CN101861007A

CN101861007A - 功率控制电路及方法

Info

Publication number: CN101861007A
Application number: CN201010148159A
Authority: CN
Inventors: 穆罕默德·谢里夫·加南; 伊登·迪比克
Original assignee: Lumination LLC
Current assignee: Karent Lighting Solutions Co ltd; Current Lighting Solutions LLC
Priority date: 2009-04-09
Filing date: 2010-04-09
Publication date: 2010-10-13
Anticipated expiration: 2030-04-09
Also published as: US8174197B2; US20100259191A1; EP2239997B1; CN101861007B; EP2239997A1

Abstract

本发明提供了一种具有基本恒定强度和功耗的功率控制电路及方法。本发明还提供了一种电源，该光源包括：可控直流电压和电流源；非线性发光负载，被提供有来自可控直流电压和电流源直流电压和电流；电流检测电路，与非线性发光负载串联连接；可变LED正向电压(随着温度、编号批次、老化变化)传感器电路；乘法器，用于测量功率表示信号；以及功耗控制反馈电路，功耗控制反馈电路根据可变正向电压表示信号控制直流电压和电流源，以将直流电压和电流调节到保持光源产生的光强度和功耗基本恒定的振幅。

Description

功率控制电路及方法

相关申请的交叉引用

以下专利中的每一个的公开通过引证全部结合于此，涉及：Malenfant提交的题为“VOLTAGE BOOSTER FOR ENABLING THEPOWER FACTOR CONTROLLER OF A LED LAMP UPON LOWAC OR DC SUPPLY”的第6,091,614号美国专利；Ghanem提交的题为“NON-LINEAR LIGHT-EMITTING LOAD CURRENTCONTROL”的第6,285,139号美国专利；以及Ghanem提交的题为“NON-LINEAR LIGHT-EMITTING LOAD CURRENT CONTROL”的第6,400,102号美国专利。

技术领域

本发明涉及一种用于提供基本恒定强度光源的功率控制电路以及使用该控制电路的相应的方法。

背景技术

作为背景技术，交通信号灯通常使用白炽灯或者LED(发光二极管)灯。与白炽灯相比，LED交通信号灯更可靠、机械上更稳定安全、更节能并且环境上更友好。因此，LED交通信号灯正在日益普及。

LED灯的电压和电流特性对温度很敏感。使用的LED具有在预期的工作电流处被指定的正向电压。具体地，正向电压随着温度而改变，并且继而电流随之变化。因此，如果正向电压增大，则正向电流将会减小。同样，如果正向电压减小，则正向电流将会增大。

例如，对于在交通灯和信号灯、铁路信号灯、标志灯、商业冷藏照明(commercial Refrigeration lighting)、普通照明、交通工具照明、可变消息(variable message)的制造以及许多其他应用中广泛使用的给定类型的LED，在LED中，1.8伏特恒定电压在-25℃的温度下将产生约7.5毫安的电流、在+25℃的温度下将产生约20.5毫安的电流，而在+60℃的温度下将产生约30毫安的电流。因此，对于1.8伏特恒定电压，在+60℃的温度下通过发光二极管的电流强度大约比在+25℃的温度下通过发光二极管的电流强度高1.6倍。

可以维持恒定电压，以使LED两端的电压对于所有的环境(例如-40℃～74℃)都是恒定的。已知在高温下LED的正向电压减小，并且由于驱动器或者电源维持LED两端的电压恒定，所以LED电流将呈指数增大并且加亮LED(使LED变亮)。

在低温下，LED的正向电压增大，并且由于电源或驱动器维持LED两端的电压恒定，所以LED电流将呈指数减小并且光将变暗(使LED变暗)。因此，电压反馈控制对这种LED的使用寿命是有害的。

并且，固定的LED输出电流呈现出以下缺点：在较高温度下，LED正向电压减小，于是LED输出功率减小，这意味着光输出减少；而在较低温度下，LED正向电压增大，于是LED输出功率增大，这意味着光输出增大。

因此，需要一种通过调节诸如发光二极管的非线性发光负载的输出功率从而调节光强度来消除现有技术的上述缺点的器件和方法。

发明内容

根据本发明的一个方面，提供了一种光源。该光源包括：可控功率源(power source)，用于为非线性发光负载提供功率；电流检测电路，连接到非线性发光负载，生成表示流过非线性发光负载的电流的电流信号；电压检测电路，连接到非线性发光负载，生成表示非线性发光负载两端的电压的电压信号；功率检测电路，连接到电流检测电路和电压检测电路，接收电流信号和电压信号以及测量发光负载的功耗并生成可变功率表示信号(variablepower-representative signal)；以及功率反馈控制电路，连接在功率检测电路与可控功率源之间，功率反馈控制电路根据可变功率表示信号控制功率源，以保持光源的功耗基本恒定。

根据本发明的另一方面，提供了一种保持光源的强度和功耗基本恒定的方法。该方法包括：为非线性发光负载提供可控直流电压和电流；将从发光负载输出的正向电压与可变电流表示信号(variable current-representative signal)相乘，以生成可变功率表示信号；以及根据可变功率表示信号反馈控制可控直流电压和电流，以保持光源产生的光强度基本恒定。

根据本发明的又一方面，提供了一种具有基本恒定强度的LED灯。该灯包括：可控的直流电压和电流源，用于为LED负载提供直流电压和电流；电流检测电路，与LED负载连接，生成表示流过LED负载的电流的电流信号；电压检测电路，与LED负载连接，生成表示LED负载两端的电压的电压信号；乘法电路，接收电流信号和电压信号并生成可变功率表示信号；以及电压和电流控制反馈电路，连接在功率检测电路与可控直流电压和电流源之间，用于接收可变功率表示信号并根据可变功率表示信号控制直流电压和电流源，从而调节直流电压和电流，以保持LED负载产生的光强度和功耗基本恒定。

附图说明

本发明存在于器件的各个部件的结构、配置和组合，以及方法的步骤中，从而按照下文中更完整地阐述的，具体来说如权利要求中所指出的以及附图中所示出的，可实现预期的目标，在附图中：

图1是根据本发明的方面的结合有功率控制系统的LED灯的框图；

图2A是示出了在不同温度和不同编号下LED电流与LED正向电压的函数关系的图线；

图2B是示出了在不同温度和不同老化下LED电流与LED正向电压的函数关系的图线；

图3A是示出了LED功率与温度和V_F编号的函数关系的图线；

图3B是示出了LED输出功率与温度和LED老化的函数关系的图线；

图4A是示出了LED经调节的功率与温度的函数关系的图线，以及可控直流电压和电流源如何调节LED电流与由于温度导致的LED正向电压变化的函数关系；

图4B是示出了LED经调节的功率与温度的函数关系的图线，以及可控直流电压和电流源如何调节LED电流与由于老化导致的LED正向电压变化的函数关系；以及

图5是示出了保持光源的强度和功耗基本恒定的示例性方法的流程图。

具体实施方式

虽然在下文中将参照诸如发光二极管(LED)交通信号灯的光源来描述本发明的示例性实施例，然而在诸如铁路信号灯、标志灯、商业制冷照明、普通照明、交通工具照明、可变消息以及许多其他应用的其他LED照明应用中也可以使用本发明，并且应当理解，该实例并非旨在限制本发明的应用范围。

现参照图示，其中示图目的只在于示出示例性实施例，而并非为了限制所要求的主题，图1示出了诸如LED交通信号灯的光源2的框图。光源2包括包含至少一组LED的非线性负载4。该组LED通常由多个LED子组组成，其中每个子组内的LED串行互连。通常，串行互连的LED的子组并联连接，从而形成LED组。

光源2由交流输入线路6供电。来自交流输入线路6的电压和电流被全波整流桥8整流，并且通过功率转换器(或者电源)10和输出滤波器12提供给LED负载4。

功率转换器10从交流输入线路6获取交流电压，并将其变换为直流电压，以与经调节的电流一起为LED负载4供电。可以使用开关式电源。

为了平滑交流电流波形以及从其中取消开关高频(switchinghigh frequency)，可以在交流源6和全波整流桥8之间增加电磁兼容(EMC，electromagnetic compatibility)输入滤波器14。EMC输入滤波器14通常包括电容器、电感器和共模扼流圈的配置，以减小传导电磁辐射。由于开关式电源的自身的噪声特性，因此需要进行滤波。流过EMC输入滤波器14的电流与整流桥8的输出端的全波整流电压成正比。电流波形是正弦的并且与电压波形同相，使得功率因数即使不等于一也接近一。

LED负载4连接到LED电流检测电路16，LED电流检测电路16可以被用来检验LED负载4获得的电流在可接受的工作参数内。并且，LED负载4连接到LED电压检测电路18。LED电流检测电路16和LED电压检测电路18的输出端分别连接到功率检测(或者乘法器)电路20。

在图1中，通过参考数字22表示用于每个LED子组的固定输出功率参考信号P_REF。因此，LED负载4获得的功率通过功率检测电路20测量，功率检测电路20在功率因数控制器24与LED电流检测电路16和LED电压检测电路18的终端之间串行互连。通常，功率检测电路20将分别由LED电流检测电路16和LED电压检测电路18检测的LED电流I_LED和LED电压V_LED相乘(即，I_LED×V_LED)。以这种方式，功率检测电路20将LED负载4获得的总功率转换为相应的功率表示电压信号P_MEAS，该功率表示电压信号P_MEAS呈现在功率检测电路20的输出端上。功率检测电路20可以包括模拟乘法电路或者数字乘法电路。来自功率检测电路20的相应的功率表示电压信号被连接到功率因数控制器24。

功率因数控制器24的功能是保证输入电流在时间和振幅上随着输入电压按比例地变化。这就意味着对于稳态恒定输出功率条件下，在任意瞬时时刻，输入电流振幅随着输入电压振幅以相同的比例变化。功率因数控制器24在其输入端需要至少两个参数：(1)功率表示反馈信号P_MEAS(由功率检测电路20生成)，随着LED负载的改变而改变，以及(2)输出参考功率P_REF。

包括至少三个电路(在这种情况下，为LED电流检测电路16、LED电压检测电路18和功率检测电路20)的输出功率控制环路，被强制具有缓慢的响应，以允许输入电流随着输入电压变化。由于这种缓慢的功率环路响应，需要根据温度和正向电压的变化、相对于功率因数控制器24对功率转换器10的作用，来优化功率因数控制器24。

如前所述，为了获得功率表示反馈信号P_MEAS，功率检测电路22将输出电流和输出电压相乘。然后，在功率因数控制器24内的比较器中对功率表示反馈信号P_MEAS和P_REF进行比较。

虽然在图1中未示出，但是应当理解，光源2还可以包括其他的电路和部件，包括但不限于电子保护电路、输入欠压/过压电路、启动电路、输入参考电流检测、调光选择(dimming option)电路和/或出光检测电路，包括本领域的普通技术人员所知的所有电路。

应当理解，LED制造商通常在生产运行之后，对LED进行编号(bin)或者分离。由于制造过程中的典型的变化，每个LED可以拥有并且呈现出唯一的一组特性。LED制造商通常根据三个基本的特性进行编号。强度编号是根据亮度输出对组件进行区分的。色彩编号是根据光波长或者色彩温度的改变提供区分的。电压编号是根据其正向电压比的变化对组件进行划分的。

现参照图2A，图2示出了当没有加入根据本发明的功率控制电路时，在不同编号的情况下LED电流(I_LED)测量结果关于LED正向电压变化的图线。在图2A中，注意，温度θ₁低于温度θ₂，温度θ₂本身低于温度θ₃。注意，在参考LED电流(I_LEDref)处，对应于Bin A V_F1的LED电压大于对应于Bin A V_F2的LED电压，对应于Bin A V_F2的LED电压本身大于对应于Bin A V_F3的LED电压，以及分别对应于Bin B V′_F1、V′_F2和V′_F3的LED电压具有相同的特性。

现在转到图2B，其示出了当没有加入根据本发明的功率控制电路时，在不同老化(aging)的情况下LED电流(I_LED)测量结果关于LED正向电压变化的曲线。在图2B中，温度θ₁低于温度θ₂，温度θ₂本身低于温度θ₃。注意，在参考LED电流(I_LEDref)处，对应于Aging1 V_FA1的LED电压大于对应于Aging1 V_FA2的LED电压，对应于Aging1 V_FA2的LED电压本身大于对应于Aging1 V_FA3的LED电压，以及分别对应于Aging 2V′_FA1、V′_FA2和V′_FA3的LED电压具有相同的特性。

图3A是当没有加入根据本发明的功率控制电路时，在不同编号的情况下LED功率(P_MEAS)测量结果关于LED正向电压的曲线。在图3A中，温度θ₁低于温度θ₂，温度θ₂本身低于温度θ₃。注意，在参考LED恒定电流(I_LEDref)处，对应于Bin A P-BinA-θ₁的LED功率大于对应于Bin A P-BinA-θ₂的LED功率，对应于Bin AP-BinA-θ₂的LED功率本身大于对应于Bin A P-BinA-θ₃的LED功率，以及Bin B具有相同的特性：P-BinB-θ₁＞P-BinB-θ₂＞P-BinB-θ₃。

图3B是当没有加入根据本发明的功率控制电路时，在不同老化的情况下LED功率(P_MEAS)的测量结果关于LED正向电压的曲线。在图3B中，注意，在参考LED恒定电流(I_LEDref)处，对应于Aging1，P-Aging1-θ₁的LED功率大于对应于Aging1，P-Aging1-θ₂的LED功率，对应于Aging1，P-Aging1-θ₂的LED功率本身大于对应于Aging1，P-Aging1-θ₃的LED功率，以及Aging2具有相同的特性：Aging2，P-Aging2-θ₁＞Aging2，P-Aging2-θ₂＞Aging2，P-Aging2-θ₃。

图3A示出了没有本发明的功率检测电路20，在较低的温度(θ₁)下时，对于给定的V_F编号，LED输出功率P_MEAS1较高，而在较高的温度(θ₃)下时，对于给定的V_F编号，LED输出功率P_MEAS3较低。此外，在较低的温度(θ₁)下时，对于给定的老化，LED输出功率P_MEAS1较高，而在较高的温度(θ₃)下时，对于给定的老化，LED输出功率P_MEAS3较低，即：

P_MEAS1＞P_MEAS2＞P_MEAS3 (2)

因此，为了防止LED输出功率P_MEAS在固定的电流下随着温度θ₁、老化和V_F编号改变，引入了功率检测电路20。LED功率表示电压信号P_MEAS由LED电流I_LED(来自LED电流检测电路16)和LED正向电压V_LED(来自LED电压检测电路18)的乘积给出。

LED功率表示电压信号P_MEAS具有与流过LED 14的电流和LED 14两端的电压的幅度成正比的振幅。功率检测电路20能够根据温度θ、V_F编号和老化对提供给LED的直流功率进行调节。当温度θ恒定时，由功率检测电路20生成的P_MEAS将只取决于V_F编号和老化。

现在我们参照图4A和4B，图4A和图4B表示将功率控制电路加入光源2后的效果。如图4A和4B所示，当温度θ升高时，正向电压降低，然后功率因数控制器24通过向功率转换器10发送增大电流的信号来增大LED电流，以保持功耗恒定，以使：

P_MEAS ＝V_LED(θ)×I_LED(θ)＝常数＝P_REF (3)

以及LED上的电流为：

I_LED(θ)＝P_REF/V_LED(θ) (4)

其中P_REF是固定LED参考功率。

因此，LED电压V_LED减小，固定参考功率P_REF与经滤波的LED负载功率测量结果P_MEAS之间的差值E增大，使得功率转换器10增大LED电流，直到差值E等于零：

E＝P_REF-P_MEAS (5)

因此，P_REF的选择限制了LED负载4获得的功率。反过来，这保持了从LED负载4输出大致恒定的功率。

相反，如果温度θ降低，则LED电压V_LED升高，功率因数控制器24通过向功率转换器10发送增大电流的信号来增大LED电流，以保持功率恒定并且等于P_REF。因此，P_MEAS增大，而差值E减小，使得功率转换器10降低流过LED负载4的电流，直到差值E再次等于零。

LED灯功率输出调节基于图4A和4B中所示的正向电压测量结果随着温度和老化变化。

因此，根据本发明的多个方面，LED的功率可以被调节，使得在LED电特性中的任何一个发生变化时，LED功耗均能保持恒定。在LED正向电压例如随着(a)温度、(b)制造批次、(c)制造商V_F编号或者(d)老化的改变而变化时，LED电流可以被调节为保持相同的功耗。LED功耗还能够根据线路输入电压来改变，导致LED效率在每瓦特流明方面具有小的变化，而在对于特定电流的电压方面具有大的变化。

输出参考功率可以作为调光选择被用户调节。通常，输入参考电流传感器通常与输出功率P_MEAS成正比，因此通过固定参考电流，可以成比例地固定输出参考功率，于是在所有温度环境、编号V_F变化、以及老化(时间)变化下可以以相同的功耗执行调光选择。

图5中示出了根据图1中所示的示例性实施例以及以上的描述，保持光源的强度和功耗基本恒定的示例性方法。该方法包括：(a)从可控功率源向诸如一组LED的非线性发光负载提供功率(101)；(b)将来自发光负载的输出正向电压和可变电流表示信号相乘，以生成可变功率表示信号(102)；以及(c)根据可变功率表示信号反馈控制功率源，以保持光源产生的光强基本恒定(103)。

以上描述仅仅提供了本发明的具体实施例的公开，但目的并不在于将本发明限定于此。因此，本发明并不只限于上述实施例。更确切地，应理解，本领域的任何普通技术人员所构思的可替换实施例均落入本发明的范围内。

Claims

1.一种光源，包括：

可控功率源，用于为非线性发光负载提供功率；

电流检测电路，连接到所述非线性发光负载，生成表示流过所述非线性发光负载的电流的电流信号；

电压检测电路，连接到所述非线性发光负载，生成表示所述非线性发光负载两端的电压的电压信号；

功率检测电路，连接到所述电流检测电路和所述电压检测电路，接收所述电流信号和所述电压信号，测量所述发光负载的功耗，并生成可变功率表示信号；以及

功率反馈控制电路，连接在所述功率检测电路与所述可控功率源之间，通过所述功率反馈控制电路根据所述可变功率表示信号来控制所述功率源，以保持所述光源的功耗基本恒定。

2.根据权利要求1所述的光源，其中，所述发光负载的所述功耗由于所述发光负载的工作环境条件、制造商正向电压编号批次以及使用寿命中的至少一个变化而变化。

3.根据权利要求1所述的光源，其中，所述电压检测电路产生电压表示信号，所述电压随着所述发光负载的温度、编号批次和老化变化。

4.根据权利要求1所述的光源，其中，所述功率反馈控制电路包括：

比较器，具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中，所述第一输入端用于接收所述可变功率表示信号，所述第二输入端用于接收固定功率表示参考信号，所述输出端用于产生表示所述可变功率表示信号与所述固定功率表示参考信号之间的比较的比较表示信号；以及

控制器，通过所述控制器根据所述比较表示信号来控制所述功率源，以调节电源的输出，使得所述光源产生的所述功耗和光强度基本恒定。

5.根据权利要求1所述的光源，其中，所述功耗和光源强度在给定的温度范围内保持基本恒定。

6.根据权利要求1所述的光源，其中，所述非线性发光负载包括串行互连的LED的多个子组。

7.根据权利要求6所述的光源，其中，所述串行互连的LED的子组并联连接。

8.根据权利要求1所述的光源，还包括以下电路中的至少一个：电子保护电路；

输入欠压/过压电路；

启动电路；

输入参考电流检测电路；

调光选择电路；以及

出光检测电路。

9.一种保持光源的强度和功耗基本恒定的方法，所述方法包括：

为非线性发光负载提供可控直流电压和电流；

将来自所述发光负载的输出正向电压与可变电流表示信号相乘，以生成可变功率表示信号；以及

根据所述可变功率表示信号，反馈控制所述可控直流电压和电流，以保持所述光源产生的光强度基本恒定。

10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述反馈控制还包括：

比较所述可变功率表示信号与固定功率表示参考信号，以产生表示所述可变功率表示信号与所述固定功率表示参考信号之间的比较的比较表示信号；以及

根据所述比较表示信号，控制所述可控直流电压和电流，以调节所述直流电压和电流，使得所述光源产生的所述功耗和光强度基本恒定。

11.根据权利要求9所述的方法，其中，所述非线性发光负载包括串行互连的LED的多个子组。

12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述串行互连的LED的子组通常并联连接。

13.一种具有基本恒定强度的LED灯，包括：

可控直流电压和电流源，用于为LED负载提供直流电压和电流；

电流检测电路，与所述LED负载连接，生成表示流过所述LED负载的电流的电流信号；

电压检测电路，与所述LED负载连接，生成表示所述LED负载两端的电压的电压信号；

乘法电路，接收所述电流信号和所述电压信号，并生成可变功率表示信号；以及

电压和电流控制反馈电路，连接在所述功率检测电路与所述可控直流电压和电流源之间，用于接收所述可变功率表示信号，并根据所述可变功率表示信号控制所述直流电压和电流源，从而调节所述直流电压和电流，以保持所述LED负载产生的光强度和功耗基本恒定。

14.根据权利要求13所述的LED灯，其中，所述可变功率表示信号随着所述发光负载的工作环境条件、制造商正向电压编号批次以及使用寿命中的至少一个变化。

15.根据权利要求13所述的LED灯，其中，所述电压检测电路包括用于传输可变正向电压表示信号的输出端，所述电压由于所述发光负载的温度、编号批次以及老化的变化而变化。

16.根据权利要求13所述的LED灯，其中，所述反馈控制电路包括：

比较器，具有第一输入端、第二输入端和输出端，所述第一输入端用于接收所述可变功率表示信号，所述第二输入端用于接收固定功率表示参考信号，所述输出端用于产生表示所述可变功率表示信号与所述固定功率表示参考信号之间的比较的比较表示信号；以及

控制器，通过所述控制器根据所述比较表示信号来控制所述直流电压和电流源，以将所述直流电压和电流调节到保持所述光源产生的所述功耗和光强度基本恒定的振幅。

17.根据权利要求13所述的LED灯，其中，所述功耗和光源强度在给定的温度范围内被保持基本恒定。

18.根据权利要求17所述的LED灯，其中，所述LED负载包括串行互连的LED的多个子组。

19.根据权利要求18所述的LED灯，其中，所述串行互连的LED的子组并联连接。

20.根据权利要求19所述的LED灯，还包括以下电路中的至少一个：

电子保护电路；

输入欠压/过压电路；

启动电路；

输入参考电流检测电路；

调光选择电路；以及

出光检测电路。