用于led負載的熱降額電源的制作方法

用于led負載的熱降額電源的制作方法
【專利摘要】本發明的各實施方式總體上涉及用于LED負載的熱降額電源。具體地，本文公開的實施方式描述了使用電源以向LED負載提供功率。該電源向LED提供當前輸出電流，并且接收表示LED的操作溫度的溫度信號。例如基于該溫度信號來確定目標輸出電流。確定輸出電流改變速率，并且電源以確定的改變速率調節至LED的輸出電流直到輸出電流基本上等于目標電流。
【專利說明】用于LED負載的熱降額電源
[0001]相關申請的交叉引用
[0002]本申請要求2012年7月10日提交的第61/670，077號美國臨時申請的權益，其全部內容通過引用并入本文。
【技術領域】
[0003]本文公開的實施方式總體上涉及一種電源，并且更具體地涉及一種配置為向基于發光二極管(“LED”)的負載提供熱降額輸出的電源。
【背景技術】
[0004]在許多家庭、公司和其它社會機構中，傳統的白熾照明正逐漸被節能的基于LED的照明方案所取代。為了維持穩定的LED光發射水平，電源向LED提供穩定的電流。LED可以被熱定額，以確定LED安全操作的最大溫度閾值(本文中為“安全閾值”)。換句話說,在安全閾值溫度以上操作LED可以導致LED的損壞。LED的溫度一般與流經LED的電流成比例。因此，為了減小在安全閾值以上操作的LED的溫度，可以減小經過LED的電流。
[0005]當被激勵時，常規的電源基本上立即向負載提供增大的和減小的電流。向LED提供電流的這種增大和減小可以引起光發射的立即增大和減小、可見的光閃爍或其它照明偽影，導致不愉快的用戶體驗。因此，需要提供并且控制向LED負載的電流供給使得在使不期望的照明偽影最小化的同時可以減小在溫度閾值以上操作的LED中的溫度。

【發明內容】

[0006]本文公開的實施方式描述了一種配置為向LED負載提供功率的電源。該電源可以以使照明偽影(比如閃爍或光發射中立即/可見的改變)最小化的方式調節提供至LED的輸出電流。在一些實施方式中，該電源可以線性地或逐漸地改變輸出電流，盡可能地減少光發射的顯著改變。
[0007]電源可以配置為檢測LED的過溫狀態并且作為回應調節至LED的輸出電流。在一個實施方式中，電源接收表示LED的操作溫度的溫度信號。作為回應，電源可以確定用于提供至LED的目標輸出電流以便減輕過溫狀態。此外，電源可以確定輸出電流的改變速率，且可以以確定的改變速率調節輸出電流，直到輸出電流基本上等于目標電流。
[0008]可以選擇所確定的輸出電流改變速率使得輸出電流被足夠快速地減小以減小LED的操作溫度來避免損壞LED。類似地，可以選擇所確定的輸出電流改變速率使得輸出電流被足夠緩慢地調節以減小光發射的立即或顯著的改變。可以在增加輸出電流時選擇在不同于減小輸出電流時的改變速率。可以將改變速率預先編程進電源或者可以由電源的用戶輸入。
[0009]說明書中描述的特征和優點并非包括一切的，并且尤其是，基于附圖和說明書，許多附加的特征和優點對本領域技術人員將是明顯的。此外，應當指出的是，說明書中使用的語言主要為了可讀性和指導性的目的而被選擇，而并非被選擇用于劃定或限制本發明主 題。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0010]通過結合附圖考慮下列詳細描述，可以容易地理解本發明的實施方式的教導。
[0011]圖1是圖示出根據一個實施方式的實施了熱降額的開關電源的框圖；
[0012]圖2在時域中圖示出根據一個實施方式的圖1的開關電源中溫度降額的示例；
[0013]圖3是圖示出根據一個實施方式的實施了具有線性照明輸出特性的熱降額的開關電源的框圖；
[0014]圖4在時域中圖示出根據一個實施方式的圖3的開關電源中具有線性照明輸出特性的溫度降額的第一示例；
[0015]圖5在時域中圖示出根據一個實施方式的圖3的開關電源中具有線性照明輸出特性的溫度降額的第二示例；
[0016]圖6是圖示出根據一個實施方式的耦合至LED負載的隔離開關電源驅動器電路的框圖；
[0017]圖7是圖示出根據一個實施方式的耦合至LED負載的非隔離開關電源驅動器電路的框圖。
【具體實施方式】
[0018]附圖和下列描述僅以說明的方式涉及各種實施方式。應當指出的是，根據下列討論，本文所公開的結構和方法的替換實施方式將容易被認為是可以在不背離本文所討論的原理的情況下被采用的可行替換方式。
[0019]現在將詳細地參考若干實施方式，其示例圖示在附圖中。注意到，只要可行，可以在附圖中使用相似或相同的附圖標記，并且這些附圖標記可以指示相似或相同的功能。附圖僅出于說明目的描繪了各種實施方式。本領域技術人員根據下列描述將容易認識到，可以在不背離本文所描述的原理的情況下采用本文舉例說明的結構和方法的替換實施方式。
[0020]脈沖寬度調制和脈沖頻率調制在電源內被用來調整功率輸出。這種調整包括恒定電壓輸出調整和恒定電流輸出調整。電源可以包括用于從功率源向負載傳送電功率的功率級；功率級可以包括開關和用于控制開關的接通時間和斷開時間的開關控制器。開關的接通時間和斷開時間可以由該控制器基于表示輸出功率、輸出電壓或輸出電流的反饋信號來驅動。
[0021]除了調整功率輸出之外，開關電源可以防范各種故障狀態。一種這樣的故障狀態是在安全閾值溫度之上操作LED負載(“過溫”狀態)。其它故障狀態包括短路、過壓以及過流。當檢測到故障狀態時，電源可以禁用或調節電源的輸出直到故障狀態被糾正。在檢測到LED過溫故障狀態的實施方式中，電源可以切換工作模式以調節提供至LED負載的電流。
[0022]應當指出的是，盡管本文所描述的電源的實施方式限定于向LED負載提供功率，但是在其它的實施方式中，電源可以耦合至其它類型的負載，比如揚聲器、擴音器等。還應當指出的是，盡管本文將各種組件和信號描述為模擬的或數字的，但是本文所描述的原理和功能不限定于或依賴于任何一個。因此，數字組件和數字信號可以取代本文被描述為模擬的的信號和組件，反之亦然。
[0023]圖1是圖示出根據一個實施方式的實施了熱降額的開關電源的框圖。圖1的電源100耦合至溫度傳感器101和LED負載107。電源包括模數轉換器(“ADC”) 102、過溫保護(“0ΤΡ”)電路104以及驅動電路105。電源接收輸入電壓VIN(比如整流過的AC電壓)以及來自溫度傳感器的溫度信號，并且基于輸入電壓和溫度信號向LED提供電流。
[0024]溫度傳感器101例如可以是配置為產生表示溫度(比如LED107的溫度)的溫度信號的負溫度系數電阻器(“NTC”)。圖1的實施方式的溫度信號包括表示LED溫度的跨溫度傳感器的壓降。可替換地，溫度傳感器可以是配置為產生表示LED溫度的信號的任何其它傳感器。在一個實施方式中，溫度傳感器被置于LED附近以便檢測LED的溫度。
[0025]ADC102接收輸入電壓Vin和來自溫度傳感器101的溫度信號。ADC產生表示來自溫度傳感器101的溫度信號的數字溫度信號。盡管本文說明書的剩余部分將描述實施2比特ADC的電源的實施方式，但是ADC可以具有任意分辨率。
[0026]OTP電路104接收來自ADC102的數字溫度信號，并且部分基于接收到的數字溫度信號來確定輸出電流106以經由驅動器電路105提供至LED107。OTP電路可以配置為基于將輸出電流與接收到的數字溫度信號值相關聯的一個或更多預先確定的電流設置來確定或選擇輸出電流。在一個實施方式中，OTP電路對于較低的數字溫度信號選擇較高的輸出電流，反之亦然。應當指出的是，除了基于接收到的數字溫度信號來確定輸出電流之外，OTP電路還可以基于例如來自用戶的所要求的光輸出水平來選擇輸出電流。在這種實施方式中，如果用戶要求較高的光發射量，那么OTP電路可以確定較高的輸出電流，反之亦然。
[0027]驅動器電路105可以包括耦合至輸入電源的開關以及配置為驅動開關的開關控制器，使得所確定的輸出電流106從輸入電源提供至LED107。LED接收來自驅動器電路的輸出電流并且基于輸出電流發光。
[0028]在LED107處的溫度改變可以導致由溫度傳感器101所產生的不同的溫度信號、由ADC102所產生的關聯的不同的數字溫度信號以及關聯的不同的輸出電流106。因此，在LED處的溫度的增加可以導致至LED的輸出電流的減小以及由LED發射的光的關聯的減小。在圖1的實施方式中，OTP電路104響應于數字溫度信號的改變而將輸出電流改變為階梯函數。低分辨率ADC比高分辨率ADC在整個降額包絡中將導致較大的輸出電流階躍變化(以及關聯的光發射的較大可察覺改變)。因此，雖然高分辨率ADC —般比低分辨率ADC更昂貴，但是高分辨率ADC可以導致LED的光發射的較小可察覺改變。
[0029]圖2在時域中圖示出根據一個實施方式的圖1的開關電源中溫度降額的示例。在時間T1之前，由溫度傳感器101檢測到的LED107處的溫度導致由ADC102產生數字溫度信號“11”。作為回應，OTP電路104產生Id的輸出電流106。
[0030]在時間T1, LED107處的溫度升高反映在數字溫度信號103從“11”到“01”的改變中。作為回應，OTP電路104將輸出電流106從Id向下階躍至IB。在時間T2，LED處的溫度降低反映在數字溫度信號從“01”到“10”的改變中。作為回應，OTP電路將輸出電流從Ib向上階躍至I。。在時間T3，LED處的溫度升高反映在數字溫度信號從“10”到“00”的改變中。作為回應，OTP電路將輸出電流從I。向下階躍至IA。
[0031]對輸出電流106的每個階躍調節導致來自LED107的光強度的立即改變。在基于LED的照明應用中，大到足以被用戶注意到的照明強度的立即改變是不期望的。因此，雖然使用低分辨率ADC可以減少電源系統成本，但是這種電源可以導致閃爍和其它不期望的照明偽影。
[0032]圖3是圖示出根據一個實施方式的實施了具有線性照明輸出特性的熱降額的開關電源的框圖。圖3的電源300耦合至溫度傳感器301和LED負載310。電源包括ADC302、OTP電路304、速率控制器306以及驅動器電路308。電源接收輸入電壓VIN(比如整流過的AC電壓)以及來自溫度傳感器的溫度信號，并且基于溫度信號向LED提供電流。
[0033]在一些實施方式中，溫度傳感器301、ADC302、OTP電路304、驅動器電路308以及LED310分別相當于溫度傳感器101、ADC102、0TP電路104、驅動器電路105以及LED107。應當指出的是，在本文未進一步描述的其它實施方式中，圖3的實施方式可以包括與本文所描述的組件相比不同的、更少的或附加的組件。
[0034]溫度傳感器301配置為向ADC302提供表示LED310的溫度的溫度信號。作為回應，ADC向OTP電路304提供數字溫度信號303，該數字溫度信號303基于來自溫度傳感器的溫度信號。OTP電路接收來自ADC的數字溫度信號，并且確定或選擇用于LED的目標輸出電流305。OTP電路向速率控制器306提供目標輸出電流。
[0035]速率控制器306配置為接收來自OTP電路304的目標輸出電流305，以及確定或選擇從當前的輸出電流309到目標輸出電流的輸出電流改變速率307 (下稱“改變速率”)。速率控制器可以向驅動器電路308提供選擇的改變速率。改變速率可以包括每個時間間隔的輸出電流的改變(△ I/ △ t)。驅動器電路可以接收來自速率控制器的選擇的改變速率和來自OTP電路的目標電流，以及可以以接收到的改變速率調節當前的輸出電流，直到當前的輸出電流等于目標電流。
[0036]在一些實施方式中，速率控制器306接收表示當前輸出電流309的輸出電流反饋信號，并且基于目標輸出電流305和當前輸出電流來選擇改變速率。在這種實施方式中，速率控制器可以基于當前輸出電流、目標輸出電流以及選擇的改變速率來確定輸出電流。例如，如果當前輸出電流是500mA，如果目標輸出電流是300mA，以及如果選擇的改變速率是IOmA/秒，那么速率控制器可以指示驅動器電路308產生開始于500mA并且以每半秒5mA線性地減小持續20秒直到輸出電流為300mA的輸出電流。
[0037]由速率控制器306提供的改變速率307可以是最大改變速率，并且驅動器電路308可以以等于或小于最大改變速率的速率增大或減小輸出電流。可替換地，由速率控制器提供的改變速率可以是最小改變速率，并且驅動器電路可以以等于或大于最小改變速率的速率增大或減小輸出電流。在一些實施方式中，由速率控制器提供的改變速率是目標改變速率，并且驅動器電路可以以目標改變速率的預定閾值之內的改變速率來增大或減小輸出電流。
[0038]由速率控制器306提供的改變速率307可以基于目標電流305是大于還是小于當前輸出電流309而不同。例如，如果目標電流大于當前輸出電流，那么速率控制器可以提供用于增大當前輸出電流的第一改變速率。繼續這個示例，如果目標電流小于當前輸出電流，那么速率控制器可以提供用于減小當前輸出電流的第二改變速率。在這個示例中，第一改變速率可以與第二改變速率不相同。
[0039]由速率控制器306提供的改變速率307可以基于檢測到的過溫狀態。例如，如果OTP電路304確定LED310的溫度太高，那么速率控制器306可以基于LED的溫度多高、LED的溫度需要多快地降低、在以當前的LED溫度操作的情況下多久LED將損壞等而提供改變速率307。
[0040]在某些實施方式中，由速率控制器306提供的改變速率307可以是非線性的或非恒定的。例如，當驅動器電路308開始調節輸出電流309時，改變速率在短期內可以較大，而隨著輸出電流接近目標電流305，改變速率可以較小。
[0041]速率控制器306可以存儲預定的改變速率，例如將特定的改變速率與接收到的目標電流和/或與當前輸出電流相關聯。預定改變速率還可以將特定的改變速率與LED溫度、LED光發射或與關聯于電源300的任何其它操作參數相關聯。在一些實施方式中，速率控制器可以接收指定改變速率、期望的LED光發射等的電源用戶輸入311。在這樣的實施方式中，速率控制器可以基于接收到的用戶輸入向驅動器電路308提供改變速率307。
[0042]圖4在時域中圖示出根據一個實施方式的圖3的開關電源中具有線性照明輸出特性的溫度降額的第一示例。在時間T1之前，由電源300向LED310提供的輸出電流309是ID。在時間T1,由溫度傳感器301檢測到的LED處的溫度導致由ADC302產生數字溫度信號“01”。作為回應，OTP電路304提供Ib的目標輸出電流305。類似地，在時間T2,由溫度傳感器檢測到的LED處的溫度導致由ADC產生數字溫度信號“ 10”，并且OTP電路提供I。的目標輸出電流。在時間T3,由溫度傳感器檢測到的LED處的溫度導致由ADC產生數字溫度信號“00”，并且OTP電路提供Id的目標輸出電流。
[0043]響應于接收與當前輸出電流309不同的目標輸出電流&、1。和Ia，速率控制器306確定輸出電流改變速率307以提供至驅動器電路308。在圖4的實施方式中，對于每個接收到的不同于當前輸出電流的目標輸出電流，確定的改變速率是AI/At。因此，在時間T1,驅動器電路接收改變速率Λ I/At，并且以速率Λ I/At將輸出電流從Id減小至ΙΒ。類似地，在時間T2，驅動器電路接收改變速率Λ I/At，并且以速率Λ I/At將輸出電流從Ib增大至I。。最后，在時間T3，驅動器電路接收改變速率Λ I/At，并且以速率Λ I/At將輸出電流從Ic減小至ΙΑ。
[0044]圖5在時域中圖示出根據一個實施方式的圖3的開關電源中具有線性照明輸出特性的溫度降額的第二示例。在圖5的實施方式中，速率控制器306確定用于接收到的低于當前輸出電流309的目標輸出電流305的第一改變速率307，以及確定用于接收到的大于當前輸出電流的目標輸出電流的第二改變速率。
[0045]在時間T1，速率控制器306接收Ib的目標輸出電流305，確定目標輸出電流低于Id的當前輸出電流309，以及向驅動器電路308提供dIDQWN/dt的第一改變速率308。作為回應，驅動器電路以dl_/dt的速率從Id減小輸出電流。在時間T2，速率控制器接收I。的目標輸出電流，確定目標輸出電流大于當前輸出電流，以及向驅動器電路提供dlup/dt的第二改變速率(不同于第一改變速率dIMWN/dt)。注意到，改變速率dID_/dt是這樣的:在時間T2，輸出電流已經減小至Ie，但還沒有一直減小至先前Ib的目標輸出電流。響應于接收改變速率dlup/dt，驅動器電路以速率dlup/dt在時間T2從Ie的當前輸出電流增大輸出電流，直到當前輸出電流等于Ic的目標輸出電流。在時間T3，速率控制器接收Ia的目標輸出電流，確定目標輸出電流小于當前輸出電流，以及向驅動器電路提供第一改變速率dID_/dt。作為回應，驅動器電路以dl_/dt的速率將輸出電流從Ic減小至IA。
[0046]圖6是圖示出根據一個實施方式的耦合至LED310的隔離開關電源驅動器電路308的框圖。在一個實施方式中，圖6的驅動器電路是圖3的驅動器電路308。驅動器電路包括開關控制器600、開關610、變壓器T1、二極管D1以及電容器Q。驅動器電路接收輸入電壓Vin和輸出電流改變速率307，以及產生用于LED的輸出電流309。
[0047]開關控制器600 (至少)基于改變速率307并且例如使用如上所述的脈沖寬度調制或脈沖頻率調制來控制開關610的接通狀態和斷開狀態。當開關接通時，能量存儲在變壓器T1的初級繞組中，這導致跨變壓器的次級繞組的負電壓，反向偏置二極管Dp因此，電容器C1向LED310提供輸出電流309。當開關斷開時，存儲在變壓器T1的初級繞組中的能量轉移至T1的次級繞組，正向偏置二極管Dp在二極管D1被正向偏置的情況下，變壓器T1的次級繞組可以向LED提供輸出電流，并且可以向電容器C1轉移能量以用于存儲。
[0048]圖7是圖示出根據一個實施方式的耦合至LED310的非隔離開關電源驅動器電路308的框圖。在一個實施方式中，圖7的驅動器電路是圖3的驅動器電路308。與圖6的實施方式的驅動器電路相似，圖7的驅動器電路包括開關控制器600和開關610，接收輸入電壓Vin和輸出電流改變速率307，以及產生用于LED的輸出電流309。
[0049]圖7的驅動器電路308還包括耦合至開關610、電容器C1和二極管D1的電感器L1。開關控制器600至少基于接收到的改變速率307來接通和斷開開關。當開關接通時，能量存儲在電感器L1中，并且二極管D1被反向偏置。在此期間，輸出電流309由電容器C1提供至LED310。當開關斷開時，二極管D1變成正向偏置，并且存儲在電感器L1中的能量作為輸出電流轉移至LED以及轉移至電容器C1用于存儲。
[0050]在閱讀本公開內容之后，本領域技術人員將意識到還有對于基于兩個電感器的AC-DC離線功率控制器的另外的替換設計。因此，盡管圖示和描述了特定的實施方式和應用，但要理解的是，本文所討論的實施方式不限于本文所公開的精確結構和組件，并且可以在本文所公開的方法和裝置的布置、操作和細節方面作出對于本領域技術人員而言將是顯而易見的各種修改、改變和變化而不背離本公開內容的精神和范圍。
【權利要求】
1.一種電源,包括: 模數轉換器(“ADC”)，配置為: 接收表示發光二極管(“LED”)的溫度的溫度信號；以及 基于接收到的溫度信號產生數字溫度信號； 過溫保護(“OTP”)電路，配置為: 接收所述數字溫度信號； 基于接收到的數字溫度信號檢測LED過溫狀態；以及 基于檢測到的LED過溫狀態生成用于所述LED的目標輸出電流； 速率控制器，配置為: 接收所述目標輸出電流；以及 基于接收到的目標輸出電流選擇改變速率；以及 驅動器電路，配置為: 向所述LED提供所述輸出電流； 接收所述改變速率；以及 基于接收到的改變速率調節提供的輸出電流，直到所述輸出電流基本上等于所述目標輸出電流。
2.根據權利要求1所述的電源，其中從負溫度系數電阻器接收所述溫度信號。
3.根據權利要求1所述的電源，其中所述ADC包括2比特ADC。
4.根據權利要求1所述的電源，其中所述LED過溫狀態包括在預定安全操作閾值之上的溫度操作所述LED。
5.根據權利要求1所述的電源，其中所述目標輸出電流小于當前輸出電流。
6.根據權利要求1所述的電源，其中所述改變速率包括最大改變速率，并且其中基于所述接收到的改變速率調節所述提供的輸出電流包括以等于或小于所述改變速率的速率調節所述提供的輸出電流。
7.根據權利要求1所述的電源，其中所述改變速率包括最小改變速率，并且其中基于所述接收到的改變速率調節所述提供的輸出電流包括以等于或大于所述改變速率的速率調節所述提供的輸出電流。
8.根據權利要求1所述的電源，其中選擇所述改變速率使得所述過溫狀態在以所述改變速率調節所述提供的輸出電流后在預定的時間間隔內得以糾正。
9.根據權利要求1所述的電源，其中選擇所述改變速率使得當以所述改變速率調節所述提供的輸出電流時使照明偽影最小化。
10.一種電源,包括: ADC，配置為生成表示LED的溫度的數字溫度信號； OTP電路，配置為基于所述數字溫度信號產生目標輸出電流； 速率控制器，配置為基于產生的目標輸出電流選擇輸出電流改變速率；以及驅動器電路，配置為產生用于所述LED的輸出電流，以及基于所述改變速率調節所述輸出電流。
11.根據權利要求10所述的電源，其中所述改變速率包括最大改變速率，并且其中基于所述改變速率調節所述輸出電流包括以等于或小于所述改變速率的速率調節產生的輸出電流。
12.根據權利要求10所述的電源，其中所述改變速率包括最小改變速率，并且其中基于所述改變速率調節所述輸出電流包括以等于或大于所述改變速率的速率調節所述產生的輸出電流。
13.根據權利要求10所述的電源，其中如果所述目標輸出電流大于當前輸出電流則選擇第一改變速率，并且其中如果所述目標輸出電流小于當前輸出電流則選擇第二改變速率。
14.根據權利要求13所述的電源，其中所述第一改變速率不同于所述第二改變速率。
15.一種向LED提供功率的方法，包括: 基于所述LED的溫度檢測所述LED處的過溫狀態； 基于檢測到的過溫狀態確定用于所述LED的目標輸出電流； 基于確定的目標輸出電流選擇輸出電流改變速率；以及 基于選擇的輸出電流改變速率調節提供至所述LED的輸出電流。
16.根據權利要求15所述的方法，其中檢測所述LED處的過溫狀態包括檢測所述LED的在所述LED的預定安全操作閾值之上的溫度。
17.根據權利要求15所 述的方法，其中確定用于所述LED的目標輸出電流包括確定小于至所述LED的當前輸出電流的目標輸出電流。
18.根據權利要求15所述的方法，其中選擇所述輸出電流改變速率，使得所述過溫狀態在基于所述改變速率調節所述提供至所述LED的輸出電流后在預定的時間間隔內得以糾正。
19.根據權利要求15所述的方法，其中選擇所述輸出電流改變速率，使得在基于所述改變速率調節所述提供至所述LED的輸出電流后使照明偽影最小化。
20.一種向LED提供功率的方法，包括: 向所述LED提供第一輸出電流； 基于檢測到的所述LED的溫度確定用于LED的第二輸出電流； 基于所述第一輸出電流和所述第二輸出電流選擇輸出電流改變速率；以及以選擇的輸出電流改變速率調節提供至所述LED的第一輸出電流直到提供的第一輸出電流等于所述第二輸出電流。
【文檔編號】H02M3/10GK103546030SQ201310291630
【公開日】2014年1月29日 申請日期:2013年7月9日 優先權日:2012年7月10日
【發明者】史富強, 沙璆, 高小林, 陳國雄 申請人:艾沃特有限公司