CN101843169A

CN101843169A - Led驱动器

Info

Publication number: CN101843169A
Application number: CN200880103507A
Authority: CN
Inventors: 斯蒂芬·帕迪富特
Original assignee: Enfis Ltd
Current assignee: Enfis Ltd
Priority date: 2007-08-15
Filing date: 2008-08-15
Publication date: 2010-09-22
Also published as: WO2009022153A1; EP2189041A1; GB0715846D0

Abstract

本发明涉及一种由AC市电电源(2b)驱动一个或多个LED(20)的方法及设备。输入电路(10)接收正弦波AC市电电源(2b)并使用合适的驱动器(14)将所述AC市电电源转换为脉冲式LED驱动电流(2d)，该脉冲式LED驱动电流为周期变化的电流，例如，具有修正的正弦波波形。还包括一个用于监视和检测整流波形(2c)瞬时电平的电路(12)，以助于驱动器(14)对驱动电流(2d)的调整。

Description

LED驱动器

技本领域

本发明涉及LED驱动器及驱动一个或多个LED的方法。

背景技术

众所周知，要使LED(发光二极管)有效工作，需要电子驱动器进行驱动。图1a至图1e示出了现有的装置，用于接收AC输入的输入电路110经由整流电路111和充电电解电容113连接至LED驱动器114，后者为一个或多个LED120提供电流。通过改变脉冲时间，电路维持恒定平均电流提供给LED，使其以最小功耗得到稳定的发光亮度等级。可以将驱动器设计成在一定电压范围内工作，从例如90V至240V的AC典型普通市电电源到低电压DC电源例如电池。在使用AC市电电源的情况下，需要在电路的输入级设置相对较大的充电电解电容作为蓄电池，以平滑脉动的电压源。图1b-1e示出了图1a所示的电路中各点1b-1e处的波形。

电解电容113有许多缺点，诸如：

1.相比LED，其工作寿命较短，并且用在高温环境该寿命时间还将缩短；

2.对于普通市电电源驱动器，电容是需要低频、高电压电源的大体积器件，通常必需将驱动器设置在与LED分离的机壳内，这样在需要将电容隐蔽安装的情况下，例如放在天花板上方夹层中，将遇到较大困难。

3.电解电容还会产生热量引起电流波动，是一种高成本器件，并且在故障状态下危险因素大。

现有一些驱动器中未设置电解电容，而使用大电感来代替这些电容。这种方案虽然解决了寿命时间限制的问题，但是增大了体积和EMC(电磁兼容)辐射，通常仅适用于低电流LED，即低发光亮度等级。

现有LED驱动器的输出级一般由稳定的DC电源供电。在驱动器开关周期内，充电电解电容提供了足够的电流能力来点亮LED。

如果在不配置电容的情况下使用整流AC电压源，当电压源接近零时，流向LED的电流将接通/关断(switch)。如果当市电电源的电压接近零时流向LED的电流接通(switch on)，则驱动器芯片不能有效地控制流向LED电路的电流。由于驱动器是电源转换级，这种情形会造成在低电压时从电源抽取过量的电流，并且由于LED电路利用无功部分，由此将产生不受欢迎的市电电源谐波，并导致LED发光亮度不稳定，例如闪烁。这种方法还将导致瞬变(transient)，其被输送回市电电源，这在通常应用中是不受欢迎的。此外，简单地去掉蓄电电容会使电功率被加到LED驱动电路的驱动级的电感上，并随AC市电电源输入频率而改变，造成在AC波形的低电压象限时过大的耗用电流。这会使电感产生磁饱和，降低LED的光输出，给AC市电电源带来超过电流认证规定的谐波，并降低整体效率。还会改变驱动级中驱动晶体管的偏压，使元器件发热并可能遭受损害。

本发明试图解决上述一个或多个问题。作为替代，本发明提供一种改进的LED驱动器和/或改进的驱动一个或多个LED的方法。

发明内容

根据本发明的一方面，提供一种电子设备，包括用于提供完全正向电流波形(substantially purely positive current waveform)的装置，连接于所述装置的输出端、用于将所述完全正向电流波形转换为脉冲串的LED驱动器，所述脉冲串具有修正的正弦波形，所述LED连接于所述LED驱动器的输出端。

在本发明的一些实施例中，具有用于提供完全正向电流波形的装置意指该完全正向电流波形仅由电子设备的一些器件所提供。例如，作为二极管，LED本身只能正向驱动，即仅在正向偏压方式下发出光亮。在这种情况下，应当理解完全正向电流波形这一说法，意味着仅对LED二极管施加正向偏压。

根据本发明的另一方面，提供一种操纵LED的方法，包括为LED提供具有修正的正弦波形的电流。

根据本发明的又一方面，提供一种驱动一个或多个LED的方法，如权利要求1所述。

根据本发明的再一方面，提供一种LED驱动电路，如权利要求8所述。

实施本发明，能够在不使用电解电容或类似的蓄电器件的情形下，通过AC电源诸如普通市电电源、飞机AC电源或发电机来高效驱动LED。

本发明的某些实施例的优点在于，可以在任何时候，减少功率需求使其符合于从AC市电电源输入可得到的功率。

本发明的原理可用于其他驱动电路，例如使用其他集成电路、微控制器或离散器件。本发明的优选实施例中未包括用于将周期性的输入AC电源平滑输出的电解电容。

本发明的一个特别优点在于带有驱动器和散热器的LED灯能够制造得足够小，使其以等量的亮度用于家用和办公照明。现有灯丝发光的灯泡将被淘汰，而相应的高效LED照明单元适合于任何有能力改换电灯泡的用户群。

AC电源的频率可能高于30Hz，一般为50-60Hz。因此，驱动LED的脉冲的频率最好为至少输入电源频率的5倍以上。脉冲的频率可以大于200Hz。脉冲的频率可以大于10kHz。

本发明的其他优选特征(可选)在从属权利要求中有阐述。

应当理解的是，本发明一方面所描述的或权利要求中提及的技术特征可以应用于本发明的其他方面。例如，在本发明装置中所描述的技术特征可以等同地应用于本发明的方法中，反之亦然。

附图说明

以下结合附图通过实施例对本发明作进一步说明。

图1a-1e是现有技术LED驱动装置的配置示意图；

图2a-2d是依据本发明第一实施例的LED驱动装置的方框图以及各点处的输出波形图；

图3是依据本发明第二实施例的电路原理图。

具体实施方式

图2a示出了本发明的第一实施例。输入AC电压(输入2b，其波形如图2b所示)在每一输入周期通过桥式整流器(输入电路10)输出两个正向输出波(输出2c，其波形如图2C所示)，在本发明的实施例中，桥式整流器为全波桥式整流器。之后，这一波形由电子电路(监测电路12)进行监测，以检测该波形的瞬间高低。电路12随后使用这一信息来调整流过LED20的最大电流(maximum current drawn by LED 20)。在低电源电压期间，驱动器14使用低电流，在高电源电压期间，驱动器14使用高电流，这样保证了供电电压和流过LED的电流是同相的，从而使电路的噪声低并且无闪烁地高效工作。当输入电压低于可接受的电平时，驱动电路14关断直到电压升到可接受的电平。

如此，提供给LED 20的电流的波形(输出2d，其波形如图2d所示)为修正后的正弦波形，从而增加了供给LED的与输入电压同相的电流脉冲，因此对于给定的发光亮度，相比固定振幅脉冲而言对LED的冲击较小。

可以看出图2d中示出的驱动电流的波形每一周期有两串脉冲。LED驱动电流的脉冲具有与整流正弦波形状相似的峰值电流电平。因此，每一串脉冲中的第一脉冲具有第一电流值、第二脉冲具有更高的第二电流值、脉冲串中间的脉冲具有更高的峰值电流值，随后的脉冲的电流值逐渐下降。每半个周期(即每串)中，每一串脉冲包含至少五个脉冲，这样每一个周期包含十个以上的脉冲。每一周期中的脉冲之间由对于给定的期望发光强度基本为恒定值的时间间隔分开。相邻两串脉冲之间由比分隔每一串脉冲内相邻两个脉冲的时间间隔更长的时间间隔分开。两个脉冲串之间使用相对更长的时间间隔分开的原因在于，当输入波形降低到门限电平以下时，电路能够有效地将LED驱动电流关断。

可以减小或增加驱动电流的脉冲宽度来调整可感知的LED发光亮度。这样在使用LED驱动电路期间，脉冲之间的间隔是可变化的，以借助脉冲宽度调制来提供调光功能。

图3所示为依据本发明第二实施例的电路原理图，其提供的功能与图2a所示框图的功能相似。如图所示，输入AC电压(50Hz 240V AC市电)加到输入端32。AC波形通过全波桥式整流器34得到每周期具有两个正向波形的全向整流波形。整流后的波形经过一个小容值陶瓷电容36(100nF)，以去掉噪声尖峰并稍微增加整流波形的最小电压，利于防止出现任何负电压。但是，该电容不会消除输入AC电源的周期，因为电容36不会影响波形的总体形状。方框38中的器件作为输入电路，可与AC市电电流相连，用于将AC电源简单地转换为全波整流周期变化波形(与图2c中所示的相似)。

全波整流波形随后由方框40(其包括LED驱动电路)中的器件接收。驱动电路包括带模拟门控制的通用开关模式控制器42，在本实施例中，其为Supertex，Inc，Cal ifornia，US出品的8引脚HV9910LED驱动芯片。该芯片的功能属于公知技术，此处对其引脚做简要介绍，从图3中所示的芯片右上角的引脚8开始以顺时针为序：引脚8-脉冲宽度调制控制；引脚4-外部MOSFET器件44的驱动输出，MOSFET器件44连接于输出端46，用于为外部LED器件(图中未示出)供电；引脚2-LED电流传感器；引脚3-地；引脚6-芯片输出电压；引脚5-低频脉冲宽度调制/使能输入；引脚7-线性调光(即与LED驱动电流成比例)；引脚1-用于为LED供电的电源的输入电压。

芯片42的模拟门(引脚7)需要0V至250mV的电压来控制MOSFET器件44的切换点，从而产生电流脉冲供给输出端46的LED。芯片42设计成在引脚4提供恒定的电流输出(以提供恒定的发光亮度输出)，输出电流与加在模拟门(输入引脚7)的电压成比例。这样，在LED驱动芯片HV9910的现有技术配置中，引脚7保持一个基本恒定的电压。(LED驱动芯片HV9910的输入引脚7可以选择性地用于提供用户可控制的线性调光，但是由于各种原因，LED的调光通常是通过脉冲宽度调制来实现，主要由输入引脚8控制。)

与LED驱动芯片HV9910的现有技术配置大不相同，电压周期变化波形加在芯片42的模拟门-引脚7。该电路包括由电阻48构成的分压网络，电阻48阻值的选择使得当AC波形在每一周期中最大点的电压时，加在引脚7上电压为250mV。引脚7的输入电压在0mV到250mV之间变化，与整流AC波形同相。当按照引脚8控制的占空因数“接通”时，AC波形的峰值对应于引脚4的LED驱动输出的最大输出点(或“全通”点)。稳压二极管49用于防止模拟门(引脚7)上的电压超过其安全工作极限。当引脚7的输入电压低于门限电平，引脚4的输出降为零，有效地关断输出端46的输出功率。这样保证了电路不会在电压低于有效工作所需偏压的情况下试图驱动LED，通过更加合适的驱动方案使得LED驱动更加省电和/或延长了LED的寿命。

使用电压调整电路(方框50中的器件)将电源电压加到芯片42的引脚1上，为芯片42工作提供电源。芯片42额定工作电压为450V，但是当电压较高时，会产生巨大热量，因此最好限制加在引脚1上电压。电压调整电路为芯片42的引脚1提供具有交变电压的电源。

陶瓷电容52跨接在LED输出端46，用以减小或消除开关尖峰。电感53作为能量存储器件，在MOSFET器件44关断期间将电能输送到输出端46。电感53、电容52和二极管54结合的选择考虑到整个电路效率和改进效率并减小反向EMF瞬间尖峰，当周期波形在驱动器关断的这部分时间保证LED的电流供给，从而改善电路效率。

由电路及与其相连的一个或多个LED构成的集成灯套件可作为灯泡，直接连接到市电AC灯泡插座。因此，方框40中的器件高效地接收具有周期变化电压的全波整流波形，并将其转变成周期变化电流(与图2d所示类似)的脉冲式LED驱动电流。脉冲式LED驱动电流中的每一个脉冲的宽度小于1ms。通常每个脉冲的宽度小于100微秒，例如在10微秒的数量级。脉冲的频率为100kHz的数量级。脉冲式LED驱动电流与所接收的AC波形同相，因此连接于输出端46的LED在输入AC波形的低电压部分，功率需求较低。输送给LED的电流与市电电源的电压同相这一事实用助于优化效率并最小化电路噪声。

本发明是通过具体实施例进行说明的，本领域技术人员应当明白，本发明还可以进行此处未说明的各种变换。作为举例，以下说明一些可能的变换。

作为如图3所示的借助分压电路48在芯片的引脚7上提供控制电压的替代，可以采用其他方式，例如，使用稳压二极管或晶体管等。

也可以不使用图3实施例中的芯片，而采用多个分离的非芯片器件来代替从而实现图3所示电路的功能。另外，可设计一种新型芯片，以将图3所示的一些非芯片器件与芯片42的功能结合起来。

对图3实施例的一种修改是去掉电压调整电路，用为电路提供较低电压AC市电电源(例如115V AC)来代替。使用这类电压值的AC电源，芯片发热程度在可接受的范围内。

在以上描述的实施例中，使用的是全波整流。作为替代，也可以使用半波整流，结合基本电压调整技术来降低输入波形的峰值电压，以允许在电路中使用较低电压器件。这取决于连接在输出端的LED所需的平均峰值电流、允许的最大电流和可感知的光强。

可以在电路中加入隔离变压器和/或剩余电流保护器(RCD)，用以有效地隔离市电电源以保护用户安全。

在之前的描述中，凡提到有公知等同物的本发明的部件或整体的地方，这些等同物就如单独列出一样被合并与此。应当参考权利要求来确定本发明的保护范围，其应当解释为包含任何等同物。本领域技术人员还应当理解，在描述时被称为本发明优选的、有利的、便利的等整体或特征是可选的，不限制独立权利要求的范围。此外，应当理解，在本发明的一些实施例中可能是有益的某些可选的整体或特征不是必需的，因此在其他实施例中可以不包含这些特征。

Claims

1.一种驱动一个或多个LED的方法，其特征在于，包括如下步骤：

电路接收具有正弦波形的AC市电电源；

所述电路将所述AC市电电源转换为具有周期变化电流的脉冲式LED驱动电流；及

使用所述驱动电流驱动一个或多个LED。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述驱动电流每一周期包括三个或更多个脉冲。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述驱动电流包括由第一时间间隔分开的第一对相邻脉冲，和由第二时间间隔分开的第二对相邻脉冲，所述第二时间间隔长于所述第一时间间隔。

4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述方法包括当输入波形的电压降到门限以下时电路关断LED驱动电流的步骤，驱动电流关断的期间对应于所述第二时间间隔。

5.根据之前所述的任一权利要求所述的方法，其中，脉冲化LED电流的每一周期包括：

具有第一电平平均电流的第一脉冲；

随后的具有第二电平平均电流的第二脉冲，所述第二电平高于所述第一电平；

随后的具有第三电平平均电流的第三脉冲，所述第三电平低于所述第二电平。

6.根据之前所述的任一权利要求所述的方法，其中，脉冲式LED电流的脉冲串具有修正的正弦波形。

7.根据之前所述的任一权利要求所述的方法，其中，所述脉冲式LED电流的脉冲的峰值电流电平与修正的正弦波的形状相似。

8.根据之前所述的任一权利要求所述的方法，其中，所述脉冲式LED电流是周期变化电流，其与AC市电电源的周期变化电压同相。

9.一种LED驱动电路，其特征在于，包括用于接收具有正弦波形的AC市电电源的输入端、用于为一个或多个LED提供调整电源的功率控制单元，其中所述功率控制单元用于将周期变化电压的电源输入转换为具有周期变化电流的脉冲式LED驱动电流。

10.根据权利要求9所述的LED驱动电路，其中，所述电路的设置使得所述一个或多个LED仅被供给正向偏压或无电流。

11.根据权利要求8或10所述的LED驱动电路，其中，所述LED驱动电路包括整流器，用于将在输入端接收到的正弦波形转换为整流后的波形，以产生所述脉冲式LED驱动电流。

12.根据权利要求9至11中任一项所述的LED驱动电路，其中，所述LED驱动电路连接至一个或多个LED。

13.根据权利要求12所述的LED驱动电路，其中，所述LED驱动电路和所述一个或多个LED封装为一个整体照明器件。

14.根据权利要求13所述的LED驱动电路，其中，所述整体照明器件是以灯套件的形式，其中用于接收AC市电电源的输入端适配于连接到灯光插座中。

15.根据权利要求9至14中任一项所述的LED驱动电路，其中，所述LED驱动电路用于执行权利要求1至8中任一项所述的方法。

16.一种电子设备，其特征在于，包括用于提供完全正向电流波形的装置，连接于所述装置、用于将所述完全正向电流波形转换为具有修改正弦波形的脉冲串的LED驱动器，以及连接于所述LED驱动器输出端的LED。

17.根据权利要求16所述的电子设备，其中，设置为使用AC市电电源驱动。

18.根据权利要求16或17所述的电子设备，其中，所述电子设备的设置使得其能够在不使用电解电容的情况下驱动所述LED。

19.根据权利要求16至18中任一项所述的电子设备，其中，所述用于提供完全正向电流波形的装置包括桥式整流器，用于将输入AC电压转换为每一输入周期具有两个正输出波形的整流波形。

20.根据权利要求19所述的电子设备，其中，所述设备包括用于监视和检测整流波形瞬时电平从而调整流过LED的最大电流的电路。

21.一种操纵LED的方法，其特征在于，包括为LED提供修正正弦波形的电流。

22.根据权利要求21所述的方法，其中，所述方法包括使输入AC电压通过桥式整流器以在每一输入周期中得到具有两个正输出波的整流波形的步骤。

23.根据权利要求22所述的方法，其中，所述方法包括监测所述整流波形的瞬时电平的步骤，以及依据监测到的整流波形的瞬时电平调整流过LED的最大电流的步骤。

24.根据权利要求23所述的方法，其中，在整流波形的低电压电平期间，流过LED的电流小；而在整流波形的高电压电平期间，流过LED的电流大。

25.根据权利要求23或24所述的方法，其中，所述方法包括监测整流波形的电压电平何时低于门限的步骤，以及关断流过LED的电流直到所述电压电平上升到所述门限以上的步骤。

26.根据权利要求21至25中任一项所述的方法，其中，所述修正正弦波形包括多个脉冲。

27.根据权利要求21至25中任一项所述的方法，其中，供给所述LED的电流波形使得加在LED上的脉冲电流与所述输入电压同相。