專利名稱：恒壓可調(diào)光led驅(qū)動(dòng)電源的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及ー種電源用來(lái)驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管(LED)。
背景技術(shù)：
LED在照明上的應(yīng)用正在迅速地?cái)U(kuò)漲，因?yàn)榕c白熾燈相比，LED具有效率高壽命長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)。與瑩光燈照明系統(tǒng)相比，LED也有不含水銀等有害物質(zhì)的優(yōu)點(diǎn)。LED基本上是直流器件，且其工作電壓通常比電カ公司提供的AC供電電壓低很多。由于這個(gè)原因，驅(qū)動(dòng)LED通常需要ー個(gè)電源，或“驅(qū)動(dòng)電源(driver)”來(lái)將AC供電轉(zhuǎn)換 為適和于LED的直流電壓。傳統(tǒng)的AD-DC轉(zhuǎn)換器可以用作LED的驅(qū)動(dòng)電源。這類轉(zhuǎn)換器已經(jīng)過(guò)很多年的優(yōu)化和完善，具有很高的效率并可低成本地大批量生產(chǎn)。但這類轉(zhuǎn)換器從根本上與傳統(tǒng)的，主要根據(jù)白熾燈的需要而設(shè)計(jì)的調(diào)光器，如TRIAC調(diào)光器，并不兼容。原因是，當(dāng)輸入電壓和負(fù)載在大范圍內(nèi)變化時(shí)，傳統(tǒng)的AC-DC轉(zhuǎn)換器總是盡可能地企圖維持輸出電壓不變。因此，當(dāng)調(diào)光器將AC-DC轉(zhuǎn)換器的輸入電壓調(diào)低吋，轉(zhuǎn)換器的輸出電壓仍維持不變，達(dá)不到調(diào)光的效果。直到輸入電壓低到不能正常工作時(shí)，傳統(tǒng)的AC-DC轉(zhuǎn)換器將會(huì)突然關(guān)閉或進(jìn)入不穩(wěn)定狀態(tài)。目前已有ー些技術(shù)用來(lái)制造與傳統(tǒng)調(diào)光器兼容的LED驅(qū)動(dòng)電源(所謂“可調(diào)光的LED驅(qū)動(dòng)電源”)。這些技術(shù)的例子包括美國(guó)專利7，649，327，7，852，017，7，609，008，7，038，399 和美國(guó)專利申請(qǐng) 20110043129，20110037399, 20110012530, 20100295478,20100277103, 20080278092, 20100134038, 20090295300，等所公開的各種設(shè)計(jì)。然而，所有這些設(shè)計(jì)都與傳統(tǒng)的AC-DC轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)有相當(dāng)大的差別，有些設(shè)計(jì)甚至復(fù)雜到必須使用微處理器的地歩。因此這些設(shè)計(jì)不能有效地利用已經(jīng)成熟完善的傳統(tǒng)的AC-DC轉(zhuǎn)換器技木。其結(jié)果是目前市場(chǎng)上現(xiàn)有的可調(diào)光的LED驅(qū)動(dòng)電源都比相同瓦數(shù)的傳統(tǒng)AC-DC轉(zhuǎn)換器昂貴許多。另外，目前市場(chǎng)上大部分可調(diào)光的LED驅(qū)動(dòng)電源都是恒流型的，而恒壓型的LED驅(qū)動(dòng)電源則更受歡迎，特別是在LED軟燈條(flexible LED strip)的應(yīng)用方面。本發(fā)明的目的
本發(fā)明人注意到恒壓型的LED驅(qū)動(dòng)電源比恒流型的LED驅(qū)動(dòng)電源更受歡迎，特別是在LED軟燈條的應(yīng)用方面。因?yàn)長(zhǎng)ED軟燈條的規(guī)格通常以電壓來(lái)區(qū)分，而如果使用恒流的驅(qū)動(dòng)電源，使用者就必須小心地選擇與LED軟燈條相匹配的恒流電源，否則LED軟燈條將可能被燒損或不夠明亮。另外本發(fā)明人還注意到在很多應(yīng)用中，LED軟燈條經(jīng)常需要剪為不同的長(zhǎng)度，從而需要非標(biāo)準(zhǔn)的電流來(lái)驅(qū)動(dòng)。這樣非標(biāo)準(zhǔn)的恒流電源可能根本就無(wú)法找到。與此相反，傳統(tǒng)的AC-DC轉(zhuǎn)換器，雖然不可調(diào)光，但卻只要求與LED的驅(qū)動(dòng)電壓相吻合，只要LED的功率不超過(guò)AC-DC轉(zhuǎn)換器的最大功率即可。例如，ー個(gè)12V 100W的AC-DC轉(zhuǎn)換器既可用來(lái)驅(qū)動(dòng)12V IOOff的LED軟燈條也可用來(lái)驅(qū)動(dòng)12V 5W的LED軟燈條。所以ー個(gè)12V的LED軟燈條，不管剪到什么樣的長(zhǎng)度，總可以用12V的AC-DC轉(zhuǎn)換器來(lái)驅(qū)動(dòng)。即使LED的功率超過(guò)了 AC-DC轉(zhuǎn)換器的最大功率，這類轉(zhuǎn)換器通常都有過(guò)流保護(hù)功能，會(huì)自動(dòng)限制電流或自動(dòng)關(guān)閉。因此只要LED的電壓與AC-DC轉(zhuǎn)換器的電壓相符，就既不可能損壞LED也不可能損壞轉(zhuǎn)換器。因此，有必要?jiǎng)?chuàng)造ー種可調(diào)光的LED驅(qū)動(dòng)電源，既可與傳統(tǒng)的調(diào)光器間容，又可最大限度地利用已經(jīng)成熟完善的傳統(tǒng)AC-DC轉(zhuǎn)換器的技木，還可以像傳統(tǒng)的AC-DC轉(zhuǎn)換器一樣，只要求電壓的吻合。這就是本發(fā)明的目的之一。

發(fā)明內(nèi)容
在某一方面，本發(fā)明提供ー種用來(lái)轉(zhuǎn)換ー個(gè)AC輸入以驅(qū)動(dòng)ー個(gè)負(fù)載的電路，其中包括ー個(gè)測(cè)量電路用來(lái)測(cè)得ー個(gè)與該AC輸入的電壓相關(guān)的平均度量和ー個(gè)功率轉(zhuǎn)換模塊用來(lái)將該AC輸入轉(zhuǎn)換為ー串連續(xù)的脈沖以驅(qū)動(dòng)該負(fù)載，而這串連續(xù)脈沖的占空比則受控于所述測(cè)量電路所測(cè)得的與該AC輸入的電壓相關(guān)的平均度量。所述負(fù)載可以是至少由ー個(gè)LED組成的陣列。所述AC輸入可以由ー個(gè)AC電源經(jīng)過(guò)ー個(gè)調(diào)光器而產(chǎn)生。所述與該AC輸入的電壓相關(guān)的平均度量可以與該AC輸入電壓的絕對(duì)值的簡(jiǎn)單平 均值近似成正比。所述功率轉(zhuǎn)換模塊可以包括ー個(gè)AC-DC轉(zhuǎn)換器和ー個(gè)開關(guān)電路用來(lái)開通或阻斷該AC-DC轉(zhuǎn)換器與所述負(fù)載之間的電流環(huán)路，而開通阻斷的占空比則受控于所述測(cè)量電路所測(cè)得的平均度量。所述用來(lái)開通或阻斷AC-DC轉(zhuǎn)換器與負(fù)載之間電流環(huán)路的開關(guān)電路可以受控于一個(gè)脈沖寬度調(diào)制器，該脈沖寬度調(diào)制器的振蕩頻率基本不變并高于人類對(duì)閃爍感覺的域值，而該調(diào)制器的脈沖寬度則由所述測(cè)量電路所測(cè)得的平均度量來(lái)控制。所述脈沖寬度調(diào)制器可以包括兩個(gè)電壓比較器或運(yùn)算放大器，第一個(gè)電壓比較器或運(yùn)算放大器用來(lái)控制ー個(gè)電容器的充電與放電從而產(chǎn)生ー個(gè)上升下降交替的連續(xù)波形，第二個(gè)電壓比較器或運(yùn)算放大器用來(lái)把該電容器上的電壓同一個(gè)代表所述測(cè)量電路測(cè)得的平均度量的電壓相比較，而第二個(gè)電壓比較器或運(yùn)算放大器的輸出則用來(lái)控制所述開關(guān)電路，以開通或阻斷該AC-DC轉(zhuǎn)換器與該負(fù)載之間的電流環(huán)路。所述AC-DC轉(zhuǎn)換器能在較寬的輸入范圍內(nèi)穩(wěn)定地工作并產(chǎn)生ー個(gè)基本恒定的電壓輸出，當(dāng)所述AC輸入電壓逐漸降低時(shí)，所述占空比也逐漸降低，并在AC輸入電壓到達(dá)AC-DC轉(zhuǎn)換器穩(wěn)定工作范圍的低端之前，提前一點(diǎn)到達(dá)0%。所述AC-DC轉(zhuǎn)換器可以包括ー個(gè)整流器，ー個(gè)隔離ニ極管，和ー個(gè)DC-DC轉(zhuǎn)換器；該整流器的輸入端連接AC輸入，而該整流器的輸出端則與隔離ニ極管的陽(yáng)極相連，隔離ニ極管的陰極再與該DC-DC轉(zhuǎn)換器的輸入端相連，所述測(cè)量電路的輸入則由整流器的輸出端在隔離ニ極管之前取出。上述電路中還可以進(jìn)ー步包括一個(gè)泄流器提供所述調(diào)光器所需的最小導(dǎo)通電流，該泄流器可以是不完美的泄流器，可容許導(dǎo)通電流的少量提前截止以及脈沖與脈沖之間的變化。


圖I為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的ー種方案，只須在未經(jīng)改動(dòng)的傳統(tǒng)的AC-DC轉(zhuǎn)換器模塊上增加少量元件便可制成。
圖2為實(shí)現(xiàn)圖I方案的ー個(gè)具體設(shè)計(jì)案例。圖3為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的另ー種方案,只須對(duì)傳統(tǒng)的AC-DC轉(zhuǎn)換器模塊稍加改動(dòng)并加上少量元件便可制成。圖4為實(shí)現(xiàn)圖3方案的ー個(gè)具體設(shè)計(jì)案例。圖5為實(shí)現(xiàn)圖3方案的另ー個(gè)具體設(shè)計(jì)案例。圖6為實(shí)現(xiàn)圖4和圖5中用到的DC-DC轉(zhuǎn)換器的ー個(gè)具體設(shè)計(jì)案例。圖7用ー些波形來(lái)說(shuō)明脈沖寬度調(diào)制器(106)和(307)是怎樣用兩個(gè)電壓比較器或運(yùn)算放大器來(lái)實(shí)現(xiàn)的。
具體實(shí)施方式
圖I顯示怎樣在未經(jīng)改動(dòng)的傳統(tǒng)的AC-DC轉(zhuǎn)換器模塊上増加少量元件而制成ー個(gè)可調(diào)光的LED驅(qū)動(dòng)電源。如圖I所示，AC電源(101)經(jīng)過(guò)調(diào)光器(102)輸入到根據(jù)本發(fā)明所制成的可調(diào)光的LED驅(qū)動(dòng)電源(100)?？烧{(diào)光的LED驅(qū)動(dòng)電源(100)的輸出則連接到LED(108)上。調(diào)光器(102)可以是任何形式的可以用于白熾燈的調(diào)光器，包括前沿位相調(diào)光器，后沿位相調(diào)光器，和VARIC (可調(diào)輸出變壓器)等，只要能在用戶的控制下將輸出的平均電壓逐漸降低及可。LED (108)可以是任何形式的LED陣列，包括LED軟燈條和其他形式的以ー個(gè)特定直流電壓(如12V)驅(qū)動(dòng)的LED照明燈具?？烧{(diào)光的LED驅(qū)動(dòng)電源(100)可由ー個(gè)AC-DC轉(zhuǎn)換器模塊(104)加上ー些元件而制成。這些元件包括泄流器(103)，平均電壓測(cè)量器(105)，脈沖寬度調(diào)制器(106)，和PWM開關(guān)(107)。AC-DC轉(zhuǎn)換器模塊(104)必須能接受較寬范圍的輸入電壓而輸出ー個(gè)與LED( 108)相匹配的恒定的或基本恒定的電壓。例如所謂的“通用輸入(universal input)”的穩(wěn)壓電源，其輸入電壓范圍規(guī)定為85V-264V AC，就可以用作寬輸入范圍的AC-DC轉(zhuǎn)換器(104)。可調(diào)光的LED驅(qū)動(dòng)電源(100)可以用現(xiàn)成的，分別制造的(或買來(lái)的)AC-DC轉(zhuǎn)換器(104)，加上一塊裝有(103)，(105)，(106)，(107)等元件的電路板而制成，也可以將AC-DC轉(zhuǎn)換器模塊(104)的電路設(shè)計(jì)和(103)，( 105)，( 106)，( 107)等元件按照本發(fā)明設(shè)計(jì)的電路裝在同一塊電路板上。(AC-DC轉(zhuǎn)換器模塊(104)的電路設(shè)計(jì)可以直接考貝ー個(gè)現(xiàn)成的已經(jīng)過(guò)完善的傳統(tǒng)的AC-DC轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)而不需要任何改動(dòng)。)泄流器(103)用來(lái)提供某些類型的調(diào)光器所需的最小導(dǎo)通電流。泄流器(103)可以是任何類型的被動(dòng)泄流器，例如一個(gè)簡(jiǎn)單電阻，或任何類型的主動(dòng)泄流器，例如一個(gè)只有在AC電壓低于某個(gè)值時(shí)或AC-DC轉(zhuǎn)換器模塊(104)所吸收的電流不足以維持TRIAC調(diào)光器導(dǎo)通時(shí)才啟動(dòng)。如果調(diào)光器(102)沒有最小導(dǎo)通電流的要求，泄流器(103)可以略去。平均電壓測(cè)量器(105)用于測(cè)量調(diào)光器(102)輸出端的平均電壓。平均電壓是在AC電源的多個(gè)周期上所取的平均值。AC電源的頻率通常為50-60HZ。為方便起見，“平均電壓”一詞在此處以及本說(shuō)明中其他地方用來(lái)表示取電壓絕對(duì)值的平均值，而不管電壓的正負(fù)。(否則的話，一個(gè)對(duì)稱的AC信號(hào)的平均值將永遠(yuǎn)是O。)所有類型的調(diào)光器都輸出ー個(gè)與調(diào)光器所調(diào)的亮度相關(guān)的平均電壓。因此，平均電壓測(cè)量器(105)所測(cè)到的平均電壓就代表了調(diào)光器所調(diào)的亮度。平均電壓測(cè)量器(105)所測(cè)到的平均電壓將用來(lái)控制脈沖寬度調(diào)制器(106)。脈沖寬度調(diào)制器(106)產(chǎn)生ー串連續(xù)的脈沖其占空比受控于平均電壓測(cè)量器(105)所測(cè)到的平均電壓。脈沖寬度調(diào)制器(106)的運(yùn)行頻率應(yīng)高于人類對(duì)閃爍感覺的域值(如2kHZ)并與AC電源(101)的頻率無(wú)關(guān)。脈沖寬度調(diào)制器(106)用來(lái)控制PWM開關(guān)(107)，以接通和斷開AC-DC轉(zhuǎn)換器(104)與LED (108)之間的連接。這樣ー來(lái)，當(dāng)使用者把調(diào)光器(102)調(diào)低時(shí)，調(diào)光器輸出端的平均電壓也隨之降低，從而使得電源與LED (108)接通的時(shí)間上的比例(也就是占空比)下降。由于LED
(108)的接通和斷開的頻率高于人類對(duì)閃爍感覺的域值，人們只覺得LED (108)的亮度降低了而不會(huì)感覺到任何閃爍。需要注意的是，脈沖寬度調(diào)制器(106)的設(shè)計(jì)應(yīng)保證當(dāng)平均AC電壓降到使得AC-DC轉(zhuǎn)換器(104)不能正常工作之前，占空比在能夠降到0% (完全斷開的狀態(tài))。例如，如果當(dāng)平均電壓降到20V時(shí)AC-DC轉(zhuǎn)換器(104)就不能正常工作了，那么脈沖寬度調(diào)制器(106)的占空比就應(yīng)該在平均電壓降到20V之前降到0% (完全斷開的狀態(tài))。同樣地，合理的設(shè)計(jì)也應(yīng)該在電壓的高端留一點(diǎn)余地，以保證在調(diào)光器的亮度調(diào)到100%之前，占空比能夠稍微提前一點(diǎn)達(dá)到100% (完全接通的狀態(tài))。這是因?yàn)锳C供電的電壓總會(huì)有一些不可避免的變化，并且有些調(diào)光器根本就不可能調(diào)到輸入電壓的100%。ー個(gè)適用于北美120V/60HZ供電的設(shè)計(jì)實(shí)例是，當(dāng)調(diào)光器(102)輸出端的AC平均電壓從96V降到24V 時(shí)，脈沖寬度調(diào)制器(106)的占空比從100%降到0%。(請(qǐng)注意，對(duì)于正弦波平均值=(2
ね/ π ) RMS，所以96V的平均電壓相當(dāng)于106. 6V的RMS電壓，從而在高端留有約11%的余
地。)
本發(fā)明人觀察到，雖然ー個(gè)通用輸入(universal input)的AC-DC轉(zhuǎn)換器通常只規(guī)定能在85V到264V之間工作，但用在本發(fā)明中卻可以在更低的輸入電壓下工作。其原因是，85V的下限是指AC-DC轉(zhuǎn)換器仍然能夠提供全額功率的最低輸入電壓。然而如果用在本發(fā)明中，當(dāng)輸入電壓很低時(shí)，驅(qū)動(dòng)LED (108)的占空比也很低，AC-DC轉(zhuǎn)換器就只需要提供非常小的功率而不是全額功率。另ー個(gè)原因是，ー個(gè)典型的AC-DC轉(zhuǎn)換器通常在前端有ー個(gè)橋式整流器，隨后是一個(gè)低通濾波器其中帶ー個(gè)很大的電容器，然后再連接ー個(gè)DC-DC轉(zhuǎn)換器。在負(fù)載電流很小的情況下，這個(gè)橋式整流器和隨后的大電容實(shí)際上形成了一個(gè)峰值保持器。因此，即使平均電壓很低，輸往DC-DC轉(zhuǎn)換器的電壓卻實(shí)際上接近于峰值電壓，可以比平均電壓高很多，尤其當(dāng)平均電壓是通過(guò)ー個(gè)位相切割調(diào)光器而降低的。由于上述兩個(gè)原因，平均電壓的下限通?？梢员華C-DC轉(zhuǎn)換器的標(biāo)稱輸入電壓范圍低很多。本發(fā)明人觀察到，ー個(gè)典型的通用輸入的AC-DC轉(zhuǎn)換器雖然其標(biāo)稱輸入電壓的范圍是85V到264V，但若用在本發(fā)明中，卻在平均輸入電壓降到20V時(shí)，仍能正常工作。即使ー個(gè)傳統(tǒng)的通用輸入AC-DC轉(zhuǎn)換器在用于本發(fā)明時(shí)，不能在很低電壓下工作，通常也只需對(duì)設(shè)計(jì)稍加修改就可以使其正常工作。ー個(gè)在本領(lǐng)域內(nèi)具有普通技能的人士會(huì)知道恰當(dāng)?shù)男薷姆绞?。圖2顯示實(shí)現(xiàn)圖I方案的ー個(gè)具體設(shè)計(jì)案例的細(xì)節(jié)。雖然這個(gè)具體設(shè)計(jì)案例包括很多細(xì)節(jié)，但這些細(xì)節(jié)不應(yīng)被解釋為是對(duì)本發(fā)明范圍的限制。ー個(gè)在本領(lǐng)域內(nèi)具有普通技能的人士會(huì)意識(shí)到本發(fā)明可以用很多種與此設(shè)計(jì)案例不同的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。在此具體設(shè)計(jì)案例中，泄流器(103)是ー個(gè)簡(jiǎn)單的電阻R1。ー個(gè)在本領(lǐng)域內(nèi)具有普通技能的人士會(huì)意識(shí)到泄流器(103)可以用很多種不同的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，只要能夠在AC-DC轉(zhuǎn)換器(104)吸收的電流不夠時(shí)，維持ー個(gè)最小導(dǎo)通電流即可。平均電壓測(cè)量器
(105)直接測(cè)量調(diào)光器(102)輸出端的AC電壓。調(diào)光器(102)輸出端的AC電壓，通過(guò)電阻R2在光隔離器VOl的輸入端產(chǎn)生ー個(gè)AC電流,并在光隔離器VOl的輸出端(光電晶體管端)產(chǎn)生ー個(gè)與輸入AC電流成正比的DC電流。請(qǐng)注意，AC光隔離器如Fairchild半導(dǎo)體公司生的F0D814容許AC輸入，因此可以直接從AC電源測(cè)量平均電壓而不需要整流。VOl輸出端的電流輸出與調(diào)光器輸出的電壓成正比，并隨其波動(dòng)而波動(dòng)。但是因?yàn)橛些`個(gè)大電容Cl與電阻R3相并聯(lián)，Cl可以在VOl的輸出電流高于平均值的時(shí)候充電而在低于平均值的時(shí)候放電，因此流過(guò)電阻R3的電流基本上是VOl輸出電流的平均值。所以，R3上的電壓與調(diào)光器(102)輸出端的平均電壓成正比，但不能高于VCC (12V)。電阻R3上的電壓可以近似地表示為(パ J/ぬO <Vac>,如果此值低于VCC的話。但如果此值高于VCC的話，則被限制為VCC(V01中光電晶體管的飽和壓降通常為O. 2V-0. 5V，可以忽略不計(jì))。其中，<Va。〉表示調(diào)光器(102)輸出端的平均電壓，r表示光隔離器VOl的電流傳遞比(current transfer ratio)。在圖2所示的設(shè)計(jì)案例中，VOl的電流傳遞比為55%，因此，R3上的電壓經(jīng)計(jì)算約為調(diào)光器
(102)輸出端平均電壓的10%。當(dāng)調(diào)光器(102)輸出端平均電壓從96V變到24V時(shí)，平均電壓測(cè)量器(105)的輸出電壓從9. 6V變到2. 4V。因?yàn)楣飧綦x器的電流傳遞比差別很大，R3也許需要進(jìn)行調(diào)整以同光隔離器VOl相匹配。在成批生產(chǎn)中，也許需要把光隔離器事先篩選，按電流傳遞比分成不同的批用在生產(chǎn)中。這樣，在每ー批的生產(chǎn)中，光隔離器就有近似 相同的電流傳遞比，因此R3就可以是固定的。如果平均電壓測(cè)量器不使用光隔離器就不會(huì)有這種麻煩，如圖5的例子所示。關(guān)于圖5的例子，以下還會(huì)有更詳細(xì)的說(shuō)明。如圖2所示，脈沖寬度調(diào)制器(106)可由兩個(gè)電壓比較器做成。(也可以用運(yùn)算放大器來(lái)代替電壓比較器，雖然運(yùn)算放大器是按照線性工作的要求而優(yōu)化的，而線性在此處并不需要。)一個(gè)電壓比較器Ul-B用來(lái)構(gòu)成ー個(gè)振蕩器。它的工作原理如下當(dāng)Ul-B的輸出端處于高電位吋，電壓比較器Ul-B的“ + ”輸入端經(jīng)電阻R7和R5抗拒著R4往上拉而達(dá)到約VCC的80%。此時(shí)，電容器C2通過(guò)R6沖電。當(dāng)電容器C2上的電壓沖到超過(guò)Ul-B的“ + ”輸入端的電壓(VCC的80%)吋，Ul-B的輸出端就會(huì)反轉(zhuǎn)而變?yōu)榈碗娢?。?dāng)Ul-B的輸出端處于低電位吋，電壓比較器Ul-B的“ + ”輸入端經(jīng)電阻R7和R4抗拒著R5往下拉而達(dá)到約VCC的20%。這時(shí)，電容器C2通過(guò)R6放電。當(dāng)電容器C2上的電壓放到低于Ul-B的“ + ”輸入端的電壓(VCC的20%)吋，Ul-B的輸出端又會(huì)再次反轉(zhuǎn)而變?yōu)楦唠娢?。如此反?fù)循環(huán)，使電容器C2上的電壓在VCC的20%和80%之間振蕩，從而產(chǎn)生如圖7所示的波形。這樣的波形又被輸入到電壓比較器Ul-A的“-”端，而Ul-A的“ + ”端則與平均電壓測(cè)量器(105)的輸出端相連結(jié)。平均電壓測(cè)量器(105)輸出的電壓由圖7的上半部中的水平虛線來(lái)表示。當(dāng)Ul-A的“ + ”端高干“-”端吋，Ul-A的輸出為高，反之則為低，從而產(chǎn)生如圖7下半部所示的波形。在此波形中，脈沖的寬度等于電容器C2上的電壓低于平均電壓測(cè)量器(105)輸出電壓的時(shí)間。這樣ー來(lái)，當(dāng)平均電壓測(cè)量器(105)的輸出電壓從VCC的20% (約2. 4V)變到VCC的80% (約9. 6V)時(shí)，脈沖寬度調(diào)制器(106)輸出的占空比就從0%變到100%。脈沖寬度調(diào)制器(106)的輸出用來(lái)驅(qū)動(dòng)PWM開關(guān)(107)。PWM開關(guān)(107)可以是ー個(gè)N-通道的MOSFET Ql，用來(lái)開通和阻斷AC-DC轉(zhuǎn)換器(104)與LED (108)之間的電流環(huán)路。Ql應(yīng)選擇能夠支持較大電流并有很小導(dǎo)通電阻的器件。例如，F(xiàn)airchild公司出產(chǎn)的FDP65N60在導(dǎo)通時(shí)的電阻小于O. 016Ω，因此在5A的電流下，Ql上的電壓小于O. 08V，功率小于O. 4W,不需要散熱器。在此具體設(shè)計(jì)案例中，AC-DC轉(zhuǎn)換器(104)是ー個(gè)可以直接在市場(chǎng)上買到的穩(wěn)壓電源，V-Infinity制造的V0F-65-12。該電源的12V輸出同時(shí)可用來(lái)滿足脈沖寬度調(diào)制器(106)和部分平均電壓測(cè)量器(105)的供電需求。
圖3顯不本發(fā)明的另ー種實(shí)施方案。該實(shí)施方案可由一個(gè)傳統(tǒng)的AC-DC轉(zhuǎn)換器經(jīng)過(guò)很小的改動(dòng)而制成。該實(shí)施方案的兩個(gè)具體設(shè)計(jì)案例分別由圖4和圖5顯示。如圖3所示，ー個(gè)典型的寬輸入范圍的傳統(tǒng)AC-DC轉(zhuǎn)換器通常已經(jīng)帶有ー個(gè)整流器(303)和ー個(gè)寬輸入范圍的DC-DC轉(zhuǎn)換器(305)直接連接在一起。需要改動(dòng)的是，把該連接斷開，在整流器(303)和DC-DC轉(zhuǎn)換器(305)之間插入隔離ニ極管(304)，并加上一些元件如泄流器(302)，平均電壓測(cè)量器(306)，脈沖寬度調(diào)制器(307)，和PWM開關(guān)(308)。這些改動(dòng)可以在已經(jīng)制造好的AC-DC轉(zhuǎn)換器上切斷原來(lái)的連接，并加上一塊帶有(302)，(304)，(306)，(307)，和(308)等元件的小電路板而制成。但更理想的是將原設(shè)計(jì)進(jìn)行改動(dòng)，并把經(jīng)過(guò)改動(dòng)的AC-DC轉(zhuǎn)換器和這些增加的原件裝在同一塊電路板上。瀉流器(302)與整流器(303)的輸出端相接，用來(lái)瀉掉一部分經(jīng)過(guò)整流的直流電流。當(dāng)然也可以用與圖2中瀉流器(103)類似的交流瀉流器來(lái)代替瀉流器(302)，或與瀉流器(302)同時(shí)使用，這樣的設(shè)計(jì)同樣能正常工作。在圖4和圖5所示的具體設(shè)計(jì)實(shí)例中，瀉流器(302)是ー個(gè)由電阻R1，R2，和電容器Cl所組成的被動(dòng)瀉流器。 本發(fā)明人觀察到，圖4和圖5中由電阻Rl，R2，和電容器Cl所組成的被動(dòng)瀉流器不能絕對(duì)地防止TRIAC調(diào)光器在缺乏最低維持電流時(shí)提前關(guān)閉。當(dāng)AC電壓不是很低吋，Cl將通過(guò)R2沖電。這時(shí)，對(duì)Cl沖電的電流與通過(guò)Rl的電流加在一起能夠提供足夠的維持電流。但是，當(dāng)AC電壓很低吋，Cl將通過(guò)串連起來(lái)的Rl和R2放電。該放電的電流會(huì)使Rl上的電壓增加，并有可能使Rl上的電壓高于AC電壓從而使整流器反向截止。當(dāng)這種情況發(fā)生時(shí)，通過(guò)調(diào)光器的電流就會(huì)變?yōu)镺而使TRIAC調(diào)光器提前阻斷。其效果是AC波形的尾部被切掉了ー小點(diǎn)。本發(fā)明人還觀察到，當(dāng)調(diào)光器調(diào)到某些亮度值時(shí)，這種AC波形尾部的提前關(guān)閉還可能對(duì)每ー個(gè)周期是不一樣的。對(duì)很多其他種類的可調(diào)光的LED驅(qū)動(dòng)器而言，這種AC波形尾部的提前關(guān)閉和周期與周期之間的變化會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的閃爍。但用在本發(fā)明中吋，這種提前關(guān)閉不會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的問(wèn)題。首先，傳統(tǒng)的AC-DC轉(zhuǎn)換器通常只有在AC電壓的鋒值附近才有電流流過(guò)整流器，因此AC波形的尾部被切掉一點(diǎn)對(duì)該轉(zhuǎn)換器輸入的功率沒有影響。其次，控制脈沖寬度調(diào)制器(307)的電壓是對(duì)AC電壓的很多個(gè)周期進(jìn)行平均以后取得的，因此周期與周期之間的變化被平均掉了，使得平均電壓測(cè)量器(306 )的輸出電壓基本恒定。最后所剩的效應(yīng)只是由于AC波形的尾部被多截去了一點(diǎn)兒，調(diào)光器調(diào)到的亮度值有一點(diǎn)移動(dòng)(例如當(dāng)調(diào)光器的亮度值調(diào)到標(biāo)稱的50%吋，實(shí)際的亮度值只有40%)。這不會(huì)產(chǎn)生任何嚴(yán)重的問(wèn)題。如果按上面提到的設(shè)計(jì)方法在調(diào)光器亮度值的上方留有足夠余地的話，調(diào)光器照樣可以將脈沖寬度調(diào)制器(307)的占空比從0%平滑地調(diào)到100%。這個(gè)例子顯示，本發(fā)明可以使用較弱的和不完美的瀉流器而不會(huì)有很大問(wèn)題，而這類瀉流器如果用在其他類型的可調(diào)光LED驅(qū)動(dòng)器上，就不能很好地工作。使用較弱的和不完美的瀉流器的優(yōu)點(diǎn)是可以減少功耗，簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，降低成本。下面繼續(xù)討論圖3的實(shí)施方式。隔離ニ極管(304)可以是ー個(gè)簡(jiǎn)單的ニ極管，如圖4和圖5所示。使用隔離ニ極管的理由是，ー個(gè)典型的AC-DC轉(zhuǎn)換器通常都有一個(gè)很大的電容接在DC-DC轉(zhuǎn)換器之前，整流器之后(如圖4和圖5中的C4和圖6中的Cl)。如果整流器直接接到這個(gè)電容器上，就會(huì)形成一個(gè)峰值保持器，把整流器輸出端的電壓保持在峰值附近，使平均電壓測(cè)量器(306)不可能測(cè)到正確的平均電壓。接入隔離ニ極管(304)可以使整流器(303)與這個(gè)大電容隔離開來(lái)，讓整流器的輸出電壓隨著AC電壓上升下降，使平均電壓測(cè)量器(306)可以測(cè)到正確的平均電壓。而且隔離ニ極管同樣與DC-DC轉(zhuǎn)換器之前的大電容一起形成一個(gè)峰值保持器，使該轉(zhuǎn)換器的工作范圍延伸到平均電壓很低的區(qū)域，這一點(diǎn)前面已經(jīng)討論過(guò)。平均電壓測(cè)量器(306)，脈沖寬度調(diào)制器(307)，和PWM開關(guān)(308)與圖I中的(105)，(106)，和(107)大同小異，其微小的差別在圖4和圖5中顯示。在圖4所示的具體設(shè)計(jì)實(shí)例中，平均電壓測(cè)量器(306)基本上與圖2中的平均電壓測(cè)量器(105)相同，只不過(guò)側(cè)量的是經(jīng)過(guò)整流的信號(hào)而不是交流信號(hào)。因此，該設(shè)計(jì)使用了直流光隔離器如F0D817，而不是交流光隔離器如F0D814。圖4中的脈沖寬度調(diào)制器(307)和PWM開關(guān)(308)與圖2中對(duì)應(yīng)的元件(106)和(107)完全相同。在圖5所示的具體設(shè)計(jì)實(shí)例中，隔離的界線不在平均電壓測(cè)量器(306)內(nèi)部，而是在PWM開關(guān)(308)的輸出端。還有，脈沖寬度調(diào)制器(307)的供電來(lái)源于DC-DC轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的ー個(gè)附加電源，這個(gè)附加電源可以與該轉(zhuǎn)換器的主要輸出不同。在這個(gè)設(shè)計(jì)實(shí)例中，平均
電壓測(cè)量器(306)的輸出可按ま< Vrect>來(lái)計(jì)算，其中〈U是整流器(303)輸出的 平均電壓，也基本上等于調(diào)光器(102)輸出端的平均AC電壓。因?yàn)檫@里沒有使用光電隔離器，R3和R4可以是固定的，而不需要與光隔離器相匹配，因此就被避免了前面討論圖2時(shí)提到的問(wèn)題，而圖4的例子也存在相同的問(wèn)題。用上述公式以及R3=20kQ，R4=130kQ可以算出，當(dāng)調(diào)光器(102 )把輸出的平均電壓從96V變到24V時(shí)，平均電壓測(cè)量器(306 )的輸出電壓就會(huì)從12. 8V變到3. 2V，對(duì)應(yīng)于16V附加電源的80%和20%。脈沖寬度調(diào)制器(307)基本上與圖2的脈沖寬度調(diào)制器(106)相同，只不過(guò)它的供電電壓是16V而不是12V。電容器C2上的電壓也會(huì)有圖7的上半部所示的波形，只不過(guò)是在16V的20%和80%之間(3. 2V和12. 8V之間)震蕩。所以，當(dāng)調(diào)光器(102)把平均電壓從96V變到24V時(shí)，脈沖寬度調(diào)制器(307)輸出的占空比就從100%變到0%。脈沖寬度調(diào)制器(307)的輸出通過(guò)光隔離器VOl來(lái)驅(qū)動(dòng)PWM開關(guān)(308)。這里電流傳遞比的差別不會(huì)產(chǎn)生任何問(wèn)題。圖6顯示ー個(gè)典型的寬輸入范圍的AC-DC轉(zhuǎn)換器所含的DC-DC轉(zhuǎn)換器部分，可以用作圖4和圖5中的模塊(305)。同時(shí)也顯示為脈沖寬度調(diào)制器(307)供電的附加電源是怎樣獲得的。ー個(gè)典型的AC-DC轉(zhuǎn)換器已經(jīng)帶有ー個(gè)附加電源，產(chǎn)生于反沖變壓器(flybacktransformer)的ー個(gè)附加線圈，用來(lái)為控制器集成電路(如圖6中的Ul)供電。這個(gè)附加電源可以用來(lái)為脈沖寬度調(diào)制器(307)供電。但必須小心的是，控制器集成電路通常需要一個(gè)很小的啟動(dòng)電流，而這個(gè)啟動(dòng)電流通常必須通過(guò)ー個(gè)電阻，如圖6中的R4，從經(jīng)過(guò)整流的AC電源那里直接獲得。如果脈沖寬度調(diào)制器(307)的供電直接從控制器集成電路Ul的VCC那兒獲得，那么也可能脈沖寬度調(diào)制器(307)吸收的額外電流會(huì)使電阻R4不足以把Ul的VCC拉到足夠高的電位使之啟動(dòng)。所以，附加電源應(yīng)該從附加線圈那里通過(guò)另ー個(gè)ニ極管D5整流獲得。當(dāng)然，如果R4能提供足夠的電流同時(shí)供應(yīng)脈沖寬度調(diào)制器(307)和啟動(dòng)控制器集成電路U1，那么為脈沖寬度調(diào)制器(307)供電的附加電源也可以從Ul的VCC那兒直接獲得。當(dāng)然，也可以把R4改為較小的值，使之能夠同時(shí)供應(yīng)脈沖寬度調(diào)制器(307)和啟動(dòng)控制器集成電路Ul所需的電流。以上這些實(shí)例說(shuō)明怎樣把ー個(gè)傳統(tǒng)的AC-DC轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)經(jīng)過(guò)很小的修改或不加修改并加上少量元件而制成一個(gè)可調(diào)光的恒壓LED驅(qū)動(dòng)器。這些改動(dòng)和加上去的少量元件對(duì)成本的増加和對(duì)電路板面積的要求都是很小的，并且不會(huì)改變AC-DC轉(zhuǎn)換器原設(shè)計(jì)的電和熱的基本特性。所有AC-DC轉(zhuǎn)換器原來(lái)的過(guò)流保護(hù)，過(guò)壓保護(hù)，和過(guò)熱保護(hù)的機(jī)制都沒有任何改變。因此，本發(fā)明能夠有效地利用已經(jīng)成熟完善的傳統(tǒng)AC-DC轉(zhuǎn)換器技術(shù)，來(lái)很快地制成可調(diào)光的恒壓LED驅(qū)動(dòng)器。雖然本發(fā)明是通過(guò)以上的幾個(gè)具體實(shí)施方式
來(lái)說(shuō)明的，但ー個(gè)在本領(lǐng)域內(nèi)具有普通技能的專業(yè)人士，在讀了本說(shuō)明和研究了附圖之后，就會(huì)明白很多種修改，變動(dòng)，和重新排列都是可行的。例如，雖然以上例子中的泄流器都是被動(dòng)泄流器，但在本領(lǐng)域內(nèi)的專業(yè)人士會(huì)意識(shí)到，各種類型的主動(dòng)泄流器都可以用在本發(fā)明中，包括一些只有在AC電壓低于某個(gè)值時(shí)或AC-DC轉(zhuǎn)換器吸收的電流不足以維持TRIAC調(diào)光器導(dǎo)通時(shí)才起作用的泄流器。這樣的泄流器可能比被動(dòng)泄流器更少地浪費(fèi)功率。另外，具有功率因素校正(power factorcorrection (PFC))功能的AC-DC轉(zhuǎn)換器也可以用來(lái)代替以上例子中的傳統(tǒng)AC-DC轉(zhuǎn)換器。具有功率因素校正功能的AC-DC轉(zhuǎn)換器像電阻ー樣在很低的電壓下也會(huì)吸收電流，而不像傳統(tǒng)AC-DC轉(zhuǎn)換器那樣只在電壓的峰值附近才吸收電流。具有功率因素校正的AC-DC轉(zhuǎn)換器在較低電壓下吸收的電流也可能足以使TRIAC調(diào)光器維持導(dǎo)通，因此可泄流器可以是比較弱的，甚至可以完全被省去。還有，以上描述的平均電壓只是AC電壓的ー種度量。其他 種類的度量也是可行的。例如，平均電壓測(cè)量器可以用ー個(gè)測(cè)量均方根(RMS)電壓而不是平均電壓的電路來(lái)代替。實(shí)際上，與調(diào)光器輸出端電壓相關(guān)的任何形式的平均度量用在本發(fā)明中都可以正常工作。雖然在上面描述的脈沖寬度調(diào)制器中，頻率是固定的，而占空比則隨著脈沖寬度的變化而變化，但不同的設(shè)計(jì)也是可行的，例如可以讓脈沖寬度和頻率都同時(shí)變化，只要頻率保持在人類感覺閃爍的域值之上即可。平均電壓測(cè)量器和脈沖寬度調(diào)制器都可以分別或同時(shí)是非線性的，以使人們感覺到更加平滑的調(diào)光曲線(人類對(duì)亮度的感覺是非線性的)。雖然在上述的設(shè)計(jì)實(shí)例中，脈沖寬度調(diào)制器的占空比可以從0%變到100%，不同的設(shè)計(jì)也可以讓占空比的最高值低于100%，例如只能到50%。在這種情況下，AC-DC轉(zhuǎn)換器的輸出電壓可以比LED的額定電壓高一點(diǎn)，從而使通過(guò)LED的平均電流與該LED在額定電壓下以100%占空比來(lái)驅(qū)動(dòng)所產(chǎn)生的電流相同。例如，ー個(gè)12V的LED陣列在13V、50%占空比的連續(xù)脈沖的驅(qū)動(dòng)下所產(chǎn)生的平均電流與該LED陣列在12V的直流電壓下產(chǎn)生的電流大致相同。這樣，調(diào)光器仍然可以把亮度從0%調(diào)到100%，但占空比卻可以被限制在100%以下。雖然以上的描述以LED照明為主，但本發(fā)明同樣可以用來(lái)驅(qū)動(dòng)其他的負(fù)載，如鹵素?zé)?br> (halogen light)。所有這些改動(dòng)，以及這里沒有--列舉的各種可能的改動(dòng)，對(duì)于ー個(gè)本
領(lǐng)域內(nèi)有普通技能的專業(yè)人士而言，只要讀了本說(shuō)明并研究了各附圖，都會(huì)變得顯而易見。還有，本說(shuō)明中的某些術(shù)語(yǔ)只是為了描述清晰的目的而使用的，并不能解釋為是對(duì)本發(fā)明的限制。以上提到的各種參數(shù)的某些具體數(shù)值也只是用來(lái)舉例說(shuō)明而已，并不能解釋為是對(duì)本發(fā)明范圍的限制。一個(gè)本領(lǐng)域內(nèi)有普通技能的專業(yè)人士可以看出，使用不同的數(shù)值也照樣能使本發(fā)明正常工作。因此，所附權(quán)利要求書的目的是把所有這些修改，變動(dòng)，和重新排列，等等，都全部涵蓋于本發(fā)明的真正精神和范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種用來(lái)轉(zhuǎn)換一個(gè)AC輸入以驅(qū)動(dòng)一個(gè)負(fù)載的電路包括 a)一個(gè)測(cè)量電路用來(lái)測(cè)得一個(gè)與該AC輸入的電壓相關(guān)的平均度量； b)一個(gè)功率轉(zhuǎn)換模塊用來(lái)將該AC輸入轉(zhuǎn)換為一串連續(xù)的脈沖以驅(qū)動(dòng)該負(fù)載，而這串連續(xù)脈沖的占空比則受控于所述測(cè)量電路所測(cè)得的與該AC輸入的電壓相關(guān)的平均度量。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的電路，所述負(fù)載為至少由一個(gè)LED組成的陣列。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的電路，所述AC輸入由一個(gè)AC電源經(jīng)過(guò)一個(gè)調(diào)光器而產(chǎn)生。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的電路，所述功率轉(zhuǎn)換模塊包括一個(gè)AC-DC轉(zhuǎn)換器和一個(gè)開關(guān)電路用來(lái)開通或阻斷該AC-DC轉(zhuǎn)換器與所述負(fù)載之間的電流環(huán)路，而開通與阻斷的占空比則受控于所述測(cè)量電路所測(cè)得的平均度量。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的電路，所述用來(lái)開通或阻斷AC-DC轉(zhuǎn)換器與負(fù)載之間電流環(huán) 路的開關(guān)電路受控于一個(gè)脈沖寬度調(diào)制器，該脈沖寬度調(diào)制器的振蕩頻率基本不變并高于人類對(duì)閃爍感覺的域值，而該調(diào)制器的脈沖寬度則由所述測(cè)量電路所測(cè)得的平均度量來(lái)控制。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的電路，所述脈沖寬度調(diào)制器包括兩個(gè)電壓比較器或運(yùn)算放大器，第一個(gè)電壓比較器或運(yùn)算放大器用來(lái)控制一個(gè)電容器的充電與放電從而產(chǎn)生一個(gè)上升下降交替的連續(xù)波形，第二個(gè)電壓比較器或運(yùn)算放大器用來(lái)把該電容器上的電壓同一個(gè)代表所述測(cè)量電路測(cè)得的平均度量的電壓相比較，而第二個(gè)電壓比較器或運(yùn)算放大器的輸出則用來(lái)控制所述開關(guān)電路，以開通或阻斷該AC-DC轉(zhuǎn)換器與該負(fù)載之間的電流環(huán)路。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的電路，所述AC-DC轉(zhuǎn)換器能在較寬的輸入范圍內(nèi)穩(wěn)定地工作并產(chǎn)生一個(gè)基本恒定的電壓輸出，當(dāng)所述AC輸入電壓逐漸降低時(shí)，所述占空比也逐漸降低，并在AC輸入電壓到達(dá)AC-DC轉(zhuǎn)換器穩(wěn)定工作范圍的低端之前，提前一點(diǎn)到達(dá)0%。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的電路，所述AC-DC轉(zhuǎn)換器包括一個(gè)整流器，一個(gè)隔離二極管，和一個(gè)DC-DC轉(zhuǎn)換器；該整流器的輸入端連接AC輸入，而該整流器的輸出端則與隔離二極管的陽(yáng)極相連，隔離二極管的陰極再與該DC-DC轉(zhuǎn)換器的輸入端相連，所述測(cè)量電路的輸入則由整流器的輸出端在隔離二極管之前取出。
9.根據(jù)權(quán)利要求3所述的電路還進(jìn)一步包括一個(gè)泄流器提供所述調(diào)光器所需的最小導(dǎo)通電流，該泄流器可以是不完美的泄流器，可容許導(dǎo)通電流的少量提前截止以及脈沖與脈沖之間的變化。
10.根據(jù)權(quán)利要求I所述的電路，所述與該AC輸入的電壓相關(guān)的平均度量與該AC輸入電壓的絕對(duì)值的簡(jiǎn)單平均值近似成正比。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種可調(diào)光的恒壓LED驅(qū)動(dòng)電路。這種驅(qū)動(dòng)電路與所有調(diào)光器兼容，包括傳統(tǒng)的相位削減調(diào)光器(phasecutdimmer)(TRIAC)，并且與通常的恒壓電源一樣，只要求電壓一致，不論LED負(fù)載的大小，都可與其連接。該電路產(chǎn)生一串連續(xù)的脈沖來(lái)驅(qū)動(dòng)LED負(fù)載，并且測(cè)量一個(gè)代表AC輸入電壓的平均度量，用來(lái)控制這串脈沖的占空比(dutycycle)。當(dāng)調(diào)光器將該平均度量降低時(shí)，驅(qū)動(dòng)LED的占空比也隨之下降，從而達(dá)到調(diào)光的目的。該驅(qū)動(dòng)電路只需在傳統(tǒng)寬輸入電壓的AC-DC轉(zhuǎn)換器的基礎(chǔ)上稍加改動(dòng)或不改動(dòng)并加上少量元件便可實(shí)現(xiàn)。
文檔編號(hào)H05B37/02GK102740545SQ201210056680
公開日2012年10月17日 申請(qǐng)日期2012年3月6日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月13日
發(fā)明者劉剛 申請(qǐng)人:劉剛