[发明专利]用于LED驱动器的无损正向电压匹配网络

说明书

技术领域

本发明涉及驱动发光二极管(LED)阵列的电源。具体地，为了提高总正向电压明显低于AC电源的电压的串联LED阵列的效率，在AC电源和LED驱动器阵列之间提供无损正向电压匹配网络。无损正向电压匹配网络降低了AC电源输入到LED驱动器的电压以匹配串联LED阵列的总正向电压，使设备的效率更高。

背景技术

市场上存在两种主要类型的用于LED照明的电源-常规行频电源和开关电源。行频或线性电源的结构相对简单，但效率低下。开关电源的效率较高，但设计复杂而且电磁干扰高。

图1示出了驱动LED阵列的简单线性电源。LED设备100包括具有火线和中性端子的AC电压源102，AC电压源102产生正弦AC源电压。AC源电压施加到桥式整流器104上，该桥式整流器104将正弦AC输入电压转换成具有纹波的DC电压。DC电压施加到LED阵列106上。每个LED阵列106具有正向电压，当施加的电压超出正向电压时，LED将开始发光。线性电流源108调节流过LED阵列106的电流。

图2示出了LED设备100随时间的光输出。由于AC电压被整流并且被施加到LED阵列106上，当施加到LED阵列上的电压超出串联连接的LED阵列的正向电压总和时，LED阵列开启并提供光。由于整流的AC线电压周期地从零至峰值水平，并再次降回零，无论何时线电压水平降低到LED串的正向电压之下，LED串关闭。此外，在AC电压波形的零交叉点，LED电流是不连续的。如图2所示，LED阵列仅仅在大约60%的时间内提供照明，关断时间大约为40%。

为了保持用于LED阵列的线性模式电源的简单设计，同时提高效率并降低光关断时间，制造商提出了下述设想：当源电压不足以开启整个LED串时，仅为LED串的一部分供电。在于2010年8月12日提交的美国临时专利申请No.61/373,058、Leung等人的美国专利申请公开No.2012/0038615以及Leung等人的美国专利申请公开No.2012/0038285中更详细地解释了这些设备的主要内容和运行，通过引用将这些申请并入本文中。这些申请公开了根据激活的LED阵列的数量控制电流源的各种设备和方法。

简化的示例电路在图3中示出，图3是示出了在半个线周期中产生可变正向电压串的概念的图示。如图3所示，LED串可以分成n个LED阵列D1-Dn，其中，n≥1。每个LED阵列可包括一个或多个LED。AC电压302（其可以是AC电源）由桥式整流器或LED驱动器304整流，并且施加到LED阵列D1-Dn上。LED阵列D1-Dn由电流源I1-In供电。电流源I1-In由比较器306控制，比较器306跨接到LED驱动器304的输出上。当AC电压302越过LED阵列D1的正向电压时，比较器306使得电流源I1被激活并且LED阵列d1发光。随着电压增加并超出LED阵列的每个累积正向电压，各个LED阵列和电流源将相继地被打开。

这在图4中从概念上示出。在图4中，桥式整流器304的输出上的整流的电压被示为电压曲线402。位于电压曲线402之下的LED阵列D1-Dn和线性电流源I1-In的图示表示在特定时间、在特定电压水平下处于激活状态的元件。因此，当电压曲线402等于由比较器306确定的电压水平并且超出LED阵列D1的正向电压时，LED阵列D1被激活，如404所示。随着电压升高并超出LED阵列D1和D2的正向电压的总和，比较器306使得电流源I2被激活，并且使LED阵列D1和D2被激活，如406所示。继续这种过程，直到达到最大电压，如图中的中心部分所示，其中LED阵列D1-Dn和电流源In被激活，如408所示。随着施加的电压降低，LED阵列相继地被停用。应该注意到,当n=1时，LED仅仅是单串，并且驱动器被减少到如图1所示的单个线性电流源。

图5示出了LED驱动方法的光输出波形，其中，LED阵列被分成5个阵列（即，n=5），阵列的正向电压比率为5:4:3:2:1。正如从波形中看出的那样，利用这种配置，关断时间被降低到10%。

然而，整个LED串的正向电压必须接近输入电压源的峰电压值，以实现良好的效率。这需要正向电压大于峰输入电压的93%，以实现90%的效率。例如，对于220V AC的峰值电压为311V的电源来说，为了实现90%的效率，需要290V的正向电压LED串。如果使用正向电压较低的LED串，效率将明显下降。例如，由220V AC电源供电的150V正向电压LED串仅能够实现60%的效率。LED正向电压的这种局限限制了LED的选择。

因此，基于这些考虑以及其他考虑，提出了本发明。