CN104067695B - 包括为了控制色度和/或亮度的升压转换器的照明设备及相关方法 - Google Patents
包括为了控制色度和/或亮度的升压转换器的照明设备及相关方法 Download PDFInfo
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Abstract
固态照明设备可以包括电源、发光器件和升压转换器。所述升压转换器可以具有电气耦接到所述电源的输入节点和输出节点，以所述发光器件电气耦接在所述输出节点与基准节点之间。所述升压转换器可以包括电气耦接在所述输入节点与所述基准节点之间的电流分流通路中的开关，以及控制器。所述开关可以被配置为使来自所述电源的电流绕过所述发光器件分流。所述控制器可以被配置为产生脉宽调制(PWM)信号以控制所述开关的占空比以提供通过所述开关的脉宽调制电流和通过所述发光器件的连续电流。也讨论了相关的方法。
Description
相关申请的交叉引用
本申请作为2011年12月12日提交的美国实用专利申请序列号13/323,074的部分继续(CIP)申请并要求其优先权。本申请还要求2011年12月12日提交的美国临时专利申请序列号61/569,458的优先权。以上引用申请的全部公开内容都在此引用作为参考。
技术领域
本发明涉及照明，更确切地说，涉及固态照明。
背景技术
固态发光器件被用于许多发光应用。例如，包括固态发光器件阵列的固态照明面板已经被用作直接照明源，例如在建筑和/或重点照明中。固态发光器件能够包括例如，包括一个或多个发光二极管(LED)的封装发光器件。典型情况下无机LED包括形成p-n结的半导体层。包括有机发光层的有机LED(OLED)，是另一种类型的固态发光器件。典型情况下，固态发光器件通过在发光层或区域中重新组合电子载体，即电子和空穴而产生光。
固态照明面板通常被用作小型液晶显示(LCD)屏比如便携式电子设备中所用的LCD显示屏的背光。此外，对固态照明面板用作更大的显示器比如LCD电视显示器的背光，已经受到日益增长的关注。
对于更小的LCD屏，典型情况下背光组件采用白色LED发光器件，所述白色LED发光器件包括发射蓝光的LED，涂有把LED发射的某些蓝光转化为黄光的波长转换磷光剂。合成光是蓝光和与黄光的组合，对观测者可以显现为白色。不过，虽然由这样的装置产生的光可以显现为白色，但是因为光线频谱的局限，由这样的光线照明的物体可能显现为具有不自然的颜色。例如，由于光线在可见光谱的红色部分具有的能量可能不多，所以物体中的红色被这样的光线可能照明得不好。结果，在这样的光源下观看时该物体可能显现为具有不自然的颜色。
可见光可以包括具有许多不同波长的光。可见光的表观颜色能够参考二维色度图展示，比如图5中展示的1931年国际照明会议(CIE)色度图，以及1976年CIE u’v’色度图，它类似于1931年的图但是被修正使得在1976年的CIE u’v’色度图上的相似距离表示相似的感知色差。对于把颜色定义为若干颜色的加权和，这些图提供了有用的参考。
在CIE-u'v'色度图中，比如1976年的CIE色度图中，使用被调整的u’和v’参数绘制色度值，这些参数考虑了人类视觉感知差异。也就是，人类视觉系统对某些波长比对其他波长更敏感。例如，人类视觉系统对绿光比对红光更敏感。对1976年的CIE u’v’色度图进行了调整，使得在图上从一个色度点到另一个色度点的数学距离与这两个色度点之间由观察人感知的颜色差异成正比。在图上从一个色度点到另一个色度点的数学距离与这两个色度点之间由观察人感知的颜色差异成正比的色度图可以被称为感知色度空间。相反，在非感知色度图中，比如1931年的CIE色度图中，不是明显不同的两种颜色在图上可能比明显不同的两种颜色离开更远。
如图5所示，1931年CIE色度图上的颜色由落入通常为U型区域内的x和y坐标(即色度坐标或颜色点)定义。在该区域之外或附近的颜色是饱和色，由具有单一波长或波长分布非常小的光组成。在该区域内部的颜色是不饱和色，由不同波长的混合组成。白光可以是许多不同波长的混合，通常在该图的中部附近发现，在图5中标注为100的区域。有许多不同色调的光都可以被视为“白色”，正如由区域100的尺寸所证明。例如，某些“白”光，比如由钠蒸汽照明设备产生的光，颜色可能显现为淡黄色，而其他“白”光，比如由某些荧光照明设备产生的光，颜色可能显现为淡蓝色。
通常显现为绿色的光绘制在白色区域100以上的区域101、102和103中，而白色区域100以下的光通常显现为粉红、紫色或洋红。例如，在图5中区域104和105中绘制的光通常显现为洋红(即红-紫或紫红)。
进一步公知，来自两个不同光源的光的二进制结合可以显现为与这两种组成颜色都不同的颜色。混合光的颜色可以取决于这两个光源的相对强度。例如，由蓝光源与红光源的结合发射的光可以对观测者显现为紫色或洋红。同样，由蓝光源与黄光源的结合发射的光可以对观测者显现为白色。
在图5中也展示了普朗克轨迹106，它对应于被加热到多个温度的黑体辐射器发射光的颜色点的位置，尤其是，图5包括沿着黑体轨迹的温度列举。这些温度列举显示了被加热到这样的温度的黑体辐射器发射光的颜色路径。当加热物体变得白热化时，它首先发出淡红色光，然后淡黄色，然后白色以及最后淡蓝色，因为与黑体辐射器的峰值辐射相关联的波长随着温度升高渐进地变得更短。因此能够根据产生的光在黑体轨迹上或附近的发光体的相关色温(CCT)来描述这些发光体。
特定光源的色度可以被称为该光源的“颜色点”。对于白光源，该色度可以被称为该光源的“白色点”。正如以上指出，白光源的白色点可以沿着普朗克轨迹下降。从而，白色点可以由该光源的相关色温(CCT)标识。典型情况下，白光具有的CCT在大约2000K与8000K之间。CCT为4000K的白光可以显现为淡黄色，而CCT为8000K的白光可以显现为更偏蓝色。黑体轨迹上或附近的在大约2500K与6000K之间色温的颜色坐标可以对观察人产生愉悦的白光。
“白”光也可以包括靠近但是不直接在普朗克轨迹上的光。在1931年CIE色度图上能够使用麦克亚当椭圆来标识紧密相关以致于对观察人显现为相同或基本上类似的颜色点。麦克亚当椭圆是二维色度空间比如1931年CIE色度图中围绕中心点的闭合区域，它容纳了在视觉上与中心点不可辨别的全部点。七阶麦克亚当椭圆捕获在七个标准差内对普通观察人不可辨别的点，十阶麦克亚当椭圆捕获在十个标准差内对普通观察人不可辨别的点，以此类推。所以，具有在普朗克轨迹上某点大约十阶麦克亚当椭圆内的颜色点的光可以被视为具有与普朗克轨迹上点相同的颜色。
光源准确地再现被照明物体中颜色的能力典型情况下使用显色指数(CRI)来表示其特征。确切地说，CRI是与黑体辐射器的显色属性相比，照明系统的显色属性如何的相对度量。如果由照明系统照明的一组测试颜色的颜色坐标与由黑体辐射器照射的相同测试颜色的坐标相同，CRI就等于100。日光具有最高的CRI(为100)，而白炽灯相对接近(大约95)，而荧光照明准确度不高(70-85)。
对于大规模背光和照明应用，往往期望提供的光源产生显色指数高的白光，使得由发光面板照明的物体和/或显示屏幕可以显现得更自然。所以，为了改进CRI，可以向白光添加红光，例如，通过向装置添加红光磷光剂和/或红光器件。其他光源可以包括红、绿和蓝光器件。当同时激励红、绿和蓝光器件时，最终的混合光可以显现为白色，或者接近白色，取决于红、绿和蓝光源的相对强度。
利用包括多个固态器件的固态照明系统的一个难题在于，典型情况下LED的制造工艺导致了各个LED之间的变化。典型情况下，通过根据亮度和/或颜色点使LED合并或组合，并且仅仅选择具有预定特征的LED包括在固态照明系统中来考虑这种变化。LED发光器件可以采用一群LED，也可以结合若干匹配组的来自不同群的LED，以实现LED混合输出的可重复颜色点。不过，即使利用了合并，LED照明系统可能仍然经历从一个系统到下一个系统的颜色点显著变化。
谐整照明器材的颜色点从而利用范围更广的LED群的一种技术在共同委托的美国专利公开号2009/0160363中说明，其公开内容在此引用作为参考。在’363申请介绍的系统中，磷光剂转换的LED与红光LED混合以提供白光。通过测量光输出，然后调整串电流以达到期望的颜色点，在制造时设置LED的各种混色比例。然后为特定发光器件固定实现所期望颜色点的电流电平。为了得到期望颜色点而采用反馈的LED照明系统在美国公开号2007/0115662和2007/0115228中说明，其公开内容在此引用作为参考。
发明内容
根据本发明的某些实施例，固态照明设备可以包括电源、发光器件(如发光二极管)和升压转换器。所述升压转换器可以具有电气耦接到所述电源的输入节点和输出节点，以所述发光器件电气耦接在所述输出节点与基准节点之间。所述升压转换器可以进一步包括开关和控制器。所述开关可以电气耦接在所述输入节点与所述基准节点之间的电流分流通路中，并且所述开关可以被配置为使来自所述电源的电流绕过所述发光器件分流。所述控制器可以被配置为产生脉宽调制(PWM)信号以控制所述开关的占空比以提供通过所述开关的脉宽调制电流和通过所述发光器件的连续电流。虽然通过举例的方式讨论了一个被分流的发光器件，但是可以在所述输出节点与基准节点之间提供任何数量的串联耦接发光器件(如发光二极管)。从而在稳态条件下运行时通过所述发光器件的连续电流和所述输入节点的恒定电压可以与通过所述开关的电流的占空比负相关(如，成反比)。
所述开关可以电气耦接在开关节点与所述基准节点之间的电流分流通路中，电感器可以电气耦接在所述输入节点与所述开关节点之间，以及二极管(如普通非发光二极管)可以电气耦接在所述开关节点与所述输出节点之间。此外，电容器可以电气耦接在所述二极管的输出处的电容器节点与基准节点之间，以及第二电感器可以电气耦接在所述电容器节点与所述输出节点之间。所述升压转换器可以被配置为在所述输入节点提供与通过所述发光器件的连续电流对应的恒定电压。
所述电源可以是电流受控的电源。再者，提供通过所述开关的所述脉宽调制电流可以包括提供具有第一占空比的第一脉宽调制电流以在第一稳态条件下提供通过所述发光器件的第一连续电流和在所述输入节点的第一恒定电压，以及提供具有第二占空比的第二脉宽调制电流以在第二稳态条件下提供通过所述发光器件的第二连续电流和在所述输入节点的第二恒定电压。更确切地说，所述第一占空比可以大于所述第二占空比，所述第一连续电流可以小于所述第二连续电流，以及第一恒定电压可以低于第二恒定电压。不同的占空比从而能够用于在不同的运行条件下(如在不同温度条件下)保持期望的颜色输出，以及/或者调整流明输出/亮度输出(如调光器控制)。
所述发光器件可以是第一发光器件，以及所述基准节点可以是第一基准节点。此外，第二发光器件可以电气耦接在所述输入节点与所述电源之间以及/或者所述第一基准节点与第二基准节点之间。虽然以举例的方式讨论了一个未分流的发光器件，但是可以提供任何数量的未分流发光器件。
根据本发明的某些其他实施例，固态照明设备可以包括电源、发光器件(如发光二极管)和升压转换器。所述升压转换器可以具有电气耦接到所述电源的输入节点和输出节点，以所述发光器件电气耦接在所述输出节点与基准节点之间。此外，所述升压转换器可以包括开关、二极管和控制器。所述开关可以电气耦接在所述输入节点与所述基准节点之间的电流分流通路中，并且所述二极管可以电气耦接在所述输入节点与所述输出节点之间，从而所述二极管电气耦接在所述开关与所述输出节点之间。所述控制器可以电气耦接到所述开关的控制电极，以所述控制器被配置为产生脉宽调制(PWM)信号以控制来自所述电源、离开所述发光器件且通过所述开关的脉宽调制分流电流的占空比。虽然以举例的方式讨论了单个被分流的发光器件，但是可以在所述输出与基准节点之间提供任何数量的串联耦接的被分流发光器件。
所述开关可以电气耦接到所述输入节点与所述二极管之间的开关节点，以及电感器可以电气耦接在所述输入节点与开关节点之间。电容器节点可以界定在所述二极管与所述输出节点之间，以及电容器可以电气耦接在所述电容器节点与所述基准节点之间。所述电感器可以是第一电感器，以及第二电感器可以电气耦接在所述电容器节点与所述输出节点之间。
所述发光器件可以包括第一发光器件和第二发光器件，所述基准节点可以是第一基准节点，以及第二发光器件可以电气耦接在所述输入节点与所述电源之间以及/或者所述第一基准节点与第二基准节点之间。虽然以举例的方式讨论了一个未分流的发光器件，但是可以提供任何数量的未分流发光器件。所述升压转换器可以被配置为在所述输入节点提供恒定电压，所述恒定电压对应于在稳态条件下运行时响应所述脉宽调制分流电流而提供的通过所述发光器件的连续电流。
所述电源可以是电流受控的电源。再者，所述控制器可以被配置为提供具有第一占空比的第一脉宽调制分流电流以在第一稳态条件下提供通过所述发光器件的第一连续电流和在所述输入节点的第一恒定电压，以及提供具有第二占空比的第二脉宽调制分流电流以在第二稳态条件下提供通过所述发光器件的第二连续电流和在所述输入节点的第二恒定电压。更确切地说，所述第一占空比可以大于所述第二占空比，所述第一连续电流可以小于所述第二连续电流，以及第一恒定电压可以低于第二恒定电压。所述控制器从而可以被配置为提供不同的运行条件下(如在不同运行温度下)的不同的分流电流占空比，以保持期望的电流平衡，以及/或者响应不同的调光器输入提供不同的分流电流占空比以控制流明输出(如提供亮度或弱光控制)。所述升压转换器从而可以被配置为使得在所述输入节点的电压和通过所述发光器件的电流与所述开关的占空比和通过所述开关的分流电流的占空比呈负相关(如成反比)。
根据本发明再另外的实施例，固态照明设备可以包括电源、发光器件(如发光二极管)和升压转换器。所述升压转换器可以具有电气耦接到所述电源的输入节点和输出节点，以所述发光器件电气耦接在所述输出节点与基准节点之间。所述升压转换器可以进一步被配置为响应绕过所述发光器件的脉宽调制分流电流而提供通过所述发光器件的连续电流和在所述输入节点的恒定电压。虽然以举例的方式讨论了一个发光器件，但是任何数量的被分流发光器件都可以电气串联耦接在所述输出节点与所述基准节点之间。
所述电源可以是电流受控的电源。再者，所述升压转换器可以包括开关和控制器。所述开关可以电气耦接在所述输入节点与所述基准节点之间的电流分流通路中，所述开关被配置为调制绕过所述发光器件通过所述电流分流通路的脉宽调制分流电流。所述控制器可以被配置为产生脉宽调制(PWM)信号以控制所述开关的占空比和所述脉宽调制分流电流的占空比。
所述开关可以电气耦接在开关节点与所述基准节点之间的电流分流通路中，电感器可以电气耦接在所述输入节点与所述开关节点之间，以及二极管可以电气耦接在所述开关节点与所述输出节点之间。电容器可以电气耦接在所述二极管的输出处的电容器节点与基准节点之间，以及第二电感器可以电气耦接在所述电容器节点与所述输出节点之间。
所述发光器件可以是第一发光器件，所述基准节点可以是第一基准节点，以及第二发光器件可以电气耦接在所述输入节点与所述电源之间以及/或者所述第一基准节点与第二基准节点之间。虽然以举例的方式讨论了一个未分流的发光器件，但是可以提供任何数量的未分流发光器件。
在第一稳态条件下，所述连续电流可以是第一连续电流，所述恒定电压可以是第一恒定电压，以及所述脉宽调制分流电流可以是具有第一占空比的第一脉宽调制分流电流。在第二稳态条件下，所述升压转换器可以被配置为响应具有第二占空比的第二脉宽调制分流电流而提供通过所述发光器件的第二连续电流和在所述输入节点的第二恒定电压。更确切地说，第二连续电流可以大于第一连续电流，第二恒定电压可以高于第一恒定电压，以及第二占空比可以小于第一占空比。
在所述输入节点的电压和通过所述被分流发光器件的电流从而可以与所述分流电流的占空比呈负相关(例如成反比)。所述控制器从而可以被配置为提供不同的运行条件下(如在不同运行温度下)的不同的分流电流以保持期望的电流平衡，以及/或者响应不同的调光器输入提供不同的分流电流以控制流明输出(如控制亮度或弱光控制)。
附图说明
为了提供对本发明的进一步理解而包括并且加入本申请和构成其一部分的附图展示了本发明的某些实施例。在附图中：
图1、2、3和4是根据本发明的某些实施例的固态照明设备的示意电路图。
图5展示了1931年的CIE色度图。
具体实施方式
下文将参考附图更全面地描述现在本发明的实施例，附图中显示了本发明的若干实施例。不过，本发明可以以许多不同形式实施，所以不应当解释为限于本文阐述的这些实施例。相反，提供这些实施例是为了使本公开将彻底而完全，并且将本发明的范围全面地传达给本领域的技术人员。自始至终相似的数字指相似的元件。
在固态照明设备中，驱动电流通过若干发光器件LED(如发光二极管)的排列以提供光输出。再者，可以调整不同颜色的LED中通过的电流以提供颜色的平衡，使得LED的结合/混合输出可以显现为白色。待批准和共同委托的美国专利申请No.12/987485(2011年1月10日提交，标题为“Systems And Methods For Controlling Solid State LightingDevices And Lighting Apparatus Incorporating Such Systems And/Or Methods”)公开了为了提供期望的输出而控制和/或平衡LED输出的系统和方法。美国专利申请No.12/987,485的全部公开内容在此引用作为参考。
如图1所示，一串LED(如发光二极管)111a-c和121a-b可以电气串联耦接在电流受控的电源115与基准节点171(如接地节点)之间。再者，LED121a-b可以产生第一颜色(如蓝变黄即BSY)的光，而LED111a-c可以产生第二颜色(如红色)的光以便提供被感知为白色的结合/混合输出。再者，电流受控的电源115可以被设计为提供相对恒定的电流i通过LED121a-b的理想电流源。因为不同颜色的不同LED的性能可能随温度和/或时间而改变，以及/或者因为相同颜色的不同LED可能具有不同的工作特征(如由于制造差异/容差)，所以通过全部LED111a-c和121a-b的恒定电流可能不会对最终的混合光输出提供足够的控制。LED111a-c和121a-b从而可以电气串联耦接在电流受控的电源115与基准节点171比如接地电压节点之间，以开关131提供旁路，使电流绕过LED111a-c分流。所以，相对于通过LED121a-b的电流i，通过提供通过开关131的脉宽调制的(PWM)旁路或分流电流iS，可以减小通过LED111a-c的电流iL。
例如，BSY光输出(从LED121a-b)与红光输出(从LED111a-c)的期望平衡可以通过控制通过开关131绕过LED111a-c的分流电流而提供。开关131例如可以是晶体管(如场效应晶体管即FET)，具有电气耦接到控制器117的控制电极(如栅电极)，而控制器117可以产被施加到开关131的控制电极以控制开关313的占空比的生脉宽调制(PWM)信号。
分流电流iS从而可以通过开关131从LED111a-c转向到基准节点171(如接地电压节点)，以便相对于从电流受控的电源115通过LED121a-b提供的电流i，控制通过LED111a-c的电流iL。由电流受控的电源115产生的相对恒定电流i从而等于电流iL与iS之和，并且可以通过改变开关131的占空比而改变电流iL和iS。通过增加开关131的占空比(使得开关131在更长时段保持导通)，电流iS的平均值增大而电流iL的平均值减小从而由于其中通过的电流iL减小而降低了LED111a-c的光输出(并且降低了LED111a-c的功耗)。通过减少开关131的占空比(使得开关131在更长时段保持断开)，电流iS的平均值减小而电流iL的平均值增大从而由于其中通过的电流iL增大而提高了LED111a-c的光输出(并且提高了LED111a-c的功耗)。在开关131的100％占空比时(即占空比或D等于1)，iS＝i，而iL＝0，使得LED111a-c不提供光输出并且不消耗电力。在开关131的0％占空比时(即占空比或D等于0)，iS＝0，而iL＝i，使得LED111a-c提供全额光输出并且消耗的电力可以被计算为电流i与横跨LED111a-c的电压降的乘积。当然，开关131的占空比可以在0％与100％之间(0与1之间)变化，以便改变LED111a-c的光输出(以及相应的功耗)同时保持从LED121a-b输出的光相对稳定。
不过，开关131可能提供不了足够的控制和/或可靠性，因为图1的设备中固有的电容(如从LED121a-b和/或111a-c中产生)可能沿着LED串引起电压的突然改变，它可能产生通过LED121a-b的显著电流尖峰。随着与开关131并联耦接的LED111的数量增加以及/或者随着电源具有大的输出电容，这些问题可能被放大。换言之，在节点s处的电压可能响应开关131的每次转换而在等于LED111a-c的正向电压降之和的电压(开关131断开时)与接地电压(开关导通时)之间跃迁。再者，这些电压跃迁可能以对开关131施加的脉宽调制信号的频率发生，并且这些高频电压跃迁可能产生高频电流尖峰。
如图2所示，普通二极管119a-c(如非发光二极管，也称为暗光二极管)可以提供为与开关131串联以减少在开关131导通和断开时由LED121a-b经受的电压改变。通过减少切换期间的电压变化，可以降低电流尖峰的剧烈程度。不过，可能并不期望电压的完美匹配，因为在开关131导通时最终的分流电流iS可能不会充分地减小电流iL。为了在开关131导通时提供期望的分流电流iS，可以把横跨二极管119a-c的电压降设计为小于横跨被分流的LED111a-c的电压降，以便在开关131导通时提供期望的分流电流iS。作为补充或替代，可以在开关131的控制电极与控制器117之间提供电阻120，以便降低开关131导通与断开时之间的跃迁斜率，从而减小电压改变和/或电流尖峰。
在开关131导通和断开时为了保持更稳定的电流和/或电压，从电流iS与电流iL之和产生的总功耗可能需要保持不变。所以，在图2结构中通过开关131分流的任何电流iS可能都需要促成从电流iS与电流iL之和产生的期望总功率恒定，并且由分流电流iS消耗的任何功率都可以被消耗/浪费为热量。
例如，图1和图2的控制器117产生的PWM控制信号可以具有高于闪烁融合阈值的任何频率。再者，相对低的频率可以用于降低在节点s的电压跃迁的频率和/或通过LED121a-b的电流尖峰，以及/或者减少发光器件产生的电磁干扰。根据某些实施例，图1和图2的控制器117产生的PWM控制信号可以具有大约500Hz的频率。
根据本发明的某些实施例，在固态照明设备中可以提供升压转换器(包括电感器L、二极管122、开关S、电容器C和控制器117)，如图3所示。在图3的结构中，提供来自可以被设计为理想电流源的电流受控的电源115(也称为电流受控的LED驱动电路)的相对恒定电流i通过LED121a-c和电感器L，以控制器117产生的脉宽调制(PWM)信号确定的占空比提供分流电流iS通过开关S，以及提供电流iD(等于i减去iS的差值)通过二极管122。再者，提供电流iC通过电容器C，提供电流iL通过LED111a-d，以及iD等于iC与iL之和。
未分流LED121a-c从而可以电气串联耦接在电流受控的电源115与升压转换器的输入节点，即节点i之间，并且被分流的LED111a-d可以电气串联耦接在升压转换器的输出节点，即节点o与基准节点171比如接地电压节点之间。根据某些其他实施例，未分流的LED121a-c可以电气串联耦接在基准节点171(如接地电压节点171)与第二基准节点(如负电压节点)之间，所以通过未分流的LED的电流i保持为电流iS与iD之和。
图3的升压转换器从而被提供为与电流受控的电源115串联(与串联耦接着电压控制的电源不同)。所以，图3的升压转换器可以被配置为在输入节点，即节点i调整它的输入电压Vi以对应于向LED111a-d提供的功率(与控制输出电压不同)。在稳态条件下运行时，通过二极管122的脉冲电流iD可以使用电容器C和/或其他元件调整以提供相对连续电流iL通过LED111a-d，从而根据横跨LED111a-d的电压降之和，在输出节点，即节点o可以保持相对恒定的电压输出Vo。从而在稳态条件下运行时，通过LED111a-d的功率可以被确定为iL与Vo的乘积，并且非脉冲电流iL可以与脉冲电流iS的占空比呈负相关(如成反比)。
通过保持连续的(如非脉冲的)电流iL通过LED111a-d，输出电压Vo可以被LED111a-d调整。所以，图3的升压转换器的传递函数可以根据以下方程提供：
Vo/Vi＝1/(1-D)；或者
Vi＝Vo(1-D)。
再者，通过开关S的电流iS的平均值等于通过LED111a-d的电流iL与电流iS的占空比D的乘积，如下所述：
iS＝(iL)D；或者
iL＝iS/D。
从而输出电压Vo可以基本上恒定，由横跨输出节点，即节点o与基准节点171(如接地电压节点)之间串联耦接的LED111a-d的电压降之和所确定，并且输入电压Vi可以与开关S的占空比呈负相关(如成比例)。通过开关S的电流iS基本上不消耗功率，并且(在稳态运行条件下)以电流iS的任何给定占空比，在节点，即节点i的输入电压Vi可以基本上恒定。在输入节点，即节点i的输入电压Vi从而可以基本上恒定/稳定，即使通过开关S的分流电流iS受制于脉宽调制。
举例来说，如果电流iS以50％占空比(即D＝0.5)通过开关131切换，在输入节点，即节点i的相对稳定的输入电压Vi可以保持在等于输出电压Vo的大约一半，并且通过LED111a-d的功率可以是最大功率的大约一半(即iL＝0.5i)。如果电流iS以25％占空比(即D＝0.25)通过开关131切换，在输入节点，即节点i的相对稳定的输入电压Vi可以保持在等于输出电压Vo的大约四分之三，并且通过LED111a-d的功率可以是最大功率的大约四分之三(即iL＝0.75i)。如果电流iS以0％占空比(即D＝0)通过开关131切换，在输入节点，即节点i的相对稳定的输入电压Vi可以保持在大约等于输出电压Vo，并且通过LED111a-d的功率可以是最大功率(即iL＝i)。
根据由控制器117产生并应用到开关S的脉宽调制信号的频率，可以改变电感器L的电感和/或电容器C的电容。根据某些实施例，控制器117产生的脉宽调制信号可以具有至少大约10kHz的频率(从而电流iS以至少大约10kHz的频率切换)，电感器L可以具有至少大约10μH的电感，而电容器C可以具有至少大约0.5μF的电容。根据进一步的实施例，控制器117产生的脉宽调制信号可以具有至少大约40kHz的频率，更确切地说，至少大约60kHz；电感器L可以具有至少大约25μH的电感，更确切地说，至少大约33μH；而电容器C可以具有至少大约1.5μF的电容，更确切地说，至少大约2.2μF。
根据图4中展示的某些实施例，可以提供第二电感器L2串联在LED111a-d与二极管122之间以减小通过LED111a-d的脉动电流以及/或者减小第一电感器L1的尺寸。根据某些实施例，图4的控制器117产生的脉宽调制信号可以具有至少大约10kHz的频率(从而电流iS以至少大约10kHz的频率切换)，第一电感器L1和第二电感器L2每个都可以具有至少大约10μH的电感，而电容器C可以具有至少大约0.5μF的电容。根据某些进一步的实施例，控制器117产生的脉宽调制信号可以具有至少大约40kHz的频率，更确切地说，至少大约60kHz；电感器L1和L2每个都可以具有至少大约25μH的电感，更确切地说，至少大约33μH；而电容器C可以具有至少大约1.5μF的电容，更确切地说，至少大约2.2μF。
再者，控制器117的实施可以无需闭环反馈。从而可以使用相对廉价的微控制器和/或其他PWM发生器来精确地控制开关S和电流iS，而没有与试图维持被分流的LED(即LED111a-d)的全电压相关联的对应功率损失。绕过LED111a-d分流的电流iS可以等于通过LED的电流iL与电流iS的占空比的乘积。
各自条件组(如目标颜色点、温度、通过LED111a-d的电流iL、通过LED121a-c的电流i等)所要求的PWM占空比可以使用与(以上引用的)美国专利申请No.12/987,485中介绍的技术类似的技术设计，并且这些占空比可以在控制器117中编程用于所设计的条件。在给定的条件组，控制器117可以产生各自的恒定占空比PWM信号使得通过LED111a-d的电流iL(在稳态下)是相对恒定的，并且使得输入电压Vi(在稳态下)是相对恒定的。控制器117例如可以响应LED121a-c和/或111a-d的温度变化(使用从温度传感器的输入)，响应由电流受控的电源115产生的电流i的变化，响应调光器输入信号等，来改变PWM信号的占空比。
所以，控制器117可以被配置为提供目标颜色点和/或提供流明输出控制(如调光器控制)。如果被分流的LED111a-d产生的光具有第一颜色(如红色)而未分流的LED121a-c产生的光具有第二颜色(如BSY)，图3和/或图4的升压转换器就可以被配置为相对于通过未分流的LED121a-c的电流i减小通过被分流的LED111a-d的电流iL，来为发光装置提供期望的颜色输出。这样的控制可以被用于补偿不同的设备中所用的不同的LED的不同特征(如由于制造变化引起)以及/或者补偿在不同运行温度下晶体管的不同特征。如果被分流的LED111a-d和未分流的LED121a-c产生的光具有相同/相似的颜色，控制器117就可以被配置为提供流明输出控制(如调光器控制)。
虽然举例说明了图3和图4中所示的三个未分流的LED121a-c和四个被分流的LED111a-d，但是也可以使用其他数量的LED。再者，元件的相对布局可以变化而不改变其功能。如上所述，可以在接地基准节点171与第二基准节点(如负电压节点)之间提供未分流的LED121a-c。再者，可以在电流受控的电源115与输入节点，即节点i之间以及接地电压节点171与负电压节点之间提供未分流的LED。再者，可以在被分流的LED111a-d与接地电压节点171之间提供电感器L2。
本发明的实施例从而可以提供控制固态照明设备的系统和方法以及加入了这样的系统和/或方法的发光装置。本发明的某些实施例可以连同和/或取代旁路补偿电路使用，例如，在待批准和共同委托的以美国专利公开号2011/0068702公开的、标题为“SolidState Lighting Apparatus with Controllable Bypass Circuits and Methods ofOperating Thereof”的美国专利申请序列号12/566,195，以及待批准和共同委托的以美国专利公开号2011/0068696公开的、标题为“Solid State Lighting Apparatus withConfigurable Shunts”的美国专利申请序列号12/566,142中介绍的旁路补偿电路。两个以上引用的专利公开的内容都在此引用作为参考。
本文讨论的升压转换器可以在固态照明设备中绕过LED分流和/或旁路LED。根据某些实施例，固态照明设备的输出可以根据一个或多个变量设计，比如电流、温度和/或使用的LED群(亮度和/或颜色群)，以及采用的旁路/分流水平，这种设计可被用于逐个器件地对控制器编程。从而对各台固态照明设备的变化可以调整这个设计。
根据以上关于图3和图4讨论的本发明的实施例，在稳态条件下运行时，升压转换器可以使用脉宽调制分流电流iS(也称为切换的分流电流)提供基本上连续电流iL通过发光器件(LED)111a-d，同时在输入节点，即节点i保持基本上恒定的电压。例如，稳态条件下运行期间，在脉宽调制电流iS的任何给定占空比，升压转换器都可以被配置为把通过LED111a-d的连续电流iL保持在电流iL的平均值的30％以内，并且把恒定输入电压Vi保持在输入电压Vi的平均值的30％以内。更确切地说，升压转换器可以被配置为把通过LED111a-d的连续电流iL保持在电流iL的平均值的15％或者甚至5％以内，并且把恒定输入电压Vi保持在输入电压Vi的平均值的15％或者甚至5％以内。所以，脉宽调制分流电流iS可以被用于控制基本上直流电流iL通过LED111a-d，同时在输入节点，即节点i保持基本上直流输入电压Vi。从而可以实现改进的电源效率、可靠性和/或控制。
例如，图3和图4的控制器117产生的PWM控制信号可以具有高于闪烁融合阈值的任何频率。根据某些实施例，图3和图4的控制器117产生的PWM控制信号可以具有至少大约1kHz、至少大约10kHz、至少大约30kHz或甚至至少大约50kHz的频率。例如图3和图4的控制器117产生的PWM控制信号可以具有大约60kHz的频率。通过提高图3和图4中PWM控制信号的频率，可以减小电感器L、L1和/或L2的尺寸。
应当理解，尽管本文可以使用术语第一、第二等描述多个元件，但是这些元件不应当限于这些术语。这些术语仅仅用于区分一个元件与另一个元件。例如，第一元件可以被称为第二元件，同样，第二元件也可以被称为第一元件而不脱离本发明的范围。正如本文所用，术语“和/或”包括一个或多个相关联的列出项的随便什么组合。
本文使用的术语仅仅为了描述特定实施例的目的而并非意在限制本发明。正如本文所用，单数形式的“某”和“所述”意在也包括复数形式，除非语境清楚地指明并非如此。应当进一步理解，本文使用术语“包括”和/或“包含”时，指定了所陈述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件的存在，但是不排除一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或其组合的存在或加入。
除非以其他方式界定，本文所用的一切术语(包括技术的和科学的术语)都具有与本发明所属领域的普通技术人员的通常理解相同的意义。应当进一步理解，本文所用的术语应当被解释为具有的意义与它们在本说明书和相关领域的语境中的意义一致，而不应当在理想化的或过度正式的意义中解释，除非本文明确地如此定义。
本文已经连同以上说明和附图公开了许多不同的实施例。应当理解，字面地描述和展示这些实施例的每种组合和子组合将会是过度重复的和混乱的。所以，全部实施例都能够以任何方式和/或组合形式而组合，并且本说明书包括附图应当被解释为构成本文介绍的实施例的一切组合和子组合以及制作和使用它们的方式和过程的完整书面说明，并且应当支持任何这样的组合或子组合的权利要求。
在附图和说明书中，已经公开了本发明的典型优选实施例，并且尽管采用了特定术语，但是它们仅仅用于普通和描述的意义，而不是为了限制，本发明的范围在以下的权利要求书中阐述。
Claims (28)
1.一种固态照明设备，包括：
电流受控的电源；
发光器件；以及
升压转换器，具有电气耦接到所述电流受控的电源的输入节点和具有输出节点，以所述发光器件电气耦接在所述输出节点与基准节点之间，其中所述升压转换器包括：
开关，电气耦接在所述输入节点与所述基准节点之间的电流分流通路中，其中所述开关被配置为使来自所述电流受控的电源的电流绕过所述发光器件分流；以及
控制器，被配置为控制所述开关的占空比以提供通过所述开关的脉宽调制电流和通过所述发光器件的连续电流，其中所述控制器被进一步配置为通过提供具有第一占空比的第一脉宽调制电流以提供通过所述发光器件的第一连续电流和在所述输入节点的第一恒定电压，以及提供具有第二占空比的第二脉宽调制电流以提供通过所述发光器件的第二连续电流和在所述输入节点的第二恒定电压，来提供通过所述开关的所述脉宽调制电流，其中所述第一占空比大于所述第二占空比，所述第一连续电流小于所述第二连续电流，以及所述第一恒定电压低于所述第二恒定电压。
2.根据权利要求1的固态照明设备，其中所述开关电气耦接在开关节点与所述基准节点之间的电流分流通路中，所述升压转换器进一步包括：
电感器，电气耦接在所述输入节点与所述开关节点之间，以及
二极管，电气耦接在所述开关节点与所述输出节点之间。
3.根据权利要求2的固态照明设备，其中所述升压转换器进一步包括：
电容器，电气耦接在所述二极管的输出处的电容器节点与所述基准节点之间。
4.根据权利要求3的固态照明设备，其中所述电感器包括第一电感器，所述升压转换器进一步包括：
第二电感器，电气耦接在所述电容器节点与所述输出节点之间，其中所述第二电感器耦合在所述二极管的输出节点和所述发光二极管之间。
5.根据权利要求1的固态照明设备，其中所述升压转换器被配置为在所述输入节点提供与通过所述发光器件的连续电流对应的恒定电压。
6.根据权利要求1的固态照明设备，其中所述发光器件包括第一发光器件，以及其中所述基准节点包括第一基准节点，所述固态照明设备进一步包括：
第二发光器件，电气耦接在所述输入节点与所述电流受控的电源之间和/或所述第一基准节点与第二基准节点之间，以使得通过所述第二发光器件的电流等于通过所述开关的脉宽调制电流与通过所述第一发光器件的连续电流之和，从而通过所述第一发光器件和第二发光器件的电流是不同的。
7.根据权利要求1的固态照明设备，其中所述控制器被配置为控制所述开关的占空比以提供所述脉宽调制电流作为通过所述开关的脉冲电流，同时提供通过所述发光器件的连续电流作为通过所述发光器件的非脉冲电流。
8.根据权利要求1的固态照明设备，其中所述控制器被进一步配置为通过提供具有第一占空比的第一脉宽调制电流以提供通过所述发光器件的第一连续电流和所述输入节点处的第一电压以及通过提供具有第二占空比的第二脉宽调制电流以提供通过所述发光器件的第二连续电流以及所述输入节点处的第二电压，来提供通过所述开关的所述脉宽调制电流，其中所述第一连续电流小于第二连续电流，并且其中所述第一电压小于第二电压。
9.一种固态照明设备，包括：
电流受控的电源；
发光器件；以及
升压转换器，具有电气耦接到所述电流受控的电源的输入节点和具有输出节点，以所述发光器件电气耦接在所述输出节点与基准节点之间，所述升压转换器包括：
开关，电气耦接在所述输入节点与所述基准节点之间的电流分流通路中，
二极管，电气耦接在所述输入节点与所述输出节点之间，从而所述二极管电气耦接在所述开关与所述输出节点之间，以及
控制器，电气耦接到所述开关的控制电极，其中所述控制器被配置为产生脉宽调制(PWM)信号以控制来自所述电流受控的电源、离开所述发光器件且通过所述开关的脉宽调制分流电流的占空比，其中所述控制器被配置为提供具有第一占空比的第一脉宽调制分流电流以提供通过所述发光器件的第一连续电流和在所述输入节点的第一恒定电压，以及提供具有第二占空比的第二脉宽调制分流电流以提供通过所述发光器件的第二连续电流和在所述输入节点的第二恒定电压，其中所述第一占空比大于所述第二占空比，所述第一连续电流小于所述第二连续电流，以及所述第一恒定电压低于所述第二恒定电压。
10.根据权利要求9的固态照明设备，其中所述开关电气耦接到所述输入节点与所述二极管之间的开关节点，其中所述升压转换器进一步包括：
电感器，电气耦接在所述输入节点与开关节点之间。
11.根据权利要求10的固态照明设备，其中电容器节点被界定在所述二极管与所述输出节点之间，其中所述升压转换器进一步包括：
电容器，电气耦接在所述电容器节点与所述基准节点之间。
12.根据权利要求11的固态照明设备，其中所述电感器包括第一电感器，以及其中所述升压转换器进一步包括：
第二电感器，电气耦接在所述电容器节点与所述输出节点之间，其中所述第二电感器耦合在所述二极管和所述发光二极管之间。
13.根据权利要求9的固态照明设备，其中所述发光器件包括第一发光器件，以及其中所述基准节点包括第一基准节点，所述固态照明设备进一步包括：
第二发光器件，电气耦接在所述输入节点与所述电流受控的电源之间和/或所述第一基准节点与第二基准节点之间，以使得通过所述第二发光器件的电流等于通过所述开关的脉宽调制电流与通过所述第一发光器件的连续电流之和，从而通过所述第一发光器件和第二发光器件的电流是不同的。
14.根据权利要求9的固态照明设备，其中所述升压转换器被配置为在所述输入节点提供恒定电压，所述恒定电压对应于响应所述脉宽调制分流电流而提供的通过所述发光器件的连续电流。
15.根据权利要求9的固态照明设备，其中所述控制器被配置为提供具有第一占空比的第一脉宽调制分流电流以提供通过所述发光器件的第一连续电流，以及提供具有第二占空比的第二脉宽调制分流电流以提供通过所述发光器件的第二连续电流，其中所述第一占空比大于第二占空比，并且其中所述第一连续电流小于第二连续电流。
16.一种固态照明设备，包括：
电流受控的电源；
发光器件；以及
升压转换器，具有电气耦接到所述电流受控的电源的输入节点和具有输出节点，以所述发光器件电气耦接在所述输出节点与基准节点之间，其中所述升压转换器被配置为响应绕过所述发光器件的脉宽调制分流电流而提供通过所述发光器件的连续电流和在所述输入节点的恒定电压，
其中所述连续电流包括第一连续电流，所述恒定电压包括第一恒定电压，所述脉宽调制分流电流包括具有第一占空比的第一脉宽调制分流电流，以及其中所述升压转换器被进一步配置为响应具有第二占空比的第二脉宽调制分流电流而提供通过所述发光器件的第二连续电流和在所述输入节点的第二恒定电压，其中所述第二连续电流大于所述第一连续电流，所述第二恒定电压高于所述第一恒定电压，以及所述第二占空比小于所述第一占空比。
17.根据权利要求16的固态照明设备，其中所述升压转换器包括：
开关，电气耦接在所述输入节点与所述基准节点之间的电流分流通路中，其中所述开关被配置为调制绕过所述发光器件通过所述电流分流通路的脉宽调制分流电流，以及
控制器，被配置为产生脉宽调制(PWM)信号以控制所述开关的占空比和所述脉宽调制分流电流的占空比。
18.根据权利要求17的固态照明设备，其中所述开关电气耦接在开关节点与所述基准节点之间的电流分流通路中，所述升压转换器进一步包括：
电感器，电气耦接在所述输入节点与所述开关节点之间，以及
二极管，电气耦接在所述开关节点与所述输出节点之间。
19.根据权利要求18的固态照明设备，其中所述升压转换器进一步包括：
电容器，电气耦接在所述二极管的输出处的电容器节点与所述基准节点之间。
20.根据权利要求19的固态照明设备，其中所述电感器包括第一电感器，所述升压转换器进一步包括：
第二电感器，电气耦接在所述电容器节点与所述输出节点之间，其中所述第二电感器耦合在所述二极管的输出节点和所述发光二极管之间。
21.根据权利要求16的固态照明设备，其中所述发光器件包括第一发光器件，以及其中所述基准节点包括第一基准节点，所述固态照明设备进一步包括：
第二发光器件，电气耦接在所述输入节点与所述电流受控的电源之间和/或所述第一基准节点与第二基准节点之间，以使得通过所述第二发光器件的电流等于通过所述第一发光器件的连续电流与绕过所述第一发光器件的脉宽调制分流电流之和，从而通过所述第一发光器件和第二发光器件的电流是不同的。
22.根据权利要求16的固态照明设备，其中所述升压转换器被配置为提供所述脉宽调制分流电流作为绕过所述发光器件的脉冲电流，同时提供通过所述发光器件的连续电流作为通过所述发光器件的非脉冲电流。
23.根据权利要求16的固态照明设备，其中响应于所述脉宽调制分流电流，所述升压转换器被配置为将所述连续电流保持在所述连续电流的平均值的30％以内并且将所述恒定电压保持在所述恒定电压的平均值的30％以内。
24.一种运行包括电流受控的电源和发光器件的固态照明设备的方法，所述方法包括：
响应绕过所述发光器件的脉宽调制分流电流而提供通过所述发光器件的连续电流和在所述发光器件与所述电流受控的电源之间的输入节点的恒定电压，
其中所述连续电流包括第一连续电流，所述恒定电压包括第一恒定电压，以及其中所述脉宽调制分流电流包括具有第一占空比的第一脉宽调制分流电流，所述方法进一步包括：
响应具有第二占空比的第二脉宽调制分流电流而提供通过所述发光器件的第二连续电流和在所述输入节点的第二恒定电压，其中所述第二连续电流大于所述第一连续电流，所述第二恒定电压高于所述第一恒定电压，以及所述第二占空比小于所述第一占空比。
25.根据权利要求24的方法，其中所述发光器件包括电气耦接在所述输入节点与第一基准节点之间的第一发光器件，其中所述固态照明设备进一步包括电气耦接在所述输入节点与所述电流受控的电源之间和/或所述第一基准节点与第二基准节点之间的第二发光器件，以使得通过所述第二发光器件的电流等于通过所述第一发光器件的连续电流与绕过所述第一发光器件的脉宽调制分流电流之和，从而通过所述第一发光器件和第二发光器件的电流是不同的。
26.根据权利要求24的方法，其中提供所述连续电流和所述恒定电压包括响应所述脉宽调制分流电流将所述连续电流保持在所述连续电流的平均值的30％以内。
27.根据权利要求25的方法，其中提供所述连续电流和所述恒定电压包括响应所述脉宽调制分流电流将所述恒定电压保持在恒定电压的平均值的30％以内。
28.根据权利要求24的方法，其中提供所述连续电流包括提供连续电流作为通过所述发光器件的非脉冲电流，同时提供所述脉宽调制分流电流作为绕过所述发光器件的脉冲电流。
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