CN103648204A - 发光阵列以及降低输出至发光二极管的输出电流波纹的方法 - Google Patents

Abstract

一种发光阵列以及用于降低输出至发光二极管的输出电流波纹的方法，该发光二极管阵列具有带有输出电压波纹的单级功率因数校正驱动器，该输出电压波纹通过使用串联连接在单级功率因数校正驱动器和发光二极管阵列之间的线性电流调节器降低，该线性电流调节器根据单级功率因数校正驱动器的输出电压波纹，有源地调节线性电流调节器的等效阻抗。

Description

发光阵列以及降低输出至发光二极管的输出电流波纹的方法

相关申请的交叉参考 

本申请要求于2013年9月26日提交的美国系列号14/037,909的优先权和权益，其通过参考并入本文。 

技术领域

本发明涉及一种用于降低AC电源电压驱动的单极功率因数校正驱动器的输出功率波纹的设备和方法，主要地用于提供没有闪烁的发光二极管阵列。 

背景技术

发光二极管（LED）是一种照明设备，其将电流转换为光。LED的亮度主要由驱动电流的量值确定。因此，为了获得没有闪烁的稳定发光输出，应该由恒定电流源驱动LED。 

一般的照明产品通常由50或60Hz线路频率的110或220VAC的AC电源电压供电。单极功率因数校正（SSPFC）驱动器一般用来将AC线电压转换为DC电压以驱动这些LED。这是因为SSPFC驱动器是一种获得电压转换和功率因数校正的简单电路。然而，由于功率因数校正，SSPFC的输入功率根据AC电源电压变化。输入功率波纹产生输出电压波纹和输出电流波纹。因此，使用SSPFC驱动器给LED供电直接导致光以两倍的线路频率闪烁。增加SSPFC驱动器的输出电容是一种降低输出功率波纹的直接方法。但是，输出电容器的值受到诸如尺寸、成本和寿命的因素限制。其他解决方案存在，但是这些方案导致效率降低、成本增加以及设计更加 复杂。 

发明内容

本发明的一个实施方式是发光阵列，该发光阵列包括单级功率因数校正驱动器，其将AC电源电压转换成DC以及提供功率校正因数；发光二极管阵列；以及线性电流调节器，其串联连接在单级功率因数校正驱动器和发光二极管阵列之间，以根据单级功率因数校正驱动器的输出电压波纹，有源地调节线性电流调节器的等效阻抗。 

本发明的另一实施方式是其中发光阵列还包括谷值电压检测器，其耦接在线性电流调节器和单级功率因数校正驱动器之间，以便将通过线性电流调节器的电压降的谷值反馈至单级功率因数校正驱动器，从而调制单级功率因数校正驱动器的DC输出电压值。线性电流调节器可以是开关模式电流调节器或者有源线性电流调节器，以及发光二极管阵列可以是高电压阵列。 

在本发明的另一实施方式中，线性电流调节器包括半导体开关设备和恒定电压控制器。 

在本发明的另一实施方式中，单级功率因数校正驱动器在降压拓扑中。 

在本发明的另一实施方式中，输出电压波纹的频率大约是输入线路频率的两倍。 

本发明的再一实施方式是一种用于降低输出至发光二极管的输出电流波纹的方法，包括：将AC电源电压转换为DC，以及通过单级功率因数校正驱动器提供功率校正因数，其中单级功率因数校正驱动器的输出具有输出电压波纹；以及根据单级功率因数校正驱动器的输出电压波纹，通过串联连接在单级功率因数校正驱动器和发光二极管阵列之间的线性电流调节器调节线性电流调节器的等效阻抗。 

在本发明的再一实施方式中，还包括将通过线性电流调节器的电压降的谷值反馈至单级功率因数校正驱动器，以调制单级功率因数校正驱动器 的直流输出值。 

附图说明

附图仅出于图示目的，并未按照比例绘制。但是，结合附图时，可以通过参照下面的详细描述更好地理解本发明，其中： 

图1示出了本发明的一个实施方式的总体图； 

图2示出了LED阵列的V-I特性； 

图3描绘了具有AC和DC元件的电压源并增加了电流源； 

图4A至4D示出了本发明的电压源、通过电流源的电压、LED阵列正向电压和LED电流的波形； 

图5是在没有电流源情况下图3的等效电路； 

图6是线性调节器的最优化电压降的曲线图； 

图7示出了示例性LED的V-I特性； 

图8A和8B示出了不同k值下电路的效率； 

图9和10是示出了需要如何有源地调节通过线性电流调节器的电压以对抗电压波纹变化、从而确保足够用于线性调节器的电压降以进行电流调节的曲线图； 

图11是本发明的示例性实施方式； 

图12A示出了在没有线性调节阶段情况下的由SSPFC直接驱动的LED串的电压和电流电平； 

图12B示出了本发明的示例性实施方式的电压和电流电平；以及 

图13A和13B示出了本发明的实施方式的电压特性，其中即使当变化发生在电压波纹量值时调节发生。 

具体实施方式

如图1中所示，较少闪烁的LED驱动器100由SSPFC104、LED阵列106、线性电流调节器108和谷值电压检测器110组成。SSPFC104将AC线路102的电压转换成DC电压，并且还提供功率因数校正。在SSPFC104的输出端，线性电流调节器108与LED阵列106串联。线性电流调节器108根据SSPFC104的输出电压波纹有源地调节其等效阻抗。通过线性电流调节器108的电压降根据SSPFC104的输出电压波纹变化，导致去除LED阵列106输入中的电压波纹。 

为了确保线性电流调节器108具有用于调节的足够电压降以及以最小功率损耗运行，线性电流调节器108上的电压降的谷值通过谷值电压检测器110反馈回SSPFC104，从而使得SSPFC104能够调节其输出电压电平。该反馈回路允许线性电流调节器108的电压降的调节。这种控制方案确保线性电流调节器108在获得电流调节时以最小功率消耗运行。 

更具体地，假设由于SSPFC的足够大的输出电容，SSPFC的输出电压具有在大约两倍的线路频率的波纹，并且假设当SSPFC运行时LED阵列一直导电。在这种情况下，当SSPFC驱动LED阵列时，其输出电压由LED阵列决定，原因在于如图2所示，LED具有非线性V-I特性。因此，当LED阵列导电时，其箝位SSPFC的输出电压。因为SSPFC的输出电压承载电压波纹，所以如图3所示，可以将SSPFC建模成与AC电压源串联的DC电压源。V_{out_dc}表示平均输出电压，V_{out_ac}表示输出电压波纹。 

为了避免电压波纹被施加到LED阵列，如图3中所示，将恒定电流源（例如，线性电流调节器308）加入与LED阵列306串联。线性电流调节器308有源地调节其等效阻抗以使LED电流恒定，因此，通过线性电流调节器308的电压根据输出电压波纹变化。结果，通过LED阵列306的电压恒定。电压源、通过电流源的电压、LED阵列正向电压和LED电流的随之产生的波形分别如图4A至4D中所示。图4A和4B示出了提出的驱动方法的实质是利用电流源来占据电压源的波纹V_{out_ac}，从而使得LED的正向电压恒定。实际上，电流源可以通过开关模式电流调节器或者有源线性电流调节器实施。 

输出电压波纹 

输出电压波纹根据串联LED的数量、LED正向电压和平均LED驱动电流变化。可以根据前述变量确定输出电压波纹的数学公式。在用公式表达输出电压波纹的讨论中，忽略图3所示的电流源以简化分析，并且等效电路如图5中所示。当LED正向电压比电流调节器上的电压降高很多时，电流调节器上的功率损耗与LED功率相比是小的。因此，忽略电流调节器上的电压降是允许的。这被允许的原因在于增加恒定电流源并不会影响SSPFC的输出电压波纹很多，因为平均输出功率几乎未变化。 

电压波纹量值和电流波纹量值之间的关系由如图2中所示的V-I曲线表示。为了简化分析，LED的V-I特性由3阶多项式近似得出，该3阶多项式在LED在其操作区域驱动时是有效的： 

$V_f=a{I}_f^3+b{I}_f^2+c{I}_f+d$     （等式1） 

对于包括串联的n个LED并且由平均值为I_{f_avg}的电流驱动的LED阵列，LED阵列的平均电压由下式给出: 

$V_{\mathrm{led}\_\mathrm{avg}}=n{V}_{f\_\mathrm{avg}}={\mathrm{anI}}_{f\_\mathrm{avg}}^3+\mathrm{bn}{I}_{f\_\mathrm{avg}}^2+\mathrm{cn}{I}_{f\_\mathrm{avg}}+\mathrm{dn}$     （等式2） 

当LED阵列的电流携带波纹时，用I_ripple表示电流波纹量值，而I_{f_max}和I_{f_min}表示电流的峰值和谷值，那么： 

I_ripple＝I_{f_max}-I_{f_min}     （等式3） 

$I_{f\_\mathrm{avg}}=\frac{I_{f\_\max }+I_{f\_\min }}{2}$     （等式4） 

用k表示电流波纹量值与平均电流的比率： 

$k=\frac{I_{\mathrm{ripple}}}{I_{f\_\mathrm{avg}}}$     （等式5） 

用V_ripple表示LED阵列的电压波纹（峰值至峰值）量值，那么： 

$\begin{array}{c}{V}_{\mathrm{ripple}}=V_{\mathrm{led}\_\mathrm{amx}}-V_{\mathrm{led}\_\min }\\ =\mathrm{an}(I_{f\_\max }^3-I_{f\_\min }^3)+\mathrm{bn}(I_{f\_\max }^2-I_{f\_\min }^2)+\mathrm{cn}(I_{f\_\max }-I_{f\_\min })\end{array}$     （等式6） 

将等式3、等式4和等式5代入等式6中，等式6进一步简化为： 

$V_{\mathrm{ripple}}=\mathrm{nk}{I}_{f\_\mathrm{avg}}[{\mathrm{aI}}_{f\_\mathrm{avg}}^2(3+\frac{k^2}{4})+2b{I}_{f\_\mathrm{avg}}+c]$     （等式7） 

根据等式7，电压波纹量值由3个参数a、b和c和3个变量n、k和I_{f_avg}决定。通过选择LED的特定模式，可以定义a、b和c。由此，可以找出电压波纹与n、k和I_{f_avg}的相关性。 

线性电流调节器的效率 

有源线性电流调节器可以用来实现线性电流调节器。线性电流调节器固有缺点在于它比开关模式调节器消耗更多的功率。在确定功率损耗时，用P_drop avg表示线性电流调节器的平均功率损耗：P_{drop_avg}＝V_{drop_avg}×I_{f_avg}

如果V_{drop_avg}降低，那么来自线性电流调节器的功率损耗降低。实际上，存在用于线性电流调节器的阈值电压降，以调节LED电流。谷值电压表示V_drop的最低电平。如果线性电流调节器的谷值电压等于阈值电压，那么功率损耗最小化。 

线性调节器的最优化电压降在图6中示出，其中V_supply是阈值。在图6中，V_drop的谷值等于V_supply。假设V_drop的AC分量为正弦曲线，其是SSPFC的输出电压波纹。因此，图6中的电压降的平均值为： 

$V_{\mathrm{drop}\_\mathrm{avg}}=V_{\mathrm{supply}}+\frac{1}{2}{V}_{\mathrm{ripple}}$     （等式8） 

其中η表示线性电流调节器的效率（LED阵列功率与SSPFC的总输出功率的比率），η由下列公式约束： 

$n=\frac{P_{\mathrm{LED}}}{P_{\mathrm{drop}}+P_{\mathrm{LED}}}$

因此，在最优化情况中： 

$\mathrm{\η}=\frac{V_{\mathrm{led}\_\mathrm{avg}}\×I_f}{(V_{\mathrm{drop}\_\mathrm{avg}}+V_{\mathrm{led}\_\mathrm{avg}})\×I_f}=\frac{1}{\frac{V_{\mathrm{drop}\_\mathrm{avg}}}{V_{\mathrm{led}\_\mathrm{avg}}}+1}=\frac{1}{\frac{V_{\mathrm{supply}}}{V_{\mathrm{led}\_\mathrm{avg}}}+\frac{1}{2}\frac{V_{\mathrm{ripple}}}{V_{\mathrm{led}\_\mathrm{avg}}}+1}$     （等式9） 

回忆等式2和等式7，V_{led_avg}被表述成n和I_{f_avg}的函数。V_ripple被表述成n、k和I_{f_avg}的函数。V_supply可以看作由线性电流调节器的固有特性限定的固定参数。因此，可以将η写成3个变量n、k和I_{f_avg}的函数。 

η＝f(n，k，I_{f_avg})    （等式10） 

而函数f由参数a、b、c、d和V_supply限定。 

为了找出η与n、k和I_{f_avg}的相关性，必需选择LED模式来限定a、b、c和d。为了图示目的，使用Cree XT-E LED、CLD-DS41REV8A。 

根据等式1，LED的V-I特性可以由3阶多项式近似。使用多次线性回归，根据Cree XT-E的实际V-I特性发现参数a、b、c、d。 

$V_f=1.5\×{10}^4{I}_f^3-0.523I_f^2+I_f+2.55$     （等式11） 

随着a、b、c、d被限定，等式7和等式2可以写成： 

$V_{\mathrm{ripple}}=\mathrm{nk}{I}_{f\_\mathrm{avg}}[1.5\×{10}^4{I}_{f\_\mathrm{avg}}^2(3+\frac{k^2}{4})+2\×0.523I_{f\_\mathrm{avg}}+1]$     （等式12） 

$V_{\mathrm{led}\_\mathrm{avg}}=1.5\×{10}^4{\mathrm{nI}}_{f\_\mathrm{avg}}^3-0.523n{I}_{f\_\mathrm{avg}}^2+n{I}_{f\_\mathrm{avg}}+2.55n$     （等式13） 

假设V_supply=3V，然后将等式12和等式13代入等式9中。线性电流调节器的随之产生的效率曲线在图8A和8B中示出。 

在图8A和8B中示出的n、k和I_{f_avg}的值基于LED的典型操作条件限定。在图8A中，示出了不同k值图线，其中n=40。在图8B中，示出不同k值图线，其中I_{f_avg}=200mA。例如，k（电流波纹与平均电流的比率）的最大值并不超过2，否则LED电流将不连续。图8A示出了当I_{f_avg}增加时，η减小。与图8B相比，η的减小并不明显：当I_{f_avg}从0增加至700mA时，其在5%内。可以得出效率与平均LED电流具有小的相关性。 

图8B示出了当n增加时，η显著增加。当n从0增加至40时，η增加超过25%。这表明效率与LED数量具有很大相关性，这暗示着其与LED阵列的正向电压具有相关性。因此，提出的驱动方法适于应用至高电压 LED阵列，以获得高效率。 

图8A和8B均示出了当k增加时，η减小。但是当k从0.1增加至2时，η的减小小于10%。这表明效率与LED电流波纹的弱相关性。 

谷值电压调节 

因为LED的V-I特性与温度变化（其最终改变V_ripple）一起漂移，如果P_{drop_avg}固定于某一电平，电流调节器可能由于电压降不够而不能够传送恒定电流。这是因为线性电流调节器上的电压降的偏移与V_ripple无关（参见等式14）。 

V_{drop_avg}＝V_{out_dc}-V_{led_avg}    （等式14） 

为了确保足够的电压降用于线性调节器以进行电流调节，需要有源地调节V_{drop_avg}以抵消V_ripple变化，如图9和10所示。这可以通过实施电压控制回路以调节V_drop的谷值电压而获得。该谷值电压调节利用谷值电压检测器来将V_drop的谷值反馈到SSPFC以调制V_{out_dc}，这最终调节V_{drop_avg}。 

实验结果 

作为实例，在图11中示出了13W较少闪烁的LED驱动器1100。该驱动器由3部分组成：SSPFC1104（在降压拓扑中）、线性电流调节器1108和谷值电压检测器1110。SSPFC1104将AC线路电压转换成DC电压，并且还作为功率因数校正器运行。SSPFC1104加载有与线性电流调节器1108串联的LED串1106。线性电流调节器1108由半导体开关设备和恒定电压控制器组成。谷值电压检测器1110抽样线性电流调节器1108的谷值电压，然后调制反馈电压至SSPFC1104以控制输出电压。因此，调节了线性电流调节器的谷值电压。 

表1：较少闪烁的LED驱动器的参数 

图12A和12B是LED串的实际电流和电压波形。图12A和12B之间的比较表明线性电流调整的效力。图12A示出了在没有线性电流调整情况下，LED电流波纹处于200mA峰值至峰值左右，这是平均LED电流的133%。图12B示出了在具有线性电流调整情况下，LED电流波纹降低至小于5mA峰值至峰值。图12B也示出了LED串的正向电压为恒定，原因在于线性电流调节器携带与降压转换器输出相同的电压波纹。 

图13A和13B示出了即使电压波纹量值已经改变，线性调节器的谷值电压也被调节在大约2.5V。在该实验中，输出电容器的值降低一半，从136μF至68μF，因此输出电压波纹量值翻倍。图13A和13B示出了线性调节器一直运行于阈值电压，这意味着其消耗最小的功率来保证电流调节。因此，提出的驱动电路的效率和效力与V_ripple的变化无关。 

表2将提出的较少闪烁的LED驱动器的性能和传统的单级LED驱动器的性能进行比较。 

表2不具有/具有线性调节的性能比较 

	不具有线性调节	具有线性调节
			VIN(V)	220.5	220.7
IIN(mA)	56.54	60.78
			PIN(W)	12.11	12.94
VLED(V)	79.4	79.7
			ILED(mA)	139.2	141.4
PLED(W)	11.06	11.27
			效率	91.3%	87.1%
输出电流波纹	133%	1%
			功率因数	0.964	0.962

如图12A中所示，线性电流调节器的阈值电压V_supply为大约2.5V，电压波纹量值V_ripple为大约3.2V。根据表2，V_{led_avg}=79.7V。将这些值代入等式9中，η计算为0.951。根据表2，η的测量值为： 

$\mathrm{\η}=\frac{87.1\%}{91.3\%}=0.954$

测量值接近于计算值0.951。该结果验证了等式9和图8中的效率表示并验证了提出的驱动电路对于高电压LED能够获得高效率的结论。在该实例中，驱动80V LED阵列时，提出的电路设法在损失4.2%效率的情况下将电流波纹从133%降低至1%。 

前述描述提出了一种用于高电压LED的驱动电路，以在高效率下降低LED电流波纹。通过将线性电流调节器与LED串联，电路能够将LED电流波纹降低至小于1%。得到线性电流调节器效率的数学模型，并且其证明对于高电压LED应用可以获得高效率。此外，证实谷值电压调节的方法能够自动地使线性调节最优化，这使得驱动电路对于LED或输出电解电容器的热量降低有鲁棒性。13W/80V较少闪烁的LED驱动器将提出的电路与传统的SSPFC驱动器结合起来。测试结果表明与传统SSPFC相比，较少闪烁的LED驱动器能够获得99%电流波纹降低，并且能够保持效率的95%。如所述，提出的驱动电路给高电压LED应用提供了有效率且有效力的解决方案，以消除重叠线频率闪烁。 

虽然在本文中已经图示和描述了具体实施方式，但是所属领域技术人员应该意识到，各种替代和/或等效的实施例可以在不背离本发明范围的情况下，替代所图示和描述的具体实施方式。本文的公开旨在覆盖本文所讨论的具体实施方式的任何改变或变型。因此，本发明旨在仅受限于权利要求书及其等效物。 

Claims (14)

1.一种发光阵列，包括：

单级功率因数校正驱动器，其用于将AC电源电压转换成DC以及提供功率校正因数，其中单级功率因数校正驱动器的输出具有输出电压波纹；

发光二极管阵列；以及

线性电流调节器，其串联连接在单级功率因数校正驱动器和发光二极管阵列之间，以根据单级功率因数校正驱动器的输出电压波纹，有源地调节线性电流调节器的等效阻抗。

2.根据权利要求1的发光阵列，还包括：

谷值电压检测器，其耦接在线性电流调节器和单级功率因数校正驱动器之间，以便将通过线性电流调节器的电压降的谷值反馈至单级功率因数校正驱动器，从而调制单级功率因数校正驱动器的DC输出电压值。

3.根据权利要求1所述的发光阵列，其中所述线性电流调节器是开关模式电流调节器或者有源线性电流调节器。

4.根据权利要求1所述的发光阵列，其中所述发光二极管阵列是高电压阵列。

5.根据权利要求1所述的发光阵列，其中所述线性电流调节器包括半导体开关设备和恒定电压控制器。

6.根据权利要求1所述的发光阵列，其中所述单级功率因数校正驱动器在降压拓扑中。

7.根据权利要求1所述的发光阵列，其中所述输出电压波纹的频率大约是输入线路频率的两倍。

8.一种用于降低输出至发光二极管的输出电流波纹的方法，包括：

将AC电源电压转换为DC，以及通过单级功率因数校正驱动器提供功率校正因数，其中单级功率因数校正驱动器的输出具有输出电压波纹；以及

根据单级功率因数校正驱动器的输出电压波纹，通过串联连接在单级功率因数校正驱动器和发光二极管阵列之间的线性电流调节器调节线性电流调节器的等效阻抗。

9.根据权利要求8的方法，还包括：

将通过线性电流调节器的电压降的谷值反馈至单级功率因数校正驱动器，以调制单级功率因数校正驱动器的直流输出值。

10.根据权利要求8所述的方法，其中所述线性电流调节器是开关模式电流调节器或者有源线性电流调节器。

11.根据权利要求10所述的方法，其中所述发光二极管阵列是高电压阵列。

12.根据权利要求11所述的方法，其中所述输出电压波纹的频率大约是输入线路频率的两倍。

13.根据权利要求11所述的方法，其中所述单级功率因数校正驱动器在降压拓扑中。

14.根据权利要求12所述的方法，其中所述线性电流调节器包括半导体开关设备和恒定电压控制器。

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