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CN100581306C - 发光二极管多相驱动器电路及其方法 - Google Patents

发光二极管多相驱动器电路及其方法 Download PDF

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CN100581306C CN200610003507A CN200610003507A CN100581306C CN 100581306 C CN100581306 C CN 100581306C CN 200610003507 A CN200610003507 A CN 200610003507A CN 200610003507 A CN200610003507 A CN 200610003507A CN 100581306 C CN100581306 C CN 100581306C
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Abstract

提供一种用于多相驱动发光二极管(LED)的方法与电路。提供分为相互间串联连接的组的LED串。各组通过单独的导电路径连接到地。在各导电路径中提供相开关。增大输入电压将按各组在LED串下游的次序逐组地开启该串。为减少功率消耗，当紧接的下游组开启时，关闭上游组的相开关。

Description

多相驱动发光二极管的方法
发明领域
本发明涉及一种多相驱动发光二极管(LED)的方法。特别地，本发明的方法驱动分成组的LED串，随着施加到该LED串上的电压逐渐增大，各LED组顺次开启。
相关技术描述
为驱动LED，有必要提供恰当的电压和/或电流水平。在许多应用中，多个LED被用来提供所需的光输出。LED能够以并联、串联或二者结合的方式连接。
在电源呈周期性的应用(例如离线应用)中，LED驱动器的任务是将这种随时间变化的电压转换为恰当的电压和/或电流水平。这种任务需要通常称为ac/dc转换器的电路，这些转换器采用大尺寸的磁性(magnetic)(电感或变压器)、电容器、和/或其它元件。某种类型的电容器，如铝电解电容器(AEC)，寿命短并降低系统可靠性。
某些应用需要功率因素校正(PFC)，其中电源的电流被整形以严密遵循电源电压波形。为实现PFC，专用电路被使用，它们经常需要能够保持能量的电容器、更多的磁性及其它元件。
发明内容
本发明提供了一种多相驱动发光二极管(LED)的方法。该方法包括提供LED串。该LED串包含多个LED组，这些LED组相互间串联地电连接，且各个组分别连接到地。一个组表示该串的一个相。由于该串的这些组或相串联地电连接，所以LED的每个组或相在不同的电位开启。通过增大电源的输入电压，直接位于电源下游的组将首先开启，且随着输入电压的增大在该串下游的各组将依次开启。为每个组提供相开关，各个相开关连接在相应组与地之间。上游组的开关可在下游组开启之前或之后关闭，以减少功率消耗或提供调光的效果。
本发明还提供一种用于多相驱动发光二极管(LED)的驱动器电路。该驱动器电路包括分成组的多个LED，这些组相互之间串联地电连接。每个组电连接到相开关，所述相开关继而电连接到地。各个组可以包含以任何合适的方式连接的具有相同或不同种类、颜色及值的一个或多个LED以及一个或多个电阻器。有源电流控制电路、调光电路、PFC电路以及过压保护电路可结合到本发明的驱动器电路。
附图简述
图1示出本发明的概念性电路；
图2示出在一个组内LED和电阻器的不同组合与排列的例子，每一组可与另一组相同或不同；
图3示出八相LED驱动器电路，该电路具有有源电流控制、调光、可选PFC及过压保护。过压通过检测最后相电压(V8)来完成；
图4示出四相LED驱动器电路，该电路具有有源电流控制、调光及过压保护。相转换通过叠加参考电压来完成，过压通过检测输入电压(Vrect)来完成；
图5示出四相LED驱动器电路，该电路具有无源电流控制、调光及过压保护。相转换通过检测下游相电压来完成，过压通过检测最后相电压(V4)来完成；
图6示出四相LED驱动器电路，该电路具有无源电流控制、调光及过压保护。相转换通过检测各相自身的电压来完成，过压通过检测最后相电压(V4)来完成；
图7示出与图6中电路相似的四相LED驱动器电路，不过相转换和过压通过检测Vrect来完成；
图8示出四相LED驱动器电路，该电路具有有源电流控制、调光及过压保护。相转换通过叠加相电流来完成，过压通过检测最后相电压(V4)来完成；
图9，除相转换是通过叠加参考电压来完成的以外，与图8相似；
图10示出四相LED驱动器电路，该电路具有有源电流控制、调光及过压保护。相转换通过检测下游相电压来完成，过压通过检测最后相电压(V4)来完成。该电路使用NPN晶体管；
图11示出四相LED驱动器电路，该电路具有无源电流控制与过压保护。相转换通过检测各相自身的电压来完成，过压通过检测最后相电压(V4)来完成。该电路使用NPN晶体管；
图12示出四相LED驱动器电路，该电路具有无源电流控制与过压保护。相转换通过检测整流电压VRECT来完成，过压也通过检测VRECT来完成。该电路使用NPN晶体管；
图13示出仅具有一个LED组的电路；
图14示出图3中所示电路在开关SW1置于位置1(恒流限制模式)的情况下的仿真结果；
图15示出与图14中所示电路相同但过压/过功率电路被激活的情况下的仿真结果；
图16示出图3中所示电路在SW1置于位置2(PFC模式)的情况下的仿真结果；
图17示出图10中所示电路的仿真结果；
图18示出与图10中电路相似的电路的仿真结果，但是关闭情况通过监测各相自身的电压并与参考电压进行比较来确定；和
图19示出图13中所示电路的仿真结果。
优选实施例的详细描述
图1示出本发明的多相LED驱动器的概念性电路。该LED驱动器电路由诸如交流(AC)电源之类的电源驱动。所述AC电源由整流器电路整流。然后整流电压Vrect施加到发光二极管(LED)串上。所述AC电源可以是任何种类的交流电源以及它们的升压/降压变型。所述整流器电路可以是能够整流AC电源的任何常规整流器电路。如果需要，可用直流(DC)电源来替换AC电源。
这里使用的发光二极管(LED)为用于很多不同种类发光二极管的通用术语，诸如传统LED、超亮LED、高亮度LED、有机LED等。本发明适用于所有种类的LED。
在图1所示的驱动器电路中，LED串电连接到电源。该LED串被分为n组，其中n为正整数。在这里n指驱动器电路的相数。组1，2，......和n相互间串联地电连接，每一组代表一相。
每一组是一个或多个LED的组合，在有些情形下是一个或多个LED和电阻器的组合。各个组中LED和电阻器的数目可与其它组相同或不同。各个组内的LED可以是相同或不同种类的组合，它们可以是相同或不同颜色的组合。它们可串联、并联或二者混合地连接。图2示出了这些组合中的若干。
在LED驱动器电路中提供了相开关PS1，PS2，......，PSn，每个相开关一端电连接到一相应组而另一端连接到地。在各组与相应相开关之间的连接点的电压为相电压，并分别用V1，V2，......，Vn表示。所述相开关可以是限流电流转接器(sink)、开关或与电阻器串联连接的开关。相开关为通用术语，用来表示当开启时传导电流的任何装置。相开关的例子包括但不限于N沟道MOSFET、P沟道MOSFET、NPN双极型晶体管、PNP双极型晶体管、绝缘栅双极型晶体管(IGBT)、模拟开关、继电器等等。可单独控制每个相开关的“关”与“开”。
在造当的电源电压水平下，本发明的多相驱动器电路可依次开/关各相或各LED组。当电源电压增加到足以驱动直接位于电源下游的第一LED组(图1中所示的组1)时，第一相开关(图1中所示的PS1)导通并且第一LED组开启，然而该电压没有高到足以开启下游的LED组，诸如图1中所示的组2，组3，......和组n。注意PS1可在电源电压达到足以驱动组1的电压之前、之时或之后开启。这同样适用于PS2，PS3，......和PSn。随着电源电压进一步增大，达到足以驱动第一和第二LED组(组1和组2)的电压时，PS2导通并且第一和第二LED组开启。PS2可在电源电压达到足以驱动组1和组2的电压之前、之时或之后开启。随着电源电压继续增大，最终所有相或LED组按从LED组串上游至LED组串下游的次序开启。随着电源电压增大，第一相电压V1(图1)增大并且第一相开关PS1消耗越来越多的功率。为减少功率消耗，当组2开启时PS1可关闭。或者，PS1可在组2开启之前关闭。同样的类推适用于后续的组，随着电源电压进一步增大，组3，4，...和n逐个开启。总的来讲，当一下游组开启且与该下游组相关联的相开关导通时，与上游组相关联的相开关可关闭以减少功率消耗。最后的相开关或开关PSn也可关闭，以减少功率消耗或随着Vn的继续增大保护电路防止过压。一旦电源电压达到它的峰值并下降，上述过程反过来，PSn首先重新开通，而PS1最后重新开通。注意当电源电压下降到不足以使下游组保持导通的电压时，即便与该下游组相关联的相开关有可能开着，该下游组也自然关闭。当电源电压从它的峰值降到零时，组n最先关闭而组1最后关闭。
在PS2导通前关闭PS1将关闭组1，这会减少组1的导通时间并产生减弱光的效果。在电源电压增大到足以驱动组1之后开启PS1产生相似的减弱光的效果。同样的类推适用于后续的组。
存在几种方式来控制各个组(相)和各个相开关的开启/关闭。
a.通过在一开始开启所有的相开关PSs并监测流入各个相开关的相电流i1，i2，......。即使PSs开启，在电源电压升至足够的电压之前，将不会有任何电流流动。当电源电压从零电压升至足以开启组1的电压时，流入PS1的相电流i1将开始流动并最终达到规定的电流限度。随着电源电压进一步增大到足以开启组1和组2两者的电压，流入PS2的相电流i2将开始流动。当PS2中的相电流i2增至规定的电流限度时，反馈电路可用来将PS1中的相电流i1节流(pinch off)到最低限度的水平，或用来关闭PS1并完全截止i1。根据反馈的方法，PS1中的相电流i1可平滑地或突然地转到PS2中的i2。该过程在下游组中被重复。随着电源电压的增加，最终组n开启。当电源电压增至它的峰值并开始下降时，该过程反过来。根据最后的相开关PSn在导通状态停留多久，PSn有可能消耗大量功率。如本说明书稍后将要描述的，可利用过压保护电路来保护PSn。
b.通过在一开始开启所有PSs并监测相电压V1，V2，......Vn。当电源电压足以开启组1时，PS1导通并且V1开始上升。当电源电压高到足以开启组1和组2时，PS2导通并且V2开始上升。此时PS1可被关闭。以同样的方式继续，最终Vn开始上升并且PS(n-1)可被关闭。随着Vn升得较高，PSn将开始消耗更多的功率。如本说明书其它部分所述，可利用过压/过功率电路来保护PSn。当电源电压增至它的峰值并开始下降时，该过程反过来。
c.通过监测经整流的电源电压Vrect并在Vrect的固定、预定电压水平上开启/关闭各个相开关PS。在这种方法中，当Vrect已上升到预定足以开启组1的值时，PS1开启。当Vrect已上升到预定足以开启组1和组2的值时，PS2开启。在开启PS2之后，PS1关闭。以同样的方式继续，最终，在开启PSn之后，PS1，PS2，...和PS(n-1)关闭。可替换地，可在一开始开启所有PSs，随后当Vrect已升至预定足以开启组1和组2的值时，PS1关闭。当Vrect已升至预定足以开启组1、2和3的值时，PS2关闭。以同样的方式继续，通过过压/过功率保护电路，可保护PSn以防止高功率消耗。当电源电压增至它的峰值并开始下降时，该过程反过来。
如同前文所提及的，为了调光的目的，可改变各相的开启/关闭时刻。
以上所描述的多相驱动方案增大了导通角并减少了功率消耗，它允许在具有传统减光器的情况下运行并提供自然的欠压保护，在欠压保护中仅开启与电源电压水平相对应的LED组。
当开启各个相开关(PS)时，流经PS的相电流可被限制为一个常量或近乎常量的数值，或依赖于温度的数值，或与时间有关的数值。电流调整可用来补偿因温度变化和老化引起的LED光输出性能的变化。
当总的相电流(各个相电流的总和)被强制遵循电源电压波形时，该电路提供功率因素校正(PFC)。可在不采用大体积的元件/电路的情况下实现PFC。
用另一种方法，相开关可作为简单电阻器或与电阻器串联连接的开关来开启。在这种情况下，相电流由传导路径中的总电阻限制。
本发明还提供一种新的调光的方法。按照本发明，通过调整各个相开关(PS)中设置的相电流限制水平可使LED调光。还可通过晚启动各组、早关闭各组或关闭一个或多个组使LED调光。一个组内的LED可被选择以具有不同的开启电压，以便该组内不同的LED在不同的电压下开启，进一步提供调光的效果。
本发明还提供一过压/过功率保护电路。当电源电压增加到超出它的正常范围以外时，过压发生。当这种情形发生时，如图1中所示的电压Vn增加相同的量并造成相应的相开关PSn中的高功率消耗。当LED组两端的总压降减小时，Vn增加相同的量，这也在PSn中造成高功率消耗。当应用所需LED的数目相对于电源电压较少时，在全部组开启后过电压也引起PSn中的高功率消耗。为防止这些情形，提出以下的方法：
a.PSn中具有高功率消耗的不变光。该方法简单地将高功率装置用于PSn，以处理额外的功率消耗。在这种情况下，PSn保持接通直到电源电压降到不足以维持PSn接通的值。由于在整个过压状态下全部LED组都维持导通，所以总的光输出与在正常电压状态期间是相同的(或不变的)。
b.用冗余LED来增加光。增加一组或多组中LED的数目和/或增加组的数目，以便在最坏的过压状态下Vn也不会上升得太高。在正常运行期间，最后的组不开启。在过压状态下，该最后的组开启并提供额外的光输出。
c.在供电电压过高的各电压周期的部分时间内，通过关闭全部相开关来减少光。通过关闭PS，不招致功率消耗，但因为在过压状态期间LED组关闭，所以光输出总量减少了。
本发明还提供了过温保护：使用温度传感器来检测过温状态，并按比例减小电流限度或完全关闭整个电路。
可使用定时器电路。简单的电压/电流检测器和数字计数器将电源周期作为基础时钟。只要有PS开关开/关或当电源电压上升或下降时，时钟被设置(set)，该时钟用来控制各种闪光模式。
所述多相驱动器电路可在集成电路中容易且低成本地实现。
本发明具有以下优点：
1.完全离线工作。不需要磁性、能量存储电容器以及AC/DC转换器；
2.如需要，提供功率因素校正；
3.与传统调光器一起工作；
4.提供多种新的调光性能；
5.欠压保护：通过仅开启具有足够能量来开启的相应相实现自然的欠压保护，结果是当欠压状态发生时光轻微减弱；
6.三种不同的过压保护方法：具有高功率消耗的不变光，采用冗余LED来增加光，或者采用最低功率消耗来减少光；
7.过温保护；
8.对于不同的定时与闪光模式，将电源周期用作基础时钟；
9.在集成电路中低成本地实现。
现在参照附图3，图3示出了本发明的LED驱动器电路的一个实施例。该多相LED驱动器电路采用有源电流限制。该LED驱动器电路包括八相或八个LED组(组1到组8)。组1-8分别连接到Q1-Q8，其中Q1-Q8是用作相开关的晶体管。
Vs表示AC电源。D1表示输出整流电压Vrect的整流器电路。组1的相开关PS1包括OP-AMP U1D、电阻器R31及晶体管Q1；组2的相开关PS2包括OP-AMP U1C、电阻器R32及晶体管Q2；相开关PS3至PS8包括相似的元件。Rs1、Rs2、Rs3、Rs4、Rs5、Rs6、Rs7、Rs8与R9是作为相开关的电流反馈回路一部分的电流检测电阻器。R9是用于调光用途的可变电阻器。另一可变电阻器Rc也用于提供不同的调光选择。当开关SW1拨到位置1时，电阻器Rf、Rc、Rb与开关SW1设置恒定的DC参考电压VREF以将流入LED组的总DC电流itotal设计(program)为恒定的或几乎不变的。当开关SW1拨到位置2时，电阻器Ra、Rc、Rb与开关SW1将参考电压VREF设计为遵循Vrect波形的AC电压，这又使流入LED组的总电流itotal遵循与电源电压波形相同的波形。Rx、Ry与U3A形成过压/过功率保护电路。包含电阻器R20、二极管D20、晶体管Q20与电容器C20的电路示出了电源VCC的一个例子，VCC取自Vrect以驱动U1、U2、U3并产生VREF。
工作原理(尽管本发明不限于任何原理)：对于VREF为恒定Dc电压的恒流模式，将SW1置于位置1。假定Vrect从零电压0V开始，则没有LED组开启并且没有电流流经检测电阻器RS1，RS2，...RS8和R9。OP-AMP U1D驱动Q1的栅极为高，Q1开启，于是我们可以说PS1开启了。然而，由于整流电压Vrect还不足以开启组1，所以没有电流流经Q1。类似地，PS2，PS3，...PS8也开启但没有任何电流流经它们。当Vrec t增大到足以开启组1的电压时，相电流i1开始流经Q1，并经过电流检测电阻器RS1，RS2，...RS8和R9流到地。与Q1的栅极串联地加入电阻器R31以降低可能的高频振荡。随着Vrect增加，相电流i1增大并且电流检测电阻器RS1-RS8和R9两端的压降Vf1增大。当Vf1增大到参考电压VREF的值时，OP-AMP U1D调整Q1的栅电压将i1抑制(control)到一个值以使得Vf1等于或接近于VREF。这种控制机制称作控制与反馈。控制与反馈原理是众所周知的。它的原理和不同配置在许多课本中都有很多资料证明并被广泛应用。Vf1能够被调整得有多接近VREF以及控制回路这样调整得有多快，取决于所采用的控制反馈方法和实际电路元件，诸如OP-AMP的增益带宽、输入失调电压、输入偏置电流等等。为简明起见，本发明的实施例不描述全部的控制与反馈变型及图中实际元件的限制。应用那些控制与反馈的变型并不脱离本发明的范围。根据应用的需要、所用元件的选择、LED的类型等，可用很多不同的方式将图3中的电路最优化。这些优选例不脱离本发明的精神和范围。
随着Vrect继续增大，i1被调整为：
i1＝VREF/(Rs1+Rs2+...+Rs8+R9)，假定全部元件都是理想的。
当Vrect增大到足以启动组1和组2的电压时，相电流i2开始流经Q2，RS2，...RS8和R9到地并引起电流检测电阻器RS2-RS8、R9两端的电压降Vf2上升。与上述情形类似，UIC控制Q2以便Vf2等于或接近于VREF。当i2流经电流检测电阻器时，它促使Vf1上升并自动减少(pinch down)i1.当i2上升到使Vf2等于或接近于VREF的电压时，i1将被减少到接近于零的最小限度的值且PS1实际上关闭。下列等式描述了当Vrect足以开启组1和组2但不足以开启后续的组时相电流i1和i2的相互作用：
Vf1＝i1.Rs1+Vf2
Vf2＝(i1+i2).(Rs2+Rs3+...+Rs8+R9)
UID和UIC控制反馈回路，基本上强制使Vf1＝Vf2＝VREF。为满足以上等式，i1必须很小并且相电流i2的调整值大约是：
i2＝VREF/(Rs2+Rs3+...+Rs8+R9)
在实际电路中，Rs1用来补偿0P-AMP的输入失调电压与其它非理想的参数。当PS2接通时，Rs1越大而i1越小。应当注意，i2的调整值高于i1的调整值。当Rs1相对于(Rs2+Rs3+...+Rs8+R9)的总和较小时，二者的这种差别最小。在这个间隔(interval)期间，总输入电流itotal从i1的调整值增大到i2的调整值。为使该增加步幅小，使Rs1与(Rs2+Rs3+...+Rs8+R9)的总和相比较小。
随着Vrect电压增大到足以启动组1、组2和组3的值，相电流i3开始流经相开关Q3并以类似的方式减少i2。同样的类推适用于其余相开关。在这种排列中，一个相或组的相电流平滑地转到下一个相或组。每一后续的相电流比前一个大一个步长。与(Rs8+R9)相比，Rs1，Rs2，...Rs7相对较小以提供相电流，即经调整的i1，i2，...，i8，的相对小的步长区别。
当最后的相开关PS8接通且相电流i8达到它的调整限度时，相电压V8随着Vrect的继续增加而增大。当V8升至阈值时，U3A经由Rx和Ry检测该电压并下拉VREF，有效地关闭全部相开关PSs并保护PS8防止过压/过功率状态。U3A使VREF下降直到V8(由Vrect驱动)已下降到可接受的电压为止。
各个相开关内的电流限度是电流感应电阻与VREF的函数。通过改变检测电阻值来调节相开关内的调整相电流限度。这可用来产生调光的效果。R9示出了这样的实现。可替换地，改变VREF也产生类似的调光效果，Rc示出了这样的实现。
当SW1置于位置2时，VREF现在是具有与Vrect同样形状的AC电压波形。该VREF与反馈回路一起迫使总电流itotal遵循输入电压的波形，由此实现功率因素校正。
图4示出与图3中电路相似的电路，不过只有四相。略去了VCC和VREF示例电路，在这里用它们的符号VCC和VREF来表示它们。反馈电路被重新安排以具有共同的电流检测电阻器(Rs+R9)。参考电压VREF被向下(down)分为电压VR1、VR2、VR3和VR4以补偿OP-AMP失调电压及其它非理想的参数。引起的运作与图3中的类似。下列等式描述了该电路的基本运作：
VR1＝VREF(Rc+Rb+R1)/(Rc+Rb+R1+R2+R3+R4+Rf)
VR2＝VREF(Rc+Rb+R1+R2)/(Rc+Rb+R1+R2+R3+R4+Rf)
VR3＝VREF(Rc+Rb+R1+R2+R3)/(Rc+Rb+R1+R2+R3+R4+Rf)
VR4＝VREF(Rc+Rb+R1+R2+R3+R4)/(Rc+Rb+R1+R2+R3+R4+Rf)
Vf＝(i1+i2+i3+i4).(Rs+R9)
在Vrect间隔期间当只有组1和组2导通时，Vf＝(i1+i2).(Rs+R9)。U1C强制使Vf＝VR2，其中VR2高于VR1，且U1D关闭Q1、将i1节流。随着Vrect增大到足以开启组1、组2和组3，U1B强制使Vf＝VR3，VR3高于VR2。U1C以类似的方式关闭Q2。同样的类推适用于当组4开启时的情形。VRs的这些差别将补偿OP-AMP输入偏置电压及其它非理想的参数。这些差别也促使各个相开关PS中的调整相电流值不同，导致当各连续的相开关开启时总电流itotal增加。下列等式描述了在各个相开关导通时它们中的调整相电流值。假定全部是理想元件。
i1＝VR1/(Rs+R9)
i2＝VR2/(Rs+R9)
i3＝VR3/(Rs+R9)
i4＝VR4/(Rs+R9)
包含Rx、Ry和U3A的过压/过功率保护电路监测Vrect并下拉全部VRs，当Vrect高于预设的阈值时，该电路有效地关闭全部相开关。通常用VCC作为这种过压阈值的参考。
图5示出实现无源电流限制的电路，其中相电流由与在传导路径中的相开关串联连接的电阻器限制。组1的相开关PS1包括电阻器R11、晶体管Q1、电阻器R31及OP-AMP U1D。相开关PS2、PS3和PS4包括同样排列的类似元件。Rc和Rb设置参考电压VREF。电容器Cb单独用作旁路电容器。一开始，U1D驱动Q1开启，但直到Vrect上升至足以开启组1的电压时相电流i1才流动。随着Vrect上升得更高，i1增大但为下列等式所限：
V1＝(Vrect-Vgroup1)和
i1＝V1/(R11+Rds(on)Q1)；其中Vgroup1为组1两端的电压降，Rds(on)Q1为Q1导通时的导通电阻。
当Vrect升至组1和组2都导通的下一电压时，U1D通过经由R1和R41监视V2来检测这一状态并关闭Q1。选择(R11+Rds(on)Q1)的值从而将i1限制到适当水平上直到Q1被关闭。当Vrect升到足以开启组1、组2和组3时，U1C通过监视V3检测这一状态并关闭Q2。同样的类推适用于下一相，其中V4触发U1B来关闭Q3。随着Vrect继续增大，V4继续增大。当V4增至阈值时，U1A经由Rx和Ry检测这一过压/过功率状态，并关闭Q4。当Vrect达到它的峰值并下降时，上述情形反过来。
图6示出几乎与图5中电路相同的电路，不过各个相开关的关闭动作由它自身的相电压水平确定，而不是由下游相电压确定。U1D经由R1和R41检测组1的相电压V1，并在该相电压水平超出由VREF设定的阈值时关闭Q1。调整VREF允许Q1在不同的时间关闭，这有效地改变了Q1的导通时间并产生出调光的效果。类似的电路运作适用于后续的相。
注意，在该电路中的各PS监测它自身的相电压来确定何时关闭它自己，而在图5电路中的各PS监测下游相电压来关闭它自己。PS监测它自身相电压与下游相电压二者来确定最佳关闭时刻是可能的。这样的变型包括在本实施例中。
图7示出与图5和图6中电路相似的电路，不过各个相开关的关闭由Vrect的电压水平直接确定。Rf、R1、R2、R3、R4与R9形成电阻分压器，从Vrect产生出与Vrect成正比的Vf1、Vf2、Vf3和Vf4。当Vrect增至相当于Vf1≥VREF的电压时，U1D关闭Q1。类似地，随着Vrect进一步增加，Vf2变得等于或大于VREF并且U1C关闭Q2。同样的类推适用于后续的相。通过改变VREF和/或R9，该相开关在不同的时间关闭，产生出调光的效果。由于在Vrect达到相当于Vf4≥VREF的某一电压后Q4始终关闭，所以在该电路中过压保护是固有的。
图8示出采用与图3中电路同样原理的电路，不过利用NPN双极型晶体管(Q)来设计OP-AMP功能。Q1用作相开关PS1，Q2用作PS2，...，Q4用作PS4。Rs1，Rs2，...，Rs4和R9是电流检测电阻器。Rx、Ry和Q5形成过压/过功率保护电路。控制反馈工作如下：
在Vrect间隔期间当只有组1导通时：
i1＝(VREF-Vbel)/(Rs1+Rs2+Rs3+Rs4+R9)；其中Vbel为Q1的基极-发射极电压。
在该Vrect间隔期间当组1和组2导通时：
VREF＝Vbel+i1.RS1+Vf2
VREF＝Vbe2+Vf2；其中Vbe2为Q2的基极-发射极电压。
使两式相等并求解i1：
i1＝(Vbe2-Vbel)/Rs1
由于Vbe1和Vbe2大约相同，当i2升到它的调整值时i1被节流。忽略晶体管中的基极电流，用下列等式计算i2：
VREF＝Vbe2+(i1+i2).(Rs2+Rs3+Rs4+R9)
用前一等式替换i1并求解i2：
i2＝(VREF-Vbe2)/(Rs2+Rs3+Rs4+R9)-(Vbe2-Vbe1)/Rs1
为了使i1保持非常小而i2保持导通的目的，需要Rs1补偿Vbe1和Vbe2之间的差值。
在组1、组2和组3导通的下一Vrect间隔期间，获得类似的结果：
i3＝(VREF-Vbe3)/(Rs3+Rs4+R9)-(Vbe3-Vbe2)/Rs2
同样的类推适用于当全部四组导通时：
i4＝(VREF-Vbe4)/(Rs4+R9)-(Vbe4-Vbe3)/Rs3
为简明起见，上述对i1、i2、i3和i4的计算忽略了晶体管的基极电流。为了进行更精确的分析，基极电流可以加入到计算中，这没有脱离该电路的精神。
为了在下一相导通时最小化在前的相电流，Rs1、Rs2和Rs3将要补偿Vbe的差值。这些电阻器引入了后续相的电流限度相比前一相的电流限度的增量。应使这些电阻器的值相对(Rs4+R9)的和较小以最小化这种电流增量(以便总电流相对恒定)。改变电流检测电阻器改变了所设的电流限度并产生调光的效果。R9示出了这种实现。改变VREF也产生类似的调光效果。
Q5经由Rx和Ry监测V4。当V4达到设定阈值时，Q5下拉参考电压VREF，由此关闭全部NPN双极型晶体管Q从而保护Q4防止高功率消耗。
为提供功率因素校正，将VREF改变为遵循Vrect形状的AC电压(例如在图3中使用的AC电压)。
图9示出与图8中电路类似的电路，不过它采用与图4中电路类似的反馈排列。该电路对于全部相都采用普通电流检测电阻器(Rs+R9)。它为每一相采用不同的参考电压以补偿Vbe的差值。R1、R2、R3、R4、Rf和Rc形成示例性电路来产生这些参考电压VR1、VR2、VR3和VR4，其中VR4＞VR3＞VR2＞VR1。由于有很多不同的方式来产生电压基准，当前的实施例没有示出这些变型的全部。这类变型并不背离本发明的精神。
图10示出结合了图8和图5中电路原理的电路。该电路利用普通电流检测电阻器串(Rs+R9)调整各相中的电流，并通过检测下游相的相电压来关闭上游相。相开关PS1包括Q1、Q11、R1、R11和R21。PS2和PS3包括同样排列的类似元件。PS4包括Q4、Q14、R14、Rx和Ry。PS4包含一包括Rx、Ry和Q14的过压/过功率保护电路。
当组1导通时，相电流i1被限制为：
i1＝(VREF-Vbe1-ib1.R11)/(Rs+R9)；其中Vbe1为Q1的基极-发射极电压，ib1为Q1的基极电流。
当组2导通时，i2被限制为类似的等式：
i2＝(VREF-Vbe2-ib2.R12)/(Rs+R9)
Q11通过经由R1和R21监视相电压V2来检测组1的导通并关闭Q1。注意，在Q1和Q2都导通的时候总电流itotal将被限制为这两个电流中的较大者。
当后续组开启时，同样的类推适用。在Q4开启之后而Vrect还在增加时，Q14通过经由Rx和Ry监视相电压V4来检测该过压/过功率状态并关闭Q4。
改变R9改变了电流限度并产生调光的效果。改变VREF产生类似的结果。施加具有遵循Vrect波形的AC波形的VREF产生功率因素校正。
各个相开关可检测它自身的相电压以确定何时关闭它自己。尽管这种技术在该示意图中未示出，但它是可行的。应用这种技术不偏离本实施例的原理。
图11示出采用了结构与图10中电路结构类似的电路，不过没有有源电流限制。该电路使用电阻器来限制各相中的相电流。相开关PS1包括晶体管Q1、Q11、R1、R11、R21和R31，其中在相电流i1的导通路径中电阻器R31连接到晶体管Q1。PS2和PS3包括以同样排列设置的类似元件。PS4包括类似的元件，但另外包含一包括Rx和Ry的过压保护电路。
当组1导通时，相电流i1由该等式限制：
i1＝(Vrect-Vgroup1-VCEsat1)/R31；其中Vgroup1是组1两端的电压降，VCEsat1是Q1的集电极-发射极饱和电压。
当组2也开启时，Q11经由R1和R21检测该状态并关闭Q1。相电流i2由类似等式限制：
i2＝(Vrect-Vgroup1-Vgroup2-VCEsat2)/R32；其中Vgroup2是组2两端的电压降，VCEsat2是Q2的集电极-发射极饱和电压。
当后续组开启时，同样的类推适用。Q14经由Rx和Ry监测V4并关闭Q4以保护Q4防止过压/过功率状态。Vrect继续增加到它的峰值电压并下降，情形反过来。
图12示出类似于图11中电路的电路，不过它直接检测整流电压Vrect以确定何时关闭各个相开关PS。Rf、R1、R2、R3、R4和Rc形成电阻分压器，产生与Vrect成正比的参考电压Vf1、Vf2，...，Vf4。这些电压被馈入Q11、Q12，...，Q14，而Q11，Q12，...，Q14在预定阈值分别关闭Q1、Q2，...，Q4。改变Rc使改变相开关的关闭电压的参考电压变大和变小，有效地产生调光的效果。
图13示出了说明一个只需要少量光的应用例的电路。电阻器Rg1和D1表示LED组。该电路包含单一相。该组中LED的数目可以少至一个。晶体管Q1只在整流电源的每个半周期起始和结束时开启。当Q1导通时，参考电压VREF、晶体管R11和Rs调整流经它的电流。晶体管Q11、二极管D5、电阻器R1和R21形成过压/过功率保护电路，当整流电压Vrect升到导致Q1中产生高功率消耗的阈值以上时，该保护电路关闭Q1。
图14示出了图3中电路在开关SW1置于位置1(恒流限制模式)时的仿真结果。顶部的轨迹示出整流电源(Vrect)的半周期。相电流i1首先开启，接着是i2、i3，...等等。当i2开始开启时，i1逐渐关闭以便总电流itotal基本上保持不变和平滑。当i2开启到它的调整值时，i1减小到接近零的低水平。设计i1的这一低电流水平以使相开关PS1中的功率消耗是可忽略的或是可由应用容许的。这一低水平电流有多接近零取决于对元件以及控制反馈技术的选择。本图也说明了各后续相电流比上游相电流略高的事实。
图15是图14中同一电路的仿真结果，不过过压/过功率电路被激活。当Vrect达到阈值时，所有电流关闭。在这一段关闭时间内，在相开关中没有功率消耗，LED组中也没有。
图16是图14中同一电路的仿真，不过SW1置于位置2，该位置将VREF设计为具有与电源波形相同的波形的AC电压。该图说明了对总电流(itotal)进行功率因素校正时的电路结果。
图17是图10中电路的仿真结果。该结果与图14的仿真结果相似，在图14中下游相电流平稳地取代了上游电流。与图14的不同在于，各上游电流在相应下游电流达到它的调整值之后完全关闭。另一个不同在于，各个相开关的调整电流值相同(给出并采用实际元件容限)。
注意在转换边缘总电流(itotal)不是很平滑。这种结果可通过优化该设计来改进。
当Vrect达到阈值时，过压/过功率保护电路关闭全部相电流。
图18是类似图10中电路的电路仿真结果，不过关闭情况通过监测各相自身的电压并与参考电位比较来确定。改变参考电压允许上游相在相应下游相开启之前关闭，这导致调光的效果。
图19是图13中电路的仿真结果。这是单一相应用，其中组内LED的数目可低至一个。LED只在整流电源的每个半周期起始和结束时开启。
在整流电源的每一个半周期内，有来自任何相开关及可能来自过压/过功率电路的至少一个开关动作。这一开关动作具有为电源频率一倍(或多倍)的频率。它可用作各种不同定时用法的基础时钟信号。
以上所公开的实施例示出了八相、四相与一相应用。然而，这些电路可以进行缩减或从1相扩展到N相，其中N为任何正整数。
示出的参考电压是恒定DC值或者是遵循输入电压波形的AC值。使这些值依赖于温度是可能的。即使未明示，这类变型也包含在实施例中。应用这类变型没有偏离本发明及公开实施例的范围。
尽管在全部实施例中都使用了参考电压，但一种显而易见的替换是使用参考电流。在电子工业中，参考电压和参考电流可互换地使用。在所公开的实施例中使用参考电流代替参考电压没有脱离本发明的范围和精神。
以下是这类变型的一些例子：当系统温度高时，有可能需要减小电流限度以使LED和其它元件在安全运行温度之内。另一方面，在高温下LED光输出一般会减小。如果系统中的LED和其它元件能够应付高温、高功率消耗，那么有可能需要增大电流限度以维持恒定的光输出。在任一情形下，将电流限度作为温度的函数来变大或变小可以使得VREF或电流检测电阻器的值二者中的一个与温度有关。正温度系数(PTC)、负温度系数(NTC)、双极型结(Vbe)、齐纳二极管等可用来将一适当的温度依从关系引入VREF或电流检测电阻器中。
前面的描述意图仅是说明性的，而不是为了限制本发明，根据本发明的众多另外的替换实施例对本领域技术人员来说是显然的。因此，虽然在这里公开了本发明的某些优选实施例，但对本领域技术人员来说显而易见的是：在本发明的形式和细节上可能作出的各种改变没有脱离本发明的精神和范围。

Claims (14)

1、一种多相驱动发光二极管(LED)的方法，包括：
提供分为组的LED串，所述LED组相互间串联地电连接；
提供电连接到该LED串的电源；
通过单独的导电路径，分别将各组连接到地；
在各单独的导电路径中提供相开关；以及
增大来自电源的输入电压以按向该串下游的次序逐组地开启LED。
2、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，进一步包括：
调整流经相开关的相电流，以便当该相电流达到参考电压或参考电流所设计的调整值时它在输入电压增大的情况下由该参考电压或参考电流确定；并且
当在上游组下游的下一组的相电流随着输入电压的增加达到它的调整值时，将所述上游组的相电流减小到最小限度的值或者关闭所述上游组的相开关。
3、根据权利要求2所述的方法，其特征在于，各个相开关的参考电压或参考电流保持恒定。
4、根据权利要求2所述的方法，其特征在于，各个相开关的参考电压或参考电流被设为与输入电压的形状相同。
5、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，进一步包括：
监测各组的相电压；以及
当在上游组下游的下一组的相电压达到预定值时，关闭所述上游组的相开关。
6、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，进一步包括：
监测各组的相电压；以及
当一组的相电压达到预定值时，关闭所述组的相开关。
7、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，进一步包括：
监测来自电源的输入电压；
当所述输入电压达到第一预定值时，关闭第一组的相开关；
当所述输入电压达到第二预定值时，关闭第二组的相开关；以及
重复该关闭步骤直到所设计要关闭的所有相开关都关闭为止。
8、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，进一步包括：
提供与所述串的最后一组串联连接的LED附加组，其中所述附加组在所述串中剩余组的输入电压的范围以下不开启以防止过压或过功率。
9、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，进一步包括：
监测所述输入电压；以及
如果所述输入电压比预定值高，那么关闭提供的所有相开关。
10、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，进一步包括：
监测所述串中最后一组的相电压；以及
如果该相电压比预定值高，关闭所有组的相开关。
11、根据权利要求2所述的方法，其特征在于，当在上游组下游的下一组的相电流逐渐达到调整值时，该上游组的相电流逐渐减小到所述最低限度的值。
12、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，进一步包括：
在直接处于上游组下游的下一组开启之前，关闭该上游组。
13、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，进一步包括：
在直接处于上游组下游的下一组开启之后，关闭该上游组。
14、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，进一步包括：
降低来自电源的输入电压以按与在该串上游的次序相反的次序逐组地关闭LED。
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