CN104040862A - 动态定位开关式电力供应器输出电压的方法和*** - Google Patents

动态定位开关式电力供应器输出电压的方法和*** Download PDF

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Abstract

通过使用同步开关而代替常用整流二极管来周期性地反转开关式电力供应器SMPS转换器。通过反转SMPS转换器，可使SMPS输出电容器极迅速地放电以提供LED的快速关断(无电流通过LED)，藉此解决色移问题。此情形实现了通过使大容量输出电容器主动地充电或放电来向上或向下定位SMPS的输出电压。具有使大容量输出电容器主动地充电或放电的能力允许产生包括对于驱动LED照明应用较佳的实质上方形(例如，当接通时实质上全电流，及当关断时实质上无电流)电流脉冲的电流源。

Description

动态定位开关式电力供应器输出电压的方法和***
相关专利申请案
本申请案主张由斯考特·迪尔伯恩和泰瑞·克莱维兰于2011年11月11日申请的名为“动态定位开关式电源输出电压的方法和***(Method and System to DynamicallyPosition a Switch Mode Power Supply Output Voltage)”的共同拥有的美国临时专利申请案第61/558,616号的优先权，所述临时专利申请案据此出于所有目的而以引用的方式并入本文中。
技术领域
本发明涉及开关式电力供应器，且明确地说，涉及一种对发光二极管(LED)供电且控制所述LED的调光的开关式电力供应器。
背景技术
当(例如)在汽车前照灯应用中驱动发光二极管(LED)时，可使用调光开关以极迅速地接通和关断LED电流。在不使用调光开关的情况下，开关式电力供应器(SMPS)的输出电容器为LED电流提供足够能量以使其缓慢地衰减，此将为我们所期望。此缓慢衰减造成LED光的波长移位。因为光色彩改变，所以此移位是明显的。
发明内容
因此，需要一种可对发光二极管(LED)供电且控制所述LED的调光而不造成明显输出光色彩改变的改进型开关式电力供应器(SMPS)。
根据实施例，一种电力供应器电路可包括：脉宽调变控制器，其与回扫电路耦接，其中所述回扫电路包括受到第一场效晶体管控制的初级电路和受到第二场效晶体管控制且包括输出电容器的次级电路，其中所述控制器可经配置以控制所述第二场效晶体管，使得所述输出电容器可放电以消除输出脉冲的尾电流。根据另外实施例，所述电力供应器电路为至少一个发光二极管串提供电力。
根据另一实施例，一种用于动态定位开关式电力供应器输出电压的方法可包括如下步骤：用主开关使输出电容器通过回扫变压器而充电，其中所述回扫变压器和所述主开关耦接到一电源；以及用同步开关使所述输出电容器通过所述回扫变压器而放电，其中所述回扫变压器及所述同步开关可耦接到所述输出电容器；其中所述主开关及所述同步开关可受到开关式电力供应器控制器控制，由此使所述输出电容器充电和放电的所述步骤将实质上方形波脉宽调变式电流提供到耦接到所述输出电容器的负载。
根据所述方法的另外实施例，所述负载可为串联连接式发光二极管串。根据所述方法的另外实施例，所述发光二极管串具有高输出光且可用于汽车应用。根据所述方法的另外实施例，所述主开关及所述同步开关可为电力场效晶体管。根据所述方法的另外实施例，所述开关式电力供应器控制器可为微控制器。
根据所述方法的另外实施例，所述负载可包括在第一电压下操作的第一发光二极管串及在第二电压下操作的第二发光二极管串，其中所述第一电压可大于所述第二电压，且所述方法可进一步包括如下步骤：当所述已充电输出电容器上的电压可实质上处于所述第一电压时用断开/连接开关使所述第二发光二极管串断开；以及当所述已充电输出电容器上的电压可实质上处于所述第二电压时用所述断开/连接开关来连接所述第二发光二极管串。
根据所述方法的另外实施例，可使所述输出电容器通过所述回扫变压器而放电至输入电容器中。根据所述方法的另外实施例，所述输出电容器可耦接到所述回扫变压器的次级绕组，且所述输入电容器可耦接到所述回扫变压器的初级绕组。
根据又一个实施例，一种用于动态定位开关式电力供应器输出电压的***可包括：回扫变压器，其具有初级绕组和次级绕组；主开关，其与所述回扫变压器的所述初级绕组串联地耦接，其中所述回扫变压器的所述初级绕组及所述主开关可耦接到电源；同步开关，其与所述回扫变压器的所述次级绕组串联地耦接；及输出电容器，其耦接到所述回扫变压器的所述次级绕组及所述同步开关；其中所述主开关使所述输出电容器通过所述回扫变压器而充电，且同步开关使所述输出电容器返回通过回扫变压器而放电；以及开关式电力供应器控制器，其耦接到所述主开关及所述同步开关且控制所述主开关及所述同步开关；其中实质上方形波脉宽调变式电流可提供到耦接到所述输出电容器的负载。
根据另外实施例，所述负载可为串联连接式发光二极管串。根据另外实施例，所述发光二极管串可具有高输出光且可用于汽车应用。根据另外实施例，所述主开关及所述同步开关可为电力场效晶体管。根据另外实施例，所述开关式电力供应器控制器可为微控制器。根据另外实施例，所述负载可包括在第一电压下操作的第一发光二极管串和在第二电压下操作的第二发光二极管串，其中所述第一电压可大于所述第二电压；其中当所述输出电容器上的电压可实质上处于所述第一电压时可用断开/连接开关使所述第二发光二极管串与所述输出电容器断开；且当所述输出电容器上的所述电压可实质上处于所述第二电压时可用所述断开/连接开关来连接所述第二发光二极管串。根据另外实施例，所述输出电容器可通过所述回扫变压器而放电至耦接到所述回扫变压器的所述初级绕组的输入电容器中。
附图说明
可通过参考结合随附图式而采取的以下描述来获取对本发明的更完整理解，其中：
图1说明使用回扫拓扑的典型常规SMPS的示意图；
图2说明具有软起动、尾电流和突增问题的图1所示的SMPS电路的理想脉冲式电流的示意性时序图；
图3说明通过添加调光开关和用于接通调光开关的延迟而具有改进型功能性的SMPS的示意图；
图4说明具有突增问题的图3所示的SMPS电路的示意性时序图；
图5说明根据本发明的特定实例实施例的用于驱动发光二极管(LED)的SMPS的示意图；
图6说明图5所示的SMPS电路的示意性时序图；
图7说明根据本发明的另一特定实例实施例的用于驱动两个发光二极管(LED)串的SMPS的示意图；
图8说明根据本发明的教示的用于驱动两个发光二极管(LED)串的模拟SMPS电路的详细示意图；以及
图9说明图8所示的模拟SMPS电路的示意性时序图。
虽然本发明容许各种修改及替代形式，但已在图式中展示且本文中详细地描述本发明的特定实例实施例。然而，应理解，本文中对特定实例实施例的描述不意欲将本发明限于本文所揭示的特定形式，而相反地，本发明应涵盖如由附加权利要求书定义的所有修改和等效者。
具体实施方式
微控制器单元(MCU)可被定义为具有非易失性程序存储器的主机微控制器或可编程逻辑。根据各种实施例，提议一种通过使用同步开关代替常用整流二极管来基本上反转开关式电力供应器(SMPS)转换器的方法和***。通过反转转换器，可使SMPS输出电容器极迅速地放电以提供LED的快速关断(无电流通过LED)，藉此解决色移问题。此情形实现了通过使大容量输出电容器主动地充电或放电来向上或向下定位SMPS的输出电压。具有使大容量输出电容器主动地充电或放电的能力允许产生包括对于驱动LED照明应用较佳的实质上方形(例如，当接通时实质上全电流，及当关断时实质上无电流)电流脉冲的电流源。
根据本发明的教示，来自SMPS的输出电压经动态控制以用于在实质上恒定电流下驱动串联连接的电力LED串。在许多LED照明应用中，此情形改进了电流脉冲对LED的动态响应而同时对LED进行调光，且改进了LED电流临界值的上升及下降时间。其还防止色移且改进了调光范围(窄脉冲及宽脉冲表现得实质上相同)。因此，调光开关是不必要的。无需需要校准的时序电路。藉此，通过移除对调光开关的要求且消除时序电路的可变性来简化针对LED驱动应用的调光解决方案。此外，对工厂校准的要求得以消除且电流暂态响应得以实质上改进，藉此引起来自LED的光的较少色移。根据本文所描述的各种实施例，对于各种LED调光应用也可增加工作循环范围。
现在参看图式，示意性地说明特定实例实施例的细节。图式中的类似元件将由类似数字表示，且相似元件将由具有不同小写字母字尾的类似数字表示。
参看图1，描绘使用回扫拓扑的典型常规SMPS的示意图。启用输入EN接通和关断SMPS的输出以用于LED100的调光。通过变化调光控制脉冲102的工作循环，可藉此使用电流104流动通过LED100的时间长度控制来自LED100的光输出。流过LED100的电流104的量将影响自LED100产生的光的色彩(例如，色温)。
参看图2，描绘具有软起动、尾电流及突增问题的图1所示的SMPS电路的理想脉冲式电流的示意性时序图。DIM脉冲102用以接通和关断SMPS的输出。理想LED电流ILED104a波形将在所要全电流与无电流之间交替。然而，SMPS产生造成电流ILED104流动通过串联连接式LED100串的电压输出。对于图1所示的SMPS电路，由于大容量输出电容器COUT的充电和放电时间常数及与其相关联的电路阻抗(未图示)而不能瞬时地接通和关断输出电压。当在SMPS中使用软起动功能时，将存在所要最大LED电流ILED104b的延迟，且当不使用软起动时，将存在所要最大LED电流ILED104c的突增。大容量输出电容器COUT上的残余电压将造成针对任一LED电流ILED104b或ILED104c的尾电流。这些不理想电流偏差将造成从将已由理想LED电流ILED104a产生的色彩产生的光输出的色移。
参看图3和4，描绘通过添加调光开关和用于接通调光开关的延迟而具有改进型功能性的SMPS的示意图(图3)，及其示意性时序图(图4)。调光开关314串联地连接于SMPS的输出与LED100之间。提供延迟电路308以用于通过电压电平移位器310而接通调光开关314。结合调光开关314和延迟电路308的SMPS提供到LED100的电流的良好关断，但具有相当不可预测的接通功能性，如图4所示。因此，在使用图3所示的SMPS电路的情况下可发生突增问题。电流测量电阻器316用以测量通过LED100的电流。输出电容器COUT是通过连接到回扫变压器320的二极管而充电，充电由主开关312激发。
参看图5和6，描绘根据本发明的特定实例实施例的用于驱动发光二极管(LED)的SMPS的示意图(图5)及其示意性时序图(图6)。已用同步开关518替换驱动大容量输出电容器COUT的次级输出二极管。此同步开关518实现进行对储存于大容量输出电容器COUT中的能量的双向控制，且可用以使大容量输出电容器COUT迅速地放电，藉此消除尾电流和LED色彩改变。电流测量电阻器516用以测量通过LED100的电流。输出电容器COUT通过回扫变压器520而充电，充电由主开关512激发。图5所示的电路相比于使用输出二极管的SMPS改进效率，尤其是对于低电压高电流LED也如此。应预期且在本发明的范围内的是，图5所示的电路可应用于许多SMPS拓扑。
可使用误差放大器、比较器和锁存器(未图示)来调节LED电流104。到锁存器的另一输入可用以非同步地终止PWM电流脉冲(LED电流104)。第二比较器和可编程Vref(未图示)可用以纹波调节SMPS输出电压。当使用同步SMPS时，可向上或向下驱动输出电压。为了向上驱动输出电压，使用主开关512且转换器通常在“前向”模式下操作。为了快速地向下定位输出电压，同步开关518使大容量输出电容器COUT放电回到输入电容器CIN中，藉此使能量返回到输入电容器CIN。此情形提供已成为用非同步SMPS拓扑来驱动LED的问题的SMPS输出电压的迅速定位。一旦已定位电压，就连接电流回路(未图示)以将所要“方形”波脉冲式电流104显现到LED串100中。应预期且在本发明的范围内的是，可使用混合信号(模拟与数字)微控制器506，且在SMPS及微控制器设计方面具有一般技能且受益于本发明的人员可容易地复制图5所示的同步SMPS的功能性。开关512及518可为电力场效晶体管(FET)。
参看图7，描绘根据本发明的另一特定实例实施例的用于驱动两个发光二极管(LED)串的SMPS的示意图。图7所示的SMPS可包括：SMPS控制器706，例如，微控制器；主(初级)开关712；同步开关718；回扫变压器720；低LED串开关730；电压电平移位器728；SMPS控制器706；电流测量电阻器716；低光束LED732；以及高光束LED700。开关712、718和728可为电力场效晶体管(FET)。
高光束LED700在比低光束LED728高的电压下操作。SMPS控制器706控制来自SMPS的输出电压。当需要来自LED700的高光束光时，低LED串开关730关断(断开)且SMPS提供足够高以将高光束LED700驱动到所要电流ILED104的输出电压。当需要来自LED732的低光束光时，低LED串开关730接通(闭合)且SMPS提供足够高以将低光束LED732驱动到所要电流ILED104但并不足够高以造成高光束LED700传导电流的输出电压。还应预期且在本发明的范围内的是，高光束LED700与低光束LED732可分别组合成一个串联连接式串，其中在串联连接式LED之间某处提供分接头(未图示)且将所述分接头耦接到低LED串开关730的输出。
参看图8和9，描绘根据本发明的教示的用于驱动两个发光二极管(LED)串的模拟SMPS电路的详细示意图(图8)及其示意性时序图(图9)。微控制器、胶合逻辑和电压电平移位器可用作SMPS控制器且耦接到适当电力开关(电力FET)。
上文所描述的各种实施例可实施到(例如，但不限于)汽车光输入LED驱动器或具有用于LED串的驱动器的集成电路微控制器中。集成电路微控制器可能够控制用于至少一个LED串的驱动信号。在微控制器内部的数字至模拟转换器(DAC)可用于设定电流调节和/或也可用于设定滞后电压调节。
虽然已描绘、描述且通过参考本发明的实例实施例而定义本发明的实施例，但这些参考并不暗示对本发明的限制，且不应推断出此限制。所揭示主题能够有形式及功能的大量修改、变更及等效者，此将为所属领域的技术人员且受益于本发明的人员所想到。本发明的所描绘和描述实施例仅为实例，且并未穷举本发明的范围。

Claims (17)

1.一种电力供应器电路，其包括：
脉宽调变控制器，其与回扫电路耦接，其中所述回扫电路包括受到第一场效晶体管控制的初级电路和受到第二场效晶体管控制且包括输出电容器的次级电路，其中所述控制器经配置以控制所述第二场效晶体管，使得所述输出电容器放电以消除输出脉冲的尾电流。
2.根据权利要求1所述的电力供应器电路，其中所述电力供应器电路为至少一个发光二极管串提供电力。
3.一种用于动态定位开关式电力供应器输出电压的方法，所述方法包括如下步骤：
用主开关通过回扫变压器给输出电容器充电，其中所述回扫变压器及所述主开关耦接到电源；以及
用同步开关通过所述回扫变压器使所述输出电容器放电，其中所述回扫变压器及所述同步开关耦接到所述输出电容器；
其中所述主开关及所述同步开关受到开关式电力供应器控制器控制，藉此使所述输出电容器充电和放电的所述步骤将实质上方形波脉宽调变式电流提供到耦接到所述输出电容器的负载。
4.根据权利要求3所述的方法，其中所述负载为串联连接式发光二极管串。
5.根据权利要求3所述的方法，其中所述发光二极管串具有高输出光且用于汽车应用。
6.根据权利要求3所述的方法，其中所述主开关及所述同步开关为电力场效晶体管。
7.根据权利要求3所述的方法，其中所述开关式电力供应器控制器为微控制器。
8.根据权利要求3所述的方法，其中所述负载包括在第一电压下操作的第一发光二极管串和在第二电压下操作的第二发光二极管串，其中所述第一电压大于所述第二电压，且所述方法进一步包括如下步骤：
当所述已充电输出电容器上的电压实质上处于所述第一电压时用断开/连接开关使所述第二发光二极管串断开；以及
当所述已充电输出电容器上的电压实质上处于所述第二电压时用所述断开/连接开关来连接所述第二发光二极管串。
9.根据权利要求3所述的方法，其中将所述输出电容器通过所述回扫变压器放电至输入电容器中。
10.根据权利要求9所述的方法，其中所述输出电容器耦接到所述回扫变压器的次级绕组，且所述输入电容器耦接到所述回扫变压器的初级绕组。
11.一种用于动态定位开关式电力供应器输出电压的***，所述***包括：
回扫变压器，其具有初级绕组及次级绕组；
主开关，其与所述回扫变压器的所述初级绕组串联地耦接，其中所述回扫变压器的所述初级绕组及所述主开关耦接到电源；
同步开关，其与所述回扫变压器的所述次级绕组串联地耦接；以及
输出电容器，其耦接到所述回扫变压器的所述次级绕组及所述同步开关；
其中所述主开关通过所述回扫变压器给所述输出电容器充电，且同步开关使所述输出电容器通过回扫变压器返回而放电；以及
开关式电力供应器控制器，其耦接到所述主开关及所述同步开关且控制所述主开关及所述同步开关；
其中实质上方形波脉宽调变式电流被提供到耦接到所述输出电容器的负载。
12.根据权利要求11所述的***，其中所述负载为串联连接式发光二极管串。
13.根据权利要求11所述的***，其中所述发光二极管串具有高输出光且用于汽车应用。
14.根据权利要求11所述的***，其中所述主开关及所述同步开关为电力场效晶体管。
15.根据权利要求11所述的***，其中所述开关式电力供应器控制器为微控制器。
16.根据权利要求11所述的***，其中所述负载包括在第一电压下操作的第一发光二极管串和在第二电压下操作的第二发光二极管串，其中所述第一电压大于所述第二电压；
其中
当所述输出电容器上的电压实质上处于所述第一电压时用断开/连接开关使所述第二发光二极管串与所述输出电容器断开；且
当所述输出电容器上的所述电压实质上处于所述第二电压时用所述断开/连接开关来连接所述第二发光二极管串。
17.根据权利要求11所述的***，其中所述输出电容器通过所述回扫变压器而放电至耦接到所述回扫变压器的所述初级绕组的输入电容器中。
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