CN108029171A - 用于多个led的照明控制电路和方法 - Google Patents
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Abstract
一种用于控制多个LED(24、26)的照明控制电路(10)。该照明控制电路(10)包括可耦合到第一LED(20)和第二LED(22)的电流源(12);第一开关(24),被配置成当由第一驱动信号(V3)驱动时从断开位置切换到闭合位置,其中当第一开关(24)处于断开位置时,第一开关(24)被定位成中断流过第一LED(20)的电流(Iout);第二开关(26),被配置成当由第二驱动信号(V4)驱动时从断开位置切换到闭合位置,该第二驱动信号(V4)相对于第一驱动信号(V3)在时间上不重叠,其中当第二开关(30)处于断开位置时,第二开关(26)被定位成中断流过第二LED(22)的电流(Iout)。
Description
技术领域
本公开一般涉及用于控制多个LED的照明控制电路和方法。
背景技术
LED照明设备正在迅速代替曾经无处不在的白炽灯泡。LED照明设备有许多优点:例如,LED比传统的白炽灯泡更持久,并且提供更高的流明输出,同时使用更少的功率。此外,LED照明设备提供各种各样可能的色温,从而允许用户定制他或她的生活空间或其他照明区域的感觉。例如,为了舒适的设定,用户可以采用2700K LED照明设备,从而提供暖色温。或者,在需要明亮清晰的光(诸如用于商业显示器)的情况下,用户可以使用6500K LED照明设备,从而提供亮色温。
在任何给定的时间,通常期望调整单个照明设备的色温以发射更暖或更冷的色温。这样的照明设备可以用于将环境的光调到匹配当前的日光。例如,照明设备可以在午间产生明亮的冷光,并且在清晨和晚上产生暖光。
然而,可提供暖色和冷色的典型照明设备通常需要隔离电源连同次级侧的两个LED驱动器。在这种情形下,总共存在三个功率级,这是复杂的、昂贵的、流明效率低下的。例如,如果规范要求总输出功率为50W,则典型设计为200W驱动器(50W用于PFC、另一50W用于DC-DC、并且100W用于两个LED驱动器)。总功率可以为50W+50W+100W=200W。(有些设计利用了将PFC和DC-DC集成为1个功率级的单级AC-DC PFC。利用这种设计,总功率将为50W+100W=150W)。功率转换系统的总效率是每个功率级的倍数。因此,如果采用三级功率转换拓扑并且每级的功率转换效率为90%,那么系统效率将为72.9%。此外,控制各自具有唯一色温的各种LED(或LED串)的流明输出一般地需要多个控制器信道,这是昂贵且庞大的。
因此,本领域需要一种照明控制电路,该照明控制电路可以控制各种LED,而不需要用于每个LED的LED驱动器,并且仅经由适当的多路复用和控制将单个电流源用于不同的LED信道。
发明内容
本公开涉及一种照明控制电路,该照明控制电路被配置成控制多个LED,而不需要用于每个LED或LED串的LED驱动器,并且仅需要单个电流源。耦合到多个LED或LED串,照明控制电路对于每个LED或LED串仅需要单个脉冲宽度调制驱动信号,从而允许用于控制照明设备的简单和廉价的电路。该照明控制电路利用多个开关,每个开关可操作以中断流过相应的LED或LED串的电流。开关由时间上不重叠的驱动信号驱动,使得LED或LED串可以在单个时段内的不同时间照亮。因此,可以通过简单地变化驱动信号的占空比来修改每个LED或LED串的相对流明输出。
一般地,在一个方面中,提供了一种照明控制电路。该照明控制电路包括:电流源,可耦合以将电流递送到第一LED和第二LED;第一开关,被配置成当由第一驱动信号驱动时从断开位置切换到闭合位置,其中该第一开关被定位成当第一开关处于断开位置时中断流过第一LED的电流;第二开关,被配置成当由第二驱动信号驱动时从断开位置切换到闭合位置,该第二驱动信号相对于第一驱动信号在时间上不重叠,其中第二开关被定位成当第二开关处于断开位置时中断流过第二LED的电流。
根据一个实施例,第一LED和第二LED在操作期间发射不同的色温。
根据一个实施例,照明控制电路还包括控制器,该控制器被配置成通过调整第一驱动信号的占空比和第二驱动信号的占空比来变更第一LED和第二LED的亮度。
根据一个实施例,照明控制电路还包括:电流控制回路,包括:误差放大器,被配置成在第一输入处接收与流过LED串的电流成比例的感测电压,并且在第二输入处接收参考电压,并且输出误差电压,其中误差电压与感测电压与参考电压之间的差成比例;比较器,被配置成在第一输入处接收误差电压,并且在第二输入处接收比较电压,该比较电压是锯齿波并且输出控制电压,其中该控制电压的占空比由误差电压的幅度设定,其中该电流源被配置成调整与控制电压的占空比成比例的输出电流的幅度。
根据一个实施例,当第一开关处于闭合位置时,参考电压被设定为第一值,并且当第二开关处于闭合位置时,参考电压被设定为第二值。
根据一个实施例,参考电压在第一时间段被设定为第一值,其中第一时间段在第一开关处于闭合位置之后开始,并且在第一开关处于断开位置之前结束,并且参考电压在第二时间段被设定为第二值,其中第二时间段在第二开关处于闭合位置之后开始,并且在第二开关处于断开位置之前结束。
根据一个实施例,参考电压在第一时间段和第二时间段被设定为0V,其中第一时间段在第一开关处于闭合位置之后并且在第二开关处于断开位置之前开始,其中第二时间段在第二开关处于闭合位置之后并且在第一开关处于断开位置之前开始。
根据一个实施例,照明控制电路还包括:第一电压源,具有第一电压值,该第一电压源被配置成当第一开关处于闭合位置时将参考电压的值设定为第一电压值;并且第二电压源,具有第二电压值,该第二电压源被配置成当第二开关处于闭合位置时将参考电压的值设定为第二电压值。
根据一个实施例,其中第一开关通过第一开关驱动信号被驱动到闭合位置,并且第二开关通过第二开关驱动信号被驱动到闭合位置。
根据一个实施例,该照明控制电路还包括:开关控制电路,包括:第一分支,包括第一比较器,该第一比较器被配置成当比较信号的值超过第一开关信号的值时输出第一驱动信号,并且包括第二比较器,该第二比较器被配置成当比较信号的值超过第二开关信号的值时输出第一开关驱动信号;第二分支,包括第三比较器,该第三比较器被配置成当比较信号的值下落到低于第三开关信号的值时输出第二驱动信号,并且包括第四比较器,该第四比较器被配置成当比较信号的值下落到低于第四开关信号的值时输出第二开关驱动信号。
根据一个实施例,第二开关信号的值高于第一开关信号的值,第一开关信号的值高于第三开关信号的值,并且第三开关信号的值高于第四开关信号的值。
根据一个实施例,该照明控制电路还包括控制器,该控制器被配置成检测递送到第一LED和第二LED的电流,并且向电流源发送控制信号以调整电流,使得当第一LED和第二LED中的每个照亮时,第一LED和第二LED两者都可以实现期望的流明输出。
一般地,在另一方面中,提供了一种照明控制方法。该照明控制方法包括以下步骤:利用电流源向第一LED和第二LED递送电流;利用第一驱动信号将第一开关从断开位置驱动到闭合位置,其中第一开关被配置成当第一开关处于断开位置时,中断流过第一LED的电流;以及利用第二驱动信号将第二开关从断开位置驱动到闭合位置,其中第二驱动信号相对于第一驱动信号在时间上不重叠,其中第二开关被配置成当第二开关处于断开位置时,中断流过第二LED的电流。
根据一个实施例,该方法还包括以下步骤:检测递送到第一LED和第二LED的电流,并且将第二控制信号发送到电流源以调整电流,使得当第一LED和第二LED中的每个照亮时,第一LED和第二LED两者实现期望的流明输出。
根据一个实施例,发送第二控制信号的步骤由电流控制回路执行。
例如,被配置成生成基本白光的LED(例如,白光LED)的一种实施方式可以包括多个管芯,多个管芯相应地发射不同的电致发光光谱,该电致发光的光谱组合地混合以形成基本白光。在另一实施方式中,白光LED可以与磷光体材料相关联,该磷光体材料将具有第一光谱的电致发光转换为不同的第二光谱。在该实施方式的一个示例中,具有相对短波长和窄带宽光谱的电致发光“泵浦”磷光体材料,该磷光体材料继而辐射具有稍宽光谱的较长波长的辐射。
还应理解的是,术语LED不限制物理和/或电子封装类型的LED。例如,如上面所讨论,LED可以指代具有多个管芯的单个发光设备,该发光设备被配置成相应地发射不同的辐射光谱(例如,可以或可以不单独控制)。同样,LED可以与被认为是LED的整体部分(例如,某些类型的白光LED)的磷光体相关联。一般地,术语LED可以指代封装的LED、非封装的LED、表面安装的LED、板上芯片LED、T封装安装的LED、径向封装的LED、功率封装的LED、包括某种类型的包装和/或光学元件(例如漫射透镜)的LED,等等。
本文使用的术语“控制器”一般地用以描述与一个或多个LED的操作有关的各种装置。控制器可以以多种方式实施(例如,诸如利用专用硬件)以执行本文所讨论的各种功能。“处理器”是采用一个或多个微处理器的控制器的一个示例,该微处理器可以使用软件(例如,微代码)来编程以执行本文所讨论的各种功能。控制器可以在采用或不采用处理器的情况下实施,并且还可以实施为执行某些功能的专用硬件和执行其他功能的处理器(例如,一个或多个编程的微处理器和相关联电路)的组合。可以在本公开的各种实施例中采用的控制器组件的示例,包括但不限于常规微处理器、专用集成电路(ASIC)和现场可编程门阵列(FPGA)。归因于各种类型的“控制器”,各种类型的“控制器”中的任何一个都可适合地根据本发明的任何方面来使用,控制器将被描述为“被配置、被编程和/或被构造”以执行所声称的功能,从而包含了所有可能形式的“控制器”。
应理解的是,下面更详细讨论的前述概念和附加概念的所有组合(假设这些概念不相互不一致)被预期为是本文公开的发明性主题的一部分。特别地,出现在本公开结尾处的要求保护的主题的所有组合被预期为是本文公开的发明性主题的一部分。
参考下文描述的一个或多个实施例,本发明的这些和其他方面将变得显而易见并得以阐明。
附图说明
在附图中,相同的参考符号在所有不同的视图中一般地指代相同的部分。同样,附图不一定按比例绘制,而是一般地将重点放在说明本发明的原理上。
图1是根据一个实施例的照明控制电路的示意图。
图2是根据一个实施例的照明控制电路中存在的信号的图形。
图3是根据一个实施例的照明控制电路中存在的信号的图形。
图4是根据一个实施例的照明控制电路中存在的信号的图形。
图5是根据一个实施例的照明控制电路中存在的信号的图形。
图6是根据一个实施例的参考控制电路的示意图。
图7是根据一个实施例的开关控制电路的示意图。
图8是根据一个实施例的照明控制电路中存在的信号的图形。
图9是根据一个实施例的控制多个LED的方法的流程图。
图10是根据一个实施例的两个LED串的流明输出对占空比的图形。
具体实施方式
本公开描述了用于使用不重叠的驱动信号来控制多个LED串的设备的各种实施例。更一般地,申请人已经认识并且理解,控制各种LED的流明输出而不需要用于每个LED或LED串的LED驱动器将是有益的。相应地,本文描述的或以其他方式预想的设备提供了以下的照明控制电路,该照明控制电路被配置成控制多个LED,而不需要用于每个LED或LED串的LED驱动器,并且仅使用单个电流源。耦合到LED串的LED,照明控制电路对于每个LED或LED串仅需要单个脉冲宽度调制的驱动信号,从而允许用于控制照明设备的简单和便宜的电路。照明控制电路利用多个开关,每个开关可操作以中断流过相应的LED或LED串的电流。开关由时间上不重叠的驱动信号驱动,使得LED或LED串可以在单个时段内的不同时间照亮。因此,可以通过简单地变化驱动信号的占空比来修改每个LED或LED串的相对流明输出。
虽然下面描述的方法和系统关于LED串进行描述,但该电路事实上可以应用于需要时间上不重叠的驱动信号的任何设备。
现在参考图1,其中相同的附图标记指代相同的部分,整个图示出照明控制电路10的实施例的示意图。如图所示,照明控制电路10可以包括电流源12、LED串14、开关16和电流控制回路18。
在一个实施例中,电流源12可以是单级PFC或两级PFC/DC-DC转换器或适合用于给一个或多个LED串上电的任何其他电流源。电流源12可以是非隔离的或隔离的功率转换器。非隔离式功率转换器的示例有降压式、升压式、降压-升压式等。隔离式功率转换器的示例有正激式、反激式、推挽式、半桥式、全桥式等。电流源12的输出Iout可以由从电流控制回路18或其他另一控制电路或控制器接收的电流控制信号V1来控制。可以通过降低Iout的幅度或通过调制Iout(诸如利用脉冲宽度调制)来调整电流以提供较低的平均电流。电流控制电路10中跨剩余元件所产生的电压降在图1中标识为Vout。
电流控制回路18还可以感测LED串14的电流输出。因为感测电压比感测电流更简单(并且因为电流控制回路18以及大多数控制器接收电压输入),所以电流感测电阻器R可以与LED串14的输出串联放置。电流感测电阻器的尺寸可以被设计成在LED串14的输出处产生标称的可检测电压V2,该标称的可检测电压V2将与LED串14的电流输出成比例。
在一个实施例中,LED串14由至少两个LED串20、22构成。LED串20、22可以相对于电流源12彼此处于并联关系,使得它们可以各自独立地接收来自电流源12的电流。LED串20、22和任何附加的LED串可以各自具有一个或多个LED。另外,每一LED串14可具有对比色温。例如,LED串20可以由2700K LED构成,其一般地被认为是暖色温,而LED串22可以由6500KLED构成,其一般地被认为是冷色温。然而,在备选实施例中,LED串20、22可具有相同或标称的不同的色温。在具有两个以上的LED串的实施例中,每个附加的LED串可以具有独特的色温与至少一个其他LED串共同的色温。
在一些实施例中,LED串14可以不是照明控制电路10的一部分,而是可以附接到照明控制电路10。
如图所示,开关16可以由开关24、26构成。在一个实施例中,开关16相应地每个与LED串14中的一个LED串成串联关系。然而,应理解的是,开关16可以被定位在适合于中断流过LED串14中的一个相应LED串的电流的任何位置。
响应于驱动信号,每个开关16可以由MOSFET、功率MOSFET、BJT、SER或适合于中断流过LED串14的电流的任何其他晶体管或电路构成。例如,开关24可以接收驱动信号V3并且开关26可以接收驱动信号V4。照明控制电路10不限于两个开关,而是可以具有与可控LED串一样多的开关—每个开关被定位成中断流过LED串14的LED串的电流。驱动信号可以是栅极驱动信号,或者在BJT晶体管的情况下是基极驱动信号。
在一个实施例中,驱动信号V3、V4可以由控制器28提供。控制器28可以由任何数字标准(诸如DALI 1.0、2.0、209、WIFI、BLUETOOTH、ZIGBEE、DMX等)来实施和控制,用于调整由控制器28执行的V3、V4或任何其他功能。在一个备选实施例中,驱动信号V3、V4可以由控制电路(即下面描述的控制电路44)提供。
在操作中,控制器28将控制信号V3、V4发送到开关24、26。在一个实施例中,控制信号V3、V4是不重叠的。换而言之,当控制信号V3为高(使得开关24进入闭合位置)时,驱动信号V4为低,并且当控制信号V4为高时,控制信号V3为低。因此,在时间上,驱动信号V3、V4不重叠。结果,一次仅打开开关16中的一个,并且仅LED串14的一个LED串导通电流:当驱动信号V3为高时,开关24导通,当驱动信号V4为高时,开关26为导通。因为驱动信号V3、V4的周期迅速,并且归因于人眼的自然持久性,所以不存在LED14正在接通和切断的感知;相反,眼睛感知已经产生了复合颜色(即,每个LED串14的色温的混合)。可以通过变化驱动信号V3、V4的占空比来调整该复合颜色。这允许混合多个LED串14的颜色以实现单个色点,其中每个LED 14串均匀地由某个色温的LED构成。
例如,如果驱动信号V3具有高百分比占空比,并且驱动信号V4具有低占空比,则LED串20将在每个周期中保持比LED串22更长的接通时间段。因此,LED串20的色温将支配所感知的色温。而如果驱动信号V3具有低百分比占空比,并且驱动信号V4具有百分比占空比,则LED串22将在每个周期中保持照亮更长时间段,并且LED串22的色温将支配感知色温。以这种方式,可以通过调整驱动信号V3、V4的占空比来变化照亮LED串14的复合色温。
在一个实施例中,驱动信号V3、V4可以是互补的(因此,V4=1-V3),而不是简单地在时间上不重叠。
图2示出了驱动信号V3、驱动信号V4、通过LED串20的电流和通过LED串22的电流相对于时间的图形。如图所示,因为驱动信号V3、V4不重叠,当驱动信号V3为高时,驱动信号V4为低。因此,当驱动信号V3为高时,LED串20导通,但LED串22不导通。相反地,当驱动信号V4为高时,LED串20不导通,而LED串22导通。
在一个实施例中,照明控制电路10还可以包括电流控制回路18,电流控制回路18被配置成测量流过LED串14的每个LED串的电流并且调整电流源12的输出电流Iout。在一个实施例中,控制回路42可以包括耦合到比较器32的误差放大器30。误差放大器30可以耦合到LED串14的输出,使得可以检测通过每个LED串20、22的电流。在一个实施例中,误差放大器可以在LED串14的输出处(或者在备选实施例中的输入处)耦合到电阻器R,使得通过每个LED串20、22的电流可以被测量为跨电阻器R的成比例电压V2。误差放大器30的输出(误差电压V6)将取决于与参考电压V5相比较的输入电压V2的值。换而言之,输入值之间的差值越大,输出(误差电压V6)就会越高。因此,如果输入电压V2的值显著低于参考电压V5,则误差放大器输出(误差电压V6)将具有相对较高的值。当输入电压V2接近或等于参考电压V5时,误差放大器输出(误差电压V6)将相对较低。
误差放大器30可以包括补偿网络,所述补偿网络包括Zf和Zi。在一个备选实施例中,Zi可以是具有一些增益G的放大器。误差电压V6可以根据拉普拉斯方程写为:
在DC条件下,s=0,并且上面变为
误差放大器30的输出可以耦合到比较器32的输入端子,使得误差放大器30的输出电压(误差电压V6)被施加到比较器32的输入端子。比较器32的其他端子可以接收比较电压V7,在一个实施例中,比较电压V7是锯齿波形。包括比较电压V7的比较器可以由本领域已知的任何PWM控制器IC实施,诸如UC3842。在一个实施例中,比较器32的输出是电流控制信号V1。在一个实施例中,电流控制信号V1的脉冲宽度与误差电压V6的幅度成比例。相应地,高幅度的误差电压V6将导致高电流控制信号V1脉冲宽度。而低幅度的误差电压V6将导致低电流控制信号V1脉冲宽度。在使用隔离式LED驱动器的实施例中,可以使用光耦合器来隔离误差电压V6。
比较器32的输出可以耦合到电流源12,使得比较器32的输出电压,电流控制信号V1被施加到电流源12的输入端子或其他控制点。在一个实施例中,输出电流Iout与电流控制信号V1的脉冲宽度成比例。因此,电流控制信号V1的大脉冲宽度将导致高输出电流Iout,并且电流控制信号V1的低脉冲宽度将导致低输出电流Iout。
在某些实施例中,回路18和/或误差放大器30可以用数字控制器来实施。
一般地,在一个实施例中,电流控制回路18如下操作。一开始,没有电流施加到LED串14中的任一LED串,并且开关16中的开关24、26断开。输入电压V2和参考电压V5两者都可以为零。一旦参考电压V5变高(该操作将在下面讨论),参考电压V5大于输入电压V2,并且因此误差电压V6将上升到更高的电压。结果,比较器32将开始输出具有大脉冲宽度的电流控制信号V1。接收大脉冲宽度电流控制信号V1的电流源12将开始向LED串20、22(任何一串由于闭合开关24、26而当前导通)提供成比例的大输出电流Iout。通过一个LED串20、22产生的电流将导致跨电阻器R的电压降(输入电压V2)。因为输入电压V2现在更高(并且与电流Iout成比例),削减输入电压V2与电阻器R之间的差值。因此,将减小输出误差电压V6,从而减小电流控制信号V1的脉冲宽度并且因此降低Iout的幅度。输入电压V2可能波动直到它达到基本上与参考电压V5相当的稳态点。因此,参考电压V5的值越高,得到的稳态电流Iout越高。稳定状态将继续,直到当前导通开关24、36断开或参考电压V5降低到较低值。
另外,因为输出电流Iout与参考电压V5成比例,每个LED串的电流可以通过在LED串14的每个LED串的操作期间施加唯一参考电压V5的值而变化。例如,在LED串20的操作期间(即,当开关24闭合时),参考电压V5可以被设定为高电压,使得通过LED串20的电流将很高,而当在LED串22的操作期间参考电压V5可以被设定为低电压,使得通过LED串22的电流将会较低。如图2中所示,当参考电压V5被设定为值V8时,通过LED串20的电流Iout的值为I1。当参考电压V5被设定为值V9时,通过LED串22的电流Iout的值是I2。因此,较高的参考电压V5的值V8导致较高的LED串电流I1。因此,输出电流Iout可以由参考电压V5的值来控制。当然,这些仅仅是示例,并且参考电压V5可以被设定为LED串14的任何LED串的任何值,以实现通过LED串的期望电流。
在每个LED串14的相对操作期间变化输出电流Iout可能是期望的,以便补偿每个LED串14的变化构成的流明输出。换而言之,LED串20可以由对于给定量的接收功率发射某一流明输出的LED类型构成,而LED串22可以由不同类型的LED构成,该不同类型的LED对于相同量的接收功率发射不同的流明输出。因此,为了调节LED串14的每个LED串的流明输出,以便例如在每个LED串照亮时发射相同量的流明,期望能够控制流过每个LED串在它照亮时的电流量。如上面所描述,在一个实施例中,这可以通过变化LED串14的每个相应的LED串的参考电压V5来完成。应注意,通过利用不重叠的驱动信号V3、V4驱动LED串14来完成的感知的流明输出区别于LED串14的每个LED串在它照亮时的流明输出的概念。
更具体地,如图2中所描绘,根据一个实施例,电流控制回路18可以说是以八种不同的模式操作。图2示出了跨多个调光PWM周期的与照明控制电路10的各种信号有关的模式,这些信号包括:驱动信号V3、驱动信号V4、参考电压V5、LED串20电流和LED串22电流。
一般地,在模式1(M1)中,驱动信号V3为高,但电流没有流过LED串20,因为参考电压V5仍然处于0V,并且因此电流Iout为零。在参考电压V5接通时,模式1(M1)结束。
当参考电压V5被设定为电压值V8时,模式2(M2)开始。由于参考电压V5被设定为电压值V8,电流源12将开始导通。由于开关24闭合,LED串20电流将从0A上升到稳态电流I1。稳态电流水平I1可以由以下公式确定,
I1=V8/R
在一个实施例中,其中放大器已经插入到误差放大器30的负输入,以提高输入电压V2,公式变成
I1=G*V8/R
其中G是放大器在负输入端子的增益。附加的非反相增益的目的是允许使用较低的R值,以便降低由于电阻器R引起的功率损耗并且提高信噪比。当参考电压V5再次为0V时,模式2(M2)结束。
当参考电压V5再次下降到0V(或一些其他可忽略的电压)同时驱动信号V3仍然为高时,模式3(M3)开始。在这个阶段,由于参考电压V5再次为低,输出电流衰减到0A。如将在下面深入讨论的,将参考电压V5保持足够长地低以使电流源12的输出电容Cout(在图1中表示为电容器Cout)在下一个LED串22(或在备选实施例中的LED串14中的其他LED串)的导通开始之前尽可能多地消耗电荷22是有利的。否则,在下一个LED串22接通时间期间,Cout的过量充电将导致电流过冲。当驱动信号V3下降到低时,模式3(M3)结束。
模式4(M4)表示当所有信号均为0V和0A时的空闲时段。该时段用作PWM调光。在驱动信号V4变高时,模式4(M4)结束。模式5-8(M5-M8)重复LED串22的模式1-4(M1-M4)。在模式8(M8)结束时,系统完成PWM调光循环。但是,应注意的是,对于模式5-8(M5-M8),参考电压V5被设定为低于电压值V8的电压值V9。结果,通过LED串22的电流I2低于通过LED串20的电流I1。
模式4和8(M4、M8)的空闲时间表示LED串20、22都不导通的时段。因此,可以调整模式4和8(M4、M8)的宽度以改变LED串20、22的感知亮度。因此,调光可以通过加宽模式4和8(M4、M8)来实行。因为改变LED串14中的一个LED串相对于另一个LED串的相对亮度可以改变发射光的色点,所以当调光时,可能期望调整模式4和8,使得每个LED串20和22的接通时间的比例保持不变。例如,如果在全亮度下,LED串20在调光时段的70%接通并且LED串22在调光时段的30%接通,则当调光到全部输出的10%时,模式4和8(M4、M8)可以被调整,使得LED串20在调光时段的7%接通并且LED串22在调光时段的3%接通。这样,发射光的色点将保持在期望的点处,但整体亮度将被调光到10%。
当然,为了使电流导通,需要参考电压V5和驱动信号V3、V4为高,空闲时间可以通过变化驱动信号V3、V4来实施,使得两者都不会导通一段时间。
模式1、3、5和7(M1、M3、M5、M7)可以在控制器设计中用作停滞期,即此时没有电流流过任一LED串20、22。停滞期的目的是减轻LED电流过冲。如图3中所描绘,电流过冲发生在电流尖峰高于稳态设定点处。LED的流明和色温都是它的安培电流的函数。因此,过冲电流期间可以将LED的色温和流明从它的设定点上偏移。
尽管过冲通常由补偿网络(Zf和Zi)的值来确定和减轻,但其他电气因素也可能对过冲有所贡献:
首先,如图4中所示,如果在开关闭合之前参考电压V5为高,则归因于大差分输入电压(参考电压V5减去输入电压V2),误差电压V6将非常高。的确,误差放大器30可能处于饱和状态(通常是omp-amp的Vcc)。由于电流源输出电流与误差信号成比例,所以一旦开关16中的一个闭合,饱和误差电压V6将初始产生非常大的输出电流Iout,从而导致在稳定到稳定状态I1之前过冲。
为了减轻这种过冲电流,只有在驱动信号V3或驱动信号V4为高之后,参考电压V5可以被设定为高信号(即,V8、V9),如图4中所示。如此,初始误差放大器30输出误差电压V6开始于0V并且斜坡上升到小的稳态误差。这样做,电流源12的输出电流Iout(该输出电流Iout与LED电流相同)将从0A开始,而不是从最大电流开始。因此,电流过冲和稳定时间将大大降低。
其次,如果通过LED串14之一迅速放电,则电流源12输出电容Cout的放电可能引起过冲。更具体地,如果在下一个导通循环开始处,充电的输出电容Cout的电压大于跨LED串14的电压,则来自Cout的过量电荷将瞬时倾倒到LED串14中,导致急剧的过冲。因此,可能引入停滞期以允许输出电容Cout耗尽它的电荷。在一个备选实施例中,具有从相同电流源分接的辅助功率将有助于电荷消耗。
根据上文,接通时间停滞期可以由其中开关16处于闭合位置但电流不流过LED串14的相应LED串的时间段来限定。关断时间停滞期可以由诸如Vcout<Vout以及I1、I2=0A的条件确定。
如图5中所示,停滞期和空闲时间不需要是对称的。例如,断开开关24与闭合开关26之间的空闲时间可以是一个长度,并且断开开关26与闭合开关24之间的空闲时间可以是另一长度。将理解的是,可以将停滞期和空闲时间设定为适合于减轻过冲或用于控制调光的任何长度。此外,停滞期和空闲时间可以是随时段变化的,以考虑影响电流过冲或调光并且随时间变化的条件。对于LED串14中的多于两个LED串的实施例中的任何数目的LED串,也可以实施停滞期和空闲时间。
此外,可以使用控制器28或不同的控制器来变化驱动信号V3和V4以实施停滞期。
设定参考电压V5的值可以由固件或控制器(诸如控制器28)来完成。在一个备选实施例中,电路(诸如参考控制电路34)可以变更参考电压V5的值。如图6中所示,控制电路34可以包括两个电压源36、38,每个相应地生成不同的电压值:V8、V9。电压源36、38相应地经由开关40、42耦合到求和节点,该求和节点耦合到电流控制回路18的参考电压V5输入(即,误差放大器30的正端子)。因此,当开关40闭合并且开关42断开时,参考电压V5由电压源36设定为电压值V8。当开关40断开并且开关42闭合时,参考电压V5由电压源58设定为电压值V9。以这种方式,参考电压V5的值可以通过变更开关40、42在电压值V8与电压值V9之间变化。在一个实施例中,参考控制电路34还可以包括下拉电阻器Rp,该下拉电阻器Rp在开关56和开关58都未闭合时将参考电压V5拉到接地。每个开关40、42可以相应地通过开关驱动信号V10、V11来断开或闭合。在一个实施例中,开关40、42可以是模拟多路复用器,然而如本领域中已知的,可以使用其他开关。附加地,参考电压V5可以被修改为具有使用简单R-C上升时间的软启动以减慢LED串14电流接通时间。
在备选实施例中,可以使用任何数目的电压源来设定参考电压V5。例如,如果LED串14由四个LED串构成,则可以使用四个不同的电压源将参考电压V5设定为每个LED串的唯一电压值。然而,普通技术人员将理解,任何数量的参考电压值可以用于任何数目的LED串。例如,如果采用三个LED串,其中两个需要类似的电流,则可以由两个电压源向三个LED串供应两个参考电压值。类似地,在参考电压值由控制器(诸如控制器28)供应的情况下,该控制器可以被配置成为任何数目的LED串递送任何数目的参考电压。
如图7中所示,照明控制电路10还可以包括开关控制电路44,其被配置成提供开关控制信号V10、V11以及驱动信号V3、V4。在该实施例中,开关驱动电路44可以代替或以其他方式补充控制器28,因为它用作生成驱动信号V3、V4或V10、V11。
在图7所示的实施例中,驱动电路44可以由两个分支46、48构成,每个分支具有两个比较器:分支46包括比较器50、52,并且分支48包括比较器54、56。在一个实施例中,比较器52、54相应地输出驱动信号V3、V4,并且比较器50、56相应地输出开关驱动信号V10、V11。
每个分支46、48被配置成在输入端子58、60处接收开关信号V12、V13。比较器50、54被配置成在相反端子处接收开关信号V12、V13。例如,比较器50可以在负输入处接收开关信号V12,而比较器54可以在正端子处接收开关信号V13。比较器50、54的另一端子可以连接到比较信号V16。在一个实施例中,比较信号V16可以是三角波,尽管在备选实施例中可以使用其他波型。
在一个实施例中,比较器52、76可以被配置成接收衰减的开关信号V14、V15。在一个实施例中,开关信号V14、V15可以由二极管D1和R1以及二极管D2和R2形成。如图所示,使用分支46作为一个示例,二极管D1的阳极可以耦合到输入端子58,使得二极管D1接收开关信号V12。二极管D1的阴极可以连接到比较器52的负端子并且连接到电阻器R1,该电阻器R1接地。在操作中,由于开关信号V12,电流将流过二极管D1和电阻器R1到地。二极管D1将导致从开关信号V12的值的0.5-0.7伏的压降。剩余部分形成开关信号V14并且存在于比较器52的负输入。因此,跨电阻器R1的电压降形成开关信号V14,其等于开关信号V12减去跨二极管D1的电压降。应注意的是,在备选实施例中,二极管D1可以由(与电阻器R1形成分压器的)电阻器或任何其他恒压设备代替。类似地,R1的值可以由二极管D1的正向偏置确定。
在一个实施例中,分支48被配置成与分支44相似,除了开关信号V15被施加到比较器56的正端子而不是负端子。此外,比较器52、56的相反的端子连接到比较信号V16。换而言之,比较器52的正端子被耦合以接收比较信号V16,而比较器56的负端子被耦合以接收比较信号V16。
总之,比较器50接收在负输入端子处的开关信号V12和在正端子处的比较信号V16,而比较器52接收在负端子处的开关信号V14和在正端子处的比较信号V16。作为对照,比较器54在正输入端子处接收开关信号V13,并且在负输入端子处接收比较信号V16,同时比较器56在正输入端子处接收开关信号V15,并且在负输入端子处接收比较信号V16。
在一个实施例中,开关信号是恒定电压,从最高电压值按照以下顺序递减:V12、V14、V13、V15。然而,在备选实施例中,可以使用其他开关信号值来获得不同的期望输出(即改变停滞期、空闲时间和导通时间)。在又一实施例中,开关信号可以随时间变化或者在某个事件(诸如用户输入)时变化。
应注意的是,图7仅是一个说明性的示例,并且可以不是最佳的设计,因为取决于系统成本和性能要求,存在许多方法以实施电信号。例如,可以使用数字逻辑组件(诸如数字逻辑门电路)生成用于驱动信号或停滞期的时序。在其他示例中,可以使用微处理器或微控制器来生成驱动信号的调光。
如图8中所示,在一个实施例中,驱动电路44操作如下:
当比较信号V16上升到高于开关信号V14的值时,比较器52输出驱动信号V3。一旦比较信号V16上升到高于开关信号V12的值时,比较器50开始输出开关驱动信号V10。接下来,当比较信号V16下落到低于开关信号V12的值时,比较器50停止输出开关驱动信号V3。类似地,当比较信号V16落到低于开关信号V14时,比较器52停止输出驱动信号V3。以这样的方式,仅在驱动信号V3已经开始之后,开关驱动信号V10才开始,并且在驱动信号V3停止之前开关驱动信号V10停止。
比较器54、56类似地相应地输出驱动信号V4和开关驱动信号V11。然而,因为比较信号V16耦合到比较器54、56的负端子,所以当比较信号V16下落到低于相应开关信号的值时,每个比较器54、56的负端子将仅输出信号。因此,当电压参考信号比较信号V16下落到低于开关信号V13时,比较器54将开始输出驱动信号V4,并且当比较信号V16下落到低于开关信号V15时,比较器56将开始输出开关驱动信号V11。相反,当比较信号V16上升到高于开关信号V15时,比较器56将停止输出开关驱动信号V11,并且当比较信号V16上升到高于开关信号V13时,比较器54将停止输出驱动信号V4。
比较器68、70、72、74的输出可以通过变更开关信号V12、V13的值或比较信号V16的脉冲宽度来变化。此外,代替提供两个信号V12、V13和派生信号V14、V15,控制器28可以被配置成将信号V12、V13、V14、V15直接提供给比较器50、52、54、56。
应理解的是,尽管图1描绘了具有两个LED串20、22的电路,但是可以使用任何数目的LED串。在多于两个LED串的实施例中,支持电路可以被扩展以容纳附加的LED串。例如,每个附加的LED串可以具有相关联的附加开关,从而从控制器28接收控制信号。备选地,每个附加开关可以从开关控制电路44接收控制信号。例如,开关控制电路44可以采用附加分支,每个分支为每个附加LED分支提供驱动信号和开关驱动信号。
在备选实施例中,可以仅使用一个控制信号(诸如控制信号V5)来控制包括附加LED串的每个LED串14。在该示例中,与每个LED串相关联的开关可以在给定控制时段的唯一时间被单独地驱动,使得控制信号V5被有效地时分复用—其中开关24和26中的每一个被驱动持续控制信号V5时段的唯一部分。在备选实施例中,对于控制信号V5时段的相同部分,可以一起驱动两个以上的LED串。在又一实施例中,可以使用两个或以上的信道来控制开关16。例如,可以使用单个控制信道来控制开关16的最多两个开关。因此,在六个开关的一个实施例中,将使用总共三个信道,每个信道控制六个开关中的两个开关。附加地,在多于两个LED串的实施例中,当每个附加的LED串接收电流时,可以采用附加的电流控制回路42来控制电流输出。结合对本公开的回顾,这些和其他变化将是显而易见的。
流过任何附加的LED串的电流可以由控制器28使用递送到电流源12的电流控制信号V1来检测和控制。备选地,电流控制回路18可以检测流过每个附加LED串的电流,并且当每个LED照亮时调整电流Iout。
普通技术人员将进一步理解,可以实施多个电流控制回路42以控制流过每个LED串的电流。例如,每个电流控制回路可以具有唯一的参考电压。因此,代替对一个电流控制回路18的参考电压进行多路复用,在LED串14的每个LED串的操作期间备选地实施每个电流控制回路。
图9示出了在一个实施例中用于控制多个LED的方法600的流程图。该方法利用了本文描述的或另外预想的系统的一个或多个实施例。例如,方法200可以使用上面所描述的照明控制电路10。
在步骤610处,使用电流源12将电流Iout提供给LED串20、22。在一个实施例中,LED串20、22可以相对于电流源12并联,使得每个LED串可以独立地接收电流Iout。
在步骤612中,在一个实施例中,控制信号V3将第一开关24从断开位置驱动到闭合位置。当处于断开位置时,第一开关24可以被定位成中断流过LED串20的电流。因此,当开关24处于闭合位置时,电流可以流过LED串20。
在步骤614中,第二控制信号V4驱动第二开关26,从断开位置到闭合位置。当处于断开位置时,第二开关26可定位成中断流过LED串22的电流。此外,驱动信号V3被配置成与驱动信号V4在时间上不重叠,使得在不同时间处通过LED串20、22的电流被中断。因此,LED串20、22不会同时处于操作中。
在一个实施例中,驱动信号V3和V4可以由控制器28提供。在一个备选实施例中,驱动信号V3和V4可以由开关控制电路44提供。
在步骤616中,检测到递送到LED 14的电流Iout。在一个实施例中,电流Iout可以由控制器28检测。在一个备选实施例中,电流Iout可以由电流控制回路18检测,如图1中所描绘。在一个实施例中,流过LED串20、22的电流可以通过测量电流感测电阻器上的输入电压V2来检测。
在步骤620中,电流控制信号V1可以被发送到电流源12,以在每个LED照亮时调整流过LED串20、22的电流Iout。如先前所讨论的,给定每个LED串20、22的相对构成,可以调整Iout以确保在每个LED串20、22被照亮时实现一致的流明输出。此外,电流控制信号V1可以由控制器28、由不同的控制器(未示出)或由电流控制回路18发送,如图1中所描绘。
图10示出了每个LED串的相对流明输出如何随着控制信号V3、V4的占空比而变化的图形。控制信号V3、V4的占空比由水平轴表示,并且流明输出由垂直轴表示。在该图中,假定LED串20由6500K LED构成,并且LED串22由2700K LED构成,然而可以使用任何LED。当驱动信号V3的占空比处于0%,并且V4处于100%时,LED串20不照亮并且LED串6500K持续接通。当每个V3和V4的占空比处于50%时,每个LED串20、22的平均输出是相等的,因此所感知的流明输出将是相当的。针对驱动信号V3,从0%直到50%(但不包括50%),来自LED串22的流明输出为主导。从紧接50%之后到100%,随着LED串22的流明输出减小,LED串20的流明输出变为主导。
如本文所定义和使用的,所有定义应理解为支配字典定义、通过引用并入的文献中的定义和/或所定义术语的普通含义。
如本文在说明书和权利要求中使用的不定冠词“一”和“一个”,除非明确地相反指示,应理解为意指“至少一个”。
如本文在说明书和权利要求书中使用的短语“和/或”应理解为意指如此结合的元素的“任一个或两个”,即在一些情况下结合存在并且在其他情况下分离的存在的元素。利用“和/或”列出的多个元素应以相同的方式解释,即如此结合的元素中的“一个或多个”。其他元素可以可选地存在,除了由“和/或”子句明确标识的元素之外,不管与具体标识的元素相关还是不相关。
如本文在说明书和权利要求书中所使用的,“或”应被理解为具有与如上面所定义的“和/或”相同的含义。例如,当分离列表中的项目时,“或”或“和/或”应被解释为包含性的,即包含多个元素或元素列表中的至少一个,但也包括多于一个元素,以及可选地,包括附加的未列出项目。只有清楚地指示相反的术语,诸如“仅一个”或“正好一个”,或者当在权利要求中使用时,由...组成”将指代包括多个元素或元素列表中的恰好一个元素。一般地,如本文使用的术语“或”当后面有排他性术语(诸如“任一”、“之一”、“仅有一个”或“正好其中之一”时应当仅被解释为指示排他性备选方案(即“一个或另一个,但不是两个”)。
如本文中在说明书和权利要求书中所使用的,参考一个或多个元素的列表的短语“至少一个”应理解为意指选自元素列表中的任何一个或多个元素的至少一个元素,但不一定包括在元素列表内具体列出的逐个元素中的至少一个,并且不排除元素列表中元素的任何组合。该定义还允许可以可选地存在除了短语“至少一个”所指代的元素列表内具体标识的元素之外的元素,不管该元素与具体标识的那些元素相关还是不相关。
还应理解的是,除非清楚地相反指出,否则在本文所要求保护的包括多于一个步骤或行为的任何方法中,该方法的步骤或行为的顺序不一定限于该方法中的步骤或行为被记载的顺序。
在权利要求以及上面的说明书中,诸如“包括”、“包括”、“携带”、“具有”、“含有”、“涉及”、“保有”、“由...构成”等所有过渡性短语等应被理解为是开放式的,即意味着包括但不限于。仅过渡性短语“由......组成”和“基本上由......组成”应相应为封闭式或半封闭式过渡性短语,如美国专利局的审查指南程序手册第2111.03节所提出的。
虽然本文已经描述和说明了若干发明性实施例,但本领域普通技术人员将容易预想到用于执行本文所描述的功能和/或获得本文所描述的结果和/或本文所描述的优点中的一个或多个的各种其他手段和/或结构,并且每个这样的变化和/或修改被认为是在本文所描述的发明性实施例的范围内。更一般地,本领域技术人员将容易理解,本文所描述的所有参数、尺寸、材料和配置都是示例性的,并且实际参数、尺寸、材料和/或配置将取决于使用本发明的教导的一个或多个具体应用。本领域的技术人员将认识到,或仅使用常规实验就能够确定本文所描述的具体发明性实施例的许多等同物。因此,应理解的是,前述实施例仅以示例的方式呈现,并且在所附权利要求及其等同物的范围内,可以以与具体描述和要求保护的方式不同的方式来实践发明性实施例。本公开的发明性实施例针对本文所描述的每个单独的特征、系统、制品、材料、套件和/或方法。此外,如果这些特征、系统、制品、材料、套件和/或方法不相互不一致,则两个或以上的这样的特征、系统、制品、材料、套件和/或方法的任何组合都包括在本公开的发明范围内。
Claims (15)
1.一种照明控制电路(10),包括:
电流源(12),能够耦合以向第一LED(20)和第二LED(22)递送电流(Iout);
第一开关(24),被配置成当由第一驱动信号(V3)驱动时从断开位置切换到闭合位置,其中,所述第一开关(24)被定位成当所述第一开关(24)处于断开位置时,中断流过所述第一LED(20)的电流(Iout);以及
第二开关(26),被配置成当由第二驱动信号(V4)驱动时从断开位置切换到闭合位置,所述第二驱动信号(V4)相对于所述第一驱动信号(V3)在时间上不重叠,其中,所述第二开关(26)被定位成当所述第二开关(26)处于断开位置时,中断流过所述第二LED(22)的电流(Iout)。
2.根据权利要求1所述的照明控制电路(10),其中,所述第一LED(20)和所述第二LED(22)在操作期间发射对比色温。
3.根据权利要求1所述的照明控制电路(10),还包括控制器(28),所述控制器(28)被配置成通过调整所述第一驱动信号(V3)的占空比和所述第二驱动信号(V4)的占空比,来变更所述第一LED(20)和所述第二LED(22)的亮度。
4.根据权利要求1所述的照明控制电路(10),还包括:
电流控制回路(18),包括:
误差放大器(30),被配置成在第一输入处接收与流过LED串(14)的所述电流(Iout)成比例的感测电压(V2),并且在第二输入处接收参考电压(V5),并且输出误差电压(V6),其中所述误差电压(V6)与所述感测电压(V2)和所述参考电压(V5)之间的差值成比例;
比较器(32),被配置成在第一输入处接收所述误差电压(V6),并且在第二输入处接收比较电压(V7),并且输出控制电压(V1),所述比较电压(V7)是锯齿波,其中,所述控制电压(V1)的占空比由所述误差电压(V6)的幅度来设置,
其中,所述电流源(12)被配置成与所述控制电压(V1)的占空比成比例地调整输出的所述电流(Iout)的幅度。
5.根据权利要求4所述的照明控制电路(10),其中,当所述第一开关(24)处于所述闭合位置时,所述参考电压(V5)被设置为第一值(V8),并且当所述第二开关(26)处于所述闭合位置时,所述参考电压(V5)被设置为第二值(V9)。
6.根据权利要求5所述的照明控制电路(10),其中,所述参考电压(V5)被设置为所述第一值(V8)达第一时间段(M2),其中,所述第一时间段(M2)在所述第一开关(24)处于所述闭合位置之后开始,并且在所述第一开关(24)处于所述断开位置之前结束,并且所述参考电压(V5)被设置为所述第二值(V9)达第二时间段(M6),其中,所述第二时间段(M6)在所述第二开关(26)处于所述闭合位置之后开始,并且在所述第二开关(26)处于所述断开位置之前结束。
7.根据权利要求4所述的照明控制电路(10),其中,所述参考电压(V5)被设置为0V达第一时间段(M4)和第二时间段(M8),其中,所述第一时间段(M4)在所述第一开关(24)处于所述闭合位置之后并且在所述第二开关(26)处于所述断开位置之前开始,其中,所述第二时间段(M8)在所述第二开关(26)处于所述闭合位置之后并且在所述第一开关(24)处于所述断开位置之前开始。
8.根据权利要求4所述的照明控制电路(10),还包括:
参考控制电路(34),包括:
第一电压源(36),具有第一电压值(V8),所述第一电压源(36)被配置成当第一开关(40)处于闭合位置时,将所述参考电压(V5)的值设置成所述第一电压值(V8),以及
第二电压源(38),具有第二电压值(V9),所述第二电压源(38)被配置成当第二开关(42)处于闭合位置时,将所述参考电压(V5)的值设置成所述第二电压值(V9)。
9.根据权利要求8所述的照明控制电路(10),其中,所述第一开关(40)由第一开关驱动信号(V10)驱动到闭合位置中,并且所述第二开关(42)由第二开关驱动信号(V11)驱动到闭合位置中。
10.根据权利要求9所述的照明控制电路(10),还包括:
开关控制电路(44),包括:
第一分支(46),包括第一比较器(52),所述第一比较器(52)被配置成当比较信号(V16)的值超过第一开关信号(V14)的值时,输出所述第一驱动信号(V3);并且包括第二比较器(50),所述第二比较器(50)被配置成当所述比较信号(V16)的值超过第二开关信号(V12)的值时,输出所述第一开关驱动信号(V10);以及
第二分支(48),包括第三比较器(54),所述第三比较器(54)被配置成当所述比较信号(V16)的值下降到低于第三开关信号(V13)的值时,输出所述第二驱动信号(V4);并且包括第四比较器(56),所述第四比较器(56)被配置成当所述比较信号(V16)的值下降到低于第四开关信号(V15)的值时,输出所述第二开关驱动信号(V11)。
11.根据权利要求10所述的照明控制电路(10),其中,所述第二开关信号(V12)的值高于所述第一开关信号(V14)的值,所述第一开关信号(V14)的值高于所述第三开关信号(V13)的值,并且所述第三开关信号(V13)的值高于所述第四开关信号(V15)的值。
12.根据权利要求1所述的照明控制电路(10),还包括控制器(28),所述控制器(28)被配置成检测递送到所述第一LED(20)和所述第二LED(22)的所述电流(Iout),并且将控制信号(V1)发送到所述电流源(12)以调整所述电流(Iout),使得当所述第一LED(24)和所述第二LED(26)中的每个LED照亮时,所述第一LED(24)和所述第二LED(26)两者都实现期望的流明输出。
13.一种照明控制方法,包括以下步骤:
利用电流源(12),将电流(Iout)递送到第一LED(20)和第二LED(22);
利用第一驱动信号(V3),将第一开关(24)从断开位置驱动到闭合位置,其中,所述第一开关(24)被配置成当所述第一开关(24)处于所述断开位置时,中断流过所述第一LED(20)的所述电流(Iout);以及
利用第二驱动信号(V4),将第二开关(26)从断开位置驱动到闭合位置,其中,所述第二驱动信号(V4)相对于所述第一驱动信号(V3)在时间上不重叠,其中,所述第二开关(26)被配置成当所述第二开关(26)处于所述断开位置时,中断流过所述第二LED(22)的电流(Iout)。
14.根据权利要求13所述的照明控制方法,还包括以下步骤:
检测递送到所述第一LED(20)和所述第二LED(22)的所述电流(Iout),并且
将第二控制信号(V1)发送到所述电流源(12)以调整所述电流(Iout),使得当所述第一LED(20)和所述第二LED(22)中的每个LED照亮时,所述第一LED(20)和所述第二LED(22)两者都实现期望的流明输出。
15.根据权利要求14所述的照明控制方法,其中,发送所述第二控制信号(V1)的步骤由电流控制回路(18)执行。
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