CN109997298A - 具有功率因数校正的ac/dc转换器 - Google Patents

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Abstract

提供了一种AC/DC转换器和转换方法,其中AC输入由波形整形电容器整流和整形。电流源电路被用于向输出负载提供输出电流,输出负载具有并联的体电容器。电流源电路根据时序接通和关断,该时序取决于AC输入信号的相位。这利用具有很少的部件的低成本电路装置实现了相对高的功率因数,例如在0.7和0.9之间。

Description

具有功率因数校正的AC/DC转换器
技术领域
本发明涉及AC/DC转换器内的功率因数校正。
背景技术
存在许多设备,其需要AC/DC转换以便由市电进行供电。
本发明对LED照明特别感兴趣,其中AC/DC转换器为LED驱动器供电。LED驱动器例如包括谐振DC/DC转换器,其可以被配置或操作为恒流源或恒压源。恒流源可以被用于直接地驱动LED装置,从而实现单级驱动器。例如,恒压源可以被用于具有另外的驱动器电子装置的LED模块,以便利用来自由恒压源提供的输出电压的预定电流来确保对LED的对应的功率供应。
在提供有市电功率(或其他AC功率)的功率转换器内实现的一个功能是功率因数校正(PFC)。AC电力***的功率因数被定义为流到负载的实际功率与电路中的视在功率的比率。小于1的功率因数意味着电压和电流波形不同相或失真,降低了两个波形的瞬时乘积。实际功率是电路在特定时间内执行工作的能力。视在功率是电路的电流和电压的乘积。
由于存储在负载中并且返回到源的能量,或者由于使从源汲取的电流的波形失真的非线性负载,因此视在功率将大于实际功率。
如果供电电源以低功率因数操作,则负载将比在较高的功率因数时,针对传输的相同量的有用功率汲取较多的电流。
使用功率因数校正可以增加功率因数。对于线性负载,这可能涉及使用电容器或电感器的无源网络。非线性负载通常需要有源功率因数校正来抵消失真并提高功率因数。(无源)功率因数校正通过提供相反符号的无功功率、增加用于消除负载的电感或电容效应的电容器或电感器,使AC功率电路的功率因数更接近于一(unity)。
有源PFC利用功率电子装置来改变由负载汲取的电流的波形,以改善功率因数。有源PFC电路可以例如基于降压、升压或降压-升压开关模式转换器拓扑。有源功率因数校正可以是单级或多级的。
对于大于25W的高功率照明,功率因数通常要求大于0.9。对于专业照明应用,甚至在小于25W的输入功率,功率因数通常也要求等于或大于0.9。由于照明工业一直受到极大的成本驱动,相关标准(IEC61000-3-2)允许对于低于25W的输入功率的功率因数较低(>0.5)。存在由标准设置的所谓的“特殊波形”要求,其保证了尽管功率因数低于0.9,但是市电输入电流谐波仍然是可以接受的。
这种特殊波形被定义,使得典型的无源AC-DC转换器可以被用于照明,即所谓的桥/电解质电容器组合,如图1所示。
这包括接收市电输入12的全桥整流器10,并且由整流器提供的整流DC信号直接地被连接到高电压电解质电容器14,其通常与用于限制电容性涌入电流的AC串联电阻器组合。输出负载由电阻器RL表示,并且表示消耗输入功率的任何类型的电路装置,例如,LED驱动器。通过输入电阻器Rin从市电汲取电流。
在图2中,描绘了这种电路的典型波形。曲线20示出了市电输入电压(在带电和中性之间),曲线22示出了通过输入电阻器Rin从市电汲取的电流,并且曲线24示出了跨电容器14和负载RL的输出电压。
该电路的限制是功率因数仅达到0.5至0.6,因此不适合满足较高的功率因数要求(例如,如加利福尼亚要求的)和/或在美国实现能源之星标签。实现0.9的功率因数的功率因数校正电路是更复杂的。例如,在一些解决方案中,功率因数升压校正转换器被***在桥式整流器和市电存储电容器之间。升压转换器强制执行与线电压始终同相并且在相同频率处的电流。在市电频率的两倍处产生的功率波动由高电压体电容器(bulk capacitor)滤波,限制了所产生的(固有的)输出电压纹波。供电电源内部的另一个开关模式转换器从DC总线产生所需的输出电压或电流。该示例产生双级转换器,第一级是PFC升压级,第二级是另一开关模式转换器以提供输出电压或电流。当AC电压为(接近)零时,体电容器提供所需的能量存储以桥接输入功率间隙。
因此,需要一种解决方案,其以合理的成本提供稍微较高的功率因数(例如至少0.7的功率因数),而不需要针对高于0.9的功率因数使用更昂贵的解决方案。
US 2008/0123379公开了一种电压调节电路,包括:用于接收AC电压并用于产生整流AC电压的整流器;以及与所述整流AC电压并联连接以用于在负载上提供DC电压的电容器,其特征在于:被设置在整流器和电容器之间的单向电流开关;以及控制块,该控制块被布置成在整流AC电压的负斜率期间在所选择的情况下激活开关,使得所述DC电压不超过预定电压限制。通过控制由整流市电提供的电压,DC电压可以被调节到任何预设值(比AC市电峰值低)。本独创性的电压稳定器将对于不同市电峰值输入电压并且在宽范围的负载变化的情况下保证所期望的恒定DC负载电压值。因此,由该电压驱动的转换器可以是更加优化的或甚至不被调节的。
US 2013/0049618公开了一种用于从整流的高电压AC电源驱动低电压DC负载的适应电路,该适应电路包括电荷存储电路,该电荷存储电路包括:基本上串联连接的第一电容器和第二电容器,其中第二电容器与负载至少并联连接;以及有源开关,被实现为用于控制通过负载的负载电流的受控电流源,使得在闭合的开关状态下,负载电流基本上从电荷存储电路的第一电容器来汲取,并且在断开的开关状态下,负载电流基本上从第二电容器来汲取。该发明还描述了一种LED改型灯,包括:用于将灯连接到较高电压的市电电源信号的连接装置;额定为较低电压电源的LED设备;以及这种适应电路,以用于将较高电压的市电电源信号适配为用于驱动较低电压LED设备的低电压信号。该发明还描述了一种从整流的较高电压AC电源驱动较低电压DC负载的方法。
发明内容
本发明由权利要求限定。
根据第一组示例,提供了一种AC/DC转换器,包括:
用于接收AC输入信号的AC输入和用于为输出负载供电的DC输出;
整流器,在第一和第二整流器端子之间提供整流信号;
波形整形电容器,被连接在第一和第二整流器端子之间;
电流源电路,与DC输出串联连接;以及
与DC输出并联连接的体电容器,具有比波形整形电容器大的电容,
其中电流源电路被适配为根据时序而接通和关断,该时序取决于AC输入信号的相位。
该转换器利用跨整流器DC端子的整流器和电容器的标准配置。然而,该电容器仅是波形整形元件,其不足够大以用作体存储电容器。
就其本身而言,波形整形电容器例如不足够大以阻止流向输出负载的电流的不连续性。相反,另一体电容器被设置为跨负载。
输出电流由电流源电路递送,该电流源电路控制负载电流和体电容器的充电/放电电流之和。因此,电流源电路在功能上与负载串联。当电流源电路接通时,电流从输入中被汲取,当它关断时,没有电流从输入中汲取。
与基本整流器电路相比,该电路使能使功率因数增加,而不会向电路引入过多的复杂性。这是通过根据AC输入信号的相位而设置从输入汲取电流并且将电流提供给输出(即,负载)的时序来实现的。它使能将转换器集成到诸如LED灯泡的低成本产品中。
电流源电路例如被适配为在接通时递送恒定电流。这使能电流源电路的简单实施方式。
在一个示例中,电流源电路包括线性电流源电路。这使能简单的电路实施方式。电流源电路例如包括与DC输出串联的晶体管和向晶体管的控制端子(即,双极结晶体管的基极或场效应晶体管的栅极)提供控制电压的恒压源。分流电阻器可以被设置在晶体管和下参考端子(例如,接地)之间。然后,市电输入电压中的变化导致集电极-发射极或漏极-源极晶体管电压的变化,从而有效地控制电流源电路的接通和关断。电流的幅度例如由DC电压源、基极-发射极晶体管电压和分流电阻器的尺寸确定。
在另一示例中,电流源电路包括开关模式功率转换器,例如降压转换器(或升压或降压-升压转换器)。这使得能够在较宽范围的市电输入电压上实现较高的效率。
转换器优选地还包括与DC输出串联的阻塞二极管。这限制了跨负载的反向电压。
例如,转换器被适配为:在AC输入信号的相位角小于π/3弧度时接通电流源,并且随后在AC输入信号的相位角为大于π/2弧度时关断电流源电路。这些条件使能功率因数被增加。电流源电路的接通和关断例如是自动的,并且由电路中的主要电流和电压产生,而不是需要任何主动控制。
例如,转换器具有在0.7到0.9之间的功率因数。
举例来说,波形整形电容器可以具有在100nF至100的范围内的电容,并且体电容器可以具有在1至100μF的范围内的电容。较小的波形整形电容器可以引起较大的方波电流波形分布和较高的功率因数,但是它不能实现为负载提供连续电流。这通过跨负载的体电容器与电流源电路的使用相结合来确保。
如上定义的AC/DC转换器可以用作LED驱动器的一部分。在这种情况下,输出是LED负载。LED串电压在电流源电路的设计和施加到电流源电路的驱动电压中被考虑,以便实现电流源电路的操作的期望的时序(相对于输入的相位)。备选地,时序还可以通过附加控制电路装置而被主动地设置。
本发明还提供一种照明电路,包括:
LED驱动器,使用如上所定义的AC/DC转换器;以及
LED负载,被连接到DC输出。
根据本发明另一方面的示例提供一种AC/DC转换方法,包括:
接收AC输入信号;
整流AC输入信号;
使用波形整形电容器来整形整流信号;以及
利用与输出负载并联的体电容器来向输出负载提供输出电流,体电容器具有比波形整形电容器大的电容,输出电流使用电流源电路从整流器和波形整形电容器而被递送,其中该方法包括根据取决于AC输入信号的相位的时序而接通和关断电流源电路。
该方法可以包括在电流源电路被接通时提供恒定电流。
电流源电路可以包括线性电流源电路或经典DC-DC转换器,例如,降压、升压或降压-升压转换器。
方法可以包括:当AC输入信号的相位角小于65度时接通电流源电路,并且随后当AC输入信号的相位角大于90度时关断电流源电路。方法可以被用于驱动LED装置。
附图说明
现在将参考随附的附图详细描述本发明的示例,其中:
图1示出了典型的无源AC-DC转换器;
图2示出了用于说明图1的电路的操作的波形;
图3示出了已知的所谓的无源谷填充电路的一个示例;
图4示出了用于说明图3的电路的操作的波形;
图5示出了所谓的有源谷填充电路的一个示例;
图6示出了用于说明图5的电路的操作的波形;
图7以示意图的形式示出了已知的AC/DC转换器架构;
图8示出了AC/DC转换器的第一实施方式;
图9示出了用于图8的电路的波形;
图10示出了AC/DC转换器的第二实施方式;
图11示出了AC/DC转换方法;和
图12示出了电流波形形状,以便解释可能需要满足的一组要求。
具体实施方式
本发明提供一种AC/DC转换器和转换方法,其中AC输入电流由波形整形电容器进行整流和整形。电流源电路被用于向输出负载和与负载并联的体电容器提供电流。电流源电路根据时序接通和关断,该时序取决于AC输入信号的相位。这利用具有很少的部件的低成本电路实现了相对高的功率因数,例如在0.7和0.9之间。
如上所述,需要将功率因数增加到高于0.5(这适用于图1的电路),而不增加过多的电路复杂性。
为了改善功率因数,通常已经使用了两种常见的解决方案。
图3示出了所谓的无源谷填充电路的示例,其中在两个输出电容器14a和14b与负载之间被提供有附加的无源模拟电路,其形式为电阻器、二极管和两个电容器14a和14b的网络。
图4示出了用于图3的电路的、与图2中的波形相对应的波形。
图5示出了所谓的有源谷填充电路50的一个示例,其中体电容器52被充电到整流市电的峰值,并且存储在电容器52中的能量仅在跨二极管54的反向电压已达到预设阈值时被释放。与二极管54并联的电路装置由此有效地形成开关,该开关一旦阈值电压被超过则锁存。在该特定示例中,与电容器52相比,电容器14较小,并且仅在需要(由电容器14和电感器L1形成的)EMI滤波器时才需要。
图6示出了用于图5的电路的、与图2中的波形相对应的波形。
两个电路中的概念是将图1的经典电路的电流导通角更多地朝向市电电压过零点延伸,有效地将功率因数增加到期望值,同时在DC输出处保持高电压。
与这些解决方案相关联的主要问题如下:
-部件的数目仍然相对大,尤其是有源电路;
-谷填充电路具有大约50%的固有大电压纹波(Vmax:Vmin=2:1);
-驱动器效率被降低,特别是如果它们被设计为符合IEC61000-3-2的特殊波形要求时;
-解决方案相对昂贵;和
-与图1的经典电路相比,这些解决方案需要更大的EMI滤波器。
图7以示意形式示出了已知的AC/DC转换器,包括用于接收AC输入信号12的AC输入和用于向负载RL供电的DC输出70。如在图1、图3和图5的电路中那样,整流器10具有第一和第二端子72、74,跨第一和第二端子72、74被提供整流信号。AC输入通过输入电阻器Rin向整流器递送电流,输入电阻器Rin可以包括保险电阻器(限流电阻器和保险丝的组合)。体输出电容器14被连接在第一和第二整流器端子72、74之间。
输出电容器可以是单个电容器或串联和/或并联电容器的网络。因此,全整流电压被用于驱动负载。
转换器还包括恒流源电路76,其将其输出电流提供给输出负载RL。恒流源被设置在在整流信号(在第一和第二整流器端子72、74之间)和DC输出76之间。
因此,电容器14足够大以吸收输入中的波动,并且然后使得恒流源能够提供输出电流。该电路的局限性在于它仅提供低功率因数(例如仅略大于0.5),或者,如果被设计用于中等功率因数,则具有如此大的电压纹波,使得驱动器效率降低太多,或者输出LED电流变得不连续,引起不期望的光闪烁。
图8示出了根据本发明的电路的第一实施方式。
代替在整流器端子之间提供体电容器14,提供了较小的波形整形电容器81。它执行输入电流的整形,并且响应于输入电压中的大浪涌而限制输出电压变化的梯度。
体电容必须足够大,以平滑整流波形并且递送连续电流输出。波形整形电容器81小得多,这使得能够实现较高的功率因数。举例来说,波形整形电容器可以具有在100nF至1μF的范围内的电容,而体电容器可以具有在1μF至100μF的范围内的电容。较小的波形整形电容可以引起更大的方波电流波形分布和更高的功率因数,但是它不能实现为负载提供连续电流。
相反,该连续电流通过提供跨负载本身的体电容器14来确保。
电路还包括电流源电路76。如所示,体电容器14仅跨负载,而不跨负载和电流源电路76的串联连接。电流源电路根据时序而被接通和关断,该时序取决于AC输入信号的相位。以这种方式,基于电流源电路76的激活的时序来实现功率因数校正。
该转换器使用整流器和输出电容器的标准配置,但是输出电容器要小得多。当电流源电路被接通时,电流被提供给负载及其并联的体电容器,当它被关断时,没有电流被递送给负载及其并联的体电容器,但是体电容器保持电流通过负载。
与基本整流器电路相比,该电路使能功率因数的增加,而不会给电路带来过多的复杂性。转换器可以被集成到诸如LED灯泡的低成本产品中。
电流源电路76例如在接通时递送恒定电流。因此,输出电流具有方波分布。这实现了最简单的实施方式。
在图8所示的示例中,电流源电路76被实现为线性电流源,包括与负载82串联的双极结晶体管80。负载82被示出为用于LED串的等效电路,其包括二极管DL、电压源VL和负载电阻RL。阻塞二极管83还被设置为与LED负载82串联,以用于限制跨晶体管80产生的反向电压。在发射极和接地之间存在分流电阻器84,并且基极电阻器86被耦合到电压源88。电路76用作具有分流电阻器84的尺寸和电流的恒流源,其实际上仅取决于电压源88(减去基极-发射极电压,通常为0.7V)。基极被提供有来自电压源88的恒定电压。这可以是几伏的量级。
市电输入电压的变化导致集电极-发射极(或漏极-源极)晶体管电压的变化,有效地控制电流源电路的接通和关断的时序。具体地,如果跨波形整形电容器81的电压大于跨负载82的实际电压,则电流源被接通。在切换周期期间电流源被连续地接通和关断,切换周期是跨波形整形电容器81的电压大于跨负载82的实际电压的周期。
这允许电流源的接通时间的持续时间和电流源的接通持续时间的及时定位被独立控制。电流的幅度例如是由DC电压源、基极-发射极晶体管电压(通常约为0.7V)和分流电阻器的大小决定的。
另一示例可以是:如果跨波形整形电容器81的电压大于跨负载82的实际电压,则电流源被接通,否则其被关断。电流的幅度例如是由DC电压源、基极-发射极晶体管电压(通常约为0.7V)和分流电阻器的大小决定的。该示例具有可以被更容易地控制的优点。
在该电路中,对于相同的功率要求,与图1的经典电路相比,在全桥整流器之后,较小尺寸的波形整形电容器81被使用。电容器通过基本恒定的块电流而被放电。
该块电流开始的相位角是主动地或被动地选择的,使得它小于65度弧度。结合所需尺寸的波形整形电容器81,这导致输入电流波形具有大于0.7的输入功率因数,同时还满足IEC61000-3-2的特殊市电输入电流波形要求。
(根据IEC61000-3-2,)对于市电输入电流在65度之前或65度处的每个市电半周期具有其最大值,波形整形电容器81的尺寸需要高于基本上取决于所期望的输出功率的某个最小值。出于经济原因并且为了保持高功率因数,它还应该不比该最小值大太多。最大电流基本上在块电流开始流动的时刻。
该电路实现了非常简单的电流源控制,简单地使用DC值而无需动态控制。也不需要跨电流源的齐纳二极管:齐纳二极管通常只是一次性保护,在浪涌条件下它很容易损坏。波形整形电容器提供了更稳健的方法,尤其是在浪涌条件下与禁用电流源结合使用时。
图9示出了用于图8的电路的波形。
曲线90示出了市电电压。曲线92示出从AC输入流向整流器的输入电流。针对波形整形电容器81的四种不同尺寸示出了四个不同的输入电流图。
曲线94示出了流过去耦二极管83的电流。它包括作为电流源电路76的输出电流的方波电流分布。该电流流到LED负载和体电容器的组合并联电路。当电流源电路关断时,体电容器保持通过负载的电流。
曲线96示出了电流源电路76的操作的时序。
块电流(曲线94)与市电频率的两倍(对应于整流信号的频率)同步,并且可以直接或间接地控制其开始导通的相位角。开始于60度之前。当市电电流峰值在65度或在65度之前时,这有助于保证满足IEC61000-3-2的特殊波形。
优选地,主动或被动地控制块电流,使得它不会在π/2弧度(90度)之前或π)之弧度处停止。
为了满足标准,它应该在具有其峰值的至少5%的幅度的相位角处。
在所示的示例中,在该示例中,在10ms的市电频率半周期期间,电流源电路从3ms至7ms被闭合。通过输入电阻Rin的电流(即市电输入电流)很好地示出了用于满足特殊波形要求所期望的行为。还可以看到波形整形电容器的大小的影响。对于给定的输出功率,它既不应该太小因此不在开始时达到峰值,也不应该太大(市电电流脉冲变得太小)。因此,应该避免曲线92的两个极端示例。
三角波形用于大电容器81——例如相当于常规的体电容器。更平坦的波形用于逐渐变小的电容器81。
在另一示例中,如图10所示,电流源电路包括开关模式功率转换器,特别是降压转换器100。这使得能够在较宽的输入电压范围内实现较高的效率。可以使用降压-升压转换器。
转换器包括阻塞二极管,使得图8的阻塞二极管83未示出。
降压转换器可以是恒流转换器,其仅在块电流需要流动时才被启用。降压转换器具有附加的输入引脚104,其中其可以根据所需的时序而被启用或禁用。例如,时序使用微处理器或其他时序电路装置来进行控制。
图11示出了AC/DC转换方法,包括:
在步骤110中,接收AC输入信号;
在步骤112中,整流AC输入信号;
在步骤114中,使用波形整形电容器整形整流信号;以及
在步骤116中,利用与输出负载并联的体电容器来向输出负载提供输出电流,输出电流使用电流源电路从整流器和波形整形电容器而被递送,其中步骤116包括根据取决于AC输入信号的相位的时序而接通和关断电流源电路。
在上面的示例中,电流源切换完全是无源的,并且从输入电压波形和负载电压而自动跟随。主动切换可以替代地被执行。
如上所述,可以需要满足的一个要求是在IEC62000-3-2中定义的特殊电流波形形状。为了完整起见,参考图12解释了该要求。
要求是:以基波电流的百分比表示的三次谐波电流不得超过86%,五次谐波电流不得超过61%。
此外,输入电流的波形应使其在60度(对于50Hz为3.33ms)之前或在60度处达到5%电流阈值,其峰值在65度(3.611ms)之前或在65度处,并且在90度(5ms)之前不降至低于5%电流阈值,参考基本电源电压的任何过零点。电流阈值是在测量窗口中出现的最高绝对峰值的5%,并且相位角测量是在包括该绝对峰值的周期上进行的。高于9kHz的频率的电流分量不应影响该评估。
通过研究附图、本公开内容和所附权利要求,本领域技术人员在实践所要求保护的发明时可以理解和实现所公开实施例的其他变型。在权利要求中,词语“包括”不排除其他元件或步骤,并且不定冠词“一”或“一个”不排除多个。在相互不同的从属权利要求中记载某些措施的纯粹的事实并不指示这些措施的组合不能用于获益。权利要求中的任何附图标记不应被解释为限制范围。

Claims (14)

1.一种AC/DC转换器,包括:
用于接收AC输入信号(12)的AC输入和用于为负载(82)供电的DC输出;
整流器(10),在第一整流器端子和第二整流器端子之间提供整流信号;
波形整形电容器(81),被连接在所述第一整流器端子和所述第二整流器端子之间;
电流源电路(76),与所述DC输出串联连接;以及
体电容器(14),与所述DC输出并联,所述体电容器(14)具有比所述波形整形电容器大的电容,
其中所述电流源电路(76)被适配为在切换周期期间连续地接通和关断,所述切换周期是其中跨所述波形整形电容器(81)的电压大于跨所述负载(82)的实际电压的周期,并且其中当所述电流源电路(76)被接通时,所述电流被提供给所述负载(82)和并联的所述体电容器(14),并且当所述电流源电路(76)被关断时,没有电流被递送到所述负载(82)和并联的所述体电容器(14),但是所述体电容器(14)保持通过所述负载(82)的电流。
2.根据权利要求1所述的转换器,其中所述电流源电路被适配为在被接通时递送恒定电流。
3.根据权利要求1或2所述的转换器,其中所述电流源电路包括线性电流源电路。
4.根据权利要求3所述的转换器,其中所述电流源电路包括晶体管(80)和恒压源(88),所述晶体管(80)与所述DC输出串联,所述恒压源(88)向所述晶体管的控制端子提供控制电压。
5.根据权利要求1或2所述的转换器,其中所述电流源电路包括开关模式功率转换器。
6.根据权利要求5所述的转换器,其中所述电流源电路包括降压转换器(100)。
7.根据任一前述权利要求所述的转换器,还包括与所述DC输出串联的阻塞二极管。
8.根据任一前述权利要求所述的转换器,被适配为:在所述AC输入信号的相位角小于65度时接通所述电流源,并且随后在所述AC输入信号的相位角大于90度时,关断所述电流源电路。
9.根据任一前述权利要求所述的转换器,具有在0.7和0.9之间的功率因数。
10.根据任一前述权利要求所述的转换器,其中所述波形整形电容器具有在100nF至1μF的范围内的电容,并且所述体电容器具有在1μF至100μF的范围内的电容。
11.一种照明电路,包括:
LED驱动器,包括根据任一前述权利要求所述的AC/DC转换器;以及
LED负载,被连接到所述DC输出。
12.一种AC/DC转换方法,包括:
接收AC输入信号;
整流所述AC输入信号;
使用波形整形电容器整形经整流的信号;以及
利用与所述输出负载并联的体电容器向输出负载提供输出电流,所述体电容器具有比所述波形整形电容器大的电容,所述输出电流使用电流源电路从所述整流器和所述波形整形电容器进行递送,其中所述方法包括根据取决于所述AC输入信号的相位的时序来接通和关断所述电流源电路。
13.根据权利要求12所述的方法,包括:当所述电流源电路被接通时提供基本恒定的电流,并且包括:当所述AC输入信号的相位角小于65度时接通所述电流源电路,并且随后当所述AC输入信号的相位角大于90度时,关断所述电流源电路。
14.一种驱动LED装置的方法,包括:使用根据权利要求12或13所述的方法来向所述LED装置提供输出电流。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112217390A (zh) * 2020-08-26 2021-01-12 南京理工大学 一种基于可控电流源的快速动态响应crm升压pfc变换器

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2020101741A1 (en) * 2018-11-13 2020-05-22 Illinois Institute Of Technology Hybrid circuit breaker using a transient commutation current injector circuit
CN113381601A (zh) * 2020-03-09 2021-09-10 晶豪科技股份有限公司 具有emi防护功能的填谷式功率因子校正电路
WO2022078906A1 (en) * 2020-10-16 2022-04-21 Signify Holding B.V. Led driver circuit

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1943098A (zh) * 2004-04-13 2007-04-04 皇家飞利浦电子股份有限公司 电压调节电路
CN202997938U (zh) * 2012-12-03 2013-06-12 杭州士兰微电子股份有限公司 高功率因数恒流驱动电路及恒流装置
CN203151378U (zh) * 2011-11-04 2013-08-21 爱特梅尔公司 功率转换反馈控制电路
US8581498B1 (en) * 2011-02-14 2013-11-12 Jade Sky Technologies, Inc. Control of bleed current in drivers for dimmable lighting devices
US20140239810A1 (en) * 2013-02-28 2014-08-28 Asahi Kasei Microdevices Corporation Power factor correction converter with current regulated output
CN105991053A (zh) * 2016-05-19 2016-10-05 上海莱狮半导体科技有限公司 用于恒流驱动的开关电源***

Family Cites Families (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5371667A (en) 1993-06-14 1994-12-06 Fuji Electrochemical Co., Ltd. Electric power supply
US8446134B2 (en) * 2008-03-10 2013-05-21 Techtium Ltd. High efficiency AC/DC power supply
ATE502508T1 (de) * 2008-10-17 2011-04-15 Toshiba Lighting & Technology Leuchtdioden-beleuchtungsvorrichtung
US8379421B2 (en) * 2009-06-10 2013-02-19 Oita University Power factor correction converter with parallel-connected converter sections
JP5333768B2 (ja) 2009-09-04 2013-11-06 東芝ライテック株式会社 Led点灯装置および照明装置
CN102244955B (zh) 2010-05-14 2015-12-30 皇家飞利浦电子股份有限公司 自适应电路
JP2012084489A (ja) * 2010-10-14 2012-04-26 Koha Co Ltd Led点灯装置およびled照明装置
GB201107174D0 (en) * 2011-04-28 2011-06-15 Tridonic Gmbh & Co Kg Power factor correction
JP5964072B2 (ja) * 2012-02-09 2016-08-03 ミネベア株式会社 力率改善回路
TW201349927A (zh) 2012-05-23 2013-12-01 Luxul Technology Inc 高功因無閃頻led驅動電路
JP2013254602A (ja) * 2012-06-05 2013-12-19 Panasonic Corp 点灯装置
CN103916018B (zh) 2014-03-28 2016-09-21 上海新进半导体制造有限公司 一种开关电源
WO2016066400A1 (en) 2014-10-30 2016-05-06 Philips Lighting Holding B.V. An led driver circuit, and led arrangement and a driving method
US9413226B1 (en) * 2015-05-27 2016-08-09 Fuxiang LIN Power factor correction system

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1943098A (zh) * 2004-04-13 2007-04-04 皇家飞利浦电子股份有限公司 电压调节电路
US8581498B1 (en) * 2011-02-14 2013-11-12 Jade Sky Technologies, Inc. Control of bleed current in drivers for dimmable lighting devices
CN203151378U (zh) * 2011-11-04 2013-08-21 爱特梅尔公司 功率转换反馈控制电路
CN202997938U (zh) * 2012-12-03 2013-06-12 杭州士兰微电子股份有限公司 高功率因数恒流驱动电路及恒流装置
US20140239810A1 (en) * 2013-02-28 2014-08-28 Asahi Kasei Microdevices Corporation Power factor correction converter with current regulated output
CN105991053A (zh) * 2016-05-19 2016-10-05 上海莱狮半导体科技有限公司 用于恒流驱动的开关电源***

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112217390A (zh) * 2020-08-26 2021-01-12 南京理工大学 一种基于可控电流源的快速动态响应crm升压pfc变换器

Also Published As

Publication number Publication date
US10757782B2 (en) 2020-08-25
JP2019536405A (ja) 2019-12-12
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US20190327807A1 (en) 2019-10-24

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