CN101049047A

CN101049047A - 驱动发光二极管基照明装置的方法

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Publication number: CN101049047A
Application number: CNA2005800363146A
Authority: CN
Inventors: M·温特; C·马蒂尼
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Signify Holding BV
Priority date: 2004-10-22
Filing date: 2005-10-17
Publication date: 2007-10-03
Anticipated expiration: 2025-10-17
Also published as: US20080084169A1; US7504781B2; CN100531490C; EP1808050A1; TW200633574A; EP1808050B1; JP5102037B2; KR101249025B1; TWI391023B; KR20070084432A; WO2006043232A1; JP2008518389A

Abstract

本发明涉及一种照明装置以及包括这种照明装置和可调电源的照明系统，还涉及驱动这种照明系统的方法。该照明装置包括至少一个LED(1a，1b)和控制装置，该控制装置包括测量装置(7，9)以测量在预定电流或电压下表示所述LED的电阻的量，以及电源控制装置(11)，连接到所述测量装置(7，9)并构造成控制用于驱动LED(1a，1b)的可调电源(3a，3b)，所述信号是基于所述量的所述值。LED的电阻根据函数关系依赖于LED结温度，结温度反过来决定其光输出特性。因此，通过测量LED电学特性并将其映射到温度，由此间接地测量结温度，从而对LED输出的控制成为可能。

Description

驱动发光二极管基照明装置的方法

技术领域

本发明涉及具有一个或多个LED的照明系统，其中该LED受控制以补偿温度变化。

具体而言，在本发明的第一方面中，本发明涉及一种照明装置，该照明装置包括至少一个发光二极管(LED)以及控制装置，该控制装置包括：测量装置，其构造成确定与所述LED的操作相关联的量的值；以及电源控制装置，其连接到所述测量装置并构造成向驱动LED的可调电源提供控制信号，所述信号是基于由所述测量装置确定的所述量的所述值。

背景技术

发光二极管或者LED由于其高的效率和长的寿命而日益广泛地被用作光源。然而，LED公知的问题为发光强度强烈依赖于温度。一般而言，温度越高，强度越低。

这个问题在现有技术中已经被解决。例如文件US 5,783,909描述了一种用于维持LED发光亮度的电路。该电路包括用于检测LED发光输出或工作温度的变化的传感器，该传感器耦合到电源。预定的温度行为模型可以预先编程到用于电源的芯片内。

该电路的问题在于，其并未提供对LED输出的光的最佳控制。

发明内容

本发明的目标是提供一种上述类型的发光装置，其使得对LED的光输出的控制得到改善。

本发明的特征在于所述量为表示所述LED的电阻的量。

发明人已经意识到，有关LED的有源区即结区的温度的控制与/或知识决定了对发光输出控制的精确度。因为，当测量发光输出时，很难屏蔽环境光或者来自其他LED的光，且当测量温度时，测量到的总是LED工作环境的温度或者至多是完整LED的温度。然而，光学性能是由LED的结决定，LED的结由于LED的温度不均匀而可能具有不同的温度。

此外，发明人意识到不需要直接测量结温度，而是可以通过测量直接关联的量，特别是与结处载荷子的热动力学有关的量。例如pn结二极管的V-I特性表征为：

I = I_{s} \cdot \exp (- \frac{V - R_{s} \cdot I}{k_{B} \cdot T}),

其中I为电流，I_s为饱和电流，V表示电压，R_s为串联电阻，T为温度。对于结构比简单pn结二极管更复杂的LED，V-I特性的关系则更为复杂，但是对于任何特定LED，该关系为已知或者至少可以确定和校准的函数。

例如，测量LED在特定电流下的电压并将其与为T_junction的函数的、与温度有关的(V，I)校准测量进行比较，以推断出结温度。这种V-I特性还可以称为结的“电阻”，尽管应该切记LED是一种非线性器件，电阻即V/I本身是电流I的函数。测量所述电阻，或者与电阻直接相关并表示电阻的量，基于测量值通过先前的校准测量或者估计结温度的其他手段，给出了有关结温度的直接知识。

类似地，向可调电源提供所估计的结温度则提供了控制LED结的可能性，并因此提供了对发光输出控制的可能性。同样，这可以通过先前的校准测量或其他手段实现。

注意，通过将该量的测量值映射到将所述量与所述结温度相关联的函数，类似地可以获得有关这种器件的结温度的直接知识。如此发现的结温度可以用于任何期望用途。

在特定实施例中，所述量包括预定测量电压跨过所述LED时流过所述LED的电流与/或预定测量电流流过所述LED时跨过所述LED的电压。在任一方式下，获得分别针对跨过LED的电压以及流过LED的电流的两个值。通过将前者除以后者则可以获得LED的电阻值，尽管简单地分别测量预定测量电压下的电流或预定测量电流下的电压就已经足够。注意，还可以间接地获得相关值，例如，可以通过确定跨过具有已知值的电阻器的电压并将所述电压除以所述电阻值，确定流过LED的电流，等等。出于本发明的目的，提供有关LED电阻值的直接或间接知识的任何这种措施被认为是等价的。

在一个特定实施例中，所述测量装置包括用于提供所述预定测量电压的测量电压源，与/或用于提供所述预定测量电流的测量电流源。这包括例如提供一个或多个分离的电压与/或电流源的情形。另一种可能性为如下情形，即，连接用于驱动LED的外部可选电源可由本发明的装置控制，等等。

在一个特定实施例中，所述预定测量电压小于所述LED的正向驱动电压，或者所述预定测量电流小于所述LED的正向驱动电流。这里，正向是指沿LED传导方向的电流方向，因此不是所谓的反向。这里正向电压是指这样的电压，其导致流过LED的电流低于工作模式下电源向LED提供的最低驱动电流的一半，或者类似地正向电流是指这样的电流，其导致跨过LED(或结)的电压低于工作模式下二极管电压降。在这些情形中测量电阻或者相关量(例如电压或电流)的优点为，结的自加热减少。因此校准精确度高，无需高速测量电路。此外，减小的LED电流产生更少的光，且在对LED应该是黑暗的阶段进行测量的过程中减小了光假象。在小信号情形中测量电阻或相关量(例如电压或电流)的另一个优点为，LED结的电阻以及因此LED的电阻远高于工作模式。工作模式是指任何实际发光的情形，因为在这里所述的小信号情形中，LED几乎不发射任何光能量。

在特定实施例中，控制装置包括将所述LED选择性连接到所述测量装置的开关。这是指包含具有两个位置的开关的装置。在一个位置，LED连接到测量装置，例如连接到单独的测量电压源或测量电流源，而在第二位置，LED连接或者可连接到在工作模式下驱动LED的电源。这种措施提供的优点为，出于降低成本或任何其他原因，可以提供单独的测量电压或电流源，该测量电压或电流源设计为在测量时获得更佳的性能，而用于在工作模式下驱动LED的电源可设计为在在工作模式下驱动LED时获得更佳的性能。例如，测量电压源可以是无法调节但是非常精确的简单电源，而(较大的)电源是可调节的且例如精确度稍低。开关允许在这两个电源之间切换。

在优选实施例中，控制装置包括信息检索装置，该信息检索装置含有与为所述量的测量值的函数的控制信号有关的信息，且具体地，该信息检索装置包括查找表。信息检索装置中包含的信息因此可用于控制可调电源，使得照明装置可以自主地工作。备选地，例如外部工作人员可以使用该测量信号来调节可连接到所述一个或多个LED的电源。该信息检索装置可以实施为查找表，或者备选地，实施为具有类似功能的任何电路、计算机装置等，使得所测的量的输入值返回作为用于控制驱动LED的电源的另一个值或信号。

在特定形式中，该照明装置包括至少两个LED，其中对于所述至少两个LED中的每一个，所述量的所述值可由所述控制装置，特别是由所述测量装置选择性地测量。具体而言，该至少两个LED中的每一个可基于所述LED的所述量的所述测量值单独地由可调电源驱动。这些措施使得可以分别控制至少两个LED，有利地，分别控制所有LED。这提供了非常均匀照明的可能性，因为至少两个LED，并且有利的是每个LED可以单独地调整。

此外，有关LED结温度的知识允许精确校正颜色或者色温，因为每种类型的LED的行为已知或者可以在校准之后得知。当例如要设定不同的照明水平时，提高输入功率的效果将影响LED温度，并由此影响不同颜色的LED对总照明的贡献。这可以通过监测每个LED器件的结温度或者每数个具有特定颜色的LED而单独地得到校正。本发明可校正特定电流水平(其可用于例如PWM的脉冲驱动模式)下的温度效应。

在本发明的第二个方面，提供了一种照明系统，其包括根据本发明的照明装置，以及连接到所述照明装置的LED的、用于供给电能以驱动所述LED的可调电源。这涉及下述情形，其中根据本发明的照明装置已经连接到其自己的用于驱动该一个或多个LED的电源，且因此可以用做独立系统。例如该可调电源可包括电池，或者具有为该一个或多个LED设定期望驱动电压或驱动电流的电路的其它电源。所述可调电源可以是例如完全可更换的，或者可以是部分可更换的，例如保留上述电路在原位。

在该照明系统的特定实施例中，该可调电源还能够提供跨过所述LED的预定测量电压、与/或流过所述LED的预定测量电流，其中所述预定测量电压小于所述LED的正向驱动电压，或所述预定测量电流小于所述LED的正向驱动电流。另外，该可调电源可包括例如开关，以在该电源供给预定测量电压或者测量电流的位置与该电源向(多个)LED供给驱动电流或驱动电压的位置之间切换，或者该可调电源为此包括单独的电源等。

在第三方面，本发明涉及驱动根据本发明的照明系统的方法，该方法包括将所述可调电源设定为用于至少所述LED的期望工作条件，测量表示所述LED的电阻的量的值，基于所述测量值确定所述LED的新工作条件，以及将所述可调电源调整为所述新工作条件。这是操作本发明的照明系统的一般方法。原则上，该方法可以由操作员使用，以基于LED电阻的测量值设定LED的驱动电流与/或电压。然而，优选地，该方法在根据本发明的照明系统中是自动化的。

在该方法的特定实施例中，测量所述值包括测量在跨过所述LED的预定测量电压下测量流过所述LED的电流，与/或在流过所述LED的预定测量电流下测量跨过所述LED的电压。通过提供在可能不同于LED(可变的)驱动电压与/或驱动电流的预定测量电压或测量电流下进行测量的可能性，可以获得更高的精确度，因为所述预定测量电流与/或电压可以选择为使得可以获得期望精确度，而不依赖于驱动电流或电压。

具体而言，所述预定测量电压小于所述LED工作条件下跨过所述LED的电压，与/或所述预定测量电流小于所述LED工作条件下流过所述LED的电流。出于上述原因，选择小的测量电压与/或测量电流一般可得到更高的精确度，因为在这些条件下，LED的电阻更高且可以更精确地确定。

附图说明

现在将参照描述了本发明的非限制性实施例的附图进一步详述本发明，附图中：

图1示意性示出了多个LED类型的光输出与结温度的关系；

图2示意性示出了根据本发明的照明系统的实施例；

图3示意性示出了根据本发明方法用于测量和驱动LED的时序；以及

图4示意性示出了不同结温度下LED的I-V特性。

具体实施方式

在图1中，该图示意性示出了对于四种不同颜色LED，单位为任意单位的相对光输出I_re1.与结温度的关系，此处的四种颜色为蓝色(实线)、绿色(短划线)、红色(点线)、和琥珀色(点划线)。可以清楚地看出，即使小的温度变化也导致光输出大的偏移，该光输出偏移需要例如通过调节LED的电源进行补偿。还要注意，不同颜色LED的温度依赖性不同。这意味着，当不同LED用于混色时，颜色偏移将在结温度偏移时出现。对于所示示例，结温度增大使琥珀色和红色贡献减小的程度远大于蓝色和绿色贡献，因此导致偏移至“更冷的”颜色。

利用本发明，通过测量结电阻或相关的量，可以获得有关结温度的知识。这使得可以对LED单独进行校正，并因此校正颜色偏移。

图2示意性示出了根据本发明的照明系统的实施例。这里1a、1b...为发光二极管或LED，而可调电流源用3a、3b...表示。开关装置5a、5b...可以将LED的电连接切换到测量电压源7和电流计9，电流计9耦合到控制单元11，控制单元又耦合到可调电流源3a、3b...。注意，每次对一个LED进行该测量。优选地，在测量一个LED时，关断所有其他LED(如果存在)或者至少与所述LED断开。可以存在多个测量电路，每个测量电路都与其他LED断开。

备选地，可以使用提供跨过LED的预定电压的测量电压源，替代测量电流源。这里，流过LED的电流由电流计测量，而不是电压计。

此处未示出的第三实施例包括驱动电流源，其在测量阶段可以设定为测量电流，并具有允许监测跨过LED的电压的开关。

在图2中示出了两个LED 1a和1b。应该注意，任意数目的LED是可能的，例如仅一个LED，但也可以是三个或更多个LED，例如用于混色。这后一种情形中，可以使用例如红色、绿色和蓝色LED，每种颜色接收其自己的电能，或者甚至每个LED接收其单独的电源。

在所有系统中，LED的串联连接也是可能的，特别是如果LED是相同的类型。可以示范性地测量跨过一个LED的电压，或者也可以测量跨过串联的所有LED的电压，由此对多个器件的温度求平均。单独的测量提供更佳的精确度，但是更为复杂。

LED 1b从电流源3b接收电能，这是因为开关装置5b将这两个部分相连。电流源3b是可调的，从而能够调整相应LED 1b的光输出。电流源3a、3b...示为分离的电流源，尽管类似地可以提供一个电流源，该电流源例如通过分压器向所有期望LED提供期望的电流。注意，还可以通过可调电压源向LED提供电能。

相反，采用此处所示的开关装置5a，LED 1a从测量电压源7接收测量电压。该电压源7将测量电压Vm供给到LED 1a，导致测量电流Im流过该LED，该电流取决于Vm与/或LED结温度。一旦Im给出，则参数Vm或T中只有一个代表另外的自变量。电流计9测量该电流。基于已知的电压Vm和测得的电流，可以导出LED的电阻，特别是LED的结温度。

原则上为对应信息的电流值或者电阻值提供给控制单元11，该控制单元11仅示意性地示出。该控制单元可包含关于LED或结的电阻、或者直接关联的量(诸如流过LED的电流或跨过LED的电压)与温度的关系的信息。为此，该控制单元例如可包括查找表或者类似的电路，或者可包括或可连接到计算机或者能够存储并提供关联数据的其他数字或模拟装置。当控制单元11接收测得电流、电阻或电压的值时，正如实际情形那样，该控制单元能够提供为相关的一个或多个LED设定正确电流或者相应电压的控制单元。这种情况下，测量LED 1a将导致控制单元11设定电流源3a。当然，控制单元11将能够控制开关装置5a、5b等，从而选择性地测量期望的LED。

将结合图3详述LED的测量和控制方法，图3示意性示出了根据本发明方法用于测量和驱动LED的时序。

在该图示中，流过LED的电流I(LED)绘制为时间t的函数。最初，即t＜t1时，I(LED)等于正常驱动电流I_b1，LED在I_b1下产生期望输出。该电流I_b1通常(但不是一定)大于“拐点电流(kneecurrent)”，或LED拐点电压处的电流。拐点电压为线性刻度I-V曲线中，曲线“弯曲处”的电压，其为任何实际有用情形中LED上正向电压降的一种下限。

t＝t1时，与相关电极相关的开关装置切换到测量位置，其中测量电压源将测量电压施加到LED，导致新电流Im流过LED。测量该电流Im。测量发生在时间t1和t2之间，从而获得可靠的值。基于Im的测量值以及测量电压的已知值，由控制单元确定电流I(LED)的新值为I_b2。这例如通过将电流Im映射到结温度并随后映射到提供期望的新光输出的I(LED)值，通过将Im直接映射到期望的I(LED)等而实现。I_b2的期望值一旦确定，则在时间t3由控制单元设定该期望值。

注意在所示情形中，在确定测量电流Im之后一段时间才设定新I(LED)。在t2和t3之间的时间期间，例如可能使零电流流过该LED以维持测量电流Im直至设定新I(LED)＝I_b2的时间，或者优选地再次供给原始的I(LED)即I_b1，直到设定I_b2的时间t3。后一种措施保证该LED在所述时间内可提供输出，即使不一定提供最佳的输出。当然，开关装置在相应时刻，例如确定Im之后即刻，或者仅在设定新I(LED)＝I_b2的时间，将LED重新连接到可调电流源。

从图3可以看出，测量电流Im优选地小于正常驱动电流I_b1和I_b2等。尽管不一定如此，但是测量电流越小意味着二极管电阻越高，电阻可以更精确地被测量。

这里指出，根据本发明的LED控制方法和系统要求中断LED的正常驱动。然而，在实践中，LED很少连续驱动，而是间歇式地驱动。因此在这些不工作的时间内可以方便地测量LED并计算新电流。然而，即使对于LED被驱动的时间段长于检查LED的期望间隔，仍可以短时间中断LED的工作，从而测量该LED以及如果需要则调整I(LED)。大多数应用不需要LED连续工作，中断LED的工作对LED的寿命几乎没有任何影响。

对于LED由脉冲电流源驱动的情形，控制LED输出的备选方法是改变脉冲宽度与/或频率，换言之，改变供给到LED的平均电功率。例如，在特定电流水平和脉冲宽度及频率下，LED具有特定输出。如果结温度改变，输出也根据已知函数改变。通过根据本发明测量温度变化，可以设定新的输入功率水平，从而获得所需的LED输出水平。使用可调脉冲电源的本实施例具有的优点为，可能依赖于电流绝对水平的其他LED特性并不改变。

对于要求LED连续工作的情形，仍然可以应用根据本发明的控制方法和系统。为此，例如可以在工作状态下测量LED的电阻。这可以通过利用跨过LED的电压的知识来确定流过该LED的电流而实现。换言之，在实践中，这归结为当已知电流I(LED)供给到该LED时测量跨过该LED的电压降。注意，在大多数情况下，这需要更加精确地确定电阻，即更加精确地确定电压，因为在实际工作状态下，LED的电阻远小于上述状态下的电阻。

图4示意性示出了在特定结温度下LED示例的I-V特性。实际的结温度可以基于这些曲线，例如通过在预定电压内插测量电流，反之亦然。

Claims

1.一种照明装置，包括：

至少一个发光二极管(LED)(1a，1b)，

控制装置，包括：

测量装置(7，9)，构造成确定与所述LED(1a，1b)的工作相关联的量的值，

电源控制装置(11)，连接到所述测量装置(7，9)并构造成向驱动所述LED(1a，1b)的可调电源(3a，3b)提供控制信号，所述信号基于由所述测量装置确定的所述量的所述值，

其中所述量为表示所述LED(1a，1b)的电阻的量。

2.根据权利要求1的照明装置，其中所述量包括预定测量电压跨过所述LED(1a，1b)时流过所述LED的电流，与/或预定测量电流流过所述LED时跨过所述LED的电压。

3.根据权利要求2的照明装置，其中所述测量装置包括用于提供所述预定测量电压的测量电压源(7)与/或用于提供所述预定测量电流的测量电流源。

4.根据权利要求2或3的照明装置，其中所述预定测量电压小于所述LED(1a，1b)的正向驱动电压，或者所述预定测量电流小于所述LED的正向驱动电流。

5.根据任一前述权利要求的照明装置，其中所述控制装置包括将所述LED(1a，1b)选择性连接到所述测量装置(7，9)的开关(5a、5b)。

6.根据任一前述权利要求的照明装置，其中所述控制装置(11)包括信息检索装置，所述信息检索装置含有与为所述量的测量值的函数的控制信号有关的信息。

7.根据权利要求6的照明装置，其中所述信息检索装置包括查找表。

8.根据任一前述权利要求的照明装置，包括至少两个LED(1a，1b)，其中对于所述至少两个LED中每一个，所述量的所述值可由所述控制装置选择性地测量。

9.根据权利要求8的照明装置，其中所述至少两个LED(1a，1b)中每一个可基于所述LED的所述量的所述测量值，由可调电源(3a，3b)单独驱动。

10.一种照明系统，包括根据前述权利要求之一的照明装置，以及连接到所述照明装置的LED(1a，1b)的、用于供给电能以驱动所述LED的可调电源(3a，3b)。

11.根据权利要求10的照明系统，其中所述可调电源(3a，3b)还能够提供跨过所述LED(1a，1b)的预定测量电压与/或流过所述LED的预定测量电流，其中所述预定测量电压小于所述LED的正向驱动电压，或者所述预定测量电流小于所述LED的正向驱动电流。

12.一种驱动根据权利要求10至11中任一项的照明系统的方法，所述方法包括：

将所述可调电源(3a，3b)设定为至少所述LED(1a，1b)的期望工作条件；

测量表示所述LED的电阻的量的值；

基于所述测量值确定所述LED的新工作条件；以及

将所述可调电源(3a，3b)调整为所述新工作条件。

13.根据权利要求12的方法，其中测量所述值包括在跨过所述LED(1a，1b)的预定测量电压下测量流过所述LED的电流，与/或在流过所述LED的预定测量电流下测量跨过所述LED的电压。

14.根据权利要求13的方法，其中所述预定测量电压小于所述LED(1a，1b)的工作条件下跨过所述LED的电压，与/或所述预定测量电流小于所述LED的工作条件下流过所述LED的电流。