用于照明元件的驱动单元及其操作方法

摘要

本发明涉及一种用于照明元件的驱动单元和一种用于这样的驱动单元的操作方法，而且涉及一种包括这样的驱动单元的照明元件。通过在整个驱动单元的不同级处使用不同电压有选择地向该驱动单元的控制单元提供功率，额外增加了自由度，其可以被用于提高功率效率特别是用于降低待机功耗同时仍然满足具体的空间和成本约束。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于照明元件的驱动单元及其操作方法以及一 种包括这样的驱动单元的照明元件。更具体地，本发明涉及一种用于 包括至少一个发光二极管并且具有工作模式和待机模式的照明元件 的驱动单元，以及一种操作用于这样的照明元件的这种驱动单元的方 法。

背景技术

在许多领域，包括一个或多个发光二极管(LED)的照明元件作 为白炽灯的替换—特别是作为卤素灯的替换—而被研发。

除了常规灯具通过控制电源而提供的简单开/关(ON/OFF)状态 之外，(包括LED的)照明元件目前可以提供包括通信(即，具体 照明元件的远程控制)在内的更为复杂的操作，上述通信尤其涉及到 调光，其中这使得照明元件的控制单元即使在光学引擎关闭的情况下 也必须被提供以功率。照明元件在没有提供照明的同时准备进行通信 以及被控制的这种模式被称作待机模式。

优选地，在待机模式期间，照明元件的功耗总体上应当很低。例 如，在MR16灯泡的情况下，CLEMA(欧盟针对灯具和用于灯具的 电气技术组件的国家制造协会的联盟)具有0.5瓦的待机功率要求。

实现所期望的功率效率和待机功耗所面临的困难在于，为此常规 所采用的器件与设计上的如可用空间和成本考虑的其它约束形成矛 盾。

发明内容

本发明的目标是提供一种用于照明元件的驱动单元，一种用于驱 动单元的操作方法，以及一种包括这样的驱动单元的照明元件，它们 在照明元件设计的空间和成本约束下允许更好的功率效率和待机功 耗。

在本发明的第一方面，提供了一种用于照明元件的驱动单元，该 照明元件包括至少一个光源，后者包括至少一个发光二极管，该驱动 单元包括：第一功率转换器，其被配置为通过汲取预定义电流波形的 至少一部分来接收输入功率并且输出总线电压；控制单元，其被配置 为控制该驱动单元；第二功率转换器，其用于向该控制单元提供功率， 该第二功率转换器的输入至少耦合至该总线电压，其中该驱动单元在 该控制单元的控制下具有工作模式和待机模式，在工作模式中利用该 总线电压而提供LED电压以便对该至少一个发光二极管进行操作， 以及在待机模式中，并不提供用于操作该至少一个发光二极管的LED 电压，但同时提供功率至该控制单元，其中该控制单元被配置为将该 第一功率转换器所输出的总线电压的电平从工作模式中的工作电平 调节为待机模式中的待机电平，反之亦然。

在本发明的第二方面，提供了一种照明元件，包括：第一功率转 换器，其被配置为通过汲取预定义电流波形的至少一部分来接收输入 功率并且输出总线电压；控制单元，其被配置为控制该照明元件；第 二功率转换器，其用于向该控制单元提供功率，该第二功率转换器的 输入至少耦合至该总线电压，包括至少一个发光二极管的至少一个光 源，其中该照明元件在该控制单元的控制下具有工作模式和待机模 式，在工作模式中至少一个发光二极管利用该总线电压进行操作，以 及在待机模式中该至少一个发光二极管并不进行操作但同时提供功 率至该控制单元，其中该控制单元被配置为将该第一功率转换器所输 出的总线电压的电平从工作模式中的工作电平调节为待机模式中的 待机电平，反之亦然。

在本发明的第三方面中，提供了一种用于包括至少一个发光二极 管的照明元件的驱动单元的操作方法，上述驱动单元被配置为使得该 照明元件具有工作模式和待机模式，在工作模式中至少一个发光二极 管利用总线电压进行操作以及在待机模式中该至少一个发光二极管 并不进行操作但同时提供功率至该控制单元，该操作方法包括步骤： 通过汲取预定义电流波形的至少一部分来接收输入功率并且输出总 线电压，转换输入电压并输出总线电压，在该工作模式和待机模式之 间进行切换时调节所输出的总线电压，并且在待机模式中对总线电压 进行转换以便向控制单元提供功率。

本发明所基于的想法在于，通过在整个驱动单元的不同级处使用 不同电压有选择地向控制单元提供功率，增加了自由度，其可以被用 于提高功率效率特别是用于降低待机功耗同时仍然满足具体的空间 和成本约束。

该预定义电流波形可以根据环境和特定实施方式而采取各种形 式。这样的预定义电流波形的示例可以如以下列表中所指示地进行定 义：周期的预定义部分(特别是周期的一个或多个部分，例如该周期 的前x％，峰值输入电流功率高于平均功率或者与均方根输入电压乘 以因数成预定关系，等等)。

注意到，该预定义电流波形(或预定义负载)可以优选地或有利 地被提供以允许该照明元件由包括电子变压器的常规装置进行供电， 后者需要特定负载进行操作。

根据本发明，甚至在待机模式中，该第一功率转换器也进行操作 并且根据预定义机制汲取功率(即使待机模式的机制与工作模式可能 有所不同)，而使得该照明元件可以在提供输入电压的电子变压器的 环境中使用。

然而，在待机模式中，该预定义电流波形(或负载)并非严格必 须被持续提供：如果所提供的负载在待机模式的周期部分期间是充足 的，则可以从输入取得充足能量并将其存储(例如，在电容器中)以 供控制单元保持操作(例如，被电容所支持直至下一个这样的周期)。

有利地，即使在待机模式期间，该照明元件所给出的负载也可以 足够高以供电子变压器进行操作，而使得多个照明元件也可以由一个 电子变压器进行供电，而无论该多个照明元件中的一个或多个可以处 于待机模式。

在优选实施例中，在该驱动单元中或者在该照明元件中，该第二 功率转换器的输入经由开关电路耦合至该第一功率转换器，该开关电 路还将该第二功率转换器的输入耦合至在该驱动单元或照明元件内 所提供的另外的电压。

特别地，在有利的修改形式中，该开关电路被配置为用于在待机 模式期间向该第二功率转换器提供总线电压并且在工作模式期间提 供该另外的电压。

作为针对该修改形式的附加选项，可能提供第三功率转换器，其 输出用于对该至少一个发光二极管进行供电的LED电压，该第三功 率转换器的输入至少被耦合至总线电压，其中该另外的电压是该第三 功率转换器所提供的LED电压或另一个电压。

针对控制单元的供电并不局限于直接从总线电压获取功率，而且 在该照明元件的工作模式期间所提供的其它电压也可以被用于对该 控制单元进行供电。如果在工作期间期间对该控制单元进行供电的第 二功率转换器被提供以低于总线电压的LED电压，则由于第二功率 转换器中所进行的转换所导致的功率损失有所减少，由此尤其减少了 该照明元件内的总体发热。

在以上实施例的另一种修改形式中，在工作模式和待机模式期 间，该开关电路被部署为使得该第二功率转换器的输入在总线电压高 于预定阈值电平时被电连接至另外的电压，并且在总线电压低于预定 阈值电平时被电连接至该第一功率转换器的输出。

有利地，利用总线电压这样的阈值，在工作模式和待机模式之间 切换时可以使用简单的电路在总线电压和LED电压之间进行切换， 另外其中对总线电压的控制还会导致对用于为该控制单元供电的电 压进行选择。

所要注意的是，以上所讨论的两种修改形式可以在某种程度上可 以是相符的：除了变换周期(如启动或者工作模式和待机模式之间的 变化)之外，阈值方法实际上可以被用来确保在待机模式期间的(有 所减小的)总线电压以及在工作模式期间的另外的电压(例如，LED 电压)被用于对控制单元进行供电。

要进一步注意的是，总线电压的控制可以包括另外的选项，即使 优选地为该总线电压提供了至少两个电平，一个电平用于工作模式而 另一个电平则用于待机模式。

可以预见到的是，总线电压能够在给定范围内连续控制，例如使 得所提供的总线电压与如基准电压之类的基准数值成比例。

在优选实施例中，该第一功率转换器被配置为用于在工作模式和 /或待机模式之间输出高于输入电压的总线电压，其中在该实施例的优 选修改形式中，该第一功率转换器包括升压电路。

在优选实施例中，该第二功率转换器包括线性电压调节器，优选 地包括低压差调节器。

与其它调节器(如开关模式转换)相比，低压差调节器(LDO) 对于较高的电压差可能不太有效。然而，与这样的其它DC-DC电路 相比，成本可以降低2.5至3倍，其中这样的DC-DC电路较高的复 杂度在对于空间具有严格约束的情况下也可能无法被承受。

在优选实施例中，该驱动单元被配置为用于提供低于总线电压的 LED电压，其中在该实施例的优选修改形式中，该第三功率转换器(参 见上文)包括降压电路。

在优选实施例中，输入电压为12V的交流，其中第一功率转换器 包括桥式整流器。

提供12V的交流允许该照明元件替代诸如为这样的电压所设计 的卤素灯泡的常规光源。

在以上实施例的优选修改形式中，总线电压处于20至28V的直 流范围内，并且LED电压至少在工作模式期间处于8至16V的直流 范围内。

在例如使用用于将输入电压转换为总线电压的升压转换器以及 用于将总线电压转换为LED电压的降压转换器的环境中，该降压转 换器从该升压转换器的电容汲取能量，其中该电容必须要存储足够的 能量以维持该降压转换器的工作。通过提供充分高的电压，该电容可 以足够小以满足实施方式中的空间约束，例如在被称作MR16的多面 反射体灯泡的情况下。

在优选实施例中，该照明元件是具有大约51mm直径的多面反射 体灯泡。

在优选实施例中，该控制单元适于接收指令并且依据该指令控制 该照明元件。

该控制单元可以具有该照明元件的开关或调光控制之外的附加 功能。

应当理解的是，权利要求1的驱动单元、权利要求14的照明元 件和权利要求15的操作方法具有特别是如从属权利要求所限定的相 似和/或相同的优选实施例。

应当理解的是，本发明的优选实施例也可以是从属权利要求或 以上实施例与相应独立权利要求的任意组合。

本发明的这些和其它方面将由于随后所描述的实施例而是显而 易见的并且将参考这些实施例进行阐述。

附图说明

在以下附图中：

图1示出了依据本发明实施例的照明元件的电路的第一部分；

图2示出了依据图1的实施例的照明元件的电路的第二部分；

图3示出了依据图1和图2的实施例的照明元件的电路的第三部 分；

图4依据图1至图3的实施例的照明元件的电路的第四部分；

图5图示了依据图1至图4的实施例的总线电压和LED电压的 数值；

图6示出了图示出依据本发明实施例的操作方法的示意性流程 图。

具体实施方式

图1示出了依据本发明实施例的照明元件的电路中包括驱动单元 的第一部分。

该实施例针对一种多面反射体(MR)灯泡，其中采用LED作为 光源并且其被提供以用于通信和控制的控制单元。

MR灯泡是卤素灯泡的普遍形式，其中特别地MR16型(直径为 八分之十六英寸即2英寸或大约51mm)是照明行业中使用最为广泛 的灯泡之一。

在传统的MR16应用情形中，系统包括墙壁安装的TRIAC，其作 为调光器进行操作，具有从市电馈送的110/220VAC50～60Hz并且依 据调光器设置对市电正弦波形进行相切，以及从该TRIAC接收相切 功率并且以大约30KHz的频率将其转换为12VAC的电子变压器 (ET)。一个或一组MR16灯泡(通常为卤素灯)连接至该ET并且 向用户产生光。这里，TRIAC作为灯泡开关和调光器控制进行工作， 其中常规的MR16灯泡作为在灯泡需要关闭时功耗为零的光源。

随着LED技术的快速发展，发光二极管(LED)正在替代MR16 光源中的卤素灯。由于LED可以容易地进行控制，所以可以随同基 于LED的MR16灯泡实施越来越复杂的控制机制。这里，控制通常 从TRIAC调光器转移至MR16灯泡。

对于常规的基于LED的可控MR16灯泡而言，典型的架构可能 包括涵盖了通信、光学开关和调光控制的微控制器单元(MCU)(例 如，将数字命令解释为PWM信号)以及将PWM信号转换为用于驱 动LED光学引擎的恒定电流的电子功率驱动器。假定控制单元(或 通信单元，即MCU和相关联电路)位于灯泡之中，则控制请求(例 如，控制系统、控制面板、RF控制器等)可以仅在控制单元(并且 因此上作为总体的灯泡)被供电时才被接收，及时光学器件被关闭(例 如，在待机期间)。灯泡的通信和控制电路启动而光学引擎关闭(即， LED并不输出光)的状态可以被称之为待机模式。

如以上所指出的，功率效率和待机功耗对于MR16灯泡的实施方 式而言是关键所在。例如，CLEMA(欧盟针对灯具和用于灯具的电 气技术组件的国家制造协会的联盟)具有可靠的0.5瓦的待机功率要 求。

常规地，为了满足这样的要求，可控MR16灯泡采用DC-DC转 换器作为辅助电源。然而，使用诸如电子开关模式转换器之类的电路 涉及到相当高的成本并且对于满足MR16灯泡中所涉及到的空间约束 也是严峻的挑战。另一方面，如果使用如低压差转换器(LDO)的相 当廉价的转换器—其所需空间也较少，又难以满足0.5W的待机功率 要求：其中对于控制单元而言总线电压通常为20～28VDC，其被转换 为3.2VDC，并且电流要求为30mA，功耗大约为0.72W(0.03mA× (20+28)/2V)超过了所期望的0.5W。

图1所示的照明元件的电路的第一部分连接至AC市电形式的常 规电源101，TRIAC103和电子变压器105连接至电源101。电子变 压器105以大约30KHz的频率向该照明元件的电路的第一部分提供 12VAC。

更具体地，电子变压器105连接至桥式整流器107，后者进而连 接至升压转换器109，其包括电感L1、开关SW1、二极管D1、运算 放大器OP2、电阻R9和R_S以及电容C1。通过电感L1的电流由电阻 R_S的数值以及施加于运算放大器OP2的非反相输入119的当前基准 电压所设置。该当前基准电压为了便于控制可以被设置为滞后数值。

升压转换器109为降压转换器111提供总线电压以便驱动多个发 光二极管113(为了简明仅示出了一个)。降压转换器111包括降压 IC115、电感L2、二极管D2、电容器C2、开关SW2和电阻R5，并 且将总线电压调节为恒定电流以驱动LED113。

升压转换器109(以及整体照明元件)被配置为用于以预定方式 从电子变压器105汲取功率，因此确保了电子变压器105有足够的负 载进行操作。由于本领域技术人员熟悉这样的电子变压器105所施加 的要求，其详细讨论不必在此给出。

进一步提供了控制电路117，其包括四个电阻R1至R4、运算放 大器OP1以及二极管D3，其中控制电路117连接至运算放大器OP2 的反相输入(OP2的非反相输入119在操作中被提供以当前基准电 压)。控制电路117的第一输入121被提供以总线电压，而控制电路 117的第二输入123(作为运算放大器OP1的反相输入123)则被提 供以总线基准电压。

控制电路117被提供以便设置总线电压的数值。在当前实施例中， 在20VDC至28VDC的范围内提供了用于工作模式的总线电压数值 (20VDC≤V_Bus≤28VDC)，而用于待机模式的总线电压数值则处于 10VDC至18VDC的范围内(10VDC≤V_Bus≤18VDC)。相应总线电 压数值的上限和下限能够经由滞后控制回路而获得。针对该实例，电 阻R1、R2和R3确定了该阈值范围。通过设置总线基准电压，实现 了总线电压的多个范围之间的切换。

图2示出了依据图1的实施例的照明元件的电路的第二部分。该 照明元件的电路的第二部分是开关电路201，其由晶体管T1、T2、齐 纳二极管ZD1、ZD2、电阻R6至R8以及电容C3所组成。该电路被 提供以两个输入203、205，其中在工作中，总线电压(参见以上图1) 被提供至第一输入203，而第二输入205则被提供以LED(参见以上 图1)的阴极电压。该电路有选择地使能晶体管T1或晶体管T2以将 施加于输入203或205的相应电压提供至开关电路201的输出207。 利用ZD1、ZD2、R8、R6和R7的适当参数选择，根据当前实施例， 在提供至输入203的总线电压等于或小于18V时可能使得晶体管T1 进行工作而晶体管T2被关闭。在提供至输入203的总线电压等于或 大于20V时，晶体管T1被关闭而晶体管T2进行工作，由此将LED 的阴极电压的输入提供至输出207。

图3示出了依据图1和图2的实施例的照明元件的电路的第三部 分。该电路的第三部分包括低压差调节器301以及两个电容C4和C5。 该低压差调节器将在输入303所提供的输入电压(参见图2的输出 207)转换为提供至输出305的输出电压。

图4依据图1至图3的实施例的照明元件的电路的第四部分。该 第四部分包括具有若干输入和输出的控制单元401。控制单元401由 图3的低压差调节器301的输出305进行供电(输入403)。控制单 元401被配置为与照明元件的外部进行通信，例如与该照明元件包括 于其中的整体照明装置的控制器进行通信(由箭头405所示)。控制 单元401还提供用于设置总线电压(参见以上图2)的总线基准电压 (由附图标记407所示)。另外，控制单元401提供另外的控制信号 或电压(由附图标记409所示)。

控制单元401在该实施例中为MCU，其与控制系统进行通信或 者监视本地按钮以执行照明元件开关和调光控制。对于开启和/或调光 命令而言，该控制被解释为针对工作模式，并且因此总线基准电压被 设置为用于该照明元件工作的正常总线电压的数值。关闭命令则被解 释为针对待机模式，并且因此该总线基准电压被设置为被减小为待机 总线电压的总线电压的数值。

当前实施例提供了如下减小待机功率的机制：低压差调节器301 经由图2的开关电路201耦合至总线电压以及发光二极管113的阴极 电压。在工作模式中，控制单元401利用发光二极管113的阴极电压 进行供电，后者利用总线电压进行驱动。在照明元件从工作模式切换 至待机模式时，总线电压利用控制单元401所控制的控制电路117而 有所下降，其中更进一步，低压差调节器301的输入303被提供以有 所降低的总线电压而不是发光二极管113的阴极电压。这允许所消耗 的待机功率有所下降，其中由于驱动器板上的功耗更小所以热性能也 进一步有所改善。

当发光二极管113在待机模式中被关闭时，低压差调节器301无 法从发光二极管113的阴极电压得到输入功率，否则将有流过发光二 极管串的泄漏电流，这导致了LED闪烁的问题。在本发明中，该问 题通过在从工作模式切换至待机模式时从使用阴极电压切换为使用 总线电压而得以避免。

另一方面，当该低压差调节器输入针对待机模式而从阴极电压切 换至总线电压时，功率损失在总线电压仍然保持在工作水平—也就是 20-28VDC—的情况下将会很高。该问题通过针对待机模式降低总线 电压的电平而得以避免：通过将总线电压从20-28VDC变为 10-18VDC，低压差调节器301上的功率损失能够被减少达40％。

根据提供至运算放大器OP1的反相输入123的基准总线电压的数 值，升压转换器109所输出的总线电压针对工作模式处于20至28 VDC的范围内或者针对待机模式而处于10至18VDC的范围内。在 工作模式中，降压转换器111的输出(也就是阴极电压)对应于总线 电压与正向电压之间的差值并且因此处于8至16VDC的范围内。

利用针对电阻R6至R7以及齐纳二极管ZD1和ZD2的参数的适 当设置，实现了：晶体管T1的栅极电压在(提供至输入203的)总 线电压等于或小于18VDC的情况下大于晶体管T2的栅极电压，而晶 体管T1的栅极电压在(提供至输入203的)总线电压等于或大于 20VDC的情况下大于晶体管T1的栅极电压。在晶体管T1的栅极电 压大于晶体管T2的栅极电压时，晶体管T1超控(override)晶体管 T2并且从总线电压(输入203)汲取功率到输出207(连接至图3的 低压差调节器)。在晶体管T2的栅极电压大于晶体管T1的情况下， 晶体管T2超控晶体管T1并且从阴极电压(输入205)汲取功率到输 出207(连接至图3的低压差调节器)。

利用包括控制单元401、升压逻辑(包括升压转换器109和控制 电路117)、降压逻辑(包括升压转换器111)和开关电路201的当 前实施例，低压差转换器的输入能够被保持在低压水平，其中工作和 待机模式中由于该低压差调节器所导致的功率损失也有所减少。这对 于可控灯具是极其有用的，例如，针对上述可控灯具期望满足来自 CLEMA的0.5瓦待机功率要求。

图5图示了依据图1至图4的实施例的总线电压和LED电压的 数值。

在照明元件的首次启动期间，在控制单元401具有用于设置总线 基准电压的工作电压之前，电子变压器105直接对总线电压501进行 充电(在点A之前)。低压差调节器301经由晶体管T1从总线电压 汲取其输入。一旦总线电压501上升并超过阈值503(该情况下为 20VDC)，晶体管T2就超控晶体管T1以便从发光二极管113的阴极 电压505向低压差调节器301提供功率(点A)。在工作模式期间(直 至时间t1)，低压差调节器301以及因此控制单元401利用阴极电压 505进行供电。在时间t1，用户向控制单元401提供指令(参见在图 4中图示通信的箭头405)以切换至待机模式，并且因此控制单元401 改变所输出的总线基准电压而使得总线电压501’有所减小(连同控制 待被关闭的发光二极管113一起)(点B)。开关电路201提供了低 压差调节器301利用有所减小的待机总线电压505’进行供电(点C)。 依据有所减小的总线电压，降压转换器111的阴极电压也具有相对应 的偏移。

在使用电子变压器的情况下，认为有必要有由照明元件提供的至 少一个预定负载(否则电子变压器将无法进行工作)。鉴于此，不可 能仅是停止升压转换器109的工作以便获得一定程度上对应于经整流 的输入电压的总线电压。然而，如果照明元件的应用并没有以上约束 (例如，输入电压利用电池提供)，则也能够通过关闭升压控制器的 操作而实现总线电压的降低。

图6示出了图示出依据本发明实施例的操作方法的示意性流程 图。

在操作步骤(601)中，照明元件以工作模式进行操作，其中输 入电压被接收(603)并且被转换以便输出(605)总线电压。此外， 该总线电压被转换并且用于驱动至少一个发光二极管的LED电压被 输出(607)，而使得该照明元件提供光。该LED电压进一步被用于 对控制单元进行供电(609)。以上所提到的动作603-609基本上在 操作步骤601期间被同时提供。

在第一接收步骤611中，接收从工作模式切换至待机模式的指令， 随后在第一控制步骤613中由控制单元针对这样的切换进行控制，包 括通过改变总线基准电压而减小总线电压。

在待机步骤615期间，该照明元件以待机模式进行操作，其中输 入电压仍然被接收(617)并且被转换以便输出(619)有所减小的总 线电压。然而，发光二极管不再被驱动并且由此照明元件并不输出光。 有所减小的总线电压被用于对控制单元进行供电(621)。以上所提 到的动作617-621基本上在待机步骤615期间被同时提供。

在第二接收步骤623中，接收从待机模式切换至工作模式的指令， 随后在第二控制步骤625中由控制单元针对这样的切换进行控制，包 括通过改变总线基准电压而增大总线电压。

该流程随后返回至操作步骤601中的工作模式。

虽然这里已经在附图和以上描述中图示并详细描述了本发明，但 是这样的图示和描述要被认为是说明性或示例性而不是限制性的；本 发明并不局限于所公开的实施例。

通过研习附图、公开和所附权利要求，本领域技术人员在对请求 保护的发明加以实践时能够理解并实施针对所公开实施例的变化。

在权利要求中，词语“包括”并不排除其它要素或步骤，并且不 定冠词“一个”(“a”或“an”)并不排除多个。

单个处理器、设备或其它单元可以实现权利要求中所引用的若干 事项的功能。某些措施在互相不同的从属权利要求中被引用的仅有事 实并非表示这些措施的组合不能被加以利用。

权利要求中的任何附图标记都不应当被理解为对范围有所限制。