CN105993205A

CN105993205A - 用于操作led串的电路布置

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Publication number: CN105993205A
Application number: CN201580004302.9A
Authority: CN
Inventors: I·巴克
Original assignee: Tridonic Jennersdorf GmbH
Current assignee: Tridonic Jennersdorf GmbH
Priority date: 2014-01-13
Filing date: 2015-01-12
Publication date: 2016-10-05
Anticipated expiration: 2035-01-12
Also published as: CN105993205B; EP3095301B1; EP3095301A1; WO2015104407A1; DE102014200433A1

Abstract

一种用于包括多个串联连接的LED(11‑25)的LED模块(53)的电路布置(1)，该电路布置包括第一电流源(35)和第二电流源(36)。第一电流源(35)串联连接到LED模块(53)的所有LED(11‑25)。第二电流源(36)串联连接到LED模块(53)的第一子集(33)的LED(11‑24)。该第一子集(33)的LED(11‑24)串联连接。第一子集(33)比LED模块(53)少至少一个LED(25)。

Description

用于操作LED串的电路布置

本发明涉及一种用于操作串联连接的LED的电路。本发明尤其涉及以恒定电流来控制(驱动)串联连接的LED。

已知多种不同的技术用于给LED串供电。最简单的解决方案是通过使用线性电源向LED串提供恒定电流。然而，这种线性电源具有严重的缺点，即只能在很窄的工作点处达到高效率。因此，如果工作点被设置为接近正常工作的条件，则由于组件的老化或温度变化而产生的电压变化只能在很窄的范围内被抵消。另选地，工作点可以被设置成更好地适应上述电压变化。但这会导致效率降低。另选地，可以使用更加复杂的开关电源。但这些开关电源昂贵得多。

美国专利申请US 2007/0257623 A1显示另一另选的电路布置。电流源串联连接到串联连接的LED。每个LED都并联连接到场效应晶体管，场效应晶体管被设置用于选择性地分流各个LED。在电压变化将会导致超出电流源的工作点以外的情况下，单独的LED可被分流以便返回到规定的工作范围。但这种解决方案也相当昂贵和复杂，因为必须给LED模块的每个单独LED提供分流晶体管。尤其，不再可能与所示出的电路布置一起使用标准的串联连接的LED模块。

因此，本发明的目的是提供一种灯操作电路，该灯操作电路能够提供围绕工作点的较宽的工作范围，并且同时实现高效率。

该目的通过针对装置的权利要求1的特征来解决。从属权利要求包含进一步的改进。

根据本发明，用于操作/驱动LED模块的电路布置(“驱动器”)包括：

-多个串联连接的LED(“LED串”)，

-至少第一电流源和第二电流源。

第一电流源被串联连接到LED模块的所有LED。第二电流源被串联连接到LED模块的LED的第一子集。LED的第一子集串联连接。该第一子集包括的LED比该LED模块的LED少至少一个。由于两个电流源可以被设置成不同的工作点，因此能够将LED串作为一个整体进行操作/驱动，或者另选地在较宽的工作范围内在最佳效率情况下仅操作/驱动LED串的一部分。

该电路布置包括用于在第一状态与第二状态之间进行切换的电路，在第一状态下，第一电流源工作并且第二电流源不工作，在第二状态下第一电流源不工作并且第二电流源工作。所述切换通过检测电流源的电参数被触发，所述电气参数例如是诸如流经电流源的电流和/或电流源两端的电压降。

第二电流源可以被设置成将通过LED的电流控制成比第一电流源高的电流电平。

切换电路可以是分立电路、集成电路(ASIC，μC)或它们的混合版本。

电流源可以分别是包括晶体管的电流调节器。

优选地，该电路布置被供应直流(DC)电压。然而，该电路布置也可以由经整流的交流(AC)电压来驱动。

DC电压可以由具有AC/DC转换器的中央单元(“主装置”)提供，其可以包括主动切换的PFC并向根据本发明的多个电路布置(“从装置”)供电。

中央单元可以单向地或双向地与所连接的电路布置进行通信。所述通信可以使用对从装置的DC供电(例如，借助电力线通信PLC，根据PLC，信号被调制在DC电压上)和/或通过单独的无线或有线通信线路来实现。例如从装置的LED的调光可以通过从主装置向一个或更多个(或全部)从装置发送调光信号来实现。

主装置可以与从装置集成在同一壳体内。这是内部DC总线通信的一个示例。

另选地，状态和/或维护信息也可以在主装置和从装置单元之间进行传输。例如，关于温度、LED串的额定电流值、LED的数量、老化信息等的信息可以由从装置发送至(内部或外部的)主装置。

然后，所述电路布置将响应于任何接收到的调光信号来操作LED。

调光可以通过改变电流源的额定电流值和/或通过将LED串的一个或更多个LED旁路来实现。

另选地或附加地，调光可以通过对经过LED串的操作(电流流动)的PWM调制来实现。

进一步，总线参与方(bus actor)或者传感器可以被布置成使用DC电压供电和/或单独的无线或有线通信线路与主装置和从装置进行通信

本发明还涉及一种用于操作LED模块的电路布置(“驱动器”)，该电路布置包括：

-至少一个电流源，诸如线性调节器。LED模块包括多个串联连接的LED(“LED串”)。

电流源被串联连接到LED模块的所有LED。提供一种切换电路用于：

-检测电流源的电气参数，诸如，例如流经电流源的电流和/或跨电流源的电压降，以及

-根据检测到的电气参数的值，选择性地旁路LED模块中的一个或更多个LED。

优选地，通过测量表示跨电流源(线性稳压器)的电压降的电气参数来激活所述旁路，并且一旦该电压降下降到低于预设的阈值就激活所述旁路。

当旁路被激活时，可以修改电流源的额定电流值(设定点)，优选地增加。优选地，这样进行修改，即剩余的工作LED子串的光输出等于完整LED串(无旁路)的光输出。

根据所测得的电气参数，可以调整电源电压电平(例如DC电源电平)。这样做是为了避免跨电流源的不必要的高电压降。因此，电压降可以通过测量电压降和调整电源电压电平将跨电流源的电压降调节到额定值或额定范围。

所测得的电压降可以被传递到电源单元(“主装置”)以便电源单元根据需要设置电源电压电平(“按需提供电压”)。

有利地，该电路布置包括与LED模块的LED的多个子集相连的多个电流源。于是每个电流源都被连接到LED模块的独特数量的串联连接的LED。由于每个子集都被连接到单独的电流源并且每个电流源都可以被设置成不同的工作点，因此在最佳效率的情况下可以达到整个电路布置的甚至更大的工作范围。

此外，该电路布置有利地包括用于感测跨LED模块中的串联连接的LED的电压降的感测装置以及用于根据所述电压降交替地切换电流源的切换装置。基于各个电流源的当前工作点与最佳工作点的接近程度来决定工作电流源。从而实现高效率。

此外，有利地，该电路布置包括微控制器。感测装置和切换装置于是被并入该微控制器中。该电路布置的简单且合算的结构是可能的。此外，微控制器可以非常容易地进行编程。

另选地，使用第一晶体管和第二晶体管共同实现感测装置和切换装置。晶体管各自包括输入端子。从跨LED模块的电压降导出的信号被连接在晶体管的输入端子之间。因此，晶体管同时作为感测和切换装置。晶体管将电压降与预先设定的阈值进行比较，并且接通相关电流源并断开其它电流源。

有利地，开关装置被设置用于当电压降在第一电压范围内时接通第一电流源，并且当电压降在第二电压范围内时接通第二电流源。由此，能够实现该电路布置的高效率。

此外，有利地，该电路布置包括与LED模块的LED的多个子集相连的多个电流源。每个电流源都被连接到LED模块中的独特数量的串联连接的LED。切换装置于是被设置用于当电压降在第一电压范围内时接通第一电流源，并且当电压降在各自的电压范围内时接通多个电流源中的一个。由此可以实现进一步提高的效率。

还有利的是，切换装置被设置用于当将电压降与电压范围进行比较时使用滞回(hysteresis)。由此，能够防止在两个电流源之间非计划的高频度反复开关。

有利地，该电路布置还包括用于接收调光值或调光信号的控制装置。此外，在接收到调光值的情况下，该控制装置被设置用于根据所接收到的调光值创建调光信号。另外，控制装置被设置用于将调光信号提供至电流源，其中，该电流源被设置用于根据该调光信号执行供应的电流的减小。因此，能够利用这个非常简单的电路布置实现调光。

还有利的是，调光信号是脉宽调制调光信号。电流源于是被设置用于对提供给LED的电流执行脉宽调制调光。

另外，有利的是，该电路布置还包括用于使脉宽调制调光信号平滑的平滑电路。电流源于是被设置用于使用平滑的脉宽调制调光信号对所提供的电流执行调光。从而能够实现恒定的光输出。

本发明的灯包括如上所述的电路布置以及包括多个串联连接的LED的LED模块。有利地，LED模块包括连接到该LED模块中的串联连接的LED的第一个LED的第一连接器、连接到该LED模块中的串联连接的LED的最后一个LED的第二连接器、以及连接到该LED模块中的串联连接的LED中的位于该LED模块中的串联连接的LED的第一个LED与最后一个LED之间的LED的第三连接器。因此电路布置的非常简单的构造是可能的。

在说明书、权利要求书和附图的上下文中，术语“PWM调制”被用于LED的脉冲操作的一个示例，使得上述上下文中的PWM必须被视为表示其它脉冲调制，诸如频率调制或脉冲/间歇调制。

现在结合附图进一步说明本发明的示范性实施方式，其中

图1示出本发明的电路布置的第一实施方式；

图2示出本发明的电路布置的第二实施方式；

图3示出本发明的电路布置的第三实施方式；并且

图4示出了本发明的另一个实施方式。

根据图1至图3，对本发明的电路布置的不同实施方式的相关结构和功能进行了描述。不同的图中类似的实体和附图标记已部分删去。

图1示出了本发明的电路布置1的第一实施方式。该电路布置1包括电压源30以及连接到该电压源的LED模块53。

电压源可以是DC电压源或者经整流的AC电压源。电源电压电平可以是可调整的。

LED模块53包括LED 11-25，LED 11-25串联连接从而形成LED串。电压源30被连接到LED模块53的第一个LED 11。电路布置1还包括第一电流源35和第二电流源36。电流源35、36还各自包括电压源30。

可以并联连接额外的LED串。

第一电流源35(例如是使用晶体管的线性调节器)被连接到LED模块53的最后一个LED 25。因此，电流源35被设置用于将电流输入(例如在恒定值上调节电流)到整个LED模块53中。另一方面，第二电流源36在LED模块53的最后一个LED 25与最后一个LED之前的LED 24之间被连接到LED模块53。因此，电流源36被设置用于将电流输入到LED模块53中的第一子集33的LED 11-24中。因此，电流源36被设置用于不将电流输入到LED模块53的LED 25中。

这代表关于如何选择性地旁路LED串中的一个或更多个LED并同时继续操作未被旁路的一个或更多个剩余的LED的示例。这也可以利用单个电流源和旁路装置来完成(例如当控制处于导通状态的开关时，旁路分流一个或更多个LED)。

电流源35包括晶体管41。该晶体管41的集电极被连接到LED模块53的最后一个LED 25。该晶体管41的发射极被连接到电阻器42，该电阻器42被连接到电压源30的负极连接器。该晶体管41的基极被连接到电阻器31，该电阻器31被连接到电压源的正极连接器以及LED模块53的第一个LED 11。该晶体管41的基极还被连接到两个二极管39、40的串联连接。二极管39被连接到晶体管41的基极和二极管40，该二极管40又被连接到电压源30。

电流源36还包括晶体管49。该晶体管49的集电极被连接到LED模块53的最后一个LED 25与LED模块53的最后一个LED之前的LED 24之间。该晶体管49的发射极被连接到电阻器50，该电阻器50又被连接到电压源30的负极连接器。此外，该晶体管49的基极被连接到两个二极管47、48的串联连接。该晶体管49的基极被连接到二极管47，该二极管47被连接到二极管48，该二极管48又被连接到电压源30。

另外，晶体管49的基极被连接到电阻器34，该电阻器34又被连接到电压源30的正极连接器，并同时被连接到LED模块53中的第一个LED 11。

此外，电路布置1包括感测和切换装置51。通常，该感测和切换装置是用于切换的电路并且被布置用于：

-检测电流源的电气参数，诸如，流经电流源的电流和/或跨电流源的电压降，以及

在一个实施方式中，电路用于在第一状态和第二状态之间进行切换，在第一状态中，第一电流源工作并且第二电流源不工作，在第二状态中，第一电流源不工作并且第二电流源工作。所述切换通过检测电流源的电气参数(诸如流经电流源的电流和/或跨电流源的电压降)而被触发。

根据所述示例的感测和切换装置51包括第一晶体管38。该晶体管38的集电极被连接到晶体管41的基极。该晶体管38的发射极被连接到电压源的负极连接器。该晶体管38的基极被连接到电阻器37，该电阻器37又被连接到晶体管49的基极。此外，感测和切换装置51包括第二晶体管46。该晶体管46的集电极被连接到晶体管49的基极。该晶体管46的发射极被连接到电压源30的负极连接器。该晶体管46的基极被连接到电阻器43，而该电阻器43又被连接到LED模块53的最后一个LED 25。此外，该晶体管46的基极被连接到二极管44，该二极管44被连接到另一二极管45，该二极管45又被连接到电压源30的负极连接器。

电流源35被设置用于驱动流经整个LED模块53的恒定电流。在最佳工作点，实现该线性控制的恒流源的高效率。在组件老化或温度变化影响整个LED模块53的电压降的情况下，可能出现LED 11-25不再发射任何光的工作状态。对于这种情况，LED串中的一个或更多个LED将被旁路。

作为示例，电流源36被连接到LED模块53的第一子集33LED 11-24。因为不再是整个LED模块53，而是在减少了LED 25的情况下提供电流，因此可以实现更低的组合正向电压。为了在这两个电流源35、36之间进行切换，使用感测和切换装置51。第一个LED 11处的电压通过电阻器34和37被提供至晶体管38的基极。最后一个LED 25处的电压通过电阻器43被提供至晶体管46。通过使用二极管44、45(它们与电阻43一起形成分压器)，设定感测和切换装置51的行为。

跨第一电流源35的电压降也被施加到电阻器43和二极管44、45的串联连接。只要该电压降足够高，则电流就将流动，这将导致晶体管46将第二电流源的晶体管49保持在非导通状态下，使得第二电流源不工作。

一旦跨第一电流源35的电压降降低到使得跨二极管44、45的电压降低于它们的组合正向电压，则将没有电流流经该路径，这会导致晶体管46将第二电流源的晶体管49带入导通状态，使得第二电流源工作。在该状态下，电流将流经电阻器34和二极管47、48的串联连接，这会导致跨二极管47、48的电压降，这将导致晶体管38将第一电流源41的晶体管41保持在非导通状态下。

因此，在所示的电压降的示例中，对电流源35的电气参数(电压降)的测量导致选择性旁路至少一个(但不是全部)LED。这样的参数的测量未必导致另一电流源的启用，但是也可以用于控制一个或更多个开关以旁路一个或更多个LED子串，每一个LED子串都具有一个或更多个LED。旁路的这种控制可以使用如图所示的分立的开关(控制)电路或集成的开关(控制)电路来完成。在任何情况下，开关(控制)电路将被提供电气参数信号并且将控制旁路开关。

值得注意的是，在同一时间，仅电源35、36中的一个驱动电流经过LED模块53。

另选地，另一电流源可以以相同的方式来实现。各晶体管的集电极将被连接在LED模块53中连续的LED之间。在第三电源的情况下，各晶体管的集电极将被连接在LED 23与24之间。此外，在这种情况下，感测和切换装置51也将被修改，以便也控制第三电源。在这种情况下，感测和切换装置51将选择最接近当前工作状态的电源，用于驱动电流经过LED模块53。

在图2中描绘了本发明的电路布置2的第二实施方式。电压源59对应于图1的电压源30。电流源65、66对应于图1的电流源35、36。感测和切换装置81对应于图1的感测和切换装置51。电阻器61、64对应图1的电阻31、34。LED模块83对应于图1的LED模块53。LED的第一子集63对应于图1的第一子集33。晶体管71对应于图1的晶体管41。晶体管79对应于图1的晶体管49。电阻器72对应于图1的电阻器42。电阻器80对应于图1的电阻器50。二极管69、70、74、75、77、78对应于图1的二极管39、40、44、45、47、48。电阻器67、73对应图1的电阻器37、43。

在此示出的实施方式的主要区别是，电阻器61、64不再被连接到LED模块83的第一个LED 11，而是被连接到微控制器60。电压源59的正极连接器现在仅被连接到模块83的第一个LED。不存在至电阻器61、64的直接连接。在本实施方式中，感测和切换装置81的功能以及电流源65、66的功能保持不变。这里的不同之处在于控制装置112被并入到微控制器60中并且向电流源65、66提供附加的控制信号，例如调光信号。该信号用于控制电流源65、66的操作，以实现LED模块83的光输出的调光。例如，可以通过控制装置112接通和切断如脉宽调制所需的调光信号来实现脉宽调制。

在另选实施方式中，控制装置112被进一步设置用于通过总线接收调光值(例如数字调光值)并根据接收到的调光值计算调光信号。

在另选实施方式中，电路布置2还包括平滑电路，该平滑电路用于在电流源65、66对脉宽调制调光信号做出反应而切换流经LED模块83的电流的接通和关闭之前使该脉宽调制调光信号平滑。在这种情况下，可以实现LED更均匀的亮度。可以防止或至少减少LED的典型的脉宽调制闪烁。

在图3a中，示出了本发明的电路布置3的另一实施方式。在本实施方式中，电压源89对应于图1的电压源30，LED模块113对应于图1的LED模块53，LED的第一子集93对应于图1中LED的第一子集33，电阻器91、94对应于图1中电阻器31、34，电流源95、96对应于图1的电流源35、36。因此，二极管99、100、107、108对应于图1的二极管39、40、47、48。晶体管101、109对应于图1的晶体管41、49。电阻器102、110对应于图1的电阻器42、50。

在本实施方式中，存在微控制器90，其部分对应于图2的微控制器60。微控制器90现在被独立地连接到电阻器91和94。此外，微控制器90被连接到晶体管101的集电极。该微控制器执行控制装置111的功能，控制装置111对应于图2中的控制装置112。通过至电阻器91和94的连接，控制装置111被设置用于控制电流源95、96的工作状态。通过至晶体管101的集电极的连接，控制装置111被设置为测量LED模块113上的电压降。控制装置111因此合并了图1和图2中感测和切换装置51、81的功能。

第二电流源可以被设置成将流经LED的电流控制到比第一电流源高的电流电平。

切换电路可以是分立的电路、集成电路(ASIC，μC)或者它们的混合版本。

电流源可以分别是包括晶体管的电流调节器。

优选地，该电路布置被提供DC电压。然而，该电路布置也可以由经整流的AC电压驱动。

现在将参照图4来说明本发明的原理和特征：

DC电压可以由具有AC/DC转换器的中央单元PS(“主装置”)提供，该中央单元可以包括主动切换的PFC，并且可以向根据本发明的一个或更多个电路布置(“从装置”)供电。

中央单元PS可以单向或双向地与所连接的电路布置进行通信，即与这样的LED驱动器的控制电路CC进行通信。所述通信可以使用从装置的DC或AC电源100来实现(例如，借助电力线通信PLC，根据PLC，信号被调制在DC电压上)和/或通过单独的无线或有线通信线路101来实现。例如从装置的LED的调光可以通过从主装置向一个或更多个(或全部)从装置发送调光信号来实现。

另选地，状态和/或维护信息也可以在主装置与从装置单元之间传输。例如，关于温度、LED串的额定电流值、LED的数量、老化信息等的信息可以由从装置发送至(内部或外部的)主装置。

调光可以通过使具有这样的LED驱动器的控制电路CC改变电流源CS的额定电流值来实现(参见控制信号路径102)和/或通过旁路LED串的一个或更多个LED来实现(参见控制信号路径103)。

可以向LED驱动器的控制电路CC提供表示电流源CS的电气工作参数的信号104，例如以便控制103、103′一个或更多个旁路电路BP1、BP2。

控制路径105、105′示出了电流源CS对旁路电路BP1、BP2的直接控制。

另选地或附加地，调光可以如下实现，通过LED串的操作(电流流动)的PWM调制，例如被电源PS影响。

另外的总线参与方BA或传感器SEN可以被布置成使用DC电压源和/或单独的无线或有线通信线路与主装置和从装置通信。

本发明并不限于这些示例并且尤其不限于上面所说明的实施方式中所示出的LED模块中的LED的数量。实施方式的特征可以以任何组合的形式使用。

Claims

1.一种用于操作LED模块(53、83、113)的电路布置，

该电路布置包括：

-第一电流源，

其中，所述LED模块(53、83、113)包括多个串联连接的LED(11至25)，

其中，所述第一电流源(35、65、95)串联连接到所述LED模块(53、83、113)的所有LED(11至25)，

-第二电流源(36、66、96)，该第二电流源(36、66、96)串联连接到所述LED模块(53、83、113)的第一子集(33、63、93)的LED(11至24)，

其中，所述第一子集(33、63、93)的所述LED(11至24)串联连接，并且

其中，所述LED模块(53、83、113)包括不属于所述第一子集(33、63、93)的一部分的至少一个LED(25)，以及

用于在第一状态与第二状态之间进行切换的电路，在所述第一状态中，所述第一电流源工作并且所述第二电流源不工作，在所述第二状态中，所述第一电流源不工作并且所述第二电流源工作，由此优选通过检测所述电流源的电气参数来触发所述切换，所述电气参数诸如是流经所述电流源的电流和/或跨所述电流源的电压降。

2.根据权利要求1所述的电路布置，

其特征在于

所述电路布置电路包括多个电流源，所述多个电流源连接到所述LED模块的LED的多个子集，其中，每个电流源都连接到所述LED模块的预定数量的串联连接的LED。

3.根据权利要求1或2所述的电路布置，

其特征在于

所述电路布置还包括感测和切换装置(51、81、111)，该感测和切换装置(51、81、111)用于

-交替地接通所述电流源(35、36、65、66、95、96)。

4.根据权利要求3所述的电路布置，

其特征在于

所述电路布置(3)包括微控制器(90)，并且

所述感测和切换装置(111)被并入所述微控制器(90)中。

5.根据权利要求3所述的电路布置，

其特征在于

所述感测和切换装置(51、81)包括第一晶体管(38、68)和第二晶体管(46、76)，所述晶体管(68、76)各自包括输入端。

6.根据权利要求3至5中任一项所述的电路布置，

其特征在于

所述感测和切换装置(51、81、111)被设置用于

-当所述电压降值在第一电压范围内时，接通所述第一电流源(35、65、95)，并且

-当所述电压降值在第二电压范围内时，接通所述第二电流源(36、66、96)。

7.根据权利要求3至6中任一项所述的电路布置，

其特征在于

所述电路布置包括多个电流源，所述多个电流源连接到所述LED模块的LED的多个子集，其中，每个电流源都连接到所述LED模块的预定数量的串联连接的LED，

所述感测和切换装置被设置用于

-当所述电压降值在第一电压范围内时，接通所述第一电流源，并且

-当所述电压降值在相应的电压范围内时，接通所述多个电流源中的一个。

8.根据权利要求6或7所述的电路布置，

其特征在于

所述感测和切换装置(51、81、111)被设置用于当将所述电压降值与预定的电压范围进行比较时使用滞回。

9.根据权利要求1或8中任一项所述的电路布置，

其特征在于

所述电路布置(2)包括控制装置(112)，该控制装置(112)用于

-接收调光值或调光信号，

-在接收到所述调光值的情况下，根据接收到的调光值创建调光信号，并且

-将所述调光信号提供至所述电流源(65、66)，

其中，所述电流源(65、66)被设置用于根据所述调光信号来减少提供的电流。

10.根据权利要求9所述的电路布置，

其特征在于

所述调光信号是脉宽调制调光信号，并且

所述电流源(65、66)被设置用于对所提供的电流执行脉宽调制调光。

11.根据权利要求9或10所述的电路布置，

其特征在于

所述电路布置还包括用于使所述脉宽调制调光信号平滑的平滑电路，并且

所述电流源被设置用于使用经平滑的所述脉宽调制调光信号来对所提供的电流执行调光。

12.一种用于操作LED模块(53、83、113)的电路布置，该电路布置包括：

-至少一个电流源，

其中，所述电流源(35、65、95)串联连接到所述LED模块(53、83、113)的所有LED(11至25)，

以及

切换电路，该切换电路检测所述电流源的电气参数，所述电气参数诸如是流经所述电流源的电流和/或跨所述电流源的电压降，并且该切换电路根据检测到的电气参数的值来旁路所述LED模块的一个或更多个LED。