CN110431918B

CN110431918B - Led布置和led驱动方法

Info

Publication number: CN110431918B
Application number: CN201880017992.5A
Authority: CN
Inventors: 王珊; 杨春; 陈执权; 王刚; 付洁
Original assignee: Signify Holding BV
Current assignee: Signify Holding BV
Priority date: 2017-03-15
Filing date: 2018-03-05
Publication date: 2022-06-03
Anticipated expiration: 2038-03-05
Also published as: ES2783893T3; US10334669B2; CN110431918A; JP2020510298A; EP3376830B1; WO2018166821A1; EP3376830A1; US20180352621A1; JP6764543B2

Abstract

一种照明电路使用分接的线性驱动器架构，其中至少存在两种LED类型；第一LED类型具有第一正向电压，以及第二LED类型具有为第一正向电压的至少两倍的第二正向电压。分接的线性驱动器的第一段包括比第二类型更多的第一类型的LED，以及最后段包括比第一类型更多的第二类型的LED。这种布置使得能够减少所需要的LED的数目，但不会显著影响电路的效率。

Description

LED布置和LED驱动方法

技术领域

本发明涉及LED布置和LED驱动方法，并且特别地涉及利用分接的线性驱动器架构(tapped linear driver architecture)的LED布置和LED驱动方法。

背景技术

LED驱动器的可用空间限制了LED灯(诸如管状LED灯)的很多改型应用。与现有的管尺寸(例如，T5管)可以提供的空间相比，管状LED的传统LED架构和驱动器拓扑要求大得多的驱动器空间。

因此，分接的线性驱动器设计被认为是具有空间约束的应用的良好备选解决方案，因为它要求更小的功率组件并且能够最小化驱动器大小。分接的线性驱动器的基本原理是：切换具有灵活编号的LED，该LED的正向电压相对实时地与输入电压相匹配。

分接的线性驱动器遭受一些功率损耗，特别是当输入电压(例如，来自市电)超过被驱动的LED的串电压时。这导致驱动器效率降低，从而影响系统效率。为了获取更高的驱动器效率和更少的电气损耗，最大可实现的LED电压应当尽可能接近输入电压的峰值。

例如，对于220V输入电压，如果选择正向电压(Vf)为3.1V的普通白光LED，则为了提供电压匹配，需要约70个LED(无论系统的发光输出要求如何)。为了提高功率因数，与输入电压为低时的LED电流相比，输入电压约为其峰值时的LED电流限制被设置为较大。流向LED串的电流因此形成阶梯形状：当一个LED串被接通或被关断时，LED电流立即上升或下降以达到新的电流限制设置。这会产生调制光输出，从而产生闪烁。

分接的线性驱动器通常要求一个或多个能量存储单元以减少归因于市电输入的过零点的光闪烁和频闪效应。填谷式电路例如被用于此目的。

分接的线性驱动器具有以下优点，电路非常简单，驱动器成本低，并且解决方案的容量低。但是，驱动器要求非常高的LED数才能用于照明应用。例如，如果分接的线性驱动器是用于220V(RMS)AC电源并且使用普通3.1V LED，则可能需要多达81个LED，这是非常昂贵的。

发明内容

本发明的实施例的基本思想是，通过在分接的线性驱动器架构内使用多个LED类型(一些LED类型具有比其他LED类型更高的正向电压)，可以减少LED数但LED的正向电压仍然可以匹配输入功率的峰值电压，而对整体系统效率没有显著影响。

本发明由权利要求限定。

根据本发明的一个方面的示例，提供了一种照明电路，该照明电路包括：

输入，适于接收时变输入电压；

多个LED段，至少包括第一LED段和最后LED段；

开关网络，被耦合到多个LED段，该开关网络适于切换串联连接到输入的一组时变LED段，其中该组LED段的总正向电压是根据时变输入电压的幅值选择的，

其中开关网络适于：

当时变输入电压的幅值低于第一阈值时，仅切换第一段；以及

当输入电压的幅值高于最后阈值时，切换串联的第一段和最后段，

其中至少有两种LED类型；第一LED类型具有第一正向电压，以及第二LED类型具有为第一正向电压的至少两倍的第二正向电压，以及其中第一段包括比第二类型更多的第一类型的LED，以及最后段包括比第一类型更多的第二类型的LED。

开关网络和LED段一起限定了分接的线性驱动器架构。在该架构中，通过组合LED的段，总正向电压可以与输入电压的瞬时电平相匹配。本发明基于提供具有不同正向电压的至少两种不同LED类型。具有较大正向电压的第二LED类型有助于匹配输入电压，因为第二LED类型的每个单元增加了更大的正向电压。它们具有至少两倍的正向电压，例如至少3倍、或至少4倍或甚至至少5倍。这解决了分接的线性驱动器架构通常要求大量LED以便使得正向电压特性与时变输入电压相匹配的问题。与具有第二正向电压的LED相比，具有第一正向电压的LED通常具有更大的输出流明，并且它们比具有第二正向电压的LED被接通更长的持续时间，因此照明电路的总输出更平滑，其中闪烁较少。

第一段中的LED被接通时间最长，因此主要使用第一类型的更有效的低电压LED。最后段中的LED被接通时间最短，因此可以使用效率较低的LED。其优点在于，由于较大的正向电压要求较少的LED，因此能够实现LED的较低的总数目。

通过“仅切换第一段”旨在包括，当时变输入电压的幅值低于第一阈值时，第一段始终被接通，或者可能存在第一LED段被断开的时间(例如，如果输入低于另一更低阈值)。

优选地，第一段可以仅包括第一LED类型的LED。第一类型的LED例如功率效率更高，因此通过在第一段中使用这种类型(其在大部分时间内使用)，总体效率保持很高。

最后段可以仅包括第二LED类型的LED。这减少了所需要的LED的总数目。

时变输入例如包括具有正弦波形的市电输入。

第一LED类型可以是单结式LED，以及第二LED类型可以是多结式LED。第一正向电压例如在3V至6V的范围内，以及第二正向电压在12V至48V的范围内。

第一段的正向电压可以等于或高于输入电压的峰值幅值的0.5倍，例如在峰值幅值的0.5至0.75倍的范围内。第一串的正向电压越高，在第一LED类型的第一串中可以使用的LED越多，从而提供高的整体效率。

可以在输入与多个LED段之间提供电容器电路或填谷式电路。

第一LED串的高串电压通常表示较短的接通时间(因为接通时间仅是瞬时输入电压高于串电压的时间)，这将要求不驱动LED的时段。填谷式或电容器电路提供电压平滑，使得第一LED段可以保持接通更长时间。第一LED段的串电压越大，所需要的平滑越大，因此引入的失真越大。因此，第一段的串电压存在上限，其低于峰值输入电压。

在使用中，电容器电路或填谷式电路例如适于在时变输入电压小于第一阈值时提供不小于第一阈值的电压，并且第一LED段适于在时变输入电压的整个时段期间保持永久地接通。

这意味着闪烁被减少，因为只有较高的LED串被接通和被断开，而大多数光输出可以来自在输入电压的整个时段被永久地接通的第一串。

第一段的输出流明可以等于或大于电路的总流明的0.5倍，例如等于或大于总流明的0.75倍。因此，大多数光输出由更有效的LED类型提供，并且如果第一段能够接通更长的持续时间或连续接通，则没有闪烁。

最后段的正向电压可以至少是输入电压的峰值幅值的0.25倍，并且至多是输入电压的峰值幅值的0.5倍。最后段的输出流明可以等于或小于电路的总流明的0.2倍。

第一类型和第二类型的LED可以具有相同的输出颜色。这意味着，用户不会察觉到在输入周期的不同时刻在不同LED类型之间的切换。因此，不同的正向电压与不同段中的不同颜色的LED无关。

本发明还提供一种驱动照明电路的方法，该方法包括：

提供时变输入电压并且将输入电压耦合到一组LED段；

选择哪些LED段包括在串联连接中使得根据时变输入电压的幅值来选择串联连接的总正向电压，

其中该选择包括：

其中至少存在两种LED类型；第一LED类型具有第一正向电压，以及第二LED类型具有为第一正向电压的至少两倍的第二正向电压，以及其中第一段包括比第二类型更多的第一类型的LED，以及最后段包括比第一类型更多的第二类型的LED。

该方法可以包括平滑输入电压，使得第一LED段在使用中保持永久地接通。

参考下文中所描述的(多个)实施例，本发明的这些和其他方面将变得很清楚并且得以阐明。

附图说明

现在将参考附图详细描述本发明的示例，其中：

图1示出了已知的分接的线性LED驱动器架构；

图2示出了图1电路的操作；

图3示出了输入与多个LED段之间的填谷式电路；

图4A和图4B示出了填谷式电路对LED段的操作时序的影响；

图5示出了填谷式电路对被施加到LED段的电压的影响；以及

图6示出了对于仅具有低电压LED的布置和本发明的混合布置作为时间函数的总LED电流。

具体实施方式

本发明提供一种使用分接的线性驱动器结构的照明电路，其中至少存在两种LED类型；第一(较高效率)LED类型具有第一正向电压，以及第二(较低效率)LED类型具有为第一正向电压的至少两倍的第二正向电压。分接的线性驱动器的第一段包括比第二类型更多的第一类型的LED，以及最后段包括比第一类型更多的第二类型的LED。这种布置使得能够减少所需要的LED的数目，以便使LED的正向电压与输入电压的峰值相匹配，但不会显著影响电路的效率。

图1示出了已知的分接的线性LED驱动器架构。

图1的电路包括被提供给二极管桥式整流器12的市电输入10。经整流的输出Vb被提供给三段的LED。每个LED段包括一串LED(即串联连接的LED)。然而，如果需要，每个LED段可以包括串联和并联LED的组合。出于解释的目的，假定每个LED段包括串联的单串LED。

第一串14位于经整流的输出与下降到接地的第一电流源Ics1之间。第二串16与第一串14串联在经整流的输出与下降到接地的第二电流源Ics2之间。因此，第一电流源Ics1连接到第一LED串14与第二LED串16之间的交叉点。第三串18与第一串12和第二串14串联在经整流的输出与下降到接地的第三电流源Ics3之间。因此，第二电流源Ics2连接到第二LED串16与第三LED串18之间的交叉点。

每个电流源具有相关联的串联控制开关S1、S2、S3。

三个开关S1、S2、S3由控制器根据市电输入电压控制。当经整流的市电电压Vb高于第一阈值(第一阈值高于LED串14的正向电压)，但低于第二阈值(第二阈值是LED串14和LED串16的正向电压之和)时，S1处于“接通”状态，并且S2和S3处于“断开”状态。仅LED串14被接通。

当经整流的市电电压Vb高于LED串16加LED串14的正向电压，但低于LED串14加LED串16加LED串18的电压时，S1和S3处于“断开状态”，并且S2处于“接通”状态。LED串14和LED串16被接通。

最后，当经整流的市电电压Vb高于所有三个LED串的正向电压之和时，S3处于“接通”状态，并且S1和S2处于“断开”状态。LED串14、LED串16和LED串18被接通。

在这种情况下，整个LED器件的LED封装因此被分成三组，以由线性分接的驱动器驱动。

该架构可以被缩放为四个或更多个组，或者被缩放为两个组。

可以看出，随着时间的推移，串14比串16被接通的时间更长，串16比串18被接通的时间更长。

操作可见于图2。最顶部的曲线图示出了市电输入电压和被用于控制开关的三个阈值电压。VLEDstring1是仅通过串14来驱动电流所需要的电压。VLEDstring2是通过串14和串16的串联组合来驱动电流所需要的电压。VLEDstring3是通过所有三个串的串联组合来驱动电流所需要的电压。

通过三个串的电流波形在接下来的三个曲线图中被示出为I(LED1)、I(LED2)和I(LED3)。这假定Ics3>Ics2>Ics1以便于表示低的总谐波失真，但是它们在诸如低功率灯等简化的实施方式中可以是相同的，其中总谐波失调不是关键问题。

不同组的LED可以例如是不同颜色的LED或者全部是白色的。

通过选择要在不同LED串内所使用的LED的类型，图1的一般架构可以被用于实施本发明的电路。

存在很多不同类型的LED。出于解释的目的，考虑两种不同的LED类型；低电压LED和高电压LED。

下面的表1示出了两种通用LED类型(低电压LV和高电压HV)的特性。

表1

	LV LED	HV LED
			正向电压(V)	3.1	24
标称电流(A)	0.060	0.030
			标称流明输出(lm)	25	25

如图所示，低电压LED具有低得多的正向电压。然而，为了实现相同的流明输出，更高的电流是电流。第一低电压LED类型可以例如是单结式LED，以及第二高电压LED类型可以是多结式LED。

更一般地，第一正向电压例如在3V至6V的范围内，以及第二正向电压例如在12V至48V、例如24V至48V的范围内。

如果图1的电路仅利用高电压LED实施，则与电路所实施的低电压LED相比，它们具有更低的效率/更低的输出。因此，即使可以使用的LED总数减少，全高电压LED解决方案也将导致系统效率很低。这也只能创建单一设计，而不是用于未来设计的平台。例如，对LED板设置的任何所需要的修改(例如，如果希望减少LED的数目以遵循LED效率改进)将导致驱动器效率的急剧下降并且引起驱动器的其他潜在的热问题。

如果图1的电路仅利用低电压LED实施，则需要太多的LED，这将产生显著的LED成本。闪烁问题也很难解决。

本发明提供一种混合方法，其中使用两种LED类型。这种方法能够达到与仅具有低电压LED的系统类似的效率，但能够显著减少总LED数。因此，与具有全低电压LED的系统相比，LED成本降低。此外，与仅具有一种LED类型的设计相比，可以减少闪烁。

参考图1，第一LED段14用于最大部分的时间，即具有最高占空比。因此，第一段14包括比第二类型更多的第一类型的LED。这意味着，整体系统效率保持很高，因为对输出贡献最大的LED是效率更高的低电压LED。最后段18包括比第一类型更多的第二类型的LED。这可以减少LED数，但不会对系统效率产生太显著影响。

可以仅存在两个段。然而，如果存在一个或多个中间段，则它们可以包括LED类型的不同混合体，包括所有的一种类型或另一种类型。

在极限情况下，第一段14可以仅包括第一低电压LED类型的LED。类似地，最后段18可以仅包括第二高电压LED类型的LED。这减少了所需要的LED总的数目。

如上所述，闪烁是分接的线性驱动器的问题。解决该问题的一种方法是使用能量存储元件来平坦化输入波形。

图3示出了输入与多个LED段之间的填谷式电路30。可以使用其他电容器电路。

图3还示出了两种类型的LED，并且因此示出了本发明的混合方法。利用白色二极管符号示出低电压类型32，以及利用黑色二极管符号示出高电压类型34。如图所示，在第一段14中使用低电压LED，在最后段18中使用高电压LED，以及在中间段16中使用混合体。可以理解为：虽然图中未示出，但是高电压类型34可以是多个二极管的并联连接(诸如两个高电压LED)以便匹配低电压LED和高电压LED的电流。

图4示出了填谷式电路对LED段的操作时序的影响。它示出了电流与时间的关系。

图4A示出了与图2相对应的时序，并且示出了三个段14、16、18的接通时间。

图4B示出了第一段14可以代替地在整个时间上被接通，因为填谷式电路使得被提供给LED的电压能够始终被保持在第一段14的串电压之上。

图5示出了填谷式电路30对被施加到LED段的电压的影响。曲线50是市电输入，以及曲线52是填谷式电路的输出(在整流之后进行填谷式操作)。该图还示出了如图4B中的三个LED段14、16、18的操作时序。

通过使第一串14永久地被接通，闪烁减少。

闪烁可以被限定为：

F＝(最大电流-最小电流)/平均电流。

甚至进一步与简单使用填谷式电路相比，混合方法还减少了闪烁。

图6示出了对于仅具有低电压LED的布置和混合布置的总LED电流作为时间的函数。

图6以虚线图60示出了图4B的时序。以实线图62示出了利用混合方法达到相同流明输出的时序，假定在第一段14中仅有低电压LED，并且在第二段16和第三段18中仅有高电压LED。高电压LED具有比低电压LED更低的最大电流，从而降低了峰值电流。最小电流保持不变，因为它是通过第一LED段14的电流。平均电流将在每个周期内下降，但最大电流的减小对上面的闪烁公式有更显著的影响，因此降低了闪烁的量。

因此，混合方法改善了闪烁以及能够减少LED数。

第一段14的正向电压优选地等于或高于输入电压的峰值幅值的0.5倍，例如在峰值幅值的0.5至0.75倍的范围内。第一串的正向电压越高，在第一LED类型的第一串中可以使用的LED越多，从而提供高的整体效率。然而，串电压越高，填谷式(或电容器)电路所需要的信号整形越多。因此，在填谷式电路所引入的失真与通过由第一串的低电压LED提供更多的流明输出而提高的效率之间找到折衷。

第一段14的输出流明可以等于或大于电路的总流明的0.5倍，例如等于或大于总流明的0.75倍。因此，大多数光输出由更有效的低电压LED类型提供。而且，如果第一串一直被接通，则对该LED段的闪烁没有贡献。

最后段的正向电压可以至少是输入电压的峰值幅值的0.25倍，并且至多是输入电压的峰值幅值的0.5倍。最后段的输出流明例如等于或小于电路的总流明的0.2倍。因此，最后段的光贡献被保持为低以避免功耗的增加。

现在将举例说明效率优势。

假定系统要求主总线电压为240V，流明输出为2000lm。低电压LED芯片具有的正向电压为3V，并且每片输出50流明，效率为140lm/W。高电压LED芯片具有的正向电压为48V，每片输出50流明，并且效率为110lm/W。

如果使用全低电压LED芯片，则LED数约为70片，导致成本高，但总效率为140lm/W。如果使用全高电压LED芯片，则LED数约为40片，但系统具有的效率低至110lm/W。

该示例中的混合方法使LED数为44片，其中总效率为135lm/W。混合方法基于达到相同的总串电压和相同的平均流明输出。

计算结果表明，混合方法接近全低电压系统的效率，但其中LED数和成本显著降低。

第一类型和第二类型的LED可以具有相同的输出颜色。这意味着，用户不会察觉到在输入周期的不同时刻、在不同LED类型之间的切换。闪烁的减少还意味着，颜色容差可以被更加放宽。例如，颜色约束可以从+/-5SDCM(颜色匹配的标准偏差)的标准被放宽到+/-10SDCM。

已经参考两种LED类型描述了本发明。然而，该设计可以包括第三种或另外的LED类型。第一串可以包括至少75％或至少90％(按数目计)的第一类型的LED，或实际上所有都是第一类型的LED。最后一串可以包括至少75％或至少90％(按数目计)的第二类型的LED，或实际上所有都是第二类型的LED。LED类型的混合组合可以被用于例如达到所期望的总串电压，并且在效率与成本之间提供所期望的折衷。

通过研究附图、公开内容和所附权利要求，本领域技术人员在实践所要求保护的发明时可以理解和实现所公开的实施例的其他变型。在权利要求中，词语“包括”不排除其他元件或步骤，并且不定冠词“一个(a)”或“一个(an)”不排除多个。在相互不同的从属权利要求中所陈述某些措施的存粹事实并不表示这些措施的组合不能被用于获益。权利要求中的任何附图标记不应当被解释为限制范围。

Claims

1.一种照明电路，包括：

输入(10)，适于接收时变输入电压；

多个LED段，至少包括第一LED段(14)和最后LED段(18)；

开关网络(S1，S2，S3)，被耦合到所述多个LED段，所述开关网络(S1，S2，S3)适于切换串联连接到所述输入的一组时变的多个LED段，其中所述一组时变的多个LED段的总正向电压是根据所述时变输入电压的幅值来选择的，

其中所述开关网络适于：

当所述时变输入电压的幅值低于第一阈值时，仅切换第一段；

以及

当所述输入电压的幅值高于最后阈值时，切换串联的所述第一段和所述最后LED段，

其中至少存在两种LED类型；第一LED类型(32)具有第一正向电压，以及第二LED类型(34)具有为所述第一正向电压的至少两倍的第二正向电压，以及其中所述第一段包括比所述第二LED类型更多的所述第一LED类型的LED，并且所述最后LED段包括比所述第一LED类型更多的所述第二LED类型的LED。

2.根据权利要求1所述的电路，其中所述第一段仅包括：所述第一LED类型(32)的LED。

3.根据权利要求1或2所述的电路，并且所述最后LED段仅包括：所述第二LED类型(34)的LED。

4.根据权利要求1或2所述的电路，其中所述时变输入(10)包括：市电输入。

5.根据权利要求1或2所述的电路，其中所述第一LED类型(32)是单结式LED，并且所述第二LED类型(34)是多结式LED。

6.根据权利要求1或2所述的电路，其中所述第一正向电压在3V至6V的范围内，并且所述第二正向电压在12V至48V的范围内。

7.根据权利要求6所述的电路，其中所述第二正向电压在24V至48V的范围内。

8.根据权利要求1或2所述的电路，其中所述第一段的正向电压等于或高于所述输入电压的峰值幅值的0.5倍。

9.根据权利要求8所述的电路，其中所述第一段的正向电压在所述输入电压的峰值幅值的0.5至0.75倍的范围内。

10.根据权利要求8所述的电路，包括：在所述输入与所述多个LED段之间的电容器电路或填谷式电路(30)。

11.根据权利要求10所述的电路，其中在使用中，所述电容器电路或所述填谷式电路适于在所述时变输入电压小于所述第一阈值时提供不小于所述第一阈值的电压，并且所述第一LED段适于在所述时变输入电压的整个时段期间保持永久地接通。

12.根据权利要求1、2、10或11所述的电路，其中所述第一段的输出流明等于或大于所述电路的总流明的0.5倍。

13.根据权利要求12所述的电路，其中所述第一段的输出流明等于或大于所述电路的0.75倍。

14.根据权利要求1、2、10或11所述的电路，其中所述最后LED段的正向电压至少是所述输入电压的峰值幅值的0.25倍，并且至多是所述输入电压的峰值幅值的0.5倍。

15.根据权利要求1、2、10或11所述的电路，其中所述最后LED段的输出流明等于或小于所述电路的总流明的0.2倍。

16.根据权利要求1、2、10或11所述的电路，其中所述第一LED类型和所述第二LED类型的LED具有相同的输出颜色。

17.一种驱动照明电路的方法，包括：

提供时变输入电压并且将所述输入电压耦合到一组LED段；

选择来自所述一组LED段中的LED段以包括在串联连接中，使得根据所述时变输入电压的幅值来选择所述串联连接的总正向电压，

其中所述选择包括：

当所述时变输入电压的幅值低于第一阈值时，仅切换所述一组LED段的第一段；以及

当所述输入电压的幅值高于最后阈值时，切换串联的所述一组LED段的所述第一段和最后段，

其中至少存在两种LED类型；第一LED类型具有第一正向电压，以及第二LED类型具有为所述第一正向电压的至少两倍的第二正向电压，以及其中所述第一段包括比所述第二LED类型更多的所述第一LED类型的LED，并且所述最后段包括比所述第一LED类型更多的所述第二LED类型的LED。

18.根据权利要求17所述的方法，包括：平滑所述输入电压，使得所述第一段在使用中保持永久地接通。