CN102754527A - 用于对多个led单元供应能量的设备 - Google Patents

Abstract

描述了一种用于对多个LED单元（3）供应能量的设备（1），该设备具有共同的发出经调节的输出电压的DC/DC转换器（4），多个分别具有降压转换器（5）和与该降压转换器相连接的LED单元（3）的支路（6）连接在所述DC/DC转换器上，并且该设备具有用于调节或调整要输送给LED单元（3）的支路电流（I₃）的装置（8）；为了简化所述设备，用于调节或调整支路电流的装置通过共同的中央计算单元（10）构成，所述共同的中央计算单元收到相应于各个支路电流（I₃）所输送的实际值（7A）并且与相应的降压转换器（5）的相应的调整输入端连接以用于施加基于实际值所计算的调整值（8A）。

Description

用于对多个LED单元供应能量的设备

技术领域

本发明涉及一种用于对多个LED单元供应能量的设备，该设备具有共同的发出经调节的输出电压的DC/DC转换器，多个分别具有降压转换器和与所述降压转换器相连接的LED单元的支路连接在所述DC/DC转换器上，并且该设备具有用于调节或调整要输送给LED单元的支路电流。

背景技术

在较新的照明装置中、尤其是也在机动车的光设备中，越来越多地使用发光二极管（LED）。这种LED照明装置具有许多优点，诸如小的尺寸、小的功率需求等，但是与传统的发光装置不同，这种LED照明装置需要确定的电流，以便一方面达到一定的亮度并且另一方面辐射确定的颜色。因此在LED照明设备中常见的是，经由电流来调整光颜色并且经由脉宽调制（PWM）能量供应来调整希望的亮度。为此实际上已知尤其是具有直流变换器（DC/DC转换器）的控制设备，其中也可以由该DC/DC转换器发出经调节的输出电压。

但是经常也希望例如以单个地或者成组地联接的方式对大量LED供应能量和操控，其中LED也可以是不同的类型。这种单个LED或以组的方式联接的LED这里一般地被称为LED单元。

在多个LED单元的情况下值得期望的是高效的和成本低的操控，其中于是要克服的问题是：如此调节具有叠加的干扰的不同电压值，使得LED不产生闪烁的光，其中所述干扰例如可能出现在机动车的车载电网中。

实际上目前在每个LED或每组LED、也即每个LED单元之前连接自己的调节器，以便针对相应的LED单元调节各个支路电流。如果现在例如设置五个支路或五个LED单元，这在机动车用的照明设备的情形下是常用的值，则有必要也为单个的五个支路或LED单元设置五个调节器。另一方面，通常经由DC/DC转换器调节供应电压（车载电网）中的波动和干扰，所述DC/DC转换器的输出电压处于其最大输出电压之上。具有提高的输出电压的这种转换器通常被称为“升压（Boost）”转换器，而用“降压（Buck）”转换器通常表示向下DC/DC转换器。

为此实际上使用的升压转换器在适当地确定尺寸的情况下达到良好的效率。然而问题在于，在流经多个LED的给定电流的情况下由于LED的不同而可能在LED处存在不同的电压降。如所提及的，通过LED的电流另一方面对于要发出的光颜色是重要的。例如当大小相同的电流流经两个串联的LED时，在这两个LED的每一个处可能有不同的电压下降。因此需要的是，至少对于每个支路、对于每个LED单元设置分开的电流。

发明内容

现在本发明基于以下考虑：

1. 基于特征数据，存在关于LED的大概参数，至少可以在计算上确定这些参数。

2. 对于每个LED单元的要调整的电流（支路电流）是已知的。

3. LED可以成组地或单个地如常见的那样通过脉宽调制（PWM）来接通和关断（调光（dimmen））。

4. 最后，（这是特别重要的）LED处的电压降仅由于热影响而可改变。

因此得出，至少大约的参数值可以存在或者可以被计算出，并且供应电压通过前置的转换器是固定的；调节中的变化此外仅在热上受影响，其中得出相对大的时间常数（在热上受影响的变化是缓慢的过程）。因此可以省出每支路或LED单元利用快速调节器所造成的耗费的调节措施。

因此本发明的任务是建议一种如在开头说明的设备，所述设备能够减小电路耗费并且带来明显的成本节省。

为了解决该任务，开头所提及的类型的设备根据本发明的特征在于，用于调节或调整支路电流的装置通过共同的中央计算单元构成，所述共同的中央计算单元收到相应于各个支路电流所输送的实际值并且与相应的降压转换器的相应的调整输入端连接以用于施加基于实际值所计算的调整值。

在本发明中，因此由计算单元而不是由分开的调节器或调节IC（如这迄今被看作是需要的那样）来执行对降压转换器的操控。也即因为仅须调节热过程，所以例如从大约10ms至100ms的调节时间常数就足够了。因此随后可以对于分别具有降压转换器和本来的LED支路（LED单元）的许多通道或支路、例如也对于16个支路或LED单元使用例如通过单个的微控制器控制的计算单元。因此得出，在本设备中降压转换器连接在用于每个支路的DC/DC转换器的经调节的输出电压上，所述降压转换器的调整输入端连接在共同的中央计算单元上而不是连接在自己的分开的调节器上。在此，计算单元可以通过在相应的控制设备中已经存在的微控制器或微计算机实现，也即通过在控制设备的该微控制器中的流程来给出。与具有例如五个LED单元或支路的传统设备相比，因此节省四个调节器电路或调节IC，并且此外与唯一的剩余的调节器相比，共同的计算单元的实现也更加成本低廉或更有利。

为了带来相应的实际参量，可以使用如本身已知的适当的测量电路，例如测量电阻、电流电压变换器等。计算单元于是基于该支路电流实际值以及基于例如在表格中存储的参数数据来为相应的降压转换器计算相应的调整值。

此外利用根据本发明所设置的计算单元有利地得出，该计算单元可以借助于PWM执行前述的调节功能或实际上更准确地为调整功能以及LED的调光，其中对于计算单元来说也可能的是，准确地确定相应的降压转换器是否需实际上在给定的时刻工作。本发明设备的相应的有利实施形式因此具有以下特征：计算单元在输出侧还与LED的PWM开关装置连接。

此外这里还有利的是，计算单元被设立用于基于PWM占空比确定调整值。如果支路的各个LED被调光，例如通过并联的晶体管或在LED关断、也即短路时应该接管电流的其他开关装置，则可以以这种方式简单地计算“调节回路”的调整参量，其中新的工作点也立即几乎正确地可供使用；因此在本设备情况下不必远程地开动调节器。通过这种方式也防止，在LED支路中出现可能损伤LED的过电流。

计算单元也可以在时间上如此分配不同LED支路的降压转换器的接通时刻，使得获得经调节的转换器输出电压的尽可能均匀的负荷。据此本发明设备的有利实施形式的特征在于，计算单元被设立用于以时分复用方法来操控各个降压转换器。

此外表明为有益的是，降压转换器与供应有关地被实施，其中每个降压转换器的由计算单元操控的开关与二极管在截止方向上串联地位于能量供应线路和地之间。不同于具有供应侧开关（例如开关晶体管）的参照地的降压转换器，在与供应有关地实施的降压转换器情况下开关不接供应装置，而是接地，这带来技术上的优点。

在此情况下得出另一优点，即为了检测相应的电流实际值不需要自己的接地电路，而是通过在转换器中所设置的开关的电流本身可以被测量，因为当降压转换器通过计算单元被操控时，通过开关的电流等于通过LED支路的电流。因此该电流在开关接通时代表调节参量。因此不仅节省部件，而且也提高降压转换器的效率。据此，本发明设备的有利的实施形式的特征在于，为了实际值检测使用通过开关的电流，其中优选测量由该电流在与开关串联地布置的电阻处引起的电压降。

在此情况下根据本发明还有利的是，与开关的相应的切断同步地来确定电流实际值。也即如果与切断时刻同步地测量电流值，则可以进一步减少部件耗费并且除了较小的成本和较小的空间需求之外尤其是也减小容差链，由此也提高测量的精度。在此特别有利地表明，在与供应有关的降压转换器情况下在地侧存在测量电阻（分流器），因此该测量电阻的电压降可以直接被施加在计算单元的A/D输入端处。

还已经表明有益的是，DC/DC转换器转移到与具有LED单元的降压转换器分开的、远离的设备中。在这种实施情况下可以由以下装置实现经调节的电压或电流调节，所述装置分开地被布置，使得在所述装置中出现的损耗功率不在进行对LED照明的操控本身的位置处发生。也即尤其是在机动车中，在那里存在不适宜的环境条件，例如由于电机引起的大的热量。于是正好有利的是，直接分配给LED照明的控制设备本身仅仅仍产生少量的热量，因为例如转换器（升压转换器）被转移到远离的设备中。

最后，有利的实施形式的特征还在于，至少一个LED单元在运行电流情况下具有支路电压，所述支路电压处于DC/DC转换器的最小输入电压的范围中或位于其之下，由此在DC/DC转换器故障时实现紧急照明。因此如果至少一个LED支路在所需要的电流时具有支路电压，所述支路电压处于电压变换器的最小输入电压的范围中或处于其之下，则在该电压变换器故障时可实现紧急照明，因为由此在变换器、也即转换器的输出端处由于变换器拓扑而大约施加输入电压。

附图说明

现在下面根据在附图中所示的优选实施例来更进一步地阐述本发明，但是本发明不应该局限于所述实施例。在附图中详细地：

图1示意性地示出用于对LED进行能量供应的设备的基本结构，具有直流电压变换器（升压转换器）和示例性地降压转换器；

图2示出降压转换器和连接在其上的示例性地在这里具有两个串联的LED的LED单元的略微更详细的电路图，其中为了借助于PWM进行调光的目的将场效应晶体管形式的并联开关分别分配给所述LED；

图3示意性地示出如在图1的原理中所示的用于LED能量供应的设备的一部分，但是现在具有多个支路或LED单元和共同的计算单元，但是不具有输入侧的DC/DC转换器；

图4示出参照地实施的降压转换器的细节电路图，该降压转换器具有连接的自己的接地电路以及LED单元；

图5作为对图4的替代方案示出具有与供应有关地实施的降压转换器连同所连接的LED单元的实施形式；和

图6示出所属的电流或电压图，其中用虚线表示另一支路的时间偏移的接通/关断。

具体实施方式

在图1中完全示意性地示出用于对LED进行能量供应的设备1的基本结构，其中在图1中仅示例性地和示意性地示出了单个LED单元3中的LED 2。设备1包含下面也称为直流电压变换器的DC/DC转换器4，其中该DC/DC转换器4被实施为所谓的升压转换器，也即其输出电压U_out高于其输入电压U_in。在用于机动车的LED光设备的情况下，输入电压U_in是车载电网电压，其例如可以在9V和16V之间。

升压转换器4的输出电压U_out被输送给另一转换器、即所谓的降压转换器5，所述降压转换器在其侧操控LED单元3。在此，给LED单元3输送经调节的电流I₃。该电流调节因此是重要的，因为经由电流来调整相应的LED 2的光颜色。据此，在多个LED单元3（参见图3）的情况下对于每个LED单元3设置自己的电流调节并且从而设置自己的降压转换器5。在图1中为了简单起见如所提及的那样仅仅示出具有所属的降压转换器5的唯一的LED单元3。

从图2更多地在细节上在形成支路或通道6（对此也参见图3中的表示，其中示出了分别具有降压转换器5和LED单元3以及此外测量电路7的多个这种支路或通道6）的情况下得出降压转换器5连同LED单元3的示例性电路。

这种测量电路7也在图2中示出，并且该测量电路7用于检测电流实际值I₃，其中相应的实际值参量以传统方式利用适当的A/D输入端7’被施加在下面简称为调节单元8的用于调节或调整支路电流I₃的装置8处，如在图2中在7A处所示。相应的调整值8A于是被输送给降压转换器5用于电流调节。

该降压转换器5另一方面收到在图2中没有更详细示出的升压转换器4（参见图1）输送的经调节的输出电压U_out。

在图2中，降压转换器5、测量电路7和调节单元8在转换器电路5’中组合在一个块中，并且示意性地在5’.i处同样如在3.1处那样表明了，多个这样的电路5’或LED单元3、因此多个通道或支路6彼此并联。

在图2中在LED单元3的区域中也示出，在例如两个LED 2处实现电压降U₂或U₂’。这两个电压降U₂、U₂’（和必要时在LED单元3中有多个LED 2的情况下其他电压降）的总和得出LED单元3处的总电压U₃。即使在同一电流I₃流经LED 2时，各个电压降U₂、U₂’现在也可以与各个LED 2有关地是不同的。LED通常由LED制造商如此分类，使得在给定电流I₃的情况下发射希望的光颜色。但是大多数情况下不被分类的是，在此在LED 2处出现的电压降U₂、U₂’。由此每个LED单元3以及从而每个支路或通道6在相同电流I₃的情况下具有不同的电压降U₃。到LED 2的“较小的”组的划分一般具有功能背景或者有以下原因：支路电压不超过在工业标准下不同地被规定的“接触电压极限”。

对于每个LED单元3，从而对于每个支路或通道6，现在设置经额外调节的电流I₃。通过这种方式可以实现，各个LED 2辐射希望的光颜色（对于所述希望的光颜色如所提及的那样电流给出偏差）。

在图2中然后还在LED单元3的区域中用开关9表明，相应的LED 2（其中开关9与所述相应的LED 2并联）可以单独地（必要时也以组的方式）通过脉宽调制（PWM）被调光。通过该PWM，亮度通过在接通和关断LED 2时的占空比被调整，这本身是已知的。为了该PWM操控，尤其是设置PWM单元9’，如例如在图3中在计算单元10内所示出的那样。

LED 2的大概参数是已知的或者可以毫无问题地被计算出；供应电压、也即DC/DC转换器4的输出电压U_out此外是固定的；在支路6的各个调节中的变化随后仅在热上受影响，其中这些变化是缓慢的过程，也即具有大的时间常数。这导致，支路6的各个降压转换器5的调节或调整不是分别通过自己的调节单元8而是可以通过共同的中央计算单元10被调整或操控，如从图3可以看出的那样。对于调节这种缓慢的热过程，例如大约10ms至100ms的调节时间常数就足够了。这意味着，对于较大数量的分别具有降压转换器5和LED单元3的通道或支路6（例如对于16个支路6），例如具有微控制器的电子计算单元也是足够的。据此，对于每个支路6，单个降压转换器5连接到DC/DC升压转换器4的经调节的输出电压U_out上，并且计算单元10用于调节或调整多个降压转换器5。该计算单元10例如可以通过在控制设备11的微控制器中的流程实现，其中该控制设备11例如也可以包含升压转换器4，如在图1中示意性示出的那样，并且其中该控制设备11是与相应的支路6远离的、安装在适当的位置（例如在机动车中）的设备。设备11与各个支路6在空间上的该分离带来以下优点：不利的环境条件（例如在具有大的升温的电机附近）对于LED 2的操控整体上不产生影响或较少地产生不利影响。

通过为具有LED单元3的所有支路6设置共同的中央计算单元10，例如可以在具有16个通道或支路6的设备1的情况下与在图2中的单元8可比地节省15个分开的调节单元或调节IC。

此外通过适当的测量电路（例如在图2中的测量电路7）来进行每支路6的实际参量、也即电流I₃的检测。

如所提及的，在图3中以分配给多个虚线示出的支路或通道6的方式示出共同的计算单元10，其中所述支路或通道6分别具有降压转换器5、测量电路7和例如带有PWM开关9（其分别仅完全示意性地作为开关示出）的LED单元3。多个LED单元3可以组合成照明单元12，该照明单元作为具有点划线的块示出。

具体地，在图3中示出两个支路6，但是其中表明，存在多个这种支路、例如16个支路。在每个支路中，实际值引线7A从相应的测量电路7通向计算单元10，以便在那里输送各个支路电流I₃的实际值。另一方面，在中央计算单元10和支路6的各个降压转换器5之间示出调整连接8A。附加地，如所提及的，在图3中示出，在计算单元10中也实现PWM单元9’，其中示出用于开关9（其例如如从图2可以看出的那样可以通过场效应晶体管实现）的相应操控9A。通过在计算单元10中同时实现PWM操控，计算单元10总是知道对于相应的支路6而言，降压转换器5是否需正在工作，也即需处于运行中，因为所述LED单元3的开关9是闭合的；由此可以在计算单元10中节省附加的计算能力。

当例如通过并联的晶体管（如从图2可以看出）、必要时也通过当相应的LED 2应该被“关闭”时接管电流的其他开关元件对支路6或单元3的各个LED 2调光时，计算单元10也可以快速计算相应的调整参量8A，其中新的工作点立即几乎正确地可用。与此相应地，在各个调节单元中新的工作点必须相对远程地被“开动”。通过这种方式也可以利用共同的计算单元10来防止，在相应的支路6中出现可能损坏LED 2的过电流、也即过高的电流I₃。

在图4中示出具有这里参照地所实施的降压转换器5、具有测量电路7和具有LED单元3的单个支路6。在参照地的实施中的降压转换器5具有供应侧的开关晶体管或者一般地开关13，其由在图4中未示出的计算单元10（但是参见图3）通过调整或开关输入端8A来操控。存储电感14与开关13串联，并且二极管15防止存储电感14在错误方向上放电。该二极管15以阴极接地，同样如LED单元3在背离存储电感14或测量电路7的端部处接地那样。降压转换器5的这种电路本身是已知的，并且这里不需要进一步阐述。通过开关13，通过接通和关断比例、也即占空比来调整线圈电流以及从而支路电流I₃的大小。该电流I₃利用测量电路7检测，并且实际值在7A处被输送给计算单元10（参见图3）。

测量电路7本身可以以任意已知的方式实施，例如利用在分流器处测量电压降，利用电流电压变换器和类似装置。

在图5中示出具有测量电阻16的这种测量电路7的示例。

具体地在图5中以可比的方式示意性地示出具有降压转换器5和LED单元3的支路6。但是这里降压转换器5以与供应有关的方式被实施，其中由升压转换器4（参见图1）提供的供应电压U_out直接被施加到LED单元3上。而降压转换器5中的电流调节通过横向分支进行，其中在该横向分支中布置开关13（例如又是晶体管，尤其是FET），其中二极管15与所述开关13串联。存储电感14连接在开关13和二极管15之间的连接点上，所述存储电感14布置在LED单元3的回线中。

开关13通过测量电阻（分流器）16接地，使得流经开关13的电流作为电流I₁₆流经测量电路7的电阻16并且因此在该电阻16中引起电压降U₁₆，该电压降U₁₆作为测量参量（实际值参量）在7A处被输送给在图5中同样未更详细画入的计算单元10。计算单元10另一方面又在8A处提供调整参量，也即用于接通和关断开关13的开关信号，以便因此实现希望的电流调节。

在图6中示出图表，该图表示出通过测量电阻16的电流I₁₆和在电阻16处的电压降U₁₆的变化曲线，其中用时刻t_OFF示出开关13的通过开关信号8A所促使的关断时刻。示出了，在接通t_ON之后通过电阻16的电流I₁₆（参见在图6中的点划线）以及从而电阻16处的电压U₁₆几乎线性地升高直至切断时刻t_OFF。此后，如在图6中用虚线所示，线圈电流I₁₄下降，直至开关13下一次被接通。

与此时间移位地现在可以在另一支路6中由计算单元10促使接通和关断所属降压转换器5中的开关13，如在图6中示意性地用点线示出的那样。通过这种方式可以以时分复用方法的方式通过分配不同支路6的降压转换器5的接通和关断时刻来实现经调节的供应电压U_out的均匀负荷。

根据图5的具有与供应有关地实施的降压转换器5的实施形式（其中开关13不再接供应电压，而是接地）如前述那样提供了直接的测量电路7的大的优点，即避免如在图中所示的自己的测量电路7，因为可以简单地测量通过开关13的电流I₁₆。通过开关13的该电流也即等于电流I₁₆，并且如果降压转换器5通过计算单元10触发（开关信号8A）则尤其是等于通过支路6的电流I₃；通过开关13以及从而通过测量电阻16的该电流因此在开关13被接通的情况下是调节参量（也即支路电流I₃）。利用这种实施形式不仅节省自己的部件，而且也提高降压转换器5的效率。

还有利的是，与相应的切断时刻t_OFF（参见图6）同步地测量电流值I₁₆或者成比例地测量电压降U₁₆，这借助于的确通过调整信号8A确定切断时刻的计算单元10可以简单地实现。由此进一步减少在电流测量时的耗费，由于部件数量的减少而减小容差链，并且提高测量精度。因为在与供应有关的降压转换器5（如在图5中所示）的情况下，分流器、也即测量电阻16接地，所以也即可以将在该测量电阻16处下降的电压U₁₆直接施加在计算单元10的合适的A/D变换器输入端处（参见图3中的实际值引线7A）。

最后，有利的实施可能性还在于，至少一个具有LED单元3的支路6在所需要的电流I₃的情况下具有支路电压，所述支路电压处于输入侧的共同的升压转换器4的最小输入电压U_in之下或者处于输入侧的共同的升压转换器4的最小输入电压U_in附近。由此在该升压转换器4故障时可以实现至少一个紧急照明，其中于是在该升压转换器4的输出端作为输出电压U_out基于常见的升压转换器拓扑大约施加输入电压U_in。

Claims (10)

1.用于对多个LED单元（3）供应能量的设备（1），该设备（1）具有共同的发出经调节的输出电压的DC/DC转换器（4），多个分别具有降压转换器（5）和与所述降压转换器相连接的LED单元（3）的支路（6）连接在所述DC/DC转换器上，并且该设备（1）具有用于调节或调整要输送给LED单元（3）的支路电流（I₃）的装置（8），其特征在于，用于调节或调整支路电流的装置通过共同的中央计算单元（10）构成，所述计算单元（10）收到相应于各个支路电流（I₃）所输送的实际值（7A）并且与相应的降压转换器（5）的相应的调整输入端连接以用于施加基于实际值所计算的调整值（8A）。

2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，计算单元（10）在输出侧还与LED（2）的PWM开关装置（9）连接。

3.根据权利要求2所述的设备，其特征在于，计算单元（10）被设立用于基于PWM占空比来确定调整值（8A）。

4.根据权利要求1至3之一所述的设备，其特征在于，计算单元（10）被设立用于以时分复用方法操控各个降压转换器（5）。

5.根据权利要求1至4之一所述的设备，其特征在于，降压转换器（5）与供应有关地被实施，其中每个降压转换器（5）的由计算单元（10）操控的开关（13）与二极管（15）在截止方向上串联地位于能量供应线路和地之间。

6.根据权利要求5所述的设备，其特征在于，为了实际值检测使用通过开关（13）的电流（I₁₆）。

7.根据权利要求6所述的设备，其特征在于，为了实际值检测，测量由流经开关（13）的电流（I₁₆）在与开关串联地布置的电阻（16）处引起的电压降（U₁₆）。

8.根据权利要求6或7所述的设备，其特征在于，与开关（13）的相应的切断同步地确定实际值。

9.根据权利要求1至8之一所述的设备，其特征在于，DC/DC转换器（4）被转移到与具有LED单元（3）的降压转换器（5）分开的设备（11）中。

10.根据权利要求1至9之一所述的设备，其特征在于，至少一个LED单元（3）在运行电流情况下具有支路电压，所述支路电压处于DC/DC转换器（4）的最小输入电压（U_in）的范围中或者处于DC/DC转换器（4）的最小输入电压（U_in）之下，由此在DC/DC转换器（4）故障时实现紧急照明。

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