CN101326859B - 用于驱动至少一个发光二极管的电路装置和方法 - Google Patents

用于驱动至少一个发光二极管的电路装置和方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于驱动至少一个LED的电路装置，包括：用于连接电网电压的第一和第二电网连接端(J)；第一整流器(FR)，其整流输入端与电网连接端(J)耦合，并且在其整流输出端上可提供整流后的电网电压；电子泵浦开关(UNI)，该电子泵浦开关与整流输出端耦合，由此限定了泵浦节点(N1)；主储能器(STO)，该主储能器与电子泵浦开关(UNI)的背离整流输出端的侧耦合；逆变器(INV)，该逆变器与主储能器耦合，用于从主储能器供给能量，其中逆变器被设计为在其逆变器输出端上提供具有逆变器频率的逆变器电压；泵浦网络(PN)，逆变器输出端通过该泵浦网络与泵浦节点(N1)耦合；匹配网络(MN)，逆变器输出端通过该匹配网络与用于所述至少一个LED的连接端子(J)耦合，其中匹配网络(MN)具有带有固有频率的谐振电路。本发明还涉及一种用于驱动至少一个LED的相应的驱动方法。

Description

用于驱动至少一个发光二极管的电路装置和方法
技术领域
本发明涉及一种用于驱动至少一个LED(发光二极管)的电路装置和方法。
背景技术
LED由于其优点而越来越多地使用于通用照明中。在本上下文中，希望的是成本低廉的驱动电路。迄今，使用所谓的SELV(安全特低电压)电流供给，该电流供给提供了与电网电势隔离的保护低电压，用于为LED供电。在此，在现有技术中花费巨大的电路技术的开销，以便保证功率因数校正、电势隔离、输出电压或输出电流的调节的功能以及防止过载和短路的保护措施。
发明内容
本发明的任务在于提供一种用于驱动至少一个LED的电路装置和方法，该电路装置能够在尽可能低的电路技术开销的情况下实现上述功能中的多个功能。
该任务通过一种用于驱动至少一个LED的电路装置来解决，该电路装置包括：用于连接电网电压的第一和第二电网连接端；第一整流器，其整流输入端与电网连接端耦合，并且在其整流输出端上能够提供整流后的电网电压；电子泵浦开关，该电子泵浦开关与整流输出端耦合，由此限定了泵浦节点；主储能器，该主储能器与电子泵浦开关的远离整流输出端的侧耦合；逆变器，该逆变器与主储能器耦合用于从主储能器供给能量，其中逆变器被设计为在其逆变器输出端上提供具有逆变器频率的逆变器电压；泵浦网络，逆变器输出端通过该泵浦网络与泵浦节点耦合；匹配网络，逆变器输出端通过该匹配网络与用于所述至少一个LED的连接端子耦合，其中匹配网络具有带有固有频率的谐振电路。
此外，该任务通过一种用于在电路装置上驱动至少一个LED的驱动方法来解决，该电路装置具有：用于连接电网电压的第一和第二电网连接端；第一整流器，其整流输入端与电网连接端耦合，而在其整流输出端上提供整流后的电网电压；电子泵浦开关，其与整流输出端耦合，由此限定泵浦节点；主储能器，其与电子泵浦开关的、远离整流输出端的侧耦合；逆变器，其与主储能器耦合用于从该主储能器供给能量，其中该逆变器在其逆变器输出端上提供具有逆变器频率的逆变器电压；泵浦网络，逆变器输出端通过该泵浦网络与泵浦节点耦合；以及匹配网络，逆变器输出端通过该匹配网络与用于所述至少一个LED的连接端子耦合，其中该匹配网络具有带有固有频率的谐振电路。
本发明基于以下知识：上述任务可以通过包括逆变器的电路装置来解决，该逆变器通过具有谐振电路的匹配网络来驱动所述至少一个LED，其中逆变器通过泵浦电路在功率因数和电网电流谐波方面被进行校正。
如果直接从第一整流器对主储能器充电，则会形成充电电流峰值，该充电电流峰值会导致违反有关规定例如IEC 1000-3-2。
电荷泵的拓扑包含有：整流器通过电子泵浦开关与主储能器耦合。由此，在整流器与电子泵浦开关之间形成泵浦节点。泵浦节点通过泵浦网络与逆变器输出端耦合。泵浦网络可以包含能同时分配给匹配网络的部件。电荷泵的原理在于，在逆变器频率的半周期中通过泵浦节点获取电网电压的能量并且缓存在泵浦网络中。在逆变器频率的接下来的半周期中，被缓存的能量通过电子泵浦开关输送给主储能器。
因此以逆变器频率的节拍从电网电压中获取能量。可以通过滤波电路抑制电网电流在逆变器频率附近或者在该频率之上的谱分量。由此，电荷泵可以设计为使得电网电流的谐波低到遵守上述规定。
一个优选的实施形式的特色在于，其包括第二整流器，特别是全桥整流器，该第二整流器耦合在匹配网络与用于所述至少一个LED的连接端子之间。通过这些措施，保证了所有由匹配网络提供的能量以使得该能量可以由LED转换成光的形式(即电流方向)提供给所述至少一个LED。因此，该措施导致根据本发明的电路装置的高效率。
优选地，电路装置此外还包括至少一个耦合电容器，并且匹配网络包括LC串联谐振电路，其中第二整流器的整流输入端一方面与LC串联谐振电路的高点耦合而另一方面与所述至少一个耦合电容器耦合。与LC串联谐振电路的电感器串联的至少一个耦合电容器防止了直流电流通过该电感器，并且由此防止了其磁饱和以及防止降低其作为限流元件的效率。相对于在逆变器上的电压，在第二整流器的输入端上的电压振幅(Spannungshub)决定了对电网电流谐波校正的质量。
优选地，在匹配网络与用于所述至少一个LED的连接端子之间耦合有变压器。由此，能够以简单的方式和方法实现电路装置与所述至少一个LED之间的电势隔离。
在此特别优选的是，变压器的初级侧与匹配网络耦合而变压器的次级侧与用于所述至少一个LED的连接端子耦合，其中在变压器的次级侧与用于所述至少一个LED的连接端子之间耦合有第二整流器，尤其是耦合有全桥整流器。
在使用第二整流器的情况下，优选的是与整流输出端和用于所述至少一个LED的连接端子串联地设置有电感器。通过这样的措施降低了输送给所述至少一个LED的电流的波动(ripple)。
根据本发明的电路装置的一个优选的改进方案此外还包括调节器，在该调节器的调节器输出端上可以提供调节信号，其中调节器输出端与逆变器耦合，使得调节信号影响逆变器频率。优选地，在此调节器输入端与用于测量与通过所述至少一个LED的电流成比例的量的装置耦合。由此，在考虑到负载(即所使用的LED的数目、电网电压和整个电路的部件公差)的情况下，可以以特别有利的方式将LED电流调节到可预先给定的值上。
本发明的另外的优点从从属权利要求中得到。
参考根据本发明的电路装置所提及的优选的实施形式及其优点相应地适于根据本发明的方法。
附图说明
在下面将参照所附的附图更详细地描述根据本发明的电路装置的实施例。其中：
图1示出了根据本发明的用于驱动至少一个LED的电路装置的框图。
图2示出了根据本发明的用于驱动至少一个LED的电路装置的实施例。
图3示出了从电网中获取的电流INetz以及通过在根据图2的电路装置中的LED的电流ILED的时间曲线。
具体实施方式
在图1中示出了根据本发明的用于驱动至少一个LED的电路装置的框图。来自电网电压源的电网电压可以在连接端子J上被输送给电路装置。电网电压首先被馈送到块FR中。一方面，该块包含用于对干扰进行滤波的已知装置，而另一方面，该块包含整流器，该整流器对通常是交流电压但也可以是直流电压的电网电压进行整流。通常，为此全波整流器被使用在桥式电路中。对于在电路装置中所实现的电荷泵的功能，重要的是整流器的特性，即整流器不允许任何意味着从电路装置到电网电源的能量流的电流。
整流后的电网电压被输送给电子泵浦开关UNI，其中在整流器FR和电子泵浦开关UNI之间的连接部位处形成泵浦节点N1。在最简单的情况下，电子泵浦开关UNI由泵浦二极管构成，该泵浦二极管仅仅允许从泵浦节点N1流向泵浦二极管的电流。然而也可能的是，任意电子开关譬如MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)用于电子泵浦开关UNI，该电子泵浦开关实现了泵浦二极管的功能。电子泵浦开关UNI允许其通过电流被馈送给主储能器STO。通常，主储能器STO实施为电解电容器。然而其他电容器类型也是可能的。原理上，关于电容器的双重储能形式也是可能的。在双重形式的情况下，主储能器STO实施为线圈。由于成本更低并且效率更好，电容器优选作为主储能器STO。
也存在具有多个所谓的泵浦支路的电荷泵的实施形式。在此，多个电子泵浦开关UNI并联。由此，形成多个泵浦节点N1。为了使泵浦节点相互去耦，分别在整流器与泵浦节点之间连接有二极管。
主储能器STO将其能量提供给逆变器INV。逆变器INV产生交变量，通常是输送给用MN和PN表示的块的交流电压。MN表示块的功能为匹配网络。关于该功能，块MN/PN可以通过另一整流器GR以及电感器L与至少一个LED相连。在此，整流器GR保证了仅在由LED可将电流转换成光的方向上为所述至少一个LED提供电流。也可以通过变压器实现的电感器L用于降低流经所述至少一个LED的电流ILED的波动。PN表示块的功能为泵浦网络。关于该功能，块MN/PN与泵浦节点N1相连。在图1中，泵浦节点N1与块MN/PN之间的连接线在两端都设置有箭头。由此要表明的是，能量交替地从泵浦节点N1流向块MN/PN以及向回流。匹配网络和泵浦网络的功能在块MN/PN中被组合，因为本发明的实施形式可能的是，其中单个部件不仅可以分配给一个功能而且也可以分配给另一功能。
为了调节所希望的工作参数，设置有调节器CONT，该调节器通过调节量来影响逆变器INV。由此，由逆变器发出的交变量的参数(例如工作频率和/或脉冲宽度)被改变，使得反作用于工作参数的改变。工作参数通过连接B1被输送给调节器CONT的输入端。工作参数是决定LED的运行的量，例如通过LED的电流ILED。所以在图1中，连接B1源自于LED的块。替代通过LED的电流ILED，在LED中所转换的功率例如也可以构成工作参数。这些量并非必须直接在LED上被检测，而是也可以从块MN/PN中获取。
在图2中示出了根据本发明的用于驱动至少一个LED的实施例。
在连接端J1和J2上可连接有电网电压。通过由两个电容器C1、C2和两个线圈L1、L2构成的滤波器将电网电压输送给由二极管D1、D2、D3、D4构成的全桥整流器。该全桥整流器在其相对于参考节点N0的正输出端上将整流后的电网电压提供给节点N21。节点N21同时是泵浦节点。在此，要注意的是，在整流器中使用的二极管D1至D4必须能够足够快速地切换，以便跟随整流器频率。如果情况并非如此，则可以在整流输出端与泵浦节点之间连接快速二极管。
实施为二极管D5的电子泵浦开关被从泵浦节点N21引向节点N22。在N22与N0之间连接有主储能器，该主储能器实施为电解电容器C6。电容器C6对在此实施为半桥的逆变器馈电。然而，也可以使用其他的变换器拓扑，譬如反向变换器或者全桥。
在图2中的实施例中所示的半桥包括两个半桥晶体管T1和T2的串联电路和两个耦合电容器C15和C16的串联电路。这两个串联电路与C6并联。半桥晶体管的连接节点N23和耦合电容器C15、C16的连接节点N24构成逆变器，在该逆变器上施加有具有逆变器频率的梯形逆变器电压。在节点N23与节点N25之间连接有电感器L3。电容器C8用作梯形电容器。通过电容器C7使能量分流用于供给集成电路IC1，下面对此还将更为详细地予以介绍。由于在逆变器工作时在节点N23上存在梯形的电压，所以在该时间期间通过电容器C7形成电流。在此，在二极管D17上的正半波被用于对电路IC1进行电流供给，而在二极管D18上的负半波被导向参考电势N0。节点N25通过第一谐振电容器C9与泵浦节点N21相连。在N21与N0之间连接有第二谐振电容器C5。C9和C5与电感线圈L3一同构成谐振电路。电感线圈L3与C9和C5一同起匹配网络的作用，该匹配网络将逆变器的输出阻抗变换成对驱动所述至少一个LED所需的阻抗。然而，通过将C9和C5与泵浦节点N21相连，L3、C9和C5的组合不仅作为谐振电路和匹配网络起作用，而且同时作为泵浦网络起作用。如果在N21上的电势低于瞬时电网电压，则泵浦网络L3、C9、C5从电网电压中获取能量。如果N21上的电势超过主储能器C6上的电压，则从电网电压中获取的能量被输送给C6。通过选择C9和C5的电容值的关系，可以调整网络L3、C9、C5作为泵浦网络的效果。C5的电容值被选择得越大，网络L3、C5、C9作为泵浦网路的效果就越低。另一泵浦作用基于连接在N23与N21之间的电容器C8。C8也不仅用作泵浦网络，而且如所提及的那样实现了梯形电容器的任务。梯形电容器通常作为用于在逆变器中的减轻开关的负荷的措施而被公开。
跟着匹配网络之后是第二全桥整流器，该全桥整流器由二极管D7、D8、D9和D10构成。这保证了仅一个方向的电流被输送给LED。在整流输出端与用于所述至少一个LED的连接端J3、J4之间设置有恒流电感线圈L2，恒流电感线圈负责减少输送给所述至少一个LED的电流ILED的波动。在根据本发明的电路装置与所述至少一个LED之间希望电势隔离的情况下，恒流电感线圈L2可以通过变压器来实现，其中第二整流器D7至D10于是设置在变压器的次级侧上。
除了所示的具有泵浦支路的变形方案之外，具有两个或者多个泵浦支路的实施例也是可能的，其中被泵浦的能量被分配给多个部件。由此，可以较低成本地设计部件的尺寸。由此也获得在设计被泵浦的能量与所述至少一个LED的工作参数的相关性时的自由度。
半桥晶体管T1、T2设计为MOSFET。其他的电子开关也可用于此。为了通过电阻R5和R6驱动晶体管T1和T2的栅极，在该实施例中设置有集成电路IC1。IC1在本实施例中是国际整流器公司(InternationalRectifier)的型号为IR2153的电路。从市场上也可获得该类型的替代的电路，例如STM公司的L6571。开关电路IR2153包含所谓的高压侧驱动器(High Side Treiber)，尽管该驱动器在参考电势N0上没有连接端，但借助该驱动器也可以驱动半桥晶体管T1。对此，需要二极管D6和电容器C4。IC1的工作电压供给通过IC1的连接端1来进行。在图2中，为此将连接端1与节点N26相连，该节点N26通过电阻R18耦合到节点N22。节点N26上的电压通过齐纳二极管D12保持在可预先给定的值，并且通过电容器C18提供给IC1。替代地，部件IC1例如可以通过电阻被以整流后的电网电压供电。
除用于半桥晶体管T1、T2的驱动电路之外，IC1还包括振荡器，该振荡器的振荡频率可以通过连接端2和3来调节。振荡器的振荡频率对应于逆变器频率。在连接端2与3之间连接有确定频率的电阻R12。在连接端3与N0之间连接有确定频率的电容器C12和双极型晶体管T3的发射极-集电极路径的串联电路。二极管D13与T3的发射极-集电极路径并联，由此能够对电容器C12充电和放电。通过T3的基极连接端与N0之间的电压，可以调节逆变器频率，并且由此形成对调节电路的调节量。T3的基极连接端与调节量节点N24相连。T3、IC1和其电路由此可以理解为调节器。
IC1的功能及其电路也可以通过任意的电压控制或者电流控制的振荡器来实现，该振荡器通过驱动电路实现对半桥晶体管的驱动。
在该实施例中的调节电路检测作为调节量的通过LED的电流ILED。对此，与电流ILED成比例的量通过电容器C17和二极管D14及D15输送给低阻值的测量电阻R7。R7上的电压降由此是通过所述至少一个LED的电流的尺度。通过由电阻R8和电容器C19构成的、用于形成平均值的低通滤波器，电压降到达非反相的测量放大器的输入端。测量放大器以已知的方式通过运算放大器AMP和电阻R9、R10和R11来实现。在该实施例中，测量放大器的放大设置为大约10。对于R7上的电压降具有可以直接用作调节量的值的情况，测量放大器可以被去掉，或者被阻抗变换器譬如射极跟随器替代。
测量放大器的输出端与节点N27相连。由此，闭合了用于调节通过LED的电流的调节电路。通过提高振荡器频率，由于感性的负载电路而实现了减小流经所述至少一个LED的电流ILED。
图3以示意性布置示出了电网电流INetz的时间曲线以及通过在根据图2的电路装置中的所述至少一个LED的电流ILED的时间曲线。图3中还可看到的流经所述至少一个LED的电流ILED的调制(在此是与高频的信号叠加的100Hz调制，)可以通过优化上述调节来进一步降低，而高频波动可以通过增大恒流电感线圈L2来减小。

Claims (11)

1.一种用于驱动至少一个LED的电路装置，包括：
-用于连接电网电压的第一和第二电网连接端；
-第一整流器(FR)，其整流输入端与电网连接端耦合，并且在其整流输出端上能够提供整流后的电网电压；
-电子泵浦开关(UNI)，该电子泵浦开关与整流输出端耦合，由此限定了泵浦节点(N1)；
-主储能器(STO)，该主储能器与电子泵浦开关(UNI)的远离整流输出端的侧耦合；
-逆变器(INV)，该逆变器与主储能器(STO)耦合用于从主储能器供给能量，其中逆变器(INV)被设计为在其逆变器输出端上提供具有逆变器频率的逆变器电压；
-泵浦网络(PN)，逆变器输出端通过该泵浦网络与泵浦节点(N1)耦合；
-匹配网络(MN)，逆变器输出端通过该匹配网络与用于所述至少一个LED的连接端子耦合，其中匹配网络(MN)具有带有固有频率的谐振电路。
2.根据权利要求1所述的电路装置，其特征在于，该电路装置还包括：第二整流器(GR)，该第二整流器耦合在匹配网络(L3，C9)与用于所述至少一个LED的连接端子之间。
3.根据权利要求2所述的电路装置，其特征在于，该电路装置还具有至少一个耦合电容器，并且匹配网络(MN)包括LC串联谐振电路(L3，C9)，其中第二整流器的整流输入端一方面与LC串联谐振电路的高点耦合，而另一方面与所述至少一个耦合电容器耦合。
4.根据权利要求1所述的电路装置，其特征在于，在匹配网络与用于所述至少一个LED的连接端子之间耦合有变压器。
5.根据权利要求4所述的电路装置，其特征在于，变压器的初级侧与匹配网络耦合，而变压器的次级侧与用于所述至少一个LED的连接端子耦合，其中在变压器的次级侧与用于所述至少一个LED的连接端子之间耦合有第二整流器。
6.根据权利要求2、3或者5所述的电路装置，其特征在于，电感器(L2)与第二整流器的整流输出端和用于所述至少一个LED的连接端子串联设置。
7.根据权利要求1所述的电路装置，其特征在于，该电路装置还包括：调节器(CONT)，在其调节器输出端上能够提供调节信号，其中该调节器输出端与逆变器(INV)耦合，使得调节信号影响逆变器频率。
8.根据权利要求7所述的电路装置，其特征在于，调节器输入端与用于测量与通过所述至少一个LED的电流成比例的量的装置(B1)耦合。
9.根据权利要求1所述的电路装置，其特征在于，该电路装置被设计用于驱动在该电路装置的输出端子之间串联的多个LED。
10.根据权利要求2或5所述的电路装置，其特征在于，所述第二整流器是全桥整流器。
11.一种用于在电路装置上驱动至少一个LED的驱动方法，该电路装置具有：用于连接电网电压的第一和第二电网连接端；第一整流器(FR)，其整流输入端与电网连接端耦合，而在其整流输出端上提供整流后的电网电压；电子泵浦开关(UNI)，其与整流输出端耦合，由此限定泵浦节点(N1)；主储能器(STO)，其与电子泵浦开关(UNI)的、远离整流输出端的侧耦合；逆变器(INV)，其与主储能器(STO)耦合用于从该主储能器(STO)供给能量，其中该逆变器(INV)在其逆变器输出端上提供具有逆变器频率的逆变器电压；泵浦网络(PN)，逆变器输出端通过该泵浦网络与泵浦节点(N1)耦合；以及匹配网络(MN)，逆变器输出端通过该匹配网络与用于所述至少一个LED的连接端子耦合，其中该匹配网络(MN)具有带有固有频率的谐振电路。
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