发光二极管光源的驱动电路

本申请是国际申请日为2019年8月30日、国际申请号为PCT/US2019/049091、进入中国国家阶段日为2021年03月01日、申请号为201980056992.0、发明创造名称为“发光二极管光源的驱动电路”的发明申请的分案申请。

相关申请的交叉引用

本申请要求2018年8月31日提交的美国临时专利申请No.62/725,467的优先权，其全部公开内容通过引用合并于此。

背景技术

发光二极管(LED)光源(例如，LED光引擎)正在取代传统的白炽灯、荧光灯和卤素灯作为照明设备的主要形式。LED光源可以包括安装在单个结构上并设置在合适的壳体中的多个发光二极管。与白炽灯、荧光灯和卤素灯相比，LED光源效率更高，使用寿命更长。LED驱动器控制设备(例如，LED驱动器)可以耦合在电源(诸如交流(AC)电源或直流(DC)电源)与LED光源之间，用于调节供给LED光源的电力。例如，LED驱动器可以调节提供给LED光源的电压、提供给LED光源的电流或电流和电压两者。

可以采用不同的控制技术来驱动LED光源，包括例如电流负载控制技术和电压负载控制技术。由电流负载控制技术驱动的LED光源的特征可以在于通过LED光源的电流的大小(例如，峰值或平均大小)可以调节到的额定电流(例如，大约350毫安)，以确保LED光源被照明到适当的强度和/或颜色。由电压负载控制技术驱动的LED光源的特征可以在于LED光源两端的电压可以调节到的额定电压(例如，大约15伏)，以确保LED光源的正确操作。如果额定电压负载控制技术的LED光源包括多个并联的LED串，则可以使用电流平衡调节元件来确保并联串具有相同的阻抗，以便在每个并联串中汲取相同的电流。

LED光源的光输出可以调光(dim)。用于LED光源调光的方法可以包括例如脉宽调制(PWM)技术和恒流减小(CCR)技术。在脉宽调制调光中，可以将具有变化的占空比的脉冲信号提供给LED光源。例如，如果使用电流负载控制技术来控制LED光源，则在脉冲信号的占空比的导通时间期间，可以使提供给LED光源的峰值电流保持恒定。但是，可以改变脉冲信号的占空比，以改变提供给LED光源的平均电流，从而改变LED光源的光输出的强度。作为另一示例，如果使用电压负载控制技术来控制LED光源，则在脉冲信号的占空比的导通时间期间，可以使提供给LED光源的电压保持恒定。但是，可以改变负载电压的占空比，以调节光输出的强度。如果使用电流负载控制技术控制LED光源，则可以使用恒流减小调光。在恒流减小调光中，可以向LED光源连续地提供电流。但是，可以改变提供给LED光源的电流的DC大小，以调节光输出的强度。

在2013年7月23日公布的、名为“LOAD CONTROL DEVICE FOR A LIGHT-EMITTINGDIODE LIGHT SOURCE(用于发光二极管光源的负载控制装置)”的美国专利No.8,492,987、在2017年5月16日公布的、名为“FORWARD CONVERTER HAVING A PRIMARY-SIDE CURRENTSENSE CIRCUIT(具有初级侧电流感测电路的正向转换器)”的美国专利No.9,655,177以及在2016年1月26日公布的、名为“LOAD CONTROL DEVICE FOR A LIGHT-EMITTING DIODELIGHT SOURCE(用于发光二极管光源的负载控制装置)”的美国专利No.9,247,608中描述了LED驱动器的示例，通过引用将它们的全部公开内容并入本文。

发明内容

本文描述了用于控制LED光源的方法和装置。可控阻抗电路可以与LED光源串联耦合并且被配置为传导通过LED光源的负载电流。第一开关设备可以与可控阻抗电路串联连接，同时反馈电路被配置为生成指示通过LED光源传导的负载电流的大小的反馈信号。反馈电路可以耦合到被配置为基于反馈信号生成用于控制可控阻抗电路的驱动信号的控制回路。控制回路可以包括第二开关设备和/或滤波电路。第二开关设备可以能够被导通和不导通，以控制何时使用反馈信号来生成驱动信号(例如，在使反馈信号通过滤波电路之后)。

数字控制电路可以控制控制回路，以朝着目标大小调节通过LED光源传导的负载电流的峰值大小。数字控制电路可以经由脉宽调制(PWM)信号使第一开关设备导通和不导通，并且调节PWM信号的占空比以调节负载电流的平均大小。数字控制电路可以协同PWM信号，进一步使第二开关设备导通和不导通。例如，数字控制电路可以被配置为在数字控制电路使第一开关设备导通之后的第一时间段结束时使第二开关设备导通，并且数字控制电路可以进一步被配置为在数字控制电路使第一开关设备不导通之前的第二时间段开始时，使第二开关设备不导通。

本文所述的控制回路可以包括积分器电路。控制回路可以从数字控制电路接收目标电流控制信号，并且经由积分器电路对目标电流控制信号和反馈信号之间的差进行积分来生成驱动信号。控制回路的特征在于时间常数，该时间常数大于可控阻抗电路传导的负载电流的负载电流周期。

本文描述的组件和/或功能中的一个或多个可以数字地实现。例如，可以通过数字控制电路来控制反馈信号的采样，并且可以使用数字低通滤波器来进行滤波操作。

附图说明

图1是诸如可控光源的可控电气设备的简化框图。

图2是诸如发光二极管(LED)驱动电路的驱动电路以及诸如图1的可控光源的电气设备的控制回路的简化示意图。

图3是图1的可控光源的各种操作参数与可控光源的目标强度之间的关系的示例图。

图4A-4C是示出图2的驱动电路和控制回路的操作的简化波形图。

图5是用于控制图2的控制回路的示例性控制过程的简化流程图。

图6是可用于实现图2所示的驱动电路和控制回路的功能的电路的简化示意图。

图7是用于控制图6所示的电路的示例性控制过程的简化流程图。

具体实施方式

图1是诸如可控照明设备100(例如，可控光源)的可控电气设备的简化框图。例如，可控照明设备100可以是包括一个或多个光源，诸如发光二极管(LED)光源102、104(例如，LED光引擎)的灯。可以控制LED光源102、104以调节可控照明设备100的累积光输出的强度和/或颜色(例如，色温)。每个LED光源102、104在图1中示为串联连接的多个LED，但是取决于特定的照明系统，可以包括单个LED或并联连接或的多个LED或其适当组合。另外，每个LED光源102、104可以包括一个或多个有机发光二极管(OLED)。可控照明设备100可以包括多个不同的LED光源，其可以额定在不同大小的负载电流和电压。尽管在图1中未示出，但是可控照明设备100可以包括壳体(例如，半透明壳体)，其中，LED光源位于该壳体中并且LED光源可以通过该壳体发光。例如，可控照明设备100可以能够提供暖调光，使得随着累积光输出的强度降低，累积光输出的色温向暖白色色温偏移。例如，第一LED光源102可以包括白色LED光源，而第二LED光源104可以包括暖白色(例如，红色)LED光源，并且第一LED光源102可以具有比第二LED光源104更高的额定功率。

可控照明设备100可以是被配置为旋入标准爱迪生插座中的旋入式LED灯。可控照明设备100可以包括旋入式底座，该旋入式底座包括热连接H和中性连接N，用于从AC电源(未示出)接收交流(AC)电压V

可控照明设备100可以包括功率转换器电路120，诸如反激转换器，其可以接收整流电压V

如图1所示，反激转换器120可以包括反激变压器122、场效应晶体管(FET)Q123、二极管D124、电阻器R125、电阻器R126、反激控制电路127和/或反馈电阻器R128。反激变压器122可以包括初级绕组和次级绕组。初级绕组可以与FET Q123串联耦合。尽管被示为FETQ123，但是任何开关晶体管或其他合适的半导体开关可以与反激变压器122的初级绕组串联耦合。反激变压器122的次级绕组可以经由二极管D124耦合到总线电容器C

可控照明设备100可以包括一个或多个负载调节电路，诸如LED驱动电路130、140，用于分别控制传递到LED光源102、104的功率(例如其强度)。LED驱动电路130、140可以各自接收总线电压V

可控照明设备100可以包括控制电路150，该控制电路150用于控制LED驱动电路130、140来控制通过LED光源102、104传导的相应负载电流I

控制电路150可以包括数字控制电路152，诸如微处理器、微控制器、可编程逻辑器件(PLD)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)或任何其他合适的处理设备或控制器。控制电路150可以包括存储器(未示出)，该存储器被配置为存储可控照明设备100的操作特性(例如，目标强度L

控制电路150还可以包括用于分别控制LED驱动电路130、140的控制回路(例如，模拟控制回路)154、156。LED驱动电路130、140可以包括分别与LED光源102、104耦接(例如串联)的相应的调节设备(例如，调节场效应晶体管(FET)Q132、Q142)，用于传导负载电流I

调节FET Q132、Q142可以与相应的反馈电路(例如，电流反馈(CFB)电路)134、144耦合(例如，串联)。电流反馈电路134、144可以耦合至控制电路150的控制回路154、156，并且可以生成可以由控制回路154、156接收的相应的电流反馈信号V

LED驱动电路130、140可以进一步包括与调节FET Q132、Q142和电流反馈电路134、144耦合(例如串联)的调光设备(例如，调光FET Q136、Q146或另一种类型的半导体开关)。数字控制电路152可以产生可以由相应的调光FET Q136、Q146的栅极接收的相应的调光控制信号V

调光FET Q136、Q146可以耦合在相应的电流反馈电路134、144和电路公共之间。数字控制电路152可以被配置为控制控制回路154、156何时响应于相应的电流反馈信号V

本文描述的技术可以帮助防止在各种情况下可控照明设备100的错误操作。例如，由于调光FET Q136、Q146可以耦合在相应的电流反馈电路134、144和电路公共之间，所以当使调光FET Q136、Q146不导通时，使电流反馈信号V

可控照明设备100可以包括用于控制总线电压V

可控照明设备100可以包括耦合到数字控制电路152的通信电路180。通信电路180可以包括无线通信电路，诸如耦合到天线182的射频(RF)收发器，用于发射和/或接收RF信号。无线通信电路可以是用于发射RF信号的RF发射器、用于接收RF信号的RF接收器，或者用于发射和/或接收IR信号的红外(IR)发射器和/或接收器。通信电路180可以耦合至可控照明设备100的热连接H和中性连接N，以使用例如电力线载波(PLC)通信技术，经由电线传输控制信号。数字控制电路152可以被配置为响应于经由通信电路180接收到的消息(例如，数字消息)来确定可控照明设备100的目标强度L

当LED光源102、104中的至少一个的目标强度L

当LED光源102、104中的至少一个的目标强度L

图2是电气设备200(诸如LED驱动器或可控光源(例如，可控照明设备100))的LED驱动电路210(例如，LED驱动电路130、140中的一个)和控制回路220(例如，控制回路154、156中的一个)的简化示意图。LED驱动电路210可以与LED光源202(例如，LED光源102、104之一)串联耦合，用于传导通过LED光源的负载电流I

LED驱动电路210可以包括调节设备，诸如与LED光源202串联耦合的调节FETQ212。调节FET Q212可以包括任何类型的合适的功率半导体开关，诸如双极结型晶体管(BJT)和/或绝缘栅双极型晶体管(IGBT)。当调节FET Q212导通时，可以在调节FET两端产生调节器电压V

控制回路220可以接收由电流反馈电阻器R214产生的电流反馈信号V

控制回路220可以包括运算放大器U226，该运算放大器U226包括反相输入，该反相输入被耦合以通过电阻器R228接收电流反馈信号V

控制回路220可以包括耦合在运算放大器U226的反相输入和输出之间的电容器C234，使得控制回路220可以被配置为积分峰值电流反馈信号V

数字控制电路252可以控制调光控制信号V

数字控制电路252可以被配置为协同调光控制信号V

数字控制电路252可以根据目标强度L

当LED光源202的目标强度L

当LED光源202的目标强度L

数字控制电路252可以被配置为使LED光源202的目标强度L

图4A-4C示出了说明图2的LED驱动电路210和控制回路220的操作的波形。在图4A所示的示例中，目标强度L

在图4B所示的示例中，目标强度L

在图4C所示的示例中，目标强度L

图5是如本文所述，用于控制控制回路(例如，图2的控制回路220)的示例性控制过程500的简化流程图。在步骤510，例如，周期性地和/或响应于光源202的目标电流I

控制回路220的部分或全部功能可以在数字控制电路(例如，控制设备200的数字控制电路252或另一数字控制电路)中实现。图6是可以用于实现图2所示的LED驱动电路210和/或控制回路220的功能的电路600的简化示意图。电路600可以包括LED驱动电路610。可以以与LED驱动电路210类似的方式实现和配置。例如，LED驱动电路610可以包括诸如调节FET Q612(例如，类似于调节FET Q212)的调节设备。LED驱动电路610可以包括电流反馈电路(例如，电流反馈电阻器614，其可以类似于电流反馈电阻器R214)。LED驱动电路610可以进一步包括耦合在电流反馈电阻器614和电路公共之间的调光设备，诸如调光FET Q616(例如，类似于调光FET Q216)。数字控制电路652可以生成可以由调光FET Q616的栅极接收的调光控制信号V

数字控制电路652可以在时间窗口期间对经由电流反馈电阻器614产生的电流反馈信号V

数字控制电路652可以控制调光控制信号V

图7是用于控制图6所示的电路600的示例性控制过程700的简化流程图。在步骤710，例如周期性地和/或响应于光源602的目标电流I

尽管参考可控光源和/或LED驱动器进行了描述，但是本文描述的一个或多个实施例可以与其他负载控制设备一起使用。例如，本文所述的一个或多个实施例可以由被配置成控制各种电气负载类型的各种负载控制设备执行，诸如，用于驱动LED光源(例如，LED光引擎)的LED驱动器；包括调光器电路和白炽灯或卤素灯的旋入式照明器；包括镇流器和小型荧光灯的旋入式照明器；包括LED驱动器和LED光源的旋入式照明器；用于控制白炽灯、卤素灯、电子低压照明负载、磁性低压照明负载或其他类型的照明负载的强度的调光电路；用于接通和关闭电气负载或器具的电子开关、可控断路器或其它开关设备；用于控制一个或多个插入式电气负载(例如，咖啡壶、空间加热器、其它家用器具等)的插入式负载控制设备、可控电插座或可控电源板；用于控制电机负载(例如，吊扇或排气扇)的电机控制单元；用于控制电动窗户用品或投影屏幕的驱动单元；电动内部或外部百叶窗；用于加热和/或冷却系统的恒温器；用于控制加热、通风和空调(HVAC)系统的温度控制设备；空调；压缩机；电动基板加热器控制器；可控阻尼器；湿度控制单元；除湿机；热水器；泳池泵；冰箱；冰柜；电视或计算机监视器；电源；音频系统或放大器；发电机；充电器，诸如电动车充电器；以及替代能量控制器(例如，太阳能、风能或热能控制器)。单个控制电路可以被耦合到负载控制系统中的多种类型的电气负载并且/或者被适配成控制负载控制系统中的多种类型的电气负载。