ВОЗБУДИТЕЛЬ СВЕТОИЗЛУЧАЮЩЕГО ДИОДА С ПИТАНИЕМ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫМ НАПРЯЖЕНИЕМ Российский патент 2018 года по МПК H05B33/08 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

[0001] Настоящее изобретение относится к области цепей возбуждения для светодиодных (СИД) источников света, и более конкретно, к преобразователям переменного тока в постоянный ток (AC-DC) или постоянного тока в постоянный ток (DC-DC) для СИДов.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

[0002] Возбуждение СИД обычно осуществляется цепью возбуждения, содержащей преобразователь AC-DC или DC-DC, обеспечивающий по меньшей мере один регулируемый выход, обеспечивающий генерирование и подачу относительно постоянных токов в ответ на варьирующиеся входные напряжения или на любые другие возмущения, такие как вариации импеданса нагрузки, которые могут быть результатом вариаций температуры или старения нагрузки.

[0003] В промышленности твердотельного освещения (SSL) увеличивается спрос на небольшие и компактные блоки управления для СИДов, причем данное утверждение еще более значимо в области мощных светодиодов, для которых энергия от источника питания должна подаваться в виде постоянного тока как можно более эффективно. В идеальном варианте, возбудители СИД, сравнимые по размеру с самими СИДами, будут представлять значительный прорыв, обеспечивающий возможность осуществления новых идей в освещении. Такое решение, в целях удовлетворения требованиям продолжительности срока службы, размера и рассеяния тепла, потребует системы с высоким уровнем надежности и эффективности.

[0004] Известные возбудители СИД, на текущий момент, в основном основаны на двух основных технологиях: линейных возбудителях и импульсных источниках электропитания (SMPS).

[0005] Линейные возбудители для преобразования DC-DC имеют преимущество, предлагающее возможности высокой степени интеграции при низких затратах, благодаря тому факту, что такие возбудители могут состоять только из полупроводниковых переключателей с длительным латентным периодом и резисторов, которые могут быть монолитно интегрированы с помощью проверенных технологий; с другой стороны, решения на основе линейных возбудителей могут иметь плохую эффективность всякий раз, когда разность напряжений между входом и выходом становится высокой, либо по причине конструктивных допусков, либо при возмущениях в системе, таких как вариации импеданса нагрузки, которые могут быть результатом вариаций температуры или старения нагрузки, или того и другого.

[0006] Вольт-амперные характеристики СИДов, как проиллюстрировано на фиг.1, подробно описанной здесь далее, ведут себя резко, когда напряжение достигает определенного порога прямого напряжения, обычно обозначаемого VF. Вариации на пороге прямого напряжения, которые могут быть обозначены ΔVF, для заданного СИДа обычно находятся на уровне ±10% и, таким образом, приводят к значительным потерям мощности, что представляет собой проблему для блока управления электропитанием возбудителя СИДа. На практике линейные возбудители могут использоваться только для суб-ваттных областей применения.

[0007] Возбудители на основе SMPS, использующие индуктивный накопитель, обеспечивают достижение лучшей эффективности; однако монолитная интеграция всех элементов SMPS (в частности, реактивных компонентов, и более конкретно, катушек индуктивности) еще не является достаточно отработанной, чтобы удовлетворять требованиям рассматриваемой области применения.

[0008] Возбудители на основе SMPS, использующие емкостный накопитель энергии, в особенности, возбудители на основе SMPS, включающие в себя преобразователи на переключаемых конденсаторах (SCC) или схемы с накачкой заряда (CP), могут обеспечивать высокоэффективное преобразование напряжения DC-DC только с использованием конденсаторов и полупроводниковых переключателей. Таким образом, SMPS емкостного типа могут быть легче интегрированы по сравнению с SMPS индуктивного типа. Использование схем CP в возбудителях для СИДов известно, и некоторые доступные готовые интегральные схемы включают в себя схемы с накачкой заряда. Однако все эти изделия, в основном, состоят из монолитного кристалла, который интегрирует силовую цепь CP и линейный регулятор с соответствующим управлением, причем эти изделия широко используются в подсветке мобильных телефонов, обычно для мощностей до одного ватта. В этих решениях входное напряжение, обычно подаваемое литий-ионной аккумуляторной батареей, сначала повышается или понижается до ближайшего напряжения выше прямого напряжения СИДа. Эти кристаллы обеспечивают регулирование тока посредством линейного возбудителя, что в большинстве случаев переводится в плохую производительность, обычно ниже 80%.

[0009] Для возбудителей СИД в диапазоне от среднемощных до высокомощных нет известного решения, которое обеспечивает оптимальное сочетание между небольшим объемом, обычно эквивалентным объему самого СИДа, и минимизированными потерями из-за вариаций прямого напряжения СИДа.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0010] Одной целью настоящего изобретения является устранение вышеупомянутых недостатков предшествующего уровня техники посредством предложения решения, обеспечивающего реализацию малообъемных возбудителей для СИДов, в частности, выполненных с возможностью не подвергаться воздействию вариаций прямого напряжения СИДа. Настоящее изобретение дополнительно обеспечивает реализацию блока управления электропитанием для СИДа, который может быть легко интегрирован в корпус СИДа.

[0011] В соответствии с настоящим изобретением предложено, чтобы возбудитель СИДа запитывался плавающим дифференциальным напряжением, охарактеризованным одним первым и одним вторым напряжением смещения, причем разность между данными двумя напряжениями смещения равна или больше, чем ожидаемая вариация прямого напряжения СИДа. Небольшое дифференциальное напряжение питания ослабляет механическое напряжение в компонентах возбудителя и значительно уменьшает сложность его схемы, в частности, когда такой возбудитель состоит из преобразователя SCC.

[0012] Для этой цели настоящее изобретение предлагает возбудитель для возбуждения одного или множества СИДов, содержащий блок возбуждения, выполненный с возможностью запитываться дифференциальным напряжением, между одним первым напряжением смещения и одним вторым напряжением смещения, причем это дифференциальное напряжение подобрано равным или большим, чем наибольшие ожидаемые вариации прямого напряжения упомянутого одного или множества СИДов.

[0013] В примерном варианте осуществления изобретения возбудитель может содержать преобразователь напряжения, выполненный с возможностью подачи выходного напряжения, временные характеристики которого представляет собой по существу колебание прямоугольной формы, в зависимости от упомянутого дифференциального напряжения.

[0014] В примерном варианте осуществления изобретения упомянутый преобразователь напряжения может быть образован преобразователем на переключаемых конденсаторах.

[0015] В примерном варианте осуществления изобретения упомянутый преобразователь напряжения может быть на основе топологии Диксона лестничного типа.

[0016] В примерном варианте осуществления изобретения упомянутый преобразователь на переключаемых конденсаторах может содержать множество внутренних узлов, подающих промежуточные напряжения, а возбудитель может дополнительно содержать мультиплексор, выполненный с возможностью избирательно подключать выходное напряжение возбудителя к какому-либо одному из упомянутых внутренних узлов.

[0017] В примерном варианте осуществления изобретения возбудитель может содержать источник напряжения, питаемый входным напряжением и выполненный с возможностью подачи упомянутых двух напряжений смещения.

[0018] В примерном варианте осуществления изобретения источник напряжения может быть выполнен с возможностью изменения значений двух напряжений смещения в зависимости от вариаций по меньшей мере одного из группы, состоящей из температуры и истекшего времени функционирования СИДов.

[0019] В примерном варианте осуществления изобретения источник напряжения может быть выполнен с возможностью изменения значения каждого из напряжений смещения посредством добавления определенного значения компенсации к значению каждого напряжения смещения, причем данное значение компенсации зависит от расчетных вариаций по меньшей мере одного элемента из группы, состоящей из температуры и истекшего времени функционирования СИДов.

[0020] В примерном варианте осуществления изобретения источник напряжения может содержать понижающий преобразователь, причем меньшее из упомянутых двух напряжений смещения является подаваемым данным понижающим преобразователем.

[0021] В примерном варианте осуществления изобретения понижающий преобразователь может быть на основе топологии Диксона лестничного типа.

[0022] Другой аспект настоящего изобретения представляет собой корпус СИДа, содержащий по меньшей мере один СИД и связанный с ним блок возбуждения, как в каком-либо из описываемых вариантов осуществления.

[0023] В примерном варианте осуществления изобретения данный корпус СИДа может быть интегрирован в качестве «системы электропитания на кристалле» или в качестве «системы электропитания в корпусе».

[0024] Еще один аспект настоящего изобретения представляет собой световой модуль, содержащий множество СИДов с по существу идентичными вольт-амперными характеристиками, причем каждый СИД возбуждается блоком возбуждения, как в каком-либо из описываемых вариантов осуществления.

[0025] В примерном варианте осуществления изобретения данный световой модуль может дополнительно содержать источник напряжения, питаемый входным напряжением и выполненный с возможностью подачи упомянутых двух напряжений смещения к множеству блоков возбуждения.

[0026] Другой аспект настоящего изобретения представляет собой способ функционирования по меньшей мере одной нагрузки, содержащий обеспечение по меньшей мере одного блока возбуждения, выполненного с возможностью запитываться дифференциальным напряжением, между одним первым напряжением смещения и одним вторым напряжением смещения, причем данное дифференциальное напряжение подобрано равным или большим, чем наибольшие ожидаемые вариации прямого напряжения упомянутой по меньшей мере одной нагрузки.

[0027] Одно другое преимущество настоящего изобретения, в некоторых его вариантах осуществления, заключается в том, что архитектура возбудителя СИД или блока возбуждения, как отражено в каком-либо из описываемых вариантов осуществления, может быть упрощена по сравнению с существующими архитектурами, в особенности, с точки зрения числа требуемых компонентов. Например, если возбудитель или блок возбуждения содержит преобразователи SCC, тогда число переключателей и конденсаторов может быть существенным образом уменьшено, по сравнению с существующими архитектурами возбудителей, исходя из преобразователей SCC, обеспечивающих достижение сопоставимых коэффициентов преобразования мощности.

[0028] Одно другое преимущество настоящего изобретения заключается в том, что возбудитель СИД, блок возбуждения или световой модуль СИД в соответствии с любым из описанных вариантов осуществления, могут быть настолько эффективными с точки зрения мощности, что не требуют теплоотвода или наличия тепловой дорожки с низким сопротивлением.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0029] Эти и другие характеристики и преимущества настоящего изобретения будут более понятны с учетом приводимого ниже подробного описания предпочтительного варианта осуществления, предоставленного лишь в качестве иллюстративного и не ограничивающего примера, а также сопроводительных чертежей, которые представляют:

[0030] Фигуру 1, представляющую график, иллюстрирующий типичные вольт-амперные характеристики СИДа;

[0031] Фигуру 2, представляющую блок-схему, иллюстрирующую архитектуру светового модуля, содержащего множество СИДов и блоков возбуждения СИДов в соответствии с настоящим изобретением;

[0032] Фигуру 3, представляющую схему, иллюстрирующую подробную структуру возбудителя СИДа в соответствии с примерным вариантом осуществления данного изобретения;

[0033] Фигуры 4A и 4B, представляющие временные диаграммы, иллюстрирующие принцип функционирования возбудителя СИДа в соответствии с примерным вариантом осуществления данного изобретения.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ

[0034] В нижеследующем подробном описании, в целях объяснения, но не ограничения, для того, чтобы обеспечить полное понимание представленных принципов, изложены иллюстративные варианты осуществления, раскрывающие конкретные детали. Однако специалисту в данной области техники, ознакомившемуся с настоящим раскрытием, будет очевидно, что другие варианты осуществления в соответствии с представленными принципами, которые отличаются от раскрытых здесь конкретных деталей, остаются в рамках объема прилагаемой формулы изобретения. Кроме того, описания общеизвестных устройств и способов могут быть опущены, чтобы не делать неясным описание иллюстративных вариантов осуществления. Такие способы и устройства очевидным образом находятся в пределах объема представленных принципов.

[0035] Фигура 1 демонстрирует график, иллюстрирующий типичные вольт-амперные характеристики СИДа. Фигура 1 направлена на поддержку надлежащего понимания настоящего изобретения; в частности, относительные значения вариаций прямого напряжения и номинального прямого напряжения являются чисто иллюстративными и не обязательно соответствующими в ситуации с действительными практическими характеристиками СИДа.

[0036] Фигура 1 графически изображает одну первую кривую 11, вычерченную сплошной линией, представляющей номинальные вольт-амперные характеристики диода в прямой области, то есть график, на котором ось ординат обозначает силу I тока, протекающего через СИД в направлении от анода к катоду, а ось абсцисс обозначает напряжение V на СИДе. Когда напряжение V на СИДе достигает заданного значения VF перепада прямого напряжения, тогда ток I СИДа становится ощутимым, и СИД представляет крайне низкое сопротивление. Однако номинальное прямое напряжение VF для заданного СИДа может незначительно варьироваться из-за производственных отклонений; прямое напряжение VF также может значительно варьироваться при функционировании из-за вариаций тока через нагрузку, но также из-за вариаций в параметрах окружающей среды, таких как температура; оно также может в значительной степени изменяться как результат старения СИДа. Наибольшие ожидаемые вариации прямого напряжения СИДа с учетом всех возможных исходных причин, которые упомянуты выше, могут рассматриваться как находящиеся в интервале между минимальным прямым напряжением VFmin и максимальным прямым напряжением VFmax, причем длина этого интервала обозначается как ΔVF. Вольт-амперные характеристики СИДа в предельных условиях, для которых прямое напряжение является минимальным или максимальным, вычерчены пунктирными линиями соответственно в виде второй кривой 13 и третьей кривой 15. Общие формы второй кривой 13 и третьей кривой 15 являются схожими с формой первой кривой 11.

[0037] Фиг. 2 представляет блок-схему, иллюстрирующую архитектуру светового модуля 200, содержащего множество СИДов и блоков возбуждения в соответствии с настоящим изобретением.

[0038] Данный световой модуль 200 содержит множество n СИДов D1, D2,…, Dn, причем n представляет собой ненулевое целое число. Каждый СИД D1, D2,…, Dn возбуждается блоком 201, 202,…, 20n возбуждения. В примерном варианте осуществления один единичный источник 20 питания, питаемый входным напряжением Vin, может питать все блоки 201, 202,…, 20n возбуждения.

[0039] В соответствии со спецификой настоящего изобретения, каждый блок 201, 202,…, 20n возбуждения СИД может запитываться плавающим дифференциальным напряжением, охарактеризованным первым напряжением VB1 смещения и вторым напряжением VB2 смещения. Разность между данными двумя напряжениями VB1, VB2 смещения может выбираться так, чтобы быть равной или большей, чем ожидаемая максимальная вариация прямого напряжения ΔVF СИДа с учетом всех возможных исходных причин, которые упомянуты выше. В альтернативном варианте, разность между двумя напряжениями VB1, VB2 смещения может выбираться так, чтобы быть равной или большей, чем ожидаемая максимальная вариация прямого напряжения СИДа, когда во внимание принимаются только те вариации, которые обусловлены вариациями тока через нагрузку при функционировании, причем такие вариации являются связанными с динамическим сопротивлением СИДа. В такой конфигурации вариации прямого напряжения, которые обусловлены другими исходными причинами, такими как вариация температуры или старением нагрузки, могут компенсироваться с помощью оптимизирования функционирования нагрузки посредством регулирования абсолютных значений двух напряжений VB1, VB2 смещения, например, при поддержании постоянным дифференциального напряжения между двумя напряжениями VB1, VB2 смещения, как дополнительно подробно описано ниже.

[0040] Небольшое дифференциальное напряжение питания обеспечивает ослабление механического напряжения в компонентах возбудителя и значительно уменьшает сложность его схемы. Таким образом, каждый СИД D1, D2,…, Dn может быть интегрирован в корпусе СИДа со своим связанным блоком 201, 202,…, 20n возбуждения в интегрированном блоке 211, 212,…, 21n, причем данные интегрированные блоки 211, 212,…, 21n представлены пунктирными линиями на фигуре.

[0041] Каждый блок 201, 202,…, 20n возбуждения содержит одну первую клемму питания, подключенную к первому напряжению VB1 смещения, одну вторую клемму питания, подключенную ко второму напряжению VB2 смещения, по меньшей мере одну выходную клемму, подключенную к аноду соответствующего СИДа D1, D2,…, Dn, причем катод СИДа подключен к опорному напряжению, например, к земле. Каждый блок 201, 202,…, 20n возбуждения СИДа может дополнительно содержать входную клемму для приема сигнала управления световым выходом, обеспечивающую регулирование силы света и/или других световых параметров, таких как цвет.

[0042] Светодиоды СИД D1, D2,…, Dn имеют по существу схожие характеристики, или, по меньшей мере, их характеристики являются такими, что их ожидаемые наибольшие вариации прямого напряжения все находятся в пределах определенного интервала, то есть полностью содержатся в интервале, обеспеченном двумя напряжениями смещения, которыми питаются их блоки возбуждения.

[0043] Фиг. 3 показывает диаграмму, иллюстрирующую подробную структуру возбудителя СИДа в соответствии с примерным вариантом осуществления изобретения со связанным с ним источником питания.

[0044] В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения, возбудитель СИД может содержать блок 301 возбуждения. Данный блок 301 возбуждения может содержать преобразователь 300 напряжения, например, схему с накачкой заряда, которая может осуществляться на основе преобразователя на переключаемых конденсаторах (SCC), например, топологии лестничного типа. Блок 301 возбуждения запитывается дифференциальным напряжением посредством двух напряжений VB1 и VB2 смещения, подаваемых источником 30 питания, который может быть частью возбудителя СИДа или быть внешним по отношению к возбудителю СИДа.

[0045] В примерном варианте осуществления, проиллюстрированном фигурой 3, блок 301 возбуждения СИДа содержит преобразователь так называемой топологии Диксона лестничного типа, образующий преобразователь 300 напряжения. Следует отметить, что могут быть использованы другие топологии SCC, такие как, например, стандартная топология лестничного типа, топология Фибоначчи или последовательно-параллельная топология.

[0046] Проиллюстрированный примерный вариант осуществления использует топологию Диксона лестничного типа на основе пяти конденсаторов от C1 до C5 и девяти переключателей от S1 до S9, однополюсных, однонаправленного типа. Более конкретно, блок 301 возбуждения содержит две навесные «лестницы», причем каждая навесная «лестниц» содержит два конденсатора: одна первая навесная «лестница» содержит один первый конденсатор C1, последовательно соединенный с одним третьим конденсатором C3, и одна вторая навесная «лестница» содержит один второй конденсатор C2, последовательно соединенный с одним четвертым конденсатором C5.

[0047] Блок 301 возбуждения дополнительно содержит шесть центральных узлов от 3011 до 3016. Один первый переключатель S1 избирательно подключает первый центральный узел 3011 ко второму напряжению VB2 смещения. Один второй переключатель S2 избирательно соединяет первый центральный узел 3011 со вторым центральным узлом 3012. Один третий переключатель S3 избирательно соединяет второй узел 3012 с третьим центральным узлом 3013. Один четвертый переключатель S4 избирательно соединяет третий центральный узел 3013 с четвертым центральным узлом 3014. Один пятый переключатель S5 избирательно соединяет четвертый центральный узел 3014 с пятым центральным узлом 3015. Один пятый конденсатор C5 размещается между пятым центральным узлом 3015 и одним шестым центральным узлом 3016. Шестой центральный узел 3016 подключается к первому напряжению VB1 смещения.

[0048] Первая навесная «лестница», содержащая первый и третий конденсаторы C1, C3, расположена между первым центральным узлом 3011 и одним первым вторичным узлом 3021. Один шестой переключатель S6 избирательно соединяет первый вторичный узел 3021 с пятым центральным узлом 3015; один седьмой переключатель S7 избирательно соединяет первый вторичный узел 3021 с шестым центральным узлом 3016. Один узел между первым конденсатором C1 и третьим конденсатором C3 соединяется с третьим центральным узлом 3013.

[0049] Вторая навесная «лестница», содержащая второй и четвертый конденсаторы C2, C4, расположена между вторым центральным узлом 3012 и одним вторым вторичным узлом 3022. Один восьмой переключатель S8 избирательно соединяет второй вторичный узел 3022 с пятым центральным узлом 3015; один девятый переключатель S9 избирательно соединяет второй вторичный узел 3022 с шестым центральным узлом 3016. Один узел между вторым конденсатором C2 и четвертым конденсатором C4 соединяется с четвертым центральным узлом 3014.

[0050] Две навесные «лестницы», благодаря надлежащей последовательности из размыкания и замыкания переключателей от S1 до S9, находятся в противофазе. Например, в течение первой временной фазы Φ1, все нечетные переключатели S1, S3,…, S9 могут находиться в заданном состоянии, например, в состоянии «включено», в то время как все четные переключатели S2, S4,…, S8 находятся в противоположном состоянии, например, в состоянии «выключено»; в течение последующей второй временной фазы Φ2 состояния всех переключателей могут меняться на противоположные.

[0051] Например, преобразователь 300 напряжения может быть выполнен так, чтобы обеспечивать коэффициент преобразования 5:1.

[0052] Блок 301 возбуждения может дополнительно содержать один мультиплексор 310, обеспечивающий избирательное соединение одного из внутренних узлов преобразователя 300 напряжения, то есть любого одного из первых четырех центральных узлов 3011, 3012, 3013, 3014, по одному в определенный момент времени, выводя напряжение vx возбудителя в зависимости от соответствующих промежуточных напряжений vx1, vx2, vx3, vx4 на первых четырех центральных узлах 3011, 3012, 3013, 3014, соответственно. Примерные кривые напряжения vx возбудителя, а также промежуточных напряжений vx1, vx2, vx3, vx4, в зависимости от времени, показаны на фигурах 4A и 4B, описанных здесь далее. Мультиплексор может быть образован четырьмя переключателями S10, S11, S12, S13 мультиплексора, соединенными с первыми четырьмя центральными узлами 3011, 3012, 3013, 3014, соответственно.

[0053] Одно преимущество, обеспечиваемое таким вариантом осуществления с мультиплексором 310, состоит в том, что блок 301 возбуждения может, таким образом, быть выполнен с возможностью возбуждения СИДов с различными характеристиками, на основе заданных напряжений смещения; следовательно, использование мультиплексора обеспечивает больший динамический диапазон выходного напряжения или, в виде обратной величины, входного напряжения.

[0054] Выход мультиплексора 310 может быть соединен с дросселем Lo фильтра, последовательно соединенным с СИДом D. Конденсатор Co может быть параллельно соединен с СИДом D. Выходной фильтр, образованный дросселем Lo фильтра и конденсатором Co, фильтрует внутренние пульсирующие напряжения преобразователя SCC, питающего постоянным током СИД D.

[0055] Источник 30 напряжения может запитываться входным напряжением Vin и может содержать понижающий преобразователь. Таким образом, в примерном варианте осуществления, источник 30 питания может подавать первое напряжение VB1 смещения, получающееся в результате понижающего преобразования входного напряжения Vin, и второе напряжение VB2 смещения, равное входному напряжению Vin, причем такой вариант осуществления имеет преимущество в необходимости наличия простой архитектуры.

[0056] Еще в примерном варианте осуществления, проиллюстрированном фигурой 3, источник 30 напряжения реализуется на основе архитектуры Диксона лестничного типа, содержащей два конденсатора C6, C7 и четыре переключателя S14, S15, S16, S17, обеспечивающей понижающее преобразование входного напряжения Vin. Например, источник 30 напряжением может быть выполнен так, чтобы обеспечивать понижающий коэффициент преобразования 2:1. Если входное напряжение Vin является равным 5 В, тогда источник напряжения обеспечивает 5 В и 2,5 В, соответственно, в качестве второго напряжения VB2 смещения и первого напряжения VB1 смещения, например, через специальные шины электропитания.

[0057] Еще в примерном варианте осуществления, проиллюстрированном фигурой 3, источник 30 напряжения выполнен с возможностью преобразования входного напряжения DC в выходное напряжение DC. Следует отметить, что источник 30 напряжения также, например, может быть выполнен с возможностью преобразования входного сигнала AC, такого как напряжение AC или напряжение сети. С этой целью источник 30 напряжения может дополнительно содержать выпрямитель или выпрямитель и трансформатор, не показанные на фигуре.

[0058] Как описано выше, в некоторых вариантах осуществления данного изобретения, разность между двумя напряжениями VB1, VB2 смещения может выбираться так, чтобы быть равной или большей, чем ожидаемая максимальная вариация прямого напряжения СИДа, когда во внимание принимаются только те вариации, которые обусловлены вариациями тока через нагрузку при функционировании, причем вариации связаны с динамическим сопротивлением СИДа.

[0059] Источник 30 напряжения может, таким образом, быть выполнен с возможностью оптимизации функционирования нагрузки посредством изменения значений напряжений VB1, VB2 смещения в целях компенсации вариаций прямого напряжения, которые обусловлены другими исходными причинами, такими как вариации температуры или старением нагрузки.

[0060] Например, источник 30 напряжения может быть выполнен с возможностью изменения значений каждого напряжения VB1, VB2 смещения посредством добавления или вычитания из него определенного значения компенсации, причем данное значение компенсации определяется в зависимости от вариаций температуры и/или старения нагрузки.

[0061] Например, возбудитель может дополнительно содержать блок контроллера, который принимает, в качестве входных сигналов по меньшей мере один из сигнала, представляющего измеренную температуру, и сигнала, представляющий истекший период времени функционирования нагрузки. Контроллер может быть частью возбудителя или может содержаться в компоненте, являющемся внешним по отношению к возбудителю.

[0062] Сигнал, представляющий измеренную температуру, может выдаваться температурным датчиком, который, схожим образом, может быть частью возбудителя или некоторого внешнего компонента. Сигнал, представляющий истекший период времени функционирования нагрузки, может выдаваться счетчиком времени, который, схожим образом, может быть частью возбудителя или некоторого внешнего компонента.

[0063] Контроллер далее может быть выполнен с возможностью определения, насколько будут изменяться значения двух напряжений смещения, например, на основе рабочих характеристик нагрузки, которые могут содержаться в справочных таблицах или математических функциях, например, храниться в памяти, которая может быть частью контроллера, возбудителя или некоторого внешнего компонента. Такие рабочие характеристики нагрузки могут быть известны заранее. Они могут, например, выдаваться поставщиком нагрузки или определяться с помощью получения характеристик поведения нагрузки посредством выполнения соответствующих тестов.

[0064] В альтернативных вариантах осуществления контроллер может быть выполнен с возможностью определения порогового напряжения нагрузки, например, в течение заданного временного окна от начала функционирования нагрузки или в определенные моменты в течение функционирования нагрузки. Пороговое напряжение нагрузки, например, может быть определено подачей, с помощью последовательных этапов, увеличивающегося выходного тока через нагрузку и сбора измеренных значений получающегося в результате напряжения на нагрузке в соответствии со способами, которые, сами по себе, известны обычному специалисту в данной области техники.

[0065] Например, источник 30 напряжения и блок 301 возбуждения СИДа могут быть выполнены так, чтобы функционировать с входным напряжением Vin 5 В с допуском ±10% и с нагрузкой, состоящей из светодиода средней мощности 0,5 Вт с номинальным порогом прямого напряжения 3 В, изменяющимся между 2,5 В до 3,5 В при учете температурного дрейфа и дрейфа по старению. Таким образом, цепь может быть выполнена с возможностью обеспечения постоянного тока в 150 мА для любого отклонения во входном напряжении или пороге прямого напряжения СИДа.

[0066] Все переключатели от S1 до S17, как они показаны в проиллюстрированном примерном варианте осуществления, могут быть двунаправленными и реализованы в надлежащей технологии, то есть быть совместимыми с частотой переключений цепи. Например, переключатели могут быть образованы полевыми транзисторами со структурой металл-оксид-полупроводник (MOSFET) на кремниевой подложке или транзисторами с высокой подвижностью электронов (HEMT) на нитрид-галлиевой подложке. Еще в примерном варианте осуществления, проиллюстрированном фигурой 3, преобразователь 300 напряжения и источник 30 напряжения могут функционировать при частоте 20 МГц, обеспечивая возможность интеграции реактивных элементов.

[0067] Все реактивные элементы могут иметь достаточно небольшие размеры, чтобы обеспечить интеграцию, например, в качестве «системы электропитания на кристалле» (PSoC) или «системы электропитания в корпусе» (PSiP). В проиллюстрированном примерном варианте осуществления емкость для всех конденсаторов может устанавливаться на 100 нФ; значения емкости могут быть дополнительно оптимизированы в целях достижения лучшей производительности. Значение индуктивности дросселя Lo фильтра может устанавливаться на 200 нГн, давая возможность печати (размещения) на субмонтажной подложке СИД с поверхностью 5×5 мм.

[0068] В альтернативном варианте осуществления конденсаторы могут быть реализованы с использованием технологии, схожей с технологией, применяемой к ферроэлектрическому оперативному запоминающему устройству (FRAM) или встроенному динамическому оперативному запоминающему устройству (eDRAM). Более высокая диэлектрическая проницаемость, достигаемая с помощью таких технологий, делает интегрированные преобразователи SCC меньшими и, таким образом, более дешевыми.

[0069] Фигуры 4A и 4B демонстрируют временные диаграммы, иллюстрирующие принцип функционирования возбудителя СИД в соответствии с примерным вариантом осуществления изобретения, возбудителя СИД и источника питания, имеющих примерные спецификации, описанные выше.

[0070] Со ссылкой на фигуру 4A, график изображает 5 кривых, представляющих промежуточное напряжение vxi в зависимости от времени соответствующего центрального узла I преобразователя 300 напряжения, который описан выше, в примерном варианте осуществления, в котором источник напряжения обеспечивает 5 В и 2,5 В, соответственно, в качестве второго напряжения VB2 смещения и первого напряжения VB1 смещения. Все кривые на фиг. 4A имеют, главным образом, характеристики периодического колебания прямоугольной формы, с более низким уровнем напряжения в течение фаз Φ1, в течение которых все нечетные переключатели S1, S3,…, S9 находятся в замкнутом состоянии, а все четные переключатели S2, S4,…, находятся в разомкнутом состоянии; и с более высоким уровнем напряжения в течение фаз Φ1, в течение которых все четные переключатели S1, S3,… находятся в разомкнутом состоянии, а все четные переключатели S2, S4,… находятся в замкнутом состоянии.

[0071] Далее, со ссылкой на фигуру 4B, график изображает первую кривую, вычерченную сплошной линией, представляющую временную характеристику напряжения vx возбудителя, в примерном варианте осуществления, в котором напряжение vx возбудителя устанавливается равным напряжению четвертого промежуточного напряжения vx4 при замыкании соответствующего переключателя S13 мультиплексора в примерном варианте осуществления, который описан выше со ссылкой на фигуру 3, где возбудитель 301 содержит мультиплексор 310. В проиллюстрированном примере напряжение vx возбудителя, таким образом, имеет характеристики колебания прямоугольной формы с нижним уровнем напряжения 3 В и верхним уровнем напряжения 3,5 В.

[0072] График на фигуре 4B также изображает вторую кривую, вычерченную пунктирной линией, представляющую напряжение VD светодиода на СИДе D. Благодаря выходному фильтру, образованному дросселем Lo фильтра и конденсатором Co, напряжение VD светодиода является постоянным и равным 3,25 В.

[0073] В то время как данное изобретение было проиллюстрировано и подробно описано в чертежах и вышеизложенном описании, специалисту в данной области техники должно быть ясно, что такое иллюстрирование и описание должны рассматриваться как иллюстративные или примерные, а не ограничивающие. Данное изобретение не ограничивается раскрытыми вариантами осуществления; напротив, возможны некоторые изменения и модификации в пределах объема охраны изобретения, который определен в приложенной формуле изобретения.

[0074] Например, проиллюстрированные примеры относятся к использованию преобразователей SCC в возбудителях или в источнике напряжения, но вместо преобразователей SCC могут быть использованы любые другие типы схем с накачкой заряда или преобразователи напряжения на основе архитектур SMPS; также могут быть использованы другие архитектуры, например, могут быть использованы линейные возбудители с дифференциальным напряжением питания.

[0075] В качестве другого примера источник напряжения, который описан выше в примерных вариантах осуществления, может быть частью модуля источника питания или может быть интегрирован в специальном корпусе, или, с некоторой вероятностью, интегрирован в том же самом корпусе в качестве возбудителя и/или связанного с ним СИДа.

[0076] В качестве еще одного примера СИД, который отражен в любом из описанных вариантах осуществления, может также представлять собой набор из светодиодов СИД, например, цепочку светодиодов СИД.

[0077] Все определения, которые охарактеризованы и использованы здесь, должны пониматься как превалирующие над определениями в словарях, определениями в документах, включенных посредством ссылки, и/или над традиционными значениями охарактеризованных терминов.

[0078] Другие изменения к раскрытым вариантам осуществления могут быть поняты и выполнены специалистами в данной области техники при практической реализации заявленного изобретения, на основе изучения чертежей, раскрытия и приложенной формулы изобретения. В формуле изобретения слово «содержащий» не исключает других элементов или этапов, а использование единственного числа не исключает множества. Сам факт того, что определенные меры перечислены во взаимно различных зависимых пунктах формулы изобретения, не означает, что комбинация этих мер не может быть использована с преимуществом. Любые ссылочные позиции в формуле изобретения не должны истолковываться как ограничивающие объем.

Изобретение относится к области цепей возбуждения для светодиодных (СИД) источников света. Техническим результатом является минимизирование потерь из-за вариаций прямого напряжения СИДа. Результат достигается тем, что возбудитель для возбуждения одного или множества СИДов (D1, D2) содержит по меньшей мере один блок (201, 202) возбуждения, выполненный с возможностью запитываться дифференциальным напряжением, между одним первым напряжением (VB1) смещения и одним вторым напряжением (VB2) смещения, причем это дифференциальное напряжение подобрано равным или большим, чем наибольшие ожидаемые вариации (ΔVF) прямого напряжения упомянутого одного или множества СИДов (D1, D2). Другой аспект изобретения относится к интегрированному корпусу, содержащему по меньшей мере один СИД и связанный с ним блок (201, 202) возбуждения. Другой аспект изобретения относится к световому модулю, содержащему множество СИДов (D1, D2) и связанных с ними блоков (201, 202) возбуждения. 4 н. и 11 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Возбудитель для возбуждения одного или множества СИДов (D1, D2), содержащий по меньшей мере один блок (201, 202, 301) возбуждения, выполненный с возможностью запитываться дифференциальным напряжением, между одним первым напряжением (VB1) смещения и одним вторым напряжением (VB2) смещения, причем данное дифференциальное напряжение подобрано равным или большим, чем наибольшие ожидаемые вариации (ΔVF) прямого напряжения упомянутого одного или множества СИДов (D1, D2).

2. Возбудитель по п. 1, содержащий преобразователь (300) напряжения, выполненный с возможностью подачи выходного напряжения (vx) возбудителя, временные характеристики которого представляют собой по существу колебание прямоугольной формы, в зависимости от упомянутого дифференциального напряжения.

3. Возбудитель по п. 2, в котором упомянутый преобразователь (300) напряжения образован преобразователем на переключаемых конденсаторах.

4. Возбудитель по п. 3, в котором упомянутый преобразователь (300) напряжения основан на топологии Диксона лестничного типа.

5. Возбудитель по п. 3 или 4, в котором упомянутый преобразователь на переключаемых конденсаторах содержит множество внутренних узлов (3011, 3012), подающих промежуточные напряжения (vx1, vx2), причем возбудитель (201, 202) дополнительно содержит мультиплексор (310), выполненный с возможностью избирательно соединять выходное напряжение (vx) возбудителя с любым одним из упомянутых внутренних узлов (3011, 3012).

6. Возбудитель по любому из предыдущих пунктов, содержащий источник (30) напряжения, питаемый входным напряжением (Vin) и выполненный с возможностью подачи упомянутых двух напряжений (VB1, VB2) смещения.

7. Возбудитель по п. 6, в котором источник (30) напряжения выполнен с возможностью изменения значений двух напряжений (VB1, VB2) смещения в зависимости от вариаций по меньшей мере одного из группы, состоящей из температуры и истекшего времени функционирования СИДов (D1, D2).

8. Возбудитель по п. 7, в котором источник (30) напряжения выполнен с возможностью изменения значения каждого из напряжений (VB1, VB2) смещения посредством добавления определенного значения компенсации к значению каждого напряжения (VB1, VB2) смещения, причем значение компенсации зависит от расчетных вариаций по меньшей мере одного из группы, состоящей из температуры и истекшего времени функционирования СИДов (D1, D2).

9. Возбудитель (201, 202) по п. 6, в котором источник (30) напряжения содержит понижающий преобразователь, причем меньшее из упомянутых двух напряжений (VB1, VB2) смещения подается данным понижающим преобразователем.

10. Возбудитель (201, 202) по п. 9, в котором понижающий преобразователь основан на топологии Диксона лестничного типа.

11. Корпус СИДа, содержащий по меньшей мере один СИД (D) и связанный с ним возбудитель (301) по любому из предыдущих пунктов.

12. Корпус СИДа по п. 11, интегрированный в качестве «системы электропитания на кристалле» (PSoC) или «системы электропитания в корпусе» (PSiP).

13. Световой модуль, содержащий множество СИДов (D1, D2) с по существу идентичными вольт-амперными характеристиками, причем каждый СИД (D1, D2) является возбуждаемым блоком (201, 202, 301) возбуждения, составленным возбудителем, охарактеризованным в любом из предыдущих пп. 1-10.

14. Световой модуль по п. 13, дополнительно содержащий источник (30) напряжения, питаемый входным напряжением (Vin) и выполненный с возможностью подачи упомянутых двух напряжений (VB1, VB2) смещения на множество блоков (201, 202, 301) возбуждения.

15. Способ функционирования по меньшей мере одной нагрузки (D1, D2), содержащий обеспечение по меньшей мере одного блока (201, 202, 301) возбуждения, выполненного с возможностью запитываться дифференциальным напряжением, между одним первым напряжением (VB1) смещения и одним вторым напряжением (VB2) смещения, причем данное дифференциальное напряжение подобрано равным или большим, чем наибольшие ожидаемые вариации (ΔVF) прямого напряжения упомянутой по меньшей мере одной нагрузки.