CN103748961A - 用于发光二极管灯的兼容电子镇流器的照明驱动器 - Google Patents

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Abstract

一种照明驱动器包括：整流器，具有被连接用于从电子镇流器接收AC电功率的输入并且具有被连接用于向在串中相互串联布置的多个发光二极管(LED)供应电流的输出；以及切换器件，设置于整流器的输出处并且被配置用于接收切换控制信号并且响应于切换控制信号执行切换操作以调制向多个LED供应的功率量以便使向多个LED供应的功率的平均值等于目标功率水平。可以提供电流传感器以感测电流，并且提供控制器，控制器被配置用于响应于感测的电流控制切换器件的切换操作。

Description

用于发光二极管灯的兼容电子镇流器的照明驱动器
技术领域
本发明主要地涉及一种用于驱动一个或者多个发光二极管(LED)光源的照明驱动器。更具体而言，这里公开的各种发明方法和装置涉及一种可以兼容地更新(retrofit)到具有电子镇流器的照明灯具中的基于LED的灯和相关照明驱动器。
背景技术
有许多商用设置(例如工厂、商店、仓库等)，这些商用设置具有大量照明灯具，这些照明灯具具有安装的荧光管(例如T8或者T12管)和附带电子镇流器。
应当注意电子镇流器以许多方式不同于传统电磁(EM)镇流器。EM镇流器在线路频率(例如50Hz或者60Hz)操作，而电子镇流器在显著更高频率(例如40kHz)操作、由此减少可见闪烁。电子镇流器也通常比EM镇流器更高效、比EM镇流器更小和更轻并且有时也提供在它们的输入与输出之间的电隔离，而EM镇流器通常不这样。在另一方面，电子镇流器比EM镇流器更复杂并且需要更多电路。
基于半导体光源、比如发光二极管(LED)的照射设备赋予传统荧光HID和白炽灯的可行替代。LED的功能优点和益处包括高能量转换和光效率、更长预计寿命、更低操作成本以及许多其它优点和益处。
因而在一些情况下希望用更新、更能量高效的LED光源替换现有传统荧光光源。具体而言，在许多安装中，将希望用LED光源替换安装的荧光管灯。
有如今在市面上销售的各种LED替换管灯。为了恰当操作这样的LED灯，它们中的多数需要通过去除现有电子镇流器或者通过将它旁路来重新布线现有荧光管灯照明灯具。然而这是劳动力密集的并且增加总替换成本。用于用LED光源升级现有荧光管照明单元的最容易方式是通过简单地去除旧荧光管灯并且用新管状LED(TLED)灯替换它。应当无需重新布线或者打开荧光管灯照明灯具。
TLED灯的主要挑战之一也在于减少成本。LED驱动器成本可以是整个照明单元的显著部分，特别是如果使用切换模式功率供应(SMPS)驱动器。通过利用现有电子镇流器作为LED驱动器系统的部分，带现有电子镇流器的操作提供了用于减少TLED灯的成本的机会。
另外，能量节省是TLED灯的关键优点之一。由于TLED灯通常向下(即光出射窗通常在180至240度之间)而不是在管四周(荧光管灯按照定义具有360度的光出射窗)照射，所以TLED灯可以提供比荧光管灯显著更高的光效率。因此，TLED灯的功耗将低于对应荧光管灯。例如为了替换36W4ft TL灯，TLED灯的功耗通常被指定约为20W。因此，40％以上的功耗减少需要由LED驱动器实现。
然而在现有荧光管灯照明灯具中的安装的电子镇流器旨在于操作荧光灯。具有电子镇流器的标准4英尺T8荧光管灯的额定功率为32W，并且镇流器被设计成针对这一功率水平以正确电流驱动TL灯。在最简单情况下，LED串可以借助二极管桥以及电容器连接到电子镇流器，该二极管桥用于将电子镇流器供应的高频AC功率转换成用于LED串的DC电流，该电容器用于平滑掉脉动电流。如果选择LED串基本上接近TL灯的点燃电压(burning voltage)，则LED灯将接收与TL灯相比的相似功率和电流。
然而这一简单方法并不具有TLED灯的闭环功率/电流控制。因此，光输出量将严重遭受不同电子镇流器电路设计、灯具的灯配置(即单、双灯)、市电电压变化和LED前向电压的扩展及其温度依赖性的影响。这很难让这样的电路实现+/-10％的LED电流容差。
也就是说，提供用于对具有电子镇流器的现有荧光管灯照明灯具进行改型的TLED灯的挑战之一是提供LED照明驱动器，该LED照明驱动器可以与为荧光管灯设计的多种现有安装的电子镇流器和与具有合理前向电压变化的LED可靠地操作。
概括而言，为了消除与安装新照明灯具或者重新布线现有照明灯具关联的劳动力成本，将希望将管状LED(TLED)灯更新(retrofit)到具有电子镇流器的现有荧光管灯照明灯具中，以取代现有荧光管灯而又留下现有电子镇流器。此外，将希望能够将相同TLED灯更新到具有各种不同电子镇流器的不同照明灯具中，该各种不同电子镇流器具有不同输出电平。另外，将希望提供一种可以在LED本身的容差范围内与具有不同输出电平的各种不同电子镇流器一起操作的TLED灯设计。
发明内容
本公开内容涉及用于基于LED的管(“TLED”)的灯的发明方法和装置，该TLED灯可以更新到与为荧光灯设计的各种安装的电子镇流器兼容的现有照明灯具中。例如在一些实施例中，如这里公开的一种TLED灯可以更新到具有电子镇流器的现有荧光管灯照明灯具中以取代现有荧光管灯而又同时保留现有电子镇流器、可以更新到具有不同输出电平的各种不同电子镇流器的广泛的各种不同照明灯具中并且可以在LED本身的容差范围内与具有不同输出电平的多种不同电子镇流器一起操作。
一般而言，在一个方面中，本发明涉及一种包括管状发光二极管(“TLED”)灯的装置。该TLED灯包括：具有至少一个电连接器的管，被配置用于安装于荧光灯具中；多个发光二极管(LED)，在串中相互串联布置并且设置于管内；以及照明驱动器，设置于管内并且连接到至少一个电连接器并且被配置用于向多个LED供应功率。照明驱动器包括：整流器，具有被连接用于从至少一个电连接器接收AC电功率的输入并且具有被连接用于向多个LED供应功率的输出；切换器件，连接到整流器的输出并且被配置用于被关断和闭合以调制在整流器的输出两端出现的来自多个LED的LED电压；电流传感器，被配置用于感测穿过LED串的LED电流；以及控制器，被配置用于响应于感测的LED电流控制切换器件的切换操作。在一些实施例中，切换器件可以直接连接到整流器的输出，并且在其它实施例中，一个或者多个居间元件可以存在于整流器的输出与切换器件之间。
在一个实施例中，控制器被配置用于执行算法以比较感测的LED电流与参考值并且控制向切换器件提供的切换控制信号的占空比和切换速率中的至少一项以便驱动感测的LED电流以等于参考值。
根据这一实施例的一个可选特征，该装置也包括：第二电流传感器，被配置用于感测整流器的输出电流；以及过零检测器，连接到第二电流传感器的输出并且被配置用于检测过零在接收的AC电功率的AC输入电流中出现时的近似时间(times)并且向控制器提供指示AC输入电流中的过零的近似时间的信号，其中控制器被配置用于同步切换控制信号的脉冲与AC输入电流中的过零的近似时间。
在另一实施例中，控制器被配置用于执行算法以比较感测的LED电流与参考值以产生比较结果；对比较结果进行比例积分以确定脉冲持续时间；并且用脉冲持续时间调制向切换器件提供的切换控制信号以便驱动感测的LED电流以等于参考值。
根据另一实施例，该装置也包括被配置用于感测LED电压的电压传感器，其中控制器被配置用于执行算法以根据感测的LED电流和感测的LED电压计算向LED供应的平均LED功率，比较平均LED功率与参考值，并且控制向切换器件提供的切换控制信号的占空比和切换速率中的至少一项以便驱动平均LED功率以等于参考值。
根据又一实施例，该装置还包括：电子镇流器，被连接用于向至少一个电连接器供应AC电功率。
根据又一实施例，该装置还包括：第二切换器件，连接到整流器的输出并且被配置用于被关断和闭合以调制来自多个LED的在整流器的输出两端出现的LED电压，其中切换器件和第二切换器件被一起关断并且一起闭合以便使得串中的LED的第一子组与串中的LED的第二子组在整流器的输出两端并联。
根据又一实施例，该装置还包括被配置用于向切换器件提供切换控制信号的开关驱动器，其中切换控制信号具有周期性切换速率和占空比，并且其中控制器控制切换控制信号的占空比以便使得向LED供应的平均功率等于参考值。
根据又一实施例，切换器件在LED的第一子组两端并联连接，第一子组包括比所有LED少的相互串联的LED。
根据又一实施例，串中的LED包括第一LED子组和第二LED子组，其中该装置还包括在串中的第一LED子组与第二LED子组之间串联连接的桥接二极管。该装置还包括与第一LED子组和桥接二极管的串联组合并联连接和/或与第二LED子组和桥接二极管的串联组合并联连接的第二切换器件。
一般而言，在另一方面中，本发明涉及一种用于驱动多个发光二极管(LED)的方法。该方法包括：从至少一个电连接器接收AC电功率的供应；整流供应的AC电功率的AC输入电压并且向LED供应LED电流；感测LED电流；并且响应于感测的LED电流控制切换器件的切换操作以调制向多个LED供应的功率量以便使向多个LED供应的功率的平均值等于目标功率水平。
一般而言，在又一方面中，本发明涉及一种照明驱动器，该照明驱动器包括：整流器，具有被连接用于从电子镇流器接收AC电功率的输入并且具有被连接用于向在串中相互串联布置的多个发光二极管(LED)供应电流的输出；以及切换器件，设置于整流器的输出处并且被配置用于接收切换控制信号并且响应于切换控制信号执行切换操作以调制向多个LED供应的功率量以便使向多个LED供应的功率的平均值等于目标功率水平。
如这里出于本公开内容的目的而使用的那样，应当理解术语“LED”包括能够响应于电信号生成辐射的任何电致发光二极管或者其它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。具体而言，术语LED是指可以被配置用于在红外线光谱、紫外线光谱和可见光谱(一般包括从近似400纳米至近似700纳米的辐射波长)的各种部分中的一个或者多个光谱中生成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)。LED的一些示例包括但不限于各种类型的红外线LED、紫外线LED、红色LED、蓝色LED、绿色LED、黄色LED、琥珀色LED、橙色LED和白色LED(以下进一步讨论)。也应当理解，LED可以被配置和/或控制用于生成针对给定的光谱(例如窄带宽、宽带宽)具有各种带宽(例如半高全宽或者FWHM)并且在给定的一般色分类内具有各种主导波长的辐射。
例如被配置用于生成实质上白光的LED(例如白色LED)的一个实现方式可以包括分别发射不同电致发光光谱的多个管芯，这些电致发光光谱组合以混合形成实质上白光。在另一实现方式中，白光LED可以与将具有第一光谱的电致发光转换成不同第二光谱的磷光体材料关联。在这一实现方式的一个示例中，具有相对短波长和窄带宽光谱的电致发光“泵浦”磷光体材料，该磷光体材料又辐射具有有些更宽光谱的更长波长辐射。
也应当理解，术语LED未限制LED的物理和/或电气封装类型。例如，如以上讨论的那样，LED可以是指具有多个管芯的单个发光设备，这些管芯被配置用于分别发射不同辐射光谱(可以例如个别可控或者可以不这样)。LED也可以与视为LED(例如一些类型的白色LED)的整体部分的磷光体关联。一般而言，术语LED可以是指封装的LED、非封装LED、表面装配LED、板上芯片LED、T封装装配LED、径向封装LED、功率封装LED、包括某一类型的装箱和/或光学元件(例如扩散透镜)的LED等。
应当理解术语“光源”是指各种辐射源中的任何一个或者多个辐射源，这些辐射源包括但不限于基于LED的源(包括一个或者多个如以上定义的LED)、白炽源(例如灯丝灯、卤素灯)、荧光源、磷光源、高强度放电源(例如钠蒸汽、汞蒸气和金属卤素灯)、激光器、其它类型的电致发光源、火致发光源(例如火焰)、烛致发光源(例如汽灯罩、碳电弧辐射源)、光致发光源(例如气态放电源)、使用电子饱和的阴极发光源、电流发光源、晶体发光源、动致发光源、热致发光源、摩擦发光源、声纳发光源、放射发光源和发光聚合物。
给定的光源可以被配置用于生成在可见光谱内、在可见光谱以外或者其组合的电磁辐射。因此，这里可互换地使用术语“光”和“辐射”。此外，光源可以包括一个或者多个滤波器(例如滤色器)、透镜或者其它光学部件作为整体部件。也应当理解，光源可以被配置用于包括但不限于指示、显示和/或照射的多种应用。“照射源”是具体被配置用于生成辐射的光源，该辐射具有用于有效照射内部或者外部空间的充分强度。在本文中，“充分强度”是指在空间或者环境中生成的用于提供环境照射(即可以间接感知的并且可以例如在被完全或者部分感知之前从多种居间表面中的一个或者多个居间表面反射的光)的在可见光谱中的充分辐射功率(单位“流明”经常用来在辐射功率或者“发光通量”方面代表在所有方向上来自光源的总光输出)。
术语“照明单元”这里用来是指包括相同或者不同类型的一个或者多个光源的装置。给定的照明单元可以具有多种用于光源的装配布置、罩/壳布置以及形状和/或电气和机械连接配置中的任一项。此外，给定的照明单元可选地可以与各种与光源的操作有关的其它部件(例如控制电路)关联(例如包括，被耦合到这些部件和/或与这些部件一起封装)。“基于LED的照明单元”是指如下照明单元，该照明单元仅包括如以上讨论的一个或者多个基于LED的光源，或者包括与其它非基于LED的光源组合的上述一个或者多个基于LED的光源。
应当解释术语“灯”是指包括用于接收电功率并且用于生成从接收的电功率生成辐射(例如可见光)的连接器的照明单元。示例包括灯泡和管，这些灯泡和管包括白炽灯泡、荧光灯泡、荧光管、LED灯泡、管状LED(TLED)灯等。
术语“照明灯具”这里用来是指一个或者多个照明单元在具体外型规格、组件或者封装中的实现方式或者布置并且可以与具体用于供应功率的其它部件例如电磁(EM)镇流器关联(例如包括，被耦合到这些部件和/或与这些部件一起封装)。
术语“控制器”这里一般用来描述与一个或者多个光源的操作有关的各种装置。可以用多种方式(如比如用专用硬件)实施控制器以执行这里讨论的各种功能。“处理器”是控制器的一个示例，该控制器运用可以使用软件(例如微代码)来编程以执行这里讨论的各种功能的一个或者多个微处理器。控制器可以运用或者不用处理器来实施并且也可以被实施为用于执行一些功能的专用硬件与用于执行其它功能的处理器(例如一个或者多个编程的微处理器和关联电路)的组合。可以在本公开内容的各种实施例中运用的控制器部件的示例包括但不限于常规微处理器、专用集成电路(ASIC)和现场可编程门阵列(FPGA)。
如这里所用，“市电”是指来自公用电网的通用交流(AC)电功率供应并且有时也可以称为家庭功率、家庭电力、家用功率、墙壁功率、线路功率、城市功率、街道功率和电网功率。
在各种实现方式中，处理器或者控制器可以与一个或者多个存储介质(这里通称为“存储器”、例如易失性和非易失性计算机存储器、比如RAM、PROM、EPROM和EEPROM、软盘、紧致盘、光盘、磁带等)关联。在一些实现方式中，存储介质可以用一个或者多个程序编码，该一个或者多个程序在一个或者多个处理器和/或控制器上被执行时执行这里讨论的功能中的至少一些功能。各种存储介质可以固定于处理器或者控制器内或者可以是可移植的，从而在其上存储的一个或者多个程序可以被加载到处理器或者控制器中以便实施这里讨论的本发明的各种方面。术语“程序”或者“计算机程序”这里在通用意义上用来是指可以用来对一个或者多个处理器或者控制器编程的任何类型的计算机代码(例如软件或者微代码)。
将理解在元件称为“连接”或者“耦合”到另一元件时，它可以直接连接或者耦合到另一元件或者居间元件可以存在。对照而言，在元件称为“直接连接”或者“直接耦合”到另一元件时，无居间元件存在。
应当理解，设想前述概念和以下更具体讨论的附加概念的所有组合(假设这样的概念未互不一致)作为这里公开的发明主题内容的部分。具体而言，设想在本公开内容的篇尾出现的要求保护的主题内容的所有组合作为这里公开的发明主题内容的部分。也应当理解，应当向也可以在通过引用而结合的任何公开内容中出现的这里明确运用的术语赋予与这里公开的具体概念最一致的含义。
附图说明
在附图中，相似标号一般贯穿不同视图指代相同部分。附图也未必按比例、代之以一般着重于强调图示本发明的原理。
图1图示照明灯具的一个示例实施例，该照明灯具包括取代荧光管灯而安装的管状发光二极管(LED)(TLED)灯。
图2是图示供应有来自电子镇流器的功率的TLED灯的一个示例实施例的部件的部分框图。
图3图示如何可以在多个时间间隔期间通过控制接收功率的LED数目来变化向TLED灯供应的AC输入电压。
图4是图示供应有来自电子镇流器的功率的TLED灯的一个示例实施例的具体图。
图5A示出如下控制回路的一个实施例，该控制回路可以用来控制LED驱动器向多个LED供应的功率。
图5B示出如下控制回路的另一实施例，该控制回路可以用来控制LED驱动器向多个LED供应的功率。
图6描绘用于图4的TLED灯的仿真电压和电流波形。
图7以更大时间分辨率描绘图6的仿真电压和电流波形。
图8图示调节供应到TLED灯中的LED的功率的方法的一个实施例。
图9是图示供应有来自电子镇流器的功率的TLED灯的另一示例实施例的具体图。
图10A图示电流检测器和过零检测器的一个实施例的操作。
图10B图示过零检测器的一个示例实施例。
图11是图示供应有来自电子镇流器的功率的TLED灯的另一示例实施例的部件的部分框图。
图12图示可以在图1的照明灯具中安装的TLED灯的一个示例实施例。
具体实施方式
已经提出用于将管状发光二极管(LED)(TLED)灯更新到具有电磁(EM)镇流器的现有荧光管灯照明灯具的解决方案。在通过引用而结合于此、以发明人William Jans等人的名义于2011年2月16日提交的美国临时专利申请61/443,300中描述了一些示例。然而这些解决方案不适用于以上描述的具有电子镇流器的荧光管灯照明灯具。
因此，本发明人已经认识和理解提供用于将TLED灯更新到具有电子镇流器的现有荧光管灯照明灯具中，以取代现有荧光管灯而同时留下现有电子镇流器的解决方案将是有益的。此外，将希望能够将相同TLED灯更新到成具有不同输出电平的各种不同电子镇流器的不同照明灯具中。另外，将希望提供一种可以在LED本身的容差范围内与具有不同输出电平的各种不同电子镇流器一起操作的TLED灯设计。
鉴于前文，本发明的各种实施例和实现方式涉及一种可以更新到具有电子镇流器的现有荧光管灯照明灯具中的TLED灯和用于TLED灯的照明驱动器。
图1图示照明灯具100的一个示例实施例，该照明灯具包括取代荧光管灯安装的管状发光二极管(LED)(TLED)灯30。TLED灯30包括基本上圆柱形壳或者管32和两个端帽34，每个端帽具有随其提供的连接器35，并且还包括照明驱动器36和一个或者多个发光二极管(LED)38。在一些实施例中，LED灯30可以仅有一个端帽34和/或连接器35。TLED灯30的(多个)连接器35经由(多个)连接器20连接到电子镇流器10，该电子镇流器向TLED灯30供应来自市电12的电子驱动器10产生的AC输入功率。具体而言，照明驱动器36经由电连接器35从电子镇流器10接收功率并且被配置用于向一个或者多个发光二极管38供应功率。
在一些实施例中，基本上圆柱形壳或者管32的至少一部分为金属、例如铝，在该情况下，TLED灯30可以视为具有基于铝管的架构。在其它实现方式中，基本上圆柱形壳或者管32由玻璃(或者塑料)制成，在该情况下，TLED灯30可以视为具有基于玻璃(或者塑料)管的架构。
图2是图示供应有来自电子镇流器10的AC输入功率15的TLED灯200的一个示例实施例的部件的部分框图。TLED灯200包括整流器210、切换器件220、电容器231和232以及多个LED38。
整流器210具有用于接收AC输入功率15(例如经由连接器、比如如图1所示35)的输入和被连接用于向多个LED38供应功率的输出。
LED38在整流器210的输出两端中相互串联连接成串。如以下更具体讨论的那样，将LED38划分成第一子组51和第二子组52。
分别在LED38的第一和第二子组51和52两端连接的电容器231和232平滑掉整流器210输出的脉动电流。
切换器件220与电容器232和LED38的第一组51并联地连接到整流器210的输出。在所示示例中，切换器件220是场效应晶体管(FET)，但是可以代之以采用其它适当切换器件。
在操作中，整流器210从电子镇流器10接收AC输入功率15。AC输入功率15具有对应AC输入电压和AC输入电流。在一个典型实施例中，AC输入电压和AC输入电流具有比向电子镇流器10供应功率的AC市电的线路频率大得多的频率。在一个典型实施例中，从电子镇流器10向TLED200供应的AC输入电压和AC输入电流的频率具有在10kHz与70kHz之间的值(例如40kHz)。另外，电子镇流器10被设计用于向它旨在于与之操作的荧光管供应某个功率水平、例如32瓦特。更具体而言，电子镇流器10被设计用于输出与具有某个功率额定值(例如32瓦特)的荧光管的电流要求一致的AC输出电流。
在另一方面，在一个典型实施例中，TLED灯200的功率要求显著低于电子镇流器10的设计的输出功率水平。例如在其中电子镇流器被设计用于供应32瓦特的一个实施例中，TLED灯200可以仅需20瓦特。
在一个有益特征中，如以下将描述的那样，可以控制TLED灯的切换器件220以调节从电子镇流器10向LED38供应的功率。
切换器件220接收切换控制信号，该切换控制信号控制切换器件220选择性地接通和关断。
在关断切换器件220时，切换器件220具有高阻抗，并且很小电流(例如近似为无)穿过该切换器件，并且来自整流器210的LED电流穿过第一子组51的LED38。在该情况下，在切换器件220两端的电压等于第一子组51的LED38的个别电压之和。作为结果，在关断切换器件220时，在整流器210的输出两端的LED电压等于串中的所有LED38的个别电压之和。
在接通切换器件220时，切换器件220然后提供在LED38的第一组51两端的电流旁路路径，并且很小电流(例如近似为无)穿过第一子组51的LED38。在该情况下，在切换器件220两端的电压等于切换器件220的“接通”电压，该电压与在切换器件220关断时第一子组51的LED38的LED电压之和相比很低(例如接近零)。作为结果，在接通切换器件220时，在整流器210的输出两端的LED电压仅等于第二子组52中的所有LED38的个别电压之和。
由于切换器件220分流或者旁路LED串的部分，所以它通过变化或者调制电子镇流器10所见的电压来提供灯功率控制手段。如果控制切换控制信号反复地(例如周期性地)接通和关断切换器件220，则切换器件220调制在整流器210的输出两端呈现的、来自串中的多个LED38的LED电压。还注意在这一情况下，切换器件220也在多个时间段中的每个时间段的一部分内周期性地防止LED电流被提供到LED38的第一子组51，该第一子组至少包括LED38中的第一LED。然而切换器件220未防止向LED38的第二子组52提供LED电流，无论它是否被接通或者关断，该第二子组至少包括LED38中的第二LED。
图3图示如何可以在多个时间间隔期间通过控制从整流器210的输出接收功率的LED38的数目来变化或者调制电子镇流器10向TLED灯200供应的AC输入电压。
具体而言，在关断切换器件220时，然后向电子镇流器10加载具有总电压V1(即整串LED38的LED电压之和)的LED串，而在接通切换器件220时，向电子镇流器10加载电压V2(即串中的LED38的仅第二子组52的LED电压之和)的串。
切换器件220对于AC输入功率15的若干周期分流部分LED串，从而经由整流器210向电子镇流器10仅呈现LED串电压的部分V2，并且对于AC输入功率15的接下来若干周期依次关断切换器件220从而经由整流器210向电子镇流器10呈现整个LED串电压V1，其中：
(1)V2＝k*V1(0＜k<1)。
因此，通过变化切换器件220的切换操作的占空比D，电子镇流器10所见的(在长时间段内平均的)等效电压VEQU是：
(2)VEQU＝V1*(1-D)+V2*D。
由于电子镇流器10根据在整流器的输出两端出现的LED电压向TLED灯递送两个不同功率。向LED串38供应的平均功率PLED主要由占空比D确定、也就是：
(3)PLED＝P1*(1-D)+P2*D。
其中P1是在开关关断时向LED供应的功率，并且P2是在开关接通时向LED供应的功率。
因此，通过控制切换器件220的切换操作的占空比D，可以调节LED电流ILED和平均LED功率PLED。在一个实施例中，可以控制或者调节占空比D以使平均LED功率PLED等于目标功率水平。
在一个实施例中，可以在某个频率fs固定切换器件200的切换频率或者速率。在一些示例实施例中，fs可以具有在100Hz到20kHz之间的值，该值少于电子镇流器10的典型操作频率(约40kHz)。在另一实施例中，可以使切换器件220的切换频率可变，以便例如减少TLED灯200生成的电磁干扰(EMI)。
图4是图示供应有来自电子镇流器10的功率的TLED灯400的一个示例实施例的具体图。
TLED灯400包括LED驱动器402和多个LED38。
LED驱动器402包括整流器210、切换器件220、电容器231和232、控制器430、电流传感器440、电压传感器450、开关驱动器460以及控制器电压供应470。
整流器210具有用于接收AC输入功率15(例如经由连接器、比如如图1中所示35)的输入和被连接用于向多个LED38供应功率的输出。
LED38在整流器210的输出两端的串中相互串联连接。如以上讨论的那样，将LED38划分成第一子组51和第二子组52。
切换器件220与电容器232和LED38的第一组51并联连接到整流器210的输出。在所示示例中，切换器件220是场效应晶体管(FET)，但是可以代之以运用其它适当切换器件。
在操作中，电流传感器440感测通过感测电阻器Rs和低通滤波器感测LED电流ILED并且向控制器430提供指示感测的LED电流ILED的信号。
如以上关于图2和3描述的那样，响应于感测的LED电流ILED，控制器430控制开关驱动器460以向切换器件220提供切换控制信号，该切换控制信号控制有选择地接通和关断切换器件220。
在一个实施例中，控制器430被配置用于执行算法，该算法用于比较感测的LED电流ILED与参考值IREF并且控制向切换器件220提供的切换控制信号的占空比D以便驱动感测的LED电流ILED以等于参考值IREF。
图5A示出控制回路500的一个实施例，如以上描述的那样，可以运用该控制器回路以基于感测的LED电流控制LED驱动器向多个LED供应的功率。
控制回路500包括比较器510、比例积分(PI)控制器520、调制器530和门驱动器540(该门驱动器可以是图4中的开关驱动器460)。
具体而言，控制回路500可以由控制器430实现，该控制器可以包括处理器，可能的一些外围电路以及用于配置处理器以执行控制算法的编程指令。在一个实施例中，算法可以包括：比较感测的IED电流ILED与参考值IREF以产生比较结果；对比较结果进行比例积分以确定脉冲持续时间；并且用脉冲持续时间调制向切换器件220提供的切换控制信号以便驱动感测的LED电流ILED以等于参考值IREF。在一些实施例中，可以选择IREF以与TLED400将被安装到其中的照明灯具的电子镇流器10的标称或者设计的输出电流电平匹配。
在以上描述的实施例中，可以从TLED400和TLED驱动器402省略电压传感器450。
在另一实施例中，控制器430被配置用于执行以下算法，该算法用于根据感测的LED电流和感测的LED电压计算向LED供应的平均功率PLED，比较平均LED功率PLED与参考值PREF，并且控制向切换器件220提供的切换控制信号的占空比D以便驱动向LED供应的平均LED功率PLED以等于参考值PREF。
图5B示出控制回路550的另一实施例，如以上描述的那样，可以运用该控制器回路以基于感测的LED电流和感测的LED电压控制LED驱动器向多个LED供应的功率。
控制回路50包括乘法器560、比较器510、比例积分(PI)控制器520、调制器530和门驱动器540。
具体而言，控制回路550可以由控制器430实现，该控制器可以包括处理器，可能的一些外围电路装置以及用于配置处理器以执行控制算法的编程指令。在一个实施例中，算法可以包括：基于感测的LED电流ILED和感测的LED电压VLED(例如通过将ILED和VLED一起相乘)来确定向LED供应的功率PLED；比较确定的LED功率PLED与参考值PREF以产生比较结果；对比较结果进行比例积分以确定脉冲持续时间；并且用脉冲持续时间调制向切换器件220提供的切换控制信号以便驱动确定的LED功率PLED以等于参考值PREF。在一些实施例中，可以选择PREF以与TLED400将被安装到其中的照明灯具的电子镇流器10的标称或者设计的输出功率水平匹配。在一些实施例中，可以选择PREF以少于TLED400将被安装到其中的照明灯具的电子镇流器10的标称或者设计的输出功率水平。
以上描述的控制算法运用具有固定切换频率fs的切换控制信号，并且控制器430在切换控制信号的每个时段内变化脉冲(例如接通脉冲)的持续时间以实现希望的LED电流ILED和/或平均LED功率PLED。然而在其它实施例中，脉冲持续时间可以保持恒定，并且控制器430可以变化在脉冲之间的间隔、由此变化切换控制信号的频率Fs以实现希望的LED电流ILED和/或平均LED功率PLED。
图6描绘用于TLED灯400的一个示例实施例的仿真电压和电流波形。
从上至下，图6根据时间描绘：(1)切换控制信号、(2)AC输入电压、(3)AC输入电流、(4)整流器210的输出电流、(5)经过LED38的第二子组52的电流和(6)经过LED38的第一子组51的电流。
图7在更大时间分辨率描绘图6的仿真电压和电流波形。
图8图示调节向TLED灯中的LED供应的功率的方法的一个实施例。图8中所示方法是以上关于图2-7描述的方法的变化。在图8中所示方法中，同步切换器件与来自电子镇流器10的灯输入电流。具体而言，检测灯输入电流的过零时序以便同步。有益地，如图8中所示，优选地将切换器件的切换操作与过零对准。在一个实施例中，切换频率fs实际上是电子镇流器10的操作频率的两倍(例如电子镇流器10的典型切换频率在约30至70kHz)。
为了实施图8中所示同步，可以向LED驱动器添加过零检测。
图9是图示供应有来自电子镇流器10的AC输入功率的TLED灯900的另一示例实施例的具体图。TLED灯900包括LED驱动器902和多个LED38。同前，LED38在耦合到整流器210的输出的串中相互串联连接。如以上讨论的那样，将LED38划分成第一子组51和第二子组52。
LED驱动器902在构造和操作上与LED驱动器402相似，因此为了简洁，这里将仅描述在它们之间的不同。具体而言，与LED驱动器402对照，LED驱动器902包括向控制器930供应输入的第二电流传感器910和过零检测器920。
在操作中，第二电流传感器被配置用于感测整流器210的输出电流。过零检测器920连接到第二电流传感器910的输出并且被配置用于确定在过零在来自电子镇流器10的AC输入电流中出现时的近似时间(times)并且向控制器930提供指示AC输入电流中的过零的近似时间的信号。控制器930被配置用于同步向切换器件220提供的切换控制信号的脉冲与AC输入电流中的过零的近似时间。
图10A图示电流检测器和过零检测器的一个实施例的操作。如图10A中所示，在整流器210的输出的灯电流是来自电子镇流器10的AC输入电流的整流版本。因此在AC输入电流变负时，在整流器210的输出的灯电流保持为正、因此在技术上从未过零。然而AC输入电流中的过零它们本身表现为在整流器210的输出的灯电流中的零值，这可以用阈值检测器检测。
图10B图示过零检测器的一个示例实施例。这里如以上指示的那样，比较器比较在整流器210的输出的检测的灯电流与恰在零伏特以上的很低阈值电压以生成短输出脉冲，这些短输出脉冲指示AC输入电流中的过零的近似时间。
图11是图示供应有来自电子镇流器10的AC输入功率的TLED灯1100的另一示例实施例的部件的部分框图，从电子镇流器10向该TLED灯供应功率。
TLED灯1100在构造和操作上与TLED灯200相似，因此为了简洁，这里将仅描述在它们之间的不同。具体而言，与TLED灯200对照，TLED灯1100包括第二切换器件225。LED串38也包括被桥接二极管1150与LED38的第二子组52串联连接的38的第一子组51。
在一个实施例中，两个切换器件220和225用来配置串中的LED38的第一子组51和串中的LED38中的第二子组52以在整流器210的输出两端相互串联或者相互并联。在有益布置中，在相同时间接通和关断切换器件220和225。在切换器件220和225均接通(闭合)时，LED38的第一子组51和LED38的第二子组52然后被连接成以相互并联出现在整流器210的输出两端。在另一方面，在切换器件220和225均关断(断开)时，LED38的第一子组51和LED38的第二子组52然后被连接成以相互串联出现在整流器210的输出两端。桥接二极管1150将LED38的第一子组51的一端连接到LED38的第二子组52的一端以便防止在切换器件220和225均接通(闭合)时在整流器210的输出两端短路整串LED38。
图12图示可以在图1的照明灯具中安装的TLED灯1200的一个示例实施例。
图12示出TLED灯1200中的不同部分的布局示例。由于功率来自管的两侧，所以将整流器划分成放置于每侧的两半。包括切换器件、控制器、和LED驱动器的除了整流器之外的其它部分的接口电路位于管的一侧。在管的每侧，提供图中表示为块的阻抗元件(电阻器、电感器等)以模拟传统荧光管的灯丝。有益地，串的两个部分或者子组的LED在印刷电路板1250上均匀分布于管内。这由于图4和图9的实施例的LED串的两个子组中的不同驱动电流而可以提高光均匀性。
尽管这里已经描述和图示若干发明实施例，但是本领域普通技术人员将容易设想用于执行这里描述的功能和/或获得这里描述的结果和/或这里描述的优点中的一个或者多个优点的多种其它手段和/或结构并且每个这样的变化和/或修改视为在这里描述的发明实施例的范围内。更一般而言，本领域技术人员将容易理解这里描述的所有参数、尺度、材料和配置是为了举例并且实际参数、尺度、材料和/或配置将依赖于本发明教导被运用于的一个或者多个具体应用。本领域技术人员将认识或者能够仅使用例行实验来确立这里描述的具体发明实施例的许多等效实施例。因此将理解仅通过示例呈现前述实施例并且在所附权利要求及其等效含义的范围内可以用除了具体描述并且要求保护的方式之外的方式实现发明实施例。本公开内容的发明实施例涉及这里描述的每个个别特征、系统、产品、材料、工具包和/或方法。此外，如果两个或者更多这样的特征、系统、产品、材料、工具包和/或方法未互不一致，则在本公开内容的发明范围内包括这样的特征、系统、产品、材料、工具包和/或方法的任何组合。
如这里定义和使用的所有定义应当理解为支配词典定义、在通过引用而结合的文献中的定义和/或定义的术语的普通含义。
如这里在说明书中和在权利要求中使用的不定冠词“一个/一种”除非清楚地相反指明，则应当理解为意味着“至少一个/一种”。
如这里在说明书中和在权利要求中所使用的，“或者”应当理解具有与如以上定义的“和/或”相同的含义。例如在分隔列表中的项目时，应当解释“或者”或者“和/或”为包含意义、即包括多个要素或者要素列表中的至少一个要素、但是也包括多于一个要素并且可选地包括附加的未列举的项目。仅除了清楚地相反指示之外，术语、比如“......中的仅一个”或者“......中的确切一个”或者在权利要求中使用时“由......构成”将是指包括多个要素或者要素列表中的确切一个要素。一般而言，如这里所用术语“或者”在前置有排他术语、比如“......中的任一个”、“......中的一个”、“......中的仅一个”或者“中的确切一个”时应当仅解释为指示排他备选(即“一个或者另一个、但是并非二者”)。“实质上由......构成”在权利要求中使用时应当具有它的如在专利法领域中使用的普通含义。
如这里在说明书中和在权利要求中所使用的，短语“至少一个”在引用一个或者多个要素的列表时应当理解为意味着从要素列表中的要素中的任何一个或者多个要素中选择的至少一个要素、但是未必包括在要素列表内具体列举的每一个要素中的至少一个要素并且未排除要素列表中的要素的任何组合。这一定义也允许可以可选地存在除了在短语“至少一个”引用的要素列表内具体标识的要素之外的、无论是与具体标识的那些要素有关还是无关的要素。也应当理解，除非清楚地相反指示，在这里要求保护的包括多于一个步骤或者动作的任何方法中，方法的步骤或者动作的顺序未必限于记载方法的步骤或者动作的顺序。
在权利要求中在括号之间出现的标号，如果有则是仅为了方便而提供的并且未旨在于以任何方式限制权利要求。
在权利要求中以及在以上说明书中，诸如“包括”、“携带”、“具有”、“包含”、“涉及到”、“保持”、“由......组成”等所有过渡短语将理解为开放式、即意味着包括但不限于。如在美国专利局专利审查程序手册第2111.03节中阐述的那样，仅过渡短语“由......构成”或者“实质上由......构成”应当分别是闭合或者半闭合过渡短语。

Claims (20)

1.一种包括管状发光二极管(TLED)灯的装置，所述TLED灯包括：
具有至少一个电连接器的管，被配置用于安装于荧光灯具中；
多个发光二极管(LED)，在串中相互串联布置并且设置于所述管内；以及
照明驱动器，设置于所述管内并且连接到所述至少一个电连接器并且被配置用于向所述多个LED供应功率，所述照明驱动器包括：
整流器，具有被连接用于从所述至少一个电连接器接收AC电功率的输入并且具有被连接用于向所述多个LED供应功率的输出；
切换器件，连接到所述整流器的所述输出并且被配置用于被关断和闭合以调制在所述整流器的所述输出两端出现的来自所述多个LED的LED电压；
电流传感器，被配置用于感测穿过所述LED串的LED电流；以及
控制器，被配置用于响应于所述感测的LED电流而控制所述切换器件的切换操作。
2.根据权利要求1所述的装置，其中所述控制器被配置用于执行算法以将所述感测的LED电流与参考值进行比较并且以控制向所述切换器件提供的切换控制信号的占空比和切换速率中的至少一项，以便驱动所述感测的LED电流以与所述参考值相等。
3.根据权利要求2所述的装置，还包括：
第二电流传感器，被配置用于感测所述整流器的输出电流；以及
过零检测器，连接到所述第二电流传感器的输出并且被配置用于确定当过零在所述接收的AC电功率的AC输入电流中出现时的近似时间并且向所述控制器提供指示所述AC输入电流中的所述过零的所述近似时间的信号，
其中所述控制器被配置用于将所述切换控制信号的脉冲与所述AC输入电流中的所述过零的所述近似时间进行同步。
4.根据权利要求1所述的装置，其中所述控制器被配置用于执行算法以：
将所述感测的LED电流与参考值进行比较以产生比较结果；
对所述比较结果进行比例积分以确定脉冲持续时间；并且
用所述脉冲持续时间调制向所述切换器件提供的切换控制信号以便驱动所述感测的LED电流以与所述参考值相等。
5.根据权利要求1所述的装置，还包括被配置用于感测所述LED电压的电压传感器，其中所述控制器被配置用于执行算法以根据所述感测的LED电流和所述感测的LED电压计算向所述LED供应的平均LED功率，将所述平均LED功率与参考值进行比较，并且控制向所述切换器件提供的切换控制信号的占空比和切换速率中的至少一项以便驱动所述平均LED功率以与所述参考值相等。
6.根据权利要求5所述的装置，还包括：
第二电流传感器，被配置用于感测所述整流器的输出电流；以及
过零检测器，连接到所述第二电流传感器的输出并且被配置用于确定当过零在所述接收的AC电功率的AC输入电流中出现时的近似时间并且向所述控制器提供指示所述AC输入电流中的所述过零的所述近似时间的信号，
其中所述控制器被配置用于将所述切换控制信号的脉冲与所述AC输入电流中的所述过零的所述近似时间进行同步。
7.根据权利要求1所述的装置，还包括被配置用于感测在所述LED两端的LED电压的电压传感器，其中所述控制器被配置用于执行算法以：
基于所述感测的LED电流和所述感测的LED电压确定向所述LED供应的LED功率；
将所述确定的LED功率与参考值进行比较以产生比较结果；
对所述比较结果进行比例积分以确定脉冲持续时间；并且
用所述脉冲持续时间调制向所述切换器件提供的切换控制信号以便驱动所述感测的LED电流以与所述参考值相等。
8.根据权利要求1所述的装置，还包括被连接用于向所述至少一个电连接器供应所述AC电功率的电子镇流器。
9.根据权利要求1所述的装置，还包括：第二切换器件，连接到所述整流器的所述输出并且被配置用于被关断和闭合以调制来自所述多个LED的在所述整流器的所述输出两端出现的所述LED电压，其中所述切换器件和第二切换器件被一起关断并且一起闭合以便在两个开关均闭合时使所述串中的所述LED的第一子组与所述串中的所述LED的第二子组在所述整流器的所述输出两端并联，并且以便在两个开关均关断时使所述串中的所述LED的第一子组与所述串中的所述LED的第二子组在所述整流器的所述输出两端串联。
10.根据权利要求1所述的装置，还包括被配置用于向所述切换器件提供切换控制信号的开关驱动器，其中所述切换控制信号具有周期性切换速率和占空比，并且其中所述控制器控制所述切换控制信号的所述占空比以便使得向所述LED供应的平均功率等于参考值。
11.根据权利要求1所述的装置，其中所述切换器件在所述LED的第一子组两端并联连接，所述第一子组包括比所有LED少的相互串联的所述LED。
12.根据权利要求1所述的装置，其中所述串中的所述LED包括第一LED子组和第二LED子组，其中所述装置还包括在所述串中的所述第一LED子组与所述第二LED子组之间串联连接的桥接二极管，并且其中所述装置还包括第二切换器件，其中所述切换器件与所述第一LED子组和所述桥接二极管的串联组合并联连接，并且其中所述第二切换器件与所述第二LED子组和所述桥接二极管的串联组合并联连接。
13.一种驱动多个发光二极管(LED)的方法，所述方法包括：
从至少一个电连接器接收AC电功率的供应；
整流所述供应的AC电功率的AC输入电压并且向所述LED供应LED电流；
感测所述LED电流；并且
响应于所述感测的LED电流控制切换器件的切换操作以调制向所述多个LED供应的功率量以便使得向所述多个LED供应的所述功率的平均值等于目标功率水平。
14.根据权利要求13所述的方法，还包括：将所述感测的LED电流与参考值进行比较，并且控制所述切换操作的占空比和切换速率中的至少一个以便驱动所述感测的LED电流以与参考值相等。
15.根据权利要求13所述的方法，还包括：确定当过零在所述AC电功率的AC输入电流中出现时的近似时间，并且将所述切换操作与所述AC输入电流中的所述过零的所述近似时间进行同步。
16.一种设备，包括：
整流器，具有被连接用于从电子镇流器接收AC电功率的输入并且具有被连接用于向在串中相互串联布置的多个发光二极管(LED)供应电流的输出；以及
切换器件，设置于所述整流器的所述输出处并且被配置用于接收切换控制信号并且响应于所述切换控制信号而执行切换操作以调制向所述多个LED供应的功率量以便使得向所述多个LED供应的所述功率的平均值等于目标功率水平。
17.根据权利要求16所述的设备，还包括：
电流传感器，被配置用于感测所述电流，以及
控制器，被配置用于响应于所述感测的电流控制所述切换器件的所述切换操作。
18.根据权利要求17所述的设备，还包括：电压传感器，被配置用于感测在所述整流器的所述输出两端出现的来自所述多个LED的LED电压，其中所述控制器还被配置用于响应于所述感测的LED电压控制所述切换器件的所述切换操作。
19.根据权利要求16所述的设备，还包括所述多个LED。
20.根据权利要求19所述的设备，其中所述串中的所述LED包括第一LED子组和第二LED子组，其中所述装置还包括在所述串中的所述第一LED子组与所述第二LED子组之间串联连接的桥接二极管，并且其中所述装置还包括第二切换器件，其中所述切换器件与所述第一LED子组和所述桥接二极管的串联组合并联连接，并且其中所述第二切换器件与所述第二LED子组和所述桥接二极管的串联组合并联连接。
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