CN103874287B - 用于led驱动器调光的方法和电路 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于LED驱动器调光的方法和电路。一种LED驱动器包括变压器、电流控制环路和电流调整电路。变压器的初级侧响应于输入信号而将能量传递至变压器的次级侧。次级侧以对应于被传递至次级侧的能量的量的量值将输出电流递送至一个或多个LED。电流控制环路控制初级侧中的电流，以使得输出电流等于参考电流信号。电流调整电路响应于去除一部分输入信号的切相信号而将电流调整信号注入电流控制环路中。电流控制环路还响应于电流调整信号而减小初级侧中的电流，以使得连接至次级侧的每个LED的亮度减小对应于电流调整信号的量值的量。

Description

用于LED驱动器调光的方法和电路
技术领域
本申请涉及LED驱动器，尤其涉及LED驱动器调光。
背景技术
基于LED(发光二极管)的固态照明(SSL)的许多应用需要调光能力。LED对功率输入的改变瞬间作出反应，从而使SSL特别适用于调光的场合。然而，LED灯具设计者在设计与各种传统调光控制技术一起工作的产品时以及在提供用以工作在紧急无线网络控制的场合中的能力的一些情形下面临挑战。灯具设计者首先必须理解用于实际降低LED的亮度的技术和用于将调光信息馈送至灯具中的机制的相关但独立的概念。存在两种可用于降低LED的光输出的基本替换方案：模拟调光和脉冲宽度调制(PWM)调光。
模拟调光简单地控制馈送至LED的驱动电流。全亮度使用全电流。驱动器电子设备线性地减小电流以对LED进行调光。模拟调光可易于实施，但其可能不提供最佳的总体性能。LED的效率往往在较低的电流下升高，但LED可能不会在较低的驱动电流下产生一致的颜色。
对于PWM调光，驱动器电子设备将全振幅电流的脉冲提供至LED。驱动器改变脉冲的占空比以控制表观亮度。PWM调光依赖于人眼的整合脉冲中的光的平均最的能力。如果脉冲频率足够高(通常为约200Hz)，则眼睛无法感知到脉动，而只能感知到总体平均值。
对于用以正确地对相位控制调光器作出反应的LED灯具，有必要将若干个功能块添加至驱动器电子装置中。例如，通常提供传感器以用于在功率因子校正(PFC)级之前监视AC输入波形并生成与切相的量成比例的输出信号。控制器驱动连接在DC-DC转换器的输入端处的MOSFET开关。当未检测到AC切相时，以100％的占空比驱动输出以给出全亮度。AC切相通过切除一部分AC波形来降低灯的亮度。例如，正相三端双向可控硅调光器(forward-phase triac dimmer)在每个半正弦波的前沿处切除一部分AC波形。与此相对照，反相调光器在后沿处切除一部分AC波形以使得调光器关闭部分正弦波。在任一种情形下，LED调光均通过切除一部分AC波形而得到。期望减少支持LED调光所需的部件的数目，从而简化LED驱动器设计并降低系统成本。
发明内容
根据本文描述的实施例，通过使用被提供至LED驱动器的输入电压中的停顿(切相)的长度(持续时间)以降低去往被连接至LED驱动器的LED的电流来实现LED调光。
在一种情形下，在驱动器变压器的次级侧上生成与输入电压停顿成比例的脉冲信号。该脉冲信号是通过使用在次级侧上测量的初级电压的停顿的持续时间(在切相调光期间)而被生成的。从次级侧上的电流参考信号减去脉冲信号的平均值，电流参考信号为针对额定LED电流的次级侧上的参考电压。该差值被用作被提供至LED驱动器的电流控制环路以用于调整去往LED的电流的命令值。
在另一种情形下，在初级侧上测量输入电压停顿长度且将对应值注入LED驱动器电流控制环路中。次级侧上的LED电流是通过电流感测变压器来测量的，且电流控制环路接收次级侧上的LED电流的值和初级侧上的输入电压停顿长度的值这两者。电流控制环路被提供这两个值之和。当在LED驱动器输入电压中存在切相时，LED输出电流随着停顿持续时间成比例地减小。
根据LED驱动器的一个实施例，该驱动器包括具有初级侧和次级侧的变压器。初级侧可操作用于响应于输入信号而将能量传递至次级侧，而次级侧可操作用于以对应于被传递至次级侧的能量的量的量值将输出电流递送至一个或多个LED。LED驱动器的电流控制环路可操作用于控制初级侧中的电流以使得输出电流等于参考电流信号。LED驱动器的电流调整电路可操作用于响应于去除一部分输入信号的切相信号而将电流调整信号注入电流控制环路中。电流控制环路还可操作用于响应于电流调整信号而减小初级侧中的电流以使得连接至次级侧的每个LED的亮度减小对应于电流调整信号的量值的量。
根据操作LED驱动器的方法的一个实施例，该方法包括：响应于输入信号而将能量从变压器的初级侧传递至变压器的次级侧以使得次级侧以对应于被传递至次级侧的能量的最的最值将输出电流递送至一个或多个LED；通过电流控制环路控制初级侧中的电流以使得输出电流等于参考电流信号；响应于去除一部分输入信号的切相信号而将电流调整信号注入电流控制环路中；以及响应于电流调整信号而减小初级侧中的电流以使得连接至次级侧的每个LED的亮度减小对应于电流调整信号的量值的最。
在阅读以下详细描述后以及在查看附图后，本领域技术人员将认识到其它特征和优点。
附图说明
图中的元件相对于彼此不一定是按比例的。相同的附图标记表示对应的类似部件。各个所图示的实施例的特征可以被组合，除非它们相互排斥。实施例在图中被描述并在随后的说明中被详述。
图1图示了具有调光支持的LED驱动器的实施例的电路图。
图2图示了被包括在用于支持调光的LED驱动器中的电流调整电路的实施例的电路图。
图3图示了具有调光支持的LED驱动器的另一实施例的电路图。
具体实施方式
图1图示了具有LED调光支持的LED驱动器的实施例。LED驱动器包括具有初级侧(P)和次级侧(S)的变压器(T1)。变压器提供输入端(AC线)和输出端(LED+/LED-)之间的电隔离。在图1中通过标记为‘电隔离’的线来标识电隔离。变压器的初级侧响应于输入信号而将能最传递至次级侧，而次级侧以对应于被传递至次级侧的能量的量的最值将输出电流递送至一个或多个LED。由LED驱动器控制的LED在图1中未示出，但可被连接至LED驱动器的输出端并通过标记“LED二极管串”被以文字方式表示。LED驱动器的电流控制环路100控制变压器的初级侧中的电流以使得LED驱动器的输出电流等于参考电流信号。
LED驱动器的电流调整电路110响应于去除一部分输入信号的切相信号而将电流调整信号注入电流控制环路100中。切相信号可被提供作为输入信号的一部分，或被单独提供。无论哪一种方式，切相信号对应于期望的LED调光的最，即输入信号的相位被切除得越多，调光就越多，这是期望的。电流调整信号与输入电压切相的量成比例。电流控制环路100响应于电流调整信号而减小初级侧中的电流以使得被连接至次级侧的每个LED的亮度减小对应于电流调整信号的量值的量。
在图1中示出的实施例中，电流调整电路110位于变压器的次级侧上而电流控制环路100位于初级侧上。电流调整电路110包括电压-电流调节器(IC1)以及其它无源和有源元件。
图2图示了被包括在电流调整电路110中的电压-电流调节器IC1的实施例。根据该实施例，电压-电流调节器包括由偏置和带隙参考电路提供的高精度带隙参考电压、电压误差放大器(V-OTA)、电流误差放大器(C-OTA)以及由控制逻辑控制的输出驱动器。电压-电流调节器的输入端和输出端如下：S(1)为电源电压；VSE(2)为电压感测输入端；OUT(3)为输出端；CSE(4)为电流感测输入端；GND(5)为接地参考电势；CCO(6)为电流补偿输出端；VCO(7)为电压补偿输出端；而CRE(8)为C-OTA参考输入端。V-OCA的输出端通过电阻器RVC连接至VCO管脚，驱动器的输出端通过电阻器Ro连接至OUT管脚，以及C-OTA的输出端通过电阻器Rcc连接至CCO管脚。
电压误差放大器V-OTA将输入电压VSE与参考电压Vref进行比较。差值被衰减且成比例的电流驱动该输出端。如果LED串制动，则这一特征用作保护。
电流误差放大器C-OTA将管脚CRE处的电压与C-OTA的反相输入端处的电压进行比较。CSE管脚连接在分流电阻(RI2)的末端上。电阻器RI1与RI2构成分压器。CRE管脚接地。在该配置的情况下用于电流控制的参考点(Vr)变成：
Vr=VREF*(RI2／(RI1+RI2) (1)
通过CSE管脚测量电流。电流误差放大器C-OTA调整电源以使得在CSE处感测到的LED驱动器的输出电流(Io)匹配命令值Vr／R18(感测电阻器)。当LED驱动器的感测的输出电流(Io)的绝对值与用于测量输出电流的感测电阻器(R18)的乘积大于参考点Vr时，总电压为正且C-OTA生成电流。该电流是通过光耦合器(OClA)被提供至初级侧上的电流控制环路100，并充当去往电流控制环路100的命令以降低被提供至LED的输出电流。如果Vr不变，则LED驱动器将提供恒定输出电流。当Vr改变时，LED驱动器输出电流相应地改变。通过改变Vr引入LED调光。在一个实施例中，IC1为由英飞凌科技股份公司制造并销售的电压电流调节器TLE4305。
在图1中，电流控制环路100通过光耦合器(OClA)和电压-电流调节器IC1被连接至次级侧的主绕组(T1×fmr)。电流调整电路110被连接至次级侧的辅助绕组(T1b×fmr)。电流控制环路100基于参考电流信号和经由光耦合器OClA从电流调整电路110接收到的电流调整信号之间的差值来控制初级侧中的电流。
除了电压-电流调节器IC1，电流调整电路110还包括连接至次级侧上的辅助绕组的电阻器-电容器(RC)网络、连接至辅助绕组的MOSFET(Q2)、与Q2并联耦合的电阻器R28以及与Q2和电阻器R28并联耦合的电容器C23。RC网络包括电容器C21和C22以及电阻器R25和R26。电阻器R25和R26构成分压器。
当能量从变压器的初级侧传递至次级侧时，电流调整电路110的MOSFET Q2接通并使电阻器R28和电容器C23短路。将电容器C21和C22的大小选择为使得C22>>C21且RC网络具有使得MOSFET Q2在没有切相信号存在时在输入信号的周期性脉冲期间保持接通的时间常数。这样，当没有切相信号存在时，电阻器R28和电容器C23对电流控制环路100没有影响。当Q1在非切相操作期间关断时，跨次级侧辅助绕组(T1b×fmr)的端子两端的电压反相，其继而导致电流流经二极管D6和D7并对电容器C21、C22充电。当Q1接通时，二极管D6和D7被反向偏置。
当存在切相信号时，由于C21*(R25+R26)<<C22*R27，因此RC网络使C21完全放电且C22保持被充电。作为响应，MOSFET Q2关断，从而使得电阻器R28和电容器C23能生成具有对应于切相信号的持续时间(长度)的量值的电流调整信号。
当不存在切相信号时，MOSFET Q2保持接通且电流调整信号固定在可忽略的值，而当存在切相信号时，MOSFET Q2保持关断且电流调整信号变得不可忽略且可变。电压-电流调节器IC1的电流误差放大器C-OTA的负输入端接收电流调整信号。当电流调整信号固定(即无切相)时，电流误差放大器C-OTA提供恒定电流，而当电流调整信号可变(即存在切相)时，电流误差放大器C-OTA提供可变电流。
图1的LED驱动器还可包括在一端处连接至电阻器R28并在另一端处经由电阻器R29耦合至电容器C22的附加光耦合器(OC2A)。光耦合器OC2A接收脉冲宽度调制调光信号(PWM调光)并将脉冲宽度调制调光信号的电当量注入电流调整电路110中。电流调整电路110基于PWM调光信号的电当量生成电流调整信号。因此，或者基于切相或者基于PWM的LED调光可受到LED驱动器支持。
在图1中示出的LED驱动器的工作期间，电阻器R5、R6和R7以及二极管D3在电流控制环路的控制器IC(IC2)处提供启动电压Vcc。在一个实施例中，IC2为由英飞凌科技股份公司制造并销售的增压控制器TDA4863。TDA4863是具有高功率因子和低THD(总谐波失真)的控制器IC。电阻器R5、R6和R7以及二极管D3对电容器C7充电。当电压达到例如13V的适当高的值时，IC2变成运行的。当IC2运行时，Vcc的电源由初级侧上的辅助绕组(4、5)、二极管D5以及由电容器C4和C2、齐纳二极管D2、电阻器R8和MOSFET Q5构成的线性调节器来提供。二极管D4将线性调节器连接至Vcc。在启动期间二极管D4使电容器C2断开连接，从而使启动更快。
由电阻器R16和R17以及电容器C10构成的分压器实现临界导通模式。当IC2的管脚7上的电压过零(即来自回扫变压器的电流被放电至次级侧且在变压器和MOSFET Q1的寄生电容和变压器磁化电感之间发生振荡)时，IC2接通设置初级侧上的电流的MOSFET Q1。
由电阻器R1、R2、R3和R4以及电容器C3构成的分压器提供有关输入电压(AC线路)的信息，输入电压由关于AC中性线的桥式整流器(BR1)接收。分压器分压比优选为至少100∶1。电容器C3相对较小且该滤波器的带宽为约1kHz，以过滤噪声。该信号被乘法器使用以对输入电流进行整形。电容器C14以及电阻器R19和R22对电流控制环路100中的增益和相位进行整形。控制器IC2包括运算放大器，且C14、R19和R22被布置在该运算放大器周围。电阻器R21将来自光耦合器OClA的电流转换成电压。电阻器R14为用于过流保护和对输入电流整形的电流感测电阻器。
在变压器的次级侧上，电阻器R19为用于感测输出电流(Io)的分流电阻器，输出电流(Io)由电压-电流调节器IC1使用，如本文中之前所述的。电容器C19为IC1的电流感测管脚CSE上的小滤波器。则电阻器R23和R24构成电压感测分压器，如果LED串制动，所述电压感测分压器与IC1内部的参考电压和电流误差放大器C-OTA一起用来提供过压保护。
图3图示了LED驱动器的另一个实施例。图3中示出的实施例类似于图1中示出的实施例，然而电流控制环路100连接至变压器的初级侧且电流调整电路110连接至次级侧处的电流感测变压器(T201×fmr)。电流感测变压器感测次级侧处的输出信号。
根据这一实施例，电流调整电路包括电阻器-电容器-二极管(RCD)网络。RCD网络包括电阻器R211、R219、R220、R221、R222和R223、二极管D204和D206、齐纳二极管D205以及电容器C210和C211。RCD网络生成电流调整信号。被包括在IC1中的电流误差放大器(C-OTA)查看跨电容器C210两端的电压，并且电阻器R219提供有关感测的输出电流(Io)的信息。
当切相信号不存在时，电流控制环路100接通MOSFET Q201，而当切相信号存在时，电流控制环路100关断MOSFET Q201。当被接通时，MOSFET Q201超驰(override)RCD网络以使得当不存在切相信号时跨电容器C210的电流调整信号固定在可忽略的值。否则，RCD网络生成作为切相的持续时间的函数的电流调整信号。也就是说，切相事件的持续时间越长，跨电容器C210的电压就越大。电流调整电路110将电流调整信号叠加至通过电流感测变压器感测到并通过电阻器R219被转换成电压的输出信号。电流控制环路100经由MOSFET Q1控制初级侧中的电流以使得输出电流(Io)与电流调整信号和输出信号之和成比例。
在次级侧上，当MOSFET Q1关断并且跨次级侧绕组的电压的极性反向时，二极管D207正向偏置。电容器C213和C214是确保在工作期间LED被适当地负载的滤波器的一部分。
在切相事件期间，IC1的管脚6处的输出为低且MOSFET Q201不导通。结果，二极管D206被正向偏置且电阻器R222和R221使信号以与切相的持续时间成比例的量注入电流控制环路100中。该信号被叠加至感测的输出电流(Io)，从而使电流控制环路100相应地减小初级侧处的电流。当不存在对输入信号的切相时，IC1的管脚6处的输出为高且MOSFET Q201导通，使得二极管D206被反向偏置且没有电流流过电阻器R221和R222，从而实际上将电流调整信号设置为零。
可提供可选的光耦合器OC200A和电阻器R223，以用于提供基于PWM的LED调光。在这种情形下，调光信号由生成相应电流的光耦合器OC200A检测。该电流经由电阻器R223被叠加至感测的输出电流(Io)，并与参考电流进行比较以减小初级侧电流，如果如前那样发信号通知调光的话。
诸如“第一(first)”、“第二(second)”等的术语被用来描述各种元件、区域、部分等，且还不意图是限制性的。贯穿整个描述，类似的术语指代类似的元件。
如本文中所使用的，术语“具有(having)”、“包含(contaning)”、“包括(including)”、“包括(comprising)”等是指示提到的元件或特征的存在、但不排除其它元件或特征的开放式术语。冠词“一(a)”、“一个(an)”、“该(the)”意图包括复数和单数，除非上下文另外明确指出。
应理解，本文中描述的各个实施例的特征可被相互组合，除非另外明确指出。
虽然已经在本文中示出并描述了具体实施例，但本领域普通技术人员将认识到的是，各种替换和／或等价实施方式可取代所示出和描述的具体实施例而不脱离本发明的范围。本申请意图覆盖本文中描述的具体实施例的任何改编或变形。因此，意图是本发明仅由权利要求及其等价体来限定。

Claims (6)

1.一种LED驱动器，包括：
变压器，其具有初级侧和次级侧，所述初级侧可操作用于响应于输入信号而将能量传递至所述次级侧，并且所述次级侧可操作用于以对应于被传递至所述次级侧的能量的量的量值将输出电流递送至一个或多个LED；
电流控制环路，其被连接到所述次级侧的主绕组，并且可操作用于控制所述初级侧中的电流从而使得所述输出电流等于参考电流信号；
电流调整电路，其被连接至所述次级侧的辅助绕组，并且可操作用于响应于去除一部分输入信号的切相信号而将电流调整信号注入所述电流控制环路中；以及
第一光耦合器，其可操作用于接收脉冲宽度调制调光信号并将所述脉冲宽度调制调光信号的电当量注入到所述电流调整电路中，
其中所述电流调整电路可操作用于基于所述脉冲宽度调制PWM调光信号的所述电当量生成所述电流调整信号，
其中，所述电流控制环路还可操作用于响应于所述电流调整信号而减小所述初级侧中的电流，从而使得被连接至所述次级侧的每个LED的亮度减小对应于所述电流调整信号的量值的量；
其中所述电流控制回路通过所述电流调整电路的电压-电流调节器和第二光电耦合器连接到所述次级侧的主绕组，并且所述电流控制回路基于参考电流信号和经由第二光耦合器从所述电流调整电路接收的电流调整信号之间的差来控制所述初级侧中的电流。
2.根据权利要求1所述的LED驱动器，其中当不存在切相信号时，所述电流调整信号固定在可忽略的值，而当存在切相信号时，所述电流调整信号可变，以及其中所述电流控制环路包括电流误差放大器，所述电流误差放大器具有用于接收所述参考电流信号的第一输入端、用于接收所述电流调整信号的第二输入端，以及可操作用于在所述电流调整信号固定时提供恒定电流并在所述电流调整信号可变时提供可变电流的输出端。
3.根据权利要求1所述的LED驱动器，其中所述电流调整电路包括被连接至所述辅助绕组的电阻器-电容器RC网络、被连接至所述辅助绕组的晶体管、与所述晶体管并联耦合的电阻器以及与所述晶体管和所述电阻器并联耦合的电容器，其中，所述晶体管可操作用于在能量从所述初级侧传递至所述次级侧时接通并使与所述晶体管并联连接的所述电阻器和所述电容器短路，其中所述RC网络具有当不存在切相信号时在输入信号的周期性脉冲期间使所述晶体管保持接通的时间常数，以及其中所述RC网络可操作用于在存在切相信号时完全放电从而使得所述晶体管关断且与所述晶体管并联连接的所述电阻器和电容器生成具有对应于所述切相信号的持续时间的量值的电流调整信号。
4.一种操作LED驱动器的方法，该方法包括：
响应于输入信号而将能量从变压器的初级侧传递至变压器的次级侧，从而使得所述次级侧以对应于被传递至所述次级侧的能量的量的量值将输出电流递送至一个或多个LED；
通过电流控制环路控制所述初级侧中的电流，从而使得所述输出电流等于参考电流信号，所述电流控制环路被连接至所述次级侧的主绕组；
响应于去除一部分所述输入信号的切相信号而将电流调整信号注入所述电流控制环路中，所述电流调整信号是由连接至所述次级侧的辅助绕组的电流调整电路生成的；
响应于所述电流调整信号而减小所述初级侧中的电流，从而使得被连接至所述次级侧的每个LED的亮度减小对应于所述电流调整信号的量值的量；
从第一光耦合器接收光脉冲宽度调制调光信号；
将所述光脉冲宽度调制调光信号的电当量注入所述电流调整电路中；以及
基于所述脉冲宽度调制PWM调光信号的所述电当量生成所述电流调整信号；
其中所述电流控制回路通过所述电流调整电路的电压-电流调节器和第二光电耦合器连接到所述次级侧的主绕组，并且所述电流控制回路基于参考电流信号和经由第二光耦合器从所述电流调整电路接收的电流调整信号之间的差来控制所述初级侧中的电流。
5.根据权利要求4所述的方法，其中当不存在切相信号时所述电流调整信号固定在可忽略的值，而当存在切相信号时所述电流调整信号可变，以及其中所述电流控制环路包括电流误差放大器，所述电流误差放大器具有用于接收所述参考电流信号的第一输入端、用于接收所述电流调整信号的第二输入端，以及用于在所述电流调整信号固定时提供恒定电流并在所述电流调整信号可变时提供可变电流的输出端。
6.根据权利要求4所述的方法，其中所述电流调整电路包括连接至所述辅助绕组的电阻器-电容器RC网络、连接至所述辅助绕组的晶体管、与所述晶体管并联耦合的电阻器以及与所述晶体管和所述电阻器并联耦合的电容器，以及其中响应于切相信号而将电流调整信号注入所述电流控制环路中包括：
当不存在切相信号时，在输入信号的周期性脉冲期间经由所述RC网络使所述晶体管保持接通，从而使得与所述晶体管并联耦合的所述电阻器和所述电容器被短路且所述电流调整信号固定在可忽略的值；以及
当存在切相信号时，使所述RC网络完全放电以促使所述晶体管关断，从而使得与所述晶体管并联连接的所述电阻器和电容器生成具有对应于切相信号的持续时间的量值的电流调整信号。
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