發光元件控制系統及包含該系統的照明系統的制作方法

專利名稱：發光元件控制系統及包含該系統的照明系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及照明系統領域，尤其涉及一種發光元件控制系統及包含該 系統的照明系統。
背景技術：
發光二極管(LED)能有效地將電能轉化為光。然而，由雖然不同 但是標稱相同的LED在同樣的運行條件下所發射光的特性可能由于許多 不同因素而變化，所述因素可能由例如裝置制造和裝置裝配中的變化引 起。這些變化可能超過由那些LED照明應用所強加的要求，所述LED 照明應用可能要求從兩個或多個LED所發射的光更加精密地匹配。這對 于在其中不希望使用變化輸出強度的LED的空間擴展型光源可能尤其重 要。盡管可能，但是對個體標稱相同的LED進行精密裝箱或匹配，可能 使很多基于LED普通用途的照明系統基本上是高成本的。
美國專利No.4，743，897中描述了可用來減輕標稱相同的LED中光發 射特性的變化影響的另 一種解決方案，所述解決方案描述了包括用于向多 個串聯連接LED產生恒定驅動電流的電流源、用于選擇性啟動和禁止 LED中預定一個的電路，以及用于在沒有啟動一個LED的情況下禁止電 流源的另一個電路的LED驅動電路。雖然LED驅動電路設計簡單且成 本低，并且特征在于，與其他解決方案相比功耗較低，但是這種LED驅 動電路的能量效率和運行特性可能是受限制的。
因此，需要一種新的發光元件控制系統及包含該控制系統的照明系 統，上述系統克服了已知系統的某些缺點。
提供這些背景信息，以揭示申請人認為可能與本發明有關的信息。并 不必然承認，也不能理解為任何前述技術構成違背本發明的現有技術。

發明內容
本發明的目的是提供一種發光元件控制系統及包含該系統的照明系 統。依據本發明的一方面，提供了一種發光元件控制系統，該系統包含 兩個或多個LEE單元的串聯連接，每個LEE單元包含一個或多個LEE 和配置用于根據各自單元觸發控制信號控制其觸發的單元觸發模塊；與每 個所述單元觸發模塊操作性耦合并配置用于產生每個所述各自單元觸發控制信號的控制模塊；以及與所述LEE單元的串聯連接操作性耦合的轉 換模塊，所述轉換模塊適用于與電源連接并配置用于為所述LEE單元提 供驅動電流。
依據本發明的另一方面，提供了一種照明系統，該照明系統包含串 聯連接的兩個或多個LEE單元，每個LEE單元包含一個或多個LEE和 配置用于根據各自單元觸發控制信號控制其觸發的單元觸發模塊；與每個 所述單元觸發模塊操作性耦合并配置用于產生每個所述各自單元觸發控 制信號的控制模塊；以及與所述LEE單元操作性耦合的轉換模塊，所述 轉換模塊適用于與電源連接并配置用于為所述LEE單元提供驅動電流。


圖1是描述依據本發明一個實施例的發光元件控制系統的框圖。 圖2是描述依據本發明一個實施例的包含電流反饋控制的發光元件 控制系統的框圖。
圖3是描述依據本發明一個實施例的包含光學和電流反饋控制的發 光元件控制系統的框圖。
圖4是描述依據本發明一個實施例的包含電流反饋控制的發光元件 控制系統的框圖。
圖5示意性地圖示依據本發明不同實施例的控制信號時序圖。
圖6是依據本發明一個實施例的單元觸發控制模塊的示意圖。
圖7是依據本發明另一個實施例的單元觸發控制模塊的示意圖。
具體實施例方式
限定
術語"發光元件"(LEE)用來限定例如通過在其兩端施加電勢差或 其通過電流來觸發時，在例如可見光區域、紅外和/或紫外區域等的電磁 光語中的一個區域或幾個區域結合中發射,光的裝置。因而，發光元件可以 具有單色、準單色、多色或寬帶光鐠發射特性。發光元件的實例包括半導 體、有機物、或聚合物/聚合體發光二極管，光泵浦磷涂層發光二極管， 光泵浦納晶發光二極管或如本領域技術人員易于理解的其他類似裝置。進 一步地，術語發光元件用來限定例如LED芯片等的發射輻射光的特定裝 置，且同樣可以用來限定發射輻射光的特定裝置及在其內部放置特定裝置 或者裝置組的外殼或封裝的組合。
術語"運行特性"用來限定描述LEE單元和/或其中的LEE運行的特性。這種特性可以包括電學的、熱的和/或光學的特性，在某些情況下，
從一個LEE到另一個LEE，或從一個LEE單元到另一個LEE單元，甚 至運行標稱相同的LEE的上述特性可能不同。運行特性的實例可以包括 但不限于LEE單元和/或其中的一個或多個LEE的光語功率分布、彩色 再現指數、顏色品質、色溫、色度、發光功效、運行溫度、帶寬、相對輸 出強度、峰值強度、峰值波長，和/或如本領域一般技術人員所理解的其 他這種特性。
術語"協同關系(co-operative relationship )"用來限定LEE單元和 /或其中的LEE之間的關系，當依據該關系運行時，所述LEE單元和/或 其中的LEE能提供理想輸出。例如，協同關系可以基于由LEE單元的組 合輸出所提供的理想輸出來限定，所述理想輸出可以包括但不限于組合光 語功率分布、彩色再現指數、色彩品質、色溫、色度、或者類似特征，或 還由每個LEE單元基本上相同或類似的輸出來提供，而不考慮如上所限 定的不同LEE單元(每個LEE單元包含一組標稱相同的一個或者多個 LEE)運行特性中可能的變化和/或差異。
如此處所使用的，術語"大約"指得是與標稱值+/-10%的變化。需 要理解的是，無論是否特別指出，上述變化通常包括在此處所提供的任何 給定值內。
除非另有限定，此處所使用的所有技術和科學術語與本發明所屬領域 通常理解的意義具有相同的意義。
本發明提供一種發光元件(LEE)控制系統，所述系統可用來例如控制 基于LEE的照明系統中的一個或多個LEE單元的單個、組合和/或相對 輸出，和/或減輕這種系統中的LEE單元和/或其中的LEE運行特性中的 變化的影響。例如，控制系統可以用在基于LEE的照明系統中，以減輕 系統LEE的標稱光發射特性的變化的影響，控制基于LEE的照明系統的 亮度，控制和/或改善基于LEE的照明系統的光譜輸出特性(例如，彩色 再現指數、色彩品質、色度、色溫、光譜功率分布、等)，控制和/或改善 基于LEE的照明系統的驅動特性(例如，功耗、電源要求、發光效能、
等)，和/或如本領域一般技術人員在閱讀隨后說明性實施例的描述后所易 于理解的其他這種用途。
特別地，依據本發明一個實施例的發光元件控制系統包含兩個或多 個LEE單元的串聯連接，每個LEE單元包含一個或多個LEE以及配置用于根據各自單元觸發信號控制其觸發的單元觸發模塊。例如，與給定
LEE單元相關聯的觸發模塊通常設置用于根據單元觸發控制信號可控地 觸發(activate)和/或停用(deactivate)那個單元中的一個或多個LEE。 系統進一步包含與每個單元觸發模塊操作性耦合并配置用于基于每 個LEE單元之間和/或其中的LEE之間的協同關系產生每個各自單元觸 發控制信號的控制模塊，所述控制模塊可以預設、測試和/或適應性限定， 以提供例如理想的協同輸出。這種關系可以是基于(例如且如上所限定的) 理想協同輸出，所述理想協同輸出由LEE單元的組合輸出來提供，或也 由每個LEE單元基本上相同或類似的輸出來提供，而不管不同LEE單元 (每個LEE單元包含一組標稱相同的一個或多個LEE)運行特性中可能的 變化和/或差異。
在一個實施例中，控制模塊配置用于為每個觸發模塊確定和提供單元 觸發控制信號，這些信號基于例如每個LEE單元或其中的一個或多個 LEE的相對運行特性，以相互依存的方式來確定，因而提供了補償這些 運行特性變化的途徑。提供這種補償，例如便于保證來自所有LEE單元 的光輸出的理想水平，或者還便于保證取決于不同LEE單元相對貢獻的 理想色彩平衡。
轉換模塊設置成與串聯連接操作性耦合,且適用于與電源連接以及配 置用于為LEE單元提供驅動電流。
參考圖1，依據本發明的一個實施例，控制系統IO描述為包含N個 LEE單元，例如，單元12，每個LEE單元包含與控制模塊16操作性耦 合的觸發模塊14，所述控制模塊16配置用于為觸發模塊14提供單元觸 發控制信號(虛線)，每個觸發模塊14還與一個或多個各自的LEE18操 作性耦合，以根據單元觸發控制信號控制其觸發和/或停用。系統還包含 適于與電源22操作性耦合的轉換模塊20,用于為LEE單元12提供驅動 電流。
參考圖2，依據本發明的另一個實施例，發光元件控制系統110又描 述為包含N個LEE單元，例如，單元112,每個LEE單元包含與控制模 塊116操作性耦合的觸發模塊114，所述控制模塊116配置用于為觸發模 塊114提供單元觸發控制信號(虛線)，每個觸發模塊114與一個或多個 各自的LEE 118操作性耦合，以根據單元觸發控制信號控制其觸發和/或 停用。系統還包含適于與電源122操作性耦合的轉換模塊120，用于為LEE單元112提供驅動電流。在本實施例中，系統110還包含任意的反 饋系統，所述反饋系統能提供用于控制供給LEE單元112串聯連接的驅 動電流的手段。例如，反饋系統可以包含驅動電流感應模塊124和驅動電 流控制模塊(此處描述為集成控制模塊116的子部件，包含例如信號調節 機構)。 一般來說，驅動電流感應模塊124可以配置用于探測供給LEE單 元112串聯連接的驅動電流和將其信號指示(點劃線)傳遞到控制模塊 116的信號調節機構。因而，控制模塊116可以為轉換模塊120提供驅動 電流控制信號(點劃線)，從而能在運行過程中對供給LEE單元122串聯 連接的驅動電流進行適應性控制。需要理解的是，可以提供截然不同的驅 動電流控制模塊，而不是此處所描述的集成控制模塊，不脫離本發明公開 的一般范圍和本質。
參考圖3，依據本發明的另一個實施例，發光元件控制系統210又描 述為包含N個LEE單元，例如，單元212,每個LEE單元包含與控制模 塊216操作性耦合的觸發模塊214，所述控制模塊216配置用于為觸發模 塊214提供單元觸發控制信號(虛線)，每個觸發模塊214與一個或多個 各自的LEE 218操作性耦合，以根據單元觸發控制信號控制其觸發和/或 停用。系統還包含適于與電源222操作性耦合的轉換模塊220，用于為 LEE單元212提供驅動電流。在本實施例中，發光元件控制系統210還 包含任意的反饋系統，所述反饋系統能提供用于控制供給LEE單元112 串聯連接的驅動電流及其光學輸出的途徑。在本實施例中，反饋系統還包 括驅動電流感應模塊224和驅動電流控制模塊(此處描述為集成控制模塊 216的子部件)。反饋系統還包含適于感知一個或多個LEE單元或其中的 一個或多個LEE的光學輸出的光學感應模塊226。光學感應模塊還與光 學輸出控制模塊(此處描述為集成控制模塊216相同的或截然不同的子部 件嫌作性耦合，以向光學輸出控制模塊傳遞表示所感知光輸出的信號(雙 點劃線)。光學輸出控制模塊與觸發模塊214操作性耦合，用于根據感應 模塊信號控制觸發模塊，且改變與觸發模塊操作性耦合的LEE的光學輸 出。按照這種方式，在運行過程中，供給LEE單元212串聯連接的驅動 電流和提供用于控制LEE218輸出的單元觸發控制信號可以適應性修改。 需要理解的是，可以提供截然不同的驅動電流控制模塊和/或光學輸出控 制模塊，而不是此處所描述的集成控制模塊，而不脫離本發明公開的一般 范圍和本質。還將理解的是，類似系統可以設計用來包括配置用于僅僅提供光學反饋的反饋系統。
還對于本領域的技術人員顯而易見的是，此處也可以考慮其他的反饋 機構，例如熱和/或其他這種運行反饋機構，而不脫離本發明公開的一般 范圍和本質。
LEE單元
依據本發明一個實施例的發光元件控制系統通常包含兩個或多個 LEE單元的串聯連接，每個LEE單元包含一個或多個LEE以及配置用于根 據各自單元觸發控制信號控制其觸發的單元觸發模塊。例如，與給定LEE 單元相關聯的觸發模塊通常配置用于根據單元觸發控制信號可控地觸發 和/或停用那個單元中的一個或者單個LEE。
在一個實施例中，觸發^f莫塊與一個或多個LEE (例如由圖4、 6和7 中的單元觸發模塊所示例性描述的)電氣并聯，所述LEE可以彼此串聯和 /或并聯。因而，在運行條件下單元觸發模塊可以在高阻抗配置和低阻抗 配置之間切換，其中，單元觸發模塊可以用來重復地停用特別LEE單元 中的一個或多個LEE。例如，特別LEE單元的停用通過觸發相應的單元觸 發模塊來設置，以便其為流過一個或多個LEE的電流提供低阻抗路徑。按 照這種方式，只要觸發其相應的單元觸發模塊，電流將在單元的一個或多 個LEE周圍旁路或分流。
在一個實施例中，LEE單元中的一個或多個LEE可以包含大約相同的 LEE，例如，具有大約相同的輸出-輸入特性的一個或多個藍色LEE。
在另一個實施例中，LEE單元可以包含在不同的組合、組和/或集中 的一種或幾種不同類型的LEE，例如，紅、藍和/或綠色LEE。
在另一個實施例中，LEE單元串聯連接中的不同LEE單元可以包含大 約相同的LEE或不同顏色的LEE。
在一個實施例中，與LEE單元串聯連接的每個LEE單元相關聯的觸發 模塊配置為同樣的裝置形式。然而，不同的觸發模塊可以與LEE單元串聯 連接的任意一個或多個LEE單元相關聯。
在一個實施例中，觸發模塊可以配置成雙極晶體管或場效應晶體管 (FET)，例如，以金屬氧化物場效應晶體管(M0SFET)為例。本領域的技 術人員易于理解可以用在LEE單元中的不同類型的觸發模塊。
在一些實施例中，每個觸發模塊包含場效應晶體管(FET)。在這些實 施例中，選擇N型和P型FET的組合可能是有益的。如果P-FET用于單元
10給定串聯連接開始處的LEE單元(例如，接近轉換器模塊)，且N-FET用 于串聯末端處的LEE單元(例如，靠近地)，選擇這種類型的觸發模塊可 以簡化所需的柵極驅動電路。然而，這種配置將要求觸發P-FET的信號 電平的極性與觸發N-FET的信號電平的極性相反。
正如本領域的技術人員所理解的，例如，所使用的特殊觸發;f莫塊以及 用來觸發所述觸發模塊的控制信號的電壓電平可以根據單元中的LEE數 量來適當地選定。
在一個實施例中，觸發模塊可以具有控制輸入端，所述控制輸入端可 以與控制模塊(例如，能夠提供脈沖寬度調制(PWM)或者脈沖編碼調制 (PCM)開關信號的單元觸發控制模塊)操作性連接。
在一個實施例中，觸發模塊配置用于在頻率足夠高以至于避免或限制 LEE中的非預期閃爍效應、熱應力和可聽噪聲時，能夠重復地開關LEE單 元。根據LEE單元中所使用的LEE的類型，開關頻率可以超過例如103HZ。
正如本領域的一般技術人員所理解的，在其多個LEE或其中的組、串 和/或集被獨立驅動和控制的典型系統中，每個LEE或其中的組、串和/ 或集需要其自身的轉換模塊，從而，這需要大量的部件并由此產生一定量 的功耗。然而，在本發明的不同實施例中，每個LEE或其中的組、集和/ 或串設置為包含其自身單元觸發模塊的LEE單元的一部分，每個單元串聯 連接，因而便于減少所需的轉換模塊的數量，從而降低功耗。因此，依據 某些實施例，可以改善所需部件的數量和成本以及系統的整個系統效率， 同時依然便于獨立控制多個LEE、 LEE群、LEE集和/或LEE串-即，在多 個LEE單元中。
正如本領域的技術人員所理解的，即使相同峰值的電流將在單元串聯 連接內部所觸發的每個LEE單元中流動，如前面所討論的那樣，通過對這 些被觸發單元的單元觸發模塊施加合適的觸發信號，在其中通過LEE的平 均電流可以控制至不同水平，從而提供理想的協同效應(co-operative effects )。
控制模塊
系統通常包含與每個單元觸發模塊操作性耦合并配置用于基于協同 關系產生每個各自單元觸發控制信號的控制模塊，所述協同關系可以在每 個LEE單元的一個或多個LEE之間預定、測試和適應性限定。例如，控制 模塊可以配置用于為每個觸發模塊確定和提供單元觸發控制信號，這些信號可以基于例如每個LEE單元的相對運行特性，以相互依存的方式確定， 因而提供一種用于補償這些運行特性變化的途徑和/或提供一種基于這些 特性在其輸出之間獲得理想平衡的途徑。
在一個實施例中，控制模塊配置用于產生一個或多個觸發控制信號， 其中，特別的觸發控制信號用來控制特別的LEE單元中的一個或多個LEE 的觸發。
控制模塊可以配置為具有中央處理單元(CPU)的計算元件或者孩i控 制器。控制模塊具有操作性耦合到其上、在此處統稱為存儲器的一個或多 個存儲媒介。控制模塊可以配置成包括存儲器。存儲器可以是易失的或永 久的計算機存儲器，例如RAM、 PR0M、 EPR0M和EEPR0M或其類似物。其中， 用于監控或控制與控制模塊耦合的裝置的控制程序(例如，軟件、微碼或 固件)由CPU存儲和執行。
在一個實施例中，控制模塊還提供將用戶指定的運行條件轉換成控制 信號從而控制與控制模塊耦合的裝置的途徑。控制模塊可以通過例如鍵 盤、觸墊、觸摸顯示屏、控制臺、視覺或聲音輸入裝置等的用戶界面或如 本領域技術人員眾所周知的其他用戶界面來接收用戶指定的命令。
可以配置控制模塊，以便其包含與每個LEE單元的光通量輸出相關的 數據。在本發明的一個實施例中，當LEE單元的光通量輸出預先設定時， 在制造過程中可以用光通量輸出數據預加載。在另一個實施例中，例如， 這種數據經由一個或多個反饋機構動態更新。
在本發明的另 一個實施例中，控制模塊配置用于校準制造后的該光通 量輸出數據。這可以通過例如使用外部光學感應裝置的裝置校準來實現或 可以用與控制模塊相關聯的光學感應器來實現。外部光學感應裝置或光學 感應器可以配置用于獨立探測每個LEE單元的輸出，從而提供確定關于每 個LEE單元的光通量輸出數據的途徑。
在本發明的一個實施例中，為了解決LEE單元之間的光通量輸出變 化，控制系統可以基于具有最低光通量輸出的LEE單元確定觸發控制信 號。控制模塊可以配置成用最低的光通量輸出、在全輸出時運行LEE單元， 以及在它們的部分光通量輸出時運行其它的LEE單元，其中，用于特別的 LEE單元的部分可以基于當前LEE單元光通量輸出相對于LEE單元的最寸氐 光通量輸出的比值確定。觸發控制信號產生的該形式可以提供一種用于減 輕例如一連串LEE單元光通量輸出變化的途徑。在本發明的另 一個實施例中，控制模塊可以配置用于基于根據包含依
據本發明LEE控制系統的照明系統的理想光輸出來確定觸發控制信號。用 于每個LEE單元的特定觸發控制信號可以以相互依存的方式確定，并且可 以基于所要求的照明系統輸出光的顏色以及LEE單元本身相關的光通量 輸出。
控制模塊可以配置用于基于脈沖寬度調制或脈沖編碼調制產生觸發 控制信號。觸發控制信號的其他形式對于本領域的技術人員是易于理解 的。
正如下面涉及包含光學反饋系統的控制系統實施例將要描述的，控制
模塊可以包含單個集成控制模塊、截然不同的控制模塊和/或其結合，所 述單個集成控制模塊包含例如單元觸發控制子部件、驅動電流控制子部
件、光輸出控制子部件和/或其他這些子部件。 轉換模塊
LEE控制系統進一步包含其輸入端適于與電源連接的轉換模塊。轉換 器模塊的輸出端可以與LEE單元的串聯連接相連接，為所述LEE單元的串 聯連接提供具有 一定輸出電壓的電能。
在一個實施例中，轉換器模塊可以包含AC-DC型或DC-DC型轉換器。 雖然轉換模塊可以是上述任何一種類型，但是利用AC以及DC輸入電壓可 以正常工作。
在一個實施例中，例如，轉換器模塊可以包含一個或多個通常的開關 模式，降壓式、升壓式、降壓-升壓式、回掃式(fly-back)以及升壓-降壓式(cuk)轉換器。還可以使用如本領域技術人員所易于理解的其他
形式的轉換器模塊，例如，變壓器和整流器組合。
選擇轉換器模塊可以基于例如輸出電壓的要求，這可能需要快速地改
變負載條件，同時維持基本恒定的輸出電流。例如，在每個單元的單元觸 發模塊與單元的LEE并聯，并且所給定單元的停用是通過在那個單元的 LEE周圍分流電流來實現的實施例中，特別電流的整串電壓改變將取決于 觸發/停用的單元數來顯現。這部分地是由于以下事實在該方案中單元 觸發模塊將具有很低的阻抗，且因而和觸發與其關聯的一個或者多個LEE 時相比，在其被觸發時其兩端上將有更低的壓降。因此，轉換器模塊應該 能夠補償電壓的快速改變，以便即使一個或多個單元在較高頻率處由他們 各自的單元觸發模塊停用，仍繼續提供相對恒定的電流。總的來說，在某些實施例中，轉換器模塊能調整電壓變化的速度限制了可以停用單元的頻 率。
在一個實施例中，對于快速調整電壓巨變的轉換器模塊的要求可以通 過包括在由特別觸發模塊所限定的分流路徑中的較高阻抗元件，以便大致
匹配與其相關聯的一個或多個LEE兩端的壓降來簡化。然而，這種配置在 停用所給定單元的過程中將消耗更多的能量，因而可以認為效率較低。
在另 一個實施例中，單元觸發模塊按線性模式運行而不是飽和模式， 因而其具有更高的阻抗，這也可以大約匹配單元兩端的壓降。此外，這種
配置可以在停用一個或多個LEE時消耗更多的能量，因而可以認為效率較 低。
在另一個實施例中，選定轉換器模塊使其能快速調節其輸出電壓，從 而使其能基本維持恒定電流，同時使觸發模塊能夠驅動到飽和狀態，這在 每個單元的一個或多個LEE周圍分流電流時，引起高效率。例如，具有小 輸出電容的遲滯降壓(hysteretic buck)轉換器可以用作轉換模塊，所 述轉換模塊通常能夠快速的響應輸出負載電壓的突然改變，并且在這一改 變之后能夠快速恢復和獲得緊密的調整。
在一個實施例中，轉換器模塊包含可以與反饋系統連接的控制輸入 端。例如在一個實施例中，轉換器模塊與驅動電流控制模塊或信號調節器 (例如，經由截然不同的或集成的控制模塊來設置)的輸出端連接。在這 種配置下，轉換器模塊可以依據在運行條件下其控制輸入端處所提供的驅 動電流信號的強度來調節輸出電壓，從而提供一種用于維持通過LEE單元
串聯連接的理想驅動電流的途徑。 任意的反饋系統
在本發明的一個實施例中，LEE控制系統還包含反饋系統，所述反饋 系統可以提供用于控制系統一個或多個運行特性的途徑。
例如，在一個實施例中，反饋系統設置用于基本上維持通過LEE單元 串聯連接(如見圖2-4、 6和7)的相對恒定的驅動電流。反饋系統可以 包含可以與LEE串聯連接操作性連接的驅動電流感應模塊。在運行條件 下，驅動電流感應模塊可以感知通過LEE串聯連接的驅動電流并提供指示 該電流的驅動電流信號。驅動電流感應模塊可以配置用于提供指示通過 LEE單元串聯連接的驅動電流測量的驅動電流信號。
在一個實施例中，例如，驅動電流感應模塊可以是配置為與一個或多
14個LEE單元串聯連接的歐姆電阻或霍爾探針的驅動電流感應器。可以提供 驅動電流理想探測的其他驅動電流感應器對于本領域技術人員是易于理
反饋系統還可以包含驅動電流控制模塊，例如配置為反饋回路的一部 分并與驅動電流感應裝置操作性連接的信號調節機構或類似物。信號調節 機構可以處理驅動電流信號并在其輸出端提供驅動電流控制信號，所述驅 動電流控制信號可以由轉換器模塊使用，以便于控制由此所產生的輸出電 壓。
在一個實施例中，信號調節機構是包含比例(P)、積分(I)和/或差分 (D)模擬或數字濾波元件的組合的信號調節器(signal conditioner )。數 字濾波可以要求可以集成到信號調節器中的附加模擬-數字或數字_模 擬轉換器。正如本領域一般技術人員所理解的，具有合適濾波特性的P、 I和D濾波元件的不同組合可以用來大大改善反饋回路的動態特性。
在一個實施例中，信號調節器用數字形式實現，其配置對于本領域的 技術人員易于理解。正如本領域技術人員所理解的，數字形式的信號調節 器可以在設計其輸入-輸出或濾波特性上具有較大的靈活性。
在一個實施例中，反饋系統可以配置用于實現在其中驅動電流可以維 持在預定P艮度內的反饋回路。正如本領域技術人員將理解的，這些限度可 能取決于作為反饋回路一部分的LEE控制系統部件的某些特性。
系統還可以或可替換地包含光學反饋系統，用于控制照明系統的光輸 出以獲得或維持理想的輸出。例如，理想的調光(dimming )和/或光譜特 性可以使用反饋機構來獲得和維持，因為根據需要可以監控和調整的這些 特性。
除了可適用于單色或固定顏色的光源外，本發明也可以以變化顏色的 光源(例如，顏色變化的條形光源)來實現。需要指出的是，整體亮度可 以通過控制通過LEE單元串聯連接的電流來獨立控制。
在本發明的一個實施例中，LEE控制系統可以包含用于探測由LEE所 發射的光量的光探測器。這種配置可以提供初次或周期性校準或者提供 LEE單元輸出的任意光學反饋控制(例如，見圖3)。
然而在另 一個實施例中，光學感應模塊可以配置用于整體地或不同地 探測環境光，所述環境光可以用作控制LEE觸發的負反饋形式。例如，在 這一實施例中，可以使用環境光測量，使得在較高環境光水平時，例如，可以預期來自照明系統的較低整體輸出水平，這導致LEE的觸發信號減 少。而且，在照明系統的LEE由不同顏色的LEE (例如，在混合光光源系 統中)構成的實施例中，例如，可以選定光學感應模塊，便于對環境光波 長信息敏感，從而系統可以起減少對應的LEE顏色輸出的作用，以維持設 定的強度和理想的色彩平衡。
反饋機構和系統的其他實例(例如，熱反饋機構)對本領域的技術人 員是顯而易見的，且因此不意味著脫離本發明公開的一般范圍和本質。
現在將結合參考特定實例來對本發明進行描述。需要理解的是，下面 的這些實例旨在描述本發明的實施例，且不意味著對本發明作出任何限 制。
實例1:
圖4提供了包含依據本發明一個實施例的LEE控制系統310的照明系 統的框圖。LEE控制系統包含電源322、以DC-DC電壓轉換器320為形式 的轉換模塊、驅動電流控制模塊或信號調節器317、配置成電阻324和N 個LEE單元311, 312直到313的串聯連接的電流感應模塊。N個LEE單 元311， 312，直到313中每一個包含配置成場效應晶體管的觸發模塊， 所述場效應晶體管與各自LEE單元中的一個或多個LEE并聯電連接。每個 場效應晶體管的柵極可以與單元觸發控制模塊316連接，在本實施例中所 述單元觸發控制模塊316描述為與驅動電流控制模塊317截然不同，用于 為每個LEE單元提供開關或觸發信號，從而提供用于每個LEE單元單獨運 行控制的手段。圖4中還分別示出了 LEE單元311、 312直至313中的場 效應晶體管柵極電壓V(n、Ve2直至Vw的實例時間分辨曲線391、 392和393。
在本實施例中，信號調節器317探查作為電流感應器的電阻324兩端 的電壓降。如上概述，信號調節器317為DC-DC轉換器320提供反饋信號。 通過LEE單元的電流基本上流過LEE或流過場效應晶體管。因此，LEE單 元中的LEE可以用足夠的電流驅動或可以關閉，這取決于場效應晶體管是 否切換到采用高或低的源漏阻抗結構。
運行模式
本實例中的觸發模塊或場效應晶體管可以以許多不同的方式運行。例 如，如果所有的LEE單元包含相同數量的標稱同樣的LEE，運行觸發模塊 的一種方式是保持發光量最少的LEE單元(本例中為LEE單元313)處于 常開狀態，同時其他的LEE單元311和312被恰當的脈沖驅動，以將其整
16體光發射降低到最小亮度的LEE單元313的水平。如果LEE控制系統例如 用在要求所有的LEE發射相同量的光的照明系統中，這可能是有用的。
在本發明的一個實施例中，如果LEE控制單元旨在用每個LEE單元中 多于一個LEE來實現，在制造過程中，標稱相同的LEE可以通過利用更接 近的匹配發光特征將它們分類成相同數量LEE的組來分組或者附加地劃 射binned )。每個這種組然后可以用來供給用于實現一個LEE單元的LEE。
在一個實施例中，在LEE控制系統安裝后，校準過程例如可以幫助配 置控制系統并調整在運行條件下為LEE單元產生觸發控制信號的方式。需 要指出的是，通過LEE單元串聯連接的電流可以用觸發模塊獨立控制，例 如，以改變由LEE所發射光的總量。
由 一個LEE單元中的LEE所發射的光量可以使用各自的觸發模塊來控 制。需要指出的是，如果充分混合，任何顏色的光可以使用包含發射合適 顏色光的LEE的LEE單元來產生。觸發模塊可以以脈沖方式控制。例如， 他們可以用以下的PWM或PCM方案來觸發與停用。要指出的是，可以期望， 在脈沖調制過程中調節LEE單元串聯連接兩端的電壓，以在窄范圍內引起 理想的驅動電流。這可以有效地改善運行條件下轉換模塊(例如，電壓轉 換器320 )輸出電流的穩定性。
在本發明的一個實施例中，要求電壓轉換器320在LEE單元串聯連接 兩端提供輸出電壓，所述電壓由在各自觸發模塊控制輸入端處的觸發控制 信號來控制。
在另一個實施例中，轉換模塊320借助于電流感應模塊324或轉換模 塊本身中的內部(例如，高側)電流感應器來提供通過串聯LEE單元的恒 定電流。在這一實施例中，當特殊LEE單元觸發時，為了維持通過LEE 單元整個串聯連接的電流恒定，轉換模塊通常不得不將其輸出電壓增加約 等于由該觸發單元中LEE所要求的壓降的量，從而從電源322汲取更多的 能量。類似地，當特殊LEE單元停用時，例如借助于旁路或分流開關將那 個單元中LEE周圍的電流轉向(例如，經由合適的單元觸發模塊)，為了 維持電流恒定，轉換模塊通常不得不降低其輸出電壓，否則多余的電壓將 在其他被觸發LEE單元兩端出現，這導致他們的電流達到脈沖尖峰。因此， 通過降低電壓和維持恒定電流，從電源處汲取更少的能量。
在所有的LEE單元停用的情況下，轉換器模塊可以繼續傳遞恒定電 流，但是其輸出電壓需要降低到接近零，從而將從電源汲取的能量也降低到接近零。在每一個LEE單元和電流感應模塊324中的電流感應元件(例 如圖4中的電阻)中，觸發模塊將是在其兩端具有任何電壓降的唯一元件。
因此，在一個實施例中，為了維持高系統效率，觸發模塊(此處描述 為分流開關)任意地選擇具有小導通電阻的類型，以當LEE單元停用時能 量汲取最小。例如，為了提供這種改善，可以選定FET開關而非BJT晶體 管。類似地，電流感應模塊的阻抗還可以任意地降低，以促進低壓降及因 此的低能量損失，同時還提供足夠精確的電流測量，以提供返回控制和轉 換器模塊的可靠控制信號。
實例2:
圖6提供了適用于其中每個單元觸發模塊包含FET開關的系統的單元 觸發控制模塊的實例。在本實施例中，要注意的是，適當地驅動FET開關 以維持柵極和源極之間合適的電壓差，從而減少在所有的電壓水平下，觸 發或停用一個LEE單元將可能具有的影響，所述影響可能干擾串聯連接中 相鄰LEE單元中FET開關的觸發或停用。
在本實例中，系統410包含兩個LEE單元，即，LEE單元1(412)和 LEE單元2(413)，每個LEE單元分別由與單元觸發才莫塊(例如，單元412 和413的單N-溝道M0SFET開關414 (Ql)和415 (Q2"并聯的2個或更 多的LEE(例如，LEE418)構成。DC-DC轉換器420提供恒定電流和輸出 電壓，所述輸出電壓與串聯連接中所有LEE的總壓降加上電流感應模塊 424上的壓降一樣高。
觸發控制模塊416通常包含接收邏輯電平輸入觸發控制信號的電平 移相器450 (Ul)，例如分別對應于單元412和413的控制器1 ( 452 )和 控制器2 ( 453 )。在本實例中，對于開關415，電平移相器450的LO輸出 端提供能夠在該開關的柵極施加0-IO伏信號的緩沖信號參考。電平移相 器450的H0輸出為開關414的柵極提供升高的緩沖信號。電容Cl和電平 移相器450中的內部電路一起提供與開關414的源極有關的升高參考電 壓，所述升高參考電壓參與了降低由開關415是否觸發所引起的劇烈電壓 改變。為了優化系統性能，任意地包括二極管Dl和D2以及電阻Rl， R2， R3 和R4，以按照預期修改柵極信號的上升和/或下降時間。
正如本領域技術人員所理解的，圖6中所描述的特定電平移相器450 僅作為實例且只包含許多這種裝置(例如，類似的集成IC電平移相器， FET驅動器和/或類似布置的分立部件)中的一種，所述裝置可用在本發
18明的范圍中，以向N-溝道MOSFET提供足夠的驅動信號。因此，使用這些 和其他這種裝置(例如，以運算放大器、推挽結構的BJT及其類似物為例) 不意味著脫離本發明公開的一般范圍和本質。 實例3
圖7提供了適用于其中每個單元觸發模塊包含FET開關的系統的單元 觸發控制模塊的實例。在本實施例中，也要注意的是，適當地驅動FET 開關以維持柵極和源極之間的合適電壓差，從而減少在所有的電壓水平 下，觸發或停用一個LEE單元可能具有的影響，所述影響可能千擾串聯連 接中相鄰LEE單元中FET開關的觸發或停用。
在本實例中，系統510也包含兩個LEE單元，即，LEE單元1(512) 和LEE單元2 (513)，每個LEE單元分別由與單元觸發模塊(例如，單元 512和513的單N-溝道MOSFET開關514 ( Ql)和515 (Q2))并聯的2個 或更多的LEE(例如，LEE518)構成。DC-DC轉換器520提供恒定電流和 輸出電壓，所述輸出電壓與串聯連接中所有LEE的總壓降加上電流感應模 塊524上的壓降一樣高。
在本實例中，觸發控制模塊516通常包含配置用于接收邏輯電平輸入 觸發控制信號的各自比較器550 (Ul)和551 (U2),例如，分別對應于單 元512和513的控制器1 ( 552 )和控制器2 ( 553 )。參考電壓554施加到 比較器552和553的負輸入端，以保證控制信號必須超過開啟MOSFET的 穩定參考點。對于所有應用條件，通常設定大于DC-DC轉換器520輸出電 壓的高壓(丫++)還根據邏輯電平輸入信號552和523施加到MOSFET 514 和515的柵極。還包括齊納二極管Dl(556)和D2 (557)，以保證不超過 MOSFET 514， 515的柵源擊穿電壓。最后，正如優化系統性能所要求的， 任意地包括電阻Rl和R2,以限制MOSFET 514和515的柵極驅動電流或 改變開關特性。
此外，諸如運算放大器、推挽結構中的BJT等的其他集成或分立部件 可以用在不同組合中，以產生必要的驅動信號，同時保護MOSFET 514和 515免受可能損傷他們的過大柵-源電壓，且因此不意味著脫離本發明公 開的一般范圍和本質。
實例4
依據包含兩個或多個LEE單元的另一個實施例，如圖6和7實施例中 的實例所示，P-溝道MOSFET可以用來替代第一個LEE單元中的N-溝道MOSFET (例如，分別是圖6和7中的MOSFET 414和MOSFET 514)。在這 一實施例中，如以上實例中所述，可以消除對升壓或者水平移相柵極驅動 信號的需求，這是因為其源極可以約束到DC-DC轉換器的高電平輸出電
而，需要理解的i，這種實施例i^常還需要對于使用了如以上參考圖J 和7描述的柵極驅動解決方案的隨后單元使用N-溝道MOSFET。 實例5
在包含兩個或多個LEE單元的照明系統的另一個實例中，通過系統的
轉換模塊從電源中汲取的能量由彼此之間合適相位移的單元觸發控制信 號來維持在預定的限度內。
依據本發明一個實施例，圖5圖示了如果施加與同步單元觸發控制信 號相反的被相位移的單元觸發信號，加在三個LEE單元上的電壓如何變化 的實例。如圖5中所示，三個觸發控制信號VC1631、 Ve2632、 VC3633彼此 之間相位移，當加載所述控制信號時，產生V, + V腦+V圓639隨著時間 推移的總負載電壓。還如圖5中所圖示，相同形狀和相同周期，但是設置 同步的單元觸發控制信號圖示為V'<n641、 V、642和V'e3643。與應用這些同; 步信號相對應的隨著時間推移的總負載電壓加起來為vVBE1+v'm2+v;E3 649。由此例可以看出，隨著時間推移的總負載電壓639和649圖示了如 何可以通過單元觸發控制信號的相位移來減小負載電壓的改變以及因此 減少隨著時間推移從電源汲取能量的改變。因此，這種觸發方法可以保證 選擇較小的電源，因為當觸發控制信號彼此之間相位移，而非同步時，所 需的峰值功率可能更小。另外，由于相對電壓改變小，當考慮快速改變負 載時，轉換模塊的輸出要求降低(ease),從而對于轉換模塊，維持理想 驅動電流是更加容易的任務。
顯然，發明前面所述的實施例僅是示例性的，且可以多種方式變化。 這些現在的或將來的的變化不能看作脫離本發明的原理和范圍，且如本領
之內
20
權利要求
1. 一種發光元件控制系統，其包含兩個或多個LEE單元的串聯連接，每個LEE單元包含一個或多個LEE和配置用于根據各自單元觸發控制信號控制其觸發的單元觸發模塊；與每個所述單元觸發模塊操作性耦合并配置用于產生每個所述的各自單元觸發控制信號的控制模塊；以及與LEE單元的所述串聯連接操作性耦合的轉換模塊，所述轉換模塊適用于與電源連接并配置用于為所述LEE單元提供驅動電流。
2. 根據權利要求1的發光元件控制系統系統，其中，所述控制模塊配置用于基于所述LEE單元之間的協同關系，產生每個所述的各自單元觸發控制信號。
3. 根據權利要求2的發光元件控制系統，其中，所述協同關系是基于每個所述LEE單元中所述一個或多個LEE的一個或多個運行特性。
4. 根據權利要求2的發光元件控制系統，其中，所述協同關系包含在所述控制模塊內存儲的預先設定的關系。
5. 根據權利要求4的發光元件控制系統，其中，所述預先設定的關系是基于所述一個或多個LEE的一個或多個運行特性。
6. 根據權利要求2的發光元件控制系統，其中，所述協同關系包含根據所述一個或多個LEE的一個或多個運行特性所評估的適應性關系。
7. 根據權利要求1的發光元件控制系統，其還包含與LEE單元的所述串聯連接和所述控制模塊操作性耦合的驅動電流感應模塊，所述控制模塊與所述轉換模塊操作性耦合并配置用于評估和控制所述驅動電流。
8. 根據權利要求2的發光元件控制系統，其中，所述控制模塊包含與每個所述單元觸發模塊操作性耦合的單元觸發控制模塊，以及與單元觸發控制模塊截然不同并在所述驅動電流感應模塊和所述轉換模塊之間操作性耦合的驅動電流控制模塊。
9. 根據權利要求2的發光元件控制系統，其中，所述驅動電流感應模塊包含歐姆電阻和霍爾探針中的一個或多個。
10. 根據權利要求1的發光元件控制系統，其還包含與所迷控制模塊操作性耦合并配置用于感知所述一個或多個LEE中的一個或多個的光學輸出的光學輸出感應模塊，所述控制模塊配置用于評估和控制所述光學輸出。
11. 根據權利要求1的發光元件控制系統，其中， 一個或多個所述LEE單元包含串聯連接的兩個或多個LEE。
12. 根據權利要求1的發光元件控制系統，其中， 一個或多個所述LEE單元包含并聯連接的兩個或多個LEE。
13. 根據權利要求1的發光元件控制系統，其中，對于一個或多個所述LEE單元，所述單元觸發模塊與和其相關聯的所述一個或多個LEE并聯連接。
14. 根據權利要求8的發光元件控制系統，其中， 一個或多個所述單元觸發模塊包含晶體管。
15. 根據權利要求14的發光元件控制系統，其中，晶體管為場效應晶體管。
16. 根據權利要求1的發光元件控制系統，每個所述的各自單元觸發控制信號包含PWM信號或PCM信號。
17. 根據權利要求1的發光元件控制系統，其中，每個所述的各自單元觸發控制信號彼此之間相位移。
18. 根據權利要求1的發光元件控制系統，其中，給定一個所述LEE單元中的所述一個或多個LEE包含與另 一個所述LEE單元中的所述一個或多個LEE標稱相同的一個或多個LEE,其中，所述控制系統配置用于減輕所述標稱相同的一個或多個LEE中的運行特性的變化。
19. 一種照明系統，其包括串聯連接的兩個或多個LEE單元，每個LEE單元包含一個或多個LEE和配置用于根據各自單元觸發控制信號控制其觸發的單元觸發模塊；與每個所述單元觸發模塊操作性耦合并配置用于產生每個所述的各自單元觸發控制信號的控制模塊；以及與所述LEE單元操作性耦合的轉換模塊，所述轉換模塊適用于與電源連接并配置用于為所述LEE單元提供驅動電流。
20. 根據權利要求19的照明系統，其中，所述控制模塊配置用于基于所述LEE單元之間的協同關系產生每個所述的各自單元觸發控制信號。
21. 根據權利要求20的發光元件控制系統，其中，所述協同關系是 基于每個所述LEE單元中的所述一個或多個LEE的一個或多個運行特 性。
22. 根據權利要求20的發光元件控制系統，其中，所述協同關系包 含在所述控制模塊內存儲的預先設定的關系。
23. 根據權利要求22的發光元件控制系統，其中，所述預先設定的 關系是基于所述一個或多個LEE的一個或多個運行特性。
24. 根據權利要求20的發光元件控制系統，其中，所述協同關系包 含根據所述一個或多個LEE的一個或多個運行特性所評估的適應性關 系。
全文摘要
描述了一種發光元件控制系統，其包含一個或多個LEE單元的串聯連接，每個LEE單元包含一個或多個LEE和單元觸發模塊。與LEE單元相關聯的單元觸發模塊配置用于根據單元觸發控制信號可控地觸發那個單元中的一個或多個LEE。控制模塊與每個單元觸發模塊操作性耦合，并配置用于為單元觸發模塊提供單元觸發控制信號。轉換模塊與LED單元串聯連接操作性耦合，適用于與電源連接，并為LEE單元提供驅動電流。
文檔編號H05B37/02GK101548583SQ200780035025
公開日2009年9月30日 申請日期2007年9月20日 優先權日2006年9月20日
發明者I·阿什當, P·瓊格沃思 申請人:Tir科技公司