CN103270814B - 用于控制至固态照明电路的电流的设备和方法 - Google Patents

用于控制至固态照明电路的电流的设备和方法 Download PDF

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Abstract

一种用于控制至固态照明负载的电流的设备包括电容器(241,341)和电流源(245,345)。电容器与固态照明负载(260,360)连接成并联布置。电流源与电容器和固态照明负载的并联布置串联连接。电流源被配置为基于输入电压,动态地调制提供给电容器和固态照明负载的并联布置的输入电流的幅度。

Description

用于控制至固态照明电路的电流的设备和方法
技术领域
[0001] 本发明总体针对固态照明设备的控制。更具体地,在此公开的各种创造性方法和 装置涉及控制固态照明设备驱动器的功率因数和效率。
背景技术
[0002] 数字照明技术,即基于例如发光二极管(LED)的半导体光源的照明,提供了一种对 于传统的荧光灯、HID和白炽灯的可行的替代。LED的功能性的优势和好处包括高的能量转 换和光效率、耐久性、低运行成本和许多其他。LED技术的近来的进步已经提供了高效和强 健的全光谱照明源,其能够在许多应用中实现各种照明效果。例如,如在美国专利No. 6, 016,038和6,211,626中所详细讨论的,实施这些源的一些器材的特征在于这样的照明模 块,该照明模块包括:一个或多个LED,其能够产生不同的颜色(例如,红、绿和蓝);以及处理 器,其用于独立地控制LED的输出,以便产生各种颜色和颜色改变的照明效果。
[0003] 典型地,包括多个基于LED的光源(例如串联的LED串)的基于LED的照明单元或者 LED负载由功率变换器驱动,功率变换器从市电电源接收电压和电流。为了降低驱动器成 本,可以直接从市电电源驱动LED负载,作为替代,市电电源包括AC和DC操作。然而,存在关 于直接从市电电源的进行AC驱动的缺点。例如,提供给LED负载的电流波形具有与平均值相 比的高峰值。因此,由于下垂以及低功率因数,LED负载被以降低的效率驱动。此外,仅当瞬 时市电电压高于LED负载的正向电压时,电流流动才有可能。因此,可能存在相对长的时期, 在此期间,没有电流流向LED串并且没有光产生,导致闪烁。
[0004] 为了部分地解决这些问题,可以将整流电路连接在市电电源和照明单元之间,并 且可以在照明单元内将电容器与LED负载并联。例如,图1图示了传统的基于LED的照明单元 100的电路图,该照明单元100包括桥式整流电路IKKLED负载160和电容器141,该电容器作 为功率因数控制(PFC)和平滑电路。电容器141与LED负载160并联,LED负载160包括与一个 或多个LED光源(由LED161和162指示)串联的电阻器163。桥式整流电路110经由电阻器105 连接到市电电源101,并且包括二极管111-114。因此,桥式整流电路110向平滑电路输出经 整流的市电电压或输入电压Urect。
[0005] 然而,由于输入至电容器141的电容器电流Ic的充电和放电波形以及市电电压波 形的形状,基于LED的照明单元100典型地消耗电流,例如以在相对短的时段内对电容器141 进行再充电,导致高的电流峰值和低的功率因数。另外,主要是连接至市电电源101的电阻 器105限制了电容器141的重复和初始充电。因此,当LED负载160初始打开时,可能存在过度 的涌入电流。例如,如果LED负载160在市电电源101的市电电压峰值期间打开,则电容器141 的电容器电流Ic与标称操作相比可能相对较大。因此,除非LED负载160包括串联连接至一 个电路的多个光源,导致标称LED操作电流的相对较低的值,否则由于基于LED的照明单元 100中的另外的部件,先前的相对较少数目的光源将足以触发断路器的磁脱扣。因此,可连 接至一个电路的基于LED的照明单元100的数量可能远远小于与根据标称电流所可能期望 的数量(例如,仅1/10甚至1/50)。
[0006] 从效率的角度,并且当观察单独的基于LED的光源时,电流波形不存在问题。然而, 当观察大量的基于LED的光源时,在短的时间间隔期间的高电流,在很短的时间间隔期间对 市电网格产生失真,并且可能触发断路器(例如,触发断路器的快速动作磁脱扣)。由于市电 失真,通过调节禁止以非常低的功率因数使用LED负载。例如,在欧洲,所需的功率因数可能 是低到0.5,如上所述,使用整流器和电容器的解决方案,这是可以实现的。然而,其他地区 需要相对高的功率因数,如0.7或更高,例如0.9。
[0007] 因此,现有技术中需要直接从市电电源AC驱动基于LED的照明单元,而维持相对高 的功率因数。此外,当初始打开直接从市电电源驱动的基于LED的照明单元时,现有技术中 需要防止过度的涌入电流。
发明内容
[0008] 本公开内容针对创造性的设计和方法以便使用和LED照明单元中的电容器串联的 动态调制电流源来对电容器电流进行整形,从而提高LED照明单元的功率因数,同时增加或 最大化效率,以及减少电流源中的峰值功耗。此外,经调制的电流源限制输入电流,防止LED 照明单元触发断路器。
[0009] 通常,在一个方面,提供一种用于控制至固态照明负载的电流的设备,所述设备包 括电容器和电流源。所述电容器与所述固态照明负载连接成并联布置。所述电流源与所述 电容器和所述固态照明负载的并联布置串联连接,所述电流源被配置为基于输入电压,动 态地调制提供给所述电容器和所述固态照明负载的并联布置的输入电流的幅度。
[0010] 在另一个方面,通过一种用于控制至发光二极管(LED)负载的电流的设备,所述设 备包括电容器、晶体管和调制控制电路。所述电容器与所述LED负载并联连接。所述晶体管 串联连接在所述电容器和提供经整流的输入电压的桥式整流电路之间。所述调制控制电路 与所述电容器和所述晶体管并联连接,并且被配置为从所述桥式整流电路接收经整流的输 入电压。所述调制控制电路包括连接至所述晶体管的栅极的电流镜,所述电流镜基于来自 所述桥式整流电路的输入电压被选择性地激活和停用以向下和向上调制通过所述电容器 的电流的幅度。
[0011] 在另一个方面,提供一种用于控制至固态照明负载的电流的方法。所述方法包括: 接收具有波形的输入电压;以及响应于所接收的输入电压的所述波形和所接收的输入电压 的所述波形中的时间延迟中的至少一个,调整与所述固态照明负载并联连接的电容器的电 容器电流的幅度调制。调整所述电容器电流的所述幅度调制改变所述固态照明负载的功率 因数和操作效率中的至少一个。
[0012] 如这里为了本公开内容的目的所使用的,术语“LED”应当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其它类型的基于载流子注入/结的系统。由此,术 语LED包括但不限于响应于电流发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)、电致发光条带等。具体地,术语LED指代可以配置为在红外光谱、紫外光谱和各种 部分的可见光谱(一般包括从近似400纳米到近似700纳米的辐射波长)的一个或多个中产 生福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)C=LED的一些不例包括但 不限于各种类型的红外LED、紫外LED、红色LED、蓝色LED、绿色LED、黄色LED、琥珀色LED、橙 色LED和白色LED (下面进一步讨论)。还应当领会的是,LED可以被配置和/或控制以产生这 样的辐射:其对于给定光谱(例如,窄带宽、宽带宽)具有各种带宽(例如,一半最大处的完全 宽度或FWHM),以及给定的通常颜色分类内的各种主波长(dominant wavelength)。
[0013] 例如,配置为产生本质上白光的LED的一种实现(例如,白色LED照明器材)可以包 括数个管芯,其分别发出组合地混合以形成本质上的白光的电致发光的不同光谱。在另一 实现中,白光LED照明器材可以与转换具有第一光谱到不同的第二光谱的电致发光的磷光 体材料相关联。在此实现的一个示例中,具有相对短波长和窄带宽的电致发光“栗激”磷光 体材料,其继而辐射具有某种程度上更宽光谱的更长波长辐射。
[0014] 还应当理解,术语LED不限于LED的物理和/或电气封装类型。例如,如上面讨论的, LED可以指代具有多个管芯的单个发光设备,所述多个管芯被配置为分别发出辐射的不同 光谱(例如,其可以或者不可以单独地可控)。此外,LED可以与被视为LED (例如,一些类型的 白色LED)的整合部分的磷光体相关联。一般地,术语LED可以指代封装的LED、未封装的LED、 表面安装的LED、板上芯片的LED、T封装安装的LED、径向封装的LED、功率封装的LED、包括一 些类型的包封和/或光学元件(例如,漫射透镜)的LED等。
[0015] 术语“光源”应当理解为指代各种辐射源中的任何一个或多个,所述辐射源包括但 不限于基于LED的源(包括如上面定义的一个或多个LED)、白炽源(如,钨丝灯、卤素灯)、荧 光灯源、磷光源、高强度气体放电源(例如,钠蒸汽、汞蒸汽和金属卤化物灯)、激光、其它类 型的电致发光源、火发光源(如,火焰)、蜡烛发光源(例如,气罩、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、电发光源、晶体发光源、电视显像管发光 源、热发光源、摩擦发光源、超音波发光源、辐射发光源、发光聚合物。
[0016] 给定的光源可以配置为产生可见光谱内、可见光谱外或者两者的组合的电磁辐 射。因而,术语“光”和“辐射”在此可互换地使用。另外,光源可以包括作为集成组件的一个 或多个滤波器(例如,滤色器)、透镜或其它的光学组件。此外,应当理解,光源可以配置用于 各种应用,包括但不限于指示、显示和/或照明。“照明源”是具体配置为产生具有充足强度 的辐射以有效地照亮内部或外部空间的光源。在此上下文中,“充足强度”指代在空间或环 境中产生的用以提供环境亮度的可见光谱中的充足辐射功率(单位“流明”经常用于在辐射 功率或者“光通量”方面表示从所有方向上的光源输出的全部光)(g卩,可能被间接地察觉到 的光,以及例如在全部或者部分被察觉到之前可能从各种干预表面的一个或多个反射的 光)。
[0017] 术语“光谱”应当被理解为指代由一个或多个光源产生的任意一个或多个频率(或 波长)的辐射。相应地,术语“光谱”不仅指可见光范围内的频率(或波长),还指红外、紫外以 及全部电磁光谱内的其他区域内的频率(或波长)。同样,给定的光谱可具有相对较窄的带 宽(例如,本身具有少数频率或者波长分量的FWHM)或者相对较宽的带宽(具有多种相对强 度的多个频率或波长分量)。还应当理解,给定的光谱可为两个或多个其他光谱的混合的结 果(例如,混合多个光源分别发出的辐射)。
[0018] 术语“照明器材”在此用于指代一个或多个照明单元按照特定形状因素、装配或封 装的实施或设置。术语“照明单元”在此用于指代包括相同或不同类型的一个或多个光源的 设备。给定的照明单元可以具有各种用于光源的安排列、外围/客体排列和形状、和/或电气 和机械连接配置中的任何一个。另外地,可选择地,给定的照明单元可以与关于光源的操作 的各种其它组件(例如,控制电子线路)相关联(例如包括:所述照明单元与所述其它组件耦 接和/或与所述其它组件封装在一起)。“基于LED的照明单元”指代包括如上面讨论的、单独 的或者与其它不基于LED的光源组合的一个或多个基于LED的光源的照明单元。“多通道”照 明单元指代这样的基于LED或者不基于LED的照明单元:其包括被配置为分别产生辐射的不 同光谱的至少两个光源,其中每个不同的源光谱可以称为多通道照明单元的“通道”。
[0019] 术语“控制器”在此通常用于描述与一个或多个光源的操作有关的各种装置。控制 器可以以多种方式加以实施(例如,利用专用硬件)以进行在此讨论的各种功能。“处理器” 是采用可以使用软件(例如,微代码)来编程的一个或多个微处理器来执行本文讨论的各种 功能的控制器的示例。控制器可以通过或不通过采用处理器加以实施,并且还可以实施为 用以执行一些功能的专用硬件和用以进行其它功能的处理器(例如,一个或多个编程的微 处理器和相关联的电子线路)的组合。本公开内容的各种实施例中可以采用的控制器组件 的示例包括但不限于传统的微处理器、微控制器、专用集成电路(ASIC)和现场可编程门阵 列(FPGA) 〇
[0020] 在各种实施方式中,处理器或者控制器可以与一个或多个存储介质(总地在此称 为“存储器”,例如,易失性和非易失性计算机存储器,如RAM,PROM,EPROM和EEPR0M、软盘、光 盘、光碟、磁带等)相关联。在一些实施方案中,存储介质可以被编码有一个或多个程序,该 程序在一个或多个处理器和/或控制器上被执行时,实现在此论述的功能中的至少一些。各 种存储介质可以固定在处理器或控制器内,或者可以是可便携式的,使得可以将其上存储 的一个或多个程序加载至处理器或者控制器以便实施在此讨论的本发明的各种方面。术语 “程序”或“计算机程序”在此以一般的意义用于指代可用于对一个或多个处理器或控制器 编程的任何类型的计算机代码(例如,软件或微代码)。
[0021] 术语“可寻址的”在此被用于指代被配置为接收意图发送给包括该设备在内的多 个设备的信息(例如数据)、并选择性地对意图发送给该设备的特定信息进行响应的设备 (例如,普遍的光源,照明单元或器材,与一个或多个光源或照明单元相关联的控制器或处 理器,其他非照明相关设备等)。术语“可寻址的”通常与网络环境(或网络,下文中将进行进 一步论述)一起使用,在该网络环境中多个设备通过一些通信介质耦合在一起。
[0022] 在一个网络实现中,耦合到网络的一个或多个设备可以用作用于耦合到网络一个 或多个设备的控制器(例如,在主/从关系中)。在另一实现中,网络化的环境可以包括一个 或多个专用控制器,器被配置成控制耦合到网络的设备的一个或多个。通常,耦合到网络的 多个设备各自具有到呈现在通信介质或者媒体上的数据的访问权;然而,给定的设备可以 是“可寻址的”,因为它被配置成例如基于分配给它的一个或多个特定标识符(例如,地址) 来选择性地与网络交换数据(即,从网络接收数据和/或发送数据)。
[0023] 本文使用的术语“网络”指代两个或多个设备(包括控制器或处理器)的任何互联, 该两个或多个设备促进耦合到网络的任意两个或多个设备之间和/或在多个设备间的信息 传输(例如,用于设备控制、数据存储、数据交换等)。如将容易理解的,适合于互联多个设备 的网络的各种实现可以包括多中网络拓扑的任何一个并且利用多种通信协议的任何一个。 此外,在根据本公开内容的各种网络中,两个设备间的任何一个连接可以表示两个系统间 的专用连接,或者可替换地,非专用连接。此外,除了承载意图用于的两个设备的信息,这种 非专用连接可以承载并非意图用于的两个设备的任一个的信息(例如,开放网络互连)。此 夕卜,应当易于理解本文所讨论的各种设备网络可以使用一种或多种无线、有线/线缆、和/或 光纤链路以促进整个网络的信息传输。
[0024] 本文使用的术语“用户接口”指代在人类用户或操作员和一个或多个设备之间的 接口,该接口使在用户和设备之间能进行通信。可以在本公开内容的各种实施方式中使用 的用户接口的例子包括但不限于开关、电位计、按钮、刻度盘、滑动器、鼠标、键盘、小键盘、 各种类型的游戏控制器(例如操纵杆)、轨迹球、显示屏、各种类型的图形用户接口(GUI)、触 摸屏、麦克风和可以接收某种形式的人类产生的刺激并产生与之响应的信号的其他类型的 传感器。
[0025] 应当理解到的是,前述概念和下面更详细讨论的另外概念(假设这些概念并非相 互不一致)的所有组合可以考虑为在此讨论的本创造性主题的一部分。具体地,将此公开内 容的末尾出现的所要求保护主题的所有组合考虑为在此公开的本创造性主题的一部分。还 应当理解的是,这里明确采用的、也可以出现在通过引用的方式所并入的任何公开内容中 的专业术语应当被给予与在此公开的特定概念最一致的意义。
附图说明
[0026] 在附图中,相同的标记贯穿不同的视图通常指代相同的部分。此外,附图不一定按 比例,而是通常将重点置于图示本发明的原理。
[0027] 图1图示用于控制至LED电路的电流的常规设备的电路图。
[0028] 图2图示根据代表性实施例的用于控制至LED电路的电流的设备的电路图。
[0029] 图3图示根据代表性实施例的用于控制至LED电路的电流的设备的电路图。
[0030] 图4图示根据代表性实施例的用于控制至LED电路的电流的设备的电路图。
[0031] 图5图示根据代表性实施例由用于控制至LED电路的电流的设备提供的输入电流 和LED电流波形的轨迹。
[0032] 图6是根据代表性实施例示出用于控制至LED电路的电流的设备的仿真性能的图 形。
具体实施方式
[0033] 更一般地,申请人已经认识并且理解到,在直接从市电电源驱动基于LED的照明单 元的同时保持高的功率因数和效率是有利的。申请人也已经认识并且理解到在初始打开直 接从市电电源驱动的基于LED的照明单元时防止过度的涌入电流是有利的。
[0034] 鉴于前文,本发明的各种实施方式和实现针对用于执行有源输入电流整形的基于 LED的照明单元的驱动器。也就是说,驱动器包括这样的电流源,该电流源被配置为响应于 输入电压的波形,动态地调制输入电流的幅度,但是也可以使用其他的输入准则。例如,可 以响应于时间延迟或者时间延迟和输入电压波形的组合调制输入电流的幅度,而不脱离本 发明的教导的范围。因此,与基于LED的照明单元并联连接的电容器的电流被朝着时间依赖 或者状态依赖的值主动地控制和整形。通过应用不同整形的电流波形(例如,具有不同的幅 度),基于LED的照明单元的功率因数和电效率被影响,从而LED光源可以被“调谐”到所需的 功率因数,同时保持高效率。可以降低电流源中的峰值功耗。例如,可以在低瓦数改型灯和 具有较高功率因数的模块中使用该驱动器。
[0035] 图2图示根据代表性实施例的用于控制至固态照明负载(例如LED电路)的电流的 设备的电路图。
[0036] 参考图2,基于LED的照明单元200包括桥式整流电路210、PFC和平滑电路240、以及 LED负载260。桥式整流电路210经由电阻器205连接到市电电源201,并且包括二极管211-214。桥式整流电路210因此输出经整流的市电电压Urect至PFC和平滑电路240。如本领域的 普通技术人员将理解的,基于LED的照明单元200的一些实现也可以包括额外的组件。例如, 为了遵守某些市电失真规则,可以存在防止过压的电路系统,如保险丝、噪声滤波电容器、 热保护器件、通信接口等。然而,为了说明的清楚,将不详细描述这些额外的组件。
[0037] PFC和平滑电路240包括电流源245、电容器241和二极管242。电流源245串联连接 在桥式整流电路210的正输出和节点Nl之间,以接收经整流的输入电压Urect以及输出电容 器电流Ic。二极管242与电流源245并联连接在桥式整流电路210的正输出和节点Nl之间。二 极管242可以例如是齐纳二极管,并且被合并入以用于电流源245的电涌保护。例如,如果没 有二极管242,大的电压尖峰(例如,数倍高于正常经整流的市电电压Urect)将导致跨电流 源245的大的电压。作为一个实际情况,电流源245 (其示例将参考图4进行讨论)的组件具有 受限的电压额定值,从而二极管242被选择为使得不超过这些组件的电压额定值。在一个实 施例中,二极管242不会承载电涌电流,但会过度驱动电流源245的调制以主动地钳位输入 电压Urect。在这种情况下,主要由电阻器205提供输入电流限制。
[0038] 电容器241串联连接在节点Nl和接地之间,因此通过电流源245与整流电路210的 输出分开。电容器241还与LED负载260并联连接,LED负载包括电阻器263和一个或多个LED 光源(由代表性的LED 261和262所指示)的串。LED负载260连接在节点NI和接地之间,从而 与电容器241并联连接。在所描绘的配置中,电阻器205和电流源245确定从市电电源201汲 取的输入电流Im的幅度,其分别提供通过电容器的电容器电流Ic (即电容器充电电流和电 容器放电电流)和通过LED负载260的LED电流Iled。
[0039] 电流源245对电容器电流Ic的主动影响使得能够对电容器电流1。进行整形,因而设 置PFC和平衡电路240的功率因数。电容器电流Ic不是固定的,而是随着时间和/或状态动态 变化。事实上,由于电容器241的积分行为,可能涉及一些时间组件。在这个示例中,电容器 电流I c根据来自市电电源201和桥式整流电路210的输入电压Urec t的波形而变化,但是应 当理解,电容器电流Ic可以可替换地根据其他和/或额外的准则(例如,如上所述的时间延 迟)而变化。响应于输入电压Urect的波形,电流源245调制输入电流Iln的幅度,导致给定至 电容器241和LED负载260的并联布置的电流的幅度中的相应调制,分别如电容器电流Ic和 LED电流Iled所指示。在简单的情形中,响应于瞬时输入电压Urect中的增加及降低,分别向 上调制(增加)或者向下调制(降低)输入电流Im的幅度(从预定电平开始)。假定LED电流Ued 的相对稳定值,这一调制被发现在很大程度上作为电容器电流Ic的调制。
[0040] 此外,至LED负载260的涌入LED电流ILED,即当LED负载260在已经被关闭之后初始 连接至市电电源201时,被有效地限制。也就是说,即使在启动期间,LED电流Iled被限制到标 称值,完全省略涌入效应。这种主动电流限制功能源自与电容器241并联连接的LED负载 260。第一,至电容器241和LED负载260的并联布置的输入电流Iln被限制,并且第二,电容器 241作为用于LED负载260的更高频率的组件旁路。因此,LED负载260对于涌入电流被有效地 保护。此外,如上文所述,限制输入电流IIN防止触发断路器。
[0041] 图3图示根据代表性实施例的用于控制至固态照明负载(例如LED电路)的电流的 设备的电路图。
[0042] 参考图3,基于LED的照明单元300包括桥式整流电路310、PFC和平滑电路340、以及 LED负载360,它们类似于上文参考基于LED的照明单元200所讨论桥式整流电路210、PFC和 平滑电路240、以及LED负载260。然而,图3中的PFC和平滑电路340包括电流源345、电容器 341和二极管342,其中电流源345连接至桥式整流电路310的负输出。电流源345串联连接在 节点N2和接地之间,并且如上所讨论的,响应于输入电压Urect的波形控制电容器341的电 容器电流Ic和LED电流Iled的调制。在其他方面,基于LED的照明单元300的配置和操作与上 文参考基于LED的照明单元200所讨论的实质上相同。二极管342与电流源345并联连接在桥 式整流电路310的接地输出和节点N2之间。如上文所讨论的,二极管242可以例如是齐纳二 极管,并且被合并入以用于电流源345和LED负载360的电涌保护。
[0043] 图4图示根据代表性实施例的用于控制至固态照明负载(例如LED电路)的电流的 设备的电路图。更具体而言,图4图示根据代表性实施例的PFC和平滑电路(如PFC和平滑电 路440指示的)的示例性实现。
[0044] 参考图4,基于LED的照明单元400包括桥式整流电路410、PFC和平滑电路440以及 LED负载460。桥式整流电路410经由电阻器505连接到市电电源401,并且包括二极管411-414。桥式整流电路410因此输出经整流的市电电压Urect至PFC和平滑电路440。此外,图4合 并入(可选的)AC电容器406和407,以指示改变输入级的可能性。虽然描绘了两个代表性的 电容器406和407,但是要理解可以存在一个或多个电容器。当不使用输入级电容器时,输入 市电电流直接馈送至桥式整流电路410,如跳线X3所指示。
[0045] PFC和平滑电路440包括电流源445和电容器441,如以上参考图3所示的电流源345 所讨论的,电流源445连接至桥式整流电路410的负输出。然而,要理解图4的电流源445可以 可替换地桥式整流电路410的正输出,如以上参考图2所示的电流源245所讨论的,而不脱离 本教导的范围。电容器441与LED负载460并联连接,LED负载460包括串联连接的电阻器463 和代表性LED负载电压源461。
[0046] PFC和平滑电路440的电流源445包括电流源电路471和基准电平电路472。电流源 电路471调制输入电流Iln,并且包括串联连接在电容器441和接地之间的开关或晶体管442。 晶体管442被描绘为金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET),虽然可以合并入其他类型 的晶体管,例如双极结型晶体管(BJT),而不脱离本教导的范围。电流源电路471还包括电阻 器458、二极管448和电容器449,在下面讨论。基准电平电路472确定至电流源电路471的标 称的、未调制的输入控制信号,并且包括电阻器446和447、以及二极管457,二极管457例如 可以是齐纳二极管。
[0047] 通常,电阻器446和二极管457产生参考电压,其经由电阻器447设置电流源电路 471的输入控制信号。具体地,输入控制信号被选通(gated)至晶体管442和调制控制电路 450,调制控制电路450包括响应于跳线Xl的操作选择性地激活的电流镜459。也就是说,当 跳线Xl闭合并且跳线X2打开时,电流镜459被激活,导致输入电流Iln的向下调制(更低的幅 度)。当跳线X2闭合并且跳线Xl打开时,电流镜459被停用,并且电流1虹将导致输入电流Iln 的向上调制(更高的幅度)。
[0048] 更具体地,调制控制电路450包括串联连接在桥式整流电路410的正输出(用于接 收输入电压Urect)和节点Nl之间的电阻器453和二极管456,二极管456可以是齐纳二极管。 节点NI通过第一和第二路径连接到接地。第一路径包括经由第一跳线Xl选择性地与电流镜 459的晶体管451串联连接的电阻器454。第二路径包括经由第二跳线X2选择性地与电流镜 459的晶体管452串联连接的电阻器455。出于说明的目的,将晶体管451和452描绘为BJT,但 是可以是各种类型晶体管的任何类型,例如包括场效应晶体管(FET),而不脱离本教导的范 围。晶体管451具有连接至第一跳线Xl的集电极、连接到接地的发射极、和连接到晶体管451 的集电极和晶体管452的基极的基极。晶体管452具有连接至第二跳线X2的集电极、连接到 接地的发射极、和连接到晶体管451的基极和集电极的基极。
[0049] 关于电流源电路471的晶体管442,栅极连接到节点N2,其是晶体管452的集电极。 晶体管442还包括通过二极管444连接至电容器441的漏极,以及通过电流分流电阻器458连 接至接地的源极,电流分流电阻器458提供电流分流电阻。电容器449和二极管448 (其可以 是齐纳二极管)相互并联连接在晶体管452的栅极和源极之间。此外,电阻器446连接在二极 管444和节点N3之间。电阻器447连接在节点N3和N4之间,节点M是晶体管442的栅极。二极 管457 (其可以是齐纳二极管)连接在节点N3和接地之间。值得注意的是,PFC和平滑电路440 还可以包括电涌保护二极管,例如图3中的二极管342,其可以与晶体管442并联连接,与晶 体管442和电阻器458的串联连接并联连接,与电阻器446并联连接,或以适于限制跨晶体管 442的电压的任何其他配置。然而,为了说明的清楚,图4中未示出电涌保护二极管。
[0050] 在所描绘的示例性配置中,晶体管442的栅极电压、晶体管442的栅极-源极电压 UGS_442、以及电阻器458确定通过晶体管442的电流的上限,从而正常操作(即当过压保护不 有效时)下的输入电流1^的上限。晶体管442的栅极电压UG_442通常经由二极管457和电阻器 446和447传送。因为晶体管442的栅极在一定程度上经由电阻器447从二极管457的电压去 耦合,因此有可能操控栅极电压Uc_442,以及因此输入电流Iin。在输入电压Urect超过由二极 管456限定的电压阈值时,输入电流Iln被向上或向下调制一定量。一旦已经超过电压阈值 时,经由电阻器454和通过闭合Xl激活的电流镜459执行向下调制,和/或经由通过闭合第二 跳线X2的电阻器455执行向上调制。
[0051] 在各种实施例中,可能存在功能的主动控制,在图4中由代表性跳线Xl和X2指示。 例如,跳线Xl和X2可以被替换为可控开关,或者以其他方式以分别激活或者停用左和右电 流路径,而不脱离本教导的范围。激活向上和/或向下调制的任何一个的状态(例如,输入电 压Urect的电平)然后可以通过诸如微处理器、处理器或控制器的附加电路(未示出)来选 择。
[0052] 图4描绘多功能的实现,其中向上和向下调制都是可行的以提供最大的灵活性。当 然,可以提供能够实现仅向上或者仅向下调制的可替换实现,而不不脱离本教导的范围。例 如,针对具有已知市电谐波调节的某些市场的专用实施例可能仅需要提供向上调制以实现 效率、功率因数和电源谐波的期望的组合。在这种情况下,例如,将不需要电流镜459。
[0053] 在需要更大灵活性的情况下,代替从在节点Nl生成的公共电压信号派生向上和向 下调制信号,而是可以加入一个或多个齐纳二极管(未示出),例如与二极管456并联,使得 向上调制开始处的输入电压Urect的电平不同于向下调制开始处的输入电压Urect的电平。 因此,只要输入电压Urect低于任一阈值,用于电流源电路471的输入控制信号可以是来自 基准电平电路472的基准参考信号。输入控制信号在输入电压Urect高于第一阈值但是低于 第二阈值时被向上调制,并且在输入电压Urect高于第二阈值时被向下调制。在这一配置 中,第一和第二阈值电平必须被相应地设置(例如,通过选择适当的二极管),并且调制信号 的“强度”由在向上和向下调制中涉及的电阻器454、455和447的值确定,如本领域技术人员 将理解的,其可以变化以对任何特定情形提供独特的益处,或者满足各种实现的应用特定 的涉及需求。
[0054] 在所公开的实施例中,电流镜具有晶体管451和452的集电极电流之间的1:1的比 例。当使用具有不同比例的电流镜时,例如通过使用更多晶体管或者其他电路系统,可以节 省与从输入电压生成集电极电流相关联的一些能量。
[0055] 再次参考图4,作为基于LED的照明单元400的操作的示例,可以假定跳线Xl闭合而 跳线X2打开,使能输入电流Iln的幅度的向下调制。特别地,缺省编程的电流Io由方程式(1) 指示,其中U457是跨二极管457的电压,UGS_442是晶体管42的栅极-源极电压,并且R458是电阻 器458的电阻:
[0056]
Figure CN103270814BD00121
( 1)
[0057] 在电流镜459的左侧上,电流镜459的晶体管451的电流Imi由方程式(2)指示,其中 U456是跨二极管456的电压,UBE_452是晶体管452的基极-发射极电压,并且R453是电阻器453的 电阻,R4S4是电阳器4ί54的电阳:
[0058]
Figure CN103270814BD00122
(2)
[0059] 通常,0.7V的UBE_452可以被忽略。由于电流镜459的配置,在电流镜459的右侧上提 供相同值的电流Iml作为Imr,其等于在晶体管452的集电极处的集电极电流Ic_452。集电极电 流Ic_452通过去耦电阻器447而汲取,导致成比例的电压降。因此,晶体管442的剩余栅极电压 UC_442被降低,并且从而剩余的输入电流如方程式⑶所示被限制:
[0060]
Figure CN103270814BD00123
(3)
[0061] 当然,对于跳线X1打开而跳线X2闭合时的向上调制,可以得出类似的方程式。此 夕卜,如本领域技术人员将理解的,各个组件的值、缺省(最大的)输入电流In以及向下调制的 程度可以变化,以提供针对任何具体情形的独特好处或者满足各种实现的应用特定设计需 求。例如,出于说明的目的,图4中的各个组件的非限制性值可以是如下:电容器406和407可 以分别是IOOOnf和680nf,并且电阻器405可以是100 Ω。在PFC和平滑电路440中,电容器441 可以是5yf,电容器449可以是lnf,电阻器453可以是200kQ,电阻器446可以是39kQ,并且 电阻器447可以是22k Ω。此外,电流镜晶体管451和452可以是NPN BJT,并且晶体管442可以 是NMOS M0SFET。在各种替代配置中,晶体管451和452可以是PNP BJT并且/或者它们的集电 极和发射极可能被颠倒,并且晶体管442可以是PMOS MOSFET并且/或者它的源极和漏极可 以被颠倒。在LED负载460中,电阻器可以是470 Ω并且LED负载电压源461可以是多个具有适 当高的正向电压(例如,当从120V AC电网操作时大约60-130V)的LED结的串联连接。LED负 载电压源461被包括在内以便表示具有相对有限的用于操作的输入电压范围(例如,与电阻 器相比)的LED负载的一般行为。尽管如此,LED负载电压源461将纳入一些电阻性行为。该电 阻性行为可能足以实现由图4中的电阻器463所描绘的功能,虽然由图4中的电阻器463所描 绘的功能也有可能由LED负载电压源461内部的电阻性行为和附加的电阻(例如,电路板或 电阻器上的电阻性行迹)来实现。
[0062] 如上所述,除了输入电压的波形之外可以使用输入准则,例如时间延迟或者时间 延迟和输入电压的波形的组合,而不脱离本教导的范围。例如,电流源可以根据波形被启 动,但是具有一定的时间延迟。在代表性配置中,时间延迟可以经由电阻器-电容器延迟(例 如,包括图4中电容器406和407)、或者经由真实的“记录和回放”电路来实现,以捕获一个周 期的波形,使它及时偏移,并且在该周期的稍后的部分或者任何后续周期中使用该时间偏 移的信号来调制。
[0063] 图5图示根据代表性实施例由用于控制至LED电路的电流的设备提供的输入电流 和LED电流波形的轨迹。
[0064] 参考图5,轨迹515示出代表性输入电流Iln的波形,并且轨迹525示出代表性LED电 流Iled的结果波形,其中PFC和平滑电路400提供大量的向下调制。例如,当跳线Xl闭合而跳 线X2打开时,轨迹525可以导致激活PFC和平滑电路400的电流镜459。向下调制的好处在于 电流被降低,而同时输入电压Urect和晶体管442两端的电容器电压之间的电压差是最大 的。该电压差是电流源445两端的退出电压,其在一定程度上是晶体管442两端的电压。通过 在输入电压Urect的该高电平处降低输入电流Iln,电流源445中的能量消耗受到限制,从而 效率得以增加。当然,一定的平均输入电流Iln必须递送至LED负载460。在输入电压Urect的 较低电平处的较高的输入电流Iin,向电容器441提供更多的充电电流(电容器电流Ic),以实 现至LED负载460的期望电平的平均LED电流ILED。采用该向下调制,效率得以增加并且有益 地降低了电流源445的峰值热负荷(应力)。此外,降低了LED负载460的闪烁,因为电容器441 的总的充电被分割成两部分,导致电容器441两端的降低的电压纹波,并且因此降低的LED 电流Iled的纹波。而且,LED电流Iled的纹波包含有较高频率的分量,人眼对其不敏感。
[0065] 图6是根据代表性实施例示出用于控制至LED电路的电流的设备的仿真性能的图 形。具体地,图6示出了范围从针对约0.58的功率因数的约92%的效率至针对约0.85的功率 因数的约75%的效率的操作点(例如,包括一个或多个AC侧电容器460、407),由黑色菱形指 示。性能的附加仿真示出了范围从针对约0.56的功率因数的约83%的效率至针对约0.91的 功率因数的约72%的效率的操作点(例如,不具有AC侧电容器),由黑色方块指示。出于比较 的目的,图6还示出了现有的类似DC的操作点,由黑色圈指示,以及测量数据,由空心圈指 不。
[0066] 虽然在此已经描述和说明了若干创造性实施例,但是本领域将会容易地想到用于 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的部件和/ 或结构,并且这些变型和/或修改中的每一个均被认为是在本文描述的创造性实施例的范 围内。更一般地,本领域技术人员将会容易地理解到的是,本文描述的所有参数、尺度、材料 和配置都意为示例性的,并且实际的参数、尺度、材料和/或配置都将取决于本创造性教导 所用于的特定应用。本领域技术人员将理解,或者能够确定仅仅采用常规的实验,可以获取 本文描述的特定创造性的实施例的许多等同形式。因此,应当理解,前文的实施例仅仅是举 例的,在所附的权利要求和其等同的范围内,可以实施与特别描述以及要求保护的不同的 创造性的实施例。本发明的创造性的实施例是针对此处描述的每个独立的特征、系统、产 品、材料、装备和/或方法。此外,如果此类特征、系统、产品、材料、装备和/或方法不会彼此 不一致时,两个或多个此类特征、系统、产品、材料、装备和/或方法的结合也包含在本申请 的创造性范围。
[0067] 本文定义和使用的所有定义应当理解为通过字典定义、利用引用并入的文献中的 定义和/或所定义的术语的普通意义进行控制。
[0068] 除非相反地清楚指出,否则本文在说明书和在权利要求中使用的不定冠词“一”和 “一个”应当理解为意思是“至少一个”。
[0069] 说明书和权利要求书中使用的短语“和/或”,应被理解为这样连接的元件的“两个 中的任一个或者两个都”,也即,在一些例子中结合出现,而在另一些例子中分开出现的元 件。以“和/或”方式列举的多个元件应以同样的方式被解释,也即,如此连接的元件的“一个 或多个”。其他元件可以可选地采用不同于由“和/或”从句特别限定的形式的元件的形式出 现,无论是否与这些特别限定的元件相关。因此,作为一个非限制性例子,涉及到“A和/或 B”,且与开放式用语例如“包括”同时使用时,可以在一个实施例中表示仅仅是A (可选地包 括除了B以外的元件);在一个实施例中表示仅仅是B (可选地包括除了A以外的元件);在另 一个实施例中,A和B两者(可选地包括其他元件),等。
[0070] 在此处的说明书和权利要求书中使用的“或”应被理解为与上文限定的“和/或”具 有相同的含义。例如,当分开列表中的多个项目时,“或”或“和/或”应被解释为包括,也即, 包括多个或者一列元件中的至少一个,还包括多于一个,以及,可选地,额外的未列举的项 目。除非明确地指出相反的,例如“仅仅一个”或者“确切的其中之一”或者,当在权利要求中 使用“由…组成”表示准确地包括多个或者一列元件中的一个元件。一般地,当前面使用了 表示排他的术语,例如“或者”,“其中之一”,“仅仅其中之一”或者“确切的其中之一”,则此 处使用的术语“或”仅应被理解为表示排他选择方案(也即,“一个或者另一个但不是两者 都”)。在权利要求中使用“本质上含有”应具有其在专利法律中的通常的含义。
[0071] 在本说明书和权利要求书中使用的短语“至少一个”,涉及到一个或多个元件的列 表,应被理解为表示从元件列表的任意一个或多个元件中选出的至少一个元件,但是并不 一定包括在元件列表中特别列举的每一个和各个元件中的至少一个,也并不排除在列表中 的元件的任何元件的组合。该定义也允许除了短语“至少一个”所指代的元件列表中特别标 识的元件之外的元件可选地出现,无论是否与特定标识的元件相关。
[0072] 此外,还应当理解,除非明确地指出相反的,否则在此处的要求保护包括一个或多 个步骤或者动作的任何方法中,该方法的步骤或者动作的顺序并不一定限制在方法所描述 的步骤或者动作的顺序。
[0073] 权利要求中的括号里的任何附图标记或者其他字符仅为了方便而提供,而并非以 任何方式限制权利要求。
[0074] 在权利要求中以及上文的说明书中,所有过渡词,例如“包括”,“包含”,“承载”,具 有”、“含有”“涉及”、“持有”、“组成”等应被理解为开放式,也即,意图包括但是并不限于。仅 过渡措辞“由……组成”和“实质上由……组成”分别是封闭式的或半封闭式的过渡措辞。

Claims (15)

1. 一种用于控制至固态照明负载的电流的设备,所述设备包括: 电容器(241,341),与所述固态照明负载(260,360)连接成并联布置; 电流源(245,345),与所述电容器和所述固态照明负载的所述并联布置串联连接,所述 电流源被配置为基于整流电路提供的输入电压,动态地调制提供给所述电容器和所述固态 照明负载的所述并联布置的输入电流的幅度;以及 提供对所述电流源电涌保护的齐纳二极管,所述齐纳二极管与所述电流源并联连接。
2. 根据权利要求1所述的设备,其中所述固态照明负载包括一个发光二极管(LED)或至 少两个串联连接的发光二极管(LED)。
3. 根据权利要求2所述的设备,其中所述输入电流的经调制的幅度使所述固态照明负 载的操作效率最大化,并将所述固态照明负载的功率因数(PF)增加到至少最小功率因数要 求。
4. 根据权利要求2所述的设备,其中所述输入电流的经调制的幅度降低所述电流源中 的峰值功耗。
5. 根据权利要求1所述的设备,其中,所述电流源(245,345)串联连接在所述整流电路 的正输出与所述电容器和所述固态照明负载的所述并联布置之间。
6. 根据权利要求1所述的设备,其中所述电流源包括金属氧化物半导体场效应晶体管 (MOSFET)。
7. 根据权利要求1所述的设备,其中所述电流源包括双极结型晶体管(BJT)。
8. —种用于控制至发光二极管(LED)负载的电流的设备,所述设备包括: 电容器(441),与所述LED负载(460)并联连接; 晶体管(442),串联连接在所述电容器和提供经整流的输入电压的桥式整流电路(410) 之间;以及 调制控制电路(450),与所述电容器(441)和所述晶体管(442)并联连接,并且被配置为 从所述桥式整流电路(410)接收所述经整流的输入电压,所述调制控制电路包括连接至所 述晶体管的栅极的电流镜(459),所述电流镜基于来自所述桥式整流电路的输入电压被选 择性地激活和停用以向下和向上调制通过所述电容器的电流的幅度。
9. 根据权利要求8所述的设备,其中所述电流镜包括多个电流镜晶体管。
10. 根据权利要求9所述的设备,其中所述调制控制电路还包括: 串联连接在所述桥式整流电路和第一节点之间的第一电阻器和二极管; 连接在所述第一节点和接地之间的第一路径,所述第一路径包括第二电阻器和所述电 流镜;以及 连接在所述第一节点和接地之间的第二路径,所述第二路径包括第三电阻器和所述电 流镜的所述电流镜晶体管中的一个晶体管; 其中选择所述第一路径导致向下调制通过所述电容器的电流,而选择所述第二路径导 致向上调制通过所述电容器的所述电流。
11. 根据权利要求10所述的设备,其中所述二极管串联连接在所述第一电阻器和所述 第一节点之间,其中在所述输入电压超过由所述二极管限定的电压阈值时,向上或向下调 制通过所述电容器的电流。
12. 根据权利要求9所述的设备,其中所述晶体管包括M0SFET。
13. 根据权利要求12所述的设备,其中所述电流镜晶体管中的每个晶体管包括双极结 型晶体管(BJT)。
14. 根据权利要求12所述的设备,其中所述调制控制电路还包括: 串联连接在所述晶体管和接地之间的电流分流电阻器,所述晶体管的栅极-源极电压 和所述电流分流电阻器确定通过所述晶体管的电流的上限。
15. 根据权利要求8所述的设备,还包括: 至少一个可选择性地连接至所述桥式整流电路以改变所述输入电压的电容器。
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