CN105960056A - 电源单元和相关照明系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电源单元和由电源单元与至少一个照明引擎模块组成的照明系统以及本发明的接口。电源单元(PSU)包括在正极电源线(LED+)与公共接地线(LED‑)之间提供电力的输出端和通信线(CL)。响应于内部测量信号(Vout)的可调节电流发生器(CG)在输出端处生成输出电流(Iout)，并且电压源(Vk)耦接至通信线。电流测量单元(CMU)测量通过通信线(CL)的电流并且根据所测量的通过通信线(CL)的电流来生成内部测量信号(Vout)。具体地，电源单元(PSU)被配置成通过经由电压源(Vk)向通信线(CL)施加两个不同的电压来确定公共接地线上的电压降。

Description

电源单元和相关照明系统

本申请是2013年6月21日提交的申请号为PCT/IB2013/055106，标题为“照明引擎模块、相关电源单元以及照明系统”的专利申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及固态照明领域，并且描述了用于将照明引擎模块对接至其电源单元的接口和照明引擎模块、相应的电源单元。本发明一般地涉及：用于驱动一个或更多个照明引擎模块的电源单元，特别是具有发光二极管(LED)光源的照明引擎模块；以及照明单元，该照明单元包括电源单元和至少一个照明引擎模块。更具体地，在本文中公开的各种发明方法和设备涉及：自调节电源单元，用于驱动具有发光二极管(LED)光源的一个或更多个照明引擎模块；以及基于LED的发光单元，该发光单元包括自调节电源单元和至少一个照明引擎模块。

背景技术

基于半导体光源例如发光二极管(LED)的照明装置提供了替代传统的荧光灯、HID和白炽灯的可行方案。LED的功能优点和益处包括高能量转换和高光学效率、较长的预期寿命、较低的工作成本以及许多其他方面。

在一些应用中，基于LED的照明单元可以包括：电源单元，该电源单元向多个照明引擎模块供给LED驱动电流，每个多个照明引擎模块均包括一个或更多个LED。例如，照明引擎模块可以包括电路板(例如印刷电路板)，该电路板上安装有一个或更多个LED。这样的电路板可以被插入到照明装置的槽或主板的槽中，在照明装置或主板上可以设置有电源单元。

在各种应用和设施中，基于LED的照明单元可以包括不同数量的LED和/或照明引擎模块。例如，对于特定的设施，LED和照明引擎模块的数量可以根据光输出需求例如流明而改变。

通常，由电源单元输出的LED驱动电流的幅度或电平将需要根据其所连接的和驱动的LED和照明引擎模块的数目而改变。这意味着，如果在具有不同数量的LED和/或照明引擎模块的各种基于LED的照明单元中将采用单个电源单元，则电源单元将必须包括用于调节LED驱动电流的装置或设置，以根据它们包括的不同数量的光源来匹配针对不同照明引擎模块的电流驱动需求。同时，在制造该LED照明单元时确定要被包括在特定的基于LED的发光单元中的LED和照明引擎模块的数目。因此，如果在具有不同数量的照明引擎模块的各种LED发光单元中将采用相同的电源单元，则在制造每个不同的LED照明单元时将必须对电源单元进行编程，以使得电源单元输出的LED驱动电流适合于LED照明单元中所包括的特定数目的照明引擎模块。

已经借助于在电源单元与照明引擎模块之间的接口解决了该问题。

接口技术指的是照明引擎模块向电源单元提供与用于满足磁通规范和/或照明引擎模块的工作温度的照明引擎模块所需电流有关的一些信息，以当超过一定限值时减少所供给的电流电平。在本现有技术中存在几种方式用来在照明引擎模块与电源单元之间互换该信息。可以使用总线来互换这样的信息。在现有技术中已知模拟总线如0..10V总线或者数字总线如DALI(数字可寻址的光接口)总线。在现有技术中还已知简单的电阻器网络，该电阻器网络能够通过电源单元而被测量，并且向电源单元告知照明引擎模块的电流需求。DE 100 51 528公开了这样的接口，其中特定的电阻器连接在第三导线与负极供给线路之间。如果若干照明引擎模块连接至一个电源单元，则电阻器并联连接或串联连接，使得总和信号被提供至电源单元来限定电流需求。德国专利申请102011087658.8还公开了用以限定每个照明引擎模块的电流需求的电阻器。

总线解决方案具有需要两个额外的导线的缺点。电阻器解决方案仅需要一个额外的导线，但电阻器网络和电流调节的评估会十分复杂。

由于在市场上已经出现完整的电源单元和照明引擎模块系统，不同公司已经试图确定使这两个部分之间进行通信的方法；还有些数字协议已经被用于较复杂且高端的系统，但后者的技术在本发明的背景范围之外，并且必须分开考虑。

例如，欧司朗(OSRAM)公司已经提出了三条额外导线的接口，其还能够向提供热降额的有源照明引擎模块机载电路提供电力。在该接口类型中，照明引擎模块机载电阻器形成具有电源单元上拉电阻器的分压器，以开发设置电源单元输出电流的电压。照明引擎模块上的运算放大器在模块过热时则开始限制该电压(因此降低电流)。

飞利浦(Philips)公司已经提出了不同的额外的3条导线接口，其中一条导线连接至电流设置电阻器，而另一条导线连接至温度传感电阻器，并且通过电源单元本身完成降额，而不涉及照明引擎模块上的任何有源部分。

这两个接口都包括用于共用信号接地返回的第三条额外导线，并且使用由照明引擎模块电阻器生成的电压来设置电流，以使得较大的电压引起较大的输出电流。

最近，欧司朗公司还推出了稍微不同的接口，该接口实际上是利用电源单元中的精确电流源而定制的0..10V接口，以使得照明引擎模块能够仅使用电阻器来设置电流。

现在出现了来自市场的新需求，即将由同一电源单元供给的不同模块并联的能力。显然，电源单元的输出电流必须是每个照明引擎模块额定值的和，并且即使对于多个照明引擎模块布置也必须保持热降额能力，。

同样，市场要求成本削减，实际上针对的是导线数量减少。基于总线的接口通常需要4条导线，两条导线用于照明引擎模块的电源而另外两条用于总线。

因此，已经假定了一些新的特征以满足需求：

-必须允许多个模块可以使用相同的接口并联连接(当然假定不同模块是相同的，或者至少具有相同的串电压)。

-设置接口必须具有减少数量的导线，并且必须尽可能简单以降低成本，特别是使照明引擎模块侧尽可能简单。

到目前为止所提出的所有已知接口不能支持多个照明引擎模块连接，提出了新的接口以满足所有的最新需求。

发明内容

在本发明中，提供电流需求信息的方式是模拟的，即通过由照明引擎模块的机载电路直接设置的一些电气参数的量值来提供电流需求信息：然后由电源单元来识别这些参数，其中所述电源单元根据需求来调节其输出电流。

下文中提出了“一条导线”模拟接口的构思和可能实现二者，其中，“一条导线”是指除了两条电源线之外，仅需要一条额外的导线。

本发明的各种实施方式涉及照明引擎模块，包括：

-多个串联连接的LED，

-正极电源线，

-公共接地线，

-通信线，其中相对公共接地线来测量所述通信线上的信号，

-电流设置电阻器，所述电流设置电阻器的值与照明引擎模块的电流需求成比例，

-放大器，所述放大器响应于温度敏感输入电流，

-温度敏感电阻器，所述温度敏感性电阻器负责温度敏感输入电流。

该照明引擎模块的构建是容易且廉价的，并且该照明引擎模块能够处理不同的电流需求和在仅一个额外的导线上的热降额。

电流设置电阻器的电导优选地与照明引擎模块的电流需求成正比。这简化了对测量信号的处理。

此外，该照明引擎模块优选地包括阈值设置电阻器，该阈值设置电阻器负责热降额的阈值水平。这具有仅在较高温度处发生热降额从而在额定工作下将不会损耗光的优点。

该照明引擎模块优选地还包括：

-电压源，所述电压源具有连接至公共接地线的负极输出端，

-温度敏感电阻器与阈值设置电阻器的串联连接，该阈值设置电阻器与电压源并联连接，以及

-晶体管，其中，基极连接至温度敏感电阻器和阈值设置电阻器之间的节点，集电极连接至电压源的正极输出端与温度敏感电阻器之间的节点，发射极经由发射极电阻器连接至通信线。

该电流源能够将所供给的电流的持续时间控制成基本为零，以保护照明引擎模块。

该照明引擎模块优选地包括如下替选解决方案：

-电压源，所述电压源具有连接至公共接地线的负极输出端，

-温度敏感电阻器与阈值设置电阻器的串联连接，该阈值设置电阻器与电压源并联连接，

-晶体管，其中，基极连接至温度敏感电阻器与阈值设置电阻器之间的节点，发射极经由发射极电阻器连接至电压源的正极输出端与温度敏感电阻器之间的节点，集电极连接至通信线。

在另一实施方式中，电压源是从两条电源线得到的。

在又另一实施方式中，电压源与公共接地线连接，并且电压源被分接在多个串联连接的LED的一部分之间。

本发明的各种实施方式还涉及一种电源单元，包括：

-输出端，该输出端在正极电源线与公共接地线之间提供电力，

-通信线，其中相对公共接地线来测量通信线上的信号，

-可调节电流发生器，该可调节电流发生器响应于内部测量信号以在输出端处生成输出电流，

-电压源，该电压源耦接至通信线，

-电流测量单元，该电流测量单元生成内部测量信号。

这使得简单且廉价的电源单元能够具有适当的准确度。

在第一实施方式中，电流测量单元包括电流测量电阻器和运算放大器。

在第二实施方式中，电源单元具有以下属性：

-电压源连接在公共接地线与运算放大器的正极输入端之间，

-电流测量电阻器连接在运算放大器的负极输入端与运算放大器的输出端之间，

-通信线连接至运算放大器的负极输入端，

-运算放大器的输出端输出内部测量信号。

这增强了准确度，并且导致一种廉价且准确的电源。

在另一实施方式中，以使每个照明引擎模块能够将所供给的电流降低至基本为零的方式，对电压源进行调节。这保护了照明引擎模块。

在另一实施方式中，电源单元控制内部测量信号与可调节电流发生器的输出电流之间的线性特性。这也导致一种简单且廉价的测量单元。

在又另一实施方式中，线性特性仅发生在内部测量信号的总范围的一部分上。这产生了针对温度降额的阈值。

在又另一实施方式中，所述部分的开始是由内部测量信号的偏置电压限定的，并且对于低于该偏置电压的部分，可调节电流发生器将不提供电流。这也有利于温度降额。

在另一实施方式中，偏置电压等于电压源的值。这导致了一种简单的实现。

在又另一实施方式中，电流测量电阻器的值是由可调节电流发生器的最大电流输出限定的。这有助于在电流能力方面扩大电源单元。

本发明的各种实施方式还涉及一种照明系统，包括：

-电源单元；

-至少一个照明引擎模块；

其中，电源单元和照明引擎模块具有如上所述的接口，从而向电源单元提供与所连接的照明引擎模块的电流需求相关的信息。

在照明系统的第一实施方式中，电源单元包括识别电压源，该识别电压源向照明引擎模块供给识别电压并且测量相应的识别电流。这在电源单元与照明引擎模块之间产生容易且廉价的接口。

在第二实施方式中，所有照明引擎模块并联连接。这导致对于客户而言非常简单的处理。

如预期的那样，该模拟接口的特征是：

-告知电源单元哪个是照明引擎模块的额定电源电流。

-例如在温度高于预期温度时减小所供给的电流。这有时称作“热降额(thermal derating)”，并且热降额是由不可预测的原因所引起的事件。

附图说明

通过以下的示例性实施方式和附图的描述，本发明的其他优点、特征和细节将变得显而易见，并且在附图中相同或功能相同的元素由相同的附图标记来表示。在附图中：

-图1：电流设置电阻器的并联构思；

-图2：针对热降额的简单解决方案；

-图3：本发明的具有热降额单元TDU的完整构思；

-图4：非常简单的TDU实现；

-图5：简单系统实现，Vout是表示输出电流的内部电压；

-图6：图5的电路的模拟曲线图；

-图7：如何对由于LED电流所引起的线缆电压降进行建模的示意性电路；

-图8：电流发生器的特性图；

-图9：电流测量单元的特性图。

具体实施方式

在下文中，将描述本发明构思的若干实施方式。本发明构思总是涉及其中若干照明引擎模块能够并联连接至电源单元的三线接口，并且对每个照明引擎模块的电流需求进行匹配。

第一实施方式：模拟电路

保持利用电阻器来设置电流的基本构思，但使用利用电阻器来设置电流的本发明构思是不同的。图1示出了电流设置电阻器的总体并联构思。示出了连接至电源单元PSU的三个照明引擎模块LEM。所述连接由以下三条线组成：电源线LED+、公共接地线LED-和通信线CL。每个照明引擎模块包含至少一个LED串。LED串由多个LED组成。本发明中的“多个”是指存在至少三个串联连接的LED。每个照明引擎模块还包含电流设置电阻器Rset。电流设置电阻器连接在公共接地线LED-与通信线CL之间。这导致每个电流设置电阻器Rset1、Rset2、Rsetm的并联连接，使得电源单元PSU测量该并联连接的等效电阻。该构思不是如现有技术中那样使电源单元PSU读取电压，而是使电源单元PSU读取代表电阻值的电流。然后，对电阻值应用逆向定律来设置电源单元的输出电流。该定律如下：

$I_{Output}=\frac{Kv}{R_{Set}}$

Kv具有电压的量纲。

通过这样做，电源单元的输出电流与照明引擎模块电流设置电阻器值Rset成反比，也就是说，电阻越小，电源单元PSU的输出电流就越大。

这固有地满足了根据公知的欧姆定律使最终电流等于每个单照明引擎模块之和的要求。

图2示出了具有热降额能力的接口的构思示意图。这通过将PTC元件与Rset串联而添加了非常简单的热降额。随着照明引擎模块LEM的温度升高，PTC的值也升高，从而导致了该模块的较小电流。这样的布置的缺点是，这对于多个照明引擎模块连接是不适当的，因为单个PTC动作将会从并联连接的电阻器Rset之和中带走仅该成员的贡献，而这可能不足以降低照明引擎模块所承受的温度。

总之，当在过热的情况下的部分电流降低仍是可接受时，该解决方案可以保持非常低成本的应用。

此外，与电流设置电阻器串联的简单温度元件具有使电流连续降额的缺点，而没有针对降额本身的准确起点(即使一些PTC元件具有围绕触发温度的非常陡峭的行为)。因此，“额定”电流设置将会被降额元件的“寄生”效应所破坏。

图3示出了具有热降额单元TDU的接口的发明构思。

该构思依赖于通过在照明引擎模块上添加额外的电流发生器TDU的不同方法。该电流发生器由感测元件进行温度控制，并且直接从照明引擎模块的电源线获取电力，以避免用于接口的额外导线。该电流发生器包括生成输入电流的温度敏感电阻器和将该输入电流放大至生成电流I_TDU的放大器。该发生器设置有阈值，该阈值直到达到照明引擎模块的特定过温为止抑制任何电流注入。然后电流对温度的斜率(I_TDU的增益)对于系统而言足够高，以试图使照明引擎模块的最大工作温度稳定，但不能因此触发由于热传输时间滞后所引起的不稳定性。电流发生器能够完全覆盖(override)由并联电阻器Rset生成的信号：以这样的方式，即使在多个照明引擎模块连接都具有非常集中的过热的情况下，电流发生器也能够安全地保护整个系统，特别是其自身的照明引擎模块，。

利用与温度相关的电流发生器，出现了新问题。需要测量与模块的实际温度无关的Rset，并且因此需要测量与电流发生器的所提供电流无关的Rset。测量Rset的方式必须是固定的，以使电流发生器的动作可预测。

在各种实施方式中，本发明使用固定的电压发生器Vk，以通过跨电阻器Rset(或其并联)施加电压并且然后读取流过电阻器Rset的电流来测量电阻值。这又使得电流发生器TDU与由Rset上的Vk所固定的电流直接交互，从而解决最终的行为定律。

图4a示出了提供本发明接口的照明引擎模块的第一实施方式，其具有仅一个双极型晶体管、NTC元件和所添加的一对电阻。

该电路包含源自LED模块的供给线路LED+的电压源V1。LED具有相当稳定的磁通量电压，因此这能够“足够好地”用作电压源。根据TDU所需的电源电压，总是连接至公共接地线LED-的电压源V1能够分接在多个串联连接的LED的一部分之间。这意味着，能够以电压V1代表单个LED磁通量电压的倍数值的方式来对电压V1进行调节。并联于电压V1，存在NTC与阈值电阻器Rthr的串联连接。NPN双极结型晶体管(BJT)Q1的基极连接至NTC与Rthr之间的节点。Q1的集电极连接至电压V1。Q1的发射极经由发射极电阻器Rtg耦接至通信线。以上描述的图4a的所有这些部件形成了热降额单元TDU。

电流设置电阻器Rset连接在以轨道定位的CL与电源的公共接地线LED-之间。

在该电路中，Q1的发射极的电位在电源单元PSU中称为强制电压(根据定义Vk)，其实现阈值，其中如果低于该阈值则没有电流I_TDU被注入到CL线中。当温度升高时，NTC开始升高基极电位，直到将Q1移动到有源区中为止。现在发射极电阻器Rtg设置电路TDU的增益，并且固定注入电流I_TDU对温度的斜率。

电阻器Rthr连同处于针对TDU而指定的温度触发的NTC一起，设置关于电压V1和Vk的热降额起点。

该布置的另一优点是可实现电流I_TDU对温度的良好线性度。

除了在照明引擎模块侧容易实现之外，本发明的最令人关注的优点之一是：通过调节所期望的准确度和仅通过缩放电源单元接口的电路复杂性的特征，将该布置用于不同质量等级的系统中的能力。换句话说，有可能根据所要求的准确度和/或所需要的扩展特征来在电源单元侧构建读取接口。

图4b示出了具有双重实现的照明引擎模块LEM接口的第二实施方式。在这里，连同PTC一起使用PNP型晶体管Q2。PTC是具有正温度系数的温度敏感电阻器。电压V1是从全部的多个串联连接的LED或一部分串联连接的LED中得到的。与图4a的实施方式相反，Q2的集电极提供产生电流I_TDU的电流源特性，并且Q2的集电极连接至CL。因此，温度降额阈值不取决于Vk而仅取决于V1以及由温度敏感电阻器PTC和阈值电阻器Rthr构成的分压器的值。

因此，在前述内容所公开的实施方式中，照明引擎模块LEM包括用以指定额定电流的一组电阻器Rset和热降额单元TDU，该热降额单元TDU根据照明引擎模块LEM的温度而生成电流。具体地，在图4a和图4b示出的实施方式中，双极型晶体管被用于放大通过温度敏感电阻器的电流。然而，通常还可以使用其他可变的电流发生器。

此外，由单元TDU生成的电流还可以取决于其它参数。例如，还可以使用其他传感器来改变由单元TDU生成的电流，所述单元TDU例如如下：

-光传感器，其被配置成检测环境亮度，从而例如根据环境光来改变由照明引擎模块LEM生成的光、保持总光量基本恒定；

-微光传感器，其例如用于根据环境光来激活或去激活照明引擎模块LEM；

-移动传感器例如被动红外(PIR)传感器，其例如用于在仅出现人类时才激活或去激活照明引擎模块LEM；和/或

-无线接收器，其用于接收来自遥控装置的信号。

单元TDU还可以包括多个这样的传感器以实现不同的功能。例如，在实施方式中，单元TDU可以包括数字处理器如微处理器，其中，至少一个传感器经由模数转换器连接至处理器，并且该处理器经由可编程电流发生器生成输出电流。例如以此方式，可以实现更复杂的控制功能。

最后，代替在多个串联连接的LED的一部分之间进行分接，还可以以不同的方式获得用于单元TDU的供给信号。例如，用于单元TDU的供给信号可以由直接连接至电源线LED+的电流或电压发生器来生成。此外，原则上，供给信号还可以源自电压Vk。

因此，本文中所公开的照明引擎模块LEM包括：无源部件(即电阻器Rset)，其指定额定电流需求；以及有源电流发生器，其生成补偿电流，从而修改流经控制线路CL的电流I_CL。具体地，在各种实施方式中，根据借助于一个或更多个传感器所检测的特定操作条件来确定该补偿电流。由于电源单元PSU根据流经控制线路CL的电流I_CL来改变用于照明引擎模块LEM的供给电流这一事实，因此电流发生器单元TDU可以修改照明引擎模块LEM的电流需求。

图5示出了电源单元的PSU接口的实施方式。这是用于较廉价电源单元的非常简单的电路，其中不需要较高准确度。

由于减少的连接线的需求和公共接地线LED-的构思，出现了由于用于LED的照明引擎模块电流所引起的公共接地线LED-上的电压降的问题。实施方式采用基于单个运算放大器的非常简单的电路，而无需对由于照明引擎模块电流所引起的接地线偏置进行任何补偿。电源单元接口包括运算放大器OpAmp，其中该运算放大器OpAmp的负极输入端连接至通信线CL。输出端生成内部测量信号Vout，该内部测量信号Vout被用于调节在电源单元输出端处所提供的电流Iout。电源单元的输出端连接至照明引擎模块的LED+和LED-。电流测量电阻器Rfb连接在运算放大器OpAmp的输出端与负极输入端之间，从而形成其强制性负反馈。电压源Vk连接在运算放大器OpAmp的正极输入端与公共接地线LED-之间，从而形成用于PSU接口的基准。

实际上，仅仅通过选择针对Vk的适当值，可以使测量误差减小至合理的用于应用的值。例如，假定接地路径上的最大电压降为50mV(50mOhm连接上的1A)，5V电压是Vk的最小值，以具有由于低于1％的电压降所引起的误差。

为了达到更好的准确度，可以应用针对公共接地线偏置的不同补偿技术。最简单的一种技术当然是在要读取Rset之前断开照明引擎模块串：这能够在系统启动时由基于样本和保持系统的简单机器来完成。

应当指出，当通过去除LED+线上的供给来关断照明引擎模块串时，通信线CL上的电流电平不受温度信号影响。这不是缺点，因为当照明引擎模块被完全关断时不需要该信息，反而这是如下一种方式：不仅能够以更高的准确度读取Rset值，而且还不具有由于可能过热所引起的任何偏差，相应地不具有由于照明引擎模块温度所引起的任何偏差。

另一方面，以相反的方式也是可行的。这意味着可以通过简单地从该OpAmp正极输入端分离出参考电压Vk来获得纯温度信息。这样做使得第三导线上的电压仅取决于照明引擎模块温度(多个连接的情况下的最高一个)，即使在温度低于降额阈值的情况下也如此。这使得电源单元能够根据其合适的定律使其本身到照明引擎模块的电流降额，并且使得即使在没有过热的情况下也能够获知一个或更多个照明引擎模块的工作温度(当然必须已知Rset以达到最佳的温度准确度)。

图6示出了本发明电源单元的降额曲线图。该曲线图示出了在一个或更多个照明引擎模块的温度范围内电源单元的内部控制电压Vout。多个曲线涉及所连接的一个或更多个照明引擎模块的不同电流需求。可以看出，降额开始于约93℃的温度处，直到约100℃至104℃为止，电源完全关闭。

以下将在实际示例的帮助下来说明本发明接口的功能。

如在图中可以看到的，1A的输出电流导致10V的内部测量信号Vout。应当以针对Rset的1mS的电导导致1A的输出电流的方式来设计接口。根据附图，电压源Vk被调节至5V。这意味着，对Rset施加5V电压(参照图5)。运算放大器以使其输入端上的信号电平最小化的方式工作，使得运算放大器将工作直到正极输入端处的电平与负极输入端处的电平相同为止。因此，如果Vk为5V，则这意味着在运算放大器的负极输入端处也将为5V。这导致在电流设置电阻器Rset处为5V，从而导致通过通信线CL的电流为5V/1kOhm＝5mA。通过通信线CL的5mA意味着这5mA还流经电流测量电阻器Rfb，这是因为运算放大器的输入端具有高阻抗，并且因而没有电流损耗。根据图6，由于内部测量信号的电压Vout应当为10V，因此电流测量电阻器Rfb上的电压也成为5V，从而导致电流测量电阻器Rfb也具有1kOhm(相应地为1mS)的值。

根据该示例，具有2A的电流需求的照明引擎模块将具有2mS(即500Ohm)的电流设置电阻器Rset。

如上所述，具有测量电流与LED电流一起返回通过公共接地线这一构思的本发明的三线接口，具有由于照明引擎模块的电流流经公共接地线LED-所引起的公共接地线LED-上的电压降破坏测量信号这一缺点，但是可以利用正确的策略来补偿该效应以取回电源单元的真实值。

图7示出了如何将由于LED电流所引起的线缆电压降进行建模的示意性电路。

补偿电压降的一般方法是改变电源单元中的电压源的电压Vk。可以通过基于Vk的两个不同值的线性方程组来消除电压降。在照明引擎模块内将Vk电压升高到V1以上使Rset值不被温度信息(不管可能是哪一个温度信息)破坏，而无需关闭照明引擎模块电源。

如图7所示，共同返回LED-上的电压降能够被建模为与Rset串联的电压发生器Vo：该电路类似于图5的电路，其中该电路去除了温度部分而添加了偏置发生器Vo，该偏置发生器Vo代表在线缆上的电压降。

现在通过简单地考虑OpAmp输入二者为相同电压来用公式表示电路的等式：

$\frac{V_{out}-V_k}{R_{fb}}=\frac{V_k-V_o}{R_{set}},$

或者，等价地，

$\frac{R_{set}}{R_{fb}}(V_{out}-V_k)=V_k-V_o.---\[1\]$

现在，调用

$K_R=\frac{R_{set}}{R_{fb}},$

我们可以求出[1]中的Vo(常数)，并且应用针对Vk的两个不同的值：

$\left\{\begin{array}{c}{V}_o=V_{k,1}-K_R(V_{out,1}-V_{k,1})\\ V_o=V_{k,2}-K_R(V_{out,2}-V_{k,2})\end{array}\right.---\[2\]$

可以通过等式比较来求解该线性方程组，最后得到：

V_k,1-V_k,2＝K_R(V_out,1-V_k,1-V_out,2+V_k,2) [3]

该等式还可以根据差ΔV＝V₁-V₂来编写，并且可以求出K_R：

$K_R=\frac{{\mathrm{\ΔV}}_k}{{\mathrm{\ΔV}}_{out}-{\mathrm{\ΔV}}_k}---\[4\]$

这将已知电阻器与未知电阻器之比表示为叠加的(Vk)电压差与所测量的(Vout)电压差之比。

如能够看出的那样，能够通过两个测量值和一些数学方法来在计算上消除电压降Vo。

图8示出了根据图6的示例的电流发生器的特性图。该特性图示出了电流发生器CG的输入、内部测量信号Vout、针对电流发生器CG的输出电流Iout。可以看出，在这里称为Vsilent的特定电压下，没有提供输出电流。在内部测量信号的最大值VoutMAX处，提供了电流发生器CG的最大指定输出电流。Vsilent为如下电压：在低于该电压处，在通信线CG上没有电流流动。这可以归因于电压Vk，或者可以归因于温度降额单元TDU创建了与由Vk创建的电流类似但以相反方向的电流I_TDU。因此，该电流在Rset上创建了类似于Vk的电压，因而没有电流流过通信线CL。

在正常情况下，如果在通信线CL上没有电流流动，则将以电流发生器CG不提供电流的方式来设计照明系统。这是因为，如果存在接线错误或弱接触的条件，则不应当从电源单元PSU向照明引擎模块LEM提供电力。但在特定情况下，可以修改该规定。

对于正常情况，如果当在通信线CL上没有电流流过时不应当从电源单元PSU向照明引擎模块LEM提供电力，则电压Vsilent与电压Vk相同。

图9示出了电流测量单元CMU的特性图。电流测量单元CMU的主要部分是电流测量电阻器Rfb。该特性图示出了电流测量单元CMU的输出、内部测量信号Vout、标准化的电流测量电阻器Rfb/RsetMin。RsetMin是导致电源单元PSU的最大指定输出电流IoutMAX的最小值。因此，在值1处，当Rfb＝Rsetmin时，电源单元在其输出端处提供最大电流和功率，并且如图6的示例中所描述的那样内部测量信号Vout为2*Vk。

总结：

本发明的接口的各种实施方式使得能够：

-获取来自照明引擎模块的复合信息，即由于过温而被降额的额定电流，或者

-通过适当地切换电源单元内的不同发生器来获取关于额定电流和工作温度的拆分信息。这当然涉及逻辑电路，并且其不像从通信线CL读取复合的非补偿值那样简单。

-这些是读取照明引擎模块通信线CL的不同方法，但是模块内的电子装置保持不变。

本发明的所述和其它优点总结如下：

-本发明的接口仅使用简单的电阻器来设置所需电流。

-除了至照明引擎模块的电源连接之外，只需要一个额外的导线。

-使得更多的照明引擎模块能够并联连接在同一总线接口上。

-可以通过仅添加简单的PTC或四个廉价的部件来实现热降额。

-用于热降额的辅助电源仅源自照明引擎模块串分接。

-接口固有地是故障安全型，也就是说如果Rset被破坏或通信线断开(最可能的故障事件)，则输出电流被切断。

-在照明引擎模块与第三导线之间的短路故障(其可能是错误连接)的情况下，输出电流固有地被切断，因此也保护了接口电路本身。

-热降额单元不泄漏来自照明引擎模块电源的电流，直到照明引擎模块过热为止。

-能够根据电源单元额定值来改变用于读取Rset的电流，以根据预期的施加负载来限制其范围(并且提高准确度)。

-逆向欧姆定律使得能够保持输出电流的恒定百分比解析。

-读取Rset的准确度取决于电源单元侧接口的复杂度，这能够根据预期的系统质量等级来设置。此外，Rset的读数可以是对PSU内的基准电阻的比率计量，而不要求如在现有技术中所需要的准确的电压或电流源。

-本发明的接口可以根据所施加的刺激来在从单个热降额电流到额定电流和工作温度的两个独立且准确的值的范围内提供不同的信息。

通过上述描述可知，本发明的实施例公开了但不限于如下方案：

1.一种电源单元(PSU)，包括：

-输出端，所述输出端在正极电源线(LED+)与公共接地线(LED-)之间提供电力，

-通信线(CL)，

-可调节电流发生器(CG)，所述可调节电流发生器(CG)响应于内部测量信号(Vout)以在所述输出端处生成输出电流(Iout)，

-电压源(Vk)，所述电压源(Vk)被耦接至所述通信线，

-电流测量单元(CMU)，所述电流测量单元(CMU)测量通过所述通信线(CL)的电流，并且根据所测量的通过所述通信线(CL)的电流来生成所述内部测量信号(Vout)。

2.方案1的电源单元(PSU)，其中，所述电流测量单元(CMU)包括电流测量电阻器(Rfb)和运算放大器(OpAmp)。

3.方案2的电源单元(PSU)，其中：

-所述电压源(Vk)被连接在所述公共接地线(LED-)与所述运算放大器(OpAmp)的正极输入端之间，

-所述电流测量电阻器(Rfb)被连接在所述运算放大器的负极输入端与所述运算放大器(OpAmp)的输出端之间，

-所述通信线连接至所述运算放大器(OpAmp)的所述负极输入端，

-所述运算放大器(OpAmp)的所述输出端输出所述内部测量信号(Vout)。

4.前述方案之一的电源单元(PSU)，其中，在所述内部测量信号(Vout)与所述可调节电流发生器(CG)的输出电流之间存在线性特性。

5.方案4的电源单元(PSU)，其中，所述线性特性仅对所述内部测量信号(Vout)的总范围的一部分有效。

6.方案5的电源单元(PSU)，其中，所述部分的开始是由所述内部测量信号的偏置电压(Vsilent)来限定的，并且低于所述偏置电压，所述可调节电流发生器(CG)将不提供电流。

7.方案5和6的电源单元(PSU)，其中，所述偏置电压等于所述电压源(Vk)的值。

8.前述方案之一的电源单元(PSU)，其中，所述电源单元(PSU)被配置成对至少一个照明引擎模块(LEM)供电，所述至少一个照明引擎模块(LEM)包括：

-多个串联连接的LED，所述多个串联连接的LED被连接在所述正极电源线(LED+)与所述公共接地线(LED-)之间，

-电流设置电阻器(Rset)，所述电流设置电阻器(Rset)的值指示所述照明引擎模块的电流需求，其中所述电流设置电阻器(Rset)被连接在所述通信线(CL)与所述公共接地线(LED-)之间，以及

-电流发生器(TDU)，所述电流发生器(TDU)被连接至所述通信线(CL)。

9.方案8的电源单元(PSU)，其中，所述至少一个传感器包括：

-温度传感器(NTC、PTC)，所述温度传感器(NTC、PTC)被配置成检测所述照明引擎模块(20)的温度和/或所述多个串联连接的LED(L)的温度；

-光传感器，所述光传感器被配置成检测环境亮度；

-微光传感器；

-移动传感器；和/或

-无线接收器，所述无线接收器用于接收来自遥控装置的信号。

10.方案8或9的电源单元(PSU)，其中，所述可变电流发生器(TDU)包括：

-放大器，所述放大器响应于温度敏感输入电流，

-温度敏感电阻器(NTC、PTC)，所述温度敏感电阻器(NTC、PTC)负责所述温度敏感输入电流。

11.方案8至10之一的电源单元(PSU)，其中，所述电源单元(PSU)被配置成通过经由所述电压源(Vk)向所述通信线(CL)施加两个不同的电压来确定所述公共接地线上的电压降。

12.方案8至11之一的电源单元(PSU)，其中，从所述正极电源线(LED+)对所述电流发生器(TDU)供电，并且其中，所述电源单元(PSU)被配置成在所述输出端处的所述输出电流(Iout)被切断时读取所述电流设置电阻器(Rset)的值。

13.方案8至12之一的电源单元(PSU)，其中，从所述正极电源线(LED+)对所述电流发生器(TDU)供电，其中所述电源单元(PSU)被配置成在所述电压源(Vk)的所述输出电压被去激活时测量由所述照明引擎模块(LEM)的所述电流发生器(TDU)生成的电流。

14.方案8至13之一的电源单元(PSU)，其中，以每个单个照明引擎模块能够使所供给的电流(I_CL)减小至基本为零的方式来对所述电压源(Vk)进行调节。

15.一种照明引擎模块，包括：

-多个串联连接的LED，

-正极电源线(LED+)，

-公共接地线(LED-)，

-通信线(CL)，

-电流设置电阻器(Rset)，所述电流设置电阻器(Rset)被耦接至所述通信线，其中所述电流设置电阻器(Rset)的电导值指示所述照明引擎模块的电流需求，

-可变电流发生器(TDU)，所述可变电流发生器(TDU)被连接至所述通信线(CL)，所述可变电流发生器响应于由至少一个传感器提供的至少一个测量信号。

16.方案15的照明引擎模块，其中，所述可变电流发生器(TDU)包括：

-放大器，所述放大器响应于温度敏感输入电流，

-温度敏感电阻器(NTC、PTC)，所述温度敏感电阻器(NTC、PTC)负责所述温度敏感输入电流。

17.方案15和16之一的照明引擎模块，还包括阈值设置电阻器(Rthr)，所述阈值设置电阻器(Rthr)负责针对热降额的阈值水平。

18.方案15至17之一的照明引擎模块，包括：

-电压源(V1)，所述电压源(V1)具有连接至公共接地线(LED-)的负极输出端，

-所述温度敏感电阻器与并联连接至所述电压源(V1)的所述阈值设置电阻器(Rthr)的串联连接，

-晶体管(Q1)，其中，基极被连接至所述温度敏感电阻器与所述阈值设置电阻器(Rthr)之间的节点，集电极被连接至所述电压源(V1)的正极输出端与所述温度敏感电阻器(NTC)之间的节点，发射极经由发射极电阻器(Rtg)而被连接至所述通信线(CL)。

19.方案15至18之一的照明引擎模块，包括：

-电压源(V1)，所述电压源(V1)具有连接至所述公共接地线(LED-)的负极输出端，

-所述温度敏感电阻器与并联连接至所述电压源(V1)的所述阈值设置电阻器(Rthr)的串联连接，

-晶体管(Q1)，其中，基极被连接至所述温度敏感电阻器与所述阈值设置电阻器(Rthr)之间的节点，发射极经由发射极电阻器(Rtg)而被连接至所述电压源(V1)的正极输出端与所述温度敏感电阻器(PTC)之间的节点，集电极被连接至所述通信线(CL)。

20.方案15至19之一的照明引擎模块，其中，所述电压源(V1)源自两条电源线(LED+；LED-)。

21.方案15至20之一的照明引擎模块，其中，所述电压源(V1)与公共接地线(LED-)连接，并且所述电压源(V1)被分接在所述多个串联连接的LED的一部分之间。

22.方案15至21之一的照明引擎模块，其中，所述至少一个传感器包括：

-温度传感器(NTC、PTC)，所述温度传感器(NTC、PTC)被配置成检测所述照明引擎模块(20)的温度和/或所述多个串联连接的LED(L)的温度；

-光传感器，所述光传感器被配置成检测环境亮度；

-微光传感器；

-移动传感器；和/或

-无线接收器，所述无线接收器用于接收来自遥控装置的信号。

23.一种照明系统，包括：

-根据方案1至14之一的电源单元(PSU)；以及

-至少一个方案15至22之一的照明引擎模块(LEM)。

24.方案23的照明系统，其中，所有照明引擎模块被并联连接。

附图标记列表

PSU 电源单元

LEM 照明引擎模块

CMU 电流测量单元

TDU 温度降额单元

PGU 脉冲生成单元

PG 脉冲发生器

CL 通信线

CG 电流发生器

Vout 内部测量信号

Rset 电流设置电阻器

Rthr 阈值设置电阻器

Rtg 发射极电阻器

Rfb 电流测量电阻器

Rp 脉冲电阻器

LED+ 正极电源线

LED- 公共接地线

V1 电压源

Vk 电压源

Vout 内部测量信号

S 脉冲开关

Claims (20)

1.一种电源单元(PSU)，包括：

-输出端，所述输出端在正极电源线(LED+)与公共接地线(LED-)之间提供电力，

-通信线(CL)，

-可调节电流发生器(CG)，所述可调节电流发生器(CG)响应于内部测量信号(Vout)以在所述输出端处生成输出电流(Iout)，

-电压源(Vk)，所述电压源(Vk)被耦接至所述通信线，

-电流测量单元(CMU)，所述电流测量单元(CMU)测量通过所述通信线(CL)的电流，并且根据所测量的通过所述通信线(CL)的电流来生成所述内部测量信号(Vout)，

其中，所述电源单元(PSU)被配置成通过经由所述电压源(Vk)向所述通信线(CL)施加两个不同的电压来确定所述公共接地线上的电压降。

2.根据权利要求1所述的电源单元(PSU)，其中，所述电流测量单元(CMU)包括电流测量电阻器(Rfb)和运算放大器(OpAmp)。

3.根据权利要求2所述的电源单元(PSU)，其中：

-所述电压源(Vk)被连接在所述公共接地线(LED-)与所述运算放大器(OpAmp)的正极输入端之间，

-所述电流测量电阻器(Rfb)被连接在所述运算放大器的负极输入端与所述运算放大器(OpAmp)的输出端之间，

-所述通信线连接至所述运算放大器(OpAmp)的所述负极输入端，

-所述运算放大器(OpAmp)的所述输出端输出所述内部测量信号(Vout)。

4.根据前述权利要求中的一项所述的电源单元(PSU)，其中，在所述内部测量信号(Vout)与所述可调节电流发生器(CG)的输出电流之间存在线性特性。

5.根据权利要求4所述的电源单元(PSU)，其中，所述线性特性仅对所述内部测量信号(Vout)的总范围的一部分有效。

6.根据权利要求5所述的电源单元(PSU)，其中，所述部分的开始是由所述内部测量信号的偏置电压(Vsilent)来限定的，并且低于所述偏置电压，所述可调节电流发生器(CG)将不提供电流。

7.根据权利要求6所述的电源单元(PSU)，其中，所述偏置电压等于所述电压源(Vk)的值。

8.根据权利要求1至3中的一项所述的电源单元(PSU)，其中，所述电源单元(PSU)被配置成对至少一个照明引擎模块(LEM)供电，所述至少一个照明引擎模块(LEM)包括：

-多个发光二极管，所述多个发光二极管被串联连接在所述正极电源线(LED+)与所述公共接地线(LED-)之间，

-电流设置电阻器(Rset)，所述电流设置电阻器(Rset)的电导值指示所述照明引擎模块的电流需求，其中所述电流设置电阻器(Rset)被连接在所述通信线(CL)与所述公共接地线(LED-)之间，以及

-可变电流发生器(TDU)，所述可变电流发生器(TDU)被连接至所述通信线(CL)且生成补偿电流，从而修改流经所述通信线(CL)的电流，所述可变电流发生器响应于由至少一个传感器提供的至少一个测量信号。

9.根据权利要求8所述的电源单元(PSU)，其中，所述电源单元(PSU)被配置成在所述输出端处的所述输出电流(Iout)被切断时读取所述电流设置电阻器(Rset)的值。

10.根据权利要求8或9所述的电源单元(PSU)，其中，所述电源单元(PSU)被配置成在所述电压源(Vk)的所述输出电压被去激活时测量由所述照明引擎模块(LEM)的所述可变电流发生器(TDU)生成的电流。

11.根据权利要求8至10中的一项所述的电源单元(PSU)，其中，以每个单个照明引擎模块能够使所供给的电流(I_CL)减小至基本为零的方式来对所述电压源(Vk)进行调节。

12.一种照明系统，包括：

-根据权利要求1至11中的一项所述的电源单元(PSU)；以及

-至少一个照明引擎模块(LEM)，所述照明引擎模块包括：

-正极电源线(LED+)，

-公共接地线(LED-)，

-多个发光二极管，所述多个发光二极管被串联连接在所述正极电源线(LED+)与所述公共接地线(LED-)之间，

-通信线(CL)，

-电流设置电阻器(Rset)，所述电流设置电阻器(Rset)被连接在所述通信线与所述公共接地线之间，其中所述电流设置电阻器(Rset)的电导值指示所述照明引擎模块的电流需求，

-可变电流发生器(TDU)，所述可变电流发生器(TDU)被连接至所述通信线(CL)且生成补偿电流，从而修改流经所述通信线(CL)电流，所述可变电流发生器响应于由至少一个传感器提供的至少一个测量信号。

13.根据权利要求12所述的照明系统，其中，所述可变电流发生器(TDU)包括：

-放大器，所述放大器响应于温度敏感输入电流，

-温度敏感电阻器(NTC、PTC)，所述温度敏感电阻器(NTC、PTC)负责所述温度敏感输入电流。

14.根据权利要求13所述的照明系统，所述照明引擎模块还包括阈值设置电阻器(Rthr)，所述阈值设置电阻器(Rthr)负责针对热降额的阈值水平。

15.根据权利要求12至14中的一项所述的照明系统，所述照明引擎模块包括：

-电压源(V1)，所述电压源(V1)具有连接至公共接地线(LED-)的负极输出端，

-所述温度敏感电阻器与并联连接至所述电压源(V1)的所述阈值设置电阻器(Rthr)的串联连接，

-晶体管(Q1)，其中，基极被连接至所述温度敏感电阻器与所述阈值设置电阻器(Rthr)之间的节点，集电极被连接至所述电压源(V1)的正极输出端与所述温度敏感电阻器(NTC)之间的节点，发射极经由发射极电阻器(Rtg)而被连接至所述通信线(CL)。

16.根据权利要求14所述的照明系统，所述照明引擎模块包括：

-电压源(V1)，所述电压源(V1)具有连接至所述公共接地线(LED-)的负极输出端，

-所述温度敏感电阻器与并联连接至所述电压源(V1)的所述阈值设置电阻器(Rthr)的串联连接，

-晶体管(Q1)，其中，基极被连接至所述温度敏感电阻器与所述阈值设置电阻器(Rthr)之间的节点，发射极经由发射极电阻器(Rtg)而被连接至所述电压源(V1)的正极输出端与所述温度敏感电阻器(PTC)之间的节点，集电极被连接至所述通信线(CL)。

17.根据权利要求16所述的照明系统，其中，所述电压源(V1)源自两条电源线(LED+；LED-)。

18.根据权利要求16所述的照明系统，其中，所述电压源(V1)与公共接地线(LED-)连接，并且所述电压源(V1)被分接在所述多个串联连接的LED的一部分之间。

19.根据权利要求12或13所述的照明系统，其中，所述至少一个传感器包括：

-温度传感器(NTC、PTC)，所述温度传感器(NTC、PTC)被配置成检测所述照明引擎模块(20)的温度和/或所述多个串联连接的LED(L)的温度；

-光传感器，所述光传感器被配置成检测环境亮度；

-微光传感器；

-移动传感器；和/或

-无线接收器，所述无线接收器用于接收来自遥控装置的信号。

20.根据权利要求12至19中的一项所述的照明系统，其中，所有照明引擎模块被并联连接。