包括用于电容器的电荷控制二极管的LED串驱动器电路

摘要

本发明涉及一种用于控制至少一个负载(D1，D2，D3)的电路装置(1)。为了提供用于从电流源提取辅助供电以便控制分流开关的手段，本发明的电路装置(1)包括用于连接至电源(30)的输入端子(11)；用于连接至至少一个负载(20，21，22，23)的输出端子(12)；控制电路(10)，包括适于对至少一个负载(20，21，22，23)进行控制的控制设备(13)；和能量存储设备(C)，其适于向控制设备(13)提供功率。进一步提供了可控旁通开关(M4)，其中所述旁通开关(M4)和所述控制电路(10)并联连接并且连接在所述输入端子(11)和所述输出端子(12)之间。电路装置(1)适于对旁通开关(M4)进行操作以控制提供至该控制电路的功率。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于控制至少一个负载的电路装置，一种LED 灯具，一种用于LED灯具的改装组件，以及一种用于控制至少一个 负载的方法。

背景技术

基于LED的灯具对于照明技术具有日益增长的重要性。LED的 低功耗和长寿命使得它们成为受到各种应用高度欢迎的选择。能够 在改装灯泡中采用白色LED，该改装灯泡能够替代常规的灯丝灯泡。 此外，具有各种颜色的LED是本领域已知的。同样已知的是，将红 色、绿色和蓝色LED进行组合来形成几乎无限的各种颜色的效果。

如今所出售的大多数改装LED灯泡具有开/关控制，而其它则与 舍相的壁式调光器相兼容。新的研发旨在为LED灯具增加新的功能， 如通过ZigBee或WiFi进行无线控制。对于那些应用而言，需要辅 助电源对无线通信芯片进行供电，这增加了成本以及电源设计的复 杂度。

可调色的LED灯泡包括三个不同的LED(红色、绿色和蓝色)， 其中每个LED的照明输出被单独控制以产生不同颜色。典型的具有 多个PWM(脉冲宽度调制)通道(诸如R、G和B)的LED灯泡需 要电压至电流转换器和辅助供电电压以用于个体通道的控制。高端 颜色控制要求对LED电流的准确控制。这通常是通过准确的电流水 平和PWM所实现的。有各种方式来实现该LED PWM电流。

例如，在使用反激(fly-back)转换器即具有典型变压器设置的 功率转换级中，市电AC可以被转换为两个DC电压，32V和5V。 32V电压随后利用降压转换器而被转换为恒定电流；该设置因此也 被称作“双级功率转换级”。由于该恒定电流即使在输出电压发生变 化时也将得以保持，所以可能将多个LED通道串联连接并且通过根 据所要求的PWM(亮度)数值对个体通道短路而对每个通道进行控 制。

短路可以通过被应用以控制光输出的所谓的分流拓扑来实现。 这里，可能存在串联连接的一个或多个LED通道。每个LED通道包 括一个LED，其与被操作用于控制相对应LED的功耗的分流开关并 联连接。特别地，该分流开关可以是MOSFET。

对于该示例性设置的反激转换器而言，对从反激变压器的主绕 组所得到的最大输出功率(LED电路的32V)的输出电压进行调控 是十分常见的。辅助供电电压(5V)被用来对控制电子器件进行供 电并且可以从反激变压器的辅助绕组得出。由于变压器绕组和分流 开关拓扑的电压均衡性，辅助供电电压可能在主绕组中的电流发生 变化时出现变化。因此，如果采用了分流开关拓扑，则用于对诸如 微控制器等的控制电子器件进行供电的恒定电压就无法被从反激变 压器分接的辅助绕组所保持。

此外，还存在有另一种挑战：使得浮置供电电压驱动分流开关。

给定以上所提到的问题，本发明的目标是提供一种从电流源提 取辅助供电以便利用成本有效、损耗减少的设置对分流开关进行控 制的手段。

发明内容

该问题通过根据权利要求1的电路装置，根据权利要求13的 LED灯具以及根据权利要求14的方法而被解决。

本发明的用于控制至少一个负载的电路装置包括用于连接至电 源的输入端子以及用于连接至至少一个负载元件的输出端子。这里 以及下文中的“负载”是指在对其施加以电压时消耗功率的任意设 备。该功率可以被变换为光、机械能、热量等。“负载元件”是指包 括负载的电路，在最简单的情况下，其由一个负载组成。这里的术 语“电源”是指任意类型的电功率源，即其可以是电压源或电流源， 并且其可以提供AC或DC电压(或者相应地为AC或DC电流)。 优选地，该电路装置意在将输入端子连接至恒定电流源。以上所提 到的连接-以及以下所提到的其它连接-可以是永久的(例如，通 过焊接形成)或者是可拆除的，例如像在插头和插座系统中那样。 此外，所要理解的是，如果该连接由印刷电路板上导线路径形成， 则相对应的端子可能无法与导线路径的其余部分区分开来。该输出 端子适于至少在输入端子连接至电源时向至少一个负载元件提供功 率。

该电路装置进一步包括控制电路和可控旁通开关。该控制电路 包括适于对至少一个负载元件进行控制的控制设备，以及适于向该 控制设备提供功率的能量存储设备。这里负载元件的控制是指稳定 和/或改变其操作状态，例如通过对负载进行激励或去激励或者改变 其所消耗的功率数量。然而，根据负载的类型，可以对多个操作参 数进行控制。

在本发明的范围内，可以采用闭环控制以及开环控制，即可以 使用或不使用对负载元件的状态的反馈。优选地，控制设备适于对 负载元件进行控制而使得该负载元件的操作状态是时间相关的。控 制设备的控制能力能够以软件或硬件来实施。优选地，该控制设备 是微控制器。该能量存储设备优选地能够以电场和/或磁场存储能量。 当能量存储在该能量存储设备中时，其能够至少临时向该控制设备 提供功率。因此，其必须至少临时电连接至该控制设备。通常，该 连接是永久的。

该旁通开关是能够在低电阻状态和高电阻状态之间进行切换的 设备。这里以及在下文中，开关处于低电阻状态被称作“闭合”而 处于高电阻状态则被称作“打开”。中间状态和/或两种以上所提到的 状态之间的连续切换是可能的，但是对于本发明而言并非是必要的。 根据本发明的旁通开关的示例包括开关设备，诸如机械开关、继电 器、半导体晶闸管(thyristor)或晶体管，尤其是MOSFET。

根据本发明，该旁通开关和控制电路并联连接并且连接在所述 输入端子和所述输出端子之间。因此，当该旁通开关闭合时，关于 控制电路从输入端子向负载元件提供旁通，而该旁通在旁通开关打 开时被阻断(或至少减小)。

此外，该电路装置适于对该旁通开关进行操作以控制提供至控 制电路的功率。也就是说，该电路装置打开和闭合该旁通开关，因 此提供至控制电路的功率得到控制。优选地，输入和输出端子之间 通过该控制电路的电流通过操作该旁通开关而被控制。优选地，该 电路装置适于在该旁通开关打开是对该能量存储设备进行充电。

该电路装置适于将负载元件连接至输出端子，从而该负载元件 关于输入端子而与旁通开关和控制电路中的每一个串联连接。在这 种情况下，当该旁通开关闭合时，如果闭合的旁通开关的电阻足够 低，则从输入端子通过控制电路到输出端子的电流减小(并且优选 地可忽略)。当该旁通开关打开时，从输入端子通过控制电路到输出 端子的电流增大。通过控制电路的电流的变化对应于对其提供的功 率的变化。

因此，可能通过打开旁通开关而增加提供至控制电路的功率以 对该能量存储设备进行充电。当该旁通开关闭合时，较少的功率(或 根本没有功率)被提供至控制电路，其可能不足以对控制设备进行 操作。然而，控制电路仍然能够被能量存储设备所提供的功率进行 操作。当负载元件(如LED)被连接至输出端子并且旁通开关被闭 合时，在输入端子所提供的功率可以基本上被该负载元件所消耗(因 为开关所消耗的功率数量可以忽略不计)，而在该状态下被旁通的控 制电路可以基本上仅消耗由能量存储设备所提供的功率。

利用本发明的电路装置，能够至少临时地使控制设备独立于连 接至输入端子的“外部”电源。这是由于能量存储设备，其即使在 控制电路被旁通的情况下也能够保持对控制单元的供电。在以下所 解释的某些实施例中，能量存储设备能够保持控制单元的(最小) 操作电压。另一方面，由于能量存储设备使用功率，即通常通过输 入端子所提供的电流，所以控制单元无需额外的电源、负载绕组或 转换器。因此，能够使用单级AC至恒定电流驱动器作为电源，而 控制设备从与连接至输出端子的(多个)负载元件(例如，LED) 相同的电流对其自身进行供电。

在本发明的优选实施例中，该电路装置适于在能量存储设备的 电荷水平对应于较低阈值的情况下打开旁通开关，并且在所述电荷 水平对应于较高阈值的情况下闭合旁通开关。特别地，该电荷水平 可以由电压水平所给出。由于能量存储设备与控制设备并联连接， 所以该电压水平可以轻易地通过测量控制设备处的电压而确定。较 低阈值通常将被选择为使得该控制设备保持能够进行操作，虽然能 够想到该控制设备的临时断电是可以接受的。因此，当电荷水平下 降至或低于较低阈值时，通过打开旁通开关而开始对能量存储设备 进行再充电。该较高阈值一般将被选择为高于该较低阈值。然而， 两个阈值可以相同。在这种情况下，可以采用一些类型的时间延迟 来防止该电路连续打开和闭合旁通开关。

作为替换，该旁通开关可以根据预定时间模式打开和闭合。这 尤其在与该电路装置的操作相关的所有参数(电源和(多个)负载 元件等的规范)都已知并且性能能够事先大程度上预测的情况下是 可能的。

优选地，该控制设备适于有选择地对多个负载元件进行控制。 这意味着多个负载元件中的每一个可以单独控制，例如一个负载元 件被去激励而另一个负载元件仍然活跃。本发明的电路装置尤其在 控制设备适于有选择地控制多色LED灯具的LED单元的情况下是有 用的。这里，术语“LED单元”是指包括至少一个LED的负载元件。 通常，一个LED单元中的所有LED将为相同颜色，但是不同颜色在 一个“LED单元”内的“混合”也是可能的。在多色LED灯具中， 不同LED单元包括具有不同颜色(或颜色组合)的LED。例如，一 个LED单元可以仅包括蓝色LED，而另一个单元则包括红色LED 或者红色和绿色LED的50：50的组合。

特别优选地，该控制设备适于对可调色LED灯具的红色、绿色 和蓝色LED进行控制。如本领域已知的，可调色LED灯具包括至少 一个红色、一个绿色和一个蓝色单元，其中每个LED单元的亮度可 以单独控制(根据预定模式或者根据用户输入)从而使得能够通过 附加颜色混合而几乎实现每种颜色。

虽然旁通开关的控制可以由电路装置中的单独组件来进行，但 是优选地，该控制设备适于控制旁通开关。因此，本发明所必要的 控制功能-负载元件的控制和旁通开关的控制-可以共同部署在一 个组件(例如，微控制器)中。此外，在这种情况下，控制设备自 行确定其功率源，即连接至输入端子的电源或者能量存储设备。

优选的，该能量存储设备是至少一个电容器并且所述电容器和 控制设备关于输入和输出端子并联连接。在该实施例中，该电容器 能够被充电至足以在旁通开关打开时用于操作控制设备的电压。当 旁通开关闭合时，该电容器将进行放电同时为控制设备提供能量。 由于该电容器与控制设备并联连接，所以应用于控制设备的电压由 该电容器所充电达到的电压来定义。该实施例因此对于保持控制单 元的(相对稳定的)操作电压非常有用。该电容器的电容以及“放 电间隙”的长度可以进行选择而使得电压并不会下降至低于对控制 设备进行操作所必需的水平。作为替换或除了电容器之外，可以使 用可充电电池或蓄电池作为根据本发明的能量存储设备。

可替换地或除此之外，能够想到的是，能量存储元件包括具有 电感的元件，如线圈，其与控制设备串联连接。在这种情况下，该 电感防止了通过控制设备的电流立即下降，因此至少在短的时间间 隔内向控制设备提供能量。此外，能量可以被存储为动能，例如在 作为电机(“充电间隙”)以及作为发电机(“放电间隙”)交替工作 的冷却风扇中。

由于能量存储设备意在当旁通开关闭合时保持对控制设备的供 电，所以能量存储元件上任何的额外消耗都应当被防止。因此，优 选地，该电路装置包括放电控制元件，其适于防止该能量存储设备 通过旁通开关进行放电。这尤其在旁通开关闭合时加以应用。一种 实现该目的的简单方式是在输入端子和能量存储设备之间提供二极 管。因此，放电电流能够流过该二极管以对能量存储设备进行充电， 但是当旁通开关闭合时，则没有(或仅有可忽略的)放电电流能够 流过旁通开关。不同于二极管，可以使用本领域已知的更为复杂的 整流元件。代替这些“静态”元件，可能提供第二开关，其在旁通 开关打开时闭合且反之亦然。还能够想到，该旁通开关是接管这两 种功能的拨动开关。

本发明的一个方面在于，其可以在负载的操作被一些外部输入 所影响的系统中使用。在一种这样的实施例中，控制设备适于从传 感器单元接收控制信号。这样的传感器单元例如可以包括触摸传感 器、运动传感器、亮度传感器等。例如，如果负载是如LED的光源， 则其亮度可以根据周围亮度进行控制或者其可以通过触摸或运动而 被激活。高度优选的是，如果该传感器单元需要电源，则功率由该 电路装置的能量存储设备提供。

在特别优选的实施例中，该控制设备适于从无线遥控系统的接 收器接收控制信号。这样的遥控系统尤其可以基于诸如Zigbee或 Wifi的已知标准。无线电或红外信号可以被用来实施遥控。如果接 收器需要电源，则优选地，功率由能量存储设备提供。因此，提供 了无线操作功能而无需另外的电源。如果需要双向通信(例如，给 出有关接收到控制信号的反馈)，则控制设备还可以适于控制无线控 制系统的传送器。这里，同样优选地，操作传送器所需的功率由能 量存储设备提供。所理解的是，接收器和/或传送器以及以上所提到 的传感器也可以集成到控制设备中。

该电路装置可以进一步包括至少一个连接至输出端子的负载元 件。也就是说，关于输入端子，该负载元件与旁通开关以及控制电 路串联连接。优选地，该负载元件包括负载单元和分流设备，它们 关于输出端子互相并联连接。这里的“负载单元”具有如以上所解 释的含义。分流设备是至少具有高电阻状态和低电阻状态的设备。 由于分流设备与负载单元并联连接，所以在分流设备变换至低电阻 状态的情况下，通过分流设备的电流增大而通过负载单元的电流减 小。该分流设备可以具有高电阻和低电阻状态之间的中间状态。该 分流设备尤其可以是晶体管，优选地为MOSFET。可替换地，可例 如采用半导体晶闸管、机械开关、光耦合器、继电器等。根据本发 明的电路装置可以是用于LED灯具的改装组件。例如，这样的组件 件可适于“插入”在现有LED驱动器和LED单元之间，即输入端子 连接至LED驱动器的相对应端子，而LED单元则连接至输出端子。 因此，该改装组件可以被用作现有灯具中的扩展单元。显然，该改 装组件自身也可以包括LED单元。

在本发明另外的方面中，提供了一种LED灯具，其包括如以上 所描述的本发明的电路装置。这样的LED灯具包括连接至该电路装 置的输出端子并且由控制设备进行控制的至少一个LED单元。通常， 该灯具还将包括电源以便将市电电压转换为适于操作LED的DC电 流。

本发明的另一个方面最终提供了一种利用电路装置控制至少一 个负载的方法。该电路装置包括用以连接至电源的输入端子；用于 连接至至少一个负载元件的输出端子；控制电路，其包括控制设备 和能量存储设备；以及旁通开关。这里，该旁通开关和控制单元并 联连接在所述输入端子和输出端子之间。根据本发明的方法，该控 制设备控制至少一个负载元件，该能量存储设备向该控制设备提供 功率，并且该电路装置对该旁通开关进行操作以对提供至该控制电 路的功率进行控制。

附图说明

本发明的这些和其它方面、特征和优势将参考结合附图对优选 实施例的描述而变得显而易见且得以阐述，其中：

图1示出了根据本发明的电路装置的实施例；和

图2是示例性LED灯具的部件的示意图。

具体实施方式

图1示出了根据本发明的电路装置1。电路装置1包括控制电路 10，其包括作为能量存储设备的电容器C以及作为控制单元的微控 制器13。控制电路10与旁通MOSFET M4并联连接。控制电路10 和旁通MOSFET M4都连接在输入端子11和输出端子12之间。输 入端子11连接至由LED驱动器(未示出)所提供的恒定电流源30 的正端子31。电荷控制二极管D4连接至电容器C和输入端子11之 间。

输出端子12连接至串联连接的三个负载元件20、21、22中的 第一个。每个负载元件20、21、22包括用于颜色红、绿和蓝之一的 LED D1、D2、D3。由于每个负载元件20、21、22的配置是相同的， 所以将仅对第一负载元件20进行详细描述。这里，第一LED D1与 作为分流开关的第一MOSFET M1并联连接。LED驱动器所提供的 恒定电流在第一LED D1和第一MOSFET M1之间进行划分，其中第 一LED D1的功耗将在通过第一MOSFET M1的电流增大时下降。

第一MOSFET M1由微控制器12利用第一操作端子14进行操 作。第一操作端子14通过第一电阻器R1连接至第一晶体管Q1的 基极，该第一晶体管Q1是PNP类型。第一晶体管Q1的射极连接至 电荷控制二极管D4，而其集电极则通过第二电阻器R2连接至恒定 电流源30的负端子32，并且连接至NPN类型的第二晶体管Q2的 基极和PNP类型的第三晶体管Q3的基极。第二晶体管Q2的射极连 接至电荷控制二极管D4，而其集电极则连接至第三晶体管Q3的射 极。第三晶体管Q3的集电极连接至负端子32。

第二晶体管Q2的集电极(和第三晶体管Q3的射极)通过第三 电阻器R3连接至第一MOSFET M1的栅极。微控制器13还包括分 别用于对第二和第三MOSFET M2、M3进行操作的第二和第三操作 端子15、16。第二和第三操作端子15、16以对应于第一操作端子的 方式连接至电阻器和晶体管的集合。

另外，微控制器13包括旁通操作端子17，其通过第四电阻器 R4连接至旁通MOSFET M4的栅极。微控制器13还检测电阻器C 处的电压并且使用内部比较器电路(未示出)将其与较低阈值和较 高阈值进行比较。

在操作期间，电流源30向正端子31提供恒定电流。在初始启 动时，旁通MOSFET M4被关闭。因此，恒定电流通过微控制器13 并且对电容器C进行充电。电容器C被充电直至达到较高阈值。此 时，微控制器13开启旁通MOSFET M4。现在，电流源30的电流将 通过旁通MOSFET M4直接到LED D1、D2、D3和/或分流开关M1、 M2、M3。在该状态下，没有(或可忽略的)来自电流源30的电流 流入控制电路10。因此，微控制器13目前由电容器C进行供电， 这将导致电容器C的电压下降。一旦达到电容器C的较低阈值电压， 微控制器13就关闭旁通MOSFET M4并且再次开始充电过程。通过 将供电置于LED D1、D2、D3的顶端，栅极驱动电压足以对旁通 MOSFET M4进行开关。该浮置/高侧供电还支持分流开关，因为栅 极驱动始终都高于最高的LED正向电压。

此外，微控制器13通过操作相对应的MOSFET M1、M2、M3 而控制第一、第二和第三LED D1、D2、D3的光输出。作为示例， 以下对第一MOSFET M1的操作进行描述。

当微控制器13将第一操作端子14处的电压设置为低数值时， 电流开始从第一晶体管Q1的射极经由第一电阻器R1而通过其基极 流向微控制器13。第一晶体管Q1被开启并且其集电极上的电压开 始增大。当第一晶体管Q1的集电极电压足够时，其开始向第二晶体 管Q2的基极提供电流，后者进而将开始启动。第二晶体管Q2的射 极电压朝向其集电极电压上升。在此期间，第一MOSFET M1的栅 极电压开始增大并且最终第一MOSFET M1开启。

为了关闭第一MOSFET M1，第一操作端子14处的电压被设置 为高。第一晶体管Q1的基极-射极电压下降并且导致第一晶体管Q1 关闭。一旦第一晶体管Q1关闭，第二电阻器R2就将拉低第二和第 三晶体管Q2、Q3的基极电压。第二晶体管Q2将关闭而第三晶体管 Q3将开始导通。第一MOSFET M1的栅极随后将经由第三电阻器R3 和第三晶体管Q3放电(并且通过第三晶体管Q3的基极和第二电阻 器R2放电至非常小的程度)。MOSFET M1将被关闭。

该控制可以遵循预先确定的时间模式。然而，微控制器13也可 以是ZigBee网络设备的一部分。在这种情况下，用户能够使用兼容 ZigBee的遥控器(未示出)来选择某些RGB颜色。该遥控器向微控 制器13发送相对应的命令，后者进而相应地对MOSFET M1、M2、 M3进行操作。整个ZigBee网络设备将以与微控制器13相同的方式 被供电，即由恒定电流源30和电容器C进行供电。因此，可能将 ZigBee功能整合到LED灯具中而无需额外的电源。如之前所提到的， 还可以添加ZigBee以外的其它功能，例如WiFi，或者微控制器13 可以连接至运动传感器、触摸传感器等。在这些应用中的每一种中， 附加功能并不需要额外的电源。

图1所示的电路装置可以被划分为电流源、负载(由负载元件 组成)和供电&控制电路40(见图1)。后者可以被用作现有照明器 材的改装组件。因此，可以增加新的控制特征和功能而无需更换整 个灯具。其优势在于并不需要辅助电源并且所有线路调整都能够在 LED驱动器30的低压侧完成，因此使得该修改从安全的观点来看是 无害的。

图2示出了供电&控制电路40如何能够在系统级别下被用作扩 展单元的示例。示出了LED灯具的部件。LED驱动器30连接至市 电供电的火线50和中性线51。作为改装组件41的一部分的供电& 控制电路40能够连接至LED驱动器30的低压侧。任何以上所提到 的新特征(ZigBee或WiFi功能等)被集成在改装组件41中。供电 &控制电路40进而连接至负载23(出于简单的原因，仅示出了LED 而没有相对应的分流开关)，其由集成在供电&控制部件40中的控制 单元10进行控制。如图2所示，发明电路装置1能被用作构建模块 以向采用任何允许分流开关的商品LED驱动器的照明器材增加控制 特征。这导致了库存中的部件更少并且便于向现有灯具增加新的功 能。

根据从附图、公开和所附权利要求，实践本发明的本领域技术 人员能够理解并实施针对所公开实施例的其它变化。

在以上描述和所附权利要求中，对单数的引用意在包含复数且 反之亦然，并且对具体数量的特征或设备的引用并不被理解为将本 发明限制为该具体数量的特征或设备。此外，诸如“包括”或“包 含”的表达形式并不排除其它要素，并且不定冠词“一个”(“a” 或“an”)并不排除多个。

某些措施在互相不同的从属权利要求中被引用的仅有事实并不 指示这些措施的组合无法被加以利用。权利要求中的任意附图标记 都不应当被理解为对权利要求的范围进行限制。