TW202142050A - 被動發光二極體（ｌｅｄ）驅動器驅動的ｌｅｄ系統的調光方法及電路 - Google Patents

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Abstract

本發明涉及用於由名義上不可調光的被動發光二極體(LED)驅動器所驅動的LED組件的調光方法和調光電路。LED系統通常由LED驅動器和LED組件組成。LED驅動器通常為LED組件提供電流源。LED組件由安裝在散熱器上的單個LED裝置或若干LED模塊組成。LED裝置或模塊可以串聯或並聯連接或者兩者結合。本發明涉及控制器和電路的組合使用，以用於在無閉環電流調節的情況下在由被動LED驅動器所驅動的LED組件中提供調光功能。通過在LED組件中的LED串的各個區段兩端使用一個或多個可控旁路開關，可以切斷一組或多組LED裝置或LED模塊的供電，以調節LED系統。當通過關斷一個或多個旁路開關來降低LED的電壓時，本發明的獨特之處在於，被動驅動器的輸出電流的每單位增大必須小於LED負載的每單位電壓減小，從而導致為調光的目的降低了LED負載的功耗。調光控制可以輪流在不同的時間切斷不同組的LED裝置或模塊的供電，以分擔工作負擔並保持LED組件的使用壽命。本發明特別適用於、但不限於智能燈柱中的照明應用，其中在與LED組件相同的燈柱上安裝了智能無線通信系統，並且可以無線地接收調光信號。本發明的優勢在於，在LED組件中而不是在LED驅動器中提供調光功能，並且可以將調光電路鏈接到新興的智能燈柱中的智能控制。

Description

被動發光二極體（ＬＥＤ）驅動器驅動的ＬＥＤ系統的調光方法及電路
本發明涉及發光二極體系統的調光方法及電路。
發光二極體(LED)系統由LED驅動器和LED組件組成。用於LED系統的LED驅動器可大致分為(i)主動驅動器和(ii)被動驅動器。主動LED驅動器基於對輸出電流進行閉環控制的開關模式功率電子轉換器。被動LED驅動器基於被動電子部件的阻抗的使用以限制LED負載中的電流，而無需閉環控制或開關動作。重要的是要注意，主動LED驅動器和被動LED驅動器二者均提供“電流源”來驅動LED負載。主動電子驅動器可以是不可調光的(對於給定的LED負載具有良好調節的電流輸出)或可調光的(利用可變輸出電流控制來調節LED負載)。被動LED驅動器通常是不可調光的，並為LED負載提供受限的輸出電流。無論LED驅動器的類型如何，它們都是用於驅動LED負載的電流源。 大多數戶外照明系統都是不可調光的。隨著LED技術的發展，傳統的高壓或低壓放電燈已被LED照明系統取代。在現有的LED系統中，調光功能傳統上是在LED驅動器中實現的。通過利用附加的調光電路和控制來改變輸出電流，開關模式LED驅動器可以提供調光功能。然而，基於功率電子裝置的LED驅動器在溫度波動大且雷電頻繁的室外應用中在可靠性上要比被動LED驅動器低。
發明人先前已經提出了被動LED驅動器，其已在美國專利US8482214(2013)和US9717120(2017)以及美國專利申請文件US2015/0296575中進行了報告。 與電子LED驅動器不同，這些被動LED驅動器並不使用如下項： ·由閘極驅動電路控制的半導體功率開關， ·控制集成電路； ·電解電容器。 如圖1至圖3中的三個示例所示，被動LED驅動器通常由如下項組成： ·輸入電感器Ls (用於限制系統的輸入電流、輸入功率和輸出電流)， ·二極體整流器(例如具有用於將交流電轉換為直流電的電壓的全二極體橋或倍壓半橋二極體整流器)， ·電壓平滑裝置(例如用於平滑整流器輸出電壓V3 的非電解電容器或穀值填充電路)；以及 ·輸出電感器L (用於平滑LED負載的輸出電流)。 在實踐中，在去除LED負載的情況下，增加了輸入電容器Cs 來提供功率因數校正，並增加輸出電容器Co 以用於為輸出電流提供閉合路徑(見圖4)。 如圖5所示，具有閉環輸出電流控制的電子LED驅動器為LED負載生成嚴格調節的電流源。在這樣的系統中，有兩種途徑引入調光功能。一種常見的方法是減小輸出電流參考Io-ref ，以調節LED負載。第二種方法是如ADI公司(亞德諾半導體技術有限公司)LT3965數據手冊的應用注解中的圖6所示，利用旁路開關調節LED串。這些旁路開關切斷相應LED裝置中的電流。對於調節良好的LED電流，LED負載的功率是LED電壓和電流的乘積。通過為相同調節的LED電流接通一個或多個旁路開關來降低LED電壓將明顯降低LED負載的功耗。然而，對於沒有閉環控制的被動LED驅動器，情況則有所不同。降低LED負載電壓實際上將會增加被動LED驅動器的輸出電流。這種現象與具有良好調節的輸出電流的電子驅動器的現象不同。這個問題在本申請的新發明中得到解決。
由於被動LED驅動器通常並不包含任何用於可變功率控制的主動開關電子裝置，因此並沒有為它們的標準電路設計有調光功能。本發明與被動LED驅動器中的任何修改無關。相反，本發明在LED組件一側上提供了調光方法和電路，從而使得其可以由被動LED驅動器驅動。本發明的這種重要性克服了被動LED驅動器是不可調光的並且先前不能用於對LED系統進行調光的先前的局限。具有魯棒的抵抗寬幅溫度變化和頻繁雷擊的能力並且預期壽命超過十年的被動LED驅動器可以與本文提出的具有調光功能的LED組件配合使用，以形成用於戶外應用的可調光LED系統的新版本。此外，具有調光功能的LED組件很容易與也安裝了智能無線系統的新興智能燈柱兼容。 LED組件可以以如圖7所示的各種形式存在。例如，它可以具有以下結構：(i)包括串聯LED裝置的LED串(圖7(a))，(ii)並聯連接的若干個LED串(圖7(b))，(iii)包括串聯LED模塊的LED串(圖7(c))以及(iv)包含LED模塊的若干個LED串(圖7(d))。 現在使用圖8所示的LED驅動器和一個LED組件示例的示意圖來解釋本發明。S1 至SN 是本發明所提議的旁路開關。可以通過關閉一個或多個旁路開關以切斷相應LED模塊(或一組LED裝置)的供電來實現調光功能。利用嚴格調節的輸出電流，如圖9(a)所示，可以將電子LED驅動器視為恒流源，其中將每組LED裝置或LED模塊數學上建模為與電壓源(代表LED模塊的電壓降)串聯的理想二極體。假設如圖8和圖9所示，將LED負載分為N 個模塊，其中每個模塊與一個旁路開關並聯連接，並且每個模塊的導通狀態電壓降為Vd 。在全功率下，LED組件的總(額定)功耗為：
Figure 02_image001
對於大於或等於零的整數K (即大於或等於零的整數)，如果K 個旁路開關關斷，則LED組件的功率將變為：
Figure 02_image003
因此，可以通過關斷一個或多個旁路開關以減小LED組件的功耗來實現LED組件的調光。應當注意的是，式(2)中的K 在數值上也等於調光設置的數量。功率降低的量(即調光等級)可以通過所需的調光設置來確定。例如，LED街道照明系統可以被設計成提供100%、85%和70%的功率等級。對於提供全功率加兩個調光設置的LED系統，K =2。原則上，旁路開關的最小數量等於K 。然而，為了分擔LED模塊的工作負擔，智能控制器也可以選擇每天晚上輪流關斷不同的模塊，以保持LED組件的壽命。 儘管以上分析假設了每個LED模塊的導通狀態電壓降相同，都為Vd ,，但是本發明也可以以不同的導通狀態電壓降值來實現。對於圖10中所示的一般情況，每個旁路開關被佈置為覆蓋具有可不相同的導通狀態電壓降值的一組LED裝置或模塊。式(2)現在可以表示如下：
Figure 02_image005
其中XM 是旁路開關SM 的開關狀態，且
Figure 02_image007
LED負載的總電壓(Vo )為：
Figure 02_image009
必須強調的是，本文所提議的用於LED組件的調光方法和電路可以應用於使用被動電子組件的阻抗的被動LED驅動器來限制LED功率。主動電子LED驅動器和被動LED驅動器之間的區別在於，前者具有閉環控制以嚴格調節LED負載的輸出電流，而後者則不具有。缺乏閉環電流控制帶來了被動LED驅動器看不到的新的技術挑戰。這是因為被動LED驅動器中的輸入AC電流以及因此的輸出AC電流是由AC電源電壓和整流器輸出電壓之間的電壓差來確定的。 在本發明中，被動LED驅動器必須以這樣的方式設計：由一個或多個旁路開關的關斷而導致的LED負載電壓的降低必須比被動LED的輸出電流的任何可能的增加更顯著。這是沒有閉環輸出電流控制的被動LED驅動器所面對的獨特問題，而具有閉環輸出電流控制的電子LED驅動器則不會面對該問題。 圖11示出了具有LED組件模型的被動LED驅動器的示意圖。該被動LED驅動器的輸出電壓(Vo)由式(5)中所述的總LED負載電壓來確定。在該被動LED驅動器中，輸入電感器LS 用於限制LED驅動器的輸出功率。輸入電感器電流(ILS )與LS 兩端的淨電壓成比例。也就是說，
Figure 02_image011
如果在調光過程中降低Vo ，則LS 兩端的淨電感電壓將略有增加，並且ILS 和輸出dc電流Io 均將略有增加。然而，當一個或多個旁路開關被關斷時，Vo 的減小量要比Io 的略微增加量顯著得多，從而導致調暗該被動LED系統。 發明的驗證 包括具有圖9的可調光LED組件的不可調光被動LED驅動器的LED系統被用於評估本發明。參數為：VS =220V, 50Hz;LS = 0.55H,C1 =C2 =80uF,Co =20uF且Lo =0.3H。整個LED負載兩端的導通電壓為210V。該系統的額定功率為120W。在該評估中，可以通過使用旁路開關根據式(5)來使LED裝置或模塊的某些區段短路，從而改變導通電壓。 圖12示出了LED系統功率(Po)隨LED負載的導通狀態電壓降的變化。可以觀察到，即使由不可調光的被動LED驅動器驅動，也可以通過LED組件實現調光。圖13示出了輸出電壓(Vo)和輸出電流(Io)的每單位值的變化。正如預期的那樣，隨著Vo的減小，輸出電流會略有增加。但是，該Vo的每單位減少量超過Io的每單位增加量，導致調暗該LED系統。 實際上，機電繼電器或半導體開關(例如功率MOSFET)可以用作旁路開關。出於多種原因，機電繼電器在戶外應用中是一個有吸引力的選擇。首先，通常需要以離散方式進行一次或兩次調光設置。不需要頻繁切換繼電器。其次，在機械開關和控制電路之間存在固有的電氣隔離。第三，機電繼電器壽命長。一個實現示例是使用常關機電繼電器作為旁路開關。該繼電器通常關斷，僅在需要調光時才接通。作為替代方案，功率半導體開關(例如功率MOSFET)也可以用作旁路開關，這是因為可以利用簡單的電壓控制將其接通或關斷。
Vo:輸出電壓 V2:電壓 V3:電壓 Io:輸出電流 Io-ref:輸出電流參考 L:輸出電感器 Ls:輸入電感器 Cs:電容器 C1~C2:電容器 R:電阻 R1~R6:電阻 S1~SN:旁路開關
[圖1](現有技術)是典型的被動LED驅動器(由Hui提出的美國專利US8482214的圖18)(其中R 是輸出電感器L 的繞組電阻)； [圖2](現有技術)是典型的被動LED驅動器(由Hui提出的美國專利申請US2015/0296575的圖4)； [圖3](現有技術)是典型的被動LED驅動器(由Hui提出的美國專利申請US2015/0296575A1的圖5)； [圖4](現有技術)是在LED負載去除的情況下，用於功率因數校正的附加電容器Cs以及用於為輸出電流提供閉環的Co； [圖5](現有技術)是具有輸出電流控制的典型電子LED驅動器的示意圖； [圖6](現有技術)是跨LED裝置的旁路開關的電子控制的框圖[摘自ADI公司的數據表LT3965]； [圖7]是LED組件的示例； [圖8](新發明)是旁路開關(S1 到SN )在切斷由被動LED驅動器驅動的LED組件中的某些LED裝置或模塊的電源而無需閉環電流控制方面的使用； [圖9](新發明)是(a)簡化的等效電路(b)由具有電流調節功能的電子LED驅動器驅動的可調光LED組件的簡化等效模型的示意圖； [圖10]是具有不同導通狀態壓降值的LED模塊的LED組件； [圖11]是用於帶有旁路開關電路和調光控制器的可調光LED組件的被動LED驅動器的示意圖； [圖12]是使用由被動LED驅動器驅動的可調光LED組件的LED系統的調光特性； [圖13]是調光過程中輸出電壓(Vo)和輸出電流(Io)的每單位值的變化。
S1~SN:旁路開關

Claims (22)

  1. 一種可調光的發光二極體(LED)系統，包括： ·LED組件，由串聯或並聯連接或兩者的組合的LED裝置或模塊的一個或多個LED串組成， ·調光電路，由並聯連接至所述一個或多個LED串的某些區段的一個或多個旁路開關組成，其中旁路開關的關斷可以使電流從相應的LED區段旁路出去，以降低功率並調節LED組件， ·調光控制器，用於為所述旁路開關提供導通/關斷控制， ·被動LED驅動器，用於在沒有完全控制的半導體開關和閉環輸出電流控制的情況下驅動所述LED組件。
  2. 根據請求項1所述的可調光的LED系統，其中，所述被動LED驅動器具有以下特性：當所述LED組件中的一個或多個旁路開關關斷時，每單位輸出電流的上升百分比將小於LED負載的每單位電壓的下降百分比。
  3. 根據請求項1所述的可調光的LED系統，其中，所述的LED組件的調光電路中的旁路開關的數量確定LED系統的可能的離散調光等級的數量。
  4. 根據請求項1所述的可調光的LED系統，其中，旁路開關的數量可以高於離散調光等級的所需數量，從而使得所述控制器可以輪流關斷不同LED區段的旁路開關以用於調光的目的，從而分擔工作負擔並保持所述LED組件的使用壽命。
  5. 根據請求項1所述的可調光的LED系統，其中，所述調光電路中的旁路開關可以是機電繼電器或例如功率MOSFET的功率半導體開關。
  6. 根據請求項1所述的可調光的LED系統，其中，所述調光電路中的旁路開關可以以這樣的方式連接：關斷不同LED區段中的每個旁路開關可以導致所述LED負載中的相同電壓降低。
  7. 根據請求項1所述的可調光的LED系統，其中，所述調光電路中的旁路開關可以以這樣的方式連接：關斷不同LED區段中的每個旁路開關可以導致所述LED負載中的不同的電壓降低。
  8. 根據請求項1所述的可調光的LED系統，其中，所述的調光電路中的旁路開關可以以這樣的方式連接：被關斷的開關旁路的電壓由相同和不同的電壓值的組合組成。
  9. 根據請求項1所述的可調光的LED系統，其中，所述LED組件、所述調光電路和所述控制器、以及LED驅動器可以形成LED系統，可以將所述LED系統安裝在標準燈柱或安裝在具有無線通信系統的智能燈柱中。
  10. 根據請求項1所述的可調光的LED系統，其中，所述調光控制器提供對所述調光電路中的一個或多個旁路開關的導通/關斷控制。
  11. 根據請求項1所述的可調光的LED系統，其中，所述調光控制器包括可編程定時器，用於為所述旁路開關生成所述導通/關斷信號。
  12. 根據請求項1所述的可調光的LED系統，其中，所述控制器可以與所述無線通信系統進行對接，以用於接收所述調光信號。
  13. 根據請求項1所述的可調光的LED系統，其中，所述控制器可以與安裝在燈柱中的無線通信系統進行對接。
  14. 一種用於可調光的發光二極體(LED)組件的控制方法，包括： ·LED組件，由串聯或並聯連接或兩者的組合的LED裝置或模塊的一個或多個LED串組成， ·調光電路，由並聯連接至所述一個或多個LED串的某些區段的一個或多個旁路開關組成，其中旁路開關的關斷可以使電流從相應的LED區段旁路出去，以降低功率並調節所述LED組件， ·調光控制器，用於為所述旁路開關提供導通/關斷控制， ·被動LED驅動器，用於在沒有完全控制的半導體開關和閉環輸出電流控制的情況下驅動所述LED組件。
  15. 根據請求項14所述的用於可調光的LED組件的控制方法，其中，通過控制所述調光電路中的一個或多個旁路開關的關斷，可以將整個LED系統的功耗降低到一個或多個離散功率等級，以使整個LED系統變得可調光。
  16. 根據請求項14所述的用於可調光的LED組件的控制方法，其中，所述LED組件中的調光電路的旁路開關的數量可以確定所述LED組件的離散調光等級的數量。
  17. 根據請求項14所述的用於可調光的LED組件的控制方法，其中，所述旁路開關的數量可以高於離散調光等級的所需數量，從而使得所述控制器可以輪流關斷不同LED區段的旁路開關以用於調光的目的，從而分擔工作負擔並保持所述LED組件的使用壽命。
  18. 根據請求項14所述的用於可調光的LED組件的控制方法，其中，所述調光電路中的旁路開關可以以這樣的方式連接：關斷不同LED區段中的每個旁路開關可以導致所述LED負載中的相同電壓降低。
  19. 根據請求項14所述的用於可調光的LED組件的控制方法，其中，所述調光電路中的旁路開關可以以這樣的方式連接：關斷不同LED區段中的每個旁路開關可以導致所述LED負載中的不同電壓降低。
  20. 根據請求項14所述的用於可調光的LED組件的控制方法，其中，所述調光控制器包括可編程定時器，用於為所述旁路開關生成所述導通/關斷信號。
  21. 根據請求項14所述的用於可調光的LED組件的控制方法，其中，所述控制器可以與無線通信系統進行對接，以接收所述調光信號。
  22. 根據請求項14所述的用於可調光的LED組件的控制方法，其中，所述控制器可以與安裝在燈柱中的無線通信系統進行對接。
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