CN109640432A - Led调光 - Google Patents

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Abstract

提供用于发光二极管(LED)负载的低或深调光的技术。在示例中,一种调节LED负载的驱动器电路的初始电压的方法可以包括在脉冲宽度调制(PWM)周期的导通时间期间从驱动器的功率级向LED负载提供电流,在驱动器的低调光控制电路处接收驱动器电路的误差电流信息,并且在PWM周期的关断时间期间调节耦合到驱动器的输出电容器的电压,该电荷调节基于误差电流信息。

Description

LED调光
技术领域
本申请适用于发光二极管(LED)照明的技术,包括LED照明的低调光。
背景技术
发光二极管(LED)技术已经从提供电子操作的小视觉指示器发展成适用于各种一般照明应用的技术,包括住宅、商业和户外照明的应用。在一般照明应用中,LED可以使用一小部分能量消耗来执行或优于现有照明解决方案。然而,用于将LED照明有效调暗到非常低的调光设置的技术一直难以实现。
附图简述
在附图中,不一定按比例绘制,相同的附图标记可以描述不同视图中的类似组件。具有不同字母后缀的相同数字可表示类似组件的不同实例。附图通过示例而非限制的方式示出了本文件中讨论的各种实施例。
图1总体上示出了LED驱动器系统的示例。
图2总体上示出了用于LED负载的低调光的示例系统。
图3总体上示出了低调光控制电路的示例。
图4总体上示出了用于LED负载的低调光的示例电路。
图5总体上示出了用于提供LED负载的低调光的示例方法的流程图。
发明详述
调节DC系统中的功率的照明系统的常规方法也可以应用于LED照明系统,然而,随着调光设定点降低,这种方法变得低效或导致LED的不期望的闪烁。结合脉冲宽度调制控制的开关调节器可以使用传统的控制方法将LED的有效调光提供到一定水平。在这样的系统中,通过脉冲宽度调制(PWM)开关向LED提供开关调节器的输出来点亮LED。在某些例子中,开关调节器可以为LED提供电流。PWM开关将LED连接到开关调节器的输出并断开连接。通常,调节器的开关频率远高于PWM频率,这允许广泛的调光控制。然而,当PWM控制器提供的PWM信号的导通时间(有时可称为占空比)变得短于将足够的电荷传输到LED所需的调节器的切换间隔以及进一步调暗LED的能力时,LED系统的电流控制可能会丢失。当由于PWM开关周期的导通时间缩短而导致电流控制丢失时,LED可能看起来关闭或未通电。在某些情况下,当调光水平非常低时,电流误差会累积,然后,当接收到更高的调光设定点时,实际调光可能太高而控制环处理累积的误差。
本发明人已经认识到允许在利用PWM控制而不损失电流控制或引起LED灯的闪烁的系统中的低调光的技术。在某些例子中,调光技术可以利用每个PWM周期的PWM“关闭”时间来调节非常短的PWM“导通”时间的LED电流脉冲幅度。
图1总体上示出了LED驱动器系统100的示例。系统100可以包括控制器电路,例如PWM控制器105、LED驱动器112、PWM开关107、输出电容器103和电流传感器111,并且可以包括或耦合到LED负载101。PWM控制器105可以接收LED调光设定点。PWM控制器105可以提供具有占空比或“接通”时间的PWM信号106,其可以被调节以对应于调光设定点。LED驱动器112可以接收PWM信号和电源电压(VIN)。LED驱动器112可以包括开关模式或其他功率调节器,以便调节到LED负载101的输出电流或电压(VOUT),这样可以建立提供给LED负载101的平均电流以与调光设定点相称。输出电容器103可以平滑LED驱动器112的输出电压或电流,并且可以与LED驱动器112协作提供能量存储,例如以允许LED负载101的非常低的调光同时避免闪烁。LED驱动器112可以使用电流传感器111来提供LED电流的闭环控制。例如,在某些示例中,电流传感器111可以提供用于设置LED驱动器的调节器的峰值电流的目标值的反馈。
图2总体上示出了用于LED负载101的低调光的示例系统100。系统100可包括LED负载101、包括功率级202以向LED负载101提供电力的驱动器112、用于平滑施加到LED负载101的电压或电流的输出电容器103、用于在每个PWM周期的每个“接通”时间期间控制到LED负载101的电流的反馈回路204、以及控制器105。控制器105可以接收或可以编程为设置或改变LED负载101的调光水平。控制器105可以确定每个PWM周期的占空比,并且可以提供具有与占空比相关联的适当“接通”时间的一个或多个PWM输出106。在某些例子中,控制器105可以为每个PWM周期的导通时间设置当前参考设定点(CTRL)。在一些例子中,控制器105可以将当前参考设定点(CTRL)设定在功率等级202或LED负载101的额定最大值处或附近。
当到功率级202的PWM信号有效时(例如,在PWM周期的“接通”时间期间),功率级202可以将功率输送到输出电容器103和LED负载101。由功率级202传递到LED负载101的功率可以通过PWM开关107传递。功率级202传送的功率可以调节到在功率级202接收的操作阈值(Vc)。在某些例子中,功率级202可包括内部时钟和电流发生器,当电流发生器被启用时以递增斜坡的形式向功率级202的输出提供电流。当电流斜坡的电平表示满足操作阈值(Vc)时,电流发生器可以断电。在某些例子中,当电流发生器断电时,电流可以在放电周期内从代表操作阈值(Vc)的电平下降。在从内部时钟接收到时钟脉冲时,电流发生器可以被激励并且可以再次以递增的斜坡提供电流。
反馈回路204可以提供强度反馈信息并且可以设置操作设定点(Vc)。反馈回路204可包括误差放大器208和阈值电容器209。在每个PWM“接通”时间期间,误差放大器208和阈值电容器209的输出经由一个或多个PWM开关210连接到功率级202的输入,以提供操作阈值(Vc)。误差放大器208通过LED电流传感器111可以将LED负载101的实际电流与电流基准(CTRL)进行比较,并相应地对阈值电容器209上的电压进行充电或放电。在每个PWM“关闭”时间期间,阈值电容器209和误差放大器208的输出可以通过一个或多个PWM开关210从功率级202隔离以及彼此隔离。
上述控制方案在宽范围的调光设定点上为LED负载101提供有效的功率输送。然而,当PWM“接通”时间变得非常小时,误差放大器208的有限响应时间、功率级202的有限响应时间、在长PWM“关闭”时间期间输出电容器103处的电压泄漏、以及功率级202的有限能量输送能力例如由于功率级202的输入和输出电压的相对水平,可以仅在PWM“接通”时间期间使用功率级202的功率传输来防止LED负载101的低调光。
在某些例子中,电路100可以包括低调光电路220,以与输出电容器103一起扩展功率级202的调光能力。低调光电路220可以包括电流传感器(RS)221、低调光控制电路222、和电压误差放大器223。电流传感器221可以在电流误差放大器208的输出处提供电流(IEA)的指示。如果电流误差放大器208在PWM“接通”时间期间将电流推出,则意味着电路100需要更多的能量传递到LED负载101以在PWM“接通”时间期间达到稳态。如果电流误差放大器208在PWM“接通”时间期间拉电流,则意味着电路100在PWM“接通”时间期间具有太多能量传递到LED负载101以达到稳态。如果电流误差放大器208既不推动也不拉电流,则意味着电路100提供正确量的能量以在PWM“接通”时间期间达到稳态。低调光控制电路220可以使用由电流传感器221收集的电流误差信息来为电压误差放大器223提供电压或低调光设定点。在每个PWM“关闭”时间期间,电压误差放大器223可以将低调光电路220的控制器222的电压设定点与输出电容器103两端的实际电压进行比较,并且可以向功率级202提供电压误差信号。在每个PWM“关闭”时间期间,功率级202可以被重新启用或用于将输出电容器103从电压误差放大器223的输出充电到由电压误差信号控制的电压。因此,输出电容器103可以被充电或初始化以提供补充量的能量,尤其是在LED负载101的低调光期间,使得在随后的PWM“接通”时间期间提供给LED负载101的平均电流对应于电路100的调光设定点。通常,示例电路100可以使用电流误差放大器208的输出电流信息来在PWM“关闭”时间期间调节输出电容器103上的功率级202的输出电压,因此,LED负载101可以在下一个PWM“接通”时间开始时以正确的电压偏置。
在某些例子中,PWM开关107可以在PWM“接通”时间期间将输出电容器103与LED负载101连接,并且可以在PWM“关闭”时间期间将输出电容器103与LED负载101隔离。在某些例子中,功率级202可以设计成在PWM“关闭”时间期间对输出电容器103充电或放电。在一些例子中,附加逻辑可以在PWM“关闭”时间期间通过PWM输入重新启用或使用功率级202,以允许输出电容器103的充电或放电。
图3总体上示出了低调光控制电路222的示例。低调光控制电路222可包括数模转换器(DAC)324、计数器325和计数逻辑326。计数逻辑326可以从与调光电路的电流误差放大器的输出相关联的电流传感器接收电流信息。计数逻辑326可以处理当前信息以控制计数器325。在一个示例中,计数逻辑326可以包括一对比较器327、328,比较器窗口电压参考329、330和逻辑门331例如NOR-门。在某些例子中,可以使用PWM信号(PWM)启用比较器327、328。取决于在低调光控制电路222处接收的电流传感器的输出(Pre-Vc)、(Mid_Vc)之间的电压差的极性和大小,比较器327、328中的一个可以触发计数器325向上或向下递增。如果在低调光控制电路222处接收的电流传感器的输出(Pre-Vc)、(Mid_Vc)之间的电压差的大小不够大,则通过比较器窗口电压参考329、330的设置来确定,计数器325的值可以保持不变。DAC324可以接收计数器325的数字输出,并提供低调光控制电路222的低调光设定点。
在某些例子中,这里提供的低调光技术可以被视为找到LED负载电流的正确初始条件的方法。这些技术允许在PWM“关闭”时间期间通过输出电容器调节功率级的输出电压,使得LED负载电流在随后的PWM“开启”时间的开始和早期部分可以是准确的。如果PWM“接通”时间足够长(即,比输出端的时间常数长),则主电流反馈回路可以像传统LED驱动器那样调节LED电流。此外,当PWM“接通”时间变得太短以至于主反馈回路无法命令准确的LED负载电流时,本主题可以补充LED负载调节性能。为此,这里的技术可以使用PWM“关闭”时间来控制输出电容器的附加能量传输。因此,该技术不具有传统技术的限制,例如功率级的有限响应速度、输出电容器处的电压泄漏、LED驱动器功率级的有限能量输送能力由功率电平的相对电平和功率级的输出电压设定,以及短PWM“接通”时间期间功率级202的最大输入电流限制。
图4总体上示出了用于LED负载的低调光的示例电路100。电路100可包括LED负载101,用于向LED负载101提供电力的功率级202,用于平滑施加到LED负载101的电压或电流的输出电容器103,用于在每个PWM周期的每个“接通”时间期间控制到LED负载101的电流的反馈回路204和控制器105。控制器105可以接收或可以编程为设置或改变LED负载的调光水平。控制器105可以确定每个PWM周期的占空比,并且可以提供具有与占空比相关联的适当“接通”时间的一个或多个PWM输出106。在某些例子中,控制器105可以为每个PWM周期的导通时间设置当前参考设定点(CTRL)。在一些例子中,控制器105可以将当前参考设定点(CTRL)设定在功率级202或LED负载101的额定最大值处或附近。
当到功率级202的PWM输入有效时(例如,在PWM周期的“接通”时间期间),功率级202可以将功率输送到输出电容器103和LED负载101。功率级202传递给LED负载101的功率可以通过PWM开关107传送。功率级202传送的功率可以调节到在功率级202接收的操作阈值(Vc)。在某些例子中,功率级102可包括内部时钟和电流发生器,当电流发生器被启用时以递增斜坡的形式向功率级202的输出提供电流。当电流斜坡的电平表示满足操作阈值(Vc)时,电流发生器可以断电。在某些例子中,当电流发生器断电时,电流可以在放电周期内从代表操作阈值(Vc)的电平下降。在从内部时钟接收到时钟脉冲时,电流发生器可以被激励并且可以再次以递增的斜坡提供电流。
反馈回路204可以设定操作阈值(Vc)。反馈回路204可包括误差放大器208和阈值电容器209。在每个PWM“接通”时间期间,误差放大器208和阈值电容器209的输出经由一个或多个开关210连接到功率级202的输入,以提供操作阈值(Vc)。误差放大器208通过LED电流传感器111将LED负载101的实际电流与电流参考(CTRL)进行比较,并相应地对阈值电容器209上的电压充电或放电。在每个PWM“关闭”时间期间,阈值电容器209和误差放大器208的输出通过一个或多个PWM开关210与功率级202隔离,并且彼此隔离。
上述控制方案在宽范围的调光设定点上为LED负载101提供有效的功率输送。然而,当PWM“接通”时间变得非常小时,误差放大器108的有限响应时间、功率级202的有限响应时间、在长PWM“关闭”时间期间输出电容器103处的电压泄漏,以及功率级102的有限能量输送能力例如由于功率级202的输入和输出电压的相对水平,可以仅在PWM“接通”时间期间使用功率级102的功率传输来防止LED负载101的低调光。
在某些例子中,电路100可以包括低调光电路420,以与输出电容器103一起扩展电路100的调光能力。低调光电路420可以包括电流传感器221、低调光控制电路222、电流误差放大器223和第二功率级402。电流传感器221可以提供电流误差放大器208的输出处的电流的指示。如果电流误差放大器208在PWM“接通”时间期间将电流推出,则意味着电路100需要更多的能量传递到LED负载101以在PWM“接通”时间期间达到稳态。如果电流误差放大器208在PWM“接通”时间期间拉电流,则意味着电路100在PWM“接通”时间期间具有太多能量传递到LED负载101以达到稳态。如果电流误差放大器208既不推动也不拉电流,则意味着电路100提供正确量的能量以在PWM“接通”时间期间达到稳态。低调光控制电路420可以使用由电流传感器221收集的信息来为电压误差放大器223提供电压设定点。在每个PWM“关闭”时间期间,电压误差放大器223可以比较低调光电路420的调光控制电路222的电压设定点与输出电容器103两端的实际电压,并可将设定点电压提供给第二功率级402。在每个PWM“关闭”时间期间,可以使第二功率级402能够将输出电容器103充电到由电压误差放大器223的输出设定的电压。因此,输出电容器103可以被充电或初始化以提供补充量的能量,尤其是在LED负载101的低调光期间,使得在随后的PWM“开启”时间期间提供给LED负载101的平均电流对应电路100的调光设定点或强度设定点。通常,示例电路100可以使用电流误差放大器208的输出电流信息来在PWM“关闭”时间期间调节输出电容器103上的功率级202的输出电压,使得LED负载101可以在下一个PWM“接通”时间开始时以正确的电压偏置。
在某些例子中,包括图2和图4中所示的示例,电流误差放大器208可以暂时用作比较器。在某些例子中,电流误差放大器的输出可以在短时间段内被采样,例如但不限于,在PWM开关210打开之后。在这样的示例中,可以对电流误差放大器208的输出进行采样以确定计数器325是应该递增、递减还是保持不变。在某些例子中,当电流误差放大器208暂时用作比较器时,可以消除误差电流传感器221以及低调光控制电路222的计数逻辑326的至少一部分。
在一些例子中,可以使用单独的比较器(未示出)来比较LED电流和CTRL值。同样,单独的压缩器可以在短时间内启用,例如但不限于,在PWM下降沿之后(即,PWM关闭时间的开始),以确定是否递增计数器325、递减计数器325、或保持计数器325不变。在这样的示例中,可以消除误差电流传感器221和低调光控制电路222的计数逻辑326的至少一部分。
图5总体上示出了用于提供LED负载的低调光的示例方法500的流程图。在501处,电流检测器可以接收LED负载的驱动器的电流或电流误差信息。在某些例子中,电压信号可以包括电流误差信息,并且可以使用耦合到驱动器的误差放大器的输出的电阻器来感测。在502处,可以基于电流误差信息递增计数器,例如,当电流误差信息违反阈值时。在某些例子中,如果电流误差信息具有第一极性,则计数器可以递增。如果电流误差信息具有相反的极性,则计数器可以递减。在一些例子中,如果误差信息的值相对较小,或者电流误差信息的绝对值或幅度小于阈值,则计数器可以不递增。在503,可以基于计数器的值对耦合到驱动器的输出的输出电容器进行充电。在一些例子中,计数器的输出可以控制在PWM周期的“关闭”时间期间对驱动器的输出电容器充电。在PWM周期的“关闭”时间期间对输出电容器充电可以有助于在PWM周期的“开启”时间期间提供与调光设定点相称的平均电流,否则由于在PWM“开启”时间内阻止驱动器传递所需电流的结构限制,该调光设定点将不能被传递到LED负载。在某些例子中,数模转换器(DAC)可以向驱动器提供命令信号,以在PWM周期的“关闭”时间期间控制输出电容器的充电。
在一些例子中,用于在PWM周期的“接通”时间期间向LED负载提供能量的功率级的相同机制可用于在PWM周期的“关闭”时间期间对输出电容器充电。在一些例子中,功率级的第二种机制与用于在PWM周期的“接通”时间期间向LED负载提供能量的机制分开,可用于在PWM周期的“关闭”时间内对输出电容器充电。在一些例子中,功率级可以包括开关调节器,例如但不限于升压调节器、降压调节器或降压-升压调节器。在一些例子中,第二功率级或功率级的第二机制可以包括但不限于线性调节器、开关调节器或电荷泵。
以上详细描述包括对附图的参考,附图形成详细描述的一部分。附图通过图示的方式示出了可以实施本发明的具体实施例。这些实施例在本文中也称为“示例”。这些示例可以包括除了所示出或描述的那些之外的元件。然而,本发明人还考虑了仅提供所示出或描述的那些元件的实例。此外,本发明人还考虑使用所示或所述的那些元件(或其一个或多个方面)的任何组合或置换的示例、关于特定示例(或其一个或多个方面)、或关于本文示出或描述的其他示例(或其一个或多个方面)。如果本文档与通过引用并入的任何文档之间的使用不一致,则以本文档中的用法为准。
在该文献中,术语“一”或“一个”在专利文献中是常见的,包括一个或多于一个、独立于“至少一个”或“一个或多个”的任何其他实例或用法。在本文件中,术语“或”用于表示非排他性的,例如“A或B”包括“A但不是B”、“B但不是A”以及“A和B”,除非另有说明表示。在本文件中,术语“包括”和“其中”用作相应术语“包括”和“其中”的等同词。此外,术语“包括”和“包含”是开放式的,也就是说,除了在该术语之后列出的元件之外的元件的系统、装置、物品、组合物、配方或工艺仍然被认为落入所讨论的主题的范围内。此外,例如可以在权利要求中出现的术语“第一”、“第二”和“第三”等仅仅用作标签,并不旨在对其对象施加数字要求。
这里描述的方法示例可以至少部分地是机器或计算机实现的。一些示例可以包括编码有指令的计算机可读介质或机器可读介质,所述指令可操作以配置电子设备以执行如以上示例中描述的方法。这种方法的实现可以包括代码,例如微代码、汇编语言代码、更高级语言代码等。此类代码可包括用于执行各种方法的计算机可读指令。代码可以形成计算机程序产品的一部分。此外,在示例中,代码可以有形地存储在一个或多个易失性、非暂时性或非易失性有形计算机可读介质上,例如在执行期间或在其他时间。这些有形计算机可读介质的示例可以包括但不限于硬盘、可移动磁盘、可移动光盘(例如压缩盘和数字视频盘)、磁带、存储卡或棒、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)等。
以上描述旨在是说明性的而非限制性的。例如,上述示例(或其一个或多个方面)可以彼此组合使用。在阅读以上描述后,例如本领域普通技术人员可以使用其他实施例。提供摘要以符合37C.F.R.§1.72(b),允许读者快速确定技术公开的性质。提交时的理解是,它不会用于解释或限制权利要求的范围或含义。而且,在以上详细描述中,各种特征可以组合在一起以简化本公开。这不应被解释为意图无人认领的公开特征对于任何权利要求是必不可少的。相反,发明主题可能在于少于特定公开实施例的所有特征。以下方面作为示例或实施例结合到具体实施方式中,每个方面作为单独的实施例独立存在,并且可以预期这些实施例可以以各种组合或排列彼此组合。

Claims (20)

1.一种驱动器电路,被配置为接收脉冲宽度调制(PWM)信号,并且控制所述驱动器电路的输出电容器上的电压,其在低PWM调光期间减轻LED负载的强度波动,该PWM信号被配置为包括多个PWM周期,多个PWM周期的每个PWM周期包括导通时间和关断时间,所述驱动器电路包括:
功率级,被配置为向所述输出电容器提供电流,并且在通过PWM开关的多个PWM周期的PWM周期的导通时间期间向LED负载提供电流;和
调光电路,被配置为在导通时间期间从所述驱动器电路的第一误差放大器接收误差电流信息,并且在PWM周期的关断时间期间提供与所述输出电容器的电荷交换,所述电荷交换基于所述误差电流信息。
2.权利要求1所述的驱动器电路,包括第一误差放大器,所述第一误差放大器被配置为接收LED强度设定点,以从所述功率级的输出接收强度反馈信息,并提供所述功率级的误差信息。
3.权利要求2所述的驱动器电路,其中所述调光电路包括耦合到所述第一误差放大器的输出的电流传感器,所述电流传感器被配置为提供电流误差信息。
4.权利要求3所述的驱动器电路,其中所述调光电路被配置为在PWM周期的关断时间期间提供表示所述输出电容器电压的低调光设定点。
5.权利要求4所述的驱动器电路,其中所述调光电路包括计数器;并且其中低调光控制电路被配置为从所述电流传感器接收所述误差电流信息以接收PWM控制信号,并基于所述误差电流信息在PWM控制信号的转变时触发所述计数器的状态。
6.权利要求5所述的驱动器电路,包括数模转换器(DAC),被配置为接收所述计数器的输出并提供低调光设定点。
7.权利要求4所述的驱动器电路,包括第二误差放大器,被配置为接收所述低调光设定点和所述输出电容器的电压的表示,并向所述功率级提供电压误差信号。
8.权利要求7所述的驱动器电路,其中所述功率级包括开关调节器。
9.权利要求8所述的驱动器电路,其中所述功率级包括线性调节器,被配置为使用所述电压误差信号提供电荷交换。
10.一种调整驱动器电路的初始电压的方法,该方法包括:
在所述驱动器电路接收脉冲宽度调制(PWM)信号,该PWM信号被配置为包括多个PWM周期,所述多个PWM周期的每个PWM周期包括导通时间和关断时间,
在多个PWM周期的PWM周期的导通时间期间,从所述驱动器电路的功率级向LED负载提供电流;
在所述驱动器电路的调光电路接收所述驱动器电路的误差电流信息;和
在PWM周期的关断时间期间调节耦合到所述驱动器电路的输出电容器的电压,电荷调节基于所述误差电流信息。
11.权利要求10所述的方法,其中向LED负载提供电流包括在所述功率级接收操作阈值。
12.权利要求11所述的方法,其中接收操作阈值包括:
在第一误差放大器处接收调光设定点和LED负载的电流表示;
将所述调光设定点和所述LED负载的电流表示相加以提供误差电流;和
在阈值电容器接收误差电流。
13.权利要求12所述的方法,其中接收误差电流信息包括从耦合到所述第一误差放大器的输出的电阻器在所述调光电路接收感测电压。
14.权利要求13所述的方法,其中调节输出电容器的电压包括在功率级接收低调光设定点,该低调光设定点表示在PWM周期的关断时间期间输出电容器的电压。
15.权利要求14所述的方法,其中调节输出电容器的电压包括在PWM周期的关断时间期间使用功率级的开关调节器调节所述输出电容器的电压。
16.权利要求14所述的方法,其中调节输出电容器的电压包括使用所述功率级的线性调节器在PWM周期的关断时间期间调节所述输出电容器的电压。
17.权利要求16所述的方法,其中向LED负载提供电流包括在PWM周期的导通时间期间使用功率级的开关调节器向LED负载提供电流。
18.权利要求14所述的方法,其中接收误差电流信息包括基于所述误差电流信息递增调光电路的计数器。
19.权利要求18所述的方法,其中接收误差电流信息包括当所述误差电流信息的幅度没有违反阈值时不递增计数器。
20.权利要求18所述的方法,其中调节输出电容器的电压包括转换计数器的数字输出以提供低调光设定点。
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