专利名称：发光二极管的操作电路和发光二极管的操作方法
技术领域：
本发明涉及通过用于调整发光二极管(LED)的工作电压的开关调节器来操作发 光二极管的电路和方法。
背景技术：
使用开关调节器尤其是降压调节器(降压转换器)来控制发光二极管是基本上已 知的。此时，一个控制单元控制着带时钟节拍的半导体功率开关，借此在开关导通状态给电 感器通电，在这里，电感器电能随后在开关截止状态下通过发光二极管路段被放电。因此，发光二极管出现了在稳定的平均值左右的波纹变化的电流曲线，其中在开 关导通状态出现发光二极管电流的增大斜率，在开关截止状态出现发光二极管电流的降低 斜率。因此，发光二极管电流随时间的平均值可以通过功率开关的相应时钟节拍化来调 整。与之相应，为了调整发光二极管的电流平均值，必须也检测流经发光二极管的电流。图1示意表示用于发光二极管的受控工作的电路的一个例子。在这里根据图1示 出的例子中，作为用于LED模块的基本电路示出了第一降压转换器10。为了使至少一个发 光二极管7工作，给电路输入一个输入直流电压V1，其自然也能是经过整流的交变电压。在一个开关5例如半导体功率开关尤其是MOSFET和一个空程二极管2之间的串 联电路通过流经开关5的电流在开关5的导通状态下给电感器3通电。在开关5的截止状 态下，存储在电感器3中的能量以流过至少一个发光二极管7的电流形式放电。流过至少一个发光二极管7的电流可以在并联电阻6上通过相应的传感器来测 量。但此时不利的是，在并联电阻6上，只能在开关5的导通阶段中测量电流。在空程阶段， 电流流过空程二极管2、至少一个发光二极管7和电感器3，但对于连接在并联电阻6上的 传感器来说是无法检测的。但为了能保持某种波形即发光二极管电流随时间的某个平均值，也需要关于在空 程时间内的电流变化曲线的信息。一个能实现的可行方案在于设置另一个电流传感器，借此能测量空程阶段内的电 流。但此时的缺点在于复杂的电路和传感器以及与之相关的故障源。另一个可能性是，如此布置电路元件，S卩，不仅在导通状态能检测电流，而且在空 程状态也能检测电流。但是，这种电路非常复杂。
发明内容
因此，本发明的任务是提供一种用于至少一个发光二极管的操作电路和用于操作 至少一个发光二极管的方法，其通过简单方式实现二极管电流保持稳定，进而实现二极管 功率保持稳定。根据本发明，该任务通过独立权利要求的特征来完成。从属权利要求以特别有利 的方式改进本发明的中心构想。
本发明涉及一种用于至少一个发光二极管的操作电路，该操作电路包括开关调节 器电路和电流传感器，该开关调节器电路接受直流电压并且通过由控制单元提供时钟节拍 的开关给至少一个发光二极管提供供电电压，该电流传感器与控制单元相连以在开关导通 阶段内检测流过该至少一个发光二极管的电流，其中该控制单元根据由电流传感器在导通 阶段内检测出的电流来确定开关截止到随后导通之间的持续时间。本发明还涉及一种用于借助开关调节器电路来操作至少一个发光二极管的方法， 该开关调节器电路接受直流电压并且通过被提供时钟节拍的开关给至少一个发光二极管 提供供电电压，该方法包括以下步骤在开关导通阶段内检测流过该至少一个发光二极管 (LED)的电流，根据在导通阶段内所检测出的电流来确定开关截止到随后导通之间的持续 时间。有利的是，控制单元基于至少一个由电流传感器检测出的电流值来计算在开关空 程阶段结束时的电流值。有利的是，控制单元将计算出的空程阶段结束时的电流值与一个预定的额定值做 比较。此外，有利的是，如果计算出的空程阶段结束时的电流值对应于额定值，则控制单 元不改变开关截止到随后导通之间的持续时间。有利的是，如果计算出的空程阶段结束时的电流值大于额定值，则控制单元增大 开关截止到随后导通之间的持续时间。另一方面，有利的是，如果计算出的空程阶段结束时的电流值小于额定值，则控制 单元增大开关截止到随后导通之间的持续时间。优选的是，控制单元自开关导通阶段开始起等待一段消隐时间tblk并且紧接在消 隐时间后借助电流传感器测量第一电流值。 根据第一实施方式规定，控制单元根据Ia = Ib并基于第一电流值来计算空程阶段 结束时的电流值，其中Ia为空程阶段结束时的电流值，Ib为第一电流值。根据第二实施方式规定，控制单元确定导通阶段结束时的第二电流值，并且控制 单元基于第一和第二电流值并根据下式来计算空程阶段结束时的电流值，<formula>formula see original document page 6</formula>
其中，Ia为空程阶段结束时的电流值，Ib为第一电流值，Id为第二电流值。根据第三实施方式规定，控制单元在检测出第一电流值后再次等待消隐时间并且 紧接在第二消隐时间后检测第三电流值，并且控制单元借助第一和第三电流值并依据下式 计算空程阶段结束时的电流值，Ia = 2*Ib_Ic，其中，Ia为空程阶段结束时的电流值，Ib为第一电流值，Ic为第三电流值。根据另一实施方式规定，控制单元响应于电流传感器在导通阶段中检测出的电流 的增大来确定在开关截止到随后导通之间的持续时间。
现在，将结合附图和对实施例的具体说明来描述本发明的其它特征、优点和性能，其中图1表示用于发光二极管的已知的第一降压转换器，图2表示流经降压转换器中的发光二极管模块的典型电流曲线，图3表示根据本发明的用于发光二极管的操作电路，图4和图5表示流经发光二极管模块的电流曲线细节，图6以流程图表示根据本发明的用于操作发光二极管模块的方法的步骤，图7表示另一根据本发明的用于发光二极管的操作电路。
具体实施方式
图2表示在降压转换器中的典型的电压和电流曲线，例如在矩形电压的情况下。 图2为此沿X轴表示时间，沿Y轴表示经过至少一个发光二极管7的电压曲线或者电流曲 线。通过相应地控制开关5，操作电路被供给矩形电压，即，在经过时间段t。n的开关5 的导通阶段E，操作电路被供给某个电压，而在经过时间段t。ff的空程阶段F，此时开关5是 截止的，电压源没有给电路供电。通过上述的电感器3，在所述至少一个发光二极管7上出现如图2所示的电流曲 线。而在开关5的导通阶段E，流经至少一个发光二极管7的电流增大，在随后的空程阶段 F，流过至少一个发光二极管7的电流又下降。但是，在开始导通阶段E时导通开关5的情 况下，通过缓冲网络(Snubber-Netzwerk)或者开关5的寄生电容产生电流峰值。在其衰减 后，电流因有电感器3而线性增大。在开关5截止之后，电感器空行通过负载和二极管2。 电流峰值期间的持续时间被称为消隐时间tblk或者空白时间tblk。为了能获得用于发光二极管电流的随时间稳定的平均值，需要知道空程阶段结束 时的电流值，因为根据该电流值来确定开关5的截止和开关5的下次导通之间的持续时间。 但由于如上所述，空程电流没有经并联电阻流走，所以该电流无法被检测。本发明如此避过该问题，S卩，紧接在开关5导通之后检测电流并且基于在导通时 间E中的电流测量值来推断空程电流。 图3表示根据本发明的用于操作至少一个发光二极管7的操作电路1。此时，该电 路对应于如图1所示且所述的第一降压转换器11。根据本发明，在这里还设有一个传感器 12，它适用于检测借助并联电阻6测量的电流并且将该值传递给一控制单元13。控制单元 13控制着开关5并且还适用于根据由传感器12传输的电流测量值来相应确定开关5的截 止持续时间t。ff以及导通持续时间t。n。通过控制单元13确定截止持续时间t。ff将在以下 详加说明。图4再次示出在发光二极管模块中的电压和电流曲线。第一种能推断出空程阶段 结束时的电流Ia的可行方式为，在消隐时间后，就是说在经过消隐时间tblk之后，测量第一 电流值IB。在第一可行方式中假定，tblk比t。n小得多，因此在消隐时间之后测量的电流Ib 几乎等于空程阶段结束时的电流IA。因此，可以借助第一电流值从Ia= Ib中计算出空程阶 段结束时的电流值。如此计算出的空程阶段结束时的电流值Ia与一个额定值比较，如果Ia大于期望的 额定值，则在下个时钟节拍中延长在截止和下次导通之间的持续时间t。ff。如果电流值14小于期望的额定值，则在下个时钟节拍中缩短t。ff。如果电流Ia或许也在预定的公差值内等 于期望的额定值，则在下个时钟节拍中保持t。ff不变。以下将说明用于确定空程阶段结束时的电流Ia的第二可行方式。该方式可以被 用在消隐时间tblk相对导通持续时间t。n不可忽略不计且通过以上采取的近似结果而无法 满足Ia精度要求的情况中，或者被用在必须非常精确地确定Ia的情况中。对于这些情况， 还可以测量导通阶段E结束时的第二电流值ID。空程阶段结束时的电流Ia随后可按下式 计算<formula>formula see original document page 8</formula>
该公式基于以下原理，S卩，电流在开关5导通之后线性增大，因此通过两次测量电 流曲线Ib和ID，可以推算出空程阶段结束时的电流IA。上述第二方法的计算成本尤其在数字电路中相对复杂化，因为不仅要执行除法， 而且执行乘法。因此根据本发明，提出第三种方法，它依据第三电流值Ic的测量。这在图5中被 示意示出。对于此方法，也要等待消隐时间tblk，随后检测消隐时间结束时的第一电流值IB。 随后，再次等待消隐时间tblk并且检测第三电流值Ic。因为Ic和Ib之差即Ic-Ib因线性线 圈电流而等于Ib-Ia之差，所以，可以由下式计算出Ia IA= IB-(IC-IB) = 2*IB-IC因此，也可以在数字电路中比较简单地计算出空程阶段结束时的电流值Ia，因为 数字区域的计算被缩减至移位和减法。通过本发明来保证，流经至少一个发光二极管7的电流尽量不降到零，就是说，本 发明尤其涉及连续传输方式。因此，出现流经至少一个发光二极管7的尽量小的电流变化 曲线波形。在图7中再次概览示意示出了本发明的方法。该方法在步骤SO中开始，此时空程阶段F结束。在下个步骤Sl中，控制单元13 发出用于导通阶段的信号给开关5。在下个步骤S2中，等待消隐时间即空白时间tblk。在 下个也可能由多个子步骤构成的步骤S3中，至少一个电流值即导通阶段中的电流测量值 通过并联电阻6和传感器12被记录下来。在下个步骤S4中，控制单元依据所传输的电流值计算回程电流，即在空程阶段结 束时的电流IA。在下个步骤S5中检查回程电流是否对应于一个预定的额定值。如果对应， 则在下个步骤S7中不改变截止时间t。ff。另一方面，如果在步骤S5中确定为回程电流Ia不对应于额定值，则在下个步骤S6 中检查回程电流Ia是否大于额定值。如果大于，则在下个步骤S9中延长下次的截止时间， 另一方面，在下个步骤S8中缩短下次的截止时间。在此情况下，截止时间是开关5的截止 和下次导通之间的持续时间。该方法结束于步骤S10。在步骤S4中采取的计算此时能依据三种上述方法之一，这取决于预调整和所记 录的测量值。另一个控制可行方式在于，评估由电流传感器6、12检测出的电流值的增大。此 时，求出导通阶段开始时电流值和结束时电流值之差。从该电流的增大可以推断出电感器3的大小，或者也可以推断出发光二极管7的导通电压。如果电感器3的大小或者发光二极 管7的导通电压是已知的，则可以推导出为获得回程电流Ia所需的截止时间t。ff。已经在导通阶段E中借助流过开关5的电流增大来计算所需的截止时间t。ff带来以下优点，即，在第一空程阶段F前已经能预先确定截止时间。在导通阶段中，流过开关5的电流由电感器3上的电压和电感器3值乘以导通时 间之商得到。而在截止时间内，空程路径(经过发光二极管7)中的电流降由电感器3上的 电压和电感器3值乘以截止时间之商得到。因为在空程阶段中电感器上的电压大致等于发 光二极管7上的电压(差由空程二极管2的导通电压产生)，因此可以通过导通阶段E和截 止阶段F的持续时间以及通过测量截止时间〖。 及导通时间来确定发光二极管7的导通电 压和电感器3。如果电感器3的大小或者发光二极管7的导通电压是已知的(例如通过操作电路 设计)，则所需的截止时间的计算被简化。但是，也可以在工作期间内测量电感器3上的或 者发光二极管7上的电压。如果开关5被导通，则根据图3所示的电路，可以通过在电感器 3和发光二极管7之间连接点进行电压测量来测定电感器3上的电压。如果这两个元件被 互换，则可以通过简单方式测量发光二极管7上的导通电压。这样的电压测量也可以被用 于故障识别。因此，例如可以推断出发光二极管7发生故障，或者也可以推断出由在发光二 极管7的接线中的错误如短路引起的故障。当存储用于电流值Ia的值时，可以随时间监测所检测的电流值。如果发现所检测 的电流值有变化，则可以推断出发光二极管7或者其它元器件可能发生故障或者老化。对于依据在导通阶段E内流过开关5的电流的增大来计算所需要的截止时间t。ff， 也可以采用上述的考虑消隐时间tblk的方法。在借助本发明方法来比较所检测的空程阶段F结束时的电流值Ia与预定的额定 值的情况下，此时可以修正或者完善电感器3的确定或者发光二极管7的导通电压的确定。 因此，可以结合导通阶段内的电流增大来计算所需要的持续时间t。ff，其对于获得空程阶段 F结束时的某个电流值Ia来说是必需的。此外，随后可以将实际获得的空程阶段F结束时 的电流值Ia与预定的额定值相比较，再次调整时间t。ff。如果采用了数字电路，则可以通过简单方式实现存储器的使用以及所需计算的执 行。这样的数字电路有利地具有至少一个模拟_数字转换器用于检测电流值和电压值，还 具有用于处理和计算相应值的计算单元以及用于存储测量值和计算值的存储器_寄存器。根据本发明的控制电路的一个有利布局可以如此设计，S卩，为了调节流经发光二 极管7的电流，只测量和分析导通阶段内的电流，而现有的电压检测只被用于故障清除。因 此，例如可以使用一个比较器来监测发光二极管7的电压或者电感器3上的电压，借此能构 建一条低成本的电路。为了能尽量精确确定所需的切换参数如截止时间t。ff，监测发光二极管7的温度 可能是有利的。图7表示另一个根据本发明的用于操作至少一个发光二极管7的操作电路1。在 这里，该电路对应于一个降压升压转换器110。根据本发明，在这里借助并联电阻6测量流 经开关5的电流并且将该值传送给控制单元13。控制单元13控制着开关5并且此外适用 于依据由并联电阻6传递的电流测量值来相应确定开关5的截止持续时间t。ff和导通持续时间t。n。在开关5的导通阶段E中，电感器3被励磁。而在跨越时间段t。ff的截止阶段F 中，电感器3被去磁，其中电流流经发光二极管7和二极管2。本发明方法可以被用于所有的发光二极管操作用电路拓扑，其中无法直接测量流经发光二极管的电流，因为发光二极管没有直接接地，而是接在一个可相对大地变化的电 位。因此，该方法也可以被用在具有电位分离功能的操作电路中，其中在导通阶段E，一个电 感器3被励磁，而在随后的截止阶段F被去磁，此时电流流经至少一个发光二极管7。电感 器3可以具有次级线圈，它借此在截止阶段F中输出其能量，结果达到了电路中的电位分离 作用。这样的电路例如可以是正向转换器。此外，检测并评估在导通阶段E内流经开关的 电流(电流增大)，并且确定所需的开关5的切换性能(例如(截止)持续时间t。ff)。就是说，存在这样的操作电路和用于操作至少一个发光二极管的方法，S卩，与负载 无关，例如与通电的发光二极管的数量无关，电流曲线总是保持在一个值Imax和一个值Imin 之间，即总在同一值Imin > 0的情况下，实现开关5的再导通。通过本发明保证的比较小的 波形即Imin和Imax之差(Imin-Imax)的优点在于，基本上给发光二极管提供保持不变的电流， 从而在发光二极管电流截然不同时不表现出色位移。这是不连续工作的电路的缺点，就是 说，在此电路中，发光二极管电流降为零，并且可能在开关被再次导通之前保持一段时间为 零。
权利要求
一种用于至少一个发光二极管(7)的操作电路，该操作电路包括开关调节器电路和电流传感器(6，12)，该开关调节器电路接受直流电压并且通过由控制单元(13)提供时钟节拍的开关(5)给所述至少一个发光二极管(7)提供供电电压(V1)，该电流传感器(6，12)与控制单元(13)相连以在开关(5)的导通阶段(E)内检测流过所述至少一个发光二极管(7)的电流，其中，该控制单元(13)根据由电流传感器(6，12)在导通阶段(E)内检测出的电流来确定开关(5)截止到随后导通之间的持续时间(toff)。
2.根据权利要求1所述的电路(1)，其中，控制单元(13)根据至少一个由电流传感器 (6，12)检测出的电流值来计算在开关(5)的空程阶段(F)结束时的电流值(Ia)。
3.根据权利要求1或2所述的电路(1)，其中，控制单元(13)响应于由电流传感器(6， 12)在导通阶段(E)内检测出的电流的增大来确定开关(5)截止到随后导通之间的持续时 间(toff)。
4.根据权利要求1或2所述的电路(1)，其中，控制单元(13)响应于在导通阶段(E) 内检测出的流经开关(5)的电流的增大来计算在开关(5)的空程阶段(F)结束时的电流值 (Ia)0
5.根据权利要求2或4所述的电路(1)，其中，控制单元(13)将计算出的空程阶段(F) 结束时的电流值(Ia)与一个预定的额定值进行比较。
6.根据权利要求5所述的电路(1)，其中，如果计算出的空程阶段(F)结束时的电流 值(Ia)对应于该额定值，则该控制单元不改变开关(5)截止到随后导通之间的持续时间(t0ff)。
7.根据权利要求4或5所述的电路(1)，其中，如果计算出的空程阶段(F)结束时的 电流值(Ia)大于该额定值，则该控制单元延长开关(5)截止到随后导通之间的持续时间(t0ff)。
8.根据权利要求4、5或6所述的电路(1)，其中，如果计算出的空程阶段(F)结束时 的电流值(Ia)小于该额定值，则控制单元缩短开关(5)截止到随后导通之间的持续时间(t0ff)。
9.根据权利要求2至8中任一项所述的电路(1)，其中，控制单元(13)自开关(5)的 导通阶段(E)开始起等待一段消隐时间(tblk)，并且紧接在消隐时间(tblk)之后由电流传感 器(6，12)检测第一电流值(Ib)。
10.根据权利要求9所述的电路(1)，其中，控制单元(13)基于第一电流值(Ib)并根据 Ia = Ib计算空程阶段(F)结束时的电流值(Ia)，其中Ia为空程阶段(F)结束时的电流值， Ib为第一电流值。
11.根据权利要求9所述的电路(1)，其中，控制单元(13)确定导通阶段(E)结束时的 第二电流值(Id)，其中控制单元(13)基于第一电流值(Ib)和第二电流值(Id)并根据下式 计算空程阶段(F)结束时的电流值(Ia)<formula>formula see original document page 2</formula>其中，Ia为空程阶段(F)结束时的电流值，Ib为第一电流值，Id为第二电流值。
12.根据权利要求9所述的电路(1)，其中，控制单元在检测出第一电流值(Ib)后再次等待消隐时间(tblk)并且紧接在第二消隐时间(tblk)后检测第三电流值(Ie)，其中，控制单 元(13)基于第一电流值(Ib)和第三电流值(Ic)并根据下式计算空程阶段(F)结束时的电 流值(Ia)Ia = 2*Ib-Ic其中，Ia为空程阶段(F)结束时的电流值，Ib为第一电流值，Ie为第三电流值。
13.一种借助开关调节器电路操作至少一个发光二极管(7)的方法，该开关调节器电 路接受直流电压并且通过被提供时钟节拍的开关(5)给所述至少一个发光二极管(7)提供 供电电压，该方法包括以下步骤在开关(5)的导通阶段(E)内检测流过所述至少一个发光二极管(7) (LED)的电流，根据在导通阶段(E)内所检测的电流来确定开关(5)截止到随后导通之间的持续时间 (t0ff)。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，响应于由电流传感器(6，12)在导通阶段(E) 内检测出的电流的增大来确定开关(5)截止到随后导通之间的持续时间(t。ff)。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，控制单元(13)基于至少一个由电流传感器 (6，12)检测出的电流值来计算开关(5)的空程阶段(F)结束时的电流值(Ia)。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，控制单元(13)将计算出的空程阶段(F)结束 时的电流值(Ia)与一个预定的额定值进行比较。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，如果计算出的空程阶段(F)结束时的电流值对 应于该额定值，则该控制单元不改变开关(5)截止到随后导通之间的持续时间(t。ff)。
18.根据权利要求13、14或15所述的方法，其中，如果计算出的空程阶段(F)结束时 的电流值(Ia)大于该额定值，则该控制单元延长开关(5)截止到随后导通之间的持续时间 (t0ff)。
19.根据权利要求16、17或18所述的方法，其中，如果计算出的空程阶段(F)结束时 的电流值(Ia)小于该额定值，则该控制单元缩短开关(5)截止到随后导通之间的持续时间(t0ff)。
20.根据权利要求13至19中任一项所述的方法，其中，控制单元(13)自开关(5)的导 通阶段(E)开始起等待一段消隐时间(tblk)，并且紧接在消隐时间(tblk)之后由电流传感器 (6，12)检测第一电流值(Ib)。
21.根据权利要求20所述的方法，其中，控制单元(13)基于第一电流值(Ib)并根据Ia =Ib计算空程阶段(F)结束时的电流值(Ia)，其中Ia为空程阶段(F)结束时的电流值，Ib 为第一电流值。
22.根据权利要求20所述的方法，其中，控制单元(13)确定导通阶段(E)结束时的第 二电流值(Id)，并且其中控制单元(13)基于第一电流值(Ib)和第二电流值(Id)并根据下 式计算空程阶段(F)结束时的电流值(Ia)<formula>formula see original document page 3</formula>其中，Ia为空程阶段(F)结束时的电流值，Ib为第一电流值，Id为第二电流值。
23.根据权利要求20所述的方法，其中，在检测出第一电流值(Ib)后再次等待消隐时 间(tblk)，并且紧接在第二消隐时间(tblk)后检测第三电流值(Ic)，并且其中，控制单元(13)基于第一电流值(Ib)和第三电流值(Ic)并根据下式计算空程阶段(F)结束时的电流值 (IA)<formula>formula see original document page 4</formula>其中，Ia为空程阶段(F)结束时的电流值，Ib为第一电流值，Ie为第三电流值。
全文摘要
本发明涉及用于至少一个发光二极管(7)的操作电路，该操作电路具有开关调节器电路和电流传感器(6，12)，开关调节器电路接受直流电压并且利用由控制单元(13)提供时钟节拍的开关(5)来给所述至少一个发光二极管(7)提供供电电压，电流传感器(6，12)与控制单元(13)相连并用于在开关(5)的导通阶段(E)检测流过所述至少一个发光二极管(7)的电流，其中该控制单元(13)依据在导通阶段(E)内由电流传感器(6，12)检测出的电流来确定开关(5)截止到随后导通之间的持续时间(toff)。本发明还涉及一种用于操作至少一个发光二极管(7)的方法。
文档编号H05B33/08GK101828428SQ200880112068
公开日2010年9月8日 申请日期2008年10月15日 优先权日2007年10月16日
发明者法尔克·里克特 申请人:赤多尼科阿特可两合股份有限公司