限流驱动电路和方法

1.本发明涉及限流驱动电路和限制输入电流的方法，特别是用于驱动需要可变限制输入电流的负载电路的驱动电路和方法。本发明主要被描述为用于驱动基于发光二极管(leds)的照明负载电路中，但本发明不限于该特定用途。


背景技术：

2.用于发光二极管(led)系统的电子驱动器通常基于开关模式电源技术。这些倾向于使用由栅极驱动电路和集成控制电路控制的半导体功率开关。其中大多数还使用电解电容器作为能量缓冲器。对于诸如街道照明等户外应用，电子led驱动器的可靠性较低，这是因为这些应用中温度变化范围广且闪电频繁。电解电容器也因其寿命短而闻名。
3.本发明人先前已提出无源led驱动器，包括美国专利8482214和9717120以及美国专利公开2015/0296575中公开的那些。与电子led驱动器(或有源led驱动器)不同，这些无源led驱动器不使用由栅极驱动电路、集成控制电路或电解电容器控制的半导体功率开关。
4.由于无源led驱动器一般不包含任何电子控制，因此它们未被设计有调光功能。而是，先前已经建议了借助外部电路的调光功能。在美国专利8482214中，提出了两种方法。首先，建议带有分接控制的电感器，以改变输入电感器的阻抗，从而进行调光控制，如图5所示。该分接控制电感器可以与主输入电感器一起形成，也可以以主输入电感器的附加电感器的形式形成。其次，可以使用受控电流源来改变输入电感器的阻抗。然而，前一种方法需要对电感器进行分接，这使得输入电感器的制造成本很昂贵。后一种方法更是昂贵，这是因为它需要受控电流源。
5.本发明的目的是克服或改善现有技术的至少一个缺点，或提供有用的替代方案。


技术实现要素：

6.本发明在第一方面的实施例提供了一种驱动电路，包括：
7.输入电感器，用于接收提供给驱动电路的输入电流；和
8.一个或多个可开关电容器，每个可开关电容器可切换成并联跨接输入电感器以及与输入电感器断开连接，因而输入电感器和可开关电容器一起提供一可变阻抗，该可变阻抗对应于被切换成和输入电感器连接的可开关电容器的数量，其中可变阻抗可变地限制输入电流。
9.本发明在第二方面的实施例提供了一种限制输入电流的方法，该方法包括：
10.用输入电感接收输入电流；和
11.将一个或多个可开关电容器切换成并联跨接输入电感器或者与输入电感器断开连接，因而输入电感器和可开关电容器一起提供一可变阻抗，该可变阻抗对应于被切换成和输入电感器连接的可开关电容器的数量，其中可变阻抗可变地限制输入电流。
12.本发明在第三方面的实施例提供了一种由以上关于第一方面描述的驱动电路驱动的led照明系统。
13.本发明的其他特征和实施例可以在所附权利要求中找到。
14.贯穿本技术文件，包括权利要求，词语“包括”、“包含”和其他类似术语应被解释为包容性含义，即，“包括但不限于”的含义，而不是排他性或详尽的含义，除非另有明确说明或上下文另有明确要求。
附图说明
15.现在将参考附图仅以示例的方式描述根据本发明的最佳模式的优选实施例，在附图中，除非另有说明，否则相同的附图标记在所有附图中指代相同的部分，并且其中：
16.图1是如美国专利8482214所公开的现有无源led驱动器的电路示意图，本发明的实施例非常适合该驱动器；
17.图2是如美国专利公开2015/0296575所公开的现有无源led驱动器的电路示意图，本发明的实施例非常适合该驱动器；
18.图3是如美国专利公开2015/0296575所公开的另一现有无源led驱动器的电路示意图，本发明的实施例非常适合该驱动器；
19.图4是本发明的实施例非常适合的现有无源led驱动器的电路示意图；
20.图5是如美国专利8482214所公开的使用可开关输入电感器对led电路进行调光的现有电路的电路示意图；
21.图6是如美国专利8482214所公开的使用受控电流源来改变输入电感器的阻抗以对led电路调光的现有电路的电路示意图；
22.图7是本发明的实施例非常适合的现有无源led驱动器的电路示意图；
23.图8是根据本发明一实施例的驱动电路的电路示意图；
24.图9是根据本发明一实施例的驱动电路的电路示意图；
25.图10是根据本发明一实施例的驱动电路的简化电路示意图；
26.图11是根据本发明一实施例的驱动电路的另一个简化电路示意图；
27.图12是根据本发明一实施例的驱动led负载的驱动电路的调光特性曲线图，在y轴上显示了led负载功率，其对应于x-轴上所连接可开关电容器的数量；以及
28.图13是图8实施例的模拟输出功率的曲线图。
具体实施方式
29.参考附图，提供了一种驱动电路1，包括：输入电感器ls，用于接收提供给驱动电路的输入电流is；以及一个或多个可开关电容器c
dn
和sn(即c
d1
和s1、c
d2
和s2，...，c
dn
和sn)。每个可开关电容器c
dn
和sn可切换成并联跨接输入电感器ls以及与输入电感器ls断开连接，因而输入电感器ls和可开关电容器c
dn
和sn一起提供一可变阻抗z
eq
，该可变阻抗z
eq
对应于被切换至和输入电感器连接的可开关电容器的数量，其中可变阻抗z
eq
可变地限制输入电流is。以这种方式限制的输入电流is显示为i
eq
。
30.可开关电容器c
dn
和sn包括电容器c
dn
和双向开关sn，该双向开关sn可切换地将电容器c
dn
并联跨接输入电感器ls以及将电容器c
dn
与输入电感器ls断开连接。双向开关sn可以是以下中的一种或多种：机电继电器、接触器、固态继电器、电磁继电器、可控半导体开关、电力电子开关、mosfet、绝缘栅双极晶体管以及晶闸管。然而，可以理解，双向开关可以是能够
切换成将电容器c
dn
并联跨接输入电感器ls以及将电容器c
dn
与输入电感器ls断开连接的任何开关装置。有利地，电容器c
dn
是非电解电容器。
31.在本发明实施例中，输入电流is由ac(交流)电压源或交流电源电压vs提供。驱动电路1包括整流电路2，用于将交流输入功率整流成直流输出功率。具体而言，输入电流is和输入(或供应)电压vs被整流为输出电流io和输出电压vo。整流电路2可以是任何能够将交流输入功率整流成直流输出功率的电路，例如：全桥二极管整流器、半桥二极管整流器、倍压(voltage doubling)半桥二极管整流器、多倍压(voltage multiplying)全桥二极管整流器和多倍压半桥二极管整流器。驱动电路1还可以包括电压平滑电路3，用于平滑来自整流电路2的输出电压vo。电压平滑电路3可以是以下中的一种或多种：电容器c2和填谷电路。驱动电路1还可以包括输出电感器lo，用于提供平滑的输出电流io。驱动电路1可以另外包括用于功率因数校正的输入电容器cs。此外，驱动电路1可以包括输出电容器co，用于在由驱动电路1驱动的负载电路4被移除或损坏的情况下为输出电流io提供闭合路径。
32.有利地，驱动电路1是无源的。换言之，驱动电路1不需要任何有源组件。这促成具有相对较长工作寿命的耐用得多且可靠得多的驱动电路1，以及更便宜的驱动电路1。还有利地，驱动电路1不包括电解电容器。这避免了电解电容器的寿命相对有限或较短的问题，再次促成具有相对较长工作寿命的耐用得多且可靠得多的驱动电路1。
33.驱动电路1可以包括控制单元，用于控制可开关电容器c
dn
和sn的开关，从而可控地限制输入电流is。控制单元可以提供对可开关电容器c
dn
和sn的开关进行的自动控制。所述自动控制可以依赖于环境传感器。例如，所述环境传感器可以是环境光传感器，并且所述控制单元将可开关电容器c
dn
和sn中的一个或多个切换成连接到输入电感ls，从而在环境光传感器感测到增加的环境光水平时，对驱动电路1所驱动的led负载4进行调光。所述控制单元可以向用户提供对可开关电容器c
dn
和sn的开关进行的手动控制。例如，当需要增加的照明水平时，用户可以将可开关电容器c
dn
和sn中的一个或多个切换成与输入电感器ls断开连接，从而使驱动电路1所驱动的led负载4变亮。如这些示例中所示，驱动电路1非常适合适配用于驱动一个或多个led 4，其具有可变阻抗z
eq
，从而提供对led 4的可控调光。驱动电路1也非常适合适配用于驱动hid(高强度放电)灯系统，其具有可变阻抗z
eq
，从而提供对hid灯的可控调光。驱动电路1实际上非常适合驱动需要可变限制输入电流的任何其他负载电路。
34.在本发明的另一方面，提供了一种由根据上述任一实施例所述的驱动电路驱动的led照明系统5。在本发明的又一方面，提供了一种由根据上述任一实施例所述的驱动电路驱动的hid灯照明系统。
35.在图8所示的实施例中，驱动电路1接收交流电源电压vs。这提供了由输入电感器ls接收的输入电流is。每个可开关电容器c
dn
和sn可切换成并联跨接输入电感器ls以及与输入电感器ls断开连接，因而输入电感器ls和可开关电容器c
dn
和sn一起提供一可变阻抗z
eq
，该可变阻抗z
eq
对应于被切换至和输入电感器连接的可开关电容器的数量，其中可变阻抗z
eq
可变地限制输入电流is。以这种方式限制的输入电流is显示为i
eq
。然后，is(作为i
eq
)和vs由整流电路2整流成输出电流io和输出电压vo。以平滑电容器c2形式跨接整流电路2的电压平滑电路3对整流电路2所提供的输出电压vo进行平滑。输出电感器lo连接在电压平滑电路3之后，以提供已平滑输出电流io。输入电容器cs连接在交流电源电压vs和输入电感器ls(其与一个或多个并联开关电容器c
dn
和sn组合)之间，用于功率因数校正。输出电容co跨接负载电
路4(在本实施例中为输出电感器lo之后)，以在驱动电路1所驱动的负载电路4被移除或损坏时为输出电流io提供闭合路径。
36.在本发明的又一方面，提供了一种限制输入电流的方法。该方法的实施例包括：用输入电感器ls接收输入电流is，并且将一个或多个可开关电容器c
dn
和sn(即c
d1
和s1、c
d2
和s2、...、c
dn
和sn)，切换成并联跨接输入电感器ls或断开与输入电感器ls的连接。因而，输入电感器ls和可开关电容器c
dn
和sn一起提供一可变阻抗z
eq
，该可变阻抗z
eq
与切换成和输入电感器连接的可开关电容器的数量相对应，其中可变阻抗z
eq
可变地限制输入电流is。以这种方式限制的输入电流is显示为i
eq
。
37.在本实施例中，输入电流is由交流电压源或交流电源电压vs提供。该方法包括将交流输入功率整流成直流输出功率。具体而言，输入电流is和输入电压(或供电电压)vs被整流为输出电流io和输出电压vo。该方法还包括：平滑来自整流电路2的输出电压vo。该方法还包括：在将输出电流提供给负载电路4之前平滑输出电流io。该方法可以额外包括：对输入功率(vs和is)提供功率因数校正。此外，该方法可以包括：在通过该方法所驱动的负载电路4被移除或损坏的情况下为输出电流io闭合路径。
38.有利地，该方法仅使用无源组件。还有利地，该方法不使用电解电容器。该方法还可以包括：控制可开关电容器c
dn
和sn的开关，从而可控地限制输入电流is。
39.如上所述，该方法的实施例可以包括并且非常适于：使用可变限制输入电流来驱动一个或多个led 4，从而提供对led 4的可控调光。该方法的其他实施例可以包括并且非常适合于：使用可变限制输入电流来驱动一个或多个hid(高强度放电)灯，从而提供对hid灯的可控调光。事实上，该方法可以包括并且非常适于：使用可变限制输入电流来驱动需要可变限制输入电流的任何其他负载电路。
40.无源led驱动电路自然与用于调光目的的外部电压控制相兼容。外部电压控制可以来自中央变压器或中央可控电压源，该中央变压器具有用于电压变化的分接控制。然而，本发明的实施例提供了一种用于无源led驱动电路的简单且低成本的调光电路和方法，尤其是那些设计为由标准交流电源供电的无源led驱动电路，然而，当交流电源在安全电压范围内变化时，相同的系统仍然可以正常运行。
41.图7示出了典型的无源led系统，其包括：输入电感器ls；半桥二极管倍压器(带有两个二极管和两个电容器c1)；平滑电容器c2；输出电感器lo，用于平滑输出电流io；小输出电容器co，用于在led负载4在操作期间被移除或损坏的情况下，为输出电流io提供闭合路径；和输入电容器cs，用于功率因数校正。
42.重要的是，要注意图7中的所有电容器都是固体类型，这意味着不需要包含液体电解质的电解电容器。此特点使无源led驱动器高度可靠且耐用。在选择功率二极管时，只要二极管的i2t额定值大于系统中保护熔断器的i2t额定值，无源led系统就可以享有长寿命，这是因为功率二极管是最可靠的功率半导体器件。
43.在图7所示电路的基础上，本发明的实施例跨接主输入电感器ls引入一个或多个可开关并联电容器c
dn
和sn(用于限制输入电流is以及输出功率)，如图8最佳所示，以便调整输入电感ls和可开关电容器c
dn
和sn的组合的整体阻抗。输入电感器ls和可开关电容器c
dn
和sn的这种组合，如图9最佳所示，可以称为“输入电流限制器件”。如图8最佳所示，双向开关sn用于跨主电感器ls连接电容器c
dn
。可以通过使用sn和c
dn
的一个或多个并联电路支路来改变
跨ls连接的并联电容的值，如图8最佳所示。这样，跨ls的等效电容可以离散步长改变，其中每个步长表示无源led系统5的相应调光设置。同样，图8中的所有电容器都是固体类型的，并且不是电解电容器。双向开关sn可以是机电继电器、接触器、固态继电器或配置为双向开关的可控半导体开关。
44.流经可开关并联电容器c
dn
和sn以及主电感器ls的电感器电流可以用简化的等效电路表示，如图10和图11所示。这里，图8中的c
dn
可以称为“调光电容器”，这是因为跨主电感器ls电容器c
dn
的每次增加(即c
d1
、c
d2
、...、c
dn
)表示一种调光设置(其中第一个下标“d”表示该电容器用于调光，而第二个下标“n”＝1,2,...,n，其中n是调光设置的数字)。例如，如果需要全功率的85％和70％两种调光设置，则需要两组双向开关sn和调光电容c
dn
支路。各支路中的双向开关sn与调光电容器c
dn
串联，且各支路并联跨接输入电感器ls上。在图8所示的这个特定示例中，n＝2。
45.现在，设cd为用于一种特定调光设置的总等效调光电容。图8所示的带半桥二极管整流倍压器的无源led系统的简化等效电路如图10所示。图10所示的简化等效电路可以进一步简化为图11所示的等效电路。
46.并联的ls和cd形成等效阻抗z
eq
，其可表示为：
[0047][0048]
其中z
ls
是ls的阻抗，以及
[0049]
k＝(1-ω2l
scd
)
ꢀꢀꢀ
等式(2)
[0050]
并且因数k≤1。
[0051]
等式(1)表明增加并联cd会降低k并增加从z
ls
到z
eq
的等效阻抗。由于当cd》0时z
eq
》z
ls
，所以电流限制阻抗的增加将降低输入电源电流，从而降低led负载4中的功率。在本发明的实施例中采用这个重要特征用于调光目的。
[0052]
图7中无调光和图8中有调光时，主电感器电流i
ls
的一般公式是相同的：
[0053][0054]
对于“全”功率(即没有调光)的情况，主电感器电流表示为i
lsf
。现在，考虑图11中调光下的等效电路，z
eq
的等效电流为：
[0055][0056]ieq
＝i
lsfkꢀꢀꢀ
等式(4b)
[0057]
其中i
lsf
是无源led系统5全功率时主电感器ls的电流。
[0058]
等式(4a)和(4b)表明等式(2)中的k因数可被视为调光因数。然而，重要的是要注意，图8中的无源led系统5的实际调光百分比也受到其他因素的影响，例如功率因数校正电容器cs。一般而言，cs设计为在无源led系统5全功率时实现单位单位功率因数或接近单位功率因数。当i
eq
与i
lsf
不同时，cs不再补偿无功功率以实现单位输入功率因数。
[0059]
设计c
d1
、c
d2
等以实现精确调光功率水平的简单方法是使用计算机模拟研究。例如，基于图8所示的系统，用于一项模拟研究的120w无源led系统5的参数为：
[0060]vs
＝220v(50hz)，ls＝0.55h(其中绕组电阻为3.35欧姆)，c1＝80μf，c2＝20μf，cs＝
15μf，co＝0.6μf，且lo＝0.3h。led灯串4的总电压为210v，且灯串电阻为3欧姆。
[0061]
图12显示了无源led系统5的调光百分比相对于调光电容器cd的范围。如果需要85％功率的调光设置，则需要调光电容cd＝4.3uf。图13显示了额定功率为120w的无源led系统5在4.3uf的可开关调光电容器cd开关进以及开关出led系统5时的模拟输出功率。可以看出，当cd＝0时，输出功率为满功率115w，当cd＝4.3uf时，变为98w。因此，根据本发明实施例的可开关并联电容器方法的调光功能得以确认。
[0062]
还应当理解，上述实施例仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施例，并且本发明不仅限于此。本领域普通技术人员可以在不脱离本发明的精神和实质的前提下做出各种变型和修改，并且这些变型和修改也由本发明的保护范围覆盖。因此，尽管已经参考具体示例描述了本发明，但是本领域技术人员应当理解，本发明可以以许多其他形式实施。本领域技术人员还可以理解，所描述的各种示例的特征可以以其他组合形式进行组合。