DE102018007729B4

DE102018007729B4 - Treiberschaltkreis und verfahren zum led-dimmen

Info

Publication number: DE102018007729B4
Application number: DE102018007729.3A
Authority: DE
Inventors: Dongwon Kwon; Joshua William Caldwell
Original assignee: Analog Devices International ULC
Current assignee: Analog Devices International ULC
Priority date: 2017-10-05
Filing date: 2018-10-01
Publication date: 2023-09-21
Anticipated expiration: 2038-10-02
Also published as: US10136488B1; JP6837038B2; CN109640432B; DE102018007729A1; CN109640432A; JP2019071273A

Abstract

Treiberschaltkreis zum Steuern einer Spannung an einem Ausgabekondensator (103) des Treiberschaltkreises, der eine Intensitätsfluktuation einer LED-Last während eines tiefen Pulsbreitenmodulierungs (PWM)-Dimmens vermindert, wobei der Treiberschaltkreis umfasst:eine Leistungsstufe, die zum Bereitstellen eines Stroms für den Ausgabekondensator (103) und zum Bereitstellen eines Stroms für die LED-Last während einer Ein-Zeit eines PWM-Zyklus mittels eines PWM-Schalters (107) ausgebildet ist;einen Tiefdimmsteuerschaltkreis (222), der zum Empfangen von Fehlerstrominformationen des Treiberschaltkreises während der Ein-Zeit und zum Bereitstellen eines Ladungsaustauschs mit dem Ausgabekondensator während einer Aus-Zeit des PWM-Zyklus ausgebildet ist, wobei der Ladungsaustausch auf den Fehlerstrominformationen basiert; understen Fehlerverstärker (208) umfasst, der zum Empfangen eines LED-Intensitätssollwerts, zum Empfangen von Intensitätsrückkopplungsinformationen von einem Ausgang der Leistungsstufe (202) und zum Bereitstellen von Fehlerinformationen für die Leistungsstufe (202) ausgebildet ist, undwobei der Tiefdimmsteuerschaltkreis (222) einen Stromsensor (111) umfasst, der an einen Ausgang des ersten Fehlerverstärkers (208) gekoppelt ist, wobei der Stromsensor (111) zum Bereitstellen der Stromfehlerinformationen ausgebildet ist.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Diese Anmeldung betrifft Techniken für eine lichtemittierende Diode (LED)-Beleuchtung, einschließlich ein tiefes Dimmen bzw. Herabregeln einer LED-Beleuchtung.
HINTERGRUND
Eine lichtemittierende Diode (LED)-Technologie hat ausgehend von der Bereitstellung kleiner visueller Anzeigen eines elektronischen Betriebs zu einer Technologie Fortschritte gemacht, die auf verschiedene allgemeine Beleuchtungsanwendungen anwendbar ist, einschließlich Anwendungen für eine Wohngebäudebeleuchtung, eine gewerbliche Beleuchtung und eine Außenbeleuchtung. Bei allgemeinen Beleuchtungsanwendungen können LEDs ein genauso gutes oder besseres Leistungsvermögen bei einem Bruchteil des Energieverbrauchs aufweisen als bisherige Beleuchtungslösungen. Techniken für ein effizientes Dimmen einer LED-Beleuchtung zu sehr tiefen Dimmeinstellungen waren jedoch nur schwer zu verwirklichen.
DE 10 2013 106 189 A1 betrifft eine Steuerung zur Verwendung in einem Leistungswandler und ein Verfahren zum Betreiben desselben. Die Steuerung umfasst eine Leuchtdiodenketten-Steuerung die so gestaltet ist, dass sie ein Helligkeitssteuerungssignal empfängt und in Reaktion auf das Helligkeitssteuerungssignal die Stärke des Stroms in einer Leuchtdiondenkette steuert. Außerdem umfasst die Steuerung eine Leistungswandler-Steuerung, die so gestaltet ist, dass sie das Helligkeits-Steurungssignal empfängt und einen Ausgangsstrom des Leistungswandlers steuert, der ein Vielfaches der Stärke des Stroms in der Leuchtdiodenkette ist.
US 8,456,106 B2 betrifft eine Schaltung zur Speisung einer Leuchtdiodenkette (LED) mit einem schaltenden Leistungswandler. Eine Schaltung zur Helligkeitssteuerung ist mit dem schaltenden Leistungswandler gekoppelt, um zu ermöglichen, dass eine Dauer eines leitenden Zustands des Stromrichters eine Dauer eines leitenden Zustands der LED-Kette zu überschreiten, um die Stromstärke in der LED-Kette konstant zu halten.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
In den Zeichnungen, die nicht notwendigerweise maßstabsgetreu sind, können entsprechende Bezugszeichen ähnliche Komponenten in verschiedenen Ansichten beschreiben. Entsprechende Bezugszeichen mit verschiedenen tiefgestellten Buchstaben können verschiedene Beispiele ähnlicher Komponenten darstellen. Die Zeichnungen zeigen allgemein beispielhaft, jedoch nicht beschränkend, verschiedene Ausführungsformen, die in dem vorliegenden Dokument diskutiert werden.

1 zeigt allgemein ein Beispiel für ein LED-Treibersystem.
2 zeigt allgemein ein Beispielsystem für ein Tiefdimmen einer LED-Last.
3 zeigt allgemein ein Beispiel für einen Tiefdimmsteuerschaltkreis.
4 zeigt allgemein einen Beispielschaltkreis für ein Tiefdimmen einer LED-Last.
5 zeigt allgemein ein Flussdiagramm eines Beispielverfahrens zur Bereitstellung eines Tiefdimmens einer LED-Last.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Herkömmliche Verfahren des Dimmens von Beleuchtungssystemen durch eine Stromregelung in einem Gleichstromsystem können auch auf LED-Beleuchtungssysteme angewandt werden, wobei jedoch dann, wenn der Dimm-Sollwert vermindert wird, solche Verfahren ineffizient werden oder zu einem unerwünschten Flimmern der LED führen. Ein Schaltregler kombiniert mit einer pulsbreitenmodulierten Steuerung kann ein effizientes Dimmen einer LED auf ein bestimmtes Niveau unter Verwendung herkömmlicher Steuerungsverfahren bereitstellen. In einem solchen System wird die LED durch Bereitstellen der Ausgabe des Schaltreglers zu den LEDs mittels eines Pulsbreitenmodulierungs (PWM)-Schalters zum Leuchten gebracht. In bestimmten Beispielen kann der Schaltregler einen Strom für die LED zuführen. Ein PWM-Schalter verbindet und trennt die LEDs mit bzw. von dem Ausgang des Schaltreglers. Im Allgemeinen ist die Schaltfrequenz des Reglers viel höher als die PWM-Frequenz, was einen breiten Bereich einer Dimmsteuerung ermöglicht. Wenn jedoch die Ein-Zeit, die manchmal als Einschaltdauer bezeichnet wird, des PWM-Signals, das durch die PWM-Steuereinrichtung bereitgestellt wird, kürzer wird als das Schaltintervall des Reglers, das zum Übertragen von ausreichend Ladung zu der LED erforderlich ist, kann die Stromsteuerung des LED-Systems sowie das Vermögen zum weiteren Dimmen der LEDs verlorengehen. Wenn die Stromsteuerung aufgrund einer verkürzten Ein-Zeit des PWM-Schaltzyklus verlorengeht, können die LEDs so erscheinen, dass sie aus sind oder nicht mit Strom versorgt werden. In einigen Situationen kann sich ein Stromfehler akkumulieren, wenn das Dimmniveau sehr niedrig ist, und dann kann nach dem Empfangen eines höheren Dimm-Sollwerts das tatsächliche Dimmen zu hoch sein, während die Steuerschleife den akkumulierten Fehler behandelt.
Die vorliegenden Erfinder haben Techniken gefunden, die ein tiefes Dimmen in Systemen ermöglichen, die eine PWM-Steuerung nutzen, ohne die Stromsteuerung zu verlieren oder ein Flimmern der LED-Leuchten zu induzieren. In bestimmten Beispielen kann eine Dimmtechnik die PWM-„Aus“-Zeit jedes PWM-Zyklus zum Regeln der LED-Strompulsamplitude der sehr kurzen PWM-„Ein“-Zeit nutzen.
Die 1 zeigt allgemein ein Beispiel eines LED-Treibersystems 100. Das System 100 kann einen Steuerschaltkreis, wie z.B. eine PWM-Steuereinrichtung 105, einen LED-Treiber 112, einen PWM-Schalter 107, einen Ausgabekondensator 103 und einen Stromsensor 111, umfassen und kann eine LED-Last 101 umfassen oder damit gekoppelt sein. Die PWM-Steuereinrichtung 105 kann einen LED-Dimm-Sollwert empfangen. Die PWM-Steuereinrichtung 105 kann ein PWM-Signal 106 mit einer Einschaltdauer oder „Ein“-Zeit bereitstellen, die so eingestellt werden kann, dass sie dem Dimm-Sollwert entspricht. Der LED-Treiber 112 kann das PWM-Signal und eine Stromversorgungsspannung (V_IN) empfangen. Der LED-Treiber 112 kann ein Schaltnetzteil oder eine andere Leistungsregeleinrichtung zum Regeln eines Ausgangsstroms oder einer Ausgangsspannung (V_AUS) zu der LED-Last 101 umfassen, so dass ein durchschnittlicher Strom, der für die LED-Last 101 bereitgestellt wird, so eingestellt werden kann, dass er dem Dimm-Sollwert entspricht. Der Ausgabekondensator 103 kann die Ausgangsspannung oder den Ausgangsstrom des LED-Treibers 112 glätten und kann eine Energiespeicherung zusammenwirkend mit dem LED-Treiber 112 bereitstellen, so dass ein sehr tiefes Dimmen der LED-Last 101 möglich wird, während ein Flimmern vermieden wird. Der Stromsensor 111 kann durch den LED-Treiber 112 zum Bereitstellen einer Regelung des LED-Stroms verwendet werden. Beispielsweise kann der Stromsensor 111 in bestimmten Beispielen eine Rückkopplung zum Einstellen eines Zielwerts eines Spitzenstroms eines Reglers des LED-Treibers bereitstellen.
Die 2 zeigt allgemein ein Beispielsystem 100 zum Tiefdimmen einer LED-Last 101. Das System 100 kann eine LED-Last 101, einen Treiber 112, der eine Leistungsstufe 202 zum Bereitstellen von Leistung für die LED-Last 101 umfasst, einen Ausgabekondensator 103 zum Glätten der Spannung oder des Stroms, die oder der an die LED-Last 101 angelegt wird, eine Rückkopplungsschleife 204 zum Steuern des Stroms für die LED-Last 101 während jeder „Ein“-Zeit jedes PWM-Zyklus und eine Steuereinrichtung 105 umfassen. Die Steuereinrichtung 105 kann ein Dimmniveau der LED-Last 101 empfangen oder kann so programmiert werden, dass sie ein Dimmniveau der LED-Last 101 einstellt oder variiert. Die Steuereinrichtung 105 kann eine Einschaltdauer jedes PWM-Zyklus bestimmen und eine oder mehrere PWM-Ausgabe(n) 106 mit der geeigneten „Ein“-Zeit, die mit der Einschaltdauer zusammenhängt, bereitstellen. In bestimmten Beispielen kann die Steuereinrichtung 105 einen Stromreferenz-Sollwert (CTRL) für die Ein-Zeit jedes PWM-Zyklus einstellen. In einigen Beispielen kann die Steuereinrichtung 105 den Stromreferenz-Sollwert (CTRL) bei oder in der Nähe des Nennmaximums der Leistungsstufe 202 oder der LED-Last 101 einstellen.
Wenn ein PWM-Signal zu der Leistungsstufe 202 aktiv ist (z.B. während der „Ein“-Zeit eines PWM-Zyklus), kann die Leistungsstufe 202 Leistung an den Ausgabekondensator 103 und die LED-Last 101 abgeben. Die Leistung, die durch die Leistungsstufe 202 zu der LED-Last 101 abgegeben wird, kann mittels eines PWM-Schalters 107 abgegeben werden. Die Leistung, die durch die Leistungsstufe 202 abgegeben wird, kann zu einer Betriebsschwelle (Vc) geregelt werden, die an der Leistungsstufe 202 empfangen wird. In bestimmten Beispielen kann die Leistungsstufe 202 einen internen Taktgeber und einen Stromerzeuger umfassen, die, wenn sie aktiviert sind, Strom zu dem Ausgang der Leistungsstufe 202 in der Form einer ansteigenden Rampe bereitstellen. Wenn eine Darstellung des Niveaus der Stromrampe die Betriebsschwelle (Vc) erreicht, kann der Stromerzeuger deaktiviert werden. In bestimmten Beispielen, wenn der Stromerzeuger deaktiviert wird, kann der Stromfluss von dem Niveau, das die Betriebsschwelle (Vc) darstellt, über einen Entladezeitraum abnehmen. Nach dem Empfangen eines Taktgeberpulses von dem internen Taktgeber kann der Stromerzeuger aktiviert werden und erneut einen Strom mit einer ansteigenden Rampe bereitstellen.
Die Rückkopplungsschleife 204 kann Intensitätsrückkopplungsinformationen bereitstellen und den Betriebssollwert (Vc) einstellen. Die Rückkopplungsschleife 204 kann einen Fehlerverstärker 208 und einen Schwellenkondensator 209 umfassen. Während jeder PWM-„Ein“-Zeit sind der Ausgang des Fehlerverstärkers 208 und des Schwellenkondensators 209 mittels eines oder mehrerer PWM-Schalter(s) 210 mit einem Eingang der Leistungsstufe 202 verbunden, so dass die Betriebsschwelle (Vc) bereitgestellt wird. Der Fehlerverstärker 208 kann mittels des LED-Stromsensors 111 den tatsächlichen Strom der LED-Last 101 mit der Stromreferenz (CTRL) vergleichen und die Spannung über dem Schwellenkondensator 209 entsprechend laden oder entladen. Während jeder PWM-„Aus“-Zeit können der Schwellenkondensator 209 und der Ausgang des Fehlerverstärkers 208 mittels des einen oder der mehreren PWM-Schalter(s) 210 von der Leistungsstufe 202 sowie voneinander isoliert werden.
Das vorstehend genannte Steuerschema stellt eine effiziente Leistungsabgabe an die LED-Last 101 über einen breiten Bereich von Dimm-Sollwerten bereit. Wenn jedoch die PWM-„Ein“-Zeit sehr klein wird, können die begrenzte Reaktionszeit des Fehlerverstärkers 208, die begrenzte Reaktionszeit der Leistungsstufe 202, die Spannungsleckage am Ausgabekondensator 103 während der langen PWM-„Aus“-Zeiten und die beschränkte Energieabgabekapazität der Leistungsstufe 202 beispielsweise aufgrund der relativen Niveaus der Eingangs- und Ausgangsspannungen der Leistungsstufe 202 ein Tiefdimmen der LED-Last 101 mittels einer Leistungsübertragung der Leistungsstufe 202 nur während der PWM-„Ein“-Zeit verhindern.
In bestimmten Beispielen kann der Schaltkreis 100 einen Tiefdimmschaltkreis 220 umfassen, so dass das Dimmvermögen der Leistungsstufe 202 zusammenwirkend mit dem Ausgabekondensator 103 erweitert wird. Der Tiefdimmschaltkreis 220 kann einen Stromsensor (R_S) 221, einen Tiefdimmsteuerungsschaltkreis 222 und einen Spannungsfehlerverstärker 223 umfassen. Der Stromsensor 221 kann eine Angabe des Stroms (I_EA) am Ausgang des Stromfehlerverstärkers 208 bereitstellen. Wenn der Stromfehlerverstärker 208 während der PWM-„Ein“-Zeit Strom ausgegeben hat, bedeutet dies, dass der Schaltkreis 100 mehr Energie gebraucht hat, die zu der LED-Last 101 übertragen worden ist, um während der PWM-„Ein“-Zeit einen stationären Zustand zu erreichen. Wenn der Stromfehlerverstärker 208 während der PWM-„Ein“-Zeit Strom gezogen hat, bedeutet dies, dass der Schaltkreis 100 zuviel Energie aufwies, die zu der LED-Last 101 übertragen worden ist, um während der PWM-„Ein“-Zeit den stationären Zustand zu erreichen. Wenn der Stromfehlerverstärker 208 Strom weder ausgegeben noch gezogen hat, bedeutet dies, dass der Schaltkreis 100 die richtige Energiemenge zum Erreichen des stationären Zustands während der PWM-„Ein“-Zeit bereitgestellt hat. Der Tiefdimmsteuerungsschaltkreis 220 kann die Stromfehlerinformationen, die durch den Stromsensor 221 gesammelt worden sind, zum Bereitstellen eines Spannungs- oder Tiefdimm-Sollwerts für den Spannungsfehlerverstärker 223 nutzen. Während jeder PWM-„Aus“-Zeit kann der Spannungsfehlerverstärker 223 den Spannungssollwert der Steuereinrichtung 222 des Tiefdimmschaltkreises 220 mit der tatsächlichen Spannung über dem Ausgabekondensator 103 vergleichen und kann ein Spannungsfehlersignal für die Leistungsstufe 202 bereitstellen. Während jeder PWM-„Aus“-Zeit kann die Leistungsstufe 202 erneut aktiviert oder verwendet werden, um den Ausgabekondensator 103 auf eine Spannung zu laden, die durch das Spannungsfehlersignal von dem Ausgang des Spannungsfehlerverstärkers 223 gesteuert wird. Folglich kann der Ausgabekondensator 103 geladen oder initialisiert werden, um eine komplementäre Menge an Energie zuzuführen, insbesondere während eines Tiefdimmens der LED-Last 101, so dass der durchschnittliche Strom, der für die LED-Last 101 während einer anschließenden PWM-„Ein“-Zeit bereitgestellt wird, dem Dimm-Sollwert des Schaltkreises 100 entspricht. Im Allgemeinen kann der Beispielschaltkreis 100 die Ausgangsstrominformationen des Stromfehlerverstärkers 208 nutzen, um die Ausgangsspannung der Leistungsstufe 202 über dem Ausgabekondensator 103 während der PWM-„Aus“-Zeit so zu regeln, dass die LED-Last 101 zu Beginn der nächsten PWM-„Ein“-Zeit mit der korrekten Spannung vorbelastet werden kann.
In bestimmten Beispielen kann ein PWM-Schalter 107 den Ausgabekondensator 103 mit der LED-Last 101 während PWM-„Ein“-Zeiten verbinden und den Ausgabekondensator 103 von der LED-Last 101 während PWM-„Aus“-Zeiten isolieren. In bestimmten Beispielen kann die Leistungsstufe 202 so gestaltet sein, dass sie den Ausgabekondensator 103 während der PWM-„Aus“-Zeit lädt oder entlädt. In einigen Beispielen kann eine zusätzliche Logik die Leistungsstufe 202 mittels der PWM-Eingabe während der PWM-„Aus“-Zeit erneut aktivieren oder nutzen, um ein Laden oder Entladen des Ausgabekondensators 103 zu ermöglichen.
Die 3 zeigt allgemein ein Beispiel eines Tiefdimmsteuerungsschaltkreises 222. Der Tiefdimmsteuerungsschaltkreis 222 kann einen Digital-Analog-Wandler (DAC) 324, einen Zähler 325 und eine Zähllogik 326 umfassen. Die Zähllogik 326 kann Strominformationen von dem Stromsensor empfangen, die mit der Ausgabe des Stromfehlerverstärkers des Dimmschaltkreises zusammenhängen. Die Zähllogik 326 kann die Strominformationen zum Steuern des Zählers 325 verarbeiten. In einem Beispiel kann die Zähllogik 326 ein Paar von Komparatoren 327, 328, Komparatorfensterspannungsreferenzen 329, 330 und ein Logikgatter 331, wie z.B. ein NOR-Gatter, umfassen. In bestimmten Beispielen können die Komparatoren 327, 328 zum Verwenden des PWM-Signals (PWM) eingesetzt werden. Abhängig von der Polarität und der Größe der Spannungsdifferenz zwischen den Ausgaben (Pre-Vc), (Mid_Vc) des Stromsensors, wie sie an dem Tiefdimmsteuerungsschaltkreis 222 empfangen werden, kann einer der Komparatoren 327, 328 den Zähler 325 zum Inkrementieren entweder aufwärts oder abwärts auslösen. Wenn die Größe der Spannungsdifferenz zwischen den Ausgaben (Pre-Vc), (Mid_Vc) des Stromsensors, wie sie an dem Tiefdimmsteuerungsschaltkreis 222 empfangen werden, nicht groß genug ist, wie es durch die Einstellung der Komparatorfensterspannungsreferenzen 329, 330 bestimmt wird, kann der Wert des Zählers 325 unverändert bleiben. Der DAC 324 kann die digitale Ausgabe des Zählers 325 empfangen und den Tiefdimm-Sollwert des Tiefdimmsteuerungsschaltkreises 222 bereitstellen.
In bestimmten Beispielen können die hier bereitgestellten Tiefdimmtechniken als ein Weg betrachtet werden, eine korrekte Anfangsbedingung für den LED-Laststrom zu finden. Die Techniken ermöglichen eine Einstellung der Ausgangsspannung der Leistungsstufe mittels des Ausgabekondensators während der PWM-„Aus“-Zeit, so dass der LED-Laststrom zu Beginn und in dem frühen Teil der folgenden PWM-„Ein“-Zeit genau sein kann. Wenn die PWM-„Ein“-Zeit lang genug ist (d.h., länger als die Zeitkonstante am Ausgang), kann die Hauptstromrückkopplungsschleife den LED-Strom wie in herkömmlichen LED-Treibern regeln. Darüber hinaus kann der vorliegende Gegenstand das LED-Lastregelvermögen ergänzen, wenn die PWM-„Ein“-Zeit so kurz wird, dass die Rückkopplungsschleife keinen genauen LED-Laststrom anweisen kann. Um dies zu bewirken, können die hier angegebenen Techniken die PWM-„Aus“-Zeit zum Steuern einer zusätzlichen Energieübertragung des Ausgabekondensators nutzen. Folglich weisen die Techniken nicht die Beschränkungen von herkömmlichen Techniken auf, wie z.B. die begrenzte Reaktionsgeschwindigkeit der Leistungsstufe, Spannungsleckagen an dem Ausgabekondensator, die begrenzte Energieabgabekapazität der LED-Treiberleistungsstufe, die durch die relativen Niveaus der Versorgungsspannung und der Ausgangsspannung der Leistungsstufe eingestellt wird, und die maximale Eingangsstromgrenze der Leistungsstufe 202 während kurzer PWM-„Ein“-Zeiten.
Die 4 zeigt allgemein einen Beispielschaltkreis 100 zum Tiefdimmen einer LED-Last. Der Schaltkreis 100 kann eine LED-Last 101, eine Leistungsstufe 202 zum Bereitstellen von Leistung für die LED-Last 101, einen Ausgabekondensator 103 zum Glätten der Spannung oder des Stroms, die oder der an die LED-Last 101 angelegt wird, eine Rückkopplungsschleife 204 zum Steuern des Stroms zu der LED-Last 101 während jeder „Ein“-Zeit jedes PWM-Zyklus und eine Steuereinrichtung 105 umfassen. Die Steuereinrichtung 105 kann ein Dimmniveau der LED-Last empfangen oder kann so programmiert werden, dass sie ein Dimmniveau der LED-Last einstellt oder variiert. Die Steuereinrichtung 105 kann eine Einschaltdauer jedes PWM-Zyklus bestimmen und kann eine oder mehrere PWM-Ausgabe(n) 106 mit der geeigneten „Ein“-Zeit bereitstellen, die mit der Einschaltdauer zusammenhängt. In bestimmten Beispielen kann die Steuereinrichtung 105 einen Stromreferenz-Sollwert (CTRL) für die Ein-Zeit jedes PWM-Zyklus einstellen. In einigen Beispielen kann die Steuereinrichtung 105 den Stromreferenz-Sollwert (CTRL) bei oder in der Nähe eines Nennmaximums der Leistungsstufe 202 oder der LED-Last 101 einstellen.
Wenn eine PWM-Eingabe in die Leistungsstufe 202 aktiv ist (z.B. während der „Ein“-Zeit eines PWM-Zyklus), kann die Leistungsstufe 202 Leistung zu dem Ausgabekondensator 103 und der LED-Last 101 ausgeben. Die Leistung, die durch die Leistungsstufe 202 zu der LED-Last 101 ausgegeben wird, kann mittels eines PWM-Schalters 107 ausgegeben werden. Die Leistung, die durch die Leistungsstufe 202 ausgegeben wird, kann zu einer Betriebsschwelle (Vc) geregelt werden, die an der Leistungsstufe 202 empfangen wird. In bestimmten Beispielen kann die Leistungsstufe 102 einen internen Taktgeber und einen Stromerzeuger umfassen, die, wenn sie aktiviert sind, Strom zu dem Ausgang der Leistungsstufe 202 in der Form einer ansteigenden Rampe bereitstellen. Wenn eine Darstellung des Niveaus der Stromrampe die Betriebsschwelle (Vc) erreicht, kann der Stromerzeuger deaktiviert werden. In bestimmten Beispielen, wenn der Stromerzeuger deaktiviert wird, kann der Stromfluss von dem Niveau, das für die Betriebsschwelle (Vc) repräsentativ ist, während eines Entladungszeitraums abnehmen. Nach dem Empfangen eines Taktgeberpulses von dem internen Taktgeber kann der Stromerzeuger aktiviert werden und kann erneut Strom mit einer ansteigenden Rampe bereitstellen.
Die Rückkopplungsschleife 204 kann die Betriebsschwelle (Vc) einstellen. Die Rückkopplungsschleife 204 kann einen Fehlerverstärker 208 und einen Schwellenkondensator 209 umfassen. Während jeder PWM-„Ein“-Zeit sind der Ausgang des Fehlerverstärkers 208 und des Schwellenkondensators 209 mittels eines oder mehrerer Schalter(s) 210 mit einem Eingang der Leistungsstufe 202 verbunden, um die Betriebsschwelle (Vc) bereitzustellen. Der Fehlerverstärker 208 vergleicht mittels eines LED-Stromsensors 111 den tatsächlichen Strom der LED-Last 101 mit der Stromreferenz (CTRL) und lädt oder entlädt die Spannung über dem Schwellenkondensator 209 entsprechend. Während jeder PWM-„Aus“-Zeit sind der Schwellenkondensator 209 und der Ausgang des Fehlerverstärkers 208 mittels des einen oder der mehreren PWM-Schalter(s) 210 von der Leistungsstufe 202 sowie voneinander isoliert.
Das vorstehend genannte Steuerschema stellt eine effiziente Leistungsabgabe an die LED-Last 101 über einem breiten Bereich von Dimm-Sollwerten bereit. Wenn die PWM-„Ein“-Zeit jedoch sehr klein wird, können die begrenzte Reaktionszeit des Fehlerverstärkers 108, die begrenzte Reaktionszeit der Leistungsstufe 202, die Spannungsleckage an dem Ausgabekondensator 103 während der langen PWM-„Aus“-Zeiten und die begrenzte Energieabgabekapazität der Leistungsstufe 102 beispielsweise aufgrund der relativen Niveaus der Eingangs- und Ausgangsspannungen der Leistungsstufe 202 ein Tiefdimmen der LED-Last 101 unter Verwendung einer Leistungsübertragung der Leistungsstufe 102 nur während der PWM-„Ein“-Zeit verhindern.
In bestimmten Beispielen kann der Schaltkreis 100 einen Tiefdimmschaltkreis 420 umfassen, um das Dimmvermögen des Schaltkreises 100 zusammenwirkend mit dem Ausgabekondensator 103 zu erhöhen. Der Tiefdimmschaltkreis 420 kann einen Stromsensor 221, einen Tiefdimmsteuerungsschaltkreis 222, einen Spannungsfehlerverstärker 223 und eine zweite Leistungsstufe 402 umfassen. Der Stromsensor 221 kann eine Angabe des Stroms am Ausgang des Stromfehlerverstärkers 208 bereitstellen. Wenn der Stromfehlerverstärker 208 während der PWM-„Ein“-Zeit Strom ausgegeben hat, bedeutet dies, dass der Schaltkreis 100 mehr Energie gebraucht hat, die zu der LED-Last 101 übertragen worden ist, um während der PWM-„Ein“-Zeit einen stationären Zustand zu erreichen. Wenn der Stromfehlerverstärker 208 während der PWM-„Ein“-Zeit Strom gezogen hat, bedeutet dies, dass der Schaltkreis 100 zuviel Energie aufwies, die zu der LED-Last 101 übertragen worden ist, um während der PWM-„Ein“-Zeit den stationären Zustand zu erreichen. Wenn der Stromfehlerverstärker 208 Strom weder ausgegeben noch gezogen hat, bedeutet dies, dass der Schaltkreis 100 die richtige Energiemenge zum Erreichen des stationären Zustands während der PWM-„Ein“-Zeit bereitgestellt hat. Der Tiefdimmsteuerungsschaltkreis 420 kann die Informationen, die durch den Stromsensor 221 gesammelt worden sind, zum Bereitstellen eines Spannungssollwerts für den Spannungsfehlerverstärker 223 nutzen. Während jeder PWM-„Aus“-Zeit kann der Spannungsfehlerverstärker 223 den Spannungssollwert des Dimmsteuerungsschaltkreises 222 des Tiefdimmschaltkreises 420 mit der tatsächlichen Spannung über dem Ausgabekondensator 103 vergleichen und kann eine Sollspannung für die zweite Leistungsstufe 402 bereitstellen. Während jeder PWM-„Aus“-Zeit kann die zweite Leistungsstufe 402 erneut aktiviert werden, um den Ausgabekondensator 103 auf eine Spannung zu laden, die durch die Ausgabe des Spannungsfehlerverstärkers 223 eingestellt wird. Folglich kann der Ausgabekondensator 103 geladen oder initialisiert werden, um eine komplementäre Menge an Energie zuzuführen, insbesondere während eines Tiefdimmens der LED-Last 101, so dass der durchschnittliche Strom, der für die LED-Last 101 während einer anschließenden PWM-„Ein“-Zeit bereitgestellt wird, dem Dimm-Sollwert oder Intensitätssollwert des Schaltkreises 100 entspricht. Im Allgemeinen kann der Beispielschaltkreis 100 die Ausgangsstrominformationen des Stromfehlerverstärkers 208 nutzen, um die Ausgangsspannung der Leistungsstufe 202 über dem Ausgabekondensator 103 während der PWM-„Aus“-Zeit so zu regeln, dass die LED-Last 101 zu Beginn der nächsten PWM-„Ein“-Zeit mit der korrekten Spannung vorbelastet werden kann.
In bestimmten Beispielen, einschließlich die Beispiele, die sowohl in der 2 als auch in der 4 gezeigt sind, kann der Stromfehlerverstärker 208 vorübergehend als Komparator verwendet werden. In bestimmten Beispielen kann die Ausgabe des Stromfehlerverstärkers für einen kurzen Zeitraum erfasst werden, beispielsweise, jedoch nicht beschränkt auf, unmittelbar nach dem Öffnen der PWM-Schalter 210. In einem solchen Beispiel kann die Ausgabe des Stromfehlerverstärkers 208 erfasst werden, um zu bestimmen, ob der Zähler 325 aufwärtsinkrementiert, abwärtsinkrementiert oder unverändert belassen werden sollte. In bestimmten Beispielen kann der Fehlerstromsensor 221 sowie mindestens ein Teil der Zähllogik 326 des Tiefdimmsteuerungsschaltkreises 222 auch weggelassen werden, wenn der Stromfehlerverstärker 208 vorübergehend als Komparator verwendet wird.
In einigen Beispielen kann ein separater Komparator (nicht gezeigt) zum Vergleichen des LED-Stroms und des CTRL-Werts verwendet werden. Erneut kann der separate Komparator für einen kurzen Zeitraum aktiviert werden, beispielsweise, jedoch nicht beschränkt auf, nach einer fallenden PWM-Kante (d.h., beginnend mit der PWM-Aus-Zeit), um zu bestimmen, ob der Zähler 325 aufwärtsinkrementiert werden soll, der Zähler 325 abwärtsinkrementiert werden soll oder der Zähler 325 unverändert belassen werden soll. In einem solchen Beispiel können der Fehlerstromsensor 221 und mindestens ein Teil der Zähllogik 326 des Tiefdimmsteuerungsschaltkreises 222 gegebenenfalls weggelassen werden.
Die 5 zeigt allgemein ein Flussdiagramm eines Beispielverfahrens 500 zum Bereitstellen eines Tiefdimmens einer LED-Last. Bei 501 kann ein Stromdetektor Strom- oder Stromfluss-Fehlerinformationen eines Treibers der LED-Last empfangen. In bestimmten Beispielen kann ein Spannungssignal die Stromfehlerinformationen umfassen und kann mit einem Widerstand erfasst werden, der mit dem Ausgang eines Fehlerverstärkers des Treibers gekoppelt ist. Bei 502 kann ein Zähler auf der Basis der Stromfehlerinformationen inkrementiert werden, beispielsweise wenn die Stromfehlerinformationen eine Schwelle überschreiten. In bestimmten Beispielen kann, wenn die Stromfehlerinformationen eine erste Polarität aufweisen, der Zähler aufwärtsinkrementiert werden. Wenn die Stromfehlerinformationen die entgegengesetzte Polarität aufweisen, kann der Zähler abwärtsinkrementiert werden. In einigen Beispielen kann der Zähler nicht inkrementiert werden, wenn der Wert der Fehlerinformationen relativ klein ist oder der Absolutwert oder die Absolutgröße der Stromfehlerinformationen kleiner als eine Schwelle ist. Bei 503 kann ein Ausgabekondensator, der mit einem Ausgang des Treibers gekoppelt ist, auf der Basis des Werts des Zählers geladen werden. In einigen Beispielen kann die Ausgabe des Zählers das Laden eines Ausgabekondensators des Treibers während „Aus“-Zeiten des PWM-Zyklus steuern. Das Laden des Ausgabekondensators während der „Aus“-Zeit des PWM-Zyklus kann dabei unterstützen, während der „Ein“-Zeit des PWM-Zyklus einen durchschnittlichen Strom abzugeben, der dem Dimm-Sollwert entspricht, der ansonsten nicht zu der LED-Last ausgegebenen werden könnte, und zwar aufgrund von strukturellen Beschränkungen, die den Treiber daran hindern, den erforderlichen Strom während der PWM-„Ein“-Zeit abzugeben. In bestimmten Beispielen kann ein Digital-Analog-Wandler (DAC) ein Anweisungssignal für einen Treiber bereitstellen, das Laden des Ausgabekondensators während der „Aus“-Zeit des PWM-Zyklus zu steuern.
In einigen Beispielen kann derselbe Mechanismus der Leistungsstufe, der zum Bereitstellen von Energie für die LED-Last während der „Ein“-Zeit des PWM-Zyklus verwendet wird, zum Laden des Ausgabekondensators während der „Aus“-Zeit des PWM-Zyklus verwendet werden. In einigen Beispielen kann ein zweiter Mechanismus der Leistungsstufe separat von dem Mechanismus, der zum Bereitstellen von Energie für die LED-Last während der „Ein“-Zeit des PWM-Zyklus verwendet wird, zum Laden des Ausgabekondensators während der „Aus“-Zeit des PWM-Zyklus verwendet werden. In einigen Beispielen kann die Leistungsstufe einen Schaltregler, wie z.B., jedoch nicht beschränkt auf, einen Aufwärtsregler, einen Abwärtsregler oder einen Abwärts-Aufwärts-Regler, umfassen. In einigen Beispielen kann eine zweite Leistungsstufe oder ein zweiter Mechanismus der Leistungsstufe einen Linearregler, einen Schaltregler oder eine Ladepumpe umfassen, ist jedoch nicht darauf beschränkt.
Die vorstehende detaillierte Beschreibung umfasst Bezugnahmen auf die beigefügten Zeichnungen, die einen Teil der detaillierten Beschreibung bilden. Die Zeichnungen zeigen veranschaulichend spezifische Ausführungsformen, in denen die Erfindung ausgeführt werden kann. Diese Ausführungsformen werden hier auch als „Beispiele“ bezeichnet. Solche Beispiele können Elemente zusätzlich zu denjenigen umfassen, die gezeigt oder beschrieben sind. Die vorliegenden Erfinder sehen jedoch auch Beispiele vor, in denen nur diejenigen Elemente bereitgestellt sind, die gezeigt oder beschrieben sind. Darüber hinaus sehen die vorliegenden Erfinder auch Beispiele vor, bei denen jedwede Kombination oder Permutation solcher gezeigten oder beschriebenen Elemente (oder eines Aspekts oder mehrerer Aspekte davon) entweder in Bezug auf ein bestimmtes Beispiel (oder eines Aspekts oder mehrerer Aspekte davon) oder in Bezug auf andere Beispiele (oder eines Aspekts oder mehrerer Aspekte davon), das oder die hier gezeigt oder beschrieben ist oder sind, verwendet wird. In dem Fall einer uneinheitlichen Verwendung zwischen diesem Dokument und jedweden Dokumenten, die unter Bezugnahme einbezogen sind, geht die Verwendung in diesem Dokument vor.
In diesem Dokument werden die Begriffe „ein“, „einer“ oder „eines“, wie es in Patentdokumenten üblich ist, so verwendet, dass eines oder mehrere umfasst sind, und zwar unabhängig von anderen Fällen oder Verwendungen von „mindestens ein(es)/einer“ oder „ein oder mehrere“. In diesem Dokument wird der Begriff „oder“ so verwendet, dass er sich auf ein nichtausschließliches oder bezieht, so dass „A oder B“ „A, jedoch nicht B“, „B, jedoch nicht A“ und „A und B“ umfasst sind, falls nichts anderes angegeben ist. In diesem Dokument werden die Begriffe „einschließlich“ und „in dem/denen“ als die englischen Äquivalente der jeweiligen Begriffe „umfassend“ und „worin“ verwendet. Ferner sind die Begriffe „einschließlich“ und „umfassend“ offen, d.h., ein System, eine Vorrichtung, ein Gegenstand, eine Zusammensetzung, eine Formulierung oder ein Verfahren, das Elemente zusätzlich zu denjenigen umfasst, die nach einem solchen Begriff angegeben sind, sollen in den Umfang des diskutierten Gegenstands fallen. Darüber hinaus werden, wenn sie in einem Anspruch verwendet werden, die Begriffe „erste“, „zweite“ und „dritte“, usw., lediglich als Bezeichnungen verwendet und sollen keine numerischen Anforderungen bezüglich ihrer Gegenstände darstellen.
Die hier beschriebenen Verfahrensbeispiele können zumindest teilweise maschinen- oder computerimplementiert werden. Einige Beispiele können ein computerlesbares Medium oder maschinenlesbares Medium umfassen, in dem Anweisungen kodiert sind, die so ausgeführt werden können, dass sie eine elektronische Vorrichtung zum Ausführen von Verfahren betreiben können, wie sie in den vorstehenden Beispielen beschrieben sind. Eine Implementierung von solchen Verfahren kann einen Code, wie z.B. einen Mikrocode, einen Assemblysprache-Code, einen Sprachcode auf einem höheren Niveau oder dergleichen umfassen. Ein solcher Code kann computerlesbare Anweisungen zum Ausführen verschiedener Verfahren umfassen. Der Code kann Teile von Computerprogrammprodukten bilden. Ferner kann der Code in einem Beispiel materiell auf einem oder mehreren flüchtigen, dauerhaften oder nicht-flüchtigen materiellen computerlesbaren Medium oder Medien gespeichert sein, wie z.B. während der Ausführung oder zu anderen Zeiten. Beispiele für diese materiellen computerlesbaren Medien können Festplatten, entnehmbare Magnetplatten, entnehmbare optische Platten (z.B. Compact Discs und digitale Videodiscs), Magnetkassetten, Speicherkarten oder -sticks, Direktzugriffsspeicher (RAMs), Festwertspeicher (ROMs) und dergleichen umfassen, sind jedoch nicht darauf beschränkt. Die vorstehende Beschreibung soll veranschaulichend und nicht beschränkend sein. Beispielsweise können die vorstehend beschriebenen Beispiele (oder ein oder mehrere Aspekt(e) davon) in einer Kombination miteinander verwendet werden. Andere Ausführungsformen können verwendet werden, wie z.B. von einem Fachmann nach dem Lesen der vorstehenden Beschreibung. Die Zusammenfassung ist gemäß 37 C.F.R. §1.72(b) beigefügt, so dass der Leser die Art der technischen Offenbarung schnell erfassen kann. Sie ist unter der Voraussetzung angegeben, dass sie nicht zur Interpretation oder Beschränkung des Umfangs oder der Bedeutung eines Anspruchs verwendet wird. Ferner können in der vorstehenden detaillierten Beschreibung verschiedene Merkmale zusammen gruppiert werden, um die Offenbarung zu vereinfachen. Dies sollte jedoch nicht so aufgefasst werden, dass ein nicht beanspruchtes offenbartes Merkmal für irgendeinen Anspruch essentiell ist. Vielmehr kann in weniger als allen Merkmalen einer bestimmten offenbarten Ausführungsform ein erfindungsgemäßer Gegenstand liegen. Die folgenden Aspekte sind hierdurch in die detaillierte Beschreibung als Beispiele oder Ausführungsformen einbezogen, wobei jeder Aspekt als selbständige getrennte Ausführungsform vorliegt, und es ist vorgesehen, dass solche Ausführungsformen in verschiedenen Kombinationen oder Permutationen miteinander kombiniert werden können.

Claims

Treiberschaltkreis zum Steuern einer Spannung an einem Ausgabekondensator (103) des Treiberschaltkreises, der eine Intensitätsfluktuation einer LED-Last während eines tiefen Pulsbreitenmodulierungs (PWM)-Dimmens vermindert, wobei der Treiberschaltkreis umfasst: eine Leistungsstufe, die zum Bereitstellen eines Stroms für den Ausgabekondensator (103) und zum Bereitstellen eines Stroms für die LED-Last während einer Ein-Zeit eines PWM-Zyklus mittels eines PWM-Schalters (107) ausgebildet ist; einen Tiefdimmsteuerschaltkreis (222), der zum Empfangen von Fehlerstrominformationen des Treiberschaltkreises während der Ein-Zeit und zum Bereitstellen eines Ladungsaustauschs mit dem Ausgabekondensator während einer Aus-Zeit des PWM-Zyklus ausgebildet ist, wobei der Ladungsaustausch auf den Fehlerstrominformationen basiert; und ersten Fehlerverstärker (208) umfasst, der zum Empfangen eines LED-Intensitätssollwerts, zum Empfangen von Intensitätsrückkopplungsinformationen von einem Ausgang der Leistungsstufe (202) und zum Bereitstellen von Fehlerinformationen für die Leistungsstufe (202) ausgebildet ist, und wobei der Tiefdimmsteuerschaltkreis (222) einen Stromsensor (111) umfasst, der an einen Ausgang des ersten Fehlerverstärkers (208) gekoppelt ist, wobei der Stromsensor (111) zum Bereitstellen der Stromfehlerinformationen ausgebildet ist.
Treiberschaltkreis nach Anspruch 1, bei dem der Tiefdimmsteuerschaltkreis (222) zum Bereitstellen eines Tiefdimm-Sollwerts ausgebildet ist, der eine Spannung des Ausgabekondensators (103) während der Aus-Zeit des PWM-Zyklus angibt.
Treiberschaltkreis nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der Tiefdimmsteuerschaltkreis (222) einen Zähler (325) umfasst; und bei dem der Tiefdimmsteuerschaltkreis (222) zum Empfangen der Fehlerstrominformationen von dem Stromsensor (111), zum Empfangen eines PWM-Steuersignals und zum Auslösen eines Zustands des Zählers (325) bei einem Übergang des PWM-Steuersignals auf der Basis der Fehlerstrominformationen ausgebildet ist.
Treiberschaltkreis nach Anspruch 3, der einen Digital-Analog-Wandler (DAC) umfasst, der zum Empfangen einer Ausgabe des Zählers (325) und zum Bereitstellen des Tiefdimm-Sollwerts ausgebildet ist.
Treiberschaltkreis nach einem der Ansprüche 2 bis 4, der einen zweiten Fehlerverstärker (208) umfasst, der zum Empfangen des Tiefdimm-Sollwerts und einer Darstellung der Spannung des Ausgabekondensators (103) und zum Bereitstellen eines Spannungsfehlersignals für die Leistungsstufe ausgebildet ist.
Treiberschaltkreis nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Leistungsstufe einen Schaltregler umfasst.
Treiberschaltkreis nach Anspruch 5 oder 6, bei dem die Leistungsstufe einen Linearregler umfasst, der zum Bereitstellen des Ladungsaustauschs unter Verwendung des Spannungsfehlersignals ausgebildet ist.
Verfahren zum Einstellen einer Anfangsspannung eines Treiberschaltkreises, wobei das Verfahren umfasst: Bereitstellen von Strom für eine LED-Last von einer Leistungsstufe des Treiberschaltkreises während einer Ein-Zeit eines Pulsbreitenmodulierungs (PWM)-Zyklus; Empfangen von Fehlerstrominformationen des Treiberschaltkreises an einem Tiefdimmsteuerschaltkreis (222) des Treiberschaltkreises; und Einstellen einer Spannung eines Ausgabekondensators (103), der mit dem Treiberschaltkreis gekoppelt ist, während einer Aus-Zeit des PWM-Zyklus, wobei die Ladungseinstellung auf den Fehlerstrominformationen basiert, wobei das Bereitstellen von Strom für eine LED-Last das Empfangen einer Betriebsschwelle an der Leistungsstufe umfasst, wobei das Empfangen der Betriebsschwelle ein Empfangen eines Tiefdimm-Sollwerts und einer Darstellung von Strom der LED-Last an einem ersten Fehlerverstärker (208) und ein Addieren des Tiefdimm-Sollwerts und der Darstellung des Stroms der LED-Last zum Bereitstellen eines Fehlerstroms umfasst und wobei das Empfangen der Fehlerstrominformationen das Empfangen einer Erfassungsspannung an dem Tiefdimmsteuerschaltkreis (222) von einem Widerstand umfasst, der mit einem Ausgang des ersten Fehlerverstärkers (208) gekoppelt ist.
Verfahren nach Anspruch 8, bei dem das Empfangen der Betriebsschwelle umfasst: Empfangen des Fehlerstroms an einem Schwellenkondensator.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 9, bei dem das Einstellen einer Spannung eines Ausgabekondensators (103) das Empfangen eines Tiefdimm-Sollwerts an der Leistungsstufe umfasst, wobei der Tiefdimm-Sollwert eine Spannung des Ausgabekondensators (103) während der Aus-Zeit des PWM-Zyklus angibt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, bei dem das Einstellen einer Spannung eines Ausgabekondensators (103) das Einstellen der Spannung des Ausgabekondensators (103) während einer Aus-Zeit des PWM-Zyklus unter Verwendung eines Schaltreglers der Leistungsstufe umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, bei dem das Einstellen einer Spannung eines Ausgabekondensators (103) das Einstellen der Spannung des Ausgabekondensators (103) während einer Aus-Zeit des PWM-Zyklus unter Verwendung eines Linearreglers der Leistungsstufe umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 12, bei dem das Bereitstellen eines Stroms für die LED-Last das Bereitstellen eines Stroms für die LED-Last während einer Ein-Zeit des PWM-Zyklus unter Verwendung eines Schaltreglers der Leistungsstufe umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 13, bei dem das Empfangen der Fehlerstrominformationen das Inkrementieren eines Zählers (325) des Tiefdimmsteuerschaltkreises (222) auf der Basis der Fehlerstrominformationen umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 14, bei dem das Empfangen der Fehlerstrominformationen nicht das Inkrementieren des Zählers (325) umfasst, wenn eine Größe der Fehlerstrominformationen eine Schwelle nicht überschreitet.
Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, bei dem das Einstellen einer Spannung eines Ausgabekondensators (103) das Umwandeln einer digitalen Ausgabe des Zählers (325) zum Bereitstellen des Tiefdimm-Sollwerts umfasst.