CN101422079A - 操作固态照明元件 - Google Patents

Abstract

通过获取至少一个固态照明单元的目标亮度水平以及确定用于获得该目标亮度水平的参考驱动电流幅度来操作照明器件。如果参考驱动电流幅度低于最佳驱动电流幅度，那么以经过脉宽调制的最佳驱动电流幅度操作固态照明单元以便获得该目标亮度水平。

Description

操作固态照明元件

技术领域

本发明总体上涉及固态照明以及操作固态照明单元的方法。

背景技术

固态照明已经变成照明市场上的重要特征。诸如发光二极管(LED)以及有机发光二极管(OLED)之类的固态照明(SSL)单元提供了低成本的照明，并且因而用于普通照明市场。固态光源提供一定波长的光。这些波长取决于所用的材料(即半导体)以及SSL单元的环境特性。此外，固态光源可以具有高的发光效能(efficacy)，但这也是温度和驱动方法的函数。

在当前的照明应用中，希望固态光源的光输出(lumen output)处于最大值。因此，固态光源是以最大可允许幅度的电流来驱动的。这可能伴随热约束(thermal constraint)。然而，以最大驱动电流驱动固态光源并不导致高效的光输出，即发光效能在较低驱动电流下可能更高。

还存在其中需要对固态光源进行调光的应用。这可能是环境照明中的情况。此外，当在其中需要不止一个波长的有色灯(例如RGB LED灯)中使用固态光源时，需要对每个灯的亮度以及总体亮度进行调节。

通过使用幅度调制(AM)、脉宽调制(PWM)或者脉冲频率调制(PFM)来调制驱动电流的方法在本领域中是已知的。另外的调制方法在本领域中也是已知的。DE19848925A1公开了一种允许通过脉宽调制对固态照明单元的驱动电流进行调节的方法。该文献表明，亮度可以借助于脉宽调制来降低，其中驱动电流具有的幅度等于或者高于阈值。然而，这导致对固态光源的调光而无需考虑到其发光效能和效率。

发明内容

本发明的一个目的是实现对固态光源的有效使用。本发明的另一个目的是在对固态光源的亮度水平进行调节的同时保证发光效能和效率的提高。本发明的再一个目的是在给定亮度水平下提供最佳的发光效能和效率，并且当参考驱动电流幅度大于最佳驱动电流幅度时以参考驱动电流幅度驱动固态照明单元。

这些和其他目的是通过操作照明器件的方法来解决的，所述方法包括步骤：获取至少一个固态照明单元的目标亮度水平；确定用于获得目标亮度水平的参考驱动电流幅度；以及当参考驱动电流幅度小于或等于脉宽调制的最佳驱动电流幅度时，以该最佳驱动电流幅度驱动固态照明单元以便获得目标亮度水平。

已经发现，虽然光输出在最大可允许电流幅度下是最大的，但是发光效能和效率在更小的电流幅度下更大。最佳驱动电流幅度可以通过评估固态照明单元的操作数据来获得，所述操作数据例如数据表的相对光通量和电输入功率曲线。另外，已经发现，目标亮度水平可以通过以最佳驱动电流幅度驱动固态照明单元并且通过对该最佳驱动电流幅度进行脉宽调制来获得。这导致获得固态照明单元的最大效率。

依照本发明，在仍然提供高效率的同时，可以操纵固态照明单元(例如LED灯中使用的LED)的强度以及多个LED的强度。在维持高效率的同时，可以对改变颜色以及增加相同颜色LED之间的亮度差进行控制。

参考驱动电流幅度可以通过获得该电流幅度来确定，这对于以目标亮度水平运行固态照明单元将是必要的。参考驱动电流幅度可以通过使用为固态照明单元配备的数据表来获得。该数据表可以提供有关输入功率和光通量之间的关系的信息。亮度水平和驱动电流的在线测量并且从而获得参考驱动电流幅度也是可能的。

所述电流幅度可以被理解为驱动光源的电流值。它可以是浪涌(surge)、时间平均值或有效值，或者最小和最大电流之差。

确定参考驱动电流幅度之后，可以将该参考驱动电流幅度与最佳驱动电流幅度进行比较。该最佳驱动电流幅度可以通过计算光通量和输入功率之间的关系来获得。这个关系函数的局部最大值可以被认为是最佳驱动电流幅度。在该驱动电流幅度下，作为光通量和输入功率之间的比率的效率是最高的。

如果参考驱动电流小于或等于最佳驱动电流，那么本发明保证以经过脉宽调制的最佳驱动电流幅度驱动固态照明单元。该最佳驱动电流幅度如果施加到固态照明单元而没有任何进一步的调制的话，将因而提供高于目标亮度水平的亮度水平。不过，最佳驱动电流幅度为固态照明单元提供最大的效率。为了获得目标亮度水平，建议对最佳驱动电流幅度进行脉宽调制。该脉宽调制引起对亮度水平进行调节，直到获得目标亮度水平。

如权利要求2中限定的最佳驱动电流幅度的确定是优选的。关于输入电流或输入电压的效率函数可以通过计算光通量和输入功率之间的关系来获得，所述输入功率即输入电流、输入电压或者输入电流和输入电压的乘积。该效率函数具有局部最大值。达到局部最大值的位置确定了最佳驱动电流幅度。

因此，如权利要求3中限定的方法也是优选的。

依照如权利要求4中限定的方法，固态照明单元的最大效率可以是固态照明单元的材料特性和环境特性的函数。例如，固态照明单元中使用的不同的半导体可以导致不同的效率曲线。另外，温度可以影响效率曲线，且使其最大值偏移，并且从而可以改变最佳驱动电流幅度。

目标亮度水平可以不利用等于或小于最佳驱动电流幅度的驱动电流来获得。在那种情况下，如权利要求5中限定的方法是优选的。如果目标亮度水平只能利用高于最佳驱动电流幅度的驱动电流来达到，那么就以参考驱动电流幅度来驱动固态照明单元以便获得目标亮度水平。

优选的是，利用幅度调制来驱动固态照明单元。如权利要求6中所限定的，至少优选的是，当参考驱动电流幅度大于最佳驱动电流幅度时，利用经过幅度调制的驱动电流来驱动固态照明单元。

如果参考驱动电流幅度在最佳驱动电流幅度以下，那么就将脉宽调制施加到最佳驱动电流幅度用于驱动固态照明单元。脉宽调制的最佳驱动电流幅度的占空比可以如权利要求7中限定的那样来确定。参考驱动电流越低于最佳驱动电流幅度，占空比就越短。

另外优选的是，如权利要求8中限定的那样借助于电路来驱动固态照明单元。这里，降压转换器(buck converter)电路也被理解为电压下降转换器(voltage step-down converter)、电压上升转换器(current step-up converter)、斩波器(chopper)、直接转换器等等，或者任何类型的开关模式电源。该电路可以以最少数量的电子部件来实现幅度调制和脉宽调制二者。利用这种电路，幅度调制可以通过使用例如导致电流波形的滞后控制来调节LED电流而实现。脉宽调制可以通过打开和关闭降压转换器(开关模式电源)来实现，如优选地具有低频的脉宽调制模式所需的。也可以使用任何其他开关电源。

本发明的另一个方面是照明器件，该照明器件包括：固态照明单元；获取单元，其被设置成确定至少一个固态照明单元的目标亮度水平；确定单元，其被设置成确定用于获得目标亮度水平的参考驱动电流幅度；以及驱动单元，其被设置成确定参考驱动电流幅度是否小于或等于最佳驱动电流幅度，并且当参考驱动电流幅度小于或等于脉宽调制的最佳驱动电流幅度时，以该最佳驱动电流幅度驱动固态照明单元以便获得目标亮度水平。

本发明的另一个方面是包括至少两个如前所述的照明器件的系统。这两个照明器件依照如前所述的方法由驱动单元驱动。该系统保证具有不止一个固态光源的固态照明系统的操作。它可以提供灯的总体亮度水平对环境光的适应。此外，可以控制单个固态照明单元的亮度水平以便调节灯的颜色和总体亮度。

本发明的另一个方面是有形地体现在记录载体中的计算机程序产品，该计算机程序产品包括若干指令，当执行这些指令时使得至少一个处理器执行下列步骤：获取至少一个固态照明单元的目标亮度水平；确定用于获得目标亮度水平的参考驱动电流幅度；以及当参考驱动电流幅度小于或等于脉宽调制的最佳驱动电流幅度时，以该最佳驱动电流幅度驱动固态照明单元以便获得目标亮度水平。

本发明的这些方面在给定亮度水平下导致最佳的发光效能和效率，并且导致当参考驱动电流幅度大于最佳驱动电流幅度时，以参考驱动电流幅度驱动固态照明单元。

本发明的这些和其他方面参照下文描述的实施例是清楚明白的，并且将参照这些实施例进行阐述。

附图说明

在附图中：

图1示出了说明固态照明器件的相对光通量、电输入功率以及发光效能的曲线图；

图2示出了依照本发明的系统的一个实施例；

图3为图示说明依照本发明的照明单元的操作的流程图；

图4示出了驱动电路的一个实施例；

图5为图示说明驱动电流幅度调制的图表；

图6为图示说明驱动电流脉宽调制的另一个图表。

具体实施方式

本发明保证了甚至在低亮度水平下也提高固态光源的发光效能。在单色灯以及诸如RGB LED灯之类的多色灯中建议使用幅度调制来调节固态光源的亮度水平。该幅度调制一直被应用，直到发光效能最大。另外还提出，将电流幅度保持在该值并且使用脉宽调制来将亮度水平调节到较低的值。使用本发明的方法允许在单色和有色固态光源二者中以最佳的发光效能对固态照明单元进行调光。

依照本发明的方法和器件利用了如下事实：固态照明单元的发光效能和光通量的效率取决于该照明单元的驱动功率和光通量。图1为说明输入功率104、光通量102和效率106之间的相关性的图表100，所述效率106是光通量102和输入功率104之间的关系的函数。由图表100可知，光通量102随着输入功率104的增大而增大。这导致通过增大输入功率104来增大固态照明单元的总体亮度水平。然而，固态照明单元的效率随着电流的增大而降低。由图表100可知，发光效率106在大约0.1A的驱动电流处具有最大值。在该值下，所述效率是最高的，导致最佳的输入功率和光通量之比。通常，GaP 1W LED工作于0.35A的电流下以得到最大的光输出。由于温度约束的原因，高于该值的驱动电流是不允许的。为了进行亮度水平调节，已经提出应当将电流幅度以及从而输入功率104降低到0.1A。在该值下，发光效能是最大的。如果需要更小的光输出，那么当以大于最佳驱动电流幅度的参考驱动电流幅度驱动固态照明单元时，得到在给定亮度水平的发光效能和效率。

这引起应用依照本发明的方法。

如图2所示，依照本发明的方法可以利用系统200来实现。系统200可以包括多个照明器件202a、202b。照明器件202可以包括固态照明单元204，该固态照明单元204可以是LED或者OLED。照明器件202包含：获取单元206，其用于确定至少一个固态照明单元的目标亮度水平；确定单元208，其用于确定LED 204的最佳驱动电流幅度；确定单元210，其用于确定用于获得目标亮度水平的参考驱动电流幅度；以及驱动单元212，其用于以适当的驱动电流驱动固态照明单元204，该驱动电流可能经过幅度调制以及脉宽调制。获取单元206具有用于接收目标亮度水平值的输入端口以便获得系统200的一定的亮度水平和颜色，所述目标亮度水平值可以从驱动系统200的驱动电路提供。确定单元208可以接收来自固态照明单元204的值，以便获得最佳驱动电流幅度。可替换地，用户也可以向确定单元208输入用于获得所述驱动电流幅度的值。此外，可以将这些值存储在确定单元208中的查找表中。确定单元208可以执行对固态照明单元204的测试以便获得最佳驱动电流值。驱动单元212可以使用幅度调制和脉宽调制以适当的电压和驱动电流来驱动固态照明单元204，如下面进一步所描述的。

图3为用于操作照明器件202的流程图300。

将目标亮度水平输入(304)到获取单元206。获取单元206将获取的目标亮度水平转发给确定单元210，在确定单元210中，确定(302)用于获得目标亮度水平的参考驱动电流幅度。参考驱动电流幅度的确定(302)是从目标亮度水平到获得该目标亮度水平所需的连续电流幅度的转换。这个计算可以通过使用光通量102和输入功率104之间的关系来完成。光通量102可以用于根据目标亮度水平获得所需的输入功率以及从而获得所需的连续电流幅度，即参考驱动电流幅度。

在步骤306中，确定单元210根据图表100计算连续电流幅度I_CON，它是参考驱动电流幅度。

在步骤310中，处理参考驱动电流幅度I_CON。在步骤310中，在驱动单元212中接收(308)来自确定单元208的最佳驱动电流幅度。驱动单元212检查参考驱动电流幅度是否大于接收的最佳驱动电流幅度。

如果驱动单元212确定参考驱动电流幅度大于最佳驱动电流幅度，那么在步骤312中驱动单元212以等于参考驱动电流幅度的驱动电流驱动固态照明单元204。优选地，通过使用电流幅度调制将参考驱动电流幅度施加到固态照明单元204上。

如果参考驱动电流幅度小于最佳驱动电流幅度，那么在步骤314中驱动单元112以等于最佳驱动电流的驱动电流驱动固态照明单元204。然而，由于该最佳驱动电流幅度大于参考驱动电流幅度，所以固态照明单元204将提供高于目标亮度水平的亮度水平。因此，在步骤314中，施加到固态照明单元204的电流是脉宽调制的。该脉宽调制是导致与施加等于最佳连续电流幅度的连续电流幅度相比降低亮度水平的原因。在驱动单元212中，对于参考驱动电流幅度和最佳驱动电流幅度之比，计算脉宽调制占空比。参考驱动电流幅度相比于最佳驱动电流幅度越小，占空比就越小，从而亮度水平被进一步降低。

驱动单元212的操作可以由如图4所示的降压转换器来提供。降压转换器400包括电压源402、开关404、二极管406、电感408、电容410以及LED 412。降压转换器400是可以实现幅度调制和脉宽调制二者的开关模式电源。幅度调制可以通过使用电路400的滞后控制调节LED电流I_LED来实现。脉宽调制通过如所计算的占空比所需的、利用开关404打开和关闭所述开关模式电源来获得。脉宽调制模式导致如图6所示的电流形状。

图5为示出了连续驱动电流幅度502、施加到开关404以便打开和关闭电路400的控制信号504以及LED 412中的电流I_LED 506的图表500。控制信号504起源于滞后控制，该滞后控制保证电流I_LED 506保持接近于连续驱动电流幅度502。在所示的这个实例中，占空比为1，并且连续驱动电流幅度502等于所计算的用于获得所需亮度水平的参考电流幅度。由图可知，电流I_LED 506围绕连续驱动电流幅度502振荡。

图6为示出了连续驱动电流602、施加到开关404的控制信号604、以及LED 412中的电流I_LED 606的图表600。在所示的这个实例中，将连续驱动电流602设置成最佳驱动电流幅度。然而，这导致高于目标亮度水平的亮度水平。由于这个原因，控制信号604是脉宽调制的。脉宽调制提供在周期T内的占空比D，它是参考驱动电流幅度和最佳驱动电流幅度之间的关系。通过提供对控制信号的脉宽调制，可以依照所述占空比的值来降低LED的亮度水平。驱动电流606围绕最佳驱动电流幅度602振荡。控制信号604的开关叠加在该脉宽调制模式上，所述控制信号604起源于保证电流I_LED 606保持接近于连续驱动电流幅度602的滞后控制。

本发明保证通过使用有关固态照明单元的发光效能的信息以提高的效率对固态照明单元进行调光。

尽管已经示出并且描述了应用到优选实施例的本发明的基本新颖特征，但是应当理解的是，本领域技术人员可以在所描述的器件和方法的形式和细节方面进行各种省略、替代和改变，而不会脱离本发明的精神。例如，可以明确期望的是，以基本相同的方式执行基本相同的功能以达到相同的结果的那些元件和/或方法步骤的所有组合都处于本发明的范围之内。另外，应当认识到，作为设计选择的常见现象(general matter)，结合本发明的任何公开的形式或实施例示出和/或描述的结构和/或元件和/或方法步骤可以引入到任何其他所公开或描述或建议的形式或实施例中。因此，本发明意在限制为仅如所附权利要求的范围所表示的。还应当认识到，任何附图标记都不应当被视为限制了这些权利要求的范围。

Claims (11)

1.一种操作照明器件的方法，所述方法包括步骤：

获取至少一个固态照明单元的目标亮度水平；

确定用于获得目标亮度水平的参考驱动电流幅度；以及

当参考驱动电流幅度小于或等于脉宽调制的最佳驱动电流幅度时，以该最佳驱动电流幅度驱动固态照明单元以便获得目标亮度水平。

2.权利要求1的方法，还包括步骤：根据固态照明单元具有最大效率所用的驱动电流确定最佳驱动电流幅度。

3.权利要求2的方法，其中固态照明单元的最大效率是该固态照明单元的光通量和输入功率之间的比率的最大值。

4.权利要求1的方法，其中最佳驱动电流取决于固态照明单元材料的特性。

5.权利要求1的方法，还包括步骤：当参考驱动电流幅度大于最佳驱动电流幅度时，以该参考驱动电流幅度驱动固态照明单元以便获得目标亮度水平。

6.权利要求1的方法，还包括步骤：至少当参考驱动电流幅度大于最佳驱动电流幅度时，以经过幅度调制的驱动电流驱动固态照明单元以便获得目标亮度水平。

7.权利要求1的方法，还包括步骤：根据参考驱动电流幅度和经过脉宽调制的最佳驱动电流幅度之间的比率确定该最佳驱动电流幅度的占空比。

8.权利要求1的方法，还包括步骤：利用降压转换器电路驱动固态照明单元。

9.一种照明器件，包括：

固态照明单元；

获取单元，其被设置成确定至少一个固态照明单元的目标亮度水平；

确定单元，其被设置成确定用于获得目标亮度水平的参考驱动电流幅度；以及

驱动单元，其被设置成确定参考驱动电流幅度是否小于或等于最佳驱动电流幅度，并且当参考驱动电流幅度小于或等于脉宽调制的最佳驱动电流幅度时，以该最佳驱动电流幅度驱动固态照明单元以便获得目标亮度水平。

10.一种系统，包括：

至少两个如权利要求9所述的照明器件；以及

驱动单元，其被设置成依照如权利要求1所述的方法以目标亮度水平驱动所述至少两个照明器件中的每一个。

11.一种有形地体现于记录载体中的计算机程序产品，该计算机程序产品包括指令，当执行所述指令时使得至少一个处理器执行如下步骤：

获取至少一个固态照明单元的目标亮度水平；

确定用于获得目标亮度水平的参考驱动电流幅度；以及

当参考驱动电流幅度小于或等于脉宽调制的最佳驱动电流幅度时，以该最佳驱动电流幅度驱动固态照明单元以便获得目标亮度水平。

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