CN101707874B - 用于可调电流光源的功率控制系统 - Google Patents

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Abstract

发光二极管(LED)照明系统包括有一个PFC和输出电压控制器,以及一个LED照明功率系统。该控制器的优点在于其工作于辅助电压上,该辅助电压低于LED照明功率系统所产生的链接电压。共享参考电压使照明系统的全部组件都能一起工作。一个功率因数校正开关和一个LED驱动电流开关被耦合到共享参考节点上,并有控制从节点到共享节点的绝对电压,这使控制器能够控制开关的导通性。该LED照明系统可以利用前馈式控制来同时改变LED照明功率系统对功率的需求以及一个或多个LED对功率的需求。该LED照明系统可以利用一个共享电流传感装置向控制器供给共享反馈信号,该控制器反映了至少两个LED的电流。

Description

用于可调电流光源的功率控制系统
[0001] 对相关专利申请的交叉引用
[0002] 本专利申请要求依据35 U.S.C.§ 119 (e)和37 C.F.R.§ 1.78享有2007年3月12日递交的名为“照明灯具”的60/894,295号美国临时专利申请的权益。60/894,295号美国临时专利申请内包含示范性系统和方法,其通过引用被完整地纳入本专利申请。
[0003] 美国临时专利申请号60/909,458,标题为“发光二极管光源镇流器”,发明人JohnL.Melanson,代理人档案编号1666-CA-PR0V,于2007年4月I日递交的申请描述了示范性方法和系统,其通过引用被完整地纳入本专利申请。
[0004] 美国专利申请号—,标题为“发光二极管光源镇流器”,发明人JohnL.Melanson,代理人档案编号1666-CA,于2008年3月12日递交的申请描述了示范性方法和系统,其通过引用被完整地纳入本专利申请。
[0005] 美国专利申请号11/926,864,标题为“恒色温光源可调照明装置的颜色改变”,发明人John L.Melanson,代理人档案编号1667-CA,于2007年3月31日递交的申请描述了示范性方法和系统,其通过引用被完整地纳入本专利申请。
[0006] 美国临时专利申请号60/909,457,标题为“多功能占空比调节器”,发明人JohnL.Melanson和John Paulos,代理人档案编号1668-CA-PR0V,于2007年3月31日递交的申请描述了示范性方法和系统,其通过引用被完整地纳入本专利申请。在本文件内称为Melanson I。
[0007] 美国专利申请号 —,标题为“多功能占空比调节器”,发明人John L.Melanson和John Paulos,代理人档案编号1668-CA,于2008年3月12日递交的申请描述了示范性方法和系统,其通过引用被完整地纳入本专利申请。在本文件内称为Melanson II。
[0008] 美国专利申请号11/695,024,标题为“带照明调光器输出映像的照明系统”,发明人John L.Melanson和John Paulos,代理人档案编号1669-CA,于2007年3月31日递交的申请描述了示范性方法和系统,其通过引用被完整地纳入本专利申请。
[0009] 美国专利申请号11/864,366,标题为“带积分响应系统的时程控制”,发明人JohnL.Melanson,代理人档案编号1692-CA,于2007年9月28日递交的申请描述了示范性方法和系统,其通过引用被完整地纳入本专利申请。在本文件内称为Melanson III。
[0010] 美国专利申请号11/967,269,标题为“用带非线性功率转换过程模拟的非线性增量-总和调制器的功率控制系统”,发明人JohnL.Melanson,代理人档案编号1745-CA,于2007年12月31日递交的申请描述了示范性方法和系统,其通过引用被完整地纳入本专利申请。在本文件内称为Melanson IV。
[0011] 美国专利申请号11/967,271,标题为“带反馈消减的功率因数校正控制器”,发明人John L.Melanson,代理人档案编号1756-CA,于2007年12月31日归档,该申请描述了示范性方法和系统,本专利申请通过引用完整地纳入该美国临时专利申请。在本文件内称为 Melanson V。
[0012] 美国专利申请号11/967,273,标题为“通过检测开关日期充电特点来检测电感器归零的系统和方法”,发明人John L.Melanson,代理人档案编号1758-CA,于2007年12月31日递交的申请描述了示范性方法和系统,其通过引用被完整地纳入本专利申请。在本文件内称为Melanson VI。
[0013] 美国专利申请号11/967,275,标题为“可编程功率控制系统”,发明人JohnL.Melanson,代理人档案编号1759-CA,于2007年12月31日递交的申请描述了示范性方法和系统,其通过引用被完整地纳入本专利申请。在本文件内称为Melanson VII。
[0014] 美国专利申请系列号11/967,272,标题为“带开关节点反馈的功率因数校正控制器”,发明人John L.Melanson,代理人档案编号1757-CA,于2007年12月31日递交的申请描述了示范性方法和系统,其通过引用被完整地纳入本专利申请。在本文件内称为Melanson VII10
[0015] 美国专利申请编号—,标题为“由调相信号决定功率因数校正控制数据的照明系统”,发明人John L.Melanson,代理人档案编号1787-CA,于2008年3月12号递交的申请描述了示范性方法和系统,其通过引用被完整地纳入本专利申请。
技术领域
[0016] 本发明一般地涉及到电子及照明领域,具体地说,涉及电流调节光源如发光二极管光源的功率控制及/或供给的系统及方法。
背景技术
[0017] 商业上实用的白炽灯泡已经使用了 100多年。但是,其它光源也有望成为白炽灯泡的商业上可行的替代品。发光二极管(LED)作为主流光源特别有吸引力,部分原因是其通过光输出效率高而节省能量、寿命长,以及环境激励,如减少了汞的使用。
[0018] LED是半导体,由直流电驱动。LED的亮度与通过LED的电流呈正比地变化。于是,增加供给LED的电流将提高其亮度,而减少供给LED的电流将减低其亮度。
[0019] 图1示出了一个开关LED的驱动系统100。LED驱动系统100包括有一个连续的电流模块,和降压式功率转换器102用于提供恒定电源电压V 以开关LED系统104。电压源101向一个二极管全整流桥103提供一个交流输入电源电压Vwitl譬如,电压源101是公共电源,而交流电源电压Vwi在美国是60Hz/120V电源电压,在欧洲是50Hz/230V电源电压。整流器103对输入的电源电压Vwi进行整流。保持电容器Cl使通过电容器Cl的电压相对于参考电压Vr保持在近似直流的供电电压Va。供电电压Va也是功率转换器102的输出电压,以及控制器106的输入电压。输入滤波电容C2为整流器103输出电压中的高频分量提供了高通滤波。热敏电阻NTCl为功率转换器102提供浪涌电流保护。
[0020] 譬如说,控制器106是一个Supertex HV9910B集成电路控制器,可以从加利福尼亚州Sunnyvale市的Supertex公司购得。供电电压Va能够改变,譬如从8V变到450V。控制器106有一个内部电压调节器,使得可以直接在直流电源电压Vc上进行操作。控制器106从GATE输出节点向η-通道金属氧化物场效应晶体管(MOSFET) Ql提供一个栅极驱动信号。控制器106调制栅极驱动信号,于是调节后MOSFET Ql的导通性提供了恒定电流对LED系统104进行开关控制。控制器106通过改变脉冲宽度调制的栅极驱动信号VeATE的占空比来调节MOSFET Ql的平均阻抗。电阻R1和电容C3为控制器106的接地参考点提供了外部联接。[0021] 控制器106产生并利用反馈,来保持一个恒定的电流i_。控制器106收到一个电流反馈信号vfb,它代表着在传感电阻R2上所测得的反馈电压Vfb。反馈电压Vfb与LED108中的LED电流呈正比。如果反馈电压Vfb超过了预期的LED电流相应的预设参考值,控制器106将对反馈电压V ^做出反应,办法是减小栅极驱动信号GATE的占空比,以使MOSFET Ql的平均阻抗随时间而增大。如果反馈电压Vfb超过了预期的LED电流相应的预设参考值,控制器106将对反馈电压V fb做出反应,办法是增大栅极驱动信号GATE的占空t匕,以使MOSFET Ql的平均阻抗随时间而减小。
[0022] 开关LED系统104包括有一个或多个串联的LED 108链。当MOSFET Ql接通时,即处于导通状态时,二极管Dl的偏压被反转,于是电流流过LED,并给电感器L1充电。当MOSFET Ql被断开,即处于不导通状态时,电感器L1上的电压的极性改变,二极管D1就为二极管电流形成一条电流通路。要选择可贮存足够能量的电感器L1,使得当MOSFET Ql被断开时,它能维持恒定的电流i_。
[0023] 图2示出了一个功率控制系统200,它包括有一个开关功率转换器202。整流器103将输入的电源电压Vwi进行整流,并向开关功率转换器提供一个经过整流的,随时间而变的初级供电电压Vx。开关功率转换器202向负载222提供一个经过功率因数校正的,近似恒定的电压功率。
[0024] PFC和输出电压控制器214控制着PFC开关208,以向开关功率转换器202提供功率因数校正并调节输出电压V。。功率因数校正技术的目的是使开关功率转换器202对电压源101体现电抗性。于是,PFC和输出电压控制器214试图控制电感器电流L使得平均电感器电流L线性地且直接地与初级供电电压Vx相关。PFC和输出电压控制器214提供一个脉冲宽度调制的(PWM)控制信号CStl,以控制开关208的导通性。在至少一个实施例中,开关208是一个场效应晶体管(FET),而控制信号CStl是开关208的栅极电压。控制信号CS。的脉冲宽度值和占空比取决于两个反馈信号,即初级供电电压Vx和电容电压/输出电压V。。一般也将输出电压V。称为“链接电压”。
[0025] 为了将输入电压Vx转变成`经过功率因数校正的输出电压V。,PFC和输出电压控制器214调制着PFC开关208的导通性。为了调节传输的能量并将功率因数保持在接近1,PFC和输出电压控制器214改变着控制信号CStl的周期,使输入电流k能够追踪到输入电压Vx中的变化,并使输出电压V。保持恒定。于是,当输入电压Vx增加时,PFC和输出电压控制器214将增加控制信号CStl的周期TT ;当输入电压Vx减少时,PFC和输出电压控制器将减少控制信号CStl的周期。同时,控制信号CStl的脉冲宽度(PW)受到调整,以使控制信号CS。的占空比保持恒定,这样就保持了输出电压\的恒定。当开关208导通时,即接通时,电感器电流k骤然上升。当开关208处于非导通状态时,即被断开时,电感器电流k骤然下降,提供电感器电流L给电容206充电。一般将电感器电流k骤然下降的时间周期称为“电感器归零时间”。二极管211防止反向电流流进电感器210。电感器电流k与开关208的“接通时间”呈比例。在至少一个实施例中,开关功率转换器202以间断电流的模式工作,即,电感器电流k的上升时间加电感器归零时间少于控制信号CStl的周期,这就控制了开关208的导通性。Prodi0功率因数校正整流器的快速电压环路的补偿器设计与稳定性评价,IEEE Transactions on PowerElectronics (IEEE 电力电子学汇刊),第 22 卷,第 5 期,2007年9月,第1719-1729页。(在本文内称为Prodi0 ),该文描述了一个PFC和输出电压控制器214的例子。
[0026] 在至少一个实施例中,PFC和输出电压控制器214以远高于输入电压Vx的频率更新控制信号CScitj输入电压Vx的频率一般为50-60HZ。譬如说,控制信号CStl的频率1/TT介于20kHz与130kHz之间。等于或高于20kHz的频率避免了声音频率的影响,等于或低于130kHz的频率避免了有较大影响的开关无效性,同时又能维持一个很好的功率因数,譬如
0.9〜I的功率因数,并使输出电压V。保持近似的恒定值。
[0027] 当二极管211的偏压被反转时,电容器206向212提供贮存的能量将其加载。电容器206足够大,可使PFC和输出电压控制器214 (将在以下详细讨论)所建立起的输出电压V。较好地保持恒定。在恒定负载条件下,输出电压V。能较好地保持在一个恒定的目标值上。但是当负载改变时,输出电压V。将变化。PFC和输出电压控制器214将调整控制信号CS0,使输出电压V。回到目标值上,以对电压V。的变化做出反应。PFC和输出电压控制器214包括一个小电容器215,以滤掉初级供电电压Vx中的任何高频信号。
[0028] PFC和输出电压控制器214控制着开关功率转换器202的过程,以将预期的能量转送给电容器206。预期的能量取决于负载212的电压和电流要求。为了确定负载212的能量要求,PFC和输出电压控制器214包括一个补偿器228。补偿器228测定参考电压Vkef与实际的输出电压V。之差,前者指示输出电压V。的目标电压,后者是从节点222上感测并作为来自电压环路218的反馈被接收。补偿器228 —般利用如比例积分(PI)控制这样的技术,以对输出电压V。与参考电压Vkef之差做出反应。PI控制对误差进行处理,使PFC和输出电压控制器214能够平滑地调整输出电压V。,使得在对小的误差信号做出反应时,可避免引起输出电压V。的快速波动。补偿器228向脉冲宽度调制器(PWM) 230提供一个输出信号,使PWM 230产生一个控制信号CStl用于驱动开关208。
[0029] LED照明系统控制器,如控制器106,使用的供电电压是可变的,如变化于8V到450V之间,这种控制器一般都需要使用较昂贵的集成电路,它们比运行于最大供电电压之一部分的集成电路要昂贵。如使用带反馈控制的普通PFC控制器,当负载所需要的功率迅速降低时,输出电压V。将瞬间增加,同时PFC控制器将降低输出电压,以对输出电压的反馈做出反应。使用补偿器的普通开关功率转换器,对负载所需功率的较大变化的反应一般会比较慢。此外,普通的PFC控制器往往包含有大且相对昂贵的电解电容,用以承受电压峰值。
发明内容
[0030] 在本发明的一个实施例中,发光二极管照明系统包括有功率因数校正(PFC)和LED驱动控制器。该控制器包括有一个数字式信号处理器,它被耦合到LED反馈节点上并作如下配置:在数字水平供电电压上进行操作;产生一个PFC控制信号;并产生一个LED电流控制信号。该控制器还包括有一个第一缓冲器,它被耦合到处理器上并作如下配置:在中等水平供电电压上进行操作。中等水平供电电压大于数字水平供电电压。该控制器还进一步配置得能够接收PFC控制信号并将PFC控制信号转换成PFC开关控制信号,以控制高压PFC开关的导通性。该控制器还包括一个第二缓冲器,它被耦合到处理器上并作如下配置:在中等水平供电电压上进行操 作;接收LED电流控制信号^fLED电流控制信号转换成LED电流控制开关信号以控制高压LED电流控制开关的导通性。[0031] 在本发明的另一个实施例中,一个方法包括:在数字水平供电电压上操作功率因数校正(PFC)的数字式信号处理器和输出电压控制器并产生一个PFC控制信号;产生一个LED电流控制信号。该方法还包括:在中等水平供电电压上操作耦合到处理器上的第一缓冲器。中等水平供电电压大于数字水平供电电压;接收PFC控制信号。该方法还包括将PFC控制信号转换成PFC开关控制信号以控制高压PFC开关的导通性,并在中等水平供电电压上操作耦合到处理器上的第二缓冲器。该方法还包括接收LED电流控制信号并将LED电流控制信号转换成LED电流控制开关信号,以控制高压LED电流控制开关的导通性。
[0032] 在本发明的进一步实施例中,一个发光二极管(LED)照明系统包括有LED照明功率系统。在LED照明系统正常工作时,LED照明功率系统产生一个相对于共享电压而言的第一电源电压。第一电源电压是一个链接电压。该LED照明功率系统包括一个开关功率供应系统,它具有功率因数校正(PFC)开关,在该LED照明系统正常工作时,LED照明功率系统的PFC开关工作于电流节点电压上,后者等于或低于相对于共享参考电压的第一电源电压的0.1倍。该LED照明功率系统也包括有一个LED电流控制开关,在该LED照明系统正常工作时,LED电流控制开关工作于电流节点电压上,后者等于或低于相对于共享参考电压的第一电源电压的0.1倍。该LED照明系统还包括一个PFC和输出电压控制器,它们被率禹合到第一及LED驱动电流开关的导通控制节点上。在该照明控制系统正常工作时,控制器在相对于共享电压的第二电源电压上进行操作,并控制PFC开关以及LED电流控制器的导通性;且至少一个LED被耦合到LED电流控制开关上。
附图说明
[0033] 参考附图可以更好地理解本发明,还可以使熟练掌握该技术的人更清楚地看到本发明的大量目的、特征和优点。在这些附图中使用相同参考号代表相同或相似要素。
[0034] 图1(标示出了以前的技术)示出了一个开关发光二极管(LED)驱动系统。
[0035] 图2 (标示出了以前的技术)示出了一个功率控制系统,它包括有一个开关功率转换器。
[0036] 图3示出了一个LED照明系统,它包括有一个共享节点,后者工作于共享参考电压上。
[0037] 图4示出了一个LED照明系统。
[0038] 图5的5A、5B、5C和示出了不同的开关。
[0039] 图5的5E示出了一个驱动电路。
[0040] 图6的6A和6B示出了开关LED系统。
[0041] 图7-8示出了图4中各种控制信号、传感器信号,以及LED照明系统电流之间的关
系O
[0042] 图9示出了一个扩展频谱系统。
[0043] 图10示出了前馈式照明功率和控制系统的一个实施例。
[0044] 图11示出了一个带有多个电流传感组件的开关LED系统。
[0045] 图12示出了一个带有单个电流传感组件的开关LED系统。
[0046] 图13以图形表示非重叠控制信号与电流传感信号。
[0047] 图14以图形表示重叠控制信号与电流传感信号。[0048] 图15示出了图3所示的照明系统控制器的一个实施例。
具体实施方式
[0049] 发光二极管(LED)照明系统包括有一个PFC和输出电压控制器,以及一个LED照明功率系统。该LED照明功率系统在初级供电电压上进行操作,该电压来自于初级电源。控制器的操作用电来自辅助电源,该电源提供的辅助电压低于LED照明功率系统在共享参考节点上产生的、相对于共享参考电压的链接电压。在至少一个实施例中使用了较低的电压,于是控制器的制造成本就低于可比较的、使用LED照明功率系统所产生的初级功率工作的控制器。此外,在LED照明系统正常工作时,分别控制着功率因数校正和LED驱动电流的功率因数校正(PFC)开关和LED驱动电流开关都被耦合到共享参考节点上,并有控制节点到共享节点的绝对电压,使控制器可控制这些开关的导通性。在至少一个实施例中,每个PFC开关和LED驱动电流开关都有控制节点到共用节点的绝对电压,其值在相对于共享参考电压而言的链接电压的15%之内。当电流节点电压在(相对于共享参考电压而言的)链接电压绝对值的15 %之内时,控制器可有效地控制住这些开关。
[0050] 在至少一个实施例中,控制器305是用赠送的12-20伏特(“V”)金属氧化物半导体(CMOS)集成电路处理器(“IC Process")制造的,它在集成电路(IC)控制器的外部被耦合到200-500V级的场效应晶体管(FET)上。该实施例是成本效益比特别高的各种技术的组合。在较好的实施例的进一步改进中,在IC处理器的IC控制器中,除12V〜20V的晶体管外还包括有5V的或电压更低的晶体管,因此可进行密集的数字设计。具有.35微米级或更小处理器的数字控制器制造技术,可用于制造出极小的,性价比高的数字控制器。12V〜20V处理实现了适当驱动外部高压场效应晶体管(FET)的栅极。在至少一个实施例中,IC控制器是控制器305 (见图3和4)。上述的电压限制典型地指出了,高压设备(在栅-源电压大约为12V时接通,而低于IV完全断开)的电源电压几乎相同,才能使同一个控制器可同时驱动两个设备。
[0051] 一个有调光能力的LED照明系统,通过开关LED系统的负载,就可以承受功率需求的快速变化。开关LED系统包括一个或多个发光二极管(LED)。例如,如果LED工作于全强度下,且要求的调光水平为全强度的15%,那么开关LED系统的功率需求将快速并显着地降低。在至少一个实施例中,LED照明系统利用前馈式控制使控制器可同时改变LED照明功率系统的功率需求,以及改变一个或多个开关LED系统的功率需求。于是在至少一个实施例中,LED照明系统可减少从一个电源如电网得到的功率,以迅速地对较低的功率需求做出反应,并使用补偿器如比例式积分控制器进行较小的校正,以保持一个理想的LED照明系统的输出电压。
[0052] 此外,在至少一个实施例中,LED照明系统包括有多个开关LED系统,且每个开关LED系统都至少包括有一个LED。在至少一个实施例中,LED照明系统利用了一个共享电流传感设备,向控制器提供共享的反馈信号,该控制器向至少两个开关LED系统提供电流。在至少一个实施例中,利用了一个共用电流传感设备来减少用于反馈的控制器的插脚数目,并减少电流传感器的数目。
[0053] 图3示出了 LED照明系统300,它包括一个共享参考节点302,后者在共享参考电压V.上,如正常工作时的接地参考点。LED照明系统300在两个电源电压Vx和Vaux上进行操作,二者都被称为共享参考电压。第三个电压VD(示于图1 5中)可在控制器305内部产生,其电压范围最好为1.5V-5.0V,这取决于所选的CMOS技术。“正常工作”指的是LED照明系统300在被供给功率之后,且任何初始的电压或电流瞬变已经被压制后的工作。LED照明系统300产生链接电压Va。PFC开关308和LED驱动电流控制开关310都有控制从节点到共享节点的绝对电压,其值为绝对链接电压Va减去共享参考电压V。》之差的15%,即,Va-V。》。PFC和输出电压控制器305 (称为“控制器305”)在辅助电源电压Vaux上进行操作。辅助电源电压Vaux的绝对值低于链接电压Va的绝对值。
[0054] 图5A、5B、5C和K)示出了开关530的示范实施例,该例代表了开关308及310的一个实施例。请参考图5A,共享开关530的节点532、534和536代表了各自的控制、共享和开关节点。图5B、5C和代表了开关530的实施例。请参考图5B,开关540是一个η-通道M0SFET,栅极节点542、源极节点544和漏极节点546分别代表了控制节点,共享节点和开关节点。请参考图5C,开关550是一个双极结型晶体管(BJT),基极节点552、发射极节点554和集电极节点556分别代表了控制节点,共享节点和开关节点。请参考图5D,开关560是一个绝缘栅双极性晶体管(IGBT),栅极节点562、发射极节点562和集电极节点566分别代表了控制节点,共享节点和开关节点。
[0055] 图5Ε示出了一个范例性的驱动线路570,它代表了驱动线路307和309的一个实施例。P-信道FET 572的源极和η-通道FET574的漏极联接到一起,并提供输出信号CSX,此处CSx代表控制信号CS1和CS2。P-通道FET 572的漏极被联接到高侧供电干线电压上,它低于或等于辅助供电电压Vaux.η-通道FET 574的源极被联接到低侧供电干线电压V.上。FET 572和574共享栅极节点576以得到控制信号CSx。
[0056] 请参考图3,二极管整流器103将输入的电源电压V „!进行整流,并向开关功率转换器303提供经过整流的,随时间而变的初级供电电压Vx。在至少一个实施例中,电源电压Vws是图1和2所示的电源电压Vttlt5请参考图3,辅助电源311向控制器305提供低电压。向控制器305提供低电压,可以低于高电压控制器的成本生产控制器305。此外,在LED照明系统正常工 作时,分别控制着功率因数校正和LED驱动电流的功率因数校正(PFC)开关和LED驱动电流开关都被耦合到共享参考节点上,并有控制节点到共享节点的绝对电压,使控制器可控制这些开关的导通性。在正常工作时,开关功率转换器303将初级电源电压Vx转换成输出链接电压Va。在至少一个实施例中,由于使控制器305参考共享参考节点,并且使开关308和310的控制从节点到共享节点的电压处于电压差Va-V-的15%之内,控制器305就能控制开关308和310的导通性,同时在辅助电源311的辅助电压V Αυχ上进行操作。在至少一个实施例中,电流节点312和313上的电压值为共享参考电压V。》的+IV之内。根据为控制器308所选择的控制模式,PFC开关308中可以需要或不需要电流传感电阻。在较好的实施例中,控制器305是间断电流模式控制器,不使用电流传感器来控制功率因数校正。
[0057] 辅助电源311向控制器305供电。辅助电源311提供的电源电压Vaux要低于链接电压Va的绝对值,例如大约为后者的1% -15%。譬如在至少一个实施例中,额定的RMS初级供电电压Vx是110V,而供电电压V皿是从+IV到+15V之间的任何值,如+1V、+3V、+5V、+12V或+15V。由于控制器305是由较小的电源电压供电的,所以它的生产成本可低于使用较高电压的控制器。选择电压V AUX时,要使它符合外部开关所要求的驱动电压。对于场效应晶体管(FET),该电压的典型值为12V左右。对于双极性晶体管,由于经常使用电流驱动,所以电压值应为1V-2V。
[0058] 在正常工作时,开关功率转换器303将初级供电电压Vx转换成输出链接电压Va。在至少一个实施例中,开关功率转换器303是升压式转换器,即链接电压Va > Vx。对于某一特定的调光水平,开关功率转换器303向LED光源308提供近似恒定的电流i_。电流Iled随调光水平而变,但在至少一个实施例中,它对于某一特定的调光水平约为恒定值。开关功率转换器303包括开关308用以控制输入电流iin,使平均输入电流iin与初级供电电压Vx线性且直接地相关,由此使开关功率转换器303显得对电压源301体现出电抗性。由于控制了输入电流iin,开关308也控制了链接电压Va的值。在LED照明系统300正常工作时,链接电压Va的值接近恒定,不随时间而变,因此接近直流电压。在至少一个实施例中,开关LED系统304包括了一个或多个单个的LED,或一个或多个并联耦合的LED串,比如参考图5A和5B所详细描述的。链接电压Va值的范围一般为200V-500V,具体值取决于交流电源电压V _。
[0059] 控制器305产生PFC控制信号CS1以控制开关308的导通性。控制器305包括一个缓冲器307,为PFC控制信号CS1提供驱动电流。控制器305产生一个数字PFC控制信号CSid,它被缓冲器307所放大,以产生PFC开关控制信号CS115缓冲器307在高侧供电干线电压上进行操作,该电压小于或等于辅助电压VAUX,也在低侧供电共享干线电压V.上进行操作。控制器305调节PFC控制信号CS1的脉冲宽度,当初级供电电压Vx上升时就增加宽度,当初级供电电压Vx下降时就减少宽度,以此提供功率因数校正。当控制器305调节着PFC控制信号CS1的脉冲宽度时,也保持PFC控制信号CS1的占空比,以保持近似恒定的链接电压VciO控制器305接收反馈信号Vx'以检测电压Vx的值。控制器305也接收反馈信号V。/以检测电压Va的值。控制器305利用检测到的反馈信号Vx'和V。/的值来调节PFC控制信号CS1,使开关功率转换器303提供功率因数校正并保持一个近似恒定的链接电压Va。
[0060] 可以用许多方法中的任何一种使控制器305产生PFC控制信号CS1,如在MelansonIV、Melanson V和Melanson VII中所描述的范例方法。可以用许多方法中的任何一种来产生反馈信号Vx’和Vci',如在Melanson V、Melanson VI和Melanson VIII中所描述的范例方法。
[0061] 控制器305产生一个LED电流控制开关信号CS2用以调制LED驱动电流控制开关310的导通性。控制器305产生一个数字LED电流控制信号CS2D,它被缓冲器309放大,以产生LED电流控制开关控制信号CS2。控制器305包括一个缓冲器309,为LED电流控制开关信号CS2提供驱动电流。缓冲器309在高侧供电干线电压上进行操作,该电压低于或等于辅助电压Vaux,也在低侧供电共享干线电压V.上进行操作。在至少一个实施例中,LED电流控制开关信号CS2是占空比调制的栅极驱动信号。占空比调制的栅极驱动信号调制着开关310的导通性,因此就控制着由开关功率转换器303所提供的LED电流i_。电流是开关LED系统304的驱动电流。调节电流就能改变开关LED照明系统304的强度。控制器305调制了开关310的导通性,于是平均LED电流使开关LED系统304内的每个LED都以理想的强度水平发光。在LED照明系统300的一种非调光配置中,理想的强度水平可以是开关LED系统304的全(100% )额定强度,或零(O)强度(关断)。
[0062] 如后面所详述的,为了调节LED驱动电流控制器305从电流传感装置314接收一个LED反馈信号LEDisense。在至少一个实施例中,反馈信号LEDisense是电流i_,或电流的比例值。在另一个实施例中,反馈信号LEDisense是与电流成正比的电压。控制器305对反馈信号LEDisense做出反应,途径是改变传递给开关LED系统304的电流,以保持一个理想的LED电流和理想的链接电压Va。电流传感装置314可以是能够检测LED电流iLED的任何装置。在至少一个实施例中,电流传感装置314是个电阻,而反馈信号LEDismse是该电阻上检测到的电压。在至少一个实施例中,反馈信号LEDisense是被一个磁性电流传感器所检测到的,该传感器在开关LED系统304内,位于流经电感器(如图6Α中的电感器606或图6Β中的电感器612)的电流附近。在至少一个实施例中,电流传感器314是个镜像电流源电路。在高压应用设备中一般不用镜像电流源。控制器305可以用许多方法之一种产生LED电流控制开关信号CS2。Melanson III描述了一个用于产生LED电流控制开关信号CS2的不范性系统和方法。
[0063] 在至少一个实施例中,LED照明系统300可以给开关LED系统304的LED调光,即调节开关LED系统304的LED的光强度,以对调光信号Dv做出反应。调光信号Dv可以是数字调光信号Dv digital或是模拟调光信号Dv _1()g,这些信号指出了开关LED系统304的调光水平。调光信号Dv的值起目标参考值的作用,它与控制器305外部的LEDisense进行比较,或与集成电路控制器305的整数部分进行比较。在至少一个实施例中,控制器305调节LED电流控制开关信号CS2,通过比较将调光信号Dv与反馈信号LEDisense之差减至最低。在至少一个实施例中,调光信号Dv是如在Melanson I和Melanson II中所述的那样产生和检测的。
[0064] 在至少一个实施例中,调光信号Dv代表了普通的,占空比改变的调光信号对一个预设值的映射,该预设值不同于调光输出信号值所代表的调光水平。在至少一个实施例中,普通的调光器320产生一个调光信号VDIM。调光信号Vdim可以是一个占空比改变的(即断相)模拟信号,其占空比或相角代表了一个调光水平。映像系统322包括了一个照明输出函数,它将调光信号Vdim所指示的调光水平转换成一个数字调光信号Dv digital,后者的值将测得的光水平映射成可见的光水平,这种情况已经结合Melanson I和Melanson II中所述的示例系统讨论过了。在至少一个实施例中,控制器305利用数字调光信号Dv digital直接地产生LED电流控制开关信号CS2。在至少一个实施例中,数字一模拟转换器(DAC) 324将数字调光信号Dv—digital转换成对应的模拟调光信号Dv—_1()g。在本文中,调光信号Dv的数字和模拟形式统称为调光信号Dv。调光器320,映射系统322和DAC 324都用虚线表示,因为对于LED照明系统300来说,调光是可选的。
[0065] 图4示出了 LED照明系统400,它代表了 LED照明系统300的一个实施例。LED照明系统400包括了开关功率转换器402,它将整流的输入电压Vx变成近似的直流链接电压Vcio开关功率转换器402和控制器305也提供功率因数校正。开关功率转换器402包括开关308,它以“接通”(导通状态)和“断开”(非导通状态)对PFC和输出电压控制器305所产生的PFC控制信号CS1做出反应。当开关308 “接通”时,电感器408从全桥式二极管整流器103得到电流Iu而被充电。当开关308 “断开”时,电感器408通过二极管412得到电流Iu给电容408充电。PFC控制信号CS1改变开关308的占空比,使得蓄能电容器408上的直流链接电压Va被平均而得到一个理想的直流电压Va。在至少一个实施例中,稳态的电压Va的平均值介于200V到400V之间。在至少一个实施例中,电流Iu代表了图3中的电流iin。PFC和输出电压控制器305都如前述那样操作,它们控制着开关308的占空比,使电流Iu线性地正比于输入电压Vx。电容432进行滤波,使电感器电流Iu变得平滑,于是平均的电感器电流Iu就是与输入信号Vx同相的正弦波。
[0066] 控制器305根据比较器438输出信号Vconip的值而产生LED电流控制开关信号CS2。在至少一个实施例中,比较器输出信号Vramp是一个电压,如果反馈信号LEDismsei的值大于调光信号Dv anal()g的模拟值,则该电压就代表一个逻辑“I”。否则比较器输出信号V_p就代表着逻辑“O”。调光信号Dv是个目标参考值,控制器305产生控制信号CS2,用以改变电流iLED,以将反馈信号LEDis.与调光信号Dv analtjg之差减至最低。调光信号Dv analtjg被按比例缩小,这样当反馈信号LEDis.与调光信号Dv anal()g之差被减至最低时,开关LED系统304中的LED的光强度可与被调光信号Dv analtjg所指示的调光水平相匹配。当调光信号Dv analtjg所指示的调光水平发生变化时,比较器输出信号Vramp的值也发生变化,于是控制器305使LED电流控制开关信号CS2追踪被调光信号Dv _1()g所指示的调光水平的变化。如前所述,在至少一个实施例中,控制器305利用比较器输出信号Vramp来产生LED电流控制开关信号CS2,如在Melanson III中所述的那样。
[0067] 图6A和6B示出了开关LED系统304的示范性实施例。开关LED系统600包括一个或多个LED 602。LED 602可以是任何类型的LED,包括白色的,琥珀色的,其它色的,或LED颜色的任意组合。此外,LED 602也可以配置成任何物理形式,如线性的,圆形的,螺旋状的,或任意其它的物理形式。在至少一个实施例中,每个LED 602都是串联的。电容604是与LED 602并联的,并进行滤波以防止LED 602接收到直流信号。电感器606使来自LED电流的能量变得平滑,因而当开关310导通时,就可保持近似恒定的电流i_。当开关310开放时,二极管608可使电流持续流动。
[0068] 在开关LED系统610中,电感器612与LED 602串联,以此贮存能量并滤波。电感器612将来自LED电流的能量变得平滑,当开关310导通时,可使电流保持近似的恒定。当开关310开放时,二极管614使电流连续地流过。虽然已经描述了开关LED系统304的两个具体的实施例,但开关LED系统304可以是任何一种开关LED系统。
[0069] 图7以图形表示比较器电压VOTP、LED电流控制开关信号CS2以及电流之间的关系700 (图4)。当LED电流控制开关信号CS2为高时,开关310导通,LED电流增力口。当比较器电压Votp上升时,PFC和输出电压控制器305将保持一个高的LED电流控制开关信号CS2,直至比较器电压ωΜΡ再次降低。通过这种方式,平均电流imsense,因此还有平均LED电流im,就能对调光信号Dv做出反应,于是在开关LED系统内的LED的光强度也能对调光信号Dv做出反应。
[0070] 图8以图形表示LED电流控制开关信号CS2与电流之间的关系800。当LED电流控制开关信号CS2变高时(即当它引起开关310导通时),LED电流骤然上升,当LED电流控制开关信号CS2变低时(即当它引起开关310关断时),该电流骤然下降。平均电流Iled将跟踪调光信号Dv。开关LED系统304的光强度近似直接正比于驱动LED电流i_。
[0071] 图9指出了一个扩展频谱系统900的一个实施例。该扩展频谱系统可以作为控制器305的一个部分,或当作单独的IC使用独立的分立组件制造。扩展频谱系统900也可以用作存贮于计算机可读介质中的代码,并被控制器405所执行。一般地说,扩展频谱系统900接收输入信号Ttagrt,并产生一个输出信号TOTT。在被Amax所预设的范围内,输出信号T0UT随机地偏离输入信号Ttogejt,且输出信号Totjt的平均值将等于输入信号TTmgrt。输入信号Ttogrt可以是控制信号CS1及/或CS2的脉冲宽度。Amax的值可以是PFC控制信号CS1额定值的+/-10%。控制器305可以使用多个扩展频谱系统900来扩展多个输入信号的频谱,如控制信号CS1和CS2的脉冲宽度。
[0072] 扩展频谱系统900包括一个增量-总和调制器901。增量-总和调制器901包括一个累加器902,它将输入信号Ttoget的当前值加到以前的输出信号1tt的负值上,以产生一个差值信号TDiff。在至少一个实施例中,扩展频谱系统900被输出信号Ttot = O当做启动程序所初始化。差值信号Tlliff被环路滤波器904所处理,以产生环路滤波输出信号U。
[0073] 增量-总和调制器输出信号Tmjt的值围绕着输入信号Ttogert的值而随机化。随机数发生器906产生随机信号RN的随机输出值,RN被乘以Amax以产生随机信号RN'。在扩展频谱系统900的每个周期中,累加器910都给环路滤波器输出信号U加上随机信号RN',而量化器912将RN'与U之和量化,以产生量化输出信号TQUT。随机数发生器906的值有个预设的范围,是范围限制值Amax所设定的。在至少一个实施例中,RN’变化约10%。
[0074] 增量-总和调制器901可以是任何类型的增量-总和调制器,如一级或多级增量-总和调制器,它们在了解增量-总和数据转换器一文有所叙述,作者是Schreier和Temes,发表于 IEEEPress,2005,ISBN 0-471-46585-2,或可从美国德克萨斯州 Austin 市的Cirrus Logic公司购得。增量-总和调制器901进行噪声整形,并试图持续地产生增量-总和输出信号Tott的值,以将输出信号Ttot与差值信号Tlliff之间的差减至最低。于是,增量-总和调制器901就有助于保证平均输出信号Ttot等于平均输入信号TTawt。
[0075] 图10示出了前馈式照明功率及控制系统1000的一个实施例。功率及控制系统1000最好也包括一个用于开关308和310的(通过电流传感装置314)以及控制器1002的共享参考节点。控制器1002代表了控制器305的一个实施例。控制器1002在逻辑上被分为两个单独的控制系统,PFC控制系统1004控制功率因数校正并调节开关功率转换器402的链接电压Va,而开关LED系统控制器1006则控制着LED电流i_,以此控制着开关LED系统304的发光强度(即亮度)。
[0076] 功率及控制系统1000利用前馈式控制,使PFC控制器1004可以更快地对变化的功率需求做出反应,这一变化是由于调光改变了开关LED系统的光源304对功率的需求。当调光信号Dv指示光源304的调光水平发生变化时,开关LED系统控制器1006即对调光信号Dv做出反应,办法是减小受占空比调制的LED电流控制开关信号CS2的脉冲宽度,以减小电流的平均值。减小电流就减少了光源304对功率的需求。
[0077] 前馈式控制使得PFC系统控制器1004可预测光源304对功率需求的变化,这变化可以是调光造成的。PFC系统控制器1004的配置使之得能够为具体的调光水平提供一个特定的输出链接电压Va。在至少一个实施例中,控制器1004对比较信号Vramp做出反应,该信号指出了在所需的调光水平中发生的变化,因此就是光源304对功率需求的变化。反应的机制是按比例改变LED电流控制开关信号CS2的脉冲宽度。在至少一个实施例中,调光信号Dv是直接提供给控制器1004,如虚线1008所示。然而,向控制器1004提供调光信号可能要求控制器1002多一只插脚,这就增加了控制器1002的成本。如果使用前馈式控制,控制器1002就可以改变功率因数校正控制系统1004对功率的需求,同时改变开关LED系统控制器1006所提供的功率。术语“同时”也包括因控制器1006的处理等而引起的短时延迟。
[0078] 为了与调光信号Dv所指示的调光水平的变化相符,在至少一个实施例中,PFC系统控制器1004包括有一个比例积分器(PI)补偿器1010,它接收代表着链接电SVa的反馈信号链接电压Va,并利用PI传递函数,如Melanson IV的PI传递函数和系统,产生一个输出信号。但是,因为调光信号Dv预测到了光源304的功率需求,控制器1004就可以同时对调光水平的变化做出反应,而在至少一个实施例中,PI补偿器1010只进行功率需要的调整,调整量可以是功率及控制系统1000所提供的全部功率的10%。更快地对光源304对功率需求的变化做出反应,就使开关功率转换器402能够利用小数值电容器,如4.7 μ F的电容器408,因为链接电压Va的上升被减少了,其值落到了陶瓷电容、聚丙烯电容以及其它比电解质电容更好的电容的工作特性内。这些电容的优点是温度特性好,因为光源304容易产生高温,所以适合使用陶瓷电容、聚丙烯电容以及其它耐高温电容。在至少一个实施例中,控制器1004产生PFC控制信号CS1的方式与控制器305的相同,所以调光信号Dv所指示的调光水平的变化就等相当于开关功率转换器402所给出的功率(Va*iin)的变化,同时该转换器还保持着近似恒定的链接电压Va。
[0079] 图11示出了一 个开关光源库1100,它有N+1个开关LED系统,此处N是大于或等于I的整数。开关LED系统库1100是开关LED系统304的替代物。在至少一个实施例中,每个光源304.X都是如开关LED系统304那样的光源,此处x表示第x个光源,因此是整数,并在数集{0,...,N}中。这N+1个光源中的每一个都至少有一个LED,至于每个光源中LED的数目和每个LED的颜色,那是设计方面的事情。每个光源304.X都被联接到各自的开关1104.X上,每个开关1104.X都是η-通道场效应晶体管(FET)。在至少一个实施例中,控制器305通过产生各个的控制信号CS2.0,...CS2.N而独立地控制着每个光源304.X,从而控制着开关1104.0,..,1104Ν的导通性。驱动电流iLED.0,...,iLED.N的平均值控制着各自的开关LED系统304.0,...,304.N中LED的光强度。开关LED系统304.0,...,304.N被联接到各自的电流传感组件314.0,...,314.N上。
[0080] 电流传感组件314.0,...,314.N可以是不同的或相同的。每个电流传感组件314.X都向控制器305提供一个反馈信号LEDsense.X0在至少一个实施例中,控制器305产生每个控制信号CS2x的方式,与LED电流控制开关信号CS2产生的方式相同(图4)。输出信号LEDisense.0,..., LEDisense.N被反馈给控制器305,使控制器305能够调整开关1104.0,...,1104.N的开关频度,于是LED驱动电流ίίΕΙ).0,...,iLED.N就与光源304.0,...,304.N中LED的理想发光强度相关联起来。在至少一个实施例中,理想强度是调光信号Dv所指示的调光水平。开关LED系统304.0,...,304.N中LED的类型、数目和排列等是设计方面的事情,并取决于诸如开关LED系统304.0,..., 304.N的理想发光强度和色温等。
[0081] 图12示出了开关LED系统库1200,它代表着开关LED系统304的替代物(图4)。电流传感组件312提供一个反馈信号LEDisense,它代表着所有开关LED系统304.0,...,304.N的LED传感电流,这是为了给各自的开关LED系统304.0,...,304.N测出LED传感电流 iLEDsense.0,...,iLEDsense.N 中的每一个。开关 1204.0,...,1204.N 中的每个都有一个共享的电流节点1206。在共享电流节点1206上,全部的LED传感电流0,...,iLEDsense.N都组合起来,来自电流传感组件312的反馈信号LEDismse代表了全部LED传感
电 AlL ^LEDsense* ◦,...,^LEDsense*
N的组合。在至少一个实施例中,反馈信号LEDismse = I/
X (iLEDsense.0 + ibEDsense.I +,...,+iLEDsense.N),此处“x”是电流传感组件312的比例因数。利用共享传感组件312,就减少了控制器1208的集成线路的插脚数目,这就降低了控制器1208的成本。控制器1208代表了控制器305的一个实施例。
[0082] 图13是非重叠控制信号与电流传感信号的图形表示1300。LED光源库1200和控制器1208 (图12)的工作,将结合图13中的信号加以叙述。控制信号CS2.0和CS2.N代表了控制信号CS2.0,...,CS2.N的两个示例控制信号。控制信号CS2.0和CS2.N是用0.25的占空比亦即脉冲宽度/周期和非重叠脉冲宽度所表示的。在控制信号CS2.0和CS2.N的每个脉冲中,各自的电流iLEDsense.0和iLEDsense.N都流经各自的开关1204.0和1204.N,并组合成信号LEDismse,此即来自电流传感组件312的反馈信号。
[0083] 请参考图12和13,控制器1208包括了一个LED电流检测器1210,它检测及测定在开关LED系统304.0, , 304.N中来自LEDisense iLED反馈信号的各个LED电流iLED。当每个电流i—.0和i—.N加入到反馈信号LEDis.中时,其位置相当于控制信号CS2.0和CS2.N各自的脉冲。
[0084] 在至少一个实施例中,在可调光的配置中,调光信号Dv用于给开关LED系统304.0,...,304.N指出调光水平。比较器438将反馈信号LEDisense与调光信号Dv进行比较。比较器输出信号Vramp发生变化的时间,大约与电流Imisense.0和Imisense.N加入到反馈信号LEDis■中的时间相同。因为控制器1208产生控制信号CS2.0和CS2.N,所以LED电流检测器1210就知道什么时候电流imsmsO和i_smse.N将改变比较器输出信号V_p。知道了比较器输出信号Vramp中的什么变化相当于开关LED系统304.0,...,304.N中的每个具体的电流,控制器1208就可以调节每个LED电流控制开关信号CS2.0和CS2.N,以对调光信号Dv做出反应,将开关LED系统304.0和304.N中的LED的光调到被调光信号Dv所指示的调光水平上。在至少一个实施例中,控制器1208可以任何方式产生每个LED电流控制开关信号CS2.0,...,CS2.N,产生方式将结合控制器305叙述。
[0085] 在至少一个实施例中,开关LED系统304.0,...,304.N没有调光。在该实施例中,LED电流检测器1210 直接接收反馈信号LEDisense。因为控制器1208产生控制信号CS2.0和CS2.N,即产生电流iLEDsense.0和iLEDsense.N的时间,LED电流检测器1210就在各个控制信号CS2.0和CS2.N不相重叠的时候检测电流iLEDsense.0和iLEDsense.N对反馈信号的贡献。
[0086] 图14以图形表示重叠控制信号与电流传感信号之间的关系1400,这是为了经过控制器1208的处理而为多个光源从一个反馈信号LEDisense中产生多个控制信号。每个重叠控制信号的占空比都为0.5。LED电流检测器1210检测电流Imisense.0和iLEDsense.N对反馈信号LEDis.或者比较器输出信号Vconip的贡献,检测时间是在控制信号CS2.0和CS2.N不重叠的时候。例如,LED电流检测器1210检测电流i—.0的贡献,时间是从L到t2,从t5到t6,从t9到t1(l等等。类似地,LED电流检测器检测电流i—.N的贡献,时间是从t3到t4,从t7到t8,等等。
[0087] 图15示出了照明系统1500,它是照明系统300的一个实施例。照明系统1500包括了 PFC开关1502,它是一个η-通道FET,并代表了开关308的一个实施例。PFC开关1502工作于初级供电电压Vx与共享参考电压V_之间。PFC开关1502不必直接联接到初级供电电压Vx上。在至少一个实施例中,PFC开关1502通过其它组件(未示出)被耦合到初级供电电压节点1506上,该节点传导初级供电电压Vx。照明系统1500也包括LED驱动电流控制开关1504,它是一个η-通道FET并代表了开关310的一个实施例。LED驱动电流控制开关1504通过开关LED系统304被耦合到链接电压节点1508上。LED驱动电流控制开关1504工作于链接电压Vx与共享参考电压V。》之间。电压Vx和Va都是开关功率转换器电压,并都被称为“高”供电电压1510,因为它们反映了照明系统1500中的最高电压。节点1506和1508被称为高电压源节点。于是PFC开关1502就被称为高电压PFC开关,而LED电流控制开关1504就被称为高电压LED电流控制开关。在至少一个实施例中,高供电电压1510的均方根(RMS)大于或等于100V。
[0088] 照明系统1500也包括PFC和输出电压控制器1512,它在至少一个实施例中与控制器305相同。PFC和输出电压控制器1512在至少两个低于高电压1510的不同电压上进行操作。输出缓冲器307和309在电压Vb和共享参考电压之间进行操作。电压Vb低于或等于辅助电压VAUX,并大于或等于数字参考电压VD。电压Vb被设置得足够大,能驱动开关1502和1504的栅极电极,因此能控制开关1502和1504的导通性。电压Vb被称为“中等水平供电电压”。在至少一个实施例中,中等水平供电电压的范围为8V-50V。
[0089] 照明系统1500也包括一个数字信号处理器(DSP) 1514,以产生PFC控制信号CSid和LED电流控制信号CS2D。DSP 1514被耦合到一个LED反馈节点1518上。DSP 1514在数字供电电压Vd与共享参考电压V.之间进行操作。数字供电电压Vd足以操作DSP 1504的数字组件,譬如,其电压范围为3V-8V。电平变换器(LS) 1516将来自DSP 1504的数字PFC控制信号CSid和数字LED电流控制信号CS2d都转换至足以控制各自的缓冲器307和309导通的电平上。数字供电电压Vd可以是降压的辅助电压Vaux,它是由控制器1512在内部产生的。
[0090] 于是,虽然控制器1512工作于数字电压Vd和辅助电压Vaux上,而且开关工作于高电压1510上,但照明系统1500却有共享的参考电压V;使照明系统1500的全部组件都能一起工作。由于用辅助电压Vaux进行工作,控制器1512的制造成本就可以低于工作于高电压1510上的控制器。
[0091 ] 于是,在至少一个实施例中,LED照明系统控制器工作于供电电压Vaux上,它低于链接电SVa,后者是由LED照明功率系统相对于共享参考电压在共享参考节点上产生的。在至少一个实施例中使用了较低的电压,于是控制器的制造成本就低于可比较的、使用LED照明功率系统所产生的初级功率工作的控制器。此外,在LED照明系统正常工作时,分别控制着功率因数校正和LED驱动电流的功率因数校正(PFC)开关和LED驱动电流开关都被耦合到共享参考节点上,并有控制节点到共享节点的绝对电压,使控制器可控制这些开关的导通性。在至少一个实施例中,PFC开关和LED驱动电流开关每个都有控制从节点到共享节点的绝对电压,其值在相对于共享参考电压的链接电压绝对值的15%之内。在至少一个实施例中,LED照明系统利用前馈式控制来同时改变LED照明功率系统所需的功率以及一个或多个开关LED系统所需的功率。在至少一个实施例中,LED照明系统利用一个共享的电流传感装置来为控制器提供一个共享的反馈信号,该控制器在至少两个开关LED系统中反映着电流。
[0092] 尽管已经详细描述了本发明,但是必须知道,仍然可以在不偏离所附权利要求定义的本发明的范围和精神的条件下进行多种变化、替代和更改。

Claims (29)

1.一个发光二极管(LED)照明系统包括: 一个集成电路功率因数校正(PFC)和LED驱动控制器,该控制器由以下部分组成: 一个数字信号处理器,它耦合到LED反馈节点上并被配置得能够: 工作于数字水平供电电压上; 产生一个PFC控制信号;以及 产生一个LED电流控制信号; 一个第一缓冲器,它被耦合到处理器上,并作如下配置: 工作于中等水平供电电压上,此处中等水平供电电压高于数字水平供电电压; 接收PFC控制信号;并且 将PFC控制信号转换成PFC开关控制信号,以控制高压PFC开关的导通性;以及 一个第二缓冲器,它被耦合到处理器上,并作如下配置: 工作于中等水平供电电压上; 接收LED电流控制信号,并且 将LED电流控制信号转换成LED电流控制开关信号,以控制高压LED电流控制开关的导通性。
2.权利要求1所述的照明系统,其中控制器还包括: 所述LED反馈节点,用以接收LED电流反馈信号,后者反映一个或多个开关LED系统中的一个或多个电流水平;以及 一个电压反馈节点,用以接收一个输入电压反馈信号,后者反映出供给照明系统的输入电压水平, 其中,所述处理器被进一步配置得能够产生PFC控制信号,以对被输入电压反馈信号所代表的输入电压水平做出反应,并能产生LED驱动电流控制信号,以对被LED电流反馈信号所代表的一个或多个电流水平做出反应。
3.权利要求1所述的照明系统,它的数字水平供电电压的绝对值低于或等于8V,中等水平供电电压的绝对值低于或等于50V,高电压PFC开关被耦合到两个电压节点之间,在该照明系统正常工作时,其电压差至少为100V,高电压LED驱动电流开关被耦合到两个电压节点之间,在该照明系统正常工作时,其电压差至少为100V。
4.权利要求1所述的照明系统还进一步包括有: 一个共享电压参考节点; 传导初级电压的第一高电压源节点; 传导该照明系统的链接电压的第二高电压源节点; 耦合到共享电压参考节点和第一高电压源节点上的PFC开关;以及LED电流控制开关,以控制至少一个LED的电流,其中,LED电流控制开关被耦合到共享电压参考节点和第二高电压源节点上; 其中,当该照明系统正常工作时,LED照明系统的PFC开关和LED电流控制开关都有各自的控制从节点到共享节点的电压,其绝对值可使控制器控制住这些开关的导通,对于被调光信号所指示的每个调光水平,它们都给LED开关系统进行功率因数校正并提供恒定的电流。
5.权利要求4所述的照明系统,在它的PFC开关和LED电流控制开关中,控制从节点到共享节点的电压低于或等于相对于共享电压参考节点电压的第一高电压源节点电压的.0.15 倍。
6.权利要求4所述的照明系统,它包括: PFC开关和LED电流控制开关,它们都是以下组件组的成员:场效应晶体管和绝缘栅双极性晶体管; PFC开关和LED电流控制开关的控制节点都是以下组件组的成员:场效应晶体管的栅极节点,绝缘栅双极性晶体管的栅极节点;以及 PFC开关和LED电流控制开关的共享节点都是以下组件组的成员:场效应晶体管的源极节点,绝缘栅双极性晶体管的发射极。
7.权利要求4所述的照明系统还包括: 电流传感装置,它被耦合到LED驱动电流开关节点上和共享电压参考节点上,在该照明系统正常工作时,其电流传感装置上的电压低于或等于相对于共享电压参考节点电压的第一高电压源节点电压的0.15倍,并为控制LED电流控制开关而提供反馈信号。
8.权利要求7所述的照明系统还包括: 多个LED驱动电流开关,其内的每个LED驱动电流开关都控制着至少一个LED的电流,并被耦合到共享电压参考节点上,第一高电压源节点上,以及控制器上;以及 单个电流传感装置,它被耦合到LED驱动电流开关上,在本照明系统正常工作时,该单个电流传感装置在全部LED驱动电流开关中检测电流,并提供反馈信号,供控制器用于控制全部LED电流控制开关的电流。
9.权利要求8所述的照明系统还包括: 多个LED链,每个链包括一个或多个LED,每个LED链都被耦合到一个电流传感装置上。
10.权利要求7所述的照明系统,其电流传感装置是一个电阻。
11.权利要求1所述的照明系统还进一步包括有: 一个调光信号输入装置以接收一个调光信号; 其控制器的配置使之能够: 控制被开关功率转换器传送给开关LED系统的功率;以及 改变功率因数校正控制系统所需的功率,同时根据调光信号所指示的调光水平的变化而改变开关功率转换器提供的功率。
12.权利要求11所述的照明系统,它的控制器包含一个第一控制模块,供开关功率转换器控制功率因数校正,还包含一个第二控制模块来控制开关功率转换器提供的功率,且第一和第二控制模块都包含输入装置用以接收调光信号。
13.权利要求1所述的照明系统,在该照明系统正常工作时,所述PFC开关和所述LED电流控制开关每个均具有控制节点到共享节点的绝对电压,该绝对电压低于或等于相对于共享电压参考节点电压的第一高电压源节点电压的15%。
14.权利要求4所述的照明系统还包括: 一个第三电压源节点用以传导第三电压,第三电压低于链接电压及供电电压;还有 一个或多个晶体管,它们被耦合到第三电压源节点和共享电压参考节点上,此一个或多个晶体管在第三电压源节点的电压和共享电压参考节点的电压上进行操作。
15.—种用于控制LED功率的方法,所述方法包括:在数字水平供电电压上操作集成电路功率因数校正(PFC)和输出电压控制器的数字信号处理器; 产生一个PFC控制信号;还有 产生一个LED电流控制信号; 在中等水平供电电压上操作被耦合到集成电路PFC和输出电压控制器的处理器上的第一缓冲器,此处的中等水平供电电压大于数字水平供电电压; 接收PFC控制信号: 将PFC控制信号转换成PFC开关控制信号用以控制高电压PFC开关的导通性;以及在中等水平供电电压上操作被耦合到集成电路PFC和输出电压控制器的处理器上的第二缓冲器; 接收LED电流控制信号;以及 将LED电流控制信号转换成LED电流控制开关信号用以控制高电压LED电流控制开关的导通性。
16.权利要求15所述的方法,它的控制器包含一个LED反馈节点用以接收LED电流反馈信号,后者反映了一个或多个开关LED系统中的一个或多个电流的水平,还包含一个电压反馈节点用以接收输入电压反馈信号,后者反映了供给照明系统的输入电压水平,该方法还包含: 产生PFC控制信号以对输入电压反馈信号所反映的输入电压水平做出反应;以及产生LED驱动电流控制信号以对LED电流反馈信号所反映的一个或多个电流水平做出反应。
17.权利要求15所 述的方法,其中数字水平供电电压的绝对值低于或等于8V,中等水平供电电压的绝对值低于或等于50V,高电压PFC开关被耦合到两个电压节点之间,在照明系统正常工作时,此二节点间的电压差至少为100V,高电压LED驱动电流开关被耦合到两个电压节点之间,在该照明系统正常工作时,此二节点间的电压差至少为100V。
18.权利要求15所述的方法,该方法还包含: 产生一个第一电压,其中该第一电压是链接电压; 在相对于共享电压的第一源电压上操作LED照明功率系统的开关功率转换器,其中,开关功率转换器包括PFC开关; 在控制节点到共享节点、绝对电压上操作PFC开关,使PFC和输出电压控制器能够控制PFC开关,并为开关功率转换器进行功率因数校正; 在控制节点到共享节点、绝对电压上操作LED电流控制开关,使PFC和输出电压控制器能够控制LED电流控制开关,并在被调光信号所指示的每个调光水平上为LED开关系统提供恒定的电流;以及 用PFC和输出电压控制器来控制PFC开关和LED电流控制开关的导通性。
19.权利要求18所述的方法,其中: 在控制节点到共享节点、绝对电压上操作开关功率转换器的PFC开关,使PFC和输出电压控制器能够控制PFC开关,并为开关功率转换器进行功率因数校正,这包括用控制从节点到共享节点的绝对电压来操作LED照明功率系统的PFC开关,该绝对电压低于或等于相对于共享参考电压的第一源电压值的0.15倍;以及在控制节点到共享节点、绝对电压上操作LED电流控制开关,使PFC和输出电压控制器能够控制LED电流控制开关,并在被调光信号所指示的每个调光水平上为LED开关系统提供恒定的电流,这包括在控制节点到共享节点、绝对电压上操作LED电流控制开关,该绝对电压低于或等于相对于共享参考电压的第一源电压值的0.15倍。
20.权利要求18所述的方法,其PFC和LED电流控制开关包含场效应晶体管;用PFC和输出电压控制器来控制PFC开关和LED电流控制开关的导通性,这包含向PFC开关和LED电流控制开关的栅极提供各自的由占空比调制的控制信号。
21.权利要求18所述的方法还包含: 接收经过整流的初级供电电压,它的均方根(RMS)值大于中等水平供电电压; 将初级供电电压升到第一源电压,提升初级供电电压还包含对PFC开关的导通性进行调制,以产生一个经过功率因数校正的第一源电压。
22.权利要求18所述的方法,其开关LED系统包含LED,且控制LED电流控制开关的导通性还包含: 接收来自开关LED系统的反馈信号;以及 对该反馈信号做出反应,以保持进入每个LED的电流的预设值。
23.权利要求22所述的方法还包含: 检测一个电阻上的电压,该电阻反映了通过每个LED的电流,因而在该电阻上测得的电压即是反馈信号。
24.权利要求18所述的方法还包含: 在各自的电流节点电压上操作额外的LED电流控制开关,该电压低于或等于相对于共享参考电压的第一源电压值的0.15倍,每个LED电流控制开关都控制着通过各自LED链的电流,且每个LED链都包含至少一个LED ; 接收一个反馈信号,该信号反映了每个LED电流控制开关所传导的电流;以及用PFC和输出电压控制器来控制每个LED电流控制开关的导通性,以对反馈信号做出反应。
25.权利要求24所述的方法,根据此方法,用PFC和输出电压控制器来控制每个LED电流控制开关的导通性以对反馈信号做出反应,还包含着: 在单独的时间段内测定每个LED电流控制开关所传导的电流。
26.权利要求18所述的方法还包含: 在各自的电流节点电压上操作额外的LED电流控制开关,该电流节点电压低于或等于相对于共享参考电压的第一源电压值的0.15倍,每个LED电流控制开关都控制着通过各自LED链的电流,且每个LED链都包含至少一个LED ; 接收反馈信号,每个反馈信号都反映了一个LED电流控制开关所传导的电流;以及用PFC和输出电压控制器来控制每个LED电流控制开关的导通性, 以对反馈信号做出反应。
27.权利要求18所述的方法还包含: 接收一个调光信号;以及 控制PFC开关和LED电流控制开关的导通性还包含: 根据调光信号所指示的调光水平的变化来同时控制PFC开关和LED电流控制开关的导通性,以改变LED照明功率系统对功率的需求并改变该LED照明功率系统所提供的功率。
28.权利要求18所述的方法,其中,所述PFC开关和所述LED电流控制开关每个均具有控制节点到共享节点的绝对电压,该绝对电压小于或等于第一源电压的15 %。
29.权利要求18所述的方法还包含: 在第三电压源节点和共享电压参考点上操作PFC和输出电压控制器的一个或多个晶体管,其中,第三电压低于链 接电压和第二源电压。
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