CN102348317A - 用于驱动发光二极管的电路装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于驱动至少一个第一发光二极管(LED1)和至少一个第二发光二极管(LED3)的电路装置和方法。该电路装置基于降压转换器，其中所述第一发光二极管(LED1)设置为使得其不仅在降压转换器的电感器(L1)的磁化期间而且在降压转换器的电感器(L1)的去磁化期间被供电，而所述第二发光二极管(LED3)设置为使得其仅仅在电感器(L1)的去磁化期间被供电。

Description

用于驱动发光二极管的电路装置和方法
技术领域
本发明涉及一种用于驱动至少一个第一LED和至少一个第二LED的电路装置，该电路装置包括：输入端，其带有第一输入端子和第二输入端子用于与变化的供给直流电压耦合；第一输出端，其带有第一输出端子和第二输出端子用于与至少一个第一LED耦合；降压转换器，其带有开关、二极管和电感器，其中降压转换器具有用于将电感器磁化的充电路径和用于将电感器去磁化的续流路径，其中在电感器的充电阶段中在充电路径中流动有磁化电流，而在电感器的续流阶段中在续流路径中流动有去磁化电流，其中降压转换器的输入端与电路装置的输入端耦合并且降压转换器的输出端与电路装置的输出端耦合。此外，本发明还涉及一种用于借助这种电路装置来驱动至少一个第一LED和至少一个第二LED的方法以及一种带有这种电路装置和至少一个第一LED和至少一个第二LED的系统。 
背景技术
本发明涉及如其例如在LED在移动领域中的工作时出现的问题。在LED的该应用领域中，LED常常由电池馈电，其中通常涉及电路技术类型的预防措施，其使LED在没有亮度损失的情况下工作尽可能长。对于用户而言，由此造成如下问题：当电池的功率耗尽时，光以突然方式输出。如可容易理解的那样，由此会形成应避免的危险情况。因此已知如下措施：该措施根据电池电压对提供给LED的功率进行调光，以便给予用户光学反馈。已知的措施例如是使用串联电阻、带有检测器电路和相应的LED电流的操作的升压调节器、降压调节器(其在一定的钳位电压下仅仅还用作过流限制器)以及模拟的晶体管电路。 
已知的解决方案的特征在于高的电路开销，这造成所不希望的高成本。另一方面虽然可以成本低廉地实现所希望的功能，然而在移动领域中的使用方面特别重要的效率过低。 
发明内容
本发明因此基于如下任务：改进这类的电路装置或者这类的方法，使得用于一方面可以通过对LED供电的电池的充电状态为用户提供光学反馈，这另一方面应能够在效率尽可能高的情况下以尽可能低的电路技术复杂度来实现。 
该任务通过具有权利要求1的特征的电路装置、带有权利要求6的特征的系统以及通过带有权利要求14的特征的方法来解决。 
本发明基于如下认识：该任务可以优选地基于降压转换器的拓扑结构来解决。如果至少一个LED并未耦合到降压转换器的实际输出端，而是设置在其续流路径中，则耦合到设置在续流路径中的LED的功率与电池的充电状态关联。如果供给电压大于LED的总电压，则连接在降压转换器的输出端上的LED以降压模式工作。这些LED由此近似与电池的充电状态无关地提供恒定的亮度，直至低于通过LED的总电压预先给定的阈值。这并不适于设置在降压转换器的续流路径中的LED，其在所谓的升压模式中工作。该LED仅仅在其期间被驱动。该LED仅仅在该续流阶段期间供给以电流。电池的充电状态越低，则电感器的充电阶段越长并且续流阶段越短。随着电池的放电增加，由此设置在续流路径中的LED被供给功率越来越少并且由此持续地变得更暗。 
根据多少LED在降压模式中工作以及多少LED在升压模式中工作，因此可以保证均匀照明直至下边界电压，其中然而用户通过设置在续流路径中的LED获得关于电池的充电状态的反馈。 
本发明于是能够实现首先一方面提供基本上恒定的亮度直至电池即将放电之前。另一方面，通过设置在续流路径中的LED为用户提供关于电池的充电状态的光学反馈。 
此外，本发明伴随有特别高的效率，这基于以下情况：通过在续流阶段中的附加负载(设置在续流路径中的至少一个LED)，电感器的去磁化时间相对于降压转换器的输出端上的LED的通常的工作而缩短。因为电感器的磁场固有地衰减，所以续流阶段持续越长，降压转换器的开关的接通时间与关断时间的比例越小，则效率越差。通过在续流阶段中的附加负载，由此关断时间相应地缩短。在带有三个LED的示例(其中两个LED在降压模式中工作并且一个LED在升压模式中工作)中，相对于所有三 个LED都在降压模式中工作的情况，关断时间可以缩短了三分之一。这引起了效率以从bid至5％的量级提高。尤其是，在移动领域中这种效率提高视为显著和重要的。 
本发明的另一优点通过如下方式来得到：与现有技术情况相比能够实现对至少部分数量的LED进行供给，直至电池电压的更低值：如果在上述带有三个LED的例子中三个LED都以降压模式工作，则在9.6V的电池电压下已经出现黑暗，其中LED中的正向电压例如假设为3.2V。而如果第三LED以升压模式工作，则其他两个LED可以工作直至电源电压下降至6.4V。由此，与传统解决方案的情况相比可以以限定方式在更长的时段上提供光。 
本发明的其他优点从在下面提供的优选实施形式中得出。 
在一个优选的实施形式中，电路装置还包括用于激励降压转换器的开关的控制装置。在本上下文中优选的是，电路装置还包括与降压转换器的电感器串联耦合的分流电阻器，其中分流电阻器与控制装置耦合，使得在工作中在分流电阻器上降落的电压可以输送给控制装置。通过该措施，可以以简单方式调节提供给与降压转换器的输出端耦合的LED的电流。在本上下文中，控制装置优选地设计为用于调节开关的开关频率，使得在第一输出端提供给至少一个第一LED的功率在施加在电路装置的输入端上的供给直流电压的可预先给定的范围中是恒定的。 
优选地，第二输入端并联有第一电容器。提供给连接在第二输出端的LED的电流的时间变化曲线被平均。由此，可以避免硬接通过程和关断过程，这引起连接在第二输出端的LED的使用寿命延长。 
根据第一方面，本发明涉及用于驱动至少一个第一LED和至少一个第二LED的电路装置和方法，而根据第二方面，本发明涉及一种带有根据本发明电路装置的系统，其中系统还包括至少一个第一LED和至少一个第二LED。 
在此，至少一个第一LED和至少一个第二LED具有基本上类似的额定功率。当至少一个第一LED具有第一额定功率并且至少一个第二LED具有第二额定功率时，则第一额定功率在根据本发明的系统的一个优选实施形式中例如等于第二额定功率，其中最大偏差为+/-10％。 
另一方面可以设计，第一额定功率不等于第二额定功率，其中最小偏差为+/-10％。即本发明提供如下可能性：借助同一驱动器操作不同功率 的LED。如果LED例如并不由电池供电而是由变化的恒压源(例如通过从电网交流电压中导出恒定电压)供电，则本发明能够基于对一方面在升压支路中的LED以及对另一方面在降压支路中的LED的不同的功率输送来实现使用不同功率的LED。在此，具有较小功率的LED优选地设置在升压支路中。 
可以设计：在根据本发明的系统中，至少一个第一LED和至少一个第二LED发出在同一波长范围中的辐射。另一方面可以设计：至少一个第一LED发出在如下波长范围中的辐射，该波长范围与其中至少一个第二LED发出辐射的波长范围不同。由此例如可以能够实现，在降压支路中的LED发出基本辐射，其然后通过相应地选择通过在升压支路中的LED的供给直流电压来校正或者修正。在本上下文中也可以设计：至少一个第二LED包括至少两个LED，其中这两个LED发出不同波长的辐射。在一个特别优选的实施形式中设计：这两个LED中至少一个LED发出在红色波长范围中的辐射并且至少一个LED发出在橘色波长范围中的辐射。特别优选地于是设计：至少一个第一LED发出在冷白色(mintweissen)波长范围中的辐射。通过简单地改变供给直流电压可以改变总辐射的色度坐标。供给电压的改变可以通过双位调节器(Zweipunktregler)来实现，使得能够在数个开关周期内实现高动态的适配。 
参考根据本发明的电路装置和根据本发明的系统介绍的优选实施形式及其优点相应地(只要其可应用)适用于根据本发明的方法。 
附图说明
下面参考附图进一步描述了本发明的实施例。其中： 
图1以示意图示出了本发明的第一实施例； 
图2以示意图示出了本发明的第二实施例； 
图3针对在图2中示出的实施例比照现有技术示出了根据输入电压的占空因数的分布； 
图4示出了根据输入电压的总LED输出功率以及在降压支路中的LED的输出功率的分布；以及 
图5对于在降压支路中具有两个LED并且在升压支路中具有八个 LED的实施例比照现有技术示出了根据输入电压的占空因数的变化曲线。 
具体实施方式
图1以示意图示出了根据本发明的电路装置的第一实施例。该电路装置包括带有开关S1、二极管D1和电感器L1的降压转换器。降压转换器的输入端与电路装置的输入端耦合，其中电路装置的输入端具有第一输入端子E1和第二输入端子E2，在其间在工作中施加有变化的供给直流电压。直流供给电压Ue可以是电池电压，然而也可以从供给交流电压、尤其是电网电压导出。二极管D1一方面耦合在第二输入端子E2和节点N之间，开关S1通过该节点与电感器L1耦合。 
该电路装置包括带有第一输出端子A1和第二输出端子A2的第一输出端，其中在第一输出端子A1上提供用于耦合在输出端子A1和A2之间的LED LED1和LED2的电流ILED。与输出端子A1和A2并联有电容器C1，其用于将提供给LED LED1和LED2的电流ILED平均。与电感器L1串联地设置有分流电阻器RSh，其用于测量和调节电流ILED。 
如对于本领域技术人员通常已知那样，在开关S1闭合时电感器L1磁化，其中电流从输入端子E1经由开关S1通过电感器L1、分流电阻器RSh、LED LED1和LED2回流至第二输入端子E2。如果开关S1打开，则电感器L1开始去磁化，其中于是电流在续流路径中从参考电势经由二极管D1、电感器L1、分流电阻器RSh、LED LED1和LED2流回至参考电势。 
根据本发明，在续流路径中在参考电势和节点N之间设置有包括输出端子A3和A4的第二输出端，其中在这些输出端子A3、A4之间耦合有LED3。LED LED1和LED2不仅在电感器L1的充电阶段而且在电感器L1的续流阶段中被电流ILED流过，而LED3仅仅在续流阶段中被电流ILED流过。LED LED1和LED2因此以降压模式工作，而LED3以升压模式工作。在LED LED1和LED2以连续模式工作期间，而LED3以PWM(脉宽调制)模式工作，其占空因数与输入电压Ue和输出电压Ua之间的比例关联。 
基于LED的恒定的导通电压例如为3.2V，激励开关S1的开关信号的占空因数根据输入电压而改变。在图1的电路装置的情况下，只要输入 电压Ue大于6.4V，则可以对LED LED1和LED2供给电流ILED。 
开关信号具有周期持续时间T，其由关断时间toff和接通时间ton组成。然而输入电压Ue越小，则接通时间ton占周期T的比例越大；这就是说，换言之关断时间toff随着输入电压Ue变小而下降。因为LED3仅仅在关断时间toff期间被供电，所以LED3随着输入电压Ue变小而被越来越少地供电并且因此发出越来越少的光，而直至Ue等于6.4V的下边界，LED LED1和LED2发出恒定亮度的光。如果在现有技术中LED3与设置在输出端子A1和A2之间的LED LED1和LED2串联，则这种组合发光只直至为9.6V的输入电压Ue的最小值。 
比照LED3与输出端子A1和A2之间的LED LED1和LED2串联的布置，在图1中所示的根据本发明的电路装置中通过在续流阶段中的附加负载缩短了电感器的去磁化时间。 
图2示出了本发明的第二实施例，其中参考图1介绍的附图标记对于相同和作用相同的器件被采用。开关S1在图2的示例中构建为n沟道MOSFET并且被控制装置10以开关信号来激励。为了调节电流ILED，控制装置10被以就其本身而言已知的方式输送有在分流电阻器RSh上降落的电压。为了提高LED3的使用寿命，在图2的实施例中LED3与电容器C2并联。电容器C3用于减小输入电流的纹波。在图2所示的实施例中与图1相比省去了电容器C1。这在如下情况下是可能的：通过适当地设计开关频率和电感器，输出电流的电流纹波处于可预先给定的阈限以下。 
在电感器L1的充电阶段中，电流ILED从输入端E1通过分流电阻器RSh、电感器L1、LED LED1、LED2经由开关S1流至第二输出端子E2。在续流阶段期间，电流在回路中流过电感器L1、LED LED1、LED2、LED3、二极管D1以及分流电阻器RSh。控制装置10包括双位调节器，这就是说，如果电流ILED低于下边界值ILEDmin，则开关S1闭合；如果电流ILED达到上边界值ILEDmax，则开关S1打开。为了测量通过分流电阻器RSh的电流，控制装置10在图2的实施例中包括用于高级的电流检测的传感器。 
图3针对按照图2的实施例的根据本发明的电路装置(以曲线a))以及针对根据现有技术的电路装置以示意图示出了占空因数与输入电压Ue的相关性，根据现有技术的电路装置与根据图2的电路装置的区别在于，LED3与在输出端子A1和A2之间的LED LED1和LED2串联设置。术语“占空因数”在此理解为接通时间与接通时间和关断时间之和的比例， 这就是说TG＝ton/(ton+toff)。 
如已经结合图1阐述那样，在根据本发明的电路装置的情况下关断时间toff由于在续流阶段期间的附加负载而减小，由此在本发明中占空因数TG在输入电压Ue的值相同的情况下提高。占空因数TG越高，则电路装置的效率η越高，因为其中电感器L1的磁场固有地衰减(由此能量损失)的时段在本发明的情况下缩短。这在此引起与传统电路装置相比达到5％的效率η的提高。 
图4示出了根据输入电压Ue的输出功率，即在图2的实施例的三个LED中所转换的功率。曲线a)反映了在LED LED1和LED2中所转换的功率之和，其中曲线b)反映了在所有三个LED LED1、LED2和LED3中所转换的功率之和。如可看到的那样，在LED3中所转换的功率比例随着输入电压Ue变小而减小并且从恰好尚足以驱动LED LED1和LED2的为6.4V的输入电压行进至零。 
图5示出了根据输入电压Ue的占空因数TG。为了确定曲线a)，在此两个LED耦合到输出端子A1和A2之间，而八个LED串联耦合在输出端子A3和A4之间。为了建立曲线b)，也比照在图3中的曲线b)，两个LED LED1和LED2耦合在输出端子A1和A2之间，一个LED、即LED3耦合在输出端子A3和A4+之间。如可以从图5的视图获悉的那样，在根据本发明的实现方案中实现了占空因数TG在输入电压Ue的整个范围上的明显提高，这引起效率η的明显上升。 
本发明不仅可以用于为用户提供如下光学反馈：例如在由电池供电的移动应用中，电池功率接近其结束。此外，借助本发明可以借助同一驱动器操作不同功率的LED，其中带有趋于更小的功率的LED设置在升压支路中。电路装置于是由变化的恒压源馈电。本发明的另一应用可能性在于，将本发明用于校正色度坐标。色度坐标的偏移会是所希望的，例如以便产生其他气氛，然而在色度坐标由于相关的器件老化而偏移时也会是必要的。在一个优选实施例中，因此可以在升压支路中设置红色LED和橘色LED，而在降压支路中设置冷白色LED。通过简单地改变供给电压Ue可以改变总辐射的色度坐标。由于控制装置10包括双位调节器，所以在数个开关周期内可以实现高动态适配。 

Claims (14)

1.一种用于驱动至少一个第一发光二极管(LED1)和至少一个第二发光二极管(LED3)的电路装置，其包括：
-至少一个输入端，该输入端带有第一输入端子(E1)和第二输入端子(E2)用于与变化的供给直流电压(Ue)耦合；
-第一输出端，其带有第一输出端子(A1)和第二输出端子(A2)用于与所述至少一个第一发光二极管(LED1)耦合；
-降压转换器，其带有开关(S1)、二极管(D1)和电感器(L1)，其中降压转换器具有用于将电感器(L1)磁化的充电路径以及用于将电感器(L1)去磁化的续流路径，其中在电感器(L1)的充电阶段中在充电路径中流动有磁化电流，而在电感器(L1)的续流阶段中在续流路径中流动有去磁化电流，其中降压转换器的输入端与电路装置的输入端耦合并且降压转换器的输出端与电路装置的输出端耦合；
其特征在于，
电路装置还包括第二输出端，该第二输出端带有第三输出端子(A3)和第四输出端子(A4)用于与所述至少一个第二发光二极管(LED3)耦合，其中第三输出端子(A3)和第四输出端子(A4)设置在电路装置中，使得所述至少一个第二发光二极管(LED3)在耦合在第三输出端子(A3)和第四输出端子(A4)之间的情况下仅被去磁化电流流过而不被磁化电流流过。
2.根据权利要求1所述的电路装置，其特征在于，电路装置还包括控制装置(10)用于激励降压转换器的开关(S1)。
3.根据权利要求2所述的电路装置，其特征在于，电路装置还包括分流电阻器(RSh)，该分流电阻器与降压转换器的电感器(L1)串联耦合，其中分流电阻器(RSh)与控制装置(10)耦合，使得在工作中降落在分流电阻器(RSh)上的电压能够输送给控制装置(10)。
4.根据权利要求3所述的电路装置，其特征在于，控制装置(10)设计为用于调节开关(S1)的开关频率，使得能够在第一输出端上提供给所述至少一个第一发光二极管(LED1)的功率在要耦合于电路装置的输入端上的供给直流电压(Ue)的能够预先给定的范围中是恒定的。
5.根据上述权利要求之一所述的电路装置，其特征在于，第二输出端并联有第一电容器(C2)。
6.一种带有根据上述权利要求之一所述的电路装置的系统，其特征在于，该系统包括所述至少一个第一发光二极管(LED1)和所述至少一个第二发光二极管(LED3)。
7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述至少一个第一发光二极管(LED1)具有第一额定功率并且所述至少一个第二发光二极管(LED3)具有第二额定功率，其中第一额定功率与第二额定功率相等，其中最大偏差为+/-10％。
8.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述至少一个第一发光二极管(LED1)具有第一额定功率并且所述至少一个第二发光二极管(LED3)具有第二额定功率，其中第一额定功率与第二额定功率不相等，其中最小偏差为+/-10％。
9.根据权利要求6至8之一所述的系统，其特征在于，所述至少一个第一发光二极管(LED1)和所述至少一个第二发光二极管(LED3)发出在同一波长范围中的辐射。
10.根据权利要求6或8所述的系统，其特征在于，所述至少一个第一发光二极管(LED1)发出在如下波长范围中的辐射，该波长范围与其中所述至少一个第二发光二极管(LED3)发出辐射的波长范围不同。
11.根据权利要求10所述的系统，其特征在于，所述至少一个第二发光二极管(LED3)包括至少两个发光二极管，其中这两个发光二极管发出不同波长的辐射。
12.根据权利要求11所述的系统，其特征在于，由所述两个第二发光二极管中一个发光二极管发出在红色波长范围中的辐射并且一个发光二极管发出在橘色波长范围中的辐射。
13.根据权利要求6至12之一所述的系统，其特征在于，所述至少一个第一发光二极管(LED1)发出在冷白色波长范围中的辐射。
14.一种用于借助电路装置驱动至少一个第一发光二极管(LED1)和至少一个第二发光二极管(LED3)的方法，该电路装置具有：输入端，该输入端带有第一输入端子(E1)和第二输入端子(E2)用于与变化的供给直流电压(Ue)耦合；第一输出端，该第一输出端带有第一输出端子(A1)和第二输出端子(A2)用于与所述至少一个第一发光二极管(LED1)耦合；降压转换器，该降压转换器带有开关(S1)、二极管(D1)和电感器(L1)，其中降压转换器具有用于将电感器(L1)磁化的充电路径以及用于将电感器(L1)去磁化的续流路径，其中在电感器(L1)的充电阶段中在充电路径中流动有磁化电流，而在电感器(L1)的续流阶段中在续流路径中流动有去磁化电流，其中降压转换器的输入端与电路装置的输入端耦合并且降压转换器的输出端与电路装置的输出端耦合；
其特征在于以下步骤：将至少一个第二发光二极管(LED3)与电路装置耦合，使得所述至少一个第二发光二极管(LED3)仅被去磁化电流流过而不被磁化电流流过。
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