CN102934521B

CN102934521B - 用于led驱动器的电流感测装置

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Publication number: CN102934521B
Application number: CN201180028488.3A
Authority: CN
Inventors: S·哈里哈兰
Original assignee: Maxim Integrated Products Inc
Current assignee: Maxim Integrated Products Inc
Priority date: 2010-06-10
Filing date: 2011-06-10
Publication date: 2016-01-20
Anticipated expiration: 2031-06-10
Also published as: CN102934521A; US20110304276A1; US8912732B2; WO2011156691A1

Abstract

本发明的实施例提供了一种系统和方法，用于借助感测通过开关晶体管的电流，并基于在通过所述开关晶体管的电流与驱动LED的电流之间的关系提取LED电流的信息，来确定驱动LED的电流的量值。

Description

用于LED驱动器的电流感测装置

技术领域

本发明涉及功率变换，及相应的设备和系统，其感测电流并调整传递到负载的调节电流。更具体地，本发明的某些实施例涉及在发光二极管（下文中的“LED”）系统内的功率变换，所述系统感测开关/感测节点上相对低的电流并将这个感测电流与传递到LED串的调节高电流的量相关联。

背景技术

本领域技术人员现在认知并认可了LED在当前照明系统中的益处和广泛适用性。许多年来，基于卤素的灯是在照明系统内实现的主要光源。过去几年中随着LED技术的发展，LED相对于卤素灯的优势日益显著。在与卤素灯相比时，LED相对较小，并具有较长的工作寿命。卤素灯泡与LED之间的另一个重要区别是LED工作所需的电量要小得多。例如，卤素灯可以在20-50瓦的范围内工作，而LED则在大约5-15瓦。

当将LED用于照明应用时，使用LED的群或阵列来获得所需的亮度及其他预期的照明特性。不管颜色、类型、颜色、尺寸或功率，所有LED都在以恒流驱动时工作得最好。LED制造商指定其设备在特定电流值的特性（例如，流明、束流图案、颜色）。一个或多个LED驱动器用于有效地控制LED阵列的电气特性以适合于照明。LED驱动器是自备电源，其具有与LED阵列的电气特性相匹配的输出。大多数LED驱动器都设计为提供恒流以操作LED阵列。

以与其他照明应用相同的方式来为许多LED灯供电，即，从交流（AC）电源开始并使用它。取决于地理位置或应用，AC电源的范围会在100V到240V之间。这些AC电源的频率范围在50赫兹到60赫兹之间。为了满足LED照明应用的能源之星要求，所需的功率因数必须大于0.9。这可以由无功或有功功率因数校正电路来实现。

在功率级高于25瓦的应用中，有功功率因数校正电路通常用于提供调节高电压DC总线。这个校正总线用于由功率变换电路为LED供电。这个功率变换电路可以是隔离的拓扑布局或非隔离的拓扑布局。

在高压DC或AC范围内工作的几个LED照明应用要求测量传递给LED的电流。在许多应用中，LED处于高压，并且感测LED电流需要相对昂贵的高压侧电流感测放大器或者电流感测变压器来测量流入LED的电流。随后将该感测信息发送到驱动器的控制侧，以便适当时可以调整调节电流。在LED位于隔离的拓扑布局内的应用中，光耦合器可以用于将LED电流信息从系统次级侧传递到初级侧。

现有技术系统中的测量流入LED的高电流线路上的和/或与驱动器的控制侧隔离的线路上的电流的这个要求需要系统内昂贵的感测部件以及可能的昂贵的光耦合器。需要一种系统和方法，其去除了LED系统内的高电流感测部件（例如，高电流感测放大器或晶体管和光耦合器）。该需求与非隔离拓扑布局和隔离拓扑布局都有关。

发明内容

本发明的实施例提供了一种系统和方法，用于借助感测通过开关晶体管的电流，并基于在通过所述开关晶体管的电流与驱动LED的电流之间的关系提取LED电流的信息，来确定驱动LED的电流的量值。通过开关晶体管的平均电流小于驱动LED的电流，这消除了对用于系统内的昂贵的高电流感测部件的需求。除了隔离的拓扑布局以外，开关电源设备与控制电路在隔离的同一侧。出于这个原因，本发明消除了对昂贵的光耦合器的需要。这些实施例可应用于隔离的和非隔离的拓扑布局，以及不同的电源架构，包括降压式、升降压式、升压式、反激式、前向式、全桥式和半桥式。

在某些实施例中，使用了具有电流感测装置和调节部件的LED系统。AC电源向LED驱动器和电流调节器提供交流电流。LED驱动器和调节器将交流电流转换为DC电流，并将其量值调节到优选值，以使得LED接收适当的功率。

LED驱动器和调节器由控制块控制，包括至少一个开关设备，其实现了不管主电源是DC还是AC电源，都可以将特定频率的交流形式的电流施加到LED阵列。LED阵列包括固态照明设备。

在多个实施例中，配置控制块以便能够在不在该高电流线路上使用电流感测装置的情况下确定通过LED阵列的电流。与现有的方案相反，LED驱动器不测量在LED阵列中的任何电流，来调节固态照明应用。作为替代，LED驱动器测量通过在照明应用的低电流侧上的电流感测装置的电流。

在某些实施例中，电流感测装置包括开关和感测节点。当开关导通时，于是将来自LED驱动器和调节器的电流转移到感测节点，其检测通过开关的电流。使用在通过开关的电流与通过LED阵列的电流之间的关系，从开关上的感测电流导出了通过LED阵列的电流。该电流随后提供给控制块，以便可以执行对通过LED阵列的电流的适当调节。

附图说明

将参考本发明的实施例，其方案的实例在附图中示出。这些附图意图是说明性的而非限制性的。尽管在这些实施例的背景下大体说明了本发明，但应理解本发明的范围并不局限于本文公开的其特定实施例。

图1示出了根据本发明的多个实施例的LED系统的实施例，该LED系统包括LED驱动器和电流感测子部件。

图2是示出根据本发明的多个实施例的降压式LED驱动器系统的方框图。

图3是示出根据本发明的多个实施例的升降压式LED驱动器系统的方框图。

图4是示出根据本发明的多个实施例的反激式LED驱动器系统的方框图。

具体实施方式

在以下说明中，为了解释，阐明了特定的细节以便提供对本发明的理解。然而，对于本领域技术人员而言，显然可以在不选择这些细节的情况下实现本发明。本领域技术人员会认识到，本发明的实施例（其中一些在以下说明）可以有利地包含在多个不同设备和系统中。方框图中所示的结构和设备是本发明的示例性实施例的图示说明，包括它们以避免使本发明含糊不清。而且，图内部件之间的连接并非旨在局限于直接连接。相反，部件之间的这种连接可以由中间部件修改、重新配置或改变。

本文中所提及的本发明的“一个实施例”的意思是结合实施例描述的一个特定特征、结构、特性或功能包括在本发明的至少一个实施例中。说明书中多个位置使用的短语“在一个实施例中”未必全都指代本发明的单个实施例。

本发明的实施例提供了一种系统和方法，用于借助感测通过开关晶体管的电流，并基于在通过所述开关晶体管的电流与驱动LED的电流之间的关系提取LED电流的信息，来确定驱动LED的电流的量值。通过开关晶体管的平均电流小于驱动LED的电流，这消除了对用于系统内的昂贵的高电流感测装置部件的需求。除了隔离的拓扑布局以外，开关电源设备与控制电路在隔离的同一侧。出于这个原因，本发明消除了对昂贵的光耦合器的需求。这些实施例可应用于隔离的和非隔离的拓扑布局，以及不同的电源架构，包括降压式、升降压式、升压式、反激式、前向式、全桥式和半桥式。

图1总体上示出了根据本发明的多个实施例的具有电流感测和调节部件的LED系统。如图所示，AC电源101向LED驱动器和电流调节器105提供交流电流。可以通过多种结构来实现这些电源，其中每一种结构对于本领域技术人员来说都是显而易见的。LED驱动器和调节器105将交流电流转换为DC电流，并将其量值调节到优选值，以使得LED接收适当的功率。

LED驱动器和调节器105由控制块112控制。驱动器105从电源101接收电力。控制块112包括电子电路，其实现了对LED驱动器105的输出电流的控制。这个控制块112包括至少一个开关设备（图1中未示出），其实现了不管主电源101是DC还是AC电源，都可以将特定频率的交流形式的电流施加到LED阵列110。在控制块112的功能和控制块112内的多个部件应用于以下论述的另外的实施例时，将对其进行进一步的详细解释。

LED阵列110包括固态照明器件。如同名称提示的，LED阵列110包括为提供期望的SSL结构而布置的发光二极管（LED）的阵列或群。LED器件的实例包括半导体LED、有机LED、聚合物LED等。用于SSL应用中的其他类型的LED或其他材料对于本领域技术人员来说都是显而易见的，任意这些器件都可以容易地用于本发明中。

在图1所示的一个实施例中，配置控制块112以便可以在不在该高电流线路上使用电流感测装置的情况下确定通过LED阵列110的电流。与先前的方案相反，LED驱动器105不测量LED阵列110中的任何电流来调节固态照明应用。作为替代，LED驱动器105测量通过在照明应用的低电流侧上的电流感测装置130的电流。电流感测装置130包括开关115和感测节点120。当开关115导通时，于是将来自LED驱动器和调节器105的电流转移到感测节点120，其检测通过开关115的电流。使用在通过开关115的电流与通过LED阵列110的电流之间的关系，从开关115上的感测电流导出了通过LED阵列的电流。该电流随后提供给控制块112，从而可以执行对通过LED阵列110的电流的适当调节。以下将更详细地说明在开关115上的电流与通过LED阵列110的电流之间的关系。

可以以多种系统拓扑布局实现通过感测在照明系统的低侧上的电流来有效地确定通过LED阵列110的电流的量值的能力。以下的说明的意图是作为隔离与非隔离拓扑布局两者的示例，本领域技术人员会认识到多种其他拓扑布局也可以支持这种感测方法和架构。

图2是示出根据本发明的多个实施例的降压式LED驱动器的方框图。在这个实例中，系统包括主电源210，它是DC电源。DC电源210向LED驱动器电路230提供电力。在某些实施例中，LED驱动器是脉宽调制控制器；然而，本领域技术人员会认识到可以结合本发明使用多种类型的控制器。此外，应理解，可以用能够向LED负载提供可编程电流的任意其他LED驱动器来代替该特定的LED驱动器。

LED驱动器230上的NDRV管脚连接到开关器件235，其例如可以是MOSFET。来自LED驱动器230的可编程固定频率的脉冲电压驱动开关器件235。这又由LED驱动器230的VIN管脚处的输入电压供电。横跨LED驱动器230的CS管脚处的电阻器R_SENSE240的电压用于LED驱动器230中的逐周期电流模式控制功能。该感测电流信号用于控制MOSFET235的开关。

当开关MOSFET235导通时，开关中的电流立即上升到就在开关235导通前流过电感器225的电流。将开关235上的电流示为曲线A上所示的I1260，其表示在开关235的源极上的电流感测信号。当开关MOSFET235截止时，电感器中的电流由I₂270表示。在电流感测电阻器R_SENSE240上可以看到该相同的电流。当开关MOSFET235截止时，感测电阻器240中的电流变为0，并保持为0直到在下一开关周期的开始时开关235导通。

应调整电感器225的大小，以使得电感器225中的电流一直在工作范围上。电感器225中的平均电流280是LEDI_LED中的电流。在降压式LED驱动器的情况下，LED中的电流是等于(I₁+I₂)/2的I_LED。

系统还包括电路，在该电路中可以测量具有比通过LED220的电流小得多的电流的信号，其与通过LED220的该电流成比例。该电路包括第二MOSFET开关245、第二电阻器246、第二电容器247和单位增益缓冲器250。在这个实例中，第二开关MOSFET245的栅极由驱动电源开关MOSFET235的同一信号来驱动。第二电阻器245和第二电容器247构成RC滤波器。如果RC转角频率设定为足够低，那么在单位增益缓冲器250的输出处的信号可以与通过LED220的电流相关联。如果RC转角频率设定为足够高，那么在单位增益缓冲器的输出处的信号将与电感器电流相关联。在任何情况下，平均电感器电流都等于平均LED电流。曲线B290示出了单位增益缓冲器250的输出的实例。单位增益缓冲器250的输出在较低频率与通过LED220的电流直接成比例，这对于LED电流调节是足够的。在本发明的多个实施例中，单位增益缓冲器250的输出反馈回LED驱动器电路230中，从而可以确定LED电流，并可以执行电流调节。

本领域技术人员会认识到可以根据本发明的多个实施例来改进图2中所示的降压式LED驱动器。

图3示出了根据本发明的多个实施例的升降压式LED驱动器。在这个实例中，使用比较器310将单位增益缓冲器250的输出与通过感测电阻器240的电流相比较。在单位增益缓冲器250的输出与横跨感测电阻器240的电压之间的差与通过二极管320的电流成比例。二极管320中的平均电流在较低频率等于或约等于通过LED220的电流。波形C330表示在较低频率通过二极管320的电流。尽管在较高频率通过二极管320的电流不能由波形330来表示，但较低频率部件足以允许充分估计通过LED220的电流并调节该电流。

图4示出了根据本发明的多个实施例的反激式LED驱动器。在这个实例中，通过变压器410将电流从输入电压210传递到LED220。变压器使得电流流过二极管420并流入LED串220中。类似于升降压式拓扑布局，在单位增益缓冲器250的输出与横跨感测电阻器240的电压之间的差与通过二极管420的电流成比例。然而，变压器410的特性，特别是变压器410的匝数比也是这个比例关系中的因子。二极管420中的平均电流在较低频率与通过LED220的电流相关联。波形C330再一次按比例地表示在较低频率通过二极管420的电流，以使得变压器410的匝数比是这个关系中的因子。尽管在较高频率通过二极管420的电流可以不由波形330来表示，但较低频率部件足以允许充分估计通过LED220的电流并调节这个电流。

本领域技术人员会认识到可以在图中所示的特定实例中插入其他部件和功能块。另外，可以修改这些实例，以应对LED、LED串以及电子变压器和调光器的不同功率特性。

本领域技术人员会理解，在前的实例和实施例是示例性的，是出于清楚和理解的目的的，而并非限制本发明的范围。意图是对于基于阅读说明书并研究附图后的本领域技术人员而言显而易见的是，其所有的置换、加强、等效、组合和改进都包括在本发明的实际精神与范围内。因此，意图在于随后所附的权利要求包括落在本发明的实际精神与范围内的所有这些改进、置换和等效。

Claims

1.一种LED驱动装置，包括：

LED驱动器和调节器，耦合以接收来自电源的输入功率信号，所述LED驱动器和调节器将输入功率信号转换为用于LED阵列的调节电流信号；

电流感测电路，耦合到所述LED驱动器和调节器，所述电流感测电路包括：

第一开关，所述第一开关接收来自所述LED阵列的低电流侧的第一电流；以及

耦合到所述第一开关的第二开关，所述第二开关承载代表所述第一电流但与所述第一电流相比相对较小的第二电流，

所述电流感测电路基于所述第二电流产生控制信号；以及

控制块，耦合到所述LED驱动器和调节器以及所述电流感测电路，所述控制块接收所述控制信号，并至少部分地基于所述控制信号，来控制所述调节电流信号。

2.根据权利要求1所述的LED驱动装置，其中，所述第二开关将所述第一电流转移到所述电流感测电路内的感测节点，所述感测节点具有与LED电流成比例的电压。

3.根据权利要求2所述的LED驱动装置，其中，所述感测节点是电阻器，所述第二开关是MOSFET晶体管。

4.根据权利要求2所述的LED驱动装置，进一步包括单位增益缓冲器，该单位增益缓冲器输出所述控制信号。

5.根据权利要求1所述的LED驱动装置，进一步包括电感器，该电感器耦合在所述LED驱动器和调节器与所述LED阵列之间，所述电感器对进入所述LED阵列中的调节电流进行平均。

6.根据权利要求1所述的LED驱动装置，其中，所述电流感测电路与所述LED驱动器和调节器集成在单个基板上。

7.根据权利要求1所述的LED驱动装置，其中，所述LED驱动器和调节器是降压式架构。

8.根据权利要求1所述的LED驱动装置，其中，所述LED驱动器和调节器是升降压式架构。

9.根据权利要求1所述的LED驱动装置，其中，所述LED驱动器和调节器是反激式架构。

10.一种LED系统，包括：

接口，其上接收功率信号；

LED驱动器和调节器，耦合到所述接口，并将所述功率信号转换为调节电流信号；

LED阵列，耦合到所述LED驱动器和调节器，所述LED阵列包括多个LED；

所述电流感测电路基于所述第二电流产生控制信号；以及

11.根据权利要求10所述的系统，其中，从DC电源接收所述功率信号。

12.根据权利要求10所述的系统，其中，从AC电源接收所述功率信号。

13.根据权利要求10所述的系统，其中，所述LED系统是改进的基于卤素的系统，在该系统中实现了所述LED驱动器和调节器、所述电流感测电路和所述控制块。

14.一种用于调节驱动LED阵列的电流信号的方法，所述方法包括：

从电流源接收输入电流；

调节所述输入电流以产生第一电流，所述第一电流驱动LED阵列；

感测在所述LED阵列的低电流侧的第二电流，所述第二电流与所述第一电流有关；

基于从所述第二电流得出的反馈信号，计算所述第一电流的值；以及

调整所述第一电流，以使得传递到所述LED阵列的功率处于优选的功率范围内。

15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述优选功率范围在5与15瓦之间。

16.根据权利要求14所述的方法，其中，所述LED阵列包括选自于由半导体LED、有机LED和聚合物LED组成的组的至少一个LED。

17.根据权利要求14所述的方法，其中，通过将低侧的电流的第一部分转移到感测节点来感测在所述LED阵列的所述低电流侧的所述第二电流。

18.根据权利要求14所述的方法，其中，单位增益缓冲器用于使所述第二电流与所述第一电流关联。

19.根据权利要求14所述的方法，其中，在选自于由降压式拓扑布局、升压式拓扑布局、升降压式拓扑布局、前向式拓扑布局、半桥式拓扑布局和全桥式拓扑布局所组成的组的拓扑布局中执行产生所述第一电流的步骤。

20.根据权利要求14所述的方法，其中，电感器用于在优选的工作范围上对所述第一电流进行平均。