CN107113938A - 用于控制固态灯的系统和方法 - Google Patents

Abstract

固态驱动器电路可与低频干线电源或磁镇流器电源兼容或者与高频电子镇流器输入兼容。输入检测电路检测电源的频率，并且选择性地调整驱动电路，以在检测到电子镇流器时用作线性调节器，或者在检测到干线或磁镇流器时，用作开关模式调节器。

Description

用于控制固态灯的系统和方法

技术领域

本公开涉及用于控制固态灯的系统和相应的方法。

背景

固态灯由于其优异的效率取代了荧光灯和白炽灯。固态灯中的照明元件包括半导体材料，其中光通过电致发光发出。可采用各种类型的照明元件，诸如各种类型的发光二极管(LED)(包括硅、有机和聚合物LED)。本公开将特别讨论LED的情况，但是将认识到的是，其通常也适用于其它类型的固态灯。

需要对通过固态照明元件的电流进行控制，以确保提供最小量的功率以便发出所需亮度的光，但也不会超过最大功率量，以便防止对元件和电路造成损坏。为了照顾这一点，提供了LED驱动器电路。

镇流器也经常用于照明系统。镇流器是限制供应给负载的电流量的设备或电路。它们通常用在表现出负电阻特性的设备中，诸如气体放电灯，其中限制电流对于防止灯被破坏或故障是重要的。然而，镇流器也可用于限制普通的正电阻电路中的电流，包括供固态灯使用。镇流器通常与照明设备(luminaire)外壳集成，以用于当固态灯被插入到照明设备外壳的插座中时经由合适的电连接器与固态灯的驱动器电路耦合。

图1图示了LED照明系统100，其中LED驱动器电路包括线性调节器102，其向通常示为LED1到LEDn的一系列LED 104供电。线性调节器102与由电网(或可替代地，由离网电源)提供的干线电源(mains supply)106耦合。线性调节器可连接到干线AC电源，但具有低效率和高功耗，导致高散热。当连接到镇流器时，线性调节需要被调整，以便使LED驱动器电路的输入功率和输出功率平衡。

图2图示了照明系统200，其中开关调节器202用于控制供应给LED104的功率。开关调节器具有开关元件，其用于选择性地对能量储存元件进行充电或放电并选择性地将能量储存元件与负载耦合，以调节电压或电流特性并控制供应给负载的功率。各种不同的电路拓扑结构是已知的，包括但不限于降压转换器、升压转换器、降压-升压转换器和单端初级电感器转换器(SEPIC)。开关调节器202比线性调节器更节能。

开关调节器202与AC干线电源或与在类似频率下工作的磁镇流器(magneticballast)一起良好工作。然而，当直接连接到电子镇流器时，开关调节器202可能会导致闪烁、不正确的输出电压和电流、不稳定且不可靠的操作或甚至导致对电路造成损坏。这是因为开关调节器被设计用于与AC输入或磁镇流器一起工作，这二者都是电压源。然而，电子镇流器用作电流源，因此当连接到镇流器时，开关调节器202的输入能量以及进一步的输入电压取决于其输出部分。如果在输入功率和输出功率之间有任何不匹配，则开关调节器202将经受输入电压不足或输入电压过大。

因此，可理解的是，现有的LED驱动器电路被设计为专门与干线电源一起使用或与电子镇流器一起使用。如果LED驱动器电路被设计用于与干线电源一起使用，则它将不与镇流器正常工作，反之亦然。

这对于灯的互操作性和灯的改造造成了问题。固态灯通常被设置在灯泡外壳中，并且包括驱动器电路和发光元件。照明系统可包括具有外壳和用于接收灯的插座的照明设备。通常，镇流器将被设置为灯具的一部分，以用于通过由灯泡外壳和照明设备插座提供的适当匹配的电连接器与被插入的灯电连接。

安装和维护照明装置的主要关注点是具有不同类型镇流器的灯的互操作性。照明设备可以或可以不具有安装的镇流器，并且固态灯的驱动器电路可以或可以不与镇流器兼容。因此，这意味着必须仔细检查灯和灯具的兼容性。这增加了用户的不便，并对必须制造、管理和支持多种不同产品以考虑可能的各种组合的制造商带来了复杂性。

因此，如果固态灯驱动器电路能够在与作为其输入的镇流器或AC电源耦合时工作将是非常有利的。

概述

根据本公开的第一方面，提供了固态灯驱动器电路，包括：开关调节器；输入检测器，其被设置为接收输入电力供应并输出取决于该输入电力供应的频率的控制信号；以及控制设备，其被设置为接收控制信号，并根据该控制信号启动开关调节器的操作或使开关调节器短路。

可选地，控制设备被设置为如果控制信号指示检测到第一范围内的频率，则启动开关调节器的操作，并被设置为如果控制信号指示检测到第二范围内的频率，则使开关调节器短路，其中第一范围低于第二范围且不与其重叠。

可选地，如果检测到第一范围内的频率，则控制信号包括第一逻辑状态，以及如果检测到第二范围内的频率，则控制信号包括第二逻辑状态。

可选地，第一频率范围对应于干线电源和/或磁镇流器的工作范围，以及第二频率范围对应于电子镇流器的工作范围。

可选地，开关调节器包括降压转换器。

可选地，当短路时，降压转换器提供DC路径，并且驱动器电路用作线性调节器。

根据本公开的第二方面，提供了驱动固态灯的方法，包括：接收输入电力供应；以及根据输入电力供应的频率，启动开关调节器的操作或使开关调节器短路。

可选地，该方法包括基于输入电力供应的频率输出控制信号，以及根据控制信号启动开关调节器的操作或使开关调节器短路。

可选地，如果检测到第一范围内的频率，则控制信号包括第一逻辑状态，以及如果检测到第二范围内的频率，则控制信号包括第二逻辑状态。

可选地，该方法包括：如果输入电力供应的频率在第一范围内，则启动开关调节器的操作；如果输入电力供应的频率在第二范围内，则使开关调节器的操作短路；其中第一范围低于第二范围且不与其重叠。可选地，第一频率范围对应于干线电源和/或磁镇流器的工作范围，以及第二频率范围对应于电子镇流器的工作范围。

可选地，开关调节器包括降压转换器。

可选地，当短路时，降压转换器提供DC路径，并且驱动器电路用作线性调节器。

根据本公开的第三方面，提供了照明系统，包括：一个或更多个固态灯；以及驱动器电路，其用于驱动所述固态灯中的一个或更多个；所述灯驱动器电路包括：开关调节器；输入检测器，其被设置为接收输入电力供应并输出取决于该输入电力供应的频率的控制信号；以及控制设备，其被设置为接收控制信号，并根据该控制信号启动开关调节器的操作或使开关调节器短路。

第三方面可包含第一方面和第二方面的特征的任何组合。

附图简述

现在将参照附图仅通过示例的方式来对本公开进行描述，在附图中：

图1示出了具有包括线性调节器的驱动电路的第一现有的LED照明系统；

图2是具有包括开关调节器的驱动电路的第二现有的LED照明系统；

图3图示了根据本公开的第一实施例的照明电路；

图4图示了根据本公开的方面的照明电路的一部分，其中控制设备被设置有两个开关元件；

图5根据本公开的方面的照明电路的一部分，其中控制设备被设置有一个开关元件；

图6图示了供图4的照明电路使用的第一示例输入检测电路；

图7图示了供图5的照明电路使用的第二示例输入检测电路；以及

图8图示了供图5的照明电路使用的第三示例输入检测电路。

详细描述

根据本公开，照明系统包括固态灯和用于控制输入到固态灯的功率的驱动器电路。驱动器电路包括开关调节器(例如，降压转换器)、输入检测电路和控制设备。输入检测电路监测输入到驱动器电路的电力供应，并基于检测到的频率输出控制信号。然后，控制设备按照控制信号行动，以启动开关调节器或使其短路。当开关调节器短路时，驱动器电路用作线性调节器。当驱动器电路的输入由干线电源或由磁镇流器直接提供时，则输入检测电路将确定输入具有相对低的频率，并且将启动开关调节器。然而，当驱动器电路的输入由电子镇流器直接提供时，则输入检测电路将确定输入具有相对高的频率，并且将使开关调节器短路。因此，包括这样的驱动器电路的固态灯可利用干线电源、磁镇流器或电子镇流器中的任意一个操作，并且将相应地改变其操作以确保正确的操作。

干线电源的频率因国家而异，但对于本公开，我们假定频率介于50和60Hz之间。为避免疑问，本公开不排除其他干线电源。

镇流器用在各种环境中，以限制和控制通过电气负载的电流。镇流器有两种主要类型：磁镇流器和电子镇流器。磁镇流器包括向提供给电路的电流提供电抗的电感器。它们以与电源频率同步的频率工作。电子镇流器采用固态电路，并且通常基于开关模式的电源拓扑结构，对输入功率进行整流并以高频对其进行斩波。电子镇流器可通过诸如脉冲宽度调制的技术来进行调光。电子镇流器通常以几十千赫(通常为50kHz或更高)的频率向灯供电。虽然在干线电源、磁镇流器和电子镇流器的特定频率之间可能会有某些变化，但电子镇流器的频率将始终高于干线电源或磁镇流器的频率一定数量级(或更高)。

图3图示根据本公开的第一实施例的照明系统300。驱动器电路302被设置在输入端306和形成驱动器电路302的负载的一系列LED灯304之间。可设置任意数量的发光元件。二极管D1到D4用于对输入进行整流，以及二极管D5是阻塞二极管，其阻止电流从负载流回到输入端。还设置了电感器(L)和续流二极管(D6)。开关S提供过电压保护，并且用于选择性地使输入端与输出端解耦。驱动器电路302包括输入检测电路308和控制设备310。

输入检测电路308检测输入端306的频率是低还是高。在优选实施例中，低频被定义为在可由干线电源或磁镇流器供应的频率范围中，并且高频被定义为在可由电子镇流器供应的频率范围中。低频范围可包括约为100Hz的频率，以及高频范围可包括约为10kHz的频率。

控制设备310工作以控制提供给负载的功率。控制设备310可根据输入检测电路308的输出在不同模式之间切换，在优选实施例中，该输入检测电路308的输出可包括代表是检测到高的输入频率还是检测到低的输入频率的高的逻辑信号或低的逻辑信号。在可替代实施例中，有可能提供更为复杂的输出，其包括实际检测的频率的量化以进行更复杂的控制。

当检测到输入端是电子镇流器时，控制设备310使开关调节器短路。在这种情况下，驱动器电路用作线性调节器。当检测到输入端是干线电源或磁镇流器时，控制设备310启动开关调节器，使得可使用正常的开关模式调节。

在一方面，控制设备包括两个开关元件，其中一个被激活用于启动开关调节器，而另一个被激活用于使开关调节器短路并提供线性调节器。图4中示出了这样方面的示例实施例。这里，照明电路400包括具有两个开关Q1和Q2的控制设备。Q1用于开关功能，以及Q2用于短路功能。这里未示出输入检测电路(并且将在下面进行讨论)，但其从AC_检测(AC_DETECT)节点接收输入，并向Q2的栅极提供控制信号G_MOS。Q1由另一开关调节器控制。

当输入信号由干线电源或磁镇流器提供时，输入信号检测电路向Q2的栅极输出低信号电平。电路以降压模式工作，其中开关Q1、电感(L)和二极管(D6)形成降压转换器电路。Q1工作在高频开关状态下，并且Q2保持断开。当输入信号得自电子镇流器时，输入检测电路输出高电平信号。Q1被控制并保持在断开状态。Q2保持接通，并且电阻器R1、电感器L和输出电容器C用作线性调节器。该电路利用了降压转换器在其短路时可形成DC路径的事实。

根据另一方面，控制设备可包括单一开关元件，其改变操作状态以用作开关调节器的一部分，或保持在一种状态中由此使开关调节器短路且驱动器电路用作线性调节器。图5中示出了这样方面的示例实施例。这里，照明电路500包括控制设备，该控制设备包括开关元件Q1。这里未示出输入检测电路(并且将在下面进行讨论)，但其从AC_DETECT节点接收输入，并向Q1的栅极提供控制信号G_MOS。

当输入信号由干线电源或磁镇流器提供时，输入检测电路向G_MOS输出低电平信号。然后，Q1的栅极由G_MOS控制，该G_MOS可以是调节的脉宽调制的信号以操作降压式电路。当输入信号来自电子镇流器时，输入检测电路输出高电平信号。Q1保持接通，有效地使降压式电路短路。电阻器R1、电感器L和输出电容器C用作线性调节器。同样，该电路利用了降压转换器在其短路时可形成DC路径的事实。

任何合适的频率鉴别或检测电路都可以用于输入检测电路308。图6示出了一个合适的示例，其适用于与图4或图5的双开关控制设备一起使用。

这里，阻塞低频AC信号，但使高频AC信号通过。输入源电压由C3、C4和R5分压。当频率低时(干线或磁镇流器)，C4的电压低于0.7V；当频率高时(电子镇流器)，C4的电压约为10V。

当输入信号是AC干线电源或磁镇流器时，图6的输入检测电路600向端子G_DRI输出低电平信号，如上所述，这启动了图4的降压。当输入信号来自电子镇流器时，输入检测电路600输出高电平信号，图4的开关Q2保持接通并处于短路模式中。Q1被控制并保持在断开状态。

图7示出了输入检测电路700的另一实施例。这可以与图4或图5的电路一起使用。

图8示出了输入检测电路800的另一实施例。这可以与图4或图5的电路一起使用。驱动信号G_Dri得自开关调节器集成电路，因此当IC的VCC低时，栅极被拉到接地以保护主电路。如果G_Dri为高电平，则G_MOS为高，但当VCC为低时并且如果G_Dri为低，则G_MOS不受控制。

图8的电路示出了通过其Q1将保持在正常闭合状态下同时降压式控制电路可被禁用(但这不是必要条件)的装置。

在本公开的范围，可对上述内容进行各种改进和修改。

Claims (14)

1.一种固态灯驱动器电路，包括：

开关调节器；

输入检测器，所述输入检测器被设置为接收输入电力供应并输出取决于所述输入电力供应的频率的控制信号；以及

控制设备，所述控制设备被设置为接收所述控制信号，并根据所述控制信号启动所述开关调节器的操作或使所述开关调节器短路。

2.如权利要求1所述的固态灯驱动器电路，其中，所述控制设备被设置为如果所述控制信号指示检测到第一范围内的频率，则启动所述开关调节器的操作，并被设置为如果所述控制信号指示检测到第二范围内的频率，则使所述开关调节器短路，其中，所述第一范围低于所述第二范围且不与所述第二范围重叠。

3.如权利要求2所述的固态灯驱动器电路，其中，如果检测到所述第一范围内的频率，则所述控制信号包括第一逻辑状态，以及如果检测到所述第二范围内的频率，则所述控制信号包括第二逻辑状态。

4.如权利要求2或权利要求3所述的固态灯驱动器电路，其中，所述第一频率范围对应于干线电源和/或磁镇流器的工作范围，以及所述第二频率范围对应于电子镇流器的工作范围。

5.如任一前述权利要求所述的固态灯驱动器电路，其中，所述开关调节器包括降压转换器。

6.如权利要求5所述的固态灯驱动器电路，其中，当短路时，所述降压转换器提供DC路径，并且所述驱动器电路用作线性调节器。

7.一种驱动固态灯的方法，包括：

接收输入电力供应；以及

根据所述输入电力供应的频率，启动开关调节器的操作或使开关调节器短路。

8.如权利要求7所述的方法，包括基于所述输入电力供应的频率输出控制信号，以及根据所述控制信号启动开关调节器的操作或使开关调节器短路。

9.如权利要求8所述的方法，其中，如果检测到所述第一范围内的频率，则所述控制信号包括第一逻辑状态，以及如果检测到所述第二范围内的频率，则所述控制信号包括第二逻辑状态。

10.如权利要求7至9中任一项所述的方法，包括：

如果所述输入电力供应的频率在第一范围内，则启动所述开关调节器的操作；

如果所述输入电力供应的频率在第二范围内，则使所述开关调节器的操作短路；

其中，所述第一范围低于所述第二范围且不与所述第二范围重叠。

11.如权利要求10所述的方法，其中，所述第一频率范围对应于干线电源和/或磁镇流器的工作范围，以及所述第二频率范围对应于电子镇流器的工作范围。

12.如权利要求7至11中的任一项所述的方法，其中，所述开关调节器包括降压转换器。

13.如权利要求12所述的方法，其中，当短路时，所述降压转换器提供DC路径，并且所述驱动器电路用作线性调节器。

14.一种照明系统，包括：

一个或更多个固态灯；以及

驱动器电路，所述驱动器电路用于驱动所述固态灯中的一个或更多个；所述灯驱动器电路包括：

开关调节器；

输入检测器，所述输入检测器被设置为接收输入电力供应并输出取决于所述输入电力供应的频率的控制信号；以及

控制设备，所述控制设备被设置为接收所述控制信号，并根据所述控制信号启动所述开关调节器的操作或使所述开关调节器短路。