發(fā)光陣列以及降低輸出至發(fā)光二極管的輸出電流波紋的方法
【專利摘要】一種發(fā)光陣列以及用于降低輸出至發(fā)光二極管的輸出電流波紋的方法，該發(fā)光二極管陣列具有帶有輸出電壓波紋的單級功率因數(shù)校正驅(qū)動器，該輸出電壓波紋通過使用串聯(lián)連接在單級功率因數(shù)校正驅(qū)動器和發(fā)光二極管陣列之間的線性電流調(diào)節(jié)器降低，該線性電流調(diào)節(jié)器根據(jù)單級功率因數(shù)校正驅(qū)動器的輸出電壓波紋，有源地調(diào)節(jié)線性電流調(diào)節(jié)器的等效阻抗。
【專利說明】發(fā)光陣列以及降低輸出至發(fā)光二極管的輸出電流波紋的方法
[0001]相關(guān)申請的交叉參考
[0002]本申請要求于2013年9月26日提交的美國系列號14/037，909的優(yōu)先權(quán)和權(quán)益，其通過參考并入本文。
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0003]本發(fā)明涉及一種用于降低AC電源電壓驅(qū)動的單極功率因數(shù)校正驅(qū)動器的輸出功率波紋的設(shè)備和方法，主要地用于提供沒有閃爍的發(fā)光二極管陣列。
【背景技術(shù)】
[0004]發(fā)光二極管(LED)是一種照明設(shè)備，其將電流轉(zhuǎn)換為光。LED的亮度主要由驅(qū)動電流的量值確定。因此，為了獲得沒有閃爍的穩(wěn)定發(fā)光輸出，應(yīng)該由恒定電流源驅(qū)動LED。
[0005]一般的照明產(chǎn)品通常由50或60Hz線路頻率的110或220VAC的AC電源電壓供電。單極功率因數(shù)校正(SSPFC)驅(qū)動器一般用來將AC線電壓轉(zhuǎn)換為DC電壓以驅(qū)動這些LED。這是因為SSPFC驅(qū)動器是一種獲得電壓轉(zhuǎn)換和功率因數(shù)校正的簡單電路。然而，由于功率因數(shù)校正，SSPFC的輸入功率根據(jù)AC電源電壓變化。輸入功率波紋產(chǎn)生輸出電壓波紋和輸出電流波紋。因此，使用SSPFC驅(qū)動器給LED供電直接導(dǎo)致光以兩倍的線路頻率閃爍。增加SSPFC驅(qū)動器的輸出電容是一種降低輸出功率波紋的直接方法。但是，輸出電容器的值受到諸如尺寸、成本和壽命的因素限制。其他解決方案存在，但是這些方案導(dǎo)致效率降低、成本增加以及設(shè)計更加復(fù)雜。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的一個實施方式是發(fā)光陣列，該發(fā)光陣列包括單級功率因數(shù)校正驅(qū)動器，其將AC電源電壓轉(zhuǎn)換成DC以及提供功率校正因數(shù)；發(fā)光二極管陣列；以及線性電流調(diào)節(jié)器，其串聯(lián)連接在單級功率因數(shù)校正驅(qū)動器和發(fā)光二極管陣列之間，以根據(jù)單級功率因數(shù)校正驅(qū)動器的輸出電壓波紋，有源地調(diào)節(jié)線性電流調(diào)節(jié)器的等效阻抗。
[0007]本發(fā)明的另一實施方式是其中發(fā)光陣列還包括谷值電壓檢測器，其耦接在線性電流調(diào)節(jié)器和單級功率因數(shù)校正驅(qū)動器之間，以便將通過線性電流調(diào)節(jié)器的電壓降的谷值反饋至單級功率因數(shù)校正驅(qū)動器，從而調(diào)制單級功率因數(shù)校正驅(qū)動器的DC輸出電壓值。線性電流調(diào)節(jié)器可以是開關(guān)模式電流調(diào)節(jié)器或者有源線性電流調(diào)節(jié)器，以及發(fā)光二極管陣列可以是高電壓陣列。
[0008]在本發(fā)明的另一實施方式中，線性電流調(diào)節(jié)器包括半導(dǎo)體開關(guān)設(shè)備和恒定電壓控制器。
[0009]在本發(fā)明的另一實施方式中，單級功率因數(shù)校正驅(qū)動器在降壓拓?fù)渲小?br> [0010]在本發(fā)明的另一實施方式中，輸出電壓波紋的頻率大約是輸入線路頻率的兩倍。
[0011]本發(fā)明的再一實施方式是一種用于降低輸出至發(fā)光二極管的輸出電流波紋的方法，包括^fAC電源電壓轉(zhuǎn)換為DC，以及通過單級功率因數(shù)校正驅(qū)動器提供功率校正因數(shù)，其中單級功率因數(shù)校正驅(qū)動器的輸出具有輸出電壓波紋；以及根據(jù)單級功率因數(shù)校正驅(qū)動器的輸出電壓波紋，通過串聯(lián)連接在單級功率因數(shù)校正驅(qū)動器和發(fā)光二極管陣列之間的線性電流調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)線性電流調(diào)節(jié)器的等效阻抗。
[0012]在本發(fā)明的再一實施方式中，還包括將通過線性電流調(diào)節(jié)器的電壓降的谷值反饋至單級功率因數(shù)校正驅(qū)動器，以調(diào)制單級功率因數(shù)校正驅(qū)動器的直流輸出值。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]附圖僅出于圖示目的，并未按照比例繪制。但是，結(jié)合附圖時，可以通過參照下面的詳細(xì)描述更好地理解本發(fā)明，其中:
[0014]圖1示出了本發(fā)明的一個實施方式的總體圖；
[0015]圖2示出了 LED陣列的V-1特性；
[0016]圖3描繪了具有AC和DC元件的電壓源并增加了電流源；
[0017]圖4A至4D示出了本發(fā)明的電壓源、通過電流源的電壓、LED陣列正向電壓和LED電流的波形；
[0018]圖5是在沒有電流源情況下圖3的等效電路；
[0019]圖6是線性調(diào)節(jié)器的最優(yōu)化電壓降的曲線圖；
[0020]圖7示出了示例性LED的V-1特性；
[0021]圖8A和8B示出了不`同k值下電路的效率；
[0022]圖9和10是示出了需要如何有源地調(diào)節(jié)通過線性電流調(diào)節(jié)器的電壓以對抗電壓波紋變化、從而確保足夠用于線性調(diào)節(jié)器的電壓降以進(jìn)行電流調(diào)節(jié)的曲線圖；
[0023]圖11是本發(fā)明的示例性實施方式；
[0024]圖12A示出了在沒有線性調(diào)節(jié)階段情況下的由SSPFC直接驅(qū)動的LED串的電壓和電流電平；
[0025]圖12B示出了本發(fā)明的示例性實施方式的電壓和電流電平；以及
[0026]圖13A和13B示出了本發(fā)明的實施方式的電壓特性，其中即使當(dāng)變化發(fā)生在電壓波紋量值時調(diào)節(jié)發(fā)生。
【具體實施方式】
[0027]如圖1中所示，較少閃爍的LED驅(qū)動器100由SSPFC104、LED陣列106、線性電流調(diào)節(jié)器108和谷值電壓檢測器110組成。SSPFC104將AC線路102的電壓轉(zhuǎn)換成DC電壓，并且還提供功率因數(shù)校正。在SSPFC104的輸出端，線性電流調(diào)節(jié)器108與LED陣列106串聯(lián)。線性電流調(diào)節(jié)器108根據(jù)SSPFC104的輸出電壓波紋有源地調(diào)節(jié)其等效阻抗。通過線性電流調(diào)節(jié)器108的電壓降根據(jù)SSPFC104的輸出電壓波紋變化，導(dǎo)致去除LED陣列106輸入中的電壓波紋。
[0028]為了確保線性電流調(diào)節(jié)器108具有用于調(diào)節(jié)的足夠電壓降以及以最小功率損耗運行，線性電流調(diào)節(jié)器108上的電壓降的谷值通過谷值電壓檢測器110反饋回SSPFC104，從而使得SSPFC104能夠調(diào)節(jié)其輸出電壓電平。該反饋回路允許線性電流調(diào)節(jié)器108的電壓降的調(diào)節(jié)。這種控制方案確保線性電流調(diào)節(jié)器108在獲得電流調(diào)節(jié)時以最小功率消耗運行。
[0029]更具體地，假設(shè)由于SSPFC的足夠大的輸出電容，SSPFC的輸出電壓具有在大約兩倍的線路頻率的波紋，并且假設(shè)當(dāng)SSPFC運行時LED陣列一直導(dǎo)電。在這種情況下，當(dāng)SSPFC驅(qū)動LED陣列時，其輸出電壓由LED陣列決定，原因在于如圖2所示，LED具有非線性V-1特性。因此，當(dāng)LED陣列導(dǎo)電時，其箝位SSPFC的輸出電壓。因為SSPFC的輸出電壓承載電壓波紋，所以如圖3所示，可以將SSPFC建模成與AC電壓源串聯(lián)的DC電壓源。Vrat d。表示平均輸出電壓，Vout ac表不輸出電壓波紋。
[0030]為了避免電壓波紋被施加到LED陣列，如圖3中所示，將恒定電流源(例如，線性電流調(diào)節(jié)器308)加入與LED陣列306串聯(lián)。線性電流調(diào)節(jié)器308有源地調(diào)節(jié)其等效阻抗以使LED電流恒定，因此，通過線性電流調(diào)節(jié)器308的電壓根據(jù)輸出電壓波紋變化。結(jié)果，通過LED陣列306的電壓恒定。電壓源、通過電流源的電壓、LED陣列正向電壓和LED電流的隨之產(chǎn)生的波形分別如圖4A至4D中所示。圖4A和4B示出了提出的驅(qū)動方法的實質(zhì)是利用電流源來占據(jù)電壓源的波紋Vrat a。，從而使得LED的正向電壓恒定。實際上，電流源可以通過開關(guān)模式電流調(diào)節(jié)器或者有源線性電流調(diào)節(jié)器實施。 [0031]輸出電壓波紋
[0032]輸出電壓波紋根據(jù)串聯(lián)LED的數(shù)量、LED正向電壓和平均LED驅(qū)動電流變化。可以根據(jù)前述變量確定輸出電壓波紋的數(shù)學(xué)公式。在用公式表達(dá)輸出電壓波紋的討論中，忽略圖3所示的電流源以簡化分析，并且等效電路如圖5中所示。當(dāng)LED正向電壓比電流調(diào)節(jié)器上的電壓降高很多時，電流調(diào)節(jié)器上的功率損耗與LED功率相比是小的。因此，忽略電流調(diào)節(jié)器上的電壓降是允許的。這被允許的原因在于增加恒定電流源并不會影響SSPFC的輸出電壓波紋很多，因為平均輸出功率幾乎未變化。
[0033]電壓波紋量值和電流波紋量值之間的關(guān)系由如圖2中所示的V-1曲線表示。為了簡化分析，LED的V-1特性由3階多項式近似得出，該3階多項式在LED在其操作區(qū)域驅(qū)動時是有效的:
[0034]= C<ll - hlf - cL - d (等式！)
[0035]對于包括串聯(lián)的η個LED并且由平均值為If avg的電流驅(qū)動的LED陣列，LED陣列的平均電壓由下式給出:
[0036]= η1}_3ν3 = anlIavs - hniLv3 — Cn!f^-,3 ~(等式 2)
[0037]當(dāng)LED陣列的電流攜帶波紋時，用IHpple表示電流波紋量值，而If _和If—min表示電流的峰值和谷值，那么:
[0038]Iripple — If—max_If—min (等式 3)
[0039]L，.+=^(等式 4)
J --J
[0040]用k表示電流波紋量值與平均電流的比率:
[0041]k(等式 5)
[0042]用VHpple表示LED陣列的電壓波紋(峰值至峰值)量值，那么:
【權(quán)利要求】
1.一種發(fā)光陣列，包括: 單級功率因數(shù)校正驅(qū)動器，其用于將AC電源電壓轉(zhuǎn)換成DC以及提供功率校正因數(shù)，其中單級功率因數(shù)校正驅(qū)動器的輸出具有輸出電壓波紋； 發(fā)光二極管陣列；以及 線性電流調(diào)節(jié)器，其串聯(lián)連接在單級功率因數(shù)校正驅(qū)動器和發(fā)光二極管陣列之間，以根據(jù)單級功率因數(shù)校正驅(qū)動器的輸出電壓波紋，有源地調(diào)節(jié)線性電流調(diào)節(jié)器的等效阻抗。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的發(fā)光陣列，還包括: 谷值電壓檢測器，其耦接在線性電流調(diào)節(jié)器和單級功率因數(shù)校正驅(qū)動器之間，以便將通過線性電流調(diào)節(jié)器的電壓降的谷值反饋至單級功率因數(shù)校正驅(qū)動器，從而調(diào)制單級功率因數(shù)校正驅(qū)動器的DC輸出電壓值。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)光陣列，其中所述線性電流調(diào)節(jié)器是開關(guān)模式電流調(diào)節(jié)器或者有源線性電流調(diào)節(jié)器。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)光陣列，其中所述發(fā)光二極管陣列是高電壓陣列。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)光陣列，其中所述線性電流調(diào)節(jié)器包括半導(dǎo)體開關(guān)設(shè)備和恒定電壓控制器。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)光陣列，其中所述單級功率因數(shù)校正驅(qū)動器在降壓拓?fù)渲小?br> 7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)光陣列，其中所述輸出電壓波紋的頻率大約是輸入線路頻率的兩倍。
8.一種用于降低輸出至發(fā)光二極管的輸出電流波紋的方法，包括: 將AC電源電壓轉(zhuǎn)換為DC，以及通過單級功率因數(shù)校正驅(qū)動器提供功率校正因數(shù)，其中單級功率因數(shù)校正驅(qū)動器的輸出具有輸出電壓波紋；以及 根據(jù)單級功率因數(shù)校正驅(qū)動器的輸出電壓波紋，通過串聯(lián)連接在單級功率因數(shù)校正驅(qū)動器和發(fā)光二極管陣列之間的線性電流調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)線性電流調(diào)節(jié)器的等效阻抗。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的方法，還包括: 將通過線性電流調(diào)節(jié)器的電壓降的谷值反饋至單級功率因數(shù)校正驅(qū)動器，以調(diào)制單級功率因數(shù)校正驅(qū)動器的直流輸出值。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中所述線性電流調(diào)節(jié)器是開關(guān)模式電流調(diào)節(jié)器或者有源線性電流調(diào)節(jié)器。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中所述發(fā)光二極管陣列是高電壓陣列。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中所述輸出電壓波紋的頻率大約是輸入線路頻率的兩倍。
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中所述單級功率因數(shù)校正驅(qū)動器在降壓拓?fù)渲小?br> 14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中所述線性電流調(diào)節(jié)器包括半導(dǎo)體開關(guān)設(shè)備和恒定電壓控制器。
【文檔編號】H05B37/02GK103648204SQ201310504074
【公開日】2014年3月19日 申請日期:2013年10月23日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月26日
【發(fā)明者】蕭錦華, 梁華興, 黃兆康, 田博 申請人:惠州元暉光電股份有限公司