CN101779522B - 具有旁路驱动的led装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了包括LED串的LED装置，该LED串包括串联设置的LED段。LED段包括单个LED或LED的串联设置。开关元件(12、22)与LED串的每一个对应的LED段(10、20)并联，用于控制通过LED段(10、20)的电流(52、62)。电容器(13、23)与每一个对应的LED段(10、20)并联，以防止当接通一个或更多LED段时可能有害的电流尖峰的出现。LED装置还可包括开关式电源(2001)。本发明还提供了LED套件。多个这种LED套件很容易地装配到根据本发明的LED装置中。

Description

具有旁路驱动的LED装置
技术领域
本发明涉及发光二极管(LED)装置。本发明还涉及LED套件。本发明还涉及照明系统。
背景技术
从美国专利5,959,413可知这种LED装置。美国专利5,959,413公开了一种驱动电路，在该电路中，每一个LED具有在其两端并联的可控逻辑开关，并且该开关还彼此电路串联以形成梯形网络。通过闭合其对应的开关，可以关闭任何被选的LED。然后，电流通过分流开关(shunting switch)继续流到串联电路中开启的剩余LED。多个这种梯形网络可彼此并联，并且每个梯型网络可被开关的栅极所控制，该开关的栅极将梯型网络选择性地耦合到恒定电流源，以使得LED梯形网络以预定工作周期(duty cycle)来操作。通过驱动处于交叠关系的并联串的连接控制栅极来避免电压源两端的电流尖峰，以使得恒定电流源永远不与电压源断开。
已知的电路具有以下劣势：要求以始终驱动LED来防止供电线路中的电流尖峰这样的方式对该已知的电路进行控制。从而，针对并联串，需要使用交叠的驱动方案，并且如果要求低的工作周期，需要将所有的LED分布在多个串上。这不利地限制了当操作LED时可以使用的工作周期的范围。
从美国专利申请US2005/0243022A1可获知另一种装置。US2005/0243022A1的图6和图7中提供了开关式电源形式的高效电源。开关式电源使用开关、线圈和二极管，其中，操作开关以对经由二极管放电的线圈充电。在这种装置中，电流显示出很大的纹波，即，其以很大的幅度围绕着平均电平波动。将该纹波限制为相对小的幅度的已知解决方案是在开关式电源的输出上放置滤波电容器。这种方案的劣势在于：当串联装置中开关LED的开启和关闭导致开关式的负载改变时，出现电流尖峰。该电流尖峰会损坏LED和电源。
发明内容
本发明意在提供一种包括LED串和驱动器电路装置的LED装置，该驱动器电路装置适于宽范围的工作周期，用于利用旁路开关来驱动每一个单独的LED或若干个LED段中的每一个单独的LED，使得不出现可能损坏LED的电流尖峰。本发明还意在提供将被应用到这种LED装置中的LED套件。
于此，根据本发明的LED装置包括LED串和驱动器电路装置。LED串包括至少两个LED段，该至少两个LED段电串联。每一个LED段包括至少一个LED。驱动器电路装置包括针对该至少两个LED段中每一个LED段的段驱动器单元。每一个段驱动器单元包括与对应的LED段电并联的第一开关元件，用于在使用期间控制通过该LED段的电流。每一个段驱动器单元还包括第一电容器，第一电容器与对应的LED段的至少一个LED电并联。
这些段电容器防止了高瞬态电流峰值的出现，这些高瞬态电流峰值可能在接通LED段中的一个时在LED串中出现，特别是当LED串的另一个段被接通时在未被接通的LED段中出现。这些高瞬态电流峰值可严重地损坏LED。通过将电容器与每一个LED段的至少一个LED并联，而不是将单个电容器与电源并联，防止了这些高瞬态电流峰值。从而显著地提高了LED的寿命。
通常，将电容器与整个LED段并联。然而，这不是必要的。不排除沿着LED串从而经由第一电容器向旁路开关的驱动器供电。为了对驱动器供电，LED段中串联连接的LED上的电压可能过高。通过从LED段内的两个LED之间的节点吸取(draw)功率，从而解决了这个问题。结果，第一电容器将仅与LED段中的一些LED而不是LED段中的所有LED并联。为了简化整体架构，从LED串吸取用于驱动器的功率被认为是有优势的：不需要附加的电源线和稳压器。此外，随后可将所产生的驱动器装置分成与LED段对应的段。这种装置的模块结构允许应用中的灵活性。在通常包括了大区域的发光应用中，这常常是有益的。例如，使用该节点和第一电容器之间的选通元件来从LED串吸取功率。例如，这种选通元件是二极管或具有与之耦合的采样驱动器的采样开关。可以观察到，为清楚起见，该驱动装置的模块结构无需在LED段的第一和第二LED之间吸取功率。
在本发明的一个实施例中，驱动器电路装置包括段控制器。该段控制器用于产生针对每一个段驱动器单元的第一控制信号，以驱动对应的段驱动器单元的第一开关元件。段控制器用于执行驱动周期，并周期性地重复驱动周期。驱动周期包括至少三个相继的阶段。段控制器还用于：在第一阶段，闭合第一开关元件以使得通过LED段的电流停止从而关闭LED段，在第二阶段，针对每一个单独的驱动周期，维持第一开关元件闭合特定的持续时间，在第三阶段，打开第一开关元件以使得电流流过LED段，从而开启LED段。
从而，通过调整LED的工作周期以实现该驱动周期上平均所需数量的光，段控制器操作段驱动器单元以产生所需数量的光。
在本发明的另一实施例中，段控制器针对每一个单独的驱动周期向特定的持续时间应用定时补偿，该定时补偿对对应的段驱动器单元的开关延迟进行补偿。
这提供了一种方法，以补偿特别是当段驱动器单元不包括与第一电容器串联的采样-保持开关时可能出现的开启延迟(如下面描述的实施例)。
在本发明的另一实施例中，每一个段驱动器单元包括第二开关元件，该第二开关元件与第一电容器电串联。
从而，将第一电容器和第二开关元件的串联设置与LED段电并联。将该第二开关元件用作采样-保持开关，并操作第二开关元件以使得当LED未被操作时(即，当旁路开关闭合时)可以设置(采样)和维持(保持)第一电容器上的LED操作电压。结果，不需要在闭合旁路开关后开启LED时首先加载该电容器，从而在没有任何开启延迟的情况下开启该LED。此外，防止了与对第一电容器的充电和放电有关联的容性损耗。结果，可以实现高效的操作。
在又一个实施例中，以上描述的段控制器用于产生针对每一个段驱动器单元的第二控制信号，以驱动对应的段驱动器单元的第二开关元件。驱动周期包括至少三个阶段以及在第一阶段之前的第一辅助阶段和在第三阶段之后的第二辅助阶段。段控制器还用于：在第一辅助阶段，打开第二开关元件，以使得通过第一电容器来保持对应的LED段上的电压；在第一阶段，闭合第一开关元件，以使得通过LED段的电流停止从而关闭LED段；在第二阶段，针对每一个单独的驱动器单元，维持第一开关元件闭合特定的持续时间；在第三阶段，打开第一开关元件以使得电流流过LED段从而开启LED段；以及在第二辅助阶段，闭合第二开关元件。
从而，通过调整LED的工作周期以实现该驱动周期上平均所需数量的光，段控制器操作段驱动器单元以产生所需数量的光。操作第二开关元件和第一电容器，以使得可以在已经关闭LED后，为下一个开启阶段保持LED两端的电压。结果，将开启延迟降低到实质为零，并当开启LED时导致快速的上升时间。此外，执行对第二开关元件的激活和去激活的定时，以使得可以通过这种所谓的非交叠时钟方案来防止第一电容器和第二开关元件的短路。
在本发明的另一实施例中，段驱动器单元包括第二电容器，该第二电容器与对应的LED段电并联。
该装置防止了当断开第一电容器并且仅由LED自身的寄生电容对LED电流滤波时可能出现的问题，从而放宽了段驱动器的定时容限。
在实施例中，LED装置还包括用于对LED串供电的电源。
在使用期间，电源用于向LED串提供实质上与任何时刻开启和关闭的LED的数目独立的供电电流。通过这种方式，总是使用良好限定的电流来驱动LED，以使得可以获得稳定的输出。
在优选的实施例中，电源包括开关式控制器、第三开关元件、感性元件以及从包括二极管和第四开关元件的组中选择的组件，其中，开关式控制器用于操作第三开关元件，以对感性元件进行充电和放电，其中，经由从包括二极管和第四开关元件的组中选择的组件对感性元件进行放电。
使用这些组件，可以构建所谓的开关式DC/DC变换器，该变换器将其输出端的有效电压调节到正好是被驱动的系统所需的电压。这导致非常高效的来自大范围输入电压的功率转换。
在优选的实施例中，电源是从包括所谓的降压变换器和所谓的降压-升压变换器的组中选择的一个。降压变换器是可以将其输出电压调节为任何低于输入电压的电压的变换器拓扑结构。降压-升压变换器是可以将其输出电压调节为任何低于输入电压的电压，也可调节为高于输入电压的电压的变换器拓扑结构。当LED串包括大量的LED段时，取决于开启的LED段的数目和因为其旁路开关闭合而关闭的LED段的数目，LED串两端的电压可能剧烈地变化。利用与当所有LED开启时LED上的电压相对应的输入电压，降压变换器拓扑结构调整其输出电压，以向LED串提供所需的电源电压。在当以例如高于输入电压的电压开启所有的LED时，降压-升压拓扑结构利用例如高于输入电压的电压来提供所要求的高电源电压，以及在当所有LED关闭并且需要低于输入电压的电压时，降压-升压拓扑结构也将提供所需的低电源电压。
根据本发明的LED套件包括至少一个LED管芯及第一电容器，该第一电容器与该至少一个LED管芯电并联。
可以容易地将多个这种LED套件装配到以上描述的任意实施例中的LED装置中。这降低了组件的数目，并且此外，当需要增加或去除一个或更多个LED段时，可以容易地对LED装置进行缩放。
备选地，可将多个这种套件结合在一起，以形成包括LED和电容器的梯型网络。然后，可将该梯形网络连接到多个外部开关，以创建根据本发明的LED装置。优选地，发光二极管(LED)套件还包括承载该至少一个LED管芯和该第一电容器的载体。
通过热沉承载该电容器和LED管芯，可以以非常小的单元来实现缩放性。热沉可以是硅或陶瓷载体，并且可将该电容器安装在热沉的一个表面上，或集成在热沉自身中。备选地，例如，载体可以是较大尺寸的印刷电路板(PCB)。这种PCB可以是具有若干LED段及其相关联的段单元驱动器的LED模块，以使得可以使用易于处理的模块来制造大尺寸的装置。在另外的实施例中，LED套件还包括采样-保持开关元件，其中，载体承载该采样-保持开关元件，该采样-保持开关元件与第一电容器电串联。
这使得易于装配如上所述的LED装置的其它实施例。
备选地或附加地，LED套件可包括第二电容器，其中，载体承载第二电容器，并且第二电容器与该至少一个LED管芯电并联。
该电容器防止了当断开第一电容器并且仅由LED自身的寄生电容对LED电流滤波时可能出现的问题，从而放宽了段驱动器的定时容限。
备选地或附加地，LED套件可包括旁路开关元件，
其中，载体承载该旁路开关元件，并且该旁路开关元件与该至少一个LED管芯电并联。
这使得同样可以将旁路开关元件自身集成到LED套件中，从而提供了包含LED段、其相关联的段电容、其相关联的旁路开关、以及相关联的旁路开关驱动电子装置在内的高度集成并自包含的段模块。
在另外的实施例中，可以从如上所述的至少两个LED套件来构建如上所述的LED装置。该LED装置可包括电源。
本发明的又一实施例涉及包括如上所述的LED套件之一的照明系统。
这可以是亮度受控的LED灯、色彩可变的LED灯、LED矩阵光源、LED矩阵显示器、用于广告和动画的大尺寸LED信息显示器、用于LCD-TV的LED背光、用于LCD监视器的LED背光、或具有至少两个使用旁路开关进行操作的LED段的其它任何发光系统。
本发明的又一实施例涉及用于控制根据本发明的LED装置的方法。优选地，该方法包括：
针对每一个段驱动器单元产生第一控制，该第一控制信号驱动对应的段驱动器单元的第一开关元件，
执行驱动周期，以及
周期性地重复驱动周期，每一个驱动周期包括至少三个相继的阶段；该方法包括
在第一阶段，闭合第一开关元件，以使得通过LED段的电流停止，从而关闭LED段，
在第二阶段，针对每一个单独的驱动周期，维持第一开关元件闭合特定的持续时间，
在第三阶段，打开第一开关元件，以使得电流流过LED段，从而开启LED段。
从而，通过调整LED的工作周期以实现该驱动周期上平均所需数量的光，该方法操作LED装置以产生所需数量的光。
在又一实施例中，该方法还包括：
针对每一个单独的驱动周期，将补偿应用到的特定的持续时间，该补偿对对应的段驱动器单元的开关延迟进行补偿。
这提供了一种方法，以补偿特别是当段驱动器单元不包括与第一电容器串联的采样-保持开关时可能出现的开启延迟。
在另一个备选实施例中，该方法还包括：
针对每一个段驱动器单元产生第二控制信号，该第二控制信号驱动对应的段驱动器单元的第二开关元件，
该驱动周期包括第一阶段之前的第一辅助阶段和第三阶段之后的第二辅助阶段，
在第一辅助阶段，打开第二开关元件，以使得通过第一电容器来保持对应的LED段上的电压，
在第一阶段，闭合第一开关元件，以使得通过LED段的电流停止，从而关闭LED段，
在第二阶段，维持第一开关元件闭合特定的持续时间，
在第三阶段，打开第一开关元件，以使得电流流过LED段，从而开启LED段，
在第二辅助阶段中，闭合第二开关元件。
从而，通过利用第一开关元件调整LED的工作周期以实现该驱动周期上平均所需数量的光，该方法操作LED装置以产生所需数量的光。操作第二开关元件和第一电容器，以使得可以在已经关闭LED后，为下一个开启阶段保持LED两端的电压。结果，将开启延迟降低到实质为零，并当开启LED时导致快速的上升时间。
此外，执行对第二开关元件的激活和去激活的定时，以使得可以通过这种所谓的非交叠时钟方案来防止第一电容器和第二开关元件的短路。
附图说明
参考附图，将对本发明的上述方面和其它方面进行详细的阐明和描述，在附图中，对应的附图标记指示对应的部分：
图1a示出了根据现有技术的包括LED串和驱动器电路装置在内的LED装置；
图1b再次示出了根据现有技术的包括LED串和驱动器电路装置在内的LED装置；
图2示出了根据现有技术的包括LED串和驱动器电路装置在内的另一LED装置；
图3a示出了根据现有技术的包括LED串和具有降压式变换器的驱动器电路装置在内的LED装置；
图3b示出了当操作图3a中的LED装置时，对电流波形的仿真；
图3c示出了图3a的备选装置；
图4a示出了根据现有技术的包括LED串和具有降压式变换器的驱动器电路装置在内的LED装置，该降压式变换器带有输出滤波电容器；
图4b示出了当操作图4a中的LED装置时，对控制波形和电流波形的仿真；
图5a示出了根据本发明的第一实施例，包括LED串和具有降压式变换器的驱动器电路装置在内的LED装置；
图5b示出了当操作图5a中的LED装置时，对控制波形和电流波形的仿真；
图6a示出了根据现有技术的包括LED串和具有降压-升压式变换器的驱动器电路装置在内的LED装置，该降压-升压式变换器未带有输出滤波电容器；
图6b示出了当操作图6a中的LED装置时，对电流波形的仿真；
图7a示出了根据现有技术的包括LED串和具有降压-升压式变换器的驱动器电路装置在内的LED装置，该降压-升压式变换器带有输出滤波电容器；
图7b示出了当操作图7a中的LED装置时，对控制波形和电流波形的仿真；
图8a示出了根据本发明的第二实施例，包括LED串和具有降压-升压式变换器的驱动器电路装置在内的LED装置；
图8b示出了当操作图8a中的LED装置时，对控制波形和电流波形的仿真；
图9a示出了根据本发明的第三实施例，包括LED串和具有降压-升压式变换器的驱动器电路装置在内的LED装置；
图9b示出了当操作图9a中的LED装置时，对控制波形和电流波形的仿真；
图9c示出了根据本发明的实施例的另一LED装置；
图10示出了根据本发明的第四实施例，包括LED串和具有降压-升压式变换器的驱动器电路装置在内的LED装置；
图11a-11i示出了根据本发明的LED套件；
图12示出了根据本发明的照明系统；
图13示出了根据本发明的方法；
图14示出了根据本发明的又一方法。
具体实施方式
图1a示出了电串联的多个LED 10、20，其形成了LED串1000。该LED串装备有驱动电路2000。驱动电路包括供给电流31的电流源30、电开关11、21以及节点10T、10B、20T和20B。将开关11、21分别与LED 10、20并联设置。开关11在LED 10的任意一侧连接在节点10T和10B之间。同样地，开关21在LED 20的任意一侧连接在节点20T和20B之间。当开关11、21打开时，如图1a所示，电流31流过LED 10、20，使得LED发光。图1b示出了相同的装置，但是上面的开关11闭合。这给出了与通过上面的LED 10相比，通过上面的开关11的较低电阻性电流路径，使得电流流过上面的开关11而不是上面的LED 10，并从而使得上面的LED 10关闭。从而，电流绕过LED10。在图1b中，下面的开关21仍然打开，使得下面的LED 10仍然开启。通过操作开关11、21，控制了对应的LED 10、20开启的工作周期。在该操作期间，电流源30被设置为维持其输出电流31大致恒定在固定电平处。
图2示出了具有更长的LED串的备选装置。将LED 101、102、103分组到LED段100中，将所有的LED都串联装置。将旁路开关11与整个LED段100而不是单个LED电子并联地装置，并连接在LED段100的节点100T和100B之间。将LED段100与具有串联的LED201、202、203的第LED段200串联从而一同形成LED串。操作类似于图1a和图1b的操作。在示出的示例中，LED段100由三个LED101、102、103串联组成，当然，也可以具有任意其它数目的LED。如，也可以仅由单个LED组成。在描述图3到图10中，将把具有任意数目的LED的LED段称为LED段10或20，LED段10或20分别具有节点10T和10B或者20T和20B。
图3a示出了图2的示意性装置的实施例。使用MOSFET晶体管12、22来实现开关11、21。将从节点10T到节点10B通过上面的MOSFET晶体管12的旁路电流称为电流50，将从节点20T到节点20B通过下面的MOSFET晶体管22的旁路电流称为电流60。MOSFET晶体管被描述为NMOS晶体管，但也可以是PMOS晶体管或其它任何类型的开关。从使用控制信号70、71驱动开关的段控制器36来控制开关12、22。当提到其逻辑电平时以及当提到其电气电平时，将这些控制信号以相同的附图标记70、71来指示。将当前电流源实现为降压式变换器2001，该降压式变换器2001由示出为MOSFET晶体管31的功率开关31、感性元件32、二极管34、电阻器33以及降压控制器35构成。降压控制器35驱动功率晶体管31的栅极，使得以高频对电感器进行充电和放电。在一个示例中，该装置具有总共36个串联的LED组成的LED串，该36个串联的LED被设置成两个LED段，每个LED段有18个LED；在直流输入电压Vin为150V的情况下，变换器频率大约为100kHz，并且电感器的值为5mH。在该示例中，以大约200Hz的频率操作旁路开关12、22的栅极。应该注意到，在后续的图中可能未示出段控制器36或开关式控制器35，然而，段控制器36或开关式控制器35是存在的，以分别用于控制段驱动器单元中的开关和电源中的功率开关。
图3b示出了图2的LED装置中各个位置处的电波形。上面的曲线示出了线圈电流40。中间的曲线示出了通过上面的LED段10的电流50。下面的曲线示出了通过下面的LED段20的电流60。电流40、50、60的周期性调制是由于开关式驱动器的操作原理，该开关式驱动器在周期性地打开和闭合功率晶体管31的同时对电感器32充电和放电。LED电流波形50、60示出了非常深的调制深度，在该示例中，在0mA和大约100mA之间周期性地变化，平均电流为大约50mA，即峰值是标称值的两倍。由于在功率晶体管31开启期间的零电流和零电压切换，可将该示例性的大调制用于提供功率效率和EMI优势。
图3c示出了相似的装置，但具有开关34″而不是图3b中的二极管34。通过取决于开关式驱动器的操作阶段打开和闭合开关，该开关执行与二极管相似的功能：允许线圈电流放电。
图4a示出了在图2的电路的降压变换器的输出上增加滤波电容器80的实施例。滤波电容器80将电流调制降低到更小的调制深度(也称为纹波)。在该示例中，电容器80具有15nF的电容值。
图4b示出了针对该示例的在图2的LED装置中各个位置处的电波形。上面的曲线示出了控制旁路晶体管开关22的栅极的逻辑信号71。当逻辑信号71为高时，开关22闭合，使得电流流过开关22并且下面的LED段22关闭。当逻辑信号71为低时，开关22打开，使得电流流过下面的LED段22并且下面的LED段22开启。中间的曲线示出了通过上面的LED段10的电流51。下面的曲线示出了通过下面的LED段20的电流61，下面的LED段20被旁路晶体管22执行开关操作。应该观察到，在该示例中，由于滤波电容器80的缘故，电流51、61具有比图3b中的未滤波电流50、60小得多的电流调制，电流纹波51、61仅有大约50mA的标称LED电流的大约10％。从而，最大LED电流减小了大约50％，导致与图3a和图3b中的未滤波情况相比，LED有更好的寿命。然而，在切换时刻附近，在通过上面的LED10的LED电流51中还观察到不可接受的大约300mA的过冲(overshoot)和0mA的下冲(undershoot)，即，LED没有执行切换，而是继续保持开启。这些高的瞬变会损坏LED。
图5a示出了根据本发明的具有两个LED段10、20的LED装置。从不仅包括针对每一个单独的段的开关12、22，还包括针对每一个单独的段的电容器13、23组成的LED段驱动器110、210来驱动每一个LED段10、20。将电容器13、23并联到对应的LED段10、20，对开关12、22也进行相同处理。即，开关12和电容器13每一个都在LED 10的任意一侧连接在节点10T和10B之间，以及开关22和电容器23每一个都在LED 20的任意一侧连接在节点20T和20B之间。电容器13、23也被称为段电容器。段电容器13、23可被设定(dimension)以使得可以不再使用降压输出滤波电容器80，并且在本示例中，段电容器13、23每一个具有30nF的值，使得电容器13和23的串联设置所获得的总电容量与电容80的电容量相同，从而产生相同的电流纹波。
图5b示出了该电路的电波形。上面的曲线示出了控制旁路晶体管开关22的栅极的逻辑信号72。中间的曲线示出了通过上面的LED段10的电流52。下面的曲线示出了通过下面的LED段20的电流62，LED段20由旁路晶体管22进行切换。将图5b的电流52、62与图4a的电流51、61相比较，很清楚地观察到，使用分段电容器消除了电流的过冲和下冲。电流的纹波也降低了。在示出电流62的下面的曲线中还观察到，与图4a的电流61相比，暗淡的段开启的时间更长。这是因为其段电容器23需要从基本上为零的电压进行充电。由于与驱动周期相比较小，该开启延迟可能是可接受的：在该示例中，延迟大约为40μs，驱动周期为5ms。当延迟是可接受的时，可以忽略对LED段20的光输出的影响。在备选的实施例中，可在驱动旁路开关12、22的信号72的工作周期中补偿该开启延迟。可针对LED装置来校准、或监控和自动补偿停滞时间(dead time)。以一些附加电路来测量切换时间并将所测量的时间与所要求的工作周期进行比较为代价，有效的监控和校正具有自动考虑到温度和老化效应的优点。下面还将描述另外的具有硬件解决方案的实施例。
现在转到具有在驱动器装置中使用的降压-升压变换器的备选实施例。与先前描述的降压变换器相比，由于单线圈降压-升压变换器的不连续输出电流，峰值LED电流与平均LED电流之比甚至可以大于2，典型地，要求滤波电容器满足LED的可靠性和寿命要求。因为当在任何时刻输出电压变得小于输入电压时(当所有的旁路开关闭合并且所有的LED关闭时的情况)其仍将继续良好地工作，降压-升压拓扑结构非常适于LED的旁路驱动。
在美国专利申请US 2004/0145320A1中公开了这种拓扑结构的示例，并详细地描述了其操作。该描述使用了单线圈降压-升压变换器，然而同样适用于其它拓扑结构，例如，4开关自动升降压、Cuk、SEPIC或Zeta变换器，以及孤立的实现，如反激变换器、正激变换器或谐振变换器。
图6a示出了根据现有技术的具有降压-升压变换器的LED装置。降压-升压控制器具有控制功率晶体管31′的栅极的降压-升压控制器35′、感性元件32′、二极管34′和电阻器33′。
在一个示例中，该
图6b示出了对变换器频率大约为100kHz、Vin＝24V的示例的电行为的仿真，并且将总共22个LED串联设置在LED串中，将该22个LED装置设为两个段，每个段有11个LED。在该示例中，感性元件32′具有500μH的电感值。线圈电流43示出了连续的三角波行为。然而，LED电流53、54示出了不连续的锯齿波行为，其中，当感性元件32′通过二极管34′放电并向LED串传递电流时，在每一个电源变换周期的第二行程(secondary stroke)期间，LED承载电流。在该示例中，针对大约50mA的平均LED电流，峰值LED电流大约为200mA。
图7a示出了根据现有技术的具有带有输出滤波电容器的降压-升压变换器的LED装置。和图6a中一样，降压-升压控制器具有控制功率晶体管31′的栅极的降压-升压控制器35′、感性元件32′、二极管34′和电阻器33′。将电容器80′与LED串进行并联，置于变换器上方。如图6b所示，该电容器将幅度大的不连续电流滤波为纹波减少的电流。在该示例中，所产生的纹波大约为10％。在该示例中，感性元件32′具有500μH的电感值，变换器输出滤波电容器80′具有150nF的电容值，变换器频率再次地大约为100kHz，Vin＝24V，并且将总共22个LED串联设置在LED串中，被分为两个段，每个段有11个LED。
图7b示出了对电行为的仿真。上面的曲线示出了控制旁路晶体管开关22的栅极的逻辑信号74。中间的曲线示出了通过右面的LED段10的电流54。下面的曲线示出了通过左面的LED段20的电流64，该LED段20被旁路晶体管22所切换。再次地，在该示例中，在标称LED电流50mA的情况下，观察到大约300mA和0mA的严重的过冲和下冲LED电流。如在降压变换器的情况下一样，对电子组件进行设定，以得到大约10％的电流纹波。降压-升压变换器的不连续输出要求滤波量增大，导致与图5b的降压变换器的电流61的上升时间相比，电流64的上升时间要长一些。
图8a示出了根据本发明的具有降压-升压变换器的LED装置。将图8a与图7a相比较，省略了图7a中的降压-升压变换器输出滤波电容器80′，并将第一电容器13、23应用到每一个LED段。将第一电容器13、23并联到对应的LED段10、20，对开关12、22也进行相同的操作。即，开关12和电容器13每一个都在LED 10的任意一侧连接在节点10T和10B之间，以及开关13和电容器23每一个都在LED20的任意一侧连接在节点20T和20B之间。
作为示例，图8b示出了针对第一电容器中每一个的值(300nF)，对通过LED的电流的仿真，滤波电容器在功能上可被段的串联连接的第一电容器来取代。上面的曲线示出了控制旁路晶体管开关22的栅极的逻辑信号75。中间的曲线示出了通过右面的LED段10的电流55。下面的曲线示出了通过左面的LED段20的电流65，该LED段20由旁路晶体管22所切换。由于针对大约10％的相同电流纹波所增大的滤波量，与图8的降压变换器的电流62的开启延迟相比，观察到电流65的开启延迟更大。如上面在图5的讨论中所描述的，可以在旁路开关的定时(timing)中补偿该开启延迟。接下来描述防止开启延迟和防止缓慢的上升时间的备选解决方案。
图9a示出了根据本发明又一实施例的针对两个LED段10、20的两个LED段驱动器110″、210″。段驱动器包括旁路开关12、22和段电容器13、23，并且还装备了与段电容器13、23串联的第二开关14、24。将电容器13、23和对应的第二开关14、24的串联设置并联到对应的LED段10、20，对旁路开关12、22也进行相同的处理。即，将第二开关14和电容器13的串联设置在LED 10的任意一侧连接在节点10T和10B之间，对旁路开关12也进行相同的处理。同样地，将第二开关24和电容器23的串联设置在LED 20的任意一侧连接在节点20T和20B之间，对旁路开关22也进行相同的处理。操作第二开关和第二段电容器，以在LED关闭后的下一个开启阶段保持LED两端上的电压。从而，也将第二开关和段电容器称为采样-保持开关和保持电容器。
图9b示出了当使用图8a的降压-升压电源拓扑结构实现图9a的电路时，控制旁路晶体管开关22的栅极的逻辑信号76的电行为，控制旁路晶体管开关23的栅极的逻辑信号86、通过上面的LED段10的电流56和通过下面的LED段20的电流66的电行为。在旁路开关12、22的控制信号中没有任何补偿的情况下进行该仿真。观察到电流66的快速并瞬时发生的启动。
为了防止段电容器13、23和采样-保持开关14、24与旁路开关12、22的短路，使用了非交叠的时钟方案，在该非交叠的时钟方案中，在第一阶段A1，通过打开采样-保持开关14、24(即，置于非导通状态)对LED两端的电压进行采样，并保持电容器13、23上的电压；第二，在第二阶段P1，闭合旁路开关12、22(即，置于导通状态)以关闭对应的LED段10、20；在第三阶段P2，保持旁路开关12、22闭合特定的PWM时间；在第四阶段P3，打开旁路开关12、22(即，置于非导通状态)以开启对应的LED段10、20；以及在第五阶段A2，通过闭合采样-保持开关14、24再次将滤波和采样电容器连接到对应的LED段10、20两端。
图9c示出了pMOS晶体管14′、24′在段电容器13、23上侧的备选实施例。本领域技术人员应该理解，该备选实施例以和图9a中所示出的相似方式而操作。
在段电容器很小的断开时间内，LED仅通过其自身的寄生电容对LED电流进行滤波。该断开时间极大地取决于用于实现针对开关的驱动器的IC处理中可用器件的速度，从而有益于向图9a或9c中的段驱动器单元增加不被采样的附加(第二)电容器。在图10中以电容器15、25描述了这一点。作为示例，电容器15、25每一个都可以具有1nF的值，该值比第一电容器小一个数量级。将电容器15、25并联到对应的LED段10、20。即，同样地将电容器15在LED段10的任意一侧连接在节点10T和10B之间，以及同样地将电容器25在LED段20的任意一侧连接在节点20T和20B之间。
在以上本发明及其实施例的描述中，并没有明显地讨论所有组件的物理设置。可以有单个或多个载体(如，印刷电路板)上的分立组件来构建该装置。当可以由模块化组件构建该装置时，可以有优势地应用本发明及其实施例，该模块化组件的一个或更多特定组件针对每一个单独的LED段集成在套件中，或备选地针对若干LED段集成在套件中。在一些实施例中，在小的印刷电路板(PCB)上构建该套件作为小的LED模块，每一个LED模块承载针对单个LED段的所有LED和根据本发明的装置中所需的一个或更多个特定组件。取决于针对特定应用所要求的套件尺寸，很容易地调整模块的数量。在一些实施例中，在热沉(如，硅或陶瓷载体)上构建套件，从而该套件形成有源LED封装。
根据本发明的一个实施例的LED套件包括LED 10和电容器13。将电容器13与LED 10并联地设置。
可以很容易地将多个这样的套件与外部开关和外部电源结合在一起，以创建例如图7中的LED装置。备选地，可将多个这样的套件结合在一起，以形成LED和电容器的梯型网络。然后，可将该梯型网络连接到多个外部开关及外部电源，以创建例如图7中的LED装置。图11a示出了这样的LED套件，其中，LED 10和电容器13被安装在载体19上。
图11b示出了备选的LED套件，其中，三个LED 101、102、103被串联地安装作为一个LED段100，LED段100与电容器13一起位于载体上。
图11c示出了另一种备选的LED套件，其中，LED 10(或如图11b中所示的包括LED 101、102、103的串联设置100)、第一电容器13和旁路开关12被安装在载体19上。将旁路开关12电并联至LED 10或包括若干串联的LED 101、102、103的LED段100。同样地，图11d示出了另一个备选的LED套件，其中，LED 10(或如图11b中所示的包括LED 101、102、103的串联设置100)、第一电容器13和采样-保持开关14被安装到载体19上。将采样-保持开关14与第一电容器13电串联，并且将它们一起与LED 10或包括若干串联的LED 101、102、103的LED段100电并联。
同样地，图11e示出了另一个备选的LED套件，其中，LED 10、第一电容器13、采样-保持开关14和旁路开关12被安装在载体19上。将采样-保持开关14与第一电容器13电串联，并将它们一起与LED 10电并联以及与旁路开关12电并联。
同样地，图11f示出了另一个备选的LED套件，其中，LED 10(或如图11b中所示的包括LED 101、102、103的串联设置100)、第一电容器13、采样-保持开关14和第二电容器15被安装到载体19上。将采样-保持开关14与第一电容器13电串联，并且将它们一起与LED10和第二电容器15电并联。
同样地，图11g示出了另一个备选的LED套件，其中，LED 10(或如图11b中所示的包括LED 101、102、103的串联设置100)、第一电容器13、采样-保持开关14、旁路开关12和第二电容器15被安装到载体19上。将采样-保持开关14与第一电容器13电串联，并且将它们一起与LED 10电并联、与旁路开关12电并联、以及与第二电容器15电并联。开关12和15可以是分立开关，或者被集成作为还包含用于该开关的驱动电子装置在内的IC的一部分。
同样地，图11h示出了另一个备选的LED套件，其中，LED 10(或如图11b中所示的包括LED 101、102、103的串联设置100)和第二电容器15被安装到载体19上。将第二电容器15与LED 10电并联。
图11i示出了一个LED套件，其中，由硅热沉(submount)载体19来承载LED 10(或如图11b中所示的包括LED 101、102、103的串联设置100)和一个电容器13。更具体地，在硅热沉自身中实现该电容器，而不是在其表面安装该电容器作为分立的电子组件。可以很容易地将多个这样的套件与外部开关、外部电容器及外部电源结合在一起，以创建例如图7中的LED套件。此外，也可以将附加电子组件(如，采样-保持开关或电容器)集成到热沉中。
图12示出了在外壳5001中具有LED套件1的光源5000。外壳5001是具有反射性内壁的金属盒。LED套件产生的光被反射到外壳覆盖有漫射性透明板5002的前部。光源5000承载有电源适配器5010，电源适配器5010使用来自AC/DC变换器的输入电压Vin对LED套件1供电，并经由电源线5011、使用电源连接器5012将电源适配器5010连接到干线上，以使墙面接头(未示出)与干线电源相配。
图13示出了根据本发明的用于操作根据本发明的LED装置(例如图5a中所示的LED装置)的方法。该方法包括周期性地执行包括至少三个相继阶段P1、P2、P3的周期。第一阶段P1，包括闭合第一开关元件12、22以使得通过LED段10、20的电流停止从而关闭LED段10、20。后续的第二阶段P2包括针对每一个单独的驱动周期，在特定的持续时间内维持第一开关元件12、22闭合。后续的第三阶段P3，包括打开第一开关元件12、22以使得电流流过LED段10、20从而开启LED段10、20。
在示例中，该周期具有与200Hz的频率相对应的5ms的持续时间。100mA的电流通过LED串，并由第一开关元件12指定路线通过LED段10，以使得LED段10可以发光。在周期开始处的阶段P1，第一开关元件12闭合，并且电流被指定路线通过第一开关元件12，绕过LED段10，从而LED段10关闭。在具有例如2ms的特定持续时间的第二阶段P2期间，第一开关元件10保持闭合。在该特定的持续时间后，在本方法的第三阶段P3期间，第一开关元件12再次打开，并且在该周期的剩余时间开启LED段10，直到下一个周期的第一阶段P1开始。通过改变每一个单独的驱动周期中的特定持续时间，改变LED段10发光的时间以及改变在整个驱动周期的(平均)发光量。当该特定的持续时间与驱动周期具有相同的持续时间，LED段保持关闭。
第二阶段P2可以包括将补偿应用到针对每一个单独的驱动周期的特定时间，该补偿对相应的段驱动器单元110、210的开关延迟进行补偿。例如在图5b和图8b中所示，当开启LED段10、20时，会出现开关延迟。在图5b和图8b所示出的示例中，这些延迟大约为40至(resp)150μs。可以在P3中在第一开关元件保持闭合的特定持续时间内补偿该延迟。
图14示出了根据本发明的用于操作根据本发明的LED装置(例如图9a中所示的具有段驱动器单元110″、210″的LED装置)的另一种方法。在应用该方法的LED装置中，每一个段驱动器单元110″、210″还包括与第一电容器13、23电串联的第二开关元件14、24。
该方法包括周期性地执行包括该至少三个相继阶段P1、P2、P3的周期，以及第一阶段之前的第一辅助阶段A1和第三阶段之后的第二辅助阶段A2。第一辅助阶段A1包括打开第二开关元件14、24，以使得由第一电容器13、23来保持对应的LED段10、20上的电压。后续的第一阶段P1包括闭合第一开关单元14、24，以使得通过LED段10、20的电流停止从而关闭LED段10、20关闭。后续的第二阶段P2包括维持第一开关元件12、22闭合特定的持续时间。后续的第三阶段P3，包括打开第一开关元件12、22以使得电流流过LED段10、20从而再次开启LED段10、20。最后，第二辅助阶段A2包括闭合第二开关元件14、24。
应该注意到，上面提到的实施例是用以解释而非限制本发明，本领域一般技术人员能够设计出很多替代实施例，而未背离所附权利要求的保护范围。如，在不背离本发明和所附权利要求的范围的情况下，可将其它拓扑结构用于开关式电源，可通过开关34″替换二极管34、34′，可以使用p型以及n型开关，以及可以使用其它类型的开关，例如IGBT而不是MOSFET。在权利要求中，括号之间的附图标记不应被解释为对权利要求的限制。

Claims (10)

1.一种LED装置，包括LED串(1000)和驱动器电路装置(2000)，
所述LED串(1000)包括至少两个LED段(10、20；100、200)，所述至少两个LED段(10、20；100、200)电串联，
每一个LED段(10、20；100、200)包括至少一个LED(10、20、101、102、103、201、202、203)，
所述驱动器电路装置(2000)包括针对每一个LED段的段驱动器单元(110、210；110′、210′；110″、210″)，
其中每一个段驱动器单元(110、210；110′、210′；110″、210″)包括：与对应的LED段(10、20；100、200)电并联的第一开关单元(12、22)，用于在使用期间控制通过该LED段(10、20；100、200)的电流(50、60；51、61；52、62；53、63；54、64；55、65；56、66)，当第一开关单元闭合时，通过该LED段的电流停止，从而该LED段被关闭，其特征在于，
每一个段驱动器单元(110、210；110′、210′；110″、210″)包括第一电容器(13、23)，所述第一电容器(13、23)与所述对应的LED段(10、20；100、200)的至少一个LED电并联，
其中针对每一个LED段及其段驱动器单元，在所述第一开关元件打开时，电流流过所述至少一个LED，在所述第一开关元件闭合时，电流流过所述第一开关单元而非所述至少一个LED，
其中每一个段驱动器单元(110、210；110′、210′；110″、210″)包括第二开关元件(14、24)，所述第二开关元件(14、24)与所述第一电容器(13、23)电串联。
2.根据权利要求1所述的LED装置，
其中，所述驱动器电路装置(2000)包括段控制器(36)，所述段控制器(36)用于针对每一个段驱动器单元(110、210；110′、210′；110″、210″)产生第一控制信号(70、71；72、75、76)，所述第一控制信号(70、71；72、75、75)驱动对应的段驱动器单元(110、210；110′、210′；110″、210″)的第一开关元件(12、22)。
3.根据权利要求1所述的LED装置，
其中，每一个段驱动器单元(110、210；110′、210′；110″、210″)包括第二电容器(15、25)，所述第二电容器(15、25)与所述对应的LED段(10、20；100、200)的至少一个LED电并联。
4.根据前述权利要求中任一项所述的LED装置，还包括用于在使用期间向所述LED串(1000)供给供电电流的电源(2001)，所述供电电流实质上独立于在任意时刻开启和关闭的LED(10、20；101、102、103、201、202、203)的数目。
5.根据权利要求4所述的LED装置，
其中，所述电源(2001)包括开关式控制器(35；35′)、第三开关元件(31；31′)、感性元件(32；32′)以及从包括二极管(34；34′)和第四开关元件(34″)的组中选择的组件，其中，所述开关式控制器(35；35′)用于操作所述第三开关元件(31；31′)，以对所述感性元件(32；32′)进行充电和放电，其中，经由所述从包括二极管(34；34′)和第四开关元件(34″)的组中选择的组件对所述感性元件(32；32′)进行放电。
6.一种用于控制包括LED串(1000)和驱动器电路装置(2000)的LED装置的方法，所述方法包括：
提供包括电串联的至少两个LED段(10、20；100、200)的所述LED串(1000)，其中每一个LED段(10、20；100、200)包括至少一个LED(10、20；101、102、103、201、202、203)，以及所述驱动器电路装置(2000)包括针对所述至少两个LED段中每一个LED段的段驱动器单元(110、210；110′、210′；110″、210″)；
提供每一个段驱动器单元(110、210；110′、210′；110″、210″)，所述每一个段驱动器单元包括：
与对应的LED段(10、20；100、200)电并联的第一开关元件(12、22)，用于在使用期间控制通过LED段(10、20；100、200)的电流(50、60；51、61；52、62；53、63；54、64；55、65；56、66)，其中当第一开关单元闭合时，通过该LED段的电流停止，从而该LED段被关闭，以及
第一电容器(13、23)，所述第一电容器(13、23)与所述对应的LED段(10、20；100、200)中的至少一个LED电并联，以及
通过所述段驱动器单元来控制所述LED段，
其中针对每一个LED段及其段驱动器单元，在所述第一开关元件打开时，电流流过所述至少一个LED，在所述第一开关元件闭合时，电流流过所述第一开关单元而非所述至少一个LED，
其中每一个段驱动器单元(110、210；110′、210′；110″、210″)包括第二开关元件(14、24)，所述第二开关元件(14、24)与所述第一电容器(13、23)电串联。
7.根据权利要求6所述的方法，还包括：
针对每一个段驱动器单元(110、210；110′、210′；110″、210″)产生第一控制信号(70、71；72、75、76)，所述第一控制信号(70、71；72、75、76)驱动对应的段驱动器单元(110、210；110′、210′；110″、210″)的第一开关元件(12、22)，
执行驱动周期，
周期性地重复所述驱动周期，每一个驱动周期包括至少三个相继的阶段(P1、P2、P3)，
在第一阶段(P1)，闭合所述第一开关元件(12、22)以使得通过所述LED段(10、20；100、200)的电流停止，从而关闭所述LED段(10、20；100、200)，
在第二阶段(P2)，针对每一个单独的驱动周期，维持所述第一开关元件(12、22)闭合特定的持续时间，
在所述第三阶段(P3)，打开所述第一开关元件(12、22)以使得电流流过所述LED段(10、20；100、200)，从而开启所述LED段(10、20；100、200)。
8.根据权利要求6所述的方法，还包括：
针对每一个单独的驱动周期应用定时补偿，所述定时补偿对对应的段驱动器单元(110、210；110′、210′；110″、210″)的开关延迟进行补偿。
9.根据权利要求6-8中任一项所述的方法，还包括：
针对每一个段驱动器单元(110″、210″)产生第二控制信号(80、86)，所述第二控制信号(80、86)驱动对应的段驱动器单元(110″、210″)的第二开关元件(14、24)，
所述驱动周期包括所述第一阶段之前的第一辅助阶段(A1)和所述第三阶段之后的第二辅助阶段(A2)，
在所述第一辅助阶段(A1)，打开所述第二开关元件(14、24)，以使得通过所述第一电容器(13、23)来保持所述对应的LED段(10、20)上的电压，
在所述第二辅助阶段(A2)，闭合所述第二开关元件(14、24)。
10.一种照明系统(5000)，包括根据权利要求1-3中任一项所述的LED装置。
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