TWI759671B

TWI759671B - 用於直流－直流轉換器電路之零電流偵測及啟動之系統、設備及方法

Info

Publication number: TWI759671B
Application number: TW108148218A
Authority: TW
Inventors: 志華宋
Original assignee: 荷蘭商露明控股公司
Priority date: 2018-12-28
Filing date: 2019-12-27
Publication date: 2022-04-01
Also published as: WO2020139958A1; TW202040922A

Abstract

本文中描述用於DC-DC轉換器之零電流偵測及啟動之系統、設備及方法。一裝置包含一第一電路及一第二電路。該第一電路在一第一輸入端處接收一第一電壓，且基於該第一電壓之一位準高於或低於一臨限電壓而提供具有一第一位準及一第二位準之一者之一第二電壓。該第二電路電耦合至該第一電路之該第一輸入端，且在該第一電壓之該位準高於一臨限電壓達一最大時間之一條件下，將該第一電壓之該位準降低至低於該臨限電壓。

Description

用於直流－直流轉換器電路之零電流偵測及啟動之系統、設備及方法

直流(DC)-直流(DC-DC)轉換器電路可用於發光裝置(LED)燈光(lighting)系統中以步降(step down)或步升(step up)一電壓且提供一電流以驅動一或多個LED裝置或陣列。DC-DC轉換器電路(諸如降壓轉換器電路、升壓轉換器電路及降升壓轉換器電路)可藉由控制耦合至主電感器之一開關之一接通(ON)狀態及一關斷(OFF)狀態而可在不同模式中操作。此等模式可包含例如：一連續電流模式(CCM)，其中在切換期間，通過主電感器之電流從不下降至低於零；一不連續電流模式(DCM)，在該模式期間，通過主電感器之電流在其開始再次流動之前之一時段內週期性地下降至零；及一臨界或邊界模式(CRM)，其中通過主電感器之電流週期性地下降至零且接著立即開始再次流動。

本文中描述用於DC-DC轉換器電路之零電流偵測及啟動之系統、設備及方法。一裝置包含一第一電路及一第二電路。該第一電路在一第一輸入端處接收一第一電壓，且基於該第一電壓之一位準高於或低於一臨限電壓而提供具有一第一位準及一第二位準之一者之一第二電壓。該第二電路電耦合至該第一電路之該第一輸入端，且在該第一電壓之該位準高於一臨限電壓達一最大時間之一條件下，將該第一電壓之該位準降低至低於該臨限電壓。

100:直流-直流(DC-DC)轉換器電路

101:直流(DC)電壓輸入VDC-IN/直流(DC)電壓VDC-IN/VDC-IN電壓/直流(DC)電壓V_IN

102:電阻器

103:電容器

104:負載/發光裝置(LED)陣列/發光裝置(LED)陣列負載

105:電感器

106:二極體

107:開關/MOSFET

108:節點

109:電阻器

110:接地

110A:接地

111:第一輸入

112:電阻器

113:參考電壓

114:比較器

115:啟動計時器

116:第一輸入端

117:第二輸入端

118:AND閘

119:OR閘

120:輸出端

121:控制器

122:電源級電路

123:零電流偵測(ZCD)電路

124:輸出端/第一輸入端

125:端子

126:第二輸入端(圖1A)/二極體

130:直流-直流(DC-DC)轉換器電路

131:電容器

132:多功能電路

136:零電流偵測(ZCD)節點

140:圖表

141:零電流偵測(ZCD)臨限電壓

142:導通信號

143:電感器電流

144:電壓

145:電壓

146:電壓

150:圖表

160:降壓轉換器電路

162:電源級電路

164:多功能電路

166:浮動接地

170:降升壓轉換器電路

172:電源級電路

174:多功能電路

180:升壓轉換器電路

182:電源級電路

184:多功能電路

185:電阻器

186:齊納二極體

187:電容器

188:電阻器

189:電阻器

190:降壓轉換器電路

191:在至第一電路或ZCD電路之輸入端處接收第一電壓

192:在第一電路或ZCD電路之輸出端處提供第二電壓

193:當第一電壓之位準高於臨限電壓達最大時間時，藉由第二電路或多功能電路降低第一電壓之位準

310:電子器件板

312:電源模組

314:感測器模組

316:連接性及控制模組

318:發光裝置(LED)附接區

320:基板

400A:發光裝置(LED)燈光系統

400B:發光裝置(LED)燈光系統

400C:發光裝置(LED)燈光系統

400D:發光裝置(LED)燈光系統/發光裝置(LED)系統

400E:發光裝置(LED)燈光系統

410:發光裝置(LED)陣列

411A:第一通道

411B:第二通道

412:AC/DC轉換器電路

414:感測器模組

415:調光器介面電路

416:連接性及控制模組

418A:跡線

418B:跡線

431:跡線

432:跡線

433:跡線

434:跡線

435:跡線

440:直流-直流(DC-DC)轉換器/直流-直流(DC-DC)轉換器電路

440A:直流-直流(DC-DC)轉換器電路/直流-直流(DC-DC)轉換器

440B:直流-直流(DC-DC)轉換器電路/直流-直流(DC-DC)轉換器

445A:第一表面

445B:第二表面

452:電源模組

472:微控制器

483:電源轉換模組

485:發光裝置(LED)驅動器輸入信號

490:發光裝置(LED)模組

493:嵌入式發光裝置(LED)校準及設定資料

494:發光裝置(LED)群組

494A:第一發光裝置(LED)群組

494B:第二發光裝置(LED)群組

494C:第三發光裝置(LED)群組

497:Vin

550:系統

552:發光裝置(LED)燈光系統

554:次要光學器件

556:發光裝置(LED)燈光系統

558:次要光學器件

560:應用平台

561:光束

561a:箭頭

561b:箭頭

562:光束

562a:箭頭

562b:箭頭

565:線

圖1A係經組態以在一臨界模式(CRM)中操作之一例示性DC-DC轉換器電路之一電路圖；圖1B係經組態以在CRM中操作之另一例示性DC-DC轉換器電路之一電路圖；圖1C係展示在一正常切換循環期間之某些時刻之圖1B之DC-DC轉換器電路之各種組件之狀態之一圖表；圖1D係展示在一異常切換循環期間之某些時刻之圖1B之DC-DC轉換器電路中之各種組件之狀態之一圖表；圖1E係具有參照至(reference to)接地之負載及參照至浮動接地之ZCD信號的一例示性降壓轉換器之一電路圖；圖1F係具有參照至接地之開關之一例示性降升壓轉換器之一電路圖；圖1G係具有參照至接地之開關之一例示性升壓轉換器之一電路圖；圖1H係展示圖1B之DC-DC轉換器電路之一詳細例示性實施方案之一電路圖；圖1I係操作一DC-DC轉換器電路之一例示性方法之一流程圖；圖2係根據一項實施例之用於一整合式LED燈光系統的一電子器件板之一俯視圖；圖3A係一項實施例中之具有在LED裝置附接區處附接至基板之LED陣列的電子器件板之一俯視圖；圖3B係具有安裝於一電路板之兩個表面上之電子組件的一雙通道整合式LED燈光系統之一項實施例之一圖；圖3C係一LED燈光系統之一實施例之一圖，其中LED陣列在與驅動器及控制電路分離之一電子器件板上；圖3D係具有在與驅動器電路分離之一電子器件板上之LED陣列以及一些電子器件的一LED燈光系統之一方塊圖；圖3E係例示性LED燈光系統之一圖，其展示一多通道LED驅動器電路；及圖4係一例示性應用系統之一圖。

相關申請案之交叉參考

本申請案主張2018年12月28日申請之美國專利申請案序號16/235,596及2019年2月19日申請之EP19158037.2之優先權，該等案之內容特此以引用的方式併入本文中。

將在下文中參考隨附圖式更完整地描述不同光照明系統及/或發光二極體(「LED」)實施方案之實例。此等實例並不互斥，且在一個實例中發現之特徵可與在一或多個其他實例中發現之特徵組合以達成額外實施方案。因此，將瞭解，在隨附圖式中展示之實例僅經提供用於闡釋性目的，且其等並不意欲以任何方式限制本發明。在各處，相同元件符號指代相同元件。

將瞭解，儘管本文中可使用術語第一、第二、第三等來描述各種元件，然此等元件不應受此等術語限制。此等術語可用來區分一個元件與另一元件。例如，在不脫離本發明之範疇之情況下，一第一元件可被稱為一第二元件，且一第二元件可被稱為一第一元件。如本文中所使用，術語「及/或」可包含相關聯所列品項之一或多者之任何及全部組合。

將瞭解，當諸如一層、區或基板之一元件被稱為「在另一元件上」或延伸「至另一元件上」時，其可直接在該另一元件上或直接延伸至該另一元件上，或亦可存在中介元件。相比之下，當一元件被稱為「直接在另一元件上」或「直接延伸至另一元件上」時，可不存在中介元件。亦將瞭解，當一元件被稱為「連接」或「耦合」至另一元件時，其可直接連接或耦合至該另一元件及/或經由一或多個中介元件連接或耦合至該另一元件。相比之下，當一元件被稱為「直接連接」或「直接耦合」至另一元件時，該元件與該另一元件之間不存在中介元件。將瞭解，除圖中描繪之任何定向之外，此等術語亦意欲涵蓋元件之不同定向。

本文中可使用諸如「在...下方」、「在...上方」、「上」、「下」、「水平」或「垂直」之相對術語來描述如圖中繪示之一個元件、層或區與另一元件、層或區之一關係。將瞭解，除圖中描繪之定向之外，此等術語亦意欲涵蓋裝置之不同定向。

此外，LED、LED陣列、電組件及/或電子組件是否容置於一個、兩個或更多個電子器件板上亦可取決於設計約束及/或應用。

半導體發光裝置(LED)裝置或光功率發射裝置(諸如發射紫外線(UV)或紅外線(IR)光功率之裝置)係當前可用之最有效率之光源之一。此等裝置可包含發光二極體、諧振腔發光二極體、垂直腔雷射二極體、邊緣發射雷射或類似者。例如，歸因於LED之緊湊大小及較低功率要求，其等對於許多不同應用而言可為有吸引力的候選者。例如，其等可用作手持式電池供電裝置(諸如相機及行動電話)之光源(例如，手電筒(flash light)及相機閃光燈)。其等亦可用於例如汽車燈光、抬頭顯示器(HUD)燈光、園藝燈光、街道燈光、用於視訊之手電筒(torch)、一般照明(例如，家庭、商店、辦公室及工作室燈光、劇院/舞臺燈光及建築燈光)、擴增實境(AR)燈光、虛擬實境(VR)燈光、作為顯示器之背光，及IR光譜術。一單一LED可提供不如一白熾光源明亮之光，且因此多接面裝置或LED陣列(諸如單片式LED陣列、微型LED陣列等)可用於其中期望或需要更大亮度之應用。

如上文提及，DC-DC轉換器電路可用於LED燈光系統中以步降或步升一電壓，且提供一電流以驅動一或多個LED裝置或陣列，且DC-DC轉換器電路可在若干不同模式中操作。通常使用臨界模式，因為其相對容易控制。

圖1A係經組態以在CRM中操作之一例示性DC-DC轉換器電路100之一電路圖。在所繪示實例中，DC-DC轉換器電路100包含一零電流偵測(ZCD)電路123及經組態以步降DC電壓且將一電流施加至負載104之一電源級電路122。

電源級電路122可包含一DC電壓輸入VDC-IN 101及並聯電耦合之一電阻器102、一電容器103、一負載104、一電感器105及二極體106。一開關107可與ZCD電路123並聯電耦合。在圖1A中，將開關之一端子表示為125。

ZCD電路123可包含電阻器109及112(其等可串聯電耦合)以及一比較器114。至比較器之一第一輸入111可在一ZCD節點136處電耦合於電阻器109與112之間，且至比較器之一第二輸入可經電耦合以接收一參考電壓113。比較器114之一輸出端可電耦合至一AND閘118之一第一輸入端116。AND閘118之一第二輸入端117可經電耦合以接收一關斷狀態信號。產生關斷狀態信號之方法在此項技術中已知，且因此本文中不作詳細論述。AND閘118之一輸出端124可電耦合至一OR閘119之一第一輸入端124。OR閘119之一第二輸入端126可電耦合至一啟動計時器115。OR閘119之一輸出端120可耦合至一控制器121，控制器121可為一積體電路(IC)控制器或一離散控制器，諸如提供於一電子器件板上及/或在一LED燈光系統中在與DC-DC轉換器電路相同之電子器件板或不同之一電子器件板上的一微控制器。下文關於圖2、圖3A、圖3B、圖3C、圖3D、圖3E及圖4描述其中可實施本文中描述之DC-DC轉換器電路之例示性電子器件板及LED燈光系統。一節點108可耦合於電感器105與二極體106之間。

在操作中，可經由DC電壓輸入將DC電壓VDC-IN 101供應至電源級電路122，且ZCD電路123連同開關107及控制器121可在CRM中操作電源級電路122。

在開關107切換至一接通狀態之一條件下，一電流開始流動通過與負載104、電感器105及開關107並聯之電容器103，且流動通過電感器105之電流(在本文中亦稱為電感器電流)在期間開關處於接通狀態之一時間內增加。在開關107切換至一關斷狀態之一條件下，DC-DC轉換器電路100過渡至一續流週期(freewheeling period)，在該續流週期期間，電感器105藉由推動電流通過與負載104並聯之包含二極體106及電容器103之另一路徑而釋放在開關107處於接通狀態時累積之能量。電感器電流在期間開關處於關斷狀態之一時間內逐漸減小，直至達到零。

為了使ZCD電路123結合控制器121控制電源級電路122以在CRM中操作，ZCD電路123可偵測電感器電流何時下降至零或接近零，且將一電壓提供至控制器121，該電壓可觸發控制器121以提供一高導通信號，從而將開關107切換至接通狀態。然而，直接偵測電感器電流並不簡單，且因此通常間接進行此偵測。間接地偵測ZCD之一個方法係偵測電感器105與開關107之端子125處(在圖1A中藉由節點108表示)之寄生電容之間的一諧振，該諧振在電感器電流下降至零時開始，從而指示續流週期之結束。在正常條件下，節點108處之諧振實質上可將ZCD節點136處之電壓減小至一低值(即，顯著低於一ZCD臨限電壓之一值)。因此，ZCD電路123可在ZCD節點136處之電壓(在本文中亦稱為ZCD節點電壓)下降至低於ZCD臨限電壓之一條件下偵測ZCD。

由電阻器109及電阻器112形成之一簡單電阻分壓器可用於偵測跨電阻器112之ZCD節點電壓。當ZCD節點136處之電壓下降至低於ZCD臨限電壓(其可藉由參考電壓113提供)時，比較器114之一輸出可為高。

AND閘118可用於確保僅在開關107處於關斷狀態時偵測到ZCD狀態。在比較器114之輸出及在輸入端117處提供之關斷狀態信號兩者為高之一條件下，AND閘118可在輸出端124處提供一高電壓，此可指示偵測到ZCD，且因此開關107應切換至接通狀態。

DC-DC轉換器電路100之上述操作係針對在一正常切換模式中操作之一DC-DC轉換器電路，在該正常切換模式期間，開關107以受控制器121控制之一特定型樣在接通狀態與關斷狀態之間切換。然而，在非切換狀態(諸如初始通電期間之一非切換狀態或在切換可能在其啟動之後暫停時之一非切換狀態)期間，節點108處之諧振可能不存在。在某些特殊切換狀態(諸如在跨負載104之輸出電壓為低時之一切換狀態)期間，節點108處之諧振可較弱，且節點108處之電壓及電感器電流兩者之振盪幅度與正常切換模式中相比可較低。因此，在非切換狀態及特殊切換狀態兩者期間，當開關107處於關斷狀態時，節點108處之最小電壓與正常切換模式中相比可顯著較高。因此，ZCD節點電壓可保持高於ZCD臨限電壓，從而將開關107維持在關斷狀態中。此外，在特殊切換狀態中，因為一實際DC-DC轉換器設計中之全部組件可能為非理想的且含有寄生及耗散電阻，所以節點108處之弱諧振可減弱及衰減使得其最終可消失。

為了開始、重新開始或繼續在此等異常切換狀態中切換，習知地使用一啟動計時器(諸如圖1A中繪示之啟動計時器115)以在ZCD節點電壓保持高於ZCD臨限電壓達一最大時間時觸發控制器121而將開關107切換至接通狀態。啟動計時器115可監測期間開關107處於關斷狀態之靜態時間。在使用啟動計時器115監測之時間超過最大時間之一條件下，啟動計時器115可在OR閘119之輸入端126處提供一電壓，該電壓可引起OR閘將可觸發控制器121以將開關切換至接通狀態之一電壓提供至控制器121。換言之，ZCD節點136處之ZCD偵測或藉由啟動計時器115之觸發可將開關107切換至接通狀態。

如自圖1A容易可見，在ZCD電路123中包含啟動計時器115亦需要除啟動計時器115之外之額外邏輯。此可增加控制電路之複雜性及製造DC-DC轉換器之成本，從而導致其中將DC-DC轉換器提供於一各別電子器件板上之LED燈光系統的一較大印刷電路板(PCB)大小或一整合式LED燈光系統之一較大基板面積。

圖1B係經組態以在CRM中操作之另一例示性DC-DC轉換器電路130之一電路圖。在圖1B中繪示之實例中，一多功能電路132提供於電源級電路122與ZCD電路123之間。多功能電路132可執行啟動計時器功能及一些ZCD功能兩者。所繪示多功能電路132包含與電阻器109及112串聯電耦合之一電容器131及與電阻器109及112並聯電耦合之二極體126。與圖1A中之組件具有相同元件符號之圖1B中之組件可類似地操作，除非另有指定。

在操作中，在開關107處於關斷狀態之一條件下，節點108處之電壓可為高，且電容器131可透過電阻器109及112充電。充電之速度可藉由電阻器-電容器(RC)時間常數(其可與電容器131之電容乘以電阻器109與112之電阻總和成比例)判定。

在開關107切換至接通狀態之一條件下，節點108處之電壓可為低，且電容器131可直接透過二極體126放電。直接通過二極體126之路徑可遠快於充電，使得電容器131處之電壓可自在開關處於關斷狀態之時間期間儲存之電壓快速重設為零或接近零伏特。因此，每當開關107切換至關斷狀態時，電容器131可自零或接近零再充電，使得電容器131處之電壓反映開關107之連續關斷時間。

藉由將電阻器109及112以及電容器131之RC時間常數選擇為實質上長於一最大時間(例如，對應於一最小切換頻率之切換循環時間)，在正常操作期間，電容器131處之電壓可遠低於節點108處之電壓，使得電容器131之電壓可不影響ZCD節點136處之電壓。然而，在諸如上文描述之一非切換狀態或特殊切換狀態中，開關之關斷時間可顯著延長，使得電容器131可充電至一足夠高電壓位準以使ZCD節點電壓降低至低於ZCD臨限電壓。因此，比較器114可提供一高輸出電壓，從而觸發控制器121以將開關107切換至接通狀態而開始或重新開始切換。

雖然如同圖1A中繪示之實施例，在圖1B中將電阻器109及112繪示為多功能電路132之部分，但此等電阻器亦可起到使ZCD電路123能夠偵測ZCD之功能。然而，此等電阻器109、112之值亦可用於設定最大時間。由於時序及ZCD偵測兩者可經由至ZCD電路123之一輸入111執行，故可消除一專用啟動計時器(例如，圖1A之啟動計時器115)、OR閘(例如，圖1A之OR閘119)及其他相關電路元件。另外，諸如本文中描述之電路可以非常高之頻率操作，此實現在DC-DC轉換器中使用較小電感器。對於整合式LED燈光系統，此可尤其有利的，因為可減小電感器之高度，從而減少或消除對由提供於與DC-DC轉換器電路相同之電路板上之LED陣列發射之光的可能阻擋。此外，較小電感器亦可佔據較小整體空間，從而進一步減小整合式電子器件板之外觀尺寸。

圖1C係展示在一正常切換循環期間之某些時刻之圖1B之電路中之各種組件之狀態之一圖表140。在時間t1，導通信號142可為高，開關107可切換至接通狀態，且電感器電流143可逐漸增加。節點108處之電壓(145)、ZCD節點136處之電壓(146)及電容器131處之電壓(144)可全部為低。

在時間t2，導通信號142可變低，且開關107可切換至關斷狀態，從而表示續流週期之開始。電感器電流143可流動通過二極體106 且逐漸降低朝向零。節點108處之電壓145可藉由續流電流箝位至輸入電壓VDC-in。電容器131可透過電阻器109及112稍微充電，但其電壓144可基本上保持為低而幾乎沒有明顯變化。ZCD節點136處之電壓146可基本上平坦且高(例如，遠高於ZCD臨限電壓141)。可藉由下文之方程式1給出ZCD節點136處之電壓146：ZCD_node_voltage=(108_node_voltage-C131_voltage)*R112/(R109+R112) 方程式(1)

在時間t3，電感器電流143可達到零，續流週期可結束，且寄生諧振可在電感器105與節點108處之寄生電容之間開始。因此，在電感器電流143變為負時，節點108處之電壓(145)及ZCD節點136處之電壓(146)可快速崩潰。電容器131處之電壓(144)可保持為低。

在時間t4，ZCD節點136處之電壓(146)可低於ZCD臨限電壓141，且導通信號142可被設定為高。在一些實施例中，可添加一延遲時間以將導通信號142電壓保持為一低狀態，直至節點108處之電壓(145)進一步降低至其最低點或波谷。此技術(亦被稱為波谷切換)可藉由在節點108處之電壓145之波谷處將開關107切換至接通狀態而最小化導通損耗。

在時間t5，節點108處之電壓(145)及ZCD節點136處之電壓(146)兩者可下降至其等最低值，導通信號142可變高，且開關107可歸因於t4與t5之間之額外延遲而在節點108處之電壓145之波谷處切換至接通狀態。電容器131之電壓144可透過二極體126及開關107放電至零或接近零而具有可忽略的導通損耗增加，此係因為在t2與t5之間積聚之電壓可非常低。此時，一新切換循環可開始。

在時間t6，新循環之導通信號142可再次變低。

圖1D係展示在一異常切換循環期間之某些時刻之圖1B之電路中之各種組件之狀態之一圖表150。應注意，相較於圖1C，圖1D使用一顯著更大時間標度(即，圖1D之圖表中之單位時間之持續時間遠比圖1C中更長)。

在一異常切換循環期間，跨負載104之輸出電壓可暫時非常低，此可大大地延長續流週期。非常低的輸出電壓亦可在續流週期結束之後之弱寄生諧振期間實質上增加波谷處之節點108處的最小電壓。在不具有時序功能性之情況下，在此案例中，歸因於節點108處之弱諧振，在開關107之關斷狀態期間，ZCD節點電壓可能永遠不會下降至低於臨限電壓，從而使開關107之正常切換循環停止。

在圖1D中繪示之實例中，在時間t1，導通信號142為高，且開關107導通。電感器電流143可開始增加，且節點108處之電壓(145)、ZCD節點136處之電壓(146)及電容器131處之電壓(144)可全部為低。

在時間t2，導通信號142可為低，開關107可斷開，且續流週期可開始。電感器電流143可流動通過二極體106且逐漸降低朝向零。節點108處之電壓(145)可藉由續流電流箝位至輸入電壓VDC-IN。在延長之續流週期期間，電容器131可透過電阻器109及112逐漸充電，且電壓增加可為可見的。如在上文之方程式(1)中表示，隨著電容器131電壓(144)之增加，ZCD節點136處之電壓(146)可逐漸降低，但可保持高於ZCD臨限電壓141。

在時間t3，電感器電流143可達到零或接近零，從而指示續流週期之結束。此時，寄生諧振可在電感器105與節點108處之寄生電容之間開始。因此，在電感器電流143變為負時，節點108處之電壓(145)及ZCD節點136處之電壓(146)下降。然而，歸因於跨負載104之非常低的輸出電壓，諧振可為弱的且節點108電壓145及電感器電流143兩者之振盪幅度與上文關於圖1C描述之正常切換循環中相比可較低。因此，如藉由圖1D中之虛線指示，波谷處之節點108電壓145可與正常切換循環中相比可顯著較高。因此，如藉由上文之方程式(1)表示，ZCD節點電壓146可保持高於ZCD臨限電壓141，從而將開關107維持在關斷狀態，且節點108處之諧振可繼續。

因為一實際轉換器設計中之全部組件可為非理想的且含有寄生及耗散電阻，所以節點108處之諧振可減弱及衰減(即，其可變得愈來愈弱且最終可消失)。如藉由圖1D中之虛線指示，波谷處之節點108電壓(145)可在經減弱諧振期間繼續增加。然而，由於電容器131之電壓144透過電阻器109及112逐漸充電，故(如藉由圖1D中之另一虛線指示)波谷處之ZCD節點電壓146可繼續降低朝向ZCD臨限電壓141。

在時間t4，儘管諧振衰減，ZCD節點電壓146仍可歸因於增加之電容器131電壓(144)而下降至低於ZCD臨限電壓141。導通信號142可變高，且開關107可切換至接通狀態以開始一新循環。電容器131電壓可透過二極體126及開關107快速放電至零或接近零。

在導通時刻放電之電容器131電壓144與正常切換循環中相比亦可遠更高。因此，單一導通事件之損耗可顯著增加。另一方面，歸因於延長之續流週期及寄生諧振週期，切換頻率可較低。因此，平均導通損耗(其與單一導通之損耗及切換頻率兩者成比例)可不會急劇增加。另外，對於一適當設計之電路，在此案例中描述之具有開關107之一強制導通而不具有ZCD偵測之情境可為暫時的且可不會持續，使得可最小化因額外接通損耗所致之溫度增加。

在時間t5，新循環之導通信號可再次變低。

在圖1D之圖表中繪示之案例係可在不存在ZCD偵測之情況下觸發開關107之強制導通的一個條件之一特定實例。具有開關107之延長斷開時間之一DC-DC轉換器電路之任何操作可觸發此。為了確保強制導通僅在不干擾正常操作之此等情境期間發生，電容器131、電阻器109及電阻器112可經定尺寸使得啟動時間(即，在斷開週期中對電容器131充電使得ZCD節點電壓下降至低於臨限值之時間)多於在正常操作條件下之最大斷開時間。另一方面，啟動時間應儘可能短以用於一快速開始或重新開始。在實施例中，可使用比最大循環時間大數倍之一啟動週期。

圖1B中繪示之例示性DC-DC轉換器電路130係一降壓轉換器之一實例。然而，本文中描述之實施例可適用於任何類型之DC-DC轉換器電路。在圖1E、圖1F及圖1G中繪示特定實例。

圖1E係具有參照至接地110之負載104及參照至浮動接地166之ZCD信號的一例示性降壓轉換器電路160之一電路圖。浮動接地166可在開關107切換至接通狀態時切換至VDC-IN電壓101，且在開關107處於關斷狀態且二極體106導通時切換至接地。所繪示之降壓轉換器電路160包含如所展示般配置之一電源級電路162及一多功能電路164。

圖1F係具有參照至接地110之開關107之一例示性降升壓轉換器電路170之一電路圖。所繪示之降升壓轉換器電路170包含如所展示般配置之一電源級電路172及一多功能電路174。

圖1G係具有參照至接地110A之開關107之一例示性升壓轉換器電路180之一電路圖。所繪示之升壓轉換器電路180包含如所展示般配置之一電源級電路182及一多功能電路184。

圖1H係展示圖1B之電源級電路、多功能電路及ZCD電路在一降壓轉換器電路190中之一詳細例示性實施方案的一電路圖。所繪示之降壓轉換器電路190包含一開關107，在實例中，開關107係參照至接地110且具有受控制器121控制以在CRM中操作之一閘極的一N通道MOSFET。降壓轉換器電路190可為被供應48V之一DC電壓V_IN 101以驅動一LED陣列104(其可包含串聯及/或並聯連接之LED裝置或像素)的一LED驅動器。所繪示之LED陣列104具有36V之一正向電壓及1A之一目標電流。電容器103具有與LED陣列負載104並聯之10uF之一電容，電感器105具有22uH之一電感，電阻器102具有10kOhm之一電阻，電阻器109具有10kOhm之一電阻，電阻器112具有1.2kOhm之一電阻，且電容器131具有3nF之一電容。

在切換狀態期間，電阻器109及112形成用於ZCD之一電阻分壓器，而在非切換狀態期間，電阻器102、109及112在很大程度上定義LED陣列104之電壓。其他電路組件可包含具有10kOhm之一電阻之一電阻器185、具有10V之一額定電壓之一齊納(zener)二極體186及具有100nF之一電容之一電容器187。此等電路組件可形成用於供應比較器114之10V之低電壓供應VCC。由具有75kOhm之一電阻之一電阻器189及具有25kOhm之一電阻之一電阻器188形成的一電阻分壓器可將至比較器114之第二輸入端處之ZCD臨限電壓設定為來自VCC之2.5V。至比較器114之第一輸入係ZCD節點136處之電阻器112電壓。因此，當ZCD節點電壓下降至低於2.5V之臨限值時，比較器114可提供一高電壓輸出。當 MOSFET 107處於關斷狀態時，控制器121可相應地作出回應且將MOSFET 107切換至接通狀態。

為了實現1A之目標LED電流，可感測LED陣列104電流且將其回饋至控制器121以透過一封閉控制迴路調節MOSFET 107之閘極處之切換型樣。當以此方式調節並達成1A電流時，可藉由方程式(2)描述穩態頻率：頻率=V_LED104/V_IN101*(V_IN101-V_LED104)/(L105*2*I_LED104)方程式(2)，其中V_IN101=48V，V_LED104=36V，L105=22uH，I_LED104=1A。

使用關於圖1H之實例指定之值，方程式(2)中之經計算頻率係約204kHz，其對應於約5微秒之一循環時間。為了驗證啟動時間是否干擾穩態操作，可假定節點108處之最大電壓V_IN以計算最小啟動時間。電阻器112電壓可藉由下文之方程式(3)描述，其中Tst代表啟動時間：V_R112=R112/(R109+R112)*{V_IN101-V_IN101*[1-e^{-Tst/((R109+R112)*C131)}]}方程式(3)，其中V_R112=2.5V，R109=10k，R112=1.2k，C131=3nF，V_IN101=48V。對方程式(3)求解產生24.2微秒之啟動時間Tst，其係5微秒(其係一適合設計值)之循環時間之大約5倍。

圖1I係操作一DC-DC轉換器電路之一例示性方法之一流程圖。在例示性方法中，在至第一電路或ZCD電路之一輸入端處接收一第一電壓(191)。可在第一電路或ZCD電路之一輸出端處提供一第二電壓(192)。第二電壓可具有一第一位準及一第二位準(例如，一高電壓及一低電壓)之一者。第二電壓之位準可基於第一電壓之一位準高於或低於一臨限電壓。當第一電壓之位準高於臨限電壓達一最大時間時，可藉由一第二電路或多功能電路降低第一電壓之位準(193)。在實施例中，第一電路可為圖1B之ZCD電路123，且第二電路可為圖1B之多功能電路132。

在實施例中，在第一電壓之一位準高於臨限電壓達小於最大時間之一條件下，可不將第一電壓之位準降低至低於臨限電壓。可將第二電壓施加至一開關(諸如圖1B之開關107)，以在第一電壓低於臨限值時導通開關，且在第一電壓高於臨限值時斷開開關。回應於導通開關，通過一電感器之電流可在一時間週期內自零增加至一峰值電流。回應於斷開開關，通過電感器之電流可在一時間週期內自峰值電流減小至零。

圖2係根據一項實施例之用於一整合式LED燈光系統之一電子器件板310之一俯視圖。在所繪示實例中，電子器件板310包含一電源模組312、一感測器模組314、一連接性及控制模組316以及經保留用於將一LED陣列附接至一基板320之一LED附接區318。在替代實施例中，兩個或更多個電子器件板可用於LED燈光系統。例如，LED附接區318可在一各別電子器件板上，或感測器模組314可在一各別電子器件板上。

基板320可為能夠機械地支撐電組件、電子組件及/或電子模組且使用導電連接器(諸如軌道、跡線、墊、通孔及/或線)提供與電組件、電子組件及/或電子模組之電耦合的任何板。基板320可包含安置於非導電材料(諸如一介電複合材料)之一或多個層之間或在其上之一或多個金屬化層。電源模組312可包含電元件及/或電子元件。在一實例實施例中，電源模組312包含一AC/DC轉換電路、一DC-DC轉換電路(諸如本文中描述之DC-DC轉換電路之任一者)、一調光電路及一LED驅動器電路。

感測器模組314可包含其中將實施LED陣列之一應用所需之感測器。例示性感測器可包含光學感測器(例如，IR感測器及影像感測器)、運動感測器、熱感測器、機械感測器、近接感測器或甚至計時器。例如，可基於若干不同感測器輸入(諸如一使用者之一經偵測存在、經偵測環境燈光條件、經偵測天氣條件)或基於日間/晚間時間來導通/斷開及/或調整街道燈光、一般照明及園藝燈光應用中之LED。此可包含例如調整光輸出之強度、光輸出之形狀、光輸出之色彩及/或將燈導通或斷開以節省能量。對於AR/VR應用，可使用運動感測器來偵測使用者移動。運動感測器本身可為LED，諸如IR偵測器LED。藉由另一實例，對於相機閃光燈應用，可使用影像及/或其他光學感測器或像素來量測用於待捕獲之一場景之燈光，使得可最佳地校準閃光燈色彩、強度照明型樣及/或形狀。在替代實施例中，電子器件板310不包含一感測器模組。

連接性及控制模組316可包含系統微控制器及經組態以自一外部裝置接收一控制輸入之任何類型之有線或無線模組。藉由實例，一無線模組可包含藍芽、Zigbee、Z-wave、網狀網路、WiFi、近場通信(NFC)，及/或可使用同級間模組。微控制器可為任何類型之專用電腦或處理器，其可嵌入於一LED燈光系統中且經組態或可組態以自LED系統中之有線或無線模組或其他模組接收輸入(諸如感測器資料及自LED模組回饋之資料)，且基於此將控制信號提供至其他模組。如上文提及，除執行其他功能之外，微控制器亦可回應於自ZCD電路123接收之一電壓而提供控制信號，以在接通狀態與關斷狀態之間切換開關107。由專用處理器實施之演算法可在併入於一非暫時性電腦可讀儲存媒體中用於藉由專用處理器執行之一電腦程式、軟體或韌體中實施。非暫時性電腦可讀儲存媒體之實例包含一唯讀記憶體(ROM)、一隨機存取記憶體(RAM)、一暫存器、快取記憶體及半導體記憶體裝置。記憶體可包含為微控制器之部分，或其可在別處(在電子器件板310上或外)實施。

如本文中使用之術語模組可指代安置於可焊接至一或多個電子器件板310之個別電路板上之電組件及/或電子組件。然而，術語模組亦可指代提供類似功能性但可個別地焊接至一相同區或不同區中之一或多個電路板的電組件及/或電子組件。

圖3A係一項實施例中之電子器件板310之一俯視圖，其具有在LED裝置附接區318處附接至基板320之一LED陣列410。電子器件板310與LED陣列410一起表示一LED燈光系統400A。另外，電源模組312在Vin 497處接收一電壓輸入，且經由跡線418B自連接性及控制模組316接收控制信號，且經由跡線418A將驅動信號提供至LED陣列410。經由來自電源模組312之驅動信號導通及斷開LED陣列410。在圖3A中展示之實施例中，連接性及控制模組316經由跡線418C自感測器模組314接收感測器信號。

圖3B繪示具有安裝於一電路板之兩個表面上之電子組件之一雙通道整合式LED燈光系統之一項實施例。如圖3B中展示，一LED燈光系統400B包含一第一表面445A，第一表面445A具有安裝於其上之用於接收調光器信號及AC電源信號之輸入端及一AC/DC轉換器電路412。LED系統400B包含一第二表面445B，第二表面445B具有安裝於其上之調光器介面電路415、DC-DC轉換器電路440A及440B、具有一微控制器472(其可為圖1B之控制器121)之一連接性及控制模組416(在此實例中，一無線模組)及一LED陣列410。DC-DC轉換器電路440A及440B之一者或兩者可為本文中描述之DC-DC轉換器電路之任一者。LED陣列410受兩個獨立通道411A及411B驅動。在替代實施例中，可使用一單一通道來將驅動信號提供至一LED陣列，或可使用任何數目之多個通道來將驅動信號提供至一LED陣列。例如，圖3E繪示具有3個通道之一LED燈光系統400D且在下文進一步詳細描述。

LED陣列410可包含兩個LED裝置群組。在一實例實施例中，群組A之LED裝置電耦合至一第一通道411A，且群組B之LED裝置電耦合至一第二通道411B。兩個DC-DC轉換器440A及440B之各者可分別經由單一通道411A及411B提供一各自驅動電流用於驅動LED陣列410中之一各自LED群組A及B。在LED群組之一者中之LED可經組態以發射具有與第二LED群組中之LED不同之一色點的光。可藉由分別經由一單一通道411A及411B控制由個別DC-DC轉換器電路440A及440B施加之電流及/或負載循環而在一範圍內調諧對由LED陣列410發射之光之複合色點的控制。雖然圖3B中展示之實施例不包含一感測器模組(如圖2及圖3A中所描述)，但一替代實施例可包含一感測器模組。

所繪示之LED燈光系統400B係其中將LED陣列410及用於操作LED陣列410之電路提供於一單一電子器件板上的一整合式系統。在電路板之相同表面上之模組之間的連接可經電耦合用於藉由表面或子表面互連件(諸如跡線431、432、433、434及435或金屬化(未展示))來在模組之間交換例如電壓、電流及控制信號。在電路板之相對表面上之模組之間的連接可藉由貫穿板互連件(諸如通孔及金屬化(未展示))電耦合。

圖3C繪示一LED燈光系統之一實施例，其中LED陣列在與驅動器及控制電路分離之一電子器件板上。LED燈光系統400C包含在與一LED模組490分離之一電子器件板上之一電源模組452。電源模組452可在一第一電子器件板上包含一AC/DC轉換器電路412、一感測器模組 414、一連接性及控制模組416、一調光器介面電路415及一DC-DC轉換器440(其可為本文中描述之DC-DC轉換器電路之任一者)。LED模組490可在一第二電子器件板上包含嵌入式LED校準及設定資料493以及LED陣列410。可經由可電氣地且通信地耦合電源模組452及LED模組490之線在該兩個模組之間交換資料、控制信號及/或LED驅動器輸入信號485。嵌入式LED校準及設定資料493可包含一給定LED燈光系統內之其他模組控制如何驅動LED陣列中之LED所需的任何資料。在一項實施例中，嵌入式校準及設定資料493可包含微控制器產生或修改一控制信號(其使用例如脈衝寬度調變(PWM)信號來指示驅動器將電力提供至各LED群組A及B)所需之資料。在此實例中，校準及設定資料493可向連接性及控制模組416之一微控制器通知關於例如待使用之電力通道之數目、待藉由整個LED陣列410提供之複合光之一所要色點及/或藉由AC/DC轉換器電路412提供以提供至各通道之電力之一百分比。

圖3D繪示具有在與驅動器電路分離之一電子器件板上之LED陣列以及一些電子器件的一LED燈光系統之一方塊圖。一LED系統400D包含一電源轉換模組483及定位於一各別電子器件板上之一LED模組481。電源轉換模組483可包含AC/DC轉換器電路412、調光器介面電路415及DC-DC轉換器電路440(其可為本文中描述之DC-DC轉換器電路之任一者)，且LED模組481可包含嵌入式LED校準及設定資料493、LED陣列410、感測器模組414及連接性及控制模組416。電源轉換模組483可經由兩個電子器件板之間之一有線連接來將LED驅動器輸入信號485提供至LED陣列410。

圖3E係一例示性LED燈光系統400E之一圖，其展示一多通道LED驅動器電路。在所繪示之實例中，系統400E包含一電源模組452及一LED模組481，LED模組481包含嵌入式LED校準及設定資料493及三個LED群組494A、494B及494C。雖然在圖3E中展示三個LED群組，但一般技術者將認知，可使用與本文中描述之實施例一致之任何數目個LED群組。此外，雖然各群組內之個別LED係串聯配置，但在一些實施例中，其等可並聯配置。

LED陣列494可包含提供具有不同色點之光之LED群組。例如，LED陣列494可包含經由一第一LED群組494A之一暖白光源，經由一第二LED群組494B之一冷白光源，及經由一第三LED群組494C之一中性白光源。經由第一LED群組494A之暖白光源可包含經組態以提供具有大約2700K之一相關色溫(CCT)之白光的一或多個LED。經由第二LED群組494B之冷白光源可包含經組態以提供具有大約6500K之一CCT之白光的一或多個LED。經由第三LED群組494C之中性白光源可包含經組態以提供具有大約4000K之一CCT之光的一或多個LED。雖然在此實例中描述各種白色LED，但一般技術者將認知，與本文中描述之實施例一致之用於提供自LED陣列494輸出之具有各種總體色彩之一複合光的其他色彩組合係可行的。

電源模組452可包含一可調諧光引擎(未展示)，該可調諧光引擎可經組態以經由三個各別通道(在圖3E中指示為LED1+、LED2+及LED3+)將電力供應至LED陣列494。更特定言之，可調諧光引擎可經組態以經由一第一通道將一第一PWM信號供應至第一LED群組494A(諸如暖白光源)，經由一第二通道將一第二PWM信號供應至第二LED群組494B，且經由一第三通道將一第三PWM信號供應至第三LED群組494C。經由一各自通道提供之各信號可用於為對應LED或LED群組供電，且信號之負載循環可判定各個LED之接通及關斷狀態之總體持續時間。接通及關斷狀態之持續時間可導致可具有基於持續時間之光性質(例如，相關色溫(CCT)、色點或亮度)之一總體光效應。在操作中，可調諧光引擎可改變第一信號、第二信號及第三信號之負載循環之相對量值，以調整LED群組之各者之各自光性質而提供具有來自LED陣列494之所要發射之一複合光。如上文提及，LED陣列494之光輸出可具有基於來自LED群組494A、494B及494C之各者之光發射之組合(例如，混合)的一色點。

在操作中，電源模組452可接收基於使用者及/或感測器輸入產生之一控制輸入，且經由個別通道提供信號以基於控制輸入控制由LED陣列494輸出之光之複合色彩。在一些實施例中，一使用者可藉由轉動一旋鈕或移動一滑塊(其可為例如一感測器模組(未展示)之部分)而將輸入提供至LED系統用於控制DC-DC轉換器電路(諸如本文中描述之DC-DC轉換器電路之任一者)。額外地或替代地，在一些實施例中，一使用者可使用一智慧型電話及/或其他電子裝置來將輸入提供至LED燈光系統400D以將一所要色彩之一指示傳輸至一無線模組(未展示)。

圖4展示一例示性系統550，其包含一應用平台560、LED燈光系統552及556，以及次要光學器件554及558。LED燈光系統552產生在箭頭561a與561b之間展示之光束561。LED燈光系統556可產生在箭頭562a與562b之間之光束562。在圖4中展示之實施例中，自LED燈光系統552發射之光穿過次要光學器件554，且自LED燈光系統556發射之光穿過次要光學器件558。在替代實施例中，光束561及562未穿過任何次要光學器件。次要光學器件554、558可為或可包含一或多個光導。一或多個光導可為側光式或可具有界定光導之一內邊緣之一內部開口。LED燈光系統552及/或556可插入於一或多個光導之內部開口中，使得其等將光注入至一或多個光導之內邊緣(內部開口光導)或外邊緣(側光式光導)中。LED燈光系統552及/或556中之LED可圍繞作為光導之部分之一底座之圓周配置。根據一實施方案，底座可為導熱的。根據一實施方案，底座可耦合至安置於光導上方之一散熱元件。散熱元件可經配置以經由導熱底座接收由LED產生之熱且消散所接收之熱。一或多個光導可容許由LED燈光系統552及556發射之光以一所要方式整形，諸如(舉例而言)具有一梯度、一倒角分佈、一窄分佈、一寬分佈、一角度分佈或類似者。

在實例實施例中，系統550可為具有一相機閃光燈系統之一行動電話、室內住宅或商業燈光、戶外燈(諸如街道燈光)、一汽車、一醫療裝置、AR/VR裝置及機器人裝置。圖3A中展示之整合式LED燈光系統400A、圖3B中展示之整合式LED燈光系統400B、圖3C中展示之LED燈光系統400C及圖3D中展示之LED燈光系統400D繪示例示性實施例中之LED燈光系統552及556。

應用平台560可經由線565或其他適用輸入經由一電源匯流排將電力提供至LED燈光系統552及/或556，如本文中所論述。此外，應用平台560可經由線565提供輸入信號用於LED燈光系統552及LED燈光系統556之操作，該輸入可基於一使用者輸入/偏好、一感測讀數、一預程式化或自主判定之輸出或類似者。一或多個感測器可在應用平台560之外殼內部或外部。

在各項實施例中，應用平台560感測器及/或LED燈光系統552及/或556感測器可收集資料，諸如視覺資料(例如，光檢測及測距 (LIDAR)資料、IR資料、經由一相機收集之資料等)、音訊資料、基於距離之資料、移動資料、環境資料、或類似者，或其等之一組合。資料可與一實體品項或實體(諸如一物件、一個體、一車輛等)有關。例如，感測裝備可針對一基於先進駕駛輔助系統(ADAS)/自動駕駛汽車(AV)之應用收集物件近接性資料，該基於ADAS/AV之應用可基於偵測一實體品項或實體而確定偵測及隨後動作之優先級。可基於藉由例如LED燈光系統552及/或556發射一光學信號(諸如一IR信號)且基於所發射之光學信號收集資料而收集資料。可藉由與發射用於資料收集之光學信號之組件不同的一組件收集資料。繼續該實例，感測裝備可定位於一汽車上，且可使用一垂直腔面射型雷射(VCSEL)來發射一光束。一或多個感測器可感測對發射光束或任何其他適用輸入之一回應。

在實例實施例中，應用平台560可為一汽車，且LED燈光系統552及LED燈光系統556可表示汽車頭燈。在各項實施例中，系統550可表示具有可操縱光束之一汽車，其中LED可選擇性地啟動以提供可操縱光。例如，可使用一LED陣列來定義或投射一形狀或圖案或僅照明一道路之選定區段。在一實例實施例中，LED燈光系統552及/或556內之紅外線相機或偵測器像素可為識別需要照明之一場景(道路、人行橫道等)之部分之感測器。

已詳細描述實施例，熟習此項技術者將明白，在本描述之情況下，可對本文中描述之實施例進行修改而不脫離發明概念之精神。因此，本發明之範疇並不意欲限於所繪示且描述之特定實施例。