含調節供至恆定負載的輸出電流的補償電路的功率轉換器的製作方法

2023-10-22 23:23:12

專利名稱：含調節供至恆定負載的輸出電流的補償電路的功率轉換器的製作方法
技術領域：
本發明的實施方案總體涉及電源，並且更具體地，本發明涉及結合調光器電路 (dimmer circuit)來使用的電源。
背景技術：
電子器件通常結合功率轉換電路來使用。由於切換式功率轉換器的效率高、尺寸小以及重量輕，它們被廣泛用於驅動許多當今的電子設備。傳統的壁式插座提供高壓交流。 在切換式功率轉換器中，高壓交流(ac)輸入被轉換，以提供被調整好的直流(dc)輸出。在運轉中，包括在功率轉換器中的開關被用於通過改變佔空比(通常是開關的接通時間與整個開關周期的比率)和/或改變開關頻率(每單位時間的開關事件的數目)來控制期望的輸出電流。更具體地，功率轉換器控制器可響應於已測定的輸入電壓和已測定的輸出電壓來確定佔空因數和/或開關的開關頻率。在一種用於照明應用的調光中，調光器電路通常阻擋(block) —部分交流輸入電壓，以限制供應至白熾燈的功率的量。具體地，調光器電路輸出一個調光器輸出電壓以提供調光功能，所述調光器輸出電壓表示一部分輸入電壓被移除或阻擋的一個交流輸入電壓。對所述交流輸入電壓的一部分的移除或阻擋可稱作相位調光，因為指定調光輸出電壓的丟失的電壓的位置——在用度數來衡量的交流輸入電壓的周期中的一小部分方面—— 通常是方便的。通常，交流輸入電壓是正弦波形並且交流輸入電壓的周期被稱作全線路循環(full line cycle)。這樣，交流輸入電壓的周期的一半被稱作半線路循環(half line cycle)。整個周期具有360度，而半線路循環具有180度。通常，相位角是對調光器電路阻擋了每半線路循環的多少度數(從參考零度開始)的度量。這樣，通過調光器電路移除半線路循環中的交流輸入電壓的一半對應於90度的相位角。LED (發光二極體)負載需要已調整的功率轉換器提供來自交流功率線路的已調整電流。包括在傳統的已調整的功率轉換器中的控制器可測量輸入電壓，從而調整功率轉換器的輸出。通常，一種測量輸入電壓的普通方式是感測交流輸入電壓的峰值。在某些配置中，調光器電路可被連接在提供交流輸入電壓的交流源和可用於感測峰值輸入電壓的感測電路之間。因而，功率轉換器可依賴於感測調光器電路的輸出也即調光器輸出電壓，該輸出電壓仍可「捕獲」或「保持」交流輸入電壓的峰值。因此，當調光器輸出電壓的峰值等於交流功率線路的一個對應峰值輸入電壓時，可發生LED負載的自然調光。這是因為控制器可能未意識到一部分交流輸入電壓已被調光器電路阻擋，因而減小了傳輸至輸出的功率的量。然而，當相位角大於90度時，調光器電路可阻擋峰值輸入電壓，並且從而錯誤地表示具有較小電壓的峰值輸如入電壓。在這種情況下，包括在傳統已調整功率轉換器中的控制器很可能阻止自然調光，因為控制器接收峰值調光器輸出電壓，所述峰值調光器輸出電壓本應表示峰值輸入電壓，但是相反，卻表示了小於峰值交流輸入電壓的電壓。進一步解釋，包括在傳統已調整的功率轉換器中的控制器可感測峰值調光器輸出電壓——所述峰值調光器輸出電壓是對應於沿著交流線路的小於峰值交流輸入電壓的電壓——控制器從而在功率轉換器的輸入處檢測較小的外來功率(incoming power) 0然後控制器可增大佔空比和/ 或開關頻率，並且順便增大傳輸至輸出的功率。結果，包括在傳統的已調整功率轉換器中的控制器實際上可阻止或「對抗」 LED負載的自然調光。


從下面結合下列附圖呈現的本發明的更具體的描述，將對本發明的幾個實施方案的上述以及其他方面更為明了。圖1是一個功能方塊圖，示出了根據本發明的一個實施方案的一種示例性調光器電路、恆定負載和切換式功率轉換器。圖2A是一個曲線圖，示出了根據本發明的一個實施方案的一種示例性輸入電壓波形。圖2B是一個曲線圖，示出了根據本發明的一個實施方案的一種示例性調光器輸出電壓波形。圖2C是一個曲線圖，示出了根據本發明的一個實施方案的一種示例性整流電壓波形。圖3A是一個示意圖，示出了根據本發明的一個實施方案的一種LED陣列。圖;3B是一個示意圖，示出了包括在圖3A的LED陣列中的LED的一種電路模型。圖3C是一個圖形，示出了圖;3B的LED的電路模型的輸出電流和輸出電壓之間的關係。圖4是根據本發明的一個實施方案的LED陣列和切換式功率轉換器的功能方塊圖。圖5是一個流程圖，示出了圖4的切換式功率轉換器的操作。圖6是根據本發明的一個實施方案的LED陣列和切換式功率轉換器的功能方塊圖。圖7是一個流程圖，示出了圖6的切換式功率轉換器的操作。
具體實施例方式在此描述了帶有用於調節提供給恆定負載的輸出電流的補償電路的功率轉換器的實施方案。在下列描述中，列出了許多特定細節，以提供對實施方案的透徹理解。但是， 對於本領域普通技術人員應明了的是，可在缺少這些特定細節中的一個或多個的情況下， 或者使用其他方法、部件、材料等，來實踐在此描述的技術。在其他情況下，為避免模糊某些方面，公知結構、材料或操作並未被詳細示出或說明。貫穿本說明書引用的「一個實施方案」、「一實施方案」、「一個實施例」或者「一實施例」意味著針對該實施方案或實施例描述的具體特徵、結構或者特性包括在本發明的至少一個實施方案中。因此，在貫穿本說明書的各個位置出現的措辭「在一個實施方案中」、「在一實施方案中」、「一個實施例」或「一實施例」未必全部指的是相同的實施方案或實施例。 此外，所述具體特徵、結構或特性可以通過任何合適的組合和/或子組合被合併在一個或多個實施方案或實施例中。另外，應理解，隨此提供的附圖用於向本領域普通技術人員進行解釋的目的，並且所述附圖未必按比例繪製。
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對於相位調光應用，包括用於恆定負載(例如，發光二極體(LED))的那些相位調光應用，相位調光器電路通常在每半線路循環處阻擋一部分交流輸入電壓，以限制供應至 LED的功率的量。如上面所提及的，相位角可以是調光器電路阻擋交流輸入電壓的每半線路循環的多少度的測量值。例如，交流輸入電壓的每半線路循環可具有總共180度。同樣，通過調光器電路對半線路循環中交流輸入電壓的一半的移除對應於90度的相位角。在另一實施例中，對半線路循環中的交流輸入電壓的四分之一的移除可對應於45度的相位角。三端雙向可控矽(triac)調光器電路是相位調光器電路的一個實施例。對於本發明的實施方案，功率轉換器控制器控制開關的切換，以響應於多個信號來調整輸出電流。這些信號可包括輸入電壓信號，其表示功率轉換器的峰值輸入電壓；以及，反饋信號，其表示功率轉換器的輸出電壓。根據一個實施方案的功率轉換器控制器可被設計，以通過測量交流輸入電壓的峰值以及調節開關的佔空比從而保持對輸出電流的調整來測量交流輸入電壓。在某些配置中，由於連接在提供交流輸入電壓的交流源和將感測輸入電壓的感測電路之間的調光器電路，功率轉換器不能直接測量交流輸入電壓。在一個實施例中，功率轉換器可感測表示峰值輸入電壓的調光器輸出電壓的峰值。在某些狀況下 (相位角< 90度)，峰值調光器輸出電壓基本上等於峰值輸入電壓。換句話說，這允許功率轉換器將測量峰值調光器輸出電壓作為一種測量峰值輸入電壓的間接方式。在運轉中，隨著峰值輸入電壓降低(指示輸入電壓降低)，減小的峰值輸入電壓可導致控制器增大佔空比或者增大開關頻率，試圖保持已調整的輸出電流。在一個實施例中， 當相位角超過90度時，峰值調光器輸出電壓不再表示峰值輸入電壓。更具體地，當相位角超過90度時，峰值調光器輸出電壓小於峰值輸入電壓。在這種情況下，設想功率轉換器接收較低的輸入電壓，則控制器試圖調節控制器的功率傳輸，以保持輸出調整。這導致控制器對抗或者抵制調光，因為控制器可順便向輸出傳輸與預計相比更大的功率。因此，本發明的實施方案包括補償電路，以調節由控制器所接收的這些信號中的至少一個(例如，輸入電壓信號和/或反饋信號)，從而確保控制器不順便傳輸更大的功率。藉助於該特徵，自然調光可延及即使在調光電路阻擋多於90度的交流輸入電壓波形時。在一個實施例中，該特徵可允許更大的調光範圍。首先參考圖1，示出了示例性調光器電路105、恆定負載110以及切換式功率轉換器100的功能方塊圖。示出的切換式功率轉換器100包括整流器115、能量傳遞元件120、 開關125、輸入返回130、整流器135、輸出電容器140、輸出返回145、輸出傳感器150、控制器155、補償電路160、加法器165和峰值輸入電壓檢測器170。示出的能量傳遞元件120包括初級繞組175和次級繞組180。圖1中還示出的是交流輸入電壓Vin(可被稱作「輸入電壓Vin」 )、調光器控制輸入104、調光器輸出電壓VDQ、已整流電壓Vkect、輸出電流Iqut、輸出電壓Vot、反饋信號Ufb、補償信號υωΜΡ、峰值輸入電壓信號Uvinpk和已補償的峰值輸入電壓信號
Ucvinpko切換式功率轉換器100從未調整的交流輸入電壓Vin提供已調整輸出電流Iott至負載110。如所示出的，圖2Α是一個曲線圖，示出了根據本發明的一個實施方案的交流輸入電壓Vin的示例性輸入電壓波形。返回參考圖1，調光器電路105接收輸入電壓Vin，並且產生調光器輸出電壓VDQ。在一個實施方案中，調光器電路105被連接，以接收調光控制輸入104。調光控制輸入104表示將要被調光器電路105所阻擋或「切斷」的輸入電壓Vin的量。例如，在典型的家庭應用中，調光控制輸入104可通過手動控制旨在改變光的亮度的壁裝式調光器而被接收。在另一實施例中，調光控制輸入104可通過數字控制系統(例如，家庭自動系統)而被接收。在一個實施方案中，調光器電路105是相位調光電路，例如三端雙向可控矽相位調光器。在運轉中，依賴於調光控制輸入104所指示的調光量，調光器電路105控制輸入電壓Vin從功率轉換器100關斷的時間量。通常，所要求的更多的調光對應於更長的交流輸入電壓Vin被阻擋的時間段。如所示出的，圖2B是一個曲線圖，示出了根據本發明的一個實施方案的示例性調光器輸出電壓波形。圖2B中所示出的調光器輸出電壓波形是圖1的調光器輸出電壓的一個可能的代表。返回參考圖1，調光器電路105被進一步連接至整流器115，使得調光器輸出電壓 Vdq被整流器115所接收。整流器115輸出已整流電SVKECT。在一個實施方案中，整流器115 是全波橋式整流器。圖2C是一個曲線圖，示出了根據本發明的一個實施方案的示例性已整流電壓波形。圖2C中示出的已整流電壓波形是圖1的已整流電壓Vkect 108的一個可能的代表。圖1進一步示出了整流器115被連接至能量傳遞元件120。能量傳遞元件120可以是包括初級繞組175和次級繞組180的變壓器。然而，應理解，能量傳遞元件120可具有兩個以上的繞組。初級繞組175被進一步連接至開關125，然後所述開關125被進一步連接至輸入返回130。在一個實施方案中，開關125可以是電晶體，例如金屬氧化物半導體場效應電晶體(MOSFET)。在一個實施例中，控制器155和開關125可形成集成控制電路的一部分，所述集成控制電路被製造為混合式集成電路或單片式集成電路。如所示出的，能量傳遞元件120的次級繞組180被連接至整流器135。在圖1的實施例中，整流器135是二極體。圖1中的輸出電容器140和恆定負載110都被示為連接至整流器135。在運轉中，通過整流器135的電流被輸出電容器140濾波，以產生基本上恆定的輸出電流I·，所述輸出電流Iot被恆定負載110所接收。當未指示調光時，恆定負載110可保持基本上恆定的功耗(power draw)。恆定負載110還可以是這樣的負載其中輸出電壓以預定且已知的方式根據輸出電流而改變。例如，輸出電壓Vot可基本上與Itm成比例。在一個實施方案中，恆定負載110可以是發光二極體(LED)陣列，如將進一步所討論的。輸出傳感器150被連接，以感測來自切換式功率轉換器100的輸出的輸出電壓 Vout,並且產生反饋信號Ufbo輸出傳感器150被進一步連接至控制器155和補償電路160， 使得反饋信號被控制器155以及補償電路160所接收。反饋信號Ufb可以是電壓信號或電流信號，並且表示輸出電壓VOTT。在一個實施方案中，控制器155所接收的反饋信號Ufb是電流信號，而補償電路160所接收的反饋信號Ufb是電壓信號。如圖1中所示出的，峰值輸入電壓檢測器170被連接至整流器115，以檢測已整流電壓Vkect 108的峰值電壓VPK。峰值輸入電壓檢測器170還被連接，以提供峰值輸入電壓信號Uvinpk,所述峰值輸入電壓信號Uvinpk可表示峰值交流輸入電壓VPK。控制器155被連接，以生成驅動信號138，從而控制開關125的切換。控制器138 可被實施為單片式集成電路，或者可被實施為分立的電氣部件，或者可被實施為分立或集成部件的組合。此外，開關125接收來自控制器155的驅動信號138。
開關125響應於驅動信號138而斷開和閉合。通常的理解是，閉合的開關能導通電流且被認為是接通的，而斷開的開關基本上不能導通電流且被認為是關斷的。在運轉中， 開關125的切換在整流器135處產生脈動電流(pulsating current)。如所示出的，響應於反饋信號Ufb以及響應於峰值輸入電壓信號UVINPK，控制器155 輸出驅動信號138以控制開關125的切換。在一個實施方案中，驅動信號138可以是具有邏輯高段和邏輯低段的PWM(脈衝寬度調製)信號，且邏輯高值對應於閉合的開關以及邏輯低對應於斷開的開關。在另一實施方案中，驅動信號可包括基本固定長度的邏輯高(或ON) 脈衝，並且通過在固定時間段中改變ON脈衝的數目來調整。在運轉中，驅動信號138可具有各種驅動信號運轉條件，例如開關接通時間tw (通常對應於驅動信號138的邏輯高值)、開關關斷時間通常對應於驅動信號138的邏輯低值)、開關頻率4或者佔空比。如上面所提及的，負載110是恆定負載。因而，在運轉期間，控制器155可利用反饋信號Ufb和峰值輸入電壓信號Uvinpk來調整輸出電流I·。例如， 峰值輸入電壓信號Uvinpk的減小可對應於較低的交流輸入電壓VIN。因而，控制器155可增大驅動信號138的佔空比，以響應於所述峰值輸入電壓信號Uvinpk的減小來保持恆定的輸出電流I·。然而，如上面所討論的，當使用調光器電路時，峰值輸入電壓信號Uvinpk還可能順便減小。例如，圖2C示出了用於改變相位角θ (即，θ )的整流電壓108的一種示例性整流電壓波形。已整流電壓波形的頭兩個半線路循環對應於零度的相位角，或者換句話說，不期望任何調光。對於所述頭兩個半線路循環，峰值輸入電壓檢測器170所感測到的峰值電壓基本上等於峰值電壓VPK。圖2C的下兩個半線路循環對應於60度(S卩，θ工=60度)的相位角。在該實施例中，又一次，峰值輸入電壓檢測器170所感測到的已整流電壓Vkect的峰值基本上等於峰值電壓VPK，所述峰值電壓Vpk表示輸入電壓Vin的峰值的幅度。儘管控制器155部分基於由峰值輸入電壓信號Uvinpk所指示的峰值電壓Vpk來調整輸出電流IOT，交流輸入電壓Vin的一部分通過調光器電路105移除。例如，圖2C中示出的波形示出了波形的非阻擋部分210和阻擋部分205，其中阻擋部分205的量對應於60度的相位角。因而，由於從初級繞組175至次級繞組180的功率傳遞的減小，減小了輸出電壓Vott 114和輸出電流Iott112。儘管圖2C示出了 工=60度，但是應意識到，對於等於或小於90度的相位角，由峰值輸入電壓檢測器所感測到的已整流電壓Vkect的峰值的幅度基本上等於輸入電壓Vin的對應峰值的幅度。圖2C的最後兩個半線路循環對應於120度(S卩，θ2 = 120度)的相位角。在該實施例中，圖2C中示出的波形示出了波形的非阻擋部分220和阻擋部分215，其中阻擋部分 215的量對應於120度的相位角。在這種情況下，由峰值輸入電壓檢測器170所檢測到的峰值輸入電壓基本上等於峰值電壓V』PK，並且小於峰值電壓Vpk的幅度，峰值電壓Vpk將基本上等於輸入電壓Vin的峰值。儘管圖2C示出了 2 = 120度，但是應意識到，對於大於90度的相位角，由峰值輸入電壓檢測器170所感測到的已整流電壓Vkect的峰值小於由峰值電壓 Vpk所表示的輸入電壓Vin的峰值的幅度。如上面所討論的，感測較低的電壓(即，峰值電壓 V』 ΡΚ)將導致控制器155增大功率傳遞，從而試圖保持已整流的輸出電流Iott 112。這與對恆定負載(例如，LED陣列)的自然調光的期望相反。因此，功率轉換器100包括補償電路 160和加法器165，以調節峰值輸入電壓信號Uvinpk，使得隨著調光需求的增大(即，θ的增大)，減小(例如，調節)傳輸至負載110的輸出電流Iot，從而允許輸出處的「自然調光」。
在一個實施方案中，補償電路160被連接至加法器165，從而當相位角超出相位角閾值時，調節峰值輸入電壓信號UVINPK。例如，返回參考圖2C，相位角閾值可等於90度，使得當相位角 大於90度時，補償電路160調節峰值輸入電壓信號UVINPK。進一步對於該實施例，當相位角 等於或小於90度時，補償電路160不調節峰值輸入電壓信號UVINPK。如上面所討論的，補償電路160接收表示輸出電壓Vqut的反饋信號Ufbo因而，由於調光器控制輸入104所指示的對調光的需求的增大，導致更大的交流輸入電壓Vin被阻擋， 從而造成的輸出電壓Vot被減小，反饋信號Ufb還將被減小。在一個實施方案中，補償電路 160包括表示相位角電壓閾值，所述相位角電壓閾值表示用於確定何時生成補償信號Uotp 的相位角閾值。具體地，相位角閾值表示相位角，在該相位角處補償信號υωΜΡ可輔助減小傳輸至功率轉換器的輸出的功率。相位角電壓閾值表示符合具體相位角閾值的輸出電壓。當表示輸出電壓Vott的反饋信號Ufb小於相位角電壓閾值時，補償電路160生成補償信號UC0MP。 然後加法器165將補償信號Utomp添加至峰值輸入電壓信號Uvin，以向控制器155提供已補償的輸入電壓信號UCTINPK。在一個實施方案中，當相位角Θ大於90°時，已補償的峰值輸入電壓信號Uctinpk表示峰值輸入電壓Vin的峰值電壓VPK，儘管峰值輸入電壓信號Uvinpk指示表示小於峰值電壓Vpk的峰值電壓V』PK的感測電壓。當控制器155接收已補償的峰值輸入電壓信號^inpk時，控制器1 可以不試圖增大輸出功率，以保持輸出電流IOT。因而，由於從初級繞組175至次級繞組180的功率傳遞的減小，允許輸出電流Iot自然減少。在一個實施例中，補償電路160所使用的相位角電壓閾值表示對應於90度的相位角的調光器控制輸入104。因而，在該實施例中，僅在相位角大於90度時從補償電路160輸出補償信號Ucompo如上面所討論的，恆定負載110可以是在功率轉換器的運轉期間不改變的基本上恆定的負載。因此，圖3A示出了 LED陣列305，其是圖1的恆定負載110的一種可能的實施方式。如所示出的，LED陣列305包括N個LED (即，LED 1至LED N)。如進一步所示，圖 3B是一個示意圖，示出了包括在圖3A的LED陣列305中的LED的電路模型。LED 301、302、 303和304分別是圖3A的LED 1、2、3和N的「理想」電路模型。也就是說，LED 1可由理想 LED 301表示，所述理想LED 301包括二極體D1、閾值電壓Vdi和串聯電阻器I S1。因而，通常當LED 301兩端的電壓超過閾值電壓Vdi時，LED 301將導通電流，並且由於串聯電阻，通過LED 301的電流將與LED 301兩端的電壓成比例。圖3C是一個圖形，示出了圖的LED 的電路模型的輸出電流和輸出電壓之間的關係。如圖3C中所示，閾值電壓Vdi至Vdn的總和表示打開這些LED所必需的最小電壓VMIN。也就是說，LED陣列305通常不導通電流，直至輸出電壓Vott超過最小電壓VMIN。此外，圖3C中了，對於輸出電壓Vott大於最小電壓Vmin，輸出電流通常與輸出電壓Vqut成比例。換句話說，隨著通過LED陣列305的輸出電流Iqut的減小，也發生串聯電阻I S1、I S2、...Rsn兩端的電壓中的成比例減小，因而減小了總體輸出電壓VOTT。因此，根據在此公開的實施方案的控制器可利用輸出電壓Vott和輸出電流Iott之間的預定且已知的關係，從而通過感測輸出電壓Vott而非直接感測輸出電流Iott來確定輸出電流Iot的變化。換句話說，感測輸出電壓Vott可被用於間接感測輸出電流Iot中的變化。 這允許補償信號Ucomp響應於輸出電壓Vott而被調節。圖4是根據本發明的一個實施方案的LED陣列305和切換式功率轉換器400的一個功能方塊圖。切換式功率轉換器400是圖1的功率轉換器100的一種可能的實施方式。 示出的切換式功率轉換器400包括濾波電容器405、能量傳遞元件120、輸入返回130、整流器135、輸出電容器140、輸出返回145、電阻器445、輸出傳感器450、補償電路460、峰值輸入電壓檢測器470、集成控制電路480、旁路電容器485以及求和節點497。示出的輸出傳感器450包括輔助繞組425、二極體430和電容器440。示出的補償電路460包括電阻分壓器(即，電阻器455和465)、電阻器490、電晶體475和節點495。示出的峰值輸入電壓檢測器470具有二極體410、電阻器415和電容器420。示出的集成控制電路480包括開關125 和控制器155。圖4中還示出的是已整流電壓V·、輸出電壓Vott、輸出電流IOT、反饋電流 Ifb、峰值輸入電壓電流Ivinpk、補償電流Iotp和已補償的峰值輸入電壓信號ICTINPK。如圖4中所示，濾波電容器405被連接，以接收已整流電壓VKECT。在運轉中，濾波電容器405提供對於EMI (電磁幹擾)的過濾功能。在一個實施例中，控制器155可執行功率因數校正(PFC)，其中通過開關125的開關電流Isw被控制以隨著已整流電壓Vkect成比例地改變。舉例來說，控制器155可通過控制開關125的切換來執行功率因數校正，以對於半線路循環具有基本上恆定的佔空比。這樣，濾波電容器405的值可被選擇，使得濾波電容器 405上的電壓具有相對低的電容值。圖4示出了峰值輸入電壓檢測器470被連接，以接收已整流電壓Vkect並且生成峰值輸入電壓電流IVINPK。在一個實施例中，峰值輸入電壓電流Ivinpk是表示已整流電壓Vkect 的峰值的電流。峰值輸入電壓檢測器470是圖1的峰值輸入電壓檢測器170的一種可能的實施方式。如圖4中所示，峰值輸入電壓檢測器470包括二極體410、電阻器415和電容器 420。在一個實施方案中，二極體410被連接至電容器420，以阻止電容器420通過初級繞組 175放電，使得所感測的峰值電壓Vpks被保持在電容器420中。圖4中進一步示出的輸出傳感器450包括輔助繞組425、二極體430和電容器440。 輸出傳感器450是圖1的輸出傳感器150的一種可能的實施方式。如圖4中所示，輔助繞組425被磁耦合至次級繞組180。在運轉中，當開關125從接通轉變為關斷時，基本上阻止開關電流Isw流動通過功率開關125，以及存儲在輸入繞組175中的能量被傳遞至次級繞組 180，允許輔助繞組425兩端的電壓表示與輸出電壓Vqut成比例的電壓。輔助繞組425兩端的電壓可與輸出電壓Vot成比例，所述比例為輔助繞組425中的線圈數目與次級繞組180中的線圈的數目的比例。因此，輸出傳感器450可生成表示輸出電壓Vot的反饋信號UFB。補償電路460所接收的反饋信號Ufb是電壓信號，而功率轉換器400包括電阻器445，以將反饋信號Ufb轉換為反饋電流IFB，所述反饋電流Ifb被連接以被集成控制器電路480的控制器 155所接收。在一個實施方案中，電阻器445的值被選定，以設置輸出電流Iqut的期望值。補償電路460被連接，以響應於已整流電壓Vkect的阻擋部分的相位角超過相位角閾值而生成補償電流ΙωΜΡ。具體地，補償電路460可被連接，以響應於反饋信號Ufb小於表示相位角閾值的相位角電壓閾值而生成補償電流I·。在示出的實施例中，電阻器455和 465的值被選定，以設置相位角電壓閾值的值，使得當節點495處的電壓降低至足以導通電晶體475時，達到相位角電壓閾值。換句話說，當達到相位角電壓閾值時，則也達到了相位角閾值。當達到相位角電壓閾值時，補償電流Iotp流動通過電晶體475。在一個實施方案中，相位角電壓閾值表示一個調光器控制輸入，該輸入對應於將已整流電壓Vkect阻擋90度或者阻擋每半循環的一半。如圖4中所示，電晶體475可以是PNP電晶體，其被連接以在電晶體的線性區域中運轉。也就是說，當反饋信號Ufb超過相位角電壓閾值以及當電晶體475 進入線性區域之間時，通過補償電路460生成的補償電流ΙωΜΡ基本上與反饋信號成比例。換句話說，在某一範圍時，隨著反饋信號Ufb減小，補償電路460增大補償電流ΙωΜΡ。圖4中還示出的是求和節點497(其可以是圖1中的加法器165的一個實施例)， 其被連接以將補償電流Iotp 406添加至峰值輸入電壓信號Ivinpk,並且將已補償的峰值輸入電壓信號Ictinpk提供至集成控制電路480的控制器155。在一個實施方案中，電源400和LED陣列305被一起封裝在單一裝置中，例如LED 燈(S卩，LED燈泡)。包括電源400和LED陣列305的LED燈可被設計，以與傳統白熾燈或緊湊的螢光燈泡可互換，以及用作傳統白熾燈或緊湊的螢光燈泡的替換。現在將結合圖4和圖5來描述電源400的操作。在處理塊505中，控制器155響應於反饋信號Ufb和峰值輸入電壓信號Ivinpk來調整輸出電流I·。在處理塊505中，沒有接收來自調光控制輸入104(參看圖1)的輸入用以對LED陣列305的輸出進行調光。因而， 補償電路460未輸出補償電流Iotp 406，以及已補償的輸入電壓信號Ictin408等於峰值輸入電壓信號IVINPK。在決定塊510中，如果接收到調光控制輸入104，則過程500前進至處理塊 515，在處理塊515中，輸出傳感器450感測輸出電壓VQUT，以及在處理塊520中，輸出傳感器響應於所感測的輸出電壓生成反饋信號Ufbo在決定塊525中，如果反饋信號Ufb未在相位角電壓閾值以下，則過程500返回至處理塊505，並且不生成補償電流。在一個實施例中，反饋信號Ufb達到相位角電壓閾值對應於已整流電壓Vkect的阻擋部分的相位角超過相位角閾值。在決定塊525中，如果反饋信號Ufb在相位角電壓閾值以下，則過程500前進至處理塊530，補償電路460生成補償電流IOTP。在處理塊535中，求和節點497將補償電流Iotp 添加至峰值輸入電壓信號Ivinpk,以生成已補償的峰值輸入電壓信號ICTINPK。接下來，在處理塊540中，響應於反饋電流Ifb以及響應於已補償的峰值輸入電壓信號Ictin，控制器155計算傳輸至功率轉換器400的輸出的功率的量，以允許自然調光。換句話說，當反饋信號降低至相位角電壓閾值以下時，將補償電流Itomp添加至峰值輸入電壓信號Ivinpk允許輸出電流Iot 被調節。圖6是根據本發明的一個實施方案的LED陣列305和切換式功率轉換器600的功能方塊圖。示出的切換式功率轉換器600包括濾波電容器405、能量傳遞元件120、輸入返回130、整流器135、輸出電容器140、輸出返回145、電阻器445、輸出傳感器450、補償電流 660、峰值輸入電壓檢測器470、集成控制電路480、旁路電容器485和節點697。示出的補償電路660包括電阻分壓器(即，電阻器655和665)、電阻器690、電晶體675和節點695。 圖6中還示出的是已整流電壓VKECT、輸出電壓Vott、輸出電流Iott、反饋電流Ifb、峰值輸入電壓信號IVIN、補償電流Iotp和已補償的反饋電流ICFB。功率轉換器600與圖4的功率轉換器400的運轉方式類似。然而，與將補償電流 Iotp添加至峰值輸入電壓信號IvinpkF同，補償電路660被連接以減去補償電流Iotp從而進行補償。具體地，補償電路660被連接，從而響應於反饋信號Ufb小於相位角電壓閾值(即， 所達到的相位角閾值)來使補償電流Iotp降低。在示出的實施例中，電阻器655和665的值被選定，以設置相位角電壓閾值的值，使得當節點695處的電壓降低至相位角電壓閾值以下時，電晶體675導通。當達到相位角電壓閾值時，補償電流Iotp流動通過電晶體675。 在一個實施方案中，相位角電壓閾值表示調光器控制輸入，所述調光器控制輸入對應於阻擋已整流電壓Vkect的每半循環的90度。如圖6中所示，電晶體675可以是被連接以操作在
12電晶體的線性區域的PNP電晶體。也就是說，由補償電路660所生成的補償電流Iotp基本上與反饋信號成比例。此外，隨著反饋信號Ufb減小，補償電路660增大補償電流I·。圖6中還示出的是節點697，其被連接以從反饋電流Ifb中減去補償電流I·，並且將已補償的反饋電流Icfb提供至集成控制電路480的控制器155。在運轉中，當補償的反饋電流IeFB被降低時，控制器155將更少的功率傳輸至功率轉換器600的輸出，從而當相位角閾值大於90度時抵消峰值輸入電壓電流Ivinpk的功率增加的指示。現在將參考圖6和圖7來描述功率轉換器600的操作。在處理塊705中，響應於反饋信號Ufb和峰值輸入電壓電流Ivinpk,控制器155調整輸出電流IQUT。在處理塊705中， 沒有接收來自調光控制輸入104(參看圖1)的輸入用以對LED陣列305的輸出進行調光。 從而，補償電路660不生成補償電流ΙωΜΡ，以及已補償的反饋電流Icfb是反饋電流IFB。在決定塊710中，如果調光控制輸入104被接收，過程700前進至處理塊715，輸出傳感器450感測輸出電壓Vott並且響應於所感測的輸出電壓來生成反饋信號Ufb (即，處理塊720)。在決定塊725中，如果反饋信號Ufb未低於相位角電壓閾值，過程700返回至處理塊705，並且不生成補償電流。在決定塊725中，如果反饋信號Ufb低於相位角電壓閾值，則過程700前進至處理塊730，補償電路660生成補償電流ΙωΜΡ。在處理塊735中，節點697從反饋電流Ifb中減去補償電流Ια ，以生成已補償的反饋電流ICFB。接下來，在處理塊740中，響應於已補償的反饋電流Ictb以及響應於峰值輸入電壓信號Ivinpk,控制器155計算傳輸至功率轉換器600 的輸出的功率的量，並且保持恆定的輸出電流IOTT，從而允許自然調光。因而，當返回信號降低至相位角電壓閾值以下時從反饋電流Ifb中減去補償電流Iotp允許響應於調光控制輸入 104來調整輸出電流IQUT。儘管在此公開的發明已藉助於其具體實施方案、實施例和應用被描述，但是在不脫離權利要求所限定的本發明的範圍的情況下，本領域普通技術人員仍可做出許多改型和變體。
權利要求
1.一種功率轉換器，包括一個能量傳遞元件，其被連接以接收具有非阻擋部分和阻擋部分的已整流電壓，其中所述阻擋部分的量對應於相位角；一個開關，其被連接至所述能量傳遞元件；一個控制器，其被連接以響應於多個信號來控制所述開關的切換，從而調整所述功率轉換器的輸出電流，其中所述多個信號包括峰值輸入電壓信號和反饋信號，所述峰值輸入電壓信號表示所述功率轉換器的峰值輸入電壓，以及所述反饋信號表示所述功率轉換器的輸出電壓；以及一個補償電路，其被連接以響應於所述相位角超過相位角閾值來調節所述多個信號中的至少一個。
2.如權利要求1的功率轉換器，其中所述控制器被配置以執行所述已整流電壓的功率因數校正。
3.如權利要求1的功率轉換器，其中所述補償電路包括表示所述相位角閾值的相位角電壓閾值，其中所述補償電路被連接以響應於所述反饋信號小於所述相位角電壓閾值來調節所述多個信號中的至少一個。
4.如權利要求3的功率轉換器，其中當所述反饋信號小於所述相位角電壓閾值時，響應於所述反饋信號，所述補償電路輸出補償電流，並且其中所述補償電路被連接，以將所述補償電流添加至所述峰值輸入電壓信號。
5.如權利要求3的功率轉換器，其中響應於所述反饋信號小於所述相位角電壓閾值， 所述補償電路輸出補償電流，並且其中所述補償電流被連接，以從所述反饋信號中減去所述補償電流。
6.如權利要求5的功率轉換器，其中所述補償電路包括被連接至電阻分壓器的電晶體，以及其中當所述反饋信號小於所述相位角電壓閾值時，所述補償電流流動通過所述電晶體。
7.如權利要求3的功率轉換器，其中所述補償電路包括電阻分壓器，其被連接以接收所述反饋信號並且設置所述相位角電壓閾值。
8.如權利要求3的功率轉換器，其中所述相位角閾值是90度。
9.如權利要求1的功率轉換器，進一步包括一個輸出傳感器，其被連接至控制器，其中所述輸出傳感器包括所述能量傳遞元件的一個輔助繞組，以生成所述反饋信號。
10.如權利要求1的功率轉換器，其中當所述相位角超過所述相位角閾值時，所述補償電路輸出補償電流，以調節所述多個信號中的至少一個，以及其中，所述補償電流與所述反饋信號成比例。
11.如權利要求1的功率轉換器，其中所述開關和所述控制器被包括在集成控制電路中。
12.如權利要求1的功率轉換器，其中所述功率轉換器的輸出被連接至恆定的LED負載。
13.一種裝置，包括 一個恆定負載；以及一個功率轉換器，其被連接以提供輸出電流至所述恆定負載，所述功率轉換器包括一個能量傳遞元件，其被連接以接收具有非阻擋部分和阻擋部分的已整流電壓，其中所述阻擋部分的量對應於相位角；一個開關，其被連接至所述能量傳遞元件；一個控制器，其被連接以響應於多個信號來控制所述開關的切換，從而調整所述功率轉換器的輸出電流，其中所述多個信號包括峰值輸入電壓信號和反饋信號，所述峰值輸入電壓信號表示所述功率轉換器的峰值輸入電壓，以及所述反饋信號表示所述功率轉換器的輸出電壓；以及一個補償電路，其被連接以響應於所述相位角超過相位角閾值來調節所述多個信號中的至少一個。
14.如權利要求13的裝置，其中所述控制器被配置以執行所述已整流電壓的功率因數校正。
15.如權利要求13的裝置，其中所述補償電路包括表示所述相位角閾值的相位角電壓閾值，其中所述補償電路被連接以響應於所述反饋信號小於所述相位角電壓閾值來調節所述多個信號中的至少一個。
16.如權利要求15的裝置，其中響應於所述反饋信號小於所述相位角電壓閾值，所述補償電路輸出補償電流，以及其中所述補償電路被連接，以將所述補償電流添加至所述峰值輸入電壓信號。
17.如權利要求15的裝置，其中響應於所述反饋信號小於所述相位角電壓閾值，所述補償電路輸出補償電流，以及其中所述補償電路被連接，以從所述反饋信號減去所述補償電流。
18.如權利要求15的裝置，其中所述補償電路包括一個電阻分壓器，其被連接以接收所述反饋信號以及設置所述相位角電壓閾值。
19.如權利要求18的裝置，其中所述補償電路包括一個電晶體，其被連接至所述電阻分壓器，以及其中當所述反饋信號小於所述相位角電壓閾值時所述補償電流流動通過所述電晶體。
20.如權利要求13的裝置，其中所述功率轉換器進一步包括一個輸出傳感器，其被連接至控制器，其中所述輸出傳感器包括所述能量傳遞元件的一個輔助繞組，以生成所述反饋信號。
21.如權利要求13的裝置，其中當所述相位角超過所述相位角閾值時，所述補償電路輸出補償電流，以調節所述多個信號中的至少一個，以及其中，所述補償電流與所述反饋信號成比例。
22.如權利要求13的裝置，其中所述相位角閾值是90度。
23.如權利要求13的裝置，其中所述開關和所述控制器被包括在集成控制電路中。
24.如權利要求13的裝置，其中所述恆定負載是LED陣列。
25.一種方法，包括生成表示功率轉換器的輸出電壓的反饋信號； 接收表示所述功率轉換器的峰值輸入的峰值輸入電壓信號；控制包括在所述功率轉換器中的開關的切換，以響應於多個信號來調整輸出電流，其中所述多個信號包括所述輸入電壓信號和所述反饋信號；以及響應於反饋信號小於相位角電壓閾值來調節所述多個信號中的至少一個，以調節所述輸出電流。
26.如權利要求25的方法，進一步包括響應於所述反饋信號小於所述相位角電壓閾值來生成補償電流，其中調節所述多個信號中的至少一個包括從所述反饋信號中減去所述補償電流。
27.如權利要求25的方法，進一步包括響應於所述反饋信號小於所述相位角電壓閾值來生成補償電流，其中調節所述多個信號中的至少一個包括將所述補償電流添加至所述輸入電壓信號。
28.如權利要求25的方法，其中所述相位角電壓閾值表示對應於90度的相位角的調光器控制輸入。
29.如權利要求25的方法，進一步包括將所述輸出電流提供至所述恆定負載，其中所述恆定負載是LED陣列。
全文摘要
一種用於恆定負載的功率轉換器，包括一個能量傳遞元件、一個開關、一個控制器和一個補償電路。所述能量傳遞元件被連接，以接收具有非阻擋部分和阻擋部分的已整流電壓，其中所述阻擋部分的量對應於相位角。所述控制器被連接，以響應於多個信號來控制所述開關的切換，從而調整所述功率轉換器的輸出電流。所述多個信號包括峰值輸入電壓信號和反饋信號，其中所述峰值輸入電壓信號表示所述功率轉換器的峰值輸入電壓，以及所述反饋信號表示所述功率轉換器的輸出電壓。所述補償電路被連接，以響應於所述相位角超過相位角閾值來調節所述多個信號中的至少一個。
文檔編號H02M3/335GK102299630SQ201110175500
公開日2011年12月28日 申請日期2011年6月24日 優先權日2010年6月25日
發明者D·康, J·A·卡朋特, T·M·薩維裡瓦拉 申請人:電力集成公司