专利名称：用于led的驱动器设备以及用于向led提供电力的方法
技术领域：
本发明一般地涉及向用于照明用途的多个LED (发光二极管)可控地馈送电流的领域。具体地本发明涉及确保高效率能够被维护以及能够避免对于大型和昂贵的电感组件的需要的方法，即使驱动器设备给予其用户关于驱动器设备将馈送电流的LED的数目和相互连接的相当大的自由度。
背景技术：
LED和LED链必须被馈送控制幅度的电流，以便使发射强度和颜色维持在期望值。装配有所谓的驱动器设备的LED发光布置已经变得常见，其任务是确保跨负载的电压保持在适当的值，所述负载包括多个LED。降压转换器是作为驱动器设备的基本构建框的普遍选择，因为其将相对简单的配置与较好的效率和众所熟知的操作原理结合起来。
图I图示了已知驱动器设备101，其中，降压转换器被配置成向LED链102馈送电流。DC电压Vin显现在降压转换器的输入端子处。从第一输入端子103至第二输入端子104存在电流路径，沿着该电流路径是可控开关105、电感器106、LED链102以及电流感测电阻器107。在开关105和电感器106之间的点被耦合至二极管108的阴极，二极管108的阳极被耦合在电流感测电阻器107和第二输入端子104之间。电容器109与负载并行耦合，即与LED链102并行耦合。控制电路110被配置成基于电流测量来控制开关105，为了实施这一点，控制电路110被示出为与电流感测电阻器107两端具有耦合。电流感测电阻也可以是沿着承载负载电流或与之直接成比例的电流的电流路径的其他某处。当开关105闭合时，增加的电流留到电感器106，并且在其磁场中存储能量。二极管108是反相偏置的。当开关105打开时，从电感器106的磁场的能量释放造成电流在包括电感器106、LED链102、电路感测电阻器107和二极管108的回路中流动，最近提及的二极管108现在是前向偏置的。通过电容器109的作用，使跨该负载的电压Vwt平滑。我们可以假定，在图I的示例中，控制电路110应用所谓的电流滞环控制。这意味着，在开关105的导电期间，当通过负载的电流(其被感测为跨电流感测电阻器107的电压)达到预定最大值时，控制电路110打开开关105。通过负载的电流开始降低，并且如果允许释放存储在电感器106和电容器109中的全部能量，则最终会降低到零。当电流已经达到预定最小值时，控制电路110再次将开关闭合，并且循环重新开始。预定电流最大值和最小值之间的差被称为电流滞环或纹波。对于在LED链102中的恒定数目的LED，优化如图I中的连接设备中的组件值是相对直接的。然而，如果驱动器设备应当具有更一般的适用性，例如，使得其应当与在LED链102中的介于9和27之间的任何数目的LED配合良好，则该问题变得更加复杂。在LED链中的每个LED具有电压降，其可以例如是3. 3伏特。9个这种LED的LED链因而要求输出电压ν_=29. 7伏特，而27个这种LED的LED链要求输出电压Vtjut=89. I伏特。在降压转换器的输入电压和输出电压之间的巨大差异使得通过开关105的导电间隔变短，因此，大多数时间，电流流过二极管108，造成相对高的导电损耗。巨大的输入/输出电压差也增加了降压转换器的切换频率，这导致在开关105 (其通常是场效应的晶体管)中的切换损耗增加。
发明内容
根据本发明的一方面，提供用于发光二极管的驱动器设备，该驱动器设备接受广泛范围的LED布置作为负载，并且仍然能够有效率地操作并降低损耗。根据本发明的另一方面，提供一种驱动器，其可以从负担得起的组件来构建，并且仍然符合广泛范围的输出规格。根据本发明的又一方面，提供一种通用方法，用于以高效率和广泛的适用性，向发光二极管提供电力。为了实现这些和进一步目标，有利的是，控制充当对降压转换器的输入电压的电压生成。尤其是，有利的是，将降压转换器的输入端和降压转换器的输出端之间的电压差与目标值进行比较，并且将比较结果的指示用作对于降压转换器的输入电压的生成中的控制信号。通过将降压转换器的输入电压和输出电压之间的差保持在预定范围内，或甚至恒定，在很大程度上防止或至少降低占空比以及否则会发生的切换效率的变化是可能的。因此，降压转换器的组件值对于能够与之耦合作为负载的广泛的LED布置是最优或接近最优的。 根据本发明实施例的控制原理能够容易地与减光布置相结合，利用减光布置，可以改变LED的期望光照强度。利用优选地高于IOOHz但显著低于降压转换器的切换频率的脉冲频率，控制单元能够向降压转换器反复发出接通和断开命令。在接通时段期间，降压转换器可以应用电流滞环控制或某种其他控制原理来向LED提供电力。接通和断开时段的相对长度确定了人类观测者将感受到的照明强度。本专利申请中提出的本发明的示例性实施例不应被解释为对随附的权利要求的适用性进行限定。在本专利申请中，将动词“包括”用作不排除存在也未叙述的特征的开放式限定。除非另有明确说明，在从属权利要求中叙述的特征是可相互自由组合的。被视为本发明特征的这些创新特征在随附的权利要求中得到具体阐明。然而，就本发明的架构和其操作方法而言，当结合附图阅读时，从下文对特定实施例的描述，将最好地理解本发明本身以及其另外的目标和优点。
图I图示了用于LED的已知驱动器设备；图2示意性地图示了根据本发明的实施例的用于LED的驱动器设备；图3图示了根据本发明实施例的在驱动器设备中能够使用的降压转换器；图4图示了电流滞环控制；图5图示了如果该发明被应用或未被应用的在示例性情形下的切换频率；图6示意性地图示了根据本发明实施例的用于LED的驱动器设备；图7图示了将降压转换器的输入/输出电压差作为输出电压的函数而变化；图8图示了根据本发明实施例的驱动器设备；图9图示了根据本发明的另一实施例的驱动器设备；图10图示了根据本发明的另一实施例的驱动器设备；图11图示了根据本发明的另一实施例的驱动器设备；图12图示了当输出电压改变时一些定时考虑；
图13图示了在PWM控制期间一些定时考虑；以及图14图示了根据本发明实施例的方法。
具体实施例方式图2示意性地图示了用于发光二极管或LED的驱动器设备201。其包括可控制的第一电源202,第一电源202被配置成在其输出端产生第一电压。所述第一电压的幅度取决于在图2中从下到第一电源202的控制信号。驱动器设备201包括降压转换器203，降压转换器203具有耦合到第一电源202的输出端的输入端。降压转换器203具有用于将发光二极管耦合至其的输出端。LED被示意性地示出为图5中的框204。为了本描述的目的，假定框204包括例如N个基本相同尺寸的LED的LED链是足够的，使得以便LED发光，递送到框204的电压需要等于跨各LED的电压降的N倍。 驱动器设备201包括负载电压指示器205和反馈耦合206，负载电压指示器205被配置成，根据通过耦合到降压转换器203的输出端的负载所要求的负载电压来产生指示信号；反馈耦合206被配置成将所述指示信号作为控制信号耦合到可控制的第一电源202。为了理解图2中的实体205和206的意义而提供一些背景，我们可以更加详细地考虑图示为降压转换器203的框的操作。图3是降压转换器被简化的一般表示，其已知部件携带作为图I的相对应部件的相同参考标号。图4示意性地图示了电流i馈送给LED链102。考虑开关105的导电时段，并且假定电流i本质上线性地变化，能够将等式写成将输入电压Vin和输出电压Vwt、电流的变化Λ i、电感器106的电感L、以及导电时段的持续时间ton链接一起
I /I IIVln~￥mt =L~
ron(I)类似地，对于开关105的非导电时段，下列等式是正确的
I/I/ _ I ^ " ￥out ~ vDt - ·- '
O在此，Vdi是跨二极管108的电压降。从等式(I)和(2)，针对降压转怏器的输出电压Vtjut，可以推导出以下表达式，其示出了除恒定参数Vdi之外，输出电压Vwt仅取决于输入电压Vin和开关105的导电和非导电时段的相对长度
f f M — on /off - yV_ —夸,# ￥in f, vrn
1On + rofflon + iOff从等式(I)和等式(2 )也可以推导出另一表达式，示出了关于电压差Vin-Vrat降压转换器的切换频率fsw的有趣相关性
f = 1 _ I (Kn -Kui)'(Kbl +^Dl)爾_ ton +10 — δΠ . ^Vin......+.冗(4)作为示例，我们可以考虑降压转换器、作为100V的输入电压Vin，并且假足其能够被耦合，以将电流馈送给LED链，LED链能够具有9和27之间的任何数目的LED，两端包括在内。因此，降压转换器所要求的输出电压在29. 7伏特和89. I伏特之间。为了该示例的目的，我们进一步假定Ai=70mA、L=lmH、以及Vdi=O. 7V。图5中的曲线501图示了降压转换器的切换频率怎么变化，在输出电压50V处具有大于350kHz的最大值并且当输出电压接近90V时降至150kHz之下。根据本发明的一个方面，让我们假定降压转换器的输入电压Vin未保持恒定，但是在作为高于输出电压Vrat的某一电压差Vrfri I的值处Vin=Vout +Vctrl(5)在等式(I)中进行等式中(5)所表达的代换，得到
权利要求
1.ー种用于发光二极管的驱动器设备，包括 -可控第一电源，所述可控第一电源被配置成在其输出端产生第一电压，所述第一电压的幅度取决于控制信号，以及 -降压转换器，所述降压转换器具有耦合至所述第一电源的输出端的输入端，以及用于将发光二极管与之耦合的输出端； 其特征在于所述驱动器设备包括 -负载电压指示器，所述负载电压指示器被配置成根据耦合至所述降压转换器的所述输出端的负载所要求的负载电压，产生指示信号，以及 -反馈耦合，所述反馈耦合被配置成将所述指示信号作为控制信号耦合至所述可控第一电源。
2.根据权利要求I所述的驱动器设备，其特征在于其包括 -比较器，所述比较器被配置成将所述降压转换器的所述输入端与所述降压转换器的所述输出端之间的电压差与目标值进行比较以及产生所述指示信号，作为所述电压差与所述目标值相差多少的指示。
3.根据权利要求I或2中的任一项所述的驱动器设备，其特征在于所述降压转换器包括 -可控开关，所述可控开关具有导电状态以及非导电状态，在所述导电状态中所述可控开关被配置成从所述第一电源的所述输出端导电电流， -LC电路，所述LC电路包括电感器、电容器和飞轮开关，并且被配置成在所述可控开关的导电状态期间，通过所述可控开关将所述电流接收到所述电感器中，并且在所述可控开关的非导电状态期间，将电流从所述电感器递送到回路中，所述回路包括所述电感器、所述飞轮开关以及耦合到所述降压转换器的输出端的负载，以及 -控制电路，所述控制电路被配置成基于通过所述降压转换器的被测量的瞬时电流，在导电和非导电状态之间反复改变所述可控开关的所述状态。
4.根据任何前述权利要求所述的驱动器设备，其特征在于所述反馈耦合的配置效果是控制所述可控第一电源的所述输出电压，使得所述电压差保持在常数的预定限制内，并且优选地等于所述常数。
5.根据任何前述权利要求所述的驱动器设备，其特征在于所述第一电源是开关模式电源，其占空比被配置成与所述指示信号的值成比例。
6.根据权利要求5所述的驱动器设备，其特征在于 -所述开关模式电源包括变压器，所述变压器利用主侧和次侧之间的电隔离将所述开关模式电源划分成所述主侧和次侧， -所述驱动器设备包括用于将所述指示信号传送至所述开关模式电源的所述主侧的电隔离信号发射器。
7.根据任何前述权利要求所述的驱动器设备，其特征在于 -所述降压转换器包括用于接收接通和断开命令的控制输入端， -所述驱动器设备包括控制单元，所述控制単元具有耦合至所述降压转换器的所述控制输入端的输出端， -所述控制単元被配置成，响应于指示期望的照明強度的外部命令，通过所述控制输入端向所述降压转换器反复发出接通和断开命令，所述接通和断开命令的脉冲频率高于IOOHz并且低于所述降压转换器的切换频率。
8.根据权利要求7所述的驱动器设备，其特征在于利用所述比较器在公用集成电路内实现所述控制単元。
9.根据权利要求8所述的驱动器设备，其特征在于所述公用集成电路另外包括所述降压转换器的控制电路，所述控制电路被配置成基于通过所述降压转换器的测量的瞬时电流，在导电和非导电状态之间，反复改变所述降压转换器中所述可控开关的所述状态。
10.ー种用于向发光二极管提供电カ的方法，包括 -产生第一电压，以及 -使用降压转换器来将所述第一电压转换成跨所述发光二极管的链耦合的输出电压； 其特征在于所述方法包括 -根据耦合至所述降压转换器的输出端的负载所要求的负载电压，产生指示信号，以及 -使用所述指示信号来控制所述第一电压的幅度。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于所述方法包括 -将在所述降压转换器的所述输入端与所述降压转换器的所述输出端之间的电压差与目标值进行比较， -产生所述指示信号，作为所述电压差与所述目标值相差多少的指示。
12.根据权利要求10或11中的任一项所述的方法，其特征在于所述方法包括 -控制所述第一电压的所述幅度，使得所述电压差保持在常数的预定限制内，并且优选地等于所述常数。
13.根据权利要求10至12中的任一项所述的方法，其特征在于所述方法包括 -使用开关模式电源来产生所述第一电压，以及 -使所述开关模式电源的占空比与所述指示信号的值成比例。
14.根据权利要求10至13中的任一项所述的方法，其特征在于所述方法包括 -以高于IOOHz但低于所述降压转换器的切换频率的频率，将所述降压转换器反复接通和断开，以便控制所述发光二极管的照明強度。
全文摘要
本发明提供了用于LED的驱动器设备以及用于向LED提供电力的方法。用于发光二极管的驱动器设备包括在其输出端产生第一电压的可控第一电源。所述第一电压的幅度取决于控制信号。降压转换器具有被耦合至所述第一电源的输出端的输入端以及用于将发光二极管与之耦合的输出端。负载电压指示器被配置成根据由耦合至所述降压转换器输出端的负载所要求的负载电压，产生指示信号。反馈耦合将指示信号作为控制信号耦合至所述可控第一电源。
文档编号H05B37/02GK102843821SQ201210211349
公开日2012年12月26日 申请日期2012年6月21日 优先权日2011年6月21日
发明者哈里·纳卡, 汉努·维希宁 申请人:赫尔瓦公司