CN102870498A - 包括用于增大固态照明负载的调光分辨率的可编程滞后下变频器的调光调节器 - Google Patents

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Abstract

一种用于提供固态照明(SSL)负载的深度调光的系统，该系统包括滞后下变频器、分流开关、控制器和比较器。该下变频器采用幅度调制(AM)调光控制来控制SSL电流的平均电流值和纹波幅值。分流开关采用脉宽调制(PWM)调光控制来控制SSL电流的大小。控制器基于SSL电流和SSL负载两端的电压产生第一和第二PWM信号用于控制该滞后下变频器操作的高电流电平和低电流电平，并且基于由调光器设置负载的调光水平产生第三PWM信号以控制分流开关。比较器电路将对应于该第一和第二PWM信号的第一和第二模拟信号与SSL电流进行比较，并且响应于该比较驱动该下变频器。该SSL电流是基于AM调光控制和PWM调光控制。

Description

包括用于增大固态照明负载的调光分辨率的可编程滞后下变频器的调光调节器
技术领域
本发明一般涉及调光固态照明单元。更具体地，本文所公开的各种发明方法和装置涉及选择性地提供多种调光控制方法以获得大的调光分辨率。
背景技术
数字照明技术，即基于固态或半导体光源(例如发光二极管(LED))的照明，提供了传统荧光灯、HID和白炽灯的可行替代方案。LED的功能优势和益处包括高能量转换和光学效率、耐用性、低操作成本等等。LED技术的最新进展已提供了高效且稳健的全谱光源，该全谱光源支持在许多应用中的多种照明效果。包含这些光源的一些灯具以照明模块为特征，该照明模块包括一个或多个能够产生不同颜色(例如红色、绿色和蓝色)的LED，以及用于独立地控制LED的输出以便产生各种颜色和变色照明效果的处理器。
许多照明应用采用了调光器。传统调光器与白炽(灯泡和卤素)灯工作良好。然而，问题出现在其他类型的电子灯中，该电子灯包括紧凑型荧光灯(CFL)、采用电子变压器和固态照明(SSL)灯或单元(例如LED和OLED)的低压卤素灯或其他负载。传统调光器典型地对市电电压信号的每个波形(正弦波)的一部分斩波，并将波形的剩余部分传到照明灯具。前沿或前向相位调光器对电压信号波形的前沿斩波。后沿或反向相位调光器对电压信号波形的后沿斩波。
与无误差地自然响应调光器所产生的斩波波形的白炽灯或其他电阻性照明设备不同，LED和其他SSL单元在很低的调光器设置下仍输出过不期望的高光输出。特别是剧场以及其他娱乐和大空间照明中所采用的LED照明的需求，尤其在最小可达调光水平方面更为精细。用于大空间照明的照明单元必须具有极大的调光范围或分辨率，特别是使得能够进行从发出很少量的光的设置到不发光的平滑启动，以及使得能够有效地衰弱到几乎完全黑暗。传统上，采用细丝灯以实现大的调光范围，该细丝灯通常自然地提供缓慢并且平滑的调光调节。但是，当传统的固态照明(SSL)单元(例如采用基于LED的光源的照明单元)用于剧场或者其他大空间照明时，由于其最低调光水平必须比由传统SSL驱动器所能提供的调光水平低很多，因此不可能实现平滑启动所要求的大调光分辨率。
滞后下变频器可用于各种SSL单元中。例如，滞后下变频器可与分流开关组合使用以产生高分辨率的脉宽调制(PWM)可调光电流源。但是，如上所述，低端调光水平的最小值被限制在10％左右。该被限制的调光水平归结为多种因素。例如，通量反馈设计在每个PWM周期的起始处测量光通量，其要求最小脉冲宽度。并且，堆叠的分流开关要求用于电平位移器的正常操作的最小脉冲宽度。另外，控制不适于调节该LED电流的幅值，并且因此当实施幅度调制(AM)调光时，下变频器的频率范围将变得过大。
因此，现有技术中存在能够实现很低调光水平的用于照明大空间的SSL系统的需求。
发明内容
本公开内容涉及用于在包括SSL单元的启动期间实现SSL单元的高分辨率(或者“深度”)调光以照明大空间(例如，工作室和剧场)的发明方法和装置。例如，在启动期间，采用线性调节器来控制流经SSL的电流，并且在该启动期间之后采用开关调节器(例如，包括PWM电路)以控制流经SSL单元的电流，从而在调光期间提供平滑启动以及高分辨率。
通常，根据一个方面，一种用于提供固态照明(SSL)负载深度调光的系统，包括滞后下变频器、分流开关以及控制器。滞后下变频器连接在输入电源和SSL负载之间，并且滞后下变频器被配置为采用幅度调制(AM)调光控制来控制流经SSL负载的SSL电流的平均电流值和纹波的幅值。分流开关与SSL负载并联连接，并且分流开关被配置为采用脉宽调制(PWM)调光控制来控制SSL电流的幅值。控制器被配置为基于SSL电流和SSL负载两端的电压产生第一和第二数字控制信号以分别控制该滞后下变频器运行的高电流电平和低电流电平，并且基于由调光器设置的SSL负载的调光水平产生第三数字控制信号以控制分流开关的操作。至少当调光水平被设置为低于不管是采用单独的AM调光控制或PWM调光控制都不可能实现的低阈值时，该SSL电流基于由滞后下变频器的AM调光控制以及由分流开关的PWM调光控制二者。
根据另一方面，一种用于提供发光二极管(LED)串的深度调光的系统，包括连接在输入电源和LED串之间的滞后下变频器，该滞后下变频器包括可操作用于控制流经LED串的LED电流的幅值和纹波的第一开关。该系统进一步包括与LED串并联连接的第二开关以及控制器，该第二开关被配置为控制LED电流的脉宽调制(PWM)，该控制器被配置为产生第一和第二PWM信号以用于经由滞后下变频器分别控制LED电流的上幅值峰值和下幅值峰值，并且还被配置为基于调光水平产生第三PWM信号经由第二开关同时控制LED电流的PWM占空比。该系统进一步包括比较器电路，该比较器电路被配置为将对应于第一和第二PWM信号的第一和第二模拟信号与LED电流进行比较，并且响应于该比较来驱动第一开关。
根据另一方面，提供一种用于由滞后下变频器和分流开关操作的LED串深度调光的系统，该滞后下变频器连接在LED串和输入电源之间，该分流开关与LED串并联连接。其包括控制器，该控制器被配置为当调光水平被设置为低于已经不能仅通过滞后下变频器和分流开关分别控制LED电流的上幅值峰值和下幅值峰值或者控制LED电流的占空比来实现的阈值时，产生第一和第二脉宽调制(PWM)信号以用于经由滞后下变频器分别控制流经LED串的LED电流的上幅值峰值和下幅值峰值，以及基于调光水平产生第三PWM信号来同时控制分流开关的操作以提供流经LED串的LED电流的占空比。
出于公开的目的，这里使用的术语“LED”应当被理解为包括任何电致发光二极管或者其他类型的能够响应于电信号产生辐射的基于载流子注入/结的系统。由此，术语LED包括但不限于各种能够响应于电流而发光的基于半导体的结构、发光聚合物、有机发光二极管(OLED)、电致发光带等等。特别的，术语LED涉及所有类型的发光二极管(包括半导体以及有机发光二极管)，其可被配置为产生红外光谱、紫外光谱以及可见光光谱(通常包括从大约400毫微米至大约700毫微米的辐射波长)的各种部分的一个或多个辐射。LED的一些示例包括但不限于各种类型的红外线LED、紫外线LED、红光LED、蓝光LED、绿光LED、黄光LED、琥珀色光LED、橙光LED以及白光LED(下面将进一步探讨)。还应该理解，LED可被配置和/或控制为对于给定光谱(例如，窄带宽、宽带宽)可产生具有各种带宽(例如，半高全宽(FWHM))的辐射以及各种给定通用颜色分类中的主波长。
例如，被配置为产生大致白光的LED(例如，白光LED)的一个实施方式可包括分别发出不同的电致发光光谱的多个管芯，组合的电致发光光谱混合形成大致白光。在另一个实施方式中，白光LED可与荧光材料结合起来，该荧光材料将具有第一光谱的电致发光转换成不同的第二光谱。在该实施方式的一个示例中，具有相对短波长以及窄带宽光谱的电致发光“泵浦”荧光材料，其转而发出具有相对宽一些的光谱的更长波长的辐射。
还应当理解，术语LED不限制LED的物理和/或电气封装类型。例如，如上所述，LED可以指具有被配置为分别发出不同辐射谱(例如，其可以或者不可以单独控制)的多个管芯的单个发光器件。另外，LED可与被认为是LED(例如，某些类型的白光LED)整体中的一部分的荧光材料相结合。通常，术语LED可以指封装LED、未封装LED、表面安装LED、板载芯片LED、T封装装配LED、径向封装LED、功率封装LED、包括某些类型包装和/或光学元件(例如，漫射透镜)的LED等。
术语“光源”应当被理解为指各种辐射源中的任意一种或多种，各种辐射源包括但不限于基于LED的光源(包括一种或多种如上定义的LED)、白炽光源(例如，白炽灯、卤素灯)、荧光光源、磷光光源、高强度放电光源(例如，钠蒸汽灯、汞蒸气灯以及金属卤素灯)、激光、其他类型的电致发光光源、火光光源(例如火焰)、烛光源(例如，气灯罩、碳弧辐射源)，光致发光光源(例如气体放电光源)、采用电子饱和的阴极发光光源、化学电流发光光源、结晶发光光源、显像管发光光源、热致发光光源、摩擦发光光源、声致发光光源、辐射发光光源以及发光聚合物。
在这里使用的术语“照明灯具”或“照明体”指代在特定外形规格、组件或封装中的一个或多个照明单元的实施方式或布置。在这里使用的术语“照明单元”指代包括一个或多个相同或不同类型光源的装置。一个给定的照明单元可具有多种用于光源的装配布置、封装/外壳布置和形状、和/或电气和机械连接配置中的任何一种。另外，给定照明单元可以选择性地与关联光源操作的各种其他部件(例如，控制电路)相结合(例如，包括、耦合至和/或一起封装)。“基于LED的照明单元”指包括单独的一个或多个如上所述的基于LED的光源、或与其他非基于LED光源相结合的照明单元。“多通道”照明单元指基于LED或非基于LED的照明单元，该照明单元包括至少两个配置为分别产生不同辐射光谱的光源，其中每个不同的光源光谱被称为多通道照明单元的“通道”。
这里所使用的术语“控制器”通常用于描述涉及一个或多个光源操作的各种装置。控制器可通过多种方式实现(例如，采用专用硬件)以完成这里所讨论的各种功能。“处理器”是控制器的一个示例，其采用使用软件(例如，微代码)编程的一个或多个微处理器来完成这里所讨论的各种功能。控制器可采用或者不采用处理器来实现，也可以实施为执行某些功能的专用硬件以及执行其他功能的处理器(例如，一个或多个编程的微处理器及其相关电路)的组合。可以在本公开内容的实施例中采用的控制器组件的示例包括但不限于常规的微处理器、专用集成电路(ASIC)以及现场可编程门阵列(FPGA)。
在各种实施例中，处理器或控制器可与一个或多个存储介质(通常在这里被称为“存储器”，例如，易失性或非易失性计算机存储器，例如随机存取存储器(RAM)，可编程只读存储器(PROM)，电可编程只读存储器(EPROM)，电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)，软盘，高密度磁盘，光盘，磁带等)相结合。在一些实施例中，存储介质可用一个或多个程序编码，当程序在一个或多个处理器和/或控制器上执行时，可执行在这里讨论的至少一些功能。各种存储介质可固定在处理器或控制器中，或者也可为可传输的，由此在其上存储的一个或多个程序可装载入处理器或控制器从而实现本发明在这里讨论的各个方面。在这里使用的术语“程序”或“计算机程序”一般意义上指的是任何类型的可用以对一个或多个处理器或控制器进行编程的计算机代码(例如，软件或微代码)。
应当理解，前述各概念以及在下面将详细讨论的附加概念(只要这些概念不相互矛盾)的所有组合可被认为是这里所公开的发明主题的一部分。特别地，本公开内容末尾出现的要求保护的主题的所有组合被认为是这里所公开的发明主题的一部分。还应当意识到，这里明确采用、并会出现在通过引用作为参考的任意公开文献中的术语，应赋予与这里公开的特定概念最一致的含义。
附图说明
在附图中，相似的附图标记贯穿所有不同的视图通常指代相同的部件。另外，附图不一定按比例绘制，而是通常将重点放在阐明本发明的原理。
图1是示出根据代表性实施例的用于固态照明单元的调光调节电路的方框图。
图2是示出根据代表性实施例的用于固态照明单元的调光调节电路的电路图。
图3是示出根据代表性实施例的固态照明单元的电流随时间的曲线图。
具体实施方式
如上所述，申请人认识并且领会到拥有针对大空间的(例如剧场照明单元)、可控地具有深度调光能力的固态照明系统将是有利的。
如前所述，本发明的各种实施例和实施方式都涉及调光调节器，其在具有离线式通量反馈的SSL照明系统中具有全部软件可编程的滞后下变频器和PWM分流开关。控制器选择性的经由滞后下变频器和PWM分流开关同时实施AM调光控制和PWM调光控制，以实现不可能通过单独的调光控制方法获得的低调光水平。相应的，滞后下变频器和PWM分流开关提供可完全调节的输出电流纹波、平均输出电流和PWM占空比。由于有可能选择性的结合AM和PWM调光控制，则能够实现对到LED照明单元的电流的完全控制，该调光控制能够实现极低的调光水平，例如，每通道可低至0.02％左右。
另外，需要用于反馈(例如通量反馈)的光测量仅在下变频器的启动期间执行。光测量值在光源的正常操作期间被用于反馈计算，在此期间不需要执行额外的测量。例如，光测量值可在启动时被用于调节各种LED串颜色的色坐标和通量输出。然后该色坐标和通量输出可在LED串的正常操作期间使用，由此在操作期间不再动态调整。该过程可被称为前馈操作。反馈的实施不会限制PWM模式或频率，否则就将限制调光水平的低端值。
图1是示出根据代表性实施例的用于固态照明单元的调光调节电路的方框图。
参考图1，SSL调光调节电路100包括滞后下变频器110，比较器电路120，分流开关电路130，SSL负载140以及控制器150。滞后下变频器110串联连接在提供供电电压VIN的电压源和SSL负载140之间，SSL负载140例如可为一个或多个串联连接的LED单元。在控制器150和比较器电路120的控制之下，滞后下变频器110被配置为采用幅度调制(AM)调光控制来控制流经SSL负载140的电流的纹波幅值。
在各种实施例中，控制器150输出与流经SSL负载140的电流纹波的高峰值(AM高)和低峰值(AM低)对应的第一和第二AM调光控制信号。比较器电路120将每个第一和第二AM调光控制信号与流经SSL负载140的实际(平均)电流相比较，并且响应于该比较提供门驱动信号以控制滞后下变频器110的操作。结果，滞后下变频器110能够动态调节其内部切换，其转而调节由滞后下变频器110输出并且(根据需要)流经SSL负载140的电流，由此将AM调光控制维持在由控制器110设置的期望参数中。门驱动信号可经由控制器150调节从而与在正常操作期间设置或调节的调光水平的变化相适应。由此，滞后下变频器110被配置为在控制器150的控制下采用AM调光控制来控制流经SSL负载140的电流纹波。
分流开关电路130与SSL负载140并联连接，并且选择性地被激活以产生诸如PWM信号的数字信号，其也用于控制流经SSL负载140的电流。数字信号的占空比由控制器150可调节以在正常操作期间适应调光水平的变化。即，控制器150可动态调节控制分流开关电路130的内部切换的门驱动信号，从而与在正常操作期间设置或调节的调光水平的变化相适应。由此，分流开关电路130被配置为在控制器150的控制下采用PWM调光控制来控制流经SSL负载140的电流的幅值。
例如，控制器150可以是专用于操作包括代表性的SSL负载140的一个或多个SSL负载的微控制器。控制器150可通过例如IIC或SPI控制接口连接至中央控制器(未示出)。中央控制器可控制SSL调光调节电路100，以及具有相同或相似配置的附加的SSL调光调节电路(未示出)，以协调整个系统的操作。例如，中央控制器可以是用于舞台照明控制的DMX控制器，其按照EIA-485协议进行操作。
在各种实施例中，控制器150产生调光设定点信息，或者可替换的，接收外部(例如由中央控制器)产生的调光设定点信息。调光设定点信息指示将由控制器基于各种因素实施的调光水平，各种因素包括调光设置和来自SSL负载140的反馈。例如，控制器150和/或中央控制器可接收来自SSL负载140的光通量反馈和/或温度测量，并且至少部分基于这一反馈确定调光设定点信息。另外，在各实施例中，例如，控制器150和/或中央控制器可仅在滞后下变频器110的启动期间接收某些测量，从而在SSL负载140正常操作期间不存在PWM占空比的限制。如果调光设定点由中央控制器确定，则可包括在其控制下的来自附加的SSL负载和/或调光调节电路的反馈。
图2是示出根据代表性实施例的用于固态照明单元的调光调节电路的电路图。图3是示出了根据代表性实施例的由固态照明单元提供的电流随时间的曲线图。特别的，如下文所讨论的，图3描绘了流经图2的LED串240的电流ILED。为了清楚起见，图2没有示出各种配套电路，如保护电路、电源电路、滤波电路等等。
参考图2，SSL调光调节电路200包括滞后下变频器210，比较器电路220，分流开关电路230，SSL负载240以及控制器250。滞后下变频器210可以例如是同步降压转换器，并且串联连接在电压源201和LED串240之间。电压源201提供供电电压VIN(例如，24V或48V左右)以用于向SSL调光调节电路200的至少一部分电路供电。LED串240包括一个或多个串联连接的LED(由代表性的LED241和242指示)。如上关于滞后下变频器110的讨论，在控制器250和比较器电路220的控制下，滞后下变频器210被配置为采用幅度调制(AM)调光控制来控制流经LED串240的LED电流ILED的纹波，下文对此进行了讨论。
在所描述的实施例中，滞后下变频器210包括开关211、电感214和二极管215。开关211连接在电压源201和第一节点N1之间。开关211响应于如下所述的来自比较器电路220的控制信号，经由驱动信号GD211由门驱动器217进行操作，从而控制由滞后下变频器210输出的流经电感214的电感电流IL。开关211可为场效应晶体管(FET)，例如金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)或者砷化镓场效应晶体管(GaAsFET)。当然，也可采用各种其他类型的开关和/或晶体管而不会偏离本发明教导的范围。在各种实施方式中，滞后下变频器210可包括一个或多个由门驱动器217操作的额外的开关，该额外的开关可用于控制附加输出电流。例如，二极管D215可被开关所替代以提高效率。
电感214连接在第一节点N1和第二节点N2之间，第二节点N2对应于LED串240和分流开关电路230的输入。二极管215具有连接至第三节点N3的阳极和连接到第一节点N1的阴极，由此使得当开关211断开(例如，FET关断)时电感电流IL持续流经电感214，从而产生纹波效应。滞后下变频器210还可包括位于节点N2和节点N3之间的滤波电容(未示出)。图3描绘了说明性的LED电流ILED，ILED响应于开关211的操作而具有带高幅值峰值和低幅值峰值的纹波(由时间t1和t2处的AM高和AM低指示)。
分流开关电路230包括与LED串240并联连接的开关231，并且选择性地被激活以产生用于进一步控制流经LED串240的电流ILED的PWM信号。如下文所讨论的，开关231响应于来自控制器250的控制信号由门驱动器237经由驱动信号GD231进行操作。通常，驱动信号GD231具有高信号电平和低信号电平(例如，与下文所讨论的第三PWM控制信号PWM3的高信号电平和低信号电平对应)，其中高信号电平导致开关231闭合(例如，导通相应的晶体管)并且低电平导致开关231断开(例如，关断相应的晶体管)。开关231例如可为FET，诸如MOSFET或GaAsFET。当然，也可采用各种其他类型的开关和/或晶体管而不会偏离本发明教导的范围。
由此，开关231的操作提供PWM信号的占空比，其根据由调光器(未示出)设置的调光水平来驱动LED串240。换句话说，占空比确定了流经LED串240的LED电流ILED的幅值。例如，如由控制器250和/或中央控制器确定的，PWM信号响应于高调光设置(例如，提供少量的调光)而具有高占空比，并且PWM信号响应于低调光设置(例如，提供大量的调光)而具有低占空比。图3描绘了具有响应于开关231的操作的PWM信号的示例性LED电流ILED，其中在时间t1和t3之间存在脉宽PW，并且在时间t1和t4之间存在占空比的周期T。
当然，PWM信号的占空比可以根据由控制器250接收到的或确定的调光设定点变化。例如，第二开关241响应于较高的调光设定点产生具有较长脉宽(较长占空比)的PWM信号，并且响应于较低的调光设定点产生较短脉宽(较短占空比)的PWM信号。由此，响应于较大脉宽，流经LED串240的LED电流ILED增加，从而导致较高的光输出水平，并且响应于短脉宽，流经LED串240的LED电流ILED减小，导致较低的光输出水平。
控制器250通过选择性地激活以及控制各种控制信号来控制滞后下变频器210、比较器电路220以及分流开关电路220。另外，控制器250可通过控制接口(例如，IIC或SPI控制接口等，如上针对控制器150所讨论的)继而在中央控制器(未示出)的控制之下操作。
在描绘的实施例中，控制器250输出第一PWM控制信号PWM1和第二PWM控制信号PWM2至比较器电路220，并且输出第三PWM控制信号PWM3至分流开关电路230的门驱动器237。第一PWM控制信号PWM1和第二PWM控制信号PWM2确定由滞后下变频器210提供给LED串240的电流的平均电流值和纹波的幅值。换句话说，第一PWM控制信号PWM1和第二PWM控制信号PWM2用于设定AM低信号和AM高信号以分别确定滞后下变频器210操作时的低电流电平和高电流电平，以及在LED电流ILED中的纹波的低电流峰值和高电流峰值。第三PWM控制信号PWM3用于设定由分流开关231操作产生的PWM信号的占空比，其确定流经LED的LED电流ILED的大小。在各种实施例中，第一PWM控制信号PWM1和第二PWM控制信号PWM2具有相对高的频率(例如，在约20kHz和约100kHz之间)并且第三PWM信号PWM3具有相对低的频率(例如，在约1kHz和约20kHz之间)。而且，第三PWM控制信号PWM3例如可由多路复用器255与外部选通信号混合以将门驱动器237与其他分流开关和相应的LED串的门驱动器进行同步(例如，其可在中央控制器的控制下与SSL调光调节电路200同时进行操作)。
控制器250还接收各种反馈信号以确定和产生第一至第三PWM控制信号PWM1-PWM3。在描绘的实施例中，控制器250接收通过运算放大器256由传感电阻247测得的LED电流ILED，并且接收通过运算放大器257来自第二节点N2的LED电压ULED。例如，运算放大器256和257提供信号调节，其可通过各种替代方式实施，例如电压分压器，其为本领域普通技术人员所公知。同时，在各种实施例中，控制器250产生驱动使能信号，其由加法器253与来自LED串240的LED电流ILED混合从而关断和/或启用滞后下变频器210。
如上所述，控制器250可由硬件、固件或软件架构的任意组合构成而不会偏离本发明教导的范围。同时，在各种实施例中，控制器250可包括它自己用于存储软件/固件的可执行代码的存储器(例如，非易失性存储器)，该可执行代码允许它执行SSL调光调节电路200的各种功能。例如，可执行代码可包括用于接收反馈信号的代码、用于计算或者接收调光设定点的代码、用于确定和产生第一至第三PWM控制信号PWM1、PWM2和/或PWM3的代码等等。可替换的，该可执行代码可存储在独立的ROM和/或RAM中指定的存储位置。ROM可包括任意数量、类型以及例如PROM、EPROM、EEPROM等实体计算机可读存储介质的组合。在各种实施例中，控制器250可实施为微控制器、ASIC、FPGA、微处理器(例如，ARM Cortex M3微控制器)等，。
在描绘的实施例中，比较器电路220包括数模转换器(DAC)221，第一和第二比较器222和223以及触发器224。在描绘的实施例中，第一和第二比较器222和223可由运算放大器实施，并且触发器224可由复位-置位(RS)触发器实施，但是本领域普通技术人员公知其也可包含其他类型的比较器和/或触发器(或锁存器)。DAC 221接收来自控制器250的数字第一和第二PWM控制信号PWM1和PWM2，并且分别输出相应的模拟信号AM低和AM高。在可替代的实施例中，DAC 221可包含在控制器250中，在这种情况下，由控制器250输出对应于第一PWM控制信号PWM1和第二PWM控制信号PWM2的模拟AM低和AM高信号(与第一PWM控制信号PWM1和第二PWM控制信号PWM2本身相反)。
模拟信号AM低和AM高分别与LED电流ILED相比较，并且基于这些比较产生数字控制信号以驱动滞后下变频器210的门驱动器217，由此影响开关211的操作和电感电流IL。通常，门驱动器217提供具有高信号电平和低信号电平的驱动信号GD211，其中高信号电平导致开关211闭合(例如，导通相应的晶体管)并且低电平导致开关211断开(例如，关断相应的晶体管)。
例如，在各种实施例中，AM低信号被输入至第一比较器222的负输入端并且LED电流ILED被输入至第一比较器222的正输入端，并且AM低比较信号由第一比较器222输出至触发器224的置位输入端S。同时，AM高信号被输入至第二比较器223的负输入端并且LED电流ILED被输入至第二比较器223的正输入端，并且AM高比较信号由第二比较器223输出至触发器224的复位输入端R。通常，当AM低比较信号变换为高值时，表明LED电流ILED到达纹波的最低值，触发器224的置位输入端S被占位，强迫从Q输出端输出的数字控制信号为高。当AM高比较信号变换为高值时，表明LED电流ILED到达纹波的最高峰值电流，触发器224的复位输入端R被占位并且Q输出端被强迫为低，从而断开输入电压源并且使得电流依惯性自由(free-wheel)通过二极管215，并且因此降低电流。
例如，当LED电流ILED比AM低信号小或者比AM高信号大时，门驱动器217使得开关211断开(例如，断开相应的晶体管)，暂时将电压源201从LED串240移除，从而导致经由二极管215流经LED串240的LED电流ILED缓慢降低，如在图3的时间t1和t4开始的LED电流ILED的纹波效应示出。例如，纹波效应可发生在约100kHz的频率，并且例如，纹波效应的高峰值(例如，在时间t1)和低峰值(例如，在时间t2)之间的差值可为约100mA。在整个LED串230的正常操作期间，取决于纹波的期望AM低、AM高以及频率参数，开关211以不同的间隔在闭合和断开状态之间循环。
在各种实施例中，滞后下变频器210可包括另一开关。在这种情况下，触发器224可被配置为采用来自Qn输出端输出的数字控制信号经由门驱动器217同时控制该另一开关。
SSL调光调节电路200的操作参考图2和图3进行描述。在一个实施例中，控制器250例如通过IIC控制接口接收来自中央控制器的调光设定点信息。该调光设定点信息可基于用户输入和/或来自电路的反馈确定，并且通常指示了所需的平均电流值(例如，作为最大值的百分比以反映调光水平)。例如，在舞台或剧场设置中，用户的输入可由中央控制器通过DMX接口接收。例如，反馈可包括通过相应的传感器获得的光通量反馈信息和温度信息。在各种实施例中，中央控制器可通过综合控制面板控制多个SSL调光系统，例如调光调节电路200。各种调光系统可由中央控制器设置为不同的调光水平以实现期望的包括亮度和颜色变化的照明效果。在如上所述的可替换的实施例中，控制器250自身可基于它直接接收到的或者通过中央控制器接收到的用户输入和/或反馈产生调光设定点，而不会偏离本发明教导的范围。
基于调光设定点信息与电路中的测量和软件中滞后变频器210的模型的组合，控制器250计算第一和第二PWM控制信号PWM1和PWM2的值用于控制滞后下变频器210的操作，以及计算第三PWM控制信号PWM3用于控制分流开关电路230的操作。例如，如上所述，该测量可包括接收来自LED串240的LED电压ULED和LED电流ILED。在各种实施例中，该测量还可包括测得的输入电压VIN和/或LED串240的温度用于额外提高精度。
采用标准设计公式计算控制信号值以用于控制下变频器。例如，可采用连续模式的步进下变频器，其中电感214两端的电压VL由如下公式(1)指出：
V L = L dI L dt - - - ( 1 )
当滞后变频器210的开关211闭合(导通)和断开(关断)时，电感电流IL的值确定LED电流ILED的纹波和平均值。开关211导通时的电感电流IL(ILon)由如下公式(2)示出，开关211关断时的电感电流IL(ILoff)由如下公式(3)示出：
Δ I Lon = ∫ 0 t on V L L dt = ( V i - V o ) · t on L - - - ( 2 )
Δ I Loff = ∫ 0 t off V L L dt = V o · t off L - - - ( 3 )
当然，可采用各种其它设计公式来计算控制信号值以控制下变频器，而不会偏离本发明教导的范围。
如上所述，第一和第二PWM控制信号PWM1和PWM2用于确定由根据AM调光控制的滞后下变频器210提供的电流纹波的上峰值和下峰值(AM低和AM高)。第三PWM控制信号PWM3用于确定占空比，分流开关电路230将根据PWM调光控制以该占空比进行操作。控制器250由此能够同时执行LED串240的AM调光控制和PWM调光控制。通过结合AM调光控制和PWM调光控制，控制器250能够增加单独由AM调光控制或者PWM调光控制所能实现的调光范围要大的调光范围。换句话说，通过结合AM和PWM调光控制，LED串240的低端光输出水平可被调节为低于单独采用AM调光控制或PWM调光控制所能实现的阈值。
例如，在图2所示的配置中，仅采用AM调光控制所能实现的调光范围为约100％(没有调光)至约4％(最小调光)，而仅采用PWM调光控制所能实现的调光范围为约100％至约0.5％。但是，根据各种实施例，通过结合AM调光控制和PWM调光控制，SSL调光调节电路200的调光范围为约100％至约0.02％。
根据各种实施例，可灵活地实施AM和PWM调光控制以适应应用的特定要求。例如，控制器250可被编程为对于调光设定点在约100％至约1％之间时仅执行PWM调光控制，对于调光设定点低于约1％时执行AM和PWM组合调光控制，从而将调光范围延伸低至约0.02％。类似的，控制器250可被编程为对于调光设定点在约100％至约4％之间时仅执行AM调光控制，对于调光设定点低于约4％时执行AM和PWM组合调光控制，从而将调光范围延伸低至约0.02％。同样的，仅当LED串240需要更精细的照明控制水平的时间期间内，可选择性地执行AM调光控制或者PWM调光控制。
电流纹波的上峰值和下峰值确定了滞后下变频器210的平均输出电流(例如，电感电流IL)，以及流经LED串240的平均LED电流ILED。在一个实施例中，控制器250进一步执行优化算法，其计算纹波最小化时的最优上电流峰值和下电流峰值，并且保证其所产生操作频率处于滞后下变频器210的安全操作区域内。例如，安全操作区域可由低端的声频以及控制器250和开关211、231可在高端安全操作的最大频率所限制。
根据各种实施例，SSL调光调节电路200将执行极深度调光。同时，存在完全控制操作频率，因此可消除由于分流开关231闭合时低于约20kHz的频率的声频噪声。分流开关231的相对高频(例如，大于约15kHz)的PWM占空比也可能不产生声频噪声、可视闪烁或者相机干扰。同时，可不依赖输入电压VIN以及LED正向电压而精确控制LED电流ILED。
当然，为任何特定的场合或为了满足各种实施的应用特定设计需求，可改变图2的各种组件的值，例如输入电压VIN、电感214以及电阻247以提供独特的益处，这对于本领域技术人员来说是清楚的。
可采用各种实施例对设计用于工作室、剧场、建筑照明(城市美化)、商店以及酒店(例如，旅馆、餐馆)或者其他大型或者开放场所的SSL照明引擎进行供电。相应的，可采用彩色光，特别是对于场景设置或者气氛渲染重要的场合。常规地，这将通过白光源与滤色器的繁琐组合实现。不同于这些常规系统，根据这里描述的实施例所实施的具有多色彩LED的系统可用于在各种调光水平下产生各种颜色而不需要滤色器。这将具有效率优势，并且更为重要的是，色彩可由电子器件改变，因而不需要变换滤色器并且总能获得所有色彩。具备电子调节色彩使各种自动编程方法能够得以运用。同时，由于不存在滤色器，供给和维护变得简单。例如，不存在要移除和更换的滤色器，并且由于不存在更换滤色器以引入色彩变化，则一致性地提供了色彩。
这里虽然描述和示例了多种本发明实施例，本领域普通技术人员仍可想到多种其他方式和/或结构来执行这里所描述的功能和/或得到上述结果和/或一个或多个益处，并且每个这样的变型和/或修改被认为是落入这里所描述的本发明实施例的范围内。更一般而言，本领域技术人员容易理解，这里所描述的所有参数、尺寸、材料以及配置仅仅为示例性的，并且实际参数、尺寸、材料和/或配置将依赖于使用本发明教导所针对的具体应用。本领域技术人员可以认识到或者仅采用常规实验能够确定这里所描述的具体发明实施例的多个等效替代。由此，应当理解前述实施例仅通过示例的方式呈现，并且在附加的权利要求及其等效替代的范围内，可与这里具体描述和要求的不同方式来实践发明的实施例。本公开内容的发明实施例涉及这里所描述的每个单独的特征、系统、物品、材料、套件和/或方法。另外，如果这些特征、系统、物品、材料、套件和/或方法不相互排斥，那么两个或多个这些特征、系统、物品、材料、套件和/或方法的任何组合都包括在本公开内容的发明范围之内。
这里所限定和使用的所有定义应当被理解为涵盖字典定义、作为参考结合的文献的定义和/或定义术语的通常含义。
这里在说明书和权利要求中所使用的不定冠词“一”或“一个”，应当被理解为“至少一个”，除非另有清楚的相反指示。
这里在说明书和权利要求中所使用的短语“和/或”应当被理解为所连接元件的“任意一个或者两个”，即，在某些情况中结合出现的元件以及在其他情况中分开出现的元件。采用“和/或”列出的多个元件应当采用同样的方式解释，即所连接元件的“一个或多个”。除了由“和/或”句子的具体标识的元件之外，其他元件可以可选地存在，而不论其他元件与这些具体标识的元件相关或者不相关。由此，作为非限制性示例，当与开放式语言例如“包括”一起使用时，“A和/或B”在一个实施例中可表示仅指A(可选地包括除了B的元件)；在另一个实施例中可仅指B(可选地包括除了A的元件)；在另一实施例中可指A和B二者(可选地包括其他元件)等。
如这里说明书和权利要求书中所使用的，涉及一个或多个元件列表的短语“至少一个”，应当被理解为意指从元件列表中的任何一个或者多个元件中选取的至少一个元件，但是不必要包括元件列表中所具体列举的逐个元件的至少一个，并且不排除元件列表中的元件的任何组合。该定义还允许除了在短语“至少一个”涉及的元件列表中的具体标识的元件之外可选择性的存在其他元件，而不论与这些具体标识的元件相关或者不相关。由此，作为非限制性示例，“A和B中的至少一个”(或者，等效的，“A或B中的至少一个”，或者，等效的，“A和/或B中的至少一个”)，在一个实施例中可指代至少一个A，可选地包括一个以上的A，而不存在B(并且可选地包括除了B的元件)；在另一实施例中可指代至少一个B，可选地包括一个以上的B，而不存在A(并且可选地包括除了A的元件)；在另一个实施例中可指代可选地包括一个以上A的至少一个，以及可选地包括一个以上B(并且可选地包括其他元件)的至少一个，等。
还应当理解，除非清楚的相反指示，这里所要求的包括一个以上的步骤或动作、步骤或动作的顺序的任何方法不必限于所记载的该方法的步骤或动作的顺序。同时，权利要求中圆括号之间出现的任何附图标记或其他字符仅出于便利性的目的提供而并不意以任何形式来限定权利要求。
在上述说明书以及权利要求中，所有过渡性短语例如“包含”、“包括”、“承载”、“具有”、“容纳”、“涉及”、“持有”、“组成”等应当被理解为开放式的，即意味着包括但不限于。仅过渡性短语“由…构成”和“实质由…构成”应分别是封闭或半封闭的过渡性短语。

Claims (20)

1.一种用于提供固态照明(SSL)负载的深度调光的系统，所述系统包括：
滞后下变频器，其连接在输入电源和所述SSL负载之间，所述滞后下变频器被配置为采用幅度调制(AM)调光控制来控制流经所述SSL负载的SSL电流的平均电流值和纹波幅值；
分流开关，其与所述SSL负载并联连接，所述分流开关被配置为采用脉宽调制(PWM)调光控制来控制所述SSL电流的大小；以及
控制器，其被配置为基于所述SSL电流和所述SSL负载两端的电压产生第一数字控制信号和第二数字控制信号来分别控制所述滞后下变频器运行的高电流电平和低电流电平，并且基于由调光器设置的所述SSL负载的调光水平产生第三数字控制信号来控制所述分流开关的操作，
其中，至少在所述调光水平被设置为低于单独由AM调光控制或PWM调光控制都无法实现的较低阈值时，所述SSL电流为基于由所述滞后下变频器执行的所述AM调光控制和由所述分流开关执行的所述PWM调光控制。
2.权利要求1所述的系统，进一步包括：
比较器电路，其被配置为将对应于所述第一数字控制信号和第二数字控制信号的第一模拟信号和第二模拟信号与SSL电流进行比较，并且响应于所述比较驱动所述滞后下变频器。
3.权利要求2所述的系统，其中所述比较器电路包括：
数模转换器，配置为将第一数字控制信号和第二数字控制信号转换成对应的第一模拟信号和第二模拟信号；
第一比较器，配置为比较所述第一模拟信号与来自所述SSL负载的所述SSL电流；
第二比较器，配置为比较所述第二模拟信号与来自所述SSL负载的所述SSL电流；以及
门驱动器，配置为响应于来自所述第一和第二比较器的输出而选择性地激活所述滞后下变频器的至少一个晶体管。
4.权利要求2所述的系统，其中所述第一数字控制信号和第二数字控制信号确定由所述滞后下变频器提供给所述SSL负载的电流的所述平均电流值和所述纹波幅值。
5.权利要求4所述的系统，其中所述第一数字控制信号和第二数字控制信号最优化由所述滞后下变频器提供的所述平均输出电流的纹波。
6.权利要求4所述的系统，其中由所述分流开关执行的PWM控制的占空比、由所述滞后下变频器提供的所述平均输出电流以及由所述滞后下变频器提供的所述平均输出电流的所述纹波是完全可调节的。
7.权利要求1所述的系统，其中所述控制器接收来自中央控制器的调光设定点信息，指示由所述调光器设定的所述调光水平。
8.权利要求7所述的系统，其中所述中央控制器确定所述调光设定点信息是基于来自所述SSL负载的光通量反馈、温度和用户输入中的至少一个。
9.权利要求1所述的系统，其中所述控制器产生指示所述调光器设定的所述调光水平的调光设定点信息。
10.权利要求9所述的系统，其中所述控制器产生所述调光设定点信息是基于来自所述SSL负载的光通量反馈、温度和用户输入的至少一个。
11.权利要求1所述的系统，进一步包括：
多路复用器，配置为多路复用所述第三数字控制信号和外部选通信号以将所述分流开关的操作与至少一个其他分流开关进行同步。
12.权利要求2所述的系统，其中所述第一、第二和第三数字控制信号分别包括第一、第二和第三PWM信号。
13.权利要求12所述的系统，其中控制器包括所述滞后下变频器的软件模型并且通过至少将所述SSL电流和所述SSL负载两端的电压应用到所述软件模型来产生所述第一和第二PWM信号。
14.权利要求13所述的系统，其中控制器通过进一步将输入电压和温度中的至少一个应用到所述软件模型来产生所述第一和第二PWM信号。
15.权利要求1所述的系统，其中所述控制器进一步基于所述输入电源的电压来产生所述第一和第二数字控制信号。
16.权利要求2所述的系统，其中所述滞后下变频器包括串联连接在输入电源和所述SSL负载之间的开关和电感，以及连接在接地电压和所述电感之间的二极管。
17.权利要求16所述的系统，其中流经所述SSL负载的所述SSL电流的幅值和纹波通过所述滞后下变频器中的开关的操作是可调节的。
18.一种用于提供发光二极管(LED)串的深度调光的系统，所述系统包括：
滞后下变频器，其连接在输入电源和所述LED串之间，所述滞后下变频器包括可操作以控制流经所述LED串的LED电流的幅值和纹波的第一开关；
第二开关，与所述LED串并联连接，所述第二开关被配置为控制所述LED电流的脉宽调制(PWM)；
控制器，配置为产生第一和第二PWM信号以经由所述滞后下变频器分别控制所述LED电流的上幅值峰值和下幅值峰值，并且基于调光水平产生第三PWM信号以经由所述第二开关同时控制所述LED电流的所述PWM的占空比；以及
比较器电路，配置为将对应于所述第一和第二PWM信号的第一和第二模拟信号与所述LED电流进行比较，并且响应于所述比较驱动所述第一开关。
19.权利要求18所述的系统，其中所述比较器电路包括：
数模转换器，配置为将所述第一和第二PWM信号转换成对应的所述第一和第二模拟信号；
第一比较器，配置为比较所述第一模拟信号与来自所述LED串的所述LED电流；
第二比较器，配置为比较所述第二模拟信号与来自所述LED串的所述LED电流；以及
门驱动器，配置为响应于来自所述第一和第二比较器的输出选择性地激活所述滞后下变频器的至少一个晶体管。
20.一种用于提供发光二极管(LED)串的深度调光的系统，所述发光二极管(LED)串由连接在所述LED串和输入电源之间的滞后下变频器以及与所述LED串并联连接的分流开关操作，所述系统包括：
控制器，配置为当调光水平被设置为低于分别单独通过所述滞后下变频器和所述分流开关来控制所述LED电流的上幅值峰值和下幅值峰值或者所述LED电流的占空比都无法实现的阈值时，产生第一和第二脉宽调制(PWM)信号以经由所述滞后下变频器分别控制流经所述LED串的所述LED电流的上幅值峰值和下幅值峰值，以及基于调光水平产生第三PWM信号以用于同时控制所述分流开关的操作来提供流经所述LED串的所述LED电流的占空比。
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