用于固態燈泡組件的驅動電路的制作方法
【專利摘要】本文件涉及用于固態燈泡組件的驅動電路，特別是涉及用于包括發光二極管的燈泡組件的驅動電路。描述了一種用于固態光源（6）的驅動電路（112）。驅動電路（112）包括將輸入電壓（11）轉換成中間電壓（128）的第一電源轉換器級（20）；將中間電壓（128）轉換成光源（6）的驅動電壓（15）的第二電源轉換器級（22）；以及控制器（100）。該控制器（100）包括：第一控制單元（130），用于產生用于第一電源轉換器級（20）的第一控制控制信號（26）；第二控制單元（124），用于產生用于第二電源轉換器級（22）的第二控制控制信號（28）；以及狀態控制單元（101），用于確定光源（6）的目標狀態；其中該第一和第二控制單元（130，124）用于接收指示目標狀態的信息（162，163）；以及其中該第一和第二控制單元（130，124）用于基于該指示目標狀態的信息（162，163）產生該第一和第二控制信號（26，28）。
【專利說明】用于固態燈泡組件的驅動電路
【技術領域】
[0001]本文件涉及用于固態燈泡組件的驅動電路，特別是涉及用于包括發光二極管的燈泡組件的驅動電路。
【背景技術】
[0002]人們對不使用白熾燈絲的電燈泡的興趣日益增加，因為基于燈絲的燈泡都被認為是低效率和高能耗的。
[0003]事實上，最近的立法變化意味著傳統的白熾燈泡在世界許多地方被淘汰。現有的對白熾燈泡的一種替代是緊湊型熒光燈燈泡。
[0004]固態照明(SSL)，例如基于改造燈的發光二極管(LED)和有機發光二極管(0LED)，提供在效率，即時光輸出，光質量，和壽命方面高于基于改造燈的緊湊型熒光燈(CFL)的卓越性能。進入市場的主要成本是產品成本，因為當今的基于LED的燈的商店價格可達CFL燈的10倍。
[0005]LED燈組件的關鍵元素是LED光源。用流明每瓦測量的發光效率，已經在過去10年顯著改善，并對于白光LED，繼續進一步增加到2501m/W的水平，具有進一步改善的潛質。
[0006]采用LED光源的另一大優勢是他們具有較高的壽命，因為唯一的失效模式是光源的輸出耦合光學元件慢慢折舊。
[0007]SSL燈組件通常采用市電或電力線電力供應工作，該市電或電力線電力供應提供AC電壓，通常為110V/120V或230V/240V，頻率在50至60Hz之間。這種電源電壓的交流性質因此導致SSL燈組件的功率本質上是與時間有關的。在一個功率周期中功率通常在零和數倍平均系統功率之間變化。
[0008]需要提供DC驅動信號給SSL裝置。由于所謂的下垂影響上升的現時水平，DC驅動信號的任何波動會導致可見的影響如閃爍和SSL效率的退化。
[0009]每當瞬時輸入功率高于瞬時輸出功率，過剩功率必須存儲在電源轉換器。每當瞬時輸入功率低于瞬時輸出功率，缺少的功率必須由電源轉換器傳遞。因此，電源轉換器通常包括電存儲元件。
[0010]電能量可以采用電感作為電流存儲，或采用電容作為電壓存儲。為了在高于毫秒的時間區域內存儲合理數量的電能，電感存儲元件往往會變得非常龐大而笨重。電源轉換器通常采用電容器儲能。
[0011]在先前考慮的設計中，提供了一個包括開關元件的單級。該開關元件為能夠以相當高頻率來開關電幅值的MOSFET或雙極型器件或其他任何設備。
[0012]典型的示例的單級轉換器包括反激式變轉換器，降壓轉換器或降壓/升壓轉換器。如果使用單級轉換器，該電感存儲元件既可連接到轉換器的輸入端也可以連接到輸出端。
[0013]如果存儲元件設置在輸入端，市電電流僅在一個非常短的時間內被拉升導致市電電流的大失真，該電源電流需要濾波以符合法律標準。進一步，在SSL燈組件中的典型環境溫度下，該電容存儲元件需要承受非常高的電壓，該電壓通常高于市電電壓的峰值。
[0014]這種電容存儲元件通常是具有濕性電解質的鋁電解電容，該濕性電解質會慢慢蒸發或擴散，導致設備的退化，特別是在增加溫度水平下導致設備的退化。這些設備昂貴，對壽命限制敏感和體積龐大。
[0015]如果存儲元件在電源轉換器的輸出端，它實質上是設置成與SSL裝置并聯。SSL裝置實質上產生非常低的增量電阻。因此能量存儲設備的容量必須非常大以實現對進入SSL裝置的電流波動進行適當的濾波。通常需要電容量大體高于lOOuF。在很多情況下需要電容量為IOOOuF或更高。
[0016]這種電容存儲元件通常是具有濕性電解質的鋁電解電容，該濕性電解質會慢慢蒸發或擴散，導致設備的退化，特別是在增加溫度水平下導致設備的退化。這些設備昂貴，對壽命限制敏感和體積龐大。
[0017]一種先前考慮的電源轉換器拓撲結構具有輸入端，輸出端和電源開關的公共參考電位。這種拓撲具有簡單控制的優點但是具有輸出電壓高于輸入電壓的明顯的缺點。這些拓撲也被稱為升壓電路。為在SSL燈組件中使用，輸出電壓變成高于市電峰值電壓，生成高達400伏及以上的輸出電壓。所需的電容體積大，昂貴并且在提升的溫度條件下電容的壽命受到強烈限制。
【發明內容】
[0018]根據另一個方面，描述了一種用于固態燈泡組件的驅動電路。固態光源可以是，例如LED和0LED。該驅動電路通常包括電源轉換器，該電源轉換器用于將市電電源的電力轉換成光源的電力。特別地，該電源轉換器可用于將DC輸入電壓轉換成DC輸出電壓，其中該DC輸出電壓通常對應于SSL源的導通電壓。特別地，該驅動電路可以包括多級電源轉換器。因此，驅動電路可包括第一電源轉換器級，該第一電源轉換器級用于將輸入電壓轉換成中間電壓(也稱這里為總線電壓)。輸入電壓可以是已整流的市電電壓。第一電源轉換器級可包括開關電源轉換器，例如單端初級電感轉換器。此外，驅動電路可包括第二電源轉換器級，該第二電源轉換器級用于將中間電壓轉換成用于光源的驅動電壓(例如導通電壓)。第二電源轉換器級可包括開關電源轉換器，例如反激式轉換器。
[0019]第一電源轉換器級可包括用于接收輸入電壓的輸入連接器，用于提供中間電壓的輸出連接器和開關器件。該輸入連接器，輸出連接器和開關器件可共用一個公共的參考電位，從而允許使用(成本效率)低端的驅動電路來驅動第一電源轉換器級的開關器件。輸入連接器的電壓可大于第一電源轉換器級的輸出連接器的電壓。第一電源轉換器級的例子為SEPIC轉換器,反激式轉換器和正向轉換器。以類似的方式，第一電源轉換器級可包括用于接收中間電壓的輸入連接器，用于提供驅動電壓的輸出連接器和開關器件。該輸入連接器，輸出連接器和開關器件可共用一個公共的參考電位，從而允許使用(成本效率)低端的驅動電路來驅動第二電源轉換器級的開關器件。
[0020]該驅動電路可包括控制器(例如控制器芯片)。該控制器可包括第一控制單元(如控制器的SW元件)，該第一控制單元用于產生用于第一電源轉換器級的第一控制信號。進一步，該控制器可包括第二控制單元(如控制器的SW元件)，該第二控制單元用于產生用于第二電源轉換器級的第二控制信號。如上面指出的，該第一和/或第二電源轉換器級可包括含有各自的開關電源轉換器。這樣，該第一和第二控制信號可包括控制各自的開關(或開關器件)的脈沖寬度調制控制信號。該第一和第二控制單元可用于分別交換指示第一和第二控制信號的控制數據。通過這樣做，該控制器(特別是第一和第二控制單元的控制器)可用于提高驅動電路的性能(特別是關于收斂速度和/或穩定性的性能)。
[0021]第一控制單元可用于采用具有第一組系數的第一控制算法產生第一控制信號。通過示例的方式，該第一控制算法包括PID控制算法。該第一組系數可包括比例增益、積分增益和/或微分增益。以類似的方式，第二控制單元可用于采用具有第二組系數的第二控制算法產生第二控制信號。通過示例的方式，該第二控制算法包括PID控制算法。該第二組系數可包括比例增益、積分增益和/或微分增益。
[0022]在第一和第二控制單元之間交換的控制數據可包括該第一和/或第二組系數。這樣，該第二控制單元可用于基于第一控制單元使用的該組系數確定第二組系數(反之亦然)。更一般來說，第二控制單元可用于基于指示第一控制信號的控制數據產生第二控制信號(反之亦然)。這樣，第一和第二控制單元可用于確定第一和第二組系數從而增加收斂速度和穩定性之間的平衡。
[0023]該控制器可包括狀態控制單元，該狀態控制單元用于確定光源的目標狀態(例如目標照明狀態)。特別地，該狀態控制單元可用于采用狀態機從當前狀態確定目標狀態。燈泡組件(或光源)可工作于多個不同的狀態，其中該多個狀態指示光源的多個對應的不同照度級。可選地或另外，多個不同狀態的一個或多個狀態可指示燈泡組件的內部狀態。該狀態機可包括(或可定義)多個指示光源的多個對應的照度級的狀態，以及在該多個狀態的至少一些狀態之間的多個轉換。多個轉換通常取決于相應的多個事件。換句話說，從第一狀態到第二狀態的轉換通常由檢測到特定的事件觸發。多個事件中的一個事件可由一個或多個條件限定。該一個或多個條件可包括一個或多個:關于驅動電路溫度的條件；關于預定的時間間隔的條件；和/或關于市電電源電壓的條件。
[0024]該狀態控制單元可以用于確定該多個狀態的當前狀態。該當前狀態通常是光源當前工作的狀態。通過示例的方式，當前狀態可指示光源的當前照度級。為此目的，狀態可以包括關于提供給光源的功率值的信息。提供給光源的功率值可指示光源的照度級。電燈泡組件的所提供的功率值和實際的照度級之間的具體關系可以在燈泡組件的制造過程中的照明校準的上下文中確定。
[0025]該狀態控制單元可用于檢測事件，例如基于驅動電路或光源的溫度的事件。該事件可由例如溫度超過或低于預定的溫度閾值的條件來定義。此外，該狀態控制單元可以用于基于狀態機確定多個狀態的目標狀態。以示例的方式，該狀態機可指示從當前狀態到目標狀態(如目標照明狀態)的取決于事件的轉換。
[0026]第一和第二控制單元可用于接收指示目標狀態的信息(如目標照明狀態)。進一步，第一和第二控制單元可用于基于指示目標狀態的信息產生第一和第二控制信號。進一步，第一和第二控制單元可以考慮當前狀態(如當前照明狀態)，以確保從當前狀態到目標狀態的快速和/或穩定的控制。
[0027]該控制器可用于接收指示光源的目標調光值的信息。該目標調光值可由調光器設置(例如切相調光器)。這樣，該指示目標調光值的信息可對應于由調光器設置的傳導角。進一步，控制器可用于接收指示用于設置目標調光值的調光器的類型的信息(如前沿切相調光器或后沿切相調光器)。該第一和第二控制單元可用于基于指示光源的目標調光值的信息和/或基于調光器的類型產生第一和第二控制信號。特別地，該第一和第二控制單元可用于基于指示光源的目標調光值的信息和/或基于調光器的類型確定該第一和/或第二控制算法的第一和/或第二組系數。換句話說，第一和/或第二控制單元可用于將第一和/或第二控制算法(特別是第一和/或第二控制算法的系數)適應到目標調光值和/或調光器的類型。該組系數可基于指示光源的調光值的信息的變化以動態方式適應。
[0028]控制器可進一步包括用于產生時鐘信號的中央時鐘信號發生器。該第一和第二控制單元可采用該時鐘信號同步。
[0029]該控制器可用于接收一個或多個反饋信號。該一個或多個控制信號可包括一個或多個:指示輸入電壓的信號，指示中間電壓的信號，指示驅動電壓的信號。該第一和第二控制單元可用于另外基于該一個或多個反饋信息產生第一和第二控制信號。特別地，該第一和第二控制單元可用于基于該一個或多個反饋信號確定該第一和/或第二控制算法的第一和/或第二組系數。換句話說，第一和/或第二控制單元可用于根據該一個或多個反饋信號適應第一和/或第二控制算法(特別是第一和/或第二控制算法的系數)。
[0030]控制器可用于接收關于驅動電路吸取的功率的信息(如關于驅動電路吸取的電流)。該第一和第二控制單元可用于另外基于關于驅動電路吸取的功率的信息產生第一和第二控制信號。特別地，該第一和第二控制單元可用于基于關于驅動電路吸取的功率的信息分別確定該第一和/或第二控制算法的第一和/或第二組系數。換句話說，第一和/或第二控制單元可用于根據關于驅動電路吸取的功率的信息適應第一和/或第二控制算法(特別是第一和/或第二控制算法的系數)。
[0031]根據另一個方面，描述了一種用于包括多級電源轉換器的驅動電路的控制器。控制器可包括任何當前文件中描述的特征和元件。
[0032]根據又一個方面，描述了一種燈泡組件。該燈泡組件可包括殼體，位于殼體中的固態發光器件以及連接到殼體并且用于連接到市電電源的電連接模塊。進一步，該燈泡組件如本文件中描述的任一方面的驅動電路。該驅動電路可位于殼體中，并且可被連接以從電連接模塊接收電力信號。進一步，該驅動電路可用于將電驅動信號提供給發光器件。
[0033]根據另一方面，提供了一種用于燈泡組件的驅動電路，該驅動電路包括固態發光器件和提供驅動電流給發光器件的驅動電路，該驅動電路包括:電源轉換器，該電源轉換器包括第一級和第二級，該第一級和第二級用于提供驅動電流給連接的發光器件；控制器，用于提供控制信號給第一和第二級，其中第一和第二級中的一個由轉換電路實施，該轉換電路包括用于接收輸入電壓的輸入連接器，用于提供輸出電壓的輸出連接器，以及開關器件該輸入連接器，輸出連接器和開關器件共用一個公共的參考電位，其中該轉換電路用于提供輸出信號，該輸出信號的電壓比輸入信號的電壓低。
[0034]根據另一方面，提供了一種燈泡組件，該燈泡組件包括殼體；處于殼體中的固態發光器件；電連接模塊，連接到殼體，并且用于連接到市電電源；以及驅動電路(12)，位于殼體中，被連接以從電連接模塊接收電力信號，以及用于將電驅動信號提供給發光器件。該驅動電路包括:電源轉換器，該電源轉換器包括第一級和第二級，該第一級和第二級用于提供驅動電流給連接的發光器件；控制器，用于提供控制信號給第一和第二級，其中第一和第二級中的一個由轉換電路實施，該轉換電路包括用于接收輸入電壓的輸入連接器，用于提供輸出電壓的輸出連接器，以及開關器件該輸入連接器，輸出連接器和開關器件共用一個公共的參考電位，以及其中該轉換電路用于提供輸出信號，該輸出信號的電壓比輸入信號的電壓低。
[0035]在一個例子中，該轉換電路包括:位于參考電位和輸入端之間的輸入連接器，串聯于輸入端和參考電位之間的第一電感能量儲存元件以及第一開關元件，串聯于該第一電感能量存儲元件和參考電位之間并與第一開關元件并聯的電容能量存儲元件和電壓重置元件，與電容能量存儲元件和電壓重置元件連接的第二開關器件，以及位于第二開關器件和參考電位之間的輸出連接器。在一個特定的示例中，電容存儲元件在工作期間具有電壓，以及電壓重置元件用于維持該電壓大體與施加到輸入連接器的輸入電壓相等。在一個例子中，該轉換電路包括:位于參考電位和輸入端之間的輸入連接器，串聯于輸入端和參考電位之間的第一電感能量儲存元件以及第一開關元件，串聯于該第一電感能量存儲元件和參考電位之間并與第一開關元件并聯的電容能量存儲元件和第二電感能量存儲元件，與電容能量存儲元件和第二電感能量存儲元件連接的第二開關器件，以及位于第二開關器件和參考電位之間的輸出連接器。
[0036]在一個例子中，第一和第二級中的一個由單端初級電感轉換器SEPIC電路提供。
[0037]在一個例子中，該電源轉換器包括:第一電源轉換器級，被連接以從電連接模塊接收電力信號并且用于根據來自控制器的第一控制信號從電連接模塊吸取電能；電容電能量存儲裝置，被連接用來接收來自該第一電源轉換器級的電能；以及第二電源轉換器級，被連接用于接收來自第一電源轉換器級的電能，以及用于根據接收自控制器的第二控制信號將電驅動電流輸出到固態發光器件。
[0038]在一個例子中，該控制器包括數字數據處理裝置以及數字數據存儲裝置，該控制器用于接收輸入信號，用于根據該輸入信號和存儲于數據存儲裝置的特性信息產生第一和第一控制信號，該特性信息與處于控制之下的燈泡組件相關，以及用于分別提供第一和第二控制信號給第一和第二電源轉換器級以控制該第一和第二電源轉換器級。根據另一方面，提供了一種燈泡組件，該燈泡組件包括殼體；處于殼體中的固態發光器件；電連接模塊，連接到殼體，并且用于連接到市電電源；以及驅動電路(12)，位于殼體中，被連接以從電連接模塊接收電力信號，以及用于將電驅動信號提供給發光器件。該驅動電路包括:電源轉換器，該電源轉換器包括第一級和第二級，該第一級和第二級用于提供驅動電流給連接的發光器件；控制器，用于提供控制信號給第一和第二級，其中第一和第二級中的一個由轉換電路提供，該轉換電路包括用于接收輸入電壓的輸入連接器，用于提供輸出電壓的輸出連接器，以及開關器件該輸入連接器，輸出連接器和開關器件共用一個公共的參考電位，以及其中該轉換電路用于提供輸出信號，該輸出信號的電壓比輸入信號的電壓低。
[0039]在一個例子中提供了一種兩級電源轉換器。在兩級電源轉換器中，設置存儲元件的第三種選擇是將該存儲元件設置在第一轉換器級的輸出端。可以選擇平均電壓水平以及波動數量以優化存儲元件的成本、尺寸和壽命并且該平均電壓水平以及波動數量完全不與SSL裝置工作產生的要求或符合由標準或de要素市場標準定義的某些電源質量目標的要求掛鉤。
[0040]在另一個例子中，一種用于SSL燈的雙級電源的特征在于存儲元件連接在第一和第二級之間，以及選擇裝置的平均電壓來優化裝置的成本/性能/尺寸比并且可以設置波動從而使所需的電容值最小化。
[0041]在另一個例子中，連接在第一和第二功率級之間的電容存儲元件為陶瓷電容。在一個例子中，電容為多層陶瓷電容器。在另外一個例子中，電容為塑料薄膜電容。
[0042]在另一個例子中，第二電源轉換器級具有安全隔離屏障以根據全球安全法規，例如安全電子低電壓法規(SELV)將第二級的輸出電壓與市電電壓隔離。
[0043]多個電源轉換器級往往具有更高的元件數量，但是由于相比于單級轉換器具有較低的電量級和更少的電壓條件，單個元件可以設計得更小。
[0044]在一個例子，提供了一種兩級電源轉換器的結構，該結構的特征在于所有涉及的功率開關與地關聯，從而可被與同一地電位關聯工作的控制IC裝置控制，以及因此不需要額外的電路在參考電位驅動功率開關而是在公共地電位驅動功率開關。
[0045]在一個例子中，電容存儲元件設置在第一個轉換器級中，連接在電感存儲元件和輸出電壓之間。在一個例子中，該附加的電容也串聯有整流元件。通過持續對附加的電容充電達到定義的電壓水平來保持輸入電壓低于輸出電壓，以及因此適于用于作為SSL裝置的電源電壓。附加的電容存儲元件并不能促進能量轉移，而是在通常低于100μ s的高頻周期內保持電壓恒定。因此，電容可以設計成小尺寸，低成本，并且沒有實質性的壽命限制。為了將附加的存儲元件的電壓維持在一個定義的水平，需要電壓重置元件。在一個例子中，該重置元件為連接在附加的電容元件和參考電位之間的電感。
[0046]應該注意，包括如本文件概述的優選實施例的方法和系統可以獨立使用或結合該文件揭露的其他方法和系統使用。此外，系統的上下文中概述的特征也適用于相應的方法。此外，本文件概述的方法和系統的所有方面可任意結合。特別地，權利要求的特征可以以任意方式相互組合。
[0047]在本文件中，術語“耦合”或“被耦合”是指彼此之間電通信的元件，不論是直接連接如通過電線，或是以其他方式連接。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0048]圖1為燈泡組件的示意圖；
[0049]圖2為圖1的組件的驅動電路的示意方塊圖；
[0050]圖3為用于圖2的電路的第二示例驅動的示意方塊圖；
[0051]圖4為用于圖2的電路的第三示例驅動的示意方塊圖；
[0052]圖5為電源轉換器電路的例子的示意方塊圖；
[0053]圖6為用于圖3或圖4的驅動的示例控制器的示意方塊圖；以及
[0054]圖7為包括多級電源轉換器的示例燈泡組件的示意方塊圖。
【具體實施方式】
[0055]在當前上下文中，燈泡“組件”包括代替傳統白熾燈燈絲型的燈泡所需要的所有的元件。從下面給出的例子的描述將會變得清楚，本文件的教導適于連接到標準電力供應的燈泡組件。在英式英語，該電力供應是指市電電力。而在美式英語，該供應是指“電力線”。其他術語包括“AC電源”，“線路電力”，“家用電力”以及“電網電力”。應當理解這些術語可以很容易互換，并具有相同的意思。[0056]通常，在歐洲的電力供應是230-240V AC，50Hz，以及在北美是110-120VAC，60Hz。載于下文的原理適用于任何合適的電力供應，包括提及的市電/電力線，DC電源，以及經整流的AC電源。
[0057]圖1為燈泡組件的示意圖；該組件I包括燈泡殼體2以及電連接模塊4。該電連接模塊4可為螺紋式或卡口式，或其他任何形式的連接到燈泡座的連接件。固態光源6，優選發光二極管(LED),設置在殼體2中。光源6可由單個發光器件或多個這樣的器件提供。
[0058]驅動電路8位于燈泡殼體2中，用于將從電連接模塊4接收到的電力轉換成用于固態光源6的受控的驅動電流。
[0059]該殼體2給光源和驅動元件提供一個適當的堅固的外殼，并且包括需要的光學元件以從該組件提供所需的輸出光。該殼體2也提供散熱功能，因為光源溫度的管理對光輸出的最大化和光源壽命非常重要。相應地，該殼體設計成使光源產生的熱能夠從光源導走，并且作為一個整體位于組件外面。殼體設計的一個復雜之處在于，對于消費產品，為了防止傷害用戶，殼體的外溫度必須適當低。這些要求可導致殼體設計制造復雜。相應地，謹慎和準確地管理燈泡的熱特性是可取的。
[0060]圖2更詳細地展示了圖1的驅動電路8和光源6。該驅動電路8包括整流器10，該整流器10接收交流電(AC)，并在其輸出處傳送整流電流(DC)ll。這個DC電源由驅動器12接收,該驅動12用于輸出受控的DC驅動信號以提供電能給光源6。來自驅動器12的輸出驅動信號的電壓和電流特性由光源6使用的發光器件的類型和數量確定。提供給光源6的功率根據所需的工作條件來控制。在一個例子中，該光源包括多個發光器件，以及需要具有50V或更高的驅動信號。通常，驅動信號可在IOV到高于100V的范圍。
[0061]圖3展示了示例的適于用于圖2的驅動電路8的第一示例的驅動器12。該第一驅動器12包括由控制器24控制的第一和第二電源轉換器級20和22。在這個例子中，該第一電源轉換器級20接收來自整流器10的DC電源11，以及用于將電源信號轉換成具有所需的功率，電壓以及電流特性的中間信號。該中間信號被提供給第二電源轉換器級22以轉換成提供給光源的受控的輸出驅動信號15。應當理解，該整流器10可由遠程整流器替代，遠程整流器給燈泡組件提供經整流的AC電源，或由DC電源如電池替代。
[0062]電感電能存儲裝置21設置在第一和第二電源轉換器級20和22之間。能源存儲裝置21從第一電源轉換器級接收電能，和提供能量給第二電源轉換器級22。能量存儲裝置21有利于克服由輸入電源信號的交流特性引起的可用功率的波動。
[0063]每個電源轉換器20和22包括至少一個電感儲能器件，以及至少一個開關器件。該開關器件由控制器16控制，并且可由金屬氧化半導體場效應管(MOSFET)器件或其他適于開關高電壓(例如數百伏)的器件提供。
[0064]在一個例子中，第一和第二電源轉換器級20和22中的一個由轉換電路提供，該轉換電路具有輸入和輸出連接器，以及開關器件，該輸入連接器，輸出連接器和開關器件共用一個公共的參考電位，以及其中該轉換電路使輸出信號的電壓比輸入信號的電壓低。該電路的一個例子是SEPIC (單端初級電感轉換器)電路，下面將會進行描述。其他的級可由合適的電路拓撲提供。例如，可用于其他電源轉換器級的降壓轉換電路，升壓斬波電路，降壓/升壓轉換電路，另一 SEPIC電路，或反激式轉換電路。電路拓撲的一些組合會比其他更合適。[0065]控制器24接收與電源轉換器級20和22和/或光源的工作相關的各個傳感信號或反饋信號25和27，并提供各個控制信號26和28給第一和第二電源轉換器級20和22以使驅動信號15適于光源6所需的操作。下面將更詳細地解釋控制器的工作。
[0066]圖4展示了示例的適于用于圖2的驅動電路8的第二示例的驅動器12。該第二驅動器12’與圖5的第一驅動器12類似，并且包括由控制器24控制的第一和第二電源轉換器級20和22。該第一電源轉換器級20從合適的源例如整流器10接收DC電源11，以及用于將電源信號轉換成具有所需的功率，電壓以及電流特性的中間信號。該中間信號被提供給第二電源轉換器級22以轉換成提供給光源的受控的輸出驅動信號15。
[0067]如前述的例子，電容電能存儲裝置21設置在第一和第二電源轉換器級20和21之間。能源存儲裝置21從第一電源轉換器級接收電能，和提供能量給第二電源轉換器級22。能量存儲裝置21有利于克服由輸入電源信號的交流特性引起的可用功率的波動。
[0068]每個電源轉換器20和22包括至少一個電感儲能器件，以及至少一個開關器件。該開關器件由控制器24控制，并且可由適于開關高電壓的金屬氧化半導體場效應管(MOSFET)器件或其他器件提供。如前面所述，第一和第二電源轉換器級20和22中的一個由具有輸入和輸出連接器以及開關器件的電路提供，該輸入連接器，輸出連接器和開關器件共用一個公共的參考電位，以及其中該電路使輸出信號的電壓比輸入信號的電壓低，如SEPIC (單端初級電感轉換器)電路。其他的級可由合適的電路拓撲提供。例如，可用于其他電源轉換器級的降壓轉換電路，升壓斬波電路，降壓/升壓轉換電路，另一 SEPIC電路，或反激式轉換電路。電路拓撲的一些組合會比其他更合適。
[0069]控制器24接收與電源轉換器級20和22和/或光源的工作相關的各個傳感信號或反饋信號25和27，并提供各個控制信號26和28給第一和第二電源轉換器級20和22以使驅動信號15適于光源6所需的操作。下面將更詳細地解釋控制器的工作。
[0070]第二驅動器12還包括次級控制電路30和隔離器32。該次級控制電路30用于從第一電源轉換器級20接收傳感/反饋信號25，以及通過隔離器32將那些信號傳遞到控制器24。同樣，控制器24可用于通過隔離器32將控制信號傳遞給次級控制電路30，以提供給第一電源轉換器級20。在電源轉換器級和控制器工作在不同的電壓水平的情況下，該隔離器32用于將第一電源轉換器級20與控制器24隔離。
[0071]SEPIC (單端初級電感轉換器)電路為DC-DC電源轉換器電路的配置，該DC-DC電源轉換器電路的輸入和輸出信號具有公共地或參考電位。SEPIC電路的例子如圖5所示，并且包括設置于輸入端31和參考電位32之間的輸入連接器。第一電感能量存儲元件33和第一開關34串聯于輸入端31和參考電位32之間。電容能量存儲元件35以及電壓重置元件36串聯于第一電感存儲元件33以及參考電位32之間，并與第一開關34并聯。電壓重置元件36可用于維持電容存儲元件35的電壓大體等于在輸入連接件接收的輸入電壓。該電壓重置元件可由第二電感能量存儲元件提供。
[0072]第二開關37連接在電容存儲元件35和輸出端38之間。該輸出端38提供電路的輸出連接器，該輸出連接器與輸入連接器具有相同的參考電位32。該電壓重置元件36可由電感，電感/ 二極管組合，或任何合適的元件提供。
[0073]第一開關器件34被連接從而當開關接通時，輸入電壓施加到第一電感存儲元件33。第一開關器件34可由任何合適的開關器件如MOSFET或雙極型晶體管提供。[0074]電容存儲裝置35工作從而在一個開關周期內開關器件電壓的變化明顯小于由電容存儲裝置35存儲的電壓。此外，存儲裝置35的平均電壓大體等于輸入電壓。
[0075]第二開關器件37被連接從而第二開關器件在開啟狀態時第一電感存儲元件33的電壓為輸入電壓，輸入電壓和電容存儲兀件電壓的線性總和。電容存儲器件35的電壓確定與第一電感存儲元件33相關的電流。第二開關器件37可由任何合適的開關器件如二極管提供。
[0076]圖5的SEPIC電路的重要特性為輸入和輸出連接器以及第一開關器件共用一個公共參考電位，以及電路用于產生輸入電壓低的輸出電壓。
[0077]圖6展示了示例的適于用于圖3或圖4的驅動器的控制器40的一個可能的例子。該控制器40包括:輸入/輸出接口單元42，該輸入/輸出接口單元42用于接收傳感/反饋信號S以及用于輸出控制信號C ;用于系統的所有控制的處理單元；以及用于存儲被處理裝置44使用的數據的數據存儲裝置46。可提供通信輸入/輸出裝置48使處理單元44能夠與其他裝置通信，例如使用合適的有線或無線通信協議。控制器40還包括:電源穩壓器50，該電源穩壓器給控制器40中的裝置提供電源；以及時鐘信號發生器52 (如震蕩電路)，時鐘信號發生器52用于向處理單元44提供基準時鐘信號。
[0078]該處理單元44用于產生用于控制電源轉換器中的開關器件或器件的控制信號C。通常，該控制信號為脈沖寬度調制信號，該脈沖寬度調制信號控制電源轉換器的開關器件的占空比(也就是說“開”對“關”的比例)，以及因此控制該輸出驅動信號15。該處理單元將接收到的與電源轉換器和/或光源的工作條件相關的信號與作為數據存儲在數據存儲裝置46的特性信息結合。該處理單元使用與輸入信號相關的信息結合存儲的特性信息來確定輸出給電源轉換器的正確的控制信號值。
[0079]在圖6的例子，通過借助提供的數據存儲裝置46，該處理單元44是可編程的。該數據存儲裝置可由熔絲陣列，一次性可編程設備(0ΤΡ)，閃存設備，或任何其他非易失性存儲設備來提供。該設備可以是可重新編程的，或在燈泡組件制造過程中可以可編程一次。提供可編程數據存儲裝置使處理單元的功能能夠根據電源轉換器的工作特性變化，可讓單個驅動電路用于一系列不同的燈泡組件。該傳感/反饋信號分別為電源轉換器和/或光源的工作狀態。例如，該信號可表示任何在電源轉換器或光源中的電壓或電流水平。可選地，或另外，該信號可與至少一個溫度，輸出光水平，輸出光頻率，具有特定頻率或一個范圍的頻率的輸出光量級，存在檢測信號，紅外水平和/或環境光水平相關。
[0080]該輸入/輸出界面單元42包括用于提供數字信息給處理單元44的模擬數字轉換器。
[0081]在該驅動器的控制器可為標準元件，使控制單元的制造成本較低，以及因此驅動器的成本也低。另外，控制單元以及驅動器的物理尺寸可以優化，從而驅動器可以用于大范圍的不同尺寸的燈泡應用。
[0082]可編程控制單元能夠提供具有所需范圍的特征的驅動器，如調光，不需要為每個類型的燈泡提供不同的驅動電路。在一個例子中，該控制器在單個集成電路中實現，例如使用CMOS (互補金屬氧化物半導體)襯底0.35微米工藝。
[0083]圖7展示了示例的包括驅動電路112 (例如驅動電路12或12’ )的燈泡組件I的方塊圖，驅動電路包括控制器(如控制芯片)100 (如控制器24或30)。驅動電路112包括兩級電源轉換器，該兩級電源轉換器具有第一轉換器級20和第一轉換器級22。在所示的例子中，該第一轉換器級20為SEPIC轉換器以及第二轉換器級22為反激式轉換器。兩個轉換器級20，22采用各個控制單元130，124以及各個PWM (脈沖寬度調制)發生單元131，125控制。控制器100的元件采用單個中央時鐘信號發生器152計時，從而確保控制器100的不同元件(尤其是控制單元130，124以及PWM發生單元131，125)以同步方式工作。
[0084]該控制器100可從驅動電路112接收一個或多個模擬電信號，該模擬電信號可作為反饋信號控轉換器級20，22.特別地，該控制器100可接收來自市電輸入電壓(例如與已整流的輸入電壓I成比例的電壓)的電壓，來自總線電壓128的電壓(例如使用分壓器127)和/或來自驅動電壓15的電壓。控制器100可包括模擬數字(A/D)轉換器126，該模擬數字轉換器126用于將來自驅動電路112的一個或多個電反饋信號轉換成數字信號。該反饋信號可被控制單元130，124用來控制轉換器級20，22。
[0085]該控制器100還可包括狀態控制單元101 (例如處理單元44)。該狀態控制單元101可從溫度傳感器102 (通過A/D轉換器103)接收溫度信息和從存儲單元146 (例如數據存儲單元46)接收系統狀態數據。該系統狀態數據可描述用于燈泡組件I的狀態機。該狀態機的每個狀態可以(例如特征為)與溫度事件相關聯，該狀態對溫度事件敏感。進一步，該狀態機可以(例如特征為)與各個事件發生時進入的后續狀態相關聯。
[0086]換句話說，該狀態機可包括多個狀態(例如照明狀態)，該多個狀態可指示各個預定的調光值。特別地，多個狀態中的一個狀態可指示電源轉換器級20，22的設置(設置與LED6的各個調光值相關聯)。又換句話說，該狀態可指示供給LED6的功率(功率與LED的各個調光值或照明水平相關聯)。進一步，該狀態機可定義一個或多個事件，該事件可觸發狀態機的多個不同狀態之間的轉換。通過示例的方式，LED6的溫度特定估算值可導致多個不同狀態之間的轉換。可能的事件為，例如跨過溫度閾值，超時事件，用戶生成事件，在輸入電源電壓(即在市電電源)檢測到的事件如輸入電源電壓的一個特定切相角。狀態機可包括多個狀態，其中每個狀態與LED6的對應的照度級如LED的最大照度級(如100%)，LED的中間照度級(如50%)，LED的另一中間照度級(如10%)，和/或如LED的最小照度級(如0%)(如“關”)相關聯。每個狀態可由各個LED功率值定義，也就是說由提供給LED6的功率值定義。
[0087]進一步，該狀態機可包括多個事件。事件可由一個或多個條件定義，例如與溫度傳感器102測量的溫度(可對應于控制器芯片100的溫度，假設片上溫度傳感器102)相關的條件。第一事件可由溫度低于第一閾值Tl的條件定義，第二事件可由溫度小于T2大于等于Tl的條件定義，第三事件由溫度小于T3大于等于T2的條件定義，第四事件由溫度大于等于T3的條件定義。
[0088]可選地或另外，事件可由與溫度的轉換有關的條件來定義，芯片溫度702的轉換為從低于閾值T1，T2，T3中的一個的溫度轉換成高于Τ1，Τ2，Τ3中的一個的溫度(或相反)。換句話說，定義事件的事件或條件可與從任一方向跨過閾值Tl，Τ2，Τ3中的一個有關。
[0089]利用上述狀態以及事件，狀態機可定義從當前狀態到目標狀態的轉換，取決于事件的檢測。狀態機多個不同狀態之間的轉換做出滯后。從較低的照度狀態到較高的照度狀態的轉換的滯后比相反的轉換的滯后通常需要更低芯片溫度。通過這樣做，狀態機的穩定性可以得到改善。特別是可以避免狀態之間的波動。
[0090]如上文所述，本文件提出使用雙級開關電源轉換器，該開關電源轉換器采用例如由同步數字控制器100控制的組合的SEPIC/FLYBACK拓撲。提出的轉換器架構的優點是在第一和第二轉換器級20，22之間的DC連接總線電壓128相對低和DC連接總線電壓的動態范圍相對高。使用兩級電源轉換器容許沒有或有限的浪涌電流的工作。進一步，使用設置為適當的系數的控制回路允許相對高的功率因數。使用包括控制單元130的數字控制器容許可編程性。特別地，將控制單元130，124中使用的控制算法的控制系數適應到光源6的狀態是可能的。另一優點是提出的轉換器架構支持無力的泄漏的電流，從而使轉換器結合調光器能夠有效使用。
[0091]圖7的控制器100包括中央時鐘振蕩器152 (如時鐘信號發生器52)和系統狀態機101。控制器100的所有方塊作為完整的同步系統工作于由中央時鐘振蕩器152 (也稱為時鐘信號發生器)產生的公共時鐘。輸入電壓，DC連接總線電壓128以及LED電壓15可使用公共A/D轉換器單元126作為反饋和控制輸入被感知。
[0092]控制器100用于接收關于在市電電源設置(如使用切相調光值設置)的所需的調光值166的信息。為了檢測所需的調光值166，驅動電路112可包括調光值監測單元，該調光值檢測單元從市電電壓確定所需的調光值166。可選地或另外，所需的調光值166可以是時間函數或可通過外部接口(比如通過無線接口)接收。換句話說，調光值作為時間的函數，切相信息的函數或來自外部接口(無線)的函數設置輸出功率。
[0093]狀態控制單元101可用于調整控制算法，該控制算法作為所需的調光值166的函數，作為時間(燈泡組件的啟動或燈泡組件的正常工作)的函數和/或作為市電電源(如通過切相角調光器如前沿切相模式或后沿切相模式提供的市電電源或正常模式的市電電源)的函數在控制單元130，124中執行。工作參數和/或狀態信息可能存儲在存儲單元146 (例如可以使一次性可編程OTP存儲器)。
[0094]如圖7和4所示，控制單元130，124 (或30，24)可交換關于用于各個其他轉換器級20，24的控制信號的信息。通過這樣做，可以確保兩級電源轉換器的穩定性。如圖7所示，第一轉換器級20的第一控制單元130可從狀態控制單元101接收狀態信息162，從第二控制單元124接收控制數據161，從時鐘信號發生器152接收控制信號和/或從驅動電路112 (通過A/D轉換器126)接收一個或多個(如關于市電電壓11，總線電壓128和/或驅動電壓15的)反饋信號。第一控制單元130可用于確定第一控制算法(如第一控制算法的系數)，該第一控制算法用于基于一些或所有接受到的信息控制第一轉換器級20。特別地，第一控制算法可基于被第二控制單元124使用的控制數據161來確定。
[0095]以類似方式，第二控制單元124可從狀態控制單元101接收狀態信息163，從第一控制單元130接收控制數據161，從時鐘信號發生器152接收控制信號和/或從驅動電路112 (通過A/D轉換器126)接收一個或多個(如關于市電電壓，總線電壓和/或驅動電壓I的)反饋信號。第二控制單元124可用于確定第二控制算法(如第二控制算法的系數)，該第二控制算法用于基于一些或所有接受到的信息控制第二轉換器級22。特別地，第二控制算法可基于被第一控制單元130使用的控制數據161來確定。
[0096]通過示例的方式，取決于照明狀態的改變(如從10%照明到50%照明)，可以響應由照明狀態的改變引起的負載瞬態來修改第一和/或第二控制算法來避免DC連接總線電壓128的瞬間下降。特別地，可以(暫時)增加第一和/或第二控制算法的收斂速度，以響應負載瞬態容許增加的收斂速度。收斂到新的照明狀態后，收斂速度可再次下降，從而有利于第一和/或第二控制算法的精度和/或穩定性。
[0097]第一和第二控制算法可以由各自的第一和第二控制函數H(e(n))描述，其中e(n)是由控制算法降低或最小化的誤差項(其中η表示樣本數量)。通過示例方式，可操作第一控制級20從而第一控制級20的輸出端的總線電壓128對應于目標總線電壓。第一控制函數的誤差項可以是總線電壓和目標總線電壓的差值。以類似的方式，可以操作第二控制級22從而驅動電壓15對應于光源6的開啟電壓。第二控制算法的誤差項可以是驅動電壓15和光源6的開啟電壓的差值。
[0098]第一和第二控制函數H(e (η))可包括第一和第二組系數。通過示例的方式，第一和第二控制函數H(e (η))可對應于PID控制函數
[0099]
【權利要求】
1.一種用于固態燈泡組件(6 )的驅動電路(112 )，該驅動電路(112 )包括: 將輸入電壓(11)轉換成中間電壓(128 )的第一電源轉換器級(20 ); 將中間電壓(128)轉換成光源(6)的驅動電壓(15)的第二電源轉換器級(22);以及 控制器(100)，該控制器(100)包括: 第一控制單元(130)，用于產生用于第一電源轉換器級(20)的第一控制控制信號(26)； 第二控制單元(124)，用于產生用于第二電源轉換器級(22)的第二控制控制信號(28);以及 狀態控制單元(101)，用于確定光源(6)的目標狀態；其中該第一和第二控制單元(130，124)用于 接收指示目標狀態的信息(162，163);以及其中該第一和第二控制單元(130,124)用于基于該指不目標狀態的信息(162,163)產生該第一和第二控制信號(26,28)。
2.如權利要求1所述的驅動電路(112)，其中該第一和第二控制單元(130，124)用于分別交換指示第一和第二控制信號(26，28)的控制數據(161)。
3.如權利要求2所述的驅動電路(112)，其中 第一控制單元(130)利用具有第一組系數的第一控制算法產生第一控制信號(26); 第二控制單元(124)利用具有第二組系數的第二控制算法產生第二控制信號(28); 該交換的控制數據(161)包括第一和/或第二組系數。
4.如權利要求3所述的驅動電路(112)，其中該第一和/或第二控制算法包括PID控制算法；和/或 該第一和/或第二組系數包括比例增益、積分增益和/或微分增益。
5.如權利要求3或4所述的驅動電路(112)，其中該第一和第二控制單元(130，124)用于確定該第一和第二組系數從而增加收斂速度和穩定性之間的平衡。
6.如權利要求2至5任一項所述的驅動電路(112)，其中該第二控制單元(124)基于指示第一控制信號(26 )的控制數據(161)產生該第二控制信號(28 )。
7.如前述權利要求任一項所述的驅動電路(112)，其中 該狀態控制單元(101)用于利用狀態機從當前狀態確定目標狀態； 該狀態機包括指示光源(6)的多個對應的照度級的多個狀態，以及在該多個狀態的至少一些狀態之間的多個轉換；以及 該多個轉換取決于多個事件的各個事件。
8.如前述權利要求任一項所述的驅動電路(112)，其中 該控制器(100)用于取回指示光源(6)的目標調光值的信息(166);以及該第一和第二控制單元(130，124)用于基于指示光源(6)的目標調光值的信息(166)產生第一和第二控制信號(26，28)。
9.如權利要求8的驅動電路(112)，其中 該控制器(100)用于取回指示用于設置目標調光值的調光器的類型的信息；以及該第一和第二控制單元(130，124)用于基于調光器的類型產生第一和第二控制信號(26，28)。
10.如前述權利要求任一項所述的驅動電路(112)，其中該控制器(100)還包括用于產生時鐘信號的中央時鐘信號發生器(152);以及 該第一和第二控制單元(130，124)采用該時鐘信號同步。
11.如前述權利要求任一項所述的驅動電路(112)，其中 該控制器(100)用于接收一個或多個反饋信號； 該一個或多個反饋信號包括一個或多個:指示輸入電壓(11)的信號，指示中間電壓(128)的信號，指示驅動電壓(15)的信號；以及 第一和第二控制單元(130，124)用于基于該一個或多個反饋信號產生第一和第二控制信號(26，28)。
12.如前述權利要求任一項所述的驅動電路(112)，其中該輸入電壓(11)為整流的市電電壓。
13.如前述權利要求任一項所述的驅動電路(112)，其中 第一和第二電源轉換器級(20，22)包括開關電源轉換器，該開關電源轉換器包括相應的開關；以及 第一和第二控制信號(26, 28)包括用于控制相應的開關的脈沖寬度調制控制信號。
14.如前述權利要 求任一項所述的驅動電路(112)，其中 第一電源轉換器級(20)包括單端初級電感轉換器；和/或 第二電源轉換器級(22 )包括反激式轉換器。
15.如前述權利要求任一項所述的驅動電路(112)，其中 第一個電源轉換器級(20 )包括用于接收輸入電壓(11)的輸入連接器，用于提供中間電壓(128)的輸出連接器，以及開關器件，該輸入連接器，輸出連接器和開關器件共用一個公共的參考電位；和/或 第二個電源轉換器級(22)包括用于接收中間電壓(128)的輸入連接器，用于提供驅動電壓(15)的輸出連接器，以及開關器件，該輸入連接器，輸出連接器和開關器件共用一個公共的參考電位。
16.一種燈泡組件(I)包括: 殼體(2)； 處于殼體(2)中的固態發光器件(6)； 電連接模塊(4)，連接到殼體(2)，并且用于連接到市電電源；以及如權利要求1-15任一項所述的驅動電路(12)，位于殼體(2)中，被連接以從電連接模塊(4)接收電力信號，以及用于將電驅動信號(15)提供給發光器件(6)。
【文檔編號】H05B33/08GK103843461SQ201280048949
【公開日】2014年6月4日 申請日期:2012年10月11日 優先權日:2011年10月12日
【發明者】霍斯特·諾根, 斯特凡·扎雷爾科赫 申請人:Dialog半導體有限公司