本發(fā)明涉及如施加到由高電壓交流電源操作的調(diào)節(jié)器并且驅(qū)動LED的矩陣的電流控制電路。

背景技術(shù)：

理想的是，當(dāng)燈通過正弦波源(諸如電網(wǎng))供電時，期望燈對源而言看起來是純電阻性的。也就是說，燈應(yīng)當(dāng)從源以跟電壓波形同相并緊密匹配的方式汲取電流。這最大限度地降低對發(fā)電和輸電基礎(chǔ)設(shè)施的壓力。然而，隨著輸入電壓波幅改變，來自燈的光輸出應(yīng)保持相當(dāng)恒定。這需要線路調(diào)節(jié)電路。

雖然線路調(diào)節(jié)力求在施加到燈的電壓減小時保持恒定光輸出，但調(diào)光器旨在通過實際地減小提供給燈的電壓來減小燈亮度。當(dāng)外部調(diào)光器減小電源電壓時，燈中的線路調(diào)節(jié)電路通過增加輸入電流來做出響應(yīng)以便保持相對恒定的功率和燈亮度，從而使得調(diào)光器無效。

更值得注意的是，在低調(diào)光水平下，線路調(diào)節(jié)電路可將輸入電流增加到破壞性水平，這是安全問題。

通常需要復(fù)雜的電路來檢測調(diào)光器的存在和甚至更多的電路以正確地響應(yīng)。

從交流線路驅(qū)動LED需要獨特的性質(zhì)。雖然交流線路是恒定電壓正弦波，但LED需要恒定的直流電流來操作。存在通過交流電源驅(qū)動LED的矩陣的許多方式。傳統(tǒng)上，采取電感方法，使用電感元件以不同輸入和輸出電壓存儲和釋放能量。這是傳統(tǒng)的開關(guān)電源方法。這具有以下缺點：使用笨重、昂貴的磁性元件，由于所涉及的高開關(guān)頻率而生成EMI，難以實現(xiàn)良好的功率因數(shù)，使用有限壽命的電解電容器，需要大電流裝置，以及難與調(diào)光器兼容。

為了解決這些問題并且簡化電路，多級、順序操作的線性調(diào)節(jié)器已用于驅(qū)動LED的分段串。瞬時輸入電流大致遵循輸入電壓，從而提供低失真和良好的功率因數(shù)。并且它們內(nèi)在與大多數(shù)調(diào)光器兼容。

如圖1所示，在現(xiàn)有技術(shù)中，多級、順序操作的線性調(diào)節(jié)器，LED的長串在多個位置處抽頭，每個抽頭具有控制上游串區(qū)段的LED電流的線性電流調(diào)節(jié)器。隨著瞬時整流輸入電壓升高，下游區(qū)段獲得足夠的電壓來開始導(dǎo)通。一旦區(qū)段開始導(dǎo)通，下游調(diào)節(jié)器從上游調(diào)節(jié)器接替。當(dāng)多個區(qū)段導(dǎo)通時，這限制跨調(diào)節(jié)器的電壓，從而使功率損失降至最低。

通常，每個調(diào)節(jié)器在固定的電流水平下操作。因此，輸入電流波形是階梯形而不是平滑的正弦波，從而造成輸入電流諧波。

線路調(diào)節(jié)已成為現(xiàn)有技術(shù)中的問題。也就是說，輸出功率，也就是亮度，隨著按時間平均的輸入電壓改變而改變。

需要的是用于LED驅(qū)動器并克服現(xiàn)有技術(shù)中的這些問題和缺點的改善的電流控制電路。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

當(dāng)施加于LED的矩陣和驅(qū)動矩陣的線性電流調(diào)節(jié)器時，本文所述的本發(fā)明提供連續(xù)的輸入電流并對輸入電壓的變化進行補償。本發(fā)明還提供固有的調(diào)光器兼容性，同時保持對正常電源電壓范圍的良好線路調(diào)節(jié)。其不需要專門的檢測和對調(diào)光器的響應(yīng)。

附圖說明

圖1示出與LED的串一起使用的現(xiàn)有技術(shù)線性調(diào)節(jié)器系統(tǒng)。

圖2示出圖1的系統(tǒng)的隨著時間推移的輸入電流。

圖3示出與LED的串一起使用的現(xiàn)有技術(shù)電流調(diào)節(jié)電路。

圖4示出電源電壓的倒數(shù)的線性近似。

圖5示出與電源電壓的倒數(shù)及其線性近似相關(guān)聯(lián)的功率。

圖6示出利用電源電壓的倒數(shù)的線性近似的輸入電流LED驅(qū)動器的實施例。

圖7示出各種線路調(diào)節(jié)電路的峰值輸入電流。

圖8示出各種線路調(diào)節(jié)電路的輸入功率。

圖9示出各種線路調(diào)節(jié)電路的輸入電流。

圖10示出與燈調(diào)光器一起使用的圖6的實施例。

圖11示出圖10的系統(tǒng)的輸入功率。

圖12示出LED系統(tǒng)的實施例。

圖13A-圖13L示出用于線路調(diào)節(jié)電路的不同的部件配置。

具體實施方式

參見圖1，示出基于多級、順序操作的線性電流調(diào)節(jié)器的現(xiàn)有技術(shù)LED驅(qū)動器。輸入電源是連接到全波橋式整流器121的穩(wěn)壓交流正弦波源120。整流交流電用于提供LED區(qū)段101、102、103、104和105。交流輸入電壓可采取除純正弦波之外的波形，包括存在于直流-交流反相器中的所謂的偽正弦。

最初，輸入電壓開始于零伏并且所有調(diào)節(jié)器111、112、113、114和115均打開但不導(dǎo)通，因為電壓不足以正向偏置第一LED區(qū)段101。隨著瞬時整流交流電壓增加，電壓變得足以正向偏置LED區(qū)段，開始于第一區(qū)段101并且向下游進行。隨著下游區(qū)段(例如串103)被正向偏置，與該區(qū)段相關(guān)聯(lián)的線性電流調(diào)節(jié)器，例如與串103相關(guān)聯(lián)的調(diào)節(jié)器113開始導(dǎo)通。最終，該下游調(diào)節(jié)器實現(xiàn)調(diào)節(jié)。當(dāng)調(diào)節(jié)器113導(dǎo)通時，定序邏輯123則關(guān)閉上游調(diào)節(jié)器(例如調(diào)節(jié)器111和112)。當(dāng)線性調(diào)節(jié)器導(dǎo)通時，關(guān)閉上游調(diào)節(jié)器使線性調(diào)節(jié)器上的電壓降最小化，從而使功率損失最小化并且提高效率。

事件的順序在整流交流的下坡上反轉(zhuǎn)。具體地講，隨著整流交流電壓降低，下游區(qū)段將停止正向偏置并且將停止導(dǎo)通。定序邏輯123將關(guān)閉下游調(diào)節(jié)器并且打開上游調(diào)節(jié)器。例如，當(dāng)串(105)變?yōu)榉聪蚱脮r，定序邏輯123將關(guān)閉調(diào)節(jié)器115并且打開調(diào)節(jié)器114。

現(xiàn)在參見圖2，階梯(對應(yīng)于圖1的電路)和連續(xù)輸入電流波形兩者均被示出。在大多數(shù)多級、順序操作的線性LED驅(qū)動器中，每個調(diào)節(jié)器以固定水平調(diào)節(jié)電流，如標(biāo)記為“調(diào)節(jié)器1”、“調(diào)節(jié)器2”等的水平所指示。隨著驅(qū)動器從一個調(diào)節(jié)器轉(zhuǎn)變到下一個調(diào)節(jié)器，其使得輸入電流從一個水平跳到下一個水平，從而產(chǎn)生階梯波形。該波形導(dǎo)致輸入電流的失真，并且可導(dǎo)致EMI。連續(xù)波形中的小凹口由第一LED串區(qū)段的電壓造成。該第一區(qū)段的正向電壓降之下沒有輸入電流流過。

參見圖3，示出包括連續(xù)輸入電流LED驅(qū)動器的現(xiàn)有技術(shù)LED系統(tǒng)300。為了便于解釋，僅示出兩級。在實際操作中，可使用多級，或者可使用僅一級。

如圖1所示，輸入電源是連接到全波橋式整流器121的穩(wěn)壓交流正弦波源120。整流交流電壓(V_RAC)連接到LED區(qū)段103和LED區(qū)段104并且通過衰減元件105進行衰減。衰減因數(shù)由k₁表示。這將V_RAC減小到一定水平，V_REF，其可由低電壓控制電路使用。V_REF用作線性電流調(diào)節(jié)器的基準(zhǔn)，并且輸入電流波形將為與輸入電壓相同的波形。

LED系統(tǒng)300包括電流調(diào)節(jié)電路310和電流調(diào)節(jié)電路320。通過電流調(diào)節(jié)電路310的電流由電流感測電阻器313測量，并且通過電流調(diào)節(jié)電路320的電流由電流感測電阻器323測量。其他電流感測方法可代替使用。相對于電流調(diào)節(jié)電路310，誤差放大器311上的局部反饋回路比較感測電壓與V_REF并且調(diào)整電流吸收器312的電流。類似地，相對于電流調(diào)節(jié)電路320，誤差放大器321上的局部反饋回路比較感測電壓與V_REF并且調(diào)整電流吸收器322的電流。隨著下游串區(qū)段變?yōu)檎蚱茫ㄐ蜻壿?23關(guān)閉上游調(diào)節(jié)器。例如，當(dāng)LED區(qū)段104變?yōu)檎蚱脮r，定序邏輯123關(guān)閉電流調(diào)節(jié)電路310。

該簡化的現(xiàn)有技術(shù)方法的一個缺點在于，隨著電源電壓在波幅上增加(峰到峰)，電流也增加。因為輸入功率是電壓和電流的乘積(P＝I×V)，結(jié)果是隨著輸入電壓和電流兩者增加而更高的輸入功率。這轉(zhuǎn)化成更高的輸出功率和燈亮度，從而導(dǎo)致較差的線路調(diào)節(jié)。一種解決方案是監(jiān)控平均輸入電壓并且用它來調(diào)整電流的峰到峰波幅。電流和電壓之間的關(guān)系是倒數(shù)I＝P/V，因此電流必須與電源電壓的倒數(shù)相關(guān)。這需要除法運算。除法電路的實施可能是復(fù)雜的。代替實施除法電路，與乘法器組合的簡單線性函數(shù)可用于近似反演。這樣做將提供常規(guī)線路調(diào)節(jié)電路所無法提供的有價值的額外益處，而完全不需要額外的電路。

圖4示出反演的線性近似完成的方式。實線示出反i₁(v)＝1/v函數(shù)，而虛線示出線性i₂(v)＝a-b×v函數(shù)。應(yīng)當(dāng)注意，i₁和i₂函數(shù)均具有正輸入的負斜率，從而提供隨著輸入電壓增加而減小輸入電流所需的反比關(guān)系。在由豎直‘lo’和‘hi’虛線指示的i值的給定范圍內(nèi)，理想的i₁(v)函數(shù)可由線性i₂(v)函數(shù)近似。

功率為電壓乘以電流(P＝V×I)。圖5示出常規(guī)近似和線性近似兩者的一般函數(shù)以獲得：p₁(v)＝v×i₁(v)和p₂(v)＝v×i₂(v)。p₁表示理想的線路調(diào)節(jié)，而p₂表示線性近似。這兩個函數(shù)描述了功率(p)為電壓(v)乘以電流(i)。如圖4所示，p₁函數(shù)保持在v值的整個范圍內(nèi)的恒定功率，而p₂函數(shù)下降到所關(guān)注的范圍之上或之下。這不是線性近似的缺點，而是實際上提供常規(guī)線路調(diào)節(jié)電路缺乏的一些有用的益處。在輸入電壓的正常操作范圍內(nèi)，功率保持相當(dāng)恒定，但隨著輸入電壓降低到正常范圍之下或增加到正常范圍之上，輸入電流和功率下降，從而提供安全的操作特性。這里，輸入電壓的正常操作范圍在美國為120V+/-15％(或102V-138V)的峰值。在美國以外輸入電壓的正常操作范圍可能具有不同的峰值，但是基于特定國家的標(biāo)準(zhǔn)峰值+/-15％的公差通常被認為是正常操作范圍。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明不與調(diào)光器相抵觸(如果存在)，但是相反，允許調(diào)光器使燈變暗。并且在低調(diào)光設(shè)置下，輸入電流下降而不是增加到破壞性水平。

參見圖6，呈現(xiàn)了用于實施上述線性近似的LED系統(tǒng)600。LED系統(tǒng)600包括連接到全波橋式整流器121的穩(wěn)壓交流正弦波源120，如圖1和圖3所示。該實施例還包括線路調(diào)節(jié)電路610和電流調(diào)節(jié)電路620。

線路調(diào)節(jié)電路610包括衰減元件611，低通濾波器612、衰減元件613、接收基準(zhǔn)電壓V_RX的減法器614、乘法器616和基準(zhǔn)電壓615(V_REF)。電流調(diào)節(jié)電路620與之前用于圖3所述的電流調(diào)節(jié)電路310和320相同。在電流調(diào)節(jié)電路620中，誤差放大器621上的局部反饋回路比較感測電壓與V_REF 615并且調(diào)整電流吸收器623的電流。

衰減元件611使整流電壓V_RAC衰減k1倍。這將V_RAC減小到一定水平，其可由低電壓控制電路使用。低通濾波器612具有遠低于線路頻率的截止頻率，實質(zhì)上提供V_RAC的平均值。表示V_RAC的平均電壓的該信號(由k1縮放)然后可任選地由衰減元件613縮放，其值由k₂表示。k₂的值可小于1，等于1，或大于1。然后將縮放的信號提供給減法器614的負輸入。將基準(zhǔn)電壓V_RX施加到減法器614的正輸入。平均V_RAC被減去是至關(guān)重要的，因為這提供了相對于輸入電壓波幅的負斜率，該輸入電壓波幅近似隨著輸入電壓增加而減小輸入電流所需的反演。必須仔細選擇k₁、k₂和V_RX的值以適當(dāng)?shù)嘏渲秒娐芬詫崿F(xiàn)可能的最佳線路調(diào)節(jié)。

線性近似電路的輸出然后乘以表示整流交流輸入電壓的V_RAC信號以提供基準(zhǔn)以用于在線性電流調(diào)節(jié)器中建立電流。利用該線路調(diào)節(jié)電路，輸入電流呈現(xiàn)出純電阻性，從而精確跟蹤輸入電壓波形。其同時提供合理的線路調(diào)節(jié)和調(diào)光器兼容性。

這些元件的順序和布置可在不損害本發(fā)明的基本前提的情況下改變。

提供給電流調(diào)節(jié)器的基準(zhǔn)電壓615，V_REF，由下列公式描述。

當(dāng)用于在由電流感測電阻器、誤差放大器和輸出晶體管構(gòu)成的典型電流調(diào)節(jié)電路中建立電流時，可應(yīng)用以下公式。

在圖6的例子中，I_REG是通過電流吸收器623的電流，并且R_SNS是RCSX，感測電阻器622的電阻。

圖7示出各種線路調(diào)節(jié)電路的峰值輸入電流。標(biāo)記為“未校正”的曲線示出在不存在線路調(diào)節(jié)的情況下峰值輸入電流將會表現(xiàn)的形式。標(biāo)記為“理想”的曲線示出在實施完善線路調(diào)節(jié)的情況下的峰值輸入電流。標(biāo)記為“發(fā)明”的曲線示出在使用k₁、k₂和V_RX的優(yōu)化值實施圖6的線路調(diào)節(jié)電路時的峰值輸入電流。

圖8示出就輸入功率而言對于示于圖7中的相同的三種配置的線路調(diào)節(jié)。輸入電壓范圍為230VAC+/-15％。輸出功率在名義上為14W并且在輸入電壓范圍內(nèi)改變約0.4W。這是+/-3％線路調(diào)節(jié)。

圖9示出對于圖7的三種配置在較寬的電源電壓范圍內(nèi)的輸入電流。線路電壓的正常范圍由‘Vlo’和‘Vhi’豎直線描繪。重要的是注意到，隨著電源電壓降低，使用線路調(diào)節(jié)電路的輸入電流(標(biāo)記為“發(fā)明”)峰值不比在正常低線路電壓下高得多，然后反轉(zhuǎn)方向并降低。將輸入功率降低到正常電源電壓范圍之上和之下是重要的安全特征。將此與理想線路調(diào)節(jié)(由標(biāo)記為“理想”的曲線示出)對比。對于理想的線路調(diào)節(jié)，輸入電流隨著輸入電壓降低而繼續(xù)上升，最終達到破壞性水平。

圖10示出圖6的實施例在包括燈調(diào)光器1010的LED系統(tǒng)1000中的使用。

圖11示出在與燈調(diào)光器1010一起使用時圖10的電路的行為。隨著燈調(diào)光器1010減小導(dǎo)通角，提供給驅(qū)動器的平均整流交流電壓降低。如果采用理想的線路調(diào)節(jié)電路，調(diào)光器1010將不對燈亮度具有任何影響，因為調(diào)節(jié)電路隨著輸入電壓降低而保持恒定功率。將此與本發(fā)明(由在圖8中標(biāo)記為“發(fā)明”的曲線示出)對比。隨著輸入電壓降低到電源電壓的正常范圍之下，輸入功率也下降，并且因此亮度隨著調(diào)光器被調(diào)低而降低。調(diào)光器1010兼容性是線路調(diào)節(jié)電路的固有部分。對于調(diào)光器兼容性而言不需要專用電路。

參照圖12，上述實施例的適用性示于包括N級的LED系統(tǒng)1200中，其中N為1或更大的整數(shù)，其中N級中的每個包括LED區(qū)段103和電流調(diào)節(jié)電路620。

參照圖13A-圖13L，示出線路調(diào)節(jié)電路610的不同實施例。線路調(diào)節(jié)電路610可包括衰減元件611、低通濾波器612(其執(zhí)行平均功能)、衰減元件613、減法器614和乘法器616的不同配置，如各種圖中所示。雖然各種部件的配置將在圖13A-圖13L中改變，但每個部件的操作將與之前所述相同。

本文中對本發(fā)明的引用并非旨在限制任何權(quán)利要求或權(quán)利要求條款的范圍，而僅僅是對可由一項或多項權(quán)利要求涵蓋的一個或多個特征的引用。上文所述的結(jié)構(gòu)、工藝和數(shù)值的例子僅為示例性的，而不應(yīng)視為限制權(quán)利要求。應(yīng)當(dāng)指出的是，如本文所用，術(shù)語“在…上面”和“在…上”均包括性地包括“直接在…上”(之間沒有設(shè)置中間材料、元件或空間)和“間接在…上”(之間設(shè)置有中間材料、元件或空間)。