CN116056278A - 使用模拟和数字调光的组合的调光接口 - Google Patents

Abstract

本公开涉及使用模拟和数字调光的组合的调光接口。LED照明系统包括可调节地驱动LED串并由参考电流和使能信号控制的切换电路装置。控制器基于PWM信号来生成参考电流和使能信号，以使得切换电路装置：当PWM信号的占空比大于阈值占空比时，向LED串供给与占空比成正比的第一LED电流，从而执行模拟调光；当PWM信号的占空比小于阈值占空比时，向LED串供给第二LED电流，该第二LED电流的占空比与PWM信号的占空比成正比，以使得被递送到LED串的平均LED电流与PWM信号的占空比成正比，从而执行数字调光。

Description

使用模拟和数字调光的组合的调光接口

技术领域

本公开涉及可调光LED照明系统的领域，更具体地涉及一种用于通过在阈值强度水平下使用从模拟调光控制到数字调光控制的切换来实现将LED照明从最大光强度调光到低光强度的电路，该电路由单个脉宽调制(PWM)信号控制。

背景技术

目前，发光二极管(LED)阵列通常在今天被用来制造灯泡、灯条和其他照明解决方案。基于LED的照明与其他类型的照明(诸如基于荧光灯的照明和基于白炽灯的照明)相比具有两个主要优势，即对于给定的光输出具有更低的功耗和更长的使用寿命。

示例LED照明系统1在图1A中被示出，并且包括功率因数校正(PFC)电路2，其对输入AC电流进行整形以实现单位功率因数并将储能电容器C充电至输入电压Vin。调节器3接受输入电压Vin，并驱动一串串联连接的LED 4。

电压调节器3可以是反向降压调节器，如图1B中所示。在这样的布置中，LED 4被示为串联耦接的二极管D2-Dn，其中二极管D2的阳极耦接到输入电压Vin并且D2的阴极耦接到二极管D3的阳极，并且D3的阴极D3耦接到二极管Dn的阳极。输出电容器Cout与LED 4并联耦接以减少高频纹波。同样在这里，电压调节器3包括二极管D1，其阴极耦接到输入电压Vin并且其阳极通过电感L1耦接到二极管Dn的阴极。注意，此处在二极管Dn的上下文中的“n”标示可以有任意数量的二极管D2-Dn，其中n为任意整数。

n沟道晶体管MN1的漏极耦接到D1的阳极，其源极通过电阻器R1耦接到地，并且其栅极由栅极驱动器控制。电流感测电路接收R1两端的电压。

在操作中，栅极驱动器时段性地导通和截止n沟道晶体管MN1，示例导通时段在图1C中被示为Ton_sw并且示例介质时段被示为Toff_sw，其中时间Ts表示每个时段的总时间。作为示例，切换频率Fsw＝1/Ts可以在50kHz至300kHz的范围内。

电感电流Il在导通时段Ton_sw期间增加，并且在截止时段Toff_sw期间减小，结果是通过LED 4的电流Iled是电感电流Il随时间的平均值。应该了解，图1C中所示的操作模式是连续导通模式，因为电感电流Il在操作期间不会下降到零。

LED照明系统1可能希望允许对LED 4进行调光，并因此允许将LED 4设置为期望的强度水平。由LED产生的光的强度与流过LED的平均电流相关。一般来说，流过LED的平均电流越高，由LED产生的光的强度就越高。因此，通常希望使用电流驱动器来驱动LED，以准确地控制流过LED的平均电流。因此，可以通过控制流过LED 4的平均电流来对LED 4进行调光。例如，可以通过降低流过LED 4的平均电流来实现降低由LED 4产生的光的强度。

执行这种调光的一种方式是修改调节器3的操作，使得通过LED 4的电流Iled的幅度减小，从而以模拟的方式实现调光。为了实现这一点，电压调节器3可以在不连续导通模式下操作，如图1D中所示。在不连续导通模式中，电感电流Il在下降时段Tfw期间被允许下降到零，然后在保持在零时段Tr期间保持为零，其中Tfw和Tr共同定义了固定截止时段Toff_sw。通过调整由电感电流Il所达到的峰值，和/或通过调整固定截止时段Toff_sw，可以修改平均电感电流Il，即LED电流Iled。如所示，在图1E中，这允许将LED电流Iled设置为期望的水平，从而通过模拟调光控制实现期望的强度水平。

执行调光的另一种方式是执行数字调光控制。为了进行数字调光控制，允许LED电流Iled自身下降为零，并且因此调整LED电流Iled的占空比，以改变平均LED电流Iled_avg，从而达到期望的强度水平。数字调光控制如图1F中所示，其中可以看出平均LED电流Iled_avg由来LED电流Iled的导通时间Ton_pwm与LED电流Iled的截止时间Toff_pwm的比值来定义，其中Tpwm标示每个PWM时段的总时间。例如，PWM频率Fpwm＝1/Tpwm可以在500Hz到5kHz的范围内。

模拟调光控制和数字调光控制各有缺点。模拟调光控制在流明每瓦功耗方面效率低下，并且在较低强度水平下，所产生的光的颜色可能会发生偏移。此外，用模拟调光控制通常无法调光到非常低的强度水平(例如，低于10％)。数字调光控制会产生闪烁(可感知的和不可感知的)，这可能对用户产生生理影响，诸如引起头痛。数字调光控制也可能会生成电磁干扰，并且在被用来照亮视频中捕获的场景时可能会产生不希望的弯曲效果。

模拟调光控制和数字调光控制也各有好处。模拟调光控制不会产生闪烁或弯曲效果。数字调光控制不影响效率，不产生色移，可能比模拟调光控制更容易实现，并且允许调光到非常低的强度水平(例如，0.1％)。

因此，有必要进一步开发LED调光，以生产能够兼具模拟和数字调光优势的调光电路，同时避免模拟和数字调光的缺点。

发明内容

本文公开了一种LED照明系统，包括：被配置为可调节地驱动LED串的切换电路装置，该切换电路装置由参考电流和使能信号控制；以及控制器。控制器被配置为基于PWM信号来生成参考电流和使能信号，以使得切换电路装置在参考电流和使能信号的控制下：当PWM信号的占空比大于阈值占空比时，向LED串供给与占空比成正比的第一LED电流；并且当PWM信号的占空比小于阈值占空比时，向LED串供给第二LED电流，该第二LED电流具有与PWM信号的占空比成正比的占空比，以使得当PWM信号的占空比小于阈值占空比时，被递送给LED串的平均LED电流的幅度与PWM信号的占空比成正比。

电阻器可以耦接在控制器的输入端子和地之间，控制器被配置为基于电阻器的电阻来确定阈值占空比。

控制器可以包括：模拟调光电路，其被配置为基于电阻器的电阻和PWM信号来生成模拟调光电压；参考电流生成电路，其被配置为基于模拟调光电压来生成参考电流；以及使能电压生成电路，其被配置为基于PWM信号、第一内部电压和第二内部电压来生成使能信号。

第一比较电路可以被配置为生成与PWM信号具有相同频率和占空比的中间PWM信号，其中模拟调光电路基于电阻器的电阻和中间PWM信号来生成模拟调光电压。

使能电压生成电路可以包括：单稳态电路，其被配置为从中间PWM信号生成开关控制电压；具有反相端子和非反相端子的比较器；耦接在比较器的反相端子和地之间的内部参考电容器，在内部参考电容器两端生成第一内部电压；内部参考电流源，其被配置为向比较器的反相端子供给内部参考电流；第四开关，其被配置为在开关控制电压被断言时选择性地将比较器的反相端子耦接到地；耦接在比较器的非反相端子和地之间的第一内部电容器，在第一内部电容器两端生成第二内部电压；耦接在内部节点和地之间的第二内部电容器；与模拟调光电压成正比的内部电流源，其被配置为向内部节点供给内部电流；第三开关，其被配置为当开关控制电压被断言时选择性地将比较器的非反相端子耦接到内部节点；以及第二开关，其被配置为当开关控制电压的延迟版本被断言时选择性地将内部节点耦接到地。

模拟调光电路可以包括：耦接在控制器的输入端子和第一开关之间的阈值电流源；其中第一开关耦接在阈值电流源和地之间，第一开关响应于PWM信号的断言而闭合并且响应于PWM信号的取消断言而打开。

参考电流生成电路可以包括：第一电流镜，其具有耦接到第一输入电路的输入并且具有耦接以供应第一电流的输出；第二电流镜，其具有耦接到第二输入电路的输入和耦接以供应基极参考电流的输出；以及电流加法器节点，其被配置为将第一电流与基极参考电流相加，从而生成参考电流。

第一输入电路可以包括：第一NPN型晶体管，其具有通过第一电阻器耦接到阈值电压源的发射极、耦接到第一电流镜的输入的集电极、以及基极；运算放大器，其具有耦接以接收模拟调光电压的非反相端子、耦接到第一NPN型晶体管的发射极的反相端子以及耦接到第一NPN型晶体管的基极的输出。

第二输入电路可以包括：第二NPN型晶体管，其具有通过第二电阻器耦接到地的发射极、耦接到第二电流镜的输入的集电极、以及基极；运算放大器，其具有耦接以接收阈值电压的非反相端子、耦接至第二NPN型晶体管的发射极的非反相端子以及耦接到第二NPN型晶体管的基极的输出。

切换电路可以包括：切换调节器，其基于栅极驱动信号而切换地耦接在输入电压和地之间的LED串，其中输出电容器与在输入电压和地之间的LED串并联耦接，切换调节器生成指示流过LED串的电流的感测电压，流过LED串的电流是第一LED电流或第二LED电流；以及被配置为生成栅极驱动信号的栅极驱动电路。

栅极驱动电路可以包括：逻辑电路，其被配置为在使能信号被断言时传递调制器信号，从而生成第一信号；比较电路，其被配置为将参考电压与感测电压进行比较，并取决于感测电压是否大于感测电压而生成具有逻辑电平的第二信号，其中参考电压是从参考电流生成的；触发器，其接收第一和第二信号作为输入，并生成栅极预驱动信号作为输出；以及驱动器，其被配置为从栅极预驱动信号生成栅极驱动信号。

逻辑电路可以包括与门。比较电路可以包括比较器，其具有被耦接以接收感测电压的非反相输入和被耦接以接收参考电压的反相端子。触发器可以是SR触发器，其具有接收来自与门的第一信号的S输入和接收来自比较器的第二信号的R输入。

栅极驱动电路可以被配置为：当接收到的调制器信号处于逻辑高并且使能信号被断言时，断言栅极驱动信号；并且当感测电压超过参考电压时，使栅极驱动信号解除断言，参考电压是基于参考电流来生成的。

本文还公开了一种操作LED照明系统的方法，该方法包括：a)接收PWM信号；b)当PWM信号的占空比大于阈值占空比时，向第一LED电流供给与占空比成正比的LED串；以及c)当PWM信号的占空比小于阈值占空比时，向LED串供给第二LED电流，该第二LED电流的占空比与PWM信号的占空比成正比，使得当PWM信号的占空比小于阈值占空比时，被递送到LED串的平均LED电流的幅度与PWM信号的占空比成正比。

可以基于电阻器的电阻来确定阈值占空比。

该方法还可以包括使用由参考电流和使能信号所控制的切换电路装置来执行b)和c)。

该方法可以包括基于电阻器的电阻来确定阈值占空比。该方法还可以包括：基于电阻器的电阻和PWM信号来生成模拟调光电压；基于模拟调光电压来生成参考电流；并且基于PWM信号、第一内部电压和第二内部电压来生成使能信号。

该方法还可以包括：当接收到的调制器信号处于逻辑高并且使能信号被断言时，断言栅极驱动信号；当感测电压超过参考电压时使栅极驱动信号取消断言，参考电压是基于参考电流生成的；基于栅极驱动信号切换地耦接在输入电压和地之间的LED串；以及生成感测电压以指示流过LED串的电流，流过LED串的电流是第一LED电流或第二LED电流。

附图说明

图1A是现有技术的LED照明系统的框图。

图1B是图1A的LED照明系统的调节器的示意图。

图1C是示出了在连续导通模式下操作时图1B的调节器的电感电流的曲线图。

图1D是示出了在非连续导通模式下操作时图1B的调节器的电感电流的曲线图。

图1E是示出了当正在执行模拟调光时图1B的调节器的LED电流的曲线图。

图1F是示出了当正在执行数字调光时图1B的调节器的LED电流的曲线图。

图2是本文公开的LED照明系统的框图。

图3是图2的LED照明系统的切换电路装置的示意框图。

图4是示出了在模拟调光和数字调光模式之间切换时图2的LED照明系统的LED电流的曲线图。

图5是图2的调光接口的示意图。

图6是图5的参考电流生成电路的示意图。

图7是示出了使能信号占空比在PWM信号的占空比范围内的变化的曲线图。

图8是示出了参考电流在PWM信号的占空比范围内的变化的曲线图。

图9包含示出了在执行模拟调光时图2的LED照明系统的操作条件的曲线图。

图10包含示出了在执行数字调光时图2的LED照明系统的操作条件的曲线图。

图11A-图11B包含示出了在执行模拟调光时图2的LED照明系统的操作条件的曲线图。

图11C-图11E包含示出了在执行数字调光时图2的LED照明系统的操作条件的曲线图。

图12A包含示出了在执行模拟调光时图2的LED照明系统的操作条件的曲线图。

图12B包含示出了在执行数字调光时图2的LED照明系统的操作条件的曲线图。

具体实施方式

以下公开使得本领域技术人员能够制作和使用本文公开的主题。在不背离本公开的精神和范围的情况下，本文描述的一般原理可以被应用于除上面详述的实施例和应用之外的实施例和应用。本公开不旨在限于所示的实施例，而是要符合与本文公开或建议的原理和特征相一致的最宽范围。请注意，在以下描述中，除非另有说明，否则任何描述的电阻器或电阻都是分立器件，而不仅仅是两点之间的电气引线。因此，任何描述的耦接在两点之间的电阻器或电阻具有比这两个点之间的引线更大的电阻，并且这种电阻器或电阻不能被解释为引线。

现在参考图2和图3进行描述的是LED照明系统10。LED照明系统10包括功率因数校正(PFC)电路2，其对输入AC电流进行整形并将储能电容器C充电至输入电压Vin。切换DC-DC转换器200接收输入电压Vin，并且当被来自调光接口100的使能信号EN使能时，在参考电流Iref的控制下切换以生成通过串联的LED D2-Dn的电流Iled，从而导致这些LED以所期望的强度水平发射光。调光接口100接收脉宽调制(PWM)信号作为输入，并具有输入端子，由电容器Cf和电阻器Rth所形成的并联RC电路耦接到该输入端子。电容器Cf和电阻器Rth可以在LED照明系统10的外部，并且由将LED照明系统并入到照明产品内的设备制造商连接。

如图3中更详细地所示，切换DC-DC转换器200具有反向降压调节器202，其包括二极管D1，其阴极耦接到输入电压Vin并且其阳极通过电感L1耦接到二极管Dn的阴极。输出电容器Cout与LED D2-Dn并联耦接。n沟道晶体管MN1的漏极耦接到D1的阳极，其源极通过电阻器R1耦接到地，并且其栅极由栅极驱动信号GDrv控制。

降压调节器202外部的储能电容器C耦接在二极管D2的阳极和地之间。

栅极驱动电路201包括生成栅极驱动信号GDrv的驱动器209，其被供应给n沟道晶体管MN1的栅极。驱动器209接收来自SR触发器208的输入。比较器207将输入供应给SR触发器208的复位输入。比较器207具有非反相端子，其耦接到n沟道晶体管MN1的源极以接收由感测电流Isense(它是由n沟道晶体管MN1的源极所供给的电流的一部分)在R1两端形成的感测电压电压，并且具有反相端子，其接收在耦接在反相端子和地之间的电阻器R2两端形成的参考电压Vref，参考电流Iref被供应给电阻器R2和反相端子之间的抽头。与门206将输入供应给SR触发器208的设置输入。与门接收来自固定截止时间调制器205和来自使能信号EN的输入。固定截止时间调制器205用于在固定时间之后使触发器208的S输入断言。

在使能信号EN被断言为逻辑高的操作中，与门206的输出跟随来自调制器205的输出信号，并且因此当来自调制器205的输出信号变为逻辑高时，SR触发器208的输出被设置，并且当感测电压Vsense超过参考电压Vref时，比较器207的输出被断言为逻辑高，从而当Vsense超过Vref时复位SR触发器208的输出。作为该操作的结果，当使能信号EN处于逻辑高时，栅极驱动信号GDrv的每个上升沿的开始与来自调制器205的输出信号的上升沿同步发生，其中栅极驱动信号GDrv的每个下降沿当Vsense超过Vref时出现。返回参考图1D，因此，每个时段的总时间Ts由调制器205的输出信号的持续时间的总和来设置(Toff_sw＝固定)，其中导通时段Ton_sw的持续时间被设置为Vref(因此以及Iref)的函数，从而导致可变的切换频率(Ts＝Ton_sw+Toff_sw)。Toff_sw由调制器205设置。注意，在一些实例中，调制器可以基于操作条件来生成固定截止时间以便保持Ts恒定，并且在那些实例中，Toff_sw可能取决于Vin和Vled。

在每个截止时段Toff_sw内，从Ton_sw结束的时间到电感电流Il下降到零的时间的每个子时段Tfw的持续时间是在前一导通时段Ton_sw期间达到的电感电流Il的幅度的函数。

要了解，每个子时段Tr的持续时间是参考电流Iref的函数。这意味着切换DC-DC转换器200是操作在连续导通模式(如图1C中所示的电感电流)还是非连续导通模式(如图1D中所示的电感电流)取决于参考电流Iref。

因此，可以说切换DC-DC转换器200以峰值电流模式控制(一旦电感电流的峰值达到期望值就截止电源切换MN1)和以固定截止时间操作。因此，一旦电源开关MN1导通，电感电流线性增加，直到它达到内部电流参考(例如，直到Ilpk＝Vref/R1)，然后电源开关MN1保持截止一段固定截止时间(Toff_sw)。在Toff_sw期间，电感电流线性减小(dIL/dt斜率由(Vin-Vled)/L1比率来确定)，并且如果电感电流在Toff_sw时间结束之前达到0，则转换器以DCM操作(Tr>0)。

由于LED电流Iled是电感电流Il的函数，并且由于电感电流Il取决于参考电流Iref，因此LED电流Iled取决于参考电流Iref；参考电流Iref的幅度越高，LED电流Iled的幅度就越高，并且参考电流Iref的幅度越低，LED电流Iled的幅度就越低。

如果在Toff_sw期间电感电流大于0，则DC-DC转换器202以CCM操作，而如果电感电流达到0，则以DCM操作。这取决于所编程的峰值电感器值(Vref/R1)和转换器参数(Vin，Vled，L1)。通常，Toff_sw被编程为在最大输出电流(Iled＝100％)下以CCM模式操作，因此当通过调光降低LED电流时，转换器以DCM模式操作(例如，对于Iled<30％)。如此，当使能信号被断言为处于逻辑高时，执行模拟调光。

当使能信号EN被取消断言为逻辑低时，无论调制器205的输出信号的状态如何，SR触发器208的输出将保持取消断言为逻辑低。因此，可以通过将使能信号EN取消断言足够长的时间段来使LED电流Iled下降到零。这意味着通过正确地调制使能信号EN，对LED电流Iled进行占空比处理，从而实现对LED D2-Dn的数字调光控制。

因此，通过对参考电流Iref和使能信号EN的控制，切换DC-DC转换器200的操作可以在执行LED D2-Dn的模拟调光和执行LED D2-Dn的数字调光(脉宽调制调光)之间切换。上面描述的模拟调光的好处使它适合用于在更高强度之间(例如，在最大可能强度的33％和100％之间)改变，而数字调光的好处也如上所述使它适合用于在较低强度之间(例如，在0.1％和33％之间)切换。因此，生成参考电流Iref和使能信号EN的调光接口100和切换DC-DC转换器200是特别有用的。

现在描述生成参考电流Iref和使能信号EN的调光接口100及其操作，以使得DC-DC切换转换器200对LED D2-Dn执行从100％强度降低到给定阈值强度水平(例如33％)的模拟调光控制，但是对LED D2-Dn执行从阈值强度水平(例如32％)下降到最小强度水平(例如0.1％)的数字调光控制。这种切换在调光控制方法中的效果可以在图4中所示的LED电流Iled和平均LED电流Iled_avg的曲线图中看到。

现在将参照图5描述控制器。调光接口100包括模拟调光设置电路110，其包括并联耦接在输入节点Na1和地之间的电容器Cf和电阻器Rth，以及响应于中间PWM信号PWM_Int而通过开关SW1切换地耦接在输入节点Na1和地之间的电流源111。在操作中在节点Na1处形成模拟调光电压Vadim。

调光接口100包括具有电压减法器131的参考电流生成电路130，该电压减法器131从模拟调光电压Vadim中减去阈值电压Vth并通过限流器将所得差值提供给电压加法器132。电压加法器132将阈值电压Vth与由电压减法器131输出的电压相加，以产生电压Va，电压Va被用作可调节电流源133的控制电压。可调节电流源133基于电压Va来生成参考电流Iref。注意，从Vadim中减去Vth、然后在经过限流器之后将Vth加回到Vadim的加法的目的是实现对Iref电流的钳位。

调光接口100还包括比较器109，比较器109具有接收1.5V电压的反相端子和接收PWM信号的非反相端子，并生成中间PWM信号PWM_Int。

使能电压生成电路120包括单稳态电路121，其接收中间PWM信号PWM_Int，并从其中生成电压Vm到节点Nm1。延迟电路122接收电压Vm，并据此控制开关SW2。开关SW2耦接在节点Nm2和地之间。电容器Ctr耦接在节点Nm2和地之间。电流源123向节点Nm2供给电流Id。开关SW3耦接在节点Nm2和比较器125的非反相端子之间，开关SW3由电压Vm来控制。电容器Ch耦接在比较器125的非反相端子和地之间。

开关SW4耦接在比较器125的反相端子和地之间，开关SW4由电压Vm来控制。电流源124向比较器125的反相端子供给电流Ir。电容器Cr耦接在比较器125的反相端子和地之间。在比较器125的输出处产生使能信号EN。

现在参考图6描述参考电流生成电路130的更详细的断言细节。参考电流生成电路130包括第一NPN型晶体管Qn1，其发射极通过电阻器Ra1耦接到阈值电压Vth(被示为电压源302)，其集电极耦接到第一电流镜303，并且其基极耦接以接收运算放大器301的输出。运算放大器301的非反相端子接收模拟调光电压Vadim，其反相端子在节点Nn1处耦接到NPN型晶体管Qn1的发射极，并且其输出耦接到NPN型晶体管Qn1的基极。

第一电流镜303具有耦接到NPN型晶体管Qn1的集电极的输入和耦接到节点Nn3的输出。第一电流镜303由以下形成：第一PNP型晶体管Qp1，其发射极耦接到电源电压Vcc，其集电极耦接到NPN型晶体管Qn1的集电极，并且其基极耦接到其集电极；以及第二PNP型晶体管Qp2，其发射极耦接到电源电压Vcc，其集电极耦接到节点Nn3，并且其基极耦接到PNP型晶体管Qp1的基极。电流I1由电流镜303的输出供给到节点Nn3。

参考电流生成电路130还包括第二NPN型晶体管Qn2，其发射极通过电阻器Ra2耦接到地，其集电极耦接到第二电流镜304，并且其基极耦接以接收运算放大器305的输出。放大器305的非反相端子接收阈值电压Vth，其反相端子在节点Nn2处耦接到NPN型晶体管Qn2的发射极，并且其输出耦接到NPN型晶体管Qn2的基极。

第二电流镜304具有耦接到NPN型晶体管Qn2的集电极的输入和耦接到节点Nn3的输出。第二电流镜304由以下形成：第三PNP型晶体管Qp3，其发射极耦接到电源电压Vcc，其集电极耦接到NPN型晶体管Qn2的集电极，并且其基极耦接到其集电极；以及第四PNP型晶体管Qp4，其发射极耦接到电源电压Vcc，其集电极耦接到节点Nn3，并且其基极耦接到PNP型晶体管Qp3的基极。电流Iref0由电流镜304的输出供给到节点Nn3。供给自节点Nn3的参考电流Iref因此是电流I1和Iref0的总和。

现在描述调光接口100生成参考电流Iref和使能信号EN的操作。注意，调光接口100的输入是并联电容器Cf和电阻器Rth以及PWM信号，并且输出Iref和EN因此基于Cf的电容、Rth的电阻和PWM信号。由于电容器Cf和电阻器Rth将在操作之前连接并因此在操作期间保持恒定，因此调光接口100的用户可变输入是PWM信号。因此，调光接口100在PWM信号的控制下，从生成参考电流Iref和使能信号EN以便实现从100％下降到阈值强度水平的期望调光程度，切换到生成参考电流Iref和使能信号EN以便实现从阈值强度水平下降到最小强度水平的期望调光程度。

比较器109将PWM信号与1.5V信号进行比较，并且因此当PWM信号超过1.5V时，所导致的中间PWM信号PWM_Int被断言。PWM_Int在与PWM信号相同的占空比内被断言(因为在被断言时，PWM信号的电压的幅度被设置为超过1.5V)。在每个PWM时段Tpwm上，PWM_Int被断言的子时段是导通时段Ton，而PWM_Int被取消断言的子时段是截止时段Toff。在导通时段Ton开关SW1闭合，从而对滤波电容器Cf充电，而在截止时段Toff开关SW1打开，从而在这些截止时段期间通过电阻器Rth对滤波电容器Cf放电。因此假设Cf×Rth＞＞Tpwm，Cf上的电荷平衡产生等式给定对于模拟调光电压，该等式可以被求解为Vadim＝Rth×Ith×Dpwm。因此，模拟调光电压Vadim与PWM信号的占空比Dpwm成正比，并且不取决于PWM信号的模拟电平(电压幅度)，因为占空比Dpwm被设置在PWM信号的数字逻辑电平之间的转变上。

在参考电流生成电路130中，电流I1可以被计算为

并且电流Iref0可以被计算为：

假设Ra1＝Ra2，并且因此

参考电流Iref可以被计算为Iref＝I1+Iref0。鉴于此，Iref可以被表示为：

考虑到Vadim＝Rth×Ith×Dpwm，这意味着参考电流Iref可以被写为：

考虑到这一点，条件Iref＝Iref0导致占空比阈值Dpwm_th为：

如此，观察到，阈值占空比Dpwm_th取决于电阻器Rth以及内部固定参数Vth和Ith。

考虑到电容器Ctr在PWM时段Tpwm期间用来自电流源123的恒定电流Id充电：

Id＝gmd×Vadim，因此电容Ctr两端的电压可以被写为：

鉴于Vadim＝Rth×Ith×Dpwm，因此Vctr可以被重写为：

假设Ch＜＜Ctr，在Tpwm结束时，Ctr上的电荷被转移到电容器Ch，因此Ch上的电压将为：

电容器Cr在Tpwm期间用恒定Ir充电，由此导致的Cr上的电压的三角波的幅度为：

考虑到当电容器Ch两端的电压Vch和电容器Cr两端的电压Vr相等时，比较器125将断言使能信号EN，所导致的使能信号的占空比因此为：

给定且使能信号EN的占空比Deq可以被写为：

选择增益以使得Vadim≤Vth时Deq≤1产生：

给定Vth＝Rth×Ith×Dpwm，这意味着使能信号EN的占空比Deq的上述等式可以被改写为：

因此，使能信号EN的占空比Deq为：

这种关系被示于图7中，并且作为PWM信号的占空比Dpwm的函数的参考电流Iref如图8中所示。

考虑到电流Iled_avg与参考电流Iref和占空比Deq成正比，被表示为：

并且：

和

电流Iled_avg可以被写为：

因此，请注意，在模拟调光控制和数字调光控制期间，电流Iled_avg与PWM占空比Dpwm成正比。如此，应了解，调光接口100已实现从生成参考电流Iref和使能信号EN以便实现从100％下降到阈值强度水平的期望调光程度切换到生成参考电流Iref和使能信号EN以便实现从阈值强度水平下降到最小强度水平的期望调光程度的目标。

注意，占空比阈值Dpwm_th由电阻器Rth的电阻值设置，并且期望的LED电流Iled_avg由电流感测电阻器Rs来设置。在数学上，这被示为：

因此

用于示例操作场景的曲线图在图9-图10中图示出。在图9中，正在执行模拟调光控制。在这里，Vadim大于Vth，最终导致Iref大于Iref0，并且使能信号在操作期间保持在逻辑高(例如，具有100％的占空比)。在图10中，正在执行数字调光控制。在这里，Vadim小于Vth，最终导致Iref等于Iref0，并且使能信号EN在操作期间被进行占空比处理。

现在参考图11A-图11E讨论在不同PWM信号占空比下的操作条件的其他示例。在这些示例中，PWM占空比阈值Dpwm_th为10％。

如图11A中所示的是PWM信号的占空比Dpwm为100％的示例。结果，Vadim大于Vth(在这里其可以被认为是0.4V)，Iref大于I0(在这里其可以被认为是0.15mA)，并且使能信号EN在操作期间保持在逻辑高。LED电流Iled变为1.041A。如图11B中所示的是PWM信号的占空比Dpwm为15％的示例。结果，Vadim仍然大于Vth，并且Iref仍然大于Iref0，因此使能信号EN在操作期间保持在逻辑高。LED电流下降至140mA。如此，图11A-图11B的系列示出了模拟调光控制。

如图11C中所示的是PWM信号的占空比Dpwm为8％的示例。结果，Vadim下降到低于Vth，Iref变为等于Iref0，并且使能信号EN以81％的占空比Deq进行占空比处理。因此，观察到，LED电流Iled与使能信号EN一起进行占空比处理，并且在这里具有72mA的电流(当导通时)。这指示在图11C中执行了数字调光控制。

如图11D中所示的是PWM信号的占空比Dpwm为5％的示例。结果，Vadim低于Vth，Iref等于Iref0，并且使能信号EN以51％的占空比Deq进行占空比处理。观察到，LED电流Iled因此与使能信号EN一起进行占空比处理，并且在这里具有0.046A的电流(当导通时)。如此，在图11D中执行数字调光控制，并且图11C-图11D的系列图示了数字调光控制。

如图11E中所示的是PWM信号的占空比Dpwm为5％、但PWM信号的频率增加了10倍的示例。观察到，在这里的LED电流Iled因此以比图11D的示例更高的频率与使能信号EN一起进行占空比处理，同时仍具有0.046A的电流(当导通时)。

现在参考图12A-12B讨论在不同PWM信号占空比下的操作条件的附加示例。在这些示例中，PWM占空比为15％，而阈值PWM占空比Dpwm_th是变化的。

在图12A的示例中，占空比阈值Dpwm_th为10％。结果，Vadim大于Vth，Iref大于I0，并且使能信号EN在操作期间保持在逻辑高。LED电流Iled变为140mA，并且是恒定的。因此，图12A的示例利用模拟调光控制。

如图12B2所示的是PWM信号的占空比阈值Dpwm_th为20％的示例。结果，Vadim低于Vth，Iref等于Iref0，并且使能信号EN以74％的占空比Deq进行占空比处理。因此，观察到，LED电流Iled与使能信号EN一起进行占空比处理，并且在这里具有134mA的电流(当导通时)。如此，在图12B中执行数字调光控制。

总之，上述LED照明系统10允许对调光接口参考电流Iref和使能信号EN进行编程，其调节施加到LED D2-Dn的输出电流Iled_avg与PWM信号Dpwm的占空比成正比。如所描述的，LED照明系统10取决于用户可编程PWM阈值Dpwm_th而在模拟或数字调光控制之间自动切换以优化系统性能。

最后，很明显，在不脱离本公开的范围的情况下可以对本文所描述和说明的内容进行修改和变化，如所附权利要求中所定义的。

尽管已经针对有限数量的实施例描述了本公开，但是受益于本公开的本领域技术人员将了解，可以设想不脱离本文所公开的本公开范围的其他实施例。因此，本公开的范围应仅由所附权利要求来限制。

Claims (18)

1.一种LED照明系统，包括：

切换电路装置，被配置为可调节地驱动LED串，所述切换电路装置由参考电流和使能信号控制；以及

控制器，被配置为基于PWM信号来生成所述参考电流和所述使能信号，以使得在所述参考电流和所述使能信号的控制下，所述切换电路装置：

当所述PWM信号的占空比大于阈值占空比时，向所述LED串供给与所述PWM信号的占空比成正比的第一LED电流；以及

当所述PWM信号的占空比小于所述阈值占空比时，向所述LED串供给第二LED电流，所述第二LED电流具有的占空比与所述PWM信号的占空比成正比，以使得当所述PWM信号的占空比小于所述阈值占空比时，被递送给所述LED串的平均LED电流的幅度与所述PWM信号的占空比成正比。

2.根据权利要求1所述的LED照明系统，还包括耦接在所述控制器的输入端子与地之间的电阻器，所述控制器被配置为基于所述电阻器的电阻来确定所述阈值占空比。

3.根据权利要求2所述的LED照明系统，其中所述控制器包括：

模拟调光电路，被配置为基于所述电阻器的电阻和所述PWM信号来生成模拟调光电压；

参考电流生成电路，被配置为基于所述模拟调光电压来生成所述参考电流；以及

使能电压生成电路，被配置为基于所述PWM信号、第一内部电压和第二内部电压来生成所述使能信号。

4.根据权利要求3所述的LED照明系统，还包括第一比较电路，所述第一比较电路被配置为生成与所述PWM信号具有相同频率和相同占空比的中间PWM信号，其中所述模拟调光电路基于所述电阻器的电阻和所述中间PWM信号来生成所述模拟调光电压。

5.根据权利要求4所述的LED照明系统，其中所述使能电压生成电路包括：

单稳态电路，被配置为从所述中间PWM信号生成开关控制电压；

比较器，具有反相端子和非反相端子；

内部参考电容器，耦接在所述比较器的所述反相端子与地之间，所述第一内部电压跨所述内部参考电容器被生成；

内部参考电流源，被配置为向所述比较器的所述反相端子供给内部参考电流；

第四开关，被配置为在所述开关控制电压被断言时选择性地将所述比较器的所述反相端子耦接到地；

第一内部电容器，耦接在所述比较器的所述非反相端子与地之间，所述第二内部电压跨所述第一内部电容器被生成；

第二内部电容器，耦接在所述内部节点与地之间；

内部电流源，与所述模拟调光电压成正比，被配置为向所述内部节点供给内部电流；

第三开关，被配置为当所述开关控制电压被断言时选择性地将所述比较器的所述非反相端子耦接到所述内部节点；以及

第二开关，被配置为当所述开关控制电压的延迟版本被断言时选择性地将所述内部节点耦接到地。

6.根据权利要求3所述的LED照明系统，其中所述模拟调光电路包括：

阈值电流源，耦接在所述控制器的所述输入端子与第一开关之间；

其中所述第一开关耦接在所述阈值电流源与地之间，所述第一开关响应于所述PWM信号的断言而闭合并且响应于所述PWM信号的解除断言而断开。

7.根据权利要求3所述的LED照明系统，其中所述参考电流生成电路包括：

第一电流镜，具有耦接到第一输入电路的输入并且具有耦接以供应第一电流的输出；

第二电流镜，具有耦接到第二输入电路的输入并且具有耦接以供应基极参考电流的输出；以及

电流加法器节点，被配置为将所述第一电流与所述基极参考电流相加，从而生成所述参考电流。

8.根据权利要求7所述的LED照明系统，其中所述第一输入电路包括：

第一NPN型晶体管，具有通过第一电阻器耦接到阈值电压源的发射极、耦接到所述第一电流镜的所述输入的集电极、和基极；以及

运算放大器，具有耦接以接收所述模拟调光电压的非反相端子、耦接到所述第一NPN型晶体管的发射极的反相端子、以及耦接到所述第一NPN型晶体管的基极的输出。

9.根据权利要求8所述的LED照明系统，其中所述第二输入电路包括：

第二NPN型晶体管，具有通过第二电阻器耦接到地的发射极、耦接到所述第二电流镜的所述输入的集电极、和基极；以及

运算放大器，具有耦接以接收所述阈值电压的非反相端子、耦接到所述第二NPN型晶体管的发射极的非反相端子、以及耦接到所述第二NPN型晶体管的基极的输出。

10.根据权利要求1所述的LED照明系统，其中所述切换电路装置包括：

切换调节器，基于栅极驱动信号而切换地在输入电压和地之间耦接所述LED串，具有在所述输入电压和地之间与所述LED串并联耦接的输出电容器，所述切换调节器生成指示流过所述LED串的电流的感测电压，流过所述LED串的所述电流是所述第一LED电流或所述第二LED电流；以及

栅极驱动电路装置，被配置为生成所述栅极驱动信号。

11.根据权利要求10所述的LED照明系统，其中所述栅极驱动电路装置包括：

逻辑电路，被配置为在所述使能信号被断言时传递调制器信号，从而生成第一信号；

比较电路，被配置为将参考电压与所述感测电压进行比较，并取决于所述感测电压是否大于所述感测电压而生成具有逻辑电平的第二信号，其中所述参考电压是从所述参考电流生成的；

触发器，接收所述第一信号和所述第二信号作为输入，并生成栅极预驱动信号作为输出；以及

驱动器，被配置为从所述栅极预驱动信号生成所述栅极驱动信号。

12.根据权利要求11所述的LED照明系统，其中所述逻辑电路包括与门；其中所述比较电路包括比较器，所述比较器具有被耦接以接收所述感测电压的非反相输入、和被耦接以接收所述参考电压的反相端子；并且其中所述触发器包括SR触发器，所述SR触发器具有接收来自所述与门的所述第一信号的S输入和接收来自所述比较器的所述第二信号的R输入。

13.根据权利要求10所述的LED照明系统，其中所述栅极驱动电路装置被配置为：

当接收到的调制器信号处于逻辑高并且所述使能信号被断言时，断言所述栅极驱动信号；以及

当所述感测电压超过参考电压时，解除断言所述栅极驱动信号，所述参考电压是基于所述参考电流来生成的。

14.一种操作LED照明系统的方法，所述方法包括：

a)接收PWM信号；

b)当所述PWM信号的占空比大于阈值占空比时，向LED串供给与所述PWM信号的占空比成正比的第一LED电流；以及

c)当所述PWM信号的占空比小于所述阈值占空比时，向所述LED串供给第二LED电流，所述第二LED电流的占空比与PWM信号的占空比成正比，使得当所述PWM信号的占空比小于所述阈值占空比时，被递送到所述LED串的平均LED电流的幅度与所述PWM信号的所述占空比成正比。

15.根据权利要求14所述的方法，还包括基于电阻器的电阻来确定所述阈值占空比。

16.根据权利要求14所述的方法，还包括使用由参考电流和使能信号所控制的切换电路装置来执行b)和c)。

17.根据权利要求16所述的方法，

还包括基于电阻器的电阻来确定所述阈值占空比；以及

还包括：

基于所述电阻器的电阻和所述PWM信号来生成模拟调光电压；

基于所述模拟调光电压来生成所述参考电流；以及

基于所述PWM信号、第一内部电压和第二内部电压来生成所述使能信号。

18.根据权利要求17所述的方法，还包括：

当接收到的调制器信号处于逻辑高并且所述使能信号被断言时，断言栅极驱动信号；

当感测电压超过参考电压时解除断言所述栅极驱动信号，所述参考电压是基于所述参考电流生成的；

基于所述栅极驱动信号在输入电压和地之间切换地耦接所述LED串；以及

生成所述感测电压以指示流过所述LED串的电流，流过所述LED串的是电流是所述第一LED电流或所述第二LED电流。

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