CN101427606A - 用于发光二极管的驱动电路 - Google Patents

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Abstract

一种用于至少一个发光二极管(LED)的驱动电路，该驱动电路具有开关调节电路，该开关调节电路被输送直流电压，并且借助线圈(L1)和由控制单元(SR)时钟控制的开关(S1)为所述至少一个发光二极管(LED)提供供给电压。在接通开关(S1)时，在线圈(L1)中建立能量，该能量在关断开关(S1)时通过所述至少一个发光二极管(LED)放电。控制单元(SR)根据在所述至少一个发光二极管(LED)上的电压和线圈(L1)的时间上恒定的特征值来确定开关(S1)的关断与随后的接通之间的持续时间。

Description

用于发光二极管的驱动电路
本发明涉及一种用于借助为LED提供驱动电压的开关调节器驱动发光二极管的方法和电路。
基本上已公开了使用开关调节器、尤其是降压转换器(BuckConverter)来激励发光二极管。在此，控制单元激励时钟控制的半导体功率开关，借助该半导体功率开关在其接通的状态中为电感器供给能量，其中在开关的关断的状态中于是电感器的能量通过发光二极管段放电。
因此，由于发光二极管导致在恒定的平均值附近的锯齿形电流形状，其中在开关的接通的状态中分别产生发光二极管电流的上升沿，而在开关的断开的状态中产生发光二极管电流的下降沿。
因此，发光二极管电流在时间上的平均值可以通过功率开关的相应的时钟控制来调节。为了调节发光二极管电流的平均值，相应地也必须检测通过发光二极管的电流。在此，存在如下问题：在发光二极管段的较低电势侧借助测量电阻(分路电阻)检测发光二极管电流时，必须量取并且分析可能处于例如接近40伏特的相对高的电势上的信号。仅此就已经阻碍了包括发光二极管电流检测在内的整个控制单元能被完全集成。
最后，通常要求为LED模块提供共同的正端子。由此，不能在上面的固定的电势上进行测量，因为由此在用于多种颜色的控制设备中，共同的电势是不可实行的。
在此，另一问题是，在恒定的工作电压的情况下，在发光二极管段的较低电势侧上的电势自然与多个串联连接的发光二极管的数目以及类型有关，因为每个发光二极管都引起限定的电压降。因此，灵活的发光二极管电流检测必须针对极为不同的电势来设计，这使电流检测更为复杂。
现在，本发明提出一种技术，其中可以进行开关激励，并且更为准确地说，可以确定从功率开关的关断直至接着再次接通的关断持续时间，而无需检测发光二极管电流。在此，自然还应保证保持二极管电流恒定，并且由此保持二极管功率恒定。
根据本发明，该任务通过独立权利要求的特征来解决。从属权利要求以特别有利的方式深化了本发明的中心思想。
根据本发明的第一方面，设置有用于至少一个发光二极管(或者多个串联连接的发光二极管)的驱动电路，该驱动电路具有开关调节器。直流电压或者被整流的交流电压被输送给该开关调节器。借助线圈和通过控制单元时钟控制的开关为至少一个发光二极管提供供给电压或者供给电流。该供给电流通常表现出围绕恒定平均值的锯齿形曲线，其中该时间上的平均值是通过发光二极管段的有效电流。在接通开关时，在线圈中建立起能量，该能量在关断开关时通过所述至少一个发光二极管放电。
根据本发明，控制单元根据发光二极管电压确定了在开关的关断与接着再次接通之间的持续时间，并且确定了线圈的时间上恒定的特征值。
此外，即使还可以以已知的方式检测灯电流，本技术也基本能够应对，而无需检测发光二极管电流。
发光二极管电压例如可以根据驱动电压与在降压转换器中的发光二极管的较低电势侧或者升压转换器中的发光二极管的较高电势侧的电势之间的差来确定。
基本上可以根据线圈的电气参数来确定线圈特征参数。可替换地，在首次接通开关时，控制单元可以必要时在考虑线圈电压的情况下通过线圈电流的上升陡度来检测时间上恒定的线圈特征值。例如，为此可以确定在第一次接通过程中从零升高的线圈电流达到参考值的持续时间。该检测具有如下优点：自动补偿了可能的公差或者制造波动，因为检测了线圈的实际和当前的电磁特征。
特别地，在本发明中可以设计的是，控制单元并不检测发光二极管电流。
控制单元可以通过测量电阻检测通过开关的电流。
由于如所述的，并未一定需要可能处于高电势的发光二极管电流检测，所以控制单元可以构建为集成电路，譬如ASIC(专用集成电路)。
控制单元可以以PWM调制(脉宽调制)的信号的形式来激励开关。
控制单元可以借助将开关电流与控制单元的(例如内部)参考值比较来确定接通持续时间，即在功率开关的接通与紧接着的再次关断之间的持续时间，并且当通过开关的电流达到或超过参考值时，又关断该开关。
可以向检测到的开关电流施加附加值，在再次接通开关之后开关电流的升高越快，则该附加值越高。
开关调节器可以是升压转换器(Boost Converter)或者降压转换器(Buck Converter)。
本发明也提出了用于借助开关调节器驱动发光二极管的方法。
现在参照附图的图示和对实施例的详细描述阐述本发明的另外的特征、优点和特征。
图1示出了根据本发明的用于发光二极管的驱动电路(降压)的第一实施例。
图2示意性地示出了用于半导体功率开关S1的控制端子(栅极或者基极)的激励信号。
图3示出了如在根据图1的电路中出现的信号曲线，
图4示出了用于对开关电流检测值施加与线圈电流(或者线圈电压)的升高速度有关的附加值的电路细节，以及
图5示出了图1的电路的变形(升压型)。
在图1中示意性示出用于受调节地驱动发光二极管(LED)的电路。在所示的例子中，两个发光二极管串联连接，同时本发明的优点恰好是，驱动电路非常灵活地与同样串联连接的发光二极管(LED)的类型和数目相匹配。
输入直流电压Vin被输送给驱动电路，该输入直流电压当然也可以是整流过的交流电压。
在开关S1接通的状态中，在半导体功率开关S1(例如MOSFET)与自振荡二极管D1之间的串联电路借助流经开关的电流为电感器L1提供能量。在开关S1关断的状态中，存储在线圈L1中的能量以通过电容C1和发光二极管段LED的电流i的形式放电。
设置有控制和/或调节电路SR，该电路例如以PWM调制信号的形式预先给定开关S1的时钟控制，作为调节发光二极管功率的调节量。
控制和/或调节电路SR借助测量电阻RS检测通过开关S1的电流(在开关1接通的状态中)。
控制和/或调节单元SR可以通过分压器R1、R2检测在LED段的较低电势侧上的电势。
另一分压器R3、R4能够实现供给电压的检测。
如在图1中所示，在本发明中不需要检测通过发光二极管的电流。相反，此外通过根据本发明的电路还可能的是，保持发光二极管电流的平均值恒定，以及需要时(PLED＝ULED x ILED，二者已知)保持发光二极管功率在时间平均值上的恒定。
图2示出了激励信号S1Gate，控制和/或调节单元SR将这些激励信号以PWM调制信号的形式发送给半导体功率开关S1的控制端子。
在开关S1的接通与紧接着的关断之间的持续时间以下用ton表示。相应地，在开关S1的关断与接着的再次接通之间的持续时间用Toff表示。用t1表示首次接通开关S1的持续时间。
根据本发明，接通持续时间ton通过以下方式来确定：在接通开关S1之后，根据测量电阻RS的电压信号通过控制和/或调节单元SR来监控开关电流。接通持续时间ton的终点通过如下方式来确定：检测到的开关电流达到或者超过了控制和/或调节单元SR的内部参考值Uref。
由此可以良好地监控在开关S1接通的状态中的电流曲线。
而根据本发明不需要直接检测在开关S1关断的状态中通过线圈L1的电流。
在现有技术中，如所述的那样，检测在开关S1的关断持续时间中的发光二极管电流，并且当该发光二极管电流达到下限值时，再次接通开关S1。
在本发明中，现在根据在发光二极管段上的电压Uled和电感器(电感线圈)L1的时间上不变化的特征值kL确定开关S1的关断持续时间toff。
控制和/或调节电路SR可以根据在分压器R3、R4上检测到的驱动电压与借助分压器R1、R2检测到的在发光二极管段的较低电势侧上的电压之间的差来确定发光二极管电压Uled。
例如可以根据电感器L1的电气特征值计算或者测量时间上不变化的电感线圈特征值kL。
然而特别有利的是，根据在首次接通开关S1时线圈电流的升高来确定线圈L1的电磁特征。由此，特征值kL是持续时间t1与线圈电压的函数(在ON循环期间可测量)，即在首次接通和开关电流(通过Us反映)从零升高达到控制和/或调节电路SR的内部参考值的时刻之间的时间ton。这示意性地示出在图3中。在图3中，在最上面的图形中示出开关S1的栅极激励信号。在持续时间t1期间首次接通时，通过线圈L1的电流i以及通过开关的电流(通过测量电阻R1的电压信号Us来反映)升高。
当反映开关电流的电压US达到参考值Uref时，开关S1又被关断(开关信号S1为“低”)。在该状态下，线圈电流i又降低，因为在线圈L1中所存储的电磁能量通过发光二极管段放电。在如上限定的关断持续时间Toff结束之后，于是控制和/或调节单元SR再次接通开关，并且在此期间又根据通过开关S1的电流来确定接通持续时间Ton。由此，得到了所示的电流曲线i，该电流曲线在时间平均上围绕恒定的平均值ieff锯齿状分布。
为了以PWM调制的方式实现对发光二极管进行有目的的减低亮度，可以在二极管电流的真正中止的意义上延长关断持续时间Toff，其中注意到的是，该关断持续时间对于人眼不能察觉。在这种中止中，当重新接通时自然会导致线圈充磁，这同时通过根据本发明对电感线圈电流的调节来补偿。
当在线圈L1的电感相应小的情况下，相对于在激励开关S1时的关断行为过慢而通过线圈L1的电流升高非常快地进行时，会出现一个特别的问题。在这样的情况下，会担心的是，由于开关S1的关断过程中的时间延迟而使开关电流和由此分路电压不希望地过分超过参考值Uref，并且因此会形成对开关S1的损坏。由于过高的电流峰值，至少平均值电流不再与所希望的精度相对应。
如所述的那样，在再次接通开关S1之后线圈电流i的升高越快，则该问题就越明显。
根据本发明，因此设计了对测量到的开关电流值施加附加值，通过线圈的电流曲线的升高越陡，即持续时间t1越短，则该附加值就越大。
现在，图4示出了这种施加的电路方面的实施形式。在此，设置有电阻网络RN，该网络使测量到的电流值(通过Us来反映)施加有附加值，该附加值由分压器R1、R2的连接点量取，使得施加的值与发光二极管段的较低电势侧上的电势的大小有关。发光二极管段的较低电势侧相对于地的电势越高，在开关S1接通的状态中线圈电流的升高当然就越陡。
如在图中所示，由此修改过的电流测量值Us’被输送给调节和/或控制单元SR中的比较器，其中该比较器将修改过的电流测量值Us与内部参考值例如0.2V比较。该比较器的输出信号又控制开关S1的关断时刻。
图5示出了图1的电路的修改方案，使得电感线圈L1、自振荡二极管D1以及发光二极管段的取向的布置被修改(升压拓扑结构)。
总之，也就是说要理解的是，本发明提供了一种技术，其中不用检测发光二极管电流也能实现通过发光二极管的电流的时间平均值并且因此实现发光二极管电流或者功率(在包括二极管电压的情况下)的时间恒定性。由于通过确定关断持续时间Toff的调节与发光二极管段的较低电势侧上的电势有关，所以自动地针对所使用的发光二极管的数目和/或类型的变化或者发光二极管的时间/温度的变化而设置调节特性。

Claims (23)

1.一种用于至少一个发光二极管(LED)的驱动电路，该驱动电路具有开关调节电路，该开关调节电路被输送直流电压，并且借助线圈(L1)和由控制单元(SR)时钟控制的开关(S1)为所述至少一个发光二极管(LED)提供供给电压，其中在接通开关(S1)时，在线圈(L1)中建立能量，所述能量在关断开关(S1)时通过所述至少一个发光二极管(LED)放电，并且其中控制单元(SR)根据在所述至少一个发光二极管(LED)上的电压和线圈(L1)的时间上恒定的特征参数来确定开关(S1)的关断与随后的接通之间的持续时间(tOFF)。
2.根据权利要求1所述的电路，其中控制单元(SR)借助发光二极管(LED)的驱动电压与较低电势侧之间的差来确定发光二极管电压。
3.根据权利要求1或者2所述的电路，其中控制单元(SR)通过线圈电流的上升陡度以及通过将线圈电压计算在内来检测线圈特征参数。
4.根据上述权利要求中任一项所述的电路，其中控制单元(SR)并不检测通过所述至少一个发光二极管(LED)的电流。
5.根据上述权利要求中任一项所述的电路，其中控制单元(SR)通过测量电阻检测通过开关(S1)的电流。
6.根据上述权利要求中任一项所述的电路，其中控制单元(SR)是集成电路。
7.根据上述权利要求中任一项所述的电路，其中控制单元(SR)以PWM调制信号的形式来激励开关(S1)。
8.根据上述权利要求中任一项所述的电路，其中控制单元(SR)借助将通过开关(S1)的电流与参考值比较来确定开关(S1)的接通持续时间，并且当通过开关(S1)的电流达到参考值时又关断开关(S1)。
9.根据权利要求8所述的电路，其中向所检测到的开关电流施加附加值，在再次接通开关(S1)之后的开关电流的上升越陡，则该附加值越大。
10.根据上述权利要求中任一项所述的电路，其中开关调节器是升压转换器或者降压转换器。
11.一种用于至少一个发光二极管(LED)的驱动电路，该驱动电路具有开关调节电路，该开关调节电路被输送直流电压，并且借助线圈(L1)和由控制单元(SR)时钟控制的开关(S1)为所述至少一个发光二极管(LED)提供供给电压，其中在接通开关(S1)时在线圈(L1)中建立能量，该能量在关断开关(S1)时通过所述至少一个发光二极管(LED)放电，其中控制单元(SR)为了检测开关(S1)的接通持续时间而将开关电流与参考值比较，并且其中向所检测到的开关电流施加附加值，在再次接通开关(S1)之后的开关电流的上升越陡，则该附加值越大。
12.根据上述权利要求中任一项所述的电路，其中该电路被设计为，为了恒定功率调节而将LED电压计算在内。
13.一种用于借助开关调节电路驱动至少一个发光二极管(LED)的方法，该开关调节电路被输送直流电压，并且借助线圈(L1)和时钟控制的开关(S1)为所述至少一个发光二极管(LED)提供供给电压，其中在接通开关(S1)时在线圈(L1)中建立能量，该能量在关断开关(S1)时通过所述至少一个发光二极管(LED)放电，并且其中开关(S1)的关断与随后的接通之间的持续时间取决于在所述至少一个发光二极管(LED)上的电压和线圈(L1)的时间上恒定的特征值。
14.根据权利要求13所述的方法，其中借助发光二极管(LED)的驱动电压与较低电势侧之间的差确定发光二极管电压。
15.根据权利要求13或者14所述的方法，其中优选在首次接通开关(S1)时通过线圈电流的上升陡度以及通过将线圈电压计算在内来检测线圈特征值。
16.根据权利要求13至15中任一项所述的方法，其中并不检测通过所述至少一个发光二极管(LED)的电流。
17.根据权利要求13至16中任一项所述的方法，其中通过测量电阻检测通过开关(S1)的电流。
18.根据权利要求13至17中任一项所述的方法，其中以PWM调制信号的形式激励开关(S1)。
19.根据权利要求13至18中任一项所述的方法，其中借助将通过开关(S1)的电流与参考值比较来确定开关(S1)的接通持续时间，并且当通过开关(S1)的电流达到参考值时又关断开关(S1)。
20.根据权利要求19所述的方法，其中向所检测到的开关电流施加附加值，在再次接通开关之后的开关电流的上升越陡，则该附加值越大。
21.根据权利要求13至20中任一项所述的方法，其中升压转换器或者降压转换器用作开关调节器。
22.一种用于借助开关调节电路驱动至少一个发光二极管(LED)的方法，该开关调节电路被输送直流电压，并且借助线圈(L1)和由控制单元(SR)时钟控制的开关(S1)为所述至少一个发光二极管(LED)提供供给电压，其中在接通开关(S1)时在线圈(L1)中建立能量，该能量在关断开关(S1)时通过所述至少一个发光二极管(LED)放电，其中控制单元(SR)为了检测开关(S1)的接通持续时间而将开关电流与参考值比较，并且其中向所检测到的开关电流施加附加值，在再次接通开关(S1)之后的开关电流的上升越陡，则该附加值越大。
23.根据权利要求13至22中任一项所述的方法，其中在将LED电压计算在内的情况下进行恒定功率调节。
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