具有次級側調光控制的變換器隔離led發光電路的制作方法
【專利摘要】變換器隔離LED照明電路與一個或多個調光值一致地將來自次級側存儲電容器的電流供應到一個或多個LED串。通過提供在從所述變換器的初級側給所述存儲電容器充電的功率轉換器電路的脈沖中的圖案或編碼，或者替代地通過在開關脈沖外，附加提供的特別調制信號，來將所述調光值傳輸通過所述變換器。
【專利說明】具有次級側調光控制的變換器隔離LED發光電路
【技術領域】
[0001 ] 本發明總體上涉及可調光發光二極管(LED )燈泡，并且更具體而言，涉及一種從轉換器的次級側控制LED的發光的LED燈泡功率源。
【背景技術】
[0002]照明控制和電源供應集成電路(IC)在電子系統中和在可更換消費類照明裝置中都是普遍使用的，如取代傳統白熾燈光燈泡的發光二極管(LED)和緊湊型熒光燈(CFL)。
[0003]高效操作LED燈泡需要的功率轉換通常從相對高壓的整流AC線路功率源(例如整流到180V DC或360V DC的120V AC或240V AC)轉換到以串聯連接的“串”布置的一個或多個LED的正向電壓降，其對于通常的白熾燈更換設備為在5V-15V的級別。因為，不需要濾波，該整流線路電壓將在較低速率(例如120Hz)改變，所以必須存儲能量以避免改變供應到LED的電流。因此，必須提供足夠存儲容量的電容器來濾波整流線路電壓，和/或必須將整流線路電壓轉換為低DC電壓以提供用于LED的正確操作電壓。因此，期望利用變換器耦合拓撲圖例如回描轉換器將整流線路電壓轉換為低DC電壓。
[0004]然而，通過使用變換器耦合拓撲圖，控制在可調光LED照明設備中的調光水平通常需要另一個隔離信號路徑，例如光隔離器或信號變換器，以允許將調光信息(即從基于三端雙向可控硅開關調光器提供的AC線路波形的形狀)傳輸給變換器的次級，其增加了替換照明設備的成本，以及電路的復雜性。
[0005]因此，可以期望提供一種低成本變換器隔離功率源電路，其可以不需要單獨隔離的信號路徑地給LED供電，用于與從輸入AC線路電壓的形狀確定的調光水平一致地控制一個或多個LED串的亮度。
【發明內容】
[0006]本發明實施在一種用于供應功率到多個照明設備的電路，一種包括這種電路的IC和一種操作所述電路的方法。
[0007]所述電路是包括具有耦合到將整流AC電路電壓轉換為低壓的第一功率轉換器電路的初級線圈和耦合到存儲電容器的次級線圈的變換器的隔離電路。所述電路還包括與調光值一致地從存儲電容器供應電流到一個或多個LED串的第二功率轉換器電路。通過提供在第一功率轉換器電路的開關脈沖中的圖案或編碼，或者替代地通過附加提供除開關脈沖外的特別調制信號，來將所述調光值傳輸通過所述變換器。
[0008]從下面所述，更具體地，從本發明如在附圖中示出的優選實施例的描述中，本發明的上述和其它的目標、特征、以及優點將是顯而易見的。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0009]圖1為描繪照明設備10的連接的方框圖。
[0010]圖2為描繪照明設備10的物理構造的實物電路圖。[0011]圖3為描繪在照明設備10內的細節的簡化示意圖。
[0012]圖4為描繪在照明設備10內的其他細節的簡化示意圖。
[0013]圖5為描繪在照明設備10內的信號的信號波形圖。
[0014]圖6為描繪在照明設備10內的信號的信號波形圖。
【具體實施方式】
[0015]本發明包含用于給發光二極管(LED)供電和控制發光二極管(LED)的電路和方法，其中變換器用來將LED與輸入AC線路隔離，并且其中通過在耦合通過所述變換器的能量的開關脈沖的位置中對調光信息進行編碼，或者通過耦合通過所述變換器的附加信息對調光信息進行編碼，來將調光信息傳輸通過轉換器。
[0016]現在參考圖1，替換照明設備10展示為經由基于三端雙向可控硅開關調光器8連接到AC線路電壓源6，例如通常在家用照明裝置中發現的。替換照明設備10包括LED串LEDA、LEDB,它們取代白熾燈產生照明，提供比同等白熾燈更長的壽命，更少的熱量和更少的能量消耗。變換器Tl在耦合到基于三端雙向可控硅開關調光器8的初級側電路和供應電流到LED串LEDA、LEDB的次級側電路之間的隔離。
[0017]初級側控制器集成電路(IC) 20操作開關晶體管NI，其示出為在初級側控制器IC20的外側，但替代地其可以包括在初級側控制器IC20內部。初級側控制器IC20包括能夠根據通過檢測基于三端雙向可控硅開關調光器8的調光水平，由橋式整流器BR和濾波器電容器Cl從由基于三端雙向可控娃開關調光器8供應的輸入AC電壓中產生的功率供應電壓+Vs的波形確定的調光值，通過開關晶體管NI的激活控制供應到變換器Tl的初級線圈的能量的量的脈寬調制器或者其他合適控制器。替換照明設備10還包括控制供應到每個LED串LEDA、LEDB的電流的次級側開關功率變換器28，并且包括分散從變換器Tl的初級側傳輸的任何過多能量的卸載電路32。控制集成電路30操作次級側開關功率變換器28。
[0018]附加地參考圖2，展示了替換照明設備10的實物示意圖。轉換器電路CONV包括橋式整流器BR，初級側控制器IC20，電容器Cl，晶體管NI，變換器Tl和初級側電路需要的任何其他部件。散熱器HS包括在替換照明設備10中以分散由LED串LEDA、LEDB產生的熱量，并且也用來安裝LED串LEDA、LEDB和開關功率轉換器28，同時分散由開關功率轉換器28產生的熱量。將供應到LED串LEDA、LEDB的電流的控制放置在變換器Tl的次級側上可以提供低電壓晶體管和電容器以及高頻開關(其減少電感器和電容器尺寸)，減少供應和控制電流到多個LED串的成本。并且，因為散熱器HS和卸載電路32兩者位于變換器Tl的隔離次級側上，所以散熱器HS可以使用來分散由卸載電路32產生的熱量。
[0019]現在參考圖3，根據下面描述的示例展示初級側控制器IC20的細節。調光檢測器12從功率供應電壓+Vs的波形檢測基于三端雙向可控硅開關調光器8的調光值，該調光檢測器12可以通過在合適加載條件下測量基于三端雙向可控硅開關調光器8的開啟時間和關斷時間來執行。調光值通過對應于開關晶體管NI的激勵的開關脈沖的圖案、頻率和/或時序，或者通過在開關晶體管NI關斷的間隔期間，例如在所有需要的能量已經被轉移輸入AC波形的預定周期之后，由調制器13注入的附加信號，傳輸通過變換器Tl。電壓感測電路16感測跨過變換器Tl的初級線圈的電壓，該電壓感測電路16在晶體管NI關斷并且二極管Dl被正向偏置時指示跨過電容器C2的電壓。具有從變換器Tl的初級線圈跨過電容器C2的電壓的指示允許初級側控制器IC20不需要隔離反饋路徑地調節跨過電容器C2的電壓。跨過電容器C2的指示電壓用來控制初級側控制器14的開關，其在一個示例中為脈寬調制器。因此，初級側控制器IC20可以是具有少引腳數的相對簡單電路，因為控制供應到LED串LEDA、LEDB的電流的任務被委派給次級開關功率轉換器28。
[0020]現在參考圖4，展示次級開關功率轉換器28的細節。單獨的次級側功率轉換器電路40A、40B從電容器C2汲取能量，并且根據當前調光值，供應電流到LED串LEDA、LEDB中的相應一個。電流的單獨控制是必要的，因為預定亮度需要的電流量在LED類型(LED顏色)之間不同，并且足以模擬白熾燈的調光需要的亮度量對于不同的LED串LEDA、LEDB單獨地改變。例如，以較低的照明水平，光譜的紅色部分隨著照明強度下降占優勢。
[0021]每個次級側功率轉換器電路40A、40B包括開關晶體管N2，電流感測電阻R1，電感器LI，回描二極管D4和阻止反向導電到電容器C2和耦合到電容器C2的其他電路的其他二極管D3。存儲電容器C3被提供跨過相應LED串LEDA、LEDB以阻止由于切換帶來的可見光變化。所描繪的功率轉換器40A、40B是反相大型結構，其中當晶體N2由次級側控制器IC30激勵時，電流L被汲取通過相應LED串LEDA、LEDB，并且當晶體N2由次級側控制器IC30關斷時，存儲在電感器LI中的能量被通過回描二極管D4卸載到電容器C3中。卸載電路32包括開關晶體管N3，和電阻R2，電阻R2被使用來當門/卸載控制器46確定在電容器C2上的電壓已經上升得太高時或者直接根據由調光值檢測器42從變換器Tl的次級線圈確定的調光值分散存在于電容器C2上的任何過多能量。
[0022]次級側控制器IC30的調光值檢測器42和初級側控制器IC20的初級側控制器14(或者可選地調制器13) —致地作用來將來自初級側控制器IC20的調光檢測器12的調光值傳輸到次級側控制器IC30的門/卸載控制器46。具有可以用來傳輸信息通過開關功率隔離變換器的多種發送信號的技術，包括頻率調制，脈沖代碼傳送等等。在本發明中，所述技術分成兩類:利用功率轉移開關脈沖來傳輸調光信息的信號發送和利用傳輸調光信息的附加信號的信號發送。
[0023]現在參考圖5，根據不同示例圖解說明第一類調光傳輸技術的示例。圖解說明了AC線路電壓Vline和形成功率供應電壓Vs的整流調光輸出的切正弦波形。基于三端雙向可控硅開關調光器8的三端雙向可控硅開關在時刻tml開啟，其代表可獲得的能量轉移的開始，其持續時間由run表示，其在AC線路電壓Vlim的過零處終止，并且其也直接表示調光值。無論什么時候電流跌落到三端雙向可控硅開關的保持電流以下，即在時刻tzl、tz2、tz3和tz4，基于三端雙向可控硅開關調光器8的三端雙向可控硅開關關斷。信號triac on表示三端雙向可控硅開關的開啟。因為本文圖解說明的電路的調光傳輸技術的一個目標在于傳輸由信號run的寬度指示的調光值，所以提供指示的一種方法是當信號run有效時(在時刻tml、ton3> ton2和tm4),總是開始圖3的初級側控制器14的操作，當關斷信號run時總是維持(或終止)最后脈沖。最后脈沖設置在時刻tzl、tz2、tz3和tz4處，即使能量轉移基本上更早地完成，例如在第一圖示周期中的時刻txf。。上述類型的信號發送根據一個示例由控制信號sw圖解說明。根據另一個示例，在控制信號sw (alt)中的脈沖的頻率被調制來反映調光值。在上述示例兩者中，圖4的調光值檢測器42被調適來為控制信號sw的示例測量在脈沖群的開始脈沖和最后脈沖之間的時間間隔，或者在控制信號sw (alt)中的脈沖的引導邊緣的頻率。根據另一個示例，調光值可以編碼在控制信號sw內的圖案中。[0024]現在參考圖6，圖解說明第二類調光傳輸技術的示例。除了控制信號sw之外，圖解說明的波形與在圖5圖解說明的波形相同，所以下面將僅描述在圖6中的附加信號。信號sw+mod圖解說明根據一個示例的控制信號，其中特定低幅度代碼圖案Cl由圖2的調制器13實施在控制信號sw+mod中以指示過零時刻tzl、tz2、tz3和tz4。圖4的調光值檢測器42被調適來檢測代碼圖案Cl，其圖解說明為低幅度雙極脈沖，但可以是任何可檢測代碼圖案。其他示例由控制信號sw+mod (altl)圖解說明，其圖解說明形成直接編碼調光值dim的二進制代碼的代碼圖案c2的插入，該調光值dim可以由在圖4的調光值檢測器42內的合適解碼器檢測。最后控制信號sw+mod (alt2)圖解說明突發脈沖c3的插入，其頻率指示器調光值dim，可以由在圖4的調光值檢測器42內的合適頻率檢測器檢測。
[0025]雖然已經具體地示出并參照其中的優選實施例描述了本發明，但是本領域的技術人員應當理解，在不脫離本發明的精神和范圍的情況下，可以在形式上和細節上對前述和其它作出改變。
【權利要求】
1.一種用于將電流供應到一個或多個發光二極管(LED)的集成電路，包括: 輸入電路，其用于耦合到外部變換器的次級線圈，所述外部變換器將集成電路和LED與提供脈沖通過所述變換器用于供應能量到LED的初級側電路隔離， 解碼器，其耦合到所述輸入電路，用于解碼被編碼在跨過所述次級線圈提供的電壓波形中的調光值；以及 功率轉換器控制電路，用于與所述調光值一致地控制供應到LED的電流。
2.如權利要求1所述的集成電路，其中所述電壓波形是包括脈沖的初級側功率轉換器波形，并且其中所述調光值及時編碼在脈沖的位置中。
3.如權利要求2所述的集成電路，其中在初級側功率轉換波形的周期的開始脈沖與結束脈沖之間的時間周期指示供應AC線路輸入到產生初級側功率轉換器波形的電路的調光電路的有效周期。
4.如權利要求2所述的集成電路，其中初級側功率轉換器波形的至少一部分的頻率編碼所述調光值。
5.如權利要求2所述的集成電路，其中所述調光值被編碼在初級側功率轉換器開關波形的周期中的脈沖圖案中。
6.如權利要求1所述的集成電路，其中所述電壓波形是包括用于供應能量到LED的脈沖和具有已編碼調光值的附加分量的初級側轉換器波形。
7.如權利要求6所述的集成電路，其中所述附加分量包括具有基本上比用于供應能量到LED的脈沖的峰值電壓小的峰值電壓的脈沖。
8.如權利要求1所述的集成電路，還包括控制電路，其用于操作可控負載，所述可控負載從次級線圈汲取負載電流以維持在次級線圈處的、超過給LED供應預定調光值需要的電流的最小平均負載電流。
9.一種用于將電流供應到一個或多個發光二極管(LED)的集成電路，包括: 輸入電路，其用于通過基于三端雙向可控硅開關調光器電路的動作耦合到具有不同于正弦曲線的特征波形的AC線路電壓源， 調光檢測器，其用于從AC線路電壓的特征波形檢測調光值； 功率轉換器控制電路，其用于控制耦合到外部變換器的初級線圈的開關，所述外部變換器經由初級側功率轉換器波形的脈沖供應能量到一個或多個LED，并且其中所述一個或多個LED耦合到所述外部變換器的次級線圈并且與所述集成電路隔離；以及 編碼電路，其編碼在所述外部變換器的初級線圈處的調光值。
10.如權利要求9所述的集成電路，其中所述調光值及時被編碼在脈沖的位置中。
11.如權利要求10所述的集成電路，其中在初級側功率轉換波形的周期的開始脈沖與結束脈沖之間的時間周期指示所述調光電路的有效周期。
12.如權利要求9所述的集成電路，其中初級側功率轉換器波形的至少一部分的頻率編碼所述調光值。
13.如權利要求9所述的集成電路，其中所述調光值被編碼在初級側功率轉換器開關波形的周期中的脈沖圖案中。
14.如權利要求9所述的集成電路，其中所述電壓波形是包括用于供應能量到LED的脈沖和具有已編碼調光值的附加分量的初級側轉換器波形。
15.如權利要求14所述的集成電路，其中所述附加分量包括具有基本上比用于供應能量到LED的脈沖的峰值電壓小的峰值電壓的脈沖。
16.一種具有一個或多個發光二極管(LED)的照明設備，包括: 調光檢測器，其用于從AC線路電壓的輸入源的波形形狀產生調光值； 第一功率轉換器，其用于供應脈沖到變換器的初級線圈和指示形成初級側功率變換器波形的調光值的進一步信號； 整流器電路，其用于從跨過所述變換器的隔離次級線圈的電壓產生DC電壓，其中所述整流器電路包括用于存儲由脈沖傳輸通過所述變換器的能量的電容器； 檢測器，其用于 從跨過所述變換器的次級線圈的電壓波形檢測指示調光值的進一步信息并且確定被檢測的調光值；以及 第二功率轉換器，其具有耦合到所述電容器用于從電容器供應能量到一個或多個發光二極管的輸入，其中與被檢測的調光值一致地控制供應到一個或多個發光二極管的至少一個電流。
17.如權利要求16所述的照明設備，其中指示所述調光值的進一步信息及時被編碼在脈沖的位置中。
18.如權利要求17所述的照明設備，其中在初級側功率轉換波形的周期的開始脈沖與結束脈沖之間的時間周期指示供應AC線路輸入到第一功率轉換器電路的調光電路的有效周期。
19.如權利要求16所述的照明設備，其中初級側功率轉換器波形的至少一部分的頻率編碼所述調光值。
20.如權利要求16所述的照明設備，其中所述調光值被編碼在初級側功率轉換器開關波形的周期的脈沖圖案中。
21.如權利要求16所述的照明設備，其中所述電壓波形是包括用于供應能量到LED的脈沖和具有已編碼調光值的附加分量的初級側轉換器波形。
22.如權利要求21所述的照明設備，其中所述附加分量包括具有基本上比用于供應能量到LED的脈沖的峰值電壓小的峰值電壓的脈沖。
23.如權利要求16所述的照明設備，還包括可控負載，所述可控負載從次級線圈汲取負載電流以維持在次級線圈處的、超過給一個或多個發光二極管供應預定調光值需要的電流的最小平均負載電流。
24.一種用于將電流供應到一個或多個發光二極管(LED)的方法，所述方法包括: 從AC線路電壓的輸入源的波形形狀產生調光值； 供應脈沖到變換器的初級線圈和指示形成初級側功率變換器波形的調光值的進一步信號; 從跨過所述變換器的次級線圈的電壓產生DC電壓，并且通過從DC電壓給電容器充電來將能量存儲在電容器中； 檢測指示所述調光值的所述進一步信號并且從跨過所述變換器的次級線圈的電壓波形確定被檢測的調光值；以及 從所述電容器供應能量到一個或多個發光二極管，并且其中與被檢測的調光值一致地控制供應到一個或多個發光二極管的至少一個電流。
25.如權利要求24所述的方法，其中指示所述調光值的進一步信息及時被編碼在脈沖的位置中。
26.如權利要求24所述的方法，其中在初次側功率轉換波形的周期的開始脈沖與結束脈沖之間的時間周期指示供應AC線路輸入到產生初級側功率轉換器波形的電路的調光電路的有效周期。
27.如權利要求24所述的方法，其中初級側功率轉換器波形的至少一部分的頻率編碼所述調光值。
28.如權利要求24所述的方法，其中所述調光值被編碼在初級側功率轉換器開關波形的周期的脈沖圖案中。
29.如權利要求24所述的方法，其中所述電壓波形是包括用于供應能量到LED的脈沖和具有已編碼調光值的附加分量的初級側轉換器波形。
30.如權利要求29所述的方法，其中所述附加分量包括具有基本上比用于供應能量到LED的脈沖的峰值電壓小的峰值電壓的脈沖。
31.如權利 要求24所述的方法，還包括利用可控負載分散傳輸到電容器的過多能量，所述可控負載從次級線圈汲取負載電流以維持在次級線圈處的、超過給LED供應預定調光值需要的電流的最小平均負載電流。
【文檔編號】H05B33/08GK103636105SQ201280032724
【公開日】2014年3月12日 申請日期:2012年6月29日 優先權日:2011年6月30日
【發明者】約翰·L·梅安森, 埃里克·金 申請人:美國思睿邏輯有限公司