CN110383951B

CN110383951B - Led照明电路

Info

Publication number: CN110383951B
Application number: CN201880018008.7A
Authority: CN
Inventors: M.凯斯尔斯
Original assignee: Koninklijke Philips NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2017-03-14
Filing date: 2018-03-07
Publication date: 2022-12-30
Anticipated expiration: 2038-03-07
Also published as: EP3597008B1; KR20190128197A; JP2020510299A; JP7093363B2; US11044793B2; WO2018166856A1; CN110383951A; EP3597008A1; KR102645413B1; US20200077477A1

Abstract

本发明描述了一种照明电路（1），包括半导体光源（L1）的第一阵列（S1）和半导体光源（L2）的单独的第二阵列（S2）；半导体光源（LH）的共享阵列（SH）；第一驱动器（11），被布置成驱动第一阵列（S1）和共享阵列（SH）；以及第二驱动器（12），被布置成驱动共享阵列（SH）和第二阵列（S2）。本发明还描述了一种制造这种照明电路（1）的方法；以及控制这种照明电路（1）的方法。

Description

LED照明电路

技术领域

本发明描述了一种LED照明电路、一种制造这种LED照明电路的方法以及一种控制这种LED照明电路的方法。

背景技术

增加或降低白光色温的能力是有用的，较低的色温提供“温暖”的照明，并且较高的色温提供更加适合工作场所照明的“较冷”的光。诸如白炽灯或卤素灯的常规光源的色温可以由颜色空间的色度图中的黑体轨迹描述，并且色温通常以开尔文度表示。

发光二极管（LED）由于其低功耗、长寿命和低成本而正被用来代替常规光源。LED光源通常包括LED阵列，例如并联连接的一串LED或几串LED，以及向阵列供应电流的驱动器。驱动器电流可以作为恒定的DC电流供应，或者使用脉冲宽度调制技术来供应以进一步降低功耗。单个阵列与特定的色点或色温相关联。阵列的光强度可以通过根据期望增加或降低驱动器电流和/或通过调节驱动器电流的PWM（脉冲宽度调制）参数来调节。

可以输出多于一种颜色的光的LED灯需要至少两个阵列，每个阵列具有不同的色点。通过调整每个驱动器的电流，混合颜色和强度是可能的。例如，使用用于不同色点的三个LED阵列的三个驱动器，获得该照明电路的色域内的任何颜色是可能的。然而，虽然近年来LED芯片已经变得相对便宜，但驱动器仍然是LED照明电路的一重要成本因素。因此，制造模拟白炽灯的调光特点的LED灯仍然非常昂贵。只使用两个阵列（并因此只有两个驱动器）的LED照明电路只能近似白炽灯的经典调光特点，因为从一个色温到另一个色温的转换必须遵循颜色空间中的直线，而不是像黑体轨迹的曲线那样的曲线。因此，这种现有技术LED照明电路的调光特点可能被消费者认为是“不自然的”。

因此，本发明的目的是提供一种克服上述问题的可替代的LED照明电路。

发明内容

本发明的目的通过权利要求1的照明电路、通过权利要求6的照明单元、通过权利要求7的制造这种照明电路的方法以及通过权利要求12的控制这种照明电路的方法来实现。

根据本发明，照明电路包括半导体光源的第一阵列和半导体光源的单独的第二阵列；半导体光源的共享阵列；第一驱动器，被布置成驱动第一阵列和共享阵列；以及第二驱动器，被布置成驱动共享阵列和第二阵列。

本发明的照明电路的优点在于，它可以被控制来表现为具有三个驱动器的照明电路，尽管它只需要两个驱动器。驱动器和LED阵列的这种配置使得由照明电路生成的光的色点可能遵循通过二维xy颜色空间的任何路径——甚至是弯曲的路径，以及处于任何水平的发光强度。相比之下，具有用于每个阵列的单独的驱动器的双阵列照明电路只能实现通过颜色空间的“直线”轨迹，并且只能通过一系列直线段来近似弯曲的轨迹。

本发明的照明单元或照明器包括这样的照明电路。取决于阵列中的每一个中的LED的选择，本发明的照明器可以精确模拟诸如白炽灯泡的常规光源的颜色特性。

根据本发明，制造这种照明电路的方法包括以下步骤：在颜色空间内选择颜色三角形；确定与颜色三角形的顶点相关联的色点；基于色点选择阵列的半导体光源；布置第一驱动器以驱动第一阵列和共享阵列；以及布置第二驱动器来驱动共享阵列和第二阵列。

根据本发明，控制这种LED照明电路的方法包括根据重复的控制模式操作驱动器，该控制模式至少指定在控制模式的每个时段期间驱动器电流的幅度和持续时间。

从属权利要求和以下描述公开了本发明的特别有利的实施例和特征。实施例的特征可以适当地组合。在一个权利要求类别的上下文中描述的特征可以同样适用于另一权利要求类别。

半导体光源阵列可以包括任何数量的半导体光源。本发明的照明电路的半导体光源可以是发光二极管（LED）或激光二极管（LD），或者任何其他合适的半导体光源。在下文中，但在不以任何方式限制本发明的情况下，可以假设半导体光源是LED。由于本发明的照明电路可以用于模拟白炽灯或类似物的光质量，所以在本发明的优选实施例中，一个阵列包括白色LED，而另一个阵列包括非白色LED，其可以用于调节总光输出的色点。优选地，通过识别颜色空间中的颜色三角形来选择三个阵列的LED颜色，使得颜色三角形至少部分包围黑体轨迹。例如，第一LED阵列可以包括一组白色LED；第二LED阵列可以包括一组橙色LED，并且共享阵列可以包括一组绿色LED。每个阵列的LED可以是基本相同的LED，每个LED都具有相同的特定颜色；可替代地，在一种更经济的方案中，可以选择阵列的LED来组合地实现期望的颜色。如将在下文中解释的，这些可以一起被控制，以沿着颜色空间中的黑体轨迹实现基本上任何色调的白色。

第一驱动器“供给”第一LED阵列和共享LED阵列，而第二驱动器“供给”共享LED阵列和第二LED阵列。为了确保来自特定驱动器的电流仅驱动其两个阵列，共享阵列优选地包括两个整流二极管布置。整流二极管布置可以包括布置在共享阵列的发光二极管和驱动器之间的单个整流二极管。同样，这种整流二极管布置可以包括两个或更多个串联连接的整流二极管，或者两个或更多个并联连接的整流二极管。换句话说，整流二极管布置的（多个）阴极连接到共享阵列的LED串的第一阳极。每个整流二极管布置限定了从驱动器通过共享阵列的LED的电流路径的方向。在可替代实施例中，整流二极管布置可以布置在LED阵列的最后一个阴极和共享阵列的最后一个阴极之间。整流二极管布置可以利用LED来充当整流二极管。在LED比相当的整流二极管更便宜的情况下，这可以是优选的。

由于由驱动器提供的电流在两个阵列之间分流，所以，在本发明的优选实施例中，这些阵列被组装以呈现与它们各自的驱动器匹配的阵列。换句话说，选择每个阵列的二极管，使得每个阵列的正向电压之和相同。这可以通过多种方式实现。例如，可以通过在每个串中使用相同数量的二极管来匹配LED阵列，每个串具有相同的正向电压。例如，在共享阵列中使用整流二极管的实施例中，可以选择第一阵列的LED以达到与共享阵列的总正向电压相同的总正向电压。这同样适用于第二阵列。

可替代地，第一阵列可以包含整流二极管，该整流二极管除了匹配第一阵列和共享阵列的正向电压之外不用于其他目的。例如，整流二极管可以在LED串之前。这同样适用于第二阵列，其也可以包括这样的整流二极管。

在本发明的方法中，操作第一驱动器以将第一电流注入到包括第一阵列和共享阵列的电路部分中；操作第二驱动器以将第二电流注入到包括共享阵列和第二阵列的电路部分中。遵循这个原理，本发明的照明电路允许各种各样的控制序列。因为每个驱动器驱动共享阵列，所以操作照明电路使得它表现得好像存在“虚拟”第三驱动器是可能的。当只有第一驱动器“接通”时，第一阵列将接收大约第一驱动器电流的一半，并且共享阵列也将接收大约第一驱动器电流的一半。两个有源阵列接收基本相同的电流，而第二阵列的LED不接收电流。当只有第二驱动器“接通”时，第二阵列将接收大约第二驱动器电流的一半，并且共享阵列也将接收大约第二驱动器电流的一半。两个有源阵列接收基本相同的电流，而第一阵列的LED不接收电流。第三种效果可以通过同时操作两个驱动器来实现。在这种“重叠”期间，第一阵列将接收大约第一驱动器电流的三分之二，第二阵列将接收大约第二驱动器电流的三分之二，并且共享阵列将接收大约第一驱动器电流的三分之一以及第二驱动器电流的三分之一。

显然，来自共享阵列的颜色贡献可以通过多种方式进行调节。在本发明的优选实施例中，控制模式被定义为使得第一驱动器电流在重叠持续时间内与第二驱动器电流重叠。重叠持续时间和非重叠持续时间（当只有驱动器中的一个“接通”时）的长度，以及第一和第二驱动器电流的幅度可以针对控制模式的每个部分来选择，以实现整个照明电路的特定期望颜色和特定光通量。可以控制驱动器在设定的“接通时间”持续时间内提供恒定的电流值，或者可以使用脉冲宽度调制来控制驱动器，以在“接通时间”持续时间期间在接通和关闭状态之间快速切换。

控制序列可以应用一系列稍微不同的转换控制模式，以便实现通过颜色空间的渐进“运动”，例如平滑地遵循诸如黑体轨迹的轨迹的运动。这样，可以实现特定的光照特点，例如以模拟白炽灯的调光特点。

从下面结合附图考虑的详细描述中，本发明的其他目的和特征将变得清楚明白。然而，应当理解，附图仅仅是为了说明的目的而设计的，而不是作为对本发明的限制的定义。

附图说明

图1示出了简化的CIE 1931色度空间；

图2示出了本发明的照明电路的第一实施例；

图3示出了由本发明的方法确定的颜色三角形；

图4示出了本发明的照明电路的示例性控制模式；

图5示出了本发明的照明电路的第二实施例；

图6示出了本发明的照明电路的第三实施例；

图7和图8示出了现有技术照明电路。

在附图中，相同的数字始终指代相同的对象。附图中的对象不一定按比例绘制。

具体实施方式

图1以简化的方式示出了通过三维CIE 1931颜色空间2的色度图或“切片（slice）”。外部弯曲边界代表光谱轨迹。示出了黑体轨迹BB或普朗克轨迹，其指示一些参考色温。这条曲线从像日出的温暖的淡红色（1800 K）通过像白炽灯那样的淡黄白色（2848 K）和日光白色（5400 K）延伸到蓝白色（无穷大）。当诸如可调光白炽灯的白色光源被控制以增加或降低其亮度时，其光输出的颜色将基本上遵循黑体轨迹BB。现有技术LED灯可以通过使用两个LED串来实现这种特点的近似，每个串具有不同的色点，由此选择两个色点来对应于图中所指示的直线2D的端点。这种照明电路的颜色轨迹由直线2D定义。然而，该直线和弯曲的黑体轨迹BB之间的差异可以被观察者感知，并且可以被认为是刺激性的或使人不愉快的，因为光源没有以“预期的”方式表现。

图2示出了本发明的照明电路1的第一实施例。这里，存在LED L1、LH、L2的三个阵列S1、SH、S2，其布置成使得第一驱动器11驱动第一阵列S1并且还有共享阵列SH，并且第二驱动器12驱动第二阵列S2并且还有共享阵列SH。

在该实施例中，第一LED阵列S1包括一串串联连接的发光二极管L1，并且第二LED阵列S2包括相同数量的串联连接的发光二极管L2。阵列S1、S2是匹配的，即每个阵列S1、S2的LED L1、L2的正向电压之和基本相同。

共享阵列SH具有在串联连接的LED LH串之前的两个整流LED LH0。每个整流LEDLH0连接在驱动器11、12中的一个和共享阵列SH之间。共享阵列SH的串联连接串比第一或第二串S1、S2中的每一个少（至少）一个LED。两个整流LED LH0是匹配的，即这两个整流LEDLH0的正向电压基本相同。此外，选择整流LED LH、LH0，使得包括整流LED LH0和串联连接的LED LH中的一个的串中的正向电压之和与第一串S1的LED的正向电压之和相同（并且因此也与第二串S2的LED的正向电压之和相同）。

照明电路可以生成位于以上图1中描述的黑体轨迹BB上的特定颜色。这通过对串S1、S2、SH的LED L1、L2、LH、LH0的色点的特定选择，以及通过操作每个驱动器11、12来生成特定的电流水平来实现。选择串S1、S2、SH的LED L1、L2、LH、LH0的色点（或色温）来定义如图3中示出的边界“颜色三角形”3。该图示出了图1的颜色空间的一部分以及黑体轨迹BB的对应部分。边界三角形3由三个顶点31、32、33定义，并代表该照明电路的色域。顶点的坐标对应于LED阵列S1、S2、SH的色点。通过对每个阵列S1、S2、SH的色点的适当选择，有可能定义包围黑体轨迹BB的期望部分的特定三角形3。

第一驱动器11提供在第一阵列S1和共享阵列SH之间划分的驱动器电流I₁₁，而第二驱动器12提供在共享阵列SH和第二阵列S2之间划分的驱动器电流I₁₂。当两个驱动器都“接通”时，通过第一阵列S1的电流I_S1是第一驱动器电流I₁₁的三分之二；通过第二阵列S2的电流I_S2是第二驱动器电流I₁₂的三分之二；并且通过共享阵列SH的电流I_SH是第一驱动器电流I₁₁的三分之一加上第二驱动器电流I₁₂的三分之一。

当只有两个驱动器中的一个“接通”时，来自该驱动器的电流在两个串之间相等地共享。例如，当第一驱动器11“接通”而第二驱动器12“关闭”时，通过第一阵列S1的电流I_S1是第一驱动器电流I₁₁的一半；通过第二阵列S2的电流I_S2为0；并且通过共享阵列SH的电流I_SH也是第一驱动器电流I₁₁的一半。

由于二极管的非线性特点，如技术人员将已知的，由LED串S1、S2、SH汲取的电流I_S1、I_S2、I_SH将不会正好是驱动器电流I₁₁、I₁₂的三分之一、一半等。

通过适当地操作驱动器11、12以生成第一电流I₁₁和第二电流I₁₂的特定组合，当灯正被调暗时或在其亮度正被增加时，由照明电路输出的光可以遵循黑体轨迹BB。示例性照明电路的可能“颜色”被示出为位于黑体轨迹BB附近或之上的点。颜色三角形3内的任何颜色都是可能的。

图4是电流I（以mA）关于时间（以ms）的简化示意图，其示出了可以如何根据示例性特定控制模式P的连续时段P₁、P₂、P_both、P_off来激活和去激活串S1、S2、SH。图的上部部分示出了通过图2的共享串SH的电流I_SH，图的中间部分示出了通过第一串的电流I_S1，并且图的下部部分示出了通过第二串的电流I_S2。

第一驱动器从时间t₀到时间t_b传送第一电流I₁₁，并且第二驱动器从时间t_a到时间t_c传送第二电流I₁₂。从时间t_a到时间t_b，共享串SH被供给有来自第一和第二驱动器两者的电流。

当在时段P₁中只有第一驱动器“接通”时，通过第一阵列的电流I_S1约为第一驱动器电流I₁₁的50%，并且通过共享阵列的电流I_SH也约为第一驱动器电流I₁₁的50%。在此时段P₁中，第二阵列的LED没有接收电流。

当在时段P_both中两个驱动器都“接通”时，通过第一阵列的电流I_S1约为第一驱动器电流I₁₁的66%，通过第二阵列的电流I_S2约为第二驱动器电流I₁₂的66%，并且通过共享阵列的电流I_SH由第一驱动器电流I₁₁的约33%和第二驱动器电流I₁₂的约33%的总和给出。

当在时段P₂中只有第二驱动器“接通”时，通过第二阵列的电流I_S2约为第二驱动器电流I₁₂的50%，并且通过共享阵列的电流I_SH也约为第二驱动器电流I₁₂的50%。在此时段P₂中，第一阵列的LED没有接收电流。

控制模式P可以持续期望的时间长度，并且可以在调光序列、颜色调节序列等的其他合适的控制模式之后和之前。例如，控制模式P可以包括两个驱动器都关闭的“关闭”时段P_off。可以仔细选择驱动器的电流水平I₁₁、I₁₂和每个控制序列的时段P₁、P₂、P_both、P_off的持续时间，以实现期望的颜色以及期望的强度。当然，图4中示出的控制序列仅仅是示例性的，并且将理解，有源驱动器电流和接通/关闭时间的任何序列都是可能的。

图5示出了本发明的照明电路1的第二实施例。它类似于图2的实施例，并且在此仅解释不同之处：代替图2的整流LED LH0，共享阵列SH具有在串联连接的LED LH串的开始处的两个整流二极管RH。整流二极管RH是匹配的，即这两个二极管RH的正向电压基本相同。此外，选择LED L1、L2、LH和二极管RH，使得每个阵列S1、S2、SH的总正向电压基本相同。如果整流二极管RH接近理想，即正向电压接近零，则共享串SH可以包括如图中所指示的附加LED。

在该实施例中，也可以选择LED L1、L2、LH的色点来定义如以上图3中所解释的颜色三角形，并且可以操作驱动器11、12来驱动LED阵列S1、S2、SH，以在颜色三角形内生成特定颜色，或者使颜色遵循黑体轨迹BB。

图6示出了本发明的照明电路1的第三实施例。它类似于图5的实施例，并且在此仅解释不同之处：第一和第二串S1、S2中的每一串包括在串联连接的LED L1、L2的串的开始处的整流二极管R1、R2。这使得更容易匹配串S1、S2、SH的正向电压，并且是更经济的实现，因为整流二极管通常是非常便宜的部件。这里，也可以选择LED L1、L2、LH的色点来定义如以上图3中所解释的颜色三角形，并且可以操作驱动器11、12来驱动LED阵列S1、S2、SH，以在颜色三角形内生成特定的颜色，或者在灯正被调暗或变亮时使颜色遵循黑体轨迹BB。

图7示出了具有两个LED阵列的现有技术照明电路。这里，需要两个单独的电路70、71。第一电路70具有第一驱动器700和一串第一颜色的LED 7A。第二电路71具有第二驱动器710和一串第二颜色的LED 7B。驱动器700、710只能通过增加或降低驱动器电流幅度、通过调节PWM参数等来调节其自己LED串的光输出。使用这种电路可实现的颜色空间轨迹将遵循如图1中示出的直线2D。因此，这种现有技术实现不适合于模拟白炽灯的颜色特点。

图8示出了另一现有技术照明电路。这里，需要三个单独的电路80、81、82。第一电路80具有第一驱动器800和一串第一颜色的LED 8A。第二电路81具有第二驱动器810和一串第二颜色的LED 8B。第三电路82具有第三驱动器820和一串第三颜色的LED 8C。使用这种电路可实现的颜色空间轨迹可以遵循黑体轨迹，但代价是附加的第三驱动器。因此，不利地，这种现有技术实现是昂贵的。

尽管本发明已经以优选实施例及其变型的形式被公开，但是将理解，在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行许多附加的修改和变型。

为了清楚起见，应当理解，在整个该申请中“一”或“一个”的使用并不排除多个，并且“包括”并不排除其他步骤或元件。

附图标记：

照明电路 1

驱动器 11、12

颜色空间 2

颜色三角形 3

顶点 31、32、33

LED阵列 S1、S2、SH

驱动器电流 I₁₁、I₁₂

阵列电流 I_S1、I_S2、I_SH

发光二极管 L1、L2、LH、LH0

整流二极管 RH、R1、R2

控制模式 P

持续时间 P₁、P₂、P_both、P_off

黑体轨迹 BB

直线轨迹 2D

时间 t₀、t_a、t_b

现有技术电路 70、71

现有技术驱动器 700、710

现有技术电路 80、81、82

现有技术驱动器 800、810、820

Claims

1.一种照明电路（1），包括：

-半导体光源（L1）的第一阵列（S1）和半导体光源（L2）的单独的第二阵列（S2）；

-半导体光源（LH）的共享阵列（SH）；

-第一驱动器（11），被布置成驱动所述第一阵列（S1）和所述共享阵列（SH）；

-第二驱动器（12），被布置成驱动所述共享阵列（SH）和所述第二阵列（S2）；

在所述共享阵列（SH）和所述第一阵列（S1）之间的整流二极管布置（RH、LH0）；以及

在所述共享阵列（SH）和所述第二阵列（S2）之间的整流二极管布置（RH、LH0）。

2.根据权利要求1所述的照明电路，其中所述半导体光源阵列（S1、S2、SH）关于它们的正向电压是匹配的。

3.根据权利要求1所述的照明电路，其中一个半导体光源阵列包括白色LED，并且另一个半导体光源阵列包括非白色LED。

4.根据权利要求1所述的照明电路，其中所述整流二极管布置（RH、LH0）包括单个整流二极管（RH、LH0）。

5.一种照明单元，包括根据权利要求1至4中任一项所述的照明电路（1）。

6.一种制造根据权利要求1至4中任一项所述的照明电路（1）的方法，包括以下步骤：

-在颜色空间（2）内选择颜色三角形（3）；

-确定与所述颜色三角形（3）的每个顶点（31、32、33）相关联的色点；

-基于所述色点选择所述阵列（S1、S2、SH）的半导体光源（L1、L2、LH、LH0）；

-布置所述第一驱动器（11）以驱动所述第一阵列（S1）和所述共享阵列（SH）；

-布置所述第二驱动器（12）以驱动所述共享阵列（SH）和所述第二阵列（S2）；

在所述共享阵列（SH）和所述第一阵列（S1）之间布置整流二极管布置（RH、LH0）；以及

在所述共享阵列（SH）和所述第二阵列（S2）之间布置整流二极管布置（RH、LH0）。

7.根据权利要求6所述的方法，其中所述颜色三角形（3）被选择为至少部分包围黑体轨迹（BB）。

8.根据权利要求6所述的方法，包括使用半导体光源（LH0）来实现所述整流二极管布置（RH、LH0）的整流二极管的功能的步骤。

9.根据权利要求6至8中任一项所述的方法，包括组装每个半导体光源阵列（S1、S2、SH）以在每个半导体光源阵列（S1、S2、SH）中实现基本相同的总正向电压的步骤。

10.一种控制根据权利要求1至4中任一项所述的照明电路（1）的方法，包括根据重复的控制模式（P）操作驱动器（11、12）的步骤，所述控制模式（P）至少指定在所述控制模式（P）的每个时段期间通过半导体光源阵列（S1、S2、SH）的电流（I_S1、I_S2、I_SH）的幅度和持续时间（P₁、P₂、P_both、P_off）。

11.根据权利要求10所述的方法，其中所述第一驱动器（11）被操作以将第一电流（I₁₁）注入到包括所述第一阵列（S1）和所述共享阵列（SH）的电路部分中；和/或所述第二驱动器（12）被操作以将第二电流（I₁₂）注入到包括所述共享阵列（SH）和所述第二阵列（S2）的电路部分中。

12.根据权利要求10所述的方法，包括定义控制模式（P）使得所述第一驱动器电流（I₁₁）在重叠持续时间（P_both）内与所述第二驱动器电流（I₁₂）重叠的步骤。

13.根据权利要求10至12中任一项所述的方法，包括基于通过颜色空间（2）的特定轨迹（BB）来定义控制模式（P）的步骤。