CN103004289B - 用于照明单元的可调光驱动器的有源阻尼 - Google Patents

用于照明单元的可调光驱动器的有源阻尼 Download PDF

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Abstract

提供了一种用于被配置成将AC信号转换成用于驱动至少一个光源(240，540)的DC信号的设备(200，500)的电路(236，300，400，536)。该电路包括：阻尼元件(350，450)，其被配置成在设备中的电流超过阈值时的时间段期间阻尼设备中的电流；以及旁路路径(340，440)，其用于在所述电流不超过阈值时的时间段期间旁路阻尼元件。

Description

用于照明单元的可调光驱动器的有源阻尼
技术领域
本发明总体上针对照明单元和用于照明单元的驱动器。更特别地，本文公开的各种发明方法和设备涉及用于提供对用于照明单元的驱动器中产生的高电流水平的阻尼的装置和方法。
背景技术
基于诸如发光二极管(LED)之类的半导体光源的照明器件提供了传统荧光、HID和白炽灯的可行替换方案。LED的功能优点和益处包括高能量转换和光学效率、耐用性、低工作成本以及许多其他方面。LED技术的最新进展提供了高效且鲁棒的全光谱照明单元，其在许多应用中允许实现各种各样的照明效果。一些照明单元以一个或多个光源以及处理器为特征，所述一个或多个光源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，所述处理器用于独立地控制LED的输出以便产生各种各样的颜色和变色照明效果。
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光源中，该电子光源诸如紧凑型荧光灯(CFL)、采用电子变压器的低压卤素灯、和诸如LED和OLED的固态照明(SSL)灯。传统调光器典型地对输入市电电压信号的每个波形的一部分斩波，并将波形的剩余部分传到照明源。前沿或三极管交流电(triac)调光器是广泛使用的具有简单电路设计和低成本的类型的调光器。
由于LED和其他“下一代”光源在各种应用中代替传统荧光、HID和白炽灯，因而希望提供这些传统光源已经提供的许多相同特征，尤其是包括调光(dimming)能力。
一些调光电路输出的信号可能造成流经调光器以及驱动LED的驱动器的整流器的大的浪涌电流或电流尖峰，从而可能造成损害。特别地，当许多照明单元和驱动器连接到一个调光器时，总的浪涌电流可能损坏调光器。在甚至更严重的情况下，当许多照明单元和驱动器连接到一个断路器(breaker)时，巨大的电流可能触发墙壁断路器。这个问题的一种解决方案涉及提供阻尼电阻器以便对驱动器中的电流阻尼并且从而防止它超过希望的阈值。
然而，流经阻尼电阻器的电流消耗的功率是不产生光的损耗功率并且因而尤其是在光源未被调光且电流尖峰没有出现的那些时间期间降低了照明单元的工作效率。此外，当这些“下一代”光源(例如LED光源)工作于更大的功率水平以及因而增大的电流水平下时，这个问题变得更糟糕。
因此，在本领域中需要提供一种用于光源的驱动器，其可以阻尼有害的高电流水平，同时维持可接受的功率效率。
发明内容
本公开针对用于照明单元的驱动器。例如，本公开描述了一种用于照明单元(例如LED照明单元)的可调光(dimmable)驱动器，其设有在驱动器中的电流超过阈值(例如作为调光操作中产生的电流尖峰的结果)时的时间段期间阻尼驱动器中的电流的阻尼元件，并且其还包括用于在电流未超过阈值时的时间段期间旁路阻尼元件的旁路路径。
一般地，在一个方面中，一种设备包括：至少一个光源；整流器，其用于接收其中正弦信号每个周期的可选择前导部分或尾部基本上被移除的选择性地修改的正弦信号，并且用于输出整流的电压；DC/DC转换器，其用于调整整流器的输出电压以便驱动所述至少一个光源；以及阻尼电路。阻尼电路包括：阻尼元件，其用于衰减由整流器响应于选择性地修改的正弦信号而输出到DC转换器的电流；开关，其被设置成与阻尼元件并联；检测器，其用于检测整流器输出的电流；以及控制单元，其用于当检测的电流超过阈值时控制开关断开并且用于当检测的电流小于阈值时控制开关接通且旁路阻尼元件。
在一个实施例中，所述检测器是与整流器的电流输出路径串联的电阻器。
在一个实施例中，所述控制单元包括其偏压由经过电阻器的电流控制的晶体管，该晶体管具有响应所述偏压的输出，从而该晶体管在检测的电流超过阈值时使得开关断开，并且用于当检测的电流小于阈值时控制开关接通且旁路阻尼元件。
一般地，在另一个方面中，提供了一种用于被配置成将AC信号转换成用于驱动至少一个光源的DC信号的设备的电路。该电路包括：阻尼元件，其被配置成在设备中的电流超过阈值时的时间段期间阻尼设备中的电流；以及旁路路径，其用于在所述电流不超过阈值时的时间段期间旁路阻尼元件。
在一个实施例中，所述旁路路径包括被设置成与阻尼元件并联的开关。
在一个实施例中，所述电路还包括：检测器，其用于检测电流；以及控制电路，其用于当检测的电流超过阈值时控制开关断开并且用于当检测的电流小于阈值时控制开关接通且旁路阻尼元件。
依照该实施例的一个可选的特征，所述检测器包括电阻器。
依照该实施例的另一个可选的特征，所述控制电路包括其偏压由经过电阻器的电流控制的晶体管，该晶体管具有响应所述偏压的输出，从而该晶体管在检测的电流超过阈值时使得开关断开，并且用于当检测的电流小于阈值时控制开关接通且旁路阻尼元件。
一般地，在又一个方面中，提供了一种用于驱动至少一个光源的方法。该方法包括：确定被配置成将AC信号转换成用于驱动所述至少一个光源的DC信号的设备中的电流是否超过阈值；当电流超过阈值时，利用阻尼元件阻尼该电流；以及当电流未超过阈值时，旁路阻尼元件，使得该阻尼元件不阻尼所述电流。
在一个实施例中，所述方法还包括：接收正弦信号；响应于AC电源电压和用户输入，选择性地修改该正弦信号以便基本上移除该正弦信号每个周期的前导部分或尾部中的至少一个；以及响应于AC信号响应于所述选择性地修改的正弦信号输出整流的电压。
依照该实施例的一个可选的特征，所述方法还包括：在所述选择性地修改的正弦信号的每个周期的一部分期间阻尼所述电流；以及在所述选择性地修改的正弦信号的每个周期的剩余部分期间旁路所述阻尼元件。
依照该实施例的另一个可选的特征，所述方法还包括：旁路所述阻尼元件包括在该阻尼元件两端并联连接开关。
当出于本公开的目的在本文中使用时，术语“LED”应当被理解为包括能够响应于电信号产生辐射的任何电致发光二极管或者其他类型的基于载流子注入/结的系统。因此，术语LED包括但不限于响应于电流发射光的各种基于半导体的结构、发光聚合物、有机发光二极管(OLED)、电致发光带等等。特别地，术语LED涉及可以被配置成产生红外光谱、紫外光谱以及可见光谱(通常包括从近似400nm到近似700nm的辐射波长)的各个部分中的一个或多个的辐射的所有类型的发光二极管(包括半导体和有机发光二极管)。例如，被配置成产生基本上白色的光的LED(例如白色LED)的一种实现方式可以包括若干分别发射不同电致发光光谱的管芯，所述光谱联合混合以形成基本上白色的光。在另一种实现方式中，白光LED可以与将具有第一光谱的电致发光转换成不同的第二光谱的磷光体材料关联。在这种实现方式的一个实例中，具有相对较短的波长和窄带宽的光谱的电致发光“泵浦”磷光体材料，其反过来辐射具有一定程度上更宽的光谱的更长波长的辐射。
还应当理解的是，术语LED并没有限制LED的物理和/或电气封装类型。例如，如上面所讨论的，LED可以涉及单个发光器件，该发光器件具有多个被配置成分别发射不同辐射光谱(例如其可能或可能不单独可控)的管芯。
术语“光源”应当被理解为涉及包括但不限于基于LED的光源(包括上面定义的一个或多个LED)、白炽光源(例如细丝灯、卤素灯)、荧光源、磷光源、高强度放电源(例如钠蒸汽、汞蒸汽和金属卤化物灯)、激光器、其他类型的电致发光源、高温发光(pyro-luminescent)源(例如火焰)、蜡烛发光(candle-luminescent)源(例如汽灯罩、碳弧辐射源)、光致发光源(例如气体放电源)、使用电子饱和的阴极发光源、电流发光源、晶体发光源、显像管发光(kine-luminescent)源、热致发光源、摩擦发光源、声致发光源、辐射发光源以及发光聚合物的各种辐射源中的任何一个或多个。
给定光源可以被配置成产生可见光谱内、可见光谱外或者二者的组合的电磁辐射。因此，术语“光”和“辐射”在本文中可互换地使用。此外，光源可以包括一个或多个滤波器(例如滤色器)、透镜或者其他光学部件作为组成部件。同样地，应当理解的是，光源可以被配置用于各种各样的应用，包括但不限于指示、显示和/或照明。“照明源”是特别地被配置成产生具有足够的强度的辐射以便有效地照明内部或外部空间的光源。在上下文中，“足够的强度”指的是在空间或环境中产生的提供外界照明(即可以间接地感知的并且可以在全部或部分地被感知之前例如从一个或多个各种居间的表面中反射的光)的可见光谱内的足够的辐射功率(单位“流明”经常用来按照辐射功率或“光通量”表示来自光源的所有方向的总光输出)。
术语“照明单元”在本文中用来表示包括一个或多个相同或不同类型的光源的设备。给定照明单元可以具有用于光源的各种安装装置、外罩/外壳装置和形状和/或电气和机械连接配置中的任何一个。此外，给定照明单元可选地可以与和光源的操作有关的各种其他部件(例如控制电路系统)关联(例如包括、耦合和/或封装在一起)。“基于LED的照明单元”指的是单独地或者与其他非基于LED的光源相结合地包括一个或多个如上面所讨论的基于LED的光源的照明单元。
应当理解的是，前述概念以及下面更详细地讨论的附加概念(假设这样的概念并非相互不一致)的所有组合被看作本文公开的发明主题的一部分。特别地，本公开结尾处出现的要求保护的主题的所有组合被看作本文公开的发明主题的一部分。还应当理解的是，本文明确采用的也可以在通过引用合并的任何公开内容中出现的术语应当被赋予与本文公开的特定概念最一致的含义。
附图说明
在附图中，相似的附图标记在所有不同的视图中通常表示相同的部分。此外，附图不一定符合比例，相反地，通常强调说明本发明的原理。
图1A-B示出了涉及前沿(leading edge)调光器的操作的信号。
图2示出了具有驱动器的照明单元的一个实施例的功能框图。
图3示出了用于照明单元的驱动器的有源阻尼电路的一个实施例的框图。
图4示出了用于照明单元的驱动器的阻尼电路的一个实施例的示意图。
图5示出了照明单元的一个实施例的示意图。
具体实施方式
申请人已经认识且理解，有益的是提供一种用于光源(例如LED光源)的驱动器，其可以阻尼可能从调光电路产生的大电流，同时与简单的阻尼电阻器总是存在于电流路径中的情况相比，允许实现更高的工作效率。鉴于以上所述，本发明的各种实施例和实现方式针对一种照明单元(例如基于LED的照明单元)的驱动器，其设有在驱动器中的电流超过阈值(例如作为调光操作中产生的电流尖峰的结果)时的时间段期间阻尼驱动器中的电流的阻尼元件，并且其还包括用于在电流未超过阈值时的时间段期间旁路阻尼元件的旁路路径。
图1A和图1B示出了用于光源的前沿调光器(有时也称为调光电路)的操作。图1A示出了可以从连接到电网的标准电源线提供的正弦信号(例如60Hz)。为了对从这些电源线供电的光源调光，前沿调光器可以置于电源线与光源之间。图1B示出了由前沿调光器提供的输出信号。响应于用户控制器(例如可旋转旋钮或者滑动控制器)，前沿调光器选择性地修改正弦信号以便基本上移除正弦曲线每个循环或周期T的可选择前导部分或段Δ，使得电压在段Δ期间基本上为零。当调节用户控制器以便调暗光时，使其中电压基本上为零的段Δ更长。相反地，当调节用户控制器以便使得光更亮时，使其中电压基本上为零的段Δ更短。例如，当不希望调暗时，可以消除段Δ。除了前沿调光器之外，尾沿(trailing edge)调光器也是已知的，其选择性地修改正弦信号以便基本上移除正弦曲线的每个循环或周期的可选择尾部或段。
同时，固态照明单元(例如基于LED的照明单元)典型地包括用于提供适当的电压和电流给光源的驱动器。
当图1B的修改的正弦波施加到这样的驱动器时，在段Δ的末端出现大的浪涌电流，其中由于驱动器中整流器电路的输出端的电容器的原因，电压从零(或接近零)快速地上升到“正常的”正弦波电压。为了防止电流过载损坏前沿调光模式下采用的驱动器的操作，可以在驱动器中包括阻尼电路。在一个实例中，实质的(substantial)电阻器(例如200欧姆)可以串联放置在输入电路处以便控制在这种情况下施加到驱动器的峰值电流。
然而，当固态(例如基于LED的)照明单元工作于更大的功率水平下时，这种无源电流阻尼方法产生不希望的后果。例如，在其功率大于20W的基于高功率LED的照明单元中，均方根(RMS)输入电流可能为0.2安培，并且如上面所描述的阻尼电阻器因而将造成(0.2A)2*200欧姆＝8W的功率损耗。20瓦特照明单元中8瓦特的损耗功率高得不合要求。
因此，需要提供一种能够降低该功率损耗同时仍然针对在利用前沿调光器操作时可能出现的大的峰值电流(例如浪涌电流)提供保护的解决方案。
图2示出了具有驱动器230的照明单元200的一个实施例的功能框图。照明单元200从AC源210接收AC功率并且包括调光器220和一个或多个光源(例如基于LED的光源)240。驱动器230包括整流器(例如整流桥)232、泄放电路(bleeding circuit)234、阻尼电路(例如有源阻尼电路)236和DC/DC转换器238。在一些实施例中，调光器220可以是前沿调光器或者尾沿调光器。一些实施例可以省略调光器220。
操作时，驱动器230将从AC源210(例如通过调光器220)接收的AC信号转换成用于驱动所述一个或多个光源240的DC信号。
有益的是，如下面更详细地描述的，阻尼电路236提供了阻尼功能，其适于响应输入电流，使得在输入电流大于设定的阈值时，那么启用阻尼功能以便阻尼大的输入电流，但是当输入电流小于设定的阈值时，那么禁用阻尼功能并且降低或消除由阻尼引起的功率损耗。
图3示出了用于照明单元的驱动器的阻尼电路300的一个实施例(例如照明单元200的驱动器230的阻尼电路236的实施例)的框图。阻尼电路300包括检测器(例如电流检测器)310、电源或源320、控制单元330、开关340以及阻尼元件350。
操作时，检测器310检测包括阻尼电路300的驱动器(例如照明单元200的驱动器230)中的电流。响应于检测的电流，由电源或源320供电的控制单元330控制开关340断开或闭合。当输入电流不大(即小于控制单元330与检测器310一起设定的阈值)时，那么检测器310使得控制单元330闭合与阻尼元件350并联设置的开关340，从而提供输入电流的旁路路径以便旁路阻尼元件350。结果，阻尼元件350在输入电流不大时——例如在不存在对光源的调光并且正常的正弦波施加到驱动器时期间不造成大的功率损耗。然而，在输入电流大于控制单元330与检测器310一起设定的阈值时，例如在工作于调光模式下时在图2的DC/DC转换器238中的电容器造成大的浪涌电流的情况下，那么检测器310使得控制单元330断开开关340，其结果是输入电流流经阻尼元件350以便阻尼所述大的输入电流。
图4示出了用于照明单元的驱动器的阻尼电路400的一个实施例(例如照明单元200的驱动器230的实施例)的示意图。阻尼电路400包括检测器(例如电流检测器)410、电源或源420、控制单元430、开关440以及阻尼元件450。
在阻尼电路400中，检测器410是电阻器，控制单元430包括晶体管Q2，开关440是金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)并且阻尼元件450是电阻器。电源420包括R3、R5、R6、R41、D9、C6和Q1，并且提供可以用来接通和断开开关440的能量。在阻尼电路400中，输入电流流经检测器410，从而逐渐形成跨控制电路430中的晶体管Q2的基极-发射极结的电压。换言之，晶体管Q2的偏压由通过检测器(例如电阻器)410的电流控制。随着输入电流的增大，在某个值处，检测器410两端逐渐形成足够的电压以便接通晶体管Q2并且从而使得控制单元430断开开关440，使得所有输入电流将只是通过阻尼元件450。因此，通过适当地选择检测器410连同控制电路430中的电阻值，可以为输入电流设定希望的阈值以便接通和断开开关440。
操作时，当不存在大的浪涌输入电流时，Q2保持断开并且开关440保持“接通”以便旁路阻尼元件450。然而，当大的峰值输入电流出现时，例如在工作于调光模式下时在图2的DC/DC转换器238中的电容器C2(参见图5)造成大的浪涌电流的情况下，那么检测器410两端的电压增大以便断开Q2，其断开开关440，使得输入电流必须经过阻尼元件450，从而阻尼输入电流。特别地，当不存在调光操作时，大的输入电流通常被避免并且阻尼元件450保持被旁路。当调光操作被激活并且选择性地修改的正弦信号(参见图1B)施加到包括阻尼电路400的驱动器时，那么电流在其中电流剧烈增大的所述选择性地修改的正弦信号的每个循环或周期的一部分期间(例如在段Δ的末端附近)被阻尼元件450阻尼，并且阻尼元件450在电流没那么大时的所述选择性地修改的正弦信号的每个循环或周期的剩余部分期间被开关440旁路。
这降低了阻尼电路400造成的功率损耗，从而与采用了仅仅具有电阻器的无源阻尼电路的类似器件相比，提高了包括阻尼电路400的照明单元和驱动器的效率。
图5示出了照明单元500的一个实施例(例如图2的照明单元200的实施例)的示意图。照明单元500从AC源510接收AC功率并且包括调光器520、驱动器、一个或多个光源(例如基于LED的光源)540以及过温度保护电路550。用于照明单元500的驱动器包括整流器(例如整流桥)532、泄放电路534、阻尼电路536和DC/DC转换器538。一些实施例可以省略调光器520。
在照明单元500中，驱动器与图4的驱动器400相同。应当注意的是，阻尼元件450(例如电阻器)与整流器532的电流输出路径串联并且可以阻尼驱动器中的大的峰值或瞬态电流以便防止部件损坏。照明单元500的操作类似于上面描述的照明单元200的操作并且因而将省略其详细描述。
尽管本文描述和图示了若干发明实施例，但是本领域技术人员应当容易想到用于执行所述功能和/或获得所述结果和/或本文描述的一个或多个优点的各种其他装置和/或结构，并且每种这样的变型和/或修改应当被认为处于本文描述的发明实施例的范围内。更一般地，本领域技术人员应当容易理解，本文描述的所有参数、尺寸、材料和配置预期是示例性的并且实际的参数、尺寸、材料和/或配置将取决于使用本发明教导的特定一个或多个应用。本领域技术人员应当认识到或者能够仅仅使用例行实验确定本文描述的特定发明实施例的许多等效物。因此，应当理解的是，前述实施例仅仅通过实例而给出，并且在所附权利要求书及其等效物的范围内，可以与特定描述和要求保护的实施例不同地实施发明实施例。本公开的发明实施例针对本文描述的每种单独的特征、系统、物品、材料、工具包(kit)和/或方法。此外，如果这样的特征、系统、物品、材料、工具包和/或方法不相互不一致，那么两个或更多这样的特征、系统、物品、材料、工具包和/或方法的任意组合都包含在本公开的发明范围内。
本文限定和使用的所有定义都应当被理解为支配(control over)字典定义、通过引用合并的文献中的定义和/或定义的术语的普通含义。除非有相反的明确指示，在本文说明书和权利要求书中使用的不定冠词“一”应当被理解为表示“至少一个”。还应当理解的是，除非有相反的明确指示，在本文所述的包括超过一个步骤或动作的任何方法中，该方法的步骤或动作的顺序不一定限于该方法的步骤或动作被陈述的顺序。
任何出现在权利要求书的括号中的参考标记或其它符号，仅仅出于便利而提供，而不旨在以任何方式限定权利要求。
在权利要求书中以及在上面的说明书中，所有过渡短语(例如“包括”、“包含”、“带有”、“具有”、“含有”、“涉及”、“拥有”、“构成有”等等)都应当被理解为开放式的，即表示包含但不限于。只有过渡短语“由......组成”和“基本上由......组成”分别应当是封闭式或者半封闭式过渡短语。

Claims (13)

1.一种用于驱动至少一个光源的设备(200，500)，包括：
至少一个光源(240，540)；
整流器(232，532)，其用于接收其中正弦信号每个周期的可选择前导部分或尾部基本上被移除的选择性地修改的正弦信号，并且用于输出整流的电压；
DC/DC转换器(238，538)，其用于调整整流器的输出电压以便驱动所述至少一个光源；以及
阻尼电路(236，300，400，536)，所述阻尼电路包括：
阻尼元件(350，450)，其用于响应于选择性地修改的正弦信号衰减由整流器输出到DC转换器的电流，
开关(340，440)，其被设置成与阻尼元件并联，
检测器(310，410)，其用于检测整流器输出的电流，以及
控制单元(330，430)，其用于当检测的电流超过阈值时控制开关断开并且用于当检测的电流小于阈值时控制开关接通且旁路阻尼元件。
2.根据权利要求1所述的设备，其中阻尼元件(350，450)包括电阻器。
3.根据权利要求1所述的设备，其中开关(340，440)包括MOSFET。
4.根据权利要求1所述的设备，其中检测器(310，410)是与整流器的电流输出路径串联的电阻器。
5.根据权利要求4所述的设备，其中控制单元(330，430)包括其偏压由经过电阻器的电流控制的晶体管(Q2)，所述晶体管具有响应所述偏压的输出，从而所述晶体管在检测的电流超过阈值时使得开关断开，并且用于当检测的电流小于阈值时控制开关接通且旁路阻尼元件。
6.根据权利要求1所述的设备，其中所述至少一个光源(240，540)包括一个或多个发光二极管。
7.根据权利要求1所述的设备，还包括在AC源(210)与整流器(232)之间提供的调光器(220)。
8.一种用于驱动至少一个光源(240，540)的方法，所述方法包括：
确定被配置成将AC信号转换成用于驱动所述至少一个光源的DC信号的设备(200，500)中的电流是否超过阈值；
当电流超过阈值时，利用阻尼元件(350，450)阻尼所述电流；以及
当电流未超过阈值时，旁路阻尼元件，使得所述阻尼元件不阻尼所述电流。
9.根据权利要求8所述的方法，还包括响应于用户输入对照明器件发射的光进行调光。
10.根据权利要求9所述的方法，还包括：
接收正弦信号；
响应于AC电源电压和用户输入，选择性地修改所述正弦信号以便基本上移除所述正弦信号每个周期的前导部分或尾部中的至少一个；以及
响应于AC信号响应于所述选择性地修改的正弦信号输出整流的电压。
11.根据权利要求10所述的方法，还包括：
在所述选择性地修改的正弦信号的每个周期的一部分期间阻尼所述电流；以及
在所述选择性地修改的正弦信号的每个周期的剩余部分期间旁路所述阻尼元件。
12.根据权利要求8所述的方法，其中确定所述电流是否超过阈值包括利用电阻器对所述电流采样。
13.根据权利要求8所述的方法，其中旁路所述阻尼元件包括在所述阻尼元件(350，450)两端并联连接开关(340，440)。
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