CN107113946A - 具有镇流器兼容性的固态照明驱动器电路 - Google Patents

Abstract

固态照明驱动器电路(500)具有跨其输入端连接的开关(502)，其使用镇流器输出选择性地驱动电路(500)，或为镇流器输出提供低阻抗路径，使得镇流器进入自保护模式。这意味着驱动器电路(500)与电子镇流器兼容，但是进行良好的调节。

Description

具有镇流器兼容性的固态照明驱动器电路

本公开涉及一种用于固态照明的驱动器电路，其与镇流器兼容，特别是与电子镇流器兼容。

与较老的白炽灯或荧光灯相比，固态灯由于其提高的效率而越来越受欢迎。固态灯包括发光元件和驱动器电路，该驱动器电路被设计为向照明元件提供正确的电力水平，使得其提供足够的光输出，但还不会由于提供太多电力而被损坏。灯通常设置在灯泡壳体中并且包括驱动器电路和发光元件。一种类型的固态灯采用发光二极管(LED)作为其发光元件。

镇流器是限制供应给负载的电流量的设备或电路。它们通常被用于诸如气体放电灯的表现出负电阻特性的设备，其中，限制电流对于防止灯被破坏或失效是重要的。然而，镇流器也可用于限制普通正电阻电路中的电流，包括供固态灯使用。镇流器通常与照明设备(luminaire)壳体集成，以用于当固态灯被插入到照明设备壳体的插槽中时经由合适的电连接器与固态灯的驱动器电路耦合。磁镇流器包括为提供给电路的电流提供电抗的电感器。它们以与电源频率类似的频率操作。电子镇流器采用固态电路，并通常基于开关模式电源拓扑结构，对输入功率进行整流并以高频将其斩波。电子镇流器可以通过诸如脉冲宽度调制的技术来允许调光。电子镇流器通常以数十千赫兹为灯供电。

如图1所示，固态照明系统100包括电子镇流器102、固态灯驱动器电路104和固态灯106。照明系统100由被外部电网提供的AC交流电源108供电(尽管它可以等同地由诸如发电机的离网(off‐grid)电源供电)。应当认识到，图1仅用于示意和说明的目的，并且照明系统可以包括多个固态灯106，多个固态灯106可以由公共驱动器电路104驱动或可以各自设置有它们自己的单独的驱动器电路104。此外，虽然镇流器102、驱动器104和灯106被示为分离的功能组件，但是应当认识到，所有或一些组件可以组合在公共电路中。

照明系统100可以包括具有壳体和用于接收灯的插槽的照明设备。通常对于固态灯的情况，灯体容纳发光元件和驱动器电路，而镇流器将通常被提供作为照明设备的插入灯的一部分。

当使用镇流器来控制灯时，必须适当调节电流，并且镇流器的输入和输出之间的功率必须平衡。需要改进照明系统的设计，以在与镇流器一起使用时获取更好的控制和可靠性。还需要确保固态灯与一系列照明设备的兼容性，其可以具有非专门为与固态灯一起使用而设计的镇流器。例如，使用固态等效物更换气体放电管灯通常是不可能的，因为照明设备中的镇流器被设计为供气体放电灯使用并且与固态灯不兼容。

镇流器经常被发现通过自振荡方式操作，或由集成电路控制。点火后，其输出电流受镇流器本身的限制。所以通常镇流器成为驱动器的电流源。

灯通常需要具有一致的光度值。由于镇流器类型的变化、电路和制造变化，如果依靠镇流器以直接向固态灯提供电流，则负载电流的变化很大。因此，通常需要LED驱动器来输出调节电流。在这个意义上说，LED驱动器可以被认为是调节电流吸收器(sink)。输入(作为电流源的镇流器输出)和输出(作为电流吸收器的LED驱动器负载)的失配可能会导致总线电压的大变化。如果不能控制，这甚至可能导致电路故障。

根据本公开的第一方面，提供了固态照明驱动器电路，其包括：输入端，用于与镇流器连接；输出端，用于驱动发光元件；以及开关，其选择性地可操作用于在第一状态与第二状态之间转换，所述第一状态提供用于镇流器输出的低阻抗路径，在所述第二状态下，镇流器输出驱动所述输出端。

低阻抗路径可以包括到地或参考电压的路径。

可选地，跨输入端提供开关。

可选地，开关可操作以对镇流器与输出端的耦合进行脉冲宽度调制。

可选地，提供了用于调节负载的调节电路。

可选地，调节电路包括电流感测元件和可操作以控制发光元件的输出电流的开关。

可选地，固态照明驱动器电路包括控制器，该控制器被设置以控制开关和/或调节电路的操作。

可选地，控制器提供过电压保护。

可选地，控制器提供过电流保护。

可选地，控制器使输入功率和输出功率平衡。

可选地，控制器提供调光功能。

第一方面的固态照明驱动器电路可以包括如本文充分描述的其它特征。

根据本公开的第二方面，提供了一种固态灯，其包括：发光元件；以及固态照明驱动器电路，该固态照明驱动器电路包括：输入端，用于与镇流器连接；输出端，用于驱动发光元件；以及开关，其选择性地可操作用于在第一状态与第二状态之间转换，该第一状态提供用于镇流器输出的低阻抗路径，在该第二状态下，镇流器输出驱动该输出端。

第二方面的固态灯可以包括第一方面的任何特征和如本文充分描述的其他特征。

根据本公开的第三方面，提供了一种控制固态灯的方法，该方法包括选择性地用镇流器驱动负载或为镇流器输出提供低阻抗路径。

第三方面的方法还可以包括提供、实施或使用在第一或第二方面中描述的特征并且还包括如本文所述的各种步骤和方法。

现在将参考附图仅通过示例的方式来描述本公开，在附图中：

图1图示了通用照明系统；

图2图示了与电子镇流器输入端一起工作的LED驱动器电路；

图3图示了图2的电路的修改，其中提供控制器来感测输入电压并调节负载电流；

图4图示了其他修改，其中调节输入阻抗以改变镇流器工作频率；

图5图示了本公开的实施例，其中跨LED驱动器输入端提供开关元件；

图6图示了本公开的另一个实施例，其中负载被调节；

图7图示了本公开的又一个实施例，其中提供控制器以用于操作跨LED驱动器输入端的开关元件和调节负载的开关元件；

图8图示了本公开的又一个实施例，其中提供用于过电压保护的控制器；

图9图示了本公开的又一个实施例，其中提供了用于未经调节的驱动器的过电流保护的控制器；

图10图示了用于平衡驱动器电路的输入和输出之间的功率的概念设计；

图11示出了调节负载的调光；以及

图12示出了未经调节的负载的调光。

图2示出了被设置成接收镇流器输入202并且调节被传递到固态灯(在这种情况下是LED 204)的电流的LED驱动器电路200。镇流器输入202由二极管208整流，并且电容器210被提供用于能量存储。由LED 204和电阻器206提供的负载205是未经调节的。其电流取决于镇流器的运行状态，可以有很大差异。这里(以及在提供调节负载的其它实施例中)，电阻器206用作限流器。

图3示出了替代的LED驱动器电路300，其中负载被调节。它与图2的电路共享共同的组件，因此再次使用相同的参考数字。由于镇流器是电流源，因此如果输入能量和输出能量不平衡，整流器之后的电压VBUS会有大的变化。控制器302用于感测VBUS并调节负载电流，使得VBUS被控制以保持在限定的安全范围内。通过监控和控制开关元件304的栅极电压(VGATE)来实现对负载电流的调节，该开关元件304选择性地将LED 204与电阻器206耦合，其在此用作电流感测元件。可以使用替代的电流感测元件。该图示出了NMOS FET，尽管可以根据系统架构选择任何合适的开关元件。与图2的驱动器电路200相比，该电路300可以在较小的范围内控制负载电流。负载电流因此被松散地调节。

图4示出了又一个替代的LED驱动器电路400。同样地，当描述相同的组件时，重新使用来自前面图的参考数字。控制器402类似于图3所示的控制器302，除了它被设置成调节镇流器的工作频率，使得来自镇流器的输入功率能够匹配负载电流。在这个实施例中，这是通过控制信号VC来实现的，控制信号VC被发送到修改镇流器输入202的可变电容器404，尽管可以使用其他合适的机构。因此，该电路400的负载电流被严格调节。

图2至图4图示了与镇流器兼容的各种LED驱动器电路。特别地，图4的驱动器电路400实现了严格的LED电流调节和电路400的输入功率和输出功率之间的平衡。然而，即使这种改进的电路也有一些缺点。它具有高成本，因为调整输入阻抗需要复杂的电路和控制技术。此外，其对光输出的调光能力有限，因为很难以足够大的量调整镇流器输入的阻抗来施加大量的调光。此外，它在电路故障的情况下不能提供保护。

因此，期望提供克服或改善这些缺点或提供其他总体改进的用于固态灯的驱动器电路。

图5图示了被设计为解决这些问题的固态驱动器电路的实施例。该电路500从电子镇流器502接收输入202，并且驱动包括一个或更多个固态灯204的负载205。

此外，直接提供开关502或有效地跨驱动器电路的输入端提供开关502。

可以选择性地操作开关502以控制镇流器输入202与负载205的耦合。在第一状态(接通)中，为镇流器的输出提供低阻抗路径，并且将整流器后的电压VBUS短路到地。镇流器工作在自保护模式中。整流二极管208(D1)中的一个阻止电流流回到输入端，并且从通常为电容器的能量存储元件210给负载提供电力。提供给负载的电流可以被严格调节，并且负载供给电压VC1将随着时间的推移减小。

当开关502变为第二状态(断开，如图5所示)时，恢复正常的镇流器操作。输入功率通过包括D1的整流二极管208被传送到负载205。负载供给电压VC1在此期间增加。

开关502由控制信号VG_Q1操作，可以选择其定时来调节被提供给负载的功率，即输出功率。

图6示出了LED驱动器电路600的实施例，其包括利用适当的调节电路来调节负载。在该实施例中，调节电路包括以与先前在图3中所示的开关元件304类似的方式操作的开关元件602。它选择性地将LED 204与电流传感器(其在这里采用电阻器206的形式)耦合。该图示出了NMOS FET，但是开关元件602可以是任何合适的元件。开关元件602由控制信号VGATE控制，控制信号VGATE改变栅极电压以控制开关元件602的漏极和源极之间的电流流动。

如果镇流器用作纯电流源，则根据图5的实施例的未经调节的驱动器电路500将是合适的。然而，一些电子镇流器具有电压特性，因此使用图6的实施例的驱动器电路600来控制VGATE信号在这种情况下可以是有用的。

当开关502被控制时，VGATE可以保持接通，并且负载205不必被调节。另一方面，当开关502断开时，就可以控制VGATE来调整负载。

图7图示了根据本公开的LED驱动器电路700的另一个实施例。这部分地对应于图6的实施例，因此在适当的情况下应使用相同的参考数字。然而，在本实施例中，提供了一个控制器702。该控制器702可以为VG_Q1信号和VGATE信号提供整体控制，并且可以提供额外的功能，诸如过电压保护和过电流保护以及调光功能或这些的组合，以及可能期望的任何一般的附加控制。

图8至图12中示出了不同的示例控制器。在图8的实施例中，控制器802提供过电压保护。比较器804和806将节点VC1处的驱动器电路输入电压和输出电压VGATE与参考电压进行比较，使得如果VC1高于定义的过电压保护阈值，则开关502导通，使得镇流器进入自保护模式。这样可以防止VBUS与VC1的比值过高并损坏电路。这里(并在图9至图12中)，开关502被示为MOSFET，但它也可以是任何其他类型的设备，诸如不同种类的FET或BJT。

图9示出了一个实施例，其中控制器902提供未经调节的驱动器电路的过电流保护。如果大功率镇流器与低电流LED负载连接，则存在负载电流可能足够高以损坏电路的风险。如果通过LED的电流超过定义的安全限制，则开关502被接通以防止对负载的损坏。感测电阻器206将负载电流转换为电压信号。比较器904将电压信号与定义或与安全限制有关的参考电压进行比较。

图10图示了具有负载调节的实施例，其中控制器1002提供对输入电压与输出电压VBUS与VC1的比的调节。感测输出电压VC1并将其与参考电压VCREF进行比较。补偿器被包括，设置正确的PWM占空比电平。开关502在PWM模式下工作，其中控制占空比使得VC1被严格调节。该方法具有为开关602提供适当的电压开销以便最小化功率损耗并实现良好效率的优点。

图11图示了提供控制器1102的另一种设计，该控制器1102利用调光模块1104并入了调光功能。调光模块1104基于调光要求进一步调整开关502的占空比。当需要调光时，电流参考电压降低。同时，开关502的占空比基于VC1电压而增加或直接根据调光信号增加，以使得响应加快。

图12图示了另一设计，其中控制器1202提供调光功能。该LED负载205是未经调节的。在这种情况下，开关502的占空比与调光信号直接相关。当需要调光功能时，开关502的占空比增加以减少提供给负载205的功率。

应当认识到，可以组合图8至图12的控制器中所示的功能。例如，除了过电压保护、过电流保护和功率平衡中的任何一个或更多个以外，控制器还可以提供调光功能。通常，可以提供这些功能的任何组合。

可以对上述内容进行各种改进和修改，而不脱离本公开的范围。

Claims (12)

1.一种固态照明驱动器电路，包括：

输入端，所述输入端用于与镇流器连接；

输出端，所述输出端用于驱动发光元件；以及

开关，所述开关选择性地可操作用于在第一状态与第二状态之间转换，所述第一状态提供用于镇流器输出的低阻抗路径，在所述第二状态下，所述镇流器输出驱动所述输出端。

2.如权利要求1所述的固态照明驱动器电路，其中，跨所述输入端设置所述开关。

3.如任一前述权利要求所述的固态照明驱动器电路，其中，所述开关可操作以对所述镇流器与所述输出端的耦合进行脉冲宽度调制。

4.如任一前述权利要求所述的固态照明驱动器电路，其中，提供了用于调节负载的调节电路。

5.如权利要求4所述的固态照明驱动器电路，其中，所述调节电路包括电流感测元件和可操作以控制所述发光元件的输出电流的开关。

6.如权利要求4或权利要求5所述的固态照明驱动器电路，包括控制器，所述控制器被设置成控制所述开关和/或所述调节电路的操作。

7.如权利要求6所述的固态照明驱动器电路，其中，所述控制器提供过电压保护。

8.如权利要求6或权利要求7所述的固态照明驱动器电路，其中，所述控制器提供过电流保护。

9.如权利要求6至8中任一项所述的固态照明驱动器电路，其中，所述控制器使输入功率和输出功率平衡。

10.如权利要求6至9中任一项所述的固态照明驱动器电路，其中，所述控制器提供调光功能。

11.一种固态灯，包括：

发光元件；以及

固态照明驱动器电路，所述固态照明驱动器电路包括：

输入端，所述输入端用于与镇流器连接；

输出端，所述输出端用于驱动发光元件；以及

开关，所述开关选择性地可操作用于在第一状态与第二状态之间转换，所述第一状态提供用于镇流器输出的低阻抗路径，在所述第二状态下，所述镇流器输出驱动所述输出端。

12.一种控制固态灯的方法，包括选择性地用镇流器驱动负载或为镇流器输出提供低阻抗路径。