Схема драйвера и способ возбуждения

Изобретение относится к схеме драйвера для предоставления тока в нагрузку. Техническим результатом является оптимизирование падения напряжения на линейном переключателе с тем, чтобы уменьшить потери мощности. Результат достигается тем, что схема драйвера содержит блок (50) драйвера, который подает ток для нагрузки (51) на основе входного напряжения (10), содержащая первый и второй выводы (10a, 10b). Блок (50) драйвера содержит линейный драйвер, который содержит элемент (Q3) регулирования тока между входом и нагрузкой, причем упомянутый элемент имеет управляемую резистивную характеристику. Блок (52) компенсации, подключенный последовательно с блоком (50) драйвера и входом, подает компенсирующее напряжение. Оно используется для управления напряжением на блоке драйвера в зависимости от входного напряжения и рабочих условий нагрузки. Блок (52) компенсации содержит импульсный силовой преобразователь и второй конденсатор (C2) в качестве источника энергии импульсного силового преобразователя, причем элемент (Q3) регулирования тока, нагрузка (51) и второй конденсатор (C2) находятся в последовательном подключении между первым и вторым выводами (10a, 10b). Таким образом, рабочий диапазон блока драйвера может уменьшаться для уменьшения потерь мощности на блоке драйвера, а компенсирующее напряжение также может использоваться с системой сбора энергии для повышения общей эффективности системы. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 11 ил.

 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к схеме драйвера для предоставления тока в нагрузку. В предпочтительных примерах оно относится к драйверу, который принимает входное напряжение постоянного тока (DC) и формирует выходное напряжение постоянного тока (DC) для приложения к нагрузке.

Уровень техники

Энергосбережение является одним из наиболее важных требований в любой системе или устройстве. С этой целью электросеть переменного тока заменяется локальными электросетями постоянного тока в некоторых применениях.

Одно преимущество электросетей постоянного тока состоит в том, что они предлагают возможность развертывать компактные недорогие высоконадежные линейные драйверы для светодиодного освещения.

На практике для уменьшения энергопотребления в драйверах светодиодов также использованы технологии регулирования яркости (силы света). Широкий диапазон регулирования яркости необходим для приспособления различных рабочих условий. Традиционно существуют различные категории способов регулирования яркости, включая аналоговое регулирование яркости и регулирование яркости на основе широтно-импульсной модуляции (ШИМ).

При аналоговом регулировании яркости корректировка амплитуды тока по сути обуславливает варьирования цветовой температуры. Использование аналогового регулирования яркости не рекомендуется в применениях, в которых цвет светодиода является очень важным.

При ШИМ-регулировании яркости средняя величина тока светодиода, используемого для возбуждения света светодиода, обычно определяется на основе длительности импульса и периода ШИМ-сигнала. Когда уровень регулирования яркости снижается, а цикл включения тока светодиода сокращается, глаза человека могут воспринимать мерцание света. Это ограничивает диапазон регулирования яркости (в частности, пороговое значение для минимальной длительности импульса) для достижения прогнозируемой и приемлемой производительности от светодиодного устройства. Помимо этого, эффективность драйверов светодиодов находится в диапазоне 85-90% при низких уровнях регулирования яркости.

Известны различные способы управления для регулирования яркости светодиодов для того, чтобы управлять цветовым сдвигом и мерцанием. В общих применениях освещения (освещение внутри и снаружи помещений) проблема эффективности и мерцания важнее проблемы цветового сдвига. Таким образом, аналоговое регулирование яркости может рассматриваться в применениях освещения внутри и снаружи помещений. Кроме того, в применении с использованием электросети постоянного тока, которая представляет собой локальную электросеть, варьирование напряжения на шине (±2%) обычно меньше, чем для применения питающей сети переменного тока (±15%), в силу чего могут использоваться простые недорогие высоконадежные линейные драйверы для светодиодного освещения, как показано на фиг. 1.

Схема драйвера, показанная на фиг. 1, содержит вход 10 постоянного тока, такой как напряжение на шине, нагрузку в виде цепочки (гирлянды) 12 светодиодов и линейный драйвер 14 светодиодов.

Линейный драйвер 14 светодиодов предоставляет сопротивление, которое варьируется в соответствии с нагрузкой, приводя к неизменному выходному напряжению. Он функционирует в качестве регулирующего устройства, которое предназначено действовать подобно переменному резистору, непрерывно корректируя сеть делителя напряжения для поддержания неизменного выходного напряжения, и непрерывно рассеивая разность между входным и регулируемым напряжениями в виде отработанного тепла. Поскольку регулируемое напряжение линейного регулятора всегда должно быть ниже входного напряжения, эффективность ограничена, и входное напряжение должно быть достаточно высоким, чтобы всегда обеспечивать активному устройству возможность некоторого падения напряжения.

Линейные драйверы могут размещаться между источником и регулируемой нагрузкой (последовательным регулятором) или могут размещаться параллельно с нагрузкой (шунтовым регулятором). Простые линейные регуляторы, например, могут содержать только зенеровский диод и последовательный резистор, тогда как более сложные регуляторы включают в себя отдельные каскады источника опорного напряжения, усилителя сигнала ошибки и силового проходного элемента (выходного каскада). Для формирования простого последовательного регулятора напряжения может использоваться каскад эмиттерного повторителя.

Измеренные профили эффективности для одного примера линейного драйвера светодиодов при различных напряжениях постоянного тока на шине показаны на фигуре 2. Возбуждаемая светодиодная структура, например, содержит конфигурацию из двух параллельных цепочек двух последовательных светодиодов, обеспечивающих светодиодную нагрузку в 20 Вт.

Ось D обозначает уровень регулирования яркости, а ось E обозначает эффективность. Фигура 2 показывает три различных входных напряжения на шине, 200 В на графике 20, 210 В на графике 22 и 220 В на графике 24, и он показывает эффективность в зависимости от уровня регулирования яркости. Из фигуры 2 ясно, что эффективность линейного драйвера светодиодов является очень чувствительной к разности входного и выходного напряжения.

Фигура 3 показывает природу требуемого входного напряжения VDC постоянного тока для эффективной работы линейного драйвера светодиодов в зависимости от уровня D регулирования яркости. С увеличением уровня регулирования яркости (т.е. уменьшением уровня возбуждения в % вдоль оси X) уменьшается требуемое входное напряжение на шине в светодиоде и линейном драйвере; это обусловлено естественной зависимостью напряжения цепочки светодиодов от уровня тока светодиода. В частности, напряжение цепочки светодиодов снижается со снижением тока светодиода. При фиксированном напряжении электросети постоянного тока эффективность линейного драйвера светодиодов резко падает по сравнению с более эффективным импульсным драйвером.

Более низкая эффективность линейного драйвера может быть устранена путем обеспечения адаптивного напряжения электросети постоянного тока, как раскрыто в WO2014/080337. Проблема этого решения состоит в том, что количественные показатели эффективности ухудшаются для комплектной системы освещения, поскольку многие из них не работают с максимальной эффективностью вследствие варьирования характеристик светодиодов из-за варьирования процесса изготовления от одной партии к другой. Чтобы исключать эту проблему, может применяться группировка. Однако, этого также будет недостаточно, чтобы отследить варьирования температуры и варьирования вследствие старения для большого числа светильников.

Иллюстрация таких варьирований от светильника к светильнику показана на фигуре 4, которая показывает различные кривые зависимости напряжения от уровня регулирования яркости для трех различных светильников L1, L2 и L3. В большой установке, в которой наборы светильников могут соединяться в виде гирлянды, каждый светильник подвергается различным входным напряжениям вследствие сопротивления кабеля, а шина постоянного тока подвергается пульсации в 100 Гц от выхода распределительной коробки контроллера постоянного тока. Эти практические проблемы не обеспечивают в результате очень высокую эффективность для линейных драйверов светодиодов при всех возможных уровнях регулирования яркости. Следовательно, имеется потребность в решении, которое обеспечивает возможность линейным драйверам светодиодов работать с очень высокой эффективностью (такой как более 96%) в полном диапазоне регулирования яркости, т.е. от 100% до 10% и без необходимости определения характеристик светодиодов с использованием группировки.

Известные решения для активных драйверов требуют компонентов с номинальной емкостью и в силу этого с большей занимаемой площадью и более высокой стоимостью.

US 8710752 раскрывает систему, которая возбуждает несколько цепочек светодиодов, в которых определяется оптимальный уровень тока для каждой цепочки. Она нацелена на уменьшение размера драйвера светодиодов. Схема комбинирует повышающий преобразователь и линейный преобразователь.

Сущность изобретения

На основе характеристики, показанной на фиг. 2, при данном уровне регулирования яркости эффективность драйвера при различном напряжении в драйвере и светодиоде отличается. Это обусловлено тем, что прямое напряжение цепочки светодиодов поддерживается неизменным при этом данном уровне регулирования яркости, и разность между входным напряжением и прямым напряжением цепочки светодиодов прикладывается к линейному драйверу, что вызывает потери мощности. Чем больше разность, тем ниже эффективность. Таким образом, было бы выгодно достичь оптимальной эффективности линейного драйвера при данном уровне регулирования яркости, независимо от того, как варьируется входное напряжение. Дополнительно, как показано на фигуре 2 и фигуре 3, различные уровни регулирования яркости требуют для достижения оптимальной эффективности различного напряжения в драйвере и светодиоде, в силу чего также было бы выгодно достичь оптимальной эффективности линейного драйвера, независимо от того, как варьируется уровень регулирования яркости.

US20120068626A1 раскрывает каскадное соединение источника напряжения, переключающего регулятора и линейного регулятора тока со светодиодной нагрузкой. При этом переключающий регулятор представляет собой понижающий преобразователь и подает напряжение Vdrive возбуждения в регулятор тока, которое исключает значительное рассеяние избыточной мощности в регуляторе тока.

В этом предшествующем уровне техники для обеспечения падения напряжения на линейном переключателе для уменьшения его потерь мощности используется понижающий преобразователь.

Цель настоящей заявки заключается в предоставлении альтернативного решения для оптимизирования падения напряжения на линейном переключателе с тем, чтобы уменьшить потери мощности. Чтобы по меньшей мере разрешить вышеуказанную проблему, изобретение характеризуется формулой изобретения.

Очень простая идея вариантов осуществления изобретения состоит в предоставлении конденсатора в последовательном подключении с линейным переключателем и нагрузкой, между входными выводами, и регулировке напряжения на конденсаторе согласно входному напряжению и напряжению на светодиодах с тем, чтобы регулировать напряжение в линейном переключателе, задавая напряжение в линейном переключателе в более эффективной рабочей точке линейного переключателя. Напряжение на светодиодах обычно связано с их рабочими условиями, такими как уровень регулирования яркости, старение и температура.

Согласно аспекту изобретения, предусмотрена схема драйвера для предоставления тока в нагрузку, содержащая:

ввод для приема входного напряжения, содержащий первый и второй выводы (10a,10b);

блок драйвера для обеспечения тока для нагрузки, исходя из входного напряжения, при этом блок (50) драйвера содержит линейный драйвер, который содержит элемент (Q3) регулирования тока между входом и нагрузкой, причем упомянутый элемент имеет управляемую резистивную характеристику;

блок компенсации в последовательном подключении с блоком драйвера и входом для обеспечения компенсирующего напряжения, для управления тем самым напряжением на блоке драйвера в зависимости от входного напряжения и рабочих условий нагрузки;

при этом блок (52) компенсации содержит импульсный силовой преобразователь и второй конденсатор (C2) в качестве источника энергии импульсного силового преобразователя, причем элемент (Q3) регулирования тока, нагрузка (51) и второй конденсатор (C2) находятся в последовательном подключении между первым и вторым выводами (10a,10b).

Эта компоновка комбинирует блок драйвера с блоком компенсации, который подает компенсирующее напряжение. Компенсирующее напряжение приводит к конкретному напряжению в драйвере в зависимости от конкретных рабочих условий и входного напряжения, так что оно более не определяется только блоком драйвера. Таким образом, схема драйвера может быть выполнена с возможностью работать более эффективно. Например, различное входное напряжение и различные рабочие условия нагрузки могут оказывать влияние на схему драйвера, чтобы манипулировать напряжением на блоке драйвера для того, чтобы эффективно функционировать.

Входное напряжение предпочтительно представляет собой напряжение постоянного тока, а схема драйвера служит для предоставления выходного напряжения постоянного тока. Однако изобретательский замысел также может применяться к системе переменного тока.

При предоставлении требуемого шага напряжения с использованием компенсирующего напряжения энергия также может быть собрана из требуемого шага напряжения. Этот вариант осуществления может дополнительно улучшать эффективность, если собранная энергия используется другими компонентами, либо если она может снова возвращаться во ввод.

В одном примере различные рабочие условия могут относиться к различным уровням выходным сигналам нагрузки, например, к уровню регулирования яркости системы освещения. Альтернативно, различные рабочие условия, например, могут быть связаны с различными температурами или с различными степенями старения, но для идентичного требуемого уровня выходного сигнала.

Блок драйвера может иметь небольшое падение напряжения для уменьшения потерь мощности в блоке драйвера. Максимальное падение напряжения может выбираться для обеспечения требуемой эффективности и запаса мощности для варьирования, например, в 1-2%, в питающем/входном напряжении. Этот максимум может составлять всего лишь 4 В для источника высокого напряжения около 220 В, и он может быть даже ниже, например, вплоть до 1 В. Блок компенсации предоставляет основную часть разности между напряжением первичного источника питания и требуемым оптимальным рабочим напряжением для нагрузки.

Блок компенсации может содержать импульсный силовой преобразователь, и в этом случае компенсирующее напряжение может подаваться при варьировании коэффициента заполнения (рабочего цикла) при работе блока компенсации.

Эффект блока компенсации заключается в том, что блок драйвера не обязательно должен представлять собой драйвер с полной номинальной мощностью, поскольку варьирования нагрузки приспосабливаются блоком компенсации, обеспечивая блоком драйвера предоставление в большей степени регулируемого питания.

Блок драйвера предпочтительно содержит линейный драйвер, и упомянутый линейный драйвер содержит элемент регулирования тока между входом и нагрузкой, причем упомянутый элемент имеет управляемую резистивную характеристику. Традиционно разность напряжений между входным напряжением и напряжением нагрузки полностью прикладывается в линейном драйвере. Поскольку линейный драйвер имеет внутренне присущую неэффективность, недостаток чувствительности к разности напряжений в драйвере состоит в том, что потери мощности являются большими, если разность напряжений является большой. Однако, в этом варианте осуществления разность напряжений в линейном драйвере уменьшается при введении блока компенсации. Это уменьшает потери мощности и за счет этого повышает эффективность.

Блок компенсации может содержать импульсный силовой преобразователь, например, повышающий преобразователь постоянного тока в постоянный ток (DC-DC). Силовой преобразователь в одном примере может формировать выходной сигнал, который может использоваться для сбора энергии. Импульсный силовой преобразователь имеет внутренне присущие преимущества высокой эффективности, так что, хотя значительная часть традиционной разности напряжений между входным напряжением и напряжением нагрузки перемещается из блока линейного драйвера в блок компенсации, эта значительная часть мощности/напряжения не будет приводить к большим потерям мощности. Другими словами, мощность, традиционно прикладываемая к линейному драйверу, блоку с высокими потерями мощности, перебазируется в импульсный силовой преобразователь, блок с низкими потерями мощности. За счет этого улучшается общая эффективность.

Вход предпочтительно содержит первый и второй выводы, а схема содержит между первым и вторым выводами первый конденсатор. Блок компенсации предпочтительно содержит второй конденсатор в качестве источника энергии преобразователя мощности, причем блок драйвера, нагрузка и второй конденсатор подключаются последовательно между первым и вторым выводами. Второй конденсатор заряжается и разряжается для поддержания уровня, соответствующего требуемому компенсирующему напряжению. Для случая нагрузки в виде светодиодной структуры ток через светодиодную структуру, как правило, является фиксированным для конкретного уровня регулирования яркости. Преобразователь мощности имеет коэффициент заполнения, который варьируется, чтобы варьировать напряжение на втором конденсаторе.

Таким образом, второй конденсатор имеет падение напряжения на нем, которое затем обуславливает оставшееся напряжение на блоке драйвера.

Импульсный силовой преобразователь блока компенсации может содержать индуктивный повышающий преобразователь постоянного тока в постоянный ток, который содержит переключатель питания и катушку индуктивности, причем упомянутый переключатель питания выполнен с возможностью включаться и выключаться попеременно, чтобы разряжать энергию из второго конденсатора с тем, чтобы задавать напряжение на втором конденсаторе в качестве упомянутого компенсирующего напряжения. Этот вариант осуществления предоставляет конкретную реализацию импульсного силового преобразователя блока компенсации. Поскольку компенсирующее напряжение является относительно небольшим относительно входного напряжения, такой повышающий преобразователь может повышать компенсирующее напряжение до большего напряжения для другого использования в системе. Следует отметить, что также может использоваться понижающий преобразователь, если с помощью собранной энергии блока компенсации должен питаться компонент низкого напряжения.

Индуктивный повышающий преобразователь постоянного тока в постоянный ток предпочтительно имеет выход, который предназначен для подключения через выходной диод либо к внешнему источнику напряжения, либо к входу. Это обеспечивает сбор энергии, рассеянной в результате падения напряжения, которое требуется для того, чтобы блока драйвера работал в требуемой точке по напряжению.

Рабочие условия нагрузки могут содержать любое одно или более из следующего:

рабочий ток;

старение нагрузки; или

рабочая температура нагрузки.

Каждое из этих условий работы может приводить к определенному напряжению нагрузки. Блок компенсации к тому же предназначен для обеспечения компенсирующего напряжения, которое задает напряжение в драйвере для достижения требуемой эффективности при определенном напряжении нагрузки и входном напряжении.

Нагрузка может содержать светодиодную структуру, а схема дополнительно содержит:

первый блок для получения требуемого рабочего напряжения светодиодной структуры с учетом рабочих условий;

второй блок для получения входного напряжения;

контроллер, предназначенный для:

настройки блока компенсации для обеспечения компенсирующего напряжения с амплитудой, составляющей существенную часть разности между входным напряжением и требуемым рабочим напряжением светодиодной структуры.

Таким образом, контроллер используется для извлечения компенсирующего напряжения в зависимости от рабочих условий и входного напряжения. Контроллер управляет напряжением на блоке компенсации и в свою очередь напряжением на блоке драйвера соответственно.

Схема, например, предназначена для приема уровня регулирования яркости светодиодной структуры, а первый блок к тому же предназначен для:

коррелирования упомянутого уровня регулирования яркости с уровнем рабочего тока для обеспечения упомянутого уровня регулирования яркости; и

получения упомянутого требуемого рабочего напряжения светодиодной структуры согласно уровню рабочего тока,

при этом упомянутый блок драйвера предназначен для предоставления упомянутого уровня рабочего тока в светодиодную структуру, а контроллер предназначен для настройки блока компенсации для обеспечения компенсирующего напряжения, которое минимизирует напряжение на блоке драйвера.

Таким образом, блок драйвера работает при наиболее эффективном рабочем напряжении для конкретного уровня регулирования яркости, и требуемое падение напряжения на блоке драйвера управляется эффективно. Конкретный уровень регулирования яркости к тому же представляет собой основную рабочую характеристику, которая учитывается, но дополнительно могут учитываться другие характеристики, такие как температура и старение.

Контроллер может быть дополнительно предназначен для конфигурирования падения напряжения на блоке драйвера имеющим максимальное значение для диапазона разрешенных рабочих условий, которое составляет не более k, умноженного на максимальное компенсирующее напряжение для диапазона разрешенных рабочих условий, при этом k=0,5, более предпочтительно k=0,3, еще более предпочтительно k=0,2; и/или при этом максимальное компенсирующее напряжение составляет менее 0,2 от максимального входного напряжения постоянного тока.

Таким образом, большая часть требуемого уменьшения между входным напряжением питания и напряжением нагрузки обрабатывается блоком компенсации. Однако блок компенсации может быть небольшим недорогим блоком.

Другой аспект изобретения предоставляет осветительную цепь, содержащую:

схему драйвера по вариантам осуществления изобретения; и

нагрузку, возбуждаемую схемой драйвера, которая содержит светодиодную структуру.

Другой аспект изобретения предоставляет способ возбуждения для предоставления тока в нагрузку, содержащий:

прием входного напряжения;

обеспечение тока для нагрузки, исходя из входного напряжения, через блок драйвера;

обеспечение компенсирующего напряжения между входным напряжением и блоком драйвера, тем самым регулируя напряжение на блоке драйвера в зависимости от входного напряжения и рабочих условий нагрузки.

Компенсирующее напряжение задает напряжение на блоке драйвера для достижения требуемой эффективности при рабочих условиях.

Компенсирующее напряжение задается с амплитудой, составляющей существенную часть разности между входным напряжением и требуемым рабочим напряжением нагрузки при данных рабочих условиях. Таким образом, разность в напряжении от входного напряжения обрабатывается главным образом с помощью компенсирующего напряжения.

Обеспечение тока, например, содержит обеспечение тока для нагрузки с использованием линейного регулятора тока, а обеспечение компенсирующего напряжения содержит управление импульсным силовым преобразователем, таким как повышающий преобразователь постоянного тока в постоянный ток. Таким образом, линейный регулятор (такой как линейный регулятор неизменного тока) комбинируется с преобразователем мощности.

Выходной сигнал из импульсного силового преобразователя может подаваться через выходной диод либо на вход, либо на внешний источник напряжения. Это обеспечивает сбор энергии.

Когда нагрузка содержит светодиодную структуру, способ может включать:

прием уровня регулирования яркости светодиодной структуры;

коррелирования упомянутого уровня регулирования яркости с уровнем рабочего тока для обеспечения упомянутого уровня регулирования яркости;

получение требуемого рабочего напряжения согласно уровню рабочего тока;

предоставление упомянутого уровня рабочего тока в светодиодную структуру; и

обеспечение компенсирующего напряжения для управления напряжением на блоке драйвера и принуждения блока драйвера достигать требуемой эффективности при этом уровне тока.

Эти и другие аспекты изобретения будут очевидны из и истолкованы со ссылкой на вариант(ы) осуществления, описанные здесь далее.

Краткое описание чертежей

Теперь подробнее будут описаны примеры изобретения со ссылкой на сопровождающие чертежи, на которых:

Фигура 1 показывает известную схему драйвера светодиодов;

Фигура 2 показывает профили эффективности одного примера линейного драйвера светодиодов при различных напряжениях постоянного тока на шине;

Фигура 3 показывает характер требуемого входного напряжения постоянного тока для эффективной работы линейного драйвера светодиодов как функции уровня регулирования яркости;

Фигура 4 показывает варьирования от светильника к светильнику на кривых напряжения в зависимости от уровня регулирования яркости;

Фигура 5 показывает первый пример схемы драйвера в схематичной форме;

Фигура 6 показывает реализацию схемы для схемы по фигуре 5;

Фигура 7 показывает моделирование схемы для схемы по фигуре 6;

Фигура 8 показывает результаты моделирования в ходе режима полной яркости с фиксированным входным напряжением;

Фигура 9 показывает результаты моделирования в ходе режима 1/3 от полной яркости с фиксированным входным напряжением;

Фигура 10 показывает результаты моделирования в ходе режима 1/3 от полной яркости с адаптивным входным напряжением; и

Фигура 11 показывает пример способа по изобретению.

Подробное описание вариантов осуществления

Варианты осуществления изобретения предоставляют схему драйвера, в которой блок драйвера подает ток для нагрузки, исходя из входного напряжения, а блок компенсации, подключенный последовательно с блоком драйвера, подает компенсирующее напряжение. Это компенсирующее напряжение используется для корректировки напряжения на блоке драйвера в зависимости от входного напряжения и рабочих условий нагрузки. Таким образом, рабочий диапазон блока драйвера может уменьшаться, и потери мощности в блоке драйвера снижаются. Однако требуемое рабочее напряжение остается на нагрузке. Предпочтительно, компенсирующее напряжение также может использоваться с системой сбора энергии для повышения общей эффективности системы.

На основе одного предпочтительного применения для возбуждения светодиодной структуры будут описаны варианты осуществления изобретения.

Фигура 5 показывает схему, использующую функциональные блоки, которая содержит основной линейный драйвер 50 светодиодов для обеспечения неизменного и требуемого тока светодиода. Типично 95-98% рассеяния мощности схемы имеет место в комбинации драйвера 50 и светодиодной структуры 51. Линейный драйвер может подавать модулированный или немодулированный выходной сигнал по току. Общая схема нацелена на обеспечение широкого диапазона регулирования яркости.

Последовательно с основным линейным драйвером каскадирован блок компенсации в виде компактного повышающего мини-преобразователя 52. Повышающий мини-преобразователь 52 имеет гораздо меньший размер, чем требовал бы в качестве единственного драйвера, например, около одной десятой от емкости общеиспользуемого обычного повышающего драйвера, и это объясняет значение термина "мини". Повышающий мини-преобразователь 52 обрабатывает около 2-5% рассеяния мощности. Рассеяние мощности драйвера 50/светодиода 51 и рассеяние мощности блока 52 компенсации вместе составляют полную 100%-ю мощность.

Мощность, вырабатываемая повышающим мини-преобразователем 52, необязательно может использоваться для возврата мощности в электросеть постоянного тока или в выделенный (специализированный) источник питания, например, для питания датчиков или контроллера.

Линейный драйвер светодиодов может работать при эффективности в 95-98%, как обсуждено ниже, а повышающий мини-преобразователь может работать при эффективности более 85%. Использование линейного драйвера для обработки по меньшей мере 95% мощности означает, что общая эффективность превышает 94% (0,95*0,95+0,85*0,05).

Фигура 6 показывает более подробную реализацию схемы, в которой напряжение цепочки светодиодов меньше напряжения постоянного тока на шине.

Первичный (входной) источник питания содержит первый и второй выводы 10a, 10b, и схема содержит первый конденсатор C1 между первым и вторым выводами. Функция этого первого конденсатора заключается в сглаживании ВЧ-составляющей входного напряжения.

Блок 52 компенсации содержит импульсный силовой преобразователь со вторым конденсатором C2 в качестве источника энергии силового преобразователя. Блок 50 драйвера, нагрузка 51 и второй конденсатор C2 подключены последовательно между первым и вторым выводами 10a, 10b.

В показанном примере импульсный силовой преобразователь содержит индуктивный повышающий преобразователь постоянного тока в постоянный ток, который содержит переключатель S1 питания и катушку индуктивности L1. Второй конденсатор C2 и катушка индуктивности L1 подключены последовательно с переключателем S1 питания, который подключен параллельно последовательной комбинации катушки индуктивности L1 и конденсатора C2. Переключатель S1 питания выполнен с возможностью включаться и выключаться попеременно, чтобы разряжать (сбрасывать) энергию из второго конденсатора C2 с тем, чтобы задавать напряжение на втором конденсаторе C2 для установки значения компенсирующего напряжения.

Второй конденсатор C2 эффективно поддерживает входное напряжение импульсного силового преобразователя, и он заряжается регулируемым током, выводимым из линейного драйвера 50. Повышающий преобразователь в одном примере повышает напряжение на втором конденсаторе C2 до напряжения постоянного тока на шине, так что энергия может повторно использоваться в схеме питания. Выход блока компенсации вместо этого может подключаться к внешнему источнику (VAux) напряжения. Выходной диод D4 показан для обеспечения тока для сбора энергии. Энергия, накопленная на конденсаторе C2, может возвращаться в электросеть постоянного тока, либо в другой первичный источник питания или локальные контрольные схемы, включающие в себя датчики.

Схема предоставляет то, что разность между входным напряжением на выводах 10a, 10b и напряжением на цепочке 51 светодиодов разделяется между линейным драйвером 50 и блоком 52 компенсации.

Таким образом, эта конфигурация схемы подключает линейный драйвер и цепочку светодиодов последовательно в виде одной ветви, с двумя конденсаторами C1 и C2, подключенными последовательно в виде второй параллельной ветви. В схеме по фигуре 6 2-4% регулирования напряжения управляется линейным драйвером 50, а регулирование напряжения за рамками этого реализуется повышающим мини-преобразователем 52.

Линейный драйвер 50 и блок компенсации управляются контроллером 54 для обеспечения требуемого тока и напряжения в нагрузку, а также для обеспечения требуемого разделения падений напряжения на блоке компенсации и на линейном драйвере.

Контроллер 54 принимает указание относительно требуемого рабочего напряжения светодиодной структуры. Оно предоставляется первым блоком 56 ввода. Этот блок обрабатывает информацию "i", которая может включать:

температуру;

информацию, указывающую степень старения;

требуемый уровень регулирования яркости.

На практике рабочее условие по сути может приводить к определенному рабочему напряжению светодиодной структуры, которое представляет собой прямое напряжение цепочки светодиодов, так что никакого активного обнаружения не требуется, и информация может относиться к условиям возбуждения. Однако, обнаружение также может использоваться. Например, по мере того, как светодиод стареет, определенный рабочий ток, протекающий через светодиодную структуру, формирует соответствующее рабочее напряжение. Таким образом, первый блок 56 может детектировать разность напряжений в светодиодной структуре с тем, чтобы принимать указание относительно требуемого рабочего напряжения светодиодной структуры. Альтернативно, также может иметься предварительно сохраненный набор данных в контроллере 54, который указывает сопоставление между рабочим напряжением и рабочими условиями, такими как ток, старение и температура. Температура может детектироваться через температурный датчик рядом со светодиодом, время старения может извлекаться контроллером на основе записи наработки, а ток может получаться через входной уровень регулирования яркости.

Второй блок 58 получает входное напряжение и подает его в контроллер 54. Контроллер выбирает компенсирующее напряжение, которое имеет амплитуду, составляющую существенную часть разности между входным напряжением Vin и требуемым рабочим напряжением Vdesired светодиодной структуры. Таким образом, большая часть требуемого падения напряжения обрабатывается блоком компенсации. Как обсуждено выше, для того, чтобы подавать напряжение на блок драйвера в 2% от входного напряжения, амплитуда компенсирующего напряжения представляет собой разность между входным напряжением и рабочим напряжением светодиодов минус 2% от входного напряжения.

Контроллер также задает уровень тока с помощью управления линейным драйвером 50. Уровень тока выбирается на основе требуемого уровня регулирования яркости, который может формировать часть информации, предоставляемой первому блоку 56.

Альтернативно, уровень регулирования яркости может коррелироваться с уровнем рабочего тока для обеспечения упомянутого уровня регулирования яркости. Затем для достижения требуемой эффективности линейного драйвера требуемое рабочее напряжение светодиода и линейного драйвера может отправляться согласно уровню рабочего тока, с использованием взаимосвязей, поясненных со ссылкой на фигуры 2 и 3. Затем линейный драйвер 50 управляется контроллером 54 для предоставления уровня рабочего тока в светодиодную структуру, а контроллер 54 также предназначен для настройки блока компенсации для обеспечения компенсирующего напряжения, которое представляет собой разность между входным напряжением и требуемым рабочим напряжением светодиода и линейного драйвера, как показано на фигурах 2 и 3, заставляя блок драйвера достигать требуемой эффективности при этом уровне тока и для этого входного напряжения.

Следует отметить, что первый и второй блоки 56 и 58 показаны только как отдельные блоки для простоты пояснения. На практике они могут формировать часть контроллера 54, который принимает требуемые входные сигналы и предоставляет подходящие сигналы для управления линейным драйвером и блоком компенсации.

Фигура 7 показывает более конкретную топологию схемы для схемы по фигуре 6, с выходом повышающего мини-преобразователя, подключенным к первичному источнику Vin питания.

Он также показывает пример линейного драйвера 50.

Линейный драйвер содержит элемент регулирования тока в виде силового транзистора Q3 эмиттерного повторителя между входом и нагрузкой. Транзистор имеет управляемую резистивную характеристику. Сопротивление управляется входным напряжением Vin1, которое подается на базу транзистора Q1 через резистор R5 базы.

Напряжение Vin1 управляет линейным драйвером. Напряжение Vin1 управляет током базы транзистора Q2, который, в свою очередь, управляет током коллектора транзистора Q2, который представляет собой ток базы силового транзистора Q3. Ток базы силового транзистора Q3 изменяет ток, протекающий через линейный драйвер в нагрузку.

Светодиодная структура, например, содержит цепочку светодиодов с номинальными характеристиками в 200 В, 100 мА. Общая схема в силу этого представляет собой драйвер светодиодов в 20 Вт и основана на 220-вольтовой электросети постоянного тока.

Фигура 8 показывает результаты моделирования для фиксированного входного напряжения постоянного тока 220 В в ходе режима полной яркости (100 мА). Фигура 9 показывает результаты моделирования для фиксированного входного напряжения постоянного тока 220 В в ходе режима 1/3 от полной яркости (33 мА).

В каждом случае график (a) показывает выходной сигнал повышающего мини-преобразователя в виде линии 80 и падение напряжения на линейном драйвере в виде линии 82. График (b) показывает ток катушки индуктивности повышающего мини-преобразователя. График (c) показывает ток в светодиодах, и график (d) показывает напряжение светодиодов.

Из результатов можно видеть, что падение напряжения на линейном драйвере составляет приблизительно 4 В (~2% от постоянного тока при 220 В). Напряжение цепочки светодиодов при этом токе составляет 200 В. Разность между входным напряжением электросети постоянного тока и напряжением цепочки светодиодов, минус вышеуказанное падение напряжения, поглощается повышающим мини-преобразователем 52 с достижением хорошей эффективности. В этом случае выходное напряжение повышающего мини-преобразователя составляет 16 В в ходе режима полной яркости и увеличивается до 25 В в ходе режима 1/3 от полной яркости для поглощения изменения напряжения цепочки светодиодов вследствие регулирования яркости, поскольку при 1/3 яркости напряжение цепочки светодиодов понижается до 191 В.

Эти результаты основаны на фиксированном напряжении питания постоянного тока 220 В.

Рабочие характеристики эффективности могут вычисляться.

(i) Режим полной яркости

Мощность светодиодов=200 В*100 мА=20 Вт

Потери мощности в линейном драйвере=4 В*100 мА=0,4 Вт

Мощность, обрабатываемая повышающим мини-преобразователем=16 В*100 мА=1,6 Вт

Предполагая эффективность в 80% для повышающего мини-преобразователя, потери мощности в этой операции=1,6*0,2=0,32 Вт

Входная мощность=20 Вт+0,4 Вт+0,32 Вт=20,72 Вт

Эффективность=выходная мощность/входная мощность=20/20,72=96,5%

(ii) Режим 1/3 от полной яркости

Мощность светодиодов=191 В*33 мА=6,303 Вт

Потери мощности в линейном драйвере=4 В*33 мА=0,132 Вт

Мощность, обрабатываемая повышающим мини-преобразователем=25 В*33 мА=0,825 Вт

Предполагая эффективность в 70% для повышающего мини-преобразователя при 30%-м уровне регулирования яркости, потери мощности в этой операции=0,825*0,3=0,2475 Вт

Входная мощность=6,303 Вт+0,132 Вт+0,2475 Вт=6,682 Вт

Эффективность=выходная мощность/входная мощность=6,303/6,682=94,32%

Только с линейным регулятором эффективность при 1/3 яркости составляла бы 6,303 Вт/(6,303 Вт+29 В*33 мА)=86,81%. Количественный показатель в 29 В представляет собой разность между 220 В и 191 В и полностью прикладывается на линейном драйвере.

Как упомянуто выше, также предусмотрены системы, которые прикладывают адаптивное напряжение электросети постоянного тока, при этом напряжение электросети постоянного тока адаптируется с возможностью поглощать изменение напряжения цепочки светодиодов (вследствие регулирования яркости). Соответствующие результаты моделирования показаны на фигуре 10 для режима 1/3 от полной яркости. Меньшее падение напряжения, требуемое в повышающем мини-преобразователе, может наблюдаться.

Мощность светодиодов=191 В*33 мА=6,303 Вт

Потери мощности в линейном драйвере=4 В*33 мА=0,132 Вт

Мощность, обрабатываемая повышающим мини-преобразователем=5 В*33 мА=0,165 Вт (предполагая, что электросеть постоянного тока адаптируется к около 200 В от 220 В)

Предполагая эффективность в 70% для повышающего мини-преобразователя при 30%-м уровне регулирования яркости, потери мощности в этой операции=0,165*0,3=0,0495 Вт

Входная мощность=6,303 Вт+0,132 Вт+0,05 Вт=6,485 Вт

Эффективность=выходная мощность/входная мощность=6,303/6,485=97,19%

Из моделирований, которые выполнены, можно видеть, что эффективность светильника может поддерживаться выше 94% с помощью нормальной электросети постоянного тока и выше 97% с помощью адаптивной электросети постоянного тока.

Фигура 11 показывает способ в соответствии с примером по изобретению. Способ содержит прием входного напряжения на этапе 110, подавая ток для нагрузки, исходя из входного напряжения, через блок драйвера на этапе 112 и подавая компенсирующее напряжение на этапе 114, тем самым корректируя напряжение на блоке драйвера в зависимости от входного напряжения и рабочих условий нагрузки.

Изобретение описано выше в связи с возбуждением светодиодов. Более обобщенно, изобретение представляет особенный интерес для драйверов, которые предоставляют управляемый ток в нагрузку.

Еще более обобщенно, изобретение может использоваться для возбуждения нагрузки с требуемым напряжением, что обеспечивает понижение напряжения от начальной подачи питания эффективным способом и что может обеспечивать сбор энергии.

Показан только один пример линейного регулятора. Однако могут применяться другие типы линейного регулятора.

Система использует контроллер. Компоненты, которые могут применяться для контроллера, включают в себя, но не ограничиваются этим, традиционные микропроцессоры, специализированные интегральные схемы (ASIC) и программируемые пользователем вентильные матрицы (FPGA).

В различных реализациях процессор или контроллер может быть связан с одним или более носителями данных, такими как энергозависимое и энергонезависимое компьютерное запоминающее устройство, например, RAM, PROM, EPROM и EEPROM. Носители данных могут кодироваться с помощью одной или более программ, которые при выполнении на одном или более процессорах и/или контроллерах, выполняют требуемые функции. Различные носители данных могут быть стационарными в процессоре или контроллере, либо могут быть переносными, так что одна или более хранимых на них программ могут загружаться в процессор или контроллер.

Другие варианты к раскрытым вариантам осуществления могут быть поняты и выполнены специалистами в данной области техники при практической реализации заявленного изобретения, из изучения чертежей, раскрытия и прилагаемой формулы изобретения. В формуле изобретения слово «содержащий» не исключает другие элементы или этапы, а форма единственного числа не исключает множество. Простой факт, что определенные меры перечислены во взаимно различных зависимых пунктах формулы изобретения, не указывает на то, что не может быть использована с выгодой комбинация этих мер. Любые ссылочные позиции в формуле изобретения не должны быть истолкованы как ограничивающие объем.

1. Схема драйвера для предоставления тока в нагрузку (51), содержащая:

вход (10a, 10b) для приема входного напряжения, содержащий первый и второй выводы (10a,10b);

блок (50) драйвера для обеспечения тока для нагрузки (51), исходя из входного напряжения, при этом блок (50) драйвера содержит линейный драйвер, который содержит элемент (Q3) регулирования тока, подключенный последовательно между входом и нагрузкой, причем упомянутый элемент имеет управляемую резистивную характеристику;

блок (52) компенсации, подключенный последовательно с блоком драйвера и входом, для обеспечения компенсирующего напряжения, чтобы управлять тем самым напряжением на блоке драйвера в зависимости от входного напряжения и рабочих условий нагрузки;

при этом блок (52) компенсации содержит импульсный силовой преобразователь и второй конденсатор (C2) в качестве источника энергии импульсного силового преобразователя, причем элемент (Q3) регулирования тока, нагрузка (51) и второй конденсатор (C2) находятся в последовательном подключении между первым и вторым выводами (10a,10b), при этом

второй конденсатор (C2) предназначен для зарядки током, исходя из упомянутого входного напряжения, протекающим через элемент (Q3) регулирования тока и нагрузку (51).

2. Схема драйвера по п. 1, в которой упомянутый второй конденсатор (C2) предназначен для обеспечения нагрузки (51) отрицательным смещением напряжения относительно входного напряжения таким образом, что напряжение на блоке (50) драйвера и на нагрузке (51) меньше входного напряжения.

3. Схема драйвера по п. 1, при этом между первым и вторым выводами схема содержит первый конденсатор (C1).

4. Схема драйвера по п. 1, в которой импульсный силовой преобразователь содержит индуктивный повышающий преобразователь постоянного тока в постоянный ток, при этом индуктивный повышающий преобразователь содержит переключатель (S1) питания и катушку индуктивности (L1), при этом упомянутый переключатель питания выполнен с возможностью включаться и выключаться попеременно, чтобы разряжать энергию из второго конденсатора (C2) с тем, чтобы задавать напряжение на втором конденсаторе в качестве упомянутого компенсирующего напряжения.

5. Схема драйвера по п. 4, в которой повышающий преобразователь постоянного тока в постоянный ток имеет выход, который предназначен для подключения через выходной диод (D4) либо к внешнему источнику напряжения, либо к входу.

6. Схема драйвера по любому предшествующему пункту, при этом рабочие условия нагрузки содержат любое одно или более из следующего:

рабочий ток;

старение нагрузки; и

рабочая температура нагрузки,

и при этом упомянутый блок (52) компенсации предназначен для обеспечения компенсирующего напряжения, которое задает напряжение на блоке драйвера для достижения требуемой эффективности при рабочих условиях.

7. Схема драйвера по п. 6, при этом нагрузка (51) содержит светодиодную структуру, а схема дополнительно содержит:

первый блок (56) для получения требуемого рабочего напряжения (Vdesired) светодиодной структуры с учетом рабочих условий;

второй блок (58) для получения входного напряжения (Vin);

контроллер (54), предназначенный для:

настройки блока (52) компенсации для обеспечения компенсирующего напряжения с амплитудой, составляющей существенную часть разности между входным напряжением и требуемым рабочим напряжением светодиодной структуры.

8. Схема драйвера по п. 7, при этом схема предназначена для приема уровня регулирования яркости светодиодной структуры, а первый блок (56) предназначен для:

коррелирования упомянутого уровня регулирования яркости с уровнем рабочего тока для обеспечения упомянутого уровня регулирования яркости; и

получения упомянутого требуемого рабочего напряжения (Vdesired) согласно уровню рабочего тока,

при этом упомянутый блок (50) драйвера предназначен для предоставления упомянутого уровня рабочего тока в светодиодную структуру, а контроллер (54) предназначен для настройки блока компенсации для обеспечения компенсирующего напряжения, которое минимизирует напряжение на блоке драйвера с тем, чтобы заставить блок драйвера достигать требуемой эффективности при этом уровне рабочего тока, при этом контроллер (54) предназначен для управления импульсным силовым преобразователем, чтобы разряжать энергию из второго конденсатора (C2) с тем, чтобы задавать напряжение на втором конденсаторе (C2) для установки значения компенсирующего напряжения.

9. Схема драйвера по п. 7 или 8, в которой:

контроллер (54) дополнительно предназначен для конфигурирования падения напряжения на блоке (50) драйвера имеющим максимальное значение для диапазона разрешенных рабочих условий, которое составляет не более k, умноженного на максимальное компенсирующее напряжение для диапазона разрешенных рабочих условий, при этом k=0,5, более предпочтительно k=0,3, еще более предпочтительно k=0,2; и/или при этом максимальное компенсирующее напряжение составляет менее 0,2 от максимального входного напряжения постоянного тока.

10. Осветительная цепь, содержащая:

схему драйвера по любому предшествующему пункту; и

нагрузку (51), возбуждаемую этой схемой драйвера и содержащую светодиодную структуру.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к схеме возбуждения светодиода (или светодиодной матрицы) с целью излучения кодированного света. Техническим результатом является обеспечение поддержания постоянной частоты переключения при применении амплитудной модуляции.

Изобретение относится к осветительным устройствам. Техническим результатом является снижение потери пострегулирования до минимума, при этом одновременно обеспечивается возможность корректируемого компромисса между размером конденсатора и мерцанием на световом выходе.

Изобретение относится к управлению освещением. Техническим результатом является управление одним или более свойствами света, излучаемого посредством осветительного блока, на основе одного или более движений, опознанных устройством управления освещением, которое закрепляется на поверхности объекта.

Изобретение относится к осветительному устройству для излучения по существу белого света с управляемой коррелированной цветовой температурой. Техническим результатом является обеспечение осветительного устройства, способного излучать свет, который имеет цветовую точку рядом с линией абсолютно черного тела в относительно широком диапазоне коррелированных цветовых температур.

Изобретение относится к управлению освещением. Техническим результатом является повышение эффективности осветительных приборов на основе формы кривой.

Группа изобретений относится к узлам внутреннего освещения транспортных средств. Узел потолочного плафона содержит световой барьер, светорассеивающий элемент поверх отражающей поверхности и контроллер.

Группа изобретений относится к узлам внутреннего освещения транспортных средств. Узел потолочного плафона содержит световой барьер, светорассеивающий элемент поверх отражающей поверхности и контроллер.

Изобретение относится к управлению освещением, а именно к диммированию осветительных СИД-структур. Техническим результатом является обеспечение СИД-диммера для подсоединения между СИД-драйвером и СИД-структурой.

Осветительный блок (100, 200, 300, 400, 1000, 1100, 1200, 1300, 1400, 1500) на основе СИД выполнен с возможностью установки в светильник (108, 208, 308, 408, 1008, 1108, 1208, 1308, 1408, 1508), чтобы побудить светильник реагировать на прикладываемые усилия и/или перемещения для управления одним или более свойствами света, излучаемого осветительным блоком.

Изобретение относится к области светотехники. Управляющая схема для управления светодиодами содержит преобразователь напряжения, электрически соединенный с источником питания и светодиодной лентой, причем преобразователь напряжения выполнен с возможностью подачи фиксированного напряжения на светодиодную ленту; и светорегулирующий блок на основе тока, электрически соединенный с преобразователем напряжения, причем светорегулирующий блок на основе тока выполнен с возможностью управления амплитудой тока, протекающего через светодиодную ленту, аналоговым способом на основании коэффициента заполнения широтно-импульсного модулированного сигнала.

Изобретение относится к светодиодной (СИД) осветительной системе и способу управления светодиодной осветительной системой. Техническим результатом является предотвращение преждевременного выхода из строя или неудовлетворительного режима работы светодиодных ламп в составе существующих осветительных устройств. Результат достигается тем, что светодиодная осветительная система (1) содержит устройство (11, 12) беспроводной связи для беспроводной передачи сигналов (D10_11, D11_12, D4_12, D5_12) между устройствами (10, 11, 12) светодиодной осветительной системы (1); по меньшей мере одну светодиодную лампу (10), подключаемую к сетевому источнику (2) питания, причем светодиодная лампа (10) содержит устройство (100) драйвера с блоком (102) управления для управления светодиодной лампой (10) согласно принятому сигналу (D10_11); детектор фазовой отсечки, выполненный с возможностью детектирования входного сигнала (Vcut) с фазовой отсечкой для светодиодной лампы (10); и схему защиты, выполненную с возможностью предотвращения работы светодиодной лампы (10) с входным сигналом (Vcut) с фазовой отсечкой, если угол фазовой отсечки входного сигнала (Vcut) с фазовой отсечкой превышает критический порог, причем упомянутая схема защиты предназначена для предотвращения воздействия входного сигнала с фазовой отсечкой на светодиодную лампу. Изобретение дополнительно описывает светодиодную лампу (10), содержащую устройство (100) драйвера, и способ управления светодиодной осветительной системой (1). 3 н. и 12 з.п. ф-лы, 6 ил.

Изобретение относится к схеме драйвера для предоставления тока в нагрузку. Техническим результатом является оптимизирование падения напряжения на линейном переключателе с тем, чтобы уменьшить потери мощности. Результат достигается тем, что схема драйвера содержит блок драйвера, который подает ток для нагрузки на основе входного напряжения, содержащая первый и второй выводы. Блок драйвера содержит линейный драйвер, который содержит элемент регулирования тока между входом и нагрузкой, причем упомянутый элемент имеет управляемую резистивную характеристику. Блок компенсации, подключенный последовательно с блоком драйвера и входом, подает компенсирующее напряжение. Оно используется для управления напряжением на блоке драйвера в зависимости от входного напряжения и рабочих условий нагрузки. Блок компенсации содержит импульсный силовой преобразователь и второй конденсатор в качестве источника энергии импульсного силового преобразователя, причем элемент регулирования тока, нагрузка и второй конденсатор находятся в последовательном подключении между первым и вторым выводами. Таким образом, рабочий диапазон блока драйвера может уменьшаться для уменьшения потерь мощности на блоке драйвера, а компенсирующее напряжение также может использоваться с системой сбора энергии для повышения общей эффективности системы. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 11 ил.

Наверх