含包括具有协调频率的高频调制脉冲群信号的调光信号用于led的操作电路的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种用于控制至少一个LED的方法，该LED被供以直流电压或者经整流的交流电压，利用线圈(L1)和通过控制/调节单元(SR)计时的第一开关(S1)来提供用于至少一个LED的供电电压，其中在接通第一开关S1时，在线圈(L1)中临时存储能量，该能量在切断第一开关(S1)时由二极管(D1)和至少一个LED释放，其中控制单元(SR)利用调光信号来控制第一开关(S1)，所述方法的特征在于，调光信号通过低频信号和高频信号的外部关联来产生，其中低频信号的脉冲宽度(TON*LF)被选为高频信号的周期时间的整数倍。
【专利说明】含包括具有协调频率的高频调制脉冲群信号的调光信号用于LED的操作电路
[0001]本发明涉及一种权利要求1的前序部分所述的具有发光二极管的操作电路，以及根据权利要求10的前序部分所述的方法。
【技术领域】
[0002]近年来在照明应用方面，如例如发光二极管的半导体光源越来越受到关注。其原因主要在于，不仅在这种光源的亮度方面也在其光效(每瓦的光输出)方面能够实现重要的技术创新以及巨大的进步。同样因为发光二极管因其较长的使用寿命能够发展成为对于如白炽灯或者气体放电灯的传统光源来说有吸引力的替代品。
现有技术
[0003]半导体光源在现有技术中是已知的，并且在下文中被简称作LED(发光二极管)。该术语在下文中既包括由无机材料制成的发光二极管，也包括由有机材料制成的发光二极管。已知的是，LED的光辐射与流过LED的电流相关。
[0004]因此为了调节亮度，LED基本上以调节流过LED的电流的方式来操作。
[0005]在实践中，为了控制一个或多个LED装置，优选使用开关调节器，例如降压转换器(压降或降压转换器)。例如在DElO 2006 034 371A1中已知这样一种开关调节器。其中，控制单元控制高频时钟开关(例如功率晶体管)。在接通开关的状态下，电流流过LED装置和由此被充电的线圈。在切断开关的状态下，线圈临时储存的电能通过LED放电(空载阶段)。流过LED装置的电流显示出了锯齿状的时间曲线:在接通开关时，LED电流显示为上升沿，在切断开关时显示为下降沿。LED电流随时间变化的平均值表示流过LED装置的有效电流，并且是LED亮度的一个标准。通过对功率开关的相应的时钟控制可以调节平均的有效电流。
[0006]此时操作装置的功能在于提供流过LED的期望的平均电流，以及尽可能小地保持因闻频接通和切断开关所引起的电流随时间变化的波动幅度(通常在闻于1kHz的范围内)。
[0007]电流的较大的波动幅度(波动性或脉动)尤其对LED产生不利影响，因为通过电流幅值的改变可改变已发射光的光谱。
[0008]为了在操作时尽可能恒定地保持发射的光谱，已知在调节LED亮度时不改变电流幅值，而是采用所谓的PWM(脉宽调制)的方法。此时，通过操作装置向LED供应具有(在时间中点上)恒定电流幅值的低频(通常具有范围在ΙΟΟ-ΙΟΟΟΗζ内的频率)脉冲群。上面提到的高频波动与脉冲群内的电流叠加。LED的亮度现在可以通过脉冲群的频率来控制；可以例如对LED进行调光，以便增大脉冲群之间的时间间隔。
[0009]操作装置的实践要求是，例如不论实际上应该有多少LED作为负载被连接并操作，均可以尽可能灵活且多方面地使用该操作装置。此外，当例如一个LED停止工作时，负载可以在操作期间改变。在传统技术中，LED将以所谓的“连续导电模式”或者不中断的操作方式操作。将借助图1a和图1b更为详细说明该方法(现有技术)。
[0010]图1a中所示示例示出了作为基础电路而用于操作至少一个LED(或者多个串联接通的LED)的降压转换器(Buck-Converter),该电路具有第一开关SI。操作电路被供给直流电压或者整流的交流电压U0。
[0011]在第一开关SI的接通状态下(在时间段t_on过程中)，在线圈LI中形成电能，该线圈在切断第一开关SI的状态下，通过至少一个LED放电。图1b中示出了所产生的电流随时间变化的曲线(现有技术)。其中示出了 PWM的两个脉冲群。此外，脉冲群内的电流曲线被放大示出。出于颜色一致性的原因，脉冲群内的波动幅度应尽可能小。这可以通过适当选择接通时间点to和切断时间点tl来实现。因此可以例如如下选择这些时间点，即:当电流低于规定的最小参考值时接通第一开关SI，当电流超出最大参考值时断开开关。然而这种方法具有许多缺点:首先，为了实现尽可能小的波动，需要快速地进行接通和切断过程。也就是说，电流的升高(正或负边沿)不能由操作装置控制，并被看作是给定的，因为电流的升高是通过线圈LI的电感率以及LED的功率消耗来确定的。由于操作电路的组件的公差以及时钟单元有限的分辨率，可能会导致频闪或者其他故障。
【发明内容】
[0012]本发明的任务在于，提供一种改进现有技术的、用于至少一个LED的操作电路，以及用于操作至少一个LED的方法，其通过简单的类型和方式恒定地保持电流，并且由此保持LED功率。
[0013]该任务根据本发明通过独立权利要求的特征来解决。从属权利要求以特别有利的方式进一步形成了本发明的中心思想。
[0014]根据本发明的第一方面，为用于至少一个LED的操作电路供应直流电压或者经整流的交流电压。用于至少一个LED的供电电压利用线圈和由控制单元时钟控制的第一开关来提供，其中在接通第一开关时，在线圈中临时存储能量，该能量在切断第一开关时由二极管以及由至少一个LED释放。
[0015]控制单元利用调光信号来控制第一开关，其中调光信号通过关联低频信号和高频信号产生，并且这种关联优选设置在控制单元内。脉冲宽度(T0N*LF)和/或低频信号的持续时间被选择或确定为高频信号的整数倍。
[0016]LED亮度的变化可以通过改变低频信号的频率来实现。频率的改变通过改变低频信号的切断时间来实现。其中在应该减小亮度时，优选提高低频信号的切断时间，并且在应该提高亮度时降低低频信号的切断时间。
[0017]控制单元可以如下选择第一开关的切断时间，即:尽可能少地出现开关损耗，而流过至少一个LED的电流具有尽可能小的波动。
[0018]例如操作电路具有第一传感单元，该第一传感单元产生基于流过第一开关的电流的第一传感信号，和/或第二传感单元，该第二传感单元检测线圈达到退磁并形成第二传感信号。第二传感信号例如还可以获取经过LED的电压或电流，并且由此生成第二传感信号。这些传感信号被传输到控制单元，并加以处理。
[0019]该控制单元例如将第一传感单元的信号或者第二传感单元的信号或者两种信号的组合用于确定第一开关的接通和/或切断时间点和/或占空比。
[0020]例如当流过第一开关的电流超出最大参考值时，则控制单元切断第一开关，并且当流过LED的电流低于最小参考值时，例如当线圈被退磁和/或二极管故障时，控制单元可选择在该时间点重新接通开关。还可以通过预定的频率来确定再次接通时间点。
[0021]在本发明的一个优选实施方式中，第一传感单元是测量电阻(分流器)。
[0022]在本发明的另一实施方式中，第二传感单元是电感耦合在线圈上的次级绕组，或者霍尔传感器，或者第二传感单元识别线圈实现退磁的过程，以使其利用(欧姆)分压器观察高于第一开关的电压。
[0023]在本发明的另一实施方式中，用于至少一个LED的操作电路由谐振或准谐振电路构成。用于至少一个LED的供电电压利用至少一个由控制单元时钟控制的第一开关来提供，其中第一开关在接通状态下，向优选具有至少一个作为电感的线圈的谐振电路馈电。在该谐振电路中，优选在线圈中临时存储能量，该能量在切断第一开关时由二极管和至少一个LED释放。在二极管和LED之间还可以接通作为平流电容器的电容器，该电容器直接或者间接地平行于LED地布置。该谐振电路还可以具有谐振电容器。该线圈还可以是变压器的部件或者除线圈之外还可在谐振电路中布置变压器。第一开关还可以是逆整流器的部件，例如交替时钟控制的半桥。
[0024]本发明还涉及一种用于控制至少一个LED的方法。
[0025]本发明的其他优选实施方式和改进是从属权利要求的主题。
[0026]下面将借助优选实施方式，参照附图来详细描述本发明。
[0027]图1a示出了根据已知现有技术的电路布置；
[0028]图1b示出了在图1a(现有技术)的电路布置中LED电流的时间变化曲线图；
[0029]图2a示出了用于LED的操作电路的第一示例；
[0030]图2b示出了描述图2中所述电路布置中的电流随时间变化的曲线和控制信号的视图；
[0031]图3和图4示出了操作电路的特殊实施方式；
[0032]图5示出了图2a中电路的一种变型(降压-升压)；
[0033]图6示出了操作电路的另一特殊实施方式；
[0034]图7示出了控制单元SR根据本发明的一个实施方式的第一示例；
[0035]图8a示出了根据本发明来控制用于LED的操作电路的一个示例；
[0036]图Sb示出了根据现有技术来控制用于LED的操作电路的一个示例；
[0037]图9示出了操作电路的另一实施方式。
[0038]图1a和图1b示出了现有技术。
[0039]图2a中示出的电路布置用于操作至少一个(或者多个串联和/或并联接通的)LED。在所述示例中，例如串联接通两个LED，当然也可以是仅一个或者多个LED。
[0040]这些串联和/或并联接通的LED在下文中也被称为LED线路。本发明的一个优点在于，该操作电路非常灵活地匹配于串联连接的LED的类型和数量。向该电路传输到直流电压UO，当然也可以是整流过的交流电压。该直流电压UO优选是尽可能恒定的直流电压，但该电压可以具有较小的交流电部分作为波动。这些LED与线圈LI和第一开关SI串联连接。
[0041]此外，该电路布置具有二极管Dl (该二极管Dl与这些LED和线圈LI并联接通)并且可选择具有与LED并联接通的电容器Cl。在第一开关SI接通的状态下，电流流过LED并且流过线圈LI，因此该线圈被磁化。在切断第一开关SI的情况下，存储在线圈的磁场中的能量以电流的形式由二极管Dl和LED释放。与此同时，在接通第一开关SI的开始阶段，电容器充电。在第一开关SI切断的阶段(空载阶段)中，电容器Cl放电，并且有助于流过LED段的电流流。在电容器Cl尺寸适当的情况下，会引起对流过这些LED的电流的整流。
[0042]场效晶体管或者双极型晶体管被优选用作第一开关SI。通常在超过1kHz优选超过50kHz的频率范围内，第一开关SI被高频接通。
[0043]这种操作类型的优点在于，如果像后面所实施的那样，当施加在该开关上的功率接近于O时，优选接通该开关，则第一开关SI在操作中被分流。而相反地，在开关过程于高功率作用下运行的现有技术中，必须针对第一开关Si使用具有极短切换持续时间的高品质元件，以便将开关损耗保持在可接受的范围内。这种操作类型的优点在于，针对第一开关SI和二极管Dl还完全可以使用具有相对长一些的切换时间或者较长的拔出时间的相对廉价的元件。
[0044]在图2a的电路中，还设置有控制单元SR，该控制单元为了调节LED功率而预定了第一开关SI的时钟控制。
[0045]控制单元SR用于确定第一开关SI准确的接通和输出时间点来作为第一传感单元SEl的输入参数信号和/或第二传感单元SE2的信号。
[0046]第一控制单元SEl与第一开关SI串联布置，并且测定流过第一开关SI的电流。这将用于检测流过第一开关SI的电流流。如果流过第一开关SI的电流流超过规定的最大参考值，则切断第一开关Si。
[0047]在一个有利的实施方式中，第一传感单兀SEl可以例如为测量电阻(分流器或者电流电阻)。
[0048]为了检测电流流，现在可以量取测量电阻(分流器)上的压降，并且例如借助比较器与参考值进行比较。
[0049]如果测量电阻(分流器)上的压降超过规定的数值，则切断第一开关SI。
[0050]第二传感单元SE2被布置于在空载阶段中有电流流过的电流分路内，优选在线圈LI附近或者在线圈LI上，或者与LED串联或并联布置(例如作为电流镜)。借助第二传感单元SE2，控制单元SR可以为第一开关SI的接通时间点确定合适的时间点。
[0051]在一个可能的操作方式中，当流过线圈LI的电流首次为0，或者至少是非常小时，优选将第一开关SI接通，也就是说在二极管Dl于空载结束阶段被阻断的时间范围内，优选将第一开关SI接通。在此情况下，在第一开关SI的接通时间点上，在开关SI上施加尽可能小的电流。
[0052]通过识别流过线圈LI的电流过零点，实现近乎无损的开关。流过LED的电流优选只显示出较小的纹波，且波动不大。这是由于对与LED并联接通的电容器Cl的整流作用。在线圈电流极小的阶段，电容器Cl负责向LED馈电。
[0053]开关SI的切断持续时间也可以通过固定给出的频率被预定。在此情况下，开关SI的切断持续时间通过开关SI的时钟频率的周期时间的剩余时间(后面也被称为高频信号)，即:开关Si的周期时间与接通持续时间的差值得出。
[0054]第一开关SI的单个电流曲线和最佳接通时间点应借助图2b中的图形详细加以描述。
[0055]与图1b中的图形相类似，通过两个脉冲群来描述电流i_L的时间曲线。
[0056]放大的视图示出了 PWM脉冲群内的电流曲线:它是流过线圈LI的电流i_L随时间变化的曲线，该曲线描绘流过LED的电流i_LED随时间变化的曲线和第一开关SI的状态随时间变化的曲线(在状态O下，第一开关SI被切断，在状态I下，开关闭合；用于开关SI的状态信号对应于开关SI (在栅极处)的控制信号)。在时间点t_0上,第一开关SI闭合并且开始有电流流过LED和线圈LI。电流i_L表示基于指数函数的增长，其中在感兴趣区域内识别i_L的准线性增长。
[0057]i_LED与i_L的区别在于，一部分电流i_L用于为电容器Cl充电。在时间点t_l上(例如当达到所希望的最大参考值时)打开第一开关Si将导致，在线圈的磁场中存储的能量通过二极管Dl和LED或者电容器Cl释放。电流i_L继续沿相同方向流动，但持续减少，并且甚至可能达到负值。负电流(也就是说具有相反方向的电流流)会一直存在，直到带电粒子(之前在导电极化的二极管Dl中所积聚的)被从二极管Dl的阻断层被去除。
[0058]相反电流i_LED只轻微减少并保持，这是因为电容器Cl起整流作用。在时间点t_2上，二极管被阻断。电流i_L减少(但仍然是负值)，并且趋近于O。在该阶段中，二极管Dl上的寄生电容和剩余电路中的其他寄生电容被再充电。
[0059]第一开关SI上方的节点Ux上的电压以及线圈LI上的电压在这段时间内极其迅速地变化。节点Ux上的电压下降为较低的值(由于二极管Dl的阻断)。此时当电流i_L达到过零或者至少接近过零时，给出第一开关SI有利的再接通时间点t_3。在该时间点上，线圈LI不被磁化或者几乎不被磁化。
[0060]第一开关SI可以在此时间点以很小的损耗被接通，因为几乎没有电流流过线圈LI。然而，在时间点t_2上或者仅在此前再次接通已是可能的，因为流过线圈LI的电流在该时间范围内是非常低的。
[0061]为了检测用于第一开关SI的有利的时间点，现在使用第二传感单元SE2。在第一实施方式中，例如可以获取流过线圈LI的电流i_L。而这要求较昂贵的电流。流过线圈LI的电流i_L例如可以借助霍尔传感器来获取。因此作为补充或替代，可以引入另外的/其它适用于检测有利的接通时间点的数值。
[0062]在另一实施方式中，例如可以获取线圈LI的磁化状态。第二传感单元SE2例如可以是线圈LI处的次级绕组L2，其量取线圈LI处的电压。对线圈LI (尤其是在时间点t_2后阻断二极管Dl之后不久的“下降”)的电压随时间变化的曲线进行观察可以实现有关第一开关SI有利的再接通时间点的陈述。在简单的变型方案中，加入比较器，该比较器根据超过或者低于阈值的情况可识别退磁(以及由此过零)的实现过程。
[0063]作为观察线圈LI处的电压的替代或补充，例如可以观察第一开关上方的节点Ux处的电压。在关闭二极管时，节点Ux处的电压从较高值显著下降为较低值。第一开关SI的再次接通信号因此可以在电压Ux低于已知的阈值时发出。当线圈LI被退磁和/或二极管Dl被阻断时，控制单元SR在此时间点上再次接通第一开关SI。第二传感单元SE2此时可以由电感耦合到线圈LI上的次级绕组L2或者由节点Ux上的分压器(R1，R2)组成。
[0064]为了运行操作电路以及调节流过LED的电流，也可以考虑其他调节机构，因此例如低于LED电流的预定阈值可以是再次接通的条件。也可以仅根据在接通开关SI的阶段中所获取的流过测量电阻(分流器)RS的电流进行调节，其中，例如在此情况下，开关SI的接通时间在固定的时钟频率情况下可以发生改变，或者LED电流可以根据电流的时间平均值进行调整。
[0065]控制单元SR利用第一传感单元SEl和/或第二传感单元SE2的信息来确定第一开关SI的切断和接通时间点，并且由此生成高频信号，以便直接或间接调节LED电流。也可以考虑利用计算向操作电路供应的功率来调节功率。
[0066]亮度调节可以优选以低频PWM信号的形式，通过调节经过控制单元SR的LED功率的时间平均值来实现。为了调节亮度，低频PWM信号的频率通常在100至1000Hz的量级。
[0067]图8b示出了一个根据现有技术的示例，其中高频脉冲的脉冲群(如在图1b中描述出的那样)通过低频脉冲的脉宽的末端被截断，也就是说在高频脉冲的周期时间未完全结束的时间点处。其中，低频脉冲的脉宽确定脉冲群的宽度。这样的截断既可以出现在高频脉冲的下降沿也可以出现在其上升沿。
[0068]图7的示例示出根据本发明通过控制单元SR对开关SI进行控制的过程，例如其可被用在根据图2的示例所示的电路上。在图8a中，以有利的随时间变化的曲线示出了低频信号(LF)和高频信号(HF)以及所产生的调光信号(FET)，确切的功能将在下文中借助图7的示例来加以解释。
[0069]在图7中示出了控制单元SR内的本发明的一种可能的实施方式。控制单元SR利用调光信号来控制第一开关，其中调光信号通过关联低频信号和高频信号来产生。低频信号和高频信号可以在控制单元SR内部进行关联，并且在控制单元SR的输出端输出。
[0070]能够由低频PWM单元(低频PWM单元)产生的低频信号以及能够由高频PWM单元(高频PWM单元)产生的高频信号可以通过耦合元件进行关联。该耦合元件可以通过逻辑关联来形成。在图7的示例中，由低频PWM单元(低频PWM单元)产生的低频信号被传输到D-触发器的D输入端。由高频PWM单元(高频PWM单元)产生的高频信号被传输到D-触发器的C输入端。施加在输出端上的D-触发器的信号被传输到或门(ODER Verkniipfung)。由低频PWM单元(低频PWM单元)产生的低频信号被传输到与门(UND Verknilpfung)。由高频PWM单元(高频PWM单元)产生的高频信号也供应给与门。在与门的输出端上产生的信号形成调光信号，该调光信号传输到控制单元SR的栅极驱动器输入端(栅极驱动器输入端)，并且由此传输到开关SI的栅极。
[0071]然而，低频信号和高频信号的关联还可以通过借助如高频信号的周期时间(T_HF)的参数来计算用于低频信号的参数而实现，例如在数字系统中。
[0072]低频信号和高频信号优选相对与调光信号在内部进行关联，并且输出控制单元(SR)输出端处的调光信号。控制单元(SR)优选具有用于关联低频信号和高频信号的机构，以便将低频信号的脉宽(T0N*LF)选择为或者确定为高频信号的周期时间(T_HF)的整数倍。
[0073]还可以用外部微型控制器的控制单元SR来产生低频信号，其中微型控制器具有低频PWM单元(低频PWM单元)。该低频信号可被传输到控制单元SR，其中控制单元SR只能具有用于产生高频信号的高频PWM单元(High frequency PWM-Unit)和用于关联低频信号和高频信号的耦合元件。这样的系统被作为示例描述在图6中。
[0074]在对LED调光时，低频信号的频率可以改变。低频信号的频率变化可以根据低频信号的脉宽(TON*LF)来选择。其中，频率的改变通过匹配低频信号的切断持续时间而产生。优选增大低频信号的切断持续时间的长度，以便减小亮度或光度。
[0075]低频信号的频率和脉宽(T0N*LF)的改变可以如下实现，即:在光度或者亮度水平恒定时，使得低频信号的接通比率保持恒定。
[0076]该低频信号优选是低频的脉冲信号，尤其是PWM信号，特别是在约10Hz至1000Hz的范围内，优选在500Hz至1000Hz的范围内。此时调光或者改变亮度所需的低频信号的频率变化可以位于10Hz至200Hz的范围内。高频信号优选是高频脉冲信号，尤其是PWM信号，例如在约50Hz或者50Hz以上的范围内。
[0077]在关联低频信号和高频信号的基础上可以要求在持续改变高频信号的频率时，必须实现低频信号关于脉冲宽度的持续获取和匹配。
[0078]在关联低频信号和高频信号的基础上可以要求，在调光或者改变亮度时，低频信号的切断持续时间的长度来实现。
[0079]也就是说，调光信号(通过该信号来调节LED的亮度)由脉冲群构成，优选作为所产脉冲宽度仅逐步改变，其中每步长度为高频信号的整个周期时间或者为高频信号的整个周期时间的数倍。亮度或者调光水平的匹配的确切分级则可以通过低频信号的生的脉冲信号，尤其是PWM信号，其中脉冲群通过较长的暂停而中断。
[0080]调光信号可以依赖于由外部，例如通过使用者，预先给定的亮度给定值。该亮度给定值可以由所供应的低频信号给出。
[0081]低频信号可以依赖于所需的LED的调光水平。低频信号还可以由另一个集成的控制开关电路(如例如被设置为中央控制器的微型控制器)预定并且只由控制单元SR输出。低频信号还可以由被设置为中央控制器的另一微型控制器预定，并且不必强行由控制单元SR给出或者输出。
[0082]高频信号可以依赖于流过LED的电流和/或电压。高频信号依赖于调节回路，其中根据操作电路内的电流和/或电压的至少一个预定额定值以及与实际值的比较，通过高频控制来至少对第一开关SI进行时钟控制。例如可以以(hysteritisch)模式来运行操作电路，其中开关SI根据是否达到阈值来接通或者切断(例如在达到流过线圈LI的电流的零点时或者在低于LED电路的界限值时接通开关SI，以及在流过开关SI的电流超过界限值时切断开关SI)。根据本发明，在该调节回路中不必考虑LED的当前亮度。
[0083]由此，本发明的优点在于，用于调节流过LED的电流的调节回路可以与亮度的给定值脱离相互联系，并且能够通过单独的控制信号来控制开关(其中调节回路的高频信号与用于亮度的低频信号的关联优选被关联在控制单元SR的内部)。
[0084]用于调节流过LED的电流的调节回路以及由此高频信号可以被用于补偿直流电压UO中出现的波动。当直流电压UO例如通过整流器和可选择插接的功率因数校正电路由具有50Hz电源频率的230V的电源馈电时，直流电压UO例如可以包括具有双倍供电电压的波动。直流电压UO可以在此情况下例如具有10Hz的波动，该波动具有相比直流电压部分的振幅大约10%的振幅。此时操作电路与其调节回路可以被设计用于，如下调整高频信号，即:该10Hz的波动不被进一步提供给LED,而是被缓解。这可以例如直接通过快速的调节回路或者还通过关于直流电压UO当前的幅值而给出信息来实现，其中根据直流电压UO当前的幅值可以调节高频信号的频率。这种控制也被称为“前馈”控制。
[0085]因为高频信号的周期时间由此与直流电压UO的波动振幅(即直流电压UO的波动)同步改变并且是连续的，因此在确定低频信号的脉冲宽度(T0N*LF)时也考虑直流电压UO的当前幅值。还可以在已知直流电压UO的波动曲线的情况下，根据直流电压UO当前的曲线来实现低频信号的脉冲宽度(T0N*LF)的调整。还可以在确定低频信号的脉冲宽度(T0N*LF)时，也考虑直流电压UO当前的幅值和/或直流电压UO当前的曲线。
[0086]通过本发明可以确保，高频脉冲的脉冲群不被低频脉冲的脉冲宽度的末端截断，而是使低频脉冲的脉冲宽度匹配于由高频脉冲形成的脉冲群的持续时间。
[0087]控制单元SR可以由微型控制器、FPGA、PAL或者基于特定应用的集成开关电路(ASIC)构成。
[0088]根据本发明的控制并不限定在图3所示的拓扑结构或者电路布置上，与根据图1至图6的电路相同的实施方式也是可以的。例如本发明可以在降压转换器、升压转换器、逆变器(降压-升压转换器)、隔离反激式转换器(反激式转换器)、单端初级电感转换器、半桥转换器、或其它拓扑结构和电路装置的情况下应用。
[0089]本发明基本上涉及用于至少一个LED的操作电路，所述这些电路借助开关调节器通过至少一个第一时钟开关Si供电，其中通过时钟开关SI的频率和/或接通率来影响流过LED的电流，并且时钟开关SI的频率和/或接通率通过控制单元SR借助作为控制信号的调光信号而被预定，其中调光信号通过低频信号和高频信号的关联而产生。低频信号(LF)和高频信号(HF)优选通过耦合元件进行关联。控制单元SR可以将低频信号的脉冲宽度(T0N*LF)和/或周期时间选择为高频信号的整数倍。耦合元件由此示出了用于关联低频信号(LF)和高频信号(HF)的机构的一个示例。
[0090]可以对图7或图8中的示例(当然也可以是其他示例)进行扩展，使得存在多个根据图7或图8的操作电路。单个操作电路的控制单元SR可以由共同的微型控制器进行控制。然而还可以设置通过中央控制器对单个操作电路进行中央控制的功能以及通过共同的微型控制器中的控制单元SR对操作电路的操作进行调节。单个操作电路可以控制例如LED线路不同的波长或者颜色。微型控制器的控制可以通过接口(无线或有线方式)来实现。此时用于设定亮度或者颜色或者状态信息的控制信号可以通过接口进行传输。
[0091]本发明由此还实现了用于控制至少一个LED的方法，其中控制单元SR利用调光信号来控制开关SI，并且其中调光信号通过关联低频信号和高频信号而产生。低频信号的脉冲宽度(T0N*LF)和/或周期时间被选择为是高频信号的整数倍。
[0092]在另一实施例中，用于至少一个LED的操作电路由谐振电路或者准谐振电路构成(图9)。借助至少一个通过控制单元进行时钟控制的第一开关SI来提供用于至少一个LED的供电电压，其中第一开关SI在接通状态下向谐振电路馈电，该谐振电路优选具有至少一个作为电容器的线圈LI。在谐振电路中，优选在线圈LI中临时存储能量，该能量在切断第一开关SI时由二极管SI和至少一个LED释放。在二极管Dl和LED之间可以插接作为整流电容器的电容器Cl，该电容器直接或间接平行于LED装置。谐振电路还可以具有谐振电容器Cr。线圈LI还可以是变压器的部件或者除了线圈外，还可以在谐振电路中布置变压器(28，29)。第一开关SI也可以是逆整流器的部件，例如具有两个开关SI和S3的交替的时钟半桥。在图9的示例中，示出了例如所谓的LLC变换器(串联谐振隔离式LLC半桥变换器)。具有交替时钟开关SI和S3的半桥可以根据本发明利用调光信号来控制，其中两个开关SI和S3分别以50%的占空比，利用高频率在低频信号的脉冲宽度(TON*LF)期间被激活。高频信号的频率可以例如根据流过第一传感单元的电流由调节回路或者操作电路的设定值给出，第一传感单元优选获取流过LED的电流、流过一个或两个开关SI或S3的电流或者在谐振电路中获取优选通过线圈LI的电流。低频信号的脉冲宽度(TON*LF)和/或周期时间被选择为高频信号的周期时间(T_HF)的整数倍。操作电路还可以在输出端处具有其他滤波元件或者整流元件，例如电感线圈33。变压器可以在其次级侧的其次级绕组29处具有多个分接头，并且还可以布置如二极管Dlb的其他二极管，以便实现对所传输能量的较高利用。
[0093]图3和图4特别示出了本发明的其它实施方式。
[0094]在图3中，示出了(降压转换器或压降转换器)的上述布置的特定实施方式。在此利用对位于第一开关SI上方的节点Ux处的电压的获取来检测有利的切断时间点。这通过欧姆分压器Rl和R2来实现。节点Ux位于线圈L1、二极管Dl和开关SI之间。
[0095]作为分压器来说，例如电容式分压器或者由电阻和电容构成的组合式分压器也是可以的。测量电阻(分流器)RS用于获取流过第一开关SI的电流。对节点Ux处的电压随时间变化的曲线的监测(尤其是在接近时间点〖_2在阻断二极管Dl之后紧接着的’故障’的监测)实现了有关第一开关SI的有利的再接通时间点的陈述。作为在线圈LI处的电压监测的替代或补充，例如可以监测位于第一开关SI上方的节点Ux处的电压。节点Ux处的电压在二极管被阻断的情况下，从较高值显著降低为较低值。因此，用于再接通第一开关SI的信号可以在电压Ux低于已知的阈值时触发。
[0096]在图3的电路布置中，第二开关S2还与LED和电容器Cl并联布置。第二开关S2可以有选择地/独立地进行控制，并且可以例如是晶体管(M0SFET或者双极晶体管)。如果闭合第二开关S2，则将加速电容器Cl的放电过程。通过电容器Cl加速的放电过程来使流过LED的电流尽可能快地趋近于O。这在流过LED的电流应该尽可能快地下降，即:电流曲线的下降沿应尽可能陡峭(因颜色恒定)的例如PWM脉冲群的末端是希望看到的。优选可以在调光水平较低的情况下激活并控制第二开关S2，其中PWM脉冲群非常短并且重要的是，流过LED的电流在脉冲群的末端处快速趋近于O。例如可以通过对第二开关S2的适当的控制来实现甚至更低的调光水平。该第二开关S2的另一功能在于，该第二开关在接通状态下桥接LED。例如在应该切断LED，即不应发光，而仍施加供电电压UO时，这是需要的。如果不存在通过第二开关而实现的桥接，则(更小的)电流流过LED和电阻Rl和R2并且(轻微)点亮LED。
[0097]应注意的是，第二开关S2与LED和电容器Cl的并联布置不仅可以被限定为图3的电路布置的特殊实施方式，还可以在本发明的不同实施方式中被用作附加的改进，以加速电容器Cl的放电或者桥接LED。
[0098]图4示出了图3中的电路的变型，使得在线圈LI处实现电压监测。线圈LI处的电压可以例如借助与线圈LI联接的次级绕组L2(或者以电感方式联接到线圈LI处的附加的线圈L2)来获取。此时次级绕组L2用于检测第一开关SI有利的再接通时间点。对线圈LI处的电压时间曲线的监测(尤其是在时间点t_2之后接近二极管Dl被阻断的故障的监测)实现了关于第一开关有利的再接通时间点的陈述。这种监测过程还可以如上所述利用次级绕组L2来实现。
[0099]过零时间点或者退磁时间点的确定可以如上所述，也利用阈值监测来实现(在低于阈值或者超出阈值的基础上，在利用次级绕组L2进行监测时，电压的极性取决于次级绕组L2相对线圈LI的绕组意义)
[0100]应该指出的是，用于检测第一开关SI的有利的接通时间点的方法当然也可以基于其他的电路拓扑结构来使用，例如用于所谓的反激式转换器或降压-升压型转换器或所谓的流量转换器或正激式变换器。
[0101]图5示出了图2a中的电路的变型，使得线圈L1、二极管DI以及LED电路的取向发生改变(构成反激式变换器或者降压-升压变换器)。
[0102]图6中示出了用于LED的操作电路的可能的改进。利用对线圈L2处的电压的监测来识别线圈LI的退磁可以通过标准化配置的控制开关电路IC执行。该控制开关电路IC (集成开关电路)相当于或者包含图2至图5中的控制单元SR，该电路具有输入端，用于利用对施加在线圈上的次级绕组处的电压的监测来识别线圈退磁过程。此外该控制开关电路IC具有用于控制开关的输出端以及其他的监测输入端。这些监测输入端的第一监测输入端可以被用于预先给定参考值，如例如参考电压。
[0103]第二监测输入端可以被用于监测最大电压的实现或者根据对电阻上的电压测量来监测最大电流的实现过程。第三监测输入端可用于监测另一电压，或者还用于激活或禁用控制开关电路IC或者对控制开关电路的控制开关的控制。
[0104]根据图6，控制开关电路IC通过测量电阻(分流器)RS和控制开关电路IC上的输入端4来监测在第一开关SI的接通阶段期间流过第一开关SI的电流。一旦电压(该电压通过测量电阻(分流器)RS被读出)达到规定的最大值，则打开第一开关SI。为了打开第一开关SI所需要的电压高度预定值可以通过控制开关电路IC的输入端3上的参考值(也就是说参考电压)的预定值来调整。例如可以由微型控制器预定参考电压，该参考电压预定关于测量电阻(分流器)RS的最大允许电压，以及由此预先给定流过第一开关SI的最大允许电流。
[0105]例如微型控制器可以输出PWM信号，随后由滤波器10整流(例如RC元件)，并且由此作为具有规定的振幅的直流电压信号施加在控制开关电路IC的输入端3上。通过微型控制器的PWM控制信号的占空比的改变，可以调整控制开关电路IC的输入端3上该信号的振幅。
[0106]控制开关电路IC可以通过输入端5利用对施加在线圈LI上的次级绕组L2处的电压的监测来识别线圈LI的退磁的实现情况。这种识别可以被用作再接通信号。
[0107]一旦通过控制开关电路IC识别出线圈LI的退磁过程，则控制开关电路IC可以通过对输出端7的控制来接通第一开关SI。
[0108]控制开关电路IC可以通过在输入端I处施加电压而被激活和/或被禁用。用于在输入端I处被激活的电压还可以在高电平和低电平之间进行转换，其中在高电平情况下，控制开关电路IC被激活，在低电平情况下，至少对第一开关SI的控制会中断。输入端I处的这种控制可以通过微型控制器来实现。例如可以通过这种方式实现控制开关电路IC的低频激活和禁用，并且由此实现对第一开关SI的控制，从而实现用于对LED进行调光的操作电路的低频控制。
[0109]通过输入端1，可以通过施加在该输入端上的信号的振幅预定用于控制开关电路IC的其他参考电压。该电压例如可以影响流过开关的最大允许电流的大小或者还影响第一开关Si的允许的接通持续时间。控制开关电路IC和/或与微型控制器组合的控制开关电路IC可以构成共同的控制单元SR。
[0110]根据本发明，被传输到控制开关电路IC的输入端I的信号PWM可以根据本发明通过耦合元件，例如通过欧姆电阻与在输出端7上输出的控制信号进行关联。可选地，该信号PWM还仅与输出端7的信号关联并且不被传输到输入端I。
[0111]第一开关SI的接通持续时间还可能取决于操作电路内部的其他的电压测量。例如还可以向控制开关电路供电电压测量Vsense。通过该电压测量可以通过分压器R40/R70例如实现线圈LI和LED之间的节点处的电压监测或测量。该电压测量Vsense可被传输到控制开关电路IC的其他输入端(作为已经存在于控制开关电路IC的一个输入端的附加参数)或者微型控制器的输入端。
[0112]由此可以构造一个系统，其中首先实现用于通过低频PWM对LED进行调光的简单控制，此外实现操作装置尽可能低损耗的高频操作与流过LED的尽可能恒定电流的结合。
[0113]可以通过微型控制器来预先给定用于对LED调光的PWM信号的频率以及占空比，同时还可以预先给定流过第一开关SI的最大允许电流的大小。该微型控制器可以通过输送到控制开关电路IC的输入端I上的信号来控制通过低频PWM进行的LED调光。此外，微型控制器可以通过输送到控制开关电路IC的输入端3上的信号来预先给定流过第一开关SI的最大允许的电流大小或者第一开关SI所需的接通持续时间。
[0114]操作电路可以还包含另一个开关S2，该开关被布置成使得该第二开关S2可以接通 LED。
[0115]第二开关S2可进一步被设置成，使得该第二开关接收或者中断流过现有的高阻抗电压测量电路或者流过类似的现有LED的电路布置的电流。
[0116]通过将第二开关S2与LED并联接通，可以桥接该LED并且由此禁用。这种方法可以用于调整LED的亮度(调光)。可能的另选变型是，通过第二开关S2来实现调光，而通过控制第一开关SI只调整和调节流过LED的电流。
[0117]然而，为了实现最佳的调光控制，可以将对两个开关SI和S2的控制过程组合起来使用。因此可以例如使第二开关S2只附加地用于将亮度调节到较低的调光水平。操作电路在现有的拓扑结构和调节电路的基础上被设计成，使得操作电路的输出电压(即:经过LED的电压)被限定为最大的允许值。如果通过关闭第二开关S2来桥接LED，则操作电路如下限定输出电压，即:没有可能会起破坏作用的过电流能够流动。
[0118]这种对第二开关S2的控制例如可以仅用于将亮度调整到较低的调光水平。
[0119]当降压转换器(降压转换器)固定基于电源操作(在如实施例中所描述的所谓的迟滞模式中)工作和有效运行时，LED可以在规定的亮度范围中或者操作模式下只利用第二开关S2(该开关应该是阻抗很低的)进行调光，并且损耗很小。
[0120]此外可以如下控制第二开关S2，即:使第二开关可以接收流过现有的高阻抗电压测量电路或者流过类似现有的LED的电路布置的电流。
[0121]当第一开关SI例如根据图6不被计时时，不应有电流流过LED。然而由于存在分压器R40/R47而可以有较少的电流流过LED。在此情况下，可以在想要禁用LED时(例如当不应该发光时)关闭第二开关S2，从而中断或者避免电流流过LED。
[0122]第二开关S2至少可以被控制为始终与低频PWM群相连接，以便桥接或者禁用LED (在最后的放电沿期间，也就是说在PWM脉冲群的末端处)。
[0123]也可以通过与LED串联的方式布置第二开关S2来中断流过LED的电流。
[0124]图6的示例(当然也包括其它示例)能够如此进行扩展，即:存在多个根据图6的操作电路。单个操作电路的控制开关电路IC或者控制单元SR由共同的微型控制器来控制。单独的操作电路例如可以控制不同波长或颜色的LED线路。对微型控制器的控制可以通过接口(以无线或者有线的方式)来实现。此时用于调整亮度或者颜色以及还有状态信息的控制信号通过接口进行传输。
【权利要求】
1.一种用于至少一个LED的操作电路，该LED被供以直流电压或者经整流的交流电压，并且所述LED利用线圈(LI)和由控制单元(SR)计时的第一开关(SI)来提供用于至少一个LED的供电电压，其中在第一开关SI接通时，在所述线圈(LI)中临时存储能量，该能量在第一开关(SI)切断时由二极管(Dl)和至少一个LED释放，所述控制单元(SR)利用调光信号来控制所述第一开关(SI)，其中，所述调光信号通过关联低频信号和高频信号而产生，其特征在于，所述低频信号的脉冲宽度(TON*LF)被选择为所述高频信号的所述周期时间(T_HF)的整数倍。
2.根据权利要求1所述的操作电路，其特征在于，控制单元(SR)将所述低频信号和所述高频信号内部关联到所述调光信号，并且所述调光信号在所述控制单元(SR)的输出端输出。
3.根据权利要求2所述的操作电路，其特征在于，在对所述LED调光时，所述低频信号的频率发生改变。
4.根据权利要求3所述的操作电路，其特征在于，所述低频信号的频率的改变是根据所述低频信号的脉冲宽度(TON*LF)的改变来选择的。
5.根据权利要求2至4中任一项所述的操作电路，其特征在于，如下实现所述低频信号的频率和脉冲宽度(TON*LF)的改变，S卩:在调光水平恒定时，恒定地保持所述低频信号的接通率。
6.根据前述权利要求中任一项所述的操作电路，其特征在于，所述低频信号是优选范围在10Hz至1000Hz的低频脉冲信号。
7.根据前述权利要求中任一项所述的操作电路，其特征在于，所述高频信号是优选范围为50kHz的高频脉冲信号，尤其是PWM信号。
8.根据前述权利要求中任一项所述的操作电路，其特征在于，所述LED的亮度的改变通过改变所述低频信号的频率来实现。
9.根据前述权利要求中任一项所述的操作电路，其特征在于，所述低频信号取决于所述LED的调光水平并且/或者所述高频信号取决于流过所述LED的电流和/或电压。
10.一种用于控制至少一个LED的方法，该LED被供以直流电压或者经整流的交流电压，并且利用线圈(LI)和通过控制单元(SR)计时的第一开关(SI)来提供用于至少一个LED的供电电压，其中在第一开关SI接通时，在所述线圈(LI)中临时存储能量，该能量在所述第一开关(SI)切断时由二极管(Dl)和至少一个LED释放，其中所述控制单元(SR)利用调光信号来控制所述第一开关(SI)，所述方法的特征在于，所述调光信号通过外部关联低频信号和高频信号而产生，其中所述低频信号的脉冲宽度(TON*LF)被选择为所述高频信号的周期时间(T_HF)的整数倍。
【文档编号】H05B33/08GK104206012SQ201380015303
【公开日】2014年12月10日 申请日期:2013年3月21日 优先权日:2012年3月21日
【发明者】安德烈·米特巴切尔, U·凯勒, 爱德华多·佩雷拉 申请人:赤多尼科两合股份有限公司