CN103249215B - 带有调光器检测的led驱动器系统 - Google Patents

Abstract

一种LED驱动器系统包括在整流节点接收经整流的AC导通角调制电压的输入、转换器、低通滤波器、AC检测器以及驱动器网络。该转换器耦合至该整流节点且包括耦合至切换节点的功率切换装置，其中该功率切换装置被控制以将该经整流的AC导通角调制电压转换为输出电压和输出电流。该低通滤波器被配置对该切换节点的电压滤波，以提供经滤波电压。该AC检测器接收该经滤波电压且提供指示该经滤波电压的电流感测信号。该驱动器网络基于该电流感测信号控制该功率切换装置的占空比。

Description

带有调光器检测的LED驱动器系统

相关申请的交叉引用

本申请要求2012年2月13日提交的美国临时申请S/N 61/598,281的权益，出于所有的意图和目的，该申请的全文以引用的方式并入本文中。

附图简述

通过随后的描述和附图，本发明的益处、特征和优点将变得易于理解，其中：

图1为用于提供电流至LED灯的带有调光器检测的传统LED驱动器的示意性框图；

图2为绘制了图1的传统LED驱动器相对时间的信号曲线的时序图，阐明了它的工作；

图3为根据一个实施方式实现的带有调光器检测的LED驱动器的示意性框图，该LED驱动器用于提供电流至LED灯，同时不会引入引起闪烁的寄生噪声，不会减小功率因数或总效率，且不会增大谐波失真；

图4为绘制了图3的LED驱动器相对时间的信号曲线的时序图，阐明了它的工作；

图5为根据另一个实施方式实现的带有调光器检测的LED驱动器的示意性框图，该LED驱动器用于提供电流至LED灯，同时不会引入引起闪烁的寄生噪声，不会减小功率因数或总效率，且不会增大谐波失真；

图6为根据另一个实施方式实现的调光器电路的示意性框图，该调光器电路用于提供电流至LED灯，同时不会引入引起闪烁的寄生噪声，不会减小功率因数或总效率，且不会增大谐波失真；以及

图7-9示出了使用转换器的各种不同的电子设备，该转换器根据在此描述的任一个构造而实现，说明了可供选择的类型用途。

详细描述

通过随后的描述和附图，本发明的益处、特征和优点将变得易于理解。所呈现的以下描述是为了使本领域的技术人员在本发明被提供在特定的应用和它需求的设备场境内时能够制造和使用本发明。然而，对优选实施方式的各种不同的修改对于本领域的技术人员将是显而易见的，且在此定义的普遍原理可以应用于其它实施方式。因此，本发明并非意图受限于在此示出和描述的特定实施方式，而是与在此公开的原理和新特征一致的最宽范围相符合。

发光二极管（LED）照明正变得越来越普及。为了使用LED灯（包括一个或多个LED元件）替代白炽灯泡，LED灯应当能够与用于亮度控制的传统线调光器协同工作。典型的线调光器是使用TRIAC电路或阻隔AC线电压的某些部分的类似电路而实现的。为了控制LED灯的亮度，LED驱动器监控线调光器的导通角，且将该信息转换为电流参考信号，用于调节经过LED灯的电流。

图1为用于提供电流至包括一个或多个串联耦合的单独LED元件的LED“灯”108的带有调光器检测的传统LED驱动器系统100的示意性框图。在这种情形中，可调节的线调光器102接收输入AC线电压VAC，然后提供AC导通角调制电压或“经斩波的”差分电压VIN，该差分电压VIN被提供至全波桥式整流器104的一对输入。整流器104具有一对输出端子，该对输出端子相对于转换器101的输入处的公共节点在节点106上提供经整流电压VREC。该公共节点被示为接地（GND），其可以是任意正、负或地电压电平。

在所示实施方式中，转换器101被配置为降压型转换器，其将具有较高电压电平的VREC转换成具有较低电压电平的VOUT。转换器101包括耦合在节点106和GND之间的输入滤波器电容器C1。节点106进一步耦合至二极管D1的阴极、耦合至输出电容器CO的一端、以及耦合至LED灯108的一端。LED灯108的另一端耦合至节点110，节点110进一步耦合至CO的另一端以及电感器L的一端。输出电压VOUT横跨LED灯108而产生。电感器L的另一端耦合至节点112，节点112进一步耦合至二极管D1的阳极且耦合至功率开关装置Q的漏极。Q的源极耦合至GND，且它的栅极从LED驱动器114接收栅极控制信号G。AC检测器116将VREC的电压与固定阈值电压VTH比较，从而产生电流感测信号IREF，该电流感测信号IREF被提供至LED驱动器114的输入。

功率开关装置Q被示为金属氧化物半导体场效应管（MOSFET），不过也可以使用类似的形态（例如，FET，MOS器件等），或可以使用其它类型的晶体管，比如双极结型晶体管（BJTs）以及类似物、绝缘栅双极晶体管（IGBTs）以及类似物等等。VAC可以具有大约180-200伏特（V）或类似的峰值幅度。

图2为绘制出VAC、VIN、VREC和IREF相对时间的曲线的时序图，阐明了传统LED驱动器系统100的工作。在一个实施方式中，线调光器102是可调节的，从而对于每个半周期（即180度），在0和180度之间选定的相位角度削去VAC的前沿和后沿中的一个或两者，以提供VIN作为AC导通角调制电压。在一个实施方式中，线调光器102使用TRIAC或类似物以在零点附近延迟VAC波形，直到根据调光器的调节选择的预定相位角度。选择的调光器相位角度越大，VIN就被削去越多或者变为零，以减小VIN的电压。一旦对于每个半周期相位角度都达到，VIN就升高至线电压（例如，TRIAC传导），且VAC的剩余部分输出至转换器101，直到下一个半周期。

整流器104整流VIN以提供VREC，其中VIN的负漂移转换为VREC的正漂移。VTH为预定或固定的关于VREC的DC电压。在一个实施方式中，VTH具有VREC的大约2%的电压电平，比如大约1至4V。当VREC低于VTH时，AC检测器116断言IREF为低，且当VREC上升高于VTH，断言IREF为高。因此，IREF产生对应于VREF与VTH交叉的边缘。理想地，IREF产生导通时间T_ON，该T_ON当VREC上升高于VTH时开始，且当VREC降到低于VTH时结束，其中IREF对于每个VREC周期的余下部分应当为低，以T_AC示出。

在理想的构造中，转换器101以电流驱动LED灯108，该电流与VREC的占空比（D）成比例，因此与IREF的占空比成比例，此处D=T_ON/T_AC。占空比越高，经过LED灯108的电流越大，因此LED灯108越亮。LED驱动器114检测IREF的占空比，并产生栅极驱动信号G的相应的占空比，以驱动Q产生经过LED灯108的电流。LED驱动器114以选择的切换频率FSW并以基于IREF的占空比将Q在开和关之间来回切换，以调节LED灯108的亮度。FSW可以是任意适当的频率水平，比如数十或数百千赫兹（KHz）。

理想地，线调光器102在VAC的斩波部分期间完全不导通，从而VIN为零；在其它情况下，线调光器102以非常小的阻抗导通，从而对于每个周期的剩余时间内，VIN跟随VAC。但是，许多实际的线调光器在它的截止状态不能严格地保持电压，这导致了VIN的噪声失真。在VREC期望为零的VIN的斩波部分期间，VIN的失真反映为VREC的对应失真。该失真进而又在VREC上导致非零噪声，其中VREC在该周期的截止部分期间可能上升高于VTH。这些失真可能引起IREF不想要的寄生脉冲202，该寄生脉冲相应地引起Q的切换的改变（基于移动或有波纹的内部DC参考电压），从而引起LED灯108产生不想要的人眼可以察觉的闪烁。

可以增大VTH的幅度以减小或消除IREF的寄生脉冲202，以最小化或消除闪烁。然而，增大VTH减小了功率因数和总效率，还增加了LED电流的谐波失真。期望的是，消除不期望的闪烁，且不引入这些附加的不期望后果中的任何一个。

图3为根据一个实施方式实现的带有调光器检测的LED驱动器系统300的示意性框图，该LED驱动器系统用于提供电流至LED灯，同时不会引入引起闪烁的寄生噪声，不会减小功率因数或总效率，且不会增大谐波失真。与传统LED驱动器系统100的组件相似的组件具有相同的附图标号。线调光器102和整流器104以类似的方式在节点106上提供VREC，且组件CI、D1、CO、L和Q以降压转换器301类似的方式而耦合。然而，AC检测器116由低通滤波器302和AC检测器316取代，其中低通滤波器302连接VDS电压而非VREC。在这个实施方式中，低通滤波器302包括电阻R1和R2以及电容器C1。R1具有一端耦合至节点112，该节点112产生VDS，R1的另一端耦合至R2的一端、耦合至C1的一端以及耦合至AC检测器316的输入。R2和C1的另一端耦合至GND。R1、R2和C1的公共结点产生经过滤波的VDS信号VDSF，该信号VDSF被提供至AC检测器316。AC检测器316将VDSF与VTH比较，用于以与先前描述的类似的方式产生IREF信号。然而，由于AC检测器316正在监控VDS的经过滤波的版本，寄生噪声如在此进一步描述地被消除。

图4为绘制了VAC、VIN、VREC、VDS、VDSF和IREF相对时间的曲线的时序图，阐明了LED驱动器系统300的工作。VAC、VIN和VREC以基本相同的波形构造而绘制，其中VIN和VREC包括失真，这些失真由在其它电路组件之中的线调光器102引起。VTH的电压电平与VDS一起绘制。如之前地，这些失真引起VREC上升至高于VTH，这会在传统构造中引起IREF的寄生脉冲。但是，注意到，VREC上的噪声脉冲不会上升至VOUT的电平，依赖于特定的构造，该电平可以是数十伏特（例如，30V）。

在工作中，当VREC低于VOUT的电压电平时，即便当Q为截止时，Q的内部体二极管可以导通。VDS保持在大约0V，允许有二极管压降的误差，且不会上升至VTH或VOUT的电平。当VREC上升高于VOUT，VDS上升至大约VREC的电压电平。经过低通滤波器302的电压VDSF相对较快地上升高于VTH，且AC检测器316断言IREF为高。LED驱动器114继续以FSW来回切换Q的操作，其中VDS的电压相应地来回切换，这使用对角线示出。低通滤波器302滤出VDS的工作的较高载波频率，从而当VREC高于VOUT时，VDSF提供VDS的包络信息。

当VREC降低低于VOUT时，VDS变为零。基于C1和并联组合的R1和R2的时间常数，VDSF衰减至零，且其后不久衰减低于VTH。当VDSF降低低于VTH时，AC检测器316断言IREF回到低，且VDSF降低至大约零。VDS保持在大约零且低于VOUT，VDSF保持在大约零且低于VTH。因此，在该周期的余下部分期间，IREF保持低。以这样的方式，尽管VREC上有噪声脉冲，IREF上的寄生脉冲被消除。

图5为根据另一个实施方式实现的带有调光器检测的LED驱动器系统500的示意性框图，该LED驱动器系统用于提供电流至LED灯108，同时不会引入引起闪烁的寄生噪声，不会减小功率因数或总效率，且不会增大谐波失真。与LED驱动器系统300的组件相似的组件具有相同的附图标号。线调光器102和整流器104以类似的方式在节点106上提供VREC，组件CI、D 1、CO和Q以另一降压转换器501类似的方式而耦合。在这种情形中，电感器L被变压器T取代，该变压器T具有耦合在节点110和112之间的初级绕组，该初级绕组的有点端耦合至节点110。变压器T具有次级绕组502，该次级绕组502的无点端耦合至GND，且其有点端耦合至二极管D2的阳极。D2的阴极耦合至R1的一端，其中R2、C1和AC检测器316以类似的方式耦合至R1的另一端。AC检测器316以类似的方式提供IREF至LED驱动器114，这产生了G，G以之前描述的类似方式以相应的占空比驱动Q。

工作基本上与LED驱动器系统300相类似。当VREC低于VOUT时，即便当Q正在切换时，VDS为零，且经过变压器T的初级绕组的电流变为零或接近零。次级绕组产生零电压或不产生电压，从而拉动VDSF至零。当VREC上升高于VOUT时，由切换引起的流动在变压器T的初级绕组中的电流致使在次级绕组502中形成相应的电压，该电压导致VDSF相应地上升，且AC检测器316断言IREF为高。当VREC降低低于VOUT时，VDS变为零，且经过变压器T的电流变为零，从而根据RC的时间常数，VDSF降低至零。当VDSF降低低于VTH，AC检测器316将IREF拉回到低。

图6为根据另一个实施方式实现的带有调光器检测的LED驱动器系统600的示意性框图，该LED驱动系统用于提供电流至LED灯108，同时不会引入引起闪烁的寄生噪声，不会减小功率因数或总效率，且不会增大谐波失真。LED驱动器系统600以与LED驱动器系统500基本相类似的方式构造和工作。唯一的不同在于转换器601的变压器T的次级绕组的极性，如次级绕组602所示出，次级绕组602与次级绕组502相比是相反的。工作基本类似。

LED驱动器系统500和600的潜在优点是，变压器T允许VDSF的电压电平显著地较小，VTH相应地按比例减小。

图7-9示出了使用转换器700的各种不同的电子设备，该转换器700根据此处描述的任一个构造而实现，比如转换器301、501或601，说明了可供选择的类型用途。如图7中示出的，转换器700接收VREC，并驱动任意类型的DC负载702。如图8中示出的，转换器700接收VREC，给电池或包括一个或多个可再充电电池的电池组802充电。如图9中示出的，转换器700接收VREC，并提供电流至线圈902或类似物，以产生用于电动机904或类似物的磁场。

尽管已经参考本发明的一些优选的版本以相当多的细节描述了本发明，但其它的版本和变化是可能和可预期的。本领域的技术人员应当意识到，他们能够容易地使用此处公开的概念和具体的实施方式作为设计或修改其它结构的基础，这些其它结构用于提供与本发明相同的目的，而不背离由所附权利要求限定的本发明的精神和范围。

Claims (19)

1.一种LED驱动器系统，包括：

输入，在整流节点接收经整流的AC导通角调制电压；

转换器，耦合至所述整流节点，且包括耦合至切换节点的功率切换装置，其中所述功率切换装置被控制以在低电压电平到所述经整流的AC导通角调制电压之间来回切换所述切换节点的电压并且将所述经整流的AC导通角调制电压转换为输出电压和输出电流；

低通滤波器，配置为对所述切换节点的所述电压滤波，以提供经滤波电压，所述经滤波电压具有指示所述经整流的AC导通角调制电压的导通角的占空比；

AC检测器，其接收所述经滤波电压，且提供指示所述经滤波电压的所述占空比的电流感测信号；以及

驱动网络，其基于所述电流感测信号控制所述功率切换装置。

2.如权利要求1所述的LED驱动器系统，其特征在于，所述转换器基于所述经滤波电压的所述占空比，以一占空比来回切换所述功率切换装置。

3.如权利要求1所述的LED驱动器系统，其特征在于，所述功率切换装置包括MOSFET。

4.如权利要求1所述的LED驱动器系统，其特征在于，所述转换器包括：

MOSFET，配置为所述功率切换装置，具有耦合至所述切换节点的漏极以及耦合至参考节点的源极；

输入电容器，耦合在所述整流器节点和所述参考节点之间；

第一二极管，具有耦合至所述切换节点的阳极以及耦合至所述整流器节点的阴极；

输出电容器，具有耦合至所述整流器节点的第一端以及耦合至输出节点的第二端；以及

电感器，耦合在所述输出节点和所述切换节点之间。

5.如权利要求4所述的LED驱动器系统，其特征在于，所述电感器包括变压器的初级绕组，所述变压器进一步包括次级绕组，且其中所述低通滤波器通过第二二极管耦合至所述次级绕组。

6.如权利要求1所述的LED驱动器系统，其特征在于，所述低通滤波器包括电阻器-电容器滤波器。

7.如权利要求1所述的LED驱动器系统，其特征在于，所述低通滤波器包括电阻器-电容器滤波器，配置为提供所述切换节点的电压的包络信息。

8.如权利要求1所述的LED驱动器系统，其特征在于，进一步包括：

调光器，接收AC电压且提供AC导通角调制电压；以及

全波桥式整流器，具有接收所述AC导通角调制电压的输入且具有耦合至所述整流节点的输出，用于提供所述经整流的AC导通角调制电压。

9.一种电子装置，包括：

调光器，接收AC电压且提供AC导通角调制电压；以及

全波桥式整流器，具有接收所述AC导通角调制电压的输入且具有提供经整流的AC导通角调制电压的输出；以及

转换器，包括：

整流节点，接收所述经整流的AC导通角调制电压；

功率切换装置，耦合至切换节点，其中所述功率切换装置被控制以在低电压电平到所述经整流的AC导通角调制电压之间来回切换所述切换节点的电压并且将所述经整流的AC导通角调制电压转换为横跨一对输出节点的输出电压和经过所述一对输出节点的电流；

低通滤波器，配置为对所述切换节点的所述电压滤波，以提供经滤波电压，所述经滤波电压具有指示所述经整流的AC导通角调制电压的导通角的占空比；

AC检测器，其接收所述经滤波电压且提供指示所述经滤波电压的所述占空比的电流感测信号；以及

驱动器网络，其基于所述电流感测信号控制所述功率切换装置。

10.如权利要求9所述的电子装置，其特征在于，进一步包括耦合至所述一对输出节点的DC负载。

11.如权利要求10所述的电子装置，其特征在于，所述DC负载包括至少一个LED。

12.如权利要求10所述的电子装置，其特征在于，所述DC负载包括电池充电器。

13.如权利要求10所述的电子装置，其特征在于，所述DC负载包括同步电动机。

14.如权利要求10所述的电子装置，其特征在于，所述转换器包括：

MOSFET，配置为所述功率切换装置，具有耦合至所述切换节点的漏极以及耦合至参考节点的源极；

输入电容器，耦合在所述整流器节点和所述参考节点之间；

第一二极管，具有耦合至所述切换节点的阳极以及耦合至所述整流器节点的阴极；

输出电容器，具有耦合至所述整流器节点的第一端以及耦合至输出节点的第二端；以及

电感器，耦合在所述输出节点和所述切换节点之间。

15.如权利要求14的电子装置，其特征在于，所述电感器包括变压器的初级绕组，所述变压器进一步包括次级绕组，且其中所述低通滤波器通过第二二极管耦合至所述次级绕组。

16.如权利要求10所述的电子装置，其特征在于，所述低通滤波器包括电阻器-电容器滤波器。

17.如权利要求10所述的电子装置，其特征在于，所述低通滤波器包括电阻器-电容器滤波器，配置为提供所述切换节点的所述电压的包络信息。

18.一种检测LED驱动器的调光角度的方法，所述LED驱动器接收经整流的AC导通角调制电压，并控制切换装置以将所述经整流的AC导通角调制电压转换为通过LED灯的电流，所述方法包括：

感测横跨所述切换装置的电压，并提供包括所感测电压的包络信息的经滤波电压，其中所述包络信息指示所述经整流的AC导通角调制电压的导通角；

将所述经滤波电压信息与预定阈值比较，以提供指示所述导通角的电流感测信号；以及

使用所述电流感测信号以控制所述切换装置的切换。

19.如权利要求18所述的方法，其特征在于，进一步包括控制所述LED驱动器，所述LED驱动器基于所述电流感测信号在一占空比来回切换所述切换装置。