[发明专利]LED灯功率管理系统以及方法

说明书

技术领域

本发明在由美国能源部颁发的合同号DE-FC26-05NT42342的美国政府支持下产生。美国政府在本发明中拥有某些确定的权利。

此公开内容的技术领域为功率供应，具体地，一种LED灯功率管理系统和方法。

背景技术

传统上，白炽或荧光照明设备作为光源被使用于汽车及其他车辆中。然而，在发光二极管(light emitting diode，简写为LED)技术中的重大进步使得LED在车辆中的使用具有吸引力，是因为它们的长运行寿命、高效率以及小体积。LED现在能够几乎如紧凑型荧光灯一般高效地产生白光，并且效率被期望会提高。为了充分实现LED的能源节省，驱动它们的电子器件也必须是高效的。

用于普通照明应用的整装LED灯，比如LED模块系统(LEDSystem-in-Module，简写为LED SIM)，正在使用多个、不同颜色LED及一个或有限数量的集成电路而被开发出来。集成电路包括用于LED灯的感测、驱动以及控制电路。用户能够控制灯的颜色和亮度。

为了在可见光谱产生光，来自不同颜色LED的光输出可被以特定的比例组合以自LED灯中产生理想的颜色。例如，一个LED可以产生红色光，一个可以产生绿色光，而一个可以产生蓝色光。红-绿-蓝(Red-Green-Blue，简写为RGB)的组合可以产生任何理想的颜色并且能够由产生琥珀色(A)或白色(W)光的LED所补充，以调整灯的显色指数(color rendering index，简写为CRI)。CRI指示出相较于标准照明源，比如日光或白炽灯，灯渲染物体的颜色的优劣。RGBA和RGBW分别表示相应的红-绿-蓝-琥珀和红-绿-蓝-白四LED灯，数字四表示使用于LED灯中的LED颜色的数量。

到四LED灯中的每个LED源的电流被独立地控制以允许灯覆盖全范围的颜色和CRI。一种用于四LED灯的电源排布为在每条LED通道中串联两个LED源的两条并行LED通道。基本电子拓扑可以为具有控制流经每条通道的电流的通道开关的迟滞降压转换器。流经每条通道的电流的脉冲宽度和幅度都是可变的。迟滞运行上限和下限设定脉冲幅度。并行于每个LED源的分流开关通过短接特定的LED源以控制流经每个LED源的电流。

迟滞限度可以被设定以最大化用于每条通道中的LED源之一的占空比。通道电流可以被降低以在每条通道中的一个LED源的占空比被最大化的情况下产生所需量的光。这样在电子器件中节省能量并使得通常在较低电流上比在较高电流上更加高效地发光的LED高效地产生光。

用于灯的LED源通常被挑选为在最佳颜色和CRI上产生光时具有高效率，即，全部四个LED源在最佳颜色和CRI上时将具有很大的占空比。然而，会有问题出现，而且当不同颜色被选择时灯可能不是高效的。例如，设计用于产生白色光的RGBA灯在蓝色上的操作被选择时将在具有蓝色和红色LED源的通道中具有高功率损耗。蓝色LED源将会大部分地被开启，即，蓝色LED源将具有高占空比，而红色LED源将会大部分地被关闭，即，具有低占空比。这样将会造成高功率损耗，因为并行于红色LED源的分流开关在大多数时间将被闭合，跨越红色LED源短接并从通道电流中耗散功率。在具有在一条通道中的绿色和琥珀色LED源的另一个例子中，当用户需要高光亮度及较低CRI时，绿色LED源将被完全开启而琥珀色LED源将被大部分地关闭。对在通道中的LED源的需求的不匹配将造成来自并行于琥珀色LED源的分流开关的高功率损耗。对于通过电阻值为220mΩ的分流开关的1安培通道电流，功率损耗为0.22瓦。当每个通道中的LED源中的一个是大部分关闭时，来自两条通道的结合的功率损耗为0.44瓦。

在分流开关的功率损失不仅降低灯的效率，而且还导致热量问题。在分流开关中损失的电流被转化为热量并且必须从灯以及它的相关的芯片和电路转移以避免源于过热的运行问题。除了分流开关，还有其他热量源，比如控制在两条通道中的电流水平的通道开关。遗憾的是，灯应用常常在灯上或围绕灯具有有限的空间以允许散热器的安装用以改善来自灯的热传递。散热器的缺乏限制了在其中LED灯可被使用的应用，并限制了灯可以运行在其上的颜色的范围。灯甚至可能被从它的设计运行点减额(derate)以避免过热。

理想的是提供能够克服上述缺点的LED灯功率管理系统以及方法。

发明内容