CN107006090A

CN107006090A - 驱动照明元件

Info

Publication number: CN107006090A
Application number: CN201580061315.XA
Authority: CN
Inventors: M.W.布卢姆; T.G.齐杰尔曼
Original assignee: Koninklijke Philips NV
Current assignee: Signify Holding BV
Priority date: 2014-11-11
Filing date: 2015-11-02
Publication date: 2017-08-01
Anticipated expiration: 2035-11-02
Also published as: CN107006090B; RU2017120281A; JP2017536667A; EP3219172A1; RU2707876C2; EP3219172B1; RU2017120281A3; WO2016074961A1; US10820389B2; JP6339293B2; US20170332450A1

Abstract

一种用于驱动LED照明元件（54）生成编码光的模拟调光器驱动器包括：输出部件（52），其提供初级电流（i_pr）；电容器（53），其连接至输出部件；开关（S1），照明元件可经由该开关连接到与电容器并联的电流源。通过周期性地打开和闭合开关来执行切换以便将信息编码到照明元件生成的光中。输出部件具有被配置成接收调光信号的输入端。响应于调光信号的变化：i)增大初级电流以便增大生成的光的平均功率；以及ii)使切换的占空比增大一定量，该量足以防止开关闭合时通过照明元件的电流的峰值水平（i_pr+i_dis）超过预定水平（i_nom）。

Description

驱动照明元件

技术领域

本公开涉及一种用于驱动照明元件的机构，所述机构具有调光功能和编码光功能两者。

背景技术

编码光指的是将数据嵌入到诸如日常灯具之类的光源发射的光中的技术。光典型地包括用于照射诸如房间之类的目标环境（典型地为光的主要目的）的可见光照射（illumination）贡献以及用于向环境提供信息的嵌入信号两者。要做到这点，在某个或者某些调制频率下对光调制，所述调制频率优选地为足够高的频率以便超出人类感知并且因此不影响主要的照射功能。在一些情况下，编码光发射器可能根本没有照射功能。在那种情况下，可见光或者不可见的红外光可以用作用于传输信息的媒介。

在一些最简单的情况下，信号可以包括单一波形或者甚至是调制到来自给定灯具的光中的单一音调。多个灯具中的每一个发射的光都可以利用在那些灯具中是唯一的各自不同的调制频率进行调制，并且该调制频率于是可以用作该灯具或者它的光的标识符。例如，这可以用在调试阶段中以便识别来自每个灯具的贡献，或者在操作期间可以用来识别灯具以便远程控制它（例如经由RF回传信道）。在另一个示例中，通过将标识符映射到灯具的已知位置或者与该位置关联的信息，可以将标识用于导航或者其他基于位置的功能。

在其他情况下，可以将包括更复杂的数据的信号嵌入到光中。例如，使用幅度键控，可以改变光的幅度以便对数据编码，例如使用高低水平表示比特或者使用更复杂的调制方案表示不同的符号。或者，使用频率键控，给定灯具可操作来在两个（或者更多）不同调制频率上发射，并且通过在这些不同调制频率之间切换而发射数据比特（或者更一般而言符号）。

可以将信息编码到LED（“发光二极管”灯或者其他LED照明元件）生成的光中。LED照明元件典型地包括可以以若干配置连接的多个LED。最简单的配置之一是将部件LED串联连接以便形成“LED串”，但是其他更复杂的配置（诸如多个并联的串）也是可能的。图1A示出了LED串1，电流i流经该串。

EP2547174A2公开了一种照射光通信设备，其通过调制照射光的强度而执行可见光通信，其中若干LED串联放置以便形成这样的LED串。

用来对LED供电的电路应当提供足够的电流来点亮LED，但是电流不太大以免损坏LED或者降低其效能。对于诸如用作电子设备上的指示器的LED之类的低功率LED，可以使用电阻器限制从固定DC电压源供应给LED的电流。然而，当驱动用于照射的这种高功率LED时，需要更复杂的驱动器电路（驱动器）来实现对于LED的高效和受控的操作。一种类型的驱动器电路包括恒定电流源，该恒定电流源输送与恒定电流源两端的电压基本上无关的DC电流。这可以通过以下方式实现：使用电阻器感测恒定电流源输出的电流，其中来自电阻器的反馈用来将输出的电流维持在与参考水平匹配的水平。

在照射的情景下，有时希望提供一种调光机构，即可以通过其将LED灯的平均光通量（“光输出”）改变为不同的希望的水平的机构。例如以流明表示的光通量或者发光功率是灯发射的光的功率的度量，经过调节以便计及人眼对不同波长的变化的灵敏度。在此情景下，“平均”意味着在一定时间窗口内的均值，该时间窗口足够长以便平滑掉灯的输出中的任何振荡，该振荡快得足以超出人类知觉的限度，诸如由将信息编码到光中而产生的振荡。

一种类型的调光是脉宽调制（PWM）调光，其中LED串1由恒定电流i0驱动，该恒定电流以周期T周期性地被抑制，即使得在每个周期T内，只针对周期T的一部分dc*T允许恒定电流i0流经串1，其中dc称为PWM的占空比。周期T足够小，使得1/T高于人类知觉阈值，使得对于人眼而言，串1的光输出近似为dc*Lmax，其中Lmax为电流i0未被抑制时的光输出。这在图1B中图示出，其示出了可以如何改变占空比dc以便分别提供50%和25%的调光水平。注意，未受抑制间隔期间流经串1的电流量总是i0，而不管调光水平如何；改变的全是占空比。

已经使用调光机构来提供颜色可调灯，例如Philips^TM色调家族产品。这些产品是可以通过ZigBee光链路（以及经由WiFi使用桥接器）进行控制的LED灯。一种双级驱动器包括：i) 电压源，其从市电（mains）转换为中间DC电压；和ii) 具有恒定电流的电流源。电流源利用电流控制环实现，该电流控制环具有相对较高的带宽，即其甚至在存在高频负载变化时也维持设定的电流。不同色点的LED串联放置，并且每个颜色通道的强度通过使用PWM信号控制的旁路开关进行改变，即PWM调光单独地用在每个颜色通道上以便提供对于颜色平衡的控制。

US2013/015784公开了一种机构，其中PWM用来实现调光控制，并且可见光通信通过使用四脉冲点位置调制（4PPM）方案调制照射光的光强度来实现。

另一种类型的调光是模拟调光，其中LED串1由电流i驱动，该电流变化以便改变调光水平。这在图1C中图示出，其示出了50%和25%的调光水平如何可以通过将电流i降低至产生Lmax的电流i0的0.5和0.25来实现。

模拟和PWM调光每个都具有其自身的在性能和成本两方面的优点和缺点。在实践中，将存在成本与性能之间的一定程度的折衷，其最终决定选择哪一种用于特定的驱动器架构。

发明内容

PWM调光给出一种用于编码光的“自由”实现方式，因为可以以最小的电路系统或者在没有附加电路系统的情况下将光编码功能并入PWM调光机构中：对于频率调制方案（其中通过调制光的频率将数据嵌入到光中，并且检测该频率以便解码），PWM频率简单地被设置为编码光应用所需的频率（典型地在200Hz与800Hz之间）。可以根据需要设置和改变该频率以便与占空比无关地实现编码，并且因此不影响灯的平均输出。

然而，在一些情景下，模拟调光架构可能比PWM更合适，例如因为它可以使用更少的电路部件以及因而以较低的成本实现。例如，模拟调光架构在一些情况下可能更适合为直接（straightforward）白色LED灯提供调光功能。然而，模拟调光并不那么直接有利于编码光功能的并入。

本公开提供了一种既具有模拟调光功能又具有编码光功能的驱动机构。

第一方面针对一种用于驱动LED照明元件以生成编码光的模拟调光器驱动器。该驱动器包括输出部件、连接至输出部件的电容器、开关和控制器，并且其中输出部件是可控恒定电流源和可控恒定功率源中的一个。输出部件被配置成提供初级电流。照明元件可经由开关连接到与电容器并联的输出部件，使得当开关打开时，初级电流对电容器充电，并且当开关闭合时，电容器放电以生成放电电流，使得照明元件由包括放电电流和初级电流的驱动电流驱动。控制器被配置成通过周期性地打开和闭合开关执行切换以便将信息编码到照明元件生成的光中。电流源具有被配置成接收与调光水平（dl）相应的调光信号的输入端。响应于指示希望所生成的光的平均功率增大的调光信号的变化：i) 增大初级电流以便增大生成的光的平均功率；以及ii) 增大切换的占空比，使得它大于或者等于调光水平，从而防止驱动电流的峰值水平超过预定水平。

模拟调光通过改变电流源输出的实际电流（即初级电流）来实现，而编码通过所述切换来实现。电容器确保所述切换本身没有可察觉的调光效果，即对生成的光的平均功率没有可察觉的影响，使得调光水平完全由初级电流的水平（以及因而由指示该电流的水平的调光信号）设定。这是因为，在开关打开以便断开照明元件时，在其他情况下将由电流源“直接”输送至照明元件的能量替代地被输送至电容器并且由电容器存储，并且然后在开关随后闭合时由放电的电容器“间接”输送至照明元件。因此，针对给定初级电流的照明元件的平均功率输出在具有所述切换的情况下与在没有所述切换的情况下（即在它简单地由初级电流连续地驱动的情况下）基本上相同，并且仅在初级电流本身改变时才变化。

而且，与PWM调光（例如US2013/015784的调光）形成对照的是，改变本公开的切换的占空比（即对于其而言开关闭合的切换周期的部分）并不可察觉地改变生成的光的平均功率，即，与PWM调光形成对照的是，改变本公开的占空比本身没有可察觉的调光效果。这是因为，无论本公开的切换的占空比如何，在切换周期的过程中，对于给定的初级电流而言，基本上相同量的能量被输送至照明元件——更短的（分别地，更长的）占空比（即开关在切换周期的更小（分别地，更大）部分内闭合）只是意味着比起“直接”从电流源输送来说更多（分别地，更少）的该能量经由电容器“间接地”输送。

然而，本发明人已经理解，即使驱动电流的平均水平基本上与占空比无关，驱动电流的峰值水平则不然。这是因为，对于更短的占空比，需要在切换周期的过程中输送至照明元件的总能量需要这样在更短的时间量中输送（因为开关闭合更少的时间），导致更高的峰值电流。因此，如果占空比例如保持固定，那么无论何时初级电流增大，该峰值水平都会增大。这样的固定占空比切换将不提供对于驱动电流的峰值水平的控制，这可能损坏照明元件或者至少降低其效能。

通过根据以上面指出的方式控制初级电流的调光信号改变切换占空比，本公开的驱动器提供了一种机制，通过该机制可以调整驱动电流的峰值水平以便将它维持在预定水平处或者低于预定水平，所述预定水平可以例如设置为匹配与LED照明元件关联的标称电流（参见下文）。

在实施例中，在所述改变之前的驱动电流的峰值水平可以处于预定水平，并且占空比增大的量可以使得驱动电流的峰值水平保持在预定水平。

所述控制器可以具有被配置成接收数据的输入端，并且可以被配置成通过根据该数据改变所述切换的频率或者占空比来将数据嵌入到生成的光中。

所述切换的频率可以高于50Hz。

所述输出部件可以包括控制环，该控制环使初级电流或者与初级电流有关的输出与控制环的设定点匹配，并且可以通过增大设定点来增大初级电流。与初级电流有关的输出可以是输出部件提供的电功率。可以将设定点调节在低于50Hz的频率。

驱动器可以包括低通滤波器，调光信号可以在被输出部件接收之前由低通滤波器滤波，并且可以使用调光信号的未被低通滤波器滤波的版本执行所述切换。

所述开关可以是晶体管。

驱动器可以包括温度保护电路，该电路被配置成在照明元件的温度增加到预定限度之上时降低初级电流。

依照第二方面，一种照明装置包括LED照明元件以及被配置成驱动照明元件生成编码光的模拟调光器驱动器。该驱动器包括输出部件、连接至输出部件的电容器、开关和控制器，并且其中输出部件是可控恒定电流源和可控恒定功率源中的一个。输出部件被配置成提供初级电流。照明元件可经由开关连接到与电容器并联的输出部件，使得当开关打开时，初级电流对电容器充电，并且当开关闭合时，电容器放电以生成放电电流，使得照明元件由包括放电电流和初级电流的驱动电流驱动。控制器被配置成通过周期性地打开和闭合开关执行切换以便将信息编码到照明元件生成的光中。电流源具有被配置成接收与调光水平相应的调光信号的输入端。响应于指示希望所生成的光的平均功率增大的调光信号的变化：i) 增大初级电流以便增大生成的光的平均功率；以及ii) 增大切换的占空比，使得它大于或者等于调光水平，从而防止驱动电流的峰值水平超过预定水平。

所述预定水平可以匹配与照明元件关联的标称电流。

第三方面针对一种用于控制LED照明元件生成编码光的方法。照明元件经由与电容器并联的开关连接至输出部件，该电容器也连接至输出部件，并且其中输出部件是可控恒定电流源和可控恒定功率源中的一个。输出部件被配置成提供初级电流，使得当开关打开时，初级电流对电容器充电，并且当开关闭合时，电容器放电以生成放电电流，使得照明元件由包括放电电流和初级电流的驱动电流驱动。通过周期性地打开和闭合开关执行切换以便将信息编码到照明元件生成的光中。响应于接收到与调光水平相应的、希望所生成的光的平均功率增大的指示：i) 增大初级电流以便增大生成的光的平均功率；以及ii) 增大切换的占空比，使得它大于或者等于调光水平，从而防止驱动电流的峰值水平超过预定水平。

依照第四方面，一种计算机程序产品包括存储在计算机可读存储介质上的代码，该代码在执行时实现第三方面的方法。

附图说明

为了帮助理解主题并且示出如何可以将实施例付诸实现，现在通过示例的方式参考下面的附图，在附图中：

图1A示出了一种LED串；

图1B图示出构成PWM调光机制的基础的原理；

图1C图示出构成模拟调光机制的基础的原理；

图2示意性地图示出包括照明系统和相机的空间；

图3为具有用于接收编码光的相机的设备的示意性框图；

图4A和图4B分别示意性地图示出当照明元件从驱动器断开和连接到驱动器时的照明装置的部分；

图5示意性地图示出控制照射系统的方式；

图6A为图示出用来驱动照明元件的驱动电流如何随着时间的推移而变化的曲线图；

图6B为图示出驱动器两端的电压如何随着时间的推移而变化的曲线图；

图7为示出一个实施例的驱动器的仿真结果的曲线图；

图8示意性地图示出调整LED电流的切换策略。

具体实施方式

图2示出了一个示例环境2，其中可以部署本文公开的实施例。例如，该环境可以包括办公室、家庭、学校、医院、博物馆或者其他室内空间的一个或多个房间和/或走廊；或者诸如公园、街道、体育场等等之类的室外空间；或者诸如凉亭或车辆内部之类的另一种类型的空间。环境2安装有包括至少一个灯具形式的照明设备4的照明系统。环境2中还存在用户终端6，其优选地为诸如智能电话或者平板计算机之类的移动设备。灯具4包括LED灯（54，图1中未示出，但在后面的图中示出）形式的LED照明元件，其在本实施例中为LED串，但是在其他实施例中可以为单个LED或者其他类型的LED阵列（例如多个并联的串）。所述一个或多个灯具中的每一个的灯发射的光利用编码光分量在人眼不可察觉的频率下进行调制。

图3给出了移动设备6的框图。设备6包括用户接口8（优选地为诸如屏幕或触摸屏之类的显示器）、具有二维图像捕获元件20的相机10、以及耦合到图像捕获元件20和用户接口8的图像分析模块12。图像分析模块12可操作来处理表示图像捕获元件捕获的图像的信号，并且据此解码从其捕获图像的光中的编码光分量。图像分析模块12可以以代码的形式实现，该代码存储在一个或多个计算机可读存储介质上并且被布置成在包括一个或多个处理单元的处理器上执行。可替换地，不排除图像分析模块12的部分或全部可以以专用硬件电路系统或者诸如FPGA之类的可重新配置的电路系统实现。尽管诸如移动电话、平板计算机或专用控制设备之类的便携式设备可以配备相机，但是也可能的是将光敏二极管用于感测编码光。这对于低成本遥控设备可能特别令人感兴趣，所述遥控设备可以接收光源输出的编码光，以便从光源获得身份和/或访问控制信息以用于控制的目的。

图4A和图4B示意性地图示出可以体现在上面提及的灯具4中的照明装置50的部分。照明装置50包括：可控电流源52，其连接至具有电容C_buffer的电容器53；LED灯，其是LED串54；以及开关S1，其与灯54串联连接，使得灯54可以从与电容器53并联的电流源52断开（通过打开开关S1）以及重新连接到电流源52（通过闭合开关S1）。电流I_LED（LED电流）流经串54，其随着开关S1打开和闭合而在零水平与非零水平之间变化。

电流源52、电容器53和开关S1构成驱动串54的模拟调光器驱动器（即，具有模拟调光功能的驱动器）。驱动器也具有编码光功能，凭借该功能，信息通过在编码光频率下调制（参见下文）而编码到串54生成的光中，所述编码光频率可以是固定的（例如以便传递装置的简单标识符）或者可变的（以便编码更复杂的信号）。

电流源52提供初级电流i_pr，该电流是DC并且基本上与电流源52两端的电压无关，并且其因此基本上与电容器53、照明源54和开关S1形成的负载电路无关。

在图4A和图4B中，仅仅示出了电流源52的部分；在该情况中为反激式拓扑结构的次级绕组L1和次级二极管D1。将清楚的是，这些附图仅仅是示意性示例，并且主题的原理可以应用于许多恒定电流源（或者恒定功率源）拓扑结构。

驱动器为单一级，因为直接从市电电源生成初级电流i_pr。驱动器的单一级性质降低了驱动器的成本，但是在其他实施例中，驱动器可以具有多个级。

i_pr的独立性通过电流控制环（未示出）实现，该电流控制环将初级电流基本上维持在参考水平（设定点），而不管其余电路系统的行为如何。这样的电流控制环在本领域中是已知的。串54的模拟调光通过调制电流源52的电流设置以便改变初级电流i_pr来完成。特别地，到串54的功率通过减小/增大电流控制环的设定点而减小/增大，该设定点通过调光信号dim传递给电流源52。注意，“设定点”意指初级电流的希望水平，并且“增大（分别地，减小）设定点”意指独立于它被调光信号传递的方式，对引起初级电流水平的希望的增大（分别地，减小）的设定点的任何调节。

在其他实施例中，可以使用恒定功率源（即，其生成基本上与负载电路无关的电功率水平）代替电流源52。在这种情况下，使功率源提供的电功率与适当控制环的可改变设定点匹配。

电流源或功率源的实际实现将是非理想的，并且表现出对于负载电路的某种依赖性。

为了防止初级电流的变化扰乱在高频率（例如高于50Hz）下编码到光中的信息，在其下改变设定点的频率是有上限的（例如低于50Hz）。

相同的（PWM）信号可以用来控制电流源的设定点和开关S1的切换，但是在这种情况下，在电流源的调光输入上需要低通滤波器以便防止初级电流的高频变化（例如利用50Hz下或者附近的阈值）。调光信号dim是该信号的滤波版本（即被低通滤波器滤波），并且切换信号sw是该信号的未滤波版本（即未被低通滤波器滤波）。

电流（或者功率）控制环也可以是低带宽的，即小于编码调制频率（例如低于50Hz）。但是，控制环的带宽不是最重要的参数——即使带宽接近调制频率，电路也仍将工作（但是功能可能开始相互作用）。

标称电流i_nom被定义为灯54达到100%光水平所必需的电流。当在其标称电流下被驱动时，灯54的功率输出称为标称功率。LED模块的效能典型地取决于温度和电流水平（因为它们表现出非线性行为）。标称电流以上的电流将导致较低的LED效能。而且，这进而将导致高于LED最大工作温度的工作温度，这将降低LED的寿命。

为了对输出调光，将初级电流i_pr设定为标称电流i_nom的一部分“dl”，即

其中0≤dl≤1。该部分“dl”称为调光水平，并且当前调光水平表示灯54当前输出的标称功率的部分。通过改变电流控制环的设定点，可以实现希望的调光水平dl。

为了实现编码，开关S1以编码光频率打开和闭合。

当开关S1打开（图4A）时，I_LED=0并且LED串不会消耗功率，但是转换器仍然会将初级电流i_pr输送至电容器53。结果，缓冲电容器将被充电至电压v_pr+v_offset+v_m，其中并且t_off为开关在其内保持打开的持续时间；v_pr=i_pr*R，其中R是LED串54的大信号电阻，其可以被定义为（非常简化的）R=(Vf+I_LED*R_s)/I_LED，其中Vf是LED串的正向电压，并且R_s是串54的小信号电阻；v_offset（偏移电压）以下面描述的方式起作用。

当S1再次闭合（图4B）时，电容器53提供放电电流i_dis，使得LED由驱动电流I_LED=i_pr+i_dis驱动。LED电流变成I_LED=i_pr+i_offset+i_m，其中i_m由v_m/R_s确定。由于电容器上较高的电压，LED串将消耗比转换器52输送的功率更多的功率。结果，缓冲电容器将开始以时间常数放电。电容器将在持续时间t_discharge(t_off)内放电，开关S1在该持续时间内保持闭合，使得LED电压V_LED和电流I_LED分别衰减至v_pr+v_offset和i_pr+i_offset（即衰减v_m和i_m）；i_offset以下面描述的方式起作用。

这在图6A和图6B中图示出，其示出曲线图，所述曲线图图示了当执行切换以便周期性地打开和闭合开关时，LED电流I_LED和电容器两端的电压V_LED随着时间的推移而变化的方式。这些图示出了其中S1永久闭合的状态以及其中S1被调制的后续状态的示意性表示。

当S1永久闭合时，一旦达到平衡，LED电压和电流分别保持在v_pr和i_pr。

跟随开关到其中S1被调制的状态，v_m保持基本上恒定；i_m将随着电压V_LED的增大而稍微增大（归因于LED的I-V曲线）；i_offset（偏移电流）和v_offset（偏移电压）将升高，直到再次达到平衡，其发生在t_off期间电容器中增加的能量等于时段t_on期间从电容器汲取的能量时。在低电容器电压的情况下，存储的能量多于释放的能量。在高电容器电压的情况下，释放的能量多于增加的能量。因此，v_offset将增大，直到已经达到平衡。偏移电流i_offset直接与偏移电压v_offset有关。典型地，将在S1的多个切换周期内达到平衡。注意，图6A和图6B仅仅示出了平衡时的I_LED/V_LED。

在其中使用恒定功率源代替恒定电流源52的实施例中，v_m将具有减小的值，直到已经达到平衡。

所述切换以周期T发生（编码光频率为1/T），并且占空比dc<1。以占空比dc切换意味着开关在切换周期T的一部分dc内闭合，即在时间dc*T=t_discharge内闭合，并且在切换周期T的其余部分(1-dc)内打开，即在时间(1-dc)*T=t_off内打开。

输送至电路的功率与用于开关S1的切换策略无关——改变切换策略仅仅改变何时将功率输送至串54，以及相对于从电流源52直接输送的量而言有多少经由电容器53间接地输送。

仅有的损耗是由于电容器的串联电阻而引起的最小的寄生损耗，使得系统非常高效。

图5为照明装置50的另一个示意性图示，其被示为除了上面描述的部件之外还包括控制器56。如所示的，控制器56具有：第一输入端，希望的调光水平dl通过其传递至控制器；以及第二输入端，要调制到光中的数据通过其传递至控制器。控制器具有：第一输出端，调光信号dim通过其传递至电流源52；以及第二输出端，切换信号sw通过其传递至开关以便打开和闭合开关。开关S1可以通过晶体管以及供应至其基极端子的切换信号实现。

调光水平dl指示当前所希望的由串54生成的光的平均功率（作为最大功率输出的一部分），并且调光水平的变化指示平均功率的变化是所希望的。调光信号dim控制电流源52的设定点。当调光水平dl改变时，控制器调节设定点以使初级电流i_pr匹配新的调光水平。调光信号因此设定初级电流i_pr，出于该原因该初级电流在本文中有时表示为i_pr(dl)。调光信号dim的变化指示希望的调光水平dl的变化，并且因此也指示串54生成的光的平均功率的变化是所希望的。

在该实施例中，通过改变切换信号的频率以便改变开关S1打开和闭合的频率来将数据调制到串54生成的光中。

控制器可以以硬件电路系统、软件（即通过在适当处理器上执行的代码）或者二者的组合实现。调光水平dl可以例如作为数字信号或者例如通过调节电位计以模拟进行输入。

出于下文讨论的原因，控制器也根据调光水平dl控制切换信号的占空比：光通过利用开关S1在希望的调制频率下打开和闭合LED电路而被调制，同时切换信号sw工作于与需要的调光水平dl具有直接关系的占空比下。以这种方式，由于这种对于调光水平dl的依赖性，占空比响应于调光信号dim的变化（并且因而响应于初级电流i_pr的变化）而改变。

LED是系统的系统成本的非常显著的部分。在固定占空比的情况下，峰值LED电流可能超过标称电流。例如，在占空比50%和调光水平90%的情况下，峰值电流将变成标称电流的1.8倍。这是因为相同的功率（标称的90%）需要在仅仅50%的时间内输送。如所表明的，较高的电流将导致较低的LED效能，这将导致高于最大值的工作温度，从而缩短LED的寿命。在固定占空比的情况下，这将需要通过添加附加的LED模块进行补偿（对于相同的总通量而言，较多的LED导致较低的LED电流，这导致较好的效能，这导致较低的温度）。这将引入附加的成本。

本驱动器通过实现这样的切换策略而避免这点，该切换策略在调光水平变化时保持切换的占空比与调光水平匹配，使得最大LED电流maxI _LED（在闭合开关之后）不超过100%强度下的电流，即，使得它不超过串54的标称电流i_nom。因此，利用本切换策略，编码光特征的添加不会增大系统的最大LED电流。结果，本照明装置50在热学上受限：LED模块正好保持在其最大工作温度之下，因为通过它们的电流永远不会超过串54的标称电流。

最简单的实现方式是，占空比等于调光水平（例如如果灯工作于其标称光输出的80%下，那么占空比应当为0.8）。因此，例如，如果dl=0.9，则S1在0.9x编码光周期T内闭合，并且S1在0.1x编码光周期T内打开。它可以通过直接的功率分析示出：

忽略电容器上的电压摆幅和寄生损耗。因此，当占空比被选择为等于调光水平时，峰值电流maxI _LED将在串的标称电流下对于所有调光水平都保持恒定。

这在图8中图示出，其示出了当调光水平dl处于25%并且然后改变至50%时初级电流、LED电流和切换信号sw的曲线图。通过使占空比匹配调光水平，当i_pr从0.25*i_nom改变到0.5*i_nom以便实现模拟调光时，峰值LED电流维持在i_nom处。

如将清楚的，占空比与调光水平之间的其他关系是可能的，即占空比与调光水平之间的任何关系，其保持峰值LED电流处于或者低于串54的标称电流，这对于任何关系都满足，使得dc≥dl。图7示出了用于10个LED的串的装置50的仿真行为的曲线图，其中所述切换经历从200Hz到800Hz的频率变化。该曲线图示出了led电流I_LED（以安培为单位）、电容器54两端的电压VLED（以伏特为单位）和切换信号SW如何随着时间（水平轴，以任意单位度量）的推移而变化。调光水平在图7的曲线图所跨越的整个持续时间保持在30%恒定。图7中的上升/下降归因于以下原因：仿真中使用的LED模型也将（小的）非线性并入到LED的电流-电压关系中。这就是为什么电流对于不同的频率略有不同的原因。

标称电流i_nom表示可以输送至串54的最大“安全”电流。确定标称电流通常涉及两个考虑。第一个考虑是被照明元件或者LED的制造商规定为“安全”的照明元件或者其组件LED的任何额定值——其中这是设计中的限制因素，可以将预定水平设置为与此匹配。第二个考虑是峰值电流需要被限制以便获得某个最小的LED效能。LED的效能随着（峰值）电流而变化。通常，LED的效能在峰值电流增大时减小。从热设计的角度看，LED生成的热不能超过某一设计要求。因此，需要控制效能，这进而导致需要控制峰值电流。换言之，如果效能是设计中的限制因素，那么LED的最大允许峰值电流将低于LED制造商规定的最大电流。

灯泡状产品的热平衡对于LED效能的变化非常敏感，这进而对于驱动电流i_pr+i_dis是敏感的。在实践中，温度（过）保护电路可以用来通过在照明元件的温度增加到预定限度之上时降低初级电流以便降低LED的驱动电流来将温度保持在相对于LED寿命的可接受限度内。当LED的峰值电流受灯系统的热特性限制（即当标称电流i_nom通过所述热特性设定）（而不是受LED制造商规定的最大驱动电流限制）时，在实践中，在高于i_nom的峰值电流下驱动LED将导致温度升高到高于标称值。因此，在延长的时间段内在例如102%（即，使得maxI_LED=1.02*i_nom）下驱动该电路不会影响LED寿命，但是将替代地使得温度保护电路降低灯的输出通量。

通过高于i_nom驱动LED所造成的LED寿命（如果不使用温度保护的话）或者通量（如果使用温度保护的话）的降低是否可接受取决于灯的LED配置和热设计——作为上限，驱动LED使得峰值驱动电流为i_nom的110%对于大多数设计而言是不可接受的。

在实践中，照明装置设计考虑LED中的生产公差以及不同的环境情况（例如灯是在自由的空气中还是封闭在灯具中）。

对于最坏情况环境中的最坏情况样本，甚至在i_mon的比如100.5%的峰值驱动电流下驱动LED也将增加温度至这样的水平，其中LED寿命略微降低（如果没有使用过温度保护电路的话）或者当在短时间内使用编码光时，通量将略微降低（如果使用温度保护的话）。换言之，100%的标记（即max I_LED=i_nom）不是硬限度，但是从这点开始，将期望看到产品群（但是不一定每个单独的产品）在寿命方面（没有过温度保护的情况下）或者通量输出方面（具有过温度保护的情况下）的逐渐退化。某种这样的退化是否可接受取决于确切的产品设计以及它被设计为如何接近限度。

任何编码光实现方式都必须遵从若干要求以使得它对于在灯平台中实现是可行的：

1. 当使用编码光时，没有光水平的可见变化和/或闪烁；

2. 非常低的成本；

3. 可接受限度内的良好的调制深度；

4. 在最大功率输出下（即当工作于标称功率时），没有灯效能的退化。

结合输出电容器54的系列开关S1的使用相对于其他驱动电路具有以下益处：它没有引入任何附加的损耗（其在其他情况下将降低灯效能），提供可接受限度内的良好的调制深度，存在用于占空比的最小值和最大值，低于/高于其的频率不能被检测。如果严格遵循dc≥dl关系，那么对于接近100%的调光水平不能检测编码光调制（因为在该情况下dc必须接近1）。然而，在最大峰值电流受热要求限制（参见上文）的情况下，临时超过最大值是可接受的，只要这发生的持续时间远小于灯的热时间常数（典型地大约几分钟）。这允许在100%光输出（dl=1）下对光调制：在这种情况下，峰值电流将超过标称电流，如果它仅仅在短的时间量内（直到检测到调制信号）——例如小于一分钟，那么这是可接受的。由于在任何情况下编码光信号的典型使用时间典型地低于1分钟，这的确通常不会影响编码光性能。

如上面所表明的，对于大多数灯/环境组合而言，有可能在有限的时间量（例如小于一分钟）内超过i_nom限度的100%（例如到100.5%）而不降低LED的寿命或者触发过温度保护电路（如果使用的话）——在最坏情况的灯/环境组合中，可能发生LED寿命的略微降低（没有温度保护的情况下）或者dl=1下编码期间通量的略微减小（具有温度保护的情况下），但是如所提及的，这在确切的产品设计以及它被设计为如何接近限度方面可能是可接受的。

所述主题实现起来也是廉价的。例如，一些现有的模拟调光器驱动器已经具有与LED串并联的输出电容器；而且，可以使用RF信道控制的现有的灯已有微处理器存在（以便实现本公开的控制器）；因此，实现本教导所需的一切是添加单个晶体管以便实现所述开关。而且，对于其中占空比匹配调光水平的实施例，在一些现有的模拟调光器驱动器中，已经提供了调光水平信号，其可以被重新利用来控制单独的开关以及模拟调光（即不必生成新的信号）。

而且，所述切换策略确保了作为引入编码光功能的结果，灯效能在最大功率输出下不降低。

本公开因此提供了与单级驱动器相结合的编码光操作，其满足所有上面的可行性要求。

本教导可以应用到具有与LED串并联的输出电容器并且具有缓慢控制带宽（低于编码光所需的调制频率）的所有驱动器类型。

在上文中，给出了一种频率调制方案，其中通过改变所述切换的频率将数据嵌入到LED串54生成的光中。

在可替换的实施例中，通过调制所述切换的占空比将数据嵌入到生成的光中。在这种情况下，频率被选择为等于希望的符号频率并且可以是固定的。

占空比可以使用国际专利申请公开号WO2012/052935中描述的三元曼彻斯特编码进行调制。三元曼彻斯特编码是无DC的，并且可能是有利的，因为它在数据比特改变值时提供了比常规曼彻斯特码更平滑的过渡，并且导致频域中的这样的频谱，其在诸如市电嗡嗡声之类的干扰可能出现的低频周围受到更多抑制。

如本领域中已知的，在三元曼彻斯特编码中，信号特性（在这种情况下为所述切换的占空比）在典型地标记为-1、0和+1的3个值之间被调制——在该示例中，-1、0和+1中的每一个由不同的占空比表示。

信号可以以下面的方式调制：如果dc_d为用以保持峰值电流低于标称电流的关于调光水平的希望的占空比，那么-1、0和1可以分别由dc_d、dc-和dc+表示，其中dc-和dc+例如分别为dc_d-dc₀和dc_d+dc₀，并且dc₀为例如0.1。在单个周期内，所述切换的实际占空比将为dc_d、dc-或者dc+；然而，实际的峰值电流max I _LED将与平均占空比有关，由于编码不含DC的特性，该平均占空比等于dc_d（在实践中，如果电容器太小，那么这可能不太成立，并且峰值电流可能稍微太高——但是在这种情况下，可以对dc_d做出小的调节以便使峰值电流回落至标称电流的水平或者该水平之下）。因此，如果维持关系dc_d ≥dl，那么这将防止峰值电流超过标称电流（例如，可以通过维持关系dc_d=dl而将峰值电流维持在基本上恒定的水平）。

本领域技术人员在实践要求保护的本发明时，根据对于所述附图、本公开内容以及所附权利要求的研究，能够理解和实现所公开实施例的其他变型。在权利要求中，措词“包括/包含”并没有排除其他的元件或步骤，并且不定冠词“一”或“一个”并没有排除多个。单个处理器或其他单元可以实现权利要求中记载的若干项的功能。在相互不同的从属权利要求中记载某些措施的仅有事实并不表明这些措施的组合不可以用于获利。计算机程序可以存储/分布于适当的介质上，诸如存储/分布于与其他硬件一起提供或者作为其他硬件的一部分而提供的光学存储介质或者固态介质上，但是也可以以其他的形式分发，诸如通过因特网或者其他有线或无线电信系统分发。权利要求中的任何参考符号都不应当被视为限制范围。

Claims

1.一种用于驱动LED照明元件（54）生成编码光的模拟调光器驱动器，该驱动器包括：

输出部件（52），其被配置成提供初级电流（i_pr），其中输出部件是可控恒定电流源和可控恒定功率源中的一个；

电容器（53），其连接至输出部件；

开关（S1），照明元件可经由该开关连接到与电容器并联的输出部件，使得当开关打开时，初级电流对电容器充电，并且当开关闭合时，电容器放电以生成放电电流（i_dis），使得照明元件由包括放电电流和初级电流的驱动电流（i_pr+i_dis）驱动；以及

控制器（56），其被配置成通过周期性地打开和闭合开关来执行切换以便将信息编码到照明元件生成的光中；

其中输出部件具有被配置成接收与调光水平（dl）相应的调光信号的输入端，并且

其中响应于指示希望所生成的光的平均功率增大的调光信号的变化：i) 增大初级电流以便增大生成的光的平均功率；以及ii) 增大切换的占空比（dc），使得它大于或者等于调光水平（dl），从而防止驱动电流的峰值水平超过预定水平（i_nom）。

2.依照权利要求1的调光器，其中在所述变化之前的驱动电流的峰值水平处于预定水平，并且占空比增大的量使得驱动电流的峰值水平保持在预定水平。

3.依照权利要求1或2的调光器，其中控制器具有被配置成接收数据的输入端，并且被配置成通过根据该数据改变所述切换的频率来将数据嵌入到生成的光中。

4.依照权利要求1或2的调光器，其中控制器具有被配置成接收数据的输入端，并且被配置成通过改变所述切换的占空比来将数据嵌入到生成的光中。

5.依照前面任一权利要求的调光器，其中所述切换的频率高于50Hz。

6.依照前面任一权利要求的驱动器，其中输出部件包括控制环，该控制环使初级电流或者与初级电流有关的输出与控制环的设定点匹配，并且初级电流通过增大设定点而增大。

7.依照权利要求6的驱动器，其中与初级电流有关的输出是输出部件提供的电功率。

8.依照权利要求6或7的驱动器，其中设定点在低于50Hz的频率下进行调节。

9.依照权利要求6、7或8的驱动器，包括低通滤波器，其中调光信号在被输出部件接收之前由低通滤波器滤波，并且使用调光信号的未被低通滤波器滤波的版本执行所述切换。

10.依照权利要求1的驱动器，其中所述开关是晶体管。

11.依照前面任一权利要求的驱动器，包括温度保护电路，该电路被配置成在照明元件的温度增加到预定限度之上时降低初级电流。

12.一种照明装置，包括：

LED照明元件；

模拟调光器驱动器，其被配置成驱动照明元件（54）生成编码光，该驱动器包括：

电容器（53），其连接至电流源；

其中输出部件具有被配置成接收与调光水平（dl）相应的调光信号的输入端，并且其中响应于指示希望所生成的光的平均功率增大的调光信号的变化：i) 增大初级电流以便增大生成的光的平均功率；以及ii) 增大切换的占空比（dc），使得它大于或者等于调光水平（dl），从而防止驱动电流的峰值水平超过预定水平。

13.依照权利要求12的装置，其中预定水平匹配与照明元件关联的标称电流。

14. 一种用于控制LED照明元件（54）生成编码光的方法，照明元件经由与电容器并联的开关（S1）连接至输出部件，该电容器也连接至输出部件，其中输出部件是可控恒定电流源和可控恒定功率源中的一个，并且输出部件被配置成提供初级电流（i_pr），使得当开关打开时，初级电流对电容器充电，并且当开关闭合时，电容器放电以生成放电电流（i_dis），使得照明元件由包括放电电流和初级电流的驱动电流（i_pr+i_dis）驱动，所述方法包括：

通过周期性地打开和闭合开关来执行切换以便将信息编码到照明元件生成的光中；以及

响应于接收到与调光水平（dl）相应的、希望所生成的光的平均功率增大的指示：

i) 增大初级电流以便增大生成的光的平均功率；以及

ii) 增大切换的占空比（dc），使得它大于或者等于调光水平（dl），从而防止驱动电流的峰值水平超过预定水平（i_nom）。

15.一种计算机程序产品，包括存储在计算机可读存储介质上的代码，该代码在执行时在受控LED照明元件（54）上实现权利要求14的方法。