CN105992444A - 固态灯控制 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种固态灯控制。提供了当耦合到后沿切相调光器开关时固态灯的智能控制。灯的功率级开关的接通和断开周期在大容量电容器中的能量在其最高水平处时的时期期间被启用。在这个时期期间，泄放器电路不必被启用，与后沿调光器的正常开关方案比较，这导致更高的操作效率。

Description

固态灯控制

背景技术

本公开涉及固态灯控制，且特别是涉及当耦合到后沿切相调光器时的固态灯的控制。

例如基于发光二极管(LED)的灯的固态灯变得普遍。如在本文使用的，“灯”也可被称为“灯泡”。如图1所示的，在固态照明系统中，固态灯(SSL)102可经由切相调光器开关104连接到AC主电源102。

切相调光器开关包括操作来在每个AC半周期的给定相角处使AC干线与灯断开的切相开关元件。可基于由最终用户选择的调光设置来调节切相的量(被移除的AC半波的部分)。

一般在使用中存在两种类型的切相调光器开关：前沿和后沿。在前沿切相调光器开关中，切相在AC干线信号的零交叉点处或在AC干线信号的零交叉点之后不久开始，并被维持直到AC干线信号到达其设定相角为止。在后沿切相调光器开关中，AC干线信号在设定相角处且在AC干线信号的下一零交叉以前与灯断开。

常见切相开关元件是更通常地被称为三端双向可控硅开关的双向三极管晶闸管。这是在被触发时可在任一方向上传导电流的开关设备。然而，一旦三端双向可控硅开关被接通并稳定下来，它就需要最小保持电流以便维持其状态。这意味着灯必须维持最小负载以确保三端双向可控硅开关的正确操作。如果最小电流阈值未被满足，则三端双向可控硅开关器件复位并过早地转变到断开状态，引起明显的光闪烁或完全失效。

然而，在基于LED的灯的情况下，主要由于基于LED的灯的大得多的操作效率，当三端双向可控硅开关在传导状态中时维持最小负载很难。

此外，最小保持电流在三端双向可控硅开关器件之间大范围变化。这进一步使基于LED的灯的设计复杂，因为变化增加了灯可与某些调光器不兼容的风险。

为了确保三端双向可控硅开关器件如调光设置所定义的保持在接通状态中，现有的基于LED的灯包含通常被称为泄放器电路(bleeder circuit)的电路。

泄放器电路增加灯从AC干线引出的总负载，提供必需的电流来保持三端双向可控硅开关器件在期望时期保持在接通状态中。

图2示出包括DC电压源、功率级、输出级和泄放器的现有技术的基于LED的灯的例子。图2的拓扑通常被称为非绝缘降压-升压电路。输入级接收进入的AC电压并将进入的AC电压整流，在这种情况下包括二极管桥DB1和大容量电容器C1以提供未调节DC电压源。电感器L1、功率开关S1和控制器U1包括功率级。功率开关S1可以是晶体管。当功率级被启动时，功率开关S1快速接通和断开。输出调节由控制功率开关S1的接通和断开周期的控制器U1提供。输出级包括整流二极管D1和输出电容器C2。光发射器LED1耦合到已调节输出。光发射器可包括LED或LED的阵列(为了说明的清楚示出单个LED)。

镇流电阻器R1、开关R3和控制器U2包括泄放器电路的例子。当确定需要泄放器电流以便维持正确的操作时，U2将S3置于接通状态中，产生通过大容量电容器流过R1的负载电流。虽然这维持调光器开关的正确操作，它纯粹是浪费的并降低灯的操作效率。

图3示出的是耦合到前沿切相调光器开关的、图2所示的现有技术的基于LED的灯的一般操作波形。图3a绘制电压与时间的关系曲线并示出在切相AC输入波形(实线)上叠加的AC干线电压波形(虚线)。

图3b示出的是如由控制器U1控制来维持输出调节的功率开关S1随着时间的接通和断开周期。控制器U1在调光器开关的三端双向可控硅开关开始导通之后开始接通和断开周期。一旦正确数量的能量被传送到负载(即，灯)，控制器U1就通过暂停S1的接通和断开周期来停止到负载的能量转移。这通过调节阈值300示出，调节阈值300可被调节以便维持输出调节。

当S1的接通和断开周期被暂停时，基于LED的灯放置在AC输入电压上的负载是最小的，需要为了上面讨论的原因而启动泄放器。如在图3c中所示的，当S1的开关周期被禁用时，控制器U2通过将S2置于接通状态中来启动泄放器电路。当存储在大容量电容器C1中的能量在最大值时，S1的开关周期出现。

图4示出的是耦合到后沿切相调光器开关的、图2所示的现有技术的基于LED的灯的一般操作波形。图4a绘制电压与时间的关系曲线并示出在切相AC输入波形(实线)上叠加的AC干线电压波形(虚线)。

图4b示出的是如由控制器U1控制来维持输出调节的S1随着时间的接通和断开周期。控制器U1在调光器开关的三端双向可控硅开关开始导通之后开始接通和断开周期，该导通在后沿调光器开关的情况下在AC干线波形的零交叉处。一旦正确数量的能量被传送到负载，控制器U1就通过暂停S1的接通和断开周期来停止到负载的能量转移。这通过调节阈值400示出，调节阈值400可被调节以便维持输出调节。

当S1的接通和断开周期被暂停时，基于LED的灯放置在AC输入电压上的负载是最小的，需要为了上面讨论的原因而启动泄放器。如在图4c中所示的，当S1的开关周期被禁用时，控制器U2通过将S2置于接通状态中来启动泄放器电路。

与前沿调光器的情况相反，当在大容量电容器中的能量的数量在其最大值处时，泄放器被启动。因为由泄放器电路分配的能量纯粹是浪费的，灯的操作效率极大地被降低了。

发明内容

根据本公开的第一方面，提供了一种灯，其用于经由前沿切相调光器开关连接到AC主电源，并且所述灯包括：

输入级；

输出级，其包括固态光源；

功率级，其包括用于选择性地耦合功率级与输出级的功率开关；

泄放器电路，其包括负载和用于选择性地耦合负载与输入级的泄放器开关；以及

控制器，其布置成：

在如调节阈值所确定的AC主电源周期的点处开始并在切相调光器开关使AC干线与灯断开时结束的时期的整个过程中，启用功率开关的接通和断开开关周期，其中

调节阈值由来自一个或多个以前的AC半周期的反馈确定。

可选地，控制器还被布置成当功率开关的接通和断开开关周期被禁用时使泄放器开关能够耦合负载与输入级。可选地，输入级包括提供未调节的DC源的二极管桥和大容量电容器。

可选地，调节阈值可由控制器调节。

可选地，该时期的结束由与停止阈值交叉的AC主电源电压触发。

可选地，控制器包括与功率开关耦合的第一控制器和与泄放器开关耦合的第二控制器。

可选地，固态光源包括一个或多个发光二极管。

根据本公开的第二方面，提供了包括后沿切相调光器和用于经由后沿切相调光器开关连接到AC主电源的灯的照明系统，所述灯包括：

输入级；

输出级，其包括固态光源；

功率级，其包括用于选择性地耦合功率级与输出级的功率开关；

泄放器电路，其包括负载和用于选择性地耦合负载与输入级的泄放器开关；以及

控制器，其布置成：

在如调节阈值所确定的AC主电源周期的点处开始并在切相调光器开关使AC干线与灯断开时结束的时期的整个过程中启用功率开关的接通和断开开关周期，其中

调节阈值由来自一个或多个以前的AC半周期的反馈确定。

根据本公开的第三方面，提供了控制灯的方法，灯包括输入级；输出级，其包括固态光源；功率级，其包括用于选择性地耦合功率级与输出级的功率开关；泄放器电路，其包括负载和用于选择性地耦合负载与输入级的泄放器开关；所述方法包括：

在如调节阈值所确定的AC主电源周期的点处开始并在切相调光器开关使AC干线与灯断开时结束的时期的整个过程中启用功率开关的接通和断开开关周期；以及

基于来自一个或多个以前的AC半周期的反馈来确定调节阈值。

可选地，该方法还包括当功率开关的接通和断开开关周期被禁用时使泄放器开关能够耦合负载与输入级。

可选地，输入级包括二极管桥和大容量电容器并为泄放器电路和/或输出级提供未调节的DC源。

可选地，控制器调节所述调节阈值。

可选地，该时期的结束由与停止阈值交叉的AC主电源电压触发。

可选地，控制器包括与功率开关耦合的第一控制器和与泄放器开关耦合的第二控制器。

可选地，固态光源包括一个或多个发光二极管。

根据本公开的第四方面，提供了集成电路，其包括：

输入级；

输出级，其适合于与固态光源耦合；

功率级，其包括用于选择性地耦合功率级与输出级的功率开关；

泄放器电路，其包括负载和用于选择性地耦合负载与输入级的泄放器开关；以及

控制器，其布置成：

在如调节阈值所确定的AC主电源周期的点处开始并在切相调光器开关使AC干线与灯断开时结束的时期的整个过程中启用功率开关的接通和断开开关周期，其中

调节阈值由来自一个或多个以前的AC半周期的反馈确定。

集成电路可被提供为用于经由后沿切相调光器开关连接到AC主电源的固态灯的驱动器。上面描述的灯、照明系统和方法的特征也可以是集成电路的特征。

附图说明

下面将参考附图仅通过例子的方式来描述本公开，其中：

图1示出固态照明系统；

图2是示出基于LED的灯的所选定方面的示意图；

图3示出当耦合到前沿切相调光器开关时图2的基于LED的灯的一般操作波形；

图4示出当耦合到后沿切相调光器开关时图2的基于LED的灯的一般操作波形；

图5示出基于LED的灯的操作波形，其中比较了一般操作波形与根据本公开的操作波形；以及

图6示出根据本公开且如图5c所示的灯的操作波形的更多细节。

具体实施方式

本公开提供了当耦合到后沿调光器以便减少泄放器电路的功率消耗时的灯的智能控制。

图5示出根据本公开的实施方式的灯的操作，其中功率开关的接通和断开周期在当大容量电容器中的能量在其最高水平时的时期期间被启用。与后沿调光器的正常开关方案比较，这导致更高的操作效率。

图5a示出来自一般后沿调光器开关的随着时间的变化的AC输入波形的曲线。图5b示出现有的控制例子(类似于图4b的例子)，其中升压转换器的开关周期在AC干线信号的零交叉点处或在AC干线信号的零交叉点之后不久开始。如调节方法400所示的，输出调节可通过调节开关周期何时停止来实现。

图5c示出本公开的例子。在这里，调节阈值500确定在AC输入的每个半周期内的开关周期的开始，这与其中调节阈值确定开关周期何时停止的图5b的技术相反。

因此，输出调节被维持，且通过泄放器电路消耗的功率被最小化。

当调光器使AC干线与器件断开时，功率开关S1的开关周期停止。因为电压通过后沿调光器平稳地变弱而不是突然切断，所以一旦在C1两端的体电压下降到或低于预设阈值，功率开关的开关周期就可有利地停止，预设阈值可例如被选择为峰值AC干线电压的大约一半。

在优选实施方式中，半个周期的调节阈值500的放置可由在之前的半周期期间接收的反馈信号确定。

图6示出根据本公开且如图5c所示的灯的操作波形的更多细节。图6a示出叠加在切相AC输入波形(实线)上的随着时间的变化的AC干线波形(虚线)。图6b示出如控制器U1所控制的功率级开关S1的接通和断开周期。

在大容量电容器两端的体电压V_bulk被监测，且一旦电压V_bulk下降到或低于开关周期停止阈值600，功率开关S1的接通和断开周期就被禁用。

此外，在当前AC半周期期间使用反馈信号，控制器U1可确定更多或更少的能量是否需要被提供到接下来的AC半周期上的输出，以便维持输出调节。如果更少的能量被需要，则调节阈值将减小，在下一AC半周期使功率开关S1的开关周期的开始延迟。如果需要更多的能量来维持输出调节，则功率开关S1的开关周期将在下一AC半周期中更早地开始。给定AC半周期的反馈可由以前的AC半周期或多个以前的AC半周期提供，在这种情况下反馈可基于趋势或统计度量，例如来自多个半周期的值的滑动平均。

在当大容量电容器中的能量在其最大水平时的时期期间不启动泄放器电路，所以与后沿调光器开关的正常控制比较，消耗的量减小了。

可对上述内容进行各种改进和修改，而不偏离本公开的范围。

Claims (16)

1.一种灯，其用于经由后沿切相调光器开关连接到AC主电源，并且所述灯包括：

输入级；

输出级，其包括固态光源；

功率级，其包括用于选择性地耦合所述功率级与所述输出级的功率开关；

泄放器电路，其包括负载和用于选择性地耦合负载与所述输入级的泄放器开关；以及

控制器，其被布置成：

在如调节阈值所确定的AC主电源周期的点处开始并在所述切相调光器开关使所述AC干线与所述灯断开时结束的时期的整个过程中启用所述功率开关的接通和断开开关周期，其中

所述调节阈值由来自一个或多个以前的AC半周期的反馈确定。

2.如权利要求1所述的灯，其中所述控制器还被布置成当所述功率开关的接通和断开开关周期被禁用时使所述泄放器开关能够耦合所述负载与所述输入级。

3.如权利要求1所述的灯，其中所述输入级包括提供未调节的DC源的二极管桥和大容量电容器。

4.如权利要求1所述的灯，其中所述调节阈值可由所述控制器调节。

5.如权利要求1所述的灯，其中所述时期的结束由与停止阈值交叉的所述AC主电源的电压触发。

6.如权利要求1所述的灯，其中所述控制器包括与所述功率开关耦合的第一控制器和与所述泄放器开关耦合的第二控制器。

7.如权利要求1所述的灯，其中所述固态光源包括一个或多个发光二极管。

8.一种照明系统，所述照明系统包括后沿切相调光器和用于经由后沿切相调光器开关连接到AC主电源的灯，所述灯包括：

输入级；

输出级，其包括固态光源；

功率级，其包括用于选择性地耦合所述功率级与所述输出级的功率开关；

泄放器电路，其包括负载和用于选择性地耦合负载与所述输入级的泄放器开关；以及

控制器，其被布置成：

在如调节阈值所确定的AC主电源周期的点处开始并在所述切相调光器开关使所述AC干线与所述灯断开时结束的时期的整个过程中启用所述功率开关的接通和断开开关周期，其中

所述调节阈值由来自一个或多个以前的AC半周期的反馈确定。

9.一种控制灯的方法，所述灯包括输入级；输出级，其包括固态光源；功率级，其包括用于选择性地耦合所述功率级与所述输出级的功率开关；泄放器电路，其包括负载和用于选择性地耦合负载与所述输入级的泄放器开关；所述方法包括：

在如调节阈值所确定的AC主电源周期的点处开始并在所述切相调光器开关使所述AC干线与所述灯断开时结束的时期的整个过程中启用所述功率开关的接通和断开开关周期；以及

基于来自一个或多个以前的AC半周期的反馈来确定所述调节阈值。

10.如权利要求9所述的方法，还包括当所述功率开关的接通和断开开关周期被禁用时使所述泄放器开关能够耦合所述负载与所述输入级。

11.如权利要求9所述的方法，其中所述输入级包括二极管桥和大容量电容器并为所述泄放器电路和/或所述输出级提供未调节的DC源。

12.如权利要求9所述的方法，其中控制器调节所述调节阈值。

13.如权利要求9所述的方法，其中所述时期的结束由与停止阈值交叉的所述AC主电源的电压触发。

14.如权利要求12所述的方法，其中所述控制器包括与所述功率开关耦合的第一控制器和与所述泄放器开关耦合的第二控制器。

15.如权利要求9所述的方法，其中所述固态光源包括一个或多个发光二极管。

16.一种集成电路，所述集成电路包括：

输入级；

输出级，其适合于与固态光源耦合；

功率级，其包括用于选择性地耦合所述功率级与所述输出级的功率开关；

泄放器电路，其包括负载和用于选择性地耦合负载与所述输入级的泄放器开关；以及

控制器，其被布置成：

在如调节阈值所确定的AC主电源周期的点处开始并在所述切相调光器开关使所述AC干线与所述灯断开时结束的时期的整个过程中启用所述功率开关的接通和断开开关周期，其中

所述调节阈值由来自一个或多个以前的AC半周期的反馈确定。