CN111345117B

CN111345117B - 固态照明电路和控制方法

Info

Publication number: CN111345117B
Application number: CN201880073299.XA
Authority: CN
Inventors: B·J·E·洪特勒; T·G·齐杰尔曼; B·J·W·特文梅
Original assignee: Signify Holding BV
Current assignee: Signify Holding BV
Priority date: 2017-11-13
Filing date: 2018-11-08
Publication date: 2022-12-23
Anticipated expiration: 2038-11-08
Also published as: US11039516B2; JP7291134B2; EP3711456A1; CN111345117A; JP2021502681A; WO2019092114A1; DK3711456T3; ES2897173T3; HUE056107T2; PL3711456T3; EP3711456B1; US20200337131A1

Abstract

一种照明电路利用开关模式功率转换器来驱动具有照明单元和照明控制开关的固态照明布置。脉宽调制控制信号被应用于照明控制开关，以用于利用激活脉冲进行调光控制，照明单元在该激活脉冲期间被激活。功率转换器递送三角电流波形，并且激活脉冲被延迟直到三角电流波形内的预定点。这确保了PWM脉冲具有的定时与开关模式功率转换器的定时同步，照明布置在该PWM脉冲期间被接通。防止了拍频，从而避免可见闪烁。

Description

固态照明电路和控制方法

技术领域

本发明涉及固态照明电路，特别是可调光照明电路。

背景技术

固态照明单元(尤其是基于LED的(改型)灯具)越来越多地应用于家庭建筑和办公室。除其高效率外，它们还由于新的设计特征、不同的色温、调光能力等而吸引了消费者。

为了使LED照明适应现有的市电照明器材，每个LED灯单元都使用转换器电路，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(诸如降压转换器)。

开关模式电源的切换特性导致向LED递送的不恒定功率。通过LED提供波纹电流，这取决于转换器拓扑、控制方法以及输出处的滤波量。

调光或颜色控制可通过调整平均电流的幅度或者通过应用脉宽调制(PWM)的形式来实现。例如，已知向分流开关应用脉宽调制，使得在受控时间旁路LED或LED串，从而提供具有占空比控制的光输出。

通常，与幅度控制相比，PWM方法给出更为一致的结果，特别是在需要获得深度调光水平的情况下。

WO2016/142154和US2012/0104958示出了根据用于控制光水平的PWM信号而接通和断开的功率转换器的示例。这种电路必须具有用于单个LED分支的一个功率转换器。对于使用几种LED(RGB、RGBW)或只有两种具有不同色温的LED的有色灯，其价格昂贵且不适用于灯泡等小型光源。另一个缺点是功率转换器的启动必须快速和可控，以避免光的一些波动。

WO 2011/092606示出了功率转换器的示例，其中，功率转换器独立于PWM控制，但需要延迟脉宽调制，直到功率转换器的启动周期结束。

在一种已知实施方式中，使用降压转换器形式的功率转换器，其具有带平均值和滞环的三角形输出电流。应用分流切换来控制串联LED的亮度，并且不使用输出平滑电容器。这例如在US2011/0109247中被公开。

降压转换器的切换频率通过降压转换器电路中的电感器的值、输入电压和输出电压来确定。由于分流切换的操作，瞬时输出电压将响应于切换动作而变化，并且这将导致开关模式转换器的不同切换频率。然而，PWM分流控制以固定频率操作。

通常，开关模式转换器频率远高于PWM频率。例如，典型的开关模式转换器频率为200kHz，而典型的PWM频率为1kHz。

在非常低的调光水平下，PWM脉冲持续时间将接近或者甚至低于降压转换器的切换周期。这导致降压转换器频率的欠采样，这可能导致低频电流变化，并由此导致可见闪烁，特别是拍频形式的闪烁。

因此，需要一种照明驱动器电路，其能够在不产生可见照明闪烁的情况下实现深度调光。

发明内容

本发明通过权利要求限定。

根据本发明一个方面的示例，提供了一种照明电路，包括：

开关模式功率转换器，具有主控制开关；

固态照明布置，位于功率转换器的输出处，包括照明单元和照明控制开关；

脉宽调制控制器，该脉宽调制控制器用于向照明控制开关提供脉宽调制控制信号，以用于控制固态照明布置的调光，脉宽调制控制信号具有预定频率和周期，并且包括照明单元在其期间被激活的脉冲；

功率转换器控制器，用于独立于脉宽调制控制信号来控制主控制开关，

其中，开关模式功率转换器适于递送在上阈值电流和下阈值电流之间循环的三角电流波形，

并且其中，脉宽调制控制器适于延迟每个脉冲的开始直到三角电流波形内的预定点。

该照明电路确保照明布置在其期间被接通的PWM脉冲具有的定时与开关模式功率转换器主控制开关的定时同步。以这种方式，防止由脉冲定时和切换频率之间的频率差引起的拍频，从而避免可见闪烁。

注意，三角电流波形不必须在上阈值和下阈值之间具有线性过渡。术语“三角”仅表示从较低阈值到较高阈值的上升(此处发生切换)，因此随后出现到较低阈值的下降(此处再次发生切换)，等等。

脉冲例如在脉宽调制控制信号的开始处，并且脉宽调制控制器适于延迟脉冲的开始直到三角电流波形内的所述预定点。PWM信号保持相同的周期，但脉冲的开始的定时被改变。脉冲保持相同的持续时间。

注意，一种备选方案是延迟整个PWM信号的开始，直到达到特定的定时点，使得在PWM周期的开始处仍然提供脉冲。在这种情况下，可以认为先前PWM信号的整个周期已通过延迟被延伸。后一种备选意味着有效PWM周期略有变化，但变化的持续时间最多是开关模式转换器切换信号的一个周期，与PWM周期相比非常小。

例如，脉宽调制控制器适于延迟脉冲的开始，直到三角电流波形达到下一个上阈值电流或下阈值电流。特别地，脉冲的开始可以被延迟，直到三角电流波形达到下一个上阈值电流。这提供了一种易于实施的控制方法。

功率转换器控制器可适于在脉宽调制控制信号的开始处切换主控制开关。这引起输出电流即刻上升，由此缩短延迟，直到下一次达到上阈值电流。以这种方式，在PWM脉冲激活之前引入的延迟被减小，从而降低对光输出亮度的影响。

功率转换器控制器可以以至少100kHz(例如，200kHz到500kHz)的频率操作，并且脉宽调制控制器的预定频率可最多为25kHz(例如，1kHz)。

固态照明布置可包括串联的多个照明单元，在每个照明单元上并联安装有相应的照明控制开关。这提供了分流控制方法。例如，每个照明单元具有不同的输出颜色。因此，PWM控制能够实施颜色和/或调光控制。

备选方案可以使用串行切换方法，其中，多个照明单元并联，并且每个并联分支由其各自对应的串联开关来控制。这适合于压控转换器。

开关模式功率转换器可以包括降压转换器。

本发明还提供了一种控制照明电路的方法，该方法包括：

操作具有主控制开关的开关模式功率转换器，以向固态照明布置递送功率，该固态照明布置包括照明单元和照明控制开关，其中，功率转换器递送在上阈值电流和下阈值电流之间循环的三角电流波形；

操作用于向照明控制开关提供脉宽调制控制信号的脉宽调制控制器，以用于控制固态照明布置的调光，脉宽调制控制信号具有预定频率和周期，并且包括照明单元在其期间被激活的脉冲；以及

其中，独立于脉宽调制控制信号来控制开关模式功率转换器，并且其中，该方法还包括：延迟每个脉冲的开始，直到三角电流波形内的预定点。

该方法能够利用短激活脉冲在不引入闪烁的情况下实施调光，即使在实施深度调光时。

注意，对于具有多个通道的照明布置，用于这些不同通道的脉冲的开始时间可以不同，使得它们与PWM周期具有不同的相位关系。

脉冲(对于一个通道或对于多通道系统的所有通道)可以在脉宽调制控制信号的开始处，并且该方法包括延迟脉冲的开始直到三角电流波形内的所述预定点，其例如是下一个上阈值电流或下阈值电流，并且优选为下一个上阈值电流。

该方法可包括在脉宽调制控制信号的开始处切换功率转换器的主控制开关。这减少了延迟，直到三角电流波形内的预定点。

例如，该方法包括：以至少100kHz的频率操作功率转换器控制器，并且以较低的预定频率操作脉宽调制控制器。该较低频率可以高于音频范围(20kHz)(诸如低于25kHz)，或者可以是音频范围内的较低频率，因此低于20kHz，例如低于5kHz。

本发明的这些和其他方面将从下面描述的(多个)实施例中显而易见，并且参照其加以说明。

附图说明

现在将参照附图详细描述本发明的示例，其中：

图1示出了已知的照明电路；

图2示出了图1的电路的时序图；

图3示出了根据本发明的示例的照明电路；

图4示出了图1的电路的时序图；

图5示出了图1的电路的修改时序图；以及

图6示出了一种照明控制方法。

具体实施方式

将参照附图描述本发明。

应当理解，在指示设备、系统和方法的示例性实施例的同时，详细描述和具体示例仅用于说明目的，并不旨在限制本发明的范围。从以下描述、所附权利要求和附图中将更好地理解本发明的设备、系统和方法的这些和其他特征、方面和优点。应当理解，附图仅仅是示意性的，并不是按比例绘制的。还应理解，在附图中使用相同的附图标记来表示相同或相似的部分。

本发明提供了一种照明电路，其利用开关模式功率转换器以驱动具有照明单元和照明控制开关的固态照明布置。脉宽调制控制信号被施加到照明控制开关，以用于利用激活脉冲进行调光控制，照明单元在该激活脉冲期间被激活。功率转换器递送三角电流波形，并且激活脉冲被延迟直到三角电流波形内的预定点。这确保了PWM脉冲具有的定时与开关模式功率转换器的切换定时同步，照明布置在该PWM脉冲期间被接通。这防止拍频，从而避免可见闪烁。

例如，照明控制开关是并联分流开关。

图1示出了已知的照明电路。该电路由DC电源VBUS驱动，VBUS本身可以是整流市电信号。

开关模式功率转换器(诸如迟滞型转换器)包括主控制(功率)开关M1、电感器L1形式的能量存储装置和反激二极管D1。这些部件一起限定了降压转换器架构。备选地，二极管D1可被第二主控制开关替换，以实施同步降压转换器。

降压转换器的输出驱动固态照明布置，该固态照明布置包括具有蓝色LED 10、绿色LED 12和红色LED 14的串联连接的照明单元。在所示示例中，每个LED都具有并联分流开关M2、M3、M4。当然，如图所示的每个LED实际上可包括一系列LED串。为了简单，图1所示的每个LED都将指单个LED。

分流开关由PWM信号PWM2、PWM3和PWM4控制，并且它们由脉宽调制控制器20提供。当PWM信号接通相关联的分流开关时，LED被旁路并因此断开。因此，LED的开-关占空比由PWM信号控制，以提供每个LED的调光控制，从而为LED的整个集合提供颜色控制。

颜色控制可用于调节大体白色输出的色温，或者其可用于提供不同的颜色输出。颜色控制可根据调光水平而改变，以提供智能调光，例如复制传统白炽灯泡的调光性能，或者提供其他效果。

当然，该电路也可应用于单色系统，从而仅提供调光控制。脉宽调制控制信号具有预定频率和周期。

功率转换器控制器22被提供用于控制主控制开关M1。功率转换器控制器22基于电流感测电阻器RSENSE两端的电压以及DC总线电压VBUS的电压反馈接收电流反馈信号。

功率转换器控制器22例如控制主控制开关M1的操作的定时，以向照明负载递送恒定电流。通过控制输出电流，LED可以接入输出负载电路，或者从输出负载电流断开。

在(深度)调光期间，在大多数(或全部)时间内，PWM开关将处于导通状态。降压转换器仍将提供标称LED电流，但输出电压将接近零。由于使用了开关模式功率转换器架构，因此在这种状态下没有过多的损耗。

功率转换器递送如图2所示的三角电流波形，该波形分别在上阈值电流I_H和下阈值电流I_L之间循环。图2还示出了平均电流I_AV。

典型地，降压转换器频率(诸如200kHz)远高于PWM频率(诸如1kHz)。然而，在非常深度调光水平下，PWM脉冲持续时间将接近或者甚至低于降压转换器的切换周期。这给出低频电流变化，并由此产生可见闪烁。最终，正是三角降压转换器输出电流的采样导致可见闪烁。

本发明基于以下认识：降压转换器电流波形和PWM控制之间的相对定时的控制可用于抑制闪烁。具有三种可能的方式来减少闪烁伪影。

第一种方法是使PWM信号与固定的降压转换器输出状态或相位同步。第二种方法是使降压转换器与固定的PWM起始相位同步。第三种方法是在预定(短)时隙期间最小化波纹电流。

本发明基于上述第一种方法。这通过将脉宽调制控制器20的激活脉冲的开始延迟直到功率转换器控制器22的三角电流波形内的预定点来实现。

图3示出了作为图1的系统的修改的、根据本发明的照明系统的一个示例。相同的参考标号用于相同的部件。

该电路包括附加同步电路30。这生成同步信号“SYNC”。电路30包括：跨主控制开关M1的电阻器分压器R1、R2；以及从电阻器R1、R2之间的节点引出的输出电阻器R3。当主控制开关M1接通时，由于电阻器分压器R1、R2被短路，因此信号SYNC为零。当主控制开关M1断开时，电流流过电阻器分压器(该电流取决于主控制开关两端的电压)，从而产生正同步电压。

同步电压是恒定的，因为主控制开关M1的漏极节点在VBUS和地之间交替。

注意，电阻器R1-R3不是必需的；如果需要，它们被提供用于使漏极节点电压适应同步输入以用于正确的PWM生成。

同步电压被用作脉宽调制控制器20的触发器。

由于降压转换器和切换操作的组合，转换器频率不是固定的，而是取决于输入电压、LED电压和所选色点。

由于降压频率(200kHz-500kHz)将通常远大于PWM频率(小于25kHz，例如1kHz)，所以降压转换器输出和下一个PWM循环的开始之间的精确相位关系不容易预测，并且容易受到干扰。

同步信号用于重新同步由脉宽调制控制器20生成的光生成脉冲。控制器包括计数器，其限定PWM信号的定时。在达到最大PWM计数值之后，以在光生成脉冲开始之前添加延迟的形式发生重新同步。

同步信号用于标识如上所提到的三角电流波形内的预定点，并且这用作外部触发机制，而不是用作计数器自动重新加载机制。

在下面的示例中，PWM脉冲在PWM周期的开始处，但是被延迟直到三角电流波形的特定相位。然而，可以在PWM计数器的任意相位处提供延迟脉冲。脉冲的持续时间保持在期望水平，即使其具有延迟到任意相位的开始。

图3示出了通过外部监控开关两端的电压来检测开关M1的开-关状态的电路。然而，可以使用其他信号，诸如主控制开关M1的栅极驱动信号、主控制开关M1的漏极电压或来自控制器22的另一内部控制器信号。又一种备选方式是监控输出电流。因此，可以监控开关的输入控制、开关的输出状态或输出电流。

这些示例中的同步信号基本上用于指示在输出电流中存在较低或较高滞后水平的定时，尽管可以使用电流波形周期内的任何固定参考点，即控制开关切换周期内的任何固定点。

一旦在PWM周期内达到所选参考点，将以预定持续时间生成脉冲。

图4示出了图3的电路的操作的时序，并且示出了由感测电阻器RSENSE、同步信号SYNC和PWM信号“PWM”测量的输出电流Iout。

在该示例中，PWM信号在LED接通(即，LED被短路)时为高，并且通过低PWM信号而断开。当然，控制也可以为其他方式。

图4中的时间点40是PWM周期结束(即，当PWM计数器达到其最大计数)且下一PWM循环开始的定时。

代替立即启动PWM脉冲，如箭头42所示脉冲开始的定时是可变的，并且引入延迟44。PWM脉冲只稍后在示为t＝0的时间处开始。以这种方式，相对于三角波形，PWM脉冲具有固定的定时。

PWM外围电路和外部控制信号的相互作用由整个控制器IC的PWM控制器部分内的专用硬件设备来处理，但是控制也可以由软件控制来处理。

延迟44将稍微改变光输出脉冲的定时。图5示出了最小化延迟以最小化脉冲光输出脉冲的改变定时可能具有的任何影响的方式。

只要通过PWM发生器达到脉冲的期望开始，就可以迫使降压转换器切换到ON状态。这在图5中的时间40。在该时间点处，输出电流的缓慢下降斜率被转换为快速上升斜率46。这是因为在PWM信号的该相位中没有LED接通，这导致降压转换器的电感器两端的最大电压。这意味着在时间点50处，预定时间点(在该示例中，再次为达到上电流阈值I_H时)更早。这比示为时间点52的原本将处于时间点更早。

以这种方式，在降压转换器开关接通之后，将会很快达到较高的滞后水平，并且通过关断分流开关，可以再次选择该较高的滞后水平作为LED的实际接通时刻。

在一种方法中，多通道系统中的不同通道的脉冲的开始在相位＝0处(在PWM周期的开始处)对齐。相反，可以扩展PWM周期的脉冲，由此为每个通道创建不同的相位。这会导致降压转换器的强制‘ON’(时间点40)和每个通道的延迟脉冲(每个周期多次)。

图6示出了控制照明电路的方法。

开关模式功率转换器在步骤60中被操作，并且递送在上阈值电流和下阈值电流之间循环的三角电流波形。

在步骤62中，为PWM信号的脉冲的开始提供延迟，直到三角电流波形内的预定点为止。

然后，在步骤64中，脉宽调制控制器被操作，以用于向用于控制调光的照明控制开关提供脉宽调制控制信号。

上述定时方法可在灯的所有调光水平(包括完全亮起)期间应用，或者其仅在调光期间应用，或者更具体地，仅在深度调光期间应用。

本发明对使用降压转换器和分流切换组合的所有灯具和发光体都特别感兴趣。更一般地，本发明对于在边界模式(上电流水平和零电流)下操作或使用其它控制方法(诸如实时控制)的转换器是感兴趣的。本发明还可应用于使用串联开关的布置。

本发明可应用于单个LED串或者串联的多个LED串(如图所示)。

以上示例基于分流切换方法，从而每个照明单元都具有并联的旁路开关。这具有以下优点：单个电流源解决方案对于颜色系统是可能的。如上所述，备选方案是串联切换方法，通过该方法，开路开关用于提供开路并防止电流流入相应的照明单元。在这种情况下，不同的照明单元是并联的，每个单元都具有自己的串联控制开关。然后，由开关模式功率转换器提供电压控制输出。

上述方法基于在恒定PWM周期内延迟PWM(光激活)脉冲的开始。如上所述，备选方案是延迟PWM信号本身的开始，而不是具有生成PWM信号的自动重新加载功能。在这种情况下，仅在下一次达到电流信号中的参考时间点时，才发生PWM计数器的复位，在上面的示例中，参考时间点是SYNC信号的下一上升沿处的上电流阈值。因此，通过改变PWM周期定时来改变脉冲的期望开始的定时，并且延迟被99。

由于脉冲将要开始之前的(不可预测的)延迟，这种备选的重新同步机制将引起PWM频率上的一些抖动。延迟的绝对量最大为一个降压控制周期(即，接近5μs)。由于PWM周期中的这种抖动，实际的平均光输出也将具有一些变化，但是闪烁的幅度近似于延迟与标称PWM周期的比率，其大约为0.5％。

可以使用参考图5解释的方法来最小化这种延迟。

因此，将看到，存在各种不同的选项来改变PWM控制的光发射脉冲的定时，以确保其相对于主控制器切换周期具有固定的相位关系。在以上所有示例中，向PWM脉冲施加延迟，直到主控制器切换周期达到期望相位，但是该延迟可以针对固定PWM周期内的PWM脉冲，也可以针对整个PWM周期。

本领域技术人员可以在根据对附图、公开和所附权利要求的研究实践所要求保护的发明的情况下理解和实现对所公开实施例的其他变化。在权利要求中，词语“包括”不排除其他元素或步骤，并且不定冠词“一”或“一个”不排除复数。在相互不同的从属权利要求中记载特定措施的这一事实并不表明这些措施的组合不能被用于有利。权利要求中的任何参考符号不应被解释为限制范围。

Claims

1.一种照明电路，包括：

开关模式功率转换器(D1，L1，M1)，具有主控制开关(M1)；

固态照明布置，所述固态照明布置在所述开关模式功率转换器(D1，L1，M1)的输出处，包括照明单元(10，12，14)和照明控制开关(M2，M3，M4)；

脉宽调制控制器(20)，所述脉宽调制控制器(20)用于向所述照明控制开关提供脉宽调制控制信号，以用于控制所述固态照明布置的调光，所述脉宽调制控制信号具有预定频率和周期，并且包括脉冲，所述照明单元在所述脉冲期间被激活；

功率转换器控制器(22)，所述功率转换器控制器(22)用于独立于所述脉宽调制控制信号来控制所述主控制开关，

同步电路(30)，所述同步电路(30)用于基于所述主控制开关(M1)上的电压而生成同步信号(SYNC)，

其中所述开关模式功率转换器(D1，L1，M1)适于递送三角电流波形，所述三角电流波形在上阈值电流和下阈值电流之间循环，

并且其中所述脉宽调制控制器(20)适于延迟(44)所述脉冲中的每个脉冲的开始，直到所述三角电流波形内的预定点，其中所述同步信号用于标识所述三角电流波形内的所述预定点。

2.根据权利要求1所述的照明电路，其中所述脉冲中的每个脉冲在所述脉宽调制控制信号的开始处，并且所述脉宽调制控制器适于延迟所述脉冲的开始，直到所述三角电流波形内的所述预定点。

3.根据权利要求1或2所述的照明电路，其中所述脉宽调制控制器(20)适于延迟所述脉冲的所述开始，直到所述三角电流波形达到下一上阈值电流或下一下阈值电流。

4.根据权利要求3所述的照明电路，其中所述脉宽调制控制器(20)适于延迟所述脉冲的所述开始，直到所述三角电流波形达到下一上阈值电流。

5.根据权利要求1、2和4中任一项所述的照明电路，其中所述功率转换器控制器(22)适于在所述脉宽调制控制信号的开始(40)处切换所述主控制开关。

6.根据权利要求1、2和4中任一项所述的照明电路，其中所述功率转换器控制器被布置为以至少100kHz的频率操作，并且所述脉宽调制控制器的所述预定频率最多为25kHz。

7.根据权利要求1、2和4中任一项所述的照明电路，其中所述固态照明布置包括串联的多个照明单元，其中在每个照明单元上并联安装有相应的照明控制开关。

8.根据权利要求7所述的照明电路，其中每个照明单元具有不同的输出颜色或色温。

9.根据权利要求1、2、4和8中任一项所述的照明电路，其中所述开关模式功率转换器包括降压转换器。

10.一种控制照明电路的方法，包括：

(60)操作具有主控制开关的开关模式功率转换器，以向固态照明布置递送功率，所述固态照明布置包括照明单元和并联的照明控制开关，其中所述开关模式功率转换器递送三角电流波形，所述三角电流波形在上阈值电流和下阈值电流之间循环；

基于所述主控制开关(M1)上的电压而生成同步信号(SYNC)；

(64)操作用于向所述照明控制开关提供脉宽调制控制信号的脉宽调制控制器，以用于控制所述固态照明布置的调光，所述脉宽调制控制信号具有预定频率和周期，并且包括脉冲，所述照明单元在所述脉冲期间被激活；以及

其中所述开关模式功率转换器独立于所述脉宽调制控制信号而被控制，并且其中所述方法还包括：

(62)延迟所述脉冲中的每个脉冲的开始，直到所述三角电流波形内的预定点，其中所述同步信号用于标识所述三角电流波形内的所述预定点。

11.根据权利要求10所述的方法，其中所述脉冲标称地在所述脉宽调制控制信号的开始处，并且所述方法包括：延迟所述脉冲的所述开始，直到所述三角电流波形内的所述预定点。

12.根据权利要求10或11所述的方法，包括：延迟所述脉冲的所述开始，直到所述三角电流波形达到下一上阈值电流或下一下阈值电流。

13.根据权利要求12所述的方法，包括：延迟所述脉冲的所述开始，直到所述三角电流波形达到下一上阈值电流。

14.根据权利要求10、11和13中任一项所述的方法，包括：在所述脉宽调制控制信号的开始处，切换所述开关模式功率转换器的所述主控制开关。

15.根据权利要求10、11和13中任一项所述的方法，包括：以至少100kHz的频率操作所述功率转换器控制器，并且以最多25kHz的所述预定频率操作所述脉宽调制控制器。