專利名稱：發光二極管(led)的微控制器優化的脈寬調制(pwm)驅動的制作方法
技術領域：
本發明涉及利用脈寬調制電流驅動LED的照明設備。本發明還進一步涉及用于 所述微控制器優化的照明設備(諸如脈寬調制驅動的LED串)的節能配置及方法。
背景技術：
LED具有很低的動態電阻，相同的壓降下電流的變化很大。因此，它們在不造 成自身的損壞的情況下無法與大多數電源直接連接。因此就有了對驅動電路的需求。LED驅動器控制提供給發光二極管的電流與電壓量。在本領域內，采用了模擬 電子器件的LED驅動器電路是公知的。但是模擬電子電路存在很多不便，其中一個不便 就是需要大量的輔助電子電路(電容、電阻等)，它們的設置只能通過改變有源或無源元 件來實現，而且在有些情況下它們的精密度與電子元件的精密度極其相關。因此，就需要一種基于控制器的電子器件來替代市場上現有的并被廣泛使用 的、只有模擬電子元件的LED驅動器電路。LED照明設備可以具有控制LED輸出的數字控制器。該控制器可以是脈寬調制 器、脈沖幅度調制器、脈沖位移調制器、電阻梯形電路、電流源、電壓源、電壓梯形電 路(voltage ladder)、電壓控制器或其他功率控制器。LED的光輸出與正向電流成正比，所以如果未能適當地控制正向電流(IF)，則 可能會造成光輸出的不可接受的變化。而且，超出制造商的最大IF規定可能嚴重地縮短 LED的使用壽命。在另一種方法中，可以通過周期為T的固定頻率的脈寬調制實現功率控制，通 過改變脈沖寬度實現亮度調節。多個占空比可以實現多個發光度級別。通過利用固定寬 度的控制脈沖原理的頻率調制來實現功率控制。脈沖A始終保持相同的持續時間。通過 脈沖A自身多久重復一次來控制發光度。此外，功率控制還可以通過基于包含強度值的 二進制脈沖序列的位角調制(Bit Angle Modulation)來實現。所述脈沖序列中的每一位與 其有效性成比例地拉伸。如果最低有效位b0的持續時間為1，那么bl位的持續時間為 2，b2位至b7位的持續時間分別為4、8、16、32、64和128。雖然微控制器的使用在管理LED串的性能方面有各種優勢，但還是存在多個局 限性。關于電壓和電流，如果VDD是LED和微控制器的電源，那么只有足夠驅動一個 LED的電壓。簡單的拓撲結構不允許LED電壓高于VDD。對于串聯成串的多個LED，憑 借所有LED處于相同的電流的益處，VDD必須要更高，并且微控制器需要獨立的電源。在支持通信的物理接口方面，微控制器只提供簡單的同步(SPI)或異步(SCI)通 信。要實現DALI、DMX、LIN以及更多，需要附加的軟件和硬件。所需要的是對成本 影響小的配置，即多個LED的照明設備的簡單配置。在恒定電流調節和切換速度方面，這個應用中的關鍵參數是切換速度。電感器 越大，造價越高，需要越低的切換速度。大部分微控制器可以在大約15PS內完成A/D轉換。增加將讀取值與內部閾值進行比較的幾個指令，每個ON(開)或OFF(關)周期 的完整分析的轉換高達30至40 ys，具有大約15 ys的不確定值。這一誤差決定了最小 的電感值。另一種方法是設置任意的ON(開)和OFF(關)持續時間，然后對他們進行 重新調整來適應兩個電流閾值。這種間接的方法允許更小、成本更低的電感器，但是它 的精度更低。所需要的是多LED的照明設備的精確配置。在亮度調節和調制速度方面，在100%發光度下，不需要對晶體管進行調制。在 其它最低發光度等級的極端情況下，即1%，有必要使晶體管在的時間內為導通。假 設必須在100Hz以上進行亮度調節以防止閃爍的事實，PWM的頻率必須達到10kHz或更 高。眼睛在較低的發光度范圍內可以感知微小的變化，因此100等級是不夠的。如果需 要4,000等級(12-比特分辨率)，則PWM頻率必須要在400kHz左右，這對于簡單的微 控制器而言幾乎是不可能的。因此，可以克服上述局限的基于微控制器的LED驅動器必須至少提供已提出 的、涉及易控制、可編程、恒定電流源的解決方案，同時具有高的效率、處理速度及對 電感大小和亮度調節分辨率的影響、與工業標準的通信能力、和對多輸出和/或LED串 的驅動能力。在本領域，為了解決上述的缺陷，已經進行了幾個嘗試，并提出了微控制器的 優化設計。美國2007/0247305A1中示例了一種提出的解決方案，該解決方案教導通過發送 表示當前的LED類型的‘簽名(signature) ’來控制LED的微控制器的使用。然后，通
過使用發送的簽名信息設置二極管的最佳(額定)電流。因此，基于上述所有，具體的說，需要能夠彌補與本領域有關的上述一個或者 更多個缺陷的系統和方法。需要具有節能能力同時允許較好的熱能管理的電子電路。進一步地講，需要可 以管理、控制LED節能驅動的算法。可以設想出至少兩種解決方案，用于提供優化的驅 動和優化的熱能管理的產品和/或測量系統。因此，至少可以認為本發明所要解決的目標技術問題是針對發光設備的總能耗 提供了經改進的優化設備和方法。至少可以認為本發明所解決的進一步的目標技術問題是通過計算和優化多個電 路參數(例如，驅動電流、調制頻率、以及PWM控制的占空比)來針對LED串的總能 耗提供所述經改進的優化設備和方法。根據獨立權利要求中的特征，本發明解決了這些目標技術問題。從屬權利要求 以尤其有利的方式進一步發展了本發明的核心原理。
發明內容
本發明提出了一種受控照明設備，該受控照明設備至少包含多個二極管燈和微 控制器，所述多個二極管燈被布置成預定的結構，所述微控制器至少包含針對照明設備 的多個特征值的數據獲取和處理裝置，其中，額定占空比范圍是預設的，所述額定占空 比范圍具有允許的占空比最小值和允許的占空比最大值。另選地，預設與多個不同溫度 相對應的多個占空比范圍。預設的額定占空比范圍和多個占空比范圍被存儲在所述微控
4制器中。所述的多個二極管燈和微控制器可以放置得彼此很遠，并通過多個通信束和接 口進行通信。照明設備的多個特征值至少包括電流、功率強度、頻率和溫度。多個二極 管燈的預定結構還包括溫度傳感器，而按照由該溫度傳感器提供的溫度的函數來選擇占 空比。所述微控制器從數據獲取和處理裝置接受數據并進行調節是按照該數據的函數向 多個二極管燈提供電流。多個二極管燈的預定結構是LED串。本發明還提出了一種照明設備的功率最優化方法，該方法包括開始以低占空 比操作所述照明設備，連續地增加占空比并測量與各增加相對應的反饋信號，基于每瓦 特光強度比計算功耗水平；以及每次重置時微控制器進行占空比掃描，其中占空比的額 定占空比范圍是預設的，所述額定占空比范圍具有允許的最小值和允許的最大值。微控 制器存儲功率效率-占空比曲線。預設的允許的占空比的值確保了所述照明設備隨后的 運行將在所述最優占空比范圍內執行。還預設與多個不同溫度相對應的多個占空比范 圍。
以下附圖描述了本發明的一些示例性實施方式，圖中相同的參考標志指代相同 的部件。在任何情況下所描述的這些實施方式應當理解為本發明的示例而非作為限制。圖1是根據本發明的原理實現的照明設備的框圖。圖2是本發明的方法的框圖。圖3示出了在受控照明設備是白LED串的情況下作為占空比的函數的歸一化的 Ix/W值的曲線圖。圖4示出了在受控照明設備是白LED串的情況下作為占空比的函數的歸一化的 Ix值的曲線圖。圖5示出了在受控照明設備是白LED串的情況下作為占空比的函數的歸一化的 Ix差的曲線圖。圖6示出了在受控照明設備是白LED串的情況下作為占空比的函數的歸一化的 Ix/W差的曲線圖。
具體實施例方式下面的描述涉及到本發明的幾個示例性實施方式。雖然本領域技術人員可以設 想出本發明的許多變型，但是這些變型和改進旨在被包含在本公開中。因此，在任何情 況下，本發明的范圍不局限于以下公開的內容。在這里以及在該文檔中進一步交替使用的術語“LED”或“二極管燈”是指能 夠接受電信號并響應于該信號產生某種顏色光的任何系統。因此，術語“LED”應理 解為包含所有類型的發光二極管、發光聚合物、響應于電流產生光的半導體裸片、有機 LED、電致發光條以及其他這樣的系統。在實施方式中，“LED”可以指具有多個單獨 受控的半導體裸片的一個發光二極管封裝。在不同的實施方式中，“LED”可以指串聯 或并聯連接的多個LED。在更進一步的實施方式中，“LED”可以指LED串。還應該 理解，術語“LED”或者術語二極管燈并不限制LED的封裝類型。術語“LED”包括 封裝的LED、未封裝的LED、表面安裝LED、板上芯片(Chip on Board) LED、以及所有其他配置的LED。LED是必須以特定電流驅動以實現可預測的發光度和色度級別的電流工作型器 件。可以使用不影響色度的脈寬調制(PWM)來控制發光度。根據本發明的目的，在文檔中進一步交替使用的“處理器”或“處理裝置” 可以包括微處理器、微控制器、可編程數字信號處理器、其他可編程設備、控制器、可 尋址控制器、可尋址微處理器、計算機、可編程處理器、可編程控制器、專用處理器、 專用控制器、集成電路、控制電路或其他處理器。處理器可以還或替代地包括專用集成 電路、可編程門陣列、可編程陣列邏輯、可編程邏輯設備、數字信號處理器、模數轉換 器、數模轉換器、或任何其他可以被配置為處理電信號的設備。另外，處理器可以包括 離散數字組件，諸如邏輯器件、移位寄存器、鎖存器、或者用于實現數字功能的任何其 他獨立封裝芯片或其他組件。上述電路和組件的任意組合，無論是直接封裝，作為芯 片、作為芯片組、或者作為裸片，可以適當地適于用作這里所描述的處理器。還將理 解，術語處理器可以應用于集成系統，例如個人計算機、網絡服務器或者如在此描述的 那樣可以自主或響應于命令工作來處理電信號的其他系統。當處理器包括諸如以上提到 的微處理器或微控制器的可編程設備時，處理器可以進一步包括控制可編程設備運行的 計算機可執行代碼。“控制器”或“微控制器”可以是脈寬調制器、脈沖幅度調制器、脈沖位移調 制器、電阻梯形電路、電流源、電壓源、電壓梯形電路、開關、晶體管、電壓控制器或 其他控制器，微控制器可以被集成在計算機中，也可以不被集成在計算機中。控制器控 制通過LED的電流、電壓或功率。控制器還具有信號輸入端，控制器可以對信號輸入端 接收到的信號作出響應。信號輸入端與處理器相關聯，使得處理器向信號輸入端發送信 號，并且控制器調節通過LED的電流、電壓和/或功率。在實施方式中，可以使用具有 不同譜輸出的多個LED。可以通過分開的控制器驅動這些顏色中的各顏色。處理器和 控制器可以合并成一個設備中。該設備可以具有驅動成串的多個LED的能力，或者它可 以只能直接支持一個或幾個LED。處理器和控制器也可以是分開的設備。通過獨立控制 LED,可以實現顏色混合，來實現燈光效果。為了實現本發明的目的，還可以設置“電子存儲器”。存儲器能夠存儲算法、 表單、或與控制信號相關聯的值。存儲器可以存儲用于控制LED或處理器的程序。該 存儲器可以存儲器、只讀存儲器、可編程存儲器、可編程只讀存儲器、電可擦除可編程 只讀存儲器、隨機存取存儲器、動態隨機存取存儲器、雙數據率隨機存取存儲器、直接 型Rambus隨機存取存儲器、閃存或任何其他易失或非易失存儲器，用于存儲程序指令、 程序數據、地址信息和程序輸出或其他中間或最終結果。例如，程序可以存儲用以操作微控制器的控制算法。用戶接口也可以與處理器 相關聯。用戶接口可以用于從存儲器選擇程序、修改來自存儲器的程序、修改來自存儲 器的程序參數、選擇外部信號、初始化或提供其他的用戶接口方案。處理器還可以是可尋址的，以接收被編址到該處理器的編程信號。另一個“接 口”是與電源相關聯的接口。儲能器件可以與電源相關聯。儲能器件也可以與處理器相關聯。儲能器件可以 是電容器、非易失性存儲器、電池供電存儲器、繼電器、存儲設備或其他儲能器件。該器件可以根據該器件的狀態將邏輯高和邏輯低信號傳送給處理器。例如，該器件可以在 該器件設備連接到電源時發送低邏輯信號，在該設備與電源斷開時發送高邏輯信號。高 邏輯信號可以隨著預定的時間周期變為低邏輯信號，而處理器可以監控該信號。照明設 備可以被編程為，使得當該設備被斷電時最后的照明程序可以工作。如果該設備在預定 的周期內重新供電，同時邏輯信號仍然為高，則該設備可以從存儲器中選擇新程序來執 行。如果該設備在預定周期內沒有重新供電，則該設備可以啟動最后的照明程序或默認 程序。可以設置非易失性存儲器、電池供電存儲器或者其他的存儲器，使得記住最后的 程序。該技術可以用來改變程序、程序參數或其他設置。該技術通過開啟和關閉照明設 備的電源，可以用于不包括獨立用戶接口的設備中。還可以采用獨立的開關，以提供用 戶接口以及開啟/關閉的切換。根據本發明的目的，以上提及的任何或所有設備都將被理解為包括在本發明的 示例性實施方式中。根據本發明的目的，本示例性實施方式中關注白LED和具有模擬亮度調節可能 性的PWM LED驅動器。通常，照明設備包含溫度傳感器。在非限制性實施方式中，溫度傳感器被設置 在照明模塊的最熱的點。在另一非限制性布置中，溫度測量電路也可以是獨立的測量器 件。圖1是根據本發明的原理實現的照明設備的框圖。將結合圖1所示的電子電路，進一步討論與本發明提出的具有功率優化能力和 優化的熱能管理能力的照明設備有關的電子電路。結合圖1所示的本發明的示例性實施 方式，還將很好地舉例說明管理和控制LED節能驅動的算法。結合圖1所示的實施，還 將進一步討論提供優化驅動和優化熱能管理的產品和/或測量系統。結合圖1的電路，還將進一步討論，針對LED串照明設備的總能耗的、通過計 算和優化多個電路參數(例如，驅動電流、調制頻率和PWM控制的占空比)改進了的功 率優化設備和方法。照明設備100的示例電路包括，但任何情況下不局限于部件101，其是用于微控制器102的可視化和編程的個人計算機，部件102，其是不但用于數據獲取以及PC與照明系統之間的數據傳輸而且用于 PWM控制的微控制器，部件103，其是用于使功能信號化的LCD，部件104，其是諸如，例如分流器的電流測量設備，部件105，其是用于響應于PC 102提供的PWM信號驅動開關(比如，晶體 管)105’的驅動器，部件106，其是正向電壓測量裝置，部件107，其是溫度測量電路，部件108，其是通信鏈路，例如，如RS-232半雙工通信鏈路，部件109，其是包括一個或更多個LED的LED串，部件110，其是用于LED串的恒流源，部件111，其是手動接口，例如，如當計算機由于PWM控制被放棄時用于參數選擇和參數設置的按鈕區，部件112，其是用于光功率計算的外部波長測量設備，以及部件114，其是用于光功率檢測的光電二極管測量部件。根據測量值，并且根據控制策略，可以手動地或者自動地操作用于可視化和編 程的計算機101。可以根據本文前面在討論“處理器”、“控制器”或“微控制器”以及“電 子存儲器”時已經描述的元器件來實現用于可視化和編程的個人計算機101和微控制器 102，或者，用于可視化和編程的個人計算機101和微控制器102可以包括本文前面在 討論“處理器”、“控制器”或“微控制器”以及“電子存儲器”時已經描述的元器 件，并且，用于可視化和編程的個人計算機101和微控制器102可以配備有前文中作為針 對“接口”和“接口”中包含的控制和計算軟件的操作性實施方式所討論的裝置。此 外，計算機可以確保外部波長參數測量值能夠輸入微控制器、微處理器、數字信號處理 器(DSP)等。下面，討論光功率的測量和計算算法光功率的測量是通過使用光電二極管實現的，例如，借助于類似于測量光強度 的設備112的設備。各光電二極管具有針對其額定波長的各自的A/W值，其中A表示取決于檢測到 的光功率W的電流。光電二極管電流A可以通過例如使用儀器放大器來測量，而光功率可以在電流 轉換為電壓后被計算成參數V/W，其中V代表電壓。光通量必須被校準，進而光功率必須被校準。這通過使用外部試驗設備來完 成，該外部試驗設備沒有結合在圖1所示的設備中明確示出。針對各光電二極管，在增益(gaining)具有各自的V/WU)特征后，在所請求的 波長范圍內制備查找表，因為嵌入乘法必需具有波長參數的輸入。這可以通過使用外部 波長測量系統來解決。下面的數學公式用于計算發出的光功率計算VAmplifier (lDiode) = KIDiode(1)Wlight 一 VAmplifier (入)一 KLookupy4mpiifler這里VAmpllto代表放大器的電壓，IDl(xte代表每個二極管的正向電流，K代表功 率系數，wllght代表光功率，x代表波長，Kb—代表查找表中存儲的功率系數，而 VAmpllfeU )是譜發光效率函數。為了簡化光功率的計算算法，優選地借助擬線性曲線來選擇范圍。電流測量器件104測量LED串109的正向電流，所述測量結果被反饋到微控制器 102。通過LED串109的電流初始被設置為組成該LED串的特定LED的額定電流值。用于正向電壓測量的器件106測量LED串兩端的電壓，并將該信息反饋給微控 制器102。基于這些值，例如微控制器102所包括的處理元件102c，采用使用實施上述 計算的數學公式的算法，理想地計算出LED串所消耗的電能。由于微控制器在自由選擇控制算法、對偏差進行自由補償方面表現出了潛力，
8他們在檢測所需參數方面具有可接受的分辨率，總之，他們是當“編程”檢測到的照明 設備中的正向電流或溫度時的可行的備選對角，所以采用微控制器。如以上示出地容納在微控制器102中的控制算法可以是基于功率控制的，其是 在LED串檢測到的正向電流與檢測到的電壓的乘積。此外，微控制器的解決方案適用于具有傳統控制(PID)或者查找表控制算法形 式的節能解決方案。對于附加的反饋，還存在在照明設備中集成三刺激RGB(紅綠藍)傳感器，或者 諸如112的光強度傳感器反饋的可能性。PWM占空比方法可以用于功率計算，并且使用可以駐留在微控制器102上的數 字乘法算法，可以計算所消耗的功率。此外，為了進一步進行比較，可以計算出電功率、溫度和發光量之間的比率。計算可能關注的電功率參數可以使用下面的公式
權利要求
1.一種受控照明設備，該受控照明設備包括 至少一個LED,控制單元，例如微處理器，其被設計為用于利用PWM信號驅動至少一個LED， 其中，預設了所述PWM信號的占空比的額定占空比范圍，該額定占空比范圍具有允 許的最小值和允許的最大值。
2.根據權利要求1所述的受控照明設備，其中，預設了多個占空比范圍，每一個占空 比范圍針對一預定溫度或溫度范圍。
3.根據權利要求1或2所述的受控照明設備，其中所述預設的額定占空比范圍被存儲 在所述控制單元中。
4.根據在前權利要求中任一項所述的受控照明設備，其中，所述控制單元檢測LED 電流、LED光功率強度、LED電壓和溫度中的至少一項。
5.根據在前權利要求中任一項所述的受控照明設備，其中，作為由溫度傳感器提供 的溫度的函數，來選擇所述占空比、頻率和電流。
6.根據在前權利要求中任一項所述的受控照明設備，該受控照明設備包括多個 LED,例如LED串。
7.—種受控照明設備的運行方法，該受控照明設備包含至少一個受PWM控制的 LED,該方法包含以下步驟執行驅動至少一個LED的PWM信號的占空比掃描，同時檢測表示所述至少一個 LED的功耗的至少一個參數，從而除了與等效模擬電流值的比較計算之外計算出反映所 述至少一個LED的功率效率對占空比的依賴關系的曲線。
8.根據權利要求7所述的方法，該方法包含存儲反映功率-效率占空比范圍的值的步 驟。
9.根據權利要求8所述的方法，其中，針對所述占空比，存儲具有允許的最小值和允 許的最大值的的額定占空比范圍。
10.根據權利要求8或9所述的方法，其中，所述存儲的允許的占空比的值確保了所 述照明設備隨后的操作將在所述優化的占空比范圍內執行。
11.根據權利要求7至10所述的方法，該方法在所述照明設備的控制單元被重置時執行。
12.根據權利要求7至11所述的方法，該方法包含除了與等效模擬電流值的比較之外 存儲功率效率_占空比曲線的步驟。
13.根據權利要求7至12所述的方法，其中，存儲與多個不同溫度相對應的多個占空 比和頻率值。
14.一種集成電路，例如微處理器或者ASIC，該集成電路被設計用于執行根據權利 要求7至13任一項所述的方法。
15.一種計算機軟件程序產品，當該產品在計算設備上運行時執行根據權利要求7至 13任一項所述的方法。
全文摘要
本發明提出了一種受控照明設備的操作方法，該照明設備包含至少一個PWM控制LED，所述方法包括以下步驟實施驅動所述至少一個LED的脈寬調制信號的占空比掃描，同時檢測表示所述至少一個LED的功耗的至少一個參數，來計算出反映所述至少一個LED的功率效率對占空比的依賴關系的曲線。
文檔編號H05B33/08GK102027804SQ200980117547
公開日2011年4月20日 申請日期2009年4月6日 優先權日2008年4月15日
發明者亞當·豪瓦斯, 漢斯·克里斯蒂安·霍紹普夫 申請人:萊登照明詹納斯多夫股份公司