恒定电流电路的问题是控制电路消耗大量功率，因此需要大功率器件以及散热器。另外，当对任何非开关恒定电流系统进行调光时，一般不可获得0到100％的调光。例如，在较低的电流水平，一些LED将会保持打开(ON)，而具有较高正向电压的其它LED将不会保持打开。
已经尝试了更为功率有效的解决方案，该解决方案使用降压升压稳压器(buck-boost regulator)产生稳定的公共电压源用于LED阵列的高端。然后使用低端镇流电阻器设置LED电流，并且使用单独的电阻器监控电流。例如，美国专利No.6,362,578就提供了一种使用带有反馈的电压转换器维持一系列LED串两端的恒定负载电压并且使用偏置电阻器进行电流控制的方法。将晶体管连接到LED的低端，并且使用脉宽调制(PWM)开关晶体管进行亮度控制。随着电流被开关，该设计确实提供了完全的调光控制，其中当PWM开关闭合(ON)时，可以维持相同的电流，而当开关断开(OFF)时不提供电流。于是平均电流等于占空比乘以闭合(ON)电流水平。这些类型的设计的问题是：由于偏置电阻器中的功率损耗，它们的效率低，并且它们可能需要定制电阻器来精确控制电流。
美国专利No.4,001,667也公开了一种提供恒定电流脉冲的闭环电路，然而，这种电路并没有考虑对LED的全占空比控制。
美国专利No.6,586,890公开了一种使用电流反馈以利用提供给电源的低频PWM信号来调整给LED的功率以便当处于变暗模式时降低LED的亮度的方法。该方法的问题是，如所公开的，如果低频信号在20Hz-20,000Hz的范围内，那么电源可能产生可听噪声。而且，在该范围内的开关频率可能使LED热循环，从而很可能降低器件的可靠性和寿命。
美国专利No.6,734,639B2公开了一种通过与定制采样保持电路结合的电压转换器控制用于LED阵列的开关驱动电路的过冲的方法。控制LED的开关信号连接(link)到使电压转换器启动或禁用的信号，从而开关负载和电源两者。控制负载之开关的信号被偏置，使得它基本上在开关的线性区域内操作开关以提供峰值电流控制，所述峰值电流控制可能导致开关中的功率损耗，从而降低总的系统效率。另外，这种配置被定义为可应用于400Hz范围内的频率，并且不可以用于对负载的高频开关，例如在超过近似在可听阈值范围内的20kHz的频率下的开关。
美国专利申请No.2004/0036418还公开了一种驱动几个LED串的方法，其中使用转换器改变通过LED的电流。实现了电流开关以提供反馈。该方法类似于使用标准降压转换器(buck converter)，并且可以提供一种控制通过LED的电流的有效途径。然而，当多个LED串需要不同的正向电压时，问题就出现了。在这种情况下，使用高端晶体管开关作为可变电阻器，以限制到适当的LED串的电流。这些高端晶体管开关可以导致大的损耗和降低电路的整体效率。另外，这种电路并不提供要获得的全范围调光。
因此，需要根据所需的正向偏压向多个电子器件高效地提供电压而不使用偏置电阻器或晶体管的开关恒定电流驱动器电路。另外，需要高效地调光发光元件而同时维持开关恒定电流。
提供该背景信息是为了使申请人认为可能与本发明相关的信息已知。并不必然意味着承认，也不应该被解释为，任何前述信息构成本发明的现有技术。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有开关恒定电流输出的驱动和控制电路。根据本发明的一个方面，提供了一种用于向包括一个或多个电子器件的串的负载提供期望的开关电流的驱动和控制设备，所述设备包括：适合于连接到电源的电压转换器，所述电压转换器用于将来自电源的电压从第一幅度电压转换成第二幅度电压，所述电压转换器响应于控制信号；调光控制设备，该调光控制设备接收所述第二幅度电压并且控制该第二幅度电压向所述串的传输，从而控制所述串的启用；电压检测设备以及电流检测设备，该电压检测设备电连接到所述电压转换器的输出以产生第一信号，该电流检测设备与所述串串联以产生表示流过所述串的电流的第二信号；以及反馈设备，该反馈设备电连接到所述电压转换器、所述电压检测设备以及所述电流检测设备，所述反馈设备接收所述第一和第二信号，并向电压转换器提供控制信号，所述控制信号是基于所述第一和第二信号的；其中所述电压转换器基于从所述反馈设备接收到的控制信号改变所述第二幅度电压。
根据本发明的另一个方面，提供了一种用于向包括一个或多个电子器件的两个或多个串的负载提供期望的开关电流的驱动和控制设备，所述设备包括：适合于连接到电源的电压转换器，所述电压转换器用于将来自电源的电压从第一幅度电压转换成第二幅度电压，所述电压转换器响应于控制信号；两个或多个调光控制设备，所述两个或多个调光控制设备接收所述第二幅度电压，并且每个调光控制设备控制所述第二幅度电压向所述两个或多个串中的相应一个的传输，从而控制两个或多个所述串的启用；电压检测设备以及电流检测设备，该电压检测设备电连接到所述电压转换器的输出以产生第一信号，该电流检测设备与所述两个或多个串中的所述一个串联以产生表示流过所述两个或多个串中的所述一个的电流的第二信号；以及反馈设备，该反馈设备电连接到所述电压转换器、所述电压检测设备以及所述电流检测设备，所述反馈设备接收所述第一和第二信号并向电压转换器提供控制信号，所述控制信号是基于所述第一和第二信号的；其中所述电压转换器基于从所述反馈设备接收到的控制信号改变所述第二幅度。
根据本发明的另一个方面，提供了一种用于向包括一个或多个电子器件的串的负载提供期望的开关电流的驱动和控制设备，所述设备包括：适合于连接到电源的电压转换器，所述电压转换器用于将来自电源的电压从第一幅度电压转换成第二幅度电压，所述电压转换器响应于控制信号；调光控制设备，该调光控制设备接收所述第二幅度电压并且控制所述第二幅度电压向所述串的传输，从而控制所述串的启用；电流检测设备，该电流检测设备与所述串串联以产生表示流过所述串的电流的检测信号；以及反馈设备，该反馈设备电连接到所述电压转换器和所述检测设备，所述反馈设备接收所述检测信号并向电压转换器提供控制信号，所述控制信号是基于所述检测信号的；其中所述电压转换器基于从所述反馈设备接收到的控制信号改变所述第二幅度电压。
根据本发明的另一个方面，提供了一种用于向包括一个或多个电子器件的两个或多个串的负载提供期望的开关电流的驱动和控制设备，所述设备包括：适合于连接到电源的电压转换器，所述电压转换器用于将来自电源的电压从第一幅度电压转换成第二幅度电压，所述电压转换器响应于控制信号；两个或多个调光控制设备，该两个或多个调光控制设备接收所述第二幅度电压，并且每个调光控制设备控制所述第二幅度电压向所述两个或多个串中的相应一个的传输，从而控制两个或多个所述串的启用；电流检测设备，该电流检测设备与所述两个或多个串中的一个串联以产生表示流过所述两个或多个串中的所述一个的电流的检测信号；以及反馈设备，该反馈设备电连接到所述电压转换器以及所述电流检测设备，所述反馈设备接收所述检测信号并向电压转换器提供控制信号，所述控制信号是基于所述检测信号的；其中所述电压转换器基于从所述反馈设备接收到的控制信号改变所述第二幅度。
附图说明
图1a图解根据本发明的一个实施方案的照明系统的示意性表示。
图1b图解根据本发明的另一个实施方案的照明系统的示意性表示。
图1c图解根据本发明的另一个实施方案的照明系统的示意性表示。
图1d图解根据本发明的另一个实施方案的照明系统的示意性表示。
图1e图解根据本发明的另一个实施方案的照明系统的示意性表示。
图1f图解根据本发明的另一个实施方案的照明系统的示意性表示。
图2a图解可能流过电压转换器被开关的现有技术电路中的负载的相对电流的图形表示。
图2b图解可能流过根据本发明的一个实施方案的负载被开关的照明系统中的负载的相对电流的图形表示。
图3图解根据本发明的一个实施方案的由单个电源驱动多个发光元件串的照明系统的图形表示。
图4a图解根据本发明的一个实施方案向连接到电源的三个电压转换器输入的三个信号的图形表示，其中这些信号相互有相移。
图4b图解在图4a的信号输入期间从电源提取的总电流的图形表示。
图4c图解根据本发明的一个实施方案向连接到电源的三个电压转换器输入的三个信号的图形表示，其中这些信号相互没有相移。
图4d图解在图4c的信号输入期间从电源提取的总电流的图形表示。
图5图解根据本发明的一个实施方案的信号调节器的示意性表示。
图6a图解图5的信号调节器的一种实现的示意性表示。
图6b图解图5的信号调节器的另一种实现的示意性表示。
图7图解根据本发明的另一个实施方案的信号调节器的示意性表示。
图8图解图7的信号调节器的一种实现的示意性表示。
图9图解根据本发明的另一个实施方案的信号调节器的示意性表示。
图10图解图9的信号调节器的一种实现的示意性表示。
图11图解根据本发明的一个实施方案的其中反馈回路以线或结构连接的照明系统的示意性表示。
具体实施方式
定义
术语“电源(power supply)”用来定义用于从动力源(powersource)向电子电路提供电源(power)的装置，所述的电源有特定的类型，即交流(AC)或直流(DC)，和幅度。输入到电源的动力源可以有任何幅度和类型，并且电源的输出也可以有任何幅度和类型。
术语“电压转换器”用来定义用于将输入电压从一个幅度转换成另一个幅度的输出电压的一类电源。
术语“电子器件”用来定义其操作水平取决于提供给它的电流的任何器件。电子器件的例子包括发光元件、DC电动机、激光二极管以及本领域的普通技术人员容易理解的需要电流调节的任何其它器件。
术语“发光元件”用来定义任何这样的器件：当通过例如在该器件两端施加电势差或使电流通过该器件启用该器件时，该器件发出电磁波谱的特定区域中或者电磁波谱的区域的组合中的辐射，所述区域例如可见光区域、红外和/或紫外区域。发光元件的例子包括半导体发光二极管(LED)或有机发光二极管(OLED)以及其它容易理解的类似器件。
术语“串”用来定义串联或并联或串并联结合连接的多个电子器件。例如，发光元件串可以是指多于一个的相同类型的LED，而可以通过在整个串的两端施加电压从而使该多于一个的相同类型的LED全都被以相同电流驱动来同时启用该多于一个的相同类型的LED中所有LED，如本领域的普通技术人员容易理解的。并联串可以是指例如M行NLED，其中各行并联连接，使得可以通过在整个串的两端施加电压使所有N×M个LED都被以传送给整个串的总电流的～1/M驱动来同时启用所有N×M个LED。
术语“负载”用来定义被供给电源的一个或多个电子器件或者电子器件的一个或多个串。
术语“照明(lighting)”用来定义电磁波谱的任何区域中——例如，可见光、红外和紫外区域中——或者电磁波谱的区域的任何组合中的特定频率或频率范围的电磁辐射。
除非另有定义，在此使用的所有技术和科学术语都与本发明所属领域的普通技术人员通常理解的含义相同。
本发明提供了一种用于电子器件的驱动和控制方法，其中流过电子器件的恒定电流以及可能需要用于其操作的控制信号的设备是所期望的。例如，该方法可以用于向使用脉宽调制(PWM)信号、脉码调制(PCM)信号或本领域已知的任何其它数字控制方法控制的发光元件提供开关恒定电流源。本发明还提供了一种用于向具有不同正向电压的多个电子器件提供开关恒定电流源的方法。例如，如果多个发光元件串要由单个电源供电，则本发明提供一种在每个串的高端提供单独电压并提供流过每个发光元件串的开关恒定电流的方法。
根据本发明的驱动和控制设备向包括一个或多个电子器件的串的负载提供期望的开关电流，该驱动和控制设备包括一个或多个电压转换装置、一个或多个调光控制装置、一个或多个反馈装置以及一个或多个检测装置。所述电压转换装置可以是例如DC-DC转换器，并基于输入控制信号将来自电源的电压的幅度转换成所述负载的高端处所期望的另一幅度。所述调光控制装置可以包括例如，诸如FET、BJT、继电器、或任何其它类型的开关设备之类的开关，并且提供用于负载的启用和停用的控制。所述反馈装置连接到所述电压转换装置和一电流检测装置，并且向电压转换装置提供反馈信号，该反馈信号表示所述电流检测装置两端的电压降，从而体现流过所述负载的电流。所述电流检测装置可以包括固定电阻器、可变电阻器、电感或某种其它具有可预测的电压-电流关系从而将基于采集的电压信号提供对流过所述负载的电流的测量的元件。基于所接收到的反馈信号，所述电压转换装置可以随后调整其输出电压，以便向所述负载提供恒定开关电流。
图1a图解根据本发明的一个实施方案的驱动器和控制电路。电源11连接到电压转换器12，电压转换器12在发光元件负载15的高端提供合适电压。电压转换器12被以高频内部或外部开关，以便将其输入电压改变为节点101处的不同的输出电压。在一个实施方案中，开关频率可以在例如大约60kHz-250kHz之间或容易理解的其它合适频率范围内变化。在另一个实施方案中，所述开关频率可以是固定的，例如，固定在大约260kHz、300kHz。通过经过晶体管13的调光控制信号140提供发光元件的调光，调光控制信号140可以是PWM、PCM或其它信号。因此，为了控制发光元件的打开和关闭，电路的负载被数字开关，而不是如现有技术中所执行的以低频开关电压转换器来使能或禁用电压转换器。本发明具有减少开关瞬态过程并提高电路中响应时间的优点，因为开关负载需要仅仅单个晶体管的开关，与电压转换器中需要进行开关的多个组件的开关不同。例如，图2a图解可能流过电压转换器被开关的电路中的负载的相对电流的表示，图2b图解根据本发明的一个负载被开关的实施方案可能流过负载的相对电流的表示。图2b中所图解的信号的上升时间113和下降时间114可以显著少于现有技术信号的上升时间111和下降时间112。
另外，包括发光元件的结温和老化在内的多个因素可能会影响正向电流，从而导致发光元件负载15两端的正向电压降的变化。因此，通过信号调节器19将表示该电压降的信号500反馈到电压转换器12，然后电压转换器12调整其电压输出以维持流过发光元件负载15的电流。使流过发光元件的打开(ON)电流保持恒定可以提供要获得的发光元件的基本一致和可预测的亮度，并且也可以降低损害发光元件的寿命的风险，该风险可能由于超过发光元件的最大电流额定值而产生。例如，现有技术高通量、一瓦的LED封装具有分别为约350和500mA的最大平均电流和瞬时电流额定值。由于使用本发明可以精密控制电流，所以发光元件可以以其最大平均电流额定值运行，而没有超过其最大瞬时电流额定值的风险。
而且，如图3所示，可以使用单个电源21驱动多个发光元件串。由于每个串可能具有不同的总正向电压，所以每个发光元件负载241、242和243可以具有其自己的电压转换器221、222到223。从而每个电压转换器221、222到223被适当地开关，以分别提供其所连接的发光元件负载241、242到243所需的正向电压。通过信号调节器291、292和293将表示发光负载241、242和243两端的电压降的反馈信号分别送回电压转换器221、222和223。为每个发光元件串提供单独的电压转换器的优点是，每个发光元件串可以大致以其各自的最大电流额定值操作。另外，具有不同的电压转换器以及用于数字开关给每个串的电压的装置可以允许基本在0％-100％的全范围内对每个发光元件串进行调光。
电压转换装置
本发明的电压转换装置可以是基于输入信号将来自电源的一个幅度的电压转换成另一个幅度的电压的任何装置。
在图1a所示的实施方案中，电源11可以用于例如将AC电源转换成DC电源，并且所述电压转换装置可以是DC-DC转换器。例如，所述DC-DC转换器可以是降压开关模式电源(SMPS)，诸如降压转换器。降压转换器或其它转换器可以与诸如二极管、电容、电感等的标准外部组件和反馈组件一起使用。降压转换器可存在于标准集成电路(IC)封装中，并且降压转换器与附加的外部组件一起可以以约90％或更高的效率执行DC-DC转换。可以用于替代降压转换器的其它转换器的例子包括升压转换器(Boos t conver ter)、降压-升压转换器(Buck-Boos tconverter)、邱克转换器(Cuk converter)以及回扫转换器(Fly-Backconverter)。
所述电压转换器可以以高频操作，以产生发光元件串所需的特定电压。通过以高频操作所述电压转换器，可以获得输出电压信号的高效率和低电压纹波。另外，以高频开关可以使得负载可以以高得足以在可听频率范围之外的频率进行开关，并且还可以有助于减轻电子器件的热循环。这是优于通常以例如通常少于1kHz的低频执行的、打开以及关闭电压转换器的地方。
在多个发光元件串要由单个电源驱动的一个实施方案中，每个发光元件串都连接到一电压转换器，如图3中所示。每个电压转换器221、222到223可以以特定频率被单独开关，以分别在节点201、202到203处产生所要求的电压，以便分别驱动发光元件负载241、242到243。因此，每个发光元件串可以从0到100％的占空比被开关，以给出通过经由晶体管231、232到233输入的控制信号可获得的基本最大和最小强度。因此所有的发光元件可以被调暗到很低的占空比，以及能够以基本最大的强度发光。本发明的优点是，每个串可以具有不同的正向电压而仍然具有恒定的电流以及全调光，而没有大的功率损耗。
在多个发光元件串在其高端要求相同的电压源的一个实施方案中，这些发光元件串可以将其高端连接到单个电压转换器。发光元件还可以以并联和/或串联结构连接。图1f图解根据本发明的一个实施方案以串并联布局交叉连接的多个发光元件。发光元件的这种结构例如可以在发光元件之间提供电流分配的更好平衡。
此外，在多个发光元件串要由单个电源驱动的本发明的一个实施方案中，输入到电压转换器的一个或多个频率信号的相位可以是有相移的。图4a图解输入到连接到电源的三个电压转换器的三个信号41、42和43，其中这些信号相互有相移。图4b图解在图4a所示的信号输入期间从电源提取的总电流44。图4c和图4d分别图解互相没有相移的三个输入信号45、46和47以及电源输出的总电流48。这些输入信号的相移可以使得电源负载基本平衡。另外，当所述电压转换器输入信号有相移时，给所述电压转换器供电的电源可以比输入信号没有相移时经历更高的频率。因此，电源的输出可以进一步从各种更低频率的噪声源中滤出。
调光控制装置
发光元件的调光通常是通过以这样的速率打开和关闭器件来进行的，即以该速率人眼感觉光输出为基于占空比的平均光水平而不是一系列光脉冲。因此占空比和光强度之间的关系在整个调光范围内可以是线性的。如先前关于图1a描述的，可以使用通过晶体管13输入的调光控制信号140提供调光。负载通常可以以比电压转换器12的开关频率低的频率进行开关，以便电源输出的纹波在负载被打开的时间内被匀和。以相对高的频率开关发光元件使得其可以以可听范围以外的频率被开关。另外，以相对高的频率开关负载可以减轻热循环对电子器件的影响，因为电子器件在再次被关闭之前它们被打开一小段时间。
图1b中示出本发明的另一个实施方案，该实施方案利用位于电压转换器12和发光元件负载15之间的开关设备900，开关设备900可以是FET、BJT、继电器或任何其它类型的利用外部控制输入140打开或关闭发光元件负载15的开关设备。如图1c所示，该设备900可以替代地位于“低端”而不是“高端”，也就是说，在发光元件之后而不是之前。
在有多个发光元件串由单个电源驱动的一个实施方案中，每个发光元件串可以具有公共的调光控制信号，也就是说，晶体管231、232至233的栅极可以连接在一起，并连接到单个调光信号。另外，晶体管231、232到233还可以具有用于每个发光元件串或发光元件串组的单独控制信号。
检测装置
可以使用一个或多个检测装置维持通过负载的电流水平。在图1a的实施方案中，有电压检测装置104和采取电阻器16的形式的电流检测装置。当发光元件负载15被打开时，电阻器16产生的节点102处的检测电压通过信号调节器19反馈到转换器12。如图1b和1c所示，电阻器16可以由用于在节点102处产生检测电压的另一元件替代。参考图1b和1c所示的实施方案，电流检测设备910可以是固定电阻器、可变电阻器、电感或用于产生表示在打开(ON)相位期间流过发光元件负载15的电流的检测电压信号102的某种其它元件。如图1d所示，电流检测设备910可以被除去，并且可以在其位置使用开关设备900打开和关闭发光元件、以及提供用于产生检测电压信号102的装置。然而，在这种情况下，由于所述开关设备900的阻抗被保持为小阻抗以避免过多的功率损耗，因此可能导致产生小的检测电压信号102，这可能降低系统的有效分辨率，特别是在低峰值电流的情况下。而且，典型FET的阻抗例如从器件到器件的变化或在不同环境温度下的变化可能引入比所要求的大的、检测电压信号的变化。在一个实施方案中，电流检测设备910是低值、高精度的检测电阻器，该检测电阻器在宽温度范围内是稳定的，以确保精确反馈，如图1a的实施方案中所示。
如图1a所示，在一个实施方案中，电压检测装置104可以包括电阻分压器17和18。在替代实施方案中，如图1e所示，电压转换器的输出101可以连接到信号调节器19的输入，在信号调节器19中使用具有适当增益的运算放大器电路或本领域普通技术人员容易理解的其它方法处理电压信号。
反馈装置
反馈装置用于维持在打开(ON)相位期间流过被驱动的电子器件的期望的电流水平。在打开时，流过电子器件的电流导致产生节点102处的信号520，信号520被反馈给电压转换器12。然后电压转换器12调整其输出电压，以向发光元件负载15提供恒定电流。当所述发光元件负载15被关闭时，电压检测装置104用于维持电压转换器12所需的反馈信号。因此，当所述负载再被打开时，所述输出电压将仍然会处于与所述负载被关闭时相同的设定点，从而基本消除所述负载中的任何电流尖峰或下落(dip)。本领域的普通技术人员容易理解，信号调节器19可以包括各种类型的电路。
使用反馈回路中的电压检测装置104而不是发光元件负载15的结果是，可能在反馈信号中引入误差。该误差可能随着发光元件打开(ON)时间减少而增加，然而，在相对低的占空比该误差可能不太重要，因为平均发光元件电流可以比其额定电流低很多，因此读数的精确度在这种情况下就不那么关键。
在本发明的一个实施方案中，其中信号调节器19包括图5中所示的电路191，以上确定的误差在相对低的占空比下可以是小的，并且可以获取对来自电压转换器12的信号的良好控制。信号530和520分别是来自图1a中的节点103和102的信号，信号500是从信号调节电路反馈给电压转换器12的信号。只有当调光控制信号140的占空比低于一预定阈值例如10％时，由数字输入信号510控制的开关51才将信号530连接到电压转换器12。开关51可以是FET、BJT或容易理解的任何其它开关装置。对于更高的占空比，采样保持电路52可以用于捕获表示通过发光元件15的电流的信号520以及保持信号520，以便即使在所述发光元件15处于关闭(OFF)状态时也维持给电压转换器12的信号500。电阻器53和54用于补偿可能由采样保持电路52施加的任何增益。图6a图解信号调节电路191的一种实现。使用FET 511实现开关51，并且通过电路521实现采样保持电路52。随着占空比降低，保持电容551上的信号将会有一些误差，例如低于10％，采样保持电路521捕获信号520可能有困难。使用外部输入510，开关51可以被启用以使得信号530可以使信号520无效(override)，该外部输入510例如可以是来自提供调光控制信号的控制器的另一数字输入。如果在基于信号520的预定电压设定点和基于信号530的预定电压设定点之间存在相对大的差别，那么电压转换器的输出中就会有阶跃，该阶跃可能导致发光元件15的光输出的不期望的明显变化，该明显变化可以导致可见闪烁。因此，在一个实施方案中，将这两个设定点保持在同一水平。
在图6b中所示的另一个实施方案中，图6a中所示的二极管被具有控制输入610的诸如FET、继电器或其它形式的开关设备等的设备930取代。从而，521的采样和保持功能将会被外部定时和控制，而不是如在图6a的实施方案中自动发生。
在本发明的另一个实施方案中，通过使用现有的调光控制信号140控制开关51从而确定电压信号530何时控制反馈信号500，消除对数字输入信号510的需要。这样的实施方案在图7中示出，其中信号调节器19包括电路192。如在电路191中那样，电路192包括开关51、采样保持电路52以及电阻器53和54，以类似方式发挥作用。将调光控制输入信号140提供给反相器56，并随后提供给滤波器57以及电阻器58和59。反相器56使控制信号140倒相，以便仅当没有电流流过发光元件负载15时允许信号530传到电压转换器12。滤波器57用于限制所倒相的控制信号中高频分量的通过。电阻器58和59用于补偿可能由滤波器57施加的任何增益。该实施方案还可以通过在诸如FET、或类似设备等的开关51的线性区域对其进行操作进一步除去电压转换器12的输出中的任何离散阶跃变化。如已知的，这种类型的开关一般不以这种方式操作，因为这种操作可能导致显著的功率损耗。然而在这种情况下，由于仅有非常小的电流流过该开关，所以功率损耗可以忽略。因此，在调光控制信号140的高占空比下，开关51处的信号使其关闭(OFF)，但是随着占空比的下降，控制开关51的信号增加，使电流能流过开关51。图8图解信号调节电路192的一种实现的示意图。通过电路561来实现反相器56，并且通过低通滤波电路571来实现滤波器57。容易理解，可以使用诸如反相器IC或基于运放的有源滤波器等其它组件来执行反相器56和滤波电路的功能。在由晶体管511的特性和电压检测装置104确定的点，信号140的占空比可以高得足以允许电流流过晶体管511，从而允许反馈信号530部分地通过它。在足够低的占空比，开关信号将高得足以完全将晶体管511打开，从而允许反馈信号530完全使反馈信号520无效。由于晶体管511的阻抗会导致控制信号500的反馈信号530和控制信号500的反馈信号520之间的逐步过渡，所以在各个信号的控制之间有平滑的过渡，从而除去电压转换器12的输出中的任何阶跃变化。
如图9中所示的本发明的另一个实施方案，信号调节器19包括电路193，电路193具有通过开关91与电压检测装置104的电阻器17并联连接的电阻器92。增加电阻器92和开关91使得可以通过数字输入信号910根据电阻器92的值将通过电压检测装置104的电流水平设置成各种水平。当断开开关91时，基于分压器的阻抗将通过电压检测装置104的峰值电流水平设置为值I0。然后当闭合开关91时，分压电阻器17和电阻器92的等效并联阻抗下降一固定值，这改变信号530，使得流过电压检测装置104的新峰值电流水平将会是I0的倍数。如此启用开关91可以在反馈电路中产生电流提升，然后该电流提升可以被转到发光元件负载15。交替地使用，即通常将开关91启用然后将它禁用，使通过电压检测装置104的峰值电流降低为初始水平的一部分。这可以使系统的分辨率提高。例如，如果调光控制信号140的分辨率标称是8比特，则通过负载15的平均电流可以以256个相等步长从全电流I0下降到0。通过设置电阻器17和并联电阻器92的值使得将开关91禁用使峰值电流下降到例如其初始值的1/4，则调光控制信号140的占空比可以从100％降低到25％，从而将通过发光负载15的平均电流从I0减小到1/4I0。随后可以禁用开关91，并且所述调光控制信号140的占空比被重置为100％，并且在这个新的峰值电流水平，调光控制信号控制器现在可以以256个相等的步长将平均电流从1/4I0减小到0。本来在最低的25％中有64个步长，然而，如所定义的，存在256个步长，导致成4倍的增加。该增加在分辨率中转变为2比特的分辨率，因此总的系统分辨率从8比特增加到10比特。本领域的普通技术人员容易理解，如果对电阻器和开关的启用进行不同的设置，那么很可能实现更大的分辨率增加。该操作在实践中可能受采样保持电路和电流检测电阻器16的精度限制。图10图解引入到图9的实施方案中的信号调节电路的一种实现，其中由BJT 911实现开关91。
在本发明的另一个实施方案中，信号910可用例如由控制器中的DAC(数模转换器)或由外部电路产生的模拟信号替代，以连续改变峰值电流水平，而不是如先前所定义的在两个离散水平之间改变峰值电流水平。例如，通过以与改变占空比调光信号140的速率相同的速率线性改变控制开关911的模拟信号，组合效果将会是产生发光元件的平方定律调光。容易理解，所述控制信号的其它变化也是可能的。
在如图11所示的另一个实施方案中，电阻分压器301反馈路径以线或结构连接到发光元件串34反馈回路。当调光开关33在闭合(ON)状态时，通过发光元件34和电阻器35的电流比通过电阻分压器301即反馈电阻器36和37的电流大。因此，在闭合(ON)状态下电阻器35可以控制反馈信号。当开关33在断开(OFF)状态时，没有电流可以流过发光元件串34或电阻器35，电阻分压器电路301控制反馈信号。这样当发光元件串34关闭时，反馈信号被维持。
在本发明的另一个实施方案中，电阻分压器网络包括温度敏感设备，该温度敏感设备随着发光元件结温的变化而改变电阻分压器反馈回路的阻抗。例如，所述温度敏感设备可以是热敏电阻器，或具有已知温度系数的标准晶体管，并且可以按照本领域通常的做法用作温度补偿电路中的温度敏感元件。因此，当发光元件在关闭(OFF)状态时，电路可以提供动态替代反馈路径。尽管这个实施方案可能具有增加的部件数目，但是相比没有这样的基于温度的校正的电路，它可以向电路中引入较小的误差。
在多个发光元件串由单个电源驱动的实施方案中，电路的反馈回路的组件可以关于全部发光元件串或发光元件串组组合，或者可以是用于被驱动的各个发光元件串的单独组件。
这样描述了本发明的实施方案，显而易见所述实施方案可以多种方式变化。这样的变化不应被认为偏离本发明的实质和范围，并且旨在所有对本领域的普通技术人员来说明显的这样的修改都被包含在以下权利要求书的范围之内。

Claims (52)

1.一种用于向包括一个或多个电子器件的串的负载提供期望的开关电流的驱动和控制设备，所述设备包括：
a)适合于连接到电源的电压转换器，所述电压转换器用于将来自电源的电压从第一幅度电压转换成第二幅度电压，所述电压转换器响应于控制信号；
b)调光控制设备，所述调光控制设备接收所述第二幅度电压并且控制所述第二幅度电压向所述串的传输，从而控制所述串的启用；
c)电压检测设备以及电流检测设备，所述电压检测设备电连接到所述电压转换器的输出以产生第一信号，所述电流检测设备与所述串串联以产生表示流过所述串的电流的第二信号；以及
d)反馈设备，所述反馈设备电连接到所述电压转换器、所述电压检测设备以及所述电流检测设备，所述反馈设备接收所述第一和第二信号并向电压转换器提供控制信号，所述控制信号是基于所述第一和第二信号的；
其中所述电压转换器基于从所述反馈设备接收到的控制信号改变所述第二幅度电压，以及其中所述调光控制设备被布置为接收一个调光控制信号，所述调光控制设备响应于所述调光控制信号控制所述第二幅度电压向所述串的传输；
其中所述反馈设备还包括响应于所述调光控制信号的占空比而由数字输入信号控制的开关，所述开关被配置为当所述调光控制信号的占空比低于预定阈值时，被启用以便将所述第一信号连接到所述电压转换器。
2.根据权利要求1所述的驱动和控制设备，其特征在于，所述电压转换器是DC-DC转换器。
3.根据权利要求2所述的驱动和控制设备，其特征在于，所述电压转换器选自降压转换器、升压转换器、降压-升压转换器、邱克转换器以及回扫转换器。
4.根据权利要求1所述的驱动和控制设备，其特征在于，所述电压检测设备选自分压器和运算放大器。
5.根据权利要求1所述的驱动和控制设备，其特征在于，所述电流检测设备选自固定电阻器、可变电阻器和电感。
6.根据权利要求1所述的驱动和控制设备，其特征在于，所述调光控制设备选自FET开关、BJT开关和继电器。
7.根据权利要求1所述的驱动和控制设备，其特征在于，所述调光控制设备由选自脉宽调制信号和脉码调制信号的数字信号控制。
8.根据权利要求1所述的驱动和控制设备，其特征在于，所述串具有高端和低端，所述调光控制设备电连接到所述串的高端。
9.根据权利要求1所述的驱动和控制设备，其特征在于，所述串具有高端和低端，所述调光控制设备电连接到所述串的低端。
10.根据权利要求1所述的驱动和控制设备，其特征在于，所述反馈设备包括采样保持电路。
11.根据权利要求1所述的驱动和控制设备，其特征在于，所述反馈设备是具有线或结构的电路。
12.根据权利要求1所述的驱动和控制设备，其特征在于，所述反馈设备包括信号调节器，所述信号调节器包括用于调整给负载的期望的开关电流的装置。
13.一种包括两个或多个根据权利要求1所述的驱动和控制设备的系统，其中所述两个或多个驱动和控制设备适合于连接到单个电源，其中所述两个或多个驱动和控制设备中的每一个是单独控制的，其中与所述两个或多个驱动和控制设备中的每一个相关联的调光控制设备响应预定调光控制信号。
14.根据权利要求13所述的系统，其特征在于，所述预定调光控制信号是数字信号，用于所述两个或多个驱动和控制设备中的每一个的预定调光控制信号具有相位，并且各个预定调光控制信号具有不同的相位。
15.一种用于向包括一个或多个电子器件的两个或多个串的负载提供期望的开关电流的驱动和控制设备，所述设备包括：
a)适合于连接到电源的电压转换器，所述电压转换器用于将来自电源的电压从第一幅度电压转换成第二幅度电压，所述电压转换器响应于控制信号；
b)两个或多个调光控制设备，所述两个或多个调光控制设备接收所述第二幅度电压并且每个调光控制设备控制所述第二幅度电压向所述两个或多个串中的相应一个的传输，从而控制两个或多个所述串的启用；
c)电压检测设备以及电流检测设备，所述电压检测设备电连接到所述电压转换器的输出以产生第一信号，所述电流检测设备与所述两个或多个串中的一个串联以产生表示流过所述两个或多个串中的所述一个的电流的第二信号；以及
d)反馈设备，所述反馈设备电连接到所述电压转换器、所述电压检测设备以及所述电流检测设备，所述反馈设备接收所述第一和第二信号并向电压转换器提供控制信号，所述控制信号是基于所述第一和第二信号的；
其中所述电压转换器基于从所述反馈设备接收到的控制信号改变所述第二幅度电压，以及其中所述调光控制设备被布置为接收一个调光控制信号，所述调光控制设备响应于所述调光控制信号控制所述第二幅度电压向所述串的传输；
所述反馈设备还包括响应于所述调光控制信号的占空比而由数字输入信号控制的开关，所述开关被配置为当所述调光控制信号的占空比低于预定阈值时，被启用以便将所述第一信号连接到所述电压转换器。
16.根据权利要求15所述的驱动和控制设备，其特征在于，所述电压转换器是DC-DC转换器。
17.根据权利要求16所述的驱动和控制设备，其特征在于，所述电压转换器选自降压转换器、升压转换器、降压-升压转换器、邱克转换器以及回扫转换器。
18.根据权利要求15所述的驱动和控制设备，其特征在于，所述电压检测设备选自分压器和运算放大器。
19.根据权利要求15所述的驱动和控制设备，其特征在于，所述电流检测设备选自固定电阻器、可变电阻器和电感。
20.根据权利要求15所述的驱动和控制设备，其特征在于，所述两个或多个调光控制设备中的每一个选自FET开关、BJT开关和继电器。
21.根据权利要求15所述的驱动和控制设备，其特征在于，所述两个或多个调光控制设备中的每一个由选自脉宽调制信号和脉码调制信号的数字信号控制。
22.根据权利要求15所述的驱动和控制设备，其特征在于，所述两个或多个串中的每一个都具有高端和低端，所述两个或多个调光控制设备之一电连接到所述两个或多个串之一的高端。
23.根据权利要求15所述的驱动和控制设备，其特征在于，所述两个或多个串中的每一个都具有高端和低端，所述两个或多个调光控制设备之一电连接到所述两个或多个串之一的低端。
24.根据权利要求15所述的驱动和控制设备，其特征在于，所述反馈设备包括采样保持电路。
25.根据权利要求15所述的驱动和控制设备，其特征在于，所述反馈设备是具有线或结构的电路。
26.根据权利要求15所述的驱动和控制设备，其特征在于，所述反馈设备包括信号调节器，所述信号调节器包括用于调整给负载的期望的开关电流的装置。
27.一种用于向包括一个或多个电子器件的串的负载提供期望的开关电流的驱动和控制设备，所述设备包括：
a)适合于连接到电源的电压转换器，所述电压转换器用于将来自电源的电压从第一幅度电压转换成第二幅度电压，所述电压转换器响应于控制信号；
b)调光控制设备，所述调光控制设备接收所述第二幅度电压并且控制所述第二幅度电压向所述串的传输，从而控制所述串的启用；
c)电流检测设备，所述电流检测设备与所述串串联以产生表示流过所述串的电流的检测信号；以及
d)反馈设备，所述反馈设备电连接到所述电压转换器以及所述检测设备，所述反馈设备接收所述检测信号并向电压转换器提供控制信号，所述控制信号是基于所述检测信号的；
其中所述电压转换器基于从所述反馈设备接收到的控制信号改变所述第二幅度电压，以及其中所述调光控制设备被布置为接收一个调光控制信号，所述调光控制设备响应于所述调光控制信号控制所述第二幅度电压向所述串的传输；
其中所述反馈设备还包括响应于所述调光控制信号的占空比而由数字输入信号控制的开关，所述开关被配置为当所述调光控制信号的占空比低于预定阈值时，被启用以便将对所述电压转换器的输出进行处理得到的信号连接到所述电压转换器。
28.根据权利要求27所述的驱动和控制设备，其特征在于，所述电压转换器是DC-DC转换器。
29.根据权利要求28所述的驱动和控制设备，其特征在于，所述电压转换器选自降压转换器、升压转换器、降压-升压转换器、邱克转换器以及回扫转换器。
30.根据权利要求27所述的驱动和控制设备，其特征在于，所述电流检测设备选自固定电阻器、可变电阻器和电感。
31.根据权利要求27所述的驱动和控制设备，其特征在于，所述调光控制设备选自FET开关、BJT开关和继电器。
32.根据权利要求27所述的驱动和控制设备，其特征在于，所述调光控制设备由选自脉宽调制信号和脉码调制信号的数字信号控制。
33.根据权利要求27所述的驱动和控制设备，其特征在于，所述串具有高端和低端，所述调光控制设备电连接到所述串的高端。
34.根据权利要求27所述的驱动和控制设备，其特征在于，所述串具有高端和低端，所述调光控制设备电连接到所述串的低端。
35.根据权利要求27所述的驱动和控制设备，其特征在于，所述反馈设备包括采样保持电路。
36.根据权利要求27所述的驱动和控制设备，其特征在于，所述反馈设备是具有线或结构的电路。
37.根据权利要求27所述的驱动和控制设备，其特征在于，所述反馈设备包括信号调节器，所述信号调节器包括用于调整给负载的期望的开关电流的装置。
38.一种包括两个或多个根据权利要求27所述的驱动和控制设备的系统，其中所述两个或多个驱动和控制设备适合于连接到单个电源，其中所述两个或多个驱动和控制设备中的每一个是单独控制的，其中与所述两个或多个驱动和控制设备中的每一个相关联的调光控制设备响应预定调光控制信号。
39.根据权利要求38所述的系统，其特征在于所述预定调光控制信号是数字信号，用于所述两个或多个驱动和控制设备中的每一个的预定调光控制信号具有相位，并且各个预定调光控制信号具有不同的相位。
40.一种用于向包括一个或多个电子器件的两个或多个串的负载提供期望的开关电流的驱动和控制设备，所述设备包括：
a)适合于连接到电源的电压转换器，所述电压转换器用于将来自电源的电压从第一幅度电压转换成第二幅度电压，所述电压转换器响应于控制信号；
b)两个或多个调光控制设备，所述两个或多个调光控制设备接收所述第二幅度电压并且每个调光控制设备控制所述第二幅度电压向所述两个或多个串中的相应一个的传输，从而控制两个或多个所述串的启用；
c)电流检测设备，所述电流检测设备与所述两个或多个串中的一个串联以产生表示流过所述两个或多个串中的所述一个的电流的检测信号；以及
d)反馈设备，所述反馈设备电连接到所述电压转换器以及所述电流检测设备，所述反馈设备接收所述检测信号并向电压转换器提供控制信号，所述控制信号是基于所述检测信号的；
其中所述电压转换器基于从所述反馈设备接收到的控制信号改变所述第二幅度电压，以及其中所述调光控制设备被布置为接收一个调光控制信号，所述调光控制设备响应于所述调光控制信号控制所述第二幅度电压向所述串的传输；
所述反馈设备还包括响应于所述调光控制信号的占空比而由数字输入信号控制的开关，所述开关被配置为当所述调光控制信号的占空比低于预定阈值时，被启用以便将对所述电压转换器的输出进行处理得到的信号连接到所述电压转换器。
41.根据权利要求40所述的驱动和控制设备，其特征在于，所述电压转换器是DC-DC转换器。
42.根据权利要求41所述的驱动和控制设备，其特征在于，所述电压转换器选自降压转换器、升压转换器、降压-升压转换器、邱克转换器以及回扫转换器。
43.根据权利要求40所述的驱动和控制设备，其特征在于，所述电流检测设备选自固定电阻器、可变电阻器和电感。
44.根据权利要求40所述的驱动和控制设备，其特征在于，所述两个或多个调光控制设备中的每一个选自FET开关、BJT开关和继电器。
45.根据权利要求40所述的驱动和控制设备，其特征在于，所述两个或多个调光控制设备中的每一个由选自脉宽调制信号和脉码调制信号的数字信号控制。
46.根据权利要求40所述的驱动和控制设备，其特征在于，所述两个或多个串中的每一个都具有高端和低端，所述两个或多个调光控制设备之一电连接到所述两个或多个串之一的高端。
47.根据权利要求40所述的驱动和控制设备，其特征在于，所述两个或多个串中的每一个都具有高端和低端，所述两个或多个调光控制设备之一电连接到所述两个或多个串之一的低端。
48.根据权利要求40所述的驱动和控制设备，其特征在于，所述反馈设备包括采样保持电路。
49.根据权利要求40所述的驱动和控制设备，其特征在于，所述反馈设备是具有线或结构的电路。
50.根据权利要求40所述的驱动和控制设备，其特征在于，所述反馈设备包括信号调节器，所述信号调节器包括用于调整给负载的期望的开关电流的装置。
51.根据权利要求1所述的驱动和控制设备，其特征在于，给负载的期望的开关电流可改变到不同的水平。
52.根据权利要求1所述的驱动和控制设备，其特征在于，所述一个或多个电子器件是发光元件。
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