CN103460799B - 用于固态光源的高效率、低储能驱动电路 - Google Patents

Abstract

公开了一种用于驱动发光二极管(LED)的设备、系统和方法。示例性系统可包括跨越电压源耦合的LED串，所述电压源被配置为提供输入电压。LED串可包括多个单独的LED组和多个开关电路。每个开关电路可包括开关，所述开关与LED组中的相关联的一组并联耦合，以响应于来自控制器电路的控制信号控制流过相关联的LED组的电流。开关保护电路可与至少一个开关相关联。也可串联且在每个相关联的LED组之间耦合引导电路。

Description

用于固态光源的高效率、低储能驱动电路

相关申请

本申请要求2011年3月7日提交的，名称为“用于固态光源的高效率、低储能驱动电路”，序号为61／449,982的美国临时申请的权益和优先权，其公开内容通过引用在整体上被合并入本申请。

技术领域

本发明涉及照明设备，并更特别地涉及用于固态光源的驱动电路。

背景技术

固态光源，诸如但不限于发光二极管(LED)的发展，已经导致了将这种设备用在各种照明应用和照明器材中。通常，LED是电流驱动型设备，即LED的光输出的亮度可以与供应到LED的电流直接相关。然而，经过LED的电流应该被限制于设计最大值，以避免LED的过流损坏或失效。通常，单个LED光源仅操作在2至4伏特，并因此需要低压电源来为其供电。此外，经过LED的电流强烈依赖所施加的电压以及依赖LED的温度。出于此原因，LED光源典型地由将干线电压转换成由LED光源可用的水平，并且还控制电流的镇流器和／或驱动器来供电。镇流器和／或驱动器的附加功能是调节从电力网供电汲取的电流，以向电力网呈现具有低谐波畸变的高功率因数负载。

通常，期望操作多个LED以便达到更高的亮度级。在这种情况下，串联连接LED串，并由供应所需电压并维持期望电流水平的镇流器和／或驱动器来对该LED串供电。此类镇流器和／或驱动器通常是包含大量电感器、功率晶体管、大电解电容器和集成电路的一块复杂的电子设备。这些部件中的一些，尤其是电容器，不能承受高温。因此，镇流器和／或驱动器常常是一块寿命有限的系统。此外，此类电路通常造价昂贵。在另一个极端，简单的串联电阻器是用以对LED串供电的一种廉价方式，但由于电流波形呈非正弦状，导致了高谐波畸变。此外，由于电阻器耗散功率，其是低效的电路。

例如，在编号为13／229,611的美国申请(由当前申请的相同发明人所发明)中描述了串联连接的固态光源(即LED串)的单极驱动。使用此类单极驱动器，当瞬时串电压改变时，由于施加到每个光源的功率上的差异，固态光源的平均亮度沿着该串是不均匀的。在任何实际的系统中，这需要专门的LED物理布局，因此这种亮度变化才被掩盖。

发明内容

公开了一种用于驱动发光二极管(LED)的设备、系统和方法。一种示例性系统可包括跨越电压源耦合的LED串，该电压源被配置成提供输入电压。该LED串可包括多个单独的LED组和多个开关电路。每个开关电路可包括开关，该开关与LED组中相关联的一组并联耦合以响应于来自控制器电路的控制信号控制流过相关联的LED组的电流。开关保护电路可与至少一个开关相关联。也可串联且在每个相关联的LED组之间耦合引导电路。

其他实施例可包括以下变形中的一个或多个。每个引导电路可包括与相关联的LED组和相关联的开关电路串联的第一引导二极管，以及与相关联的LED组和相关联的开关电路串联并与第一引导二极管极性相反的第二引导二极管。在另一个实施例中，每个引导电路可具有与后续引导电路的后续第一引导二极管极性相反的第一引导二极管。在另一个实施例中，每个引导电路具有与后续引导电路的后续第二引导二极管极性相反的所述第二引导二极管。在另一个实施例中，每个引导电路可具有与相关联的LED组和相关联的开关电路串联的第一引导二极管，以及与相关联的LED组和相关联的开关电路串联并与第一引导二极管极性相反的第二引导二极管；并且其中每个引导电路具有与后续引导电路的后续第一引导二极管极性相反的所述第一引导二极管。

在又一个实施例中，开关保护电路被配置为，如果相关联的LED组中的LED失效，将至少一个开关置于导通状态中，其中该失效将LED置于开路状态中。在另一个实施例中，至少一个开关可以是金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)，且该开关保护电路包括电耦合在该MOSFET的漏极和栅极之间的电阻器。在另一个实施例中，至少一组LED组包括多个串联连接的LED。在另一个实施例中，控制器保护电路与至少一个开关相关联，该控制器保护电路被配置成将该控制器电路与跨越至少一个开关所施加的电压隔离。在另一个实施例中，该控制器电路可包括运算放大器电路、电源电路、和谐波畸变控制电路。该运算放大器电路可被配置成将表示电流的信号与表示输入电压的参考电压进行比较，并响应该比较，通过调整控制信号来维持电流和输入电压之间的比例。该电源电路可被配置成从输入电压产生直流(DC)电压，并将DC电压提供给运算放大器电路的电压供应端子。该谐波畸变控制电路可被配置成注入一小部分电源电压，以增大输入电压。

本发明并不意在被限于必须满足本发明的任何所陈述的目的或特征中的一个或多个的系统或方法。注意到本发明并不限于本文所描述的示例性或主要的实施例是同样重要的。由本领域普通技术人员做出的修改和替代被认为将落入本发明的范围之内。

附图说明

本文所公开的前述和其他目的、特征和优点将根据本文所公开的特定实施例的以下描述而是显而易见的，如在附图中所图示的，在附图中，遍及不同的视图，同样的附图标记指代相同的部分。这些附图不一定是按比例的，而是将重点放在图示本文所公开的原理上。

图1示出了根据本文所公开的实施例的用于串联连接的固态光源串的驱动电路。

图2图示了根据本文所公开的实施例的短接开关子电路。

图3示出了根据本文所公开的实施例的用于串联连接的固态光源串的另一个驱动电路，其包括控制电路。

图4更加详细地图示了根据本文所公开的实施例的图3中所示的控制电路。

具体实施方式

如本文所描述的实施例提供了相比现有技术的各种优点。实施例将用于串联连接的固态光源(诸如但不限于LED，并包括但不限于有机LED(OLED)、聚合物LED(PLED)、发光聚合物(LEP)等等)串的操作电子设备降低至更低的复杂性、成本、零件数、尺寸，以及储能，同时实现高效率、高功率因数、以及低谐波畸变。这些改进还增加了温度容限，并因此提高了稳定性。进一步的改进包括消除浪涌电流、瞬间光，以及能够在常规的“断相”调光器电路上进行操作。

本发明的实施例可简要概括如下。跨越交流(AC)电力网供电(例如，但不限于，来自常规双叉／三叉墙装插座的干线电源)施加串联连接的固态光源(诸如但不限于LED)串。LED与信号二极管互连，以引导交流电流仅在正导通方向上经过每个LED。连接以双极或MOSFET晶体管或其他半导体器件形式的受控开关，以便短接各个LED，或者在一些实施例中短接LED子串。这些受控开关在本文中还可被称为“短接开关”。在任何时刻都打开足够数量的受控开关，以便将电力网电压的瞬时量值与跨越串的非短接LED的电压降匹配。最终，作为与LED串串联的附加设备，或者通过部分地打开一个或多个开关元件，来提供电流控制功能。

短接开关可以(并且在一些实施例中)被连接为开关的串联串，在相关联的LED或子串周围分流，如图1的驱动电路100中所示的。短接开关在图1中被识别为Sw1、Sw2、......SwN。每个短接开关包括管脚“C”，其是用于该相应的短接开关的控制管脚。短接开关可以(并且在一些实施例中)由控制电路110所控制。在一些实施例中，控制电路110为每个短接开关产生单独的控制信号。在一些实施例中，控制电路110为所有短接开关产生单个控制信号。在一些实施例中，控制电路110为短接开关的第一子集产生第一控制信号，并且控制电路110为短接开关的第二子集产生第二控制信号，其中第一子集和第二子集共同构成了短接开关的整个集合。当然，控制电路110可以(并且在一些实施例中)被如此配置，以便产生第三控制信号、第四控制信号等等。在一些实施例中，可使用这些当中的任意的组合。

在单个控制信号被用于所有短接开关的实施例中，将该控制信号直接连接到所有短接开关，如图1中所示的。在一些实施例中，一些或所有短接开关，基于所感测到的电压、或电流或其组合，判定何时打开或闭合。在一些实施例中，一个或多个相邻的短接开关可另外向相应的短接开关提供一个或多个信号，以便用来使该相应的短接开关判定何时打开或闭合。在一些实施例中，可使用这些的组合。

因此，如上简要描述，在图1中，存在串联连接的固态光源(诸如但不限于LED)串，具有对应的串联连接的短接开关Sw1、Sw2等的串。短接开关由来自控制电路110的在每个短接开关的管脚“C”上所提供的公共控制信号所控制。LED被示为跨越AC电力网被连接。尽管在图1中的驱动电路100示出了LED组，其中每组包括五个串联连接的LED，但本发明并不限于此。即，一组LED可包含多于或少于图1所示的五个LED。

在一些实施例中，短接开关是MOSFET，而在其他实施例中，短接开关是双极晶体管。当然，任何类型的电子开关和／或其组合可以(并且在一些实施例中)被使用。相关联的无源部件被呈现为必要的，以确保正确操作。MOSFET开关是优选的，因为其栅极驱动消耗较少功率。图2中表现了开关子电路的实现方式的示例。

因此，图2示出了开关子电路200，其对应于图1中所示的短接开关Sw1、Sw2......SwN中的一个。开关子电路200由MOSFET202、第一电阻器204、第二电阻器206和二极管208组成。第一电阻器204被连接在MOSFET202的栅极和源极之间，并因此在文本中还被称为栅极-源极电阻器204。当跨越MOSFET202的源极和漏极所连接的一个或多个相关联的LED正发光时，栅极-源极电阻器204确保对MOSFET202的完全关断。第二电阻器206被连接在MOSFET202的栅极和漏极之间，并因此在本文中还被称为栅极-漏极电阻器206。如果跨越MOSFET202的源极和漏极所连接的一个或多个相关联的LED未能打开，栅极-漏极电阻器206允许MOSFET202导通。在对应的子串电压升高到控制电压以上之后，二极管208将开关子电路200从控制线(图1中详细所示的，以及图2中经由管脚“C”所识别的)中紧急地去耦合。

如图1中所示，控制电路110确定经过固态光源(诸如但不限于一个或多个LED)串的电流的性质和量值。这本质上是一个反馈控制环路，使用感测电阻器，诸如但不限于图1中所示的感测电阻器Rsense，用以监测LED串电流。然后，控制电路110将所监测到的LED串电流与参考值进行比较。在本文中所描述的实施例中，参考值是时变干线电压。这迫使电流跟踪干线电压(即来自电力网电源的电压)，并因此，实施高功率因数。当然，在一些实施例中，其他参考值可以并且被用来确定时间相关电流波形。

在上述关于图1和2所描述的实施例中，短接开关实现了短接非操作中的固态光源(诸如但不限于LED)和控制电流的双重作用。在其他实施例中，通过操控开关完全接通或关断，以及通过与固态光源(诸如但不限于LED)串串联附着的单独的通过元件(passelement)实现电流控制，来将这些功能分开。

图3和4示出了这样的实施例。在图3和4中，采用串联开关元件的阵列。MOSFET被用作开关，尽管在其他实施例中，其他电子开关可以并且被使用。公共控制线连接图3的控制电路310。在图4中，该控制电路被更加详细地示出。在图4中，控制电路310包括低电流运算放大器U1，其通过二极管被连接到MOSFET的栅极，如图3中所示。每个MOSFET具有从栅极连接到源极的电阻器，以帮助将其关断。如果跨越MOSFET的漏极和源极所连接的与其相关联的固态光源(诸如但不限于LED)中的一个或多个未能处于开路状态，则从漏极连接到栅极的附加电阻器迫使MOSFET接通。如果省略漏极-栅极电阻器，则该电路的功能未被改变(除了失效保护外)。

在图3中，驱动电路300包括作为串联开关连接的MOSFET矩阵，该串联开关具有由控制电路310所产生的公共控制信号。如所示的用于第一组MOSFET和固态光源的部件值与用于所有剩余组的值相同。

驱动电路300还包括整流器312。在图3中所示的示例性实施例中，整流器312可以仅对于向控制电路供电而被需要，并鉴于对于向控制电路供电的降低的调节要求，结合较不昂贵的部件。整流器312还可以被结合到图4的控制电路中，允许电路和电路板配置中的更大的灵活性。在另一个实施例中，控制电路可由可能不需要整流的另一个／外部电源所供电。由此，此实施例可以不需要任何整流电路。

在图4中，更加详细地示出了图3的控制电路310。控制电路310中所有的电容器都是多层陶瓷，且没有使用电感器。运算放大器U1是中央控制元件，将经过Rsense的电流(图3中所示)与AC线电压进行比较。

如图4中所示，控制电路310力争维持经过固态光源(诸如但不限于LED)串的电流，如从电流感测电阻器Rsense经过R51所采样的电流，与在R52和R53之间的节处的所整流的电力网信号的一小部分之间的相等。这样，电流和电压波形与彼此呈正比。RMS电流(并因此平均功率)可以(并且在一些实施例中)通过改变R52的值来调整。部件R54、D50、D51、M50和C50形成了低电压DC电源，以向运算放大器U1供电。R55和C51修整了运算放大器U1的频率响应，以避免不期望的振荡。

MOSFET串的功能如本文中所描述的。在固态光源(诸如但不限于LED)串的左侧上的电压高于右侧上的电压的任何特定的瞬时电力网电压和相位处，将存在MOSFET位置，即编号q，为此所有左侧的MOSFET将被关断，且所有右侧的MOSFET将被接通。因此，所有左侧的LED将被激励，并且所有右侧的LED将被关断。在每个MOSFET串上找到的引导二极管Ds1和Ds2确保电流以正确的(正向)方向穿过每个发光的LED。后续的MOSFET串包括引导二极管2Ds1和2Ds2。引导二极管2Ds1和2Ds2可以与引导二极管Ds1和Ds2相反极性放置。每个相应的MOSFET串可包括以如图3中所示的交替方式所放置的相应的引导二极管。

跨越串联的所激励的LED串的电压降的和将略小于所整流的电力网电压，以及其余的电压降将跨越MOSFET q及其相关联的LED下降。此电压降将不足以在全部串电流下操作LED，因此该电流中的一些将由MOSFET来传导。由于跨越MOSFET q存在电压降，在其左侧的MOSFET，即MOSFET p，将具有比MOSFET q的源极电压更高的源极电压。由于所有MOSFET的栅极是通过栅极二极管从公共控制线所馈给，MOSFET p的栅极到源极电压将小于MOSFET q的栅极到源极电压，并且其将传导很少电流或不传导电流。相似的解释适用于MOSFET p的左侧的所有其他MOSFET。关断的MOSFET的栅极二极管将被反向偏置，并且这些MOSFET的栅极到源极电阻器将会将栅极到源极电压拉至零，确保MOSFET被关断。控制电路310将调整控制电压，以将总串电流保持在特定水平下。如果该水平是较低的，则MOSFET q右侧的MOSFET，即MOSFETr，将开始增加其电阻。这将升高MOSFET q的源极电压，且MOSFET q将开始关断。这样，MOSFET q和控制电路310维持串电流。如果电力网电压升高，则更多的电流将流过与MOSFET q相关联的LED，且更少的电流将流过MOSFET q。在某些点处，将不需要电流经过MOSFET q，且控制功能将被转到MOSFET r。当AC电压具有相反极性时，与词语“右”和“左”相同的操作在以上描述中被反转，并且对于每个MOSFET串而言，引导二极管Ds1和Ds2确保LED被正向偏置。

本文所描述的实施例是对现有技术的改进，该现有技术特别是2010年9月10日提交的编号为61／381,795的美国临时专利申请，其必须从整流的AC电力网电压来供电。现有技术缺少“引导二极管”Ds1-Ds2，其对于LED串的AC机能是关键的。此外，本发明避免了对包含四个二极管的高电压桥式整流器的需求。引导二极管可以在本文中被用于，例如，减少LED串的亮度梯度，且其是充分更低成本的低电压设备。

本文所描述的是一种用于利用AC电压有效驱动LED串联串的新方法，具有高功率因数和低谐波畸变，其充分展示了减少的零件数、成本以及物理尺寸，和相对于传统的电子电路的增加的可靠性(由于没有电解电容器)。其也可兼容三端双向可控硅开关调光器。

当然，在不脱离本发明的范围的情况下，可使用除本文所描述的那些电路拓扑以外的其他电路拓扑。

除非另作陈述，否则词语“基本上”的使用可被理解为包括精确的关系、条件、布置、取向、和／或其他特性，以及如由本领域普通技术人员所理解的其偏差，在这个意义上，这种偏差不对所公开的方法和系统产生本质影响。

遍及本公开的全部内容，使用冠词“一”和／或“一个”(a，an)和／或“该”(the)对名词进行修饰可以被理解为是为了方便而使用的，并且包括一个或一个以上的所修饰的名词，除非另作明确陈述。术语“包括”、“包含”和“具有”意图是包括性的，且意味着除了所列的要素外还可能存在附加要素。

通过附图描述和／或以其他方式描绘为与另外的物件通信、与另外的物件关联、和／或以另外的物件为基础的元件、部件、模块和／或其部分，可被理解为以直接和／或间接的方式如此与另外的物件通信、相关联和／或以其为基础，除非本文中另有规定。

尽管已经相对于方法和系统的具体实施例来对方法和系统进行描述，但它们不被如此限制。显然，根据上述教导，许多修改和变形可以变得显而易见。本领域技术人员可做出在本文所描述和说明的细节、材料和部分的布置上的许多附加改变。

Claims (13)

1.一种用于驱动发光二极管（LED）的系统，包括：

跨越电压源耦合的LED串，所述电压源被配置为提供输入电压，所述LED串包括多个单独的LED组；

多个开关电路，每个开关电路包括开关，所述开关与所述LED组中相关联的一组并联耦合，以响应于来自控制器电路的控制信号控制流过相关联的LED组的电流；

与至少一个所述开关相关联的开关保护电路；以及

串联且在每个相关联的LED组之间耦合的引导电路，

其中每个引导电路包括与相关联的LED组和相关联的开关电路串联的第一引导二极管，以及与相关联的LED组和相关联的开关电路串联并且与所述第一引导二极管极性相反的第二引导二极管。

2.权利要求1的系统，其中每个引导电路具有与后续引导电路的后续第一引导二极管的极性相反的所述第一引导二极管。

3.权利要求1的系统，其中每个引导电路具有与后续引导电路的后续第二引导二极管的极性相反的所述第二引导二极管。

4.权利要求1的系统，其中所述开关保护电路被配置为，如果相关联的LED组中的LED失效，则将所述开关中的至少一个置于导通状态中，其中所述失效将LED置于开路状态中。

5.权利要求1的系统，其中所述开关中的至少一个包括金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET），并且所述开关保护电路包括电耦合在MOSFET的漏极和栅极之间的电阻器。

6.权利要求1的系统，其中至少一组LED组包括多个串联连接的LED。

7.权利要求1的系统，进一步包括与至少一个所述开关相关联的控制器保护电路，所述控制器保护电路被配置成将所述控制器电路与跨越至少一个所述开关所施加的电压隔离。

8.权利要求7的系统，其中所述控制器保护电路包括二极管。

9.权利要求1的系统，其中所述控制器电路包括：

运算放大器电路，其被配置为将表示电流的信号与表示输入电压的参考电压进行比较，并响应于所述比较，通过调节所述控制信号，维持所述电流和所述输入电压之间的比例；

电源电路，其被配置为从所述输入电压产生直流（DC）电压，并将DC电压提供给所述运算放大器电路的功率输入；以及

谐波畸变控制电路，其被配置为将所述输入电压的一小部分注入到所述功率输入。

10.一种驱动LED的方法，包括：

跨越电压电源耦合LED串，所述电压电源被配置为提供输入电压，所述LED串包括多个单独的LED组；

配置多个开关，将每个开关与所述LED组中的相关联的一组并联耦合，用于响应来自控制器电路的控制信号，控制流过相关联的LED组的电流；

将开关保护电路与至少一个所述开关相关联，所述开关保护电路被配置为，如果相关联的LED组中的LED失效，则将至少一个所述开关置于导通状态中，其中所述失效将所述LED置于开路状态中；以及

利用串联且在每个相关联的LED组之间耦合的引导电路，来向每个LED组将电流进行导向，

其中将电流进行导向包括第一引导二极管与相关联的LED组和相关联的开关电路串联地将电流进行导向，以及第二引导二极管与相关联的LED组和相关联的开关电路串联地将电流进行导向并且与所述第一引导二极管相反地将电流进行导向。

11.权利要求10的方法，其中每个引导电路具有所述第一引导二极管，其在后续的引导电路的后续第一引导二极管的相反方向上将电流进行导向。

12.权利要求10的方法，其中每个引导电路具有所述第二引导二极管，其在后续的引导电路的后续第二引导二极管的相反方向上将电流进行导向。

13.一种用于驱动发光二级管（LED）的系统，包括：

跨越电压源耦合的LED串，所述电压源被配置为提供输入电压，所述LED串包括第一LED组和第二LED组；

第一开关电路和第二开关电路，所述第一和第二开关电路中的每个包括开关，所述开关与所述第一和第二LED组中的相关联的一组并联耦合，以响应于来自控制器电路的控制信号控制流过所述第一和第二LED组中的相关联一组的电流；

与所述第一开关电路和第二开关电路中的每个相关联的开关保护电路；

与所述第一LED组相关联的第一引导电路，包括与所述第一LED组和相关联的开关电路串联的第一引导二极管，以及与所述第一LED组和相关联的开关电路串联并且与所述第一引导二极管极性相反的第二引导二极管；以及

与所述第二LED组相关联的第二引导电路，包括与所述第二LED组和相关联的开关电路串联的第三引导二极管，以及与所述第二LED组和相关联的开关电路串联并且与所述第三引导二极管极性相反的第四引导二极管，其中所述第二LED组的第三引导二极管处于所述第一LED组的第一引导二极管的相反方向上。