被布置用于发射特定颜色光的基于发光二极管LED的照明设备以及对应的方法与流程

被布置用于发射特定颜色光的基于发光二极管led的照明设备以及对应的方法
技术领域
1.本发明总体上涉及照明领域，并且更具体地涉及基于发光二极管(led)的照明设备，其被布置成发射特定颜色的光。本发明还涉及一种操作基于led的照明设备的方法。


背景技术：

2.已经开发了利用发光二极管led的照明设备，用于各种照明应用。由于led灯的长寿命和高能效，现在led灯也被设计用于替代传统的荧光灯，即用于改型应用。对于这样的应用，改型的led灯通常适于装配到待改型的相应灯具的灯座中。此外，由于灯的维护典型地由用户进行，所以改型的led灯理想地应当易于用任何类型的合适的器材来操作，而不需要重新布线该器材。
3.本公开涉及基于多通道led的照明设备。每个通道可以包括能够发射特定颜色的光的多个led。例如，可以引导第一通道发射红色光。可以引导第二通道发射绿色光，并且可以引导第三通道发射蓝色光。
4.在这种照明设备中，可以使用固定电压源来为每个通道中的led供电。通过每个通道的电流可以在工厂中通过调谐与特定通道的led串联放置的电阻器来设置。这种方法的其中一个缺点涉及几种干扰因素，诸如电源的电压变化、电缆长度(即阻抗)，通道之间的相互作用，后者可能导致目标通量和色点的误差。
5.更具体地，典型地，存在用于控制多个开关的控制器，其中每个开关被布置为启用特定通道。例如，第一开关可以启用红色通道，第二开关可以启用绿色通道，第三开关可以启用蓝色通道，等等。可以为开关提供具有特定占空比的脉宽调制pwm信号。应该选择pwm信号的频率，使其超过人眼的刷新率。这将防止用户看到任何闪烁。通过控制占空比，可以控制每个通道对发射的光的总量的贡献，并且因此还控制由基于led的照明设备发射的光的颜色。
6.通常，用户可以表达或输入他/她希望基于led的照明设备发射的颜色。如上所述，本发明人已经发现，可能存在许多干扰因素，这些干扰因素阻止对馈送到开关的每个pwm信号使用静态占空比。


技术实现要素：

7.有利的是，实现一种基于发光二极管(led)的照明设备，其被布置用于发射特定颜色的光。还有利的是实现对应的方法。
8.在第一方面，提供了一种基于发光二极管led的照明设备，其被布置用于发射特定颜色的光。led基照明设备，包括：
9.－电源单元，该电源单元被布置成用于提供用于为led供电的直流dc总线电压；
10.－多个并联级联的led通道，其中所述led通道中的每一个led通道连接到所述总线电压并且包括至少一个有色led和用于激活对应的所述led通道的开关；
11.－控制器，该控制器被布置成用于向所述led通道中的所述开关中的每一个开关提供控制信号以便周期性地激活所述led通道，其中所述控制信号中的每一个具有占空比，并且其中所述控制器被布置成用于基于所接收的颜色设定点来确定所述控制信号的所述占空比；
12.其中所述控制器被进一步布置用于通过确定每个通道的瞬时电流并且将所述瞬时电流与由所确定的占空比产生的预期电流进行比较，来确定由所述基于led的照明设备中的寄生效应引起的每个所述led通道的光输出的不足量，并且用于基于所确定的所述不足量来增加所述占空比。
13.本发明人已经发现，可以存在于基于led的照明设备的电路内的任何地方的许多寄生部件可以以负面的方式有助于由基于led的照明设备发射的光颜色的准确性。即，颜色设定点和由基于led的照明设备发射的实际有色光之间的差异通过增加寄生分量而增加。
14.当多个通道同时活跃时，寄生分类可以起主导作用，使得从电源汲取大电流。通常，当制造基于led的照明设备时，每个led通道被校准一次。这种校准可以在工厂中进行。在校准期间，可以激活和校准单个led通道。因此，校准可能不同时考虑多个通道的激活。
15.例如，总线串联电阻——其可以表示电源单元和实际的基于led的照明设备之间的电缆的电阻——可以在同时激活多个通道时在所获得的误差中起主导作用。也就是说，大电流可能导致总线串联电阻上的显著电压降，从而降低总线电压。dc总线电压可能变得低于预期。
16.通过每个通道的电流可以由电流电阻器设置。为特定通道设置的占空比取决于预期流过特定通道的电流量。当总线电压低于预期时，电流量可能偏离预期电流，因此电流电阻器上的电压也低于预期。当对应的开关被激活时，这将导致流经通道的电流量减少。结果是相应的通道发射的光小于实际预期的光。如果特定通道发射的光少于预期，则在具有多个通道的系统的情况下，这也可能导致色偏移。
17.根据本公开，通过增加到对应开关的控制信号的占空比来处理上述情形。
18.换言之，除了由标称总线电压扩散引起的变化之外，瞬时电压波动也可能对基于led的照明设备的通量和颜色扩散具有严重的影响。这些电压波动典型地是负载相关的，并且因此可以充当启用的led通道的功能。在通常为1khz的每个周期内，多个通道的组合可以是活跃的，所有这些通道可以具有不同的接通时间，从而导致各种电流平稳期(plateau)。
19.当许多通道被启用时，负载电流最高，因此对电源单元的影响最严重，这导致更高的总线电压波动。除了电源行为之外，诸如总线串联电阻的寄生分量也可以引起更高的电压降，从电源单元将需要更多的电流。电源单元的行为和寄生分量的值对于控制器可能是未知的。控制器可以预期例如在启动或出厂过程期间收集的个体通道电流的测量值，这些测量值在启用更多通道时被简单地加在一起。由于总线电压波动和寄生分量损耗的影响，情况可能不是这样。因此，这些误差引入颜色和通量偏差。
20.根据本公开，控制器还被布置为：通过确定每个通道的瞬时电流并将所述瞬时电流与由所确定的占空比产生的预期电流进行比较，来确定由所述基于led的照明设备中的寄生效应引起的每个所述led通道的光输出的不足量；以及基于所确定的不足量来增加所述占空比。
21.注意，由于基于led的照明设备中的寄生效应，在任何所述led通道中出现光输出
的不足。这种缺陷可能具有多种影响。例如，可以降低基于led的照明设备的总亮度。另一选择是在例如仅一个led通道受到寄生效应影响的情况下改变颜色设定点。
22.在一个示例中，所述控制器被布置用于：
23.－确定与每个通道的所确定的瞬时电流乘以每个通道的对应的所述占空比的导通时间相关的测量值；
24.－将所述测量值与和预期测量值进行比较，该预期度量值与每个通道的所确定的所述瞬时电流乘以每个通道的对应的所述占空比的导通时间有关；
25.－对于每个信道，确定占空比的增加，使得所确定的测量值将基本上等于所述预期测量值；
26.－对于每个信道增加对应的所述占空比。
27.上述示例针对这样的情况，其中控制器旨在确保流过特定通道的电流总量基本上等于预期的电流总量。
28.例如，考虑在脉宽调制pwm信号的导通周期期间控制器期望通过特定通道的电流为35ma的情况。然而，由于所有种类的寄生损耗，实际获得的电流不是35ma，而是例如27ma。pwm信号的导通周期例如是1.9ms，因此控制器预期在1.9ms中有35ma流过特定通道。然而，实际上，27ma的量流动了1.9ms，这实际导致led在对应通道中的较少照明。
29.为了补偿上述问题，发明人已经认识到这可能难以增加电流量。这是由寄生方面引起的，寄生方面引起总线电压下降，总线电压下降又引起减少的电流量。为了克服上述问题，发明人已经发现增加占空比，即增加控制信号的导通时间。在这个示例中，导通时间可以增加到大约2.4ms，使得通过相应通道的电流总量基本上保持相同。
30.在一个示例中，该控制器被布置成用于通过以下方式来确定所述瞬时电流：
31.－测量所述多个并联级联led通道中的任一个所包括的感测电阻器上的电压。
32.如上所述，本公开涉及通过增加对应控制信号的占空比来补偿由寄生方面引起的瞬时电流量的减小的构思。瞬时电流量的减少可以用几种方式确定。本示例通过测量基于led的照明设备所包括的一个或多个感测电阻器上的电压来确定瞬时电流量，该一个或多个感测电阻器例如是在朝向多个led通道的供电线路中或在来自多个led通道的返回线路中的感测电阻器。另一种选择是在存在于实际的多个led通道中的感测电阻器(例如，电流设置电阻器)上测量电压。
33.在另一个示例中，该控制器被布置成用于通过以下方式来确定每个通道的所述瞬时电流：
34.－针对至少两个不同的dc总线电压测量流经所述相应通道的所述电流，并且
35.－测量所述dc总线电压并且通过对所述至少两个不同的dc总线电压的测量值进行插值来确定流经所述相应通道的相应的所述电流。
36.控制器可能不知道特定通道中的led的实际正向压降，并且因此也可能不知道特定通道中用于设置流过通道的电流的任何电阻器的值。然而，控制器可以通过针对至少两个不同的dc总线电压测量流经相应通道的电流来估计或插值这些方面。这可以例如在工厂中执行。
37.使用所获得的值，可以通过插值至少两个不同dc总线电压的测量值来估计通过特定信道的电流。在上述之后，在基于led的照明设备的操作期间，控制器可以通过测量dc总
线电压来确定流经特定通道的瞬时电流量。
38.在又一示例中，所述控制器被布置成用于：
39.－向所述led通道中的所述开关中的每一个提供控制信号以周期性地激活所述led通道，其中所述控制信号中的每一个具有占空比，并且其中所述控制器被布置成用于基于所接收的用于低流明输出的颜色设定点来确定所述控制信号的所述占空比，并且
40.－通过基于所确定的所述不足量增加所述占空比，将所述低流明输出缩放为高流明输出。
41.在上文中，可以一个接一个地执行两个参考步骤。即，首先执行提供步骤，随后执行缩放步骤。这在下面更详细地解释。
42.控制器可以首先确定用于控制多个led通道中的每一个led通道的控制信号中的每一个控制信号的占空比的比率。控制信号的比率对于实现正确的颜色设定点可能是重要的。在这个阶段，基于led的照明设备的总流明输出可以有意地保持为低。这里的目标是在控制信号的不同占空比之间具有正确的比率。通过有意地将流明输出的总量保持为低，减小了寄生方面的负面影响。
43.下一步骤涉及缩放。即，流明输出的总量将增加。如上所述，由于要由电源单元提供的电流总量的增加，寄生方面在该步骤中可以起更主导作用。
44.上述要求增加占空比以提供流明输出的总量。然而，控制器因此也可以基于寄生方面单独地补偿每个占空比，并且由此也补偿占空比之间的比率。在这个步骤中，该控制器因此可以进一步被布置成用于通过确定每个通道的瞬时电流并且将所述瞬时电流与由所确定的占空比产生的预期电流进行比较，来确定由所述基于led的照明设备中的寄生效应引起的每个所述led通道的光输出的不足量，并且用于基于所确定的所述不足量来增加所述占空比。
45.在进一步的示例中，基于led的照明设备进一步包括：
46.－存储器，其对于每个通道包括以下之间的关系：
47.－流过所述相应通道的总线电压或电流，以及
48.－由所述相应通道的所述至少一个相应的有色led发射的光强度；
49.其中所述控制器进一步被布置成用于确定流经所述相应通道的所述dc总线电压和/或所述电流并且用于考虑所述关系来控制所述led通道中的每一个led通道用以发射所述特定颜色的光。
50.注意，每个led通道可以包括用于控制流向相应通道的电流量的电流控制元件，其中电流控制元件基于dc总线电压控制通过相应通道的电流量。
51.电流控制元件可以是调谐电阻器，用于调谐对应通道的电阻值。
52.发明人洞察到，通道的光强度与流过该特定通道的电流有关。存在电流控制元件，用于确保预定量的电流流过通道。然而，电流控制元件的值可以基于标称(即标准)dc总线电压来确定。于是不考虑dc总线电压中出现的变化。因此，这些变化可能导致特定通道的不同光强度。
53.还要注意，每个通道中的led的正向电压可以不同。这样，与绿色led相比和与蓝色led相比，红色led可以具有不同的正向电压。因此有可能电流控制元件对于每个通道是不同的，并且因此有可能dc电压总线中的变化将对每个通道具有不同的影响。
54.发明人已经发现，如果控制器，即控制每个通道的控制器考虑到上述方面，则可能是有益的。更具体地，对于补偿方面，控制器可以使用dc总线电压来补偿每个通道的光强度特性，或者使用流过通道的电流来补偿每个通道的光强度特性。
55.也就是说，控制器可以使用上述信息来将每个通道控制为特定颜色的光。
56.根据本公开，电源单元可以被布置用于接收市电输入电源电压，例如230vac或任何类似的电压，并且可以被布置用于将该市电输入电源电压转换为dc总线电压，用于对每个通道中的led供电。
57.根据本公开，存储器可以是只读存储器rom，随机存取存储器ram、高速缓存或任何类似的存储器。
58.根据本发明，控制器例如可以是微控制器或任何其它控制装置，例如微处理器，现场可编程门阵列fpga、或任何类似装置。例如，微控制器可以在一些可用输入引脚处接收相关输入信号，并且可以在其它可用输出引脚处提供输出控制信号。
59.注意，对于每个通道，存储器可以包括流经所述相应通道的总线电压或电流与由所述相应通道的所述至少一个对应的有色led发射的光强度之间的关系。这是要广义理解的。通常，该关系涉及由通道输出的光和该通道的电特性。这可以用几种方式表示。例如，总线电压对电流特性，或任何类似特性。由于通过通道的电流表示由该通道发射的光，因此也可以间接地提供该关系。
60.根据本发明，有色led是发射特定颜色，例如白色、蓝色、绿色、红色等的led。
61.在一个示例中，该控制器被布置成用于通过以下方式来确定流经所述相应通道的所述电流：
62.－测量所述dc总线电压并且通过考虑所述测量的dc总线电压，流过所述通道的标称电流以及通道中的每个所述led的led正向电压来计算所述电流。
63.控制器还可以被布置用于测量存在于多个led通道中的led的led正向电压。
64.在另一示例中，控制器还被布置为测量环境温度，并且其中所述控制器被布置为考虑所述关系以及所述温度来控制用于发射所述特定颜色的光的所述led通道中的每一个led通道。
65.在本公开的第二方面中，提供了一种根据前述示例中的任一个示例操作基于发光二极管led的照明设备的方法。该方法包含以下步骤：
66.－由所述电源单元提供用于为led供电的dc总线电压；
67.－由所述控制器向所述led通道中的所述开关中的每一个提供控制信号，用于周期性地激活所述led通道，其中所述控制信号中的每一个具有占空比，并且
68.－由所述控制器基于所接收的所述颜色设定点确定所述控制信号的所述占空比；
69.－由所述控制器确定由所述基于led的照明设备中的寄生效应引起的所述led通道中的每一个led通道的光输出的所述不足量，并且
70.－由所述控制器基于所确定的所述不足量增加所述占空比。
71.应当注意，关于本发明的第一方面的实施例所公开的优点和限定也对应于本发明的第二方面的实施例，即用于操作基于led的照明设备的方法。
72.在一个实例中，该方法进一步包括以下步骤：
73.－通过所述控制器确定与每个通道的所确定的所述瞬时电流乘以每个通道的所
述对应占空比的导通时间相关的测量值；
74.－通过所述控制器将所述测量值与预期测量值进行比较，所述预期测量值与每个通道的所确定的所述瞬时电流乘以每个通道的所述对应占空比的导通时间有关；
75.－针对每个信道，由所述控制器确定占空比的增加，使得所确定的测量值将基本上等于所述预期测量值；
76.－针对每个信道，由所述控制器增加相应的所述占空比。
77.在第三方面，提供了一种其上存储有指令的计算机可读介质，当由基于led的照明设备的控制器执行所述指令时，所述指令使所述基于led的照明设备执行根据以上提供的任何示例的方法。
78.参考下面描述的实施例，本发明的这些和其它方面将变得显而易见并且得以阐明。
附图说明
79.图1示出了根据现有技术的基于led的照明设备；
80.图2示出了根据本公开的方法的流程图；
81.图3示出了说明本公开原理的图。
具体实施方式
82.图1示出了根据本发明的基于led的照明设备1。
83.这里，提供电源单元9用于产生直流dc总线电压7。dc总线电压7通常约为24伏dc，但可以在任何值的范围内。通常，为了防止任何危险情况，dc总线电压7至少低于约50v dc。电磁干扰emi滤波器可以靠近电源单元9的输出放置，用于减少dc总线电压7中的任何干扰。
84.在本方案中，基于led的照明设备1包括五个通道，如附图标记2，3，4，5，6所示。通道2，3，4，5，6中的每一个被布置用于发射具有特定颜色的光。例如，附图标记2表示的通道被布置用于发射红光，附图标记3表示的通道被布置用于发射绿光，附图标记4表示的通道被布置用于发射蓝光，附图标记5表示的通道被布置用于发射火焰白光，附图标记6表示的通道被布置用于发射冷白光。
85.不同通道2，3，4，5，6的每个led可以具有不同的电流要求并且可以具有不同的正向电压。led的正向电压被定义为该特定led上的电压降。
86.为了实现这一点，通道2，3，4，5，6中的每一个都配备有用于调谐通过通道的电流的电流控制元件。假设dc总线电压标称为24v dc。第一通道，即附图标记2所示的通道，可以具有六个led，每个led具有3v dc的正向电压。这将在led上累积大约18v dc的电压降。剩余电压，即24v dc－18v dc是6vdc，是电流控制元件上的电压。然后可以调谐电阻器值以指定流过通道的电流。
87.可以存在控制器8来控制信道2，3，4，5，6。更具体地，控制器8可以向通道2，3，4，5，6的相应开关提供控制信号，用于启用或禁用相应的通道2，3，4，5，6，以实现发射的总光的特定期望颜色。
88.通常，这些控制信号是脉宽调制pwm信号。这些pwm信号的占空比可以由控制器设置，用于实现基于led的照明设备发射特定颜色的光。控制信号的占空比之间的比率确定实
际发射的特定光颜色。
89.因此，控制器确定每个控制信号的占空比。该控制器进一步被布置成用于通过确定每个通道的瞬时电流并且将该瞬时电流与由所确定的占空比产生的预期电流进行比较，来确定由基于led的照明设备中的寄生效应引起的每个led通道的光输出中的不足量，并且用于基于所确定的不足量来增加占空比。
90.瞬时电流可以以多种方式确定。例如，rsense电阻器可用于确定流过组合的所有led通道的电流总量。例如，使用多个校准的总线电压，可以将电流总量分成通过在该时刻活跃的通道的个体电流。
91.另一选择是测量每个电流控制元件上的电压，并且通过将测量的电压除以相应电流控制元件的电阻值来确定通过特定通道的电流。
92.例如，控制器可以确定与每个通道的所述确定的瞬时电流乘以每个通道的所述相应占空比的导通时间有关的测量值，将所述测量值与与每个通道的所述确定的瞬时电流乘以每个通道的所述相应占空比的导通时间有关的预期测量值进行比较，为每个通道确定占空比的增加，使得所述确定的测量值将基本上等于所述预期测量值，并为每个通道增加所述相应占空比。
93.应注意，本发明的寄生方面可源自电阻器，如“rcable1”所指示。电源单元9和多个led通道2，3，4，5，6之间的电缆的长度可以被建模为电阻器。这样的电阻器有助于电压降，使得总线电压7低于预期总线电压。这又导致通过每个led通道2，3，4，5，6的较低电流。
94.图2示出了根据本发明的方法的流程图51。
95.流程图51以获得新目标xyz 53开始52。新目标xyz53指示基于led的照明设备的期望颜色设定点。期望的颜色设定点可以涉及颜色的特定温度，例如4000k，或者可以涉及特定的ral颜色或任何类似的颜色。
96.将期望的颜色设置点提供给由控制器执行的颜色算法54。颜色算法54使用期望的颜色设定点来确定每个控制信号的占空比，以控制存在于多个led通道的每个中的多个开关。
97.在第一实例中，颜色算法54确定占空比之间的比率，但是确保由基于led的照明设备发射的流明总量(即光的总量)相对较低，例如1流明。这样，仅计算占空比之间的比率，而不计算发射光的强度。
98.在下一步骤中，通过相应地增加每个占空比并记住占空比之间的比率，将低流明输出缩放为高流明输出。然而，由于如上所述的寄生方面，占空比之间的比率在该过程期间可能改变。
99.在这个过程中，由基于led的照明设备中的寄生效应引起的每个led通道的光输出的不足量是通过确定每个通道的瞬时电流并且将所述瞬时电流与由所确定的占空比产生的预期电流进行比较来确定的，并且用于基于所述确定的不足量来增加所述占空比。
100.颜色算法的输入因此可以是目标颜色和亮度，并且可以是多个led通道的led的特性。这些特性是在给定驱动电流下每个初级led的色点和通量。这些参数可以补偿由于灯的自加热引起的温度升高。注意，在所讨论的电子架构中，通过led串的驱动电流可能由于总线电压的波动而变化。
101.在电压驱动系统的情况下，可以将目标通量设置为1流明，使得不同通道之间的占
空比将是正确的。
102.然而，亮度将因此非常低。这就是为什么引入将占空比缩放为更高值的后处理步骤的主要原因。可以增加该比例，直到占空比为100％或者达到电源的额定功率的功率，以防止电源的过供电。
103.图3示出了说明本公开原理的图101。
104.用具有主导rcable1的示例来解释该过程。
105.标称总线电压为24v。在该电压下，如果没有施加主导电缆电阻器rcable1，则所描绘的led通道(led通道之一，例如红、绿或蓝)，即具有参考“i(led)”的线应当汲取36ma。在图中可以看到与该理想值的偏差；可以区分三个不同阶段：
106.阶段a.启用基于led的照明设备的所有三个led通道。高电流流过电缆电阻器rcable1，降低led通道上的电压vx，并从其原始设计值降低电流。在该示例中，led通道上的电压为21v。
107.阶段b.启用两个通道。与阶段a相比，负载减小，因此在rcable1上存在较小的电压降。因此，与原始目标(即36ma)的影响和偏差也较小。在该示例中，led通道上的电压为22v。
108.阶段c.启用单个通道－与阶段a和阶段b期间相同的原理。在该示例中，led通道上的电压为23v。
109.阶段d.无光输出。led通道上的电压应当等于总线电压，因为当没有电流流过rcable1时，电缆电阻器rcable1不会引起任何电压降。因为在电缆电阻器rcable1上没有电压降，所以led通道处的电压是24v。
110.用附图标记102表示的线表示通过led通道的理想电流，即如果没有施加补偿，则这是控制器期望的。
111.用附图标记103表示的线是补偿由主导rcable1引起的光损失所需的占空比。通过测量随时间变化的电流(其等于总光输出)，并将其与原始目标——即原始虚线曲线102的电流*时间——进行比较，可以通过增加相应pwm控制信号的占空比来确定和补偿光输出的损失。
112.当如图1所示测量通过led通道的电流时，使用单个感测电阻器rsense来感测流过所有led通道的电流。因此，当多个led通道传导电流时，不可能确定流过单个led通道的电流。当只有单个led通道传导电流时，可以测量流过单个led通道(例如具有红色led的通道)的电流。然而，即使当该单个电流可以被测量时，当多个led通道(例如红色和蓝色)传导电流时，流过该单个红色led通道的电流也不会相同，因为电流的总量导致电缆电阻器rcable1上的电压降增加。这导致led通道处的总线电压下降，因此通过红色led通道的电流将低于所测量的电流。本发明人洞察到，通过led通道的电流不仅受到由流过led通道的电流引起的电压降的影响，而且受到同时活跃的附加led通道的影响。这可以在图3中观察到，当更多或更少的led通道同时活跃时，led通道电压vx的变化。因此，当不同数量的led通道传导电流时，控制器可以布置成在不同时刻检测led通道电压vx。这允许控制器基于在单个时刻传导电流的通道的数量将led通道电压vx的电压降与每个led通道中的电流降相关联。这种关系允许对每个led通道的占空比进行额外的校正。
113.通过研究附图、公开内容和所附权利要求，本领域技术人员在实践所要求保护的本发明时可以理解和实现所公开的实施例的其它变型。在权利要求中，词语“包括”不排除
其它元件或步骤，并且不定冠词“一”或“一个”不排除多个。单个处理器或其它单元可以实现权利要求中所述的若干项的功能。在相互不同的从属权利要求中记载某些措施的仅有事实并不表示不能有利地使用这些措施的组合。计算机程序可以存储/分布在适当的介质上，例如与其他硬件一起或作为其他硬件的一部分提供的光存储介质或固态介质，但是也可以以其他形式分布，例如经由因特网或其他有线或无线电信系统。权利要求中的任何附图标记不应被解释为限制其范围。