CN101257751A - Led控制方法及结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了LED控制方法及结构，其包括：多个串联的LED，其耦合成在输入和第一公共返回之间接收LED电流；误差放大器，其耦合成形成表示所述LED电流的误差信号；以及PWM控制器，其耦合成接收表示所述LED电流的信号并将所述LED电流控制为基本上恒定的值，其中，所述PWM控制器耦合在所述第一公共返回和第二公共返回之间以接收所述PWM控制器的工作电压，其中，所述PWM控制器不感测由所述功率因数LED控制系统接收的AC输入电压的波形在一个实施例中，LED系统被控制成具有基本上单一的功率因数。

Description

LED控制方法及结构
技术领域
本发明一般涉及电子学，更具体地，涉及形成半导体器件的方法及结构。
背景技术
在过去，电子工业将发光二极管(LED)用于各种应用。发光二极管(LED)的品质和效率的改进促进了LED在汽车照明应用例如刹车灯和尾灯中的使用。LED的进一步改进促进了更传统的AC照明应用例如交通灯、荧光灯、路灯和其他照明应用的使用。LED应用的典型控制系统将AC波形转换为DC电压并利用该DC电压来给LED供能。在于2001年9月4日发布给Mohamed Ghanem的美国专利No.6,285,139以及于2006年1月24日发布给Johnson Chiang的美国专利No.6,989,807中公开了控制LED的系统。大部分这样的LED控制系统具有高成本。期望将每个LED系统配置成控制功率因数(powerfactor)以便降低运行成本。还期望将成本保持得很低。
因此，期望有一种设计简单的LED控制系统，其具有低成本并将功率因数控制为基本上为单一值。
附图说明
图1简要示出了根据本发明的LED系统的一部分的实施例；
图2为具有曲线的图，其示出根据本发明的图1的系统的一些信号；
图3简要示出了LED系统的一部分的实施例，该LED系统为根据本发明的图1的LED系统的可选实施例；
图4简要示出了另一LED系统的一部分的实施例，该LED系统为根据本发明的图1的LED系统的另一可选实施例；以及
图5简要示出了包括根据本发明的图1的LED系统的一部分的半导体器件的放大平面视图。
为了说明的简单和明了，图中的元件不一定按照比例，并且在不同的图中相同的参考号代表相同的元件。此外，为了说明的简要，省略了众所周知的步骤和元件的说明和细节。这里使用的载流电极是指器件的元件，例如MOS晶体管的源极或漏极、或双极晶体管的发射极或集电极、或二极管的正极或负极，其承载通过该器件的电流，控制电极是指器件的元件，例如MOS晶体管的栅极或者双极晶体管的基极，其控制通过该器件的电流。虽然这里把器件解释为确定的N沟道或P沟道器件，本领域的普通技术人员应认识到，根据本发明，互补器件也是可能的。本领域的普通技术人员应认识到，这里使用的词汇“在...期间”、“在...的时候”、以及“当...时”不是表示一旦开始操作马上就会出现反应的准确术语，而是可能会在被初始操作激起的反应之间有一些微小但合理的延迟，例如传播延迟。
具体实施方式
图1简要示出了LED系统10的一部分的优选实施例，该LED系统运行具有基本上为单一功率因数的多个LED。系统10包括连接在串联结构中的多个LED 20-28，并且LED电流29流过该结构。系统10的开关电源控制器如脉宽调制(PWM)控制器55将电流29控制为基本上恒定的值。如下文中将进一步看到的，LED 25-28接收以第一公共电压为参考的输入电压，而PWM控制器55以不同于第一公共电压的第二公共电压为参考。此外，误差放大器耦合至LED 25-28以形成表示电流29的值的感测信号。误差放大器以第一公共电压为参考。
系统10还包括桥式整流器15、诸如分路调节器41的误差放大器、光耦合器37、感应器22、诸如二极管19的整流器、能量存储电容器21、以及功率变换器46。功率变换器46用于为控制器55形成运行功率。变换器46包括二极管47、电阻器48、以及将来自整流器15的时变电压转换为用于运行控制器55的基本上为DC电压的电容器49。
PWM控制器55一般包括形成基本上恒定的频率时钟信号的振荡器64、响应于自振荡器64接收时钟信号而形成斜波信号的斜波发生器或斜波65、PWM比较器67、OR门68、PWM锁存器66、诸如功率晶体管73的功率开关、电流限制比较器71、以及参考发生器或参考70。PWM控制器55在电压输入57和电压返回60之间接收功率。输入57被耦合以通过功率变换器46在端子13上接收来自第一公共电压的功率，而返回60耦合至桥式整流器15的端子14上的第二公共电压。振荡器64、斜波65、锁存器66、比较器67、门68、参考70、以及比较器71连接成接收输入57和返回60之间的功率。控制器55还包括接收表示电流29的值的FB信号的反馈(FB)输入58、耦合成控制电流29的值的输出56、以及接收表示通过晶体管73的电流的值的信号的电流限制输入59。上拉电阻器63连接在输入58和输入57之间以便为耦合器37的输出提供上拉电压。电阻器36用于选择通过调节器41的电流的期望值。尽管电阻器36示为连接成自输入18接收功率，电阻器36可以连接至其他点以接收例如节点32处的功率，如虚线所示。将电阻器36连接至节点32降低了功率耗散。
整流器15接收端子11和12之间的AC输入电压，例如来自家用电网的体输入(bulk input)电压的AC信号，并在端子13和14之间形成整流AC信号。该整流AC信号为时变信号。因而，由输入18和端子13之间的LED 25-28接收的DC电压以端子13上的时变信号为参考，因此，DC电压在该时变电压附近浮动。
频率补偿电容器43一般连接在输入58和端子14的公共参考电压之间，而另一频率补偿电容器44可以耦合在调节器41的感测输入和施加电压以运行调节器41的端子之间。电容器43和44为系统10的控制回路提供回路频率补偿。电容器43和44的值一般选择成为在端子11和12之间具有60周数(cycle)AC信号的系统提供大约为10Hz的带宽，并为具有50周数(cycle)AC信号的系统提供大约为8Hz的带宽。
在运行中，当电流29流过LED 25-28和电阻器34时，电阻器34形成表示电流29的值的电压。电阻器34两端的电压使电流42流过分路调节器41，其还表示电流29的值。电流42也流过电阻器36和光耦合器37的LED 38。如果电流29的值增加，电流42的值也会增加，这使耦合器37的晶体管39传导更多的电流。通过晶体管39的增加的电流会减少控制器55的输入58上的反馈(FB)信号。FB信号的减少导致振荡器64的周数部分降低，这使晶体管73被启动，因此，导致控制器55的晶体管73的占空因数(duty cycle)降低。因为振荡器64具有基本上固定的频率，控制器55以具有固定周期的固定频率接通或关断晶体管73。在晶体管73被启动的周期部分期间，输入电流16从端子13通过感应器22、晶体管73、输59、以及电阻器61流至端子14。在晶体管73被禁止的周期部分中，存储在感应器22中的能量通过二极管19被传送，以给电容器21充电并维持LED输入18和端子13之间的LED电压。本领域的技术人员应认识到，尽管输入18和端子13之间的LED电压被控制为基本上恒定的DC电压，LED电压以端子13上的电压为参考。因为端子13上的电压为整流AC电压，LED电压表现为强加在端子13上的时变参考电压上的DC电压。时变参考电压改变端子11和12之间的电压的整流值的速率(一般为100Hz或者120Hz)。
当电流流过电阻器16时，其形成表示电流16的值的感测信号。比较器71接收感测信号。如果电流16的值变得过高，感测信号的值增加至迫使比较器的输出为高的值。来自比较器71的高信号迫使门68的输出为高，这使锁存器66复位并禁止晶体管73。这提供了防止晶体管73传导可能损坏晶体管73或LED 25-28的电流的过电流保护。如果在系统10中存在短路或其他问题的情况，通常出现电流16的这样的过电流值。
图2为具有示出系统10的一些信号的曲线的图。横坐标表示时间，而纵坐标表示所示信号的增加值。曲线85示出了电流16的峰值循环的一部分。曲线86示出了在振荡器64的一个周期期间的电流16。曲线87和88示出了在振荡器64的子周期期间的电流16。曲线89示出了由控制器55和系统10形成的电流16的平均值。该说明参考图1和图2。系统10还配置成为端子11和12之间接收的输入AC信号提供基本上单一的功率因数。对于振荡器64的每个周期(T)，电流16的波形与通过感应器22和晶体管73的电流16的波形基本相同。因此，功率因数由电流16控制，如下所示：
输入电流16的斜度可以由感应器电压等式确定，
E＝L(di/dt)，所以
Vin＝(L)(dipk/ton)。
对ipk进行置换，得到
ipk＝Vin(ton/L)
其中：
Vin-端子11和12之间的输入电压，
L-感应器22的感应系数；
ipk-电流16的峰值；以及
ton-在振荡器64的周期(T)期间晶体管73被启动的时间。
在图2中，由曲线89示出振荡器64的每个周期内的电流16的平均值。因为通过晶体管73的每个电流脉冲的波形为三角形，因而电流16的每个脉冲的曲线下的面积为峰值(ipk)乘以其在振荡器64的周期期间流过的时间长度再除以2，如下所示：
Iav＝(1/2)((ipk)＊(ton/T))
其中，
Iav-电流16的平均值，
T-振荡器64的周期，以及
ton/T-晶体管被启动的每个周期的部分。
将ipk的等式代回到Iav的等式中，得到：
Iav＝(1/2)Vin((ton)2/(L＊T))
选择电阻器34的值和调节器41的参考电压值以便为电流29提供特定值。此外，选择频率补偿元件(例如电容器41或电容器43)的值以将FB信号的任何振荡的频率保持为低于端子13和14之间的整流AC信号的频率。对于60Hz或者50Hz的输入电压频率，端子13和14之间的整流AC信号分别具有120Hz或者100Hz的频率。为了保证控制器55不调整晶体管73的占空因数，以便去除在整流AC信号的频率处出现的纹波分量，选择由频率补偿元件形成的电极以保证系统10的带宽小于120或100Hz。在大部分实施例中，元件被选择成将带宽限制为不大于大约15Hz，并且优选地不大于用于60Hz系统的大约10Hz或者不大于用于50Hz系统的大约8Hz。这帮助将FB信号保持为基本上为DC信号，并帮助将晶体管73的占空因数保持为基本恒定。因为由LED 25-28形成的负载基本恒定，一旦达到电流29的期望值，控制器55控制电流29的值以维持基本上恒定。为了将电流29的基本恒定的值以振荡器64的基本恒定的周期提供至基本恒定的负载，控制器55控制晶体管73以具有基本恒定的占空因数。感应器22的值恒定，并且因为电流16的周期和占空因数基本恒定，所以Iav的等式中的ton和T项也恒定，而且Iav的等式变为：
Iav＝(1/2)Vin((K1)2/(K2))
其中，K1和K2恒定。
因此，
Iav∝Vin，或除非另有说明，Iav与Vin成比例。
因此，对于固定的频率和占空因数，电流16遵循输入电压Vin。因此，电流16的平均值的波形与Vin的波形基本上相同，这导致系统10的基本上单一的功率因数。单一功率因数导致系统10的较低的运行成本。对于大量的LED用于提供大面积的照明的应用而言，由系统10提供的成本节约是非常重要的。应该注意，系统10形成基本上单一的功率因数而没有感测输入电压或整流AC信号的值或波形，以及没有利用包括用于使输入AC电压与输入电流相乘的乘法器电路的乘法器电路。不感测输入电压帮助降低控制器55和系统10的成本，并且不使用乘法器电路也降低了复杂性和成本。
为了给系统10提供这项功能，LED25的正极连接至输入18，而负极连接至LED 26的正极。LED 26的负极连接至LED 27的正极，LED 27具有连接至LED 28的正极的负极。LED 28的负极一般连接至电阻器34的第一端子、电容器44的第一端子、以及调节器41的感测输入。电容器44的第二端子连接至输入18，并可选地连接至LED26的负极。电阻器34的第二端子一般连接成自端子13接收第一公共参考信号并连接至调节器41的参考输入。调节器41的输出连接至LED 38的负极，LED38具有连接至电阻器36的第一端子的正极。电阻器36的第二端子连接至电容器44的第二端子。电容器21的第一端子连接至输入18，而第二端子连接至端子13。二极管19的正极连接至控制器55的输出56和感应器22的第一端子。二极管19的负极连接至输入18。感应器22的第二端子连接成接收来自端子13的第一公共参考信号并连接至变换器46的输入。变换器46的输出连接至输入57。二极管47的正极连接至变换器46的输入，而负极连接至电阻器48的第一端子。电阻器48的第二端子一般连接至电容器49的第一端子、以及变换器46的输出。电容器49的第二端子连接至端子14。耦合器37的晶体管39具有连接至端子14的发射极以及连接至电容器43的第一端子和控制器55的输入58的集电极。电容器43的第二端子连接至端子14。电阻器63的第一端子连接至输入58，而第二端子连接至输入57。振荡器64的输出连接至锁存器66的置位输入和斜波65的输入。斜波65的输出连接至比较器67的非反向输入。比较器67的反向输入连接至反馈输入58。比较器67的输出连接至门68的第一输入，门68的第二输入连接至比较器71的输出。门68的输出连接至锁存器66的复位输入。锁存器66的Q输出连接至晶体管73的栅极。晶体管73的漏极连接至输出56，而源极一般连接至输入59和比较器71的非反向输入。比较器71的反向输入连接至参考70的输出。电阻器61的第一端子连接至输入59，而第二端子连接至端子14。控制器55的返回60连接至端子14。
图3简要示出了LED系统90的一部分的实施例，该系统为图1和图2的描述中解释的系统10的可选实施例。系统90类似于系统10，除了系统90包括PWM控制器91。控制器91类似于控制器55，除了控制器91没有包括诸如晶体管73的功率开关。控制器91包括由晶体管93和94示出的驱动器电路，其配置成驱动诸如晶体管96的外部功率开关。
图4简要示出了LED系统100的一部分的实施例，该系统为图1和图2的描述中解释的系统10的可选实施例。系统100类似于系统10，除了系统100用变压器101代替感应器22，使得系统100连接在回扫(flyback)结构中。系统100包括整流二极管102和公共返回端子103，整流二极管102用于将来自变压器101的信号整流成在LED输入18和公共返回端子103之间基本上为DC电压，公共返回端子103连接至变压器101的一个端子。公共返回端子103上的电压不具有时变信号如图1的端子13上的信号，因此，输入18和端子103之间的电压不在时变电压的附近浮动。
图5简要示出了在半导体管芯(die)111上形成的半导体器件或集成电路110的实施例的一部分的放大平面视图。控制器55在管芯111上形成。管芯111还可以包括为了简化视图而未在图5中示出的其他电路。控制器55和器件或者集成电路110通过本领域的技术人员公知的半导体制备技术在管芯111上形成。控制器91可以可选地在管芯111上形成。在一个实施例中，控制器55在半导体基底上形成为具有不多于6个外部导线56-60和一个可选导线的集成电路。
鉴于上述内容，显然公开了一种新颖的器件和方法。包括其他特征的是，通过配置开关电源控制器以按基本上固定的频率和基本上固定的占空因数运行而控制LED系统的功率因数。在LED系统的升压结构的一个实施例中，LED系统的输入电流基本上等于通过LED系统的功率开关的电流。
尽管用具体的优选实施例对本发明的主题进行了描述，但是显然对于半导体技术领域的技术人员而言很多替换和变更是明显的。例如，控制器55和系统10还可以配置在包括反向升压结构的其他升压结构中。词语“基本上”或“大约”的使用意指元件的值具有被期望非常接近于规定的值或位置的参数。但是，正如本领域中公知的，总有微小变化阻止所述值或位置确切地为所规定的。本领域中恰当地规定，高达大约10％的变化被认为是偏离确切地如所描述的理想目标的合理变化。另外，为了清楚地描述，始终使用词语“连接(connect)”，但是，其被规定为与词语“耦合(couple)”具有相同的意思。因此，应该将“连接”解释为包括直接连接或间接连接。

Claims (10)

1.一种功率因数LED控制系统，其包括：
多个串联的LED，其耦合成在输入和第一公共返回之间接收LED电流；
误差放大器，其耦合成形成表示所述LED电流的误差信号；以及
PWM控制器，其耦合成接收表示所述LED电流的信号并将所述LED电流控制为基本上恒定的值，其中，所述PWM控制器耦合在所述第一公共返回和第二公共返回之间以接收所述PWM控制器的工作电压，其中，所述PWM控制器不感测由所述功率因数LED控制系统接收的AC输入电压的波形。
2.根据权利要求1所述的LED控制系统，其中，所述第一公共返回具有时变信号。
3.根据权利要求1所述的LED控制系统，其中，所述第二公共返回具有基本上固定的信号。
4.根据权利要求1所述的LED控制系统，其中，所述多个串联的LED包括第一LED和第二LED，所述第一LED具有负极并具有耦合至所述输入的正极，所述第二LED具有耦合至所述第一公共返回的负极并具有正极。
5.根据权利要求4所述的LED控制系统，其中，所述误差放大器具有耦合至所述第二LED的所述负极的感测输入和耦合至所述第一公共返回的参考输入。
6.一种功率因数LED控制系统，其包括：
多个串联的LED，其以第一公共参考信号为参考；
误差放大器，其耦合成提供表示通过所述多个串联的LED的电流的误差信号，其中，所述误差放大器以所述第一公共参考信号为参考；以及
PWM控制器，其可操作地耦合成接收表示通过所述多个串联的LED的所述电流的信号，并形成用于运行所述多个串联的LED的基本上为DC电压，其中，所述PWM控制器配置成以基本上固定的频率和基本上固定的占空因数运行，以及其中，所述PWM控制器以第二公共参考信号为参考。
7.根据权利要求6所述的功率因数LED控制系统，其中，所述多个串联的LED以时变信号为参考。
8.根据权利要求7所述的功率因数LED控制系统，其中，所述误差放大器以所述时变信号为参考。
9.一种形成LED系统的方法，其包括：
配置控制系统来运行PWM控制器，以将通过多个串联的LED的电流控制为基本上恒定的值，其中，所述PWM控制器配置成以基本上恒定的频率和基本上恒定的占空因数运行。
10.一种形成LED系统的方法，其包括：
将所述LED系统配置在升压结构中；
将多个LED串联；以及
配置所述LED系统以使所述LED系统的输入电流的波形形成为基本上等于通过功率开关的电流波形，所述功率开关调节通过所述多个LED的电流，其中，所述功率开关以基本上恒定的频率和基本上恒定的占空因数运行。
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