專利名稱：恒壓可調(diào)光led驅(qū)動電源的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及ー種電源用來驅(qū)動發(fā)光二極管(LED)。
背景技術(shù)：
LED在照明上的應(yīng)用正在迅速地擴漲，因為與白熾燈相比，LED具有效率高壽命長的優(yōu)點。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。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。由于這個原因，驅(qū)動LED通常需要ー個電源，或“驅(qū)動電源(driver)”來將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)動電源。這類轉(zhuǎn)換器已經(jīng)過很多年的優(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)輸入電壓和負載在大范圍內(nèi)變化時，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，達不到調(diào)光的效果。直到輸入電壓低到不能正常工作時，傳統(tǒng)的AC-DC轉(zhuǎn)換器將會突然關(guān)閉或進入不穩(wěn)定狀態(tài)。目前已有ー些技術(shù)用來制造與傳統(tǒng)調(diào)光器兼容的LED驅(qū)動電源(所謂“可調(diào)光的LED驅(qū)動電源”)。這些技術(shù)的例子包括美國專利7，649，327，7，852，017，7，609，008，7，038，399 和美國專利申請 20110043129，20110037399, 20110012530, 20100295478,20100277103, 20080278092, 20100134038, 20090295300，等所公開的各種設(shè)計。然而，所有這些設(shè)計都與傳統(tǒng)的AC-DC轉(zhuǎn)換器的設(shè)計有相當(dāng)大的差別，有些設(shè)計甚至復(fù)雜到必須使用微處理器的地歩。因此這些設(shè)計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)果是目前市場上現(xiàn)有的可調(diào)光的LED驅(qū)動電源都比相同瓦數(shù)的傳統(tǒng)AC-DC轉(zhuǎn)換器昂貴許多。另外，目前市場上大部分可調(diào)光的LED驅(qū)動電源都是恒流型的，而恒壓型的LED驅(qū)動電源則更受歡迎，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)動電源比恒流型的LED驅(qū)動電源更受歡迎，特別是在LED軟燈條的應(yīng)用方面。因為LED軟燈條的規(guī)格通常以電壓來區(qū)分，而如果使用恒流的驅(qū)動電源，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度，從而需要非標(biāo)準(zhǔn)的電流來驅(qū)動。這樣非標(biāo)準(zhǔn)的恒流電源可能根本就無法找到。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)動電壓相吻合，只要LED的功率不超過AC-DC轉(zhuǎn)換器的最大功率即可。例如，ー個12V 100W的AC-DC轉(zhuǎn)換器既可用來驅(qū)動12V IOOff的LED軟燈條也可用來驅(qū)動12V 5W的LED軟燈條。所以ー個12V的LED軟燈條，不管剪到什么樣的長度，總可以用12V的AC-DC轉(zhuǎn)換器來驅(qū)動。即使LED的功率超過了 AC-DC轉(zhuǎn)換器的最大功率，這類轉(zhuǎn)換器通常都有過流保護功能，會自動限制電流或自動關(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，有必要創(chuàng)造ー種可調(diào)光的LED驅(qū)動電源，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)明提供ー種用來轉(zhuǎn)換ー個AC輸入以驅(qū)動ー個負載的電路，其中包括ー個測量電路用來測得ー個與該AC輸入的電壓相關(guān)的平均度量和ー個功率轉(zhuǎn)換模塊用來將該AC輸入轉(zhuǎn)換為ー串連續(xù)的脈沖以驅(qū)動該負載，而這串連續(xù)脈沖的占空比則受控于所述測量電路所測得的與該AC輸入的電壓相關(guān)的平均度量。所述負載可以是至少由ー個LED組成的陣列。所述AC輸入可以由ー個AC電源經(jīng)過ー個調(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輸入電壓的絕對值的簡單平 均值近似成正比。所述功率轉(zhuǎn)換模塊可以包括ー個AC-DC轉(zhuǎn)換器和ー個開關(guān)電路用來開通或阻斷該AC-DC轉(zhuǎn)換器與所述負載之間的電流環(huán)路，而開通阻斷的占空比則受控于所述測量電路所測得的平均度量。所述用來開通或阻斷AC-DC轉(zhuǎn)換器與負載之間電流環(huán)路的開關(guān)電路可以受控于一個脈沖寬度調(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閃爍感覺的域值，而該調(diào)制器的脈沖寬度則由所述測量電路所測得的平均度量來控制。所述脈沖寬度調(diào)制器可以包括兩個電壓比較器或運算放大器，第一個電壓比較器或運算放大器用來控制ー個電容器的充電與放電從而產(chǎn)生ー個上升下降交替的連續(xù)波形，第二個電壓比較器或運算放大器用來把該電容器上的電壓同一個代表所述測量電路測得的平均度量的電壓相比較，而第二個電壓比較器或運算放大器的輸出則用來控制所述開關(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)生ー個基本恒定的電壓輸出，當(dāng)所述AC輸入電壓逐漸降低時，所述占空比也逐漸降低，并在AC輸入電壓到達AC-DC轉(zhuǎn)換器穩(wěn)定工作范圍的低端之前，提前一點到達0%。所述AC-DC轉(zhuǎn)換器可以包括ー個整流器，ー個隔離ニ極管，和ー個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ー步包括一個泄流器提供所述調(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為實現(xiàn)本發(fā)明的ー種方案，只須在未經(jīng)改動的傳統(tǒng)的AC-DC轉(zhuǎn)換器模塊上增加少量元件便可制成。
圖2為實現(xiàn)圖I方案的ー個具體設(shè)計案例。圖3為實現(xiàn)本發(fā)明的另ー種方案,只須對傳統(tǒng)的AC-DC轉(zhuǎn)換器模塊稍加改動并加上少量元件便可制成。圖4為實現(xiàn)圖3方案的ー個具體設(shè)計案例。圖5為實現(xiàn)圖3方案的另ー個具體設(shè)計案例。圖6為實現(xiàn)圖4和圖5中用到的DC-DC轉(zhuǎn)換器的ー個具體設(shè)計案例。圖7用ー些波形來說明脈沖寬度調(diào)制器(106)和(307)是怎樣用兩個電壓比較器或運算放大器來實現(xiàn)的。
具體實施方式
圖I顯示怎樣在未經(jīng)改動的傳統(tǒng)的AC-DC轉(zhuǎn)換器模塊上増加少量元件而制成ー個可調(diào)光的LED驅(qū)動電源。如圖I所示，AC電源(101)經(jīng)過調(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)動電源(100)?？烧{(diào)光的LED驅(qū)動電源(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特定直流電壓(如12V)驅(qū)動的LED照明燈具。可調(diào)光的LED驅(qū)動電源(100)可由ー個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)?？烧{(diào)光的LED驅(qū)動電源(100)可以用現(xiàn)成的，分別制造的(或買來的)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)計和(103)，( 105)，( 106)，( 107)等元件按照本發(fā)明設(shè)計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)計可以直接考貝ー個現(xiàn)成的已經(jīng)過完善的傳統(tǒng)的AC-DC轉(zhuǎn)換器的設(shè)計而不需要任何改動。)泄流器(103)用來提供某些類型的調(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泄流器，例如一個簡單電阻，或任何類型的主動泄流器，例如一個只有在AC電壓低于某個值時或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)通時才啟動。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。平均電壓測量器(105)用于測量調(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明中其他地方用來表示取電壓絕對值的平均值，而不管電壓的正負。(否則的話，一個對稱的AC信號的平均值將永遠是O。)所有類型的調(diào)光器都輸出ー個與調(diào)光器所調(diào)的亮度相關(guān)的平均電壓。因此，平均電壓測量器(105)所測到的平均電壓就代表了調(diào)光器所調(diào)的亮度。平均電壓測量器(105)所測到的平均電壓將用來控制脈沖寬度調(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量器(105)所測到的平均電壓。脈沖寬度調(diào)制器(106)的運行頻率應(yīng)高于人類對閃爍感覺的域值(如2kHZ)并與AC電源(101)的頻率無關(guān)。脈沖寬度調(diào)制器(106)用來控制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，當(dāng)使用者把調(diào)光器(102)調(diào)低時，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閃爍感覺的域值，人們只覺得LED (108)的亮度降低了而不會感覺到任何閃爍。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)計也應(yīng)該在電壓的高端留一點余地，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達到100% (完全接通的狀態(tài))。這是因為AC供電的電壓總會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%。ー個適用于北美120V/60HZ供電的設(shè)計實例是，當(dāng)調(diào)光器(102)輸出端的AC平均電壓從96V降到24V 時，脈沖寬度調(diào)制器(106)的占空比從100%降到0%。(請注意，對于正弦波平均值=(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，驅(qū)動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。另ー個原因是，ー個典型的AC-DC轉(zhuǎn)換器通常在前端有ー個橋式整流器，隨后是一個低通濾波器其中帶ー個很大的電容器，然后再連接ー個DC-DC轉(zhuǎn)換器。在負載電流很小的情況下，這個橋式整流器和隨后的大電容實際上形成了一個峰值保持器。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)平均電壓是通過ー個位相切割調(diào)光器而降低的。由于上述兩個原因，平均電壓的下限通常可以比AC-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，仍能正常工作。即使ー個傳統(tǒng)的通用輸入AC-DC轉(zhuǎn)換器在用于本發(fā)明時，不能在很低電壓下工作，通常也只需對設(shè)計稍加修改就可以使其正常工作。ー個在本領(lǐng)域內(nèi)具有普通技能的人士會知道恰當(dāng)?shù)男薷姆绞健D2顯示實現(xiàn)圖I方案的ー個具體設(shè)計案例的細節(jié)。雖然這個具體設(shè)計案例包括很多細節(jié)，但這些細節(jié)不應(yīng)被解釋為是對本發(fā)明范圍的限制。ー個在本領(lǐng)域內(nèi)具有普通技能的人士會意識到本發(fā)明可以用很多種與此設(shè)計案例不同的方法來實現(xiàn)。在此具體設(shè)計案例中，泄流器(103)是ー個簡單的電阻R1。ー個在本領(lǐng)域內(nèi)具有普通技能的人士會意識到泄流器(103)可以用很多種不同的方法來實現(xiàn)，只要能夠在AC-DC轉(zhuǎn)換器(104)吸收的電流不夠時，維持ー個最小導(dǎo)通電流即可。平均電壓測量器
(105)直接測量調(diào)光器(102)輸出端的AC電壓。調(diào)光器(102)輸出端的AC電壓，通過電阻R2在光隔離器VOl的輸入端產(chǎn)生ー個AC電流,并在光隔離器VOl的輸出端(光電晶體管端)產(chǎn)生ー個與輸入AC電流成正比的DC電流。請注意，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，并隨其波動而波動。但是因為有ー個大電容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候充電而在低于平均值的時候放電，因此流過電阻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)。其中，<Va?！当硎菊{(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)計案例中，VOl的電流傳遞比為55%，因此，R3上的電壓經(jīng)計算約為調(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，平均電壓測量器(105)的輸出電壓從9. 6V變到2. 4V。因為光隔離器的電流傳遞比差別很大，R3也許需要進行調(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。如果平均電壓測量器不使用光隔離器就不會有這種麻煩，如圖5的例子所示。關(guān)于圖5的例子，以下還會有更詳細的說明。如圖2所示，脈沖寬度調(diào)制器(106)可由兩個電壓比較器做成。(也可以用運算放大器來代替電壓比較器，雖然運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。)一個電壓比較器Ul-B用來構(gòu)成ー個振蕩器。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往上拉而達到約VCC的80%。此時，電容器C2通過R6沖電。當(dāng)電容器C2上的電壓沖到超過Ul-B的“ + ”輸入端的電壓(VCC的80%)吋，Ul-B的輸出端就會反轉(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往下拉而達到約VCC的20%。這時，電容器C2通過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“ + ”端則與平均電壓測量器(105)的輸出端相連結(jié)。平均電壓測量器(105)輸出的電壓由圖7的上半部中的水平虛線來表示。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量器(105)輸出電壓的時間。這樣ー來，當(dāng)平均電壓測量器(105)的輸出電壓從VCC的20% (約2. 4V)變到VCC的80% (約9. 6V)時，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)的輸出用來驅(qū)動PWM開關(guān)(107)。PWM開關(guān)(107)可以是ー個N-通道的MOSFET Ql，用來開通和阻斷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)計案例中，AC-DC轉(zhuǎn)換器(104)是ー個可以直接在市場上買到的穩(wěn)壓電源，V-Infinity制造的V0F-65-12。該電源的12V輸出同時可用來滿足脈沖寬度調(diào)制器(106)和部分平均電壓測量器(105)的供電需求。
圖3顯不本發(fā)明的另ー種實施方案。該實施方案可由一個傳統(tǒng)的AC-DC轉(zhuǎn)換器經(jīng)過很小的改動而制成。該實施方案的兩個具體設(shè)計案例分別由圖4和圖5顯示。如圖3所示，ー個典型的寬輸入范圍的傳統(tǒng)AC-DC轉(zhuǎn)換器通常已經(jīng)帶有ー個整流器(303)和ー個寬輸入范圍的DC-DC轉(zhuǎn)換器(305)直接連接在一起。需要改動的是，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)，平均電壓測量器(306)，脈沖寬度調(diào)制器(307)，和PWM開關(guān)(308)。這些改動可以在已經(jīng)制造好的AC-DC轉(zhuǎn)換器上切斷原來的連接，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)計進行改動，并把經(jīng)過改動的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，用來瀉掉一部分經(jīng)過整流的直流電流。當(dāng)然也可以用與圖2中瀉流器(103)類似的交流瀉流器來代替瀉流器(302)，或與瀉流器(302)同時使用，這樣的設(shè)計同樣能正常工作。在圖4和圖5所示的具體設(shè)計實例中，瀉流器(302)是ー個由電阻R1，R2，和電容器Cl所組成的被動瀉流器。 本發(fā)明人觀察到，圖4和圖5中由電阻Rl，R2，和電容器Cl所組成的被動瀉流器不能絕對地防止TRIAC調(diào)光器在缺乏最低維持電流時提前關(guān)閉。當(dāng)AC電壓不是很低吋，Cl將通過R2沖電。這時，對Cl沖電的電流與通過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將通過串連起來的Rl和R2放電。該放電的電流會使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，通過調(diào)光器的電流就會變?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。本發(fā)明人還觀察到，當(dāng)調(diào)光器調(diào)到某些亮度值時，這種AC波形尾部的提前關(guān)閉還可能對每ー個周期是不一樣的。對很多其他種類的可調(diào)光的LED驅(qū)動器而言，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)閉不會產(chǎn)生嚴(yán)重的問題。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整流器，因此AC波形的尾部被切掉一點對該轉(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AC電壓的很多個周期進行平均以后取得的，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兒，調(diào)光器調(diào)到的亮度值有一點移動(例如當(dāng)調(diào)光器的亮度值調(diào)到標(biāo)稱的50%吋，實際的亮度值只有40%)。這不會產(chǎn)生任何嚴(yán)重的問題。如果按上面提到的設(shè)計方法在調(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有很大問題，而這類瀉流器如果用在其他類型的可調(diào)光LED驅(qū)動器上，就不能很好地工作。使用較弱的和不完美的瀉流器的優(yōu)點是可以減少功耗，簡化設(shè)計，降低成本。下面繼續(xù)討論圖3的實施方式。隔離ニ極管(304)可以是ー個簡單的ニ極管，如圖4和圖5所示。使用隔離ニ極管的理由是，ー個典型的AC-DC轉(zhuǎn)換器通常都有一個很大的電容接在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電容器上，就會形成一個峰值保持器，把整流器輸出端的電壓保持在峰值附近，使平均電壓測量器(306)不可能測到正確的平均電壓。接入隔離ニ極管(304)可以使整流器(303)與這個大電容隔離開來，讓整流器的輸出電壓隨著AC電壓上升下降，使平均電壓測量器(306)可以測到正確的平均電壓。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，這一點前面已經(jīng)討論過。平均電壓測量器(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)計實例中，平均電壓測量器(306)基本上與圖2中的平均電壓測量器(105)相同，只不過側(cè)量的是經(jīng)過整流的信號而不是交流信號。因此，該設(shè)計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中對應(yīng)的元件(106)和(107)完全相同。在圖5所示的具體設(shè)計實例中，隔離的界線不在平均電壓測量器(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)的供電來源于DC-DC轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的ー個附加電源，這個附加電源可以與該轉(zhuǎn)換器的主要輸出不同。在這個設(shè)計實例中，平均
電壓測量器(306)的輸出可按ま< Vrect>來計算，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。因為這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時提到的問題，而圖4的例子也存在相同的問題。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，平均電壓測量器(306 )的輸出電壓就會從12. 8V變到3. 2V，對應(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，只不過它的供電電壓是16V而不是12V。電容器C2上的電壓也會有圖7的上半部所示的波形，只不過是在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，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)的輸出通過光隔離器VOl來驅(qū)動PWM開關(guān)(308)。這里電流傳遞比的差別不會產(chǎn)生任何問題。圖6顯示ー個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。ー個典型的AC-DC轉(zhuǎn)換器已經(jīng)帶有ー個附加電源，產(chǎn)生于反沖變壓器(flybacktransformer)的ー個附加線圈，用來為控制器集成電路(如圖6中的Ul)供電。這個附加電源可以用來為脈沖寬度調(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很小的啟動電流，而這個啟動電流通常必須通過ー個電阻，如圖6中的R4，從經(jīng)過整流的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)吸收的額外電流會使電阻R4不足以把Ul的VCC拉到足夠高的電位使之啟動。所以，附加電源應(yīng)該從附加線圈那里通過另ー個ニ極管D5整流獲得。當(dāng)然，如果R4能提供足夠的電流同時供應(yīng)脈沖寬度調(diào)制器(307)和啟動控制器集成電路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，使之能夠同時供應(yīng)脈沖寬度調(diào)制器(307)和啟動控制器集成電路Ul所需的電流。以上這些實例說明怎樣把ー個傳統(tǒng)的AC-DC轉(zhuǎn)換器的設(shè)計經(jīng)過很小的修改或不加修改并加上少量元件而制成一個可調(diào)光的恒壓LED驅(qū)動器。這些改動和加上去的少量元件對成本的増加和對電路板面積的要求都是很小的，并且不會改變AC-DC轉(zhuǎn)換器原設(shè)計的電和熱的基本特性。所有AC-DC轉(zhuǎn)換器原來的過流保護，過壓保護，和過熱保護的機制都沒有任何改變。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)，來很快地制成可調(diào)光的恒壓LED驅(qū)動器。雖然本發(fā)明是通過以上的幾個具體實施方式
來說明的，但ー個在本領(lǐng)域內(nèi)具有普通技能的專業(yè)人士，在讀了本說明和研究了附圖之后，就會明白很多種修改，變動，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泄流器，但在本領(lǐng)域內(nèi)的專業(yè)人士會意識到，各種類型的主動泄流器都可以用在本發(fā)明中，包括一些只有在AC電壓低于某個值時或AC-DC轉(zhuǎn)換器吸收的電流不足以維持TRIAC調(diào)光器導(dǎo)通時才起作用的泄流器。這樣的泄流器可能比被動泄流器更少地浪費功率。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，平均電壓測量器可以用ー個測量均方根(RMS)電壓而不是平均電壓的電路來代替。實際上，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)計也是可行的，例如可以讓脈沖寬度和頻率都同時變化，只要頻率保持在人類感覺閃爍的域值之上即可。平均電壓測量器和脈沖寬度調(diào)制器都可以分別或同時是非線性的，以使人們感覺到更加平滑的調(diào)光曲線(人類對亮度的感覺是非線性的)。雖然在上述的設(shè)計實例中，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，從而使通過LED的平均電流與該LED在額定電壓下以100%占空比來驅(qū)動所產(chǎn)生的電流相同。例如，ー個12V的LED陣列在13V、50%占空比的連續(xù)脈沖的驅(qū)動下所產(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)明同樣可以用來驅(qū)動其他的負載，如鹵素?zé)?br> (halogen light)。所有這些改動，以及這里沒有--列舉的各種可能的改動，對于ー個本
領(lǐng)域內(nèi)有普通技能的專業(yè)人士而言，只要讀了本說明并研究了各附圖，都會變得顯而易見。還有，本說明中的某些術(shù)語只是為了描述清晰的目的而使用的，并不能解釋為是對本發(fā)明的限制。以上提到的各種參數(shù)的某些具體數(shù)值也只是用來舉例說明而已，并不能解釋為是對本發(fā)明范圍的限制。一個本領(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，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
1.一種用來轉(zhuǎn)換一個AC輸入以驅(qū)動一個負載的電路包括 a)一個測量電路用來測得一個與該AC輸入的電壓相關(guān)的平均度量； b)一個功率轉(zhuǎn)換模塊用來將該AC輸入轉(zhuǎn)換為一串連續(xù)的脈沖以驅(qū)動該負載，而這串連續(xù)脈沖的占空比則受控于所述測量電路所測得的與該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，所述負載為至少由一個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AC電源經(jīng)過一個調(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AC-DC轉(zhuǎn)換器和一個開關(guān)電路用來開通或阻斷該AC-DC轉(zhuǎn)換器與所述負載之間的電流環(huán)路，而開通與阻斷的占空比則受控于所述測量電路所測得的平均度量。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的電路，所述用來開通或阻斷AC-DC轉(zhuǎn)換器與負載之間電流環(huán) 路的開關(guān)電路受控于一個脈沖寬度調(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閃爍感覺的域值，而該調(diào)制器的脈沖寬度則由所述測量電路所測得的平均度量來控制。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的電路，所述脈沖寬度調(diào)制器包括兩個電壓比較器或運算放大器，第一個電壓比較器或運算放大器用來控制一個電容器的充電與放電從而產(chǎn)生一個上升下降交替的連續(xù)波形，第二個電壓比較器或運算放大器用來把該電容器上的電壓同一個代表所述測量電路測得的平均度量的電壓相比較，而第二個電壓比較器或運算放大器的輸出則用來控制所述開關(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)生一個基本恒定的電壓輸出，當(dāng)所述AC輸入電壓逐漸降低時，所述占空比也逐漸降低，并在AC輸入電壓到達AC-DC轉(zhuǎn)換器穩(wěn)定工作范圍的低端之前，提前一點到達0%。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的電路，所述AC-DC轉(zhuǎn)換器包括一個整流器，一個隔離二極管，和一個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所述的電路還進一步包括一個泄流器提供所述調(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輸入電壓的絕對值的簡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)動電路。這種驅(qū)動電路與所有調(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)的脈沖來驅(qū)動LED負載，并且測量一個代表AC輸入電壓的平均度量，用來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，驅(qū)動LED的占空比也隨之下降，從而達到調(diào)光的目的。該驅(qū)動電路只需在傳統(tǒng)寬輸入電壓的AC-DC轉(zhuǎn)換器的基礎(chǔ)上稍加改動或不改動并加上少量元件便可實現(xiàn)。
文檔編號H05B37/02GK102740545SQ201210056680
公開日2012年10月17日 申請日期2012年3月6日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月13日
發(fā)明者劉剛 申請人:劉剛