CN105247961B - 用于发光二极管照明的驱动器及驱动发光二极管照明的方法 - Google Patents

用于发光二极管照明的驱动器及驱动发光二极管照明的方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供用于具有多个发光二极管(LED)的发光二极管照明的驱动器，驱动器从交流电源接收交流输入功率，且其包含用以供应整流输出功率至发光二极管以产生光通量的电压倍增器。也提供驱动具有多个发光二极管的发光二极管照明的方法，此方法包含：接收具有输入电压的交流输入功率；倍增输入电压以供应倍增的输出电压至发光二极管；以及整流交流输入功率以供应整流的输出功率至发光二极管以产生光通量。

Description

用于发光二极管照明的驱动器及驱动发光二极管照明的方法
技术领域
本发明涉及用于发光二极管照明的驱动器及驱动发光二极管照明的方法。本发明于此主要涉及高功率照明应用的描述，但不以此形式所限。
背景技术
近期发光二极管驱动器的研究工作显示，使用如图1所示的主动功率电子开关(active power electronic switches)(「主动发光二极管驱动器」)的双切换模式发光二极管驱动器，及如图2所示的不具有主动功率电子开关(active power electronicswitches)(「被动发光二极管驱动器」)的被动发光二极管驱动器已经被提出用于发光二极管***。图1显示来自意法半导体公司(ST Microelectronics)的应用须知的电源供应器与电源管理L6562A TSM1052 AN2711数据表(Application Notes Power Supply And PowerManagement L6562A TSM1052 AN2711 Datasheet)的「主动(active)」实体(offine)发光二极管***。对于其中发光二极管***连接交流主电源(AC mains)的实体(offine)应用中，主动与被动发光二极管驱动器本质上转换电网频率的交流电压源为电流源以驱动通常以串联连接为发光二极管串(strings)的发光二极管装置。
对于紧密的发光二极管驱动器的设计而言，主动发光二极管驱动器是很好的解决方案。主动发光二极管驱动器是以切换模式电源供应器的技术为基础。因为切换频率可高达数百千-赫兹(kilo-Hertz)，则可减少能量储存构件的构件，例如电感器与电容器的尺寸。然而，由于他们对于复杂的电子电路，例如辅助电源供应器、控制集成电路、以及用于电源切换的闸极驱动电路等的需求，因此主动发光二极管驱动器于遭受例如大范围的温度与湿度变化和闪电的严酷环境条件的户外应用上不太可靠。
另一方面，被动发光二极管驱动器具有不需要辅助电源供应器、控制集成电路、以及用于电源切换的闸极驱动电路等的简易电路结构。然而，因为电网频率的运作，使得这些被动驱动器通常需要较大尺寸的能量储存构件。这些构件包含具有有限寿命(limitedlifetime)且对温度高度敏感的电解电容器(electrolytic capacitors)。一般而言，通常用于发光二极管照明的电解电容器(electrolytic capacitors)具有15,000小时或1.7年的寿命。假使发光二极管照明的运作温度下降10℃，则其寿命加倍，而假使温度是上升10℃，则其寿命减半。尽管如此，由于其电路的简单性与对抗严酷环境的耐用性，使得被动发光二极管驱动器在户外应用时较为可靠。
美国专利申请号13/129,793为描述无需电解电容器(electrolytic capacitors)使用被动驱动器的方法的用于严酷环境中的耐用的发光二极管驱动器。如图2所示，此些被动发光二极管驱动器是以全桥式(full-bridge diode rectifier)二极管整流器为基础。二极管整流器的输出电压是由非电解电容器(non-electrolytic capacitors)C3平坦化(smoothed)，而输出电感器转换此电容电压为用于驱动发光二极管负载的电流源。于一些情况下，如图3所示，非电解电容器(non-electrolytic capacitors)C3可由各种形式的堆积电路(valley-fill circuit)取代。
对于高功率的发光二极管照明***，例如那些使用在街道照明中的***，发光二极管装置通常是串连形成发光二极管串。假使需要高功率，则某些时候需要使用并联连接(parallel-connected)串(strings)以达到所需的功率与发光性能。因为即便由相同制造商生产，各发光二极管装置不是完全地一致，相同模块类型的发光二极管装置的电压-电流(VI)特性也不完全地一致。因此，并联连接(parallel-connected)发光二极管串(strings)的电压-电流(VI)特性也不同。这样的差异可导致电流不平衡的问题，从而可导致光与热分布的不均匀，且更重要地为，由于意外过量电流(over-current)的情形，从而使发光二极管模块的寿命减少。
为了处理并联连接(parallel-connected)发光二极管串(strings)的电流不平衡的问题，已经提出各种技术，例如电机电子工程师学会电子电力学报(IEEE Transactionson Power Electronics)中由李S.N、钟W.Z.、陈W.、许S.Y.R.所著的「用于减少并联发光二极管串中电流不平衡的新型的自配置的电流镜技术(Novel Self-configurable CurrentMirror Techniques for Reducing Current Imbalance in Parallel Light-EmittingDiode(LED)strings)」，册(Volume)：27，期号(Issue)：4，页数：2153-2162的回顾。一般而言，电流镜技术(Current Mirror Techniques)与切换模块电流控制方法常用于减少并联电流串中电流的不平衡。用于此技术中的电流平衡电路显示于图4中。然而，无论其形式如何，使用这些技术与方法将增加电路的复杂性与成本。
发明内容
本发明的一个课题为要克服或改善现有技术的至少一缺点或提供有用的替代方案。
本发明第一方面提供用于具有多个发光二极管的发光二极管照明的驱动器，驱动器从交流电源接收交流输入功率，且包含用以供应整流输出功率至发光二极管以产生光通量的电压倍增器。
更好地为，多个发光二极管为串联连接。
于各种实施例中，电压倍增器为：电压二倍器(voltage doubler)、电压三倍器(voltage tripler)、以及电压四倍器(voltage quadrupler)的其中之一或其任意组合。在部分实施例中，电压倍增器为：德龙电压二倍器(Delon voltage doubler)及格赖纳赫电压二倍器(Greinacher voltage doubler)的其中之一或其组合。
更好地为，驱动器允许对应于对人眼不明显的光通量变化的整流输出功率变化。
更好地为，驱动器包含位于交流电源与电压倍增器之间的输入电容器。更好地为，驱动器包含位于电压倍增器与发光二极管之间的输出电容器。也为更好地为，驱动器包含位于交流电源与电压倍增器之间的输入电感器。更进一步，驱动器较佳地包含位于电压倍增器与发光二极管之间的输出电感器。
在部分实施例中，驱动器包含位于电压倍增器与发光二极管之间的填谷电路(valley-fill circuit)。
在部分实施例中，驱动器包含位于电压倍增器与发光二极管之间的平滑电容器(smoothing capacitor)。
更好地为，发光二极管串联连接为串联连接串(series-connected strings)的形式。更好地为，串联连接串(series-connected strings)为并排排列。
本发明第二方面也提供驱动具有多个发光二极管的发光二极管照明的方法，此方法包含：接收具有输入电压的交流输入功率；倍增输入电压以供应倍增输出电压至发光二极管的；以及整流交流输入功率以供应整流输出功率至发光二极管以产生光通量。
更好地为，多个发光二极管为串联连接。
于各种实施例中，输入电压为二倍(doubler)、三倍(tripler)、或四倍(quadrupler)。在部分实施例中，输入电压为使用：德龙电压二倍器(Delon voltagedoubler)及格赖纳赫电压二倍器(Greinacher voltage doubler)的其中之一或其组合而倍增。
更好地为，此方法包含允许对应于对人眼不明显的光通量变化的整流输出功率变化。
附图说明
现将藉仅为范例的方法，参照附随图式描述根据本发明最佳模式的较佳实施例，其中：
图1为使用主动驱动器(active driver)的现有技术的实体(offline)发光二极管***的示意图；
图2为使用被动驱动器(passive driver)的现有技术的实体(offline)发光二极管***的示意图；
图3为使用被动驱动器(passive driver)的另一现有技术的实体(offline)发光二极管***的示意图；
图4为具有并联连接(parallel-connected)发光二极管串(strings)且使用被动驱动器(passive driver)和电流平衡电路的又一现有技术的实体(offline)发光二极管***的示意图；
图5为根据本发明的实施例的用于发光二极管照明的驱动器的示意图；
图6为根据本发明的另一实施例的用于发光二极管照明的驱动器的示意图；
图7为根据本发明的又一实施例的用于发光二极管照明的驱动器的示意图；
图8为根据本发明的另一实施例的用于发光二极管照明的驱动器的示意图；以及
图9为根据本发明的又另一实施例的用于发光二极管照明的驱动器的示意图。
具体实施方式
参照附图，本发明的例示性实施例提供用于具有多个发光二极管(Light-Emitting Diod,LED)2的发光二极管照明的驱动器1。驱动器1由交流电源3接收交流输入功率(power)，且包含用以供应整流输出功率至发光二极管2以产生光通量的电压倍增器4。
取决于特定应用的需求，电压倍增器为可为电压二倍器(voltage doubler)、电压三倍器(voltage tripler)、以及电压四倍器(voltage quadrupler)的其中之一或其任意的组合。举例来说，在部分实施例中，电压倍增器为：德龙电压二倍器(Delon voltagedoubler)及格赖纳赫电压二倍器(Greinacher voltage doubler)的其中之一或其的组合。
本发明的驱动器特别适合用为用于例如于街道照明与其他户外照明的应用的高功率应用的被动驱动器(passive driver)。本发明所提供的驱动器减少所需的并联连接发光二极管串的数量、或完全避免并联连接发光二极管串的需求。于后者的情况下，所有的发光二极管以串联连接，而因此防止附加电路，例如电流镜电路(current mirror circuits)及其他电流平衡电路的需求，用以防止并联连接(parallel-connected)串的电流不平衡问题(current imbalance problems)的发生。
据悉，然而，在所有的发光二极管串联连接的情况下，发光二极管可为多个串联连接(series-connected)发光二极管串(strings)或组件的形式。此些发光二极管串(strings)是以串联依序连接，有效地形成以串联连接所有的发光二极管的单链(singlechain)。然而，串联连接(series-connected)发光二极管串(strings)可以平行或以任何其他配置排列。因此，他们可以重复任何并联连接(parallel-connected)发光二极管串(strings)的排列。
根据本发明的驱动器目前描述的实施例中，驱动器1也允许对人眼不明显的对应于光通量的变化的整流输出功率的变化。实施例允许光通量的变化高达12％，并表明人眼对于此强度(magnitudes)光通量的变化并不敏感。
对应至此光通量的变化的整流输出功率的变化可不需大尺寸的能量储存构件，而特别为可不需要使用有限寿命(limited lifetime)的电解电容器(electrolyticcapacitors)。允许这样的整流输出功率的变化的本发明的驱动器已被发现意外适合用作为用于像是户外应用的严酷环境的为简单、坚固、以及可靠的被动发光二极管驱动器。
更进一步，鉴于具有电压倍增器的上述的优点，当用作为用在例如户外照明与街道照明的应用的恶劣环境的高功率应用的被动式LED驱动器时，具有允许对应至不明显的光通量变化的整流输出功率变化的电压倍增器的本发明的驱动器也提供相当惊人且意想不到的优点。特别为，如上述详细的讨论，这些优点克服且改善如上讨论的于此些应用中涉及电流不平衡与有限寿命(limited lifetime)的电解电容器(electrolytic capacitors)的问题。
驱动器1允许对应于对人眼不明显的光通量变化的整流输出功率变化，举例来说，如图8所示，包含于电压倍增器4与发光二极管2之间的填谷电路(valley-fill circuit)5。将被理解的是，在具体实施中，填谷电路(valley-fill circuit)5与电压倍增器4可共享部分的电路构件。参照图5，电压倍增器4采用德龙电压二倍器(Delonvoltagedoubler)的形式。在德龙电压二倍器(Delon voltage doubler)中两电容器CD各由填谷电路(valley-fill circuit)5所取代而导致图8所示的驱动器1，从而包含填谷电路(valley-fillcircuit)5于电压倍增器4与发光二极管2之间。
在另一实施例中，取代填谷电路(valley-fillcircuit)5，将平滑电容器6放置横跨电压倍增器4与发光二极管2之间电压倍增器4的输出端以允许对应于对人眼不明显的光通量变化的整流功率变化。此于图9中显示。于此实施例中，驱动器1也包含于交流电源3与电压倍增器4之间的输入电感器7(Ls)。输入电感器7为足够地大以提供输入电流滤波(filtering)，而输入电流主要为正弦波(sinusoidal)且具有低电流谐波含量(harmoniccontent)。因此，拥有取代填谷电路(valley-fill circuit)5的平滑电容器6为足以允许所需的整流输出功率变化以产生不明显的光通量变化。
驱动器1的其他实施例包含具有或不具有填谷电路(valley-fill circuit)5或平滑电容器6的输入电感器7(Ls)。
驱动器1也可包含于交流电源3与电压倍增器4之间的输入电容器8(Cs)。驱动器1也包含于电压倍增器4与发光二极管2之间的输出电感器9(L)。输入电容器8(Cs)与输出电感器9(L)可包含或不包含填谷电路(valley-fill circuit)5与/或平滑电容器6。当包含平滑电容器6时，其是位于电压倍增器4与输出电感器9之间。
本发明也提供驱动具有多个发光二极管(Light-Emitting Diod,LED)的发光二极管照明的方法。此方法的实施例将由上述的描述而显而易见。举例来说，参照附图，此方法的实施例包含：接收具有输入电压的交流输入功率；倍增输入电压以供应倍增输出电压至发光二极管2；以及整流交流输入功率以供应输出功率至发光二极管2以产生光通量。
在部分实施例中，此方法包含允许对应于对人眼不明显的光通量变化的整流输出功率变化。
更特别详细考虑附图，图7为显示根据本发明的被动发光二极管***的基本实体(offline)结构。输入电容器8(Cs)可附加作为功率校正电容器(power correctioncapacitor)。于此下发光二极管2串中有断路故障(open circuit fault)的情况下，为小电容器的形式的输出电容器10(Co)可附加横跨于输出端子以提供输出电感电流连续的电流路径。特别为，输出电容器10是位于输出电感器9与发光二极管之间。如上述所述，电压倍增器可为电压二倍器(voltage doubler)，而或假使实体(offline)被动发光二极管***需要更大的功率或光输出，则电压倍增器的概念即可扩展至电压三倍器(voltage tripler)与电压四倍器(voltage quadrupler)。
如前所解释，并联发光二极管串(strings)的使用是用于增加输出功率，而因此增加发光二极管照明***的光输出。对于被动发光二极管驱动器，二极管整流器的整流输出电压是与交流主电源(AC mains)的输入电压有关。这样的直流电压对于各发光二极管串(strings)中串联连接(series-connected)发光二极管模块可能的数量上设限。举例来说，假设输出直流电压是150V且各串联连接(series-connected)发光二极管模块的电压与电流额定(current rating)分别为10V与0.35A，于是各发光二极管串(string)可由15个串联连接(series-connected)发光二极管模块所组成，而各串(string)的功率为52.5W。因此，对于100W与150W的标称功率的发光二极管***，假设采用被动发光二极管驱动器的相同输出电压，则将分别需要两个与三个发光二极管串(string)。图4说明并联发光二极管串(string)的使用以扩展功率的输出。
排除电流不平衡的最简单的方法当然是使用单一串(string)。然而，如图2与图3所描述的以全波二极管整流器与输入电感器Ls的使用为基础的被动发光二极管驱动器于输出电压方面具有相同的限制。因此，图2至图4的被动发光二极管驱动器是不适合单一发光二极管串(string)的应用，除非单一发光二极管串(string)的功率可满足发光二极管照明***所需的功率与发光特性。
取代使用并联连接(parallel-connected)串(string)以通过被动发光二极管驱动器提供相同的直流电压输出，本发明使用电压倍增器以提供用于串联连接(series-connected)发光二极管串(string)的可扩展的直流输出电压(用以形成单一发光二极管串)。
图5显示使用德龙电压二倍器(Delonvoltage doubler)(包含在虚线方框中)形式的交流-直流倍压器(AC-DC voltage doubler)作为电压倍增器4的特定实施例。图5中电压二倍器的输出电压是图4的全桥式(full-bridge diode rectifier)二极管整流器的输出电压的两倍。结果是，两个发光二极管串(string)的功率可通过具有以串联连接的两个发光二极管串(string)而满足，有效地形成具有两个原始串(string)的功率的两倍的单一发光二极管串(string)。例如格赖纳赫电压二倍器(Greinacher voltage doubler)的其他形式的倍增器，也可用于加倍输出电压。图6显示具有格赖纳赫电压二倍器(Greinachervoltage doubler)的驱动器。
如上述所描述，本发明是针对用于仅供电予单一发光二极管串(string)的发光二极管驱动器的电路拓扑(circuit topologies)与操作的方法。尽管高功率的发光二极管***一般具有以并联连接(parallel-connected)串(strings)排列的发光二极管，但单一发光二极管串(string)的使用可以排除发生于并联连接(parallel-connected)发光二极管串(strings)中的电流不平衡的问题。本发明为描述不需要辅助电源供应器、切换主动半导体、以及控制集成电路的被动发光二极管驱动器为何可被设计以处理于单一发光二极管串(strings)排列中的高电压和低电流需求。单一串(strings)发光二极管排列的使用，可排除平衡并联发光二极管串(strings)电流的需求。
本发明也针对允许对应于对人眼不明显的由发光二极管产生的光通量变化的整流输出功率变化。此减缓于驱动器中使用有限寿命(limited lifetime)的电解电容器(electrolytic capacitors)的需要，导致具有更长寿命的耐用且可靠的驱动器。这样的驱动器格外地适合在恶劣环境，例如遇到户外照明与街道照明的应用。
于此，本发明的特征的组合提供不需要电流平衡技术与其他辅助电路的具有更长寿命的耐用且可靠的发光二极管驱动器。因此本发明特别地适合用于高功率发光二极管照明的应用，例如户外与街道照明，但不受此限制。
尽管本发明以藉参照特定实施例而描述，但本技术领域的通常知识者应当理解本发明可以各种其他的形式实现。本技术领域的通常知识者也当理解所描述的各种例子的特征可并入其他组合中。

Claims (15)

1.一种用于具有多个发光二极管(LED)的发光二极管照明的驱动器，其特征在于，所述驱动器连接到交流主电源并从所述交流主电源直接接收一交流输入功率，所述驱动器是被动驱动器(passive driver)并且包含用以供应一整流输出功率至该多个发光二极管以产生一光通量的一电压倍增器，和所述电压倍增器与所述多个发光二极管之间的一平滑电容器(smoothing capacitor)，其中，整个驱动器没有填谷电路(valley-fill circuit)、有源开关(active switches)、辅助电源和电解电容器，并且其中所述驱动器允许对应于对人眼不明显的光通量变化的整流输出功率变化，因此不需要产生严格控制的输出电压。
2.如权利要求1所述的驱动器，其特征在于，其中该多个发光二极管为串联连接。
3.如权利要求1所述的驱动器，其特征在于，其中该电压倍增器为：一电压二倍器(voltage doubler)、一电压三倍器(voltage tripler)、以及一电压四倍器(voltagequadrupler)的其中之一或其任意组合。
4.如权利要求1所述的驱动器，其特征在于，其中该电压倍增器为：一德龙电压二倍器(Delon voltage eoubler)、以及一格赖纳赫电压二倍器(Greinacher voltage doubler)的其中之一或其组合。
5.如权利要求1所述的驱动器，其特征在于，该驱动器包含位于该交流电源与该电压倍增器之间的一输入电容器。
6.如权利要求1所述的驱动器，其特征在于，该驱动器包含位于该平滑电容器与该多个发光二极管之间的一输出电容器。
7.如权利要求1所述的驱动器，其特征在于，该驱动器包含位于该交流电源与该电压倍增器之间的一输入电感器。
8.如权利要求1所述的驱动器，其特征在于，该驱动器包含位于该平滑电容器与该多个发光二极管之间的一输出电感器。
9.如权利要求1所述的驱动器，其特征在于，其中该多个发光二极管为串联连接为一串联连接串(series-connected strings)的形式。
10.如权利要求9所述的驱动器，其特征在于，其中该串联连接串(series-connectedstrings)为并排排列。
11.一种驱动具有多个发光二极管的发光二极管照明的方法，其特征在于，该方法使用一被动驱动器用于：
连接到一交流主电源；
从所述交流主电源直接接收具有一输入电压的一交流输入功率；
倍增该输入电压以供应一倍增输出电压至该多个发光二极管；
整流该交流输入功率以供应一整流输出功率至该多个发光二极管以产生一光通量；以及
通过一平滑电容器(smoothing capacitor)平滑交流输入功率，以允许对应于对人眼不明显的该光通量变化的该整流输出功率变化，在整个驱动器中不使用填谷电路(valley-fill circuit)、有源开关(active switches)、辅助电源和电解电容器，因此不需要该方法来产生严格控制的输出电压。
12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，其中该多个发光二极管为串联连接。
13.如权利要求11所述的方法，其特征在于，其中该输入电压被二倍(doubled)、三倍(tripled)、或四倍(quadrupled)倍增。
14.如权利要求11所述的方法，其特征在于，其中该输入电压为使用：一德龙电压二倍器(Delon voltage doubler)、以及一格赖纳赫电压二倍器(Greinacher voltagedoubler)的其中之一或其组合而倍增。
15.一种发光二极管照明***，所述发光二极管照明***具有如权利要求1至10任一项所述的驱动器。
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