CN102843821B

CN102843821B - 用于led的驱动器设备以及用于向led提供电力的方法

Info

Publication number: CN102843821B
Application number: CN201210211349.0A
Authority: CN
Inventors: 哈里·纳卡; 汉努·维希宁
Original assignee: Helvar Oy AB
Current assignee: Helvar Oy AB
Priority date: 2011-06-21
Filing date: 2012-06-21
Publication date: 2017-03-29
Anticipated expiration: 2032-06-21
Also published as: EP2538753A1; CN102843821A

Abstract

本发明提供了用于LED的驱动器设备以及用于向LED提供电力的方法。用于发光二极管的驱动器设备包括在其输出端产生第一电压的可控第一电源。所述第一电压的幅度取决于控制信号。降压转换器具有被耦合至所述第一电源的输出端的输入端以及用于将发光二极管与之耦合的输出端。负载电压指示器被配置成根据由耦合至所述降压转换器输出端的负载所要求的负载电压，产生指示信号。反馈耦合将指示信号作为控制信号耦合至所述可控第一电源。

Description

用于LED的驱动器设备以及用于向LED提供电力的方法

技术领域

本发明一般地涉及向用于照明用途的多个LED（发光二极管）可控地馈送电流的领域。具体地本发明涉及确保高效率能够被维护以及能够避免对于大型和昂贵的电感组件的需要的方法，即使驱动器设备给予其用户关于驱动器设备将馈送电流的LED的数目和相互连接的相当大的自由度。

背景技术

LED和LED链必须被馈送控制幅度的电流，以便使发射强度和颜色维持在期望值。装配有所谓的驱动器设备的LED发光布置已经变得常见，其任务是确保跨负载的电压保持在适当的值，所述负载包括多个LED。降压转换器是作为驱动器设备的基本构建框的普遍选择，因为其将相对简单的配置与较好的效率和众所熟知的操作原理结合起来。

图1图示了已知驱动器设备101，其中，降压转换器被配置成向LED链102馈送电流。DC电压V_in显现在降压转换器的输入端子处。从第一输入端子103至第二输入端子104存在电流路径，沿着该电流路径是可控开关105、电感器106、LED链102以及电流感测电阻器107。在开关105和电感器106之间的点被耦合至二极管108的阴极，二极管108的阳极被耦合在电流感测电阻器107和第二输入端子104之间。电容器109与负载并行耦合，即与LED链102并行耦合。控制电路110被配置成基于电流测量来控制开关105，为了实施这一点，控制电路110被示出为与电流感测电阻器107两端具有耦合。电流感测电阻也可以是沿着承载负载电流或与之直接成比例的电流的电流路径的其他某处。

当开关105闭合时，增加的电流留到电感器106，并且在其磁场中存储能量。二极管108是反相偏置的。当开关105打开时，从电感器106的磁场的能量释放造成电流在包括电感器106、LED链102、电路感测电阻器107和二极管108的回路中流动，最近提及的二极管108现在是前向偏置的。通过电容器109的作用，使跨该负载的电压V_out平滑。

我们可以假定，在图1的示例中，控制电路110应用所谓的电流滞环控制。这意味着，在开关105的导电期间，当通过负载的电流（其被感测为跨电流感测电阻器107的电压）达到预定最大值时，控制电路110打开开关105。通过负载的电流开始降低，并且如果允许释放存储在电感器106和电容器109中的全部能量，则最终会降低到零。当电流已经达到预定最小值时，控制电路110再次将开关闭合，并且循环重新开始。预定电流最大值和最小值之间的差被称为电流滞环或纹波。

对于在LED链102中的恒定数目的LED，优化如图1中的连接设备中的组件值是相对直接的。然而，如果驱动器设备应当具有更一般的适用性，例如，使得其应当与在LED链102中的介于9和27之间的任何数目的LED配合良好，则该问题变得更加复杂。在LED链中的每个LED具有电压降，其可以例如是3.3伏特。9个这种LED的LED链因而要求输出电压V_out=29.7伏特，而27个这种LED的LED链要求输出电压V_out=89.1伏特。在降压转换器的输入电压和输出电压之间的巨大差异使得通过开关105的导电间隔变短，因此，大多数时间，电流流过二极管108，造成相对高的导电损耗。巨大的输入/输出电压差也增加了降压转换器的切换频率，这导致在开关105（其通常是场效应的晶体管）中的切换损耗增加。

发明内容

根据本发明的一方面，提供用于发光二极管的驱动器设备，该驱动器设备接受广泛范围的LED布置作为负载，并且仍然能够有效率地操作并降低损耗。根据本发明的另一方面，提供一种驱动器，其可以从负担得起的组件来构建，并且仍然符合广泛范围的输出规格。根据本发明的又一方面，提供一种通用方法，用于以高效率和广泛的适用性，向发光二极管提供电力。

为了实现这些和进一步目标，有利的是，控制充当对降压转换器的输入电压的电压生成。尤其是，有利的是，将降压转换器的输入端和降压转换器的输出端之间的电压差与目标值进行比较，并且将比较结果的指示用作对于降压转换器的输入电压的生成中的控制信号。通过将降压转换器的输入电压和输出电压之间的差保持在预定范围内，或甚至恒定，在很大程度上防止或至少降低占空比以及否则会发生的切换效率的变化是可能的。因此，降压转换器的组件值对于能够与之耦合作为负载的广泛的LED布置是最优或接近最优的。

根据本发明实施例的控制原理能够容易地与减光布置相结合，利用减光布置，可以改变LED的期望光照强度。利用优选地高于100Hz但显著低于降压转换器的切换频率的脉冲频率，控制单元能够向降压转换器反复发出接通和断开命令。在接通时段期间，降压转换器可以应用电流滞环控制或某种其他控制原理来向LED提供电力。接通和断开时段的相对长度确定了人类观测者将感受到的照明强度。

本专利申请中提出的本发明的示例性实施例不应被解释为对随附的权利要求的适用性进行限定。在本专利申请中，将动词“包括”用作不排除存在也未叙述的特征的开放式限定。除非另有明确说明，在从属权利要求中叙述的特征是可相互自由组合的。

被视为本发明特征的这些创新特征在随附的权利要求中得到具体阐明。然而，就本发明的架构和其操作方法而言，当结合附图阅读时，从下文对特定实施例的描述，将最好地理解本发明本身以及其另外的目标和优点。

附图说明

图1图示了用于LED的已知驱动器设备；

图2示意性地图示了根据本发明的实施例的用于LED的驱动器设备；

图3图示了根据本发明实施例的在驱动器设备中能够使用的降压转换器；

图4图示了电流滞环控制；

图5图示了如果该发明被应用或未被应用的在示例性情形下的切换频率；

图6示意性地图示了根据本发明实施例的用于LED的驱动器设备；

图7图示了将降压转换器的输入/输出电压差作为输出电压的函数而变化；

图8图示了根据本发明实施例的驱动器设备；

图9图示了根据本发明的另一实施例的驱动器设备；

图10图示了根据本发明的另一实施例的驱动器设备；

图11图示了根据本发明的另一实施例的驱动器设备；

图12图示了当输出电压改变时一些定时考虑；

图13图示了在PWM控制期间一些定时考虑；以及

图14图示了根据本发明实施例的方法。

具体实施方式

图2示意性地图示了用于发光二极管或LED的驱动器设备201。其包括可控制的第一电源202，第一电源202被配置成在其输出端产生第一电压。所述第一电压的幅度取决于在图2中从下到第一电源202的控制信号。驱动器设备201包括降压转换器203，降压转换器203具有耦合到第一电源202的输出端的输入端。降压转换器203具有用于将发光二极管耦合至其的输出端。LED被示意性地示出为图5中的框204。为了本描述的目的，假定框204包括例如N个基本相同尺寸的LED的LED链是足够的，使得以便LED发光，递送到框204的电压需要等于跨各LED的电压降的N倍。

驱动器设备201包括负载电压指示器205和反馈耦合206，负载电压指示器205被配置成，根据通过耦合到降压转换器203的输出端的负载所要求的负载电压来产生指示信号；反馈耦合206被配置成将所述指示信号作为控制信号耦合到可控制的第一电源202。

为了理解图2中的实体205和206的意义而提供一些背景，我们可以更加详细地考虑图示为降压转换器203的框的操作。图3是降压转换器被简化的一般表示，其已知部件携带作为图1的相对应部件的相同参考标号。图4示意性地图示了电流i馈送给LED链102。考虑开关105的导电时段，并且假定电流i本质上线性地变化，能够将等式写成将输入电压V_in和输出电压V_out、电流的变化Δi、电感器106的电感L、以及导电时段的持续时间t_on链接一起：

类似地，对于开关105的非导电时段，下列等式是正确的：

在此，V_D1是跨二极管108的电压降。从等式（1）和（2），针对降压转换器的输出电压V_out，可以推导出以下表达式，其示出了除恒定参数V_D1之外，输出电压V_out仅取决于输入电压V_in和开关105的导电和非导电时段的相对长度：

从等式（1）和等式（2）也可以推导出另一表达式，示出了关于电压差V_in-V_out降压转换器的切换频率f_sw的有趣相关性：

作为示例，我们可以考虑降压转换器、作为100V的输入电压V_in，并且假定其能够被耦合，以将电流馈送给LED链，LED链能够具有9和27之间的任何数目的LED，两端包括在内。因此，降压转换器所要求的输出电压在29.7伏特和89.1伏特之间。为了该示例的目的，我们进一步假定Δi=70mA、L=1mH、以及V_D1=0.7V。图5中的曲线501图示了降压转换器的切换频率怎么变化，在输出电压50V处具有大于350kHz的最大值并且当输出电压接近90V时降至150kHz之下。

根据本发明的一个方面，让我们假定降压转换器的输入电压V_in未保持恒定，但是在作为高于输出电压V_out的某一电压差V_ctrl|的值处：

V_in=V_out +V_ctrl (5)

在等式(1)中进行等式中(5）所表达的代换，得到

我们可以从其推导出用于导电时段的持续时间t_on的表达式：

能够从用于非导电时段的持续时间t_off的等式（2）推导出对应的表达式：

现在在等式（4）中使用等式（7）和（8）中所表达的代换，给出下列形式中的切换的切换频率f_sw：

绘制通过等式（10）给出的切换频率f_sw示出了其较之通过以上等式（4）所给出的，作为输出电压V_out的函数变化少得多。图5中曲线502示出了当电压差V_ctrl在10伏特处恒定时示例性降压转换器的切换频率。图3中图示为106的电感器的电感L现在为500μH，即，仅是用于计算曲线501的值的一半，否则计算参数相同。容易看出，在整个输出电压范围上的切换频率的变化现在仅是最大频率的大约15%，而在曲线501所示的情形中，其超过60%。

我们现在可以返回图2的示意性图示的驱动器设备201。负载电压指示器205的目的是根据框204所要求的负载电压来产生指示信号。如果该指示信号或其一些非模糊的派生用于控制可控制的第一电源202，则有可能与电压V_out中的变化同步地改变电压V_in，使得在它们之间总是存在预定的电压差。

本发明在负载电压指示器的实现中留下某些自由度。图6图示了一种有利方法。为了减少切换频率的变化，驱动器设备601包括比较器605，比较器605被配置成将降压转换器203的输入端和输出端之间的电压差和目标值做比较，并且产生指示信号，作为所述电压差与目标值相差多少的指示。另外，驱动器设备包括反馈耦合606，反馈耦合606被配置成将所述指示信号作为控制信号耦合至可控制第一电源202。

应当记住的是，可控第一电源202被配置成产生电压V_in，使得其幅度取决于控制信号，使用比较器205和反馈耦合206的效果在于使得降压转换器203的输入电压V_in在预定偏移处遵循（通过在框204中串联耦合的LED的数目基本上确定的）电压V_out。根据本发明的一个实施例，反馈耦合206的配置效果是控制可控制第一电源202的输出电压，使得降压转换器203的输入端和输出端之间的电压差保持在常数的预定限制，并且优选等于所述常数。由于我们已经参考等式（9）和图6中的曲线602示出了以上内容，所以其具有即使框204所要求电压V_out在相对较宽范围内变化时降压转换器203的切换频率也仅相对较小地改变的效果。

通过改变电压差V_ctrl，甚至可以在输出电压V_out的整个范围上保持切换频率f_sw恒定。用于V_ctrl|的解方程（9）给出

如果该等式的右侧的所有其他因数（包括切换频率f_sw）是常数，则其构成电压差V_ctrl的明确定义，作为输出电压V_out的函数。当值f_sw=250kHz、Δi＝70mA、L=0.5mH、以及V_D1=0.7V被使用时，图7中的曲线701图示了电压差V_ctrl，作为输出电压的V_out函数。

图8以更详细地方式图示了根据本发明实施例的用于LED的驱动器设备。在此，我们假定上述的第一电源，要产生用于降压转换器的输入电压的第一电源的任务是开关模式电源。其包括电感元件和主电流开关802，电感元件在此是变压器801的初级线圈；主电流开关802与所述电源元件串联耦合。根据占空比通过电感元件反复地接通和断开电流，使得能量反复地被存储到其磁场或从其磁场释放。在图8中示出的实施例中，释放能量通过变压器801的二次绕组发生，并且在二极管803和电容器804的帮助下，将所释放的能量转换成电压。开关模式电源的占空比用下文更为详细描述的方式被配置成与以下指示信号的值成比例，该指示信号指示随后的降压转换器的电压差和目标值相差多少。

降压转换器的输入电压跨电容器804呈现，其构成开关模式电源的输出。降压转换器包括具有导电状态和非导电状态的可控开关105，在导电状态中，其被配置成从开关模式电源的输出端（此处，从电容器804的正极）导电电流。降压转换器也包括LC电路，LC电路包括电感器106、电容器109、以及飞轮开关（此处：二极管）108。LC电路被配置成在可控开关的导电状态期间，通过可控开关将电流接收到电感器106中。LC电路也被配置成在可控开关105的非导电状态将电流从电感器106递送到回路中，所述回路包括电感器106、飞轮开关108、以及耦合到降压转换器的输出端的负载（此处：LED链102）。

降压转换器还包括控制电路805，控制电路805被配置成基于被测量的通过降压转换器的瞬时电流反复地改变可控开关105的状态。在电流感测电阻器107中，发生测量通过降压转换器的瞬时电流，电流感测电阻器107在此处被定位为使得在可控开关105的导电状态期间和非导电状态期间电流通过电流感测电阻器107。更准确地说，存在从第一电源的正输出节点至负输出节点的电流路径，沿着该电流路径是可控开关105、电感器106、LED链102和电流感测电阻器107。用作飞轮开关108的二极管具有耦合到第一电源的负输出节点的其阳极和在可控开关105和电感器106之间耦合的其阴极。电容器109与LED链102并行耦合。同样地，降压转换器的配置以及操作和与图1相关联的现有技术描述中的解释没有什么不同。不同的附图标记805被用于控制电路，以便强调其对所谓PWM命令做出响应的能力，将在下文对此进行更为详细地描述。

图8的下部分图示了比较器和反馈耦合。为了对降压转换器的输出端的电压采样，存在二极管806，二极管806的阳极被耦合到降压转换器输出端的正节点，即，电感器106和LED链102之间的点。二极管806的阴极被耦合到电容器807，二极管806的另一电极耦合到降压转换器的接地电势。存在通过分压器808，从二极管806和电容器807之间点到差分放大器809的非反相输入端的连接。对于差分放大器809的反相输入端，通过稳压二极管810和构成电阻器811和812的另一分压器，对在降压转换器的输入端的电压进行抽样。稳压二极管810的阴极可以耦合到开关模式电源的正输出节点，即，耦合到二极管803的阳极。差分放大器的输出端被配置成驱动光隔离器813的LED，其光电晶体管侧被耦合到开关模式电源的电压控制器814。电源控制器814负责形成切换脉冲并且将切换脉冲递送到开关模式电源的主电流开关802。

根据上述描述显而易见的是，在图8中充当可控制第一电源的开关模式电源包括变压器801，变压器801利用在主侧（图8中的左部分）和次侧（从变压器801的次级线圈直至电容器804）之间电隔离将开关模式电源分成主侧和次侧。为了维持电隔离也处于反馈连接中，图8的驱动器设备包括用于将指示信号传输到开关模式电源的主侧的电隔离信号发射器（光隔离器813）。在电力设备中，电隔离可以是有利的或甚至强制性的，这使得用户可以自由选择并连接负载，因为它提高了针对选择和连接负载中的意外和故意失败的安全性。

在操作期间，稳压二极管810设置降压转换器输入端和输出端之间的电压差，针对该电压差在更早方程式中已经使用符号V_ctr1。在差分放大器809的输入端的分压器被选择，使得只要降压转换器的输入端和输出端之间的电压差大于或等于V_ctr1，则差分放大器809的输出端保持负数或零。当从降压转换器的输出端的电压进行的抽样变得大于从输入端进行的抽样时，差分放大器809的输出端变为正，并且在光隔离器813中点亮二极管。因此有理由认为，差分放大器809充当比较器，该比较器将降压转换器的输入端和输出端之间的电压差和目标值相比较；此处目标值是稳压二极管810的反相故障电压。我们也可以认为，差分放大器809被配置成产生指示信号，该指示信号指示所述电压差与所述目标值相差多少，即使在这种情形下，仅就其中差异小于目标值的方向上的差异而言，这在字面上是正确的。

根据由耦合到降压转换器的输出端的负载所要求的负载电压产生指示信号不要求将降压转换器的输出电压和输入电压进行比较。其也不要求对降压转换器输出端进行电连接。图9图示了根据本发明的替代实施例的驱动器设备，其中二极管806、电容器807、以及分压器808与图8中的基本相同。然而，二极管806的阳极现被耦合到辅助电感器901，辅助电感器901与降压转换器的电感器106电感耦合。作为与图8的不同，从分压器808的耦合现至差分放大器809的反相输入端。差分放大器809的非反相输入端被耦合到稳压二极管902的阴极，其阳极被耦合到降压转换器的接地地势。也存在通过电阻器903从差分放大器809的非反相输入端至馈电电压V_cc的耦合。差分放大器809的输出端被耦合到光隔离器813中的LED的阴极。LED的阳极通过电阻器904被耦合到馈电电压V_cc。

在可控开关105的导电时段期间，跨电感器106的电压等于降压转换器的输入电压和输出电压之间的差。由于闭合的电感耦合和被选择的极性，跨辅助电感器901的电压跟随跨电感器106的电压，与电感器中的匝数成比例关系。该电压对电容器807充电，其电容足够大使得其在可控开关105的非导电期间（当辅助电感器901的点端为负时）也保持电压。能够将跨电容器807的电压V₈₀₇计算如下

其中，N₉₀₁和N₁₀₆分别是辅助电感器901和电感器106的匝数，V_in是降压转换器的输入电压（即，跨电容器804的电压），V_out是降压转换器的输出电压（即，跨LED链102的电压），并且V₈₀₆是跨二极管806的前向电压降。

从等式（11），我们看出图9中的二极管806和电容器807之间的节点的正电势与降压转换器的输入和输出电压之间的电压差直接成比例。差分放大器809将该正电势的抽样与利用稳压二极管902生成的固定基准电压进行比较，通过电阻器903从馈电电压V_cc被馈送。跨降压转换器的电压差越大，差分放大器809的输出端将为越大的负值，并且光隔离器813中的LED将照耀得越亮。开关模式电源的电压控制器814必须被构建成使得其通过光隔离器813接收的信号越强，开关模式电源的输出电压下降越多。

图8和图9的实施例图示了以下公知的事实，在电子装置中能够存在许多可能方式、电路架构、以及组件配置以实现期望功能，即使没有使用可编程的组件。应当注意的是，在没有被限制到此处所述的组合的情形下，能够以各种方式独立地实现电路解决方案的各种部分，例如：输入和输出电压的抽样、比较、以及反馈信号的传输。例如，图9中图示的将输出电压抽样的电感方式可以容易地与图8中示出的其它特征组合，或者能够使用电感抽样取代图8中图示的降压转换器的输入电压的直接抽样。如果已经电感地完成电压抽样（或者否则没有电连接），则在反馈路径上的电隔离信号发射器可以变成不必要。在这样的情形下，整个抽样器和比较器电路可以被电连接到开关模式电源的主侧，而不是其次侧。

图10图示了一种实施例，该实施例以可以包括或由可编程部件构成的功能框1001的形式提供甚至更多用途（虽然这不是本发明必需要求的）。此处示出的开关模式电源的组件或电路架构和降压转换器与图8和图9中示出的那些相同，为了简洁的目的。将降压转换器的输入和输出电压进行抽样被示出为分别利用第一分压器1002和第二分压器1003来完成。比较器被配置成，将降压转换器的输入端和输出端之间的电压差和目标值进行比较并且产生指示信号，该指示信号指示所述电压差与所述目标值相差多少，该比较器被包括在功能框1001中。

例如，功能框1001可以包括微控制器，微控制器被配置成执行被存储的程序。这样的解决方案尤其通用，例如，因为可以使得被存储的程序包括各种各样的滤波功能和信号处理，针对这些另外需要附加模拟电路元件。利用程序执行微控制器，容易实现例如本发明的恒定切换频率实施例，其中电压差的目标值作为降压转换器的输出电压的幅度的函数而变化（参见图7）。

图11图示了本发明的应用如何不依赖特定电路技术的另一示例。在图11的实施例中，开关模式电源的部件和（可能基于微控制器的）比较器和反馈功能与图10中的相似，但是降压转换器具有稍微不同的拓扑。根据降压转换器的已知操作原理，其仍然包括可控开关105和含有电感器106、电容器109和飞轮开关108的LC电路。LC电路被配置成在可控开关105的导电状态期间通过可控开关105将电流接收到电感器106中，并且在所述可控开关的非导电状态将来自电感器106的电流递送到回路中，所述回路包括电感器106、飞轮开关108、以及耦合到降压转换器的输出端的负载（LED链102）。此外，降压转换器包括控制电路1102，控制电路1102被配置成基于通过降压转换器的被测量的瞬时电流来反复地改变可控开关105的状态。

根据与先前解释的降压转换器不同，在开关模式电源的正和负输出节点之间的电流路径现以该顺序包括电流感测电阻器107、LED链102、电感器106、以及可控开关105。充当飞轮开关108的二极管的阴极被耦合到开关模式电源的正输出节点，并且所述二极管的阳极耦合在电感器106和可控开关105之间。通过分压器1101从电感器106和LED链102之间抽取降压转换器的输出端的电压。控制电路1102被配置成基于通过降压转换器的被测量的瞬时电流来在导电和非导电状态之间反复改变可控开关105的状态，利用与以前不同的附图标记来图示控制电路1102，因为不同电路拓扑需要例如其内部分量值（非常明确）的一些改变。降压转换器的不同电路拓扑和控制电路的对应要求对于本领域的技术人员而言同样已知。

为了增强稳定性，有利的是使得控制开关模式电源的时间常数（或者用作可控第一电源的其他电路布置）显著长于降压转换器中的可控开关的一个切换时段。换言之，较之其输出电压的改变，降压转换器的输入电压的改变应当相对较慢。能够采取多种方法来影响时间常数。先前的可控第一电源的输出电容器的电容（一般相对较大）是因数。在诸如图8和图9中图示的那些的模拟解决方案中，通过适当地选择辅助组件能够调整差分放大器的传递函数。可控制第一电源的电压控制器814可以包括滤波和积分函数，并且尤其是，如果可编程实体用作图10和图11中所示的功能框1001，则可以非常自由地选择控制回路的定时。

图12图示了一些定时考虑。我们假定根据本发明的实施例的驱动器设备在稳定状态条件下操作，直至利用跨这些图形的垂直线图示的时间T，例如通过闭合短路LED链中的大量LED的无损开关，可以突然减少在其负载中连续耦合的LED的数目。在时间T之前，负载电流根据电流滞环控制的原理在其最小值和最大值之间已经改变，画出规则锯齿图案。与当前图的每一个增加段相对应，存在降压转换器中的可控开关的切换脉冲，并且与当前图的每一个减少段相对应，降压转换器中的可控开关处于其非导电状态。在图12中图示为SMPS（开关模式电源）电压的降压转换器的输入电压是稳定的，并且在幅度上大于降压转换器的输出电压。

在时间T突然减少LED的数目触发了过渡时段。直接影响是在随后的切换脉冲期间负载电流更加急速增加，其根据电流滞环控制的原理使得切换脉冲变得相对较短。然而，放电时段比之前更长，通过求解用于t_off的等式（2）并且注释t_off与V_out和V_D1之和成反比，能够将其验证。当对从开关模式电源获取的电压的控制开始起作用时，降压转换器的输入和输出电压之间的差逐渐变得更小，直至时间T’，过渡时段结束并且降压转换器的切换频率稳定在或接近其先前值。在图12中，我们假定控制开关模式电源旨在保持V_in和V_out之间的电压差恒定，而不是例如保持切换频率f_sw恒定。图12的时间标度可以做成仿真，以便图形清晰；典型地，其可以在降压转换器中得到成千或甚至上百万的切换脉冲，以便该改变起作用或者以便该过渡时段在时间T’达到其端部。

应当注意的是，在实际情形中很少预期突然改变负载中的串行耦合LED的数目。驱动器设备适于负载中的不同数目的串行耦合LED的能力通常更加有用，就这种意义而言，在各种应用中能够使用相同或相似构建的驱动器设备，其在需要被驱动的串行耦合LED的数目上彼此不同。

根据本发明的实施例的驱动器设备尤其更适合其中期望通常称为减光的LED的可控制发光强度的应用。已知的是，通过切断递送到LED的电流和根据PWM（脉冲宽度调制）原理来改变切断的占空比能够实现减光效果。PWM频率应当足够高使得人眼不能感知LED的任何闪烁。超过100Hz的PWM频率通常被认为足够高。

图13图示了根据本发明实施例的在驱动器设备中应用的减光原理。我们假定降压转换器包括用于接收接通和断开命令的控制输入端。在图7和图8的实施例中，该控制输入端被示意性地示出为控制电路805的输入标签PWM，在图9和图10的实施例中，控制电路的对应输入端被示出为耦合到功能框1001。我们也假定，为了根据PWM原理来实现减光，驱动器设备包括具有耦合到降压转换器的所述控制输入端的输出端的控制单元。在图9和图10的实施例中，控制单元能够容易地被实现为功能框1001的一部分。无论其实际实现如何，控制单元被配置成响应于指示期望的照明强度的外部命令而通过其控制输入端向降压转换器反复发出接通和断开命令。外部命令可以例如来自个人用户操作的照明控制旋钮或按钮，或者来自旨在调整照明强度以与环境中的光的亮度相匹配的自动装置。

在图13中，每个PWM脉冲的上升沿意指接通命令并且下降沿意指断开命令。图13的第二线是与PWM控制相关的接通和断开命令意指激活和停用降压转换器中的整个切换处理的提醒。在每个PWM脉冲期间，降压转换器的可控开关以降压转换器的切换频率在导电和非导电之间反复改变，而在PWM脉冲之间，降压转换器的可控开关保持非导电。再一次，为了绘图清晰已经选择所图示的相对时间标度；在实际中，降压转换器在每次PWM脉冲期间可以执行数百次或数千次切换脉冲。接通和断开命令的脉冲频率应当高于100Hz，以便避免可感知的闪烁，并且显著低于降压转换器的切换频率，以便确保稳定操作。

电流的PWM是用于控制LED的照明强度的有利方法，因为通过LED发射的光的颜色主要取决于电流。PWM方法意指馈送通过ELD的基本恒定电流的脉冲和不向这些脉冲之间的它们馈送任何电流。这在图13的第三线上示意性地进行了图示，其中负载电流被认为在PWM脉冲和每个PWM脉冲期间大约有效恒定电流值的振动（由于电流滞环控制）之间为零。在附图中所见的相对粗糙的弯曲图案是过分夸大与PWM脉冲的宽度相关的降压转换器的切换脉冲的相对宽度（并且过分夸大电流滞环，即参数Δi|中，其中允许改变负载电流）的结果。在实践中，负载电流图形将表示整齐方波。

图13的最底端的线强调该事实，PWM控制或减光的其他形式应当不受控制输入电压干扰，输入电压用于降压转换器由开关模式电源或其他类型的可控制第一电压源产生。该电压在此称为用于短路的SMPS电压。在PWM脉冲之间，递送到负载的电压（即，降压转换器的输出电压）是零。如果在降压转换器的输入和输出电压之间的差的基础上人们严格应用控制SMPS电压的原理，则这将使得SMPS电压下降到每个SMPS脉冲之间，并且在每个SMPS脉冲期间使得其升回其想要的水平。通过选择SMPS电压控制足够长的时间常数，能够将SMPS电压的不必要变动避免或者减少到可接受水平，其在图13中被图示为稍微曲折的SMPS电压图形。可以以PWM脉冲的开始使得能够进行该控制并且PWM的端部对其禁用这样的方式来实现该控制，使得在每个PWM脉冲期间仅应用在降压转换器的输入和输出电压之间的差的基础上来控制SMPS电压。

如图9和图10中所示，可以实现控制单元，该控制单元利用比较器在公共集成电路中执行PWM控制（即，将接通和断开命令反复给予降压转换器），比较器实现降压转换器的输入端和输出端之间的电压的比较。甚至在又一集成解决方案中，公共集成电路附加地包括降压转换器的控制电路，该控制电路被配置成基于通过降压转换器的被测量的瞬时电流，在导电和非导电状态之间反复改变降压转换器中可控开关的状态。

图14示意性地图示了根据本发明的实施例用于将电力提供给发光二极管的方法。其包括产生如步骤1401中所示的第一电压，并且使用降压转换器将所述第一电压转换成跨过所述发光二极管的链被耦合的输出电压，如步骤1402中所示。根据本发明的实施例，根据耦合到所述降压转换器的输出端的负载所要求的负载电压，应当产生指示信号。为此目的，步骤1403图示了将降压转换器的输入端和降压转换器的输出端之间的电压差与目标值进行比较，目标值可以是恒定的或者可以作为输出电压的函数而变化，如与等式（10）相关联的先前所解释的。步骤1404图示了产生指示所述电压差与目标值相差多少的指示信号，并且步骤1405图示了使用所述指示信号来控制第一电压的幅度。

如果在步骤1403中应用的目标值是常数，则步骤1405涉及控制所述第一电压的幅度，使得降压转换器的输入和输出电压之间的电压差保持在常数的预定限制内，并且优选地等于所述常数。使用表达“在预定限制内”强调以下事实，实际应用的控制没有完全精确的，但是旨在实现合理地接近目标值的被控制数量的幅度。怎样接近是合理接近取决于应用环境，例如，取决于电路布置应当实现的精确标准。

如果用于在步骤1401中产生第一电压的电路布置是开关模式电源，则使用指示信号来控制第一电压的幅度的有利和容易实现的方法是使得开关模式电源的占空比与所述指示信号的值成比例。如果期望ELD的照明强度的减光或其他类型控制，则该方法可以包括以高于避免感知闪烁（例如，高于100Hz）所需要的频率但是低于降压转换器的切换频率的频率，反复切换降压转换器接通和关闭。在图14中图示了用于该目的的以PWM频率形成对降压转换器的接通和断开命令，如步骤1406所示。

在不脱离在权利要求中限定的保护范围的情况下，可以对上文解释的实施例做出许多改变和修改。例如，即使一直将二极管图示为降压转换器的飞轮开关，也可以且在某些情形中非常可取的是，采用为此目的的某种其他形式的开关。例如，通过将二极管替换为场效应晶体管，可以在飞轮开关上降低电压降V_D1以及减少在降压转换器的实际可控开关的非导电期间的导电损耗。如果飞轮开关也是可控开关，诸如场效应晶体管，则其需要其自己的切换脉冲。然而，由于飞轮开关的导电和非导电时段是在降压转换器中的实际可控开关的非导电和导电时段的精确补集，所以通过对于实际可控开关的切换脉冲的倒数，能够容易产生用于可控飞轮开关的另外的切换脉冲。

而且，在上文所解释的图示中，仅将单一的LED链一直示出为负载。这不是本发明的要求，并且负载能够包括各种LED网络和LED链。在每种情形下，降压转换器要求的输出电压是在一起形成跨降压转换器的输出端的电流路径的最大数目的各LED上的电压降之和。

根据本发明实施例的原理也可以被应用于其中存在全部从公用可控第一电源接收它们的输入电压的多个降压转换器的情形。在这样的情形中，可能发生不同数目的并行耦合的LED由不同的降压转换器驱动，因此，如果它们中的每个产生指示其自己输入和输出电压之差的指示信号，则可控第一电源可能接收到相矛盾的指示。在这样的情形中，最有利的是，根据请求最高电压的指示信号来控制可控第一电源，以便确保全部降压转换器从可控第一电源接收了足够的电能。

另一类变化涉及进行电流测量的方法，或者更一般地说，涉及如何实现在降压转换器中生成切换脉冲的方法。基于测量在导电和非导电时段期间电路的电流滞环控制仅是一种替代。例如，在图11所示的实施例中，将可以将电流感测电阻器从其指示位置移动到可控开关105和切换模式电源的负输出节点之间或者二极管108的阴极与切换模式电源的输出节点之间。在这样的情形中，电流感测电阻器将处于降压转换器的内回路之外，并且因此，仅测量可控开关105的导电时段期间的电流。由于非导电时段的长度是仅降压转换器的输出电压的函数，所以容易通过应用计算长度的非导电时段来定时下一切换脉冲的开始（认为使得形成切换脉冲的电路元件意识到当前输出电压，例如，利用来自分压器1101的连接）。

然而，另一类变化涉及找出降压转换器的要求的输出电压的方法。例如，LED照明设备的标准化可能进展到其中基于LED负载的连接器包括所要求的负载电压的机器可读指示的程度。在这样的情形中，根据本发明实施例的驱动器设备可以包括读取器单元，读取器单元被配置成从连接器读取所要求的负载电压，并使用它来形成指示信号。

Claims

1.一种用于发光二极管的驱动器设备，包括：

-可控第一电源(202)，所述可控第一电源(202)被配置成在其输出端产生第一电压，所述第一电压的幅度取决于控制信号；

-降压转换器(203)，所述降压转换器(203)具有耦合至所述第一电源(202)的输出端的输入端，以及用于将发光二极管(204)与之耦合的输出端；以及

-负载电压指示器(205)，所述负载电压指示器(205)被配置成根据耦合至所述降压转换器(203)的所述输出端的负载所要求的负载电压，产生指示信号，以及

其特征在于所述驱动器设备包括：

-反馈耦合(206)，所述反馈耦合(206)被配置成将所述指示信号作为控制信号耦合至所述可控第一电源(202)，以在所述降压转换器(203)的输出电压脉冲期间将所述降压转换器(203)的输入电压和输出电压之间的差保持在预定范围内。

2.根据权利要求1所述的驱动器设备，其特征在于其包括：

-比较器(605)，所述比较器(605)被配置成将所述降压转换器(203)的所述输入端与所述降压转换器(203)的所述输出端之间的电压差与目标值进行比较以及产生所述指示信号，作为所述电压差与所述目标值相差多少的指示。

3.根据权利要求2所述的驱动器设备，其特征在于所述降压转换器(203)包括：

-可控开关(105)，所述可控开关(105)具有导电状态以及非导电状态，在所述导电状态中所述可控开关(105)被配置成从所述第一电源(202)的所述输出端导电电流，

-LC电路，所述LC电路包括电感器(106)、电容器(109)和飞轮开关(108)，并且被配置成在所述可控开关(105)的导电状态期间，通过所述可控开关(105)将所述电流接收到所述电感器(106)中，并且在所述可控开关(105)的非导电状态期间，将电流从所述电感器(106)递送到回路中，所述回路包括所述电感器(106)、所述飞轮开关(108)以及耦合到所述降压转换器(203)的输出端的负载(102)，以及

-控制电路(805、1102)，所述控制电路(805、1102)被配置成基于通过所述降压转换器(203)的被测量的瞬时电流，在导电和非导电状态之间反复改变所述可控开关(105)的状态。

4.根据权利要求1或2中的任一项所述的驱动器设备，其特征在于所述反馈耦合(206)的配置效果是控制所述可控第一电源(202)的所述输出端处的所述第一电压，使得所述降压转换器(203)的输入电压和输出电压之间的所述差保持在常数的预定限制内。

5.根据权利要求1或2中的任一项所述的驱动器设备，其特征在于所述反馈耦合(206)的配置效果是控制所述可控第一电源(202)的所述输出端处的所述第一电压，使得所述降压转换器(203)的输入电压和输出电压之间的所述差等于常数。

6.根据权利要求1或2中的任一项所述的驱动器设备，其特征在于所述第一电源(202)是开关模式电源，其占空比被配置成与所述指示信号的值成比例。

7.根据权利要求6所述的驱动器设备，其特征在于：

-所述开关模式电源包括变压器(801)，所述变压器利用主侧和次侧之间的电隔离将所述开关模式电源划分成所述主侧和次侧，

-所述驱动器设备包括用于将所述指示信号传送至所述开关模式电源的所述主侧的电隔离信号发射器(813)。

8.根据权利要求3所述的驱动器设备，其特征在于：

-所述降压转换器(203)包括用于接收接通和断开命令的控制输入端，

-所述驱动器设备包括控制单元(1001)，所述控制单元(1001)具有耦合至所述降压转换器(203)的所述控制输入端的输出端，

-所述控制单元(1001)被配置成，响应于指示期望的照明强度的外部命令，通过所述控制输入端向所述降压转换器(203)反复发出接通和断开命令，所述接通和断开命令的脉冲频率高于100Hz并且低于所述降压转换器(203)的切换频率。

9.根据权利要求8所述的驱动器设备，其特征在于利用所述比较器(605)在公用集成电路内实现所述控制单元(1001)。

10.根据权利要求9所述的驱动器设备，其特征在于所述公用集成电路另外包括所述降压转换器(203)的控制电路(805)，所述控制电路(805)被配置成基于通过所述降压转换器的测量的瞬时电流，在导电和非导电状态之间，反复改变所述降压转换器(203)中所述可控开关(105)的状态。

11.一种用于向发光二极管提供电力的方法，包括：

-产生(1401)第一电压；

-使用降压转换器来将所述第一电压转换(1402)成跨所述发光二极管的链耦合的输出电压；以及

-根据耦合至所述降压转换器的输出端的负载所要求的负载电压，产生(1404)指示信号，

其特征在于所述方法包括：

-使用(1405)所述指示信号来控制所述第一电压的幅度，以在所述降压转换器的输出电压脉冲期间将所述降压转换器的输入电压和输出电压之间的差保持在预定范围内。

12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于所述方法包括：

-将所述降压转换器的输入电压和输出电压之间的所述差与目标值进行比较(1403)，以及

-产生(1404)所述指示信号，作为所述降压转换器的输入电压和输出电压之间的所述差与所述目标值相差多少的指示。

13.根据权利要求11或12中的任一项所述的方法，其特征在于所述方法包括：

-控制所述第一电压的所述幅度，使得所述降压转换器的输入电压和输出电压之间的所述差保持在常数的预定限制内。

14.根据权利要求11或12中的任一项所述的方法，其特征在于所述方法包括：

-控制所述第一电压的所述幅度，使得所述降压转换器的输入电压和输出电压之间的所述差等于常数。

15.根据权利要求11或12中的任一项所述的方法，其特征在于所述方法包括：

-使用开关模式电源来产生(1401)所述第一电压，以及

-使所述开关模式电源的占空比与所述指示信号的值成比例。

16.根据权利要求11或12中的任一项所述的方法，其特征在于所述方法包括：

-以高于100Hz但低于所述降压转换器的切换频率的频率，将所述降压转换器反复接通和断开(1406)，以便控制所述发光二极管的照明强度。