CN103959904B - 具有THDi旁路电路的固态发光驱动器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了具有总谐波失真（THDi）旁路电路的固态发光驱动器和系统。固态驱动器使具有串联连接到第二发光段的第一发光段的固态灯通电。当驱动电压低时，THDi旁路电路绕过LED的第一发光段并使第二发光段通电。由此，固态灯将在更大部分的功率循环期间发光并将降低THDi。

Description

具有THDi旁路电路的固态发光驱动器
相关申请信息
本申请要求2010年8月27日申请的美国临时专利申请61/377,846的优先权，其内容通过引用全部组合于此。
发明背景
技术领域
本发明总体上涉及固态发光驱动器和发光系统。具体地，本发明致力于LED发光系统。
背景技术
由于固态发光装置相较于传统光源如白炽灯具有更高的效率和更长的寿命，固态发光装置日益变得越来越普遍。然而，激励固态发光装置的驱动器相较于固态发光装置展现实质上更短的寿命，且通常具有过度的总谐波失真。
因此，需要改进固态发光驱动器和系统。
发明内容
第一方面，提供包括电流驱动电路和旁路电路的发光驱动电路。电流驱动电路连到具有功率循环的交流(AC)电源，及该驱动电路配置成向具有第一发光段和第二发光段的固态灯提供电流。该驱动电路配置成直接连到第一发光段的输入，及第二发光段的输入直接连到第一发光段的输出。旁路电路连到电流驱动电路并配置成连到第二发光段的输入，其中旁路电路配置成在功率循环内的时间段期间提供从驱动电路到第二发光段的旁路电流；其中所述旁路电路基于所述第二发光段的输入电压，提供从所述电流驱动电路到所述第二发光段的旁路电流。
在发光驱动电路的第一优选实施例中，第一发光段优选包括串联连接的第一多个发光二极管(LED)，及第二发光段优选包括串联连接的第二多个LED。旁路电路优选还配置成，当第二发光段的输入电压超过阈值时，终止来自驱动电路的旁路电流。旁路电路优选还包括具有电连接到驱动电路和第二发光段的输入的漏极和源极的金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。MOSFET的栅极优选连到第二发光段的输入。电流的总谐波失真(THDi)优选低于15％。驱动电路的功率因数优选超过95％。AC电源优选包括120伏特电源。AC电源优选包括240伏特电源。
第二方面，提供包括固态灯、电流驱动电路和旁路电路的发光系统。固态灯具有第一发光段和第二发光段，其中第二发光段的输入连到第一发光段的输出。电流驱动电路连到具有功率循环的交流(AC)电源及电流驱动电路配置成向固态灯提供电流。该驱动电路连到第一发光段的输入。旁路电路连到电流驱动电路及连到第二发光段的输入。旁路电路配置成在功率循环内的时间段期间提供从驱动电路到第二发光段的旁路电流；其中所述旁路电路基于所述第二发光段的输入电压，提供从所述电流驱动电路到所述第二发光段的旁路电流。
在第二优选实施例中，第一发光段优选包括串联连接的第一多个发光二极管(LED)，及第二发光段优选包括串联连接的第二多个LED。旁路电路优选还配置成，当第二发光段的输入电压超过阈值时，终止来自驱动电路的旁路电流。旁路电路优选还包括具有电连接到驱动电路和第二发光段的输入的漏极和源极的金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。MOSFET的栅极优选连到第二发光段的输入。电流的总谐波失真(THDi)优选低于15％。
第三方面，提供产生光的方法。该方法包括提供具有功率循环的交流电(AC)，对交流电进行整流以形成全波整流信号，基于全波整流信号产生驱动电流，使具有第一发光段和连到第一发光段的第二发光段的固态灯通电，基于所述第二发光段的输入电压，在通电时间段期间使来自驱动电流的电流旁通到第二发光段，及因旁路电流而从第二发光段产生光。
在第三优选实施例中，本发明方法优选还包括基于电压终止旁路电流，及因驱动电流而从第一发光段及第二发光段产生光。终止旁路电流优选基于第二发光段的输入电压。
本发明的这些及其它特征和优点将从结合附图对优选实施例的描述明显看出。
附图说明
图1示出了具有串联连接的多个LED的发光组件的功能框图。
图2示出了图1的发光组件的示例性电压和电流曲线。
图3示出了具有与LED发光段并联的示例性旁路电路的发光组件的功能框图。
图4示出了图3的发光组件的示例性电压曲线和电流曲线。
图5示出了具有示例性旁路电路的发光组件实施例的功能框图。
图6示出了具有示例性旁路电路的发光组件的另一实施例的功能框图。
图7示出了图5的发光组件的示例性电压和电流曲线。
具体实施方式
下面的优选实施例致力于固态发光驱动器和系统。固态发光装置如发光二极管(LED)相较传统光源如白炽灯展现实质上更大的功率效率和工作寿命。然而，在通常提供120伏特(V)交流电(AC)的现有灯具内加装LED存在几个难题。LED仅在在正向偏压结构中运行时发光，及根据LED的发射波长具有1.9V到3.2V范围的正向电压降。LED可串联连接以形成具有接近120VAC电源的最大电压的总电压降的LED串。然而，LED将仅在一部分功率循环期间发光，及将展现降低的功率效率和更大的总谐波失真(THDi)。
在实施例中，由于在驱动电压低时绕过LED的第一发光段并使LED的第二发光段通电的THDi旁路电路，THDi得以降低。当跨LED的第一发光段的电压达到阈值时，THDi旁路电路终止流到LED的第二发光段的旁路电流，及驱动器电路对整个LED链供电。因此，LED串将在更大的功率循环部分发光并将降低THDi。
大多数驱动LED的传统方法采用将AC线路电压转换为低DC电压的驱动电路，前述转换通过使用外部LED驱动器如开关式电源或使用无源电阻性方法实现。实施例提供采用有限多个元件的有源简单直接高电压或离线LED解决方案。此外，实施例提供优越性能如增强的功率因数、随变化电压稳定的驱动电流及降低的THDi。此外，实施例相较于依赖于电解电容器的传统方法展现增强的工作寿命，对于LED，电解电容器通常不好使。实施例仅采用陶瓷电容器，与传统LED驱动器中使用的典型电解电容器不同，其具有长工作寿命。实施例提供克服传统LED驱动器的缺点的、有源、简单、低成本、有效的离线驱动解决方案。
涉及固态发光系统和驱动器的教导包括由美国公开号为2008/0265801和2010/0045198的申请提供的内容，两件申请均由Lee等申请，其通过引用全部组合于此。
图1示出了具有串联连接的多个LED的发光组件101的功能框图。AC电源102经引脚106和104电连接到桥式整流器110。桥式整流器110包括二极管111、112、113和114。桥式整流器110对AC线路电压进行整流并在输出103处提供全波整流信号。桥式整流器110的输出103连接到限流装置120。限流装置120可以是如下所述的电流驱动电路。限流装置120连到串联连接的LED模块130a-130m。每一LED模块如LED模块130a具有三个串联连接的LED131、132和133。因此，有13个LED模块或39个LED串联连接。最后一LED模块130m的输出通过引脚105连接到桥式整流器110。
图2示出了图1的发光组件的电压201和电流251的示例性曲线。电压201为限流器120的输出125和LED模块130m的输出126处的电压之间的差，两个输出处的电压在图1中示为Vin和Vout。电流251为流过LED模块130a-130m的电流。由于桥式整流器110，电压201展现全波整流波形并按正弦波的绝对值变化。对于典型的120伏特服务线路，电压201从点220处的0V变化，并增加到点210处的约170V最大值。
LED具有从对于红外LED的约1.9V到对于白或蓝光LED的约3.2V范围的正向电压Vf。当低于正向电压Vf驱动时，LED展现最小泄漏电流。然而，当LED超出正向电压Vf驱动时，驱动电流引人注目地增加。图2示出了具有39个LED的实施例的示例性曲线，每一LED具有3.2V的正向电压Vf。因此，电流251在LED模块130a-130m的电势达到每LED3.2V乘以39个LED的积即约126V的总电压降的点205处突然增加。由于限流器120，电流251在上部区域255保持恒定。一旦电势下降到低于126V，电流251在点260处降低到接近零。
发光组件101展现良好的功率因数，但遭受高THDi。许多公用公司对具有低THDi的发光装置提供折扣。因此，设计THDi旁路电路以将THDi降低到低于所要求的20％水平。
图3示出了具有示例性THDi旁路电路310的发光组件301的功能框图。发光组件301具有包括串联连接的LED模块130a-130j的第一发光段302和包括串联连接的LED模块130k-130m的第二发光段303。第二发光段303的输入在点127处直接连到第一发光段302的输出。发光组件301具有桥式整流器110和限流器120。旁路电路310通过线路304被反馈限流器120的输出。旁路电路310还连接到第一发光段302的输出127及连到第二发光段303的输出126。旁路电路310在点127处向第二发光段303的输入提供旁路电流。旁路电路310配置成使部分LED充分通电以使得部分LED在较低电压和较低电流水平时照亮。
图4示出了图3的发光组件301的电压305和电流350的示例性曲线。电压305为限流器120的输出125和LED模块130m的输出126处的电压之间的电势差，前述两个电压在图3中示为Vin和Vout。电流350为流自限流器120的电流并由限流器120限制为最大驱动电流如20毫安培(mA)。在该非限制性例子中最大电流水平约为20mA的同时，应当理解，可以采用其它最大电流水平。
随着电压305从0V增加并在点312处达到～25V，旁路电路310配置成使一部分驱动电流旁通到输出127使得第二发光段303中的LED(即LED模块130k-130m)可用电流曲线范围352所示电流照亮。一旦电压305在点314处达到约80V的电压，旁路电路停止传导旁路电流，因为电压Vbypass由于流过第一发光段302的电流而足够高。随着电压上升高于约80V，电流350上升，如电流曲线范围353所示。随着电压305在点316处达到约126V，第一和第二发光段302和303将以恒定电流水平356照亮，例如其由限流器120限制到约20mA。当电压305在点318处降低到低于约126V时，电流如电流曲线范围357所示那样降低。当电压305在点320处降低到低于约80V时，电流350如电流曲线范围358所示那样降低。当电压305在点322处降低到低于约25V时，电流在电流水平359终止。
图5示出了具有示例性THDi旁路电路560的发光组件501实施例的功能框图，其中发光组件501针对120伏特应用进行配置。发光组件501包括电流驱动电路520和旁路电路560。发光组件还包括包含串联连接的LED模块130a-130j的第一发光段502和包含LED模块130k-130m的第二发光段503。旁路电路配置成在功率循环内的时间段期间使包括LED模块130k-130m的第二发光段503通电。第一发光段502的输出在点526处连接到第二发光段503的输入。在图5的非限制性例子中示出一串LED的同时，应当理解，一个或多个实施例可采用具有第一段和第二段的其它类型的固态灯，其中第二段的输入连到第一段的输出。
电流驱动电路520连到具有功率循环的交流(AC)电源102。驱动电路520向第一发光段502和第二发光段503提供电流并直接电连接到第一发光段502的输入。驱动电路520可以是限流器或下面结合图6中的驱动电路620所述的电流源。
旁路电路560电连接到电流驱动电路520的输出和第二发光段503的输入。旁路电路在功率循环内的通电时间段期间提供从驱动电路到第二发光段的旁路电流Ibp。旁路电路560可基于第二发光段在点526处的输入电压V2提供从驱动电路到第二发光段503的旁路电流。
旁路电路可由N通道增强型MOSFET510连同电阻器512和514、陶瓷电容器518及二极管516使用组成。该电路具有抽头点526，其连接在LED串内以使指定的多个LED通电。
在实施例中，旁路电路560包括连接到电流驱动电路520的输出及连接到增强MOSFET510(Q2)的漏极的电阻器512(R2)。MOSFET510的源极连接到第二发光段503的输入。MOSFET510的栅极连接到电阻器R3，其连接到电容器518(C1)和二极管(DD1)。电容器518连接到第二发光段503的输出，及二极管516连接到第二发光段503的输入。在实施例中，MOSFET510可以是250VN通道增强型MOSFET如Zetex制造的ZVN4525E6，及电阻器512和514为4.7KOhm电阻器，及电容器518可以是0.01μF/100V电容器。
类似地，图6示出了具有示例性旁路电路660的发光组件601实施例的功能框图，其中发光组件601针对240伏特应用进行配置。发光组件601包括电流驱动电路620和旁路电路660。发光组件还包括包含串联连接的LED模块130a-130v的第一发光段603和包含LED模块130w-130z的第二发光段604。旁路电路配置成在功率循环内的时间段期间使包括LED模块130w-130z的第二发光段604通电。第一发光段603的输出在点626处连接到第二发光段604的输入。
发光组件601包括电流驱动电路620和旁路电路660。电流驱动电路620连到具有功率循环的交流(AC)电源602。驱动电路620直接电连接到第一发光段603的输入。电流驱动电路620可包括N通道耗尽型MOSFET650，其与电阻器655一起使用以提供恒定电流。该电流由电阻器655控制。MOSFET650和电阻器655配置成跨宽范围电压提供恒定驱动电流。在实施例中，MOSFET650可以是N通道耗尽型MOSFET，具有用在AC运行中的高Vds(如用于欧洲应用的350V)、低电阻和高Idss，如Supertex制造的DN3135，及电阻器655可以是175Ohm电阻器。
旁路电路660电连接到电流驱动电路620和第二发光段604的输入。旁路电路660在功率循环内的通电时间段期间提供从驱动电路到第二发光段604的旁路电流Ibp。在实施例中，旁路电路660包括连接到电流驱动电路620的输出及连接到增强MOSFET610(Q2)的漏极的电阻器612(R2)。MOSFET610的源极连接到第二发光段604的输入。MOSFET610的栅极连接到电阻器614(R3)，其连接到电容器618(C1)和二极管616(DD1)。电容器618连接到第二发光段604的输出，及二极管616连接到第二发光段的输入。在实施例中，MOSFET610可以是250VN通道增强型MOSFET如Zetex制造的ZVN4525E6，及电阻器612可以是15KOhm电阻器，电阻器614可以是4.7KOhm电阻器，及电容器618可以是0.01μF200V电容器。
图7示出了图5的发光组件的电压曲线702和电流曲线750的示例图，其说明了旁路电路560的作用。如上结合图1的发光组件101所述，未采用旁路电路如旁路电路560和660的电路将不能引人注目地照亮LED，直到电势分别达到约130V或260为止。具有旁路电路的实施例在电势低于130V时使LED串内的下部LED通电并导致这些LED照亮。
当702处的电压在约0V和点701处的约25V之间时，如第一平坦区751中所展现的，电流接近0mA。一旦电压702超过约25V，由于如果VD>VS则电容器618(C1)将MOSFET610保持在就绪状态，MOSFET610将开始传导来自驱动电流的旁路电流，并将使LED的第二段503通电和照亮。当电压达到约100V时，由于第一段502中的LED将开始传导电流，MOSFET510的漏极处的电压将低于MOSFET510的源极处的电压。这具有关断MOSFET510并终止旁路电流的作用，如第二平坦区752所示。在电压高于约100V时，MOSFET510不传导旁路电流。因此，旁路电路560还配置成在电流驱动电路的电压超过阈值时终止来自驱动电路的旁路电流，在该例子中，阈值为约100V。一旦电压达到约130V，第一发光段502和第二发光段503中的所有LED以驱动电流完全通电，如第三平坦区753所示。当电压在点705处下降到约100V时，MOSFET510开始传导旁路电流，如第四平坦区754所示。一旦电压下降到低于约25V，没有明显的电流流过LED的第一和第二发光段，如第五平坦区755所示。
旁路电路560的一个重要的固有特征在于旁路电流无需使用电压检测或DC转换即可打开和关闭。此外，旁路电路560仅包括固有地具有长寿命的5个元件。
根据所希望的电路变量如设定的驱动电流、输入电压和抽头位置，THDi可通过改变电阻值而降低到低于20％。可实现低于20％THDi的THDi。实施例可展现低于11％的THDi。此外，实施例展现的功率因数超过95％并接近99％。
可采用一个以上THDi旁路电路以进一步降低THDi的值。在实施例中，具有多个THDi旁路电路的发光组件独立运行。两组THDi旁路电路可将THDi的值降低到约10％，及三组THDi旁路电路可将THDi的值降低到低于5％。
尽管本发明已结合具体实施例进行描述，显然地及应当理解，本发明概念可用于实现所述的优点。上面的优选实施例已主要描述为具有总谐波失真(THDi)旁路电路的固态发光驱动器和系统，旁路电路降低系统的THDi。固态驱动器和系统的前面描述用于说明和描述的目的。
此外，在此的描述不意于将本发明限于在此公开的形式。因而，与相应教导、技巧和知识一致的变化和修改在本发明的范围内。在此描述的实施例还用于阐释实施本发明的已知方式及使本领域的其它技术人员能在等效或供替代的实施例中使用本发明，并可进行本发明的特定应用或使用必须考虑的多种不同的修改。

Claims (18)

1.一种发光驱动电路，包括：
连到具有功率循环的交流AC电源的电流驱动电路，所述电流驱动电路配置成向具有第一发光段和第二发光段的固态灯提供电流，其中所述电流驱动电路配置成直接连到第一发光段的输入，及第二发光段的输入直接连到第一发光段的输出；及
连到电流驱动电路并配置成连到第二发光段的输入的旁路电路，其中旁路电路配置成在功率循环内的时间段期间提供从电流驱动电路到第二发光段的旁路电流；
其中所述旁路电路基于所述第二发光段的输入电压，提供从所述电流驱动电路到所述第二发光段的旁路电流。
2.根据权利要求1的发光驱动电路，其中：
第一发光段包括串联连接的第一多个发光二极管LED；及
第二发光段包括串联连接的第二多个LED。
3.根据权利要求1的发光驱动电路，其中所述旁路电路还配置成，当第二发光段的输入电压超过阈值时，终止来自电流驱动电路的旁路电流。
4.根据权利要求1的发光驱动电路，其中所述旁路电路还包括具有电连接到电流驱动电路和第二发光段的输入的漏极和源极的金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET。
5.根据权利要求4的发光驱动电路，其中所述MOSFET的栅极连到第二发光段的输入。
6.根据权利要求1的发光驱动电路，其中电流的总谐波失真THDi低于15％。
7.根据权利要求1的发光驱动电路，其中电流驱动电路的功率因数超过95％。
8.根据权利要求1的发光驱动电路，其中所述AC电源包括120伏特电源。
9.根据权利要求1的发光驱动电路，其中所述AC电源包括240伏特电源。
10.一种发光系统，包括：
具有第一发光段和第二发光段的固态灯，其中第二发光段的输入连到第一发光段的输出；
连到具有功率循环的交流AC电源的电流驱动电路，所述电流驱动电路配置成向固态灯提供电流，其中所述电流驱动电路连到第一发光段的输入；及
连到电流驱动电路及连到第二发光段的输入的旁路电路，其中所述旁路电路配置成在功率循环内的时间段期间提供从电流驱动电路到第二发光段的旁路电流；
其中所述旁路电路基于所述第二发光段的输入电压，提供从所述电流驱动电路到所述第二发光段的旁路电流。
11.根据权利要求10的发光系统，其中：
第一发光段包括串联连接的第一多个发光二极管LED；及
第二发光段包括串联连接的第二多个LED。
12.根据权利要求10的发光系统，其中所述旁路电路还配置成，当第二发光段的输入电压超过阈值时，终止来自电流驱动电路的旁路电流。
13.根据权利要求10的发光系统，其中所述旁路电路还包括具有电连接到电流驱动电路和第二发光段的输入的漏极和源极的金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET。
14.根据权利要求13的发光系统，其中所述MOSFET的栅极连到第二发光段的输入。
15.根据权利要求10的发光系统，其中电流的总谐波失真THDi低于15％。
16.一种产生光的方法，包括：
提供具有功率循环的交流电；
对交流电进行整流以形成全波整流信号；
基于全波整流信号产生驱动电流；
使具有第一发光段和连到第一发光段的第二发光段的固态灯通电；
基于所述第二发光段的输入电压，在通电时间段期间使来自驱动电流的电流旁通到第二发光段；及
因旁路电流而从第二发光段产生光。
17.根据权利要求16的方法，还包括：
基于电压终止旁路电流；及
因驱动电流而从第一发光段及第二发光段产生光。
18.根据权利要求17的方法，其中终止旁路电流基于第二发光段的输入电压进行。
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