CN114175858A - 对2通道cct调光的改进平衡控制 - Google Patents

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CN114175858A CN202080052008.6A CN202080052008A CN114175858A CN 114175858 A CN114175858 A CN 114175858A CN 202080052008 A CN202080052008 A CN 202080052008A CN 114175858 A CN114175858 A CN 114175858A
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E·J·德默尔
H·M·J·M·卡尔曼
孟召民
D·V·马利纳
M·贝杰
F·J·沃森
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Abstract

本发明涉及一种照明系统，该照明系统包括负载和开关模式电源，负载包括以下项的并联配置：具有第一正向电压的第一LED负载和与第一LED负载串联耦合的第一开关；以及具有不同于第一正向电压的第二正向电压的第二LED负载；开关模式电源包括：开关元件、电感器、二极管、用于耦合到负载的输出针脚集合、以及跨输出针脚集合耦合的电容器；其中开关模式电源被布置成跨输出针脚集合提供电压，其中照明系统包括耦合在输出针脚中的一个输出针脚与负载之间的另外电感器。

Description

对2通道CCT调光的改进平衡控制
技术领域
本发明涉及一种照明系统。
背景技术
在连接的灯(即，可以经由外部信号控制以便可以执行不同行动(诸如调光或变色)的灯)中，使用多于一个LED串。每个串由独立驱动器驱动，以便两个或更多串可以以优化的方式被控制。这对于每个添加的串需要附加的驱动器并且成本高昂。
驱动LED串的另一种方式是提供AC/DC转换器，该AC/DC转换器跟随有DC/DC电流源。LED串然后被并联放置，并且每个串由串联开关控制，以实现诸如色点的期望光设置。当附接附加的LED串时，这为驱动器的设计提供了更大的灵活性。对于没有颜色扩散的最佳驱动，LED串的长度或至少正向电压应当相等。当LED串之间存在电压扩散时，因为由于DC/DC转换器仅生成一个由大缓冲电容器缓冲的电压电平，串之间存在不平衡，因此色点移动。这种影响是不期望的。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种改进的照明系统，该系统提供一种低价的解决方案，用于减少由与LED串并联的电容器之间的能量转移引起的颜色偏移影响。
为了克服该问题，在本发明的第一方面，提供了一种照明系统，包括：
-负载，包括用于接收电压的输入，并且该输入耦合到以下项的并联配置：
-具有第一正向电压的第一LED负载和与第一LED负载串联耦合的第一开关；以及
-具有不同于第一正向电压的第二正向电压的第二LED负载；
-开关模式电源，包括：
-开关元件；
-电感器；
-二极管；
-输出针脚集合，用于耦合到负载；以及
-电容器，跨输出针脚集合耦合；
其中开关模式电源被布置成跨输出针脚集合提供电压，
其中照明系统包括耦合在输出针脚中的一个输出针脚与负载的输入之间的另外电感器。
作为LED负载，可以理解为LED串。
在LED串中的至少一个LED串耦合到串联开关的情况下，并联的两个LED串的主要问题是，当第一开关打开或闭合时，跨开关模式电源的输出电容器产生电压阶跃。这是因为输出电容器连接在开关模式电源的输出处并且连接到LED串，LED串具有不同的串电压。该电压阶跃使得从一个串到另一串的电流改变以电流阶跃出现，这对光输出产生负面影响并且引起颜色扩散。该问题通过在输出和LED负载之间的开关模式功率转换器的输出处放置电感器来解决。该电感器不易受到突然电压改变的影响，因为它允许开关模式功率转换器充当真正的电流源。开关模式电源对负载的电容行为被降低或甚至被抵消。负载电压的突然改变不会影响电感器的恒流特性。因此，不会产生将以负面方式影响光输出的电流阶跃。
在本发明的另外示例中，负载包括与第二LED负载串联耦合的第二开关。
这允许对LED串的改进控制，因为可以独立控制两个LED串。
在本发明的另一个示例中，第一开关与第二开关互补地导通。
与第二开关互补地导通第一开关意味着在任何时刻至少一个开关导通，以便始终保证从驱动器到负载的电流。
在本发明的另一个示例中，照明系统仅包括一个开关模式电源。
所描述的照明系统被优化为仅利用一个开关模式电源来操作。
在本发明的另一个示例中，使用脉冲宽度调制来控制第一开关。
使用脉冲宽度调制来控制第一开关提供了一种有效的方式来控制第一串中的光输出。
在本发明的另一个示例中，开关模式电源被布置成提供恒定电流。
在本发明的另一个示例中，开关模式转换器被配置成降压转换器、升压转换器、降压-升压转换器、反激式转换器、LLC转换器、SEPIC转换器和
Figure BDA0003475335680000031
转换器中的任一种
在本发明的另一个示例中，负载包括第三LED负载和与第三LED负载串联耦合的第三开关。
如果需要执行颜色控制，则提供与其他负载并联的第三串提供了更多控制。三个LED串继而可以包括红色LED、绿色LED和蓝色LED。
在本发明的另一个示例中，第一LED负载、第二LED负载和第三LED的光颜色彼此不同。
在另一个示例中，电容器是用于存储用于驱动负载的能量的缓冲电容器。
在开关模式电源的输出处的电容器越大，电流阶跃的影响就越严重。因此，对于较大的电容，并联电感器提供比电容器相对较小时更好的结果。
在另一个示例中，第一开关包括反并联二极管。
包括反并联二极管的开关的一个示例是MOSFET。MOSFET导通时具有低电阻路径，因此优选被用在电路中。
在另一个示例中，并联配置包括：
-与第一LED负载串联耦合的第一二极管；
-与第二LED负载串联耦合的第二二极管；
-与第一LED负载并联耦合的第一电容器；
-与第二LED负载并联耦合的第二电容器。
提供与LED负载并联的电容器将减少流过LED负载的电流纹波。为了防止电容器之间的不期望放电，必须将附加二极管与LED负载和电容器的并联配置串联放置。
附图说明
现在将参考附图描述本发明的示例，其中：
图1示出了已知照明系统的示例。
图2A-图2D示出了颜色偏移的图形表示。
图3示出了本发明的一个实施例。
图4A-图4D示出了本发明的效果的图形表示。
图5示出了本发明的具有三个LED串的一个实施例。
图6示出了本发明的具有改进的纹波减少的一个实施例。
图7示出了在不连续模式下照明系统的操作的示例。
图8示出了本发明的一个实施例的示例，其中针对在不连续模式下操作进行补偿。
具体实施方式
将参考附图描述本发明。
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，但仅是用于说明的目的，并不旨在限制本发明的范围。本发明的装置、系统和方法的这些和其他特征、方面和优点将从以下描述、所附权利要求和附图变得更好理解。应当理解，这些图仅仅是示意性的并且不是按比例绘制的。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件。
图1示出了本领域已知的照明系统。照明系统具有整流器电路，该整流器电路用于将AC输入电压整流为整流输出电压。该输出电压被提供给开关模式电源，开关模式电源提供受控输出电压和/或电流。开关模式电源的输出连接到LED负载。LED负载具有第一LED串并且与第一开关串联耦合。另一个LED负载与第二开关串联，并且该串联装置与第一LED负载和第一开关并联。在该情况下，两个LED串的正向电压彼此不同。在仅第一开关断合的情况下，电流将流过第一开关和对应的LED负载。当第二开关断合并且第一开关打开时，电流将流过第二LED负载。然而，由于串电压的不同，流向负载的电流将迅速改变。在第一LED串的正向电压高于第二串的正向电压的情况下，第二LED串将利用对第二LED串来说太大的电压供电。这导致不期望的过电流通过第二LED串。在第一LED串的第一正向电压低于第二LED串的正向电压的情况下，在开关模式电源的输出处的电压需要在第二LED开始汲取电流之前被建立。这导致第二LED串在它应当汲取电流时仍保持关断的时间段。
电流增加以及没有电流被汲取的时间两者都导致期望输出颜色的改变或颜色扩散。
图2A示出了在未实施本发明的情况下，流过第一LED串和第二LED串的期望电流的示图。在图2B中，LED电流在第一LED串的正向电压等于第二LED串的正向电压的情况下被示出。通过第一和第二LED串的电流非常好地遵循期望的电流。
图2C和图2D示出了当正向电压彼此不相等时第一和第二LED串电流的示例。可以观察到，通过第一和第二LED串的电流相对于期望电流改变。当应用光输出的调光时，该效果尤其明显。电流的这种改变导致用户感知到的颜色偏移，这是不期望的。
图3示出了根据本发明的照明系统的一个示例。照明系统具有AC/DC转换器1，AC/DC转换器1处于具有二极管D1、D2、D3和D4的整流桥的形式。经由线L和中性导线N，AC电压被提供到AC/DC转换器。AC/DC转换器在其输出处提供整流电压。整流电压被提供到开关模式电源。在该示例中，开关模式电源被设计为升压转换器2。升压转换器2具有电感器L1、二极管D5、电容器C1和开关M1。应当注意，在该示例中，使用升压转换器2，但是还可以使用其他拓扑。其他众所周知的拓扑是降压转换器、降压-升压转换器、反激式转换器、LLC(谐振)转换器、SEPIC转换器和
Figure BDA0003475335680000061
转换器。
升压转换器2可以提供受控的输出电压或输出电流。在图1提供的示例中，升压转换器2向其输出提供恒定电压。电容C1用于在升压转换器2的输出处提供能量缓冲，以改进在升压转换器2的输出处的电压的稳定性。
该恒定电压被提供给负载。负载包括与电阻器R1和开关M2串联的第一LED串LED1。并联于第一LED串LED1的该串联连接，电阻器R1和开关M2连接到与电阻器R2和第二开关M3串联的第二LED串LED2。第一LED串LED1的正向电压不同于第二LED串LED2的正向电压。控制器3向第一开关M2和第二开关M3提供控制信号。在该示例中，以互补方式控制第一开关M2和第二开关M3。这意味着当第一开关M2导通时，第二开关M3断开，反之亦然。控制器3还可以独立于第二开关M3控制第一开关M2，只要这些开关以非重叠方式被控制，即两个开关不能被同时导通。
第二开关M3可以被省略，以提供最简单的控制方法。为了正确操作负载，要求第一串LED1具有比第二串LED2低的电压。当第一开关M2闭合时，具有最低正向电压的LED串将开始导通。在该情况下，第一LED串LED1将导通。当开关打开时，仅第二LED串LED2可以导通，因此具有最高串电压的LED串将导通。利用一个开关，不可能同时将两个LED串关断。这只能通过关断升压转换器2来完成。
控制器3还可以向开关M1提供控制信号。
由升压转换器2产生的电压需要至少与两个LED串的最大正向电压一样大，以便能够向LED串提供功率。具有最低正向电压的串然后至少对短时间段以与用于驱动具有较高正向电压的串的电压相同的高电压来被驱动。这使得流过LED串的电流短暂增加，并且引起不期望的颜色扩散。
这个问题通过在开关模式电源的输出和负载之间引入串联的电感器L2来被解决。
电感器L2可以具有20μH的优选值，但基于设计选择和功率要求，其他值也是可能的。
电感器L2提供电流稳定，因为电感器中的电流不能由于瞬时电压改变而快速改变，瞬时电压改变在第一开关M2导通或关断时出现。相反，电感器上的电压改变将使电流斜坡出现，电流斜坡取决于电感值和电感器L2上的电压降的量。
即使由于开关M2或M3中的任何一个的切换，使得在负载侧处存在突然电压改变，开关模式电源2也不会看到该电压改变。相反，只能观察到输出电流中的相对缓慢的斜坡，而不是输出电流中的突然改变。如果开关模式电源是恒定输出电流供给，由于电感器L2引起的电流变化缓慢，因此电流可以很容易被调节到固定的电流量。
电感器L2的引入使得对输出电压或电流的控制变得如此简单，使得优选仅使用一个开关模式电源2向第一LED串LED1和第二LED串LED2提供功率。
所描述的本发明具有两个LED负载。更多的LED负载可以与其他LED负载(与附加开关一起)并联连接。
电阻器R1和R2用于限制通过LED负载LED1和LED2的电流。当开关模式电源2是恒定电流源时，由于电流被开关模式电源2限制，电阻器可以被省略。
第一开关M2和第二开关M3可以由控制器3控制。第一LED串LED1和第二LED串LED2可以具有不同的色温。对第一开关M2和第二开关M3的控制允许控制由照明系统产生的整体色温。外部信号可以经由用户接口提供，诸如遥控器、移动设备或控制按钮。用户由此可以选择控制器3使用的期望光效。在该示例中，还可以仅使用第一开关M2来产生发光效果。
当使用三个或更多并联LED串时，可以创建期望的颜色效果。然后控制器3可以控制所有三个LED串。
图4A示出了在未实施本发明的情况下，流过第一LED串和第二LED串的期望电流的示图。在图4B中，LED电流在第一LED串的正向电压等于第二LED串的正向电压的情况下被示出。通过第一和第二LED串的电流非常好地遵循期望的电流。
图4C和图4D示出了当正向电压彼此不相等时第一和第二LED串电流的示例。可以观察到，通过第一和第二LED串的电流仍然非常接近期望的电流水平。因此，几乎没有颜色偏移。
图5示出了照明电路的一个示例，其中使用三个LED串来创建改进的颜色混合。附加的LED串LED3与附加的开关M3串联耦合。如果应用需要，可以添加串联电阻器R3来限制电流。
图6示出了根据本发明的照明电路的一个示例，其中实现了附加的纹波减少。
图6中的主要特征与图3中的主要特征相似。与第一LED串LED1并联地放置了电容器C2。与第二LED串LED2并联地放置了电容器C3。这些电容器滤除从开关模式电源2提供的电流中存在的高频分量。因为两个LED串的串电压不相等，一个电容器可以放电到另一个电容器中。当从具有高正向电压的LED串切换到具有低正向电压的LED串时，连接到具有最高串电压的LED串的电容器将在连接到具有较低串电压的LED串的电容器中放电。为了防止该情况发生，二极管与LED负载和对应电容器的并联配置串联放置。第一二极管D6与第一LED负载LED1和第一电容器C2的并联组合串联耦合。第二二极管D7与第二LED负载LED2和第二电容器C3的并联组合串联耦合。
图7示出了示例性操作模式，其中通过电感器L2的电流不连续流动。这是由升压转换器引起的，因为升压转换器被操作使得通过电感器L2的电流是不连续的。这可以在负载被调暗以便需要非常低的功率时完成。备选地，电感器L2的电感可以被选择为更小，使得通过电感器L2的电流变得不连续。开关M2的控制信号Vbypass在图7的顶部图中被示出。该控制信号被反转并且被提供给开关M3。在该示例中，假设第一LED串LED1具有比第二LED串LED2的正向电压低的正向电压。LED串电压出现在电感器L2的右侧。左侧上的电压是基于开关模式电源2提供的总功率量。由于开关模式电源2提供恒定电流，电感器L2左侧的电压等于提供的总功率除以由开关模式电源2提供的电流。该电压电平位于第一和第二LED串的正向电压电平之间。当第一LED串LED1开启时，电感器L2上存在正电压导致通过电感器L2的电流增加，即正di/dt。当第二LED串LED2开启时，跨电感器L2将出现负电压，导致通过电感器L2的电流减小，即负di/dt。通过电感器L2的电流在中间的图中被示出，该图示出了电流IL2。在图7中提供的示例中，期望第一LED串LED1和第二LED串LED2光输出之间的50/50关系。然而，由于通过电感器L2的电流不连续，这种关系被打乱，因为第一LED串LED1比第二LED串LED2发出更多的光。在底部图中，连续线表示电流ILED1，其是流过第一LED串LED1的电流。虚线表示电流ILED2，其是流过第二LED串LED2的电流。
图8示出了可以如何校正第一LED串LED1和第二LED串2之间的光输出关系。与图7类似，在顶部图中示出了开关M2的控制信号Vbypass。开关M2的占空比降低。这导致电流在电感器L2中建立的时间更短。这也导致通过电感器L2的电流为零的时间更长，因为电流在时间上更早地返回到零。这允许电感器L2左侧上的电压在电容器C1上建立，因为从开关模式电源提供的电流现在仅流过电容器C1，而不是流过电感器L2。由于该电压的增加，正di/dt也由于等式
Figure BDA0003475335680000091
而更高，其中V是电感器上的电压，L是电感器的电感，并且di/dt是电流随时间的改变。开关M2占空比的减小导致流过第一LED串LED1的平均电流减小。在所提供的示例中，开关M3的占空比是开关M2的占空比的反面。与图7中类似，中间的图表示通过电感器L2的电流。在底部图中，连续线表示电流ILED1，其是流过第一LED串LED1的电流。虚线表示电流ILED2，其是流过第二LED串LED2的电流。因此，对开关M2的占空比的控制也控制流过第二LED串LED2的电流。可以通过测量流过第一LED串LED1和第二LED串LED2的电流来完成校正，测量通过感测流过电感器L2的总电流量或第一和第二LED串的每个单独电流来进行。流过第一LED串LED1的电流可以与流过第二LED串LED2的电流进行比较。这些电流之间的误差可以被控制器3使用来控制开关M2的占空比，以便减小误差。
在该示例中，需要50/50关系。然而明显的是，还可以使用其他关系，诸如但不限于30/70或20/80关系。
在所提供的示例中，第一LED串LED1和第二LED串LED2均具有串联耦合的开关。为了使本发明工作，只要其中LED串中的一个LED串具有串联耦合的开关就足够了。可以在其他LED串中引入附加开关，来进一步改进颜色可控性。
在所提供的示例中，第一LED串LED1可以具有比第二LED串LED2低的总正向电压。
在每个LED串具有串联耦合开关的情况下，为了简化控制，可以以互补的方式控制开关。这意味着当一个开关导通时，其他开关关断，反之亦然。
此外，这在开关模式电源2被布置成提供恒定电流的情况下是有益的。利用该控制方法，电流始终具有电流路径，因为开关中始终有一个开关导通。

Claims (14)

1.一种照明系统，包括：
-负载，包括用于接收电压的输入，并且所述输入被耦合到以下的并联配置：
-具有第一正向电压的第一LED负载(LED1)和与所述第一LED负载(LED1)串联耦合的第一开关(M2)；以及
-具有第二正向电压的第二LED负载(LED2)，所述第二正向电压不同于所述第一正向电压；
-开关模式电源(2)，包括：
-开关元件(M1)；
-电感器(L1)；
-二极管(D5)；
-输出针脚集合，用于耦合到所述负载；以及
-电容器(C1)，跨所述输出针脚集合耦合；
其中所述开关模式电源(2)被布置成跨所述输出针脚集合提供电压，
其中所述照明系统包括另外的电感器(L2)，所述另外的电感器(L2)被耦合在所述输出针脚中的一个输出针脚与所述负载的所述输入之间。
2.根据权利要求1所述的照明系统，其中所述负载包括第二开关(M3)，所述第二开关(M3)与所述第二LED负载(LED2)串联耦合。
3.根据权利要求2所述的照明系统，其中所述第一开关(M1)与所述第二开关(M2)互补地导通。
4.根据前述权利要求中任一项所述的照明系统，其中所述照明系统包括仅一个开关模式电源(2)。
5.根据权利要求1所述的照明系统，其中所述第一开关使用脉冲宽度调制进行控制。
6.根据前述权利要求中任一项所述的照明系统，其中所述开关模式电源(2)被布置成提供恒定电流。
7.根据前述权利要求中任一项所述的照明系统，其中所述开关模式电源(2)被配置成以下任一项：降压转换器、升压转换器、降压-升压转换器、反激式转换器、LLC转换器、SEPIC转换器和
Figure FDA0003475335670000021
转换器。
8.根据权利要求1所述的照明系统，其中所述负载包括第三LED负载(LED3)和第三开关(M3)，所述第三开关(M3)与所述第三LED负载(LED3)串联耦合，其中所述第三LED负载(LED3)和所述第三开关(M3)与所述负载并联耦合。
9.根据权利要求8所述的照明系统，其中所述第一LED负载(LED1)、所述第二LED负载(LED2)和所述第三LED负载(LED3)的光颜色彼此不同。
10.根据前述权利要求中任一项所述的照明系统，其中所述电容器(C1)是用于存储用于驱动所述负载的能量的缓冲电容器。
11.根据前述权利要求中任一项所述的照明系统，其中所述第一开关包括反并联二极管。
12.根据前述权利要求中任一项所述的照明系统，其中所述并联配置包括：
-第一二极管(D6)，与所述第一LED负载(LED1)串联耦合；
-第二二极管(D7)，与所述第二LED负载(LED2)串联耦合；
-第一电容器(C2)，与所述第一LED负载(LED1)并联耦合；以及
-第二电容器(C3)，与所述第二LED负载(LED2)并联耦合。
13.根据前述权利要求中任一项所述的照明系统，其中所述第一LED负载(LED1)的正向电压低于所述第二LED负载(LED2)的正向电压。
14.根据前述权利要求中任一项所述的照明系统，其中所述另外的电感器(L2)被操作，使得通过所述另外的电感器(L2)的电流不连续，并且其中所述第一开关(M2)的占空比被校正，使得所述第一LED负载(LED1)和所述第二LED负载(LED2)之间的光输出的期望关系被维持。
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