CN111937496A - 照明单元以及驱动方法 - Google Patents

Abstract

照明单元包括驱动器、光源和辅助电路(例如，独立的有源电子电路)的缓冲电容器。被允许流向缓冲电容器的充电电流基于感测到的、流向光源的电流进行控制，从而控制缓冲电容器的充电电流。以这样的方式，由于在驱动器的输出处使用大型缓冲电容器而引起的大浪涌电流可以被避免，并且可以防止在驱动器内触发故障检测模式。此外，该电路确保了驱动器在启动期间在规范极限内进行操作。

Description

照明单元以及驱动方法

技术领域

本发明涉及照明单元，照明单元包括照明驱动器和光源，并且其中照明驱动器附加地被用于向一个或多个附加模块供电。

背景技术

LED驱动器非常适合向主光输出功能中添加诸如编码光注入和应急照明的功能和特征。这是因为LED驱动器已将市电的交流输入电压转换为直流电压，因此适用于驱动附加模块。

随着照明行业出现诸如物联网的新技术，还希望将这些新特征添加到主流灯具中。这样的附加特征可以通过附加模块来实现，附加模块被提供为需要辅助电源的添加电路。

该辅助电源可以通过将LED驱动器的较低直流输出电压转换为所需的辅助电源电压来获得。从LED驱动器的输出中分接功率是经济有效的方法，但是存在一个问题，即，常规的LED驱动器针对成本和效率进行了优化，使得除了无源LED负载以外的其他任何连接均可能导致与LED驱动器的兼容性问题。通常，当(在数十或数百微法拉范围内的)大型电容器被连接到典型的LED驱动器的输出时，LED驱动器可能会检测到故障情况(特别是在设计驱动器时无源LED负载不期望加电时存在输出电流)，然后断言短路保护模式。

如上所述，可能的附加模块的一个示例是编码光注入器。这采取了在LED驱动器和LED板之间插入的调制器的形式，以注入经编码的光调制。已发现，由于编码光注入器中的大型缓冲电容器，许多LED驱动器无法启动。为了将调制器中的功率损耗最小化并使得调制电流对LED驱动器的影响最小化，该缓冲电容器需要非常大。

因此，需要允许附加模块由驱动器进行供电的照明单元。

发明内容

本发明由权利要求书限定。

根据本发明的一个方面的示例，提供了一种照明单元，该照明单元包括：

光源；

用于驱动光源的驱动器，驱动器在第一端子和第二端子之间提供输出电流；

第一电流感测元件，在第一端子和第二端子之间与光源串联；

用于由驱动器供电的辅助电路，该辅助电路包括缓冲电容器；

第二电流感测元件和控制开关，在第一端子和第二端子之间与缓冲电容器串联；以及

控制器，被适配为根据由第一电流感测元件和第二电流感测元件感测到的电流对控制开关进行控制，从而控制流向缓冲电容器的电流。

照明单元在分离的并联路径中具有光源和辅助电路的缓冲电容器，使得它们均由来自驱动器的输出驱动。为了允许使用大型缓冲电容器，对流过缓冲电容器的电流进行管理。这在启动期间尤其重要，因为即使在输出电压达到光源正向电压之前，电容器充电电流也会流动。控制器用作浪涌电流限制器。通过适当控制允许流动的电流，可以确保对缓冲电容器进行快速充电，同时防止驱动器超出其输出电流和/或电压极限以及相关联的时间约束进行操作。

光源通常是LED负载。电路控制的目的是使得在启动期间驱动器的输出处负载和电流特性模拟基本LED负载所具有的负载和电流特性。例如，当LED负载不汲取电流时，缓冲电容器的充电电流被禁止，并且在缓冲电容器充电期间，驱动电流在缓冲电容器和光源之间共享。

照明单元例如包括电流镜电路，该电流镜电路用于对由第一电流感测元件和第二电流感测元件感测到的电流进行比较。被允许通过缓冲电容器的电流然后可以根据通过光源的电流来选择。这样，驱动器电流在光源和缓冲电容器之间共享，并且防止了由驱动器检测到过电流。

控制器例如被适配为：将在初始充电期间通过缓冲电容器的电流控制为通过光源的电流的固定倍数。这意味着缓冲电容器充电电流与光源电流之间的比率被控制。在不存在光源电流的情况下，电流也可以被禁止流过缓冲电容器。

比率可以为1，使得在初始充电期间，通过缓冲电容器的电流被控制为等于通过光源的电流。但是，其他比率是可能的，并且比率指示缓冲电容器充电的速度。

当初始充电完成时，照明单元可以被适配用于导通控制开关。这可以通过控制器来实现，或者为此可以存在专用电路组件。以这种方式，一旦缓冲电容器被充电，使得大浪涌电流的潜在问题被解决，则缓冲电容器可以使用驱动器的输出、以常规方式来保持被充电。

电流感测元件例如包括电流感测电阻器。电阻器两端的电压指示流过的电流，照明单元然后可以利用这些电压来控制控制开关。控制开关例如包括晶体管，其中针对控制端子(例如，栅极)的信号由控制器来提供。

缓冲电容器例如具有大于10μF(例如大于100μF、例如大于200μF、例如大于400μF)的电容。该大小足以提供稳定的辅助电源，因此也足够大而出现可能的电流浪涌问题。

如上所述，驱动器例如包括保护系统，该保护系统用于响应于所检测的驱动器输出开路或短路状况而关闭。本发明避免了由于缓冲电容器的初始充电引起的保护关闭。驱动器例如包括开关模式功率转换器。

本发明还提供了驱动照明单元的方法，该方法包括：

使用驱动器在第一端子和第二端子之间递送输出电流；

感测输出电流的、通过照明单元的光源的部分；

感测输出电流的、通过辅助电路的缓冲电容器的部分；以及

根据感测到的电流，控制与缓冲电容器串联的控制开关，从而控制流向缓冲电容器的电流。

该方法可以使得浪涌电流能够被限制。

该方法可以包括：将在初始充电期间通过缓冲电容器的电流控制为通过光源的电流的固定倍数(例如，等于通过光源的电流)。

该方法可以包括：当初始充电完成时，导通控制开关。方法优选地还包括：响应于检测到的驱动器输出开路或短路状况，提供关闭驱动器的保护。

参考下文描述的(多个)实施例，本发明的这些方面和其他方面将变得显而易见。

附图说明

现在将参考附图来详细描述本发明的示例，其中：

图1以示意形式示出了照明单元；

图2更详细地示出了图1的照明单元的电路；

图3示出了用于解释照明单元的操作的第一示例波形集合；

图4示出了用于解释照明单元的操作的第二示例波形集合；以及

图5示出了控制照明单元的方法。

具体实施方式

将参考附图来描述本发明。

应当理解，详细描述和具体示例虽然指示了装置、系统和方法的示例性实施例，但是仅旨在用于说明的目的，而并不旨在限制本发明的范围。从以下描述、所附权利要求书和附图中，将更好地理解本发明的装置、系统和方法的这些和其他特征、方面和优点。应当理解，附图仅是示意性的，并且没有按比例绘制。还应当理解，贯穿附图，使用相同的附图标记来指示相同或相似的部分。

本发明提供一种照明单元，照明单元包括驱动器、光源和辅助电路(例如，独立的有源电子电路)的缓冲电容器。被允许流向缓冲电容器的充电电流基于感测到的流向光源的电流而被控制，从而控制缓冲电容器的充电电流。这样，由于在驱动器的输出处使用大型缓冲电容器而引起的大浪涌电流被避免，并且可以防止在驱动器内触发故障检测模式。此外，该电路确保了在启动期间驱动器在规范极限内操作。

图1示出了照明单元10，照明单元10包括光源12(例如，串联的LED集合)以及驱动器14，驱动器14用于驱动光源并且在第一端子16和第二端子18之间提供输出电流。第一端子16被接地，并且第二端子处于DC总线电压(例如，在20V至100V之间，这取决于LED负载的特性)。

第一电流感测元件20(R_L)(具体是电流感测电阻器)在第一端子16和第二端子16之间与光源12串联。这形成第一支路。

存在与第一支路并联的第二支路，第二支路包括缓冲电容器22(C_D)、第二电流感测元件24(R_C)(具体是第二电流感测电阻器)和与缓冲电容器串联的控制开关26(M_C)(具体是MOS晶体管)。

缓冲电容器是辅助电路的一部分，并且用作该辅助电路的电源。缓冲电容器提供了平滑的DC辅助电源，并且辅助电路的其余部分被示出为与缓冲电容器并联的模块30。缓冲电容器具有第二功能:使得朝向LED驱动器的负载(30)的负载变化平滑化。

注意，缓冲电容器可以是完整的辅助电路，使得辅助电路是附加模块可以连接也可以不连接的辅助电源。

控制器28根据由第一电流感测元件和第二电流感测元件感测到的电流来控制控制开关26，从而控制由驱动器递送的总电流。

驱动器被设计为向其负载递送恒定电流。驱动器的输出电压将以取决于驱动器的内部输出电容的速率斜升，直到达到LED的正向电压。对于已知的LED输出负载，驱动器期望一定的电压斜率。具有较小输出电容的驱动器在启动时将具有较高的电压斜率(因为I＝C.dv/dt)。当输出负载变化(例如，通过添加辅助电路)时，可能出现兼容性问题。驱动器对输出电流进行测量并将其控制为固定值，并且被设计为仅在无源LED负载下操作。

驱动器中实现的保护功能旨在防止在输出处出现空载或在输出处出现短路时损坏驱动器。在空载状况下，LED驱动器的输出电压不应超过驱动器的数据手册中所述的规定极限。在短路状况下，驱动器检测到输出已在非常低的输出电压下传导电流(由于正向电压，这对于LED负载是不期望的)。与没有电容器的情况下的启动相比，当存在缓冲电容器时，启动时会观察到较长持续时间的较大峰值电流。

在启动时段内的积分电流值也可以用作断言短路保护的度量。

例如因为任何输出电压均会导致电容器充电电流，所以添加电容性负载通常会在初始启动期间改变电压和电流特性。

为了允许使用大型缓冲电容器，对流过缓冲电容器的电流进行管理。这在启动期间特别重要，因为一旦施加电压，大型电容器充电电流将立即流过。因此，控制器28用作浪涌电流限制器。通过适当控制允许流动的电流，可以确保对缓冲电容器进行快速充电，从而确保辅助电源的就绪状态，同时防止驱动器超出其输出电流(例如，积分电流)和/或电压极限而操作。

在提供更详细的电路实现方式之前，首先将参考图1的示意性电路图来描述电路的基本操作。

当驱动器加电时，缓冲电容器22耗尽，并且LED驱动器的输出电压开始增加。

由于控制器28尚未加电，因此控制晶体管26处于非导通状态。一旦LED驱动器输出电压足够高来激活控制器28，则控制器对控制晶体管26的栅极信号进行调节，使得通过第二电流感测元件24感测的充电电流相对于由第一电流感测元件20感测的LED电流保持在固定值处。例如，两个电流可以被控制为相等。

通过光源12的LED的电流为零，直到LED驱动器电压变得等于LED布置的正向电压。直到那时，感测到的LED电流为零，并且因为感测到的LED电流被调节为等于电容器充电电流(或更通常与电容器充电电流成比例)，因此电容器充电电流被保持为零。

因此，在控制器被供电之前，甚至在控制器被供电之后但未达到LED正向电压的过程中，在输出电压的初始斜升期间，电容器充电电流被禁止。

当驱动器输出电压已增加到光源12的正向电压时，所产生的LED电流被感测，并且控制器对控制晶体管26的栅极进行调节，使得固定的驱动器输出电流分布在光源12和缓冲电容器22之间。这发生在电容器的初始充电阶段期间。

驱动器可以具有到固定电平的斜升输出电流，或者可以具有阶跃的输出电流。

当前控制的需要取决于驱动器的类型。一些恒定电流驱动器可能能够容忍缓冲电容器的存在，因为它们具有在低输出电压下调节电流的能力。这可能适用于反激转换器和降压转换器级。谐振转换器LLC、LCC或正向转换器在输出电压范围方面有更严格的限制。当大型耗尽型电容器被直接施加到输出并且驱动器被加电时，可以观察到过多的输出电流。如上所述，这些高浪涌电流及其时序可以在LED驱动器内断言保护，以使得驱动器无法启动。

LED电流与缓冲电容器充电电流之间的比率可以通过电流感测电阻器20、24的比率来进行设置。在初始充电阶段结束时，由控制器28提供的栅极信号继续增加。然而，随着缓冲电容器充电，充电电流下降，而LED电流继续增加。控制器继续增加针对控制晶体管26的栅极驱动信号，直到控制晶体管26完全导通，并因此以饱和模式操作。

电容器的充电过程已完成。从此开始，控制晶体管26保持在饱和模式，因为通过光源12的LED的平均电流将总是高于流过缓冲电容器的纹波电流。

附加负载可以并联在缓冲电容器22两端或在端子16和18之间。负载应具有足够的阻抗，使得特别是在启动期间，不限制LED驱动器的输出电压低于LED驱动器的最小规范极限。

在新的供电周期之后，即使电容器已部分充电，仅当驱动器输出电压足以为LED加电时，电容器才会被充电。

通过该布置，可以确保LED驱动器将总是在其操作窗口内操作。

电路的实际实现方式在图2中示出，其中控制器28以模拟形式实现为具有电压供应轨38和地线的电路布置。

电压供应轨38由主驱动器输出(v_led+)借助dc-dc转换器，或通过线性电压调节器或分压器电路来提供。这些选项整体由单元39示出。

驱动器14由具有并联电容器C1的恒定电流源I1表示。

第一电流感测电阻器20和第二电流感测电阻器24形成电流镜电路的一部分，电流镜电路包括在电压供应轨38和接地之间的第一支路，第一支路具有与电流感测电阻器20和第一偏置电阻器41串联的晶体管40。第二支路由在电压供应轨38和接地之间的、与电流感测电阻器24和第二偏置电阻器43串联的晶体管42形成。

光源电流在电流感测电阻器20两端设置电压。第一电流感测电阻器20比偏置电阻器41小几个数量级(例如，与33kΩ相比，为40mΩ)，使得电流和因此的电压均由光源来控制。类似地，第二电流感测电阻器24比偏置电阻器43小几个数量级(例如，与5.6kΩ相比，为40mΩ)，使得电流和因此的电压由流过缓冲电容器的电流来控制。

默认的基极驱动器电流由电阻器41提供。当通过电流感测电阻器20的电流小于通过电流感测电阻器24的电流时，晶体管42不导通，并且当通过电流传感器电阻器20的电流大于通过电流检测电阻器24的电流时，晶体管42将导通并激活晶体管44(晶体管44具有发射极电阻器45和基极电阻器46)。晶体管44被连接在供电轨38和控制晶体管26的栅极之间。因此，当晶体管44导通时，栅极驱动电压作为信号V_gate被施加。

当LED电流增加时，通过晶体管42的驱动电流也将增加，结果是集电极电流将增加。这将导致到晶体管44的更高的基极驱动电流，因此导致到控制晶体管26的栅极电压增加。控制晶体管26的该增加的栅极驱动增加了源极-漏极电流，从而对缓冲电容器22充电并增加通过第二电流感测电阻器24的电流。

通过晶体管42的基极和集电极电流将继续增加，直到通过第二电流感测电阻器24的电流(在该示例中)等于通过第一电流感测电阻器20的电流。

放电电阻器48被连接在控制晶体管26的栅极与接地之间，并且确保当通过晶体管44的电流供应减少或当驱动器已被关断时，栅极驱动信号被放电。

因此，到目前为止所述的电路的整体操作是：将流过光源的电流与流过缓冲电容器的电流进行比较。反馈控制电路将控制晶体管26的栅极进行控制，以调节流过缓冲电容器的电流，并在缓冲电容器被充电时，使得电流源电流和缓冲电容器保持相等(或更一般地，它们之间具有预定关系)。

当电路首先被激活时，电压供应轨38上没有电压。

为此，启动电路50被提供以确保电路的正确启动操作，特别是确保控制晶体管26关断。启动电路50包括具有基极电阻器54和集电极电阻器56的晶体管52。启动电路50被连接在电压供应轨38和接地之间。当缓冲电容器22两端没有电压时，晶体管52被驱动器输出导通。电容器58被连接在控制晶体管26的栅极与接地之间，并且附加地，二极管以正向方向，从晶体管52的集电极连接到控制晶体管26的栅极。

当驱动器加电并且电容器耗尽时，驱动器的初始电压将通过基极电阻器54来激活晶体管52。晶体管52的发射极被拉至接地，这阻止了电容器58借助电阻器56和二极管60充电，因此最初使得控制晶体管26保持关断。

一旦缓冲电容器22被完全充电，则晶体管52的基极处的电压将为低电平，并且将被关断。控制晶体管26的栅极将通过电阻器56和二极管60从电压供应轨38充电。这保持了晶体管22完全导通。

在常规操作期间，光源电流超过缓冲电容器电流，因此在这段时间期间电路不起作用，并且晶体管22保持完全导通。因此，启动电路50在辅助电路具有可用功率之前确保电路操作，并确保在浪涌序列之后晶体管26完全导通。

图3示出了用于图示电路的操作的仿真结果。

顶部图像将驱动器的输出电压(图2中所示的v_led+)示出为曲线60。

底部图像将通过缓冲电容器的电流示出为曲线62(I₂₂)，将光源电流示出为曲线64(I₁₂)，并且将驱动器输出电流示出为曲线66(I₁₄)。

在时间t＝0时，LED驱动器输出电压和LED电流具有初始峰值。此后不久，光源电流下降到LED驱动器电流的大约一半，而缓冲电容器的充电电流增加到LED驱动器电流的大约一半。

实际上，驱动器的输出内部始终存在至少一个小型电容器，这导致LED驱动器输出电压的正电压斜率，从而导致LED电流逐渐增加(以取决于LED驱动器的输出电容器的速率)。如上所述，电路在缓冲电容器充电电流和LED电流之间平均分布该驱动器电流。

从此开始，电容器被充电。该时段的持续时间主要取决于缓冲电容器值、总驱动器电流和光源12的LED的正向电压。

一旦电容器接近满充电，则在该示例中，在120毫秒时，电容器充电电流减小，并且流经光源的电流增大，直到大约140毫秒。从140毫秒起，电容器被完全充电并且晶体管22处于完全导通模式。浪涌过程已完成。

图4示出了所示电路的实际测量结果。使用与图3中相同的附图标记。

在启动时，在开始从LED驱动器中汲取电流之前(曲线64)，驱动器输出电压(曲线60)达到LED的正向串电压Vfw。当LED驱动器的输出电压达到LED的正向电压时，通过LED的电流和缓冲电容器的充电电流几乎相等(LED电流略低)。最后，当充电过程完成时，缓冲电容器的充电电流(曲线62)下降到零，并且光源电流(曲线64)增加到驱动器电流。

通过这种方式对缓冲电容器充电，在加电时，即使在输出处存在大型缓冲电容器，驱动器也直接在操作窗口内操作。此外，充电迅速完成，并且充电电流自动适配到LED电流的一半，因此单个电路适用于具有不同电压和电流范围的各种LED驱动器和LED板组合。

缓冲电容器例如具有大于10μF(例如大于100μF、例如大于200μF、例如大于400μF)的电容。该大小足以提供稳定的辅助电源，并且还可以防止负载波动在LED驱动器内变得可见。但是，它也足够大而使得可能出现电流浪涌问题。

可以从缓冲电容器两端的电压汲取功率的电路30的示例为：

编码光调制器；

应急照明电池充电电路；

IPS调制器(室内定位系统)光调制电路；

LiFi电路(高速可见光通信电路)，例如，针对数字和模拟前端的辅助电源(功率注入器、光电二极管、LED调制电源、红外LED电源)。

图5示出了驱动照明单元的方法，包括：

在步骤70中，使用驱动器在第一端子与第二端子之间递送输出电流；

在步骤72中，感测输出电流的、通过照明单元的光源的部分；

在步骤74中，感测输出电流的、通过辅助电路的缓冲电容器的部分；以及

在步骤76中，根据感测到的电流来控制与缓冲电容器串联的控制开关，从而控制流向缓冲电容器的电流。

该方法具体地控制缓冲电容器充电电流和光源电流之间的划分，从而可以防止过大的浪涌电流，从而确保驱动器输出电流和电压保持在规范极限内。这意味着可以维持LED驱动器的预期寿命。

上面的示例使用了模拟电路形式的控制器来提供反馈控制。然而，备选方案是使用微处理器，微处理器将感测到的电流转换为数字值，并在数字域中针对晶体管26的栅极导出合适的信号。因此，代替模拟电路，数字信号处理器或微处理器可以被使用。类似地，现场可编程门阵列形式的控制器可以被使用。

晶体管26仅是用于对流向缓冲电容器的电流进行控制的控制设备的一个示例。另一可能的示例是使用反馈来进行控制的开关电源，以实现期望的电流控制。由控制器控制的任何电流调节电路可以被使用以实现对缓冲电容器的充电的期望控制。

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本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”不排除其他元素或步骤，并且不定冠词“一(a)”或“一个(an)”不排除多个。在互不相同的从属权利要求中记载某些措施的事实并不表示这些措施的组合不能用于有利。权利要求中的任何附图标记都不应被解释为限制范围。

Claims (15)

1.一种照明单元(10)，包括：

光源(12)；

驱动器(14)，所述驱动器(14)用于驱动所述光源，所述驱动器在第一端子(16)和第二端子(18)之间提供输出电流；

第一电流感测元件(20)，与所述光源串联在所述第一端子和所述第二端子之间；

辅助电路(30)，所述辅助电路(30)用于由所述驱动器供电，所述辅助电路包括缓冲电容器(22)；

第二电流感测元件(24)和控制开关(26)，与所述缓冲电容器(22)串联在所述第一端子(16)和所述第二端子(18)之间；以及

控制器(28)，被适配为根据由所述第一电流感测元件和所述第二电流感测元件感测到的电流来控制所述控制开关，从而控制流向所述缓冲电容器的电流。

2.根据权利要求1所述的照明单元，包括电流镜电路(40、41、42、43)，所述电流镜电路(40、41、42、43)用于对通过所述第一电流感测元件和所述第二电流感测元件的电流进行比较。

3.根据前述权利要求中任一项所述的照明单元，其中所述控制器(28)被适配为：在初始充电期间，将通过所述缓冲电容器(22)的电流控制为通过所述光源的电流的固定倍数。

4.根据权利要求3所述的照明单元，其中所述控制器被适配为：在初始充电期间，将通过所述缓冲电容器(22)的电流控制为等于通过所述光源的电流。

5.根据权利要求3或4所述的照明单元，被适配为：在所述初始充电完成时，导通所述控制开关(26)。

6.根据前述权利要求中任一项所述的照明单元，其中所述电流感测元件(20、24)包括电流感测电阻器。

7.根据前述权利要求中任一项所述的照明单元，其中所述控制开关(26)包括晶体管，其中所述控制端子的信号由所述控制器(28)提供。

8.根据前述权利要求中任一项所述的照明单元，其中所述缓冲电容器(22)具有大于10μF、例如大于100μF、例如大于200μF、例如大于400μF的电容。

9.根据前述权利要求中任一项所述的照明单元，其中所述驱动器包括保护系统，所述保护系统用于响应于检测到的驱动器输出开路或短路状况而关闭。

10.根据前述权利要求中任一项所述的照明单元，其中所述驱动器包括开关模式功率转换器。

11.一种驱动照明单元的方法，包括：

(70)使用驱动器在第一端子和第二端子之间递送输出电流；

(72)感测所述输出电流的、通过所述照明单元的光源的部分；

(74)感测所述输出电流的、通过辅助电路的缓冲电容器的部分；以及

(76)根据感测到的电流，控制与所述缓冲电容器串联的控制开关，从而控制流向所述缓冲电容器的电流。

12.根据权利要求11所述的方法，包括：在初始充电期间，将通过所述缓冲电容器的电流控制为通过所述光源的电流的固定倍数。

13.根据权利要求12所述的方法，包括：在初始充电期间，将通过所述缓冲电容器的电流控制为等于通过所述光源的电流。

14.根据权利要求12或13所述的方法，包括：当所述初始充电完成时，导通所述控制开关。

15.根据权利要求11至14中任一项所述的方法，包括：响应于检测到的驱动器输出开路或短路状况而提供关闭所述驱动器的保护。

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