DE102018124376B4 - Multi-channel LED driver - Google Patents
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Abstract
LED-Treiber (1) für eine LED-Lampe oder Leuchte mit zwei oder mehr LEDs (50), wobei der LED-Treiber (1) aufweist:
einen Spannungseingang (11a, 11b), der eingerichtet ist, um den LED-Treiber (1) mit einer Wechselstromquelle zu verbinden;
eine Gleichrichterschaltung (12) zum Umwandeln des vom Spannungseingang (11a, 11b) empfangenen Wechselstroms in einen den LEDs (50) zuzuführenden Gleichstrom;
eine Schaltkomponente (40), die zwischen der Gleichrichterschaltung (12) und den LEDs (50) geschaltet ist und zwei oder mehr Schalter (41) umfasst, wobei jeder Schalter einer einzelnen LED (50) oder einer Gruppe der LEDs (50) zugeordnet und eingerichtet ist, diese zu schalten;
eine PWM-Komponente (30), die mit der Schaltkomponente (40) verbunden und eingerichtet ist, um ein PWM-Signal zum Betätigen der Schalter (41) der Schaltkomponente (40) zu erzeugen, wobei
die Schaltkomponente (40) und die PWM-Komponente (30) jeweils als eine Mehrkanalkomponente ausgebildet sind.
LED driver (1) for an LED lamp or luminaire with two or more LEDs (50), the LED driver (1) having:
a voltage input (11a, 11b) arranged to connect the LED driver (1) to an AC power source;
a rectifier circuit (12) for converting the alternating current received from the voltage input (11a, 11b) into a direct current to be supplied to the LEDs (50);
a switching component (40) connected between the rectifier circuit (12) and the LEDs (50) and comprising two or more switches (41), each switch associated with an individual LED (50) or a group of the LEDs (50) and set up to switch them;
a PWM component (30) which is connected to the switching component (40) and set up to generate a PWM signal for actuating the switches (41) of the switching component (40), wherein
the switching component (40) and the PWM component (30) are each designed as a multi-channel component.
Description
Technisches Gebiettechnical field
Die Erfindung betrifft einen LED-Treiber für eine LED-Lampe oder Leuchte mit zwei oder mehr LEDs, wobei der LED-Treiber einen Spannungseingang, der eingerichtet ist, um den LED-Treiber mit einer Wechselstromquelle zu verbinden, und eine Gleichrichterschaltung zum Umwandeln der vom Spannungseingang empfangenen Wechselspannung in eine den LEDs zuzuführende Gleichspannung aufweist.The invention relates to an LED driver for an LED lamp or luminaire with two or more LEDs, the LED driver having a voltage input which is set up to connect the LED driver to an AC power source, and a rectifier circuit for converting the Voltage input received AC voltage in a DC voltage to be supplied to the LEDs.
Hintergrundbackground
Mit dem Aufkommen von LED-Lampen oder Leuchten stehen effiziente und langlebige Beleuchtungsmittel zur Verfügung. Im Vergleich zu anderen herkömmlichen Beleuchtungseinrichtungen, wie z.B. Leuchtstofflampen, sind die Materialien von LED-Lampen sicherer, da beispielsweise kein Quecksilber benötigt wird.With the advent of LED bulbs or lights, efficient and durable means of lighting are available. Compared to other traditional lighting devices, such as fluorescent lamps, the materials of LED lamps are safer because, for example, no mercury is required.
In der Regel umfassen LED-Lampen oder Leuchten einen LED-Treiber oder sind mit einem solchen verbunden, der die Wechselstrom-Eingangsleistung einer konventionellen Leistungszufuhr oder eines elektronischen Vorschaltgeräts (z.B. bei Verwendung mit herkömmlichen Leuchtstofflampenfassungen) in für den Betrieb der LEDs geeignete(n) Gleichspannung und -strom umwandelt.Typically, LED lamps or luminaires include or are associated with an LED driver that converts the AC input power from a conventional power supply or electronic ballast (e.g. when used with conventional fluorescent lampholders) into appropriate ratings for driving the LEDs. Converts DC voltage and current.
Herkömmliche LED-Treiber implementieren eine zweistufige Topologie, um einen hohen Leistungsfaktor (>0,9) und einen hohen Strom, zuzuführen an die LED-Ketten, zu erreichen. Die erste Stufe stellt eine AC/DC-Wandlung bereit, z.B. über eine BUCK-PFC-Stufe realisiert, um einen geeigneten Leistungsfaktor zu erhalten, und die zweite Stufe stellt eine DC/DC-Wandlung bereit, z.B. über eine BUCK-DC/DC-Stufe realisiert, um den erforderlichen LED-Strom zu erzielen. Um Anwendungen zu ermöglichen, die den Betrieb mehrerer LED-Ketten erfordern, wie z.B. zum Mischen von Farben, können Schalter parallel zu jeder LED-Kette bereitgestellt werden, um den Strom durch jede LED-Kette zu steuern.Conventional LED drivers implement a two-tier topology to achieve high power factor (>0.9) and high current to be delivered to the LED strings. The first stage provides an AC/DC conversion, e.g. realized via a BUCK-PFC stage to get a suitable power factor, and the second stage provides a DC/DC conversion, e.g. via a BUCK-DC/DC -Stage realized to achieve required LED current. To enable applications that require the operation of multiple LED strings, such as mixing colors, switches can be provided in parallel with each LED string to control the current through each LED string.
Gewöhnlich verwendet der LED-Treiber mehrere DC/DC-Wandler zum Betreiben mehrerer LED-Ketten, wobei die Anzahl der DC/DC-Wandler gleich der Anzahl der LED-Ketten ist. Dadurch ist die bauliche Komplexität erheblich.Usually, the LED driver uses multiple DC/DC converters to drive multiple LED strings, and the number of DC/DC converters is equal to the number of LED strings. As a result, the structural complexity is considerable.
Darüber hinaus erfordert die zweistufige Umsetzung - AC/DC-Wandlung sowie DC/DC-Wandlung - auch eine Reihe von elektronischen Komponenten. Auf der anderen Seite sind derzeit verfügbare Treiber für mehrere LED-Ketten, die auf einer einstufigen Topologie basieren, darauf beschränkt, jeder LED-Kette die gleiche LED-Spannung zuzuführen, was zu Einschränkungen im LED-Design führt.In addition, the two-stage implementation - AC/DC conversion and DC/DC conversion - also requires a number of electronic components. On the other hand, currently available multiple LED string drivers based on a single-stage topology are limited to supplying the same LED voltage to each LED string, which leads to limitations in LED design.
Ferner ist die für alle LED-Ketten verfügbare Spannung durch die maximale Ausgangsspannung der zweiten Stufe begrenzt. Diese Einschränkung ist schwer zu umgehen und birgt ein Problem niedriger Effizienz und ein thermisches Problem, aufgrund des Betriebs basierend auf niedrigen Spannungen und hohen Strömen.Furthermore, the voltage available for all LED strings is limited by the maximum output voltage of the second stage. This limitation is difficult to circumvent and poses a problem of low efficiency and a thermal problem due to the operation based on low voltage and high current.
Die
Darstellung der ErfindungPresentation of the invention
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen verbesserten LED-Treiber bereitzustellen, insbesondere einen LED-Treiber, der kompakt ist und imstande ist, ein breites Spektrum möglicher Eingangs- und Ausgangsspannungen zu realisieren.An object of the present invention is to provide an improved LED driver, in particular an LED driver that is compact and capable of realizing a wide range of possible input and output voltages.
Die Aufgabe wird durch einen LED-Treiber gemäß Anspruch 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen, der allgemeinen Darstellung der Erfindung sowie der Beschreibung spezifischer Ausführungsformen und den Zeichnung definiert.The object is achieved by an LED driver according to claim 1. Preferred embodiments are defined in the dependent claims, the general description of the invention and the description of specific embodiments and the drawings.
Der LED-Treiber gemäß der Erfindung ist Teil einer LED-Lampe oder Leuchte mit zwei oder mehr LEDs oder geeignet, um mit einer solchen verbunden zu werden. Der LED-Treiber ist imstande, die mehreren LEDs oder Gruppen derselben individuell zu betreiben bzw. anzusteuern.The LED driver according to the invention is part of, or suitable for being connected to, an LED lamp or luminaire with two or more LEDs. The LED driver is capable of individually driving the multiple LEDs or groups thereof.
Der LED-Treiber weist einen Spannungseingang, der eingerichtet ist, um den LED-Treiber mit einer Wechselstromquelle zu verbinden, und eine Gleichrichterschaltung zum Umwandeln des vom Spannungseingang empfangenen Wechselstroms in einen den LEDs zuzuführenden Gleichstrom auf. Der LED-Treiber weist ferner eine Schaltkomponente auf, die zwei oder mehr Schalter umfasst. Jeder Schalter ist einer einzelnen LED oder einer Gruppe der LEDs zugeordnet und eingerichtet, um diese zu schalten. Die Schaltkomponente ist zwischen der Gleichrichterschaltung und den LEDs verbunden bzw. geschaltet. Mit anderen Worten, die Schalter sind einer Mehrzahl von Kanälen zugeordnet. Jeder Kanal ist mit einer einzelnen LED oder einer Gruppe von LEDs verbindbar. Die Schaltkomponente empfängt die von der Gleichrichterschaltung bereitgestellte Gleichspannung, und die Schalter betreiben die Kanäle, d.h. die LEDs, individuell. Der LED-Treiber weist ferner eine PWM-Komponente auf, die mit der Schaltkomponente verbunden und eingerichtet ist, um ein PWM-Signal zum Betätigen der Schalter der Schaltkomponente zu erzeugen.The LED driver has a voltage input configured to connect the LED driver to an AC power source and a rectifier circuit for converting the AC power received from the voltage input to DC power to be supplied to the LEDs. The LED driver also has a switching component that includes two or more switches. Each switch is associated with and configured to switch an individual LED or a group of the LEDs. The switching component is between the Connected or switched rectifier circuit and the LEDs. In other words, the switches are associated with a plurality of channels. Each channel can be connected to a single LED or a group of LEDs. The switching component receives the DC voltage provided by the rectifier circuit and the switches operate the channels, ie the LEDs, individually. The LED driver further includes a PWM component connected to the switching component and configured to generate a PWM signal for actuating the switches of the switching component.
Der LED-Treiber gemäß der Erfindung integriert einen Mehrkanaltreiber in einen AC/DC-Wandler, wodurch ein kompakter einstufiger Treiber bereitgestellt wird, der mehrere LEDs oder LED-Gruppen einzeln adressieren und betreiben kann. Der LED-Treiber ist für verschiedene LED-Konfigurationen einstellbar, wobei jede LED einzeln gesteuert werden kann, d.h. die Spannungen und/oder Ströme für den Betrieb der LEDs können individuell gewählt und zugeführt werden. Dies wird erreicht, indem das PWM-Signal, vorzugsweise dessen Tastverhältnis, für die Betätigung der Schalter eingestellt wird. Ferner implementiert der LED-Treiber ein breites Spektrum möglicher Ein- und Ausgangsspannungen. Insbesondere ist die technische Lösung imstande, mit vergleichsweise niedrigen Gleichspannungen umzugehen. Der LED-Treiber kombiniert ein flexibles Design, eine präzise Stromsteuerung, Skalierbarkeit hinsichtlich einer Erweiterung der Kanalanzahl und Anpassungsfähigkeit an verschiedene Anwendungen.The LED driver according to the invention integrates a multi-channel driver into an AC/DC converter, providing a compact single-stage driver that can individually address and drive multiple LEDs or LED groups. The LED driver can be set for different LED configurations, whereby each LED can be controlled individually, i.e. the voltages and/or currents for operating the LEDs can be selected and supplied individually. This is achieved by adjusting the PWM signal, preferably its duty cycle, to operate the switches. Furthermore, the LED driver implements a wide range of possible input and output voltages. In particular, the technical solution is able to deal with comparatively low DC voltages. The LED driver combines flexible design, precise current control, scalability in terms of channel count expansion, and adaptability to different applications.
Vorzugsweise umfasst die PWM-Komponente einen ASIC und eine Busleitung, die den ASIC mit den Schaltern verbindet, wobei das ASIC eingerichtet ist, um das PWM-Signal an die Busleitung auszugeben. Somit sind variable Ausgangsspannungen und -ströme durch einen kompakten und kostengünstigen Aufbau realisierbar.The PWM component preferably comprises an ASIC and a bus line which connects the ASIC to the switches, the ASIC being set up to output the PWM signal to the bus line. This means that variable output voltages and currents can be implemented using a compact and cost-effective design.
Vorzugsweise ist das ASIC eingerichtet, um eine Benutzereingabe, vorzugsweise drahtlos, zum Bestimmen des PWM-Signals, vorzugsweise des Tastverhältnisses desselben, zu empfangen. Hierbei wird die Adressierung und Steuerung der Kanäle durch Anpassen bzw. Einstellen des vom ASIC erzeugten PWM-Signals basierend auf der Benutzereingabe erzielt, wodurch der Betrieb des LED-Treibers vereinfacht wird.Preferably, the ASIC is arranged to receive user input, preferably wirelessly, for determining the PWM signal, preferably the duty cycle thereof. Here, channel addressing and control is achieved by adjusting the PWM signal generated by the ASIC based on user input, thereby simplifying the operation of the LED driver.
Vorzugsweise weist der LED-Treiber ferner einen Buck-Wandler auf, der vorzugsweise die Gleichrichterschaltung enthält. Die Verwendung einer Buck-Topologie ermöglicht einen hohen Leistungsfaktor des LED-Treibers.The LED driver preferably also has a buck converter, which preferably contains the rectifier circuit. The use of a buck topology enables the LED driver to have a high power factor.
Vorzugsweise ist nur ein einziger Buck-Wandler zwischen dem Spannungseingang und der Schaltkomponente geschaltet bzw. verbunden, wodurch eine einstufige Buck-Topologie realisiert wird.Preferably, only a single buck converter is switched or connected between the voltage input and the switching component, as a result of which a single-stage buck topology is implemented.
Vorzugsweise sind die Schalter der Schaltkomponente durch einen oder mehrere Transistoren und/oder Relais implementiert, wodurch die Treibertopologie minimiert und vereinfacht wird.Preferably, the switches of the switching component are implemented by one or more transistors and/or relays, thereby minimizing and simplifying the driver topology.
Vorzugsweise umfasst die Schaltkomponente zwei oder mehr Kondensatoren, die parallel zu den LEDs geschaltet sind, um einen den LEDs zugeführten Rippelstrom zu reduzieren. Vorzugsweise umfasst die Schaltkomponente ferner zwei oder mehr Dioden, die in Reihe mit den Kondensatoren geschaltet sind. Vorzugsweise ist eine Gruppe aus einem Kondensator und einer Diode parallel zu einem entsprechenden Schalter geschaltet.Preferably, the switching component includes two or more capacitors connected in parallel with the LEDs to reduce a ripple current supplied to the LEDs. Preferably, the switching component further includes two or more diodes connected in series with the capacitors. Preferably, a set of a capacitor and a diode is connected in parallel with a corresponding switch.
Figurenlistecharacter list
-
Die
1 zeigt ein schematisches Diagramm einer Schaltungsstruktur eines einstufigen LED-Treibers gemäß einer ersten Ausführungsform.the1 12 shows a schematic diagram of a circuit structure of a single stage LED driver according to a first embodiment. -
Die
2 zeigt ein schematisches Diagramm einer Schaltungsstruktur eines einstufigen LED-Treibers gemäß einer zweiten Ausführungsform.the2 12 shows a schematic diagram of a circuit structure of a single stage LED driver according to a second embodiment.
Detaillierte Beschreibung bevorzugter AusführungsbeispieleDetailed description of preferred embodiments
Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben. Hierbei sind Elemente, die identisch oder ähnlich sind, gleich oder ähnlich wirken, mit den gleichen Bezugszeichen in den Figuren versehen. Auf eine Wiederholung der Beschreibung solcher Elemente wurde gegebenenfalls verzichtet, um eine redundante Beschreibung zu vermeiden.Preferred embodiments of the invention are described below with reference to the drawings. Here, elements that are identical or similar, have the same or similar effect, are provided with the same reference symbols in the figures. Where appropriate, the description of such elements has not been repeated in order to avoid a redundant description.
Die
Der LED-Treiber 1 ist mit einer Leistungsquelle, die eine Wechselspannung bereitstellt, verbindbar. Zu diesem Zweck empfängt der Buck-Wandler 10 über Spannungseingänge 11a und 11b Wechselstrom. Die Eingänge 11a, 11b können beispielsweise mit einer Leistungszufuhr verbunden oder verbindbar sein.The LED driver 1 can be connected to a power source that provides an AC voltage. For this purpose, the
Der Buck-Wandler 10 ist eingerichtet, um die Wechselspannung in einen konstanten Basisstrom für den Betrieb der LEDs 50 umzuwandeln. Zu diesem Zweck weist der Buck-Wandler 10 eine Gleichrichterschaltung 12 auf. Die Gleichrichterschaltung 12 kann über eine Diodenbrücke implementiert sein, wie in
Die
Die Steuereinrichtung 20 empfängt den vom Buck-Wandler 10 bereitgestellten Gleichstrom und betreibt mehrere Kanäle C1 bis CN individuell. Wenn der LED-Treiber 1 mit LEDs 50 verbunden ist, kann jeder Kanal C1 bis CN einer LED 50 (oder einer Gruppe oder Kette von LEDs 50) entsprechen bzw. zugeordnet sein. Die Kanäle C1 bis CN werden individuell über die PWM-Steuerung betrieben bzw. angesteuert.The
Zu diesem Zweck umfasst die PWM-Komponente 30 gemäß der vorliegenden Ausführungsform einen ASIC (anwendungsspezifische integrierte Schaltung) 31, die eingerichtet ist, um ein Benutzersignal zu empfangen, das beispielsweise den zu bedienenden Kanal C1 bis CN angibt, d.h. welche LED 50 ein-/ausgeschaltet werden soll. Das Benutzersignal kann auch die Helligkeit, den Dimmfaktor usw. der zu bedienenden LED 50 kennzeichnen bzw. angeben. Das ASIC 31 kann ein Modul sein, das eingerichtet ist, um die Benutzereingaben drahtlos zu empfangen. Ferner ist das ASIC 31 eingerichtet, um ein PWM-Signal mit einem bestimmten Tastverhältnis (duty cycle) an eine Busleitung 32 auszugeben. Die Busleitung 32 weist mehrere Verzweigungen auf, die den Kanälen C1 bis CN entsprechen.For this purpose, the
Die Busleitung 32 ist mit der Schaltkomponente 40 verbunden, umfassend mehrere Schalter 41, die den Kanälen C1 bis CN entsprechen bzw. zugeordnet sind. Die Schalter 41 können durch einen oder mehrere Transistoren und/oder Relais, beispielsweise MOSFETs, implementiert werden. Die Bedienung bzw. Betätigung der Schaltkomponente 40 kann auf verschiedene Weise realisiert werden, z.B. über eine Optokoppler- oder Gegentaktschaltung (push pull circuit). Die Schalter 41 werden entsprechend dem PWM-Signal betätigt, wodurch sie individuell die den LEDs 50 zuzuführenden Zielströme bestimmen. Mit anderen Worten, das PWM-Signal stellt basierend auf der Benutzereingabe ein Steuerungsschema bereit, so dass Zielströme individuell gewählt und den Kanälen C1 bis CN zugeführt werden.The
Die Schaltkomponente 40 kann ferner Kondensatoren 42 aufweisen, die parallel zu den LEDs 50 geschaltet sind. Für jeden Kanal C1 bis CN ist ein Kondensator 42 vorgesehen. Ferner können die Dioden 43 in Reihe zu den Kondensatoren 42 geschaltet sein. Die Kombination aus einem Kondensator 42 und einer entsprechenden benachbarten Diode 43 ist parallel zu einem entsprechenden Schalter 41 geschaltet.The
Die vorstehend beschriebene einstufige Buck-Topologie implementiert einen LED-Treiber 1, der einen hohen Leistungsfaktor erzielen kann. Die technische Lösung ist imstande, mit unterschiedlichen Gleichspannungen flexibel umzugehen, etwa Gleichspannungen nach dem Buck-Wandler 10 von 125 V bis 370 V bei Anschluss an eine Leistungszufuhr von 100 V bis 277 V. Variable Ausgangsspannungen und -ströme sind realisierbar. Der LED-Treiber 1 ist für verschiedene Konfigurationen der LEDs 50 einstellbar. Die LEDs 50 sind in Reihe geschaltet, wobei jede LED 50 einzeln ansteuerbar ist, d.h. die Spannungen und/oder Ströme für den Betrieb der LEDs 50 können individuell gewählt und zugeführt werden. Dies wird, basierend auf einer Benutzereingabe, durch Einstellen des Tastverhältnisses des vom ASIC 31 erzeugten PWM-Signals erreicht.The single stage buck topology described above implements an LED driver 1 that can achieve high power factor. The technical solution is able to deal flexibly with different DC voltages, such as DC voltages after the
Die
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die LED-Treiber 1, wie vorstehend beschrieben und in den
Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung basierend auf den Ausführungsformen eingeschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal und auch jede Kombination von Merkmalen, insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder beispielhaften Ausführungsformen spezifiziert ist.The invention is not limited by the description based on the embodiments. Rather, the invention includes every new feature and also every combination of features, in particular every combination of features in the patent claims, even if this feature or this combination itself is not explicitly specified in the patent claims or exemplary embodiments.
BezugszeichenlisteReference List
- 11
- LED-TreiberLED driver
- 1010
- Buck-Wandlerbuck converter
- 11a11a
- EingangEntry
- 11b11b
- EingangEntry
- 1212
- Gleichrichterschaltungrectifier circuit
- 1313
- SchalterSwitch
- 1414
- Buck-PFC-Steuer-ICBuck PFC Control IC
- 2020
- Steuereinheitcontrol unit
- 3030
- PWM-KomponentePWM component
- 3131
- ASICASIC
- 3232
- Busleitungbus line
- 4040
- Schaltkomponenteswitching component
- 4141
- SchalterSwitch
- 4242
- Kondensatorcapacitor
- 4343
- Diodediode
- 5050
- LED oder Gruppe von LEDsLED or group of LEDs
Claims (11)
Priority Applications (1)
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Applications Claiming Priority (1)
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---|---|---|---|
DE102018124376.6A DE102018124376B4 (en) | 2018-10-02 | 2018-10-02 | Multi-channel LED driver |
Publications (2)
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DE102018124376A1 DE102018124376A1 (en) | 2020-04-02 |
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