DE102015210189A1

DE102015210189A1 - Mehrkanal-LED-Konverter

Info

Publication number: DE102015210189A1
Application number: DE102015210189.4A
Authority: DE
Inventors: Ueli Keller; Michael Zimmermann
Original assignee: Tridonic GmbH and Co KG
Current assignee: Tridonic GmbH and Co KG
Priority date: 2015-06-02
Filing date: 2015-06-02
Publication date: 2016-12-08
Also published as: AT16555U1

Abstract

Die vorliegende Erfindung offenbart einen Mehrkanal-LED-Konverter, der wenigstens zwei mit Schaltern hochfrequent getakteten Wandlerstufen zur Versorgung von wenigstens zwei parallelen Ausgängen zur Versorgung von LED-Lasten und eine Steuerschaltung aufweist. Der Steuerschaltung sind an einem Schaltungspunkt Signale zugeführt, die im Zeitmultiplex den Strom durch die Schalter der getakteten Wandlerstufen wiedergeben, wobei die Steuerschaltung (106) der hochfrequenten Taktung der Wandlerstufen eine im Vergleich dazu niederfrequente PWM-Modulation überlagert und die Phasenlage der PWM-Impulse so wählt, dass der zeitliche Mittelpunkt der Einschaltzeitdauer eines PWM-Impulses einer erste Wandlerstufe innerhalb von 10% zentriert um den zeitlichen Mittelpunkt der Ausschaltzeitdauer eines PWM-Impulses einer zweiten Wandlerstufe (103) liegt. Ferner offenbart die Erfindung eine LED-Beleuchtungsvorrichtung die einen solchen Mehrkanal-LED-Konverter aufweist sowie ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Mehrkanal-LED-Konverters.

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Mehrkanal-System, wie zum Beispiel einem Mehrkanal-LED-Konverter zur voneinander unabhängigen Versorgung von mehreren LED-Lasten. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung einen Mehrkanal-LED-Konverter, eine LED-Beleuchtungsvorrichtung aufweisend einen solchen Mehrkanal-LED-Konverters sowie ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Mehrkanal-LED-Konverters.
Hintergrund und Aufgabe der Erfindung
Wird die Stromregelung bei einem Mehrkanal-System, wie zum Beispiel einem Mehrkanal-LED-Konverter, durch einen Mikroprozessor gestellt (Frequenzen um die 100 kHZ) muss der Analog-Digital-Wandler (AD-Wandler/ADC) möglichst jede Periode alle Kanäle erfassen können, d. h. den Strom jedes Kanals in jeder Periode erfassen können. Wenn ein AD-Wandler mit nur einem Abtast-Halte-Glied (Sample-and-Hold-Schaltung/S&H-Schaltung) verwendet wird (oder allgemein weniger AD-Wandler als Kanäle aufweist), wird bei einem Mehrkanal-System mit x Kanälen jeder Kanal nur jede x-te Periode erfasst. Es können nun Verfahren eingesetzt werden, bei dem nur die Kanäle gemessen werden, welche auch eingeschaltet bzw. aktiv sind. Insbesondere wenn die Kanäle PWM-moduliert sind, gibt es Zeitbereiche in denen Kanäle ausgeschaltet bzw. inaktiv sind. PWM-Modulationen im Bereich von LED-Konvertern sind bereits aus dem Stand der Technik bekannt, zum Beispiel DE 10 2005 054 541 A1 , WO 2009/018958 A1 und WO 2012/045478 A1 .
Es ist nun Aufgabe der Erfindung bei einem Mehrkanal-System, wie zum Beispiel einem Mehrkanal-LED-Konverter, das weniger AD-Wandler als Kanäle verwendet (Unterabtastung) die effektive Abtastrate des der Erfassung der Ströme in den eingeschalteten Kanälen zu erhöhen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Die abhängigen Ansprüche bilden den zentralen Gedanken der Erfindung in besonders vorteilhafter Weise weiter.
Beschreibung der Erfindung
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung ist ein Mehrkanal-LED-Konverter vorgesehen mit wenigstens zwei mit Schaltern hochfrequent getakteten Wandlerstufen zur Versorgung von wenigstens zwei parallelen Ausgängen zur Versorgung von LED-Lasten und einer Steuerschaltung, der an einem Schaltungspunkt Signale zugeführt sind, die im Zeitmultiplex den Strom durch die Schalter der getakteten Wandlerstufen wiedergeben, wobei die Steuerschaltung der hochfrequenten Taktung der Wandlerstufen eine im Vergleich dazu niederfrequente PWM-Modulation überlagert, und die Steuerschaltung die Phasenlage der PWM-Impulse so wählt, dass der zeitliche Mittelpunkt der Einschaltzeitdauer eines PWM-Impulses einer erste Wandlerstufe innerhalb von 10% zentriert um den zeitlichen Mittelpunkt der Ausschaltzeitdauer eines PWM-Impulses einer zweiten Wandlerstufe liegt.
Somit stellt die Erfindung einen Mehrkanal-LED-Konverter mit wenigsten zwei LED-Kanälen bereit, bei dem die Phasenlage der PWM-Impulse der wenigstens zwei LED-Kanälen derart durch die Steuerschaltung ausgewählt sind, dass der zeitliche Mittelpunkt der Einschaltzeitdauer eines PWM-Impulses eines ersten LED-Kanals der wenigstens zwei LED-Kanäle innerhalb von 20%, vorzugsweise 10% zentriert um den zeitlichen Mittelpunkt der Ausschaltzeitdauer eines PWM-Impulses des zweiten LED-Kanals der wenigstens zwei LED-Kanälen liegt. Dies ist vorteilhaft, weil dadurch eine maximal mögliche Entzerrung erreicht wird. Denn der AD-Wandler erfasst bzw. misst nur den Strom von eingeschalteten LED-Kanälen, d. h. von LED-Kanälen, bei denen der Schalter der Wandlerstufe durch die Steuerschaltung hochfrequent getaktet bzw. geschaltet wird. Im Fall von nur zwei LED-Kanälen ist dann während einer möglichst langen Zeitdauer immer nur ein LED-Kanal eingeschalten, sodass während dieser Zeitdauer der AD-Wandler den Strom von nur einen LED-Kanal erfassen muss. Somit wird die Abtastrate zur Erfassung des Stroms, bzw. des durch den Schalter fließenden Schalterstroms, für den eingeschalteten LED-Kanal erhöht.
Ferner kann die Steuerschaltung des erfindungsgemäßen Mehrkanal-LED-Konverters dazu eingerichtet sein, um der hochfrequenten Taktung der Wandlerstufen PWM-Modulationen mit unterschiedlichen Tastgrad zu überlagern, so dass der PWM-Impuls der ersten Wandlerstufe und der PMW-Impuls der zweiten Wandlerstufe einen unterschiedlichen Tastgrad aufweisen. Die Steuerschaltung kann auch dazu eingerichtet sein, um der hochfrequenten Taktung der Wandlerstufen PWM-Modulation mit gleichem Tastgrad zu überlagern, so dass der PWM-Impuls der ersten Wandlerstufe und der PMW-Impuls der zweiten Wandlerstufe den gleichen Tastgrad aufweisen.
Dies ist vorteilhaft, da durch Veränderung des Tastgrades bzw. Tastverhältnisses eines PWM-Impulses die Helligkeit des von einer LED-Last abgestrahlten Lichts gedimmt werden kann. Der Tastgrad bzw. das Tastverhältnis entspricht dem Verhältnis der Einschaltzeitdauer eines PWM-Impulses im Vergleich zu der Periode des PWM-Impulses. Somit kann die Helligkeit des Lichts, das von der über den ersten LED-Kanal, d. h. ersten Wandlerstufe, versorgten LED-Last emittiert wird, unterschiedlich gedimmt werden im Vergleich zu der Helligkeit des Lichts, das von der über den zweiten LED-Kanal, d. h. zweiten Wandlerstufe, versorgten LED-Last emittiert wird. Die beiden LED-Lasten können aber durch die beiden LED-Kanäle auch derart versorgt werden, dass sie Licht gleicher Helligkeit emittieren.
Der erfindungsgemäße Mehrkanal-LED-Konverter kann ferner einen AD-Wandler aufweisen, der dazu eingerichtet ist, um den Strom durch die Schalter der wenigstens zwei getakteten Wandlerstufen zu messen und die den Strom durch die Schalter der getakteten Wandlerstufen wiedergebenden Signale der Steuereinheit im Zeitmultiplex zuzuführen.
Des Weiteren kann der AD-Wandler des erfindungsgemäßes Mehrkanal-LED-Konverters dazu eingerichtet sein, um den Strom durch den Schalter einer Wandlerstufe nur während der Einschaltdauer des PWM-Impuls der jeweiligen Wandlerstufe zu messen.
Dies ist vorteilhaft, weil dadurch nur die Ströme der aktiven LED-Kanäle, d. h. die Ströme durch die hochfrequent getakteten bzw. geschalteten Schalter der Wandlerstufen, gemessen werden und somit der AD-Wandler im Fall, dass nicht alle LED-Kanäle aktiv sind, weniger Ströme zu messen hat als wenn der AD-Wandler Ströme von sowohl aktiven wie auch inaktiven LED-Kanälen messen würde.
Ferner kann jede Wandlerstufe der wenigstens zwei Wandlerstufen des erfindungsgemäßen Mehrkanal-LED-Konverters einen Shunt-Widerstand in Serie zu dem jeweiligen Schalter aufweisen, wobei der AD-Wandler dazu eingerichtet ist, um den Strom durch die Schalter der wenigsten zwei Wandlerstufe mittels des jeweiligen Shunt-Widerstands zu messen.
Dies ist vorteilhaft, da durch die Shunt-Widerstände (Strommesswiderstände) einfache und kostengünstigste Sensoreinheiten zum Erfassen des Stromflusses durch die einzelnen LED-Kanäle bzw. des Stromflusses durch die Schalter der einzelnen Wandlerstufen des Mehrkanal-LED-Konverters bereitgestellt werden kann.
Des Weiteren kann jede Wandlerstufe der wenigsten zwei Wandlerstufen des erfindungsgemäßen Mehrkanal-LED-Konverters ein Aufwärtswandler oder Abwärtswandler sein, wobei die wenigstens zwei Wandlerstufen gleiche Wandlerstufentypen oder unterschiedliche Wandlerstufentypen sein können.
Ferner kann der erfindungsgemäße Mehrkanal-LED-Konverter vier mit Schaltern hochfrequent getakteten Wandlerstufen aufweisen, wobei die Steuerschaltung die Phasenlage der PWM-Impulse so wählt, dass der zeitliche Mittelpunkt der Einschaltzeitdauer eines PWM-Impulses einer ersten Wandlerstufe und eines PWM-Impulses einer zweiten Wandlerstufe innerhalb von 10% zentriert um den zeitlichen Mittelpunkt der Ausschaltzeitdauer eines PWM-Impulses einer dritten Wandlerstufe und eines PWM-Impulses einer vierten Wandlerstufe liegt.
Dies ist vorteilhaft, weil dadurch bei einem 4-Kanal-LED-Konverter nunmehr die Phasenlage PWM-Impulse derart gewählt wird, dass der zeitliche Mittelpunkt der Einschaltzeitdauer der PWM-Impulse von zwei LED-Kanälen innerhalb von 10% zentriert um den zeitlichen Mittelpunkt der Ausschaltzeitdauer der PWM-Impulse der beiden anderen Kanäle liegt. Dies ergibt eine maximal mögliche Entzerrung, so dass während einer möglichst langen Zeitdauer immer nur zwei LED-Kanäle gleichzeitig eingeschaltet bzw. aktiv sind, d. h. immer nur zwei LED-Kanäle Einschaltzeitdauern von PWM-Impulsen zeigen. Da der Strom eines LED-Kanals bzw. durch den hochfrequent getakteten Schalter einer Wandlerstufe nur in diesen Einschaltdauern gemessen wird, wird die Abtastrate zur Erfassung des Schalterstroms für jede der beiden während dieser Zeitdauer aktiven LED-Kanälen erhöht.
Des Weiteren kann die Steuerschaltung des erfindungsgemäßen Mehrkanal-LED-Konverters mit vier Wandlerstufen die Phasenlage der PWM-Impulse so wählen, dass der zeitliche Mittelpunkt der Einschaltzeitdauer des PWM-Impulses der ersten Wandlerstufe innerhalb von 10% zentriert um den zeitlichen Mittelpunkt der Einschaltdauer des PWM-Impulses der zweiten Wandlerstufe liegt und dass der zeitliche Mittelpunkt der Ausschaltzeitdauer des PWM-Impulses der dritten Wandlerstufe innerhalb von 10% zentriert um den zeitlichen Mittelpunkt der Ausschaltdauer des PWM-Impulses der vierten Wandlerstufe liegt.
Die vorstehend genannten optionalen Merkmale können gemäß der Erfindung beliebig kombiniert werden, um den erfindungsgemäßen Mehrkanal-LED-Konverter zu ergeben.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung ist eine LED-Beleuchtungsvorrichtung vorgesehen, die wenigstens zwei LED-Strecken und einen erfindungsgemäßen Mehrkanal-LED-Konverter zum Betreiben der wenigstens zwei LED-Strecken aufweist, wobei der Mehrkanal-LED-Konverter dazu eingerichtet ist, um die LED-Strecken gemäß wenigstens einem Dimmwert zu betreiben.
Ferner können die wenigstens zwei LED-Strecken der erfindungsgemäßen LED-Beleuchtungsvorrichtung monochromatische LEDs und/oder Mischlicht-LEDs, insbesondere Weißlicht-LEDs aufweisen.
Des Weiteren können die wenigstens zwei LED-Strecken der erfindungsgemäßen LED-Beleuchtungsvorrichtung Licht unterschiedlichen Spektrums emittieren.
Die vorstehend genannten optionalen Merkmale können gemäß der Erfindung beliebig kombiniert werden, um die erfindungsgemäße LED-Beleuchtungsvorrichtung zu ergeben.
Gemäße einem dritten Aspekt ist ein Verfahren zum Betreiben eines erfindungsgemäßen Mehrkanal-LED-Konverters vorgesehen, wobei der Mehrkanal-LED-Konverter wenigstens zwei mit Schaltern hochfrequent getakteten Wandlerstufen zur Versorgung von wenigstens zwei parallelen Ausgängen zur Versorgung von LED-Lasten und eine Steuerschaltung aufweist, wobei der Steuerschaltung an einem Schaltungspunkt Signale zugeführt werden, die im Zeitmultiplex den Strom durch einen die Schalter (T1, T2) der getakteten Wandlerstufen (102, 103) wiedergeben, und wobei der hochfrequenten Taktung der Wandlerstufen (102, 103) eine im Vergleich dazu niederfrequente PWM-Modulation überlagert wird. Ferner wird die Phasenlage der PWM-Impulse so gewählt, dass der zeitliche Mittelpunkt der Einschaltzeitdauer eines PWM-Impulses einer erste Wandlerstufe innerhalb von 10% zentriert um den zeitlichen Mittelpunkt der Ausschaltzeitdauer eines PWM-Impulses einer zweiten Wandlerstufe liegt.
Kurzbeschreibung der Figuren
Weitere Vorteile, Merkmale und Eigenschaften der vorliegenden Erfindung sollen nunmehr Bezug nehmend auf die Figuren der begleitenden Zeichnung näher erläutert werden.
1 zeigt dabei eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Mehrkanal-LED-Konverters mit zwei LED-Kanälen, d. h. mit zwei Wandlerstufen zur Versorgung von zwei parallelen Ausgängen zur Versorgung von zwei LED-Lasten.
2 zeigt PWM-Impulse dreier LED-Kanäle eines Mehrkanal-LED-Konverters und ein entsprechendes Abtastungsschema.
3 zeigt PWM-Impulse von vier LED-Kanälen (PWM-Kanäle) eines 4-Kanal-LED-Konverters.
4 zeigt PWM-Impulse von vier LED-Kanälen (PWM-Kanäle) eines erfindungsgemäßen 4-Kanal-LED-Konverters.
Detaillierte Figurenbeschreibung
1 zeigt die verschiedenen Komponenten eines erfindungsgemäßen Mehrkanal-LED-Konverters 101.
Wie in 1 ersichtlich weist der erfindungsgemäße Mehrkanal-LED-Konverter 101 zwei Wandlerstufen 102 und 103 auf und stellt somit zwei LED-Kanäle zur voneinader unabhängigen Versorgung von zwei LED-Lasten bereit. Daher ist der in 1 gezeigte Mehrkanal-LED-Konverter ein 2-Kanal-LED-Konverter. Gemäß der Erfindung kann der Mehrkanal-LED-Konverter 101 aber auch mehr als zwei Wandlerstufen aufweisen, d. h. mehr als zwei LED-Kanäle zur Versorgung von mehr als zwei LED-Lasten aufweisen.
Die Wandlerstufen 102 und 103 sind in 1 beispielhaft als Abwärtswandler gezeigt. Gemäß der Erfindung sind die Wandlerstufen Schaltregler mit einem aktiv getakteten Schalter, wie zum Beispiel ein Aufwärts- oder Abwärtswandler bzw. Hoch- oder Tiefsetzsteller (Boost-Converter oder Buck-COnverter).
Die aktiv getakteten Schalter T1 und T2 der beiden Wandlerstufen 102 und 103 werden über eine Steuerschaltung 106 gesteuert bzw. geschalten. Die Steuerschaltung 106 kann ein Mikrokontroller, ein ASIC, eine hybride Mischform dieser beiden oder eine andere dem Fachmann bekannte Steuervorrichtung sein.
Eine PWM-Einheit 105 stellt der Steuerschaltung PWM-Impulse bereit, die Dimmwerten für die LED-Kanäle entsprechen.
Ein AD-Wandler (ADC) 107 wandelt den durch die aktiv getakteten Schalter T1 und T2 geflossenen Strom in digitale Signale um und stellt diese der Steuerschaltung 106 bereit.
Die PWM-Einheit 105 und der AD-Wandler 107 können durch dem Fachmann bekannte Einrichtungen realisiert werden.
Gemäß der Erfindung können der AD-Wandler 107 und die PWM-Einheit 105 separate Komponenten des Mehrkanal-LED-Konverters sein oder ein Teil der Steuerschaltung 106 sein.
Es ist auch möglich, dass die PWM-Einheit 105 extern angeordnet ist, d. h. nicht Teil des Mehrkanal-LED-Konverters 101 ist, und somit die PWM-Impulse der Steuerschaltung 106 von extern, d. h. von außerhalb des Mehrkanal-LED-Konverters 101, zuführt.
Ferner weißt gemäß 1 der Mehrkanal-LED-Konverter 101 eine Gleichspannungsversorgung 104 zur Versorgung der beiden Wandlerstufen 102 und 103 auf. Diese Spannungsversorgung 104 kann aber auch nicht Teil des Mehrkanal-LED-Konverters 101 sein, so dass dann die Wandlerstufen 102 und 103 des Mehrkanal-LED-Konverters 101 von extern, d. h. von außerhalb des Mehrkanal-LED-Konverters 101, mit Spannung versorgt werden.
Die Steuerschaltung 106 taktet bzw. schaltet die beiden Schalter T1 und T2 der beiden Wandlerstufen mit einer hohen Taktfrequenz (mehrerer kHz) und überlagert die im Vergleich niederfrequenten PWM-Impulsen (beispielsweise mehrere 100 Hz) der hochfrequenten Taktung. Somit sind die beiden Wandlerstufen 102 und 103 bzw. die beiden LED-Kanäle des Mehrkanal-LED-Konverters 101 PWM-moduliert.
Der Strom durch die Schalter T1 und T2 wird mittels eines jeweiligen Shunt-Widerstands (Strommesswiderstands) R1 und R2 erfasst bzw. gemessen und dem AD-Wandler zugeführt. Daher misst der AD-Wandler die Ströme durch die Schalter T1 und T2 der beiden Wandlerstufen 102 und 103 mittels der beiden Shunt-Widerstände R1 und R2. Die gemessenen Ströme werden dann in digitale Signale gewandelt und der Steuerschaltung 106 bereitgestellt.
Es können auch andere dem Fachmann bekannte Sensoreinheiten zur Erfassung des Stroms durch die Schalter T1 und T2 verwendet werden.
Die Schalter T1 und T2 können Transitoren, insbesondere MOSFET-Transitoren oder Bipolar-Transistoren sein. Andere dem Fachmann bekannte Schalter sind auch möglich.
Der AD-Wandler 107 misst zu einem Zeitpunkt bzw. während einem Taktzyklus der hochfrequenten Taktung immer nur den Strom durch einen Schalter einer Wandlerstufe. Folglich führt der AD-Wandler 107 der Steuerschaltung 106 die den Strom durch die Schalter der Wandlerstufen des Mehrkanal-LED-Konverters wiedergebenden Signale im Zeitmultiplex zu.
Die Wandlerstufen 102 und 103 dienen zum Betrieb von LED-Lasten, die an den Ausgängen 1 und 2 des im 1 gezeigten Mehrkanal-LED-Konverters 101 angeschlossen werden. Im Folgenden wird kurz die Funktion einer Wandlerstufe an Hand der Wandlerstufe 102 (des ersten LED-Kanals) erläutert, wenn an dem Ausgang 1 eine LED-Last angeschlossen ist.
Der Wandlerstufe 102 wird eine Gleichspannung zugeführt. Im eingeschalteten Zustand des Schalters T1 fließt Strom durch die LED-Last LED 1, durch die Spule L1, die dadurch magnetisiert wird, und durch den Schalter T1 sowie den Shunt-Widerstand R1. Der AD-Wandler erfasst bzw. misst diesen Strom und führt ein diesen Strom wiedergebendes Signal der Steuerschaltung 106 zu. Im ausgeschalteten Zustand des Schalters T1 entlädt sich die im Magnetfeld der Spule gespeicherte Energie in Form eines Stromes über die Diode D1 und die LED-Last LED 1.
Die Steuerschaltung 106 schaltet bzw. taktet den Schalter T1 derart hochfrequent, dass der gemessene Strom einem Sollwert angeglichen wird.
Zudem überlagert die Steuerschaltung 106 der hochfrequenten Taktung (mehrere kHz) des Schalters T1 der Wandlerstufe 102 ein im Vergleich dazu niederfrequente PWM-Modulation, d. h. niederfrequente PWM-Impulsfolge, (mehrere 100 Hz), um eine Dimmung der Helligkeit des von der LED-Last LED 1 emittierten Lichts zu erreichen.
Wie bereits dem Fachmann bekannt ist, kann über die Einstellung des Tastgrades bzw. Tastverhältnisses der PWM-Modulation der Dimmgrad eingestellt werden. Der Tastgrad bzw. das Tastverhältnis entspricht der Einschaltzeitdauer eines PWM-Impulses im Verhältnis zu der Periode des PWM-Impulses. Während der Einschaltzeitdauer der überlagerten PWM-Impulsfolge wird der Schalter T1 mit der hochfrequenten Frequenz geschaltet und während der Ausschaltzeitdauer der PWM-Impulsfolge ist der Schalter T1 ausgeschaltet. D. h. während der Einschaltzeitdauer der PWM-Impulsfolge ist die Wandlerstufe 102 bzw. der erste LED-Kanal des Mehrkanal-LED-Konverters 101 aktiv, wohingegen während der Ausschaltzeitdauer der PWM-Impulsfolge die Wandlerstufe 102 bzw. der erste LED-Kanal des Mehrkanal-LED-Konverters 101 inaktiv ist.
Der AD-Wandler 107 misst den Strom durch den Schalter T1 nur während der Einschaltzeitdauer der PWM-Impulsfolge, d. h. nur wenn die Wandlerstufe 102 bzw. der erste LED-Kanal des Mehrkanal-LED-Konverters 101 aktiv ist. Folglich misst der Ad-Wandler den Strom durch den Schalter T1 nur wenn dieser hochfrequent durch die Steuerschaltung 106 geschalten bzw. getaktet wird.
Wie bereits oben erwähnt kann die Steuerschaltung 106 der hochfrequenten Taktung der Wandlerstufen 102 eine PWM-Modulation überlagern, die einen unterschiedlichen Tastgrad aufweist im Vergleich zu der PWM-Modulation, die die Steuerschaltung der hochfrequenten Taktung der Wandlerstufe 103 überlagert. Somit kann die Helligkeit des von der LED-Last LED 1 emittierten Lichts unterschiedlich eingestellt bzw. gedimmt werden im Vergleich zu der Helligkeit des von der LED-Last LED 2 emittierten Lichts.
Die Steuerschaltung 106 kann aber auch der hochfrequenten Taktung der Wandlerstufe 102 und 103 die gleiche PWM-Modulation mit dem gleichen Tastgrad überlagern.
Der Kern der Erfindung liegt nicht darin, wie die Steuerschaltung 106 bzw. die PWM-Einheit 105 den Tastgrad der PWM-Modulation einstellt, um einen gewünschten Dimmgrad der Helligkeit des von der jeweiligen LED-Last emittierten Lichts zu erreichen. Dies ist bereits aus dem Stand der Technik bekannt und somit kann erfindungsgemäß jede dem Fachmann bekannte Implementierung hierfür gewählt werden.
Der Kern der Erfindung liegt vielmehr darin, wie die Steuerschaltung 106 die Phasenlage der PWM-Impulse der unterschiedlichen Wandlerstufen des Mehrkanal-LED-Konverters wählt, um die Abtastrate des einzigen AD-Wandlers 107 des Mehrkanal-LED-Konverters 101 zu erhöhen.
2 zeigt PWM-Impulse dreier LED-Kanäle eines Mehrkanal-LED-Konverters und ein entsprechendes Abtastungsschema des AD-Wandlers. (Es wird somit gemäß 2 beispielsweise angenommen, dass der Mehrkanal-LED-Konverter ein 3-Kanal-LED-Konverter mit drei Ausgängen zur unabhängigen Versorgung von drei LED-Lasten ist und drei Wandlerstufen aufweist, wobei jede Wandlerstufe einem LED-Kanal entspricht und einen Ausgang des 3-Kanal-LED-Konverters mit elektrischer Energie versorgt.) Wie aus 2 ersichtlich werden alle drei LED-Kanäle gleichzeitig eingeschalten, d. h. die Steuerschaltung 106 beginnt gleichzeitig damit die drei Wandlerstufen hochfrequent zu takten. Nach einer gewissen Einschaltdauer, wird der PWM-Impuls des ersten LED-Kanals (LED Kanal 1) ausgeschalten und daher beendet die Steuerschaltung 106 die hochfrequente Taktung der Wandlerstufe des ersten LED-Kanals. Die Steuerschaltung 106 führt die hochfrequente Taktung der anderen beiden Wandlerstufen fort. Nach einer weiteren Zeitdauer wird auch der PWM-Impuls des zweiten LED-Kanals (LED Kanal 2) ausgeschalten und daher beendet die Steuerschaltung 106 die hochfrequente Taktung der Wandlerstufe des zweiten LED-Kanals. Die Steuerschaltung 106 führt die hochfrequente Taktung der Wandlerstufe des dritten LED-Kanals (LED Kanal 3) solange fort, bis auch der PWM-Impuls dieses LED-Kanals ausgeschaltet wird.
Gemäß dem in 2 gezeigten Abtastungsschema für den AD-Wandler 107, erfasst bzw. misst der AD-Wandler nur den Strom von aktiven LED-Kanälen. Ferner erfasst der AD-Wandler zu einem Zeitpunkt bzw. zu einem Taktzyklus der hochfrequenten Taktung immer nur den Strom eines aktiven LED-Kanals. Wenn alle drei LED-Kanäle aktiv sind erfasst der AD-Wandler den Strom jedes LED-Kanals nur in jedem dritten Taktzyklus der hochfrequenten Taktung. Wenn nur zwei LED-Kanäle aktiv sind, erfasst der AD-Wandler den Strom jedes aktiven LED-Kanals nur in jedem zweiten Taktzyklus der hochfrequenten Taktung. Wenn nur ein LED-Kanal aktiv ist, erfasst der AD-Wandler den Strom dieses einen aktiven LED-Kanals in jedem Takzyklus der hochfrequenten Taktung. Je weniger LED-Kanäle aktiv sind, desto höher ist die Abtastrate des AD-Wandlers zur Erfassung bzw. Abtastung des Stroms durch die aktiven LED-Kanälen.
3 zeigt PWM-Impulse von vier LED-Kanälen (auch PWM-Kanäle genannt) eines 4-Kanal-LED-Konverters.
Wie aus 3 ersichtlich liegen die zeitlichen Mittelpunkte der Einschaltdauer der PWM-Impulse der vier LED-Kanäle des 4-Kanal-LED-Konverters innerhalb einer gewissen Toleranz zentriert um den gleichen Zeitpunkt herum. Dies ist eine typische Abstimmung von Kanälen eines Mehrkanal-Systems.
Dies hat den Nachteil, dass wenn nur ein AD-Wandler im Mehrkanal-LED-Modul vorhanden ist, der Schalterstrom eines jeden Kanals nicht in jedem Taktzyklus der hochfrequenten Taktung während der Einschaltzeitdauer der PWM-Impulse gemessen werden kann.
4 zeigt PWM-Impulse von vier LED-Kanälen (PWM-Kanäle) eines erfindungsgemäßen 4-Kanal-LED-Konverters.
Wie aus 4 ersichtlich wird nun erfindungsgemäß bei einem beispielsweise 4-Kanal-LED-Konverters die Phasenlage der PWM-Impulse der vier Kanälen durch die Steuereinheit 106 des 4-Kanal-LED-Konverters derart gewählt, dass der zeitliche Mittelpunkt der Einschaltzeitdauern der PWM-Impulse von zwei LED-Kanälen (PWM Kanal 1 und PWM Kanal 4) innerhalb einer gewissen Toleranz, insbesondere 10%, zentriert um den zeitlichen Mittelpunkt der Auschaltzeitdauer der PWM-Impulsen der anderen beiden LED-Kanälen (PWM Kanal 2 und PWM Kanal 3) liegt.
Durch diese optimierte Lage der zeitlichen Mittelpunkte der Einschaltzeitdauer der PWM-Impulse der unterschiedlichen LED-Kanäle, wird eine optimierte Abtastung (Messung des Schalterstroms) durch den AD-Wandler für sämtliche LED-Kanäle auch bei Verwendung eines nur einzigen AD-Wandlers erreicht.
Denn wie aus 4 ersichtlich wird eine maximal mögliche Entzerrung erreicht, so dass in möglichst langen Zeitdauern nur zwei LED-Kanäle Einschaltzeitdauern von PWM-Impulsen zeigen (nur in diesen Einschaltzeitdauern muss der Strom erfasst bzw. gemessen werden), was die Abtastrate für die Erfassung des Schalterstroms durch den AD-Wandler für jeden der beiden während dieser Zeitdauer aktiven LED-Kanäle erhöht.
Ferner, wie aus 4 ersichtlich, wählt erfindungsgemäß die Steuerschaltung die Phasenlage der PWM-Impulse der vier LED-Kanäle so, dass der zeitliche Mittelpunkt der Einschaltzeitdauer des PWM-Impulses des ersten LED-Kanals (PWM Kanal 1) innerhalb von 10% zentriert um den zeitlichen Mittelpunkt der Einschaltdauer des PWM-Impulses des vierten LED-Kanals (PWM Kanal 4) liegt und dass der zeitliche Mittelpunkt der Ausschaltzeitdauer des PWM-Impulses des zweiten LED-Kanals (PWM Kanal 2) innerhalb von 10% zentriert um den zeitlichen Mittelpunkt der Ausschaltdauer des PWM-Impulses des dritten LED-Kanals (PWM Kanal 3) liegt.
Die gemäß 4 optimierte Auswahl der Phasenlage der PWM-Impulse durch die Steuerschaltung 106 kann erfindungsgemäß auch für Mehrkanal-LED-Konverter angewendet werden, die weniger oder mehr als vier LED-Kanäle aufweisen. In jedem Fall ist das gemäß 4 erläuterte Prinzip bei der Auswahl der Phasenlage der PWM-Impulse der unterschiedlichen LED-Kanäle anzuwenden.
Für die Implementierung dieser Auswahlfunktion in der Steuerschaltung können dem Fachmann bekannte Methoden verwendet werden.
Gemäß der Erfindung wird auch eine LED-Beleuchtungsvorrichtung vorgestellt, die wenigstens zwei LED-Strecken und einen erfindungsgemäßen Mehrkanal-LED-Konverter mit wenigsten zwei Wandlerstufen (zwei LED-Kanälen) zur Versorgung der wenigsten zwei LED-Strecken umfasst.
Der erfindungsgemäße Mehrkanal-LED-Konverter entspricht dem mit Bezug zu 2 oben beschriebenen LED-Mehrkanal-LED-Konverter und die Auswahl der Phasenlagen der PWM-Impulse der wenigstens zwei LED-Kanälen durch die Steuerschaltung erfolgt wie oben mit Bezug zu 4 beschrieben.
Jede der wenigsten zwei LED-Strecken kann eine oder mehrere LEDs aufweisen, die seriell und/oder parallel geschaltet sein können. Die eine oder mehreren LEDs jeder LED-Strecke können monochromatische LEDs und/oder Mischlicht-LEDs, insbesondere Weißlicht-LEDs sein. Ferner können die eine oder mehreren LEDs jeder LED-Strecke Licht unterschiedlichen Spektrums emittieren.
Wie bereits oben beschrieben kann die hochfrequente Taktung der Wandlerstufen (der LED-Kanäle) mit PWM-Modulationen, die unterschiedliche Tastgrade aufweisen, überlagert werden, so dass die Helligkeit des von der einen LED-Strecke emittierten Lichts von der Helligkeit des von der anderen LED-Strecke emittierten Lichts variieren kann.
Durch die erfindungsgemäße LED-Beleuchtungsvorrichtung können Mehrkanal-LED-Module realisiert werden, wie zum Beispiel Tuneable-White-Module, RGB-Module etc.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102005054541 A1 [0002]
WO 2009/018958 A1 [0002]
WO 2012/045478 A1 [0002]

Claims

Mehrkanal-LED-Konverter (101), aufweisend: – wenigstens zwei mit Schaltern (T1, T2) hochfrequent getakteten Wandlerstufen (102, 103) zur Versorgung von wenigstens zwei parallelen Ausgängen zur Versorgung von LED-Lasten (LED 1, LED 2), – eine Steuerschaltung (106), der an einem Schaltungspunkt Signale zugeführt sind, die im Zeitmultiplex den Strom durch die Schalter (T1, T2) der getakteten Wandlerstufen (102, 103) wiedergeben, – wobei die Steuerschaltung (106) der hochfrequenten Taktung der Wandlerstufen eine im Vergleich dazu niederfrequente PWM-Modulation überlagert, und dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerschaltung (106) die Phasenlage der PWM-Impulse so wählt, dass der zeitliche Mittelpunkt der Einschaltzeitdauer eines PWM-Impulses einer erste Wandlerstufe (102) innerhalb von 10% zentriert um den zeitlichen Mittelpunkt der Ausschaltzeitdauer eines PWM-Impulses einer zweiten Wandlerstufe (103) liegt.
Mehrkanal-LED-Konverter (101) gemäß Anspruch 1, – wobei die Steuerschaltung (106) dazu eingerichtet ist, um der hochfrequenten Taktung der Wandlerstufen (102, 103) PWM-Modulationen mit unterschiedlichen Tastgrad zu überlagern, so dass der PWM-Impuls der ersten Wandlerstufe (102) und der PMW-Impuls der zweiten Wandlerstufe (103) einen unterschiedlichen Tastgrad aufweisen, und – wobei die Steuerschaltung (106) dazu eingerichtet ist, um der hochfrequenten Taktung der Wandlerstufen (102, 103) PWM-Modulation mit gleichem Tastgrad zu überlagern, so dass der PWM-Impuls der ersten Wandlerstufe (102) und der PMW-Impuls der zweiten Wandlerstufe (103) den gleichen Tastgrad aufweisen.
Mehrkanal-LED-Konverter (101) gemäß einem der vorausgegangenen Ansprüche, ferner aufweisend: – einen AD-Wandler (107), der dazu eingerichtet ist, um den Strom durch die Schalter (T1, T2) der wenigstens zwei getakteten Wandlerstufen (102, 103) zu messen und die den Strom durch die Schalter (T1, T2,) der getakteten Wandlerstufen (102, 103) wiedergebenden Signale der Steuereinheit (106) im Zeitmultiplex zuzuführen.
Mehrkanal-LED-Konverter (101) gemäß Anspruch 3, – wobei der AD-Wandler dazu eingerichtet, um den Strom durch den Schalter (T1, T2) einer Wandlerstufe (102, 103) nur während der Einschaltdauer des PWM-Impuls der jeweiligen Wandlerstufe (102, 103) zu messen.
Mehrkanal-LED-Konverter (101) gemäß Anspruch 3 oder 4, – wobei jede Wandlerstufe der wenigstens zwei Wandlerstufen (102, 103) einen Shunt-Widerstand (R1, R2) in Serie zu dem jeweiligen Schalter aufweist, und – wobei der AD-Wandler dazu eingerichtet ist, um den Strom durch die Schalter der wenigsten zwei Wandlerstufe (102, 103) mittels dem jeweiligen Shunt-Widerstand (R1, R2) zu messen.
Mehrkanal-LED-Konverter (101) gemäß einem der vorausgegangenen Ansprüche, – wobei jede Wandlerstufe der wenigsten zwei Wandlerstufen (102, 103) ein Aufwärtswandler oder Abwärtswandler ist.
Mehrkanal-LED-Konverter (101) gemäß einem der vorausgegangenen Ansprüche, – wobei die wenigstens zwei Wandlerstufen (102, 103) gleiche Wandlerstufentypen oder unterschiedliche Wandlerstufentypen sind.
Mehrkanal-LED-Konverter (101) gemäß einem der vorausgegangenen Ansprüche, aufweisend: – vier mit Schaltern hochfrequent getakteten Wandlerstufen, – wobei die Steuerschaltung (106) die Phasenlage der PWM-Impulse so wählt, dass der zeitliche Mittelpunkt der Einschaltzeitdauer eines PWM-Impulses einer ersten Wandlerstufe und eines PWM-Impulses einer zweiten Wandlerstufe innerhalb von 10% zentriert um den zeitlichen Mittelpunkt der Ausschaltzeitdauer eines PWM-Impulses einer dritten Wandlerstufe und eines PWM-Impulses einer vierten Wandlerstufe liegt.
Mehrkanal-LED-Konverter (101) gemäß Anspruch 8, – wobei die Steuerschaltung (106) die Phasenlage der PWM-Impulse so wählt, dass der zeitliche Mittelpunkt der Einschaltzeitdauer des PWM-Impulses der ersten Wandlerstufe innerhalb von 10% zentriert um den zeitlichen Mittelpunkt der Einschaltdauer des PWM-Impulses der zweiten Wandlerstufe liegt und dass der zeitliche Mittelpunkt der Ausschaltzeitdauer des PWM-Impulses der dritten Wandlerstufe innerhalb von 10% zentriert um den zeitlichen Mittelpunkt der Ausschaltdauer des PWM-Impulses der vierten Wandlerstufe liegt.
LED-Beleuchtungsvorrichtung, aufweisend – wenigstens zwei LED-Strecken, – einen Mehrkanal-LED-Konverter (101) gemäß den Ansprüchen 1 bis 9 zum Betreiben der wenigstens zwei LED-Strecken, wobei – der Mehrkanal-LED-Konverter (101) dazu eingerichtet ist, die LED-Strecken gemäß wenigstens einem Dimmwert zu betreiben.
LED-Beleuchtungsvorrichtung gemäß Anspruch 10, – wobei die wenigstens zwei LED-Strecken monochromatische LEDs und/oder Mischlicht-LEDs, insbesondere Weißlicht-LEDs aufweisen.
LED-Beleuchtungsvorrichtung gemäß Anspruch 10 oder 11, – wobei die wenigstens zwei LED-Strecken Licht unterschiedlichen Spektrums emittieren.
Verfahren zum Betreiben eines Mehrkanal-LED-Konverters (101), aufweisend wenigstens zwei mit Schaltern (T1, T2) hochfrequent getakteten Wandlerstufen (102, 103) zur Versorgung von wenigstens zwei parallelen Ausgängen zur Versorgung von LED-Lasten (LED 1, LED 2) und eine Steuerschaltung (106), – wobei der Steuerschaltung (106) an einem Schaltungspunkt Signale zugeführt werden, die im Zeitmultiplex den Strom durch die Schalter (T1, T2) der getakteten Wandlerstufen (102, 103) wiedergeben, und – wobei der hochfrequenten Taktung der Wandlerstufen (102, 103) eine im Vergleich dazu niederfrequente PWM-Modulation überlagert wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Phasenlage der PWM-Impulse so gewählt wird, dass der zeitliche Mittelpunkt der Einschaltzeitdauer eines PWM-Impulses einer erste Wandlerstufe (102) innerhalb von 10% zentriert um den zeitlichen Mittelpunkt der Ausschaltzeitdauer eines PWM-Impulses einer zweiten Wandlerstufe (103) liegt.