CN103546030B - 用于led负载的热降额电源 - Google Patents

Abstract

本发明的各实施方式总体上涉及用于LED负载的热降额电源。具体地，本文公开的实施方式描述了使用电源以向LED负载提供功率。该电源向LED提供当前输出电流，并且接收表示LED的操作温度的温度信号。例如基于该温度信号来确定目标输出电流。确定输出电流改变速率，并且电源以确定的改变速率调节至LED的输出电流直到输出电流基本上等于目标电流。

Description

用于LED负载的热降额电源

相关申请的交叉引用

本申请要求2012年7月10日提交的第61/670,077号美国临时申请的权益，其全部内容通过引用并入本文。

技术领域

本文公开的实施方式总体上涉及一种电源，并且更具体地涉及一种配置为向基于发光二极管(“LED”)的负载提供热降额输出的电源。

背景技术

在许多家庭、公司和其它社会机构中，传统的白炽照明正逐渐被节能的基于LED的照明方案所取代。为了维持稳定的LED光发射水平，电源向LED提供稳定的电流。LED可以被热定额，以确定LED安全操作的最大温度阈值(本文中为“安全阈值”)。换句话说，在安全阈值温度以上操作LED可以导致LED的损坏。LED的温度一般与流经LED的电流成比例。因此，为了减小在安全阈值以上操作的LED的温度，可以减小经过LED的电流。

当被激励时，常规的电源基本上立即向负载提供增大的和减小的电流。向LED提供电流的这种增大和减小可以引起光发射的立即增大和减小、可见的光闪烁或其它照明伪影，导致不愉快的用户体验。因此，需要提供并且控制向LED负载的电流供给使得在使不期望的照明伪影最小化的同时可以减小在温度阈值以上操作的LED中的温度。

发明内容

本文公开的实施方式描述了一种配置为向LED负载提供功率的电源。该电源可以以使照明伪影(比如闪烁或光发射中立即/可见的改变)最小化的方式调节提供至LED的输出电流。在一些实施方式中，该电源可以线性地或逐渐地改变输出电流，尽可能地减少光发射的显著改变。

电源可以配置为检测LED的过温状态并且作为回应调节至LED的输出电流。在一个实施方式中，电源接收表示LED的操作温度的温度信号。作为回应，电源可以确定用于提供至LED的目标输出电流以便减轻过温状态。此外，电源可以确定输出电流的改变速率，且可以以确定的改变速率调节输出电流，直到输出电流基本上等于目标电流。

可以选择所确定的输出电流改变速率使得输出电流被足够快速地减小以减小LED的操作温度来避免损坏LED。类似地，可以选择所确定的输出电流改变速率使得输出电流被足够缓慢地调节以减小光发射的立即或显著的改变。可以在增加输出电流时选择在不同于减小输出电流时的改变速率。可以将改变速率预先编程进电源或者可以由电源的用户输入。

说明书中描述的特征和优点并非包括一切的，并且尤其是，基于附图和说明书，许多附加的特征和优点对本领域技术人员将是明显的。此外，应当指出的是，说明书中使用的语言主要为了可读性和指导性的目的而被选择，而并非被选择用于划定或限制本发明主题。

附图说明

通过结合附图考虑下列详细描述，可以容易地理解本发明的实施方式的教导。

图1是图示出根据一个实施方式的实施了热降额的开关电源的框图；

图2在时域中图示出根据一个实施方式的图1的开关电源中温度降额的示例；

图3是图示出根据一个实施方式的实施了具有线性照明输出特性的热降额的开关电源的框图；

图4在时域中图示出根据一个实施方式的图3的开关电源中具有线性照明输出特性的温度降额的第一示例；

图5在时域中图示出根据一个实施方式的图3的开关电源中具有线性照明输出特性的温度降额的第二示例；

图6是图示出根据一个实施方式的耦合至LED负载的隔离开关电源驱动器电路的框图；

图7是图示出根据一个实施方式的耦合至LED负载的非隔离开关电源驱动器电路的框图。

具体实施方式

附图和下列描述仅以说明的方式涉及各种实施方式。应当指出的是，根据下列讨论，本文所公开的结构和方法的替换实施方式将容易被认为是可以在不背离本文所讨论的原理的情况下被采用的可行替换方式。

现在将详细地参考若干实施方式，其示例图示在附图中。注意到，只要可行，可以在附图中使用相似或相同的附图标记，并且这些附图标记可以指示相似或相同的功能。附图仅出于说明目的描绘了各种实施方式。本领域技术人员根据下列描述将容易认识到，可以在不背离本文所描述的原理的情况下采用本文举例说明的结构和方法的替换实施方式。

脉冲宽度调制和脉冲频率调制在电源内被用来调整功率输出。这种调整包括恒定电压输出调整和恒定电流输出调整。电源可以包括用于从功率源向负载传送电功率的功率级；功率级可以包括开关和用于控制开关的接通时间和断开时间的开关控制器。开关的接通时间和断开时间可以由该控制器基于表示输出功率、输出电压或输出电流的反馈信号来驱动。

除了调整功率输出之外，开关电源可以防范各种故障状态。一种 这样的故障状态是在安全阈值温度之上操作LED负载(“过温”状态)。其它故障状态包括短路、过压以及过流。当检测到故障状态时，电源可以禁用或调节电源的输出直到故障状态被纠正。在检测到LED过温故障状态的实施方式中，电源可以切换工作模式以调节提供至LED负载的电流。

应当指出的是，尽管本文所描述的电源的实施方式限定于向LED负载提供功率，但是在其它的实施方式中，电源可以耦合至其它类型的负载，比如扬声器、扩音器等。还应当指出的是，尽管本文将各种组件和信号描述为模拟的或数字的，但是本文所描述的原理和功能不限定于或依赖于任何一个。因此，数字组件和数字信号可以取代本文被描述为模拟的的信号和组件，反之亦然。

图1是图示出根据一个实施方式的实施了热降额的开关电源的框图。图1的电源100耦合至温度传感器101和LED负载107。电源包括模数转换器(“ADC”)102、过温保护(“OTP”)电路104以及驱动电路105。电源接收输入电压V_IN(比如整流过的AC电压)以及来自温度传感器的温度信号，并且基于输入电压和温度信号向LED提供电流。

温度传感器101例如可以是配置为产生表示温度(比如LED107的温度)的温度信号的负温度系数电阻器(“NTC”)。图1的实施方式的温度信号包括表示LED温度的跨温度传感器的压降。可替换地，温度传感器可以是配置为产生表示LED温度的信号的任何其它传感器。在一个实施方式中，温度传感器被置于LED附近以便检测LED的温度。

ADC102接收输入电压V_IN和来自温度传感器101的温度信号。ADC产生表示来自温度传感器101的温度信号的数字温度信号。尽管本文说明书的剩余部分将描述实施2比特ADC的电源的实施方式，但是ADC可以具有任意分辨率。

OTP电路104接收来自ADC102的数字温度信号，并且部分基于接收到的数字温度信号来确定输出电流106以经由驱动器电路105 提供至LED107。OTP电路可以配置为基于将输出电流与接收到的数字温度信号值相关联的一个或更多预先确定的电流设置来确定或选择输出电流。在一个实施方式中，OTP电路对于较低的数字温度信号选择较高的输出电流，反之亦然。应当指出的是，除了基于接收到的数字温度信号来确定输出电流之外，OTP电路还可以基于例如来自用户的所要求的光输出水平来选择输出电流。在这种实施方式中，如果用户要求较高的光发射量，那么OTP电路可以确定较高的输出电流，反之亦然。

驱动器电路105可以包括耦合至输入电源的开关以及配置为驱动开关的开关控制器，使得所确定的输出电流106从输入电源提供至LED107。LED接收来自驱动器电路的输出电流并且基于输出电流发光。

在LED107处的温度改变可以导致由温度传感器101所产生的不同的温度信号、由ADC102所产生的关联的不同的数字温度信号以及关联的不同的输出电流106。因此，在LED处的温度的增加可以导致至LED的输出电流的减小以及由LED发射的光的关联的减小。在图1的实施方式中，OTP电路104响应于数字温度信号的改变而将输出电流改变为阶梯函数。低分辨率ADC比高分辨率ADC在整个降额包络中将导致较大的输出电流阶跃变化(以及关联的光发射的较大可察觉改变)。因此，虽然高分辨率ADC一般比低分辨率ADC更昂贵，但是高分辨率ADC可以导致LED的光发射的较小可察觉改变。

图2在时域中图示出根据一个实施方式的图1的开关电源中温度降额的示例。在时间T₁之前，由温度传感器101检测到的LED107处的温度导致由ADC102产生数字温度信号“11”。作为回应，OTP电路104产生I_D的输出电流106。

在时间T₁，LED107处的温度升高反映在数字温度信号103从“11”到“01”的改变中。作为回应，OTP电路104将输出电流106从I_D向下阶跃至I_B。在时间T₂，LED处的温度降低反映在数字温度信号从“01”到“10”的改变中。作为回应，OTP电路将输出电流从 I_B向上阶跃至I_C。在时间T₃，LED处的温度升高反映在数字温度信号从“10”到“00”的改变中。作为回应，OTP电路将输出电流从I_C向下阶跃至I_A。

对输出电流106的每个阶跃调节导致来自LED107的光强度的立即改变。在基于LED的照明应用中，大到足以被用户注意到的照明强度的立即改变是不期望的。因此，虽然使用低分辨率ADC可以减少电源系统成本，但是这种电源可以导致闪烁和其它不期望的照明伪影。

图3是图示出根据一个实施方式的实施了具有线性照明输出特性的热降额的开关电源的框图。图3的电源300耦合至温度传感器301和LED负载310。电源包括ADC302、OTP电路304、速率控制器306以及驱动器电路308。电源接收输入电压V_IN(比如整流过的AC电压)以及来自温度传感器的温度信号，并且基于温度信号向LED提供电流。

在一些实施方式中，温度传感器301、ADC302、OTP电路304、驱动器电路308以及LED310分别相当于温度传感器101、ADC102、OTP电路104、驱动器电路105以及LED107。应当指出的是，在本文未进一步描述的其它实施方式中，图3的实施方式可以包括与本文所描述的组件相比不同的、更少的或附加的组件。

温度传感器301配置为向ADC302提供表示LED310的温度的温度信号。作为回应，ADC向OTP电路304提供数字温度信号303，该数字温度信号303基于来自温度传感器的温度信号。OTP电路接收来自ADC的数字温度信号，并且确定或选择用于LED的目标输出电流305。OTP电路向速率控制器306提供目标输出电流。

速率控制器306配置为接收来自OTP电路304的目标输出电流305，以及确定或选择从当前的输出电流309到目标输出电流的输出电流改变速率307(下称“改变速率”)。速率控制器可以向驱动器电路308提供选择的改变速率。改变速率可以包括每个时间间隔的输出电流的改变(ΔI/Δt)。驱动器电路可以接收来自速率控制器的选择 的改变速率和来自OTP电路的目标电流，以及可以以接收到的改变速率调节当前的输出电流，直到当前的输出电流等于目标电流。

在一些实施方式中，速率控制器306接收表示当前输出电流309的输出电流反馈信号，并且基于目标输出电流305和当前输出电流来选择改变速率。在这种实施方式中，速率控制器可以基于当前输出电流、目标输出电流以及选择的改变速率来确定输出电流。例如，如果当前输出电流是500mA，如果目标输出电流是300mA，以及如果选择的改变速率是10mA/秒，那么速率控制器可以指示驱动器电路308产生开始于500mA并且以每半秒5mA线性地减小持续20秒直到输出电流为300mA的输出电流。

由速率控制器306提供的改变速率307可以是最大改变速率，并且驱动器电路308可以以等于或小于最大改变速率的速率增大或减小输出电流。可替换地，由速率控制器提供的改变速率可以是最小改变速率，并且驱动器电路可以以等于或大于最小改变速率的速率增大或减小输出电流。在一些实施方式中，由速率控制器提供的改变速率是目标改变速率，并且驱动器电路可以以目标改变速率的预定阈值之内的改变速率来增大或减小输出电流。

由速率控制器306提供的改变速率307可以基于目标电流305是大于还是小于当前输出电流309而不同。例如，如果目标电流大于当前输出电流，那么速率控制器可以提供用于增大当前输出电流的第一改变速率。继续这个示例，如果目标电流小于当前输出电流，那么速率控制器可以提供用于减小当前输出电流的第二改变速率。在这个示例中，第一改变速率可以与第二改变速率不相同。

由速率控制器306提供的改变速率307可以基于检测到的过温状态。例如，如果OTP电路304确定LED310的温度太高，那么速率控制器306可以基于LED的温度多高、LED的温度需要多快地降低、在以当前的LED温度操作的情况下多久LED将损坏等而提供改变速率307。

在某些实施方式中，由速率控制器306提供的改变速率307可以 是非线性的或非恒定的。例如，当驱动器电路308开始调节输出电流309时，改变速率在短期内可以较大，而随着输出电流接近目标电流305，改变速率可以较小。

速率控制器306可以存储预定的改变速率，例如将特定的改变速率与接收到的目标电流和/或与当前输出电流相关联。预定改变速率还可以将特定的改变速率与LED温度、LED光发射或与关联于电源300的任何其它操作参数相关联。在一些实施方式中，速率控制器可以接收指定改变速率、期望的LED光发射等的电源用户输入311。在这样的实施方式中，速率控制器可以基于接收到的用户输入向驱动器电路308提供改变速率307。

图4在时域中图示出根据一个实施方式的图3的开关电源中具有线性照明输出特性的温度降额的第一示例。在时间T₁之前，由电源300向LED310提供的输出电流309是I_D。在时间T₁，由温度传感器301检测到的LED处的温度导致由ADC302产生数字温度信号“01”。作为回应，OTP电路304提供I_B的目标输出电流305。类似地，在时间T₂，由温度传感器检测到的LED处的温度导致由ADC产生数字温度信号“10”，并且OTP电路提供I_C的目标输出电流。在时间T₃，由温度传感器检测到的LED处的温度导致由ADC产生数字温度信号“00”，并且OTP电路提供I_D的目标输出电流。

响应于接收与当前输出电流309不同的目标输出电流I_B、I_C和I_A，速率控制器306确定输出电流改变速率307以提供至驱动器电路308。在图4的实施方式中，对于每个接收到的不同于当前输出电流的目标输出电流，确定的改变速率是ΔI/Δt。因此，在时间T₁，驱动器电路接收改变速率ΔI/Δt，并且以速率ΔI/Δt将输出电流从I_D减小至I_B。类似地，在时间T₂，驱动器电路接收改变速率ΔI/Δt，并且以速率ΔI/Δt将输出电流从I_B增大至I_C。最后，在时间T₃，驱动器电路接收改变速率ΔI/Δt，并且以速率ΔI/Δt将输出电流从I_C减小至I_A。

图5在时域中图示出根据一个实施方式的图3的开关电源中具有线性照明输出特性的温度降额的第二示例。在图5的实施方式中，速率控制器306确定用于接收到的低于当前输出电流309的目标输出电流305的第一改变速率307，以及确定用于接收到的大于当前输出电流的目标输出电流的第二改变速率。

在时间T₁，速率控制器306接收I_B的目标输出电流305，确定目标输出电流低于I_D的当前输出电流309，以及向驱动器电路308提供dI_DOWN／dt的第一改变速率。作为回应，驱动器电路以dI_DOWN／dt的速率从I_D减小输出电流。在时间T₂，速率控制器接收I_C的目标输出电流，确定目标输出电流大于当前输出电流，以及向驱动器电路提供dI_UP／dt的第二改变速率(不同于第一改变速率dI_DOWN／dt)。注意到，改变速率dI_DOWN／dt是这样的：在时间T₂，输出电流已经减小至I_E，但还没有一直减小至先前I_B的目标输出电流。响应于接收改变速率dI_UP／dt，驱动器电路以速率dI_UP／dt在时间T₂从I_E的当前输出电流增大输出电流，直到当前输出电流等于I_C的目标输出电流。在时间T₃，速率控制器接收I_A的目标输出电流，确定目标输出电流小于当前输出电流，以及向驱动器电路提供第一改变速率dI_DOWN／dt。作为回应，驱动器电路以dI_DOWN／dt的速率将输出电流从I_C减小至I_A。

图6是图示出根据一个实施方式的耦合至LED310的隔离开关电源驱动器电路308的框图。在一个实施方式中，图6的驱动器电路是图3的驱动器电路308。驱动器电路包括开关控制器600、开关610、变压器T₁、二极管D₁以及电容器C₁。驱动器电路接收输入电压V_IN和输出电流改变速率307，以及产生用于LED的输出电流309。

开关控制器600(至少)基于改变速率307并且例如使用如上所述的脉冲宽度调制或脉冲频率调制来控制开关610的接通状态和断开状态。当开关接通时，能量存储在变压器T₁的初级绕组中，这导致跨变压器的次级绕组的负电压，反向偏置二极管D₁。因此，电容器C₁向LED310提供输出电流309。当开关断开时，存储在变压器T₁的初级绕组中的能量转移至T₁的次级绕组，正向偏置二极管D₁。在二极管D₁被正向偏置的情况下，变压器T₁的次级绕组可以向LED提供输出电流，并且可以向电容器C₁转移能量以用于存储。

图7是图示出根据一个实施方式的耦合至LED310的非隔离开关电源驱动器电路308的框图。在一个实施方式中，图7的驱动器电路是图3的驱动器电路308。与图6的实施方式的驱动器电路相似，图7的驱动器电路包括开关控制器600和开关610，接收输入电压V_IN和输出电流改变速率307，以及产生用于LED的输出电流309。

图7的驱动器电路308还包括耦合至开关610、电容器C₁和二极管D₁的电感器L₁。开关控制器600至少基于接收到的改变速率307来接通和断开开关。当开关接通时，能量存储在电感器L₁中，并且二极管D₁被反向偏置。在此期间，输出电流309由电容器C₁提供至LED310。当开关断开时，二极管D₁变成正向偏置，并且存储在电感器L₁中的能量作为输出电流转移至LED以及转移至电容器C₁用于存储。

在阅读本公开内容之后，本领域技术人员将意识到还有对于基于两个电感器的AC-DC离线功率控制器的另外的替换设计。因此，尽管图示和描述了特定的实施方式和应用，但要理解的是，本文所讨论的实施方式不限于本文所公开的精确结构和组件，并且可以在本文所公开的方法和装置的布置、操作和细节方面作出对于本领域技术人员而言将是显而易见的各种修改、改变和变化而不背离本公开内容的精神和范围。

Claims (20)

1.一种电源，包括：

模数转换器(“ADC”)，配置为：

接收表示发光二极管(“LED”)的温度的温度信号；以及

基于接收到的温度信号产生数字温度信号；

过温保护(“OTP”)电路，配置为：

接收所述数字温度信号；

基于接收到的数字温度信号检测LED过温状态；以及

基于检测到的LED过温状态选择用于所述LED的目标输出电流；

速率控制器，配置为：

接收所述目标输出电流；以及

基于接收到的目标输出电流选择输出电流改变速率；以及

驱动器电路，配置为：

向所述LED提供所述输出电流；

接收所述输出电流改变速率；以及

基于接收到的输出电流改变速率调节提供的输出电流，直到所述输出电流基本上等于所述目标输出电流。

2.根据权利要求1所述的电源，其中从负温度系数电阻器接收所述温度信号。

3.根据权利要求1所述的电源，其中所述ADC包括2比特ADC。

4.根据权利要求1所述的电源，其中所述LED过温状态包括在预定安全操作阈值之上的温度操作所述LED。

5.根据权利要求1所述的电源，其中所述目标输出电流小于当前输出电流。

6.根据权利要求1所述的电源，其中所述输出电流改变速率包括最大输出电流改变速率，并且其中基于所述接收到的输出电流改变速率调节所述提供的输出电流包括以等于或小于所述输出电流改变速率的速率调节所述提供的输出电流。

7.根据权利要求1所述的电源，其中所述输出电流改变速率包括最小输出电流改变速率，并且其中基于所述接收到的输出电流改变速率调节所述提供的输出电流包括以等于或大于所述输出电流改变速率的速率调节所述提供的输出电流。

8.根据权利要求1所述的电源，其中选择所述输出电流改变速率使得所述过温状态在以所述输出电流改变速率调节所述提供的输出电流后在预定的时间间隔内得以纠正。

9.根据权利要求1所述的电源，其中选择所述输出电流改变速率使得当以所述输出电流改变速率调节所述提供的输出电流时使照明伪影最小化。

10.一种电源，包括：

模数转换器(“ADC”)，配置为生成表示发光二极管(“LED”)的温度的数字温度信号；

过温保护(“OTP”)电路，配置为基于所述数字温度信号产生目标输出电流；以及

速率控制器，配置为基于产生的目标输出电流选择输出电流改变速率；以及

驱动器电路，配置为产生用于所述发光二极管的输出电流，以及基于所述输出电流改变速率来调节所述输出电流。

11.根据权利要求10所述的电源，其中所述输出电流改变速率包括最大输出电流改变速率，并且其中基于所述输出电流改变速率调节所述输出电流包括以等于或小于所述输出电流改变速率的速率调节产生的输出电流。

12.根据权利要求10所述的电源，其中所述输出电流改变速率包括最小输出电流改变速率，并且其中基于所述输出电流改变速率调节所述输出电流包括以等于或大于所述输出电流改变速率的速率调节所述产生的输出电流。

13.根据权利要求10所述的电源，其中如果所述目标输出电流大于当前输出电流则选择第一输出电流改变速率，并且其中如果所述目标输出电流小于当前输出电流则选择第二输出电流改变速率。

14.根据权利要求13所述的电源，其中所述第一输出电流改变速率不同于所述第二输出电流改变速率。

15.一种向发光二极管(“LED”)提供功率的方法，包括：

提供输出电流到所述发光二极管；

基于所述发光二极管的温度检测所述发光二极管处的过温状态；

基于检测到的过温状态确定用于所述发光二极管的目标输出电流；

基于确定的目标输出电流并且基于提供的输出电流来选择输出电流改变速率；以及

基于选择的输出电流改变速率调节提供至所述发光二极管的输出电流直到提供的输出电流基本上等于所述目标输出电流。

16.根据权利要求15所述的方法，其中检测所述发光二极管处的过温状态包括检测所述发光二极管的在所述发光二极管的预定安全操作阈值之上的温度。

17.根据权利要求15所述的方法，其中确定用于所述发光二极管的目标输出电流包括确定小于至所述发光二极管的提供的输出电流的目标输出电流。

18.根据权利要求15所述的方法，其中选择所述输出电流改变速率，使得所述过温状态在基于所述输出电流改变速率调节所述提供至所述发光二极管的输出电流后在预定的时间间隔内得以纠正。

19.根据权利要求15所述的方法，其中选择所述输出电流改变速率，使得在基于所述输出电流改变速率调节所述提供至所述发光二极管的输出电流后使照明伪影最小化。

20.一种向发光二极管(“LED”)提供功率的方法，包括：

向所述发光二极管提供第一输出电流；

基于检测到的所述发光二极管的温度选择用于所述发光二极管的第二输出电流；

基于所述第一输出电流和所述第二输出电流选择输出电流改变速率；以及

以选择的输出电流改变速率调节提供至所述发光二极管的第一输出电流直到提供的第一输出电流等于所述第二输出电流。