CN107079551A - 照明控制器、照明系统和用于控制照明的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种照明控制器，包括：适于检测电源的电压的检测器，所述电源用于经由照明驱动器向照明单元提供功率；控制单元，其耦合到照明驱动器并且适合于在检测到的电压下降到低于第一阈值之前，控制驱动器以向照明单元递送恒定功率，不管电源正被消耗，并且在检测到的电压下降到低于第一阈值之后，控制驱动器以向照明单元递送逐渐减小的功率。其中控制单元进一步适合于在第一条件下，在电源与驱动器之间切换上变换器以提升从电源到驱动器的输出电压；并且在第二条件下，旁路所述上变换器，并且实现所述控制驱动器的步骤；其中所述第一条件包括在高占用时段中操作，并且所述第二条件包括在低占用时段中操作。

Description

照明控制器、照明系统和用于控制照明的方法

技术领域

本发明涉及照明控制器，且特别地涉及依照能量源的状态调光的照明控制器。

背景技术

为了降低室外照明系统中每天的能耗，在诸如半夜之类的非占用或低利用时段期间减少或调暗光输出。在现有技术中，存在实现调光的各种方法，例如基于存在性的调光、基于时间的调光等。这些调光方法被用在单独的照明单元上或以群组水平被采用。最常采用的调光轮廓（profile）是基于时间的调光，例如在黄昏到11PM之间的全亮度以及从11PM到黎明调暗20-30%。调光控制在分散式太阳能系统中的每一个照明系统中构建。在现有技术中，在集中式系统中，各个照明单元通过有线或无线（即PLC或zigbee或RF通信）进行通信，但是这些是复杂而昂贵的。此外，在一些应用中，“基于时间的调光轮廓”在单独的灯中构建。在这些应用中，改变调光轮廓非常难。进一步地，它们需要基于RTOS（实时操作系统）的系统，否则定时器将从一个灯单元到另一个灯单元变化。

我们还知道，由于逆变器的效率的降低，整体系统效率在AC电网中在较低调光水平处显著降低。因此，DC电网正变得更加流行。尽管DC电网比AC电网更好，但是由于LED驱动器的效率的降低，它们在以较低调光水平操作时也遭受效率损失。这些导致更高的PV和电池容量，并且转而导致更高的系统成本。因此，存在对低成本高效的可调光室外照明系统的需要。

在现有技术中，灯通常以恒定功率操作以递送恒定的流明输出，不管电源/电池状态如何。如果电池被完全消耗，则发生停电并且照明系统不能发射任何光，这对用户而言是非常危险且不便的。因而，将会有利的是，具有避免停电的更精致的照明控制机制。

US5140229A1公开了，当供给电压是高的时实现了具有额定功率的恒定功率控制，并且依据供电电压的降低，低于额定功率的功率被供应给金属卤化物。

EP1465395A2公开了存在可以依照电压源的输出而被旁路或接通的上变换器。

发明内容

将会有利的是，依照真实环境以更灵活的方式接通上变换器。为了解决至少上述关切，本发明通过权利要求限定。

依照本发明的第一方面，提供一种照明控制器，包括：适于检测电源的电压的检测器，所述电源用于经由照明驱动器向照明单元提供功率；以及控制单元，其耦合到照明驱动器并且适合于在检测到的电压下降到低于第一阈值之前，控制驱动器以向照明单元递送恒定功率，不管电源正被消耗，并且在检测到的电压下降到低于第一阈值之后，控制驱动器以向照明单元递送逐渐减小的功率；控制单元进一步适合于在第一条件下在电源与驱动器之间切换上变换器以提升从电源到驱动器的输出电压；并且在第二条件下旁路所述上变换器，且实现所述控制驱动器的步骤。所述第一条件包括在高占用时段中操作，并且所述第二条件包括操作低占用时段。

在这个方面中，当电源仍然具有足够的能量时，恒定功率被驱动器汲取并递送至照明单元，因而可以提供恒定流明输出；当电源中的可用能量下降到低于阈值时，为了避免电源的完全消耗和照明单元的停电，逐渐减小的功率被驱动器汲取并且实现可以至少部分满足用户的延长的弄暗照明服务。这个方面是恒定功率负荷和非恒定功率负荷的精致组合。这个方面提供了另一种照明模式以提供用于照明单元的更多输出流明，其中来自电源的电压在到驱动器之前被提升/向上变换。并且当不需要高输出时，上变换器被旁路以减小到驱动器的电压，并且还节省上变换器的切换损失。高占用时段需要更多光，因而上变换器处于电源回路中；低占用时段不需要太多光，因而上变换器被旁路。

在另外的实施例中，驱动器是切换模式电源。并且所述控制单元适合于：维持或增加驱动器的占空比以便控制驱动器以递送恒定功率；并且维持或减小驱动器的占空比以便控制驱动器以递送逐渐减小的功率。

在此实施例中，当电源中的可用能量仍然足够时，随着电源被消耗，其输出电压将被维持或逐渐减小，并且驱动器可以维持或增加其占空比以递送恒定功率。当电源中的可用能量不足时，随着电源被消耗，其输出电压将逐渐减小，同时占空比被维持或者甚至减小，从而将以逐渐减小的方式从电源汲取功率。可替换地，驱动器还可以是线性驱动器并且控制单元可以控制线性电源开关的导电性以便控制由驱动器递送的功率。

在仍然另外的实施例中，控制单元进一步适合于在检测到的电压下降到低于比所述第一阈值更小的第二阈值之后，精细调节驱动器的占空比，使得驱动器向照明单元递送逐渐减小且不波动的功率。

当诸如电池之类的电源被进一步消耗时，其输出电压有时波动，在此情况下，如果占空比仍然被维持，则波动的功率被递送至照明单元，从而将发生闪烁。为了解决这个关切，当电源中的能量水平非常低时，此实施例允许精细调节驱动器的占空比，使得驱动器递送不波动的功率。这可以避免对用户而言不舒适的闪烁，从而用户的体验将会更好。

在更特定的实施例中，所述高占用时段包括傍晚直到半夜或半夜之前的夜晚，并且低占用时段包括半夜直到黎明。

此实施例提供本发明的应用情境。

在另外的实施例中，控制单元进一步适于控制上变换器的占空比，上变换器包括隔离的升压变换器，并且控制单元进一步包括在上变换器的输入与输出之间转发的二极管。

在此实施例中，如果输出电压不高于来自电源的输入电压，升压变换器可以通过二极管自动地被旁路，因而电路结构非常简单。

在可替换的实施例中，控制器进一步适于控制上变换器的占空比，上变换器包括非隔离的升压变换器，其中控制单元进一步包括从电感器与升压变换器的开关的连接点转发到升压变换器的输出电容器的升压二极管。

在此实施例中，如果升压变换器的开关保持断开，则升压变换器可以被旁路，因而电路结构非常简单。

在本发明的第二方面中，提供一种包括上述控制器的系统：照明系统，包括：电源；与电源耦合的上变换器；耦合到上变换器的驱动器；耦合到驱动器的照明单元；以及耦合到电源和驱动器的依照第一方面的照明控制器。

在本发明的第三方面中，提供一种用于控制照明的方法，包括步骤：检测电源的电压，所述电源用于经由照明驱动器向照明单元提供功率；在检测到的电压下降到低于第一阈值之前，控制驱动器以向照明单元递送恒定功率，不管电源正被消耗；在检测到的电压下降到低于第一阈值之后，控制驱动器以向照明单元递送逐渐减小的功率；在第一条件下，在电源与驱动器之间切换上变换器以提升来自电源的输出电压；以及，在第二条件下，旁路所述上变换器并且实现所述控制步骤；其中所述第一条件包括在高占用时段中操作，并且所述第二条件包括在低占用时段中操作。

本发明的这些和其他方面根据下文描述的实施例将是清楚明白的并且参照这些实施例进行阐述。

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示出依照本发明的一个实施例的照明系统的示意性框图；

图2示出用于照明系统的依照白天/晚间/夜间切换其光输出的时序流程图；

图3示出用于照明系统的依照电源的电压对其光输出调光的状态转变图；

图4示出依照本发明的一个实施例的照明系统中的示例性LED驱动器；

图5示出依照本发明的一个实施例的照明系统中的示例性上变换器；

图6示出依照本发明的一个实施例的照明系统中的可替换的示例性上变换器。

具体实施方式

本发明提供一种照明控制器，包括：

适于检测电源的电压的检测器，所述电源用于经由照明驱动器向照明单元提供功率；

控制单元，其耦合到照明驱动器且适合于：

- 在检测到的电压下降到低于第一阈值之前，控制驱动器以向照明单元递送恒定功率，不管电源正被消耗，并且

- 在检测到的电压下降到低于第一阈值之后，控制驱动器以向照明单元递送逐渐减小的功率。

优选地，控制单元进一步适合于：

- 在第一条件下，在电源与驱动器之间切换上变换器以提升从电源到驱动器的输出电压；并且

- 在第二条件下，旁路所述上变换器，并且实现所述控制驱动器的步骤。

在下文中，若干模式被用于描述照明控制器以哪种方式控制驱动器和上变换器。

依照本发明实施例的照明系统包括上述照明控制器，以及电源、上变换器、旁路开关和一个或多个与诸如LED灯之类的照明单元在一起的驱动器。如图1中所示，电源优选地为电池或电池组，比如在白天期间由光伏电池充电且在晚间/夜间放电以对路灯供电的电池或电池组。

优选地，第一条件和第二条件由要被照射的控件的占用状态确定。例如，当人更多时，一般地期望更多光；否则，当很少的人或没人在那里时，较少的光就够了。此占用状态可以由占用传感器检测。可替换地，对于诸如道路照明、校园照明或公园照明之类的室外应用，晚间/夜间可以间接反映占用状态：在傍晚直到半夜，存在更多的占用并且从半夜直到黎明，较少的人或没有人在那里；并且恰好在黎明之间，更多的人可能出来。再者，在白天，不需要开灯。

因而，照明控制器可以使用基于RTOS（实时操作系统）的定时器或简单的时-分定时器。在图2中可以示出时序流程图。定时器在黄昏开始，此时，上变换器在回路中被接通，并且驱动器和灯操作，从而提供高光输出。这种控制方式可以被称为模式I。在自从黄昏的预定义的时间之后，时间到达指示半夜的设置值Ts1。然后，系统被切换到模式II，其中上变换器被旁路。定时器可以是休息。在自从半夜的另一个预定义时间之后，时间到达指示恰好在黎明之前的设置值Ts2。然后，上变换器再次处于电源回路中，并且照明单元可以再次输出全亮度，并且系统再次在模式I中工作。当自然光等价于黎明时，即它是黎明时，照明系统可以停止提供光并且等待直到再次黄昏。

图3还示出了取决于高占用或低占用的模式I与模式II之间的转变。在模式I中，上变换器可以提升电池电压并且向驱动器提供DC电网上的220V DC电压；在模式II中，上变换器被旁路，并且来自电源的为60V的电压在DC电网上提供。在感测了到驱动器的较低输入电压之后，优选地随着频率的变化，调暗照明单元。假设驱动器在非调光状态处具有85%的效率，在不旁路上变换器且未调光驱动器的情况下，整体效率为80%（0.85*0.95）。它具有实验事实并且发明人在实验室中验证了，在30%的调光水平处，LED驱动器的效率降低至少5%。在维持上变换器且对驱动器调光的情况下，在降低的调光水平处效率的附加损失达到5-7%，并且整体系统效率降低到72%（0.8*0.9）。

进一步地，图3示出照明控制器如何取决于电源/电池中的能量水平或输出电压而在模式II与模式III之间切换。在模式II中，即半夜时间直到黎明，来自电池的输出电压起初为60V。驱动器的占空比被设置为某个值以获得小于模式I中的全亮度输出的期望输出流明。

在某时间的消耗之后，电池中的能量被部分消耗，并且这通常导致电池的输出电压的减小。为此输出电压设置45V的阈值，并且在电池的输出电压下降到低于此阈值之前，照明控制器将控制驱动器以向照明单元递送恒定功率，而不管电源正被如何消耗。更特别地，随着电压从60V减小至45V，驱动器的占空比增加，以使得恒定功率被递送。此外，在从60V至45V的这个减小期间，电压可能不是连续不断地减小，而是可能在某电压处稳定一段时间，并且在此段时间中驱动器的占空比也被维持，使得恒定功率被递送。反过来，在模式II中，经由恒定流明输出满足正常的照明要求。更特别地，驱动器可以具有检测电压的电压检测电路，并且与电池电压的减小成比例地增加其占空比。可替换地，控制器可以确定与电池电压的减小成比例的占空比，并且告知驱动器有关此确定的占空比。

此外，随着电池的电压的进一步下降，存在在诸如黎明之类的期望的结束时间之前电池中的能量被完全消耗的风险。这样的问题可能在当白天多云时太阳能电池没有将足够的能量存储到电池中的情况下发生。如果电池中的能量被完全消耗，那么没有光输出可能被获得光，并且发生停电。为了避免这种情况，在电池的电压下降到低于45V之后，照明控制器进入模式III，在模式III中它控制驱动器以向照明单元递送逐渐减小的功率。更特别地，控制器可以维持或减小驱动器的占空比以维持或减小从电池汲取功率的速率。因此，随着电池电压减小且所述速率被维持或减小，递送至照明单元的功率逐渐减小。可替换地，在驱动器为线性驱动器的情况下，照明控制器可以维持或增加线性电源开关的导电性。更特别地，控制器可以告知驱动器维持其占空比。可替换地，控制器可以告知驱动器有关一个恒定占空比。如果因为附加的备用电池被接通，输出电压恢复到45V，则照明系统可以甚至切换回到模式II。

进一步地，随着电池的电压仍旧下降到例如低于42V，电池电压可能波动，即以造成人类可感知的照明单元的闪烁的快速方式减小或增加。为了避免这种情况，控制器可以精细调节驱动器的占空比，以使得驱动器向照明单元递送逐渐减小且不波动的功率。更特别地，控制器可以自身或控制驱动器记录在先前时刻（例如10ms之前）递送的功率，并且试图将在后续时刻递送的功率调整为与所记录的功率相同或相似的功率，不管电池电压是否改变。如果电池电压没有波动，在所述后续时刻驱动器的占空比被维持；如果电池电压波动，可以在相反方向上调节在所述后续时刻驱动器的占空比。应当理解，消除波动的精细调节处于微观/短期视角中，并且在宏观/长期视角中，功率仍然逐渐减小。为此目的，平均占空比被维持或以缓慢的方式减小，并且精细调节的程度可以处于平均占空比的某个百分比内，比如正和负10%至20%。

进一步地，恰好在黎明之前，照明控制器可以通过将上变换器切换回到回路而再次进入模式I。上变换器可以将电池的输出电压提升至200V并且经由DC电网将其递送至驱动器和照明单元。照明控制器还可以告知驱动器在其正常的全明亮状态中工作，例如使用其正常的占空比。

下面将描述驱动器和上变换器的某实施例。

图4示出用于作为照明单元的LED的典型驱动器。它是反激变换器。存在驱动器控制器，例如依照DC电网上的输入电压以及LED电流和LED电压控制电源开关S1的占空比D的用于反激变换器的专用控制IC。在模式II中，占空比D可以被控制以随着DC电网上的输入电压的降低而增加。在模式III中，占空比D可以被维持或减小。在模式III中，占空比D的平均值可以被维持并且占空比D可以在某个百分比内精细调节。反激变换器的原理是公知的并且本说明书将不会给出更详细的阐释。可替换地，其他种类的LED驱动器也是适用的，比如降压变换器或升压变换器。

图5示出具有可以旁路上变换器的旁路二极管的上变换器的一个实施例。此上变换器可以是反激形式的。在模式I中，在初级侧的电源开关被控制以在次级侧递送提升的电压。并且在模式II中，电源开关被禁用并且旁路二极管可以直接向DC电网递送电池电压。

图6示出上变换器的可替换实施例，其为升压变换器。在模式I中，电源开关被控制以闭合和断开以便提升到输出电容器Co的电池电压。在模式II中，电源开关可以保持断开并且电池电压直接馈送至输出电容器Co以及DC电网。

本发明的实施例可以用在基于太阳能的室外照明中，例如街道照明、校园照明。这种所提出的系统将在室外照明系统中找到良好的应用，因为它将比常规的静态DC电网室外照明系统至少高效8-10%，并且比AC电网室外照明系统至少高效15%。

本发明已经结合LED照明布置进行了描述。然而，它可以应用于用于其他类型的照明技术的驱动器。例如，可以使用其他固态照明技术。还应当理解，上述特定电压值仅仅用于举例，并且对于不同的电池系统或电池化学，这些值将会改变。

在实践要求保护的发明时通过研究附图、公开内容和所附权利要求，本领域技术人员可以理解并实现所公开的实施例的其他变形。在权利要求书中，动词“包括”不排其他元件或步骤，并且不定冠词“一”并没有排除多个。在相互不同的从属权利要求中记载了某些措施的起码事实并不指示这些措施的组合不能用于获益。权利要求中的任何附图标记不应当被解释为限制范围。

Claims (10)

1.一种照明控制器，包括：

适于检测电源的电压的检测器，所述电源用于经由照明驱动器向照明单元提供功率；

控制单元，其耦合到照明驱动器并且适合于

- 在检测到的电压下降到低于第一阈值之前，控制驱动器以向照明单元递送恒定功率，不管电源正被消耗，并且

- 在检测到的电压下降到低于第一阈值之后，控制驱动器以向照明单元递送逐渐减小的功率；

其中控制单元进一步适合于

- 在第一条件下，在电源与驱动器之间切换上变换器以提升从电源到驱动器的输出电压；并且

- 在第二条件下，旁路所述上变换器，并且实现所述控制驱动器的步骤；

其中所述第一条件包括在高占用时段中操作，并且所述第二条件包括在低占用时段中操作。

2.依照权利要求1的照明控制器，其中所述控制单元适合于：

维持或增加驱动器的占空比以便控制驱动器以递送恒定功率；并且

维持或减小驱动器的占空比以便控制驱动器以递送逐渐减小的功率。

3.依照权利要求2的照明控制器，其中所述控制单元进一步适合于

- 在检测到的电压下降到低于比所述第一阈值更小的第二阈值之后，精细调节驱动器的占空比，使得驱动器向照明单元递送逐渐减小且不波动的功率。

4.依照权利要求1的照明控制器，其中所述高占用时段包括傍晚直到半夜或半夜之前的夜晚，并且低占用时段包括半夜直到黎明。

5.依照权利要求1的照明控制器，其中所述控制单元进一步适于控制上变换器的占空比，上变换器包括隔离的升压变换器，所述控制单元进一步包括在上变换器的输入与输出之间转发的二极管。

6.依照权利要求1的照明控制器，其中所述控制器进一步适于控制上变换器的占空比，上变换器包括非隔离的升压变换器，其中控制单元进一步包括从电感器与升压变换器的开关的连接点转发到升压变换器的输出电容器的升压二极管。

7.一种照明系统，包括：

- 电源；

- 与电源耦合的上变换器；

- 耦合到上变换器的驱动器；

- 耦合到驱动器的照明单元；以及

- 耦合到电源和驱动器的依照权利要求1至6中任一项的照明控制器。

8.一种用于控制照明的方法，包括步骤：

- 检测电源的电压，所述电源用于经由照明驱动器向照明单元提供功率；

- 在检测到的电压下降到低于第一阈值之前，控制驱动器以向照明单元递送恒定功率，不管电源正被消耗；

- 在检测到的电压下降到低于第一阈值之后，控制驱动器以向照明单元递送逐渐减小的功率；

- 在第一条件下，在电源与驱动器之间切换上变换器以提升来自电源的输出电压；以及

- 在第二条件下，旁路所述上变换器，并且实现所述控制步骤；

其中所述第一条件包括在高占用时段中操作，并且所述第二条件包括在低占用时段中操作。

9.依照权利要求8的方法，其中所述控制驱动器以递送恒定功率的步骤包括维持或增加驱动器的占空比；并且

所述控制驱动器以递送逐渐减小的功率的步骤包括维持或减小驱动器的占空比。

10.依照权利要求11的方法，进一步包括：

- 在检测到的电压下降到低于比所述第一阈值更小的第二阈值之后，精细调节驱动器的占空比和频率，使得驱动器向照明单元递送逐渐减小且不波动的功率。