CN101379887A - 控制提供到电子器件的电流的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种驱动和控制装置，该驱动和控制装置提供期望的开关的电流到包括一个或者多个电子器件的串的负载。电压转换装置，基于输入控制信号将来自电源的电压的幅度转换为在该负载的高端处期望的另一个幅度。调光控制装置提供用于该负载的激活和去激活的控制，并且还可以提供用于限制电流的装置。反馈装置耦合到电压转换装置和电流感测装置，并且提供指示在该电流感测装置两端的电压降的控制信号到电压转换装置，该电压降表示流经该负载的电流。基于所接收的控制信号，电压转换装置可以随后调整它的输出电压使得给负载提供恒定的开关的电流。

Description

控制提供到电子器件的电流的方法和装置
技术领域
本发明涉及电子器件控制领域，尤其涉及用于电子器件的开关驱动电流控制的方法和装置。
背景技术
在半导体发光二极管(LED)和有机发光二极管(OLED)研制中的新进展已经使得这些器件适合于在例如包括建筑、娱乐、和道路照明的普通照明应用中使用。同样地，这些器件正日益变得可与白炽灯、荧光灯和高强度气体放电灯相竞争。
在工作条件下由LED发射的光量直接依赖于流经该器件的电流。由于器件特性上的差异，甚至当LED是相同的类型时，在一定的工作条件下相同的器件电流可能导致可觉察的不同的光通量输出。当串联连接的LED的驱动电流减小到一定限度之下时，一些LED可能在其他的LED停止发光之前完全停止发光，这可能产生不想要的工作模式。这样的效果主要是在不同的LED两端的正向电压特性波动的结果。在LED两端的可容忍的光通量输出变化的限度通常依赖于照明应用的类型。当照明应用要求多于一个LED时，LED特性通常应该紧密匹配以能够保持驱动电路设计尽可能地简单。已经提出了几个能够有效地控制LED驱动电流的驱动电路设计。大多数设计属于线性恒定电流驱动电路的范畴，这些电路能够维持经过串联连接的LED的均匀的驱动电流。然而，许多线性恒定电流驱动电路招致高功率损耗，并且要求特殊的功率电子器件和细心而连续不断的热管理。如果想要大范围的包括小比例(lowfractional)的额定光输出的工作条件，则大部分直流或者开关电流驱动电路要求复杂的反馈控制系统以实现准确和可靠的光通量输出控制。
其他的有效地控制LED的解决方案要求产生调节的公共电压源的降升电压调节器、设置LED驱动电流的低侧(low-side)镇流电阻器、和用于电流监测的分流电阻器(shunt resistor)。例如，专利号6,362,578的美国专利公开了如何使用用于电流控制的偏压电阻器和具有反馈回路的电压转换器来维持在LED阵列两端的恒定电压。附加的晶体管连接在LED的低侧并且使用用于光通量输出控制的脉宽调制(PWM)开关。由于偏压电阻器这种驱动电路具有高功率损耗，并且该偏压电阻器可能要求昂贵的校准来提供准确的电流控制。此外，专利号4,001,667的美国专利公开了一种闭环电路，该闭环电路提供一系列恒定电流脉冲到发光二极管用于光通量输出控制。然而，这种闭环电路不能实现全范围的电流脉冲占空因数控制。
专利号6,586,890的美国专利公开了一种使用电流反馈系统来调整到LED的功率的方法，其中低频PWM控制信号驱动电源。然而，该方法使用20Hz到20kHz的PWM开关频率，该开关频率产生听得见的噪声，并且可能通过热循环LED晶片(die)而对LED产生不利的影响LED，结果减少器件的可靠性和使用寿命。
专利号6,734,639的美国专利公开了一种利用和定制的采样和保持驱动电路结合的电压转换器来限制LED阵列的开关驱动电路的过载的驱动电流瞬态的方法。LED驱动信号被连接到用于反复地接通和断开该电压转换器的加偏压的开关信号以便同时开关负载和电源。然而，该方法只能应用到反激式(fly back)和推拉式的电压转换器，而且不能直接控制LED驱动电流。这种方法没有显著地减少驱动电路功率损耗或者提高总系统效率。此外，这种方法通常只在高至400Hz量级的驱动频率的期望参数之内工作，并且不允许高频率开关。结果，根据这种方法的驱动电路能产生不想要的听得见的噪声并且可以在连接的LED阵列上施加过度的热压力。
此外，美国专利申请号为2004/0036418公开了一种用于驱动LED阵列的方法，其中使用转换器来改变经过LED的电流。使用电流开关来提供反馈。这种方法结合了标准降压式变换器设计的必要元件，然而，它不能控制要求不同的正向电压的并联LED串。这种方法公开了如何使用高侧(high-side)晶体管开关作为可变电阻器来限制每个LED串的电流，然而，高侧晶体管开关可能引起大的功率损耗并且减小驱动电路的总效率。
Power Integrations Inc.提供了能够有效地并且高效率地控制LED的模拟集成电路。Power Integrations已经公开了一种被称为eDI-92的功率变换技术，该功率变换技术只要求最小数目的元器件并且被特别设计用于低能量消耗照明应用，例如应急出口或者夜光标记(night light sign)。然而，这种解决方案并不提供为调光(dimming)、负载的开关能力、或者用于控制例如在电压转换器被开关的情况下的峰值负载电流的装置。
此外，austramicroystems AG提供了一种高性能的模拟集成电路AS3691，AS3691能够被用来控制一个LED和四个LED之间，在单个LED配置中驱动电流高至大约1.6A，在4个LED配置中对于每个LED驱动电流高至大约400mA。该AS3691提供了非常具体的电压转换器反馈电路设计，其能够限制电压转换器的输出电压。然而，这种转换器控制芯片确实提供了用于维持LED串的电压调整的装置，具有用于调光的数字开关的可能性。这种芯片在所有的占空比期间使用内部电流限制以保证峰值负载电流从不超过期望的设定点。这种方法将导致更低的总系统效率。在比几百个赫兹更高的开关频率时这种无效率可能更严重，因为在断开期间没有提供任何东西用于保持该电压设定点，并且因此该内部电流限制电路将需要在大多数占空比期间为能起作用的。此外，这种控制芯片不允许用宽范围的正向电压有效驱动LED，而是通常要求通过外部电阻器来调节每个LED或者LED串。
此外，图1示出了可能流经电路中的负载的相对电流的表示，在该电路中电压转换器被开关。电流的上升时间111和下降时间112直接与速度有关，开关电压转换器能够以该速度改变施加到负载的电流。例如，当该过程用于LED的激活时，在过渡周期期间(例如上升和下降时间)，LED的光输出可能不处于期望的水平，并且因此可能导致光输出的改变，该改变在例如低占空比期间可能是很明显的。
因此，需要克服现有技术中所指出的问题的有效控制的装置和方法以及发光元件驱动电流电子电路设计。
提供该背景信息来揭示本申请人所认为的和本发明可能相关的信息。既没有必意指、也不应该被解释为前述信息中的任意一项构成相对于本发明的现有技术。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于控制提供到电子器件的电流的方法和装置。根据本发明的一个方面，提供有用于控制提供到一个或者多个电子器件的串的电流的驱动和控制装置，该装置包括：电压转换器，其被配置为接收来自电源的第一幅度的电压，该电压转换器被配置为响应于控制信号将该第一幅度电压转换为第二幅度电压；调光控制装置，其被配置为接收第二幅度电压和调光控制信号，该调光控制装置被配置为基于该调光控制信号控制该第二幅度电压到该串的传输，该调光控制装置被配置用于多模式操作，其中该调光控制信号指示调光控制装置的操作的期望模式；电流感测装置，其和该串串联，并且被配置为产生指示流经该串的电流的反馈信号；和反馈装置，其电耦合到电压转换器和电流感测装置，该反馈装置被配置为接收反馈信号并且基于该反馈信号产生控制信号，该反馈装置还被配置为提供控制信号到电压转换器。
根据本发明的另一个方面，提供用于控制提供到一个或者多个电子器件的串的电流的方法，该方法包括步骤：采样流经该串的电流；响应于指示采样的电流的反馈信号，自适应地将电压从第一幅度电压转换为第二幅度电压；基于调光控制信号控制第二幅度电压到该串的提供，其中该控制基于该调光控制信号自适应地改变。
附图说明
图1示出了负载的驱动电流的时间相关性的表示，其中和在现有技术中一样在电压转换器执行开关。
图2示出了具有根据本发明的一个实施例的驱动和控制装置的照明系统。
图3示出了用于根据本发明的一个实施例的具有调光控制电路的照明系统的驱动电流的时间相关性的表示。
图4A示出了根据本发明的一个实施例的、具有采样和保持反馈电路和简单的接通/断开开关的负载的组合的驱动和控制装置的典型的驱动电流与时间的相关性。
图4B示出了根据本发明的一个实施例的、具有采样和保持反馈电路和电阻开关的负载的组合的驱动和控制装置的典型的驱动电流与时间的相关性。
图5示出具有根据本发明的另一个实施例的驱动和控制装置的照明系统。
图6示出包括单个电源和多个发光元件串的照明系统，每个串包括根据本发明的一个实施例的驱动和控制装置。
图7示出具有根据本发明的一个实施例的驱动和控制装置的照明系统。
图8示出具有根据在图7中示出的实施例的驱动和控制装置的照明系统。
图9为根据本发明的一个实施例配置的蓝色通道发光元件驱动器的电路图。
图10为根据本发明的一个实施例配置的第一绿色通道发光元件驱动器的电路图。
图11为根据本发明的一个实施例配置的第二绿色通道发光元件驱动器的电路图。
图12为根据本发明的一个实施例配置的红色通道发光元件驱动器的电路图。
图13示出具有根据本发明的一个实施例的驱动和控制装置的照明系统。
图14示出具有根据在图13中示出的实施例的驱动和控制装置的照明系统。
图15示出具有根据在图13中示出的实施例的驱动和控制装置的另一个照明系统。
图16示出具有根据本发明的一个实施例的驱动和控制装置的照明系统。
图17示出具有根据在图16中示出的实施例的驱动和控制装置的照明系统。
图18示出具有根据图16的实施例的驱动和控制装置的照明系统，其中调光控制装置定位于一个或者多个发光元件串的高侧。
图19示出根据本发明的一个实施例的驱动和控制装置的照明系统。
图20示出电压转换器的设置示意图，该电压转换器可以配置为集成到具有根据图19的驱动和控制装置的照明系统中。
图21示出具有根据本发明的另一个实施例的驱动和控制装置的照明系统。
具体实施方式
定义
术语“电源”被用来定义包括输入和输出的系统，该系统用于转换在输入处提供的电(electricity)的第一形式、调节(conditioning)电的第一形式为电的第二形式、并且在输出处提供电的第二形式。电源能够在输入处接受预定范围的电形式，并且可以在输出处将电调节成并提供预定范围的电形式。
术语“电压转换器”被用来定义包括输入和输出的系统，该系统能够将第一幅度的输入电压转换为第二幅度的输出电压，其中该第一幅度和第二幅度可以相同或者不同。
术语“电子器件”被用来定义任何其工作水平依赖于被供应的电的形式的装置。电子器件的例子包括发光元件、伺服马达、和要求如本领域技术人员将容易理解的那样的被供应的电的形式的调节的其他器件。
术语“发光元件”被用来定义这样的器件：当例如通过在它两端施加电势差或者电流通过它而被激活时，在任何区域或者电磁光谱区域(例如可见区域、红外和/或紫外区域)的组合区域发射辐射。因此，发光元件可以具有单色的、准单色的、多色的或者宽带的频谱发射特性。发光元件的例子包括半导体的、有机的、或者聚合体/聚合物发光二极管、蓝色或者UV泵浦的磷光体涂层(pumped phosphor coated)发光二极管、光泵浦的纳米晶(optically pumped nanocrystal)发光二极管或者其他的如本领域技术人员所容易理解的类似的器件。此外，术语发光元件被用来定义发射辐射的具体器件，例如LED晶片，也可以相同地被用来定义发射辐射的具体器件和外壳或者封装的组合，该(多个)具体器件放置在该外壳或者封装之内。
术语“串”被用来定义串联或者并联或者串联-并联组合连接的多个电子器件。例如，电子器件串可以指多于一个的相同或者不同的电子器件，如本领域技术人员将容易理解的，通过在整个串的两端施加电压可以同时激活所有这些电子器件，由此使得它们全部用相同的电流驱动。并联串可以指例如M行的N个电子器件，每行被并联连接使得可以通过在整个串两端施加电压来同时激活全部的N×M个电子器件，使得全部的N×M个电子器件用输送到整个串的总电流的～1/M被驱动。
术语“负载”被用来定义被供电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“占空比”和“占空系数”，当与数字开关例如具有时间周期的脉冲宽度调整(PWM)有关联时，它们可互换地被用来定义接通时间相对于时间周期的比率。
如在本文中所使用的，术语“大约”指从额定值+/-10％的变化。应当理解，无论是否被特意地指出，在本文中提供的任何给定的值中，通常包含这样的变化。
除非另外被定义，在本文中使用的所有的技术和科技术语具有和由本发明所属的领域的普通技术人员所通常理解的意义相同的意义。
本发明提供和电子器件一起使用的驱动和控制装置和方法，其中期望在该电子器件中流经恒定的电流，此外提供可以要求用于操作的控制信号的电子器件。例如，根据本发明的方法和装置可以被用来提供开关恒定电流源到一个或者多个发光元件，所述发光元件使用脉冲宽度调制(PWM)信号、脉冲编码调制(PCM)信号、或者在本领域内已知的其它数字控制方法来控制。本发明还提供用于提供开关恒定电流源到具有不同的正向电压的多个电子器件的方法和装置。例如，当由单个电源为一个或者多个发光元件的多个串供电时，本发明可以在发光元件的每个串的高侧提供特定的电压以及流经每个串的开关的恒定电流。
根据本发明的驱动和控制装置提供期望的开关电流到包括一个或者多个电子器件的串的负载，并且包括一个或者多个电压转换装置、一个或者多个调光控制装置、一个或者多个反馈装置和一个或者多个感测装置。电压转换装置基于输入控制信号将来自电源的电压的幅度转换为在负载的高侧所期望的另一个幅度。调光控制装置提供用于激活或者去激活负载的控制并且还可以提供用于电流限制的装置。反馈装置耦合到电压转换装置和电流感测装置，并且提供控制信号到电压转换装置，该控制信号表示在电流感测装置的两端的电压降，该电压降表示流经负载的电流。电流感测装置可以包括具有可预测的电压-电流关系的元件，并且由此可以基于收集的电压信号提供流经负载的电流的测量。基于所接收的控制信号，电压转换装置随后可以调整它的输出电压以便提供恒定的开关电流到负载。
图2示出了包括根据本发明的一个实施例的驱动和控制装置的照明系统。电源11连接到电压转换器12，电压转换器12在一个或多个发光元件的串15的高端(high-end)节点1000处提供适当的电压。电压转换器12可以以高频被内部地或外部地开关，以便将其输入电压改变为在一个或多个发光元件的串15的高端节点1000处的不同的输出电压。在一个实施例中，开关频率可以改变，例如如容易被理解的在大约60kHz至300kHz之间或其它适当的频率范围。在另一个实施例中，开关频率可以是固定的，例如在大约260kHz或300kHz。发光元件的调光由调光控制信号140来提供，其可以是脉宽调制(PWM)、脉冲码调制(PCM)或其它信号，其被提供到调光控制装置180，该调光控制装置180提供用于激活/去激活一个或多个发光元件的串15的装置。该调光控制装置包括用于接收表示占空比的调光控制信号140的运算放大器17，并且提供控制信号到开关装置900，开关装置900被配置与所述一个或多个发光元件的串15串联。电流感测装置910被集成到所述驱动和控制装置中且提供用于确定例如在节点1020处的流经发光元件的电流。另外，采样和保持装置190被集成到所述驱动和控制装置中，且可以提供用于提供电流反馈信号5000到电压转换器的装置，用于控制流经所述一个或多个发光元件的串15的电流。
在图2中示出的实施例中，电流控制可以以两种不同的方式进行，所述方式可以依赖于占空比。在高占空比期间，可以经由采样和保持装置190控制电压转换器的电压输出以供给预定的峰值电流到发光元件，其中开关装置900可以象接通/关闭开关一样运作。在低占空比时，由于采样和保持装置190的固有特性和电压转换器对于负载电流的快速变化的速度，峰值电流可能变得不稳定。参考图4A可以看到这种不稳定，图4A表示在由只具有发光元件的接通/断开开关的电路所控制的照明元件的峰值电流。在前一周期的断开时间期间，电压转换器12的输出可能已经上升的太高，这可能在由开关装置900激活发光元件的第一时刻导致产生经过发光元件的电流尖峰。采样和保持反馈电流和电压转换器最后使峰值电流处于控制中，然而在低占空比可能没有足够的时间来这样做，并且因此低占空比脉冲比更高的占空比脉冲可能具有更高的峰值电流。
因此，根据本发明，不是单独地依赖采样和保持装置来限制峰值电流，可以配置调光控制装置180来限制电流到可选择的预定水平，该预定水平例如可以是比由采样和保持装置设置的水平稍高一些的预定峰值电流。在图4B中描绘了这种配置，图4B示出电流过冲(overshoot)现在通过第二电流限制装置来限制。例如，可以将调光控制信号140的高或者接通水平设置为和这个预定的第二峰值电流水平成比例，并且因此调光控制信号将在这个比例水平和接地之间交替，而不是逻辑水平开关。这样，响应于由运算放大器(op amp)17所检测的反馈信号，在每个切换周期的开始时开关装置900只部分地接通一小段时间以便限制电流过冲，但是对于该周期的剩余时间，当采样和保持装置处于控制状态时，开关装置900被完全接通由此最小化开关损耗。由于运算放大器17和采样和保持装置190使用来自电流感测装置910的相同的反馈信号，所以在两个峰值电流水平之间将存在基本上是平滑过渡。当采样和保持装置和电压转换器开始控制电流时，运算放大器将更努力地接通开关装置，直到它完全接通并且不再是流经电子器件的电流的限制因素。
在本发明的一个实施例中，定义在高占空比和低占空比之间的转换的预定阈值在大约5％和30％之间。在另一个实施例中，该预定的阈值在大约10％和20％之间。在另一个实施例中，预定的阈值为10％。
在一个实施例中，本发明也可以减少切换瞬态并且提高对于发光元件的操作性控制的响应时间，因为开关负载(一个或者多个电子器件)要求仅仅单个开关装置的开关，这与使能(enable)或者禁止(disable)要求开关多个元器件的电压转换器不同。例如，图1示出当以低的频率使能或者禁止电压转换器时可能流经负载的相对电流的表示。图3示出当使用根据本发明的实施例的驱动和控制装置时可能流经一个或者多个电子器件的相对电流的表示，其中负载被开关。很明显，在图3中示出的信号的上升时间113和下降时间114可以显著地小于在图1中示出的现有技术信号的上升时间111和下降时间112。电子器件由此可以以高的频率数字地开关同时对于大部分占空比实质上最小化开关损耗，而不是如在现有技术中执行的以低的频率开关电压转换器。此外，根据本发明的驱动和控制装置可以改善在低占空比期间的电子器件操作，因为接通和断开电压转换器的现有技术的方法在较高的频率将不允许低占空比，而本发明允许。
此外，根据本发明的驱动和控制装置可以提供基本上全占空比控制同时保证在整个范围上相对恒定的电流。如前面所讨论的，图4A示出对于单独具有采样和保持电路的电路的与占空比相对的电流输出，而图4B示出可以由根据本发明的实施例的驱动和控制装置所提供的与占空比相对的电流输出，其中提供了两种水平的电流控制。例如，保持流经发光元件的接通电流恒定，可以使得获得基本一致的和可预测的发光元件的光通量输出，并且也可以减少损坏发光元件的使用寿命的风险，该风险可能源于超过它们的最大电流额定值(rating)。例如，最新的(state-of-the-art)高通量的1瓦特LED封装具有平均和瞬时电流的最大额定值分别为大约350mA和500mA。由于使用本发明的驱动和控制装置可以精密地控制电流，所以可以以基本上它们的最大的平均电流额定值操作发光元件而具有减小的或者限制的超过它们的最大瞬时电流额定值的风险。
图5示出根据本发明的一个实施例的驱动和控制装置，其中提供有采样和保持装置19的电路的一个实施例。电流感测器件16被配置为具有预定的电压与电流关系的电阻器，由此提供用于通过检测在节点102处的电压来确定流经一个或者多个发光元件的串15的装置。此外，和调光控制装置相关联的开关装置13被配置为响应于来自运算放大器17的信号的晶体管，该运算放大器17基于接收的调光控制信号140提供信号。
在一个实施例中，如在图6中所示，可以使用单个电源21驱动一个或者多个发光元件的多个串。发光元件的每个串241、242和243可以具有它自己的电压转换器221、222到223。当一个或者多个发光元件的每个串具有不同的总的正向电压时这种配置可能是有益的。由此合适地调整每个电压转换器以提供由相应的一个或者多个发光元件的串241、242或者243所要求的正向电压。在相应的运算放大器251、252和253处接收控制信号231、232和233，所述运算放大器251、252和253形成与一个或者多个发光元件的每个串相关联的各个相应的调光控制装置的一部分。表示流经一个或者多个发光元件的串241、242和243的每一个的电流的反馈信号可以经由相应的采样和保持电路291、292和293被发送回相应的电压转换器221、222和223，相应的采样和保持电路291、292和293直接从它们相应的运算放大器251、252和253接收信号。为一个或者多个发光元件的每个串提供独自的电压转换器的优势是一个或者多个发光元件的每个串可以近似以它的独自的最大电流额定值操作。此外，具有不同的电压转换器和用于数字地开关每个串的电压的装置可以允许一个或者多个发光元件的每个串在从发光元件的0％到100％的光通量输出的基本全范围上被调光。
电压转换装置
电压转换装置提供用于基于输入信号将从电源接收的电压从第一幅度转换为第二幅度的电压的装置。将容易理解的是，第一和第二幅度可以是相同或者不同的，并且可以依赖于在一个或者多个电子器件的一个或者多个串上的要求的电压降。
在一个实施例中，电源可以被用来例如将AC功率转换为DC功率，并且电压转换装置可以是DC-DC转换器。DC-DC转换器可以是步降开关式电源(SMPS)，例如诸如降压式转换器。降压式转换器或者其他转换器可以和诸如二极管、电容器、电感器和反馈元器件之类的标准外部元器件一起使用。降压式转换器可以提供在标准集成电路(IC)封装中，并且和另外的外部元器件一起可以以大约90％或者更高的效率执行DC-DC转换。可以替代降压式转换器使用的其他转换器的例子包括升压式转换器、降压-升压式转换器、Cuk转换器和反激式转换器。
电压转换器可以以高频率工作以产生一个或者多个电子器件(例如发光元件)的串要求的特定的电压，该特定的电压可以是具有限制的谐波内容(harmonic content)的稳定的输出电压。通过以高频率操作电压转换器，可以实现在输出电压信号中的高效率和低的电压波动(ripple)。此外，以高频率开关可以允许所述一个或者多个电子器件以足够高到在听得见的频率范围之外的频率被开关，并且也可以有助于减少电子器件的热循环。这优于通常以低频率(例如通常低于大约1kHz，该低频率位于人类的通常可听见范围内)执行的电压转换器的接通和断开的切换。
在一个实施例中，其中一个或者多个电子器件(例如发光元件)的多个串在串的高端要求相同的电源，这些发光元件串可以使它们的高端连接到单个电压转换器。例如，对于基于RGB的光源(luminaire)，电压转换器可以和一个或者多个一种颜色的发光元件的所有串相关联，并且因此这个例子光源将要求3个电压转换器。此外，发光元件的串可以并联、串联或者并联/串联配置。
调光控制装置
调光控制装置提供用于控制和它关联的所述一个或者多个电子器件的激活的装置。调光控制装置被配置来控制所述在一个或者多个电子器件的两端的相对稳定的电流水平的供应，其中这种控制不依赖于占空比。
在一个实施例中，通常通过以一定速率接通和断开器件来完成发光元件的调光，以该速率人眼基于占空比感知光输出为平均光水平而不是一系列光脉冲。因此，不管占空比，假定峰值电流保持恒定，占空比和光强之间的关系在整个调光范围上可以是线性的。再参考图2，可以使用经由运算放大器17输入并且随后传送到开关装置900的调光控制信号140提供调光，开关装置900使能和它关联的一个或者多个发光元件的串15的激活和去激活。
在一个实施例中，开关装置可以是半导体开关，例如场效应晶体管(FET)开关、双极结晶体管(BJT)开关或者如本领域技术人员容易理解的任何其他开关器件。通常可以以比电压转换装置的切换频率低的频率开关负载，以便在所述一个或者多个电子器件被接通的时间段上平均电源输出的波动。以相对高频率来开关电子器件可以允许它们以在听得见的范围之外的频率被开关。此外，以相对高的频率开关负载能够减少在电子器件上的热循环的效应，因为它们在随后被断开前在小比例的时间被接通。
在一个实施例中，例如在低占空比期间，当反馈信号变得太小而不能充分地控制电压转换装置时，调光控制装置包括用于限制电流的装置，该装置通过在线性区域中激活该开关装置来限制电流，只允许一定数量的电流流过。
在低占空比期间，再参考图2，在给定的电压水平可以开关调光控制信号140，以提供参考电压到运算放大器17。在接通阶段期间，运算放大器17可以在节点1020处基本维持如由信号140所定义的电压相同的电压。在节点1020处的电压直接和流经电流感测装置910的电流相关。如果采样和保持装置190正维持由调光控制信号140设置的电流稍微低，则运算放大器17将驱动开关装置900到全接通状态。如果采样和保持装置190不再能够保持电流处于期望的水平，则运算放大器17将在线性区域中操作开关装置900，由此限制经过一个或者多个发光元件的串的电流到由调光控制信号140设置的值。
感测装置
感测装置被配置来提供流经一个或者多个电子器件的电流的反馈用于传输到电压转换装置。以这样的方式在电子器件的激活时段期间可以维持相对恒定的电流水平经过一个或者多个电子器件。
在如图5中示出的一个实施例中，电流感测器件16被配置作为固定电阻器，其中该电阻器具有预定的电流与电压关系，由此使得能够检测在节点102处的电压，并且由此建立流经一个或者多个发光元件的串15的电流。当一个或者多个发光元件的串15被接通时，在节点102处由电流感测器件16产生的感测电压经由采样和保持电路19被反馈到电压转换器12。在一个可选的实施例中，可以用可变电阻器、电感器、或者用于产生在节点102处的感测电压的一些其他元件替换电流感测器件16，在节点102处的感测电压表示在接通阶段期间流经发光元件的串15的电流。在一个实施例中，电流感测器件16是低值、高精度感测电阻器，该电阻器在宽的温度范围上是稳定的以保证准确的反馈。
反馈装置
驱动和控制装置还包括耦合到电压转换装置和电流感测装置的反馈装置，以便提供反馈信号到电压转换装置，该反馈信号指示在电流感测装置两端的电压降，该电压降表示流经一个或者多个电子器件的负载的电流。因此这提供了用于适当地控制由电压转换装置提供的到一个或者多个电子器件用于它的操作的电压的幅度的装置。
在如图5中所示的一个实施例中，在接通阶段使用采样和保持装置来维持流经正被驱动的电子器件的期望的电流水平。当接通时，流经电子器件的电流引起要被产生的信号510，该信号510经过采样和保持装置19作为信号500被反馈到电压转换器12。电压转换器12然后调整它的输出电压以提供恒定的电流到所述一个或者多个发光元件的串15。当所述一个或者多个发光元件的串15被断开时，采样和保持装置19维持反馈信号500直到所述一个或者多个发光元件的串15再次被接通。当负载被开关回到接通时，输出电压将仍然位于和当负载被断开时相同的设定点，由此基本上消除在负载中的任何电流尖峰(spike)或者急降(dip)。如本领域练技术人员将容易理解的，采样和保持装置19可以包括各种类型的电路。
作为使用这种类型的采样和保持装置的结果，在低占空比期间在反馈信号中可能引入误差。在低占空比期间，当信号510仅仅由采样和保持装置在短的持续时间内接收时，采样和保持装置19没有被给予足够的时间来充电到要求的水平。这可能引起电流反馈信号500下降，并且响应于该下降电压转换器12将增加它的输出。经过一个或者多个发光元件的串15的电流然后在更高的占空比期间可能增加超过所维持的限度。当发光元件接通时间减少时这种误差可能增加，并且作为由于电压转换器而电压增加的结果电流可能进一步增加。如前所述，在低占空比期间，根据本发明的调光和控制装置可以被配置为基本上维持经过所述一个或者多个发光元件的串的期望的开关的电流。
图7示出能够完成期望的功能水平的驱动和控制装置的另一个实施例。尤其，不是施加如在图2中使用的调光信号140(其与期望的峰值电流水平成比例)，逻辑水平开关信号150形式的调光控制信号可以结合开关装置800和电阻器40使用。信号240是和期望的峰值电流成比例的固定电压参考。参考图8，图8是在图7中示出的特定实施例，使能或者禁止高速模拟开关44用于调光控制。当开关44被使能时，电阻器43和40起分压器的作用，其可以被设置到高于由电阻器41和42产生的电压参考的数值，电阻器41和42可以保证运算放大器(opamp)17断开开关装置13(例如FET开关)，其阻止电流流经所述一个或者多个发光元件的串15。当开关44被禁止时，该开关装置达到高阻抗状态，在运算放大器17的倒相输入处的信号103表示流经电流感测器件16的电流。对于大的占空比，电流反馈回路和电压转换器12可以维持在节点101处的电压水平，使得信号103将通常低于由电压参考240设置的最大期望电流水平。因此运算放大器17可以硬接通(hard ON)和硬断开(hard OFF)开关装置13。在图8中示出的实施例中，由于模拟开关44的配置，发光元件的接通和断开时段可以是逻辑水平开关信号150的补集(complement)。随着占空比下降到一定水平以下，例如大约10％，并且在节点101处的输出电压水平上升(这将导致峰值电流上升到期望的阈值以上)，然后运算放大器17可以减少它施加到开关装置13的栅极的电压水平，并且由此将以软方式开关开关装置，消耗一些功率来限制峰值电流。然而，在非常低的占空比，消耗的总平均功率可以仍然很小。可以要求运算放大器17以足够高的速度工作以便能够有效地防止电流尖峰或者经过所述一个或者多个发光元件的串的过度的电流峰化(excessive current peaking)。然而，使用高速运算放大器可以导致产生不期望的振铃(ringing)或者开关瞬态。本领域技术人员将理解，可以任选地添加电容器51和其他元器件50以消除例如振铃或者其他开关瞬态。其他的元器件可以是例如旁通(bypass)电容器和包括串联的电阻器和电容器的减振器(snubber)以提供该期望的功能。本领域技术人员将容易理解这些元器件的其他配置。
图9、10、11和12分别是蓝色通道发光元件驱动器、第一绿色通道发光元件驱动器、第二绿色通道发光元件驱动和红色通道发光元件驱动器的电路图，每个驱动器都根据本发明的实施例配置。这些电路图的操作将和关于图8所描述的基本上相同，而每个电路图被设计特别涉及发光元件的特定的颜色。
图13和14示出了本发明的可选实施例。例如，调光信号150可以被施加到驱动开关装置13的缓冲器60。在高占空比期间缓冲器用调光信号硬接通和硬断开开关装置。在较低占空比时，在节点101的电压水平可以变得高，并且如果电流感测信号高于设置的参考电压240，则运算放大器17可以对这种信号作出反应。在这个例子中，可以禁止缓冲器，由此切断开关装置。感测电压102可以基本上立即地下降，由此导致运算放大器重新使能缓冲器并且接通开关装置。倘若运算放大器、缓冲器和开关装置足够快，这种接通-断开循环可以充分快地发生使得峰值电流可以不显著地上升到期望的参考水平以上，然而，在电流水平中可能存在轻微的波动。本领域技术人员将理解，为了达到足够的性能，可以要求如在图15中示出的开关装置驱动器61充分快地开关该开关装置。此外，可以要求元器件50减少或者消除振铃或者不期望的开关瞬态。其他的元器件可以是例如旁通电容器或者包括串联的电阻器和电容器的减振器来提供这种期望的功能。本领域技术人员将容易理解这些元器件的其他配置。
图16和17示出本发明的实施例，这些实施例被配置没有运算放大器，但是要求另外的开关元器件来替代运算放大器的一些或者全部功能。在高占空比期间开关和感测装置950响应于高信号340，其可以提供用于旁通它的感测装置的装置。此外，在低占空比期间，开关和感测装置950可以响应于低信号340，由此强迫电流经过它的感测装置。由开关和感测装置提供的这种功能可以提供期望水平的驱动和控制装置的功能，而不需要例如集成运算放大器到系统中。图18示出了在图16中示出的配置的另一个实施例，其中调光控制装置定位于一个或者多个发光元件的串的高侧。
具体注意到图17，对于高占空比，通过信号340可以激活开关装置46(例如FET)以旁通电流感测电阻器43以提高效率，并且保证调光信号150被直接转换为补充的开关信号用于开关装置13以将它硬接通或者硬断开。在较低的占空比时，例如在大约10％以下时，可以去激活开关装置46由此强迫电流经过感测电阻器43。可以通过晶体管47来监测在这个感测电阻器43两端的电压，晶体管47可以自动地减少有效栅极信号270使得FET13只通过期望的峰值电流。例如可以根据在感测电阻器43上的电压降和接通晶体管所要求的通常的基极-发射极电压相比较的比率设置该峰值电流的水平。由此，如果电流反馈开始减少并且在节点101处的电压水平充分地增加导致负载电流上升，晶体管47可以开始接通，这可以调节开关装置13由此限制直接通过一个或者多个发光元件的串的电流。此外，在低占空比时在开关装置13和感测电阻器43两者中将存在功率损耗。然而，因为这种情况可能发生在低占空比，所以平均功率损耗可以相对小。
在本发明的另一实施例中，如在图19中所示出的，可以配置具有驱动和控制装置的照明系统，使得一个或者多个发光元件的一个或者多个串的阳极可以连接到正轨迹(positive rail)。在这个配置中，发光元件的一个或者多个串的阴极被调节，并且发光元件的一个或者多个串的阳极被连接到正轨迹。配置电压转换器2000以便发光元件的一个或者多个串的阳极被连接到正轨迹。它的阴极被连接到开关装置900，开关装置900可以例如用作开关和线性晶体管。开关装置900随后被连接到电流感测装置910。由电压转换器2000调节电流感测装置910的负极侧(negative side)。微分放大装置920电平位移在电流感测装置910两端的电压信号，以便在电流感测装置910的输出端呈现表示流经电流感测装置910的电流的电压。基于电流感测装置910的输出和调光控制信号140，运算放大器(op amp)17控制开关装置900。微分放大装置920被连接到采样和保持电路19，采样和保持电路19接收指示电流感测装置910的输出的信号，其中采样和保持电路19发送电流反馈信号到电压转换器2000，如果要求，由此提供输入到电压转换器用于改变由此的电压输出。
图20示出电压转换器的设置示意图，该电压转换器可以被配置为集成到具有根据图19的驱动和控制装置的照明系统中。开关611和电感器613位于负轨迹上，其中在该配置中负轨迹被调节。当开关611被关闭时，电流流到电容器614和负载615向后经过电感器613，并且电荷被储存在电感器613中。当开关被打开时，二极管612变得偏压并且起到短路的作用。电流然后从电感器613流到电容器614和负载615。
图21示出本发明的另一个实施例，其中配置了具有驱动和控制装置的照明系统，以便发光元件的两个或者多个串的阳极被共同连接到根据本发明的一个实施例的正轨迹。在该实施例中，电压转换器包括集成电路2500、电容器2510和2530、二极管2520(例如肖特基二极管)、电感器2540、开关2550(例如FET开关)和电阻器2560。节点2100和一个或者多个发光元件的串的阳极被连接到正轨迹，由电压转换器调节节点2200。当一个或者多个发光元件的串的阴极被调节时，电流感测器件16不接地。微分放大器2340连同相关联的电阻器2300、2310、2320和2330一起提供用于在电流感测器件16两端的电压的装置，电流感测器件16将被参考接地。
再参考图21，逻辑水平开关信号150可以结合开关44和电阻器43一起使用，以提供用于调光照明系统的装置。信号240是和期望的峰值电流成比例的固定电压参考。高速开关44被使能和禁止用于调光控制。当使能开关44时，电阻器43和40担当分压器，其可以被设置到比由电阻器41和42产生的电压参考更高的值，这可以保证运算放大器17关断开关装置13(例如FET开关)，这防止电流流经一个或者多个发光元件的串15。当开关44被禁止时，该开关达到高阻抗状态，并且在运算放大器17的倒相输入处的信号103表示流经电流感测器件16的电流。对于大的占空比，电流反馈回路和电压转换器可以维持在节点2200处的电压水平使得信号103将一般低于由电压参考240设置的最大的期望电流水平。因此运算放大器17可以硬接通和硬断开开关装置13。基于模拟开关44的配置，一个或者多个发光元件的串的接通和断开时段可以是逻辑水平开关信号150的补集。当占空比下降到一定水平以下，例如大约10％，且在节点2200处的输出电压水平下落，如果峰值电流上升到期望的阈值以上，则运算放大器17可以减少它施加到开关装置13的栅极的电压水平，并且因此将以软的方式开关开关装置，消耗一些功率来限制峰值电流。然而，在非常低的占空比时，所消耗的总平均功率仍然可以很小。
在由单个电源驱动多个发光元件串的实施例中，电路的反馈回路的元器件可以被结合用于所有的发光元件或者发光元件的组，或者可以是用于正被驱动的每个发光元件串的分离的元器件。
明显的是本发明的上述实施例是示例性的，并且可以以许多方式改变。这样的变体不应该被认为是偏离本发明的精神和范围，并且所有这样的改变，如将在本领域中显而易见的，被意图包括在随后的权利要求的范围之内。

Claims (20)

1.一种驱动和控制装置，用于控制提供给一个或者多个电子器件的串的电流，所述装置包括:
a)电压转换器，其被配置为从电源接收第一幅度电压，所述电压转换器被配置为响应于控制信号将所述第一幅度电压转换为第二幅度电压；
b)调光控制装置，其被配置为接收所述第二幅度电压和调光控制信号，所述调光控制装置被配置为基于所述调光控制信号控制所述第二幅度电压到所述串的传送，所述调光控制装置被配置用于多模式操作，其中所述调光控制信号指示所述调光控制装置的操作的期望模式；
c)电流感测装置，其和所述串串联，且被配置为生成指示流经所述串的电流的反馈信号；和
d)反馈装置，其电耦合到所述电压转换器和电流感测装置，所述反馈装置被配置为接收所述反馈信号并且基于所述反馈信号产生所述控制信号，所述反馈装置还被配置为提供所述控制信号到所述电压转换器。
2.根据权利要求1所述的驱动和控制装置，其中，所述调光控制装置被配置用于双模式操作。
3.根据权利要求2所述的驱动和控制装置，其中，当所述调光控制信号指示占空比在预定的阈值以上时，所述调光控制装置被配置为以第一模式操作。
4.根据权利要求2所述的驱动和控制装置，其中，当所述调光控制信号指示占空比在预定的阈值以下时，所述调光控制装置被配置为以第二模式操作。
5.根据权利要求3或者4所述的驱动和控制装置，其中所述预定的阈值在5％和30％之间。
6.根据权利要求5所述的驱动和控制装置，其中所述预定的阈值为10％。
7.根据权利要求1所述的驱动和控制装置，其中，所述调光控制信号指示占空比和参考电压。
8.根据权利要求1所述的驱动和控制装置，其中，所述调光控制信号指示占空比，并且其中所述调光控制装置还响应于由此所接收的电压参考信号。
9.根据权利要求1所述的驱动和控制装置，其中，所述电压转换器为DC-DC转换器。
10.根据权利要求9所述的驱动和控制装置，其中，所述电压转换器从包括降压式转换器、升压式转换器、升降压式转换器、cuk转换器和反激式转换器的组中选择。
11.根据权利要求1所述的驱动和控制装置，其中，所述电流感测装置为固定电阻器、可变电阻器或者电感器。
12.根据权利要求1所述的驱动和控制装置，其中，所述反馈装置包括采样和保持电路。
13.根据权利要求1所述的驱动和控制装置，其中，所述串具有阳极和阴极，并且其中所述电压转换器被配置为使能所述串的阳极在所述电压转换器和所述电源之间的电连接。
14.根据权利要求1所述的驱动和控制装置，其中所述串具有高端和低端，所述调光控制装置电连接到所述串的低端。
15.根据权利要求1所述的驱动和控制装置，其中所述串具有高端和低端，所述调光和控制装置电连接到所述串的高端。
16.一种用于控制提供到一个或者多个电子器件的串的电流的方法，所述方法包括步骤:
a)采样流经所述串的电流；
b)响应于指示所述采样的电流的反馈信号自适应地将电压从第一幅度电压转换为第二幅度电压；
c)基于调光控制信号控制所述第二幅度电压到所述串的提供，其中所述控制基于所述调光控制信号自适应地改变。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，当所述调光控制信号指示占空比在预定的阈值以上时基于操作的第一模式执行控制所述第二幅度电压的提供。
18.根据权利要求16所述的方法，其中，当所述调光控制信号指示占空比在预定的阈值以下时基于操作的第二模式执行控制所述第二幅度电压的提供。
19.根据权利要求17或18所述的方法，其中所述预定的阈值在5％和30％之间。
20.根据权利要求19所述的方法，其中所述预定的阈值为10％。
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