具有均匀led亮度的照明系统的制作方法

具有均匀led亮度的照明系统的制作方法
【专利摘要】公开为提供在串中串联连接的LED的均匀亮度的固态照明系统。在一些实施例中，所述LED可以直接从干线被供电，以使得不需要开关模式电源供给或者与其关联的输出储存器元件。在一些这样的情形中，线性调节器和开关可以用来控制通过LED的电流以提供均匀的亮度。其它实施例可以与基于开关模式的驱动器拓扑结构和/或与LED簇并联耦合的储存器元件一起使用。在任何这样的情形中，控制逻辑（例如，微控制器或者其它合适的控制器）因此可以用来控制开关以提供均匀的亮度并且在一些情形中以减轻没有SMPS输出储存器元件的问题?。
【专利说明】具有均匀LED亮度的照明系统
[0001]相关申请
本申请要求2012年I月20日提交的美国临时申请N0.61/588，838的优先权。这些申请中的每个通过参考整体结合在本文中。

【技术领域】
[0002]本申请涉及照明系统，并且更具体地涉及配置成提供均匀LED亮度的发光二极管(LED)照明系统。

【背景技术】
[0003]发光二极管(LED)和驱动电路能够电连接来提供给定的发光系统。典型的驱动电路配置有开关模式电源供给拓扑结构，并且包含了与被供电的LED串并联的滤波电容器。取决于输入电源，在拓扑结构中可能也包括桥式整流器。任选地，也可以添加与LED串串联的线性电阻控制器。

【专利附图】

【附图说明】
[0004]图1示意性地图解了依据本发明的实施例能够被配置并被使用的零能量储存器(ZES) LED驱动器。
[0005]图2a示意性地图解了依据本发明的一个示例实施例配置的照明系统。
[0006]图2b图示性地图解了依据本发明的实施例的图2a中所示的系统的操作原理。
[0007]图3a示意性地图解了依据本发明的一个示例实施例的配置有恒流源和电流测量电路的照明系统。
[0008]图3b示意性地图解了依据本发明的一个示例实施例的图3a中所示的恒流源和电流测量电路的进一步细节。
[0009]图4图解了依据本发明的一个示例实施例的配置成产生随机开关样式的示例体系结构。
[0010]图5图解了依据本发明的一个示例实施例配置的能够被用来实施LED驱动器系统的示例开关体系结构。
[0011]图6a和6b分别图解了依据本发明的一个示例实施例的被配置用于辅助电压产生以给LED驱动器系统的控制器或者控制逻辑和/或开关供电的操作原理和示例体系结构。
[0012]图6c图解了依据本发明的另一个示例实施例的能够在图6b的体系结构中使用的替代组件。
[0013]图7a和7b图解了依据本发明的其他示例实施例的被配置用于辅助电压产生以给LED驱动器系统的控制器或者控制逻辑和/或开关供电的替代体系结构。
[0014]图8a到图Se是图解了依据本发明的各种实施例配置的开关控制方案的流程图。
[0015]图9示意性地图解了依据本发明的一个示例实施例能够被使用的单个LED块。
[0016]图10示意性地图解了依据本发明的一个示例实施例的其中数量为K个的LED块与电流限制器件(CLD) 一起串联连接的单串模式器件。
[0017]图lla-b图示性地图解了依据本发明的实施例的其中微控制器实施先开先断(FIFO)开关策略的单串模式。
[0018]图12示意性地图解了依据本发明的实施例的ZES配置的多串模式应用。
[0019]图13示意性地图解了依据本发明的示例实施例配置的具体的示例照明器件。
[0020]图14示意性地图解了依据本发明的另一个实施例配置的结合光引擎的照明器件。

【具体实施方式】
[0021]公开了用于提供在串中串联连接的发光二极管(LED)的均匀亮度的固态照明系统。在一些实施例中，LED可以直接从干线进行供电，以使得不需要开关模式电源供给(SMPS)。在这种情形中，线性调节器和开关可以用来控制通过LED的电流以提供均匀的亮度。由于在这种情形中没有SMPS，因此不需要SMPS输出储存器元件(例如，典型地是电容器或者有时是电感器或者两者的组合)或者与其关联的显著能量储存器。其他实施例可以与基于开关模式的LED驱动器拓扑结构和/或与LED簇(cluster)并联耦合的储存器元件一起使用。在任何这种情形中，数字控制逻辑(例如，微控制器或者其他合适的控制器)因此可以用来控制开关以提供均匀的亮度并且一些情形中以减轻没有SMPS输出储存器元件的问题。在一些实施例中，尽管可以使用其他开关样式，但是控制逻辑提供的开关样式可以实际上是随机的。
[0022]总体综沭
正如前面所指出的，LED和驱动电路可以电连接以提供照明系统。典型的驱动电路包含能量储存器元件，诸如驱动器输出上的电容器。在这样的典型系统中，正由驱动器供电的LED串中的LED的亮度均匀性能够通过使用能量储存器元件来实现。这些能量储存器元件允许近似恒定的电流流经LED，而不管LED驱动器的电压和电流的输入波形(在使用AC干线电压作为输入的系统中，功率正以两倍线频率脉动，即使没有功率因数校正电路)。
[0023]在一些情形中，驱动电路可以配置成不带有能量储存器元件，以便提供所谓的零能量储存器(ZES)配置。用于LED串的一个这样的示例ZES驱动器电路图解在图1中。可以看出，一串LED (LED的串联连接)被细分成N组(一组，有时在本文中称作簇，可以包含单个LED或者一排串联和/或并联连接的LED ；所示的示例包含了每组三个串联连接的LED )。这些组被并联连接的可控开关swl、sw2、…、swN短路，这些开关可以用基于晶体管或者其它合适的开关技术实施。可以进一步看出，这些开关响应于控制电路，所述控制电路被配置成:(通过Rsmse)感测流经LED的电流；以及取决于沿正弦波的实际电压值来控制开关，从而针对线路的瞬时电压(或者供给电压)调整LED串的有效长度。干线或者其它外部源耦合到整流器电路(Dl到D4和Cin)。ZES驱动器电路的额外细节可以在之前结合的美国申请N0.13/229,611中找到。这种ZES电路拓扑结构可能容易受到与LED串末尾处的像素(LED)(靠近图1中的Str-)相比LED串起始处的像素(LED)(靠近图1中的Str+)之间显著的亮度差的影响，假设每组相同的像素和像素(LED)数目。照此，一些LED看似全亮，一些看似暗淡，并且一些可能不亮。
[0024]因而，并且依据本发明的实施例，亮度的差别可以通过使用控制逻辑而显著地缓解，该控制逻辑配置成以如下这样的方式激活电子开关:所有的LED看似具有相同的亮度，并且LED串的正向电压Vstaing紧密地匹配整流的线电压Vltetified (例如，
S Vs_)，或者在某一其它合适的与Vlteetified的容差内。为此，与LED簇并联的开关可以由控制逻辑可个别寻址。在一些实施例中，准随机开关样式被用来控制这些电子开关。这样的控制的结果可以是在观看者眼中更加均一的亮度印象。为了确定在各个LED簇需要被开关短路或者需要被激活时的时间，依据一个示例实施例，控制逻辑被配置成测量跨过LED簇的电压降。LED簇不需要具有相同的跨过它们的电压降(并且因此不需要具有相同数目的串联的LED)。在一些这样的实施例中，控制逻辑试图开启尽可能多的簇以便减少电流源中的损耗。正如根据本公开将会明白的，当控制逻辑被配置成激活开关，从而使得所有的LED看似具有相同的亮度并且LED串电压紧密地匹配整流的线电压时，亮度的一些偏差以及与整流的线电压的偏差可以是可接受的。为此，LED之间的目标亮度相似性可能包含可接受的容差(例如，在任何一个时间点上，被激活的最亮LED的亮度在被激活的最暗LED的亮度的10%或更低内，诸如在5%，或者2%，或者1%内)。以相似的方式，与可获得的线电压的目标LED串正向电压降匹配可能包括可接受的容差(在任何一个时间点上，LED串的正向电压降在可获得的线电压的20%或更低内，诸如在10%，或者5%，或者2%，或者1%内)。
[0025]在本发明的一些实施例中，开关技术可以与在驱动器电路中没有显著能量储存器(例如，没有SMPS输出电容器)的LED电路一起使用，以便高效地照亮LED串的所有LED，从而使得LED串的所有LED看似均匀的亮度。这种特征也适用于操作在切相调光器上的LED电路。LED电路也可以用来最小化该串的个别LED之间的温差。LED电路可以在AC电压(例如，干线)以及两极性的DC电压上操作。如之前解释，例如，LED串可以是一连串连接的LED簇(采用串联和/或并联连接)。根据本公开将会明白的，本发明的其它实施例可以与驱动器电路中的能量储存器器件(例如，与LED簇并联的电容器)一起使用以提供在本文中描述的一种或者多种好处，包含了在一些这样的情形中均匀的亮度。
[0026]除了提供所有LED的均匀亮度外观并且因而克服了有亮的、暗的和不亮的LED的问题之外，取决于照明驱动器的配置，与开关技术关联的许多其它好处根据本公开将是显而易见的。举个例子，在输出级中没有能量储存器元件(例如，电感器和电容器，特别是没有电解电容器)的驱动器电路更加可能展现长寿命，进一步享有紧凑的设计(特别是如果一部分电子部件在集成电路中实施,正如能够做到的)和有竞争力的成本地位。此外,依据一些实施例配置的开关方案能够导致每个LED的高度均匀的时间平均的功率耗散，从而消除了热点。假设充分的设计，这将会进而导致由于减少了热应力而提高的可靠性。而且，由于没有或者更少的暗LED，活跃的LED (有效地共享热负载)的数量增加。随着LED数量的增加，LED各自的温度降低，导致增加的效率(由于降低了热下垂的影响)。此外，将更多的LED簇放置到如在本文中所描述的那样配置(关于簇的数量实际上过大)的照明电路中实际上能够由于个别LED的更少操作时间而导致增加的使用寿命以及由于个别LED的温度降低而导致增加的效率，尽管以增加功率耗散为代价。
[0027]电路体系结构如之前解释，为了克服亮和暗LED (或者更普遍的是，不均匀的亮度)的问题，依据一些实施例，个别可寻址的开关可以与在一种样式中开启和关断的每个LED (或者一排LED)并联使用。该样式被配置以使得由在特定时间实例是开启的LED的数量确定的串正向电压紧密地匹配干线电压。开启的LED数量可以例如由相应的关断的开关确定。该样式可以通过控制逻辑来产生，所述控制逻辑例如可以使用具有处理能力和许多嵌入式例程以执行如在本文中描述的功能的微控制器来实施。可替换地，微控制器可以配置有硬件来执行各种功能。可替换地，控制逻辑能够用门级逻辑或者特制半导体诸如专用集成电路(ASIC)或者现场可编程门阵列(FGPA)来实施。在更普遍的意义中，控制逻辑可以用软件、固件和/或硬件的任何组合来实施。根据本公开，多种控制逻辑方案和配置将会是显而易见的。
[0028]图2a示意性地图解了依据本发明的一个示例实施例配置的LED驱动器系统。在这个示例情形中可以看出，LED驱动电路由AC电源(VMains)的整流版本来馈电。被驱动的LED串包含了多个LED和/或LED排(Dl到Dn)，每个LED都与相应的由控制逻辑可个别控制的电子开关(SI到Sn)并联电耦合。LED排可能包括任何数量的串联和/或并联连接的LED,并且LED簇可能包括一个或者多个LED和/或LED排。控制逻辑也控制电流源(CS)，并且能够感测电流流动Ismse。正如根据本公开将会明白的，串电SVstong (示为虚线)可以被控制逻辑测量以优化开关(并且最小化跨过控制电流源的电压降)。最小化跨过控制电流源(特别是如果电流源是基于线性调节器)的电压降是期望的，因为这个电压意味着电流源的功率损耗，并且因此降低了效率。跨过电流源的电压是Vin-VstHng。指出的是，Vin也可以通过控制逻辑使用产生信号Vsmse的分压器R1-R2来测量。
[0029]为了能够确定在各个LED簇需要被开关短路或者需要被激活时的时间，依据一个示例实施例，控制逻辑考虑了跨过LED簇的电压降。例如，这可以通过实际测量或者通过基于理论和/或实际分析的估计来实现。LED簇不需要具有跨过它们的相同电压降(并且因此不需要具有相同数量的串联的LED)。在一些实施例中，控制逻辑被配置以开启尽可能多的LED簇以减少电流源的损耗。依据一些实施例，串电压Vstong通常低于但非常接近于整流的输入电压Vin。
[0030]在操作期间，每个当前活跃的LED簇的电压降能够通过如下进行测量:例如，经过伴随的开关来旁路活跃的LED簇，并且测量Vstong的增加。如果持续地应用这种方法，那么每个LED簇的V-1特性可以被确定并且储存在控制逻辑中(或者在某一其它合适的存储器位置)以便今后的参考和操作。因为电路/系统的总体温度可能变化，这些测量可以不时地重复(例如，基于预设的时间表，和/或当超过预设阈值的温度变化被控制逻辑或者其它电路探测到时)。
[0031]如果不期望测量每簇的电压降(例如，在为了节约成本而没有提供Vstaing测量能力的情形中)，那么可以配置控制逻辑来估计电压降。在一个这样的示例实施例中，对于给定的应用，可以假设恒定的电压降，诸如考虑到分选(binning)、最大电流和最极端温度的最大可能的电压降。指出的是，可以有用于所有簇的单一电压降值。另一个实施例可能基于测量的温度来近似电压降。在这样的实施例中，对于每簇，电压降(包括其温度依赖性)可以由控制逻辑知晓，或者另外对控制逻辑是可获得的。在这样的情形中，控制逻辑可以配置成测量这些簇的温度。例如，这可以通过使用每簇一个或者多个温度传感器来提供特定簇中LED的平均温度而完成；在其它这样的实施例中，对整个LED串可以使用单个温度传感器。例如，温度传感器可以位于控制逻辑内部，或者另外对控制逻辑是可获得的以读取温度。在一些这样的情形中，控制逻辑可以知晓或者另外可以获得包括LED串或者甚至LED簇和控制逻辑之间的温度关系的信息(例如，基于经验和/或理论温度数据)。照此，控制逻辑可以配置成估计个别LED簇的温度而没有实际测量个别LED簇的温度。
[0032]尽管输入电压Vin可能不显著地变化，但是使用定时器(例如，诸如将会依次讨论的定时器TMR_TMax)，额外的开关动作可以被执行。依据一些实施例，这有助于均匀地分散LED中的热量，以及在例如低线频率的情形中(或者在DC电压输入的情形中，该DC电压输入有时被用来向照明设备发出信号以切换到紧急照明模式)具有均匀亮度外观。
[0033]作为一种对使用与开关和LED串联的线性调节器(诸如控制电流源CS)的替代方案，所有的与没有被使用的/没有点亮的LED簇并联的开关可以被用在线性操作中而不是在开关模式中(例如，诸如开关是用场效应晶体管实施的情形；或者在开关是用双极结型晶体管实施的情形中，这些开关能够操作在有源区而不是饱和区中)。这些操作在线性操作下的开关形成了在没有被使用的LED簇周围的旁路，并且同时被用作线性调节器来控制通过那时处于使用的LED的电流。通过使用这种类型的控制，可以消除专用线性控制器的使用，但是代价是用于所有开关的更加精细的驱动电路，因为栅电压或者基电流需要更加精确控制，如将会明白的。
[0034]为了在长的时间周期(例如，LED可能老化的几年)内具有所有LED的均匀的(时间平均的)亮度，取决于以往相关的LED簇创建的流明小时数，改变每簇随时间开关的概率是可能的。例如，如果簇显示了发光效率随时间的不同变化(例如，一簇比其它簇更强烈地变热，并且因而该特定簇具有降低的功效，并且可能由于所提出的老化补偿的动作而比其它簇具有更大的发光概率)，那么可以使用这样的老化补偿。如根据本公开将会明白的，依据一些实施例，如果所有的LED簇以相同的方式老化，那么需要考虑这样的老化补偿。
[0035]图2b图示性地图解了依据一些实施例的图2a中所示的系统的操作原理。不同于传统的其中所有的LED将是开启的驱动器，控制逻辑提供的选择性开关方案在任何给定时间只开启某些LED。显示了开关的随机样式的示例定时(对于n=6)。在这个示例实施例中可以进一步看出，开关Sp…、Slri内部的自举电容器在没有开关开启(此时Vin在零交叉点Γ0 VAC))的这段时间周期期间被充电。这个自举概念将会依次进一步详细地讨论，诸如参考图5。
[0036]图3a示意性地图解了根据本发明的另一个示例实施例的以与图2a的系统相似的方式配置的但是具有LED串、恒流源和电流测量电路的串联连接的替换组合的照明系统。特别地，指出的是，在功率路径上的LED串、电流感测和控制电流源的顺序已被交换。然而功率路径仍然由这些元件但是以改变的顺序组成。这使得能够把公共点(COM)放置在电流源和电流测量电路之间。在一些情形中，使电路的两部分都以公共点为参考可能是有利的，因为这由于所有的信号都以地为参考而简化了控制逻辑(例如，对于模拟信号根本不需要电平移动)。此外，图3a所示的配置可能更容易实施，因为电流源不是如图2a的实施例中的高侧电流源。
[0037]关于图2a和3a可以看出，控制电路(控制逻辑和支持电路)包含许多连接，包含了那些通常标注为Cl到C8。可以进一步看出，连接Cl、C2和C8允许控制电路测量Vin以及提供/产生其自身调节的内部供给；连接C1-C3 (图2a)或者C2-C3 (图3a)允许控制电路测量跨过电流源的电压降；连接C4允许控制电路设置电流(通过控制电流源CS);连接C5允许控制电路测量通过LED串的实际电流(Ismse);连接C6指的是LED串的末端；并且连接C7指的是电流源的末端。图2a中的C2和图3a中的C3指的是COM (其可以连接到地或者其它参考电势)。
[0038]可以进一步看出，恒流源和电流测量电路包含了跨过Rshunt连接的放大和测量电路，并且在这个示例实施例中是在控制逻辑之外实施的。在其它的实施例中，该电路可以在控制逻辑内实施，如果期望这样的话。根据本公开将会明白的，可以使用各种程度的集成。图3b示意性地图解了依据本发明的一个示例实施例的恒流源和电流测量电路的进一步细节。可以看出，电路包含了两个运算放大器Vl和V2 (例如，双运算放大器包装)。运算放大器Vl被配置作为由R1和R2设定增益的非反相放大器用于电流测量和放大跨过Rshunt的电压降。运算放大器V2被配置用于具有输入电阻R3和包含R4和Ca的反馈的比例-积分(P-1)控制。晶体管Q1示于PI控制电路中，但也可以示于控制电流源电路中，因为它与电阻器R7和R8、晶体管Q2 —起操作以给晶体管Q3提供控制信号。在这个示例情形中，晶体管Q3是用金属氧化物半导体(MOS)晶体管实施的，并且被配置成操作在线性模式中，从而充当电流源。V_Supply电路给电路提供电力，从输入电压Vin获得，并且包含电阻器&和电容器Cb和齐纳二极管Z1来设定供给电压的期望电平。RC元件包含了电容器C。和电阻器R6,并且可以被用来改善冲击响应(与120Hz线波动无关)，并且齐纳二极管Z2可以被用来限制晶体管QJ^Ves (例如，Z2可以是1V的齐纳二极管)。根据本公开，多种变化都是显而易见的，并且被要求保护的发明不意图局限于在本文中提供的示例配置。
[0039]依据本发明的实施例，产生所有LED的均匀时间平均的亮度的任何开关样式可以用来实现具有均匀点亮的LED的期望效果。这可能是例如由随机发生器产生的伪随机样式(例如，通过以闭环XOR (异或)连接的方式使用移位寄存器或者重放已储存的或者之前记录的数据流)，或者是仅取决于Vsmse的预定义的开关样式。依据本发明的一个示例实施例，图4图解了用于产生随机开关样式的一个示例体系结构。可以看出，这个特别的电路被配置成创建基于Vsense的预定义的开关样式，并且例如可以在控制逻辑内实施，并且包含了给m个比较器(Cpl到Cpm)提供输入的分压器网络(R1到Rm+1)和基本逻辑(例如，使用NAND (与非)门和NOR (或非)门，没有时控制、存储器，并且不是状态机)。
[0040]通过给取决于输入信号I1'..、Im的Sp..、Sn选择合适的布尔表达式,产生(准)随机开关样式。对于正弦Va。，这导致每半个循环重复自身的开关样式并且在T/2内它对称于T/4 (干线周期的四分之一)。这是相对不贵的实现，但是关于随机性可能受限。此外，它不展现额外的开关，其中额外的开关指的是如下实施例:其中，即使线电压变化不大(在这样的时间周期中，需要开启的LED的数量保持相同)，但由于基于时间的开关(除了基于线电压的开关之外)仍然有开关动作。只要所有的LED具有相同的颜色，意图是随机样式的目标概率是相等的，以致每个LED或者LED排具有相同的开启概率，这导致如下事实:在足够大数量的线循环内被平均，所有的LED会开启大约相同的时间量。由此，所有的簇/LED看似具有相同的亮度。在不同颜色LED的情形中(例如，对于使用琥珀色和薄荷色LED的BrilliantMix (明亮混合)配置，或者RGBY-4颜色可调的LED)，该概率用于色点指导:所有具有相同颜色(可以是混合不同颜色LED的结果)的簇具有相同的开启/关断概率。如将会明白的，术语Brilliant Mix指的是OSRAM Opto Semiconductor开发的用LED产生具有高显色指数的白光用于普通照明应用的技术，并且术语RGBY-4指的是红，绿，蓝和黄。
[0041]图5图解了依据本发明的一个示例实施例配置的能够被用来实施LED驱动器系统的示例开关体系结构。可以看出，高侧开关是悬浮的，并且包含S1.....Slri (或者S1.....Sn，取决于实施方式)。每个高侧开关包括了用于MOSFET (例如，Q11等等)的驱动器。为了给悬浮开关供电，使用自举概念。更详细地，每当开关处在GND (或者COM)电势上时，电容器(例如，自举电容器C11)就会被充电(例如，通过自举二极管D11)高达地/COM参考的辅助电压源电压Vaux。Caux是滤波电容器，并且R11是偏置或者电流限制电阻器。充电的电容器随后提供能量来驱动开关晶体管(例如，Q11)的栅极。为了确保电路在通电时正确的操作，依据实施例，控制逻辑可以配置成开启所有的开关达足够长的时间，而不管Vse■，从而使得所有的自举电容器都被充电。在这个示例情形中，Q11栅极的驱动是通过光耦合器OC11来实现的。当输入信号S1为高时，因为光耦合器是活跃的，Q11被开启，并且因此通过二极管D12、OC11和R12,Q11的栅极提高到阈值电压之上。如果S1变低，光耦合器不允许任何电流流动并且R14将Q11的栅极拉低。
[0042]关于进一步参考图5中的不例实施例，指出的是，串中LED的失效不会导致电路发生故障。特别地，每个开关S1.....Sn都具有一个探测电路，并且如果在正常操作条件下，
跨过开关的电压变得过高(因为与各自开关并联的一个或者多个LED发生故障，诸如LED没法断开)，则探测电路使开关闭合(由此旁路了有缺陷的簇)。为了依然发光，即使在LED串中的一串中存在开路，这个特别串会被不管怎样都会有的邻近的开关短路。在这个示例实施例中，这种在高开关电压下开启开关的额外特征是通过齐纳二极管D13和电阻器R13实施的。D13的齐纳电压选择为高于在正常操作条件下专用LED簇的常规正向电压。根据本公开，所示出的示例电路的多种变化将会是显而易见的。举个例子，指出的是，高电压晶体管能够被用来发出信号，而不是光稱合器OC1 i…OCnl。
[0043]给开关和/或控制逻辑的辅助电压产生
图6a和6b分别图解了依据本发明的一个示例实施例的被配置用于辅助电压产生以给LED驱动器系统的控制器或者控制逻辑和/或开关供电的操作原理和示例体系结构。关于图6a可以看出，依据一些实施例，电压Vaux可以产生于Vsense或者直接产生于Vin。图6b所示的示例实施例假设Vin。在其它实施例中，指出的是，专用线性调节器可以被用来产生Vaux,如果期望这样的话，但是这样的配置将通常不大高效。大体上，这里所使用的技术有效地包含了只有当线输入电压在一定范围内时才工作的线性调节器，而该线性调节器具有稍微良好的效率并且用电容器储存能量。如图6b进一步所示的，例如，该线性调节器可以实施在控制逻辑内。
[0044]更加详细地，依据本发明的一个实施例，图6a显示了瞬时线电压Vin (或者Vsense,视情况而定)随时间以及图6b中控制开关Q1的开关周期的图。在这张图中，Vin被示为在间隔时隙I期间穿过阈值电压VHi和\0同时增加而在时隙2期间穿过阈值电压Vm和\0同时在值上下降。在时隙3期间，Vin高于上阈值电压值VHi，而在间隔时隙4期间，Vin低于下阈值电压'。。在一个示例实施例中，开关的开关周期可以被配置以使得当线电压介于两个阈值电压VHi和\0之间时开关闭合(即在时隙I和2期间开关闭合)。在这种实施例中，线性调节器只在高效率的周期期间操作。
[0045]在图6b所示的示例中，电路包含用于缩放在控制逻辑(例如，集成电路或者芯片组，诸如微控制器、ASIC、FPGA等等)内部的Vin (或者Vsense，视情况而定)值的电阻器R5。也提供参考电压Vref连同充当分压器的电阻器RpR2和R3,电阻器RpR2和R3的值确定包括比较器Cpl和Cp2和AND (与)门的窗口鉴别电路的下阈值电压Vlo和上阈值电压VHi (在控制逻辑内部都被缩放；指出的是“、表示缩放值)。线电压Vin被连接到比较器Cpl和Cp2，并且也被连接到电阻器R4。比较器Cpl和Cp2的输出(分别是AHi和\。)被发送到与门。在这个特别的示例中，与门的输出(Atju)通过电阻器Rb被发送到晶体管Q2。晶体管Q2通过电阻器Re连接地/COM，并且通过齐纳二极管D1连接晶体管Qp晶体管Q1的输出提供了辅助电压Vaux,并且在这个示例实施例中，晶体管Q1的输出端被连接到电容器Caux和自举二极管Dno晶体管Q1的发射极与任选的二极管D2连接，所述任选的二极管D2保护了 Q1以防潜在地过高的反向电压。二极管D2与线电压Vin连接。在一种这样的情形中，电阻器Rb和Re连同晶体管Q2的电流增益β —起操作以限制在启动时经过晶体管Q1的浪涌电流(如果电容器Caux为空或者完全放电)，并且也操作以限制时隙2开始时的任何电流尖峰。
[0046]在一些实施例中，如果辅助电容器Caux在时隙3期间显著地放电，那么在时隙2的开始时有电流尖峰的可能性。因为这些电流尖峰，相比于当线电压在时隙I内正在增加时，电路在时隙2期间可能不大高效。因而，依据本发明的一个实施例，线性调节器可以被控制以使得它只在当Vin (或者Vs■，视情况而定)介于上和下阈值电压VHi和\0之间正在增加时的时隙I期间操作。这样的示例避免在时隙2开始时的高损耗。依据本发明的一个实施例，图6c显示了可以用在线性调节器开关的控制中的电路逻辑图。这样的实施例可以用与在图6b中所示的相似电路来实施，只是与门被图6c中所示的逻辑电路取代。更具体地，如图6c中所示，比较器Cpl和Cp2的输出可以被发送到与门的两个输入。比较器Cp2的输出可以被发送到S-R锁存器，所述S-R锁存器也被与门的输出馈电。如图6c中进一步所示，S-R锁存器的输出被发送到与门的第三个输入。
[0047]图7a和7b图解了依据本发明的其它示例实施例的被配置用于辅助电压产生以给LED驱动器系统的控制器或者控制逻辑和/或开关供电的替代体系结构。在这样的示例实施例中，跨过LED/LED簇的正向电压降可以用来产生辅助电压。
[0048]参考图7a中所示的示例电路,假设跨过三个LED簇(Dn、...、Dn_2)的电压Vaux将足够产生V.。如将会明白的，虽然在这个示例情形中使用了最低的三个二极管，其它实施例可能例如是两个最低的或者四个最低的二极管，这取决于期望电压Vaux什么量级。在这样的实施例中，指出的是，由于跨过D1.....0?的电压降非常高，启动可能是困难的。这意味着给Caux充电可能花相当长的一段时间，取决于给定的应用，这可能是不期望的。此外，由于Dn和Dlri和Dn_2将只在短的时间间隔/周期内被开启的事实，Caux需要具有足够大的容量。
[0049]图7b中所示的示例实施例包含了在控制逻辑中的高电压启动电路,它可以由控制逻辑中提供的内部电源供电。在这样的实施例中，每当三个或者更少LED簇正在操作(相应的开关是断开的)时，通过逻辑开启Qltl和Q11,利用跨过多于三个LED簇(例如，在这个示例情形中是5个簇)的电压降来创建辅助电压V.。因而，Caux充电的时间周期显著地增加，并且因此更小容量的Caux将足够了。辅助电压Vaux用来给与LED并联的开关和控制逻辑供电。
[0050]方法论/伪码/实施细节
图8a到图Se是图解依据本发明中的各个示例实施例配置的开关控制方案的流程图。如之前解释，开关方案可以通过控制逻辑被执行，所述控制逻辑可以例如使用一个或者多个微控制器、FPGA、ASIC或者其它这样的可以被编程或者另外被配置成执行在本文中描述的功能的合适电路来实施。在讨论流程图之前，建立一些专门名称将是有帮助的。表I提供了流程图中可能所指的示例寄存器和变量。表2提供了流程图中可能所指的示例常数。表3提供了流程图中可能所指的示例定时器。指出的是，所有定时器被配置为倒计时定时器。表4提供了流程图中可能所指的示例子例程。指出的是，根据本公开将会明白的，这些表仅仅提供作为示例，并且其它没有包括在这些表中的寄存器、变量、定时器和/或者子例程也可以被使用。
[0051]表1:寄存器/变量寄存器I解释
/变量__
OReg OReg是控制开关S1.....Sn的输出寄存器。如果设置了该寄存器的位I…η,那么开关S1.....S11是断开的,并
_且相应的LED簇D1.....Dn发光。_
I 友布电流调节器的设定值的D/A转换器的寄存器。
V—保持最后测量的Vsrase的值。
SENSE__
I I保持最后测量的的值。
SENSE__
VI保持最后测量的Vstnllg的值。
STRING
V—CS i呆持最后测量的跨过电流源的电压值。
T_与LED簇D1.....Dn以及电流源温度对应的η+1个温度的数组。_
TMax 整数，从而使得T[TMax]给出了温度的最大值。
Up 含有在Vin充分升高的情形中接下来会开启的LED簇的数量(例如，Up=3:D,将是要被开启的下一个)。
Dn 1§似邱，只是为了关断，如果Vin充分下降(例如，Dn=3:?将接下来被关断)。
VJJp 在开关将要发生(以开启Dud)之前V—SENSE需要增加到或者超过这个值(=V—SENSE需要增加到至少这个值)。
V—Dn I在开关将要发生(以关断DnJ之前V—SENSE需要下降到或者低于这个值。
[0052]表2:常数常数I解释
Const—VF—Guess密切地反映了跨过LED簇D1的电压降的常数(指出的是准确值不重要，因为这
_个值只用来启动)。_
MAX_INTI代表在该微控制器(或者FPGA，等等)上整数变量的最大数量的常数。
[0053]表3:定时器定时器I解释
TMR—INT如果定时器寄存器TMR—INT—REG到达O,触发中断。中断例程的目的是测量LED簇和电流源的温度,并且随
_后更新电流源的设定值。_
TMR—TMax这个定时器的目的是限制特定样式被显示的时间(样式=哪些LED是开启的和哪些是关断的)。如果线电压保持在不会导致在某段时间内的S1.....Sn的开关动作的一定范围内，可以引入这样额外的开关。这种特征可以有助于产生随机/均匀的光线分布以从DC操作电路(例如,光源用来紧急照明一当存在停电时,AC切换
_到 DC)。_
TMR—Tdc I这个定时器看管开关中的自举电容器的重复再充电。—
[0054]表4:子例程子例程 I解释
RandQ RandQ函数返回随机分布在I和η之间的整数，其中对于所有数字等概率。_
IV_Meas O S j± A/D ft M * Vsense, Vstring Isense, # J.H ff V_SENSE, V_STRING I_SENSE? -? ili if # V_
_CS=(R1+R2)*V—SENSE/R2-V—STRING (见第 17 页)。V—CS 表示跨过电流源的电压。_
T Meas(i) 测量簇Di的温度或者如果i=n+l，它测量电流源的温度。_
I —Set (V—为电流调节器计算新的设定值。在一种实施方式中，I—Set(...)只返回常数值(例如,这个常数可以被储存SENSE, T—在程序存储器中)。I—Set(…)可以考虑到V—SENSE(例如,返回与V—SENSE成比例的值一这种方法给出了Max) 优异的功率因数)。非线性降额也可以在I—Set中实施(例如,如果V—SENSE或者T[T—Max]升高到某个阈_I值之上)。_
[0055]图8a是图解了依据本发明的各个示例实施例的用于执行开关控制的主程序的结构的流程图。可以看出，流程图的每个盒包含了一个或者多个圆形标识符(总共是I到13)。每个这样的标识符以及相应的解释在表5中所示。
[0056]表5:主程序

【权利要求】
1.一种照明系统，包括: 多个发光二极管(LED)，在串中串联连接； 多个开关，每个开关跨过该串中不同组的LED进行连接；和 控制器，被配置成选择性地激活开关以试图提供对人类看似均匀的亮度。
2.权利要求1的系统，其中控制器选择性地激活开关以使得LED串具有在给系统供电的线电压的5%或者更低内的正向电压降。
3.权利要求1的系统，其中控制器选择性地激活开关以使得LED串具有在给系统供电的线电压的2%或者更低内的正向电压降。
4.权利要求1的系统，其中控制器配置成使用随机开关样式选择性地激活开关。
5.权利要求1的系统，其中控制器配置成使用周期性开关样式选择性地激活开关。
6.权利要求1的系统，其中控制器配置成测量跨过LED串的正向电压降，并且由控制器做出的开关决定至少部分基于正向电压降。
7.权利要求1的系统，其中每个开关关联于一个或者多个LED以提供可开关的LED簇，并且控制器配置成开启尽可能多的簇以便降低与LED串串联的电流源中的损耗。
8.权利要求1的系统，其中在任何一个时刻，在该串中被激活的最亮LED的亮度处于在该串中被激活的最暗LED的亮度的10%或更低内。
9.权利要求1的系统，进一步包括了配置成接收电压源和提供跨过LED的整流电压的整流器电路。
10.权利要求1的系统，进一步包括了与LED串联的电流源。
11.权利要求1的系统，其中LED能够直接从AC或DC电源进行供电，以使得不需要开关模式电源供给输出储存器兀件。
12.权利要求1的系统，进一步包括了:一个或多个储存器元件，每个与LED中的不同一个或多个的相应簇并联耦合。
13.权利要求1的系统，其中跨过LED的正向电压降被用来产生给开关和/或控制器中的至少一个供电的辅助电压。
14.权利要求1的系统，进一步包括了配置成接收线电压的线性调节器，其中线性调节器基于接收到的线电压间歇性地操作并且被用来产生给开关和/或控制器中的至少一个供电的辅助电压。
15.一种集成电路,包括权利要求1的系统。
16.—种光引擎,包括权利要求1的系统。
17.—种照明系统,包括: 多个发光二极管(LED)，在串中串联连接； 多个开关，每个开关跨过该串中不同组的LED进行连接；和 微控制器，被配置成选择性地激活开关以试图提供对人类看似均匀的亮度，并且其中微控制器选择性地激活开关以使得LED串具有在给系统供电的线电压的20%或者更低内的正向电压降。
18.权利要求17的系统，其中控制器配置成使用随机开关样式和/或周期性开关样式中的至少一个来选择性地激活开关。
19.权利要求17的系统，其中控制器配置成测量跨过LED串的正向电压降，并且由控制器做出的开关决定至少部分基于正向电压降。
20.—种照明系统,包括: 多个发光二极管(LED)，在串中串联连接； 多个开关，每个开关跨过该串中不同组的LED进行连接； 线性调节器，与LED串联；和 微控制器，被配置成选择性地激活开关以试图提供对人类看似均匀的亮度，其中每个开关关联于一个或者多个LED以提供可开关的LED簇，并且控制器进一步配置成开启尽可能多的簇以便降低线性调节器中的损耗。
21.权利要求20的系统，其中控制器配置成使用随机开关样式和/或周期性开关样式中的至少一个来选择性地激活开关。
22.权利要求20的系统，进一步包括:一个或多个储存器元件，每个与LED中的不同一个或多个的相应簇并联耦合。
23.—种照明系统,包括: 多个发光二极管(LED)，在串中串联连接； 多个开关，每个开关跨过串中不同组的LED进行连接；和 控制器，被配置成选择性地激活开关，其中跨过LED的正向电压降被用来产生给开关和/或控制器中的至少一个供电的辅助电压。
【文档编号】H05B33/08GK104137651SQ201380005962
【公开日】2014年11月5日 申请日期:2013年1月22日 优先权日:2012年1月20日
【发明者】B.西泽格, M.科斯特伦 申请人:奥斯兰姆施尔凡尼亚公司