CN103826359B - Led 照明系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明的各实施例允许LED灯具通过EMI测试，而无论灯具是由磁性变压器还是电子变压器操作，都不会导致输入电流波形失真并破坏变压器的兼容性。在某些实施例中，基于检测特性电压波形判断变压器的类型，并基于该判断自动将EMI滤波器切换进出灯电路。

Description

LED照明系统和方法

技术领域

本发明涉及固态照明系统，更具体而言，涉及消除LED灯中电磁干扰(EMI)且能够利用磁性变压器和电子变压器二者运行的系统、装置和方法。

背景技术

在各种照明应用中，环境友好型、高效的发光二级管(LED)灯具有白炽灯或荧光灯无法匹敌的长寿命，正迅速替代常规灯。例如，在发光时利用低效灯丝发热的MR 16卤素灯自从二十世纪六十年代就已经存在，并且被设计成在三种不同的功率水平(20W、25W和50W)下工作。如今，大多数基于卤素的灯由高功率电子变压器供电，这与在低得多的输入功率水平下工作的LED灯是不兼容的。这就使得用LED灯改进卤素灯具成为了持续性的挑战。

一些照明系统设计允许LED灯既在磁性变压器下运行又在电子变压器下运行。不过，在磁性变压器下运行LED灯需要电磁干扰滤波器，以便通过各种国家以及国际EMI测试。测试是根据通常由政府要求规定的标准(例如美国的FCC Class B或者欧洲的EN55015)进行的。遗憾的是，增加滤波消除了LED灯和电子变压器之间已获得的兼容性。

避免EMI问题的可能方案包括利用为经EMI滤波的LED灯供电的磁性变压器替代电子变压器，或者利用可兼容LED的电子变压器替代电子变压器。不过，因为大多数变压器都被固定在了照明灯具内，所以希望改进预先存在的照明灯具的消费者面对着通往有限进入点的有限进入问题，例如几个管脚。因此，这种解决办法需要有资质的技术人员或者熟悉有关安装的当地和国家电子法规的电工帮助，这就增加了整体照明系统的成本，因此对改进市场非常不实用。

所需要的是能够克服上述局限并且允许既利用磁性变压器又利用电子变压器改进LED灯，以允许其通过EMI测试的系统和方法。

发明内容

本发明的各实施例使得包含LED的灯具无论灯具由磁性变压器还是电子变压器操作都能够通过EMI测试。

在本发明的某些实施例中，这是通过如下方式实现的：基于为电路供电的变压器类型的判断，在利用磁性变压器操作LED时，将EMI滤波器自动切换进灯电路中，在由电子变压器为LED供电时，从电路断开连接。

在一些实施例中，通过开关网络做出判断，所述开关网络检测电压波形，即针对变压器类型的特性，并相应做出响应以经由开关有选择地激活EMI滤波器。所述开关网络包括操作开关的一组开路集电极比较器。

附图说明

现在将参考本发明的实施例，可以在附图中例示其范例。这些附图意在作为例示而非限制。尽管在这些实施例的语境中大致描述了本发明，但显然应该理解其并非要将本发明的范围限制到这些特定实施例。

图(“Fig”)1A示出了为卤素灯供电的现有技术照明系统。

图1B示出了为LED灯供电的现有技术照明系统。

图1C示出了包括为卤素灯供电的电子变压器的现有技术照明系统。

图2示出了包括电子变压器的假想照明系统，该电子变压器为具有内置EMI滤波器的LED灯供电。

图3示出了根据本发明各实施例的照明系统的简化示范性方框图。

图4示出了根据本发明各实施例，图3中的照明系统的示范性实施。

图5示出了在现有技术LED照明系统的输入端测量的电流，该LED照明系统在没有使用开关电路或EMI滤波器的情况下由磁性变压器供电。

图6示出了根据本发明各实施例，在LED照明系统的输入端测量的电流，该LED照明系统由磁性变压器供电并且使用开关电路。

图7示出了根据本发明各实施例，在LED照明系统的输入端测量的电流，该LED照明系统由磁性变压器供电并且使用开关电路以及调光器。

图8示出了根据本发明各实施例，在LED照明系统的输入端测量的电流，该LED照明系统由电子变压器供电并且使用开关电路。

图9是根据本发明各实施例，在磁性变压器或电子变压器下自动运行负载的例示性过程的流程图。

具体实施方式

在以下描述中，为了解释起见，阐述了特定细节以便提供对本发明的理解。不过，对于本领域的技术人员而言，显然可以不用这些细节来实践本发明。本领域的技术人员将认识到，如下所述，可以通过各种方式利用各种手段执行本发明的实施例。本领域的技术人员还将认识到，其他修改、应用和实施例在其范围之内，像本发明可以实用的其他领域那样。因此，下文所述的实施例是本发明具体实施例的例示，意在避免使本发明模糊不清。

在说明书中对“一个实施例”或“实施例”的提及表示将结合实施例描述的特定特征、结构、特性或功能包括在本发明的至少一个实施例中。说明书中各处出现短语“在一个实施例中”、“在一实施例中”等未必全都指相同实施例。

此外，图中各部件之间或方法步骤之间的连接不限于直接影响的连接。相反，可以通过向其增加中间部件或方法步骤修改或以其他方式改变图中所示部件或方法步骤之间的连接而不脱离本发明的教导。

在本文中，可互换地使用术语“EMI”和“传导EMI”。两个术语都包括本领域技术人员公认的任何非辐射类型的电磁干扰。图1A示出了为卤素灯供电以产生光的现有技术照明系统100。由纯电阻负载代表卤素灯102，因为它不包括有源元件。典型地，卤素灯102的电阻是非线性的，表现出负温度系数。卤素灯102的电阻随着温度减小，随着温度升高增大电流。由于卤素灯(例如MR 16)一般仅需要较低的电源电压AC，例如与AC市电线提供的电压相比为12V AC，在美国标称工作在120V AC和50Hz，在欧洲工作在230V AC和60Hz，典型地，使用变压器将AC电源电压降低到较低的AC电压。

在较低电压AC从磁性变压器104导出的应用中，如图1A中所示，卤素灯102在通过EMI测试时没有任何困难。特定测试主要是为了防止开关电路部件导致传导EMI，EMI影响输送AC电源电压106的电力线中的电压。要指出的是，EMI与辐射相关的干扰问题，例如RFI不同，例如，通过后续的良好工程实践和集中于布设和潜在辐射电路元件(包括电线)的放置的适当电路设计，更容易解决与辐射相关的干扰问题。

在这里，由于在卤素灯102或磁性变压器104中不涉及高频开关电路元件，预计EMI问题不会导致对AC电源电压106不期望的影响。与卤素灯102一样，磁性变压器是无源装置。在最简单的情况下，变压器104包括优选经由诸如铁的一些铁磁材料磁耦合的主副绕组，以变换AC电源电压106。磁性变压器104不包含产生能够导致EMI问题的高频分量的高频开关元件或任何电路部件。

在图1B中，用LED灯110(例如LED MR 16灯)替代卤素灯。LED灯110典型地是同类的阵列，并且包括LED驱动电路，所述驱动电路包括在高频开关电路之内电连接的有源电路元件。具体而言，开关电路可能导致EMI，EMI可能将出现在AC电源线106上，并可能导致LED灯110无法像图1A中的卤素灯那样通过相同或相似EMI测试。一种方案是向照明系统120增加EMI过滤器112，如图1B所示，例如，可以直接向灯组件增加过滤器，所述灯组件包括LED灯110。应注意，磁性变压器104的输出电压典型为50Hz或60Hz频率的AC电压，其RMS值在9V_RMS到13.2V_RMS的范围中。在变压器是电子变压器的照明系统中也是这种情况，在大部分应用中是这种情况。

图1C示出了现有技术照明系统130，其包括为卤素灯供电的电子变压器。电子变压器包括高频开关电路，其允许设计者相对于其相对笨重的磁性变压器，大大减小变压器的尺寸。电子变压器114的操作类似于图1A中的磁性变压器，即将AC电源电压106降低到较低的AC电压108，以驱动卤素灯102。电子变压器114利用内部开关电路完成下变换，内部开关电路执行开关功能，以生成经整流的高频电压，其通常在20kHz到100kHz范围中以低频(例如50Hz)波形包络脉动。只要负载是纯电阻元件，如在卤素灯102的情况下，AC电压108的RMS值将保持在12V_RMS。优选选择最低开关频率高于20kHz，以防止任何无意中产生的可听噪声。这种高频开关部件将不仅出现在电子变压器114的AC电压输出端中，而且出现在卤素灯102的输入端中。于是，在针对EMI测试卤素灯102时，它将不会通过EMI测试，除非电子变压器114具有正常工作的EMI滤波器112。EMI滤波器112例如是位于电子变压器114的输入端处的内置Pi滤波器。

图2示出了假想照明系统，其包括为具有内置EMI滤波器的LED灯供电的电子变压器。在消耗者试图利用现代MR 16型LED灯改进现有卤素灯灯具时，会遇到这种配置，现有卤素灯灯具例如包括MR 16型卤素灯，出于两个主要原因，这是有问题的。首先，大多数电子变压器104是自振荡装置，因此，不包含控制电路。如果负载电阻相对较高，电子变压器104将不起作用，因为高频开关动作基于如下前提：即在所有时间，电子变压器104的初级绕组104汲取足够的门电流以维持高频振荡。换言之，为了正常起作用，电子变压器104预计连接到负载，负载在一开始设计电子变压器104工作的范围之内。

例如，用于卤素灯的电子变压器被设计成操作20W、25W和50W的卤素灯泡，从而汲取在2.2A到5.5A范围中的相对较高电流。不过，在与图1C中的卤素灯相比时，按照其设计，LED灯110汲取相对较小的电流。假设电子变压器104被设计成操作35W的卤素灯，并进一步假设LED灯110是具有纯电阻负载的7W灯，其提供与35W卤素灯等价的发光性，LED灯110中的电流将大致比电子变压器104设计针对的预计电流值低五倍。如果电流下降到低于本特定变压器设计正常工作所需的最小值，电子变压器104中的振荡将停止，并将不会自己重新开始。因此，电子变压器104将不能开关，并不提供适当电压来驱动LED灯110。一些现有设计成功解决了电子变压器104和LED灯110之间的不兼容问题。(参见2011年11月7日由申请人提交的，题为“Electronic Transformer Compatibility for Light Emitting DiodeSystems”的美国专利申请No.13/290411)。

不过，即使解决了这个问题，仍然有第二个问题：照明系统200将无法通过EMI测试。在由磁性变压器驱动时(图1中就是这种情况)，使得LED灯110能够通过EMI测试的EMI滤波器112不能用于由在图2中所示的配置中的电子变压器114驱动LED灯110时，因为EMI滤波器112中的电容器会汲取电流，使其从LED驱动电路(未示出)的输入转向。这种现象将导致输入电流波形的失真，最终将导致LED灯110工作故障，破坏变压器的兼容性。

因此，希望能够使用单个照明系统，不仅在具有其内置EMI滤波器112的LED灯110连接到磁性变压器时，能够通过EMI测试，如图1B所示，而且在LED灯110连接到电子变压器时，如图2所示，也能够通过EMI测试。

图3示出了根据本发明各实施例的照明系统的简化方框图。照明系统300包括变压器302，它可以是电子或磁性变压器，其接收AC电源电压106并输出相对较低的AC电压108。变压器302耦合到开关电路304，开关电路304接收下变换的AC电压108。开关电路304在LED驱动电路210上施加AC电压108，并根据变压器302是电子变压器还是磁性变压器，将EMI滤波器112连接到电路中。LED驱动电路210驱动LED灯110，通过半导体材料的电子激励，其将能量高效率地转换成可见光或任何其他现有技术中已知的LED。LED灯110可以是以任何适当配置彼此耦合的LED阵列。

在一个实施例中，可以将开关电路304、EMI滤波器112、LED驱动电路210和LED灯110集成到一个LED照明组件350中。EMI滤波器112是现有技术中已知能够减小高频噪声的任何EMI滤波器设计，例如图2中给出的“Pi滤波器”。EMI滤波器112被配置成耦合至开关电路304和LED驱动电路210，并且可以是独立单元，如图3所示。桥式整流器202包括二极管电桥，其将输出的AC电压108转换成经整流的正电压，该正电压操作LED驱动电路210，向LED灯110提供脉宽调制或幅度调制的电流。可以将桥式整流器202集成在开关电路304之内。照明系统300可以任选地包括调光器308，以经由LED驱动器310电流动态改变LED灯110的发光。在一些实施例中，可能有利的是将调光器308置于LED驱动电路310的输出端处。

如前所述，开关电路304可以根据变压器302是电子变压器还是磁性变压器来接合EMI滤波器112。在一个实施例中，开关电路304包括配置成识别变压器302是磁性变压器还是电子变压器的电路元件，变压器302被配置成耦合到LED照明组件350。基于该信息，开关电路304将EMI滤波器112连接到LED照明组件350或将EMI滤波器112与LED照明组件350断开连接。适当使用EMI滤波器112允许LED照明组件350在由磁性变压器或电子变压器操作时通过EMI测试。在变压器302是磁性变压器时，类似于图1B中的照明系统，EMI滤波器112使得LED灯110能够通过EMI测试；在变压器302是与EMI滤波器112不兼容的电子变压器时，类似于图1C中的照明系统，耦合到变压器302的EMI滤波器(未示出)允许LED灯110通过EMI测试。

在一个实施例中，可以将开关电路304之内的开关(未示出)耦合到EMI滤波器112并以如下方式操作：在开关电路304接收由电子变压器生成的电压的电压波形特性时，开关断开，以禁用EMI滤波器112。相反，在开关电路304接收由磁性变压器产生的电压的电压波形特征时，开关导通，使得EMI滤波器112在照明系统300中可以工作。本发明不限于检测特性电压。本领域的技术人员将认识到，开关可以对变压器302的电流、波形或特征组合做出响应。例如，可以利用电压电流感测，通过比较波形与比较器，或任何其他探测方法来识别波形，以便获得关于变压器302的信息，基于其决定是否激活EMI滤波器112。在一个实施例中，开关电路304通过将EMI滤波器112的一个或多个电容器与LED照明组件350断开连接，而EMI滤波器112的一个或多个电感器保持连接到电路，来自动禁用EMI滤波器112。

在一个实施例中，一旦将变压器302探测或识别为磁性变压器，就例如经由开关电路304之内的开关接合闩锁电路，以自动拴锁EMI滤波器112并提供连续滤波。

图4示出了根据本发明各实施例，图3中照明系统的示范性实施方式。为了简单和清楚，图4中省略了变压器和任选的调光器。LED照明系统400包括耦合到LED驱动电路210的开关电路450，其产生调节的电流，以利用适当量的功率操作LED灯110。在一个实施例中，将EMI滤波器112和桥式整流器202集成到开关电路450中。桥式整流器202包括二极管电桥，将AC输入电压108(例如12V)转换成经整流电压，所述经整流电压操作LED驱动器电路。开关电路450还包括EMI滤波器部件204-208、比较器420、430、开关458、二极管452、454、432、电容器438和各电阻器408-420。LED照明系统400可以实现于例如LED灯组件中。接下来，详细论述开关电路450的操作。

在一个实施例中，电源电压V_CC 440是从LED驱动器电路210之内导出的调节后DC电压。通过分压器的动作，DC电源电压440产生跨电阻器R3 414两端的恒定参考电压。将这个恒定电压分别施加于比较器COMP1 422和COMP2 430d的负输入端406,426。将二极管D1 452和D2 454增加到开关电路450，以产生出现在二极管D1 452和D2 454的阴极上的已整流电压。在一个实施例中，如果将电子变压器用于为LED灯110供电，脉动DC电压将出现在D1 452和D2 454的阴极上。COMP1 422是开路集电极比较器，例如包括晶体管或MOSFET器件(未示出)。在COMP1 422的正输入404高于负输入406时，这一晶体管截止。一旦COMP1 422之内的晶体管截止，电容器C3 438将通过流经电阻器R5 418的电流充电。如果在任何时间，COMP1422的负输入端406处的电压都超过COMP1 422的正输入端404处的电压，COMP1 422之内的晶体管将被导通，电容器C3 438将快速放电到零伏。

在一个实施例中，选择电阻器R5 418的电阻值和电容器C3 438的电容值，使得仅在COMP1 422的正输入端404上的电压超过“其负输入端406”上的电压大于例如100μsec的一段时间时，C3 438两端的电压将超过COMP2 430的负输入端426上的电压。给定开关电子变压器的相对较短时间常数，仅在AC输入电压108是从磁性变压器(其表现出相对长得多的时间常数)导出时才能够发生这种情况。

在COMP2 430的正输入端428处的电压确实超过负输入端426处的电压时，COMP2430的输出变高，即翻转其状态。COMP2 430可以具有开路集电极输出或图腾柱输出。COMP422应当具有开路集电极输出。一旦COMP2 430的输出变高，它就将COMP2 430的输出持久锁定为高并保持为高。这个输出现在驱动晶体管Q1 458，例如外部MOSFET。结果，电容器C1204和C2 206将被连接到电路以提供EMI滤波。

如果AC输入电压108是从电子变压器导出的，则COMP2 430的正输入端428处的电压将在一个脉冲宽度的持续时间内对电容器C3 438充电，但然后一旦在整流波形的死部分期间电压下降，立即放电。因此，电容器C3 438将没有充分时间充电到所需电压以允许COMP2 430的正输入端428处的电压超过COMP2 430负输入端426处的参考电压。COMP2 430的输出不能变高以导通晶体管Q1 458，电容器C1 204和C2 206保持与电路断开。结果，防止了电容器C1 204和C2 206导致电子变压器发生故障。

本实施例的一个优点是，在需要调光时使用调光器将对照明系统400的操作没有影响，因为调光仅导致电流幅度变化，而不导致脉冲宽度变化。本领域的技术人员将认识到，不必将每个电容器C1 204和C2 206的两端都从电路断开连接，断开每个电容器连接到开关458的一个端子就足以实现利用LED照明系统400操作电子变压器的目标。注意，电阻器R1 408俘获开关电路450的输入端处的真实波形。这样防止了由如下情况导致的变压器类型的错误识别：第一，如前所述，破坏输入电压波形的电容器204、206的电容器加载；第二，电容器204、206接合或意外接入的初始条件。

在一个实施例中，一旦识别出变压器是磁性变压器并导通开关458，COMP2 430正输入端428处的电压就变高，并保持为高压，因为二极管D3 432作为闩锁电路工作，以锁住COMP2 430的输出，从而持久启用滤波。

图5-8示出了由示波器获取的试验数据，以展示根据本发明各实施例，采用开关电路的LED照明系统的益处。

图5示出了在未使用开关电路或EMI滤波器的情况下由磁性变压器供电的现有技术LED照明系统的输入端处测量的电流。

图6示出了根据本发明各实施例，在由磁性变压器供电并使用开关电路的LED照明系统的输入端处测量的电流。

图7示出了根据本发明各实施例，在由磁性变压器供电并使用开关电路和调光器的LED照明系统的输入端处测量的电流。在本范例中，调光器实现于磁性变压器的AC输入端处，用于减小由LED照明系统发射的光的发光水平。

图8示出了根据本发明各实施例，在由电子变压器供电并使用开关电路的LED照明系统的输入端处测量的电流。开关电路包括与二极管电桥的负端子断开连接的EMI滤波器，于是，防止了EMI滤波器之内的滤波电容器影响LED灯在由电子变压器供电时的操作。注意，电子变压器包括其自己内部的EMI滤波器，使得LED照明系统能够通过EMI测试。

如图5-8所示，LED照明系统允许LED照明系统在利用磁性变压器操作LED灯时通过EMI测试。

图9是根据本发明各实施例用于自动操作具有磁性或电子变压器的负载的例示性过程的流程图。

用于操作负载(在本范例中为LED灯)的过程900开始于步骤902，此时开关电路从电源接收功率。开关电路可以包括EMI滤波器。

在步骤904，开关电路检测是经由磁性变压器还是电子变压器为LED灯供电。检测可以基于电压波形特性，例如脉冲宽度的比较。

在步骤908，在利用磁性变压器操作LED灯时，开关电路自动启用EMI滤波，在通过电子变压器为LED灯供电时，禁用EMI滤波。

响应于检测变压器为磁性变压器还是电子变压器，在步骤910，闩锁电路自动闩锁EMI滤波器。

本领域的技术人员将要认识到，可以在这里例示的步骤中纳入更少或额外的步骤而不脱离本发明的范围。流程图之内方框的布置或这里的描述不暗示任何特定的次序。

将要进一步认识到，前面的范例和实施例是示范性的，出于清楚和理解的目的，而非限制本发明的范围。在阅读说明书并研究附图后，对本领域的技术人员而言显而易见的其所有排列、增强、等价物、组合和改进都应包括在本发明的范围之内。因此权利要求意在包括所有这样落在本发明真实精神和范围之内的修改、排列和等价物。

Claims (18)

1.一种用于自动识别变压器的开关电路，所述电路包括：

包括第一输入电压和第二输入电压的第一比较器；

耦合至所述第一比较器的第二比较器；以及

耦合于所述第二比较器和EMI滤波器之间的开关网络，所述开关网络包括至少一个开关并且响应于被所述第二比较器激活的所述至少一个开关而接合所述EMI滤波器，其中所述至少一个开关响应于所述第二比较器的正输入端电压超过所述第二比较器的负输入端电压的预定阈值而被激活。

2.根据权利要求1所述的电路，其中响应于所述第一比较器的所述第一输入电压持续预定时间超过所述第一比较器的所述第二输入电压的所述预定阈值，所述至少一个开关被激活。

3.根据权利要求1所述的电路，其中所述第一比较器是开路集电极比较器。

4.根据权利要求1所述的电路，其中所述EMI滤波器被配置为Pi滤波器。

5.根据权利要求1所述的电路，还包括生成整流电压以操作LED驱动电路的桥式整流器。

6.一种用于自动识别变压器的方法，所述方法包括：

由包括EMI滤波器的开关电路从电源接收功率；

识别耦合至所述开关电路的变压器的类型；以及

响应于所述识别而选择性地激活EMI滤波器，其中所述识别包括检测一个或多个变压器特性。

7.根据权利要求6所述的方法，其中检测一个或多个变压器特性包括检测电压波形。.

8.根据权利要求6所述的方法，其中激活所述EMI滤波器包括响应于所述一个或多个变压器特性来闩锁所述EMI滤波器。

9.根据权利要求6所述的方法，其中识别包括感测电流。

10.一种照明系统，包括：

EMI滤波器；

包括开关的开关电路，所述开关电路检测变压器的一个或多个特性并且响应于确定所述变压器与所述EMI滤波器不兼容而将所述EMI滤波器与所述照明系统去耦合，其中所述开关电路被配置为响应于检测到磁性变压器而接合EMI滤波器；以及

耦合至所述开关电路的LED驱动电路，所述LED驱动电路操作LED。

11.根据权利要求10所述的照明系统，其中所述变压器是磁性变压器和电子变压器中的一个。

12.根据权利要求10所述的照明系统，其中所述变压器的所述一个或多个特性包括电压波形。

13.根据权利要求10所述的照明系统，其中所述开关电路被配置成响应于检测到所述变压器为电子变压器而断开所述EMI滤波器。

14.根据权利要求13所述的照明系统，其中所述开关通过断开所述EMI滤波器的一个或多个电容器来去激活所述EMI滤波器。

15.根据权利要求10所述的照明系统，其中所述EMI滤波器被配置成作为独立单元操作。

16.根据权利要求10所述的照明系统，其中所述开关电路经由电流传感器来检测变压器的所述一个或多个特性。

17.根据权利要求10所述的照明系统，其中所述LED驱动电路被配置成生成脉宽调制电流和幅度调制电流中的一个。

18.根据权利要求10所述的照明系统，还包括位于所述LED驱动电路的输出端处的调光电路，所述调光电路被配置成动态改变LED的发光。