TWI632828B

TWI632828B - Ｌｅｄ緩亮控制系統

Info

Publication number: TWI632828B
Application number: TW106134595A
Authority: TW
Inventors: 朱力強; 周俊; 李萌
Original assignee: 大陸商昂寶電子（上海）有限公司
Priority date: 2017-08-25
Filing date: 2017-10-06
Publication date: 2018-08-11
Also published as: CN107613603A; CN107613603B; TW201914362A

Abstract

提供了一種LED緩亮控制系統。LED照明緩亮控制系統包括：輸入單元，被配置為對系統的輸入電壓進行整流；恒流控制單元，被配置為接收經整流的電壓，並且輸出恒定電流以控制流過負載單元的負載電流；以及計時單元，計時單元耦接到恒流控制單元，並且被配置為在系統的上電階段使得負載電流隨時間而改變。

Description

LED緩亮控制系統

本發明的某些實施例涉及積體電路。更具體地，本發明的一些實施例提供了用於LED開關控制的系統。

LED作為一種節能環保的新型光源，由於具有高亮度、低功耗而且壽命長的優點而被廣泛用於各個領域。由於在接近額定電流的範圍內，LED的發光亮度與流過的電流成正比而與其兩端的電壓無關，因此LED在工作時希望恒流源來供電。

第1圖是示出了傳統LED照明恒流控制原理圖的圖示。如第1圖所示，LED照明的系統100包括輸入單元110(包括例如，保險絲F1和整流橋U1)、恒流控制單元120、以及負載單元130(包括例如，LED燈珠U3、電容C1)。不同的系統控制架構主要體現在恒流控制單元的差異，如開關電源恒流控制架構和線性恒流控制架構，其中開關電源控制中又包括boost，buck，flyback，buck-boost等恒流控制架構。這類恒流控制單元主要的工作目標是系統正常工作時維持輸出LED負載的電流恒定。

如第1圖所示，系統上電以後，AC輸入電壓(例如，VAC)被接收，並進行全波整流處理以生成經整流的電壓。例如，經整流的電壓不下降至0伏特以下。例如，恒流控制單元120內部的放大器在上電後控制閘極端電壓使功率調整管(未示出)處於導通或關斷狀態，從而控制負載單元中LED燈珠的電流保持恒定。

由於LED燈珠的亮度由流過LED的工作電流I_led確定，所以大多數LED照明系統均採取恒定電流控制LED工作電流的控制方式來達到恒定LED燈珠亮度的目的。

一般的LED照明產品，由於恒流控制的系統建立很快，使用者使用時明顯感覺到亮度的突然變化，特別是功率較大的LED照明設備，在環境光線較暗條件下更容易在開機瞬間對人眼產生光亮刺激。

因此，需要改進的LED緩亮控制系統。

本發明的某些實施例涉及積體電路。更具體地，本發明的一些實施例提供了LED緩亮控制系統。僅作為示例，本發明的一些實施例被應用到LED照明。但是，將認識到，本發明有更廣泛的適用範圍。

本發明提出了本專利發明了一種緩亮控制的LED照明系統和方法，可以精確控制LED系統在開機後輸出電流隨時間的緩慢變化，從而達到優化的人眼視覺舒適觀感。進一步的，本發明的控制方法可以適用於住宅、建築物、商業及工業專用LED照明等多個領域。

根據一個實施例，提供了一種LED照明緩亮控制系統，包括：輸入單元，被配置為對系統的輸入電壓進行整流；恒流控制單元，被配置為接收經整流的電壓，並且輸出恒定電流以控制流過負載單元的負載電流；以及計時單元，計時單元耦接到恒流控制單元，並且被配置為在系統的上電階段使得負載電流隨時間而改變。

根據另一實施例，提供了一種包括如本公開的實施例所述的用於LED開關控制的系統的LED燈具。

根據實施例，可以獲得一項或多項益處。參考隨後的詳細的說明和附圖，這些好處和本發明的各種附加的目的、特徵和優勢可得以透徹地理解。

100、200‧‧‧LED照明恒流控制系統

110、210‧‧‧輸入單元

120、220‧‧‧恒流控制單元

130、230‧‧‧負載單元

240、U7‧‧‧計時單元

U401、U503、604‧‧‧計時器

U402、U601‧‧‧參考電壓產生單元

U403、U501、U602‧‧‧恒流控制單元

U502、U603‧‧‧PWM/PFM控制單元

U504、U605‧‧‧死區控制單元

U505、U606‧‧‧驅動單元

F1‧‧‧保險絲

U1‧‧‧整流橋

C1‧‧‧電容

U3‧‧‧LED燈珠

I_led‧‧‧LED電流

time‧‧‧輸出信號

t、T0‧‧‧時間

U2‧‧‧功率級單元

sw‧‧‧邏輯信號

T_dead‧‧‧死區時間

SW1‧‧‧開關

Vref‧‧‧輸入參考電壓

pwm_pfm‧‧‧邏輯控制信號

V_out、Vramp‧‧‧電壓

U6、M0‧‧‧放大器單元

M1、M2‧‧‧電流鏡像單元

VAC‧‧‧AC輸入電壓

K1‧‧‧開關控制信號

Ic‧‧‧恒定電流

R1‧‧‧電阻

clk‧‧‧數位時鐘信號

第1圖是示出了傳統LED照明恒流控制原理圖的圖示。

第2圖是根據本公開的實施例的LED照明緩亮控制原理圖。

第3圖是根據第2圖所述實施例的LED照明緩亮曲線圖示。

第4a圖是根據本公開的實施例的、實現緩亮和恒流控制的原理圖。

第4b圖是根據第4a圖的實施例的、控制恒流單元的輸入參考電壓實現緩亮的圖示。

第5a圖是根據本公開的實施例的、實現緩亮和恒流控制的另一原理圖。

第5b圖是根據第5a圖的實施例的、控制死區時間實現緩亮的圖示。

第6圖是根據本公開的實施例的、控制恒流控制器的輸入參考電壓和死區時間實現緩亮的原理圖。

第7a圖是實現根據本公開的實施例的緩亮計時控制的一種架構的圖示。

第7b圖是實現根據本公開的實施例的緩亮計時控制的另一架構的圖示。

第7c圖是實現根據本公開的實施例的緩亮計時控制的又一架構的圖示。

下面將詳細描述本發明的各個方面的特徵和示例性實施例。在下面的詳細描述中提出了許多具體細節，以便提供對本發明的全面理解。但是，對於本領域技術人員來說很明顯的是，本發明可以在不需要這些具體細節中的一些細節的情況下實施。下面對實施例的描述僅僅是為了通過示出本發明的示例來提供對本發明的更好的理解。本發明決不限於下面所提出的任何具體配置和演算法，而是在不脫離本發明的精神的前提下覆蓋了元素、部件和演算法的任何修改、替換和改進。在附圖和下面的描述中，沒有示出公知的結構和技術，以便避免對本發明造成不必要的模糊。

第2圖是根據本公開的實施例的LED照明緩亮控制原理圖。第2圖僅是示例，其不應不適當地限制申請專利範圍。本領域普通技術人員將認識到許多變化、替換和修改。第2圖所示的LED照明恒流控制系統200包括輸入單元210、恒流控制單元220、負載單元230以及計時單元240。

如第2圖所示，系統上電以後，AC輸入電壓(例如，VAC)被接收，並進行全波整流處理以生成經整流的電壓。例如，經整流的電壓不下降至0伏特以下。例如，恒流控制單元220內部的放大器(例如，誤差放大器)在上電後控制閘極端電壓使功率調整管(未示出)處於導通或關斷狀態，從而控制負載單元中LED燈珠的電流保持恒定。

恒流控制單元220的放大器在上電後，控制閘極端電壓使功率調整管處於導通或關斷狀態。當電壓V_out高於LED的最小擊穿電壓時，電流通過LED，輸出恒定的LED電流I_led，以控制LED燈珠。

其中計時單元240與恒流控制單元220相耦接，用於控制恒流控制單元220，從而使系統200的輸出LED電流在系統開機上電階段隨時間而改變。

第3圖是根據第2圖所述實施例的LED照明緩亮曲線圖示。如第3圖所示，示出了一類人眼觀感較為舒適的緩亮曲線。當系統開機後時間t從0開始增加，對應的系統輸出LED電流也從0開始變化，當時間到達系統設置時間tf時，LED電流達到系統設計的最大值，即100%輸出電流大小並以後不再隨時間變化，此時系統開機緩亮結束。這其中緩亮時間tf由第2圖中計時單元240實現，而0到tf期間輸出LED電流I_led隨時間的變化關係則通過計時單元240的時間信號time進入恒流控制單元220進行控制。

第4a圖是根據本公開的實施例的、實現緩亮和恒流控制的原理圖。第4a圖僅是示例，其不應不適當地限制申請專利範圍。本領域普通技術人員將認識到許多變化、替換和修改。當前主要的LED照明系統中恒流控制單元無論採取開關電源恒流控制架構還是線性恒流控制架構，其基本控制原理是從系統中偵測能夠表徵輸出LED電流的回饋信號與控制器產生恒定的參考電壓進行比較或誤差放大，並控制系統功率級單元實現恒流。第4a圖給出了一種基於本發明的緩亮控制原理的一個示例，主要的緩亮和恒流控制單元包括計時器U401、參考電壓產生單元U402和恒流控制單元U403，恒流控制中的功率級單元是U2。第4a圖系統基本緩亮和恒流控制方法就是通過計時器U401產生控制信號(例如，時間信號time)來控制恒流控制單元U403的輸入參考電壓Vref，該控制是在參考電壓產生單元U402中完成。

第4b圖是根據第4a圖的實施例的、控制恒流單元的參考電壓實現緩亮的圖示。當系統開機後時間t從0開始增加，對應的恒流控制單元U403的輸入參考電壓Vref也從0開始增加，當時間到達系統設置時間tf時，輸入參考電壓Vref變化到設計的最大值並以後不再隨時間變化，此時系統開機緩亮結束。這其中緩亮時間tf由第4a圖中計時器U401實現，而0到tf期間輸入參考電壓Vref隨時間的變化關係則通過計時器U401的時間信號time進入參考電壓產生單元U402進行控制。

第5a圖是根據本公開的實施例的、實現緩亮和恒流控制的另一原理圖。第5a圖僅是示例，其不應不適當地限制申請專利範圍。本領域普通技術人員將認識到許多變化、替換和修改。對於開關電源恒流控制架構，其基本控制原理是從系統中偵測能夠表徵輸出LED電流的回饋信號與控制器產生恒定的輸入參考電壓進行比較或誤差放大，產生PWM或PFM信號控制系統功率級單元的功率開關通斷實現恒流。

第5a圖給出了一種基於本發明的緩亮控制原理的另一個示例，主要的緩亮和恒流控制單元包括恒流控制單元U501，PWM(脈衝寬度調變)/PFM(脈衝頻率調變)控制單元U502、計時器U503、死區控制單元U504，驅動單元U505，恒流控制中的功率級單元是U2。其基本控制方法是恒流控制單元U501輸出經PWM/PFM控制單元產生邏輯控制信號pwm_pfm輸入到死區控制單元U504，計時器U503產生時間時間信號time輸入到死區控制單元U504，而死區控制單元U504的功能是正常在邏輯控制信號pwm_pfm的關斷信號結束點後加入與時間信號time相關的死區關斷時間產生邏輯信號sw，邏輯信號sw經驅動單元U505放大後控制功率級單元U2實現恒流控制。這種控制邏輯控制信號pwm_pfm的死區時間的方法可以使系統功率開關開啟時間延長，控制開關週期增加，控制系統輸出LED電流實現緩亮和恒流。

第5b圖是根據第5a圖的實施例的、控制死區時間實現緩亮的圖示。當系統開機後時間t從0開始增加，對應的死區時間T_dead也從T0(T0>0)開始減少，當時間到達系統設置時間tf時，死區時間T_dead減少到0並以後不再隨時間變化，此時系統開機緩亮結束。這其中緩亮時間tf由第5a圖中計時器U503實現，而0到tf期間死區時間T_dead隨時間的變化關係則通過計時器U503的時間信號time進入死區控制單元U504進行控制。

第6圖是根據本公開的實施例的、控制恒流控制器的輸入參考電壓和死區時間實現緩亮的原理圖。主要的緩亮和恒流控制單元包括參考電壓產生單元U601、恒流控制單元U602，PWM/PFM控制單元U603、計時器U604、死區控制單元U605，驅動單元U606，恒流控制中的功率級單元是U2。其基本控制方法是計時器U604產生時間信號time分別輸入到參考電壓產生單元U601和死區控制單元U605，並在參考電壓產生單元U601中控制輸入到恒流控制單元U602中的輸入參考電壓Vref，在死區控制單元U605中控制死區時間T_dead(第5b圖)，最後產生邏輯信號sw經驅動單元U606放大後控制功率級單元U2實現緩亮和恒流控制。時間信號time控制輸入參考電壓Vref和死區時間T_dead的原理與上文所述的第4b圖和第5b圖類似，在此不再複述。

第7a圖是實現根據本公開的實施例的緩亮計時控制的一種架構的圖示。第7a圖通過電容設置緩亮計時時間，電路包括恒定電流 Ic，開關SW1和開關控制信號K1，電容C1和計時單元U7，其基本工作原理是，當系統開機以後控制器產生恒定電流Ic，並打開控制開關SW1，使恒定電流Ic對電容C1進行充電，電容C1上的電壓Vramp大小隨充電時間t線性變化，電壓Vramp輸入到計時單元U7中，根據電壓Vramp大小可以產生對應的時間信號time。

第7b圖是實現根據本公開的實施例的緩亮計時控制的另一架構的圖示。第7b圖通過電阻設置緩亮計時時間，電路包括放大器單元U6和M0，電流鏡像單元M1和M2，電阻R1和計時單元U7，其基本工作原理是，當系統開機以後放大器單元U6和M0、電流鏡像單元M1和M2和電阻R1共同產生恒定電流Ic並輸入到計時單元U7中：Ic=K*Vref/R₁ (等式3)

其中，K代表電流鏡係數，R₁代表電阻R1的阻值，並且Vref代表放大器的輸入參考電壓。計時單元U7根據產生隨恒定電流Ic大小變化的時間信號time。

第7c圖是實現根據本公開的實施例的緩亮計時控制的又一架構的圖示。第7c圖通過數位時鐘信號clk設置緩亮計時時間，電路即為傳統數位計數單元，在已設置輸入數位時鐘信號clk頻率或週期條件下，計數單元U7根據計數數目產生對應時間信號time。

在示例1中，提供了一種LED照明緩亮控制系統，包括：輸入單元，被配置為對系統的輸入電壓進行整流；恒流控制單元，被配置為接收經整流的電壓，並且輸出恒定電流以控制流過負載單元的負載電流；以及計時單元，計時單元耦接到恒流控制單元，並且被配置為在系統的上電階段使得負載電流隨時間而改變。

在示例2中，示例1中的計時單元還被配置為當達到預設的最大值時，不再改變負載電流。

在示例3中，示例2中的計時單元包括：計時器，被配置為生成時間信號；以及參考電壓產生單元，參考電壓產生單元被配置為基於時間信號生成輸入參考電壓，並且將輸入參考電壓輸出到恒流控制單元用作恒流控制單元的參考電壓。

在示例4中，示例1中的系統恒流控制單元被配置為基於參考電壓和回饋信號來生成恒定電流，其中所述回饋信號表徵負載電流。

在示例5中，示例1中的系統進一步包括PWM(脈衝寬度調變)/PFM(脈衝頻率調變)控制單元，PWM/PFM控制單元被配置為接收恒定電流，並且基於恒定電流生成邏輯信號。

在示例6中，示例5中的計時單元包括：計時器，被配置為生成時間信號；死區控制單元，被配置為接收時間信號和邏輯信號，並且基於收時間信號和邏輯信號生成觸發信號；以及驅動單元，被配置為基於觸發信號控制負載電流。

在示例7中，示例6進一步包括參考電壓產生單元，參考電壓產生單元被配置為基於時間信號生成輸入參考電壓，並且將輸入參考電壓輸出到恒流控制單元用作恒流控制單元的參考電壓。

根據一個示例，計時器包括控制開關，被配置為回應於系統上電後產生的恒定電流而打開從而使得恒定電流對電容充電；其中時間信號基於電容上的電壓而生成，並且其中電容上的電壓是隨時間線性變化的。

根據一個示例，計時器包括放大器、電流鏡以及電阻；其中當系統上電時，計時器產生根據下式的恒定電流：Ic=K*Vref/R1

其中，K代表電流鏡電流鏡係數，R1代表電阻的阻值，並且Vref代表放大器的輸入參考電壓；其中時間信號是基於恒定電流的大小生成的。

根據一個示例，計時單元被配置為基於數位時鐘信號來生成時間信號。

例如，使用一個或多個軟體元件、一個或多個硬體元件、和/或軟體和硬體元件的一個或多個組合，本發明的各種實施例的一些或全部元件各自單獨地和/或以與至少另一元件結合的方式被實施。在另一示例中，本發明的各種實施例的一些或全部元件各自單獨地和/或以與至少另一元件結合的方式被實施在諸如一個或多個類比電路和/或一個或多個數位電路之類的一個或多個電路中。在另一示例中，本發明的各種實施例和/或示例可以被結合。

雖然已經描述了本發明的特定實施例，但本領域的技術人員應該理解，存在等同於所描述的實施例的其它實施例。因此，應該理解，本發明並不限於所示出的具體實施例，而僅由所附申請專利範圍所限定。

Claims

一種LED照明緩亮控制系統，包括：輸入單元，被配置為對所述系統的輸入電壓進行整流；恒流控制單元，被配置為接收經整流的電壓，並且輸出恒定電流以控制流過負載單元的負載電流；以及計時單元，所述計時單元耦接到所述恒流控制單元，並且被配置為在所述系統的上電階段使得所述負載電流隨時間而改變；其中，所述計時單元包括：計時器，被配置為生成時間信號；以及參考電壓生成器，所述參考電壓生成器被配置為基於所述時間信號生成參考電壓，並且將所述參考電壓輸出到所述恒流控制單元用作所述恒流控制單元的參考電壓；其中，所述計時器包括控制開關，被配置為回應於所述系統上電後產生的恒定電流而打開從而使得所述恒定電流對電容充電；其中所述時間信號基於所述電容上的電壓而生成，並且其中所述電容上的電壓是隨時間線性變化的。
如申請專利範圍第1項所述的系統，其中所述計時單元還被配置為當達到預設的最大值時，不再改變所述負載電流。
如申請專利範圍第1項所述的系統，其中所述恒流控制單元被配置為基於所述參考電壓和所述回饋信號來生成所述恒定電流。
如申請專利範圍第1項所述的系統，進一步包括PWM(脈衝寬度調變)/PFM(脈衝頻率調變)控制單元，所述PWM/PFM控制單元被配置為接收所述恒定電流，並且基於所述恒定電流生成邏輯信號。
如申請專利範圍第4項所述的系統，其中所述計時單元包括：計時器，被配置為生成時間信號；死區控制單元，被配置為接收所述時間信號和所述邏輯信號，並且基於所述時間信號和所述邏輯信號生成觸發信號；以及驅動單元，被配置為基於所述觸發信號控制所述負載電流。
如申請專利範圍第5項所述的系統，進一步包括參考電壓產生單元，所述參考電壓產生單元被配置為基於所述時間信號生成輸入參考電壓，並且將所述輸入參考電壓輸出到所述恒流控制單元用作所述恒流控制單元的參考電壓。
如申請專利範圍第1或5項所述的系統，其中所述計時器包括放大器、電流鏡以及電阻；其中當所述系統上電時，所述計時器產生根據下式所述的恒定電流：Ic=K*Vref/R₁其中，K代表所述電流鏡係數，R₁代表電阻的阻值，並且Vref代表放大器的輸入參考電壓；其中所述時間信號是基於恒定電流的大小生成的。
如申請專利範圍第1項所述的系統，其中所述計時單元被配置為基於數位時鐘信號來生成所述時間信號。