CN104025716B - 用于具有高压led组件的固态照明装置的驱动电路以及相关方法 - Google Patents

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Abstract

用于固态照明装置的驱动电路包括被配置为对交流(AC)输入电压信号进行整流以产生整流输入信号的全波整流器、被配置为接收所述整流输入信号并且响应地产生直流(DC)输出电压信号并且被配置为向固态光源提供输出电压信号的升压转换电路，以及耦合至升压转换电路并且被配置为使所述升压转换电路以恒定功率模式工作的升压控制电路。

Description

用于具有高压LED组件的固态照明装置的驱动电路以及相关 方法
相关申请的交叉引用
本申请要求2011年11月22日提交的、标题为“DRIVING CIRCUITS FOR SOLID-STATE LIGHTING APPARATUS WITH HIGH VOLTAGE LED COMPONENTS AND RELATEDMETHODS”的美国临时专利申请61/562,616的权益和优先权，其公开的全部内容通过引用并入本文。
技术领域
本申请涉及照明装置和方法，并且更具体地涉及，用于固态照明装置的驱动电路和方法。
背景技术
固态照明阵列用于许多照明应用。例如，包括固态发光器件阵列的固态照明面板已经被用作直接照明源(例如，在建筑照明和/或重点照明中)。固态发光器件可以包括，例如，包括一个或者多个发光二极管(LED)的封装发光器件，该封装发光器件可以包括无机LED(其可以包括形成p-n结的半导体层)和/或有机LED(OLED)(其可以包括有机光发射层)。通常，固态发光器件通过电子载流子(即，在发光层或者区域中的电子和空穴)的复合产生光。固态发光器件可以包括，例如包括一个或者多个发光二极管(LED)的封装发光器件。
Cree，Inc.生产各种凹入式下照光灯，例如，使用LED用于照明的LR-6和CR-6。固态照明面板通常还用作小液晶显示器(LCD)屏幕(例如用于便携式电子器件的LCD显示屏)和较大显示器(例如LCD电视显示器)的背光。
提供固态光源的一些尝试已经包括使用整流交流波形驱动LED或者LED串或者组。然而，由于LED需要最小正向电压来接通，因此LED仅可以接通整流交流波形的一部分，其可能产生可见闪烁、可能不期望地降低***的功率因数和/或可能增加***的电阻损耗。
提供交流驱动的固态光源的其它尝试已经包括以反平行配置放置LED，以便在交流波形的每个半周期上驱动LED的一半。然而，该方法需要两倍的LED以产生与使用整流交流信号相同的光通量。
发明内容
根据一些实施例用于固态照明装置的驱动电路包括被配置为对交流(AC)输入电压信号进行整流以产生整流输入信号的全波整流器、被配置为接收整流输入信号并且响应地产生直流(DC)输出电压信号并且被配置为以高于整流输入信号的峰值电压的电压向固态光源提供输出电压信号的升压转换电路，以及耦合至升压转换电路并且被配置为使升压转换电路从整流输入信号提取基本上恒定的功率并且以由固态光源限定的电压电平将功率传递至固态光源的升压控制电路。
升压控制电路可以被配置为以开环控制模式工作，以使得不响应于输出电压信号的电平而控制升压转换电路的操作。
升压控制电路可以被配置为响应于整流输入信号而产生用于控制所述升压转换电路的电流基准。
升压控制电路可以被配置为以恒定接通时间边界导通模式和/或恒定断开时间连续导通模式工作。
升压转换电路可以包括被配置为接收整流输入信号的升压电感器、耦合至升压电感器的二极管、耦合至二极管的升压电容器以及耦合至升压电感器和二极管的开关。开关的操作由升压控制电路控制。升压电感器可以包括辅助绕组，并且升压控制电路耦合至升压电感器的辅助绕组并且被配置为响应于升压电感器的辅助绕组两端产生的电压而产生电流基准。
升压控制电路可以被配置为从电源而不是升压电感器的辅助绕组提取偏置功率。
升压转换电路可以包括被配置为接收整流输入信号的升压电感器、耦合至升压电感器的二极管、耦合至二极管的升压电容器以及包括耦合至升压电感器和二极管的漏极端子、耦合至升压控制电路的源极端子和耦合至升压控制电路的栅极端子的MOSFET开关。驱动电路可以被配置为从MOSFET开关的漏极端子提取偏置功率。
根据一些实施例的固态照明装置包括固态光源(包括固态发光器件)和耦合至固态光源的驱动电路。驱动电路可以包括被配置为对交流(AC)输入电压信号进行整流以产生整流输入信号的全波整流器、被配置为接收整流输入信号并且响应地产生直流(DC)输出电压信号并且被配置为向固态光源提供输出电压信号的升压转换电路，以及耦合至升压转换电路并且被配置为使升压转换电路以恒定功率模式工作的升压控制电路，其中升压转换电路尝试向固态光源提供恒定功率而不管输入电压信号的电平变化。
固态光源可以包括被配置为发射具有第一颜色的光的第一发光二极管组件和被配置为发射具有不同于第一颜色的第二颜色的光的第二发光二极管组件。第一和第二发光二极管组件连接成电流镜配置。
第一和第二发光二极管组件并联和/或串联连接。
固态光源可以包括耦合成电流镜配置的第一晶体管和第二晶体管，其中相应晶体管的基极接触耦合至共同节点、耦合至第二发光二极管组件的阴极，并且耦合至第一晶体管的集电极。第二晶体管的集电极耦合至第二发光二极管组件的阳极和第一发光二极管组件的阴极。
固态光源可以包括耦合成电流镜配置的第一晶体管和第二晶体管，其中相应晶体管的基极接触耦合至共同节点并且耦合至第二发光二极管的集电极，并且第三晶体管具有耦合至共同节点的发射极和耦合至第一晶体管的集电极的基极。第三晶体管的集电极耦合至第二发光二极管组件的阳极和第一发光二极管组件的阴极，并且第二发光二极管组件的阴极耦合至第一晶体管的集电极。
固态照明装置可以包括多个发光二极管，配置为发射具有第一颜色的光并且耦合成电流镜配置。
根据一些实施例产生用于为固态光源供电的输入电压信号的方法包括对交流输入电压进行整流以形成整流输入信号，对整流输入信号进行升压并且将整流输入信号转换为直流以形成输出电压信号，以及向固态光源提供输出电压信号。可以以恒定功率模式执行对整流输入信号的升压。
可以以开环控制模式执行对整流输入信号的升压。
方法可以进一步包括响应于整流输入信号产生用于控制整流输入信号的升压的电流基准。
可以使用以恒定接通时间边界导通模式操作的升压控制电路执行对整流输入信号的升压。
可以使用以恒定断开时间连续导通模式操作的升压控制电路执行对整流输入信号的升压。
根据一些实施例用于固态照明装置的驱动电路包括电压升压电路(包括升压电感器)、耦合至升压电感器的升压二极管、耦合至升压二极管的输出电容器以及在升压电感器与接地之间耦合的开关；耦合至输出电容器并且被配置为连接固态照明电路的阳极端子的第一输出端子；被配置为连接至固态照明电路的阴极端子的第二输出端子；以及耦合至开关并且被配置为响应于通过升压电感器的电感器电流和通过固态照明电路的负载电流而控制开关的操作的控制器。
控制器可以被配置为当通过升压电感器的电流达到预定阈值时关掉晶体管开关。
驱动电路可以进一步包括被配置为响应于对通过升压电感器的电流进行过零检测而产生过零检测信号的过零检测电路，其中控制器被配置为响应于过零检测信号而接通晶体管开关。
控制器可以被配置为以预定电平箝位通过升压电感器的电流。
控制器可以被配置为围绕输入电压信号的峰值将通过升压电感器的电流箝位输入电压电平的导通周期的至少10度，在一些实施例中为输入电压电平的导通周期的至少20度，以及在一些实施例中为输入电压电平的导通周期的至少30度。
驱动电路可以进一步包括耦合至第一输出端子并且被配置为响应于输入电压的损耗对输出电容器上的电压进行放电的放电电路。
附图说明
所包含的附图提供了对本发明主题的进一步理解并且被并入本申请中并构成本申请的一部分，所述附图图示了本发明主题的某个(或者某些)实施例。在附图中：
图1图示了交流驱动的照明装置的基于三端双向可控硅开关元件的舍相调光。
图2和3是图示根据一些实施例的固态照明装置的框图
图4是图示根据一些实施例的固态照明装置的电路图。
图5A和5B图示了根据一些实施例用于固态照明装置的驱动电路中的电感器电流。
图6是图示了根据进一步实施例的固态照明装置的电路图。
图7A和7B图示了根据进一步实施例用于固态照明装置的驱动电路中的电感器电流。
图8A、8B和8C图示了根据各种实施例用于固态照明装置的电流镜电路。
图9是图示了根据更进一步实施例的固态照明装置的电路图。
图10A和10B图示了根据一些实施例用于固态照明装置的驱动电路中的电感器电流的箝位。
图11图示了根据各种实施例在固态照明装置的调光曲线上的组分变化的效果。
具体实施方式
下面将参照示出了本发明主题的实施例的附图更全面地描述本发明主题的实施例。然而，本发明主题可以以多种不同的形式实施，并且不应理解为这里所描述的实施例。然而，提供这些实施例使得本公开变得彻底和完整，并且向本领域的技术人员充分的传达本发明主题的范围。在全文中，相同的附图标记表示相同的元件。
应当理解，尽管这里使用了术语第一、第二来描述各个元件，但这些元件不应被这些术语限制。这些术语仅用于将这些元件彼此区分。例如，在不偏离本发明的主题的范围的情况下，可以将第一元件称为第二元件，并且类似地，可以将第二元件称为第一元件。如这里所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关所列项目的任何和所有组合。
可以理解的是，当元件被称为与另一个元件相“连接”或“耦合”时，其可以与另一个元件直接连接或耦合，或者也可以存在***其间的元件。相反，当元件被称为“直接连接”或“直接耦合”至另一元件，则不存在***的元件。
应该理解，当称一个元件或层位于另一个元件或层“之上”时，元件或层可以直接在其他元件或层上，或者也可***存在的元件或层。相反，当元件被认为“直接”在另一元件或层“上”时，就不存在***的元件或层。如这里所用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任何和所有组合。
在此可以使用例如“在......下面”、“在......之下”、“下部”、“在......之上”、“上面”等空间相关术语来描述附图中所示的一个元件或特征与另一个(或多个)元件或特征的关系。应当理解，这些空间相关术语除了图中指示的方向以外，还旨在包括器件在使用或运行的不同方向。
在这里参照示意说明本发明主题的理想化实施例的屏幕和透视图来描述本发明主题的实施例。由此，可以预料到由例如制造技术和/或公差导致的图示的形状上的变化。因此，不应该将本发明主题解释为局限于这里所示对象的特定形状，而应该包括例如在制造中得到的形状偏差。因此，图中示出的对象实际上是示意性的，并且它们的形状并不示出器件的区域的真实形状，并且也不旨在限制本发明主题的范围。
这里所使用的术语仅是为了描述特定实施例，而并非意在限制本发明的主题。如这里所使用的，除非上下文另外明确指出，单数形式“一”(“a”)、“一”(“an”)和“该”(“the”)也意图包括复数形式。还应当理解的是，在本说明书中的术语“包括”和/或“包含”指定了所述陈述的特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件的存在，而不排除存在或附加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或其组合。
除非进行了限定，否则这里所使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)都具有与这些本发明的主题所属领域中的普通技术人员所理解的相同的意义。还应理解的是，在此所使用的术语应当被解释为具有与其在本说明书上下文以及相关领域中的意义一致的意义，而不应当以理想化的或者过分形式化的意义来解释，除非在本文中明确地进行了这样的限定。在此使用的术语“多个”是指两个或多个所引用的项目。
此处使用的表达“照明装置”除了指示器件能够发射光外，不是限制性的。也就是说，照明装置可以是照射区域或体积的器件，例如结构、游泳池或温泉、房间、仓库、指示器、道路、停车场、车辆、指示牌(例如路标)、广告牌、船只、玩具、镜子、容器、电子设备、小船、飞机、体育馆、计算机、远端音频装置、远端视频装置、蜂窝电话、树、窗户、LCD显示器、隧道、院子、路灯柱、或照射围场的器件或器件阵列、或用于边缘或背面照明(例如背光海报、指示牌、LCD显示器)的器件、灯泡替代物(例如用于替代交流白炽灯、低电压灯、荧光灯等)、用于室外照明的灯、用于安全照明的灯、用于住宅外照明的灯(例如壁式安装件、后/支柱安装件)、天花板灯具/壁灯、橱柜内照明、灯(地板和/或桌子和/或字台)、景观灯、跟踪照明、作业照明、专用照明、吊扇照明、档案/艺术显示照明、高振荡/冲击照明、工作照明等、镜面/梳妆台照明或任何其它发光器件。
在用于从交流源驱动发光二极管阵列的电路中，期望使电路的功率因数维持尽可能地接近一(1)。交流电力***的功率因数定义为在电路中流到负载的实际功率与视在功率的比率，并且是可以被表示为0与1之间的数字或者0％与100％之间的百分比的无量纲量。非线性负载(例如包括整流器的负载)使从源提取的电流的波形变形。这使得在电路中流动的视在功率大于传送至负载的实际功率，其降低了电路的功率因数。
具有低功率因数的电路为传递至负载的相同量的有用功率提取的电流比具有高功率因数的电路多。在电气电路中损失的能量与I2R成比例。因此，由于低功率因数引起的电流增加能够大大地并且不合需要地增加电路中的功率损耗。
有源或者无源功率因数校正可以用于提高电路的功率因数。有源功率因数校正电路(或者有源PFC)是控制由负载提取的功率量以获得尽可能接近一的功率因数的电子电路。在大多数应用中，有源PFC控制负载的输入电流，使得电流波形与主电压波形同相。使功率因数尽可能接近于一的目的是使校正了功率因数的负载电路呈现纯电阻性。这使得电功率能够最有效地从电压供应线传送到负载。
在开关模式电源的情况下，升压转换器可以用于有源功率因数校正。升压转换器在提取总是与交流线电压同相并且同频率处的电流时尝试将恒定直流总线电压维持在其输出上，从而维持高功率因素。
提供了根据一些实施例用于包括高电压LED的固态发光装置的驱动电路。驱动电路可以包括以恒定功率模式工作的功率因数校正(PFC)的升压转换器。在恒定功率模式下，升压转换电路接收整流输入信号并且以高于整流输入信号的峰值电压的电压将功率传送至固态光源。耦合至升压转换电路的升压控制电路使升压转换电路从整流输入信号提取基本上恒定的功率并且以由固态光源限定的电压电平将功率传递至固态光源。
还可以包括LED调谐和补偿电路/方法。根据一些实施例的驱动电路可以提供低成本、高效率并且对于舍相调光电路表现地非常自然(没有附加电路)的解决方案。
舍相调光电路起初被设计用于传统白炽灯具。在舍相调光中，操纵线电压的前沿或者后沿以降低提供给灯的均方根(RMS)电压。当用于白炽灯时，这种RMS电压的降低导致电流的相应减少，并且因此导致功率消耗和光输出的减少。随着RMS电压降低，来自白炽灯的光输出也减少。
在图1中图示了舍相调光，图1是已经通过包括三端双向可控硅开关元件的舍相调光器传递的整流输入交流波形的图表。在整流输入波形的180°半周期上，三端双向可控硅开关元件被控制为仅对周期的一部分有效(接通)。例如，在图1的图表中，三端双向可控硅开关元件对180°半周期的120°接通。对于半周期的第一个60°，输入电压信号被箝位在零伏特。对于半周期的最后120°，输入电压跟随整流输入电压信号。通过控制三端双向可控硅开关元件接通的时间长度，能够控制提供给灯的RMS电压。
当利用舍相调光时，所产生的整流波形的占空比被改变。占空比的这种改变(如果足够大)随着来自白炽灯的光输出的减少而引人注意。由于白炽灯的灯丝具有一定的热惯性并且将保持在足够温度下以在甚至没有电流流过灯丝的“断开”时间期间发光，因此“断开”时间可能不会引起白炽灯闪烁。
最近，已经开发了提供用于通用照明的光的固态照明***。这些固态照明***利用耦合至接收交流线电压并且将该电压转换为适于驱动固态光发射器的电压和/或电流的电源的发光二极管或者其它固态光源。用于发光二极管光源的典型电源包括线性电流调节电源和/或脉冲宽度调制电流和/或电压调节电源。
在2011年8月10日提交的、标题为“Bias Voltage Generation Using A Load InSeries With A Switch”、序列号为13/207,204的共同转让的美国专利申请中公开了用于固态照明装置的功率转换器，其公开通过引用合并于此。
在2011年6月3日提交的、标题为“Lighting Devices with IndividuallyCompensating Multi-Color Clusters”、序列号为13/152,772的共同转让的美国专利申请中公开了具有温度补偿电路的固态照明器件，其公开通过引用合并于此。
在固态光源的通用照明应用中，一个合乎需要的特征是与现有调光技术兼容。特别地，基于改变线电压的占空比的调光可能在用于固态照明的电源设计中带来若干挑战。不同于白炽灯，LED通常对电流变化具有非常迅速的响应时间。LED的这种迅速响应(与常规调光电路结合)可能在驱动LED中带来困难。然而，根据一些实施例的电路即使与舍相调光一起使用也可以很好地起作用。
参照图2、3和4，提供了根据一些实施例的固态照明装置100。固态照明装置100可以由交流(AC)电压信号Vac供电。可以通过调光器(例如产生提供给固态照明装置100的舍相交流信号Vac’的舍相调光器50)传递交流电压信号Vac。因此，输入到固态照明装置的信号可以包括纯正弦波、舍相正弦波或者某种其它交流波形。
参照图3，固态照明装置100包括被配置为接收交流信号Vac′的整流器110。整流器110可以是如图3所示的全波电桥整流器。整流器110的输出(其可以是全波整流交流电压信号)被提供给由升压控制器电路116控制的开关模式升压电路120。可以可选地在整流器110与升压电路120之间设置电磁干扰(EMI)滤波器112。响应于整流交流信号，开关模式升压电路120产生提供给光源130的直流电压。
参照图4，EMI滤波器112可以包括在对开关模式升压电路120的输入处设置的串联电感器LF和分流电容器CF。EMI滤波器112是对来自整流线电压的电磁干扰进行滤波的低通滤波器。
在具体实施例中，开关模式升压电路120包括升压电感器L1、开关Q1、升压二极管D1和升压电容器或者输出电容器C1。开关Q1可以是MOSFET开关。升压电感器L1可以包括具有初级绕组和辅助绕组的变压器。升压电感器L1的初级绕组在一个端部处耦合至开关模式升压电路120的输入以及在另一个端部处耦合至升压二极管D1的阳极和开关Q1的漏极。
开关模式升压电路120的操作由通过升压控制器电路116产生的开关信号SW控制。升压控制器电路116耦合至开关Q1的栅极、漏极和源极。另外，升压控制器电路116耦合至升压电感器L1的辅助绕组。然而，升压控制器电路116可以不从升压电感器L1的辅助绕组提取偏置或者内务处理功率(housekeeping power)。
在一个实施例中，升压控制器电路116可以配置成恒定接通时间边界导通模式，该升压控制器电路116可以例如使用由Texas Instruments制造的用于LED照明的TPS92210单级PFC驱动器控制器实现。图5A和5B是响应于控制信号SW通过升压电感器L1的电感器电流iL的图表。参照图4和5A，在固定时间(Ton)接通开关Q1以允许电感器L1中的电流iL斜升直至峰值，该峰值由输入电压电平决定。当通过D1向输出电容器提供电流时，关断开关Ql并且电感器电流斜降至零。控制器116检测电流何时下降到零并且发起Ql的另一个接通。开关周期中的峰值输入电流由Vin*Ton/L1给出，其与Vin成比例。如图5B所示，尽管开关频率在线路周期上变化，但是平均输入电流iL，AVG可以保持近似正弦并且可以实现功率因数接近于一。
在图6所图示的另一个实施例中，可以以恒定断开时间连续导通模式使用升压控制器(例如由STMicroelectronics制造的L6562PFC控制器)以实现升压控制器电路116。以这种模式，通过线117从输入波形获得用于开关电流的电流基准。如图7A所示，以固定的断开时间操作开关Q1。如其中所示，当接通开关Q1时，电感器电流iL增加并且在固定断开时间Toff期间减小。图7B图示了平均电感器电流iL遵循从输入波形获得的基准电压的形状。
在另一个实施例中，用电流感测电阻器(其可以包括在升压控制器电路116中)感测平均电感器电流并且用控制器IC(例如由International Rectifier制造的IRF1155S)控制其以跟随正弦输入电压。在恒定功率模式下，可以通过在开环中操作这些控制器并且将控制器基准(例如接通时间或者误差放大器输出)固定为决定功率的值来操作这些控制器中的任何一个。传递至输出的功率倾卸至负载LED，该负载LED限定输出电压并且由此限定输出电流。
再次参考图4的实施例，尽管示出了从L1的辅助绕组到升压控制电路116的连接，但是根据一些实施例用于LED驱动器电路的功率因数补偿(PFC)升压转换器可以不从升压转换器的辅助绕组提取偏置或者内务处理功率。相反地，在一些实施例中，升压控制电路116可以从LED串的底部或者开关的漏极节点提取辅助功率。另外，根据一些实施例，用于LED驱动器的PFC升压转换器可以不使用来自LED电压(VOUT)的反馈来控制转换器。
升压电路120使用基本组件提高输入电压，其保持电路的低成本。另外，附加控制电路可以是最少的并且EMI滤波器112可以很小。
升压电路120可以通过将输出电压升压至高电平(例如大约170V或更高)来实现高效率。由此可以保持负载电流和电路RMS电流很小，其减少了所产生的I2R损耗。与典型反激拓扑或者降压拓扑的78-88％的效率相比，可以实现93％的效率。
仍然参照图4，光源130包括一对高压LED组件，包括第一高压LED组件142和第二高压LED组件144。第一高压LED组件142可以包括耦合成串联、并联或者串联/并联构造的多个LED，该构造响应于输入电流产生蓝移黄(BSY)色光。例如，在共同转让的美国专利7,213,940和美国专利公开2008/0309255中描述了BSY发射器，其公开通过引用合并于此。
第二高压LED组件144可以包括耦合成串联、并联或者串联/并联构造的多个LED，该构造响应于输入电流产生红色光。通常，由第二高压LED组件144产生的红光可以具有大约600nm到大约630nm的主波长。当来自第一高压LED组件142的BSY光与来自第二高压LED组件144的红光组合时，所产生的组合可以产生具有类似具有高显色的白炽光源的色调的白色或者近白色光。由第一和第二高压LED组件142、144输出的组合光的实际颜色将取决于由第一和第二高压LED组件142、144发射的光的相对强度。因此，可以通过调谐流过相应高压LED组件142、144的电流的相对水平而对由固态照明装置100发射的光的颜色进行调谐。
高电压LED组件142、144可以包括可以限定为具有大于或等于20V的标称电压的多接合单片LED或者多芯片组件。例如，在2011年7月25日提交的、标题为“High Voltage LowCurrent Surface Emitting Light Emitting Diode”、序列号为13/190,094的共同转让的美国专利申请(代理人卷号5308-1043IP3)中描述了多接合单片LED，其公开通过引用合并于此。多芯片LED的示例是由Durham，N.C.的Cree，Inc.制造的46V、22mA的Cree XT-E HVLED。多芯片组件的示例是由Durham，N.C.的Cree，Inc.制造的多芯片CXA封装。具有高压LED使得建立串构造更容易并且有成本效率，该串构造具有170V或者更大的额定正向电压(即，大于升压转换器的最大输入电压)。
仍然参照图4，光源130包括电流镜150，其可以设置和/或调节第一高压LED组件142与第二高压LED组件144之间的电流的比率。也就是说，光源130可以调节流过BSY LED和红色LED的电流的相对水平，这改变由两个组件发射的组合光的色调。
升压转换器120通常从120V交流、60Hz(169V峰值)输入运行并且将其转换为大约200V的直流输出。当维持合理性能时，可以根据各种电路参数和控制方法实现合理范围(170V到450V)内的不同输出电压。如果使用230V交流输入(例如在欧洲中常规的)，那么输出可以是350V直流或者更高。
在一个实施例中，以输出LED电流由LED电压决定的恒定功率模式驱动升压转换器。在恒定功率模式下，升压控制器电路可以响应于输入电压的变化尝试调节控制器基准，以使得工作功率保持恒定。例如，在一些实施例中，升压转换器可以被配置为在出现高达标称电压电平的10％的输入电压的电压波动时，向LED负载提供基本上恒定的功率。在一些实施例中，升压转换器可以在出现高达标称电压电平的5％的输入电压的电压波动的情况下提供期望功率水平的10％内的功率水平，并且在某些情况下出现高达标称电压电平的5％的输入电压的电压波动。
当以恒定功率模式工作时，功率因数校正升压电压源对交流电源线或者舍相调光器几乎表现为白炽/电阻性负载。在电阻性负载的情况下，输入电流具有与输入电压相同的形状，从而导致功率因数为1。在恒定功率模式中，升压转换器电路120和光源130可以在输入处提供大约1440Ohms的等效电阻，这意味着以120V交流从输入提取10W的功率。如果输入电压降低到交流108V，那么功率将降低到大约8.1W。随着输入线上的交流电压信号被斩波(例如由舍相调光器)，功率吞吐量成比例减少并且由光源130输出的所产生的光自然地被调暗。自然调光指的是不需要额外的调光电路的方法。其它调光方法需要感测斩波的整流交流波形并且将舍相信息转换为LED电流基准或者PWM占空比以使LED变暗。该额外电路增加了***的成本。
根据一些实施例的升压转换器电路120不调节反馈回路中的LED电流或者LED电压。也就是说，升压转换器可以不使用来自LED电压(VOUT)的反馈来控制转换器。然而，这两个输入可以用于保护(例如过电压保护或者过电流保护)。因为升压转换器在开环中运行，因此它表现为电阻性输入。当PWM转换器控制它的输出电压或者输出电流时并且当用调光器斩波输入电压时，它将仍然试图将输出控制为恒定值并且在该过程中增加输入电流。
固态照明装置100使用与常规灯具相比非常高的LED串电压。在一些实施例中，光源130中的(一个或者多个)LED串的正向电压可以是至少170V。在一些实施例中，光源130中的(一个或者多个)LED串的正向电压可以在大约170V与大约450V之间或者大约180V与大约240V之间。在具体实施例中，正向电压可以是大约200V，并且在一些实施例中，光源130中的(一个或者多个)LED串的正向电压可以高达450V或者甚至更高。
电流镜150可以具有若干不同配置。例如，参照图4，电流镜150可以包括第一和第二晶体管QA、QB和第一和第二电阻器RA、RB。晶体管QA、QB可以包括NPN双极结型晶体管。晶体管QA、QB的基极可以彼此耦合并且耦合至第一高压LED组件142的阴极。晶体管QA、QB的集电极可以耦合至第一和第二高压LED组件142、144的相应阴极，以及晶体管QA、QB的发射极可以耦合至相应电阻器RA、RB。
在该配置中，根据RA和RB的电流镜值在两个高电压LED组件之间拆分进入光源130的电流。RA和RB可以包括单个电阻器和/或若干电阻器的组合。RA和/或RB可以包括补偿电阻器，例如根据温度改变第一高压LED组件142与第二高压LED组件144之间的电流分布的负温度系数(NTC)和/或正温度系数(PTC)热敏电阻器。电阻器RA、RB可以被激光修整以设置色点。
应当理解，图4所示的电流镜150可以由数字可寻址ASIC替代，该数字可寻址ASIC被配置为执行相同或者相似的功能。
参照图8A，图示了不同光源130B和电流镜配置150B。如其中所示，第一和第二高压LED组件142、144串联连接成单个串，其中第一高压LED组件142的阴极耦合至第二高压LED组件144的阳极(尽管应当理解高压LED组件142、144的顺序可以颠倒)。
仍然参照图8A，电流镜150B可以包括第一和第二晶体管QA1、QB1以及第一和第二电阻器RA1、RB1。晶体管QA1、QB1可以包括NPN双极结型晶体管。晶体管QA1、QB1的基极可以彼此耦合并且耦合至第二高压LED组件144的阴极。晶体管QA1、QB1的集电极可以耦合至第一和第二高压LED组件142、144的相应阴极，以及晶体管QA1、QB1的发射极可以耦合至相应电阻器RA1、RB1。
尽管第一和第二高压LED组件142、144被连接以形成单个串，但是根据电阻器RAl和RB1的相对电阻值，从QA1分走了通过串的一些电流。RAl和RB1的相对值可以取决于操作的期望色点和/或温度。尽管当从串分走电流时，在QB1中有功率损耗，但是单个串配置减少了需要达到期望正向工作电压的LED的数量。图4所示的配置尤其可以适用于较低光输出产品。
在图8B中示出了包括光源130C和电流镜150C的第三配置。特别地，图8B所示的配置使用Wilson电流镜。
电流镜150C包括第一、第二和第三晶体管QA2、QB2和QB3以及第一和第二电阻器RA2、RB2。晶体管QA2、QB2和QB3可以包括NPN双极结型晶体管。晶体管QA2、QB2的基极彼此耦合并且耦合至晶体管QB3的发射极。晶体管QA2、QB3的集电极可以耦合至第一和第二高压LED组件142、144的相应阴极。晶体管QB2的集电极耦合至晶体管QB3的发射极。晶体管QA2、QB2的发射极耦合至相应电阻器RAl、RB1。齐纳二极管DZ3与第一和第二高压LED组件142、144串联耦合。
晶体管QA2和QB2可以非常稳定。当从串联串分走电流时，在晶体管QB3中消耗损耗。QB3可以另外具有同样与集电极串联的齐纳二极管或者电阻器(未示出)以分担功率损耗。
设置了用于对串增加电压的齐纳二极管DZ3(尽管其消耗功率)。在一个实施例中，第一高压LED组件(包括BSY LED)上的电压可以是大约120V，第二高压LED组件(包括红色LED)上的电压可以是大约64V，齐纳二极管DZ3上的电压可以是大约27V。
用于一些实施例的高压LED组件可以被制造为一个LED组件封装。
在一些实施例中，如图8C所示，若干高压LED组件可以并联连接并且它们的电流可以与电流镜共享，图8C图示了可以包括BSY和/或红色LED的第一高压LED组件142A的实施例。高压LED组件142A包括与包括晶体管Q21、Q22、Q23和电阻器R21、R22和R23的电流镜并联连接的第一到第三高压LED组件152A、152B和152C。如惯常的，高压LED组件142A可以连接至升压转换器20的输出。如果R21＝R22＝R23，那么电流被等分成总共三个分量。
以恒定功率模式驱动根据一些实施例的离线升压转换器以在驱动高压LED串时向交流电源线提供基本上恒定的电阻性负载。特别地，LED串电压可以是大约170V到大约240V。
在一些实施例中，用于LED驱动器电路的功率因数补偿(PFC)升压转换器不从升压转换器的辅助绕组提取偏置或者内务处理功率。相反地，它可以从LED串的底部或者开关的漏极节点提取辅助功率。另外，根据一些实施例，用于LED驱动器的PFC升压转换器可以不使用来自LED电压(VOUT)的反馈以控制转换器。
图9是根据更进一步实施例的升压转换器的简化示意图，该升压转换器被配置为将交流电压(通常为120VAC，60Hz)转换为高直流电压(通常为230VDC)以驱动来自端子T1、T2的高电压LED阵列。交流输入电压连接至电路块210，该电路块包括保护电路(例如熔断器和变阻器)、EMI滤波器和桥式整流器。电路块210的输出是全波整流正弦电压VREC+。升压转换器220由升压电感器L1、升压二极管D1、晶体管开关Q1和Q2以及输出电容器C1组成。晶体管开关Q2(高电压MOSFET)和Q1(低电压MOSFET)连接成共源共栅配置。
升压转换器220的操作由控制器216控制，该控制器通过栅极驱动线GD耦合至晶体管开关Q1的栅极。控制器220包括电流感测输入CS、反相器输入INV、比较器输入COMP、乘法器输入MULT、过零检测输入ZCD以及电源(VCC)和接地(VCC)输入。
电流感测输入CS通过耦合至晶体管开关Q1的源极的电流感测电阻器R14感测电流。
MULT输入从由电阻器R12和R7组成的分压器接收电压，该电压跟随电压VREC+。MULT输入处的电压信号的一个功能是使升压转换器的输入电流成形为如同整流电压的形状，即，在这种情况下为半正矢。该电压信号的另一个功能是将稳定状态下的转换器的工作点限定在控制器的工作参数内。对控制器的MULT输入与COMP信号结合使用以得到用于晶体管峰值电流的电流基准。
ZCD输入从过零检测电路214接收信号。该信号用于发起新的开关周期。
COMP输出产生误差补偿信号，该误差补偿信号在内部与MULT输入信号一起使用以得到电流感测基准电压。在稳定状态下，COMP输出在标称工作点处由控制器调节以便调节升压转换器的输出电流。
VCC产生电路212在启动和正常操作期间通过VCC输入向控制器216提供偏置功率。控制器216可以是由各种IC制造商提供的标准过渡模式控制器(一个示例是STMicroelectronics的L6561)。
控制器216和关联控制电路为晶体管开关Q1提供开关信号以便当它开启和关闭时，随着晶体管Q2的栅极保持在相对恒定的较高电位(通常为大约18V)处，晶体管Q2开启和关闭。随着晶体管开关Ql和Q2接通和关断，能量分别存储在升压电感器L1中以及通过二极管D1传递给输出电容器C1。当晶体管开关Ql接通时，通过升压电感器L1的从零斜升的电感器电流在电流感测电阻器R14两端产生电压。当CS引脚处的该电压达到预定阈值时，控制器216关闭晶体管Q1。升压电感器L1中的能量通过Q2的源极端子暂时地转向VCC产生电路212，然后当Q2关闭时通过升压二极管D1转向输出电容器C1。当通过L1的电感器电流降低到零时，ZCD(过零检测)电路214为控制器216提供信号，使其发起晶体管Q1的下次接通。在2012年5月2日提交的、标题为“DRIVER CIRCUITS FOR DIMMABLE SOLID STATE LIGHTINGAPPARATUS”、序列号为13/462,388的共同未决并且共同转让的美国申请(代理人卷号5308-1819)中详细描述了VCC产生电路212和ZCD电路214，其公开通过引用合并于此。
根据一些实施例的升压转换器200在三端双向可控硅开关元件LED驱动器应用中的使用可以是有利的。例如，升压转换器200的闭环和饱和环控制方法可以适用于三端双向可控硅开关元件可调光固态照明装置。
如上所述，在三端双向可控硅开关元件调光(也称为舍相调光)中，对于其导通角的一部分，交流波形被箝位在零。如图1所示，箝位在零的交流信号的相位量与三端双向可控硅开关元件接通的导通角有关。在图1所示的示例中，三端双向可控硅开关元件接通半周期的180°相位的120°。如果三端双向可控硅开关元件接通180°半周期的全部180°，就不会发生调光；同样地，如果三端双向可控硅开关元件接通180°半周期的0°，灯就被有效地关闭。
例如，再次参考图9，当在180°处或其附近(全导通角)不用调光器或者用调光器操作转换器200时，控制器216被配置为通过感测LED电流感测电阻器R5两端的电压来调节LED电流。在稳定状态下，电流感测电阻器R5两端的电压等于控制器的误差放大器的内部基准，其可以是大约2.5V。尽管该电压电平能够导致一些功率损耗，但是其可以节省不得不提供附加放大器的成本。可选地，以附加放大器放大信号为代价，可以减少电流感测电阻器R5的电阻值、电压信号和功率损耗。
该控制方法确保在正常操作期间，LED电流(并且由此光输出)总是维持在恒定电平处并且当输入电压(通常为108-132V)在某个范围变化时不会改变(在稳定状态下)。该控制方法使用控制器216中的内部误差放大器、电阻器R23和电容器C2作为反馈和补偿网络的一部分。
当输入电压降低时，控制器216要求更多的输入电流，其在误差放大器的输出处(即，在控制器216的COMP引脚处)引起电压升高。这在CS引脚处产生更高的电流基准和更高的电感器电流。在由控制器216的内部参数限定的某个点处，控制器216的COMP引脚处的电压将被内部箝位。在该点处，将限制最大输入电流，因此如果输入电压进一步降低，那么将不再调节输出电流。
对于舍相调光器，随着调光器角度降低，有效输入电压减少，结果，输出电流降低并且当达到最大输入电流时实现调光。
在一些实施例中，可以使用控制器216中的内部电流箝位限制峰值电感器电流iL。特别地，除上述控制方法以外，电路200可以使用高于电阻器R14的电阻的标称值的部件，其是MOSFET或者电感器电流感测电阻器。这允许转换器200被设计为使得在标称工作期间，在线周期的峰值附近箝位峰值电感器电流预定持续时间。R14的适当选择能够帮助确保输入电流功率因数不会受到显著影响。所产生的平均输入电流波形参见图10A和10B所示波形。
图10A是图示常规输入电流整形的输入电压302和输入电流304的图表。该电流整形能够产生非常高的功率因数。图10B图示了图示根据一些实施例箝位电感器电流整形的输入电压312和输入电流314的图表。
箝位电感器电流可以具有防止或者减少升压电感器L1的饱和的附加优点，其能够提供对分量值变化的保护。例如，图11是作为组件容差的不同可能值的三端双向可控硅开关元件调光器角度的函数的输入功率(其类似于光输出)的图表。容差变化将温度变化、电阻值、电感值、控制器的内部箝位电压、输入电压以及其它参数考虑在内。箝位电感器电流使容差范围从图11所示的未箝位上限范围和下限范围缩小至箝位的上限范围和下限范围。由于可以有更少的不能产生全功率和/或不快速响应调光器的驱动器，因此在容差中具有向下变化能够提高LED驱动器产量。
在一些实施例中，电路200可以被配置为在线路峰值附近箝位电流导通周期的至少10度。在一些实施例中，电路200可以被配置为在线路峰值附近箝位电流导通周期的至少20度。在更进一步的实施例中，电路200可以被配置为在线路峰值附近箝位电流导通周期的至少30度。
图9图示的升压转换器的另一个特征是电阻器R17向乘法器信号增加偏移电压，其在三端双向可控硅开关元件调光的情况下帮助避免在低调光角度下的闪烁。控制器216的乘法器(MULT)引脚在VREC+处接收与整流交流电压成比例的信号，其被电阻器R12和R7向下分压为合适的电压。MULT引脚信号连同COMP信号一起用于在控制器216中产生电流基准信号。
在调光期间，当调光器三端双向可控硅开关元件关闭时，期望开关Q1和Q2处于接通状态以允许调光器漏泄电流具有闭合路径。同时，不期望触发控制器216的电流感测(CS)引脚并且使开关Q1和Q2接通和关断，其能够导致能量间歇传送至输出并且因此导致光闪烁。为了确保这一点，电阻器R17从COMP引脚(其是饱和的)增加已知电流到MULT引脚并且保持CS引脚上的基准电压高于IDL*R14，其中IDL是预期的调光器漏泄电流。
电阻器R17能够可选地连接至控制器216的VCC输入。然而，当COMP引脚不是高饱和并且位于较低电压处时，将电阻器R17连接至COMP引脚还帮助在正常运行期间保持低偏移。
一些实施例另外包括放电和过电压保护(OVP)电路230。在图9的升压转换器中，放电和过压保护电路230包括电阻器R19、R21和R4以及晶体管Q4和Q5。输入功率被切断时，出于若干理由，使用放电电路释放存储在输出电容器C8上的能量是有利的。例如，当输出电容器C8的电容很高时，断开可以是缓慢并且可见的。另外，若干泄漏通路能够存在于高电压阵列中，并且如果电压允许在长时间段内放电，那么能够出现关闭闪光。进一步地，尽管用户对LED的接触通常在固态照明设备中是有限的，但是使LED端子上的电压尽快低于安全电平(例如低于50V)可以是有利的。
根据一些实施例的升压转换器结合过电压保护(OVP)电路和放电电路，以使得所使用的组件数量和/或功率损耗可以减少。在存在输入功率并且控制器运行的正常运行期间，晶体管Q5接通并且晶体管Q4关断。电阻分压器R19-R21连同二极管D3一起设置OVP触发的电平。当输出电压超过预定电压时，二极管D3被正向偏置。这提高了控制器216的INV引脚处的电压，其使得控制器216限制能量吞吐量并且减少输出电压。当断开输入功率并且控制器216在VCC引脚处损失其偏置功率时，COMP引脚电压降低到零。这关断晶体管Q5，并且R19-R21此时为Q4的基极提供电压，从而将其接通。然后，在电阻器R4和晶体管Q4中消耗存储在输出电容器C8上的能量。
在控制器216的VCC引脚与INV引脚之间提供阻抗Z30。阻抗Z30可以是能够帮助控制器软启动的电阻器或者电阻器-电容器组合。
根据一些实施例的升压转换器还可以利用输出电压(OUT+)代替整流输入电压用以提取用于启动的功率，即，用以对控制器216的VCC引脚赋能。这还确保在调光其间，尤其是在低调光角度期间，有来自输出的连续供应电流用以保持VCC对于控制器216的正常运行足够高。
图9所图示的电路和方法的许多方面不限于在升压转换器中使用，还可以用于降压转换器、降压-升压转换器、反激转换器或者其它类似转换器。
本文结合上述描述和附图公开了许多不同的实施例。应当理解逐字地描述和说明这些实施例中的每个组合和子组合将会造成不必要的重复和混淆。因此，所有的实施例可以以任何方式和/或组合来组合，并且本说明书(包括附图)应解释为构成一个此处所描述的实施例的所有组合和子组合，以及制备和使用它们的方式和过程的完整书面说明，并且支持任何这种组合或子组合的权利要求。
在附图和说明书中已经公开了本发明的典型的实施例，虽然采用了特定的术语，但它们只是在一般的和描述性的意义上使用，而不是为了进行限制，本发明的范围由所附权利要求阐明。

Claims (6)

1.一种用于固态照明装置的驱动电路，包括：
全波整流器，配置为整流交流AC输入电压信号以产生整流输入信号；
升压转换电路，配置为接收所述整流输入信号并且以高于所述整流输入信号的峰值电压的电压向固态光源传递功率；以及
开环升压控制电路，耦合至所述升压转换电路并且被配置为使所述升压转换电路从所述整流输入信号提取基本上恒定的功率并且以由所述固态光源限定的输出电压电平将所述功率传递至所述固态光源；
其中所述升压转换电路包括被配置为接收所述整流输入信号的升压电感器、耦合至所述升压电感器的二极管、耦合至所述二极管的升压电容器以及耦合至所述升压电感器和所述二极管的开关，其中所述开关的操作由所述升压控制电路控制，其中所述升压电感器包括辅助绕组，以及其中所述升压控制电路耦合至所述升压电感器的所述辅助绕组并且被配置为响应于所述升压电感器的所述辅助绕组两端产生的电压而产生用于控制所述开关的操作的电流基准。
2.根据权利要求1所述的驱动电路，其中所述升压控制电路被配置为以开环控制模式工作，其中不响应于所述输出电压电平控制所述升压转换电路的操作。
3.根据权利要求1所述的驱动电路，其中所述升压控制电路被配置为响应于所述整流输入信号产生用于控制所述升压转换电路的电流基准。
4.根据权利要求1所述的驱动电路，其中所述升压控制电路被配置为从电源而不是从所述升压电感器的所述辅助绕组提取偏置功率。
5.根据权利要求1所述的驱动电路，其中所述升压转换电路包括被配置为接收所述整流输入信号的升压电感器、耦合至所述升压电感器的二极管、耦合至所述二极管的升压电容器以及MOSFET开关，所述MOSFET开关包括耦合至所述升压电感器和所述二极管的漏极端子、耦合至所述升压控制电路的源极端子和耦合至所述升压控制电路的栅极端子，其中所述驱动电路被配置为从所述MOSFET开关的漏极端子提取偏置功率。
6.一种固态照明装置，包括：
固态光源，包括固态发光器件；以及
驱动电路，耦合至所述固态光源并且包括：全波整流器，被配置为对交流AC输入电压信号进行整流以产生整流输入信号；升压转换电路，被配置为接收所述整流输入信号并且响应地产生直流DC输出电压信号并且被配置为向固态光源提供所述输出电压信号；以及开环升压控制电路，耦合至所述升压转换电路并且被配置为使所述升压转换电路以恒定功率模式工作，在所述恒定功率模式中，所述升压转换电路从所述整流输入信号提取基本上恒定的功率并且以由所述固态光源限定的电压电平将所述功率传递至所述固态光源；
其中，所述固态发光器件包括多个发光二极管，所述多个发光二极管被配置为发射具有第一颜色的光并且耦合成电流镜配置。
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