WO2011097799A1 - 一种提高发光二极管发光效能的驱动方法和系统 - Google Patents

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WO2011097799A1
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current
led
level
driving
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PCT/CN2010/070625
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English (en)
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Inventor
卢家航
伦伟强
黎沃铭
陈秀聪
谢智刚
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香港理工大学
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    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B45/00—Circuit arrangements for operating light-emitting diodes [LED]
    • H05B45/30—Driver circuits
    • H05B45/37—Converter circuits
    • H05B45/3725—Switched mode power supply [SMPS]
    • H05B45/375—Switched mode power supply [SMPS] using buck topology

Definitions

  • the invention relates to a driving method and a driving system for improving the luminous efficacy of a light emitting diode (LED). Background technique
  • LEDs are increasingly used in a variety of lighting applications, the need for efficient drivers with optimized control circuitry becomes even more important. Because the LED is a current-driven device, the light is generated by a combination of injection holes and electrons in the semiconductor junction. LED illumination intensity is typically achieved by controlling the forward current flowing through the device. Because LEDs conduct current only in one direction, the default LED driving method is to use a constant direct current (DC) current, known as amplitude mode drive technology. However, it has been found that the peak emission wavelength of the LED shifts with the forward current, which will result in a change in chromaticity at different brightness levels. This problem poses a significant challenge when LEDs are used for liquid crystal display (LCD) backlighting because the stability of the chromaticity is extremely important at this time.
  • DC direct current
  • White light can be obtained in combination by the three primary colors generated by the individual LEDs, or can be produced by phosphor conversion using blue or ultraviolet LEDs. All of these are prone to chromaticity changes when driven with different forward currents. This makes the amplitude mode drive technique unable to meet the requirements for both requirements when the forward current must be continuously adjusted according to different brightness levels and at the same time expecting stable chromaticity. Even when the dimming operation is not performed, the very small dynamic resistance of the LED also imposes stringent requirements on the accuracy of the DC current control, since the ripple effect also causes the same chromaticity change problem.
  • AC alternating current
  • the LEDs for AC current drive can be connected in a trans-parallel or a full-bridge module so that light can be generated during both half cycles of the AC.
  • the AC current flowing through each branch has an AC frequency of 50 or 60 Hz, the quality of the light is significantly reduced by flicker.
  • PWM pulse-width modulation
  • the LED and a method of controlling the luminous intensity by adjusting the duty ratio (the ratio of the time the device is turned on to the switching period), thereby adjusting the average forward current. Since the peak current level remains constant during switching, controlling the brightness level by adjusting the duty ratio does not have any effect on chromaticity, thus improving the stability of chromaticity. In practice, some ripples often appear in the peak current, and these ripples should be Minimize or even eliminate so that the average drive current can be accurately controlled, especially when the LED is used as a backlight for a liquid crystal display (LCD).
  • LCD liquid crystal display
  • the PWM driver becomes more complicated because it typically requires a DC power supply (AC-DC or DC-DC conversion) combined with the switching network, which adds to the driver.
  • DC power supply AC-DC or DC-DC conversion
  • the complexity Fast transients caused by switching LED currents can also cause electromagnetic interference (EMI) problems, which must be overcome by additional cost-effective electromagnetic compatibility (EMC) designs.
  • EMI electromagnetic interference
  • the technical problem to be solved by the present invention is to provide a driving method and a driving system for improving the luminous performance of the LED by aiming at the defect that the luminous efficiency of the LED driven by the existing PWM driving technology is low.
  • a driving method for improving luminous performance of an LED comprising:
  • the DC current supplied to the LED is periodically switched between a first current level / H and a second current level /L, the first current level / H being higher than the second current level /L, the second current level / L is fixed at zero or above zero to produce a DC bias, and
  • the first current level / H can be maintained, the second current level /L can be increased, and the duty ratio of the first current level / H can be reduced to maintain the average current at a given current value.
  • the second current level /L may be maintained, the first current level / H is decreased, and the duty ratio of the first current level / H is increased to maintain the average current at a given current value.
  • the second current level /L may be increased while reducing the first current level / H and adjusting the duty ratio of the first current level / H to maintain the average current at a given current value.
  • the first current level / H is maintained at 1000 mA
  • the second current level /L is adjusted to 200 mA
  • the duty ratio of the first current level / H is adjusted To maintain the average current at a given current value.
  • the LEDs can be driven by two independent power sources, each of which is configured to deliver a first current level / H and a second current level I L , respectively, and to adjust using a separate switching network.
  • a current level / H duty cycle is configured to deliver a first current level / H and a second current level I L , respectively, and to adjust using a separate switching network.
  • the LED can be driven by a single power source having two output voltages or currents.
  • a drive system for improving the luminous efficacy of an LED comprising:
  • An LED driving power supply for outputting the first current level / H and a second current level / switching network for periodically switching between the first current level / H and the second current level /L for providing to the LED a direct current, the first current level / H being higher than the second current level /L, fixing the second current level /L at zero or above zero to generate a DC bias, and by reducing the first current level / H and The difference between the second current level / L and correspondingly adjusts the duty ratio of the first current level / H to maintain the average current at a given current value while improving the luminous efficacy of the LED.
  • the LED driving power source is driven by two independent power sources, each of which is respectively configured to deliver the first current level / H and the second current level. I L , and adjust the duty cycle of the first current level / H using a separate switching network.
  • the LED driving The power supply is a single power supply with two output voltages or currents.
  • the switching network reduces the difference between the first current level / H and the second current level /L by reducing the first current level
  • the driving method and the driving system for improving the luminous efficacy of the light emitting diode of the present invention have the following beneficial effects: the present invention improves the luminous efficacy of the LED by reducing the gap between the first current level and the second current level of the PWM, throughout the process. Among them, due to the decrease of the first current level, that is, the high level current, the LED light efficiency will also be correspondingly improved.
  • Figure la is a schematic diagram of a driving method for generating a bi-level current by switching between two voltages using a parallel power supply;
  • Figure lb is a schematic diagram of a driving method using a series power supply to switch between two voltages to generate a bi-level current
  • Figure lc is a related driving waveform diagram
  • Figure 2 is an LED luminance diagram showing the improvement in LED brightness compared to using a conventional PWM current using a bi-level current (bi-level);
  • FIG. 3 is a circuit diagram of a buck converter having two output voltages for generating a bi-level waveform
  • 4a is an experimental waveform diagram of the PWM control signal PWM , the corresponding forward voltage v f and the forward current f of the LED; wherein, the forward current f corresponding to the LED is highest when the buck converter operates at a duty ratio of 10%.
  • Figure 4b is an experimental waveform diagram of the PWM control signal PWM , the forward voltage v f and the forward current f corresponding to the LED; wherein the forward current f corresponding to the LED is the highest value when the buck converter operates at a duty cycle of 10%.
  • / H 1000 mA
  • lowest value / L 200 mA ;
  • Figure 6b is an experimental waveform diagram of the PWM control signal PWM , the forward voltage v f and the forward current f corresponding to the LED; wherein, the forward current f corresponding to the LED is the highest value when the buck converter operates at a duty ratio of 90%.
  • / H 1000 mA
  • lowest value / L 200mA ;
  • Figure 7 is the illuminance ( ⁇ ) diagram of Lumileds LUXEON K2 LXK2-PW14-U00 measured in amplitude mode, conventional PWM mode and bi-level drive technology.
  • Figure 8 is a illuminance ( ⁇ ) diagram of CREEXLAMPXREWHT-L1-WC-P4-0-01 measured in amplitude mode, conventional PWM mode, and bi-level drive technology;
  • the “high level” and “low level” currents mentioned below refer to the “first current level” and “second current level” as described above, respectively.
  • the “high level” and “low level” are used here to illustrate the negative impact of rising current levels on LED efficacy.
  • the stability of the chromaticity and the good functionality of the dimming mentioned in the present invention can be achieved in the PWM driving mode, however, the high level current used in the PWM driving also causes a decrease in the light efficiency. Therefore, in order to improve this problem, the present invention reduces the high level current of the PWM while being low at the same time.
  • the horizontal current rises from zero and the duty cycle of the high-level current is adjusted to be the same as the average current of the conventional PWM.
  • the above steps are continuously performed, and the difference between the high-level and low-level currents will be gradually reduced until the last two.
  • the current level reaches the same level, which becomes a constant direct current (DC) drive.
  • the present invention is an improvement over conventional PWM driving techniques to improve the efficacy of LEDs under driving, which is referred to as "bi-level driving.”
  • luminous efficacy refers to a measure of the luminous flux produced by a source per unit of electrical power input.
  • the unit of luminous flux is lumens (lm), and the unit of electrical power input is watts (W).
  • the luminous flux per unit of illumination area is called illuminance, and its unit is lumens per square meter (1m m - 2 ) or lux (lx), so the luminous efficacy can also be defined by the illumination efficiency (lx W- 1 ).
  • the invention is not limited to the units of measurement discussed, but also includes all units of measurement that are used for similar purposes or that convey similar meaning.
  • the invention provides a driving method and a driving system for improving the luminous performance of an LED.
  • the illumination intensity of the LED driven by the PWM mode can be adjusted by jointly adjusting the current level (first current level / H , second current level / L, wherein the first current level / h is higher than the second current level / L ) and the duty cycle of the first current level / H is increased.
  • the present invention provides a drive system including a switch network for periodically switching a direct current supplied to an LED between a first current level / H and a second current level /L, the first current level / H being higher than a second current level /L, fixing the second current level /L at zero or above zero to generate a DC bias, and by reducing a difference between the first current level / H and the second current level /L, and Corresponding to adjusting the duty ratio of the first current level / H to maintain the average current at a given current value, while improving the luminous efficacy of the LED. Referring to FIG. 1 to FIG. 1b, FIG.
  • FIG. 1a is a schematic diagram of a driving method for generating a bi-level current by switching between two voltages by using a parallel power supply
  • FIG. 1b is a series power supply to realize two
  • the two voltages across the LED must be alternately switched.
  • two independent power supplies can be employed, each of which is configured to deliver the first current level / H and the second current level I L , respectively, and to adjust the first current level / H using a separate switching network Empty ratio.
  • the power source 1 and the power source 2 can be connected in parallel or in series, and are controlled by the switching transistor Q to switch between the first current level / H and the second current level /L to supply power to the LED.
  • this invention It is also possible to drive with a single power supply with two output voltages or currents.
  • the former method consists of two separate power supplies, meaning that the number of parts is double that of a conventional PWM driver. The added complexity and cost of the drive can be reduced by using the latter method.
  • the illuminance is measured using illuminance or lux (lx) as a unit.
  • the working principle of this improved PWM drive technology is called bi-level drive technology.
  • the average current and average illuminance are:
  • the peak current used is / H and the duty cycle is adjusted to provide an average current; then the device will produce an average illuminance ⁇ at point A.
  • a current controlled buck converter is used to implement a bi-level drive technique.
  • various load conditions by use of an external PWM signal PWM, current level between the two / re H) and / re re f reference current switching contact regulate the LED current.
  • bi-level current (bi-level)
  • Figure 7 shows the illuminance measurement results of Lumileds LUXEON
  • Figure 8 shows the measurement results of CREE XLAMP.
  • the illuminance curve obtained in amplitude mode operation appears to be saturated, while for the conventional PWM mode, the (average) illuminance varies linearly with the (average) current.
  • the area enclosed by these curves defines the working area of the bi-level drive technology. This is consistent with the measurement data of Figures 7 and 8.
  • the bi-level driving technique of the present invention is derived from conventional PWM technology, there is a linear relationship between the average illuminance and the average current.
  • /L increases from zero (corresponding to conventional PWM) to 100 mA (corresponding to bipolar current)
  • the data shows that the illuminance has increased accordingly.
  • 4 in 1 ⁇ increased to 200 mA, the illuminance was more significantly improved. This is because at a given average current, the increase in /L means that the specific gravity of / H will decrease, so the loss of light effect caused by / H is correspondingly reduced, thereby improving the overall LED. Light effect.
  • the lighting performance is calculated from the data shown in Figures 7 and 8, and the measured LED power consumption at each average current.
  • the luminous efficacy curves of Lumileds LUXEON and CREE XLAMP are plotted in Figures 9 and 10, respectively, where the curves are based on their respective efficacy in a 100 mA amplitude mode.
  • bipolar current drive technology outperforms conventional PWM technology, and as /L increases from zero to 200 mA, performance is improved for the same reasons as discussed above.
  • bipolar current drive technology to improve illumination is not without its drawbacks.
  • the dimmable range of the LED is inevitably reduced because the minimum illumination is determined by the selected /L current level. limited. Therefore, the choice of / H and /L requires a balance between the desired improvement in efficacy and the dimmable range.

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Description

说 明 书 一种提高发光二极管发光效能的驱动方法和系统 技术领域
本发明涉及一种提高发光二极管（light emitting diode, LED)发光效能的 驱动方法和驱动系统。 背景技术
由于近年来在固态照明技术上取得的巨大进展，发光二极管的发光性能目 前已经接近于传统光源。 其在提供使用寿命、 流明维持率、 显色性能、 可靠性 及操作安全性方面， 均超越传统电灯泡和荧光灯管。 由于 LED的操作电压非 常低， 灯管驱动器的设计相对较容易， 并且更加可靠， 这是因为与荧光灯管相 比， 施加到驱动组件上的电压更小。而荧光灯管在启动期和调光过程中均需要 高启动电压和精确控制灯丝上加热电流。 因此 LED的使用变得越来越普及， 并且迅速替代了家庭、 商业和工业的应用的白炽灯、 卤素灯和荧光灯。
随着 LED越来越多地用于各种照明应用， 对具有优化控制电路的高效驱 动器的需要变得更加重要。 因为 LED是电流驱动装置， 其中的光是通过半导 体结中的注入电洞和电子的结合来产生的。 LED 发光强度一般是通过控制流 过该装置的正向电流来进行的。 因为 LED只在一个方向上导通电流， 默认的 LED驱动方法是使用恒定的直流 （DC) 电流， 被称为振幅模式驱动技术。 然 而， 有发现表明 LED的峰值发射波长随着正向电流偏移， 这将导致不同亮度 水平上的色度变化。 当 LED被用于液晶显示屏 （LCD) 背光照明时， 这一问 题带来了重大的挑战， 因为这时的色度的稳定性是极其重要的。 白光可通过各 个单独的 LED生成的三原色来组合获得，或者可通过使用蓝色或紫外 LED的 荧光粉转换来产生。 当不同正向电流驱动时， 所有这些都易于产生色度变化。 这使得当正向电流必须根据不同亮度水平进行连续调节，并且同时期望取得稳 定的色度的应用上， 振幅模式驱动技术无法兼备符合此两种要求所需的条件。 甚至在没有进行调光操作时， LED 非常小的动态电阻也会带来对直流电流控 制精度的苛刻要求， 因为波紋效应也会导致同样的色度变化问题。而且， 当驱 动多个 LED时， LED串联连接的数量受到直流电源的输出电压所限制， 因此 常常需要使用升压装置才能达到所要求的电压水平。 对于并联连接的 LED来 说， 因为生产过程造成的差异、 老化以及温度变化使得 LED支路之间分配的 电流不相等，也将导致发光强度和色度的分布不均匀，继而影响一致性。此外， LED最吸引人的特点之一是它们的超长寿命， 因此 LED驱动器也应该有相当 的寿命。然而，用在直流电源输出端的典型电解电容器已经限制了这些驱动器 寿命，特别是当驱动器必须在高环境温度下连续运行的时候， 如在灯具内部或 靠近大功率 LED。
上面讨论的某些问题可以通过使用交流（AC) 电流驱动 LED来解决。 如 果直接使用市电供电作为电源， AC电流可以不需要进一歩的功率转换而直接 用于驱动 LED。 由于不存在电解电容， 不仅降低了成本， 也提高了 LED驱动 器的寿命。 因为 LED是单极装置， 用于 AC电流驱动的 LED可连接为反式平 行或组成全桥模块， 从而使得在交流电的两个半周期中都可以产生光。 然而， 当流经各支路的 LED电流的交流频率为 50或 60Hz时， 光的质量会因闪烁而 显著降低。 为了消除这一问题， 需使用高频 AC电流， 但这额外需要一个交流 -交流功率转换阶段， 这无疑将增加驱动器的复杂性和成本， 抵消其可直接连 接市电的优点。 当使用 AC电流时， 可以对该电流加入高频率开关和控制占空 比以求达到调光功能。 由于采用了高频率开关，原来的 50或 60Hz的 AC电流 被周期性切断而形成脉冲电流。 由此可见， 使用脉冲电流驱动可以达到驱动和 调光的双重功能。
使用脉冲直流电流驱动 LED 的技术通常被称作脉冲宽度调制 ( ulse-width-modulation , PWM) 驱动技术。 这是一种在高频下开启和关闭
LED, 并且通过调节占空比 （装置开启的时间与开关周期的比率）， 从而调节 平均正向电流来控制发光强度的方法。因为在开关期间， 峰值电流水平保持恒 定，所以通过调节占空比来控制亮度水平不会对色度造成任何影响， 因而改进 了色度的稳定性。在实践中， 峰值电流里常常出现一些波紋， 这些波紋应该被 尽量减少甚至消除以便平均驱动电流可以得到精确控制， 尤其是在 LED被用 作液晶显示屏（LCD)的背光灯时。尽管改进了色度的稳定性和调光的良好功 能性， PWM驱动却变得较复杂， 因为通常需要将直流电源（交流 -直流或直流 -直流转换） 与开关网络相结合， 这增加了驱动器的复杂性。 开关 LED电流所 产生的快速瞬变也会引起电磁干扰（EMI) 问题， 这必须通过增加成本的附加 电磁兼容性 （EMC) 设计来克服。
在上述驱动技术中， 虽然振幅模式和 PWM模式驱动是 LED行业最常采 用的技术， 但是其所使用的电流波形（直流电与 PWM)与 LED发光效能之间 的关系却很少被研究。 在高正向电流下， LED 的发光强度趋于饱和。 这一特 性使 LED在相同均值的直流电和 PWM电流驱动时产生不同亮度水平。 一般 来说， 对于给定的平均正向电流， 振幅模式驱动技术相对于 PWM模式驱动技 术而言总是产生更高的发光强度， 这是因为后者运行在更高的峰值电流水平， 此时由于饱和现象使得产生的光降低。 然而， PWM模式驱动技术却因为其具 有更好的色度和调光功能性而更受欢迎。 因此， 需要在 PWM模式的基础上进 行改进， 提高其发光效能。 发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有 PWM驱动技术所驱动的发光二 极管发光效能较低的缺陷，提供一种提高发光二极管发光效能的驱动方法和驱 动系统。
在第一个优选的方面， 提供了一种提高发光二极管发光效能的驱动方法， 该方法包括：
在第一电流水平 /H和第二电流水平 /L之间周期性切换提供给 LED的直流 电流， 所述第一电流水平 /H高于第二电流水平 /L， 所述第二电流水平 /L固定 在零或者高于零以产生直流偏置， 并且
通过縮小第一电流水平 /H和第二电流水平 /L之间的差值， 并对应调节第 一电流水平 IH的占空比以将平均电流保持在给定电流值 ， 同时提高发光二 极管发光效能。 在本发明所述的驱动方法中，可以保持第一电流水平 /H，增加第二电流水 平 /L， 并减少第一电流水平 /H的占空比， 以将平均电流保持在给定电流值 。
在本发明所述的驱动方法中， 可以保持第二电流水平 /L ,减少第一电流水 平 /H， 并增加第一电流水平 /H的占空比， 以将平均电流保持在给定电流值；。
在本发明所述的驱动方法中， 可以增加第二电流水平 /L， 同时减少第一电 流水平 /H， 并调节第一电流水平 /H的占空比， 以将平均电流保持在给定电流 值 。
在本发明所述的驱动方法中， 将所述第一电流水平 /H保持在 1000 mA， 将所述第二电流水平 /L调节至 200 mA， 并调节第一电流水平 /H的占空比， 以 将平均电流保持在给定电流值 。
在本发明所述的驱动方法中， LED 可以由两个独立的电源驱动， 每一个 电源被分别设置为输送第一电流水平 /H和第二电流水平 IL， 并且使用独立的 开关网络调节第一电流水平 /H的占空比。
在本发明所述的驱动方法中， LED 可以由具有两个输出电压或电流的单 个电源驱动。
在第二个方面， 提供了一种提高发光二极管发光效能的驱动系统， 该系统 包括：
LED驱动电源， 用于输出输送所述第一电流水平 /H和第二电流水平 / 开关网络， 用于在第一电流水平 /H和第二电流水平 /L之间周期性切换提 供给 LED的直流电流， 所述第一电流水平 /H高于第二电流水平 /L， 将第二电 流水平 /L固定在零或者高于零以产生直流偏置， 并且通过縮小第一电流水平 /H和第二电流水平 /L之间的差值， 并对应调节第一电流水平 /H的占空比以将 平均电流保持在给定电流值 ， 同时提高发光二极管发光效能。
在本发明所述的提高发光二极管发光效能的驱动系统中， 所述 LED驱动 电源为两个独立的电源驱动，每一个电源被分别设置为输送所述第一电流水平 /H和第二电流水平 IL， 并且使用独立的开关网络调节第一电流水平 /H的占空 比。
在本发明所述的提高发光二极管发光效能的驱动系统中， 所述 LED驱动 电源为具有两个输出电压或电流的单个电源。
在本发明所述的提高发光二极管发光效能的驱动系统中，所述开关网络縮 小第一电流水平 /H和第二电流水平 /L之间的差值包括通过减少第一电流水平
/H， 或增加第二电流水平 /L， 或在增加第二电流水平 /L的同时减少第一电流水 平 /H。实施本发明的提高发光二极管发光效能的驱动方法和驱动系统，具有以 下有益效果：本发明通过縮小 PWM的第一电流水平和第二电流水平之间的差 距来提高 LED的发光效能， 在整个过程当中， 由于第一电流水平即高水平电 流之降低， LED的光效也将得到相应的改善。 附图说明
本发明的实例将根据附图来进行说明， 其中：
图 la 为采用并联电源来实现两个电压之间的切换从而生成双级电流 (bi-level) 的驱动方法示意图；
图 lb 为采用串联电源来实现两个电压之间的切换从而生成双级电流 (bi-level) 的驱动方法示意图；
图 lc为相关驱动波形图；
图 2为 LED亮度图， 其示出了使用双级电流（bi-level)与使用常规 PWM 电流相比 LED亮度的改善；
图 3是降压变换器的电路图，该降压变换器具有两个输出电压，用于产生 双级电流 （bi-level) 波形；
图 4a是 PWM控制信号 PWM、 LED的对应的正向电压 vf和正向电流 f的 实验波形图； 其中， LED对应的正向电流 f在降压变换器运行在占空比为 10 %时最高值 /H = 1000 mA， 最低值 /L = 100 mA;
图 4b是 PWM控制信号 PWM、 LED对应的正向电压 vf和正向电流 f的实 验波形图； 其中， LED对应的正向电流 f在降压变换器运行在占空比为 10% 时最高值 /H = 1000 mA, 最低值 /L = 200 mA;
图 5a是 PWM控制信号 PWM、 LED对应的正向电压 vf和正向电流 f的实 验波形图； 其中， LED对应的正向电流 f在降压变换器运行在占空比为 50% 时最高值 /H= 1000 mA, 最低值 /L = 100 mA;
图 5b是 PWM控制信号 PWM、 LED对应的正向电压 vf和正向电流 f的实 验波形图； 其中， LED对应的正向电流 f在降压变换器运行在占空比为 50% 时最高值 /H= 1000 mA, 最低值 /L = 200mA;
图 6a是 PWM控制信号 PWM、 LED对应的正向电压 vf和正向电流 f的实 验波形图； 其中， LED对应的正向电流 f在降压变换器运行在占空比为 90% 时最高值 /H= 1000 mA, 最低值 /L = 100 mA;
图 6b是 PWM控制信号 PWM、 LED对应的正向电压 vf和正向电流 f的实 验波形图； 其中， LED对应的正向电流 f在降压变换器运行在占空比为 90% 时最高值 /H= 1000 mA, 最低值 /L = 200mA;
图 7是在振幅模式下、 常规 PWM模式下和双级电流（bi-level)驱动技术 下测得的 Lumileds LUXEON K2 LXK2-PW14-U00的照度 （ Φν) 图；
图 8是在振幅模式下、 常规 PWM模式下和双级电流（bi-level)驱动技术 下测得的 CREEXLAMPXREWHT-L1-WC-P4-0-01的照度 （Φν) 图；
图 9是在应用双级电流（bi-level)驱动技术（/Η:4=5:1)、 （/Η:4=10:1)和其 它常规驱动技术下测得的 Lumileds LUXEON Κ2 LXK2-PW14-U00的光效（ ? 图；
图 10是在应用双级电流 （bi-level) 驱动技术 （/H:/L=5:l)、 （/H:/L=10:l)和 其它常规驱动技术下测得的 CREE XLAMP XREWHT-L 1 -WC-P4-0-01的光效
( ην 图。 具体实施方式
以下所提及之 "高水平"和 "低水平"电流分别指前文中所述的 "第一电 流水平"和 "第二电流水平"。 此处使用 "高水平"和 "低水平"是为了便于 说明电流水平的升高对 LED光效所带来的负面影响。
本发明所提到的色度的稳定性和调光的良好功能性都可以于 PWM驱动 模式中实现， 然而 PWM驱动所使用的高水平电流同时也导致光效的下降。 因 此， 为了改善这个问题， 本发明通过将 PWM的高水平电流降低， 并同时将低 水平电流从零升高并通过调节高水平电流的占空比达到与常规 PWM 的平均 电流相同，这样持续执行以上的歩骤，高水平和低水平电流的差距将逐歩縮小， 直到最后两个电流水平达成同一水平， 即成为恒定直流 （DC ) 驱动。 在整个 过程当中， 由于高水平电流不断降低， LED 的光效也将得到相应的改善。 因 此， 本发明是在常规 PWM驱动技术上进行改进， 从而改善驱动下之 LED的 光效， 该改进后的驱动模式被称为 "双级电流 （bi-level) 驱动"。
本文中所使用的术语 "发光效能"是指每单位电功率输入使光源产生光通 量的衡量标准。 光通量的单位是流明 （lm)， 电功率输入的单位是瓦特 （W)。 每单位照明区域的光通量被称为照度， 其单位是流明每平方米（1m m—2)或勒 克斯（lx)， 所以发光效能也可以用照度效能（lx W—1 )来定义。 本发明不仅限 于讨论到的度量单位， 也包括用于相似目的或表达类似含义的所有度量单位。
本发明提供了一种提高发光二极管发光效能的驱动方法和驱动系统。请参 照图 lc，由 PWM模式驱动的 LED的发光强度可以通过联合调节电流水平（第 一电流水平 /H， 第二电流水平 /L， 其中第一电流水平 /h高于第二电流水平 /L ) 和第一电流水平 /H的占空比来提高。 因此， 本发明提供的驱动系统包括开关 网络， 用于在第一电流水平 /H和第二电流水平 /L之间周期性切换提供给 LED 的直流电流， 所述第一电流水平 /H高于第二电流水平 /L， 将第二电流水平 /L 固定在零或者高于零以产生直流偏置， 并且通过縮小第一电流水平 /H和第二 电流水平 /L之间的差值， 并对应调节第一电流水平 /H的占空比以将平均电流 保持在给定电流值 ， 同时提高发光二极管发光效能。 请参阅图 la至图 lb， 其中， 图 la 为采用并联电源来实现两个电压之间的切换从而生成双级电流 (bi-level) 的驱动方法示意图； 图 lb为采用串联电源来实现两个电压之间的 切换从而生成双级电流（bi-level) 的驱动方法示意图。在本发明中， 为了产生 双级电流 （bi-level) 波形， 跨接在 LED上的两个电压必须交替切换。 因此， 可以采用两个独立的电源驱动，每一个电源被分别设置为输送所述第一电流水 平 /H和第二电流水平 IL， 并且使用独立的开关网络调节第一电流水平 /H的占 空比。如图 la和图 lb中电源 1和电源 2可以并联也可以串联， 通过开关管 Q 控制其在第一电流水平 /H和第二电流水平 /L之间切换， 为 LED供电。 本发明 也可以采用具有两个输出电压或电流的单个电源驱动。前一种方法包含两个独 立的电源， 意味着零件数是常规 PWM驱动器的双倍。驱动器增加的复杂性和 成本可以通过采用后一种方法得到减少。
在该实例中， 使用照度或勒克斯（lx)作为单位来测量其发光强度。 这种 改进的 PWM驱动技术的工作原理被称为双级电流（bi-level)驱动技术。 一般 来说， 该平均电流 和平均照度 为：
Tf = D .Iu + (\-D) .IL (1) 和
IL = 0和 ^ = 0的特殊情况对应于常规 PWM模式。请参阅图 2，在常规 PWM 模式下， 假定所用的峰值电流为 /H， 调节占空比以为提供平均电流；， 那么装 置将在 A点产生平均照度^：。
当 /L升高到零以上， 第一电流水平保持在前述歩骤中的 /H， 减少占空比以 保持平均电流为 ， 则在 B点将会产生新的平均照度^：， 从而得到改进的 Δ Α→Β。 继续进行， 如果第一电流水平从 /Η有所下降， 而同时第二电流水平保 持在 4， 并且通过加大占空比使平均电流保持在；， 则在 C点将会产生新的平 均照度 ， 得到进一歩改进 Δ Α→ε。 最终， 如果两个歩骤无限反复进行， 平均 照度^:将最终收敛于运行在 的直流模式所对应的值， 并达到上限。
通过首先降低第一电流水平 /Η同时将第二电流水平 4固定为零， 并以上述 同样的方式重复后续歩骤， 便可以重复前述过程， 从而说明提高照度的另一种 配置。
因此， 縮小第一电流水平 /Η和第二电流水平 /L之间的差值可以有三种实 现方式， 可以保持第一电流水平 /H， 增加第二电流水平 /L， 并减少第一电流水 平 /H的占空比， 以将平均电流保持在给定电流值 ; 或者保持第二电流水平 IL， 减少第一电流水平 /H， 并增加第一电流水平 /H的占空比， 以将平均电流保 持在给定电流值 ; 或者增加第二电流水平 /L， 同时减少第一电流水平 /h， 并 调节第一电流水平 /H的占空比， 以将平均电流保持在给定电流值 。
参照图 3， 电流控制降压变换器被用来实现双级电流（bi-level)驱动技术。 对于对应于 /H和 /L的各种负载情况， 通过使用外部 PWM信号 PWM， 在两电流水 平 /re H)和 /re 间切换的参考电流 ref 接调节 LED电流。
图 4到 6所示为 PWM信号 PWM在占空比为 10%、 50%和 90%时的 LED 的电压和电流波形， 其中图的 （a) 和 （b) 部分指的分别是当 /L = 100 mA和 200 mA的情况。 在所有情况下 /H保持为 1000 mA。 在这些电流水平下， 跨接 在 LED的正向电压 f为 2.8 V (/f = 100 mA时）， 2.95 V (/f = 200 mA时）， 以 及 3.65 V (/f = 1000 mA时）。 所测量的转换器在 70%电流负载下的最大效能 为 87.58%, 在全负载情况下的效能超过 86.82%。 实验结果
使用电流控制降压变换器， 利用双级电流（bi-level)驱动技术在两种电流 设置下对两个 LED (Lumileds LUXEON和 CREE XLAMP ) 进行了操作， 并且 与两种常规技术在照度和照度效能表现上进行了比较。用于双级电流 (bi-level ) 的两种设置总结如下：
1 ) 7Η: = 10: 1 , 7H = 1000 mA ， 7L = 100 mA
2 ) /H:/L = 5: l， 7H = 1000 mA ， IL = 200 mA
图 7所示为 Lumileds LUXEON的照度测量结果， 图 8为 CREE XLAMP的测 量结果。对于两种 LED, 在振幅模式操作下获得的照度曲线呈现趋向饱和的现 象， 而对于常规 PWM模式， （平均）照度随（平均） 电流线性变化。 后者的线 性来源于将各种占空比施加在同一峰值照度 （在 /H = 1000 mA时） 上。 两种常 规技术的照明特征在 /f = Tf = 0和 1000 mA的时候相同， 因为在这些情况下， 这两种技术本质上彼此一致。 这些曲线包围的面积定义了双级电流 （bi-level) 驱动技术的工作区域。 这与图 7和 8的测量数据相符合。
由于本发明的双级电流 （bi-level) 驱动技术是从常规 PWM技术中衍生出 来的， 平均照度和平均电流之间就保持着线性关系。 当 /L从零 （对应于常规 PWM)增长到 100 mA (对应于双极电流）时， 数据显示照度到了相应的提高。 当 4进一歩增长到 200 mA的时候， 照度得到更加显著的提高。这是因为在一个 给定的平均电流的条件下， /L的升高意味着 /H的比重将随之降低， 因此由 /H造 成的光效的损失也相应地降低， 从而改善 LED的整体光效。
照明效能是通过图 7和 8所示的数据，以及各平均电流下所测量的 LED功率 消耗计算得到的。 Lumileds LUXEON和 CREE XLAMP的光效曲线分别绘在图 9 和 10中， 其中所示曲线以它们各自在 100 mA的振幅模式运行下的光效作为参 照基础。 一般来说， 双极电流驱动技术的表现优于常规 PWM技术， 随着 /L从 零增长到 200 mA，效能得到提高，其原因与前面对照度的讨论相同。在 4 = 100 mA的情况下， 其在 = 100 mA (占空比 = 0 %, 7； = /L)和 1000 mA (占空 比 = 100 %, % = /H) 处的光效与振幅模式在相同电流时一致， 因为双级电流 (bi-level) 驱动技术在这些工作点上本质上与振幅模式一致。 当 IL = 200 mA 的情况下也是一样。
采用双极电流驱动技术来改进照度并不是没有缺点。 当縮小 PWM电流所 包含的两个电流水平 /H和 /L之间的差距时， 无可避免地縮小了 LED的可调光范 围， 这是因为最小照度是由所选取的 /L电流水平所限制的。 因此， /H和 /L的选 择要求在所期望的光效的提高与可调光范围之间做出平衡。
本领域专业技术人员将意识到可以对本发明做出许多变化和 /或修改， 就 像特定的实施例所示的一样， 而不偏离本发明总体描述的范围和实质。这些也 应该被包括在此发明的受保护之范围内。

Claims

权 利 要 求 书
1、 一种提高发光二极管发光效能的驱动方法， 其特征在于， 所述方法包 括：
在第一电流水平 /H和第二电流水平 /L之间周期性切换提供给 LED的直 流电流， 所述第一电流水平 /H高于第二电流水平 /L， 所述第二电流水平 /L固 定在零或者高于零以产生直流偏置， 并且
通过縮小第一电流水平 /H和第二电流水平 /L之间的差值，并对应调节第 一电流水平 IH的占空比以将平均电流保持在给定电流值 ， 同时提高发光二 极管发光效能。
2、根据权利要求 1所述的驱动方法， 其特征在于， 保持第一电流水平 /H， 增加第二电流水平 /L并减少第一电流水平 /H的占空比， 以将平均电流保持在 给定电流值 。
3、 根据权利要求 1所述的驱动方法， 其特征在于， 保持第二电流水平^， 减少第一电流水平 /H， 并增加第一电流水平 /H的占空比， 以将平均电流保持 在给定电流值 。
4、 根据权利要求 1所述的方法， 其特征在于， 增加第二电流水平 /L， 同 时减少第一电流水平 /H， 并调节第一电流水平 /H的占空比， 以将平均电流保 持在给定电流值 。
5、 根据权利要求 2所述的驱动方法， 其特征在于， 将所述第一电流水平 IH保持在 1000 mA， 将所述第二电流水平 I 调节至 200 mA， 并调节第一电流 水平 的占空比， 以将平均电流保持在给定电流值 。
6、 根据权利要求 1所述的驱动方法， 其特征在于， 所述 LED由两个独立 的电源驱动， 每一个电源被分别设置为输送所述第一电流水平 /H和第二电流 水平 /L， 并且使用独立的开关网络调节第一电流水平 /H的占空比。
7、 根据权利要求 1所述的驱动方法， 其特征在于， 所述 LED由具有两个 输出电压或电流的单个电源驱动。
8、 一种提高发光二极管发光效能的驱动系统， 其特征在于， 所述系统包 括：
LED驱动电源， 用于输出输送所述第一电流水平 /H和第二电流水平 / 开关网络， 用于在第一电流水平 /H和第二电流水平 /L之间周期性切换提 供给 LED的直流电流， 所述第一电流水平 /H高于第二电流水平 /L， 将第二电 流水平 /L固定在零或者高于零以产生直流偏置， 并且通过縮小第一电流水平 /H和第二电流水平 /L之间的差值， 并对应调节第一电流水平 /H的占空比以将 平均电流保持在给定电流值 ， 同时提高发光二极管发光效能。
9、 根据权利要求 8所述的提高发光二极管发光效能的驱动系统， 其特征 在于， 所述 LED驱动电源为两个独立的电源驱动， 每一个电源被分别设置为 输送所述第一电流水平 /H和第二电流水平 IL， 并且使用独立的开关网络调节 第一电流水平 /H的占空比。
10、根据权利要求 8所述的提高发光二极管发光效能的驱动系统， 其特征 在于， 所述 LED驱动电源为具有两个输出电压或电流的单个电源。
11、根据权利要求 8所述的提高发光二极管发光效能的驱动系统， 其特征 在于， 所述开关网络縮小第一电流水平 /H和第二电流水平 /L之间的差值包括 通过减少第一电流水平 /H， 或增加第二电流水平 /L， 或在增加第二电流水平 /L 的同时减少第一电流水平 IH。
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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20080136353A1 (en) * 2006-12-12 2008-06-12 Yu-Chang Hsu Power supply circuit for LCD backlight and method thereof
CN101336027A (zh) * 2007-06-26 2008-12-31 三星电机株式会社 调光降压式led驱动装置
US20090267795A1 (en) * 2008-04-28 2009-10-29 Hon Hai Precision Industry Co., Ltd. Control circuit for traffic light

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20080136353A1 (en) * 2006-12-12 2008-06-12 Yu-Chang Hsu Power supply circuit for LCD backlight and method thereof
CN101336027A (zh) * 2007-06-26 2008-12-31 三星电机株式会社 调光降压式led驱动装置
US20090267795A1 (en) * 2008-04-28 2009-10-29 Hon Hai Precision Industry Co., Ltd. Control circuit for traffic light

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