CN104704918A - 具有延长寿命的发光输出的led驱动器、照明系统和驱动方法 - Google Patents

Abstract

对于直到阈值电压的第一范围的感测电压，LED驱动器实施第一恒定-电流驱动方案。此后，实施具有比第一驱动方案的恒定电流更低的电流的第二驱动方案。

Description

具有延长寿命的发光输出的LED驱动器、照明系统和驱动方法

技术领域

本发明涉及LED照明、LED驱动器和LED驱动方法。

背景技术

在本说明书和权利要求中，术语“LED”将用来表示有机和无机LED两者，并且可以将本发明应用于两种类型。LED是电流驱动的照明单元。使用将期望的电流输送到LED的LED驱动器来驱动它们。

要供应的所需电流针对不同的照明单元以及针对照明单元的不同配置而变化。最新的LED驱动器被设计成具有足够的灵活性，使其可以用于范围广泛的不同照明单元，并且用于多种数目的照明单元。

为了使得能够实现这种灵活性，对于驱动器而言已知的是在所谓的“操作窗”内操作。操作窗限定了可以由驱动器输送的输出电压和输出电流之间的关系。假设特定照明负载的要求落入该操作窗内，则在给定期望的驱动器灵活性的情况下，该驱动器能够被配置用于与该特定照明负载一起使用。

当以期望的电流驱动LED时，作为结果得到的电压可能依赖于LED本身的特性而变化。操作窗意味着对于每个给定的电流设置而言，在到达准许的电源的限制之前，存在可以由驱动器供应的最大电压。

LED（特别是OLED）的劣化（degradation）性状之一是当以恒定的电流驱动时LED正向电压在寿命期内增大。由于电流在整个寿命循环内保持相同，所以电压的增大造成功率的增大。功率的增大造成较高的温度，其进而又将甚至更快地增加LED的劣化。

为了防止LED的温度变得过高，所布置的驱动器的寿命终结（EOL）性状是在到达所限定的EOL LED电压时关断输出。

在图1中示出窗驱动器的典型操作窗，其示出了准许的电流和电压值的区。对于该任意示例而言，LED驱动器可以输送在100mA和500mA之间的任何负载电流。存在5到28伏特的允许电压和10瓦特的最大功率。最大功率设置限定了在较高电流和较高电压区处的窗边界的弯曲部分，并且该曲线当然由V（伏特）*I（安培）<10限定。

图1附加地示出了当350mA、20伏特的OLED在长时间段内操作时典型EOL解决方案的性状。操作点在寿命期内从点A经过B、C、D、E和F移动到点G。当操作点到达点G时，驱动器将关断该OLED。

如前所述，特别是针对OLED的电流EOL实施方式的缺点是功率的增加，从而造成较高的LED温度并且由于该温度的增加而加速LED的劣化。这将更快地增加LED电压，从而造成甚至更快的功率增加。因此存在加速的老化过程。

在以上示例中，在寿命期内功率从点A处的5.6瓦特改变到点G处的9.8瓦特，这几乎是初始功率的两倍。

图2示出了当使用如图1中所示的恒定电流方法来控制LED时，LED的电参数（电流、电压和功率输出）随时间推移的线图。电流保持恒定到寿命终结。作为由随功率增大而增加的发热所引起的加速老化的结果，电压并且因此功率增大不是线性的，而是随着时间推移增大得更快。

因此，如果要最大化寿命，恒定电流控制不是驱动LED的最优方式。

发明内容

本发明由权利要求限定。

根据本发明，提供了一种LED驱动器，包括：

电流驱动器；

电压传感器，用于感测LED电压；以及

控制器，用于控制电流驱动器，

其中控制器被适配成：

对于直到阈值电压的第一范围的感测电压，操作第一驱动方案，在该第一驱动方案期间施加第一恒定电流；以及

当第一恒定电流导致比阈值电压更高的感测电压时操作第二驱动方案，在该第二驱动方案期间施加比第一恒定电流更低的电流。

该驱动器只应用恒定电流驱动方案直到到达阈值电压。这对应于阈值功率。通过改变至然后允许电流被减小的驱动方案，防止了功率继续增大。这减少了发热并且因而减缓了LED的进一步劣化。可以以这种方式延展LED的寿命。

在第二驱动方案期间，可以将电压调节成在阈值电压处恒定。以这种方式，由于电流响应于持续的老化而降低，所以功率将随着时间推移而减小。

在另一方法中，在第二驱动方案期间，电流可以在离散值之间阶跃，其中阶跃发生在阈值电压处。这能够使得可以给予更加稳定的控制的滞后得以实施。电压被限制到阈值电压，但是其将随着LED老化而随时间推移步降（step down）和斜升。

在又另一方法中，在第二驱动方案期间，可以将功率调节成恒定。这要求建立电流与电压之间的关系。

假定随着时间推移存在电流中的减小，则可以实施其他的功能，以便停止或减缓将由恒定电流控制造成的电压中的增大，并且因而减缓或停止可能引起加速老化的功率增大。

控制器可以包括微处理器或模拟电路或这些的组合。因此，控制可以被实施在硬件或软件或这些的组合中。驱动器通常包括具有电流-电压操作窗的操作窗驱动器。

本发明还提供了一种照明系统，包括：

本发明的LED驱动器布置；以及

由LED驱动器供电的LED单元。

LED单元可以包括一个或多个OLED。

本发明还提供了一种使用电流驱动器驱动LED的方法，包括：

感测LED电压；

对于直到阈值电压的第一范围的感测电压，操作第一驱动方案，在该第一驱动方案期间施加第一恒定电流；以及

当第一恒定电流导致比阈值电压更高的感测电压时操作第二驱动方案，在该第二驱动方案期间施加比第一恒定电流更低的电流。

该方法可以包括当电流设置低于第一恒定电流时检测电压是否低于阈值（或者是否低于阈值多于固定量），并且如果是则增大电流设置。第二驱动方案可能已经被发起，例如，因为LED处于冷启动状态，而当LED变热时，可以将电流增大到期望的水平。因此，如果不再需要减小的电流控制，则控制能够使得电流被增大到期望的电流设置。以这种方式，如果可能的话，控制可以恢复到第一驱动方案（其是优选的，因为其给予满亮度输出）。

附图说明

现在将参照附图详细描述本发明的示例，在附图中：

图1示出了LED驱动器的操作窗并且示出了对于已知的控制方法，设置如何随着LED老化随时间推移而演化；

图2示出了对于图1的控制，电流、电压和功率如何随着时间推移而演化；

图3示出了利用非恒定电流的控制方法的第一示例；

图4示出了利用非恒定电流的控制方法的第二示例；

图5示出了对于图3的控制，电流、电压和功率如何随着时间推移而演化；

图6示出了利用非恒定电流的控制方法的第三示例；

图7示出了利用非恒定电流的控制方法的第四示例；

图8以简化的示意形式示出了实施控制方法的第一方式；

图9示出了基于降压转换器架构实施控制方法的第二方式；

图10更详细地示出了同样基于降压转换器架构的图8的控制方法；以及

图11是说明图4的控制方法的流程图。

本发明提供了LED驱动器，其中针对直到阈值电压的第一范围的感测电压实施第一恒定电流驱动方案。此后，实施具有比第一驱动方案的恒定电流更低的电流的第二驱动方案。

因此，通过减小输出电流来控制驱动器以在寿命期内限制操作电压，从而限制随着时间推移的功率增大和温度增大。这能够让LED的可用寿命得以延展。

图3示出了随着16伏特LED（诸如OLED）老化如何控制该LED的操作点的第一示例。该LED被控制具有被完全调节的350mA的输出电压，同时输出电压保持低于20伏特，因而这是该LED的EOL电压。

在LED寿命的开始处，操作点位于A（16伏特，350mA）处。当LED电压由于劣化而增大时，其将到达点B并且稍后到达点C。

当到达点C时，控制从先前的固定电流和电压调节方案改变。这过去是用于直到EOL电压的第一范围的感测电压的第一驱动方案。替代地，逐渐地降低电流以将LED电压维持在设定的EOL电压（在此可以是20伏特（点D））处。这是第二驱动方案。因此，固定的电压控制取而代之，其随着器件进一步老化而引起电流中的减小（从操作点C到点G）。

其他实施方式也是可能的。图4示出了一种滞后控制以防止由于图3的示例中的输出电压的持续控制的缘故而可能发生的LED的不稳定性状。在该示例中，使用0.5伏特的滞后窗。因此，每次一到达20伏特的EOL电压，电压就被减小到19.5伏特并且作为结果得到的电流被维持在恒定水平直到再次到达EOL电压为止。

控制可以作为控制驱动器设置的算法被实施在软件中。

该算法应当能够在一些情形下实施电流设置中的增大。例如，当接通老化的、冷的LED并且初始LED电压上升到EOL触发水平（在该示例中为20伏特）以上时，可以触发EOL算法。当LED发热到稳态点时，LED电压再次减小回到该老化LED的标称电压。

例如假设16伏特、350mA的LED已经使用了相当长的时间并且由于劣化导致的LED电压增大已使得LED电压到达19.5伏特处于稳态。在接通该冷LED时，LED电压临时到达21伏特，并且当LED发热时，其将减小回到先前提到的19.5伏特。在这种情况下，EOL算法应当依据当时条件既能够增大又能够减小电流。当电压增大到EOL触发水平以上时，其应当如图4中所示那样减小电流。然而，当LED电流减小并且LED电压随后降低（例如，如以上所说明的）时，该算法应当能够增大LED电流，但不超过其最大原始设置。

图5示出在寿命期内描绘的LED的电参数（电流、电压和功率）的性状。x轴显示直到寿命终结EOL的时间。通常基于光输出水平来定义EOL。取决于规格，EOL可以是所谓的L70点（光输出减小到初始值的70%）或者所谓的L50点（光输出减小到初始值的50%）。

初始时间段10示出为恒定电流控制的第一控制方案。在时间段10结束时，到达设定的EOL电压，并且控制切换到第二控制方案，在该示例中该第二控制方案在时间段12期间是恒定电压控制（即图3的版本）。在该时间期间，电流随着时间推移而降低。由于LED的功率未大幅增大（实际上在该示例中功率在时间段12期间减小），所以LED的温度将不会增大，从而大幅减小了LED的劣化。通过减小劣化，大幅增加了LED的寿命。

以上方法是基于在到达设定的最大电压时从恒定电流控制进行切换。替换方案是设定最大功率。图6中示出作为结果得到的控制设置。这些设置遵循点C与G之间的恒定功率曲线。

可以使用其他函数。例如，图7示出了在已经到达切换点（点C）之后遵循电流与电压之间的线性关系的设置。

如前所述的系统可以被实施在软件中作为LED驱动器的一部分，但是其也可以被实施在硬件中。通过在软件中实施算法，可以开发更为灵活的设计。

图8以示意形式示出了软件解决方案。

将LED驱动器表示为驱动通过LED 22的电流的可控电流源20。通常，该可控电流源包括例如使用脉冲宽度调制对输出电流进行控制的DC-DC转换器。可以使用例如降压转换器、升压转换器或降压-升压转换器来实施该可控电流源。一般地，可以使用任何的开关模式功率转换器。由比较器电路24感测LED电压，并且所感测的电压被提供为到微处理器26的模拟输入。该微处理器实施控制算法并且提供对驱动器20的期望控制。

图9示出了硬件实施方式，并且附加地示出了降压转换器的部件。

通常使用DC-DC转换器驱动LED。该转换器接受DC输入电压（其可以是未经调节的）并且提供经调节的DC输出电压。通常，从由桥式整流器/滤波器电路布置进行整流和滤波的干线AC电源获得未经调节的DC输入电压。

图9示出了常规的步降DC-DC降压转换器的电路图，其被配置成基于较高的未经调节的DC输入电压32来向LED负载30提供经调节的DC输出电压。

比如图9的降压转换器的DC-DC转换器采用晶体管或者被配置成作为选择性地允许将能量存储在能量存储器件36中的饱和开关进行操作的等同器件34。能量存储器件36在图9中被示出为电感器。

操作晶体管开关34以周期性地跨电感器36在相对短的时间间隔内施加未经调节的DC输入电压32（在图9中，描绘了单个电感器以示意性地表示以多种串联/并联配置中的任一种进行布置以提供期望的电感的一个或多个真实电感器）。

在其中晶体管开关“导通”或闭合并且因而将输入电压传递给电感器的间隔期间，电流基于所施加的电压流经电感器并且该电感器将能量存储在其磁场中。当开关被“关断”或打开使得从电感器移除DC输入电压时，存储在电感器中的能量被传输到滤波电容器38，该滤波电容器起到向LED负载30提供相对平滑的DC输出电压的作用。

当晶体管开关34导通时，电压跨电感器被施加。该施加的电压使得线性增大的电流基于关系V_L=LdI_L/dt流经电感器（并流到负载和电容器）。

当晶体管开关36被关断时，通过电感器的电流I_L继续在同一方向上流动，二极管37现在导通以完成电路。只要电流流经二极管37，跨电感器的电压V_L就是固定的，使得随着能量从电感器的磁场被提供到电容器和负载，电感器电流I_L线性地降低。

晶体管由下（down）转换器控制IC控制，其基本上起PWM控制器38的作用。这作为调光控制器进行操作，该调光控制器响应于期望的调光设置来设定LED电流水平。控制器具有从比较器电路24接收信号的输入“Iadj”，并且该输入被解释成确定如何控制电流设置，以便实施以上所说明的控制方法。电阻器39是降压电感器电流感测电阻器，其用于PWM控制器38的控制。

硬件实施方式提供了对于PWM控制器38的修改，使得通过考虑从比较器电路24提供给Iadj管脚的电压测量而增强了常规的调光控制。

注意，图8的电路使用相对于地的LED电压的测量，而图9的电路使用相对于输入电源的高电压V_DC的LED电压的测量。在图8中，测得的电压是V_OLED，而在图9中，测得的电压是V_DC-V_OLED。

图10示出了应用到与图9中所示的降压转换器类似的降压转换器的图8的微处理器版本。将与图9中相同的附图标记给予降压转换器部件。图9需要修改的控制器38，而图10的电路可以使用标准控制器40。微处理器实施控制算法，并且向标准控制器40的Iadj管脚提供输出以提供对输出电流的期望控制。

图11是示出用于实施图4中所示控制的控制方法的一个示例的流程图。

在步骤41中，将期望的电流设置（例如350mA）设定为值255。在步骤42中，监测LED电压。如果其超过EOL电压（在EOL电压处，控制从恒定电流控制转移走），那么在步骤44中将目标电流减小5个点（即减小目标电流的5/255）。如果LED电压不超过EOL电压，则在步骤46中确定该电压是否低于水平V_EOL-0.5。这实施了滞后控制。如果其不低于该水平，那么不对目标电流做出改变。

如果电压低于V_EOL-0.5，这可能指示可以将电流斜升得较高，例如因为LED已经变热。在步骤48中，如果电流设置尚未处于最大的255设置，则将其增大5个点。

在LED还未到达其寿命终结时（如步骤52中确定的），每100ms应用新的电流设置（步骤50）。在寿命终结时，算法在步骤54中结束。

这仅仅是控制算法的一个示例，并且由于其他可能的控制接近上文所描述的，对于本领域技术人员而言其他控制算法将是明显的。

上文描述的系统提供了一种智能控制系统，当LED电压到达其EOL限定的电压或功率输出时，其减小输出（电流）。这能够使得可用寿命得以延展，并且由于功率增大导致的老化效应也得以减小。

控制方案改变所处的电压水平将确定寿命可以被延展的程度。切换到电流控制的缺点在于亮度受到影响。因此，在寿命延展和期间亮度被减小的时间之间存在折衷。作为示例，用作阈值的电压可以是驱动器处于恒定电流设置时可以输送的最大电压（即，在所设定的电流下的操作窗的上边界）的50%到90%的范围内。当电流到达对应于所定义的亮度限制（例如70%或50%）的水平时，将到达寿命终结。然而，这在比恒定电流控制方法中到达最大电压更长的时间之后才到达。

本发明对于有机和无机LED驱动器而言是有意义的（of interest）。

本发明利用控制器。可以以众多方式、利用软件和/或硬件实施该控制器，以施行上文讨论的各种功能。对于软件实施方式而言，可以使用如所示出的微处理器。这仅仅是可以使用软件（例如，微代码）进行编程以施行所需功能的控制器的一个示例。然而，可以在采用或不采用处理器的情况下实施控制器，并且其也可以被实施为施行一些功能的专用硬件和施行其他功能的处理器（例如，一个或多个编程的微处理器及相关联的电路）的组合。

可以在本公开的各种实施例中采用的控制部件的示例包括但不限于常规的微处理器、专用集成电路（ASIC）和现场可编程门阵列（FPGA）。

在各种实施方式中，可以将处理器或控制器与诸如易失性和非易失性计算机存储器（诸如RAM、PROM、EPROM和EEPROM）之类的一个或多个存储介质相关联。可以利用一个或多个程序对存储介质进行编码，当所述程序在一个或多个处理器和/或控制器上被执行时，其施行所需的功能。可以将各种存储介质固定在处理器或控制器内，或者其可以是可移植的，使得可以将存储在其上的一个或多个程序装载到处理器或控制器中。

依据对图、公开内容以及所附的权利要求的研究，本领域技术人员在实践所要求保护的发明时可以理解和实现对于所公开的实施例的其他变型。在权利要求中，词语“包括”不排除其他元素或步骤，并且不定冠词“一个”或“一”不排除多个。某些措施记载在相互不同的从属权利要求中这一纯粹事实不指示这些措施的组合不能被有利地使用。权利要求中的任何附图标记不应当解释为限制范围。

Claims (15)

1.一种LED驱动器，包括：

电流驱动器，

电压传感器（24），用于感测LED电压；以及

控制器（26），用于控制所述电流驱动器，

其中所述控制器被适配成：

对于直到阈值电压的第一范围的感测电压，操作第一驱动方案（10），在该第一驱动方案期间施加第一恒定电流；以及

当所述第一恒定电流导致比所述阈值电压更高的感测电压时操作第二驱动方案（12），在该第二驱动方案期间施加比所述第一恒定电流更低的电流。

2.如权利要求1中要求保护的LED驱动器，其中，在所述第二驱动方案（12）期间，将所述电压调节成在所述阈值电压处恒定。

3.如权利要求1中要求保护的LED驱动器，其中，在所述第二驱动方案（12）期间，所述电流在离散值之间阶跃，其中所述阶跃发生在所述阈值电压处。

4.如权利要求1中要求保护的LED驱动器，其中，在所述第二驱动方案期间，将功率调节成恒定。

5.如任何的前述权利要求中要求保护的LED驱动器，其中，所述控制器包括微处理器（26）。

6.如权利要求1到4中的一项所要求保护的LED驱动器，其中，所述控制器包括模拟电路（38）。

7.如任何的前述权利要求中要求保护的LED驱动器，其中，所述驱动器包括具有电流-电压操作窗的操作窗驱动器。

8.一种照明系统，包括：

如任何的前述权利要求中要求保护的LED驱动器布置；以及

由所述LED驱动器供电的LED单元(30)。

9.如权利要求8中要求保护的照明系统，其中，所述LED单元包括一个或多个OLED。

10.一种使用电流驱动器驱动LED的方法，包括：

感测LED电压；

对于直到阈值电压的第一范围的感测电压，操作第一驱动方案（10），在该第一驱动方案期间施加第一恒定电流；以及

当所述第一恒定电流导致比所述阈值电压更高的感测电压时操作第二驱动方案（12），在该第二驱动方案期间施加比所述第一恒定电流更低的电流。

11.如权利要求10中要求保护的方法，其中，在所述第二驱动方案（12）期间，将所述电压调节成在所述阈值电压处恒定。

12.如权利要求10中要求保护的方法，其中，在所述第二驱动方案（12）期间，所述电流在离散值之间阶跃，其中所述阶跃发生在所述阈值电压处。

13.如权利要求10中要求保护的方法，其中，在所述第二驱动方案（12）期间，将功率调节成恒定。

14.如权利要求10到13中任一项所要求保护的方法，包括：当电流设置低于所述第一恒定电流时检测所述电压是否低于所述阈值或者是否低于所述阈值多于固定量，并且如果是则增大电流设置。

15.如权利要求10到14中任一项所要求保护的方法，其中，所述驱动器包括具有电流-电压操作窗的操作窗驱动器。