N色可扩展LED驱动器制造技术

提供一种发光二极管(LED)驱动系统，其是可扩展的并且能够用于N色LED系统。能够从单个电源，利用针对每个串的独立可控的恒定电流源来有效地驱动具有不同颜色的N个LED串的LED系统。该驱动系统能够包括具有电感器的电源转换器。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】相关申请的交叉引用本申请要求2014年9月4日递交的序列号为62/046108的美国临时申请的权益，故通过引用的方式将该美国临时申请整体地并入本文。政府/研究经费支持本专利技术在EEC-0812056号NSF合约下和C090145号NYSTAR合约下由政府支持进行。政府对本专利技术具有一定权利。
技术介绍
由于不同颜色的发光二极管(LED)需要不同的激励来产生光输出，因而其具有不同的正向电压。因此，不同颜色的LED串无法由单一的直流(DC)或交流(AC)母线电压来驱动。此外，由于非线性I-V(电流-电压)特性和负温度系数，LED必须通过恒定电流源来驱动。传统上，LED照明系统使用单串或多串磷光体转换型白色LED来递送所期望的流明水平。由于温度变化、LED的非线性特性和LED制造中的不良分装，具有多个LED串的磷光体转换型白色LED照明系统可能具有不同的正向电压。从单一电压源或电流源驱动多个LED串的LED驱动器需要用于在每个LED串中进行恒定电流调节的电流平衡机制。已使用无源和有源方式来抵消LED串中的电压失配以及提供恒定电流。无源方式是基于使用不同配置的无源元件，比如电容器、变压器和电感器。基于电容器的电流平衡机制未充分利用LED，并且还依赖所使用的电容的容差。变压器和电感器无源方式尺寸庞大。有源平衡方式是基于使用诸如电流镜之类的常规线性电流调节器，或者是通过使用单个电源转换器来驱动每个LED串。在使用线性电流调节器的情况下，转换器的效率随LED串之间电压失配的增加而下降。向每个LED串提供恒定电流的单个开关式调节器更加有效率，但由于其部件数量更多而并非成本有效。
技术实现思路
本专利技术的实施例提供有利的发光二极管(LED)驱动系统及其制造方法、使用该驱动系统来驱动LED系统的方法和用于控制LED系统的控制方案方法。本专利技术的系统是可扩展的，并且可以用于N色LED系统(其中N是整数，比如大于一的整数)。能够从单个电源，利用针对每个串的独立可控的恒定电流源来有效地驱动具有N个LED串(其中，这些串中的至少两个串是针对颜色彼此不同的LED)的LED系统。例如，所有LED串都能够具有与所有其他LED串不同的颜色。该驱动系统能够包括电源转换器，比如AC-DC转换器或DC-DC转换器。该电源转换器能够包括至少一个电感器，并且在一个实施例中，该电源转换器能够包括正好一个电感器。本专利技术的系统使得能够以合理的成本设计出高效率、高功率密度的多色LED系统。在一个实施例中，一种N色可扩展LED驱动系统能够包括：电源转换器，其包括电感器并且配置为提供DC输出；控制电路，其配置为接收输入信号并且向电源转换器提供输出控制信号；和负载，其连接到电源转换器并且接收来自电源转换器的DC输出。该负载能够包括第一LED串和第二LED串，第一LED串用于第一颜色的第一LED，第二LED串用于与第一颜色不同的第二颜色的第二LED。第一LED能够是比第二LED电压更高的LED，而第二LED串能够包括与第二LED串联的开关。附图说明图1A示出根据本专利技术的实施例的发光二极管(LED)驱动系统的框图。图1B示出根据本专利技术的实施例的LED驱动系统的框图。图2示出根据本专利技术的实施例的控制方案的图。图3示出根据本专利技术的实施例的控制方案的图。图4示出根据本专利技术的实施例的LED驱动系统的框图。图5示出根据本专利技术的实施例的LED驱动系统的框图。图6示出根据本专利技术的实施例的LED驱动系统的电路图。图7示出用于根据本专利技术实施例的系统的电感器电流和开关控制信号的稳态波形。图8示出用于根据本专利技术实施例的系统的电感器电流和控制逻辑信号的波形。图9示出用于根据本专利技术实施例的系统的调制器控制器电压的波形。图10示出用于根据本专利技术实施例的系统的二极管电流和节点电压的波形。图11示出用于根据本专利技术实施例的系统的LED串电压的波形。图12示出用于根据本专利技术实施例的系统的LED串电流的波形。图13示出用于根据本专利技术实施例的系统的电感器电流和控制信号的波形。具体实施方式本专利技术的实施例提供有利的发光二极管(LED)驱动系统及其制造方法、使用该驱动系统来驱动LED系统的方法、以及用于控制LED系统的控制方案方法。本专利技术的系统是可扩展的，并且可以用于N色LED系统(其中N是整数，比如大于1的整数)。能够从单个电源，利用针对每个串的独立可控的恒定电流源来有效地驱动具有N个LED串(其中至少两个串是针对颜色彼此不同的LED)的LED系统。例如，所有LED串都能够具有不同于其他LED串的颜色。该驱动系统能够包括电源转换器，比如AC-DC转换器或DC-DC转换器。电源转换器能够包括至少一个电感器，并且在一个实施例中，电源转换器能够包括正好一个电感器。本专利技术的系统使得能够以合理的成本设计出高效率、高功率密度的多色LED系统。由于其简单性，整个控制方案适合于集成电路(IC)实施。与多串磷光体转换型白色LED照明系统类似，多色LED照明系统也具有不同的正向电压，这是因为它们需要不同的激发能级来产生不同颜色的光。与多色LED系统不同，磷光体转换型白色LED系统无法被动态地控制以提供所期望的色温(CT)。因此，对于未来的照明应用而言，多色LED系统比磷光体转换型白色LED照明系统更优选。用于这些系统的未来LED驱动器应当能够向每种颜色的LED串提供恒定电流，并且应当具有通过调光技术(比如脉冲宽度调制(PWM)调光和/或模拟调光)来独立控制每个串中的电流的能力，以实现CIE(国际照明委员会)色度图中的所期望的色点。此外，LED驱动器应当是通过简单控制而可扩展的和模块化的。能够提供电流平衡和独立电流控制二者的技术能够用来实现多色LED驱动器。本专利技术的实施例提供有源电流平衡方案，该方案能够使用简单、模块化和可扩展的控制方案来独立控制N个串的电流(其中N是整数，比如大于1的整数)从而实现高功率密度的多色LED系统。这能够使用单个电源转换器来实现。N色LED串(其中N是整数，比如大于1的整数)固有地具有不同的串电压。通常，当与单个电流源/电压源并联连接时，只有具有最低电压的串会产生光输出。本专利技术的实施例提供一种恒定电流源，其等效于从单个源产生的由N色LED串所需的电流之和。交流-直流(AC-DC)或直流-直流(DC-DC)电源转换器能够被使用并且能够以切换频率(fs)来操作。N色LED串能够作为负载与AC-DC或DC-DC电源转换器并联连接，并且能够由单个电流源供电。如果不存在控制，那么只有具有最低电压的串会产生光输出。然而，LED串中的至少一个能够具有开关。在一个实施例中，除了具有最高电压的串之外，每种颜色的LED串都能够具有开关。这些开关能够分别与LED串串联。这些开关(例如N-1个开关，其中N是LED串的数量)能够在每个切换循环中接通/断开(或可能不切换，依情况而定)。这能够通过使用新颖且有利的模块化反馈控制方案来完成，该控制方案能够导致提供N个恒定电流源。在许多实施例中，一种用于控制开关的控制方案或方法可以包括对开关(例如N-1个开关)的各个开关电流进行测量，以及在每个切换循环(Ts)期间对其进行整合。切换循环能够例如是切换频率的倒数(Ts＝1/fs)。整合后的开关电流(其能够等于LED串中的平均电流)本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种发光二极管(LED)驱动系统，包括：电源转换器，其包括电感器并且配置为提供直流(DC)输出；控制电路，其配置为接收输入信号并且向所述电源转换器提供输出控制信号；和负载，其连接到所述电源转换器并且接收来自所述电源转换器的DC输出，其中，所述负载包括：第一LED串，其用于第一颜色的第一LED；和第二LED串，其用于与所述第一颜色不同的第二颜色的第二LED，其中，所述第一LED是比所述第二LED电压更高的LED，并且其中，所述第二LED串包括与所述第二LED串联的第一开关。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.09.04 US 62/046,1081.一种发光二极管(LED)驱动系统，包括：电源转换器，其包括电感器并且配置为提供直流(DC)输出；控制电路，其配置为接收输入信号并且向所述电源转换器提供输出控制信号；和负载，其连接到所述电源转换器并且接收来自所述电源转换器的DC输出，其中，所述负载包括：第一LED串，其用于第一颜色的第一LED；和第二LED串，其用于与所述第一颜色不同的第二颜色的第二LED，其中，所述第一LED是比所述第二LED电压更高的LED，并且其中，所述第二LED串包括与所述第二LED串联的第一开关。2.根据权利要求1所述的LED驱动系统，其中，所述负载还包括至少一个附加LED串，其中，每个附加LED串包括颜色与所有其他附加LED串的LED的颜色不同并且还与所述第一颜色和第二颜色不同的LED，其中，每个附加LED串的LED是比所述第一LED电压更低的LED，并且其中，每个附加LED串还包括与其各自的LED串联的开关。3.根据权利要求1-2中任一项所述的LED驱动系统，其中，所述控制器配置为实施包括以下步骤的控制方案：i)将所述串中的所有开关设置为接通；ii)测量所述串中的所有开关的单独的开关电流；iii)整合这些开关电流；iv)一旦在开关处于接通的、所有存在电流的串中具有最低电压LED的LED串中的整合电流达到针对该LED串的预定参考值，则将该LED串中的开关切换为断开；v)重复步骤iv)，直到所述串中所有串联开关都断开。4.根据权利要求3所述的LED驱动系统，其中，所述预定参考值是针对每个LED串单独设置的。5.根据权利要求3-4中任一项所述的LED驱动系统，其中，通过所述控制方案将所述第一LED串调节到针对所述第一LED串的预定参考值。6.根据权利要求5所述的LED驱动系统，其中，针对所述第一LED串的预定参考值等于所述电源转换器生成的恒定电流和所有其他LED串中的平均电流的总和之间的差。7.根据权利要求1-6中任一项所述的LED驱动系统，其中，所述第一LED串不包括与所述第一LED串联的开关。8.根据权利要求1-8中任一项所述的LED驱动系统，其中，所述控制方案还包括：vi)每个切换循环(Ts)重复步骤i)到步骤v)。9.根据权利要求8所述的LED驱动系统，其中，所述切换循环(Ts)为等于所述电源转换器的切换频率(fs)的倒数的时长。10.根据权利要求1-9中任一项所述的LED驱动系统，其中，由所述控制器接收的所述输入信号为照明控制信号。11.根据权利要求10述的LED驱动系统，其中，所述照明控制信号是从环境光、至少一个颜色传感器或者其二者获得的。12.根据权利要求10-11中任一项所述的LED驱动系统，其中，针对所述电源转换器生成的恒定电流的参考值是基于针对存在的每个LED串的期望照明水平而从所述照明控制信号导出的。13.根据权利要求12述的LED驱动系统，其中，所述控制器中的照明控制是通过脉冲宽度调制(PWM)调光来执行的。14.根据权利要求12述的LED驱动系统，其...

【专利技术属性】
技术研发人员：库马尔·莫得帕里，利拉·帕尔萨，
申请(专利权)人：伦斯勒理工学院，
类型：发明
国别省市：美国;US