CN204986459U - 发光二极管灯 - Google Patents

Abstract

本实用新型的实施例涉及发光二极管灯。如本文所描述的LED灯系统包括调光开关和泄放电路。泄放电路提供泄放电流以管理电压并且防止调光开关过早地关断。泄放电路可以监测由调光开关输出的AC输入电压。当AC输入电压小于第一阈值时，泄放电路提供泄放电流。当AC输入电压大于第二阈值时，泄放电路将泄放电流调节成低于预定水平。

Description

发光二极管灯

相关申请的交叉引用

本申请要求于2014年9月15日提交的美国临时专利申请第62/050,704号“DynamicBleederCurrentControlForLEDDimmer(用于LED调光器的动态泄放电流控制)”的优先权，通过引用将其全部内容合并至本文中。

技术领域

本公开内容涉及对LED(发光二极管)灯进行驱动，并且更具体地涉及对LED灯进行自适应调光。

背景技术

现在各种电子应用使用LED灯。这些应用包括建筑照明、汽车头灯和尾灯、用于液晶显示装置的背光灯、闪光灯和电子标志。LED灯与常规照明源如白炽灯和荧光灯相比具有显著优点。这些优点包括高效率、良好的方向性、颜色稳定性、高可靠性、长寿命、小尺寸和环境安全性。因此，LED灯在很多应用中取代了常规照明源。例如，LED灯常用于对光源的亮度进行调节的应用如可调光照明系统中。

可调光照明系统常使用切相式调光开关，切相式调光开关采用三端双向可控硅开关元件装置(triacdevice)通过在供应至三端双向可控硅开关元件的交流(AC)电压的一定时段期间的导通来调节传递至灯的功率。为将三端双向可控硅开关元件维持在导通状态，需要将最小保持电流供应至三端双向可控硅开关元件。然而，因为LED灯负荷变化很大，所以三端双向可控硅开关元件装置可能不能可靠地工作。此外，最小保持电流在三端双向可控硅开关元件装置间变化很大，这可能进一步使基于LED的可调光照明系统的设计复杂化。当通过三端双向可控硅开关元件装置的电流小于最小保持电流阈值时，三端双向可控硅开关元件装置复位并且过早地关断。因此，LED灯会当它们应该导通时过早地关断，这会导致可察觉的灯光闪烁或LED灯的完全失效。

实用新型内容

本文描述的LED灯系统包括调光开关和泄放电路(bleedercircuit)。泄放电路提供泄放电流(bleedercurrent)以防止调光开关过早地关断。三端双向可控硅开关元件调光器在触发操作模式期间通常需要约100mA至200mA来导通。当被触发时，三端双向可控硅开关元件调光器进入三端双向可控硅开关元件导通操作模式，其中，三端双向可控硅开关元件调光器持续导通直到通过三端双向可控硅开关元件调光器的电流下降至阈值电流水平(例如，5mA至20mA)以下。在导通操作模式期间，当通过三端双向可控硅开关元件调光器的电流下降至阈值电流水平以下时三端双向可控硅开关元件调光器可能关断，从而导致LED灯的可感知的闪烁。泄放电路可以监测由调光开关输出的AC输入电压。当AC输入电压小于第一阈值时，泄放电路提供泄放电流。当AC输入电压大于第二阈值时，泄放电路将泄放电流调节成低于预定水平。

根据一个实施例，一种发光二极管灯包括：发光二极管串，其包括一个或更多个发光二极管；整流电路，被配置成接收交流输入电压并且生成与交流输入电压对应的整流电压，整流电压是指示调光水平的切相式交流输入电压；泄放电路，被耦合至整流电路，并且被配置成响应于交流输入电压低于第一阈值电压而导通以提供第一电流水平的泄放电流，并且响应于交流输入电压超过第二阈值电压而将泄放电流降低至第二电流水平；以及发光二极管驱动电路，被配置成根据基于整流电压的占空比来导通或关断功率级开关，以调节通过发光二极管串的驱动电流。

根据一个实施例，交流输入电压包括交流输入电压为0的第一部分以及交流输入电压为非0的第二部分，第一部分与第二部分交替；并且第一阈值电压和第二阈值电压被设置成使得泄放电路被配置成在交流输入电压的第一部分期间导通，并且在交流输入电压的第二部分期间关断。

根据一个实施例，交流输入电压包括交流输入电压为0的第一部分以及交流输入电压为非0的第二部分，第一部分与第二部分交替；发光二极管驱动电路被配置成在交流输入电压的第二部分的一部分期间根据基于整流电压的占空比来导通或关断功率级开关；第一阈值电压被设置成使得泄放电路被配置成在交流电压的第一部分期间导通；第二阈值电压被设置成使得泄放电路在交流电压的第二部分的一部分期间将泄放电流降低至第二电流水平；并且泄放电路被配置成在交流电压的第二部分的剩余部分期间关断。

根据一个实施例，第一阈值电压小于第二阈值电压。

根据一个实施例，泄放电流流过在发光二极管串、整流电路和泄放电路外部的三端双向可控硅开关元件。

根据一个实施例，泄放电路包括：第一开关，被配置成导通以提供泄放电流或者关断以停止泄放电流；以及第一控制器，被配置成基于交流输入电压来生成第一控制信号以导通或关断第一开关。

根据一个实施例，发光二极管驱动电路包括：功率级开关，被配置成导通以将整流电压连接至发光二极管驱动电路，以及关断以将整流电压与发光二极管驱动电路断开；以及第二控制器，被配置成生成具有占空比的第二控制信号，功率级开关响应于第二控制信号根据占空比来导通或关断。

根据一个实施例，第一控制器和第二控制器被封装在集成电路中。

根据一个实施例，第二电流水平是根据占空比以及在发光二极管串、整流电路和泄放电路外部的三端双向可控硅开关元件确定的。

本说明书中描述的特征和优点并未包括全部，并且特别地，鉴于附图和说明书，大量另外的特征和优点对本领域的普通技术人员而言是明显的。此外，应当注意，本说明书中使用的语言主要被选择用于可读性和指导的目的，并且不被选择用于划定或限定实用新型主题。

附图说明

通过结合附图考虑下面的详细描述易于理解本公开内容的教导。

图1是示出根据一个实施方式的LED灯系统的电路图。

图2是示出根据一个实施方式的LED灯系统的电路图。

图3A示出根据一个实施方式的图2的LED灯系统的示例电压波形。

图3B示出根据一个实施方式的图2的LED灯系统的示例控制信号波形。

图3C示出根据一个实施方式的图2的LED灯系统的示例泄放电路控制信号波形。

图4A示出根据另一个实施方式的图2的LED灯系统的示例电压波形。

图4B示出根据另一个实施方式的图2的LED灯系统的示例控制信号波形。

图4C示出根据另一个实施方式的图2的LED灯系统的示例泄放电流波形。

具体实施方式

附图和下面的描述涉及仅为说明目的的本公开内容的实施方式。应当注意，根据下面的讨论，本文所公开的结构和方法的替选实施方式会容易被认为是在不偏离本公开内容的原则的情况下可以采用的可行替选方案。

现在将详细参考本公开内容的几个实施方式，其示例在附图中示出。注意，只要可行，类似或相同的附图标记可以用于附图中，并且可以表示类似或相同的功能。附图描述本公开内容的实施方式仅用于说明的目的。本领域的技术人员会根据下面的描述容易地认识到：在不偏离本文描述的公开内容的实施方式的原则的情况下可以采用本文示出的结构和方法的替选实施方式。

图1是示出了包括交流(AC)电源114、调光开关104和LED灯电路102的LED灯系统100的电路图。AC电源114向LED灯电路102提供AC电压122。调光开关104与AC电源114和包括LED串112的LED灯电路102串联耦合。LED串112包括一个或更多个LED。调光开关104通过对AC电源114进行相位调制以将经调节的AC输入电压提供至LED灯电路102来控制由LED串112输出的光量(即，强度)。在一个实施方式中，调光开关104是包括三端双向可控硅开关元件装置(未示出)的切相式调光器。调光开关104中所包括的三端双向可控硅开关元件装置是当其导通(或触发)时能够沿任一方向传导电流的双向装置。美国专利第7,936,132号中描述了包括三端双向可控硅开关元件装置的调光开关的一个示例。当包括三端双向可控硅开关元件装置的调光开关104导通时，调光开关104持续导通直到通过调光开关104和LED串112的电流下降至保持电流阈值以下。

调光开关104基于施加至调光开关104的调光输入信号116的值来确定施加至由AC电源114提供的AC电压122的调节量。即，基于调光输入信号116的值来生成由调光开关输出的AC输入电压。在一些实施方案中，调光输入信号116是由旋钮、滑动开关或能够提供具有可变调节设置范围的调节信号的其它合适的电气或机械装置产生的模拟信号。在其它实施方案中，调光输入信号116是数字信号。调光开关104向LED灯电路102输出AC输入电压118。LED灯电路102与所接收的AC输入电压118基本上成比例地调节LED串112的光输出强度，从而呈现出与白炽灯类似的特征。LED灯电路102以以下调节方式控制通过LED串112的电流：响应于调光输入信号116来提供LED灯电路102的光强度水平输出的平稳过渡而没有可感知的闪烁。

LED灯电路110包括整流电路106、泄放电路108、驱动电路110和LED串112。整流电路106接收AC输入电压118并输出与AC输入电压118对应的整流电压120。可以调节LED串112的调光水平使得通过LED串112的电流低于调光开关104的三端双向可控硅开关元件装置的保持电流阈值。在这种情况下，泄放电路108确保调光开关104的三端双向可控硅开关元件装置保持导通，同时LED串112能够在调光设置内被调节。当AC输入电压118低于第一阈值电压时泄放电路108导通以提供泄放电流。因此，泄放电路108提供跨整流电路106的输出端的电路通路。由泄放电路108提供的泄放电流使输入电容器放电并且提供低阻抗电流通路以确保调光开关104的三端双向可控硅开关元件装置正常工作。调光开关104的三端双向可控硅开关元件装置的内部定时器能够适当复位并且同时充电，这防止了调光器相位在周期间抖动。在一些实施方式中，泄放电路108提供不同水平的泄放电流以减少热损失并且增加总体系统效率。当AC输入电压118超过第二阈值电压时，泄放电路减小泄放电流。第二阈值电压大于第一阈值电压。将参照图2来进一步描述泄放电路108的细节。驱动电路110向LED串112提供驱动电流。驱动电路110根据基于整流电压120确定的占空比来导通和关断从而调节通过LED串112的驱动电流。

图2是示出了包括与LED灯电路102一起使用的调光开关104的LED灯系统100的电路图。LED灯电路102基于调光输入信号116来控制LED串112的调光以实现期望的调光。LED灯电路102以以下方式自适应地控制调光：遍及调光范围地减少或消除LED串112的可感知的闪烁，并且当调光开关104被调节时使LED串112亮度迅速平稳地响应。在示出的示例中，整流电路106包括二极管电桥202和电容器204。整流电路106提供整流电压120，整流电压120是至泄放电路108的未经调节的直流(DC)电压。电容器204与二极管电桥202的输出端并联耦合。二极管电桥202基于由调光开关104基于调光输入信号116输出的AC输入电压118来生成整流电压120。整流电压120被提供至电容器204。

泄放电路108包括泄放电路控制器206、泄放电流开关208和电阻器210。当由调光开关104输出的AC输入电压118低于第一阈值电压时，泄放电路控制器206对泄放电流开关208进行调节以提供跨整流电路106的输出端的泄放电流通路。泄放电路控制器206监测AC输入电压118，检测AC输入电压118的特性，并且确定AC输入电压118何时达到指示AC输入电压118处于或接近0伏特(即，过零电压)的第一阈值电压。泄放电路控制器206可以使用数字电路技术或模拟电路技术之一或其组合。在一个实施方案中，泄放电路控制器206包括数字采样电路(未示出)和比较器(未示出)。数字采样电路在指定的时间间隔处或在指定的时间段内对AC输入电压118进行采样。样本被提供至比较器，比较器对指定数目的样本的值进行比较以检测AC输入电压118是否处于或接近过零电压。

当泄放电路控制器206确定AC输入电压118处于或接近过零电压，即低于第一阈值电压时，泄放电路控制器206生成控制信号242以通过导通泄放电流开关208来启用泄放电路108，从而为通过电阻器210的泄放电流提供跨整流电路106的输出端的通路。泄放电流开关208可以是半导体功率开关，诸如所示出的金属氧化物场效应晶体管(MOSFET)、双极结型晶体管(BJT)，等等。如所示出的，泄放电流开关208的源极可以耦合至整流电路106的输出端的端子，漏极可以经由电阻器210耦合至整流电路106的输出端的另一个端子，并且栅极耦合至泄放电路控制器206的输出端。通过确定AC输入电压118过零何时出现，泄放电路控制器206避免在高耗散时段期间启用泄放电路108，并且当调光开关104的三端双向可控硅开关元件处于关断状态时启用泄放电路108。即，当AC电源114与调光开关104断开时。

泄放电路108在指定时段期间提供跨整流电路106的输出端的电流通路，以提供低阻抗电流通路以确保调光开关104的三端双向可控硅开关元件装置适当工作，例如使调光器相位稳定。例如，泄放电路108检测由整流电路106输出的整流电压120在AC输入电压118的每半周期期间何时处于或低于第一阈值，在该点处使得泄放电路108能够提供具有足以使电容器210放电的值的泄放电流。泄放电路108可以提供处于不同水平的泄放电流以确保调光开关104的三端双向可控硅开关元件装置适当工作并且减少热损失。例如，泄放电路108可以提供约250mA至300mA的高泄放电流以及该高电流水平的约二分之一或四分之一的低泄放电流。当调光开关104在导通状态下工作时，泄放电路108可以对供应至调光开关104的泄放电流的量进行调节以确保调光开关保持在导通状态。这样的调节方案避免了当存储在整流电路106中的电容器204中的能量在AC输入电压118的每半周期期间处于最大值时启用泄放电路108。这在确保调光开关104的适当工作的同时增加了总体系统效率，这是因为泄放电路108在高耗散操作时段期间如当功率级正在以输出调节模式工作时被停用。

泄放电路108准确地检测AC输入电压118的正确定时以确定泄放电流控制，并且避免当存储在大容量电容器(bulkcapacitor)204中的能量在AC输入电压118的每半周期期间处于最大值时启用泄放电路108。这在确保调光开关104的适当工作的同时增加了LED灯系统100的总体效率。

当AC输入电压118在AC输入电压118的每半周期期间高于第二阈值时，泄放电路控制器206减少泄放电流。在一个实施方案中，泄放电路控制器206当AC输入电压118高于第二阈值时停用泄放电路108。即，当驱动电路110工作时，泄放电路108被停用并且泄放电流降低至0。泄放电路控制器206可以从功率级控制器216接收指示驱动电路110的开关周期是否已启用的信号240。当驱动电路110已启用时，泄放电路控制器206通过关断泄放电流开关208来停用泄放电路108。

在一个实施方式中，泄放电路108提供不同水平的泄放电流。例如，在驱动电路110停用的时段期间，泄放电路108可以提供不同水平的泄放电流以适当管理电压并且减少热损失。作为另一示例，在驱动电路110被启用的时段期间，通过LED串112的电流可能仍低于调光开关104的保持电流。泄放电路108可以提供泄放电流以确保调光开关104保持导通同时驱动电路110被启用。在一个实施方案中，功率级控制器216通过确定传递至输出级214的能量是否足以维持LED串112的适当输出调节来确定是否满足调节阈值。功率级控制器216可以测量调光开关104的电流负荷并且将所测量的电流与保持电流阈值或阈值的范围进行比较。可以基于调光开关104和LED串112的负荷特性来指定或动态地调整该调节阈值。当泄放电路108确定驱动电路110没有在工作时，并且基于例如由功率级控制器216提供的维持输出调节的指示，泄放电路返回如先前所述的操作模式。功率级控制器216可以响应于确定调节阈值未被满足来生成维持输出调节的指示。

驱动电路110向LED串112提供驱动电流。驱动电路110包括功率级212和输出级214。功率级212对提供至输出级214的能量进行调节，并且输出级214向LED串112提供驱动电流。功率级212包括功率级控制器216、功率级开关218和电感器220。功率级控制器216可以检测由调光开关104输出的AC输入电压118，并且输出控制信号242以激活或去活功率级开关218。例如，在一个实施方案中，功率级控制器216可以包括耦合至调光开关104的输出端的输入端并且测量由调光开关104输出的AC输入电压118。当所测量的AC输入电压118满足指定的阈值电压水平或范围时，包括在调光开关104中的三端双向可控硅开关元件在AC输入电压118的每半周期期间转换成导通状态。功率级控制器216通过控制功率级开关218的占空比来对提供至LED串112的驱动电流进行调节。功率级控制器216基于对所测量的AC输入满足或超过指定的阈值或范围的确定来生成处于第一状态(例如，导通)的控制信号242以激活功率级开关218。当AC输入电压118在AC电源114的AC电压122的每半周期期间处于阈值时，功率级控制器216生成从第一状态(例如，导通)转换至第二状态(例如，关断)的控制信号242以维持输出调节。另一方面，当功率级控制器216确定所测量的AC输入电压118大于指示传递至输出级214的能量足以维持适当的输出调节的阈值时，功率级控制器216生成处于第二状态(例如，关断)的控制信号242以停用功率级开关218。功率级开关218可以是半导体功率开关，诸如所示出的MOSFET、BJT，等等。

输出级214包括整流二极管222和输出电容器224。整流二极管222的阳极耦合至功率级开关218的漏极，并且整流二极管222的阴极耦合至输出电容器224的正端子。整流二极管222确保通过LED串112的电流从LED串112的阳极流到LED串112的阴极。电容器224与LED串112并联地连接，其中，LED串112的阳极连接至输出电容器224的正端子并且LED串112的阴极连接至输出电容器224的负端子。电容器224维持LED串112两端的电压基本恒定。整流二极管222和电容器224一起确保LED串112的可靠工作。

图3A至图3C示出了图2的LED灯系统100的示例波形。图3A示出了图2的LED灯系统100的电压波形。波形302是由调光开关104输出的AC输入电压118，并且波形304是由AC电源114供应的AC电压122。波形304(虚线)被叠合在波形302上。如所示出的，AC输入电压118包括AC输入电压118为0的第一部分302a以及AC输入电压118为非0的第二部分302b。第一部分和第二部分交替。图3B示出了表示由图2的LED灯系统100的功率级控制器216生成的控制信号242的示例波形。如图3B所示，当AC输入电压118在时间t₁处满足或超过指定的阈值V_TH1或范围时，功率级控制器216生成控制信号242。控制信号242在导通状态与关断状态之间循环以导通和关断功率级开关218。功率级控制器216持续生成在导通状态与关断状态之间循环的控制信号242直到调节阈值(即，传递至输出级214的能量是否足以维持LED串112的适当的输出调节)如参照图2先前所述地被满足。

图3C示出了表示由图2的LED灯系统100的泄放电路控制器206生成的控制信号242的示例波形。如图3C所示，泄放电路控制器206监测AC输入电压118的波形302并且当AC输入电压118小于阈值V_TH1时启用泄放电路108。如所示出的，在与AC输入电压118的第一部分302a对应的时段(t₀至t₁)期间，AC输入电压118的电压水平小于第一阈值V_TH1并且泄放电路被启用以提供泄放电流。当AC输入电压118的电压水平大于阈值V_TH2时，在时间t₁，泄放电路控制器206停用泄放电路108。如所示出的，在AC输入电压118的电压水平是非0时的与AC输入电压118的第二部分302b对应的时段(t₁至t₃)期间，停用泄放电路108。在高耗散时段期间不启用泄放电路108。如所示出的，泄放电路108甚至在当功率级开关218的开关被停用时的时段(t₂至t₃)期间被停用，并且当调光开关104被关断并且AC电源114与整流电路106断开时在位于或接近AC输入电压118的过零电压处被启用。

图4A至图4C示出了根据另一个实施方式的图2的LED灯系统100的示例波形。图4A和图4B分别相当于图3A和图3B。如所示出的，AC输入电压118包括AC输入电压118为0的第一部分402a以及AC输入电压118为非0的第二部分402b。第一部分和第二部分交替。图4C示出了由图2的LED灯系统100的泄放电路108提供的示例泄放电流波形。如图4C所示，泄放电路生成具有不同输出水平的泄放电流。在与AC输入电压118的第一部分402a对应的时段(t₀至t₁)期间，AC输入电压118的电压水平小于第一阈值V_TH1并且泄放电路被启用以提供泄放电流来使包括在整流电路中的电容器放电。当AC输入电压118的电压水平大于阈值V_TH2时，在时间t₁处启用驱动电路110。在AC输入电压118的电压水平为非0时的与AC输入电压118的第二部分402b对应的时段(t₁至t₃)期间，减少泄放电流。例如，如所示出的，在时段(t₁至t₂)期间，泄放电流电路110生成处于低水平的泄放电流以确保包括在调光开关104中的三端双向可控硅开关元件保持在导通状态同时功率级212切换循环被启用。基于调光开关104的保持电流阈值和通过LED串112的驱动电流来设置低水平的泄放电流。在时段(t₂至t₃)期间，泄放电流减少至近似0A并且驱动电路110停用切换循环。

通过阅读本公开内容，本领域的技术人员将理解存在使用自适应泄放电流控制来对LED灯的调光进行控制的另外的替选设计。因此，虽然示出并描述了本公开内容的具体实施方式和应用，但是应当理解，本公开内容不限于本文所公开的确切结构和部件，并且对本领域的技术人员而言明显的是在不偏离本公开内容的精神和范围的情况下可以在本文中所公开的公开内容的方法和装置的布置、操作和细节中进行各种修改、改变和变更。

Claims (9)

1.一种发光二极管灯，其特征在于包括：

发光二极管串，其包括一个或更多个发光二极管；

整流电路，被配置成接收交流输入电压并且生成与所述交流输入电压对应的整流电压，所述整流电压是指示调光水平的切相式交流输入电压；

泄放电路，被耦合至所述整流电路，并且被配置成响应于所述交流输入电压低于第一阈值电压而导通以提供第一电流水平的泄放电流，并且响应于所述交流输入电压超过第二阈值电压而将所述泄放电流降低至第二电流水平；以及

发光二极管驱动电路，被配置成根据基于所述整流电压的占空比来导通或关断功率级开关，以调节通过所述发光二极管串的驱动电流。

2.根据权利要求1所述的发光二极管灯，其特征在于：

所述交流输入电压包括所述交流输入电压为0的第一部分以及所述交流输入电压为非0的第二部分，所述第一部分与所述第二部分交替；并且

所述第一阈值电压和所述第二阈值电压被设置成使得所述泄放电路被配置成在所述交流输入电压的所述第一部分期间导通，并且在所述交流输入电压的所述第二部分期间关断。

3.根据权利要求1所述的发光二极管灯，其特征在于：

所述交流输入电压包括所述交流输入电压为0的第一部分以及所述交流输入电压为非0的第二部分，所述第一部分与所述第二部分交替；

所述发光二极管驱动电路被配置成在所述交流输入电压的所述第二部分的一部分期间根据基于所述整流电压的所述占空比来导通或关断所述功率级开关；

所述第一阈值电压被设置成使得所述泄放电路被配置成在所述交流电压的所述第一部分期间导通；

所述第二阈值电压被设置成使得所述泄放电路在所述交流电压的所述第二部分的所述一部分期间将所述泄放电流降低至所述第二电流水平；并且

所述泄放电路被配置成在所述交流电压的所述第二部分的剩余部分期间关断。

4.根据权利要求1所述的发光二极管灯，其特征在于，所述第一阈值电压小于所述第二阈值电压。

5.根据权利要求1所述的发光二极管灯，其特征在于，所述泄放电流流过在所述发光二极管串、所述整流电路和所述泄放电路外部的三端双向可控硅开关元件。

6.根据权利要求1所述的发光二极管灯，其特征在于，所述泄放电路包括：

第一开关，被配置成导通以提供所述泄放电流或者关断以停止所述泄放电流；以及

第一控制器，被配置成基于所述交流输入电压来生成第一控制信号以导通或关断所述第一开关。

7.根据权利要求6所述的发光二极管灯，其特征在于，所述发光二极管驱动电路包括：

功率级开关，被配置成导通以将所述整流电压连接至所述发光二极管驱动电路，以及关断以将所述整流电压与所述发光二极管驱动电路断开；以及

第二控制器，被配置成生成具有所述占空比的第二控制信号，所述功率级开关响应于所述第二控制信号根据所述占空比来导通或关断。

8.根据权利要求7所述的发光二极管灯，其特征在于，所述第一控制器和所述第二控制器被封装在集成电路中。

9.根据权利要求1所述的发光二极管灯，其特征在于，所述第二电流水平是根据所述占空比以及在所述发光二极管串、所述整流电路和所述泄放电路外部的三端双向可控硅开关元件确定的。