CN102550128A

CN102550128A - Led驱动器的调光

Info

Publication number: CN102550128A
Application number: CN2010800438340A
Authority: CN
Inventors: J·斯内尔滕; G·W·范德文恩
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Signify Holding BV
Priority date: 2009-09-30
Filing date: 2010-09-21
Publication date: 2012-07-04
Anticipated expiration: 2030-09-21
Also published as: JP2013506952A; BR112012006826A2; EP2484180A1; EP2484180B1; WO2011039678A1; US8836225B2; CN102550128B; RU2012117794A; KR101733394B1; US20120181940A1; RU2540418C2; CA2775657A1; JP5636057B2; KR20120081610A

Abstract

一种可调光LED驱动器电路，包括耦合到输出电路的谐振DC-DC转换器。该转换器包括耦合到谐振电路的半桥式或者全桥式切换电路。谐振电路的输出被整流且被馈送到输出电路。输出电路可以包括至少一个LED串联或者分路开关，以用于使LED单元断开或者关闭。控制电路以可变的切换频率控制切换电路的开关。控制电路还被配置成用于控制切换电路，用于幅度调制转换器以及用于以低于切换频率的第一脉冲宽度调制频率脉冲宽度调制转换器。控制电路还可以被配置成以低于切换频率的第二脉冲宽度调制频率控制LED开关的切换。

Description

LED驱动器的调光

技术领域

本发明涉及发光二极管(LED)驱动器的领域，并且更具体而言涉及LED驱动器的调光以获得非常低的调光水平。

背景技术

LED越来越多地用于各种照明应用。许多这种应用要求LED驱动器可调光，以改变LED产生的光的量。此外，在产生不同颜色的光的LED的组合中，其中不同的颜色被混合，以获得具有特定色温的光，需要用于一种颜色或者若干种颜色的LED的驱动器可调光。

用于可调光LED驱动器目的的现有转换器主要是硬开关转换器。使用硬开关转换器具有如下缺点：硬开关转换器不具有高效率，并且它们生成相对高水平的电磁干扰(EMI)。

硬开关转换器的相对低的效率导致在通常使用的高转换器频率下的功耗增加。结果，某些转换器功率部件的冷却变成主要问题，这限制了期望的转换器小型化。

生成相对高水平的EMI意味着需要保留相对大的区域以用于市电过滤，这进一步限制了转换器的小型化。

LED驱动器通常使用脉冲宽度调制(PWM)来调光，其例如在参考文献US 6,510,995中公开的使用谐振转换器。对于PWM操作中非常小的占空比而言，受PWM控制的转换器不可以提供期望的占空比稳定性。占空比的不稳定性可以导致不期望的闪烁。

发明内容

期望的是提供一种LED驱动器电路，其提供LED单元的稳定的深度调光。

为了更好地处理这些忧虑中的一个或者多个，在本发明的第一方面中，提供了一种可调光的LED驱动器电路，其包括：

谐振DC-DC转换器，其包括具有至少第一转换器开关和第二转换器开关并且耦合到谐振电路的切换电路，以及耦合到该谐振电路的整流器电路；

输出电路，耦合到整流器电路，该输出电路包括被布置成耦合到LED单元的LED输出端子；以及

控制电路，被配置用于以可变的切换频率切换转换器开关，控制电路还被配置成用于控制切换电路，以用于幅度调制转换器以及以用于以低于切换频率的第一脉冲宽度调制频率来脉冲宽度调制转换器。

在本发明的第二方面中，提供了一种用于控制可调光LED驱动器电路的方法，该方法包括：

提供谐振DC-DC转换器，其包括具有至少第一转换器开关和第二转换器开关并且耦合到谐振电路的切换电路，以及耦合到该谐振电路的整流器电路；

提供输出电路，耦合到整流器电路，该输出电路包括被布置成耦合到LED单元的LED输出端子；

以可变的切换频率切换转换器开关；以及

控制切换电路，以用于幅度调制转换器，以及以用于以低于切换频率的第一脉冲宽度调制频率脉冲宽度调制转换器。

通过参考以下详细描述以及与附图结合考虑，将更好地理解以及更容易地领会本发明的这些和其他方面，在附图中，相似的参考标记指示相似部件。

附图说明

图1描绘了根据本发明的、耦合到LED单元的LED驱动器电路的一个实施例的示意性电路图；

图2描绘了根据本发明的、耦合到LED单元的LED驱动器电路的另一实施例的示意性电路图；

图3描绘了根据本发明的、耦合到LED单元的LED驱动器电路的又一实施例的示意性电路图；

图4描绘了根据本发明的、耦合到LED单元的LED驱动器电路的再一实施例的示意性电路图；

图5描绘了图1至图4中任一图中的LED驱动器电路的谐振转换器的电压增益示意图；

图6描绘了图4的LED驱动器电路的谐振转换器的电压增益示意图；

图7描绘了图4的LED驱动器电路的备选实施例的谐振转换器的电压增益示意图。

具体实施方式

图1、图2、图3和图4描绘了包括谐振DC-DC转换器的LED驱动器电路。谐振DC-DC转换器包括耦合到谐振电路的切换电路，以及耦合到谐振电路的整流器电路。

如图1、图2、图3和图4所描绘的那样，LED驱动器电路的切换电路包括如下切换电路，该切换电路在所示的实施例中为半桥式切换电路，其具有串联耦合在输入电压端子20、21之间的转换器开关10、11，该输入电压端子20、21被配置成接收DC输入电压V_B。开关10、11中的每个可以为任何适当类型的电子开关，例如，金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)开关。可以通过利用整流器电路对AC市电电压进行整流来生成DC输入电压，可以利用功率因数校正(PFC)电路来对整流器电路进行补充。在本领域中，整流器电路以及PFC电路在各个实施例中是公知的，并且因此此处不再详细说明这些电路。

LED驱动器电路的谐振电路包括在开关10、11的公共节点与输入电压端子21之间串联连接的谐振电容器C_R 30和变压器32的初级绕组34。变压器可以具有次级绕组36。电感器38可以与变压器32的初级绕组34串联地包括在谐振电路中，或者所示变压器32可以被视为理想变压器，其中电感器38表示在实践中使用的变压器32的泄露电感L_L。变压器32的次级绕组36耦合到LED驱动器电路的整流器电路40的输入。

在图1中，整流器电路40的输出端耦合到输出电路。输出电路包括输出电容器C 50，其并联耦合到LED单元52、感测电阻器R_S 54以及LED串联开关56的串联布置，LED单元52包括生成一种颜色的光的至少一个LED元件或者生成不同颜色的光的多个LED元件。作为LED串联开关56的替代，转换器电路可以包括并联地耦合到整流器电路40的输出端的分路开关58。

在图2中，整流器电路40的输出端耦合到输出电路。输出电路包括输出电容器C 50，其并联耦合到包括LED单元52与感测电阻器R_S 54的串联布置，该LED单元52生成一种颜色的光的至少一个LED元件或者生成不同颜色的光的多个LED元件。LED串联开关57与输出电容器50和LED单元52和感测电阻器54的串联布置的并联布置串联耦合。

在图3中，整流器电路40的输出端耦合到输出电路。输出电路包括电容器C 50，其并联耦合到包括至少一个LED元件的LED单元52、包括至少一个LED元件的LED单元53、一个或者多个可能其他一些LED单元与感测电阻器R_S 54的串联布置。每个LED单元52、53…生成相同或者不同颜色(例如，红色、绿色、蓝色或者白色)的光。LED单元52、53…均分别具有LED分路开关52a、53a…。在LED单元的串联布置中的又一LED单元可以不具有LED分路开关。

在图4中，整流器电路40的输出端耦合到输出电路。输出电路包括输出电容器C 50，其并联耦合到包括生成一种颜色的光的至少一个LED元件或者生成不同颜色的光的多个LED元件的LED单元52与感测电阻器R_S 54的串联布置。

在图1、图2、图3以及图4中，LED单元并不形成LED驱动器电路的一部分。LED单元耦合在LED驱动器电路的LED输出端子之间。LED驱动器电路和LED单元的组合形成发光单元。

LED驱动器电路还包括控制电路100，其用于控制转换器开关10、11、LED串联开关56或者57(如果存在的话)、LED分路开关58(如果存在的话)的切换，并且用于感测跨/通过感测电阻器54的电压/电流。在图1、图2、图3和图4中在控制电路100与不同开关之间的虚线可以例如表示用于切换这些开关的栅极驱动电路，其中控制电路100包括用于生成定时的和同步的栅极驱动电压的电路。感测电阻器54与控制电路100之间的虚线可以例如表示将在生成栅极驱动脉冲的反馈控制中使用的电压或者电流信号的信号线。

在下文中，当开关断开时，其也可以被称为非导通或者非导电的。另一方面，当开关闭合时，其也可以被称为导通的或者导电的。描述根据本发明的LED驱动器电路的各种调光可能性。

首先，本发明提供了幅度调制(AM)，以通过改变转换器开关10、11的切换频率来获得LED驱动器电路的期望的输出电压、输出电流或者输出功率。由于转换器的谐振行为，因此频率变化导致输出参数(即，输出电压、输出电流或者输出功率)的变化。在一个应用中，输出电压的变化可以用来补偿LED的正向电压的变化。对LED正向电压进行补偿所需的频率变化相对低。类似的频率变化可以用来补偿转换器容差。

由于转换器的缺陷(诸如，电感元件的绕组以及输出整流器的输出电容)，将谐振转换器调光到低电流水平不总是可能的。然而，可以通过谐振转换器的频率变化将所需的LED驱动器电路的调光的一部分实现至可靠的AM调光水平。

第二，本发明提供了谐振转换器的脉冲宽度调制(PWM)，以获得LED驱动器电路的期望的平均输出电压、输出电流或者输出功率。脉冲宽度调制频率低于转换器开关的切换频率。作为一个示例，转换器开关的切换频率可以在10kHz之上，或者在100kHz之上，而脉冲宽度调制频率可以在3kHz之下，或者在1kHz之下。

可以通过利用预定占空比使转换器以脉冲宽度调制频率断开和关闭来获得谐振DC-DC转换器的脉冲宽度调制。这意味着在占空比的一部分期间，转换器开关10、11都是非导通的，而在占空比的另一部分期间，转换器开关10、11以其预定切换频率(其可以是可变的以获得AM)切换。

可以备选地或者补充地通过以不同切换频率操作转换器开关来获得谐振DC-DC转换器的脉冲宽度调制。这意味着在占空比的一部分期间，转换器开关10、11以第一预定切换频率(谐振电路以该频率提供高输出电压)切换，而在占空比的另一部分期间，转换器开关10、11以第二预定切换频率(谐振电路以该频率提供低输出电压)切换。

第三，在谐振转换器的AM和PWM(均如上所述)的组合中，可以在AM模式或者PWM模式中获得LED驱动器电路的第一调光，而可以通过组合AM模式和PWM模式来获得进一步的调光。在组合的AM和PWM模式中，PWM模式并不需要提供非常短的占空比，但仍然获得深度调光。由于难以稳定地控制非常短的占空比(这是由于仅使用控制范围的一部分)，组合的AM和PWM模式利用PWM占空比的稳定控制提供深度调光。

第四，如以下说明的那样，调光是可能的。参考图1，示出了LED串联开关56，并且假定并不存在LED分路开关58。也参考图2，其示出了LED串联开关57。利用预定占空比使LED串联开关56、57断开和关闭将导致LED单元52的PWM和调光。该脉冲宽度调制频率可以与转换器脉冲宽度调制频率相同或者不同，并且低于转换器开关的切换频率。当LED串联开关56、57是非导通时，由于没有负载(LED单元52)，因此LED驱动器电路具有高的品质因数Q。因此，LED驱动器电路具有高的电压增益，以及跨输出电容器50的对应的高输出电压。另一方面，当LED串联开关56、57导通时，LED驱动器电路具有低的品质因数Q、低的电压增益和跨输出电容器50的低的输出电压。输出电压在断开和闭合LED串联开关56、57时的改变是不期望的，这是由于为了恒定的输出电流，需要恒定的输出电压。

可以通过当LED串联开关56、57非导通时增加转换器频率达预定的量而获得恒定的输出电压。这可以通过参照图5来图示。

图5示出了图1和图2的LLC谐振转换器的示例性电压增益图。水平轴示出了从10kHz到200kHz的范围内的频率f＝ω/2·π。竖直轴示出了电压增益G。在图5中的实线表示了在预定负载(例如标称电流)下的电压增益曲线，而在图5中虚线表示了在无负载下的电压增益曲线。如图5中可见的那样，在110kHz的频率f1处，在标称电流下的电压增益G为2.6，而无负载转换器在f1＝110kHz处的电压增益为3.4。当再次闭合LED串联开关56、57时，这将引起在输出电容器50以该高电压增益充电时通过LED单元52的不期望的高电流。因此，当LED串联开关56、57非导通时，转换器切换频率需要增加Δf到频率f2，以保持电压增益在2.6处(与在标称电流下的电压增益相同)。

例如可以通过向跨感测电阻器54感测到的电压附加预定电压而引入频率的改变，其中该电压是控制谐振转换器切换频率的控制电路100的参数。结果将是，跨输出电容器50的电压在PWM操作期间保持恒定，从而使得在PWM期间，在切换LED串联开关56、57时，LED电流即时呈现，这导致精确陡峭的PWM电流脉冲。这实现了非常小持续时间的LED电流脉冲，其非常适于颜色LED驱动器电路。这限制或者消除了通过LED单元52的峰值电流。

参照图1，当LED串联开关56非导通时，输出电容器50将不会被放电，这进一步改进了PWM脉冲行为。在图2的LED驱动器电路中，当LED串联开关57非导通时，输出电容器50将被放电，但是频率漂移将保持整流器输出电压恒定。

保持跨输出电容器的电压恒定所需的频率增加值可以作为固定值放入控制单元100的存储器中。备选地，转换器电压增益曲线(转移特性)可以作为用于确定所需的频率漂移的表格放入控制单元100的存储器中。备选地，控制电路100可以利用查找表通过测量在转换器的非加载条件中的输出电压来加载。这可以被视为校准。

参照图1，并且假定存在LED分路开关58，同时LED串联开关56永久地导通(换言之，利用串通连接替代LED串联开关)，电感器38的值需要为使得无功电流在分路开关58导通时刻期间相当低。当处于这种情况时，在转换器开关10、11中的导通损耗较低。如图1中可见，当LED分路开关58导通时，输出电容器50放电。因此，使用LED串联开关56比LED分路开关58更适合。

在图3的输出电路中，所示出的每个LED单元52、53可以由LED分路开关52a、53a分路。因此，在第一时隙中，可以通过断开LED分路开关52a而闭合LED分路开关53a来对LED单元52供电。在第二时隙中，可以通过闭合LED分路开关52a而断开LED分路开关53a来对LED单元53供电。在第三时隙中，可以通过断开LED分路开关52a、53a这两者来对LED单元52、53供电。在第四时隙中，通过闭合LED分路开关52a、53a使LED单元52、53都不供电。控制电路100能够改变跨LED单元52、53的串的电压，从而使得所需电流在不同时隙中通过LED单元。如上所述的在PWM期间的相同的频率漂移技术可应用于此，以具有精确的低占空比电流脉冲。

在应用如上所述的DC-DC谐振转换器的各种方式的调光(AM和PWM调光)的情形下，通过切换LED串联开关或者LED分路开关的PWM调光可以以相对低的LED电流水平开始。继而，为了获得期望的调光水平，通过切换LED串联开关或者LED分路开关的PWM调光的占空比不需要变得非常小来仍然实现深度调光。可以应用相对大的时间步骤，这导致稳定的深调光，由此避免不稳定性和对应的LED闪烁。

在改变LED驱动器电路的输出参数的幅度期间，如参照图4图示的那样，可能在谐振转换器中引入附加的谐振阶数，以延伸输出参数范围。

图4示出了电容器62和电容器串联开关60的串联布置。该串联布置并联耦合到变压器32的初级绕组34。备选地，该串联布置可以并联耦合到谐振电容器30。

通过闭合和断开电容器串联开关60，改变谐振电路及其增益曲线。作为一个示例，图6示出了增益G比对频率f的不同曲线(一个为实线，另一个为虚线)，一个适用于当电容器串联开关60导通时，另一个适用于当电容器串联开关60非导通时。因此，电容器串联开关60的断开和闭合可以用于幅度调制谐振转换器和/或脉冲宽度调制谐振转换器。因此可以限制所需的频率范围，从而导致更优化和有效的设计。

在电容器62和电容器串联开关60的串联布置并联耦合到变压器的次级绕组36的情形中，当闭合电容器串联开关60时，增益曲线变得陡峭，如图7中所图示。因此，在这种电路配置中，电容器串联开关60的断开和闭合可以用于幅度调制谐振转换器和/或脉冲宽度调制谐振转换器。

如上说明的那样，可调光LED驱动器电路包括耦合到输出电路的谐振DC-DC转换器。该转换器包括耦合到谐振电路的半桥式或者全桥式切换电路。谐振电路的输出被整流且被馈送到输出电路。输出电路包括至少一个LED串联或者分路开关，以用于使LED单元断开或者关闭。控制电路以可变的切换频率控制切换电路的断开和关闭。控制电路还被配置成用于控制切换电路，以用于幅度调制转换器，以及用于以低于切换频率的第一脉冲宽度调制频率脉冲宽度调制转换器。控制电路还被配置成以低于切换频率的第二脉冲宽度调制频率控制LED开关的切换。

如所要求的那样，在本文中公开了本发明的一些详细实施例；然而，将理解的是，所公开的实施例仅是本发明的示例，本发明可以以各种形式体现。因此，在本文中公开的具体结构和功能细节并不应当被解释为限制性的，而仅是权利要求的基础，并且是用于教导本领域技术人员以实际上任何适当的详细结构以各种方式采用本发明的代表性基础。此外，本文中使用的术语和短语并不旨在为限制性的，而是为了提供本发明的可理解描述。

如本文所使用的，术语“一”或者“一个”被定义为一个或者多于一个。如本文所使用的，术语多个被定义为两个或者多于两个。如本文所使用的，术语“另一”被定义为至少第二个或者多个。如本文所使用的，术语包括和/或具有被定义为包括(即，开放式语言，而不排除其他元件或者步骤)。在权利要求书中的任何参考标记不应当被解释为限制本发明的权利要求的范围。

某些手段在相互不同的从属权利要求中记载的单个事实并不指示不能有利地使用这些手段的组合。如本文所使用的，术语耦合被定义为连接，其不必为直接连接，也不必为机械连接。

单个处理器或者其他单元可以满足权利要求中记载的控制电路的功能。备选的，控制电路可以涵盖用于满足其功能的多于一个处理器。

注意到，本发明可应用到隔离式和非隔离式谐振转换器。还注意到，本发明可应用到具有同步整流的转换器。进一步注意到，本发明可应用到半桥式、全桥式和单个转换器开关谐振转换器。还注意到，控制转换器可以利用电压、电流、功率或者光传感器输入作为用于控制的参数。

Claims

1.一种可调光的LED驱动器电路，包括：

谐振DC-DC转换器，其包括具有至少第一转换器开关和第二转换器开关并且耦合到谐振电路的切换电路，以及耦合到所述谐振电路的整流器电路；

输出电路，其耦合到所述整流器电路，所述输出电路包括被布置成耦合到LED单元的LED输出端子；以及

控制电路，被配置用于以可变的切换频率切换所述转换器开关，所述控制电路还被配置成用于控制所述切换电路，以用于幅度调制所述转换器以及用于以低于所述切换频率的第一脉冲宽度调制频率来脉冲宽度调制所述转换器。

2.根据权利要求1所述的可调光驱动器电路，其中所述控制电路被配置成改变所述切换电路的所述切换频率以用于幅度调制所述转换器。

3.根据权利要求1所述的可调光驱动器电路，其中所述控制电路被配置成使所述转换器断开和关闭，以用于以低于所述切换频率的所述第一脉冲宽度调制频率来脉冲宽度调制所述转换器。

4.根据权利要求1所述的可调光驱动器电路，其中所述控制电路被配置成在第一频率和第二频率之间改变所述切换电路的所述切换频率，以用于以低于所述切换频率的所述第一脉冲宽度调制频率来脉冲宽度调制所述转换器。

5.根据权利要求1所述的可调光驱动器电路，其中所述转换器包括电容器和电容器串联开关的串联布置，并且其中所述控制电路被配置成切换所述电容器串联开关，以用于幅度调制所述转换器以及用于以低于所述切换频率的所述第一脉冲宽度调制频率来脉冲宽度调制所述转换器。

6.根据权利要求1所述的可调光驱动器电路，其中所述输出电路包括所述LED输出端子和LED串联开关的串联布置，所述串联布置并联耦合到电容器，其中所述控制电路被配置成以低于所述切换频率的第二脉冲宽度调制频率切换所述LED串联开关。

7.根据权利要求1所述的可调光驱动器电路，其中所述输出电路包括所述LED输出端子和电容器的并联布置，所述并联布置串联耦合到LED串联开关，其中所述控制电路被配置成以低于所述切换频率的第二脉冲宽度调制频率切换所述LED串联开关。

8.根据权利要求6或者7所述的可调光驱动器电路，其中所述转换器的所述切换频率以与所述LED串联开关的断开和闭合同步的方式在第一切换频率和第二切换频率之间变化。

9.根据权利要求1所述的可调光驱动器电路，其中所述输出电路包括所述LED输出端子、电容器、以及LED分路开关的并联布置，其中所述控制电路被配置成以低于所述切换频率的第二脉冲宽度调制频率切换所述LED分路开关。

10.一种控制可调光LED驱动器电路的方法，所述方法包括：

提供谐振DC-DC转换器，其包括具有至少第一转换器开关和第二转换器开关并且耦合到谐振电路的切换电路，以及耦合到所述谐振电路的整流器电路；

提供输出电路，其耦合到整所述流器电路，所述输出电路包括被布置成耦合到LED单元的LED输出端子；

以可变的切换频率切换转换器开关；以及

控制切换电路，以用于幅度调制所述转换器以及用于以低于所述切换频率的第一脉冲宽度调制频率来脉冲宽度调制转换器。