CN102845136B - 用于将相等的电流提供给电流驱动负载的系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供用于将大体上恒定且相等的电流提供给多个电流驱动负载(发光二极管串#1到发光二极管串#N)的系统及方法。在一个实施例中，提供一种系统(20)，其包含多个电流调节输出(输出#1到输出#N)及多个电流驱动负载(发光二极管串#1到发光二极管串#N)。所述多个电流调节输出及所述多个电流驱动负载以单个电流环路配置而布置，其中相应的电流调节输出将输出电压(VOUT#1到VOUT#N)提供给所述多个电流驱动负载中的相应电流驱动负载。

Description

用于将相等的电流提供给电流驱动负载的系统及方法
技术领域
本发明涉及电子器件，且更明确来说涉及用于将相等的电流提供给电流驱动负载的系统及方法。
背景技术
在高功率发光二极管(LED)照明应用中，有必要以大体上相等的电流来驱动多个LED。这可通过将所有所述LED串联连接来实现。然而，基于给定应用中的LED的数目，这个类型的配置可导致过高的电压。举例来说，30个串联连接的LED可生成超过100伏特的电压。一种缓解过高电压的使用的解决方案为将LED分成由多个串联连接的LED组成的LED串的群组，使得当以所要的电流驱动时每一LED串将生成安全电压。举例来说，可将上文提及的30个LED分成3个由10个LED组成的串，其中每串具有约34伏特的电压。
为促进跨越LED串的群组的电流调节，可将每一LED串连接到共用低电压源，其中每一LED串由相应的线性或切换电流调节器调节。然而，因为所添加的调节器的缘故，此解决方案是昂贵的，并且归因于与单独的电流环路相关联的容差及偏移，所述串的电流平衡是不完美的。此外，所添加的调节器将降低系统效率且可产生额外的电磁干扰(EMI)，所述电磁干扰(EMI)将造成成本进一步增加及效率侵蚀增加。
发明内容
在本发明的一个方面中，提供一种系统，所述系统包含多个电流调节输出及多个电流驱动负载。所述多个电流调节输出及所述多个电流驱动负载以单个电流环路配置而布置，其中相应的电流调节输出将输出电压提供给所述多个电流驱动负载中的相应电流驱动负载。
在本发明的另一方面中，一种系统将大体上恒定且相等的电流提供给多个电流驱动负载。所述系统包含提供多个电流调节输出的单个多输出电流调节转换器。所述系统进一步包含以具有多个电流调节输出的单个电流环路配置而布置的多个发光二极管(LED)串，其中相应的电流调节输出将输出电压提供给所述多个LED串中的相应LED串。
在本发明的又一方面中，一种方法将大体上恒定且相等的电流提供给多个电流驱动负载。所述方法包含：提供单个多输出电流调节转换器，其提供多个电流调节输出；提供多个发光LED串；及以单个电流环路配置而布置所述多个电流调节输出及所述多个LED串，其中相应的电流调节输出将输出电压提供给相应的LED串。
附图说明
图1说明根据本发明的方面的用于将大体上恒定且相等的电流提供给多个电流驱动负载的系统的代表性示意图。
图2说明根据本发明的方面的使用单端转换器以将大体上恒定且相等的电流提供给多个LED串的系统的代表性示意图。
图3说明根据本发明的方面的使用双端转换器以将大体上恒定且相等的电流提供给多个LED串的系统的代表性示意图。
图4说明根据本发明的方面的使用经配置以提供全波整流的双端转换器以将大体上恒定且相等的电流提供给多个LED串的系统的代表性示意图。
图5说明根据本发明的方面的使用具有直接电流调节的单端回扫转换器以将大体上恒定且相等的电流提供给多个LED串的系统的代表性示意图。
图6说明根据本发明的方面的使用具有间接电流调节的单端回扫转换器以将大体上恒定且相等的电流提供给多个LED串的系统的代表性示意图。
图7说明根据本发明的方面的使用具有并联连接的变压器的单端转换器以将大体上恒定且相等的电流提供给多个LED串的系统的代表性示意图。
图8说明根据本发明的方面的使用具有串联连接的变压器的单端转换器以将大体上恒定且相等的电流提供给多个LED串的系统的代表性示意图。
图9说明根据本发明的方面的使用具有串联连接的变压器的双端转换器以将大体上恒定且相等的电流提供给多个LED串的系统的代表性示意图。
图10说明根据本发明的方面的使用具有并联连接的变压器的双端转换器以将大体上恒定且相等的电流提供给多个LED串的系统的代表性示意图。
图11说明根据本发明的方面的用于将大体上恒定且相等的电流提供给多个电流驱动负载的方法。
具体实施方式
本发明涉及用于将大体上恒定且相等的电流提供给多个电流驱动负载的系统及方法。所述多个电流驱动负载以具有多个电流调节输出的单个电流环路配置而布置，使得相应的电流调节输出将输出电压提供给相应的电流驱动负载。所述单个电流环路配置确保所述电流驱动负载中的每一者具备大体上恒定且相等的电流及相比于单个调节输出驱动多个电流驱动负载的配置的大体上降低的电压。
以下实例将在所述电流驱动负载为发光二极管(LED)串的情况下说明。然而，应理解，本发明可与多种不同的电流驱动负载一起使用。
图1说明根据本发明的方面的用于将大体上恒定且相等的电流提供给多个电流驱动负载的系统10的代表性示意图。系统10包含多输出电流调节转换器12，其提供第一电流调节输出(1)、第二电流调节输出(2)及第三电流调节输出(3)。应理解，任何单端或双端多输出转换器拓扑结构可用于提供多个电流调节输出。此外，单独的转换器可用于提供多个电流调节输出。第一电流调节输出(1)将第一输出电压(VOUT1)提供给第一LED串(发光二极管串#1)，第二电流调节输出(2)将第二输出电压(VOUT2)提供给第二LED串(发光二极管串#2)，且第三电流调节输出(3)将第三输出电压VOUT3提供给第三LED串(发光二极管串#3)。可将所述第一、第二及第三输出电压(VOUT1到VOUT3)选择为大体上相同的电压或不同的电压，仅有的限制为，电压差异足够低以确保系统10中的任何两个点(A到F)之间的电压差异不超过规定的最大值。
所述第一、第二及第三电流调节输出以具有所述第一、第二及第三LED串的单个电流环路配置而布置，使得大体上恒定且相等的电流被提供给所述第一、第二及第三LED串中的每一者。第一电流调节输出(1)的正极端子耦合到第一LED串的阳极端(14)且第一LED串的阴极端(16)耦合到第二调节输出(1)的负极端子。此外，第二调节输出(2)的正极端子耦合到第二LED串的阳极端(14)且第二LED串的阴极端(16)耦合到第三调节输出(3)的负极端子。第三调节输出(3)的正极端子耦合到第三LED串的阳极端(14)且第三LED串的阴极端(16)耦合到第一电流调节输出(1)的负极端子以使所述单个电流环路配置完整。
图2说明根据本发明的方面的使用单端转换器22以将大体上恒定且相等的电流提供给多个LED串的系统20的代表性的示意图。单端转换器22为包括初级绕组(P1)的多输出电流调节回扫转换器，所述初级绕组(P1)耦合在电压源24与切换装置26之间以给所述初级绕组(P1)提供AC电压及AC调节电流。初级绕组(P1)驱动N个次级绕组(S1到SN)，其中N为大于1的整数。所述N个次级绕组(S1到SN)中的每一者耦合到相应的二极管及电容器配置27，以将DC电压及DC调节电流提供给N个LED串(发光二极管串#1到发光二极管串#N)中的相应LED串。应理解，因为单端转换器22提供半波整流，所以所述单端转换器22将电流同时传送到所有电流调节输出。此外，所述电流调节输出的数目可为奇数或偶数。
第一电流调节输出(输出#1)将第一输出电压(VOUT1)提供给第一LED串(发光二极管串#1)，第二电流调节输出(输出#2)将第二输出电压(VOUT2)提供给第二LED串(发光二极管串#2)，重复这个过程使得第N个电流调节输出(输出#N)将第N个输出电压(VOUTN)提供给第N个LED串(发光二极管串#N)。可将所述N个输出电压中的每一者选择为大体上相同的电压或不同的电压。所述N个调节输出以串联连接的电流环路配置而布置，使得大体上相等的电流被提供给N个LED串中的每一者。第一调节输出(输出#1)的正极端子耦合到第一LED串的阳极端(28)且第一LED串的阴极端(30)耦合到第二调节输出(输出#2)的负极端子。此外，第二调节输出(输出#2)的正极端子耦合到第二LED串的阳极端(28)且第二LED串的阴极端(30)耦合到下一个调节输出的负极端子，同时第N个调节输出(输出#N)的负极端子耦合到第N-1个LED串的阳极端。第N个调节输出(输出#N)的正极端子耦合到第N个LED串的阳极端28且第N个LED串的阴极端30耦合到第一调节输出(输出#1)的负极端子以使所述单个电流环路配置完整。
应理解，因为由所有所述输出供应的电流是相等的，所以可能使用双端转换器的输出来提供半波整流。图3说明根据本发明的方面的使用双端转换器42以将大体上恒定且相等的电流提供给多个LED串的系统40的代表性示意图。双端转换器42为包括初级绕组(P1)的二输出电流调节转换器，所述初级绕组(P1)耦合到电压源44以给初级绕组(P1)提供AC电压及AC调节电流。初级绕组(P1)驱动第一次级绕组(S1)及第二次级绕组(S2)，其中所述次级绕组中的每一者耦合到相应的二极管及电容器配置46，以将DC电压(VOUT1及VOUT2)及DC调节电流分别提供给第一LED串(发光二极管串#1)及第二LED串(发光二极管串#2)。应理解，双端转换器42在输入电压的负半部期间将电流传送到第一LED串且在所述输入电压的正半部期间将电流传送到第二LED串。如果添加第三输出(或任何奇数数目的输出)，那么变压器的初级电流将变为非对称的，从而在所述变压器中引起在双端转换器中不可接受的DC偏压。
第一电流调节输出(输出1)将第一输出电压(VOUT1)提供给第一LED串且第二电流调节输出(输出2)将第二输出电压(VOUT2)提供给第二LED串。所述第一及第二电流调节输出及所述第一及第二LED串以单个电流环路配置而布置，使得大体上恒定且相等的电流被提供给第一LED串及第二LED串两者。第一调节输出(输出1)的正极端子耦合到第一LED串的阳极端48且第一LED串的阴极端50耦合到第二调节输出(输出2)的负极端子。此外，第二调节输出(输出2)的正极端子耦合到第二LED串的阳极端48且第二LED串的阴极端50耦合到第一调节输出(输出1)的负极端子以使所述单个电流环路配置完整。
图4说明根据本发明的方面的使用经配置以提供全波整流的双端转换器62以将大体上恒定且相等的电流提供给多个LED串的系统60的代表性示意图。双端转换器62为包括初级绕组(P1)的二输出电流调节转换器，所述初级绕组(P1)耦合到电压源64以给所述初级绕组(P1)提供AC电压及AC调节电流。类似于图3中说明的配置，初级绕组(P1)驱动第一次级绕组(S1)及第二次级绕组(S2)。然而，图3的二极管及电容器布置46中的每一者已被全波桥式整流器替代。在此配置中，系统60可类似于单端转换器而将功率同时传送到两个(或N个)输出，使得奇数个输出将不会引起变压器的DC偏压，从而允许使用偶数个输出及奇数个输出两者。
如图4中所说明，第一电流调节输出(输出1)提供在第一全波桥式整流器66的输出处以将第一输出电压(VOUT1)提供给第一LED串(发光二极管串#1)，且第二电流调节输出(输出2)提供在第二全波桥式68整流器的输出处，以将第二输出电压(VOUT2)提供给第二LED串(发光二极管串#2)。第一全波桥式整流器66的正极端子耦合到第一LED串的阳极端70且第一LED串的阴极端72耦合到第二全波桥式整流器68的负极端子。此外，第二全波桥式整流器68的正极端子耦合到第二LED串的阳极端70且第二LED串的阴极端72耦合到第一全波桥式整流器66的负极端子以提供单个电流环路配置。
将理解，可能需要进一步控制及调节流经LED串的电流。这可通过直接控制及调节流经LED串中的任一者的电流或通过调节所述转换器的初级电流而间接控制及调节流经所述LED串的电流来实现。图5说明直接控制及调节流经LED串的电流的一个实例，而图6说明通过调节流经转换器的初级电流而间接控制及调节流经LED串的电流的一个实例。应理解，图5及6为用于控制及调节电流的示范性技术且许多直接及间接技术可用于实施本发明。
图5说明根据本发明的方面的使用具有直接电流调节的单端回扫转换器82以将大体上恒定且相等的电流提供给多个LED串的系统80的代表性示意图。单端转换器82为包括初级绕组(P1)的双输出电流调节回扫转换器，所述初级绕组(P1)耦合在电压源84与切换装置86之间以给所述初级绕组(P1)提供AC电压及AC调节电流。初级绕组(P1)驱动第一绕组(S1)及第二绕组(S2)，其中所述次级绕组中的每一者耦合到相应的二极管及电容器配置88以将DC输出电压及DC调节电流分别提供给第一LED串(发光二极管串#1)及第二LED串(发光二极管串#2)。第一及第二DC输出电压(VOUT1，VOUT2)及第一及第二LED串以如先前论述的单个电流环路配置而布置。
第二LED串中的电流由电流感测构件90感测且被施加到误差放大器94，所述误差放大器94放大所测得电流与电流参考92之间的差异。如所属领域的技术人员所知，电流感测构件90可为多种不同的电流感测结构(例如，电阻性耦合结构、电感性耦合结构等等)。误差放大器94的输出驱动调制器96，所述调制器96调制切换晶体管86的工作循环，以最小化/抵消所述误差及调节通过第一及第二LED串的电流。
图6说明根据本发明的方面的使用具有间接电流调节的单端回扫转换器102以将大体上恒定且相等的电流提供给多个LED串的系统100的代表性示意图。单端转换器102为包括初级绕组(P1)的双输出电流调节回扫转换器，所述初级绕组(P1)耦合在电压源104与切换装置106之间以给所述初级绕组(P1)提供AC电压及AC调节电流。类似地，如关于图5而论述，初级绕组(P1)驱动第一次级绕组(S1)及第二次级绕组(S2)，其中所述次级绕组中的每一者耦合到相应的二极管及电容器配置108以将DC输出电压(VOUT1，VOUT2)及DC调节电流分别提供给第一LED串(发光二极管串#1)及第二LED串(发光二极管串#2)。所述第一及第二DC输出电压(VOUT1，VOUT2)及所述第一及第二LED串以如先前论述的单个电流环路配置而布置。
电流感测构件110感测转换器102的初级电流。参考产生器112根据由回扫转换器102的反馈绕组FB1提供的信息来产生参考，所述参考为转换器102的输入电压104及LED串的总电压的函数。在晶体管开关106的接通时间期间，跨越反馈绕组FB1的电压与输入电压104成比例，且在晶体管开关106的关断时间期间所述电压与LED串上的总电压成比例。误差放大器114将初级电流与由参考产生器112产生的参考进行比较。误差放大器114的输出驱动调制器116，所述调制器116调制功率晶体管106的工作循环以最小化/抵消所述误差及调节通过第一及第二LED串的电流。参考产生器112可实施建立初级电流的参考的算法，所述初级电流在LED中产生与输入电压或LED电压的变动无关的电流。
应理解，根据以上实例控制LED电流不限于回扫转换器或两个LED串，且相同的控制架构可施加到使用半波或全波整流以为任何数目LED串提供电流驱动的任何转换器拓扑结构。
在使用较大数目的LED串的一些应用中，所述数目的所要的输出可能需要过量的次级绕组。这个问题可通过使用其初级绕组串联连接或并联连接的多个变压器(每一个变压器具有较少的次级绕组)来产生所要数目的输出来解决。图7到10展示针对具有并联及串联连接变压器的单端及双端情形的本发明的实施例。虽然出于清晰起见，仅展示各自具有两个输出的两个变压器，但所属领域的技术人员将容易地明白向较高数目的扩展。图7到10的实施例中的每一者以如关于图1到6论述的单个电流环路配置而布置，使得对转换器的个别部件的论述已被省略以消除进一步的重复。
图7说明根据本发明的方面的使用具有并联连接的变压器的单端转换器以将大体上恒定且相等的电流提供给多个LED串的系统120的代表性示意图。图8说明根据本发明的方面的使用具有串联连接的变压器的单端转换器以将大体上恒定且相等的电流提供给多个LED串的系统130的代表性示意图。图9说明根据本发明的方面的使用具有串联连接的变压器的双端转换器以将大体上恒定且相等的电流提供给多个LED串的系统140的代表性示意图。图10说明根据本发明的方面的使用具有并联连接的变压器的双端转换器以将大体上恒定且相等的电流提供给多个LED串的系统150的代表性示意图。
鉴于上文描述的上述结构性及功能性特征，将参考图11来更好地理解一种方法。应了解且理解，在其它实施例中所说明的动作可以不同的次序发生及/或与其它动作同时发生。此外，实施一种方法可能不需要所有所说明的特征。
图11说明根据本发明的方面的用于将大体上恒定且相等的电流提供给多个电流驱动负载的方法。所述方法在200处开始，此处提供包括多个电流调节输出的单个多输出转换器。在210处，提供多个LED串。在220处，以单个电流环路配置而布置所述多个电流调节输出及所述多个LED串。在230处，直接或间接测量通过所述多个LED串的电流。在240处，基于所测得的电流来调制所述转换器的初级电流以控制及调节通过所述多个LED串的电流。
所属领域的技术人员将理解，在所主张的发明的范围内许多其它实施例及变型也是可能的。本文还意在包括具有在实例实施例的背景下描述的一个或一个以上特征或步骤的不同组合的实施例，所述实例实施例具有所有此类特征或步骤或仅其中一些。

Claims (15)

1.一种系统，其包含：
多个电流调节输出；及
多个电流驱动负载；
其中所述多个电流调节输出及所述多个电流驱动负载以单个电流环路配置而布置，其中相应的电流调节输出将输出电压提供给所述多个电流驱动负载中的相应电流驱动负载，其中第一电流调节输出的正极端子耦合到第一LED串的阳极而所述第一LED串的阴极耦合到第二电流调节输出的负极端子，针对N个电流调节输出及N个LED串重复这个过程，其中N为大于1的整数，且第N个LED串的阴极耦合到所述第一电流调节输出的负极输入端子以使所述单个电流环路配置完整。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述多个电流驱动负载包含多个发光二极管LED串。
3.根据权利要求2所述的系统，其中所述电流调节输出为由单个多输出电流调节转换器提供的输出。
4.根据权利要求3所述的系统，其中所述单个多输出电流调节转换器为双端转换器；且进一步包含多个全波桥式整流器，所述双端转换器的每个输出耦合到所述多个全波桥式整流器中的给定全波桥式整流器，以向所述双端转换器提供全波整流。
5.根据权利要求3所述的系统，其进一步包含用于测量流经所述电流驱动负载的电流的构件及用于使用所测得的通过所述电流驱动负载的电流来调制所述转换器的初级电流以控制及调节流经所述电流驱动负载的电流的调制器。
6.根据权利要求3所述的系统，其进一步包含用于测量流经所述转换器的初级绕组的电流的构件及用于使用所测得的流经所述转换器的所述初级绕组的电流来调制通过所述绕组的初级电流以控制及调节流经所述电流驱动负载的电流的调制器。
7.根据权利要求3所述的系统，其中所述转换器包含串联耦合或并联耦合的多个初级绕组，所述串联耦合的绕组中的每一者耦合到多个次级绕组。
8.一种用于将大体上恒定且相等的电流提供给多个电流驱动负载的系统，所述系统包含：
单个多输出电流调节转换器，其提供多个电流调节输出；及
多个发光二极管LED串，其中所述多个LED串及所述多个电流调节输出以单个电流环路配置而布置，其中相应的电流调节输出将输出电压提供给所述多个LED串中的相应LED串，其中第一电流调节输出的正极端子耦合到第一LED串的阳极而所述第一LED串的阴极耦合到第二电流调节输出的负极端子，针对N个电流调节输出及N个LED串重复这个过程，其中N为大于1的整数，且第N个LED串的阴极耦合到所述第一电流调节输出的负极输入端子以使所述单个电流环路配置完整。
9.根据权利要求8所述的系统，其中所述单个多输出电流调节转换器为双端转换器，且进一步包含多个全波桥式整流器，所述双端转换器的每个输出耦合到所述多个全波桥式整流器中的给定全波桥式整流器，以向所述双端转换器提供全波整流。
10.根据权利要求8所述的系统，其中所述转换器进一步包含：
初级绕组，其耦合在电压源与开关之间；
用于测量流经所述转换器的所述初级绕组的电流的构件；
参考产生器，其根据由所述转换器的反馈绕组提供给所述参考产生器的信息来产生参考，所述参考为所述转换器的输入电压及所述多个LED串的总电压的函数，其中在所述开关的接通时间期间，跨越所述反馈绕组的电压与所述输入电压成比例，且在所述开关的关断时间期间，跨越所述反馈绕组的电压与所述多个LED串上的所述总电压成比例；
放大器，其放大所测得的流经所述转换器的所述初级绕组的电流与所述参考之间的差异；及
调制器，其由所述放大器驱动且调制所述开关以调制所述转换器的初级电流，以控制及调节流经所述多个LED串的电流。
11.根据权利要求8所述的系统，其进一步包含：
用于测量流经所述LED串的电流的构件；
放大器，其放大所测得的流经所述LED串的电流与电流参考之间的差异；及调制器，其由所述放大器驱动且使用经放大的差异来调制所述转换器的初级电流，以控制及调节流经所述多个LED串的电流。
12.根据权利要求8所述的系统，其中所述转换器包含串联耦合或并联耦合的多个初级绕组，所述耦合的绕组中的每一者耦合到多个次级绕组。
13.一种用于将大体上恒定且相等的电流提供给多个电流驱动负载的方法，所述方法包含：
提供单个多输出电流调节转换器，其提供多个电流调节输出；
提供多个发光二极管LED串；及
以单个电流环路配置而布置所述多个电流调节输出及所述多个LED串，其中相应的电流调节输出将输出电压提供给相应的LED串，其中第一电流调节输出的正极端子耦合到第一LED串的阳极而所述第一LED串的阴极耦合到第二电流调节输出的负极端子，针对N个电流调节输出及N个LED串重复这个过程，其中N为大于1的整数，且第N个LED串的阴极耦合到所述第一电流调节输出的负极输入端子以使所述单个电流环路配置完整。
14.根据权利要求13所述的方法，其进一步包含：
测量流经所述LED串的电流；
确定所测得的流经所述LED串的电流与电流参考之间的差异；及
使用所述差异来调制所述转换器的初级电流，以控制及调节流经所述多个LED串的电流。
15.根据权利要求13所述的方法，其进一步包含：
测量流经所述转换器的初级绕组的电流；
确定所测得的流经所述转换器的初级绕组的电流与电流参考之间的差异；及
使用所述差异来调制所述转换器的初级电流，以控制及调节流经所述多个LED串的电流。
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