CN101820706B - 用于对光源进行调光的设备和方法 - Google Patents

Abstract

提供了一种用于对光源进行调光的设备和方法。通过其中加置了开关(T)的两线路的电力供应线(10)对光源(S)加电，开关(T)用于对所述电力供应向所述光源(S)的传送进行控制，从而对源(S)的亮度进行调节。在开关(T)的下游存在电容(C)，当所述开关(T)闭合时充电电流流过电容(C)。用于将所述充电电流限制到给定值的预充电级(P)被加置于所述开关(T)与所述电容(C)之间。

Description

用于对光源进行调光的设备和方法

技术领域

本发明涉及用于对光源进行调光的技术。 

在所准备的说明书中特别关注于在使用发光二极管(LED)(例如，大电流LED)的光源中的潜在的应用。 

背景技术

图1中的方框图涉及“三线路”调光方案。 

在图1的方框图中，附图标记S表示通过连接到三条线路的驱动器D被馈电的光源，三条线路具体为： 

-一对线路10，用于供应电力(例如，以它来自连续的电压源而论)，以及 

-第三条线路12，携带了用来对调光功能进行操控的、进行了脉宽调制(PWM)的控制信号。 

通过该对线路10提供的电力事实上是连续的电力供应，以及驱动器D根据线路12上的PWM信号的作用(特别是受其占空比的影响)将电力传送给源S：源S的亮度事实上是流过源S的电流的平均强度的函数，强度因而有赖于控制信号的占空比。 

图2中的方框图改为涉及其中调光功能采用“两线路”系统来实现的系统，在对10的线路中的至少一个线路上加置了使用PWM控制信号被打开和闭合的开关T(例如，诸如MOSFET的电子开关)。 

在此情形中，驱动器D的电力供应不再是连续的，而是如图3中所图示出的是断续的，包括分别用a)和b)来表示的两个部分。图3的两个部分是以单个的时间标度(x轴的标度，用t来表示)的函数的形式进行了示例的两个图，分别为： 

-开关T的闭合(即，导通，“Ton”)或打开(即，不导通，“Toff”)状态，以及 

-至驱动器D的电力供应的理想流动。 

在图2和图3的图中，调光功能因此通过使用PWM对电力供应线10进行控制来实施，以受控的方式中断去往驱动器D的电能。通过对开关T的切换频率进行控制以使得其高于人眼的敏感度范围(与图像在视网膜上的持续性有关)，所获取的总的效果是使光源S(流过源S的电流的平均强度的函数)取决于被用来接通和切断开关T的PWM信号的占空比。 

较之图1中的“三线路”图，图2中的“两线路”图呈现出在没有一条线路的情况下执行功能的优势，其使得电路更简单且更便宜。此外，使用图2中的电路必须考虑存在于驱动器D的输入处的电容C，该电容可被视为开关T的整个下游且还可以包括在驱动器D的输入级中所包括的至少一个电容器。 

在电路的操作中，当开关T打开时(即，不导通)，电容C向驱动器D供应电力，使得该电容中所呈现的电压减小。当开关T再次被导通时，产生浪涌电流的电压阶跃被施加到电容C。此电流的峰值标称上仅由电力供应线(包括开关T和电容C)的寄生阻抗来限制，且是以上所提到的电压阶跃的宽度的函数，该电压阶跃是在开关T再次被闭合时、来自电源(或向线10供电的源)的输入电压与电容C上的残余电压之间的差。此电压阶跃因此是电容C的值和开关T的切换速度(频率)的函数。 

发明内容

发明人确定此浪涌电流可以达到相当高的强度值，有损坏开关T和/或单元D的输入电容器或电容器的风险。而且，如果为被连接到线10的电源提供抗过载的保护，则这种电流可能触发保护以及中断电力供应。 

本发明意在克服这些潜在的缺点。 

根据本发明，此范围使用具有根据本发明的实施例中所阐述的特性的设备来实现。 

本发明还涉及一种相应的方法。 

本文中提供了作为与本发明相关的技术解释的整体一部分的本发明的优选实施例。 

在一个实施例中，此处所描述的方案涉及在驱动器的上游放置能够在开关T与电容C之间操作的预充电级，以限制以上所提到的电流。 

附图说明

单纯以非限制性的实例的方式，参照附图对本发明进行描述，其中： 

-图1至图3以上已进行了描述， 

-图4是此处所描述的设备的方框图， 

-图5示例了图4中的图的一个实施例， 

-图6示例了图5中的实施例的细节， 

-图7包括四个暂时叠置的图(分别标注为a)、b)、c)和d))，示例了图4的设备中所出现的某些信号的短期趋势， 

-图8示例了此处所描述的方案的一个实施例，以及 

-图9示例了此处所描述的方案的一个实施例。 

具体实施方式

下面的描述示例了各种具体的细节，以提供对于实施例更深刻的理解。实施例可以在没有这些具体细节中的一个或更多个细节的情况下实现，或者用其它的方法、组件、材料等等来实现。在其它的情形中，已知的结构、材料或操作没有被示出或详细描述，以使得不妨碍实施例的区别性的方面。 

在本说明书中对“实施例”的提及表示与该实施例相关所描述的特定的配置、结构或特性被包括在至少一个实施例中。因此，诸如“在一个实施例中”的用语(其会在本说明书中的各个地方出现)不一定指同一实施例。此外，具体的构造、结构或特性可以在一个或更多个实施例中被适当组合。 

本文中所使用的附图标记仅仅是为了方便，以及因此，不对实施例的保护领域或范围进行限定。 

从图4算起，与已经参照图1至图3进行了描述的部件、元件或组件相同的或等同的部件、元件或组件用同样的附图标记进行标注，以使得不 必重复相关的描述。 

还应当看出的是，在一些实施例中，图4中所示例的基础方案(在开关T与电容C之间引入意在利用通/断功能或者利用连续的调整来限制开关T闭合时的浪涌电流的预充电级)可以有益地使用图2的基础图中已经出现的一个或更多个组件。 

具体而言，图5和图6涉及围绕被插入到负反馈图中的“降压(buck)”变换器14来实施预充电级P的实施例。 

图6中的图示出了降压变换器14的可能的实施例，其包含：低通LC模块，包括电感器16和电容器18(事实上，被布置成与电容C并联并且潜在地被包括在所述电容中)。转换器14还包括被连接到LC模块16、18的二极管20(II构型)，二极管20的阴极被连接到电感器16。 

附图标记T_B表示用于允许/阻止(分别在闭合(即，导通)时和打开(即，不导通)时)将电力从线10传送到驱动器D的控制开关。因而，虽然开关T_B在此处被示为单独的组件，在一个实施例中，它的功能可以被结合到开关T的功能中。 

开关T_B由控制模块22进行操控，该控制模块通过差分节点24接收代表在从级P流向电容C的电流“Iout”的强度(信号“Isense”-线26)与峰值参考电流值(“Ipeak ref”-线28)之间的差的信号。 

在图7的图a)中，“Toff表示开关T打开(即，不导通)的时间段；而“Ton”表示开关T被闭合(即，导通)的时间段。比值“Ton/(Ton+Toff)”因此表示被用来对源S的调光功能进行操控的开关T的PWM控制信号的占空比。在一个实施例中，模块22所实施的控制法则阐明了如下内容：在开关T被闭合的时刻(在图7的图a)中从“Toff”时期移动到“Ton”时期)，开关T_B也被闭合，从而允许电流“Iout”对电容C(以及图6中的电容器C_B)进行充电。 

通过线26执行的感测操作使得可以对电流“Iout”的强度进行调整，以使得它不超过(至少在平均值方面)为线28设置的最大峰值(“Ipeakref”)。 

在一个实施例中，模块22被配置成使得当在线26上被感测为“Isense”的充电电流“Iout”的强度达到为线28设置的峰值Ipeak ref(其使得节点24所产生的输出信号降到零)时，模块22打开开关T_B以 中断流过它的电流。 

此工作模式引起如图7的图d)中所示的开关T_B的一系列的打开和闭合周期(其频率大于对开关T进行驱动的PWM信号的频率)。 

实践结果如图7的图b)所示，即，保持流出级P的电流(电流“Iout”)的强度(平均值)在参考值设置“Ipeak ref”之内。所有这些使得根据至少近似线性的梯度对电容C进行充电，其类型如图7的图c)所示。 

控制开关T_B的干预在电容C被充满电时(在图7的图c)中的梯度的末端)终止，例如，一旦与被施加到该对电力供应线路10的源的电压相对应的连续电压在电容C的端子处已经稳定下来的时候。 

在这些条件下，离开级P的电流“Iout”在实践上完全被驱动器D吸收作为“I驱动器(Idriver)”电流；差分节点24所生成的差(“Iref峰值”-“Isense”，其中，“Isense”＝“Idriver”)总是处于高电平，以确保开关T_B保持稳定的闭合。在这些条件下，预充电状态P事实上是“透明的(transparent)”，优化了流向驱动器D的电力。 

当开关T再次被打开时，开关T_B可以继续处于高电平，从而减小接续的“Ton”周期中的损耗。 

图8是参照图5和6进行描述的方案的简化的、低成本的实施例的电路图。 

在图8的图中，附图标记30表示用于对电流“Iout”的强度进行检测以在线26上生成相应的信号“Isense”的感测电阻器。 

使用用于接收如下信号的差分放大器来实施差分节点24： 

-在反相输入上，线26上所出现的信号， 

-在非反相输入上，表示电流“Ipeak ref的最大阈值的参考电压信号“Vreff。 

比较器24的输出可以被用来直接驱动开关T_B，开关T_B可以使用MOSFET被实施。 

特别地，当MOSFET T_B被闭合时，级P中的输出电流以输入电压和输出电压以及电感器16的值所定义的角系数开始增加(图7的图c)中的梯度的起点)。当比较器24的反相输入上的电压达到值“Vref”时，比较器的输出从“高”改变成“低”。 

它的出现常常具有比较器的典型时延，以及在此时延期间，电流继续增加，直到比较器24的输出改变使得MOSFET T_B打开，造成输出电流开始下降。 

因而，比较器24的反相输入上的电压也再次下降到非反相输入上所呈现的值(电压“Vref)，以造成(在比较器24的固有时延的所有情形中)输出电平的新的改变，MOSFET T_B结果切换到导通状态。 

换言之，比较器24被配置成用于对充电电流的强度“Isense”达到(在此处所考虑的示范性实施例中，升高和降低)值“Ipeak ref”的时刻进行检测，以及用于以相对于所述时刻的时延来对控制开关T_B的切换进行操控。 

重复进行MOSFET T_B所代表的开关的此打开/闭合机制基本上确定了对电流“Iout”的调节，该电流“Iout”具有与电压“Vref”以及和比较器24的响应时延(其在具有稳定效果的切换中引出了滞后机制)成比例的波动相关联的平均值。 

在满操作(电容C被充满)的情况下，其中，充电(驱动器D)中的电流“Idriver”低于针对充电电流所允许的最大值，MOSFET T_B继续稳定地被闭合，使得能够把电力供应正常传送到驱动器D(直到开关T被打开)。 

在此处所考虑的实施例中，开关T和开关T_B在整个电路中占据不同的位置。如以上所阐明的，在一个实施例中，开关T_B(例如，MOSFET)的功能事实上可以被集成到开关T的功能中，提供图7的图d)中所示例的开关T_B的快速打开/闭合系列所代表的电容C的充电电流的调整功能是开关T的驱动功能的一部分，如在“Ton”时期的部分中所实施的，在“Ton”时期中，用于对源S的调光功能进行驱动的PWM信号是使得开关T导通(“on”状态)。 

在图9中所示的实施例中(其中，同样地，与已经进行了描述的那些部件、元件和组件类似或等同的部件、元件和组件使用同样的附图标记来表示)，与以上所描述的控制功能类似的控制功能(而不是用于开启和断开MOSFET T_B所代表的开关的“数字的”方法)通过将MOSFET 33用作模拟控制器(即，电流调制器)被启动。 

在图9中所示的实施例中，再次出现了作为传感器以用于对充电电流 “Iout”的强度进行检测的电阻器30。MOSFET 33作为被加置到电力供应线上并由传感器30进行驱动的电流调制器，以由传感器30自身所检测的强度的函数的形式来调制充电电流“Iout”，再次以值“Ipeak ref的函数的形式来限制充电电流。 

为此目的，MOSFET 33(此处是n沟道型的)被连接成使得电流“Iout”流过它的源极-漏极线。MOSFET 33的栅极被连接到电子开关32，其在所示出的示范性实施例中包括n-p-n双极晶体管。感测电阻器30(其对电流“Iout”的强度进行检测)在此处被连接在晶体管32自身的基极与发射极之间。齐纳二极管34然后分别通过其阴极和其阳极被连接到晶体管32的集电极和发射极。 

流向驱动器D的电力如此前一样使用PWM、通过(在所示例的同一实施例中)被连接到齐纳二极管34的阳极以及晶体管32的发射极的开关T被控制。 

如所示出的，MOSFET 33使它的源极-漏极线被电流“Iout”流过，以及，通过它的栅极被连接到晶体管32的集电极与齐纳二极管34的阴极的公共连接点。此公共连接点然后通过电阻器36被连接到电力供应线的“高的”线路。 

在图9中的实施例的情形中，当开关T在“Ton”期间的起点被闭合时，MOSFET 33的栅极电压处于高电平并且MOSFET 33被禁制，MOSFET 33的栅极电压被钳位到二极管34的齐纳值，进行选择以使得此电压被维持在低于针对33的工作所许可的最大栅极-源极电压的电平。 

开关T一闭合，电流“Iout”就开始增加，以对电容C进行充电以及使得在感测电阻器30的端子上所检测的电压增加。当此电压达到双极晶体管32的基极-发射极阈值电压Vbe_on时，此晶体管(最初被禁制)开始导通，使电流流过其集电极以及使得(作为电阻器36两端的电压降增加的结果)MOSFET 33的栅极电压减小。MOSFET 33然后工作在其线性工作区中并起到受控电压电流调制器或调节器的作用，如此前一样对流过它的充电电流进行限制。 

选取电阻器30的阻抗值以使得开关32导通以及触发MOSFET 33的调节操作，以将电容器C的充电电流的峰值限制到给定的最大值。尤其是，增加电阻器30的阻抗值导致用于触发MOSFET 33的调制操作的电 流“Iout”的值减小，以及因此，随之发生的充电电流“Iout”所达到的最大值减小。 

再者，当达到满操作条件(电容C被充满电)时，电路的操作稳定于额定条件中，使得(其中，针对浪涌电流所允许的最大峰值大于额定充电电流“Iout”＝正常工作中充电的“Idriver”)电阻器30的端子上的电压低于电压Vbe_on，其使得双极晶体管32变得导通。在以上所提到的满操作条件中，晶体管32被禁止，而MOSFET 33被完全导通。 

再者，在此情形中，一旦浪涌电流的瞬变已经被遏制在预期的值，预充电级P对于电路的正常工作而言是透明的。 

将会看到的是，此处所描述的方案使得可以实施充分有效的、低成本的两线路的调光。还可以把预充电级P用于任何功率范围，以及潜在地，还可以驱动额外的D单元。 

所描述的预充电级(意在对可以确定过高涌流的条件进行操纵)在所有的其它方面、在电路的其它工作阶段中是完全透明的。尽管本发明的原则如此，实施细节和实施例由此可以从此处单纯以示例的方式所给出的描述进行显著的变化，不会因而脱离如所附权利要求所限定的本发明的范围。 

Claims (12)

1.一种用于对光源(S)进行调光的设备，所述设备包括两线路的电力供应线(10)，所述两线路的电力供应线(10)在其中加置了用于对电力供应向所述光源(S)的传送进行控制的开关(T)，其特征在于，在所述开关(T)被接通时充电电流(Iout)通过位于所述开关(T)的下游的电容(C)，其特征在于，它包括在所述开关(T)与所述电容(C)之间加置的预充电级(P)，所述预充电级(P)被配置成用于将所述充电电流(Iout)限制到给定值。

2.如权利要求1所述的设备，其特征在于包括被配置成用于将所述充电电流(Iout)的平均值限制到给定值的所述预充电级(P)。

3.如权利要求1或2中的一项权利要求所述的设备，其特征在于，所述预充电级(P)包括：

-传感器(30)，用以对所述充电电流(Iout)的强度进行感测；

-比较器(24)，用以将所述传感器所感测的所述充电电流(Iout)的强度与所述给定值相比较，以及

-加置于所述电力供应线(10)中的控制开关(T_B)，其由所述比较器(24)所驱动以中断所述电力供应，以将所述充电电流(Iout)限制到所述给定值。

4.如权利要求3所述的设备，其特征在于，所述比较器(24)被配置成用于对所述充电电流(Iout)的强度达到所述给定值的时刻进行检测，以及以相对于所述时刻的时延来对所述控制开关(T_B)的切换进行控制。

5.如权利要求3所述的设备，其特征在于包括被加置于所述开关(T)与所述传感器(30)之间的降压变换器(16、18、20)。

6.如权利要求5所述的设备，其特征在于，所述控制开关(T_B)被布置在所述降压变换器(16、18、20)的上游。

7.如权利要求5或6中的一项权利要求所述的设备，其特征在于，所述降压变换器包括形成II构型的低通LC模块(16、18)和二极管(20)，电感(16)和电容(18)位于所述LC模块中。

8.如权利要求1或2中的一项权利要求所述的设备，其特征在于，所述预充电级(P)包括：

-传感器(30)，用以对所述充电电流(Iout)的强度进行感测，

-电流调制器(33)，被加置于所述电力供应线(10)中以及由所述传感器(30)驱动(32、34、36)，以便以所述传感器(30)所感测的所述充电电流的强度的函数的形式来调制所述充电电流，从而将所述充电电流(Iout)限制到给定值。

9.如权利要求8所述的设备，其特征在于包括电子开关(32)，所述电子开关(32)由所述传感器(30)驱动以在所述充电电流的强度达到阈值时激活所述电流调制器(33)；且其特征在于，所述传感器包括被所述充电电流穿过的电阻器(30)。

10.如权利要求9所述的设备，其特征在于，所述电子开关(32)是双极晶体管。

11.如权利要求9所述的设备，其特征在于，所述电子开关(32)具有如下特征中的至少一个：

-所述电子开关(32)为双极晶体管，所述电阻器(30)被加置于所述双极晶体管的基极与发射极之间，由此所述阈值是所述电阻器(30)的阻抗值的函数，

-齐纳二极管(34)被布置在所述电子开关(32)的两端，以在所述电子开关(32)打开时将恒定的调制电压施加到所述电流调制器(33)。

12.一种用于对光源(S)进行调光的方法，所述光源通过两线路的电力供应线(10)被馈电，所述两线路的电力供应线(10)在其中被加置了用于对电力供应向所述光源(S)的传送进行控制的开关(T)，其特征在于，在所述开关(T)被接通时充电电流(Iout)通过位于所述开关(T)的下游的电容(C)，其特征在于，它包括在所述开关(T)与所述电容(C)之间加置预充电级(P)，所述预充电级(P)被配置成用于将所述充电电流(Iout)限制到给定值。

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