用于LED照明的效率调节.pdf

本发明的各种实施例涉及开关模式调节器，并且更具体地，涉及使用开关模式调节器来调节LED电流以提高总的LED系统功效并抑制可调光LED照明系统的功耗的系统、设备和方法。基于开关模式调节器在LED驱动器中实施高和低亮度模式二者。在高亮度模式中，LED电流大于优选LED电流。在中等亮度模式中，LED电流小于优选LED电流，并且LED驱动器维持优选驱动器效率，而LED电流保持为直流电流。该开关模式电源或调节器也可以用于LED照明系统以外的应用中。

权利要求书一种可调光发光二极管（LED）照明系统，包括：
LED驱动器，耦合为接收DC功率供应和调光控制，所述LED驱动器操作于多个亮度模式并根据所述调光控制来生成驱动电压和电流控制；
电流吸收器，耦合为接收所述电流控制，所述电流吸收器控制在活动期间和非活动期间中通过LED的LED电流基本为直流电流；
输出电容器，耦合为接收所述驱动电压，所述输出电容器在所述非活动期间中给所述LED提供补流；并且
其中，所述多个亮度模式中的第一模式导致所述LED驱动器在所述活动期间与所述非活动期间之间交替，使得所述LED驱动器在所述活动期间中保持优选驱动器效率。
如权利要求1所述的可调光LED照明系统，其中，所述第一模式是中等亮度模式，并且在每一个活动期间中，由所述LED驱动器生成的输出电流分解为所述LED电流和对所述输出电容器进行充电的充电电流，使得在所述非活动期间中禁用所述输出电流，并且在所述活动期间中对所述输出电容器上累积的电荷进行放电以提供所述补流作为所述LED电流。
如权利要求1所述的可调光LED照明系统，其中，在所述第一模式中，生成高临界电压和低临界电压，并且所述驱动器电压控制于所述高临界电压与所述低临界电压之间以启用和禁用用于所述LED驱动器的所述活动期间和所述非活动期间。
如权利要求1所述的可调光LED照明系统，其中，在所述第一模式中，所述活动期间的宽度与所述LED中的亮度水平相关联。
如权利要求1所述的可调光LED照明系统，其中，所述多个亮度模式中的第二模式是高亮度模式，并且所述LED驱动器保持在所述活动期间中，在所述活动期间中，根据所述调光控制来对AC驱动电压中的每一个高频周期的占空比进行调制。
如权利要求1所述的可调光LED照明系统，其中，所述LED驱动器基于开关模式转换器。
如权利要求1所述的可调光LED照明系统，其中，所述LED驱动器还包括：
时钟生成器，所述时钟生成器生成AC驱动电压；
电流调节模块，耦合为接收所述调光控制，所述电流调节模块生成所述电流控制、第一临界电压和第二临界电压，所述第一临界电压小于所述第二临界电压；
输出电压感测电路，耦合至所述电流调节模块，所述输出电压感测电路将所述驱动电压与所述第一临界电压和所述第二临界电压进行比较，并生成确定所述活动期间和所述非活动期间的期间控制；
切换调节器，耦合至所述时钟生成器、所述电流调节模块和所述输出电压感测电路，所述切换调节器根据所述模式控制和所述期间控制来对所述AC驱动电压进行调制；以及
整流器和滤波器，耦合至所述切换调节器，所述整流器和滤波器对所调制的AC信号进行整流和滤波以生成所述驱动电压。
如权利要求7所述的可调光LED照明系统，其中，所述AC驱动电压具有与选自最大LED电流和优选LED电流的电流相关联的大小、频率和占空比，并且所述优选LED电流与所述LED中的所述优选驱动器效率相关联。
一种发光二极管（LED）驱动器，所述发光二极管驱动器根据调光控制来生成驱动LED的LED电流，所述发光二极管驱动器包括：
时钟生成器，所述时钟生成器生成AC驱动电压；
电流调节模块，耦合为接收调光控制，所述电流调节模块生成电流控制和模式控制；
切换调节器，耦合至所述时钟生成器和所述电流调节模块，所述切换调节器根据所述模式控制在选自多个亮度模式的亮度模式中对所述AC驱动电压进行调制；以及
整流器和滤波器，耦合至所述切换调节器，所述整流器和滤波器对所调制的AC驱动电压进行整流和滤波以生成驱动所述LED的驱动电压，所述驱动电压与根据所述电流控制而基本为直流电流的所述LED电流相关联；并且
其中，所述多个亮度模式中的第一模式导致所述LED驱动器在所述活动期间与所述非活动期间之间交替，使得所述LED驱动器在所述活动期间中保持优选驱动器效率并且在所述非活动期间中被禁用以防止生成所述LED电流。
根据权利要求9所述的LED驱动器，其中，电流吸收器耦合为接收所述电流控制，并且控制在所述活动期间中和所述非活动期间中通过所述LED的所述LED电流基本为直流电流。
根据权利要求9所述的LED驱动器，其中，所述多个亮度模式中的第二模式与高亮度模式相关联，并且所述LED驱动器保持在活动期间中，在所述活动期间中，根据所述LED中的亮度水平来对所述AC驱动电压中的每一个周期的占空比进行调制。
根据权利要求9所述的LED驱动器，其中，所述多个亮度模式中的所述第一模式是中等亮度模式，在所述中等亮度模式中，输出电容器在所述活动期间中累积电荷并且在所述非活动期间中给所述LED提供补流。
根据权利要求9所述的LED驱动器，还包括：
输出电压感测电路，耦合至所述电流调节模块，所述输出电压感测电路将所述驱动电压与由所述电流调节模块提供的第一临界电压和第二临界电压进行比较，并生成确定所述活动期间和所述非活动期间的期间控制。
根据权利要求9所述的LED驱动器，其中，所述AC驱动电压具有与选自所述LED中的最大LED电流和优选LED电流的电流相关联的大小、频率和占空比，并且所述优选LED电流与所述LED中的所述优选驱动器效率相关联。
一种生成驱动驱动器中的负载的负载电流的方法，包括以下步骤：
（1）接收DC供应电压和调光控制；
（2）根据所述调光控制生成电流控制；
（3）根据多个亮度模式生成AC驱动信号并对所述AC驱动信号进行调制；
（4）对所调制的AC驱动电压进行整流和滤波以生成驱动所述负载的所述负载电流，在活动期间中和非活动期间中，所述负载电流被根据所述电流控制控制为基本为直流电流；并且
其中，所述多个电流控制模式中的第一模式导致活动期间与非活动期间交替，使得所述驱动器在所述活动期间中保持优选驱动器效率，并且输出电容器在所述非活动期间中提供补流作为所述负载电流。
如权利要求15所述的方法，其中，所述负载是LED，并且所述方法用于生成所述负载电流作为驱动所述LED的LED电流。
如权利要求16所述的方法，其中，生成所述AC驱动信号并对所述AC驱动信号进行调制的步骤还包括以下步骤：
（1）从所述多个电流控制模式中选择第二模式，其中，所述第二模式与高亮度模式相关联，并且不涉及非活动期间；以及
（2）根据所述调光控制来调整所述AC驱动电压的每一个独立周期的占空比。
如权利要求16所述的方法，其中，所述第一模式是中等亮度模式，并且对所述AC驱动信号进行调制的步骤还包括以下步骤：
（1）从所述多个电流控制模式中选择所述第一模式；
（2）生成第一临界电压和第二临界电压，所述第一临界电压小于所述第二临界电压，所述第二临界电压进一步小于与所述优选LED电流相关联的优选驱动电压；
（3）将所述AC驱动电压的每一个独立周期的占空比调整为与所述优选LED电流相关联；
（4）通过将所述驱动电压与所述第一临界电压和所述第二临界电压相比较来生成期间控制，以确定所述活动期间和所述非活动期间；以及
（5）在活动期间和非活动期间中启用和禁用所述AC驱动电压。
如权利要求16所述的方法，其中，所述第一模式是中等亮度水平，在所述中等亮度水平中，根据所述LED中的基于所述调光控制的亮度水平来调整所述活动期间的宽度。
如权利要求16所述的方法，其中，电流吸收器用于根据所述电流控制来控制所述LED电流基本为直流电流。

说明书用于LED照明的效率调节
技术领域
本发明涉及开关模式调节器，并且更具体地，涉及使用开关模式调节器来调节LED电流以提高总的系统功效并抑制可调光发光二极管（以下，“LED”）照明系统的功耗的系统、设备和方法。该开关模式调节器也可以用于LED照明系统以外的应用中。
背景技术
随着基于半导体的固态照明（SSL）方案与其它照明技术相比持续改进，直到最近主要与电子设备和玩具中的简单指示器灯联系在一起的SSL已经变得更普遍。特别是，在过去的那些年，已经对发光二极管（LED）实现了巨大的技术改进。LED已经可用于各种波长，并适合于白光照明。LED的寿命也延长到超过100千小时，并且能够在高达许多瓦的输入功率工作。
当与常规灯比较时，LED是相对较小的，需要显著较低的功率量，并且具有较长的操作寿命。LED通常串联连接为LED串用于照明应用中。用于照明的LED串中的每个功率LED需要在35‑1400mA的范围中的标称LED电流、3V的正向电压降、以及大的制造公差。LED操作的功率量比典型卤素灯操作的功率量要小得多。卤素灯可操作在20‑50瓦的范围内，而LED在约5‑10瓦足以提供类似的亮度水平。然而，总是存在进一步增强LED照明系统的能量效率的需求。
图1A示例了标准LED照明系统100和该系统中的功率耗散。LED照明系统100包括LED驱动器102和LED灯模块104。LED驱动器102耦合为从DC源106接收DC供应电压VSUP，并且VSUP电压还由LED驱动器102转换为驱动电压VT和LED电流108。LED灯模块104由此驱动电压VT和LED电流108驱动。模块104中的LED二极管的照明功率PLED，即亮度，直接与通过LED二极管的LED电流108相关联。
在LED照明系统100中，由源106提供的输入功率PIN未被完全转换为LED灯模块104的照明功率。LED驱动器102和LED灯模块104在用于电压转换和LED照明的它们各自的过程中以热和可见辐射的形式耗散一些能量。特别是，LED驱动器102典型地基于线性或开关模式调节器。线性调节器在其负载范围上呈现差的效率特性。开关模式调节器比线性调节器呈现更好的效率，但是由于开关模式调节器内的固有切换和静态偏置损失，当其加载于最大效率操作点以下时，其仍然可以受到减小的效率的影响。
LED系统功效ESYS指LED照明系统100的总的照明效率。因为必需考虑LED驱动过程中的任何能量损失，所以LED系统功效ESYS是驱动器效率ηDRV和LED模块104中的LED的功效ELED的组合。因此，LED系统功效、LED的功效以及驱动器效率可以分别表示为：