CN101959346A - 用于led灯的自适应调光器检测和控制 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及用于LED灯的自适应调光器检测和控制。提供一种LED灯,其中基于向该LED灯的输入电压来调节LED灯中的LED的输出光强度。调光器控制单元在配置过程期间检测调光器开关类型。使用检测到的调光器类型,调光器控制单元生成适合于该检测到的调光器类型的控制信号,以向LED提供经调整的电流并且实现所需调光效果。LED灯可以在典型布线配置中直接替换在使用常规调光器开关的住宅和商用建筑物照明应用中出现的常规白炽灯。
Description
技术领域
本发明涉及驱动LED(发光二极管)灯,并且具体地,涉及对LED灯进行调光。
背景技术
在诸如建筑照明、车头灯和车尾灯、用于液晶显示设备的背光、闪光灯等广泛各种电子应用中采用LED。与如白炽灯和荧光灯的常规光源相比,LED具有包括高效率、良好方向性、色彩稳定性、高可靠性、长寿命、小尺寸和环境安全性的显著优点。
期待扩展LED在照明应用中的使用,因为它们在功率效率(每瓦特的流明)和光谱质量方面提供较白炽灯(灯泡)而言的显著优点。另外,LED灯代表与可能由于处置荧光灯而引起汞污染的荧光照明系统(与荧光灯组合的荧光镇流器)相较而言更低的环境影响。
然而,在不修改已经在白炽灯泡周围构建的电流布线和部件基础结构的情况下,常规LED灯不能直接替换白炽灯和可调光的荧光系统。这是因为常规白炽灯是由电压驱动的设备,而LED是由电流驱动的设备,从而需要用于控制它们的相应光输出强度的不同技术。
图1图示了在常规住宅和商用照明应用中的典型调光器布线配置。白炽灯主要以交流(AC)系统为动力进行操作。具体而言,调光器开关10与输入电压源15和白炽灯20串联放置。调光器开关10接收对白炽灯20的所需光输出强度进行设置的调光输入信号25。通过调节向白炽灯20施加的灯输入电压的RMS电压值(V-RMS)30来实现白炽灯20的光强度控制。可以手动(经由旋钮或者滑块开关)或者经由自动化照明控制系统来提供调光输入信号25。
许多调光器开关通过控制向白炽灯施加的AC输入功率的相位角来调节V-RMS,以对白炽灯进行调光。图2A、图2B和图2C图示了向白炽灯20输出的典型灯输入电压波形。图2A图示了在不存在调光开关10时,或者在将调光器开关10设置成最大光强度并且来自输入电压源15的电压信号不受调光器开关10影响时的典型灯输入电压波形30。图2B图示了具有以前沿相位角调制(即,前沿调光器)为基础的调光效果的灯输入电压30。在前沿调光器中,调光器开关10消除灯输入电压30在AC半周期的过零点之后并在峰值之前的具有时段Td_off的部分32。输入电压30在时段Td_on期间不改变。随着调光输入信号25增加所需调光效果,消除的部分32的时段Td_off增加、时段Td_on减少,而输出光强度减少。对于最少调光(最大光强度),消除的部分32的时段Td_off变成很小或者零。
图2C图示了具有以后沿相位角调制(即,后沿调光器)为基础的调光效果的灯输入电压30。后沿调光器开关通过去除AC电压半周期在峰值之后并在过零点之前的后缘(trailing)部分34来进行操作。输入电压30在时段Td_on期间不改变。同样,随着调光输入信号25增加所需调光效果,去除的部分34的时段Td_off增加、时段Td_on减少,而光强度减少。对于最少调光(最大光强度),消除的部分34的时段Td_off变成很小或者零。
控制相位角是一种用于调节向白炽灯泡供应的RMS电压并且提供调光能力的很有效和简单的方式。然而,对输入电压的相位角进行控制的常规调光器开关未兼容于常规LED灯,因为LED并且因此LED灯是由电流驱动的设备。
一种针对这一兼容性问题的解决方案使用了如下LED驱动器,该LED驱动器感测灯输入电压30以确定调光器开关10的操作占空比,并且随着调光器开关10的操作占空比的减小而减少经过LED灯的经调整的前向电流。然而,在这些常规解决方案中使用的控制方法仅兼容于单个类型的调光开关,例如前沿或者后沿。如果为了与前沿调光器开关一起使用而设计的LED灯使用后沿调光器开关来连接到灯输入电压30或者反之亦然,则LED灯将可能出故障和/或失效。
发明内容
在本发明的第一方面中,实施例包括一种发光二极管(LED)灯,其具有一个或者多个LED、调光器控制单元和功率转换器。调光器控制单元确定提供输入电压的调光器开关类型、为检测到的调光器开关类型确定输入电压的检测到的调光量,并且生成一个或者多个控制信号以控制经过LED的经调整的电流,从而LED的输出光强度与检测到的调光量成比例。功率转换器接收控制信号,并且向一个或者多个LED提供经调整的电流。功率转换器如控制信号表明的那样,调节去往LED的经调整的电流,以实现与检测到的调光量成比例的输出光强度。
在一个实施例中,调光器控制单元包括相位检测器,该相位检测器确定输入电压的代表检测到的调光量的检测到的相位角调制。相位检测器使用检测到的调光器类型以确定阈值,并且比较阈值与输入电压以确定相位角调制。斩波生成器电路使用检测到的相位角调制以生成对斩波电路的切换进行控制的斩波控制信号,以向功率转换器高效地提供电源功率。调光控制器使用检测到的相位角调制以生成用于对功率转换器的切换进行控制的控制信号,以实现所需调光效果。
在本发明的第二方面中,一种方法确定耦合到LED灯的调光器开关类型。在第一检测级中,调光器类型检测器接收灯输入电压,并且计算灯输入电压在先前周期期间出现的最大导数。调光器类型检测器也计算第一阈值。如果最大导数超过第一阈值,则调光器类型检测器确定该输入电压是从前沿调光器开关输出的。如果未超过阈值,则调光器类型检测器确定灯输入电压保持于后沿阈值以下的时间段。调光器类型检测器响应于时间段超过预定义时间阈值,确定从该输入电压是从后沿调光器开关输出的。否则,调光器类型检测器确定未从调光器开关输出该输入电压。
在一个实施例中,在第一检测级之后的某一数目周期进行第二检测级。如果第一和第二检测级的结果不匹配,则在另一数目的周期之后进行第三检测级。如果来自第二和第三检测级的结果匹配,则将调光器类型设置成与来自第二和第三级的结果匹配。如果结果不匹配,则调光器类型检测器输出表明不受支持的调光器类型的信号。
根据本发明各种实施例的LED灯具有的优点在于:LED灯可以在典型布线配置中直接替换在住宅和商用建筑物照明应用中出现的常规白炽灯泡,并且LED灯可以与通过改变输入电压来实现调光的常规调光器开关一起使用。
在说明书中描述的特征和优点并非囊括性的,并且具体而言,本领域普通技术人员根据附图、说明书和权利要求将清楚许多附加特征和优点。而且,应当注意,说明书中所使用的语言在原则上是为了易读和指示的目的而选择的,而不是为了界定或限制发明主题而选择的。
附图说明
通过结合附图考虑下文具体实施方式可以容易理解本发明实施例的教导。
图1图示了在常规住宅和商用照明应用中的典型调光器布线配置。
图2A、图2B和图2C图示了不同类型的调光开关输出的典型灯输入电压波形。
图3图示了包括与常规调光器开关一起使用的、根据本发明一个实施例的LED灯的LED灯系统。
图4图示了常规调光器开关的电路。
图5图示了根据本发明一个实施例的LED灯电路。
图6图示了如下波形,这些波形示出了根据本发明一个实施例的斩波电路的操作。
图7图示了根据本发明一个实施例的调光器控制单元。
图8是图示了根据本发明一个实施例的、用于检测调光器类型的过程的流程图。
图9是图示了根据本发明一个实施例的、用于检测和重新检测调光器类型的多级过程的流程图。
图10A和图10B图示了如下波形,这些波形示出了根据本发明一个实施例的灯输入电压的检测到的时段和接通时间。
具体实施方式
附图和下文描述仅通过示例涉及本发明的优选实施例。应当注意,根据下文讨论,这里公开的结构和方法的替代实施例将容易理解为可以在不脱离要求保护的本发明的原理时可以运用的可行替代实施例。
现在将具体参照在附图中图示了其例子的本发明若干实施例。注意,只要可行,相似或者相同的标号可以用在附图中,并且可以表明相似或者相同的功能。附图描绘本发明的实施例仅为了说明。本领域技术人员根据下文描述将容易理解可以运用这里说明的结构和方法的替代实施例,而不脱离这里描述的本发明的原理。
如下文参照附图将具体说明的那样,根据本发明各种实施例的LED灯系统和方法:(1)检测来自调光电路的输入电压,并且确定调光系统的类型(即,前沿调光器、后沿调光器、无调光器或者不支持的调光器);(2)基于输入电压和确定的调光类型来生成调光控制信号;以及(3)基于调光控制信号向LED灯中的LED提供对应输出驱动电流,以实现LED的所需光强度。此外,在系统不能识别调光系统类型时,或者在检测到的调光类型不受支持时,LED灯系统可以进入“安全模式”。因此,LED灯有益地检测所用调光开关类型,并且将它的控制调节得兼容于检测到的调光类型,从而LED灯可以在典型布线配置中直接替换白炽灯。
图3图示了包括与常规调光器开关10一起使用的LED灯300的LED灯系统。根据本发明各种实施例的LED灯300在诸如图1的设置之类的常规调光器开关设置中直接替换白炽灯20。调光器开关10与AC输入电压源15和LED灯300串联放置。调光器开关10是常规调光器开关,其例子将在下文中参照图4具体加以描述。调光器开关10接收用来对LED灯300的所需光输出强度进行设置的调光输入信号25。调光器开关10接收AC输入电压信号82,并且响应于调光输入信号25来调节灯输入电压84的V-RMS值。换而言之,通过以常规方式调节向LED灯300施加的灯输入电压84的值V-RMS,调光器开关10对LED灯300输出的光强度的控制得以实现。即使LED是由电流驱动的设备而不是由电压驱动的设备,LED灯300仍将LED灯300的光输出强度控制成与灯输入电压84成比例地变化,从而表现出与白炽灯相似的行为。另外,LED灯300可以检测调光器开关10的类型(例如,前沿、后沿、无调光器或者不支持的调光器),并调节内部控制,从而LED灯300兼容于检测到的类型。可以手动(经由这里未示出的旋钮或者滑块开关)或者经由自动化照明控制系统(这里未示出)来提供调光输入信号25。
调光器开关
图4图示了用于与本发明一起使用的常规调光器开关10的电路。虽然图4将调光器开关10图示为前沿型调光器,但是替代实施例可以包括不同类型的调光器开关10(例如,后沿调光器),或者可以不存在调光器开关10。调光器开关10包括部件如电位计电阻器(可变电阻器)150、电阻器151、电容器153、157、diac(两端交流开关元件)155、triac(三端双向可控硅开关元件)156和电感器154。
相关于AC输入电压82的过零点来触发triac 156。在triac 156被触发时,如果它的负载为纯电阻(类似于灯泡),则它保持导通,直至穿过triac 156的电流在下一过零点变为零。通过改变triac 156被触发的相位,可以改变灯输入电压84的占空比。较之于简单可变电阻器而言,triac的优点在于其耗散很少功率,因为它们完全通或者完全断。通常,triac在传递负载电流时引起1V到1.5V的电压降。
在diac 155/triac 156组合中的电位计150和延迟电容器153的目的在于相对于过零点来延迟diac 155的激发点。向延迟电容器153进行馈送的电阻电位计150加电阻器151越大,在电容器153两端的电压上升至diac 155的激发点从而接通triac 156需要的时间就越久。滤波器电容器157和电感器154构成简单射频干扰滤波器,电路无该滤波器就会生成大量干扰,因为在AC相位的中间激发triac 156会造成快速上升的电流浪涌。调光输入25可以用来调节电位计150,从而改变diac 155的激发点,由此变化灯输入电压84。
LED灯
图5是图示了LED灯300的一个示例实施例的具体视图。LED灯300包括桥式整流器310、斩波电路320、功率转换器电路330、调光器控制单元340和LED 302。LED灯300也包括用于抑制EMI的电容器C1。
桥式整流器310对来自调光器开关10的灯输入电压84进行整流,并且向斩波电路320提供经整流的电压信号Vin。斩波电路320是向功率转换器330供应功率以作为电源电压Vcb的切换电路。斩波电路320根据切换控制信号Chop_out向功率转换器330高效地供应功率,该切换控制信号Chop_out是至少部分地基于在下文具体描述的LED灯300的配置模式期间检测到的调光器开关10的类型而生成的。斩波电路320也向调光器控制单元340输出感测电压Vin_a。在配置模式期间,调光器控制单元340至少部分地基于感测电压Vin_a来确定调光器开关10的类型。在正常操作期间,调光器控制单元340输出控制信号Chop_out以控制斩波电路320的切换,而输出控制信号Dim_control以控制功率转换器330。功率转换器330如下文将更具体描述的那样,基于Dim_control来驱动LED 302以实现所需调光效果。虽然仅图示了三个LED 302,但是应当理解,功率转换器330可以驱动具有任何数目LED的LED串,或者可以并行驱动多串LED302。
斩波电路
在一个实施例中,斩波电路320包括电阻器R1、R2和Rc、电感器Lc、二极管D1和D2以及开关Qc。斩波电感器Lc串联耦合于输入电压Vin与开关Qc之间,用于在斩波开关Qc接通时存储来自输入电压Vin的功率,而在斩波开关Qc关断时向功率转换器释放功率。二极管D2串联耦合于斩波电感器Lc与功率转换器330之间,并且在开关Qc关断时向功率转换器330提供来自斩波电感器Lc的功率。斩波电阻器Rc串联耦合于斩波开关Qc与斩波电感器Lc之间,并且在开关Qc接通时耗散来自斩波电感器Lc的功率。二极管D1耦合于输入电压Vin与功率转换器330之间,并且在电压Vcb低于输入灯电压时对电容器Cb进行充电。电阻器R1和R2形成分压器,以提供与输入电压Vin成比例的感测电压Vsense。
开关Qc由开关控制信号Chop_out控制,从而用向功率转换器330高效地递送电源电压Vcb的方式接通和关断Qc。如上文讨论的那样,调光器开关10通常包含triac器件64。然而,triac器件64包含如下寄生电容,该寄生电容如果未受控制,则可能在triac器件64处于关断状态时向功率转换器330递送所不希望的电流。另外,电容器C1可能在triac器件64处于关断状态时向功率转换器330递送所不希望的附加电流。这样所不希望的电流可能引起灯输入电压Vin的失真,并且使LED灯300出故障。开关控制信号Chop_out控制开关Qc,以便在triac器件64处于关断状态时向输入电压Vin提供电阻负载,并且耗散非所需电流。在一个实施例中,Chop_out控制Qc以在调光器的关断时间Td_off的检测到的估计期间(这里也称为“激发时段”)接通,由此将非所需电流重新导向通过旁路电阻器Rc,并且防止输入电压Vin的失真。在调光器的接通时间Td_on的检测到的估计期间(这里也称为“斩波时段”),Chop_out控制Qc以允许电流经过二极管D2从桥式整流器310流向功率转换器330。在一个实施例中,二极管D1在电压Vcb低于输入灯电压Vin时对电容器Cb进行充电,以有助于在triac 64接通时减少涌入电流。
为了提供良好的功率效率,开关控制信号Chop_out控制Qc以根据斩波函数在斩波时段期间循环地接通和关断,而不是将Qc保持于关断状态。例如,在一个实施例中,斩波时段包括多个斩波周期,其中各斩波周期i包括接通时间Ton_Qci和关断时间Toff_Qci。在一个实施例中,开关Qc在斩波周期i期间的接通时间Ton_Qci由下式给出:
其中K1是试验确定的常数,而Vini是在斩波周期i开始时的输入电压Vin。
在斩波周期i期间的关断时间Toff_Qci由下式给出:
其中K2是第二试验确定的常数。因此,开关Qc根据以可变输入电压Vin为基础的可变接通时间和关断时间、在斩波时段期间接通和关断多次。
图6图示了示例波形图,这些波形图示出了斩波电路320的操作。图示了具有示例输入Vin_a(经由包括电阻器R1和R2的分压器感测的)的波形图,该输入Vin_a遵循前沿调光器类型。然而斩波电路320在存在其他类型的调光器(例如,后沿调光器)时类似地操作。在激发时段期间,将Chop_out设置成高,从而接通开关Qc。电感器Lc饱和,并且供应经过斩波电阻器Rc耗散的恒定电流。电压Vcb在激发时段期间下降,因为没有电流经过二极管D2流向功率转换器330。
在斩波时段期间,根据等式(1)和(2)的斩波函数来接通和关断Chop_out。随着Vin增加,控制信号Chop_out的接通时段Ton_Qci和关断时段Toff_Qci均减少。由此,在一个实施例中,接通时段Ton_Qci和关断时段Toff_Qci均与输入电压Vin成反比。斩波电感器Lc在Qc接通时存储能量,然后在Qc关断时向电容器Cb释放能量,如经过Lc的电流尖峰所示。来自电感器Lc的能量对电容器Cb进行充电,并且电压Vcb增加。在斩波时段期间,Lc的平均电流与输入AC线电压同相,从而固有地提供高功率因子。
功率转换器
回到图5,在一个实施例中,功率转换器330包括如下回扫转换器,该回扫转换器包括二极管D3、电容器Co、开关Q1、电阻器R3、R4和Rs、恒流控制器335和具有主绕组P1、副绕组S1和辅助绕组A1的变压器T1。恒流控制器335生成对开关Q1进行驱动的输出驱动信号336。来自电源电压Vcb的输入功率在开关Q1接通时存储于变压器T1中,因为二极管D3变成反向偏压。然后,在开关Q1关断时,向跨电容器Co的LED 302传送输入功率,因为二极管D3变成正向偏压。二极管D3作为输出整流器来工作,而电容器Co作为输出滤波器来工作。向LED 302递送所得到的经调整的输出电压V_LED。
恒流控制器335生成开关控制信号336,以控制转换器330的开关Q1,从而维持经过LED 302的恒定电流。恒流控制器335可以运用多种公知调制技术中的任一种如脉宽调制(PWM)或者脉频调制(PFM),以控制功率开关Q1的接通和关断状态以及占空比。PWM和PFM是用于通过分别控制对开关Q1进行驱动的输出驱动脉冲336的宽度或者频率,来控制切换功率转换器以实现输出功率调整的常规技术。由此,恒流控制器335生成适当开关驱动脉冲336,以控制功率开关Q1的接通时间,并且调整经过LED 302的输出电流。
电压Isense用来以跨感测电阻器Rs的电压的形式来感测经过主绕组P1的主电流Ip。电压Vsense用于经由包括电阻器R3和R4的电阻分压器来感测跨变压器T1的辅助绕组A1的电压。在回扫转换器中,输出电流与在电流感测电阻器Rs上的峰值电压(由Isense代表)与变压器T1的重置时间的乘积成比例。变压器T1的重置时间是开关Q1关断的时间与变压器辅助电压(由Vsense代表)的下降沿之间的时间。恒流控制器335通过感测电压Isense并且在Isense超过阈值Vipeak时生成控制信号336以关断开关Q1,来实施峰值电流切换以限制主电流Ip。恒流控制器335也在功率转换器330的各切换周期结束时对电压Vsense进行采样,以测量变压器T1的重置时间。通过与变压器T1在先前周期中的测量的重置时间成反比地调节阈值Vipeak来维持恒流调整。在2008年10月28日授权的、标题为“On-timeControl for Constant Current Mode in a Flyback Power Supply”的第7,443,700号专利中,更具体地描述了恒流控制器335的一个示例实施例,通过整体引用将其内容结合于此。
调光器控制单元
图7图示了调光器控制单元340的一个实施例。调光器控制单元340包括模数转换器(ADC)701、调光器类型检测器712、相位检测器816、斩波生成器714和调光控制器718。本领域技术人员将认识到,其他实施例可以具有与这里描述的模块不同的模块,并且功能可以用不同方式分布于模块之中。此外,归于各种模块的功能可以由多个模块执行。
ADC 701从斩波电路320接收模拟信号Vin_a,并且将信号Vin_a转换成数字信号Vin_d。如上所述,输入信号Vin_a(和对应的数字信号Vin_d)与灯输入电压Vin成比例。调光器类型检测器712在配置过程期间确定调光器类型(由D_type表明),这将在下文参照图8-图9进行具体描述。相位检测器716观测输入信号Vin_d,并且基于D_type、使用检测算法来确定相位调制量(如果有的话)。相位检测器716输出调光器开关10的检测到的时段Td_period和检测到的接通时间Td_on。Td_period和Td_on由斩波生成器714用来生成斩波控制信号Chop_out,以控制斩波电路320的切换。Td_period和Td_on也由调光控制器718用来生成为了实现所需调光效果而向功率转换器330输出的控制信号Dim_control。
用于调光器类型检测的配置过程
在图8中图示了由调光器控制单元712进行的、用于确定调光器开关10的类型的示例过程。通常,检测过程在LED灯300的预定义配置时段期间开始(802)。配置时段一般在AC电源15接通之后不久、但是在足够周期已经流逝之后开始,从而该过程不受启动噪声影响(例如在启动之后的第3个AC半周期期间)。调光器类型检测器712接收(804)数字信号Vin_d。调光器类型检测器712然后计算Vin_d的导数,并且确定(806)在AC周期期间出现的最大正导数Max_dl。在一些实施例中,取代了Max_dl或者除此之外,调光器类型检测器712还确定在AC周期期间出现的最小导数Min_dl。
调光器类型检测器712根据在先前AC周期期间检测到的最大输入电压(Vin_max)来计算(808)一个或者多个自适应阈值。例如,在一个实施例中,自适应阈值与Vin_max成正比。在其他替代实施例中,代之以根据最小滤波导数Min_dl来计算阈值。
为了检测前沿调光器,调光器类型检测器712对Max_dl与前沿阈值Th_LE进行比较(810)。设置前沿阈值Th_LE,使得Max_dl在前沿调光器接通时将超过阈值Th_LE(由于在前沿调光器接通时出现的很陡前导(leading)电压),但是Max_dl在不存在调光器时或者在存在后沿调光器时不会超过阈值Th_LE(由于未调制的AC周期的更为渐进的前导电压)。如果Max_dl超过阈值Th_LE,则调光器类型检测器712确定(812)检测到前沿调光器。
如果未超过阈值Th_LE,则调光器类型检测器712接着确定后沿调光器是否在供应输入电压Vin,或者是否未安装调光器开关10。在一个实施例中,调光器类型检测器712测量在时间t0与时间t1之间的时间段,其中t0对应于当Vin_d下降至后沿阈值电压Th_TE以下时的时间,而t1对应于当Vin_d上升至后沿阈值电压Th_TE以上时的时间。调光器类型检测器712然后确定(814)测量的时间段(t1-t0)是否少于时间阈值Th_t。如果测量的时间窗(t1-t0)无法超过时间阈值Th_t,则调光器类型检测器712确定(816)不存在调光器开关。否则,如果测量的时间窗(t1-t0)超过时间阈值Th_t,则调光器类型检测器确定(818)检测到后沿调光器。这一检测技术依赖于如下事实:后沿调光器的输出电压在AC半周期完成之前下降至接近零,并且由此输入电压Vin_d在安装后沿调光器开关时将比在未安装调光器开关时更长的时间段(t1-t0)内保持得低于阈值电压Th_TE。
一些调光器在它们能够输出适当的前沿或者后沿电压波形之前需要预热时段。为了支持这些调光器,在一些实施例中,调光器类型检测器712在初始配置时段之后进行一个或者多个调光器重新检测过程。图9图示了用于使用调光器重新检测来检测调光器的过程示例。该过程在AC电源15启动之后不久开始(902)。在AC半周期N1(例如N1=3)处,调光器类型检测器712进行(904)第一调光器检测过程(即,1级检测),比如上文参照图8描述的过程。在AC半周期N2(例如N2=20)处,调光器类型检测器712进行(906)与1级检测过程相同的第二调光器检测过程(即,2级检测)。调光器类型检测器712然后对1级和2级检测的结果进行比较(908)。如果1级和2级检测过程关于检测到的调光器类型达成一致,则确认1级和2级确定的调光器类型并且将输出D_type设置(910)为达成一致的调光器类型。如果结果不一致,则调光器类型检测器712在AC半周期N3(例如N3=30)处进行(912)第三检测过程(即,3级检测)。调光器类型检测器712然后对2级和3级检测的结果进行比较(914)。如果检测过程一致,则确认2级和3级确定的调光器类型,并且将输出D_type设置(916)为达成一致的调光器类型。如果结果不一致,则调光器类型检测器712确定使用了不支持的调光器类型,并且相应地设置(918)输出D_type。
在一个实施例中,LED灯300在调光器类型检测器712确定调光器类型不受支持时进入“安全模式”。在“安全模式”中,LED灯300可以防止向LED 302递送功率。在一个实施例中,LED灯300输出编码信号(例如,形式为闪烁图案),以辅助最终用户在检测到不支持的调光器类型时确定恰当动作过程。
相位检测
回到图7,相位检测器716至少部分地基于确定的调光器类型D_type来确定调光器开关10施加的相位调制的量。例如,在一个实施例中,相位检测器716确定调光器的检测到的时段Td_period和检测到的接通时间Td_on。在图10A中针对前沿调光器类型而在图10B中针对后沿调光器类型图示了示出相位检测的示例波形。在一个实施例中,相位检测器716包括用于对输入电压Vin_d与依赖于D_type的阈值进行比较的比较器。一般而言,时段Td_period在输入电压Vin_d的前导部分穿越前导阈值电压V_Le时开始,而在输入电压Vin_d的前导部分再次穿越前导阈值电压V_Le时所在的点处结束。调光器接通时间Td_on在输入电压Vin_d的前导部分穿越前导阈值电压V_Le时所在的点处开始,而在输入电压的后缘部分穿越后缘阈值电压V_Tr时所在的点处结束。调光器关断时间给出如下:
Td_off=Td_period-Td_on (3)
当D_type表明不存在调光器时,仅需前导阈值比较,因为波形总是接通(即,Td_on=Tperiod)。基于检测到的调光器类型来设置阈值电压V_Le和V_Tr。当不存在调光器时,阈值电压V_Le为如下给出的先前周期最大电压的函数:
VLe=K3·Vin_maxVr=K3·Vin_max (4)
其中K3是试验确定的常数。当存在调光器(前沿或者后沿)时,前导和后缘阈值电压为固定值(例如,V_Le=53V和V_Tr=26V)。另外,在一个实施例中,相位检测器716包括低通滤波器。当检测到前沿调光器时,将滤波器旁路,并且对未滤波的输入电压Vin_d与前导阈值V_Le进行比较。在所有其他情况下,低通滤波输入电压用于阈值比较。
斩波生成器714使用检测到的调光器接通时间Td_on和关断时间Td_off来生成上述Chop_out信号。一般而言,如上文参照等式(1)和(2)所述,斩波生成器714输出Chop_out以在调光器的检测到的关断时间Td_off期间导通晶体管Qc,而在调光器的检测到的接通时间Td_on期间,根据斩波函数来接通和关断Qc。
调光控制器718使用检测到的调光器接通时间Td_on和关断时间Td_off,来生成调光器控制信号Dim_Control。在一个实施例中,调光控制器718计算调光相位Dphase如下:
调光控制器718然后将调光相位Dphase转换成范围为[0,1]的LED调光比D_ratio,该调光比表明为了实现所需调光而向LED递送的功率的比例。由此,当D_ratio=1时,功率转换器330向LED 302输出100%的功率。当D_ratio=0.1时,功率转换器330向LED 302输出10%的功率。在一个实施例中,计算LED调控比D_ratio如下:
Dratio=Dphase·K4+K5 (6)
其中K4和K5是以在白炽灯泡与LED之间的不同光度曲线为基础的试验确定的常数。选择常数K4和K5使得LED灯300在它对调光控制信号25的光度响应方面将表现得如同白炽灯。由此,例如,如果将调光器开关10设置成50%调光,则LED灯300将控制经过LED 302的电流,使得LED输出它们的最大输出光度的50%。
两个不同方式可以用来调制LED 302的输出功率。在第一方式中,使用PWM数字调光,并且Dim_control表明功率转换器330为了实现所需调光效果而使用的占空比。在PWM调光中,通过根据基于所需调光的占空比接通和关断LED 302来实现所需调光效果。LED302的感知光强度由平均强度输出指示。在一个实施例中,功率转换器330通过在恒流状态与关断状态之间切换而实现所需调光效果。在恒流状态(即,On_period)中,恒流控制器335如上文所述接通和关断开关Q1,从而维持经过LED 302的恒定电流并且LED接通。在关断状态(即Off_period)中,恒流控制器335关断开关Q1,并且LED302关断。On_period(转换器330在该时段期间操作于恒流状态)给出如下:
On_period=D_ratio·Dimming_period (7)
其中Dimming_period是与最大允许调光时段对应的标称值。在关断状态中,LED在给出如下的关断时段内关断:
Off_period=Dimming_period-On_period (8)
在第二方式中,使用幅度调光来调制LED 302的输出功率。在幅度调光中,通过降低经过主侧绕组的峰值电流(这成比例地降低功率转换器330的输出电流)来实现所需调光效果。由此,控制信号Dim_control表明功率转换器330为了实现所需调光效果而使用的峰值电流。在这一方式中,由恒流控制器335用于电流调整的阈值信号Vipeak被调制为:
Vipeak=Vipeak_nom x Dratio (8)
其中Vipeak_nom是与最大可允许LED电流成比例的标称阈值。如上文说明的那样,恒流控制器335对感测的电压Isense与Vipeak进行比较,并且在Isense超过Vipeak时关断Q1。由此,通过按比例减少允许经过主侧绕组的峰值电流来实现调光效果。
一般而言,PWM调光方式具有高效率的优点,但是可能具有闪烁的问题。幅度调光方式无闪烁问题,但是代之以具有相对于PWM调光方式的更低效率而且具有更受限的调光范围。在一个实施例中,混合调光方式因此用来获得效率与性能的最佳组合。在混合调光方式中,调光控制器718输出包括如下第一控制信号和第二控制信号的控制信号Dim_control,该第一控制信号表明修改的占空比(由On_period代表),而该第二控制信号表明用于控制功率转换器330的修改的峰值电流值(Vipeak)。在这一实施例中,On_period和Vipeak根据D_ratio调制如下:
On_period=f1(D_ratio)
Vipeak=f2(D_ratio) (9)
其中函数f1和f2是试验确定的函数。
根据本发明各种实施例的LED灯具有的优点在于:LED灯可以在典型布线配置中直接替换在住宅和商用建筑物照明应用中出现的常规白炽灯,并且LED灯可以与通过改变向灯的输入电压来进行调光的常规调光器开关一起使用。
在阅读本公开内容时,本领域技术人员将理解用于LED灯的更多附加替代设计。因此,尽管已经图示和描述了本发明的具体实施例和应用,但是将理解,本发明不限于这里公开的精确构造和部件,并且可以在这里公开的本发明方法和装置的布置、操作和细节上进行本领域技术人员将清楚的各种修改、改变和变化,而不脱离如在所附权利要求中限定的本发明的精神实质和范围。
Claims (26)
1.一种发光二极管(LED)灯,包括:
一个或者多个LED;
调光器控制单元,配置成确定提供输入电压的调光器开关类型、为所述检测到的调光器开关类型确定所述输入电压的检测到的调光量,以及生成一个或者多个控制信号以控制经过所述LED的经调整的电流,从而所述LED的输出光强度与所述检测到的调光量成比例;以及
功率转换器,配置成接收所述控制信号以及向所述一个或者多个LED提供经调整的电流,所述功率转换器配置成如所述控制信号表明的那样、调节去往所述一个或者多个LED的所述经调整的电流,以实现与所述检测到的调光量成比例的所述输出光强度。
2.根据权利要求1所述的LED灯,其中所述调光器控制单元包括:
调光器类型检测器,配置成接收所述输入电压以及确定所述检测到的调光器开关类型;
相位检测器,配置成接收所述输入电压,以及通过对所述输入电压与根据所述检测到的调光器开关类型而不同地设置的一个或者多个阈值电压进行比较,来确定所述输入电压的、代表所述检测到的调光量的检测到的相位角调制;以及
调光控制器,配置成使用所述检测到的相位角调制量来生成所述控制信号,以控制所述LED的调光。
3.根据权利要求2所述的LED灯,其中所述一个或者多个调光器控制信号包括:
第一控制信号,表明用于驱动所述LED的峰值电流,其中所述峰值电流是所述检测到的相位角调制量的函数,
其中所述功率转换器在使经过所述转换器的电流限于所述峰值电流的恒流模式中驱动所述LED,从而所述LED的光强度与所述检测到的调光量成比例。
4.根据权利要求2所述的LED灯,其中所述调光器控制信号包括:
第二控制信号,表明用于驱动所述LED的占空比,其中所述占空比是所述检测到的相位角调制量的函数;
其中所述功率转换器在所述占空比的接通时段期间接通所述LED,而所述功率转换器在所述占空比的关断时段期间关断所述LED,从而所述LED的平均光强度与所述检测到的调光量成比例。
5.根据权利要求2所述的LED灯,其中所述相位检测器包括:
比较器,用于对所述输入电压与前导阈值进行比较,以确定检测到的接通时间的开始,以及用于对所述输入电压与后缘阈值进行比较,以确定所述检测到的接通时间的结束,
其中根据所述检测到的接通时间来确定所述相位角调制量,并且其中基于所述检测到的调光器开关类型来设置所述前导阈值和所述后缘阈值。
6.根据权利要求5所述的LED灯,其中所述前导阈值在所述调光器类型检测器确定不存在调光器开关时是先前周期的最大电压的函数,并且其中所述前导阈值在所述调光器类型检测器确定检测到前沿调光器或者后沿调光器时是固定值。
7.根据权利要求2所述的LED灯,其中所述相位检测器包括:
低通滤波器,用于在所述检测到的调光器开关类型是后沿调光器时或者在不存在调光器时,在对所述输入电压与所述前导阈值进行比较之前对所述输入电压进行滤波,并且其中所述低通滤波器在所述检测到的调光器开关类型是前沿调光器时被旁路。
8.根据权利要求1所述的LED灯,还包括斩波电路,所述斩波电路配置成在所述输入电压的检测到的关断时间期间,耗散来自所述输入电压的功率,并且在所述输入电压的检测到的接通时间期间,在耗散来自所述输入电压的功率与向所述功率转换器提供来自所述输入电压的功率之间循环。
9.根据权利要求8所述的LED灯,其中所述调光器控制单元还包括:
斩波生成器电路,配置成生成用于对所述斩波电路的切换进行控制的斩波控制信号,从而所述斩波电路在与所述输入电压成反比的斩波接通时间期间,向所述功率转换器提供来自所述输入电压的功率,并且在与所述输入电压成反比的斩波关断时间期间,耗散来自所述输入电压的功率。
10.根据权利要求8所述的LED灯,其中所述斩波电路包括:
斩波开关;
斩波电感器,串联耦合于所述输入电压与所述斩波开关之间,所述斩波电感器用于在所述斩波开关接通时存储来自所述输入电压的功率,以及在所述斩波开关关断时释放功率;
斩波二极管,串联耦合于所述斩波电感器与所述功率转换器之间,所述斩波二极管用于在所述斩波开关关断时向所述功率转换器提供来自所述斩波电感器的功率;以及
斩波电阻器,与所述斩波开关和所述斩波电感器串联耦合,所述斩波电阻器用于在所述斩波开关接通时耗散来自所述斩波电感器的功率。
11.根据权利要求1所述的LED灯,其中所述功率转换器包括回扫功率转换器。
12.根据权利要求1所述的LED灯,其中所述调光器控制单元在所述LED灯启动之后的固定数目的周期出现的配置级期间,确定所述检测到的调光器类型。
13.一种用于对LED灯进行调光的方法,所述方法包括:
接收灯输入电压;
进行第一调光器检测级,以确定输出所述灯输入电压的调光器开关类型;
为所述检测到的调光器开关类型确定所述灯输入电压的检测到的调光器量;
基于所述灯输入电压和所述检测到的调光量来确定控制信号以驱动所述LED灯;并且
基于所述控制信号来驱动所述LED灯,从而所述LED灯的输出光强度与所述检测到的调光量成比例。
14.根据权利要求13所述的方法,其中所述第一检测级在所述LED灯启动之后的固定数目的周期出现。
15.根据权利要求13所述的方法,其中进行所述第一调光器检测级包括:
计算所述灯输入电压在所述灯输入电压的先前周期期间的最大导数;
计算第一阈值;
确定所述最大导数是否超过所述第一阈值;以及
响应于所述最大导数超过所述第一阈值,确定所述灯输入电压是从前沿调光器开关输出的。
16.根据权利要求15所述的方法,还包括:
计算第二阈值;
确定所述灯输入电压保持于所述第二阈值以下的时间段;以及
响应于所述时间段超过预定时间阈值,确定所述灯输入电压是从后沿调光器开关输出的。
17.根据权利要求16所述的方法,其中所述第一阈值和第二阈值中的至少一个是所述灯输入电压在所述灯输入电压的先前周期期间的最大值的函数。
18.根据权利要求13所述的方法,还包括:
在所述第一调光器检测级之后的第一数目的周期处,进行第二调光器检测级;
响应于在所述第一调光器检测级中的所述确定的调光器类型与在所述第二调光器检测级中的所述确定的调光器类型不匹配,在所述第二调光器检测级之后的第二数目的周期处进行第三调光器检测级;
响应于在所述第二调光器检测级中的所述确定的调光器类型与在所述第三调光器检测级中的所述确定的调光器类型匹配,使用在所述第二或者第三调光器检测级中的所述确定的调光器类型作为所述检测到的调光器类型;并且
响应于在所述第二调光器检测级中的所述确定的调光器类型与在所述第三调光器检测级中的所述确定的调光器类型不匹配,输出表明不受支持的调光器类型的信号。
19.根据权利要求13所述的方法,其中确定所述检测到的调光量包括:
通过对所述输入电压与根据所述检测到的调光器开关类型而不同地设置的一个或者多个阈值电压进行比较,来确定所述输入电压的、代表所述检测到的调光量的检测到的相位角调制。
20.根据权利要求19所述的方法,其中确定所述灯输入电压的所述检测到的相位角调制包括:
至少部分地基于所述检测到的调光器开关类型来确定前导阈值和后缘阈值;
对所述灯输入电压与所述前导阈值进行比较,以确定所述调光器开关的检测到的接通时间的开始;
对所述灯输入电压与所述后缘阈值进行比较,以确定所述调光器开关的检测到的接通时间的结束;
通过确定在所述检测到的接通时间的两次连续开始之间的时间来确定所述输入电压的时段;以及
将所述灯输入电压的相位角调制确定为所述调光器开关的所述接通时间与所述时段之比。
21.根据权利要求20所述的方法,还包括:
响应于所述检测到的调光器类型是后沿调光器或者响应于检测到不存在调光器,在对所述灯输入电压与所述前导阈值进行比较之前,向所述灯输入电压应用低通滤波器;以及
响应于所述检测到的调光器类型是前沿调光器,将所述低通滤波器旁路。
22.根据权利要求20所述的方法,其中确定所述前导阈值包括:
当所述调光器类型检测器确定不存在调光器开关时,将所述前导阈值设置成先前周期的最大电压的函数;并且
当所述调光器类型检测器确定检测到前沿调光器或者后沿调光器时,将所述前导阈值设置成固定值。
23.根据权利要求13所述的方法,其中确定所述一个或者多个控制信号包括:
根据所述检测到的调光量来确定峰值电流,其中所述LED灯在使经过所述LED灯的电流限于所述峰值电流的恒流模式中操作,从而所述LED灯的光强度与所述检测到的调光量成比例。
24.根据权利要求13所述的方法,其中确定所述一个或者多个控制信号包括:
根据所述检测到的调光量来确定占空比,其中所述LED灯在所述占空比的接通时段期间接通,并且所述LED灯在所述占空比的关断时段期间关断,从而所述LED灯的平均输出光强度与所述检测到的调光量成比例。
25.根据权利要求13所述的方法,还包括:
在所述输入电压的检测到的关断时间期间,耗散来自所述输入电压的功率,并且在所述输入电压的检测到的接通时间期间,在耗散来自所述输入电压的功率与向所述LED灯的功率转换器提供来自所述输入电压的功率之间循环。
26.根据权利要求25所述的方法,其中在耗散来自所述输入电压的功率与向功率转换器提供来自所述输入电压的功率之间循环包括:
在与所述输入电压成反比的斩波接通时间期间,向所述功率转换器提供来自所述输入电压的功率;并且
在与所述输入电压成反比的斩波关断时间期间,耗散来自所述输入电压的功率。
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COR | Change of bibliographic data |
Free format text: CORRECT: APPLICANT; FROM: IWATT INC. TO: DAILEGE SEMICONDUCTOR COMPANY |
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GR01 | Patent grant |