CN101622907A

CN101622907A - 驱动照明设备

Info

Publication number: CN101622907A
Application number: CN200880006186A
Authority: CN
Inventors: M·温特; G·索尔莱恩德; P·范登博加尔特
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2007-02-26
Filing date: 2008-02-22
Publication date: 2010-01-06
Anticipated expiration: 2028-02-22
Also published as: JP5997333B2; JP2010519694A; US20100141148A1; JP5830224B2; WO2008104908A1; US8749158B2; EP2127486A1; JP2016015325A; CN101622907B; EP2127486B1

Abstract

本发明涉及通过驱动电路和解耦单元来驱动照明设备，其中所述驱动电路用于提供驱动功率以供驱动照明设备，所述解耦单元用于把所述驱动电路与照明电路电解耦。所述驱动功率被至少部分地从所述驱动电路传送到所述照明电路，并且所述照明设备被设置在所述照明电路内，从而使其阳极处于所述驱动电路的地电势。

Description

驱动照明设备

技术领域

本专利申请总体上涉及照明设备并且涉及驱动照明设备。

背景技术

具有发光二极管(LED)或有机发光二极管(OLED)的照明设备具有高亮度，并且近来在一般照明市场中变得越来越重要。由于其发出单色光，因此这些照明设备现在已经被用于信号和标志应用。预期此类照明设备会在不久的将来取代诸如白炽灯泡之类的传统的灯。LED照明设备的其他优点还包括其非常可靠并且对振动不敏感。因此，这种照明设备将特别在汽车应用中取代传统的灯，比如作为尾灯。

上面提到的照明设备需要相当大的电功率。尾灯的红色LED例如需要3W的功率。但是具有这种LED的照明设备的可靠性及其相对光输出非常依赖于结温度。由于高功率而导致的结温度升高会缩短其使用寿命并且降低其相对光输出。为了限制这些效应，对所述照明设备的良好冷却是非常重要的。因此，照明设备可以包括用于建立具有高导热率的热接触的段塞(slug)，并且所述段塞被安装在吸热器上。

在车辆环境中，电池的负电势以及所述车辆本身的底盘通常接地。此外，吸热器也接地。当对于所述LED照明设备使用传统的驱动电路时，所述吸热器与所述照明设备必须彼此电绝缘。这样做就导致产生增大的热阻，从而会限制所述相对光输出。

专利申请US 2005/0068776 A1公开了一种具有热阻的安装在吸热器上的LED设备。但是必须隔离所述LED连接到所施加的电源的全部两条引出导线。所述LED设备通过螺钉直接机械地并且热力地连接到吸热器。因此就有热阻存在，并且所述热阻还会限制这种照明设备的性能。

因此，本申请的一个目的是针对由于过热而导致的损害为所述照明设备提供足够的保护。本申请的另一个目的是为所述照明设备提供长时间的可靠性并且提供良好而稳定的辐射。本申请的另一个目的是提供一种允许对所述照明设备进行最优冷却的照明电路。

发明内容

可以通过一种用于驱动照明设备的系统来实现上述和其他目的，所述系统包括：

用于提供驱动功率以便驱动照明设备的驱动电路，所述照明设备被设置在照明电路内从而使其阳极处于所述驱动电路的地电势，并且所述照明设备被设置在所述照明电路内从而使其阴极处于与所述地电势相比的负电势，其中阴极处的电势与所述驱动电路的正电势电解耦。

用于所述照明电路的必要驱动功率在许多情况下可以是其负极接地的DC电压源。所述DC电压源可以被集成在所述驱动电路内，并且其驱动功率被所述照明电路传送到所述照明设备。

本申请的照明设备可以包括可以被安装在段塞上的LED设备。所述段塞的目的是建立具有高导热率的热接触，从而允许把所述LED设备尽可能好地热耦合到吸热器。因此，所述照明设备的阳极可以连接到所述段塞。此后，所述LED设备还与吸热器电耦合以便得到最优的热耦合。这种系统提供了对所述照明设备进行很容易地冷却的可能性。因此所述照明电路的阳极处于地电势。可能有利的是令所述阴极处于与所述地电势相比的负电势。这种设置允许电流流经所述照明设备。为了实现这种设置，必须把所述照明设备的阴极的电势与所述驱动电路的正电势解耦。

通过把阴极处的电势与所述驱动电路的正电势电解耦，有可能把不同的相对电势接地。举例来说，可以把所述驱动电路的负极接地，与此同时还可以把所述照明电路的阳极接地。

可以通过根据权利要求2的解耦单元把所述驱动电路的正电势与所述照明设备的阴极处的电势电解耦。所述解耦单元可以被设置在所述照明电路内。这种解耦单元可以是开关和/或二极管。因此可以很容易对所述照明设备进行冷却并且还提供了恒定的单色光输出。

根据权利要求3，使用一种降压-升压转换器拓扑。降压-升压转换器拓扑可以包括线圈和可选的用于储能的电容器。可以附加地采用电容器来平滑流经所述照明设备的电流。所述照明设备可以与所述线圈并联连接，并且还可以与所述可选电容器并联连接。LED可以被特别用作照明设备。这种降压-升压转换器拓扑还可以包括充当解耦单元的二极管，以避免直流从所述驱动电路流到所述照明设备。此外，所述电路可以具有开关单元。所述开关单元可以是半导体开关，比如双极型晶体管或场效应晶体管。通过这种拓扑有可能把所述照明设备的阳极接地。此外，对应于实施这种拓扑的成本很低。照明设备的布线可以很容易进行。这种电路在仅仅使用一个LED的情况下特别有效。在汽车应用中常常采用这种照明设备。

根据权利要求4，所述照明电路与所述驱动电路彼此电解耦，并且通过所述解耦单元把驱动功率从所述驱动电路传送到所述照明电路。这种解耦单元可以允许采用多个LED设备。

根据权利要求5的系统，使用变压器来把所述驱动电路与所述照明电路解耦。变压器通常特别允许把这两个部件电隔离。通过所述变压器的可变磁通量来传送驱动功率。可以使用不同种类的变压器，比如储能式变压器或高频变压器。

此外还优选的是使用根据权利要求6的回扫转换器拓扑。回扫转换器可以包括变压器，其中该变压器的次级线圈充当所述照明设备的电源。能量被储存在所述变压器的气隙内。此外，处于次级侧的照明电路可以包括用以避免负电流的二极管以及用于储存能量和平滑电流的可选电容器。此外还实施用于发光的LED。处于初级侧的驱动电路可以包括DC电压源和开关单元。所述开关单元可以是半导体开关，比如双极型晶体管或场效应晶体管。这样将得到无需很高成本的很容易的实现方式。

根据权利要求7的系统，替换地使用一种正向转换器拓扑。所述解耦单元可以包含两个初级线圈和一个次级线圈。由此这两个初级线圈可以彼此分开，并且所述驱动电路可以包括开关单元和二极管。所述开关单元还可以是半导体开关。此外，所述照明电路可以包括两个二极管和一个用于储存获得自所述驱动电路的DC电压源的能量的电感器。所述变压器可以是高频电压器，并且可以不储存能量。还可以附加地设置电容器来平滑电流。这样将可以在无需很高成本的情况下改进相对光输出。

根据权利要求8的系统，由所述开关单元来操作从所述驱动电路到所述照明电路的驱动功率传送。如前所述，由于其开关时间很短并且开关损耗很小，因此可以使用半导体开关。如果所述开关单元导通，则可以把能量传送到所述照明电路。如果所述开关不导通，则不能传送能量。

所述开关单元的占空比受到控制单元的控制。根据权利要求9的系统，优选地把所述开关单元的占空比选择成使得流经所述照明设备的电流是恒定的。流经所述照明设备的恒定电流导致所期望的恒定光输出。可以通过脉冲宽度调制的信号来控制所述开关单元。

为了控制流经所述照明设备的电流从而使其是恒定的，通常必须测量该电流。因此，根据权利要求10的系统，在所述照明电路中安装旁路电阻，从而使得流经所述旁路电阻的电流和流经所述照明设备的电流相等。

该旁路电阻可以与所述照明设备串联连接。因此，根据权利要求11的系统，有可能通过测量所述旁路电阻处的电压降来获得所述电流。根据所获得的该电压和已知的电阻，所述控制单元可以很容易地计算流经所述照明设备的电流。所述控制单元可以基于这些结果来控制所述开关单元。根据回扫或正向转换器拓扑，所述旁路电阻可以以电路内的地电压为基准。这样可以简化所述电压测量。

根据权利要求12的系统，把冷却单元直接连接到所述照明设备并且接地。在采用具有高功率消耗的照明设备的情况下，使用冷却单元是十分重要的。否则，这种照明设备可能会受到损害。主要使用吸热器来冷却照明设备。在本中请中，所述照明设备可以包括段塞以作为具有高导热率的散热器。段塞可以被直接安装在所述吸热器上，以用于尽可能好的有效冷却。所述连接可以通过导热胶实现。这种良好的冷却将导致较低的LED结温度，从而得到好得多的可靠性。

如前所述，所述照明设备的阳极可以电连接到所述段塞。根据权利要求13的系统，所述照明设备的阳极连接到所述接地的冷却单元。由于已经解释过的解耦，可以省却所述冷却单元与所述段塞之间的隔离。这将导致尽可能低的热阻。

根据权利要求14的系统，所述照明设备不仅被安装在所述冷却单元上，而且还被安装在所述照明电路上，其中，到所述照明电路的负连接是通过安装螺钉或冷却夹具实现的。另一方面，所述电路可以通过所述照明设备和/或照明电路的外壳的电和机械连接来实现，另一方面也可以通过单一连接来实现，例如通过电线、螺钉或夹具来实现。

根据权利要求15的系统，如果必须使用多个照明设备，则这些照明设备可以都被安装在相同的冷却单元上，并且具有公共地电势。不需要使用多个吸热器，因此实施多个照明设备的努力很小。

此外，根据权利要求16的系统，优选的是在其次级侧具有多个抽头的变压器。在每一个这些抽头之间可以连接照明电路。串联连接所述照明电路是有道理的。但是对于操作来说很重要的是隔离多个绕组当中的每一个。此外，使用仅仅一个变压器的成本较低。

本发明的另一方面是一种用于驱动照明设备的方法，其包括以下步骤：在驱动电路内提供用于驱动照明设备的驱动功率；在照明电路内把所述照明设备的阳极耦合到所述驱动电路的地电势；在所述照明电路内把所述照明设备的阴极耦合到与所述地电势相比的负电势；以及把阴极处的电势与所述驱动电路的正电势电解耦。

本发明的另一方面是一种用于驱动照明设备的方法，其包括以下步骤：从驱动电路接收用于驱动照明设备的驱动功率；在被设置于照明电路内的所述照明设备的阳极中接收所述驱动电路的地电势；以及在所述照明设备的阴极处接收与所述地电势相比的负电势，其中所述阴极处的电势与所述驱动电路的正电势电解耦。

本发明的另一方面是一种用于驱动照明设备的模块，其包括用于从驱动电路接收用来驱动照明设备的驱动功率的接收装置，所述照明设备被设置在照明电路内从而使其阳极处于所述驱动电路的地电势，并且所述照明设备被设置在所述照明电路内从而使其阴极处于与所述地电势相比的负电势，其中所述阴极处的电势与所述驱动电路的正电势电解耦。

参照下面的附图，本专利申请的上述和其他方面将变得显而易见。

附图说明

在附图中：

图1示出了根据现有技术的系统。

图2示出了根据一个实施例的系统。

图3示出了说明几种LED的相对光输出和结温度的曲线图。

图4a示出了根据第一实施例的电路。

图4b示出了根据第二实施例的电路。

图5示出了根据第三实施例的电路。

图6示出了根据另一个实施例的系统。

具体实施方式

本申请提供了在冷却照明设备方面的改进以及在相对光输出方面的改进。

在图1中示出了根据现有技术的系统100。所述系统100包括照明设备102。所述照明设备102例如是LED设备。此外还示出了段塞104，其可以由具有高导热率的材料构成。所述段塞104直接连接到所述照明设备102。此外还示出了所述照明设备102的阴极112和阳极110。所述阳极110连接到所述段塞104。此外还示出了吸热器108。该吸热器108连接到地电势。驱动功率处于正电势。为此，所述段塞104和所述吸热器108必须彼此隔离。因此，隔离层106是非常重要的，但是这意味着更高的热绝缘。结果，使得所述LED达到特定结温度的最大驱动功率相对较低，并且所能达到的光输出降低(也参见图3)。

图2示出了根据本申请的系统200。这里不再提到已知的单元，并且其保持与图1中相同的附图标记。系统100与系统200之间的差异在于省略了隔离层106。所述段塞104被直接安装在所述吸热器108上，其结果是显著降低了热阻。在电学上这样做的结果是从阳极110通过所述段塞104到所述接地的吸热器108的电连接。所述驱动电路和所述照明电路必须能够利用该电接地来驱动所述照明设备102。这是由于至少所述电压源的正电势与所述照明设备的阴极处的电势的解耦而造成的，后面将详细进行解释。

图3中的曲线图示出了LED的相对光输出与结温度之间的关系。关于其相对光输出测量了三种不同的LED，即红色、红-橙色和琥珀色LED，其中所述LED的相对光输出取决于其结温度。在室温下，所述相对光输出是100％。如果所述结温度升高，则所述相对光输出显著降低。因此，照明设备的良好冷却对于获得高光输出来说非常重要。

图4a示出了根据本申请的第一实施例的电路。所示出的电路被设置在降压-升压转换器拓扑中。整个电路可以被分成两个部分。一个部分可以是驱动电路416，另一个部分是照明电路418。

所述驱动电路416包括电压源402，其例如是DC电压。所述电压源402的负电势处于地电势。其与开关单元408串联连接，根据图4a，所述开关单元可以是场效应晶体管。所述驱动电路416还提供控制单元424以用于获得流经照明设备412的电流并且用于控制所述开关单元408。所述控制单元424具有端子428、430。端子430a、430b被设置成用于电压测量，端子428a、428b被设置成用于控制所述开关单元408。

所述照明电路418包括所述照明设备412，所述照明设备412根据本实施例可以是LED。所述照明设备412的阳极接地。因此，所述照明设备412的阳极处于与所述电压源402的负电势相同的电势。此外，线圈426被设置在地与充当解耦单元的二极管406的阴极之间。所述二极管406的阳极通过旁路电阻410连接到所述照明设备412的阴极。可选的电容器414可以与所述旁路电阻410及所述照明设备412并联连接，以用于平滑流经所述照明设备412的电流。

取决于所述开关单元408的状态，降压-升压转换器拓扑具有两个不同状态。

在接通状态期间，所述开关单元408导通，并且电流从所述电压源402流出流经所述线圈426。所述电流使得能量被储存在所述线圈426内。由于所述二极管406被反向偏置，因此该电流无法流到所述照明设备412。如果实施了可选电容器414，则所述电流也无法流过该电容器414。由于能量已经被储存在所述可选电容器414内，因此电流可以流经所述旁路电阻410并且流经所述照明设备412以用于发光。所述控制单元424通过端子430a、430b测量所述旁路电阻410处的电压降。根据所获得的电压以及已知的旁路电阻410，所述控制单元424能够计算流经所述照明设备412的电流。所述开关单元408的占空比被控制成使其可以在所述电流达到预定值时做出开关动作。如果没有采用可选电容器414，所述占空比可以使得人眼感知恒定光输出。

在关断状态下，所述开关单元408不导通，并且来自所述驱动电路416的电流无法流到所述照明电路418。相反，所述线圈426尝试保持电流流动，并且相应地尝试阻止磁通量的改变。由此有电流流经所述照明设备412、所述旁路电阻410以及没有被反向偏置的二极管406。从而发出光。如果实施了可选电容器414，则该电容器414被所述电流重载。所述控制单元424按照上面提到的方式确定流经所述照明设备412的电流以用于控制所述开关单元408。所述占空比通常取决于在图4a中所示的系统中所使用的组件。本实施例通过所述开关设备408的正确占空比产生恒定的相对光输出。

图4b示出了根据第二实施例的电路。所示出的电路被设置在回扫转换器拓扑中。已知的单元保持与图4a中相同的附图标记。所述电路可以被分成驱动电路416和照明电路418。所述驱动电路416包括其负电势处于地电势的DC电压源402。此外还把场效应晶体管用作开关单元408。所述驱动电路416还包括变压器404的第一线圈420。所述变压器404把所述驱动电路416与所述照明电路418电解耦。举例来说，所述变压器404可以是储能式变压器。

所述照明电路418包括所述变压器404的第二线圈422以及串联连接的二极管406。此外，旁路电阻410和照明设备412也串联连接。根据所示出的实施例，所述照明设备412也是LED。所述照明设备412的阳极处于地电势。可选电容器414可以与所述旁路电阻410及所述照明设备412并联连接。

当所述开关单元408导通时，有电流流经所述电压器404的第一线圈420并且感生出增大的磁通量。换句话说，能量在导通阶段期间被储存到所述变压器404中。与此同时，所述二极管406避免电流流过，这是因为所述变压器404的次级绕组422为负。与此同时。所述电容器414将其所储存的能量提供给所述照明设备412，从而发出光。流经所述照明设备412的电流与流经所述旁路电阻410的电流相同。因此可以由所述控制单元(未示出)通过所测量的电压和已知的旁路电阻410来计算该电流。其占空比与第一实施例的占空比(参见图4a)类似地工作。

当所述开关单元408不导通时，电流无法在所述驱动电路416内流动。但是所述线圈420、422尝试保持电流流动，并且其相应地尝试阻止磁通量的改变。因此有电流流经没有被反向偏置的所述二极管406，并且所储存的能量被传送到所述照明设备412以及所述可选电容器414。另一方面，所述电流重载所述可选电容器414，并且另一方面其提供发光。流经所述照明设备412的电流按照与导通状态下相同的方式受到控制。

本实施例通过所述开关设备408的正确占空比产生恒定的相对光输出，由此所述驱动电路416与所述照明电路418电解耦。所述占空比取决于图4b的系统所使用的组件。

图5示出了根据第三实施例的电路。该电路被设置在正向转换器拓扑中。这里不再提到已知的单元，并且其保持与图4a和图4b中相同的附图标记。所述电路也可以被分成驱动电路516和照明电路518。但是这些电路516、518不同于图4b的电路416、418，其区别在于所述驱动电路516提供变压器502的两个初级线圈520、522和附加的二极管504。所述变压器502可以是高频变压器。

所述照明电路518还包括串联连接在二极管406与旁路电阻410之间的电感510。二极管508与所述电感510、所述旁路电阻410及所述照明设备412并联连接。

所述开关单元408按照与图4a或图4b中相同的方式受到控制。

当所述开关单元408导通时，电流感生出增大的磁通量，并且能量被从所述初级线圈520传送到次级线圈524。所述能量不被储存在所述变压器502的铁芯中，而是通过电流被直接传送到所述照明设备412。该电流还流经所述电感510，由此能量被储存在所述电感510的磁场内。如果附加地安装了电容器414，则所述电流还加载所述电容器414。所述电容器414可以被提供来平滑流经所述照明设备412的电流。

当所述开关单元408不导通时，无法把能量从所述驱动电路516传送到照明电路518。初级侧的剩余磁通量由二极管504释放。在所述照明电路中，所述电感器510尝试保持电流流动。因此，有电流流经所述二极管508并且还流经所述照明设备412。这样就得到恒定的光输出。所述电流按照与前面的实施例中相同的方式受到控制，并且用于操作所述开关单元408的占空比还取决于图5的系统所使用的组件。

图6示出了根据另一个实施例的系统600。两个系统100被直接安装在相同的吸热器108上而没有隔离。因此，变压器必须包括用于连接这些系统100的多个隔离绕组。这些系统100可以被设置在所述变压器的各接连抽头之间。此外还有可能在相同的吸热器108上实施多个系统100。

本发明的主要应用领域可以是汽车市场，例如尾灯。特别在这一领域内，具有高功率消耗的照明设备由于其单色光而被用于信号和标志应用。但是一般的照明市场也是可能的应用领域。

虽然已经显示、描述并且指出了本发明的应用于其优选实施例的基本新颖特征，但是应当理解的是，在不偏离本发明的精神的情况下，本领域技术人员可以对所描述的设备和方法的形式和细节做出各种省略、替换和改变。举例来说，按照基本上相同的方式执行基本上相同的功能以实现相同结果的元件和/或方法步骤的所有组合都应当落在本发明的范围内。此外还应当认识到，作为一般的设计选择，结合本发明的任何所公开的形式或实施例所显示和/或描述的结构和/或元件和/或方法步骤可以被合并在任何其他所公开或描述或建议的形式或实施例中。因此，本发明仅由所附权利要求书的范围限定。还应当认识到，任何附图标记都不应当被解释为限制权利要求的范围。

Claims

1、一种用于驱动照明设备的系统，其包括：

用于提供驱动功率以便驱动照明设备的驱动电路；

所述照明设备被设置在照明电路内，从而使其阳极处于所述驱动电路的地电势；并且

所述照明设备被设置在所述照明电路内，从而使其阴极处于与所述地电势相比的负电势，其中阴极处的电势与驱动电路的正电势电解耦。

2、权利要求1的系统，其还包括用于把阴极处的电势与驱动电路的正电势电解耦的解耦单元。

3、权利要求1的系统，其中，所述系统被设置在降压-升压转换器拓扑中。

4、权利要求2的系统，其中，所述解耦包括：把驱动电路与照明电路电解耦；以及把驱动功率至少部分地从驱动电路传送到照明电路。

5、权利要求4的系统，其中，所述解耦单元包括变压器。

6、权利要求4的系统，其中，所述系统被设置在回扫转换器拓扑中。

7、权利要求4的系统，其中，所述系统被设置在正向转换器拓扑中。

8、权利要求1的系统，其还包括用于操作流经所述解耦单元的驱动电流的开关单元。

9、权利要求1的系统，其还包括用于控制开关单元从而使得流经照明设备的电流恒定的控制单元。

10、权利要求1的系统，其还包括被设置在照明电路中的旁路电阻，从而使得流经所述旁路电阻的电流与流经所述照明设备的电流相等。

11、权利要求9的系统，其中，所述控制单元根据在旁路电阻处所测量的电压获得所述照明设备的电流以用于控制所述开关单元。

12、权利要求1的系统，其还包括直接连接到所述照明设备并且接地的冷却单元。

13、权利要求12的系统，其中，所述照明设备的阳极连接到所述冷却单元。

14、权利要求12的系统，其中，所述照明电路被安装在所述冷却单元上，并且其中所述照明设备的阴极通过以下各项的至少其中之一电连接到所述照明电路：

A)安装螺钉；

B)冷却夹具。

15、权利要求4的系统，其还包括被安装在公共冷却单元上并且与公共地电接触的多个照明设备。

16、权利要求5的系统，其中，所述变压器在其次级侧具有多个隔离线圈的多个抽头，从而在每两个接连抽头之间连接所述照明电路。

17、一种用于驱动照明设备的方法，其包括以下步骤：

在驱动电路内提供用于驱动照明设备的驱动功率；

在照明电路内把所述照明设备的阳极耦合到所述驱动电路的地电势；以及

在所述照明电路内把所述照明设备的阴极耦合到与所述地电势相比的负电势；

把阴极处的电势与所述驱动电路的正电势电解耦。

18、一种用于驱动照明设备的方法，其包括以下步骤：

从驱动电路接收用于驱动照明设备的驱动功率；

在被设置于照明电路内的照明设备的阳极中接收驱动电路的地电势；以及

在照明设备的阴极处接收与所述地电势相比的负电势，其中阴极处的电势与所述驱动电路的正电势电解耦。

19、一种用于驱动照明设备的模块，其包括：

用于从驱动电路接收用来驱动照明设备的驱动功率的接收装置；

所述照明设备被设置在照明电路内，从而使其阴极处于与所述地电势相比的负电势，其中阴极处的电势与所述驱动电路的正电势电解耦。