CN102695332B - 混合功率控制系统 - Google Patents

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Abstract

混合功率控制系统。一种为照明系统提供动态功率控制的混合功率控制系统，其中电源可以提供AC或DC电压范围中的任何一个。一个或多个开关模式供电器包含组合的一个或多个线性和开关模式调节器电路以动态地控制所述照明系统的电流、电压和功率。微处理器或其它集成电路装置接收和发送控制信息以调节去往发光装置的功率。一个或多个输出驱动级能够提供与标准或共阳极照明系统兼容的宽动态电流范围、通道绑定和保护电路。

Description

混合功率控制系统
技术领域
本发明涉及向光源供电的方法和设备的改进，具体地而非排他性地，涉及对诸如发光二极管(LED)、有机发光二极管(OLED)和其它固态光源负载的光源进行调光(dim)或者另外对这些光源调整亮度或调节功率的高效率的且鲁棒的方法和设备。更具体地，涉及使用动态功率调节来增大固态照明系统的调光动态范围和功率控制的高效的、功率可配置的、高可靠性的混合控制系统。
背景技术
申请人已经认识到了对于具有以下优点的用于固态照明装置的混合功率控制器的需求：
·可以用来通过驱动(actuate)通过发光装置的电流来控制附接到混合功率控制系统的所述发光装置的亮度(intensity)(或颜色)。所述混合功率控制器能够使用任何电流波形或调光方法来控制发光装置电流，而无需改变电路设计。
·在应用到所述混合功率控制系统期间，可以操作标准或共阳极接线布置中的一个或多个驱动输出级来实现灵活的固定连接。
·能够将一个或多个输出驱动级接合在一起以增大和扩展发光装置负载的最大正向电流范围。
·提供高度可配置的且经优化的混合功率系统，该混合功率系统具有在宽数值范围内固定开关频率(switching frequency)或者提供连续可变的开关频率或频率控制的任何组合的能力。
·提供从几微安到几百安的宽动态电流调光范围，以提供优质的调光或混色性能。
·提供效率高达99％的高效的功率输出级。
·通过在(O)LED输出处实现长寿命的固态电容器而不是通常使用的体积大的、温度敏感的电解电容器来增加所述输出驱动级的寿命。
·当使用一个或多个输出驱动级以改善整体功率效率并最大化混合功率控制系统的供电负载时，提供动态功率控制。
·为各种各样的照明应用提供鲁棒的、高可靠性的功率控制系统，以使得能够利用最少的部件来实现短路保护、断路保护、欠压保护、过压保护、过功率保护和热保护。
·针对与开关模式调节器(regulator)相关的启动过电流模式提供快速响应，以确保(O)LED发光装置在插入到已运行的或正在启动的功率级中时不会出现严重故障。
·提供具有实时改变纹波电流(ripple current)特性的能力的低纹波输出电流特性。
·提供对所附接的光源的电流、电压进而功率的实时测量和反馈。
·提供真正的非线性的和对数调光性能。
·通过独立地或同时地组合开关模式供电器(power supply)和线性调节器拓扑来提高绝对电流精度。
发明内容
根据本发明，提供了一种用于为照明系统提供动态功率控制的混合功率控制系统，该混合功率控制系统包括：
·电源，该电源用于提供AC或DC电压范围中的任何一个；
·发光装置；
·经组合以动态控制所述照明系统的电流、电压和功率的一个或多个线性和开关模式调节器电路；
·接收和发送控制信息以便调节所述发光装置的功率的微处理器或其它集成电路装置；
·能够提供与标准或共阳极照明系统兼容的宽动态电流范围、通道绑定以及保护电路的一个或多个输出驱动级。
在从属权利要求中限定优选的特征。
通过引入组合了线性和开关模式调节器的混合功率控制系统，能够以极大扩展的动态范围向一个或多个所附接的发光装置提供电流进而功率，从而可以使用相同的驱动器输出级对宽范围的不同发光装置进行供电，不同发光装置包括单管芯(die)发射极封装、包含多管芯发射极的单阵列封装或多个封装。所述混合功率控制系统是高效的和鲁棒的。
由于可以在较高正向电流(或功率)情况下使用开关调节器向所述发光装置供电，并且在较低正向电流(或功率)情况下切换至线性调节器，因此所述混合功率控制系统能够跨输出驱动级的全部功率范围来提供极高的效率。所述混合功率控制系统的输出驱动级的效率能够根据所述输出级的功率需求而使用最佳效率的功率级，从而跨整个调光电流(或功率)范围使效率最大化。如上所述，开关调节器在输出功率增加时提供高效率(80％-99％)，然而当所述功率降低时，所述驱动级因开关部件所需的静态功率而变得低效，因此在低正向电流(或功率)情况下使用在低功率时更有效率的线性调节器来提高所述输出驱动级的整体效率特性。
当前可用的发光装置的功率基于所述照明系统的配置可以具有从几百毫瓦到几百或几千瓦的功率范围。为了准确地操作，所述照明系统内的每个发光装置需要不同的正向电压和正向电流，而本发明使用微处理器(或类似装置)使所述输出驱动级更容易地被配置以使其更适合于驱动更大范围的照明系统。这向照明设备制造商提供了一个显著的优点，因为只需较少的型号就可覆盖更宽范围的照明设备，所以他们能够保持较少的驱动器库存。
组合输出驱动级内的线性和开关调节器两者的独有特性，能够实现非常宽的动态调光(或功率)范围，可以具有1到4294967296(使用32位时232)的范围。虽然28位或256的动态范围对于许多照明应用是良好的，但是存在不断增长的需求，将其增加到至少16位(216或65535)调光(或功率)级，尤其是对于白光的应用。增加的调光(或功率)分辨率使照明系统能够提供使人眼舒适的指数调光曲线，并模拟传统光源(如白炽灯)所展现的调光效果。本发明不管流过所述发光装置的驱动电流分布，都能够将发光装置精确地线性或非线性的调光到非常低的照明水平。
本发明的配置使照明系统制造商能够在设计从混合功率控制系统到含有发光装置的照明设备的连接电缆时实现高度灵活性，因为可以使用标准的或公共的阳极布置而不需要改变输出驱动级拓扑。这向制造商提供了设计设备时的灵活性，因为如果使用共阳极拓扑，则在所述照明设备和功率控制器之间可以使用较少的电缆芯。然而如果设备到功率控制器的距离较大，则可以使用标准连接拓扑，因为这与共阳极布置相比，可以降低连接控制器和照明设备的电缆中的电压(或功率)损耗。
本发明的其他优点是它提供了高度的防护性，以避免由混合功率控制系统上的输出连接器的错误接线而导致的损害。用于固态光源的传统的开关调节器或控制系统不提供对于开关装置的阳极连接线接地或连接至另一个开关装置的保护，然而在本发明的范围之内教导的输出驱动级拓扑使每个驱动级的输出连接器能够在错误接线的情况下，不会导致所述输出驱动级部件的灾难性故障。
本发明的另一个优点是当多个输出驱动级被包含在所述混合功率控制系统中时，可以根据由所述混合功率控制系统设置的最大功率水平来动态地改变每个通道的功率。举例来说，这使得组合的驱动级的最大输出可被设置为为所述输出级供电的AC/DC开关调节器的最大输出功率。该动态功率控制使得应用能够以高至AC/DC供电器的最大值的任何预先限定的功率操作，由此使所述混合功率控制系统的总效率最大化，同时使从所述照明控制系统发出的光最大化。
其他优点是，通过控制由所述电源响应于照明系统内使用的发光装置的类型而供应的电压和电压类型，可以优化所述照明系统总的流明每瓦效率。例如，目前制造的大多数LED使用DC电压来供给能量，这需要AC电压至DC电压开关模式调节器，然而也可以直接连接AC驱动的LED，这不需要AC至DC开关模式调节器。此外可以从DC发电装置(如光伏(太阳能)电池)获得电源，由此可以只需要DC/DC开关调节器，从而提高了所述混合功率控制系统的总效率。
本发明的其它优选特征在从属权利要求中限定并进一步在下文中讨论。
附图说明
现在将通过示例的方式，参照附图来描述本发明，其中：
图1示出了概述本发明的一个实施方式的照明系统的主要部分的示意图。
图2a示出了开关模式调节器的效率如何根据功率负载或LED数目相对于开关级的输入电压而变化的。
图2b示出了开关模式调节器的效率如何随总输出功率降低而降低。
图3示出了现有技术中的开关模式调节器如何在LED直接连接到开关调节器时自身可能因高瞬态启动电流而对LED造成损害。
图4a示出了发光装置的标准配置可以如何连接至混合功率控制系统。
图4b示出了发光装置的共阳极布置可以连接到混合功率控制系统。
图5示出了四个输出级的通道绑定如何配置成两个输出级以及发光装置的连接布置。
图6a示出了组合了独立操作的线性和开关模式调节器的输出驱动级的一个实施方式。
图6b示出了组合了独立和一起操作的线性和开关模式调节器的输出驱动级的一个实施方式。
图7示出了如何跨三个通道(红、绿和蓝)驱动器使用电流或功率以便在限定的循环周期上产生彩虹色彩效果。
图8a示出了动态功率控制系统在彩虹色彩效果中使用时如何能够跨三个输出通道分享平均功率。
图8b示出了动态功率控制系统与标准的基于开关的输出驱动系统相比，当用于彩虹色彩效果时如何能够跨三个通道分享电流以使照明系统的光输出最大化。
图9示出了具有电力连接器、过压保护、输入噪声滤波器和整流器级的开关模式供电器的一个实施方式。
图10示出了在非活动期间具有低功耗待机特征的开关模式供电器的一个实施方式。
图11示出了具有热、欠压、过压、过流和过功率关机保护特征的反激转换器之前的具有功率因数校正的开关模式供电器电路的一个实施方式。
图12示出了具有隔离和功率级特征的开关模式供电器的一个实施方式。
图13示出了具有组合了线性和开关模式调节器、输出噪声滤波器、电压接口、电流和短路传感器以及输出发光装置连接器的输出驱动级的开关模式供电器的一个实施方式。
图14示出了DALI白光应用中使用的非线性/对数和线性发光装置亮度/电流/功率曲线。
具体实施方式
图1示出了概述根据本发明一个实施方式的照明系统从输入到输出的主要部分的示意图。正如提及的，AC到DC照明系统(1)的目的是以输出电压和恒定电流的形式向发光装置设备供应规定的功率以相应地调制光输出。
这利用由电力电缆(20)连接至功率端子块(21)的电源(10)实现，该功率端子块(21)转而连接至在整流和电流限制(50)之前的过压保护(30)和输入噪声滤波器(40)。整流的级(50)连接至功率因数修正装置(60)，随后是隔离和功率级(70)，用于提供使动态控制系统(80)操作所需的参数。所述动态控制系统(80)连接至输出驱动级(90)，所述输出驱动级转而连接至输出噪声滤波器(100)，该输出噪声滤波器(100)确保将具有最小噪声的恒定电流提供至输出连接器(110)和发光装置设备(120)所连接到的电缆(111)。
所有上面提及的模块包括经由一个或多个专用印刷电路板(PCB)或电缆而相互连接的部件。
每个模块将在下面进行更为详细的描述：
所述照明系统(1)的电源模块(10)可以是高压(＞100V)或低压(＜100V)AC电源，且可以通过合适的额定功率电缆(26)连接至可以是面板安装或PCB安装的功率电缆/连接器模块(20)内的端子块(21)。所述端子块(21)可以是多极类型，以使得多个驱动器简单地链接在一起。依据所述照明系统(1)的配置，其它的电缆可以连接至相同的或不同的表示各种传感器输入(22)或输出(23)以及用于在所述照明系统(1)和主控制器(2)之间传送指令的通信总线(24)的端子块(21)。所述通信总线可以基于各种硬件或协议系统，例如在数字通信系统内易于获得的I2C、SPI、UART、RS232、RS485、DMX CAN、USB、IEE1394、DMX、RDM、KNX、DALI、以太网。也可以采用其它的协议。
所述过压保护模块(30)可以在一个或两个供电器相输入中包括一个或多个熔丝(31)以提高安全性。所述熔丝(31)被包括以用于保护以避免在各个相上的接地短路的影响，或在各相之间的短路的影响。此外，在一个优选的实施方式中，在输入端还有由瞬态保护构成的过压保护。已知来自所述电源模块(10)的瞬态尖峰可能损害敏感部件。抑制瞬态电压的最好形式是实现瞬态电压抑制器(32)，其将有效保护所述照明系统(1)的其余部分免受瞬态电压尖峰的影响。
所述输入噪声滤波器模块(40)具有两个主要功能。第一是防止所述照明系统(1)的开关模式供电器内的开关调节器固有地生成产生的噪声返回至所述电源(10)电网(gridnetwork)。具有国际标准来规定电子产品可以生成多少噪声。输入滤波器的第二个功能是阻止来自电源(10)电网的噪声进入照明系统(1)的供电器中。该滤波器通常在整流器模块(50)的输入侧和输出侧都包含有部件。
AC至DC功率系统上必须存在整流器模块(50)，因为大多商用(O)LED通常是由直流驱动的。所述整流器模块(50)的输入侧将AC电源转换为经DC整流的源。在一个优选的实施方式中，所述整流器模块(50)提供一种手段以通过在启动阶段限制涌入电流而使所述照明系统(1)具有软启动特征。限制照明系统(1)在启动阶段所采用的电流对确定电缆、熔丝和其它部件的安全值等级是重要的。
所述功率因数修正模块(60)是现代AC至DC供电器中的核心特征，因为它降低了所述电源模块(10)上的电感和电容负载。所述PFC模块(60)提供输出电压的升压，这对于使许多发光装置能够被驱动来说是很重要的特征。在所述PFC模块(60)的一个实施方式中，PFC集成电路由源自所述整流器模块(50)的输出级的启动电流驱动，且在正常操作期间由操作电流驱动，一旦所述PFC模块(60)电路启动即由操作电流接管。最新的PFC集成电路控制器提供接近1的功率因数修正，并且在开关模式供电器的初级侧提供过温、过流和过功率保护。
所述隔离和功率级(70)通常连接到所述PFC模块(60)的输出级，并且包含足够大的电容器以吸收和平滑来自所述PFC模块(60)的纹波电流，同时向所述动态控制系统(80)和输出驱动级(90)模块提供直流电压。所述隔离和功率级模块(70)的一个实施方式将向所述动态控制系统(80)提供一个或多个调节后的电压以优化所述开关模式供电器的效率。其他的实施方式提供了变压器以提供所述输出与所述高电压输入之间的电(galvanic)隔离。
所述动态控制系统模块(80)由所述隔离和功率级模块(70)的电压供应输出供电。所述动态控制系统模块(80)的一个实施方式含有执行软件控制算法的微处理器(81)、用于经由总线(24)与网络主控制器(2)通信的装置、一个或多个用户接口(82)以及一个或多个传感器接口(83)。所述用户接口(82)的一个实施方式将包括菜单小键盘和LCD显示器以使用户能够确定所述照明系统(1)的输出控制功能。
在所述照明控制系统(1)的一个实施方式中，所述输出驱动级模块(90)由所述动态控制系统(80)控制以确保恒定电流并且根据所述发光装置设备(120)内所使用的发光装置的数目来提供电压。数字控制系统(80)的一个优选实施方式含有输出驱动级模块(90)以降低成本和尺寸同时提高效率。
在一个实施方式中，所述输出噪声滤波器(100)包含电感和电容负载，以在所述输出驱动级模块(90)处去除纹波和噪声尖峰。由于发光装置需要稳定的电压以避免因高纹波电压而过载，所述输出噪声滤波器(100)将确保连接至所述发光装置设备(120)的输出电缆(112)上的或者来自该输出电缆(112)的所传导的和辐射出的噪声发射被衰减。
所述输出电缆和连接器模块(110)包含用于输出连接器(111)的端子块。所述输出电缆(112)向所述发光装置设备(120)提供电力并且还提供一个或多个电缆以便传送来自传感器的信号。
在一个实施方式中，所述发光装置设备(120)包含用于提供来自所述开关模式供电器的所述输出电缆(112)的电力的电线或连接器块(121)、热连接至包含发光装置(124)或(O)LED阵列基板的金属芯PCB的散热器(123)、用于测量发光装置(124)的温度的温度传感器(125)、用于测量环境光和所述发光装置(124)的输出的亮度的光亮度传感器(126)、用于测量所述发光装置(124)的颜色的颜色传感器(127)。
图2a示出了现有技术中基于PWM的LED驱动器的典型输出驱动级(90)中使用的来自美国Diode公司的ZXLD1360开关模式调节器的效率性能。如示出的那样，对于一定的系统设置，开关模式调节器的效率随着LED数量的减少而降低。还将看到，对于设定的输出端的LED数量，效率的降低是伴随着供应电压的增加。开关模式调节器的效率范围根据其输出端上的LED负载在70％至90％之间变化。
图2b示出了所述效率性能和总的LED功率输出作为现有技术中ZXLD1360开关模式调节器的PWM占空比的函数。对于大多数开关模式调节器，使用PWM作为电流控制方法的输出驱动级(90)的效率自40％占空比及以下显著降低。在40％的PWM占空比下，输出驱动级效率已经降低了超过20％，且在5％的PWM占空比下，总的输出驱动级(90)效率将低于20％。使用PWM电流控制方法的开关模式调节器的调光效率的下降导致在较低的光强度或输出功率水平的差的性能。
图3示出了基于典型的现有技术的开关模式调节器的驱动LED负载的输出驱动级(90)的输出电压和电流性能。所述输出驱动级(90)在没有附接LED负载的时间T0至T1之间以稳定状态操作，且具有大约48V DC的释放(release)电压，相应的输出电流是0mA。然而，这表明当LED负载连接到操作中的输出驱动级(90)时，输出电压下降至所述LED负载的正向电压直至在时间T2达到稳定状态为止。在所述输出驱动级(90)上达到稳定状态的时间约为4mS(T2-T1)，然而在所述LED负载于T1被连接至所述输出驱动级(90)后的短时间内，可观察到流过LED的大正向电流尖峰(ILED)。尽管该电流尖峰仅持续数百微秒，但它的幅度大到足够导致因附接至LED管芯的接合线故障而造成LED负载的灾难性故障。本发明的混合控制系统消除了这样的在LED负载连接到已操作的系统时产生的过输出驱动电流尖峰，其实现是通过在输出驱动级(90)中利用线性级和电流反馈来测量LED负载的正向电压并确保开关模式调节器在正确的所需LED负载电压上启动。
图4a示出了在照明系统(1)中使用的典型的发光装置(125)的一个实施方式，其中具有四个独立的(O)LED通道，例如表示红、绿、蓝和白色。在这个实施方式中，每个颜色通道都具有单独接线至4个输出驱动级(90)的阳极和阴极，这通常称为将发光装置(125)连接至输出驱动级(90)的标准方法。
图4b示出了在照明系统(1)中使用的典型的发光装置(125)的一个实施方式，其中具有以共阳极布置连接的4个独立(O)LED通道。在这种布置中，所述4个通道中的每一个的阳极可以被连接在一起，同时每个输出通道的功率仍然可以独立控制。如讨论的那样，共阳极布置的优点是在LED设备电缆(112)中包含的芯的数量得以降低，相应地降低了价格。
图5示出了具有连接器块(121)的4个通道发光装置(125)，其中所述4个输出通道被组合成绑定输出的两个通道。在这个实施方式中，白色和蓝色通道输出在相应的阳极和阴极端子处被绑定在一起以提供2倍于单个通道的最大正向电流。例如，如果单个通道的最大正向电流是1000mA，那么将2个通道绑定在一起的通道将能够实现2000mA的最大正向电流。通过绑定通道输出的总正向电流是电流Iblue和Iwhite之和。相似地，红色和绿色通道的输出可以绑定在一起。通道绑定在一起输出的一个优点是能够得到大的正向电流，在使用较小的更有效的部件的同时发光装置(125)可以有效率地操作。另外的优点是随着通道被绑定，维持了电流分辨率，并且增加了最大正向电流，这能实现优异的调光性能，而不管所述发光装置(125)的配置。
图6a示出了本发明的一个实施方式中的发光装置(125)的随时间变化的三角形输出电流波形。在时间T0到T1之间以及T3到T4之间，当输出电流在I0和I1之间时，在输出驱动级(90)中仅使用线性调节器。所述线性调节器提供带有小的或没有电流纹波的非常精确的输出电流，如平滑线所示。在本实施方式中的输出电流I1和I2之间，只有开关模式调节器在操作，如锯齿形线所示，其表示与所述开关模式调节器相关的电流纹波。在时间T1和T4之间的虚线表示通过所述开关模式调节器的平均电流。所述线性和开关模式调节器之间的过渡输出电流可以依据特定的照明系统(1)的需求来设置，且由所述动态控制系统(80)控制。过渡电流的典型值可以根据所述发光装置(125)的电配置、综合设计效率和低正向电流下的正向电流精度而处于从1mA到100mA的范围。
图6b示出了本发明的另一实施方式中的发光装置(125)的随时间变化的三角形输出电流波形图，其中线性级独自地或与开关调节器相结合地操作。同样，在输出电流范围I0和I1之间，也即在时间T0到T1之间以及T3到T4之间，仅使用所述线性调节器。然而，在时间T1到T3之间，输出电流范围在I1到I2之间时，同时使用所述线性调节器和开关调节器两者，如锯齿形线所示。由于所述线性调节器能够生成极好地施加到总输出驱动级(90)电流上的小偏置电流，使得所述动态控制系统(80)的滞后(hysteretic)控制算法中使用的死区范围减少，因此与图6a所示的相比，通过同时使用线性调节器和开关调节器两者，显著减小了电流纹波。通过在功率范围I1到I2之间组合所述线性调节器和开关调节器操作，所述输出驱动级(90)能够在总驱动效率仅有小幅下降的情况下，向所述发光装置(125)提供减小的电流纹波并提高电流(和功率)分辨率。
图7示出了三个独立输出驱动级(90)如何改变包含红、绿和蓝色的发光装置(125)的亮度、正向电流或功率，以在照明系统(1)中在一段时间上产生彩虹过渡效果。为了产生彩虹过渡效果，所述红、绿和蓝通道被定相在0到最大亮度(或电流或功率)之间。因此在时间P1，仅有红色通道导通，因此所述照明系统以红色开始。随后在时间P2，所述红色和绿色通道处于最大亮度的50％，使所述照明系统(1)输出呈现黄色的颜色。在时间P3，仅有绿色通道导通，因此所述照明系统(1)呈现绿色输出颜色。在时间P4，所述绿色和蓝色通道处于最大亮度的50％，使所述照明系统(1)输出呈现青色的颜色。在时间P5，仅有蓝色通道导通，并且因此所述照明系统(1)仅呈现蓝色输出颜色。随后在时间P6，所述红色和蓝色通道处于最大亮度的50％，使所述照明系统(1)输出呈现品红色的颜色。所述彩虹循环效果随后可以按照在时间P1到P6之间过渡的样本而重复。重要的需要指出的是，在彩虹过渡效果期间，在任何时间都仅有一个通道是处于全亮度。
图8a示出了当所述照明系统(1)在彩虹过渡效果中操作时，三个输出驱动级(90)消耗的平均功率。如果每个所述输出驱动级(90)在能够以最大正向电流350mA驱动48V正向电压的PWM输出电流模式下操作，那么每个级能够提供16.8W的功率给每个输出通道或16.8W*3通道或50.4W的总功率。在所述彩虹过渡效果期间，显示了在该效果期间的任何时间全部三个通道上使用的最大功率仅有16.8W，因此基于PWM驱动的照明系统(1)仅以全功率容量的1/3操作，从而导致所述开关模式供电器的较低操作效率。
图8b示出了本发明如何能够利用动态功率控制来最大化向发光装置(125)供应的功率，并提高所述照明系统(1)内使用的开关模式供电器的效率性能。在本发明的一个实施方式中，所述动态控制系统(80)能够测量三个输出驱动级上的输出功率，并确定总功率消耗仅占所述开关模式供电器的总的可用功率的1/3，因此提高了每个通道的最大正向电流(或亮度或功率)以获得组合的50.4W的最大平均功率输出。所述动态控制系统(80)能够连续地采取动态功率调节且因此能确保不会超出所述开关模式供电器的最大额定功率。所述动态功率控制系统(80)的视觉效果是显著的，因为对于相同的输入驱动器额定功率来说，所述照明系统(1)的功率输出是标准的基于PWM的输出电流系统的3倍。这提高了发射的流明，并因可以减少照明设备的数量而降低了照明安装的总系统成本，或者可以通过增加光输出而使发光效果显著增强。重要的是，所述动态控制系统(80)能够在过渡效果中的任何时间做出最大功率调整，而不会产生任何会被观看者发现的视觉副作用(组合的输出通道颜色或亮度的改变)。
尽管所述动态控制系统(80)能够最大化用于三个通道彩虹过渡效果的功率，但是其它实施方式对于使用两个或多个输出驱动级(90)的任何过渡效果都能够使功率输出最大化。
图9示出了一个实施方式的电路示意图，包括照明系统(1)内使用的开关模式供电器的输入功率端子块(21)、过压保护模块(30)、输入噪声滤波器模块(40)和整流器模块(50)。所述功率端子块(21)包括两个连接器(IN1 CN和OUT1 CN)，以使在多于1个照明系统(1)被使用时，所述开关模式供电器易于菊花链接(daisy-chained)在一起以便安装。熔丝(F1)和瞬态电压抑制器(ZNR1)用于保护系统，避免来自电源模块(10)的输出的过压的影响。输入噪声滤波器模块(40)由电容器(C1、C2、C3、C4、C5和C10)、电感器(NF1和NF2)和电阻器(R1和R2)构成，以确保噪声不会从所述电源进入所述照明系统(1)，反之亦然。所述整流器模块(50)包括桥式整流器(BD1)以整流AC电源，该AC电源由电容器(C6和C7)进行平滑。
图10示出了用于所述照明系统(1)的非活动期间的低功耗的开关模式供电器待机特征的一个实施方式。需要待机供电器来向所述动态功率控制系统(80)和所述通信总线(24)提供功率，以使得如果主控制器(2)或用户希望重启所述照明系统(1)，则主开关模式供电器可以被重新激活。在这个特定的实施方式中，通过电隔离的变压器T2由5VMCU向所述动态控制系统(80)提供功率，且由3V3DMX向DMX或远程设备管理(RDM)通信总线(24)提供功率。待机电路功能的功率由半导体IC(U2)调节。当所述照明系统(1)中的所述照明装置(125)没有使用时，来自所述动态控制系统(80)的信号(SUPPLY_ENABLE)能够使用光学隔离器(U3)来关闭所述主开关模式供电器，以降低能量消耗。
图11示出了跟随有具有热、欠压、过压、过流和过功率关机保护特征的反激转换器的具有功率因数校正的开关模式供电器电路的一个实施方式。所述开关模式供电器的核心是用于在所有输出功率级上提供高效率的半导体控制器(U1)，例如来自荷兰NXP BV的TEA1751T。这应用于高功率级的准谐振操作、具有谷底跳跃的准谐振操作、以及在低功率级下的降低频率操作。在低功率级下，所述PFC关闭以维持高效率。在低功率状态期间，所述反激控制器切换至频率降低模式并将峰值电流限制为它的最大值的25％。这将确保低功率下的高效率和良好的待机功率性能，同时使来自变压器(T1)的可听噪声最小化。
为了提供启动和欠压锁定(UVLO)特征，VCC管脚上的电容器从高电压电源经由HV管脚充电。只要VCC低于Vtrip，充电电流就降低。这在所述VCC管脚短路到地时保护IC。为了启动时间短，增加高于Vtrip的充电电流直至VCC达到UVLO阈值电压Vth(UVLO)为止。如果VCC在Vth(UVLO)和Vstartup之间，则充电电流再次降低，确保在故障状态期间的低的占空比。
控制逻辑激活控制器(U1)的内部电路并当管脚1上的电压VCC超过Vstartup水平时切断HV充电电流。首先，LATCH管脚5电流源被激活且PFCSENSE管脚11和FBSENSE管脚10上的软启动电容器被充电。当LATCH管脚5电压超过Ven(LATCH)电压且PFCSENSE管脚11上的所述软启动电容器被充电时，PFC电路被激活。所述反激转换器也被激活(假定PBSENSE管脚10上的软启动电容器被充电)。所述反激转换器的输出电压随后被调节到它的标称输出电压。IC(U1)电源被所述反激转换器的辅助线圈所接管。
一旦所述反激转换器启动，FBCTRL管脚3上的电压就被监测。如果所述反激转换器的输出电压在预定时间内没有达到它的预期调节水平，则FBCTRL管脚3上的电压达到Vto(FBCTRL)水平且假定有错误。TEA1751(U1)随后开始安全重启。
当保护功能之一被激活时，两个转换器都停止切换且VCC电压下降至Vth(UVLO)。锁定保护经由HV管脚16对电容器(C17、C59)充电，但并不重启所述转换器。为了安全重启保护，电容器经由HV管脚充电且该装置重启。
在PFC电路的过压保护的情况下，VVOSENSE＞Vovp(VOSENSE)，仅所述PFC控制器停止切换，直至VOSENSE管脚9电压再次降至低于VOVP(VOSENSE)为止。此外，如果检测到电源欠压VVINSENSE＜Vstop(VINSENSE)，则仅所述PFC控制器停止切换，直至再次VVINSENSE＞Vstart(VINSENSE)为止。
当管脚VCC上的电压降至低于欠压锁定水平时，两个控制器都停止切换且重新进入安全重启模式。
管脚5LATCH是通用的输入管脚，其可被用来切断两个转换器。在一个实施方式中，电阻器(R34)和热敏电阻器(NTR1)连接至管脚5LATCH，如果过温状态发生，则切断控制器。
在变压器消磁之后，PFC MOSFET(Q1)导通。连接至PFCAUX管脚8的内部电路检测二次突波(secondary stroke)的结束。它还检测所述PFC MOSFET(Q1)上的电压。当所述PFCMOSFET(Q1)上的电压处于最小时，下一突波开始，以便降低切换损耗和电磁干扰(EMI)(谷底切换)。
为了在高电压点亮事件期间保护所述内部电路，5K1欧姆串联电阻器(R10)连接至所述PFCAUX管脚8。为了防止由于外部扰动而导致的不正确的切换，电阻器(R10)应被放置为接近印刷电路板上的IC(U1)。
功率因数修正器的传递函数的数学公式包含电源输入电压的平方。在典型的应用中，这导致低电源输入电压的低带宽，同时在高电源输入电压的情况下，电源谐波抑制(MHR)条件可能难以满足。为了补偿电源输入电压影响，TEA1751(U1)包含修正电路。经由VINSENSE管脚7，测量平均输入电压，并将信息反馈给内部补偿电路。利用该补偿，可以在全部电源输入范围内维持调节环路带宽恒定，产生对负载阶跃(step)需求的快速瞬态响应。在当前的实施方式中，调节环路的带宽由电阻器(R19)和PFCCOMP管脚6上的两个电容器(C21和C22)设置。
为了维持过电流保护功能，通过感测外部MOSFET(Q1)的源极上的外部感测电阻器(R39)两端的电压而逐个周期地限制最大峰值电流。经PFCSENSE管脚11测量该电压。
对于电源UVLO或者降压(brownout)保护，控制器(U1)防止PFC在非常低的电源输入电压下操作，连续地感测VINSECSE管脚7上的电压。一旦该管脚上的电压降至低于Vstop(VINSECSE)水平，PFC的切换就停止。
为了防止在负载阶跃和电源瞬态期间的输出过压，内置过压保护电路。一旦VOSENSE管脚9上的电压超过了Vvp(VOSENSE)水平，功率因数修正电路的切换就被禁止。只要VONSENSE管脚电压再次降至低于所述Vovp(VOSENSE)水平，PFC的切换就重新开始。当管脚9VOSENSE和地之间的电阻器(R14)开路时，也触发过压保护。
连接至所述功率MOSFET(Q1)的栅极的驱动器电路具有典型的-500mA的电流源(current sourcing)容量和典型的1.2A的电流沉(current sink)容量。这允许快速导通和截止功率MOSFET(Q1)以有效地进行操作。
因为电流模式控制的良好的线调节，其被用于反激转换器。初级电流由FBSENSE管脚10跨外部电阻器(R51)感测并与内部控制电压比较。所述内部控制电压与FBCTRL管脚3电压成比例。
通过使用来自所述动态控制系统(80)的微处理器(81)触发输入FBCTRL管脚3，开关模式供电器控制器(U1)能够被关闭和重启。关闭所述控制器(U1)显著降低了所述照明控制系统(1)的功率消耗。
图12示出了具有隔离和功率级特征的开关模式供电器的一个实施方式。电隔离由变压器(T1)提供，该变压器(T1)具有用以提供具有不同输出电压的功率级的多个线圈。线圈端子7和8向用以平滑电压纹波的电容器(C12)提供电压。线性调节器(U10)用于提供经调节的12V输出。线圈端子11和12用于为主发光装置(125)供电器提供49.5V输出。输出电容器(C14、C15和C16)全部用于平滑纹波电流。其他变压器线圈9和10用于感测变压器中的电流并向所述反激变压器电路的其余部分提供反馈。
图13示出了具有输出驱动级(90)的开关模式供电器的一个实施方式，该输出驱动级(90)组合了线性和开关模式调节器、输出噪声滤波器(100)、用于电压、电流和短路传感器的接口以及输出发光装置连接器(121)。
所述线性调节器通过使用来自所述动态功率控制系统(80)中的微处理器(87)的输入(TRIM_1)产生，随后是由电阻器(R102)和电容器(C103)构成的低通滤波器。由所述低通滤波器产生的输出电压被提供给差分放大器(U7a)的正极端子，用于通过与差分放大器(U7a)的负极端子处的电阻器(R106)的电压相比较来感测流过所述线性调节器的电流。所述差分放大器(U7a)的输出用于驱动开关MOSFET(Q101)以提供精确的电流沉。
精确的电流分流器(shunt)监控器(U101)被用于测量经由电流感测电阻器(R107和R108)而流过所述发光装置(125)的电流。在这个实施方式中，两个感测电阻器用于使得能够在两个电阻上分享作为功率消耗的高输出驱动电流。所述电流分流器监控器(U101)的输出被提供给微处理器(87)以用于包括在控制算法中。所述开关调节器使用开关MOSFET(Q102)、电感器(L101)和回扫(flyback)二极管(D101)部件构成。为了使输出驱动级鲁棒且能够在共阳极和通道绑定模式下操作，所述电流分流器监控器(U101)被设置在所述开关MOSFET(Q102)的高侧。在本发明的这个实施方式中，短路保护由反馈给所述微处理器(87)的电阻器(R111)提供，当在输出上检测到短路时，所述微处理器(87)将关闭所述开关MOSFET(Q102)。为了测量连接到所述输出端子(VLED和OUTPUT_1)的发光装置(125)的电压，与晶体管(Q103)和电阻器(R114、R112和R113)一起使用射极跟随器装置，以便在输出(MONITOR_1)上向微处理器(87)提供电压。
图14示出了用于DALI白光应用的非线性/对数的和线性发光装置亮度/电流/功率曲线。在本发明的其它实施方式中，所述混合功率控制系统能够产生任何线性或非线性调光曲线或上述两者的组合。
尽管在这里讨论了关于固态照明装置(例如LED 和 OLED)的本发明的优选实施方式，但应该理解本发明可以应用于其它依赖功率调节来操作和调光的照明技术中。
本公开明示或者暗示地延伸至这里公开的任何新的特征或特征的组合，以及延伸至对其的任何概括。

Claims (20)

1.一种用于向照明系统提供动态功率控制的混合功率控制系统，该混合功率控制系统包括：
电源，该电源用于提供AC或DC电压范围中的任何一个；
发光装置；
一个或多个开关模式供电器，所述一个或多个开关模式供电器包括一个或多个输出驱动级，所述一个或多个输出驱动级能够提供与标准或共阳极照明系统兼容的宽动态电流范围、通道绑定和保护电路，所述一个或多个输出驱动级包含组合的一个或多个线性调节器和一个或多个开关模式调节器，以动态地控制去往所述照明系统的电流、电压和功率；
微处理器或其它集成电路装置，用于接收和发送控制信息以调节去往所述发光装置的功率；
其中：
当输出电流在I0到I1之间时，在所述输出驱动级中仅使用线性调节器，并且当输出电流在I1到I2之间时，仅使用开关模式调节器；或者
当输出电流范围在I0到I1之间时，仅使用所述线性调节器，并且当输出电流范围在I1到I2之间时，同时使用所述线性调节器和所述开关模式调节器，
其中，I0<I1<I2。
2.根据权利要求1所述的混合功率控制系统，其中所述照明系统包含包括单个或多个发光封装的发光装置，所述发光封装包含能够发射包括白色在内的单色或发射多种颜色的一个或多个发光元件。
3.根据权利要求1所述的混合功率控制系统，其中所述线性调节器描述了以下拓扑中的一个或多个：
电压调节器，
电阻器电流源，
有源电流源，
JFET、PFET或NFET电流源，
晶体管电流源，
Widlar或Wilson电流源，
齐纳或串联调节器，
并且其中所述拓扑提供安全性、分量值和温度变化补偿方法，所述补偿方法包括以下特征中的一个或多个：电流限制、返送、热关机、安全区域保护、过流、短路或输出功率保护。
4.根据权利要求1所述的混合功率控制系统，其中所述开关模式供电器被隔离或者没有被隔离，并且描述了以下输入和输出波形拓扑中的一个或多个：
AC信号输入、DC信号输出，
DC信号输入、DC信号输出，
AC信号输入、AC信号输出，
DC信号输入、AC信号输出，
并且其中开关模式调节器拓扑能通过以下方法中的一个或多个来提供一个或多个DC输出电压或电流：
反激转换器，
扼流圈转换器，
半正激转换器，
正激转换器，
谐振正激转换器，
推挽式转换器，
半桥转换器，
全桥转换器，
谐振、零压切换转换器，
隔离式库克转换器。
5.根据权利要求4所述的混合功率控制系统，其中AC到DC拓扑能包括以下特征中的一个或多个：
输入和输出功率端子块，
过输入电压保护装置，
输入噪声滤波器装置，
整流器和电流限制器，
功率因数修正，
功率组，
输出电流限制器、功率限制器、电压调节器、热关机、短路保护，
输出噪声和纹波滤波器，
待机、低功率或关机装置。
6.根据权利要求4或5所述的混合功率控制系统，其中所述输入和输出波形拓扑提供安全性、分量值和温度变化补偿方法，所述补偿方法包括电流限制、返送、热关机、安全区域保护、过流、短路或输出功率保护。
7.根据权利要求4所述的混合功率控制系统，其中DC至DC拓扑能通过以下方法中的一个或多个，使用连续传导或不连续传导模式来提供一个或多个DC输出电压或电流：
降压，
升压，
降压-升压，
Split-pi，
库克，
SEPIC，
Zeta，
电荷泵。
8.根据权利要求4所述的混合功率控制系统，其中DC至DC拓扑包括：
与发光装置串联连接的电感器；
与所述电感器和所述发光装置串联连接的开关；
响应于期望的发光装置电压或电流而直接或间接生成控制信号以调制所述开关的开/关的控制电路；
回扫二极管，其与所述发光装置和电感器并联耦接以通过所述发光装置释放所述电感器的能量，
并且其中所述控制电路还包括：
用于生成开关控制信号的集成电路、微处理器；
用于测量流过所述发光装置的电流的装置；
用于测量所述发光装置两端存在的电压的装置；
用于接收包括光亮度、光颜色、发光装置温度的发光装置特性的装置；
用于接收传感器信息的装置，所述传感器信息表示接近所述发光装置的环境的特征，包括温度、环境光亮度、环境光颜色、占有信息；
用于在控制网络、传感器网络或者用户接口之间收发信息的装置。
9.根据权利要求1所述的混合功率控制系统，其中
所述一个或多个开关模式供电器包括包含在使用的非活动期间的低功耗下的功率待机特征和用于测量输入功率消耗的装置的至少一个AC至DC开关模式供电器；
所述一个或多个输出驱动级包含与一个DC至DC开关模式调节器相组合的一个线性电流调节器；
所述混合功率控制系统还包括：
用于测量所述一个或多个输出驱动级的输出功率消耗的装置；
用于向所述微处理器或其它集成电路装置提供来自或去往传感器网络、数据控制网络或用户接口的内部和外部控制命令的装置；
用于在一个或多个输出驱动级之间分配功率的装置，
并且其中所述输出驱动级具有软启动特征，该软启动特征在低发光装置电流下利用线性调节器以保护避免与开关模式调节器相关的大启动电流的影响。
10.根据权利要求1所述的混合功率控制系统，其中所述混合功率控制系统能够动态配置所述一个或多个开关模式调节器的占空比和基础切换频率，
并且其中所述混合功率控制系统能够动态地配置所述一个或多个开关模式调节器的开关频率，以根据负载或发光装置的期望输出特性来提供单个基础频率或连续变化的基础开关频率，
并且其中所述混合功率控制系统能够动态地同步所述一个或多个开关模式调节器的开关频率。
11.根据权利要求1所述的混合功率控制系统，其中所述混合功率控制系统能够向所述发光装置提供针对量化时间间隔的线性或非线性的电流或功率曲线。
12.根据权利要求1所述的混合功率控制系统，其中所述混合功率控制系统还包括：用于检测流过所述发光装置的峰值或平均电流以调节去往所述发光装置的电流或功率的装置。
13.根据权利要求1所述的混合功率控制系统，其中所述混合功率控制系统还包括：用于在一个或多个发光装置的输出通道之间提供共阳极和通道绑定能力的装置，由此电流检测方法在包含到开关模式调节器拓扑中的P型或N型开关装置上浮动。
14.根据权利要求1所述的混合功率控制系统，其中所述动态功率控制是通过测量AC/DC切换级的输出和一个或多个DC/DC发光装置级的输入之间的接口处消耗的功率或者通过测量一个或多个输出驱动级的输出处消耗的功率来实现的。
15.根据权利要求1所述的混合功率控制系统，其中所述照明系统的光输出特性能由以下中的一个或多个来控制：
所述照明系统的亮度；
所述照明系统的功率谱密度；
所述照明系统的相关色温；
所述照明系统的显色指数；
所述照明系统的光束角。
16.根据权利要求1所述的混合功率控制系统，其中所述输出驱动级能够以受控的方式向一个或多个发光装置传输低至1微安量级的电流。
17.根据权利要求1所述的混合功率控制系统，其中所述输出驱动级能够在具有由所述微处理器或其它集成电路装置从28至232位选择的最大范围限制的宽动态电流范围内操作。
18.根据权利要求1所述的混合功率控制系统，其中所述输出驱动级能使用单独或组合的脉冲、非脉冲或模拟电流分布向一个或多个发光装置传输功率，其中流过所述发光装置的电流分布是直流、交流、脉宽调制、脉幅调制、脉冲频率调制、脉冲密度调制、德耳塔西格玛调制、随机信号密度调制SSDM、或振幅调制。
19.根据权利要求1所述的混合功率控制系统，该混合功率控制系统还包括：被布置用于对所述照明系统的颜色、亮度、频率、CCT、CRI和功率谱密度进行精确控制的闭环反馈系统；和/或在宽频率范围内具有固定开关频率或具有连续可变开关频率的开关模式调节器。
20.根据权利要求1所述的混合功率控制系统，其中反馈装置被布置用于通过传感器网络进行测量，所述传感器网络能够测量所述发光装置的温度、电流、电压、功率、亮度和颜色。
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