ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Данное изобретение относится к драйверам светодиодов (LED) и способам управления для приведения в действие светодиодов, конкретно, к способам управления с использованием функции управления регулированием яркости.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОМУ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Светодиоды обычно приводят в действие с использованием преобразователя постоянного напряжения. На этот преобразователь подают постоянное входное напряжение, и он обеспечивает постоянное выходное напряжение.
Для многих применений, преобразователи постоянного напряжения выполнены с возможностью обеспечения стабилизированного постоянного выходного напряжения для нагрузки, на основе нестабилизированного постоянного входного напряжения. Преобразователь постоянного напряжения может быть использован для преобразования нестабилизированного напряжения, обеспечиваемым любым из множества источников электропитания постоянного тока, в более подходящее стабилизированное напряжение для приведения в действие данной нагрузки. Нестабилизированное постоянное входное напряжение обычно получают из сетевого переменного напряжения, которое выпрямляют и фильтруют посредством устройства с мостовым выпрямителем/ цепью фильтрации.
Фиг. 1 показывает принципиальную электрическую схему обычного понижающего преобразователя 50 постоянного напряжения, выполненного с возможностью обеспечения стабилизированного постоянного выходного напряжения 32 (Vout) для нагрузки 40, на основе более высокого нестабилизированного постоянного входного напряжения 30 (Vin). Понижающий преобразователь фиг. 1 также обычно называют «снижающим напряжение» преобразователем. С точки зрения функциональности, понижающий преобразователь фиг. 1 представляет и другие типы преобразователей постоянного напряжения.
Преобразователи постоянного напряжения, такие как понижающий преобразователь фиг. 1, используют транзистор или эквивалентное устройство 20, которое выполнено с возможностью работы в качестве переключателя в режиме насыщения, который селективно обеспечивает возможность накопления энергии в устройстве 22 накопления энергии. Устройство 22 накопления энергии показано в виде катушки L индуктивности на фиг. 1.
Хотя фиг. 1 показывает такой транзисторный переключатель, как биполярный транзистор (bipolar junction transistor - BJT), полевые транзисторы (field effect transistor - FET) также могут быть использованы в качестве переключателей в различных реализациях преобразователей постоянного напряжения. Из-за использования такого транзисторного переключателя, преобразователи постоянного напряжения также обычно называют «переключающими регуляторами», вследствие их общей функциональности.
Транзисторным переключателем 20 в схеме фиг. 1 управляют для периодического приложения нестабилизированного постоянного входного напряжения 30 (Vin) к катушке 22 (L) индуктивности в течение относительно коротких интервалов времени (на фиг. 1 показана единственная катушка индуктивности, которая схематично представляет один или несколько реальных катушек индуктивности, расположенных в любой из множества последовательных/ параллельных конфигураций для обеспечения необходимой индуктивности).
Во время интервалов, в течение которых транзисторный переключатель «включен» или замкнут и, посредством этого, пропускает входное напряжение Vin на катушку индуктивности, ток протекает через катушку индуктивности вследствие приложенного напряжения, и катушка индуктивности накапливает энергию в своем магнитном поле. Когда переключатель «выключен» или разомкнут таким образом, что постоянное входное напряжение снято с катушки индуктивности, энергия, накопленная в катушке индуктивности, передается в фильтрующий конденсатор 34, который функционирует для обеспечения относительно сглаженного постоянного выходного напряжения Vout для нагрузки 40.
Когда транзисторный переключатель 20 включен, напряжение VL=Vout–Vin приложено к катушке 22 индуктивности. Это приложенное напряжение вызывает протекание линейно увеличивающегося тока IL через катушку индуктивности (а также в нагрузку и конденсатор), на основе соотношения VL=LdIL/dt.
Когда транзисторный переключатель 20 выключен, ток IL через катушку индуктивности продолжает протекать в том же направления, причем диод 24 (D1) теперь проводит электрический ток для замыкания цепи. Пока ток протекает через диод 24, напряжение VL на катушке индуктивности определено значением Vout - Vdiode, что вызывает линейное уменьшение тока IL катушки индуктивности, поскольку энергия передается от магнитного поля катушки индуктивности к конденсатору и нагрузке.
Фиг. 2 является схемой, показывающей различные формы сигналов для схемы фиг. 1, во время операций переключения, описанных выше.
Обычные понижающие преобразователи могут быть выполнены с возможностью работы в разных режимах, обычно называемых «непрерывным» режимом, «прерывистым» режимом или «критическим» режимом.
При работе в непрерывном режиме, ток IL катушки индуктивности остается больше нуля во время последовательных циклов переключения транзисторного переключателя. В критическом режиме, ток катушки индуктивности начинается с нуля в начале данного цикла переключения и возвращается к нулю в конце цикла переключения. В прерывистом режиме, ток катушки индуктивности начинается с нуля в начале данного цикла переключения и возвращается к нулю до конца цикла переключения.
Фиг. 3 показывает формы сигналов для непрерывного режима, предполагая отсутствие падений напряжения на транзисторном переключателе, когда переключатель включен (т.е., проводит электрический ток), и предполагая, что существует незначительное падение напряжения на диоде D1, пока диод проводит ток. Изменения тока катушки индуктивности на протяжении последовательных циклов показаны на фиг. 3, причем они наложены на напряжение в точке VX, показанной на фиг. 1, на основе работы транзисторного переключателя 20 и тока IL через катушку индуктивности, для двух последовательных циклов переключения. Горизонтальная ось представляет собой время t, а полный цикл переключения представлен периодом времени T, причем время «включения» транзисторного переключателя обозначено ton, а время «выключения» переключателя обозначено toff (т.е., T=ton+toff).
При работе в установившемся режиме, ток катушки IL индуктивности в начале и конце цикла переключения является, по существу, одинаковым, как можно увидеть на фиг. 3 рядом с обозначением IP. Таким образом, из соотношения VL=L dIL/dt, изменение тока на протяжении одного цикла переключения равно нулю, и может быть представлено в виде:
что после упрощения может быть представлено в виде:
или
где D определяется как «рабочий цикл» транзисторного переключателя, или доля времени на рабочий цикл, в течение которого переключатель включен и обеспечивает накопление энергии в катушке индуктивности. Можно увидеть, что отношение выходного напряжения к входному напряжению пропорционально D; а именно, при изменении рабочего цикла D переключателя в схеме фиг. 1, выходное напряжение Vout может быть изменено относительно входного напряжения Vin, но не может превышать входное напряжение, поскольку максимальный рабочий цикл D равен 1.
Обычный понижающий преобразователь фиг. 1, конкретно, выполнен с возможностью обеспечения для нагрузки 40 стабилизированного выходного напряжения Vout, которое является более низким, чем входное напряжение Vin. Для обеспечения стабильности выходного напряжения Vout, понижающий преобразователь использует систему 46 управления с обратной связью, для управления работой транзисторного переключателя 20. Обычно, как показано на фиг. 1 с помощью соединения 47, питание для различных компонентов системы 46 управления с обратной связью может быть получено от постоянного входного напряжения Vin или, альтернативно, от другого независимого источника питания.
Масштабированное дискретизированное напряжение Vsample, полученное из постоянного выходного напряжения Vout, подают в качестве входного сигнала к системе 46 управления с обратной связью (через резисторы R2 и R3) и сравнивают посредством усилителя 28 ошибки с опорным напряжением Vref. Опорное напряжение является стабильным масштабированным представлением необходимого стабилизированного выходного напряжения Vout. Усилитель 28 ошибки генерирует сигнал 38 ошибки на основе сравнения Vsample и Vref, и амплитуда этого сигнала ошибки, в конечном счете, управляет работой транзисторного переключателя 20, который, в свою очередь, регулирует выходное напряжение Vout посредством регулирования рабочего цикла переключателя. Таким образом, система управления с обратной связью сохраняет стабильное стабилизированное выходное напряжение Vout. Конкретно, сигнал 38 ошибки служит в качестве управляющего напряжения для широтно-импульсного модулятора 36, который также принимает поток 42 импульсов, имеющих частоту=1/T, обеспечиваемую генератором 26. В обычных преобразователях постоянного тока, возможные частоты для потока импульсов находятся в диапазоне, приблизительно, от 50 кГц до 100 кГц. Широтно-импульсный модулятор 36 выполнен с возможностью использования как потока 42 импульсов, так и сигнала 38 ошибки, для обеспечения управляющего сигнала 44 включения/ выключения, который управляет рабочим циклом транзисторного переключателя 20. В сущности, импульс потока 42 импульсов действует в качестве «триггера» для обеспечения включения широтно-импульсным модулятором транзисторного переключателя 20, а сигнал 38 ошибки определяет, как долго транзисторный переключатель остается включенным и, следовательно, определяет рабочий цикл D.
Выше описан непрерывный режим. «Прерывистый» или «пульсирующий» режим используют для улучшения эффективности силового преобразователя в режиме малых нагрузок, для обеспечения экономии энергии и увеличения срока службы батарей устройств. Потери при переключении также могут быть уменьшены посредством уменьшения частоты переключения в этих режимах малых нагрузок. Когда ток нагрузки является высоким, предпочтительна работа силового преобразователя в непрерывном режиме с фиксированной частотой, поскольку это обеспечивает быстрый переходной процесс, более высокую эффективность, и более узкий спектр шумов. Когда ток нагрузки является низким, управляющий переключатель включается на несколько последовательных циклов и остается выключенным до тех пор, пока выходное напряжение не упадет ниже порога. Однако, эта работа в пульсирующем режиме в некоторых случаях является нежелательной, поскольку пульсирующий режим при малой нагрузке может привести к распространению помех переключения на более широкий диапазон, что налагает ограничения по электромагнитным помехам (electromagnetic interference - EMI) и дает заметное мерцание при приведении в действие светодиода.
Существует потребность в управлении переходом между разными режимами. Патент США 7 755 342 описывает схему для перехода между режимом с фиксированной частотой и прерывистым режимом. Однако, существует резкое изменение в реакции схемы при переходе между режимами. Кроме того, эта методика использует пульсирующий режим, который может вызвать возникновение мерцания.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Данное изобретение определено формулой изобретения.
Согласно данному изобретению, обеспечен драйвер светодиодов, содержащий:
преобразователь постоянного напряжения, имеющий цепь широтно-импульсного управления, производящую последовательность импульсов, которая имеет время включения, время выключения и частоту переключения; и
цепь управления, имеющую вход для приема установочного параметра регулирования яркости, причем цепь управления предназначена для управления цепью широтно-импульсного управления для изменения времени включения, а также частоты импульсов, в зависимости от установочного параметра регулирования яркости,
причем, по меньшей мере для одного диапазона установочных параметров регулирования яркости, цепь управления выполнена с возможностью изменения как времени включения, так и частоты переключения, как функции установочного параметра регулирования яркости, причем относительное преобладание изменения частоты переключения и изменения времени включения зависит от установочного параметра регулирования яркости.
Посредством одновременного управления частотой переключения (которая является частотой повторения объединения времени включения и времени выключения) и временем включения, обеспечен плавный переход между схемными функциями и разными установочными параметрами регулирования яркости. При низких уровнях регулирования яркости, частота переключения может быть низкой, что обеспечивает возможность уменьшения выходного тока лампы для данного минимального времени включения контроллера драйвера. При высоких уровнях регулирования яркости, частота переключения может быть высокой, для обеспечения меньших пульсаций выходного тока лампы и обеспечения возможности использования магнитного компонента (например, катушки индуктивности) меньшего размера и, таким образом, меньшего по размеру драйвера.
Предпочтительно, преобразователь постоянного напряжения имеет пульсирующий режим, и цепь управления выполнена с возможностью изменения частоты переключения для низких установочных параметров регулирования яркости для предотвращения входа преобразователя в пульсирующий режим. Эти низкие установочные параметры регулирования яркости, для которых, иначе, мог бы начаться пульсирующий режим, могут, например, содержать установочные параметры регулирования яркости, меньшие 10%.
Минимальное время включения может иметь значение в диапазоне от 0,2% до 2% от периода переключения. Например, время включения может быть уменьшено до, приблизительно, 0,5%, для самого малого разрешенного установочного параметра регулирования яркости.
Минимальная частота переключения может находиться в диапазоне от 0,2% до 5% от максимальной частоты переключения. Например, частота переключения может быть уменьшена до, приблизительно, 0,5%, для самого малого разрешенного установочного параметра регулирования яркости.
При установочном параметре регулирования яркости, равном 10%, частота переключения может быть в диапазоне от 30% до 60% от максимальной частоты переключения. Это значение, равное 10%, может рассматриваться в качестве границы между низким установочным параметром регулирования яркости и очень низким или очень малым установочным параметром регулирования яркости, при котором пульсирующий режим должен быть предотвращен. Таким образом, изменение частоты переключения имеет место, преимущественно, при самых низких установочных параметрах регулирования яркости.
При таком установочном параметре регулирования яркости, равном 10%, время включения может быть в диапазоне от 0,5% до 2% от периода переключения. Таким образом, изменение времени включения от этой границы к самым малым установочным параметрам регулирования яркости является небольшим, а большая часть этого изменения имеет место при больших установочных параметрах регулирования яркости. Таким образом, управление частотой является преобладающим для низких установочных параметров регулирования яркости, а управление временем включения является преобладающим для высоких установочных параметров регулирования яркости (т.е., вблизи максимальной яркости).
В качестве примера, максимальная частота переключения может находиться между 10 кГц и 1 МГц, а минимальная частота переключения может находиться между 50 Гц и 100 кГц. Максимальное время включения может находится между 1 мкс и 100 мкс, а минимальное время включения может находиться между 10 нс и 1 мкс.
Данное изобретение также обеспечивает осветительную систему, содержащую драйвер согласно данному изобретению и светодиодное осветительное устройство, приводимое в действие этим драйвером.
Данное изобретение также обеспечивает способ приведения в действие светодиодов, предусматривающий:
создание последовательности импульсов, которая имеет время включения, время выключения и частоту переключения; и
управление последовательностью импульсов для изменения времени включения, а также частоты переключения, в зависимости от установочного параметра регулирования яркости,
причем по меньшей мере для одного диапазона установочных параметров регулирования яркости, этот способ предусматривает изменение как времени включения, так и частоты переключения, как функции установочного параметра регулирования яркости, причем относительное преобладание изменения частоты переключения и изменения времени включения зависит от установочного параметра регулирования яркости.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Примеры данного изобретения будут теперь подробно описаны со ссылкой на сопутствующие чертежи, в которых:
Фиг. 1 показывает известную схему преобразователя постоянного напряжения для приведения в действие светодиодной нагрузки;
Фиг. 2 показывает первый набор схем синхронизации для объяснения работы схемы на фиг. 1;
Фиг. 3 показывает дополнительную схему синхронизации для объяснения работы схемы на фиг. 1;
Фиг. 4 показывает схемы синхронизации для объяснения методики управления согласно одному варианту осуществления;
Фиг. 5 показывает, как диапазон регулирования яркости может быть расширен посредством данной методики управления;
Фиг. 6 показывает в схематичной форме схему для реализации методики управления согласно одному варианту осуществления; и
Фиг. 7 показывает более подробную аналоговую реализацию схемы фиг. 6.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
Данное изобретение обеспечивает преобразователь постоянного напряжения, имеющий цепь широтно-импульсного управления, создающую последовательность импульсов, которая имеет время включения, время выключения и частоту переключения. Как время включения, так и частоту переключения изменяют в зависимости от установочного параметра регулирования яркости. Конкретно, по меньшей мере для одного диапазона установочных параметров регулирования яркости, оба параметра изменяют при каждом изменении установочного параметра регулирования яркости.
Фиг. 4 показывает, как временем включения («время включения») и частотой переключения («Fs») можно управлять в зависимости от установочного параметра регулирования яркости. Низкий уровень регулирования яркости представляет низкую яркость (т.е., большую величину уменьшения яркости), тогда как высокий уровень регулирования яркости представляет высокую яркость (т.е. малую величину уменьшения яркости). Например, уровень регулирования яркости выражают в процентах. Уровень регулирования яркости, равный 1%, представляет выходную яркость, равную 1% от максимальной выходной интенсивности.
В этом примере, эти две функции изменяются по всему диапазону регулирования яркости. Как будет объяснено ниже, эти две функции могут изменяться только одновременно, как показано для участка диапазона установочных параметров регулирования яркости.
Эти функции могут быть определены следующим образом:
Время включения=b(x)
В приведенных выше функциях, x является уровнем регулирования яркости.
Для диапазона разрешенных уровней регулирования яркости x, частный дифференциал первого порядка от a(x) может быть выражен следующим образом:
и
Подобным образом, в доступном диапазоне уровней регулирования яркости частный дифференциал первого порядка от b(x) может быть выражен следующим образом:
и
является непрерывно дифференцируемым
Эти условия означают, что эти функции никогда не имеют нулевой градиент, так что каждое изменение уровня регулирования яркости вызывает изменение как в Fs, так и во времени включения. Для разрешенного диапазона x, частный дифференциал второго порядка от a(x) может быть выражен следующим образом:
и
В разрешенном диапазоне x, частный дифференциал второго порядка от b(x) может быть выражен следующим образом:
и
Эти соотношения означают, что изменение частоты переключения является более резким при низких уровнях регулирования яркости, тогда как изменение времени включения является более пологим при низких уровнях регулирования яркости. Таким образом, при низких уровнях регулирования яркости, управление частотой переключения является преобладающим. При высоких уровнях регулирования яркости, изменение времени включения является более резким и, таким образом, преобладающим, а функция частоты переключения является более пологой и, таким образом, более статической. В общем, относительное преобладание изменения времени включения и изменения частоты переключения настраивают в виде функции уровня регулирования яркости.
В качестве примера, функциями кривых могут быть следующие функции:
Время включения=0,000002x2+0,0000002
В диапазоне , который предполагает разрешенный диапазон регулирования яркости от 0,1% до 100%
Время включения ϵ (0,0000002,0,0000022)
Для этих функций частный дифференциал первого порядка от Fs может быть выражен следующим образом:
В диапазоне
Частный дифференциал первого порядка от времени включения может быть выражен следующим образом:
В диапазоне
Частный дифференциал второго порядка от Fs может быть выражен следующим образом:
В диапазоне
Частный дифференциал второго порядка от времени включения может быть выражен следующим образом:
В диапазоне
Управление, показанное на фиг. 4, обеспечивает баланс между настройкой ширины импульса времени включения и/или частотой переключения, в зависимости от входного уровня регулирования яркости. Эти две функции могут быть реализованы автоматически в качестве одного способа управления, в котором эффект управления частотой будет преобладать в выходном сигнале регулирования яркости в состояниях с низкими уровнями регулирования яркости, а эффект управления временем включения будет преобладать в выходном сигнале регулирования яркости при других состояниях уровня регулирования яркости.
Эта методика обеспечивает плавное управление выходным сигналом регулирования яркости.
В целях разъяснения, уровни регулирования яркости могут быть сгруппированы в «глубокие» уровни регулирования яркости от минимального уровня регулирования яркости (например, 0,1%) вплоть до определенного порога (например, до уровня регулирования яркости между 1% и 10%), и «низкие» уровни регулирования яркости около и выше этого порога.
В качестве примера, при достижении уровнем регулирования яркости границы, равной 1%, между низкими и глубокими уровнями регулирования яркости, время включения могло быть, например, уменьшено до 1% (от максимума 100%), тогда как частота могла упасть только до, приблизительно, 50% (от максимума 100% по частоте). Тогда, при переходе в состояние с самым низким уровнем регулирования яркости, равным 0,1%, частота переключения может уменьшиться, например, от, приблизительно, 50% до, приблизительно, 0,5%, тогда как время включения изменится только, например, от 1% до, приблизительно, 0,5%.
Более обобщенно, если порог определен при установочном параметре регулирования яркости, равном 10%, то частота переключения может быть в диапазоне от 30% до 60% от максимальной частоты переключения, а время включения может быть в диапазоне от 0,5% до 2% от периода переключения, при этом пороге. Минимальная частота переключения (которая равна 0,5% в вышеупомянутом примере) может находиться, более обобщенно, в диапазоне от 0,2% до 5% от максимальной частоты переключения, а минимальное время включения (которое равно 0,5% в вышеупомянутом примере) может находиться в диапазоне от 0,2% до 2% от периода переключения.
В количественном выражении, время включения может уменьшиться от максимума, равного нескольким десяткам микросекунд или нескольким микросекундам, до нескольких сотен наносекунд или даже нескольких десятков наносекунд. Частота может уменьшиться от нескольких сотен кГц или нескольких десятков кГц, до нескольких десятков кГц или даже нескольких десятков Гц, в состоянии с самым глубоким уровнем регулирования яркости, равным, например, 0,1%.
Состояние с глубоким уровнем регулирования яркости обеспечено без входа контроллера в пульсирующий режим, вследствие уменьшения частоты переключения. Без уменьшения частоты переключения, в состояниях с глубокими уровнями регулирования яркости, контроллер уменьшит время включения до его минимального значения, и, если величина передаваемой энергии питания все же является более высокой, чем необходимо, контроллер остановит широтно-импульсный модулятор до тех пор, пока величина передаваемой энергии питания не станет меньше, чем необходимо. Контроллер, затем, повторно запустит передачу энергии питания. В пульсирующем режиме, выходная энергия является нестабильной и неуправляемой, так что может наблюдаться мерцание света и другие эффекты.
Если частота переключения может быть уменьшена в состояниях с глубокими уровнями регулирования яркости таким образом, чтобы как частота переключения, так и время включения были уменьшены, то можно продолжить передачу минимальной энергии питания на цикл и, таким образом, выходная энергия питания будет управляемой и стабильной.
В вышеупомянутом примере, показанном на фиг. 4, полный диапазон регулирования яркости имеет одновременное управление частотой переключения и временем включения. Однако, это двойное управление может быть, при необходимости, применено только в средней области установочных параметров регулирования яркости. Например, для самых низких уровней регулирования яркости (т.е., для максимального уменьшения яркости), можно управлять только частотой переключения. Альтернативно, для самых высоких уровней регулирования яркости (для наименьшей величины уменьшения яркости) можно управлять только временем включения.
Эти два примера означают, что существуют два диапазона регулирования яркости. Область с управлением как временем включения, так и частотой, обеспечивает более плавный переход между ними.
Эти две методики могут быть объединены для обеспечения трех диапазонов регулирования яркости, причем центральный диапазон имеет двойное управление частотой и временем включения.
Методика, разъясненная выше, обеспечивает возможность расширения диапазона регулирования яркости. Фиг. 5 показывает в виде графика 60 соотношение между уровнем регулирования яркости и током светодиода для обычной методики. Минимальный уровень регулирования яркости равен 10%. Методика управления, разъясненная выше, обеспечивает возможность расширения графика посредством секции 62 таким образом, чтобы минимальный уровень регулирования яркости мог быть уменьшен ниже 1%, и даже мог приблизиться или достигнуть 0,1%. Переход 64 к этому режиму глубокого уменьшения яркости также является плавным, вследствие управления как частотой переключения, так и временем включения, для уровней регулирования яркости, которые находятся около точки 64 перехода.
Фиг. 6 показывает в схематичной форме схему для реализации методики управления, разъясненной выше. Преобразователь постоянного напряжения, обеспечивающий ШИМ-управление, показан позицией 70. Это может быть понижающий преобразователь, описанный выше со ссылкой на фиг. 1.
Однако, могут быть использованы другие типы обычных преобразователей постоянного напряжения, такие как «повышающий» преобразователь, который обеспечивает стабилизированное постоянное выходное напряжение, которое выше, чем входное напряжение, инвертирующий или «понижающий-повышающий» преобразователь, который может быть выполнен с возможностью обеспечения стабилизированного постоянного выходного напряжения, которое является либо более низким, либо более высоким, чем входное напряжение, и преобразователь Кука, который основан на принципах передачи энергии с помощью емкостных связей. Подобно понижающему преобразователю, в каждом из этих других типов преобразователей рабочий цикл D транзисторного переключателя определяет соотношение между выходным напряжением Vout и входным напряжением Vin.
Устройство накопления энергии снова показано в виде катушки 72 индуктивности, но другие типы преобразователей могут использовать вместо него конденсаторы. Переключающий транзистор показан позицией 74, и диод показан позицией 76.
Схема имеет цепь 78 установочных параметров регулирования яркости, для которой необходимый уровень регулирования яркости обеспечивают в качестве входного сигнала. Тогда, цепь установочных параметров регулирования яркости управляет цепью 80 установочных параметров частоты, которая обеспечивает установочные параметры частоты ШИМ-процесса, и цепью 82 установочных параметров времени, которая обеспечивает установочные параметры времени включения ШИМ-процесса. Тогда, эти цепи управляют схемой преобразователя постоянного напряжения для обеспечения необходимой работы.
Функции, описанные выше, обеспечены посредством способа, с помощью которого цепь 78 установочных параметров регулирования яркости управляет цепями 80, 82 установочных параметров частоты и времени включения.
Фиг. 6 показывает нагрузку в виде светодиодного устройства 83. Это устройство может быть одним или несколькими светодиодами, с излучением единственного цвета или разных цветов, для обеспечения возможности управления цветовой точкой.
Управление может быть реализовано в аппаратном обеспечении или в программном обеспечении.
Для реализации в программном обеспечении, уровень регулирования яркости может быть обработан контроллером для получения подходящих входных сигналов управления для управления преобразователем постоянного напряжения необходимым образом. Компоненты, которые могут быть использованы для такого контроллера, включают в себя, но не ограничены этим, обычные микропроцессоры, специализированные интегральные схемы (application specific integrated circuit - ASIC), и матрицы программируемых логических вентилей (field-programmable gate array - FPGA). В этом случае, цепь регулирования яркости, цепь установочных параметров частоты и цепь установочных параметров времени включения могут быть реализованы посредством совместно используемого процессора.
В различных реализациях, процессор или контроллер может быть связан с одной или несколькими запоминающими средами, такими как энергозависимая или энергонезависимая компьютерная память, такая как RAM, PROM, EPROM, и EEPROM. Запоминающие среды могут быть закодированы с использованием одной или нескольких программ, которые, при исполнении на одном или нескольких процессорах и/или контроллерах, выполняют необходимые функции. Различные запоминающие среды могут быть установлены в пределах процессора или контроллера, или могут быть переносимыми, таким образом, чтобы одна или несколько программ, хранящихся на них, могли быть загружены в процессор или контроллер.
Вместо этого, схемы могут быть реализованы в виде аналоговых схемных компонентов.
Фиг. 7 более подробно показывает один пример возможной схемы с использованием аналоговых компонентов.
Преобразователь постоянного напряжения и ШИМ-контроллер 70 реализованы в виде микросхемы понижающего преобразователя с фиксированным временем выключения.
Резистор R7 является токочувствительным резистором последовательной катушки индуктивности, и этот резистор используют для управления ШИМ-контроллером 70. Транзистор 74 будет выключен, если напряжение на R7 достигнет установочного параметра регулирования яркости, обеспеченного для ШИМ-контроллера 70. Этот установочный параметр регулирования яркости генерируется компонентами цепи 78 регулирования яркости.
Цепь 78 регулирования яркости, по существу, функционирует таким же образом, как цепь 46 обратной связи фиг. 1, посредством обеспечения опорного напряжения, которое соответствует необходимому установочному параметру регулирования яркости. Таким образом, цепь 78 регулирования яркости содержит усилитель 79 ошибки, который имеет вход Iset0_1 уровня установочного параметра регулирования яркости.
В цепи 78 регулирования яркости, резистор R8 образует токочувствительную цепь, которая представляет ток лампы. Резистор R9 и конденсатор C10 образуют цепь усилителя ошибки вместе с усилителем 79, а выходным сигналом цепи усилителя ошибки является стабилизированный усиленный сигнал ошибки. Резисторы R10 и R11 образуют делитель напряжения, который определяет как функцию времени включения от уровня регулирования яркости, так и функцию частоты переключения от уровня регулирования яркости. Выходной сигнал делителя в точке соединения между резисторами, по существу, используют для управления временем включения, в то время как выходной сигнал цепи усилителя ошибки используют для управления частотой.
Усиленный сигнал ошибки подают на конденсатор Coff1 посредством цепи 80, для определения функции частоты переключения от уровня регулирования яркости.
Выходной сигнал цепи делителя напряжения (R10 и R11) подается на контактный штырь IADJ настройки тока ШИМ-схемы 70. Напряжение, подаваемое на контактный штырь IADJ, определяет максимальный ток катушки индуктивности, и временем выключения управляют посредством генераторной цепи, определяемой контроллером 70, конденсатором Coff1 и резисторами R6 и R12.
В пределах ШИМ-схемы 70, существует цепь сравнения, которая обрабатывает напряжение на Coff1. Пока напряжение на Coff1 меньше порога, транзистор 74 выключен, и он выключен до тех пор, пока напряжение на Coff1 не достигнет определенного уровня. Напряжение на Coff1 будет, затем, разряжено посредством цепи разрядки в блоке 70.
Таким образом, время выключения может быть настроено посредством изменения зарядного тока от R12 и R6. Если зарядный ток от R12 или R6 будет выше, то время для зарядки Coff1 до определенного уровня будет короче, что означает, что время выключения будет короче. При определенном уровне регулирования яркости и выходном напряжении, время выключения является фиксированным, поскольку усиленный сигнал ошибки и выходное напряжение являются постоянными в установившемся режиме, так что выходным током можно управлять посредством максимального тока катушки 72 индуктивности. Временем включения транзистора 74 управляют посредством усиленного сигнала ошибки цепи 79. Если выходной ток будет меньше, чем Iset0_1, то усиленный сигнал ошибки будет увеличен таким образом, чтобы время включения компонента 74 стало более продолжительным, и максимальный ток катушки индуктивности стал более высоким. Посредством управления с фиксированным временем выключения, выходной ток также будет увеличен до тех пор, пока он не будет соответствовать уровню Iset0_1.
Точная настройка параметров для R6, R12, Coff1, R10 и R11 может быть использована для настройки кривых времени включения и частоты переключения относительно уровня регулирования яркости. При изменении уровня регулирования яркости Iset0_1, усиленный сигнал ошибки будет также изменен таким образом, чтобы время включения и время выключения изменились, что также изменяет частоту переключения.
Таким образом, обычно цепь 80 установочных параметров частоты реализуют в виде резистора R12 обратной связи, для изменения частоты переключения транзистора 74. При низких уровнях регулирования яркости, выходное напряжение усилителя 79 цепи регулирования яркости является низким, что обеспечивает низкий зарядный ток от R12. Это делает частоту переключения более низкой. При высоком выходном уровне регулирования яркости, выходное напряжение усилителя 79 является высоким, и зарядный ток от R12 является высоким, что сделает высокой частоту переключения.
Таким образом, эта частота переключения связана не только с выходным напряжением лампы, но и с уровнем регулирования тока лампы. Во время этапа перехода от высокого уровня регулирования яркости к низкому уровню регулирования яркости, напряжение лампы OLED не изменяется на большую величину, а изменяется, например, от 15 В до 14 В, что означает, что зарядный ток через R6 сильно не изменяется. Однако, вследствие большого изменения уровня регулирования яркости, выходное напряжение усилителя 79 изменится на большую величину, так что зарядный ток от R12 изменится на большую величину, что обеспечит изменение частоты переключения.
При низких уровнях регулирования яркости, минимальное время включения контроллера 70 может ограничить минимальный уровень регулирования яркости, но, посредством изменения частоты переключения до более низкого значения, уровень регулирования яркости может быть более низким, даже при минимальном времени включения контроллера. Обычно, если необходим более низкий уровень регулирования яркости, то контроллер входит в свой пульсирующий режим при минимальном времени включения, что будет причиной нестабильности системы и мерцания света. Посредством изменения частоты переключения до более низкого значения, уровень регулирования яркости может быть более низким, даже при минимальном времени включения, что обеспечивает предотвращение входа контроллера в пульсирующий режим при минимальном времени включения.
Частота переключения может быть сохранена высокой при высоком уровне выходного сигнала, что обеспечивает меньшие пульсации тока и обеспечивает возможность использования катушки индуктивности меньшего размера для изготовления драйвера меньшего размера и меньшей стоимости.
В вышеупомянутом примере, зарядный ток, подаваемый через резистор R12 прямо пропорционален уровню регулирования яркости, но это не является существенным. Зарядный ток через R12 может нелинейно зависеть от уровня регулирования яркости, или может быть использовано гистерезисное управление. Гистерезисное управление может быть использовано для помощи в предотвращении мерцания света и нестабильности системы во время перехода между уровнями регулирования яркости.
Фиг. 7 обеспечивает только один пример аналоговой реализации схемы. Однако, существуют многие другие возможные схемы. По существу, входные сигналы управления для преобразователя постоянного напряжения выполнены с возможностью реализации необходимых функций в отношении уровня регулирования яркости.
Данное изобретение обеспечивает возможность расширения диапазона регулирования яркости. Например, обычный диапазон регулирования яркости для аналоговой системы регулирования яркости имеет самый низкий уровень регулирования яркости в диапазоне от 1% до 10%. Способ управления, описанный выше, обеспечивает то, что самый низкий уровень регулирования яркости попадает в пределы диапазона от 0,1% до 1% (в процентах от максимальной яркости).
Другие варианты описанных вариантов осуществления могут быть поняты и осуществлены специалистами в данной области техники при осуществлении на практике заявленного изобретения, из изучения чертежей, данного раскрытия сущности изобретения, и прилагаемой формулы изобретения. В формуле изобретения, слово «содержащий» не исключает других элементов или этапов, а указание на единственность не исключает множественности. Тот факт, что некоторые меры перечислены во взаимно отличающихся зависимых пунктах формулы изобретения, не указывает на то, что комбинация этих мер не может быть использована для получения преимущества. Любые ссылочные позиции в формуле изобретения не должны толковаться как ограничение объема изобретения.
Изобретение относится к драйверам светодиодов (LED) и способам управления для приведения в действие светодиодов. Техническим результатом является уменьшение мерцания света, испускаемого светодиодным осветительным устройством. Результат достигается тем, что преобразователь постоянного напряжения имеет цепь широтно-импульсного управления, создающую последовательность импульсов, которая имеет время включения, время выключения и частоту переключения. Как время включения, так и частоту переключения изменяют в зависимости от установочного параметра регулирования яркости. 3 н. и 11 з.п. ф-лы, 7 ил.
1. Драйвер светодиодов, содержащий:
преобразователь (70) постоянного напряжения, имеющий цепь широтно-импульсного управления, создающую последовательность импульсов, которая имеет время включения, время выключения и частоту переключения; и
цепь (78, 80, 82) управления, содержащую вход для приема установочного параметра регулирования яркости, причем цепь управления предназначена для управления цепью широтно-импульсного управления для изменения времени включения, а также частоты переключения, в зависимости от установочного параметра регулирования яркости,
причем по меньшей мере для одного диапазона установочных параметров регулирования яркости цепь управления выполнена с возможностью изменения как времени включения, так и частоты переключения, как функции установочного параметра регулирования яркости, причем относительное преобладание изменения частоты переключения и изменения времени включения зависит от установочного параметра регулирования яркости.
2. Драйвер по п. 1, в котором преобразователь постоянного напряжения имеет пульсирующий режим, и цепь (78, 80, 82) управления выполнена с возможностью изменения частоты переключения для низких установочных параметров регулирования яркости для предотвращения входа преобразователя в пульсирующий режим.
3. Драйвер по любому из предшествующих пунктов, в котором минимальное время включения имеет значение в диапазоне от 0,2% до 2% от периода переключения.
4. Драйвер по любому из пп. 1, 2, в котором минимальная частота переключения находится в диапазоне от 0,2% до 5% от максимальной частоты переключения.
5. Драйвер по любому из пп. 1, 2, в котором при установочном параметре регулирования яркости, равном 10%, частота переключения находится в диапазоне от 30% до 60% от максимальной частоты переключения.
6. Драйвер по любому из пп. 1, 2, в котором при установочном параметре регулирования яркости, равном 10%, время включения находится в диапазоне от 0,5% до 2% от периода переключения.
7. Драйвер по любому из пп. 1, 2, в котором максимальная частота переключения находится между 10 кГц и 1 МГц, а минимальная частота переключения находится между 50 Гц и 100 кГц.
8. Драйвер по любому из пп. 1, 2, в котором максимальное время включения находится между 1 мкс и 100 мкс, а минимальное время включения находится между 10 нс и 1 мкс.
9. Осветительная система, содержащая:
драйвер по любому из предшествующих пунктов; и
светодиодное осветительное устройство (83), приводимое в действие этим драйвером.
10. Способ приведения в действие светодиодов, содержащий:
создание последовательности импульсов, которая имеет время включения, время выключения и частоту переключения; и
управление последовательностью импульсов для изменения времени включения, а также частоты переключения, в зависимости от установочного параметра регулирования яркости,
причем по меньшей мере для одного диапазона установочных параметров регулирования яркости этот способ предусматривает изменение как времени включения, так и частоты переключения, как функции установочного параметра регулирования яркости, причем относительное преобладание изменения частоты переключения и изменения времени включения зависит от установочного параметра регулирования яркости.
11. Способ по п. 10, в котором последовательность импульсов обеспечена преобразователем постоянного напряжения, который имеет пульсирующий режим, и причем способ предусматривает изменение частоты переключения для низких установочных параметров регулирования яркости для предотвращения входа преобразователя в пульсирующий режим.
12. Способ по п. 10 или 11, в котором:
минимальное время включения имеет значение в диапазоне от 0,2% до 2% от периода переключения; и/или
минимальная частота переключения находится в диапазоне от 0,2% до 5% от максимальной частоты переключения.
13. Способ по п. 10 или 11, в котором при установочном параметре регулирования яркости, равном 10%:
частота переключения находится в диапазоне от 30% до 60% от максимальной частоты переключения; и/или
время включения находится в диапазоне от 0,5% до 2% от периода переключения.
14. Способ п. 10 или 11, в котором:
максимальная частота переключения находится между 10 кГц и 1 МГц, а минимальная частота переключения находится между 50 Гц и 100 кГц; и/или
максимальное время включения находится между 1 мкс и 100 мкс, а минимальное время включения находится между 10 нс и 1 мкс.
| US 2012217892 A1, 2012.08.30 | |||
| US 2008042709 A1, 2008.02.21 | |||
| US 2012181940 A1, 2012.07.19 | |||
| US 2007085489 A1, 2007.04.19 | |||
| CИСТЕМА И СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ЦВЕТОМ СИД ЛАМПЫ | 2008 |
|
RU2481751C2 |
