用于LED线性荧光管形灯驱动器的装置与系统

摘要

所提供的是用于发光二极管(LED)管形灯的电路替代装置。所述电路包括阴极仿真器，其被配置成(i)耦合到输入功率源且(ii)仿真荧光灯阴极的操作。同样被包括的是整流机构，其具有耦合到所述阴极仿真器的输出的输入端口以及配置用于耦合到包括电流源和输出负载的组的至少一个的输出端口。

权利要求

1.一种电路替代装置，用于发光二极管管形灯，包括：

功率输入连接器，其包括至少两组功率输入连接点；

阴极仿真器，其包括第一热敏电阻器和第二热敏电阻器，其中第一热敏电阻器连接到所述至少两组功率输入连接点的其中之一组连接点，所述第二热敏电阻连接到所述至少两组功率输入连接点的另一组连接点；和整流机构，具有耦合到所述阴极仿真器的输出的输入端口，以及配置用于耦合到来自包含电流源和输出负载的组的至少一个的输出端口。

2.如权利要求1所述的装置，其中所述阴极仿真器包含正和负输入功率源结点；且其中所述第一热敏电阻器连接到所述正输入功率源结点；所述第二热敏电阻连接到所述负输入功率源结点；所述阴极仿真器还包括连接到所述正输入功率源结点的第一电阻器以及连接到所述负输入功率源结点的第二电阻器。

3.如权利要求2所述的装置，其中所述整流机构是电压整流器。

4.如权利要求3所述的装置，其中所述电压整流器包含耦合到电压限制器的电压整流器和操纵机构。

5.如权利要求4所述的装置，其中所述电压整流器被定位成从所述阴极仿真器接收功率，所述电压整流器包含第一二极管和第二二极管；且其中所述第一和第二二极管被配置成接收来自所述阴极仿真器的电压信号且引导所述电压信号到正输出功率源结点。

6.如权利要求2所述的装置，其中所述阴极仿真器进一步包括多个电阻器，各被连接到正输入功率源结点或负输入功率源结点。

7.一种电路替代装置，用于发光二极管管形灯，包括：

功率输入连接器，其包括至少两组功率输入连接点；

阴极仿真器，其包括第一热敏电阻器和第二热敏电阻器，其中第一热敏电阻器连接到所述至少两组功率输入连接点的其中之一组连接点，所述第二热敏电阻连接到所述至少两组功率输入连接点的另一组连接点；

电压整流器，具有耦合到所述阴极仿真器的输出的输入端口和配置用于耦合到来自包含电流源和输出负载的组的至少一个的输出端口；和耦合到所述电压整流器的输出的电压限制器。

8.如权利要求7所述的装置，其中所述电压整流器包含操纵机构。

9.如权利要求8所述的装置，其中所述电压整流器被定位成从所述阴极仿真器接收功率，所述电压整流器包含第一二极管和第二二极管；且其中所述第一二极管和所述第二二极管被配置成从所述阴极仿真器接收电压信号且引导所述电压信号到正输出功率源结点。

10.一种用于启动发光二极管管形灯方法，所述灯被配置成从线性荧光灯镇流器接收电压信号，所述方法包括：通过至少两组功率输入连接点接收输入电压信号；

当接收到所述电压信号时，经由阴极仿真器仿真荧光灯阴极的操作，所述阴极仿真器包括连接至所述至少两组功率输入连接点的第一热敏电阻器和第二热敏电阻器，其中第一热敏电阻器连接到所述至少两组功率输入连接点的其中之一组连接点，所述第二热敏电阻连接到所述至少两组功率输入连接点的另一组连接点；

其中所述仿真包含模拟荧光灯阴极的阻抗；且

其中所述仿真将所述荧光灯镇流器从启动模式转换到运行模式；且矫正所接收到的电压信号来产生经整流的输出波形。

11.如权利要求10所述的方法，进一步包括提供所述经整流的输出波形给输出负载。

12.如权利要求11所述的方法，其中所接收到的电压信号是交流电压信号；且其中所述经整流的输出波形是直流信号。

13.如权利要求12所述的方法，其中所述输出负载包含一个或更多的发光二极管。

说明书

用于LED线性荧光管形灯驱动器的装置与系统

发明领域

[0001] 本发明一般涉及带有发光二极管(LED)驱动器的替代线性荧光灯管。

背景技术

[0002] 由于它们的效率和寿命的持续性超过荧光灯管，LED已经在照明应用中迅速增加。LED是无汞光源，要求直流(DC)电压或电流来最佳地操作。在控制电流的电源上操作使得LED能够达到每瓦高流明效率、恒定的色温和高显色性。此外，具有100000小时的潜在寿命，LED实际上消除了与线性荧光照明相关的维护和替换成本。

[0003] 在典型的荧光管形灯中，镇流器用于控制通过管形灯的电流，使得电流不会增长到损坏灯的水平。同样地，选择的用于照明应用的镇流器的类型依赖于需要流过镇流器的电流。对于在荧光管形灯中发生的光发射，镇流器创建高压交流(AC)波形，以击穿导电气体并启动灯管中的电流流动。在一些设计中，这能够通过管形灯阴极的加热来进行，，为的是在施加高电压时提供给阴极较小的应力。

[0004] 在LED中，驱动器也调节通过灯泡的电流，但是高电压对于启动不是必须的。同样，LED不包含与在荧光灯中一样启动光发射过程的阴极。驱动器电路(1)将引入的低频AC电压转换为适当的DC电压，并且(2)调节在它的操作期间通过LED的电流、即恒定电流(CC)，以保护LED使之免于线路电压波动。

[0005] CC电源传递电流通过LED的驱动电路，引起光从二极管被发射。从二极管发射的光的亮度是电流的函数。为了发射光，LED需要最小的操作DC电压和调节电流。电压和电流的要求在LED制造商之间变化很大，并且能够被以串联或并联排列，目的是获得期望的操作电压和电流。

[0006] 尽管它们的好处，但是LED在替代线性荧光管中被使用在有限的应用中，因为传统的荧光镇流器的输出与LED的操作要求是不兼容的，且大多数LED驱动器会被高电压启动所损坏并且与可能的阴极加热(如果被提供)是不匹配的。

[0007] 已经有多个尝试来矫正与用LED驱动器替代荧光管形灯驱动器相关的问题。已经有一种解决方法是将AC连接直接供应给线性荧光灯(LFL)连接器(tombstone，石碑)，并且使用回扫布局。然而这种配置在直接的AC连接中是有问题的，直接的AC连接能够导致对安装者的安全危害，因为石碑(tombstone)并不是为AC线路电压而评估的。这种方法的第二个问题是，如果某人随后移除了LED管并用原来的LFL替代它，当LFL以这种方式直接连接到AC线路的时候，它可启动并将会损坏它自己。

[0008] 已经有另一个解决方案是加入电容器与AC引脚连接串联，而不是使用电源。这种直接的解决方案也是有问题的，因为它典型地在功率水平中引入了大程度的变化(由于这种解决方案依赖于电容的阻抗值来调节电流)。高频和低频镇流器的输出以及甚至各种高频镇流器会导致极端的功率变化。

发明内容

[0009] 基于前面提到的与驱动器替代相关的失败方案，存在对于当被连接到荧光管形灯镇流器时不要求对固定装置重新布线的LED驱动器电路的需求。就是说，存在对于能够与所有镇流器类型工作的LED驱动器电路的需求，所述镇流器类型包括立即启动、迅速启动和程序启动荧光灯整流器。此外，LED替代驱动器电路将限制由LFL镇流器通常提供的可能的高电压。本发明的实施例提供LED替代驱动器电路，包括阴极仿真器、电压操纵和整流器，其允许驱动器电路作为不需要知道镇流器结构的通用替代驱动器电路。

[0010] 通用替代驱动器的一个好处是它允许LED驱动器被安装在荧光管形灯镇流器中。照明工业已经探索了用能量效率更加高的LED(因为它们的效率与寿命)来替代标准的荧光灯泡的方法。所提议的驱动器替代解决方案不要求对已有的驱动器进行任何重新布线或其它昂贵的变化，因此具有能够与荧光灯系统直接交换的LED系统是有好处的。

[0011] 在一个实施例中，替代驱动器电路布局创建阴极仿真器，其模仿荧光灯阴极的行为，允许镇流器认为替代驱动器电路的操作与荧光灯是相同的。布局也模拟荧光灯的修正阻抗。

[0012] 通用替代驱动器的另一个好处是驱动器在LED灯管的内部的选择。允许驱动器在内部消除了基于镇流器组成重新布线固定装置的需求且考虑到线性荧光灯的通用替代。它也保护驱动器部件使之免于外部力，该外部力(例如人的接触)可在驱动器已经被安装之后影响驱动器的性能。

[0013] 通用替代驱动器的另一个好处是，它允许驱动器被直接连接到镇流器的功率输入连接引脚。典型地，将LED替代驱动器直接连接到线性荧光灯镇流器引脚的连接引进跨灯驱动器的太多的电压。这种直接连接(没有限制电路的存在)能够造成差不多600V的对地电势、即跨整个灯1200V，这是在大多数的LED驱动器中引起失效的足够的电压。

[0014] 在另一个实施例中，替代驱动器包含开关模式转换器，来考虑替代驱动器在期望恒定输出电流，且因而恒定光输出的应用中的使用。在这个实施例中，开关模式转换器与阴极仿真器、电压和整流器、电源、以及电源控制器相配对。

[0015] 本发明的进一步特征和优势，以及本发明的各种实施例的结构和操作，被参照对应的附图在下面详细地描述。注意到，本发明不受限于本文所描述的具体的实施例。此类实施例只是为了说明性的目的被呈现在本文中。基于本文所包含的教导，另外的实施例对有关领域技术人员来说将是显而易见的。

附图说明

[0016] 附图(本文中结合的并且形成说明书的一部分)示出了本发明，并且与所述描述一起进一步用来解释本发明的原理且使得有关领域技术人员能够制造和使用本发明。

[0017] 图1是通用替代驱动器系统的框图。

[0018] 图2是依照本发明的示范实施例的通用替代驱动器的示范电路图。

[0019] 图3是依照本发明的示范实施例的通用替代驱动器系统的示范电路图。

具体实施方式

[0020] 尽管本文中采用用于特定应用的示范实施例来描述本发明，但是应该理解，本发明不限于此。获得本文所提供的教导的本领域中那些技术人员，将在其范围内认识出另外的改进、应用和实施例，以及本发明会在其中有显著效用的另外的领域。

[0021] 除非被以其它方式定义，本文中使用的技术和科学术语与被本发明所属领域中的普通技术人员通常理解的具有相同意思。本文中所使用的术语“第一”、“第二”以及类似的术语，不代表任何顺序、量、或重要性，而是被用于区别一个元件与另一个。同样，术语“一(a或an)”不代表量的限制，而是代表被引用项目的至少一个的存在。术语“或”意在包含的并且意味着或任何一个、若干、或所列项目的全部。本文中“包括”、“包含”或“具有”以及其变型意在包括其后列出的项目和其等价物，以及另外的项目。术语“连接”和“耦合”不受限于物理的或机械的连接或耦合，且能够包括电连接或耦合，无论是直接的或间接的。术语“电路”、“电路系统”和“控制器”可包括单个部件或多个部件，其是或有源的和/或无源的部件，并且可以被选择地连接或以其它方式耦合在一起，以提供所描述的功能。

[0022] 图1是一说明，其依照本发明的示范实施例，描绘了通用驱动器替代系统100的框图。系统100可以是任何替代驱动器，其在LED负载与荧光灯镇流器之间通用地操作。在一些实施例中，解决方案中将整个驱动器和LED从完整的通用线性荧光灯管压降结合到管状的LED组装件内。在一些实施例中，系统100可以是适合高功率和高电压应用的替代驱动器。

[0023] 如图1所示出的，驱动器替代系统100一般包括功率输入110、替代驱动器电路135、和功率输出175。在带有直接连接到AC线路、或期望精确的恒定电流的地方的应用中，恒定电流电源，典型地，开关模式(switched-mode)电源(SMPS)150被加入。如果这种SMPS被加入，还要要求辅助电源160存在。

[0024] 如果恒定电流源150被在设计中使用，输入功率源110从LFL镇流器或从AC线路提供电功率。功率输入通常经由连接器递送，该连接器可以是多个尖端分叉的引脚或其它元件(采用它们来从外部源接收电压)。

[0025] 替代驱动器电路135包括阴极仿真器120、限流和熔断机构130，以及电压整流和操纵装置140。来自输入功率源110的电压首先穿越阴极仿真器120，然后穿越限流和熔断机构130、以及电压操纵和整流器140。当电压以先前提到的顺序穿越替代驱动器电路135的部件时，电路135能在功能类似于荧光灯线性电路的LED应用中使用。替代驱动器电路135的每个部件的进一步细节在下面的图2中讨论。

[0026] 在AC线路应用中，对于替代驱动器电路135，包括恒定电流源150(典型地被实施以SMPS)是必要的。恒定电流源150的目的是允许电压被逐步升高/降低，以用于控制LED输出功率的应用。当需要的时候，恒定电流源150能够带有辅助电压电源160，以提供操作功率给电流源150。

[0027] 功率输出被递送给LED的串阵列170。串阵列170能够是与每个串的限流电路串联或并联连接的多个LED。在串阵列170之内的LED串的数量应该在驱动器所规定的最大电压之内，以便不过载替代驱动器系统100并且将可能得到的期望功率与LED所期望的功率适当地匹配。在一个实施例中，LED电压串170被选为150V，使得从LFL镇流器可获得足够的功率，因为这接近当它们被连接到荧光灯时的正常操作点。

[0028] 尽管没有被示出在图1中，在一些实施例中，系统100可以包括一个或更多的其它装置和部件。例如，在替代驱动器电路135和电源150之间可以存在晶体管链路。同样地，在电源150和LED串170之间可以加入一个或更多的滤波器。

[0029] 图2是一说明，描绘用作到镇流器的直接连接的示范替代驱动器。替代驱动器电路200包括功率输入连接器210、阴极仿真器220、电压操纵和整流机构230、以及电压限制器
240。如果它的输入是线性荧光灯镇流器且它的输出是合适的电压LED架杆(sting)，那么这个电路能够在没有恒定电流电源下，以单独的方式被使用。

[0030] 如图2中所示出的，替代驱动器电路200的左侧包括功率输入连接器210，其大体上类似于图1中所描述的功率输入连接器110。如上面所描述的，功率输入源是来自现有线性荧光灯镇流器的电压。功率输入源提供电功率给功率输入连接点212、214、216和218，其接收引入的电压。在替代驱动器电路200的相反末端上是正功率输出264和负功率输出268。功率输出连接点将来自电路的经整流的电压递送给负载或开关模式转换器。

[0031] 在穿越功率输入连接点之后，替代驱动器电路200的下一个部件是阴极仿真器220。阴极仿真器220是替代驱动器电路200布局的一部分，其模拟像在荧光灯中的阴极加热的情况，以使镇流器从启动模式转换到运行模式。典型的荧光灯采用由镇流器所提供的高电压来被开启。一些镇流器尝试提供阴极加热，且它们将不会从高电压启动模式转变到低电压操作模式，除非它们成功给阴极提供加热。阴极仿真器220的存在也允许替代驱动器
200通过功率输入连接点251、253、255和257直接连接到线性荧光灯的镇流器。

[0032] 阴极仿真器220包括热敏电阻221和222，每个热敏电阻在功率输入连接器210内接合功率输入连接点。特别地，热敏电阻221将通常位于管状荧光灯的一个末端的两个功率输入连接点251和253接合在一起。类似地，热敏电阻222将通常位于管状荧光灯的另一个末端的两个功率输入连接点255和257接合在一起。

[0033] 正温度系数(PTC)热敏电阻可以被用在阴极仿真器220内，因为它们的电阻在预定的临界温度、即居里点温度处突然上升。当功率流过热敏电阻时，它将产生热量，该热量将提升热敏电阻的温度超出它的环境的温度。这种温度中的增加在本发明中被采用，来模拟阴极的加热并且然后随时间和能量的函数增加它们的电阻。这使得冷的时候它们对电路有影响，且当它们变热的时候将它们有效地从电路移除。

[0034] 热敏电阻221和222能够承受温度大大高于且100℃的示范操作点。它们也可具有电阻范围，例如，从7欧姆到15欧姆，以成功地仿真线性荧光灯阴极。对于温度和电阻之间的线性关系，温度系数(k)能够被定义为：

[0035]

[0036] 其中，R是欧姆电阻，T是开尔文温度。对于温度和电阻之间的非线性关系，温度和电阻之间的关系可定义为：

[0037]

[0038] 其中，A、B和C是基于特定类型的制造说明书以及PTC热敏电阻的模型的斯坦哈特(Steinhart-Hart)系数。

[0039] 阴极仿真器电路220也包含可熔电阻器(FR)224、225、226、227，其每个被连接到功率输入连接点。由于它们固有的低电阻以及它们接收大量电压和电流的能力，可熔电阻器被使用在阴极仿真器220中。在典型的FR中，当穿过电阻器的电流增加的时候，电阻器发出热量，其将进而融化连接弹簧到电阻器的焊料，引起弹簧弹出并断开电路。

[0040] 当电路断开时，通过安全且永久地将功率移除到其余的电路，它表现得像传统的熔断器一样。尽管FR是被特别提到的，但是其它的装置，比如熔断器，其具有断开装置内电路连接的能力，也可被使用。FR 224、225、226和227具有大体上低于热敏电阻221和222的电阻。在正常的操作状态中，所述电阻器具有大约在1欧姆到5欧姆之间的电阻。这提供了当过电压保护装置224被激活时候(典型地在初始的镇流器启动阶段期间)的电压降。

[0041] 替代驱动器电路200的下一个部件是电压整流和操纵机构230。电压整流器和操纵机构230为多个二极管，其包括八个单向二极管231至238。在一个实施例中，替代电路驱动器200使用全波形整流，引起对于每个输入连接点251、253、255和257需要既具有在正线上传导的二极管，又具有在负线上传导的对应二极管。二极管231至238各位于多个横向阵列上，其将输入功率连接251、253、255和257连接到输出功率连接264和268。正常地，输入整流用四个二极管来实现，但是在这个实施例中八个是合乎需要的，因为将被施加输入功率的四个可能的输入连接251、253、255、或257中的两个是未知的。

[0042] 同样被包括在替代驱动器电路200中的是电压限制电路240，其包含电压限制装置224。电压限制器224为LED或随后被连接到输出连接264和268的其它电路提供保护，使之免于接收在荧光灯镇流器输出的初始启动期间具有损害性的高电压瞬态。在实施例中，550V的瞬态吸收器能够被利用来确保线性荧光灯镇流器系统的安全与可靠操作。因此，电压限制器240，连同电压整流器和操纵机构230，将初始AC电压波形变换成为经整流的DC波形，该DC波形传递给正功率输出264和负功率输出268。

[0043] 电压限制器224能够被作为许多类型的钳位二极管或电路来实施，比如齐纳二极管(Zener diode)、气体放电管、瞬态电压抑制器、或防止过电压操作的类似装置。

[0044] 图3是依照实施例的示范替代系统300的说明。这个实施例包括恒定电流源，且能够被或用在荧光灯镇流器上或直接连接到AC线路电压。除了其它的部件，通用替代驱动器系统300包括，功率输入连接器305，其穿过先前描述的(图2)替代驱动器350，以及在通到功率输出连接器306之前，包括限流开关模式转换器390。

[0045] 功率输入连接器305具有功率输入连接301、302、303和304。功率输入连接点301、302、303和304大体上类似于图2中所描述的功率输入连接251、253、255和257。功率输入源
305能够是AC电压输入，其或来自到AC线路电压的直接连接或到线性荧光灯镇流器的连接。
功率输出连接器306包括功率输出连接点307和308。功率输出连接器306将电压和电流递送给如图1中所示的内部或外部的LED串170。

[0046] 替代驱动器系统300也包括替代驱动器电路350。电路350由功率输入连接器310、阴极仿真器和FR320、电压整流和操纵机构330、以及电压钳340组成。替代驱动器电路350的上述部件大体上类似于如图2中以上所描述的替代驱动器电路200中的功率输入连接器210、阴极仿真器和可熔电阻220、电压整流和操纵机构230、以及电压限制器(即，钳)240。同样地，每个替代驱动器电路部件的细节的讨论将不再重复讨论。

[0047] 恒定电流开关模式转换器390在转换电压与电流的同时，将功率从输入源、即功率输入连接器305，传递到负载、即功率输出连接器306。开关模式电源，比如开关模式转换器390，被使用在输入电压不同于要求的输入电压的应用中，例如AC输入具有的电压高于或低于LED输出负载所要求的电压。开关模式转换器390典型地带有电压电源370，以维持开关模式转换器390的功能。

[0048] 开关模式转换器390的这个实施例具有主要的部件，特别是二极管392、感应器393、以及晶体管394。二极管392使得电流以特定的方向流动。特别地，在实施例中，电流以功率输出连接307的方向流动。二极管392能够是任何类型的二极管、场效应晶体管(FET)、或类似的晶体管。当系统300处于断开位置(即关上状态)的时候，感应器393阻止电流中的瞬时变化，使得供给开关模式转换器390稳定的输出电流。

[0049] 感应器393能够是线绕的、平面的、扁平线圈、功率珠(power beads)、筒、环状线圈、或类似的感应器。晶体管394启动且停止电流的流动，以及控制流过开关模式转换器390的电流的数量。晶体管394能够包括任何功率半导体，比如用于较低频应用的双极结晶体管(BJT)或用于较高频应用的金属氧化物场效应晶体管(MOSFET)。晶体管394也能够是绝缘栅双极晶体管(IGBT)或类似的晶体管。

[0050] 此外，开关模式转换器390具有次要的部件，其对于开关模式转换器390的操作是必要的。开关模式转换器被控制器集成电路380操作。来自输出的反馈被从电阻器398和电容器395获得，在这个示范实施例中作为电流反应和过零检测器。电阻器376是电流反应电阻，其决定控制器370什么时候应该关掉对晶体管394的控制信号。电容器帮助控制器决定开关结点的振铃(ringing)的过零，使得晶体管394的有效开启可发生。

[0051] 一旦最大电流已经被经由通过电阻器398的电流检测出，控制器380终止对晶体管394的它的信号。在信号被终止给晶体管394之后，跨电容器395的电压将会上升。一旦电容器395振铃并且它的电压具有零值，控制器380由于它与电容器395和晶体管394的连接，开始发送信号返回给晶体管394，以再次开启。

[0052] 开关模式转换器390由辅助电源370供电。在一个实施例中，电源370是从整流电压被操作的线性稳压器。其它更有效但更昂贵的选择，比如单独开关模式电源也可以被利用作这种辅助供应电路。

[0053] 在示范实施例中，控制器380通过控制器连接381测量跨开关模式电容器395的电压，该电容器395调节晶体管394的开启。控制器380也具有通过连接382直接到晶体管394的连接，以及通过连接383到电流反应电阻器398的连接，一旦峰电流已经被检测出，电阻器398将调节晶体管394的关闭。

[0054] 开关模式转换器390具有电源370，其包括二极管372、齐纳二极管374、电阻器376、和电容器378。在操作时，电源二极管372操纵从晶体管链路360向控制器380的电压，且二极管374限制从控制器370向控制器380的电压。电源370的操作是简单的线性稳压器，其中二极管372只接收正输入，电阻器376使过电压(excessive voltage)下降并作为电流限制器，齐纳二极管374调节电压，电容器378存储能量并过滤输出。

[0055] 开关模式转换器390包括电容器396、397，其用来平滑由开关模式电源390提供给连接到引脚307和308的LED串的电流。

[0056] 在示范开关模式转换器390中，输出电压期望地低于输入电压，例如在降压(buck)、低侧降压(low side buck)、降压升压转换器(buck-boost converter)、孤立的回扫(flyback)中，或类似的事物中。在其它实施例中，高电压输出是可能的，尽管不是优选的。

[0057] 降压布局使得转换器逐渐降低电压。在一个实施例中，在开启状态中时、即开关闭合，输入电压电路350被施加到感应器393，引起感应器393电流逐渐建立，且功率被递送给功率输出源306。在关闭状态中时、即开关断开，跨感应器393的电压倒转且二极管392成为正向偏置，这使得存储在电感393中的能量被递送给功率输出源。这种输出电流然后被输出电容器396和397所平滑。

[0058] 可被本领域中技术人员理解的是，系统300可包括一个或更多的其它装置和部件。例如，包括在功率源370中的部件在各种实施中可以有所不同。同样地，开关模式转换器390的部件在各种布局和实施例中可以包括不同的部件类型和数量。

[0059] 要领会的是，详细描述(具体实施方式)部分，且不是概述和摘要部分，旨在被用来解释权利要求。概述和摘要部分可陈述一个或更多的，但不是如发明者所预期的本发明的所有示范实施例，且因此，不旨在以任何方式限制本发明和附加的权利要求。