CN110506451A - Led照明驱动器和驱动方法 - Google Patents

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Abstract

一种LED照明驱动器具有生成辅助电源的开关模式电源。辅助电源具有虚拟负载、以及用于根据由辅助负载汲取的电流来控制虚拟负载与辅助负载并联的连接的控制电路。以这种方式，由辅助负载汲取的电流变得更加稳定，从而减少了辅助电源波动对光输出的影响。

Description

LED照明驱动器和驱动方法
技术领域
本发明涉及LED照明，并且具体地涉及LED照明驱动器。
背景技术
固态照明单元(特别是基于LED(改型)的灯)在家庭建筑物和办公室中越来越多地被使用。除了高效率之外，归因于新的设计特点、不同的色温、调光能力等，它们同样吸引了消费者。
为了使LED照明适合现有的市电照明装置，每个LED灯单元利用转换器电路，转换器电路用于将AC市电转换为DC驱动信号、并且还用于降低电压电平。
转换器电路通常包括整流器和开关模式功率转换器。
开关模式功率转换器存在各种可能的设计。低成本开关模式功率转换器是单级转换器，诸如降压转换器或降压-升压转换器。在这两种情况下，都存在控制能量传递到负载的主电感器。主电源开关控制能量从输入供应到主电感。
主电源开关的操作定时(特别是占空比)控制能量传输。振铃扼流圈转换器(RCC)是一种典型的自振荡转换器，其中开关的循环操作是自控制的，并且被广泛用作低成本LED驱动器。备选地，基于IC的转换器使用IC来控制主电源开关。然后，该IC可以实现附加功能，诸如调光控制。
由于LED灯单元内的PCB空间有限，并且为了降低成本，因此希望减小驱动器电路内的组件的尺寸或数目。对于可调光LED，还需要本地控制电路系统。
为了降低可调光解决方案的成本，已经提出了将辅助电源与已经需要的开关模式功率转换器集成。可以使用反激辅助电源生成辅助电源。
由于辅助组件(诸如电路的微控制器单元(MCU))的动态电流消耗不是预先知道的，因此由辅助电源汲取的电流的变化可能导致闪烁，这在低照明水平下特别地明显。当辅助电源被集成到驱动器中时，这特别是对于LED电流源和驱动器的单级、单串实现是一个问题。
发明内容
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LED照明驱动器，该LED照明驱动器包括：
开关模式电源，具有用于向LED照明负载传递能量的主储能电感器；以及
辅助电源电路，包括：被磁耦合到主储能电感器的电源电感器和用于向辅助负载传递整流电压的整流二极管，
其中辅助电源电路包括：
虚拟负载；
控制电路，用于控制虚拟负载与辅助负载并联的连接；
电流感测电路，用于感测由辅助负载汲取的电流并且根据所汲取的电流来控制上述控制电路，
该驱动器控制照明负载以及生成辅助电源。为了减少辅助电源需求对被传递到照明负载的功率的影响，使用虚拟负载。特别地，可以使得由辅助负载和虚拟负载组合汲取的电流能够被保持接近恒定。以这种方式，可以防止由辅助电源的波动需求而引起的照明负载输出的闪烁。
控制电路例如包括：晶体管和可控电压基准(诸如栅控二极管)，可控电压基准用于控制将晶体管的栅极拉到基准电位，从而使晶体管关断。如果晶体管被接通，则电流被驱动通过虚拟负载，从而增加了由全辅助电源汲取的电流。如果晶体管被关断，则电流不被驱动通过虚拟负载。虚拟负载与晶体管的集电极-发射极沟道(或源极-漏极沟道)串联。应注意，可以使用晶体管电路代替单个晶体管。
可以提供用于禁用虚拟负载控制电路的虚拟负载禁用电路。当闪烁不是问题时，这可以被用于防止与虚拟负载相关联的功耗。例如，虚拟负载禁用电路可以适于在待机模式下、或者当LED照明负载的驱动电平超过阈值时禁用控制电路。当处于待机模式时，闪烁不是问题。类似地，当照明负载被驱动到足够明亮的水平时，闪烁变得难以察觉。
当LED照明负载的驱动电平低于阈值时，虚拟负载禁用电路优选地适于启用控制电路。这是由对辅助电源的电流需求的波动引起的闪烁问题。
虚拟负载禁用电路可以适于禁用控制电路达一定量，该一定量取决于LED照明负载的驱动电平超过阈值的量。因此，可以根据照明水平逐渐实现禁用虚拟负载的使用，而不是在一个照明水平时突然实现禁用虚拟负载的使用。
开关模式电源例如包括：单级降压转换器或单级降压-升压转换器。开关模式电源例如包括：非隔离转换器。这些是低成本的，并且因此是低性能驱动器，其中由于辅助电源与主电路负载之间的非完美去耦，闪烁可能是一个问题。
本发明还提供了一种LED照明电路，该LED照明电路包括：
如上面所定义的驱动器；
LED照明负载，由驱动器驱动；以及
辅助负载，由辅助电源电路驱动。
辅助负载可以是实现调光功能的微控制器单元(MCU)。它可以是也控制开关模式电源的主开关的IC。
本发明还提供一种LED照明方法，该方法包括：
使用具有主储能电感器的开关模式电源向LED照明负载传递能量；
使用被磁耦合到主储能电感器的电源电感器、和整流二极管来生成辅助电源，并且将辅助电源供应给辅助负载；以及
根据由辅助负载汲取的电流来控制虚拟负载与辅助负载并联的连接。
当LED照明负载的驱动电平低于阈值时，可以启用虚拟负载控制，而当处于待机模式时或者当LED照明负载的驱动电平超过阈值时，可以禁用虚拟负载控制。禁用虚拟负载控制的量可以取决于LED照明负载的驱动电平超过阈值的量。
向LED照明负载传递能量可以包括使用单级非隔离降压转换器或单级非隔离降压-升压转换器。
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示出了标准单级非隔离降压转换器的布局；
图2示出了与辅助电源相关联的、根据本发明的电路；以及
图3示出了根据本发明的LED照明驱动方法。
具体实施方式
本发明提供了一种LED照明驱动器，该LED照明驱动器具有生成辅助电源的开关模式电源。辅助电源具有虚拟负载、以及用于根据由辅助负载汲取的电流来控制虚拟负载与辅助负载并联的连接的控制电路。以这种方式，使得由辅助负载汲取的电流更稳定，从而减少了辅助电源需求波动对光输出的影响。
本发明对于低成本开关模式电源特别感兴趣，其中降压转换器和降压-升压转换器是最常见的示例。
图1示出了具有电感器L2作为主储能元件的降压转换器(buck converter)(即，降压转换器(step-down converter))。
降压转换器具有由两个开关控制的电感器L2中的电流、晶体管形式的主电源开关Mmain、和续流二极管Dfree。电路的负载由电容器Cload表示。主电源开关、电感器和负载串联，并且续流二极管Dfree被并联连接在电感器和负载的串联组合的两端。
在晶体管开路状态下，电路中的电流最初为零。当晶体管首次被接通时，电流将开始增加，并且电感器将响应于变化的电流而在其端子两端产生相反的电压。该电压降抵消了输入处的电压，并且因此降低了负载两端的净电压。随着时间的推移，电流的变化率降低，并且电感器两端的电压也随之降低，从而增加了负载处的电压。在此期间，电感器以磁场的形式存储能量。在电流仍然在变化时，晶体管被断开，使得电感器两端始终存在电压降，并且负载处的净电压始终小于输入电压源。
电感器交替地用作到负载的电流源和来自输入的电流吸收器。
图1示出了主电感器L2也可以被用于生成辅助电源。如图所示，辅助电源包括：被磁耦合到主电感器L2的电感器L1、和整流二极管Drect。这向辅助负载传递整流辅助电源，由电容器Caux表示。
在照明电路的情况下，主负载Cload是LED照明，并且辅助负载Caux可以是例如用于控制主开关Mmain的操作定时的控制器。该控制器例如实现调光功能。
从辅助电源汲取的电流可以随时间变化，例如取决于由辅助负载执行的任务。这改变了从主电感器L2到负载Cload的能量传递，并且在照明负载的情况下，这可能引入对光输出的不期望的调制。
本发明的第一方面是提供一种机制，以确保辅助电源具有更恒定的功率需求。第二方面是以对系统效率的影响降低的方式来执行该功能。
图2示出了根据本发明的照明系统。
辅助电源由框20表示，作为电压源V1和输出电容器C2。该电压源通过来自开关模式电源的主电感器的电感耦合来获取，这通常可以是降压转换器或降压-升压转换器。然而，也可以采用其他基于电感器的开关模式电源来生成辅助电源。本发明对于低成本和低组件数的电路特别感兴趣，因为这些电路特别会遭遇辅助电源与被传递到主负载的功率之间存在耦合的这一问题。因此，本发明对于非隔离开关模式电源(由此意味着不存在输出变压器)并且特别地对于单级电源(由此意味着不存在例如单独的功率因数校正电路或单独的辅助电源电路)具有特别的益处。单级电源可以集成其他功能，诸如调光功能。
辅助负载由框24表示为电流源I1，电流源I1表示由辅助负载汲取的电流，诸如微控制器单元(MCU)和低压降稳压器。
初始辅助电源20被提供给位于初始辅助电源20与辅助负载24之间的辅助电源电路22。电路22包括被用于以受控方式耗散能量的虚拟负载R7，使得电路的总能量需求(特别是电流需求)变得更加恒定。
虚拟负载包括与辅助负载I1并联连接的电阻器R7。被驱动通过虚拟负载R7的电流由串联连接的晶体管Q3控制。因此，晶体管Q3用作控制电路，该控制电路用于控制虚拟负载与辅助负载并联的连接。
晶体管Q3的基极通过基极电阻器R8被连接到辅助电源电压，基极电阻器R8本身将晶体管Q3一直接通。
该电路还包括用于感测由辅助负载汲取的电流并且根据所汲取的电流来控制晶体管Q3的切换的电流感测电路23。
电流感测电路23向可控电压基准U1(特别地是所示示例中的栅控二极管)提供控制电压。可控电压基准U1能够将晶体管Q3的基极拉低，从而将其关断并且防止电流通过虚拟负载R7被汲取。因此，它控制相对于接地的晶体管Q3上的栅极电压。它提供到接地的可控的传导通路。以这种方式，并非通过虚拟负载R7汲取电流，而是通过基极电阻器R8和可控电压基准U1汲取电流。基极电阻器R8具有比虚拟负载(例如，100欧姆)高得多的电阻(例如，15k欧姆)，并且因此消耗的功率可忽略不计。
电流感测电路23包括具有两个分支的不平衡电流镜配置(第一分支是电阻器R2、R4和晶体管Q1，并且第二分支是电阻器R5和晶体管Q2)。分支顶部之间的电阻器R1用作电流感测电阻器。由辅助负载汲取的电流经过具有低电阻的电阻器R1，并且因此消耗的功率可忽略不计(例如，18欧姆)。
选择电阻器R1的值以定义辅助电源的标称电流电平，其可以对应于最大预期输出电流。如果电流低于该最大值，则来自电流感测电路的输出电压下降。该输出被提供给可控电压基准U1，并且晶体管Q3的基极的下拉被减小，因此允许晶体管通过其基极电阻器R8被接通。
该电路提供模拟控制。电流感测信号的反馈连接用以通过经由虚拟负载R7抽取受控量的附加电流来将总电流调节到标称电平。以这种方式，总电流被保持恒定。
以这种方式，辅助电源对被传递到照明负载的功率的影响通过虚拟负载而被减小。因此，防止了可能由辅助电源的波动需求而引起的照明负载输出的闪烁。
该方法的一个问题在于，通过使用虚拟负载增加了功耗。根据本申请，该附加功耗应当被保持在最低。当避免明显的闪烁时，可以容忍功耗的增加。然而，有时候闪烁不是问题，并且功耗的增加是不合理的。
图2示出了虚拟负载禁用电路26。这能够通过独立于由电流感测电路23实现的控制下拉晶体管Q3的基极来禁用虚拟负载控制电路22。
当闪烁不是问题时，这可以用于防止与虚拟负载相关联的功耗。虚拟负载禁用电路包括下拉晶体管M1和用于通过栅极电阻器R3和栅极电容器C1来控制晶体管M1的栅极的电压源V3。
当晶体管M1被接通时，晶体管Q3的基极被拉到地，以将晶体管Q3关断。禁用电路26和可控电压基准U1基本上以OR配置连接，使得任一个可以通过关断晶体管Q3来隔离虚拟负载R7。
虚拟负载禁用电路26可以适于在待机模式下或者当LED照明负载的驱动电平超过阈值时禁用控制电路。当处于待机模式时，闪烁不是问题。类似地，当照明负载被驱动到足够明亮的水平时，闪烁变得难以察觉。因此，电压源V3在这些情况下传递高电压。
当LED照明负载的驱动电平低于阈值时，虚拟负载禁用电路适于启用控制电路22的虚拟负载功能。在此期间，电压源V3传递低电压。这是由于对辅助电源的电流需求的波动所引起的闪烁的问题。
虚拟负载禁用电路26可以以二进制方式起作用，或者它可以以模拟方式起作用。在模拟情况下，控制电路22被禁用的量取决于LED照明负载的驱动电平超过阈值的量。
然后，阈值电平与实际驱动电平之间的差异成为控制参数。当驱动电平等于或低于阈值时，虚拟负载功能被启用。当驱动电平高于阈值时，控制参数以模拟方式确定晶体管Q3被接通/关断的量，这然后控制流向虚拟负载R7的电流。
控制参数与被施加到晶体管Q3的基极的驱动电平之间的函数可以是线性的或非线性的。在驱动电平达到其最大电平之前，例如在第二阈值处，可以完全禁用虚拟负载(即，晶体管Q3完全关断)。因此，虚拟负载处于活动与非活动之间的转换可以发生在两个阈值电平之间。任何合适的函数可以被用于确定亮度级别与虚拟负载利用率之间的关系。
因此，可以根据照明水平逐渐实现禁用虚拟负载的使用，而不是在一个照明水平时突然实现禁用虚拟负载的使用。
例如，随着晶体管M1逐渐被接通，它对来自晶体管Q3的基极的电流呈现增加的泄漏路径，从而逐渐使晶体管Q3关断，并且因此以模拟方式控制通过虚拟负载R7的电流。晶体管M1的栅极可以由脉冲宽度调制信号控制，脉冲宽度调制信号然后由栅极电容器C1平滑。因此，晶体管M1的栅极处的基本上数字控制信号可以被用于实现晶体管Q3的导通的模拟控制。
虚拟负载禁用电路可以使得效率与低端闪烁性能之间的折衷改善。
举例来说，如果设置的调光水平对应于大于50％的光水平(其用作控制阈值)，则经由控制信号V3虚拟负载电路被逐渐断开。在调光期间(以低于阈值50％亮度)，电路被接通。
照明负载Cload包括LED照明负载，并且可以包括单串LED，或者可以包括更复杂的串联和/或并联LED网络。
图3示出了图2的电路的操作方法。
在步骤30中，使用具有主储能电感器的开关模式电源，能量被专递到LED照明负载传递。
在步骤32中，使用被磁耦合到主储能电感器的电源电感器、和整流二极管来生成辅助电源。
在步骤34中，辅助电源被提供给辅助负载。
在步骤36中，根据由辅助负载汲取的电流，虚拟负载与辅助负载被并联连接。
本发明对于具有集成电源架构的照明系统感兴趣。最感兴趣的是单级、单串LED照明方法，其中集成微控制器使用辅助电源，特别是对于低成本连接的灯。
上面仅示出了虚拟负载控制电路和虚拟负载禁用电路的一个示例。然而，相同的核心功能可以以不同方式实现。例如，任何合适的电流感测电路可以被用于生成作为所感测的负载电流流动的函数的控制信号。也可以使用比简单的单驱动晶体管Q3更复杂的虚拟负载驱动电路，并且虚拟负载本身可以是不限于电阻器的任何有损组件。被用于下拉晶体管栅极的可控电压基准可以被实现为栅控二极管、可控并联稳压器或其他晶体管电路。
通过研究附图、说明书和所附权利要求，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陈述某些措施的纯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 (15)

1.一种LED照明驱动器，包括：
开关模式电源，具有用于向LED照明负载(Cload)传递能量的主储能电感器(L2)；以及
辅助电源电路(20，22)，包括电源电感器(L1)和整流二极管(Drect)，所述电源电感器(L1)被磁耦合到所述主储能电感器(L2)，所述辅助电源电路(20，22)用于向辅助负载(24)传递整流电压，
其中所述辅助电源电路(20，22)包括：
所述辅助负载(24)；
虚拟负载(R7)，与所述辅助负载(24)并联耦合；
控制电路(Q3，U1)，用于控制所述虚拟负载与所述辅助负载(24)并联的连接；以及
电流感测电路(23)，用于感测由所述辅助负载(24)汲取的电流、并且用于根据所汲取的电流来控制所述控制电路(Q3，U1)，使得由所述辅助负载(24)和所述虚拟负载(R7)组合汲取的电流被保持接近恒定。
2.根据权利要求1所述的驱动器，其中所述控制电路包括：晶体管(Q3)和可控电压基准(U1)，所述可控电压基准(U1)用于控制将所述晶体管(Q3)的栅极拉到基准电位，从而使所述晶体管(Q3)关断。
3.根据权利要求1或2所述的驱动器，还包括：虚拟负载禁用电路(26)，用于禁用所述虚拟负载控制电路。
4.根据权利要求3所述的驱动器，其中所述虚拟负载禁用电路(26)适于在待机模式下禁用所述控制电路。
5.根据权利要求4所述的驱动器，其中所述虚拟负载禁用电路(26)适于在所述LED照明负载的驱动电平超过阈值时禁用所述控制电路(Q3，U1)。
6.根据权利要求5所述的驱动器，其中所述虚拟负载禁用电路(26)适于在所述LED照明负载的驱动电平低于所述阈值时启用所述控制电路(Q3，U1)。
7.根据权利要求5或6所述的驱动器，其中所述虚拟负载禁用电路(26)适于禁用所述控制电路达一定量，所述一定量取决于所述LED照明负载的所述驱动电平超过所述阈值的量。
8.根据前述权利要求中任一项所述的驱动器，其中所述开关模式电源包括：单级降压转换器或单级降压-升压转换器。
9.根据前述权利要求中任一项所述的驱动器，其中所述开关模式电源包括：非隔离转换器。
10.一种LED照明电路，包括：
根据前述权利要求中任一项所述的驱动器；
LED照明负载(Cload)，由所述驱动器驱动；以及
辅助负载，由所述辅助电源电路驱动。
11.一种LED照明方法，包括：
(30)使用具有主储能电感器的开关模式电源向LED照明负载传递能量；
(32)使用电源电感器和整流二极管来生成辅助电源，所述电源电感器被磁耦合到所述主储能电感器，并且(34)向辅助负载供应所述辅助电源；以及
(36)根据由所述辅助负载汲取的电流来控制虚拟负载与所述辅助负载并联的连接，使得由所述辅助负载(24)和所述虚拟负载(R7)组合汲取的电流被保持接近恒定。
12.根据权利要求11所述的方法，包括：当所述LED照明负载的驱动电平低于阈值时，启用所述虚拟负载控制。
13.根据权利要求12所述的方法，还包括：当处于待机模式时或者当所述LED照明负载的驱动电平超过所述阈值时，禁用所述虚拟负载控制。
14.根据权利要求13所述的方法，包括：禁用所述虚拟负载控制达一定量，所述一定量取决于所述LED照明负载的所述驱动电平超过所述阈值的量。
15.根据权利要求10至14中任一项所述的方法，其中向LED照明负载传递能量包括：使用单级非隔离降压转换器或单级非隔离降压-升压转换器。
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