CN203166760U - 具有调光能力的一次侧功率因数校正驱动器电路 - Google Patents

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Abstract

本申请案揭示一种具有调光能力的一次侧功率因数校正驱动器电路。在一个实施例中，一种具有调光能力的一次侧功率因数校正驱动器电路包括：整流器电路，其经配置以对交变输入电压进行整流；电感器，其耦合到所述整流器电路；二极管，其耦合到所述电感器及输出负载；开关，其耦合到所述电感器；开关控制电路，其耦合到所述开关且经配置以用于：产生用于命令所述开关以允许所述电感器将由所述经整流输入电压提供的能量传送到所述输出负载的第一信号，产生用于命令所述开关的第二信号，及基于所述第一信号而用所述第二信号命令所述开关。

Description

具有调光能力的一次侧功率因数校正驱动器电路
技术领域
本实用新型大体来说涉及电子装置，且更特定来说涉及用于例如发光二极管(LED)的发光装置的功率因数校正(PFC)驱动器电路。 
背景技术
可使用切换模式电源(SMPS)来驱动LED串。所述SMPS通常包含用于将AC输入电压整流成DC电压的全波整流器电路。所述DC电压向所述LED提供输入电流。所述SMPS可包含PFC电路，所述PFC电路控制输入电流使得输入电流波形与AC输入电压(例如，正弦波)的波形同相。为实现良好的功率因数，输入电流波形将具有与AC输入电压波形相同的形状及相位，但将在量值或均方根(RMS)值上变化。良好的功率因数可帮助将电力从AC输入电压源高效地递送到LED。 
用于LED驱动器的常规SMPS电路包含一级或二级PFC转换器或者一次侧驱动器***。二级PFC转换器由于第二转换级而增加成本且具有较低效率。单级PFC转换器需要大的电解电容器，所述电解电容器体积大而不可靠且可缩短SMPS***的寿命。单级PFC转换器也不适合于LED调光应用。一次侧驱动器***易受由LED中的电流改变导致的色彩移位的影响。另外，由于所述***在相当大部分的时间内为关断的，因此功率因数会劣化。 
实用新型内容
本实用新型揭示一种具有调光能力的一次侧功率因数校正驱动器电路，电路包括：整流器电路，其经配置以对交变输入电压进行整流；电感器，其耦合到整流器电路；二极管，其耦合到电感器及输出负载；开关，其耦合到电感器；开关控制电路，其耦合到开关且经配置以用于：产生用于命令开关以允许电感器将由经整流输入电压提供的能量传送到输出负载的第一信号，第一信号具有第一频率以及与经整流输入电压的振幅成比例的工作循环；产生用于命令开关的第二信号，第二信号具有比第一频率高的第二频率；及基于第一信号而用第二信号命令开关，命令致使将大致恒定脉冲电流提供到输出负 载，从而导致平均输入电流在脉冲电流在提供到输出负载时为大致恒定的同时与经整流输入电压的振幅成比例。 
进一步地，开关为功率晶体管。 
进一步地，开关控制电路进一步包括：逻辑电路，其经配置以用于接收第一波形及第二波形，且基于第一波形及第二波形而提供输出；锁存器电路，其具有耦合到逻辑电路的输出的第一输入及耦合到开关的命令端子的输出，锁存器电路经配置以用于至少部分地基于逻辑电路的输出而设定命令端子上的命令电压；及比较器，其具有耦合到开关的第一输入、耦合到参考电压的第二输入及耦合到锁存器电路的输出，其中比较器经配置以用于基于第一与第二比较器输入的比较而对锁存器电路进行复位。 
进一步地，驱动器电路进一步包括感测电阻器，其耦合到开关及比较器的第一输入。 
进一步地，所述锁存器电路为触发器。 
进一步地，命令端子为功率晶体管的栅极。 
进一步地，所述功率因数校正驱动器电路实施浮动降压/升压或浮动降压拓扑。 
进一步地，二极管为肖特基二极管。 
进一步地，驱动器电路进一步包括电容器，其与输出负载并联耦合。 
进一步地，输出负载包含一个或一个以上发光二极管。 
本实用新型揭示一种一次侧PFC驱动器电路，其包含开关控制电路，所述开关控制电路用于命令开关以允许耦合到输出负载(例如，LED)的电感器传送由输入电压源提供的能量。所述开关控制电路提供用于命令所述开关的两个信号。具有第一频率以及与输入电压振幅成比例的工作循环的第一信号命令所述开关以允许平均输入电流与所述输入电压振幅成比例。具有比所述第一频率高的第二频率的第二信号基于所述第一信号的值(例如，在所述第一信号为高时)而用大致恒定电流脉冲给所述输出负载加以脉冲。 
使用两个信号来以不同频率命令所述开关在控制输入电流的同时给一个或一个以上发光装置提供大致恒定脉冲电流，使得平均输入电流波形与经整流输入电压的波形同相。恒定脉冲电流防止发光装置发生色彩移位且控制平均输入电流波形的形状及相位提供良好的PFC。 
具有调光的一次侧PFC LED驱动器的特定实施方案可提供以下优点中的一者或一者以上：1)单个级中的良好PFC；2)无大的电解电容器(LED的较长寿命)；3)无变压器；4)恒定LED电流(无色差移位)；5)低成本实施方案；及6)调光能力。 
在附图及下文描述中阐述一个或一个以上所揭示实施方案的细节。依据描述、图式及权利要求书，其它特征、方面及优点将变得显而易见。 
附图说明
图1是用于驱动发光装置的示范性浮动降压/升压电力转换器电路的简化框图。 
图2图解说明用于图1的转换器电路的示范性波形。 
图3是用于驱动发光装置的示范性浮动降压电力转换器电路的简化框图。 
图4图解说明用于图3的转换器电路的示范性波形。 
图5是用于驱动LED的示范性过程的流程图。 
具体实施方式
示范性一次侧驱动器电路 
图1是用于驱动例如LED108的发光装置的示范性浮动降压/升压电力转换器电路100的简化框图。在一些实施方案中，转换器电路100可包含全波整流器电路102(例如，二极管桥接器)、电感器104及二极管106。转换器电路100具有大于或小于输入电压量值的输出电压量值。输出电压可基于开关118(例如，MOSFET功率晶体管)的工作循环而调整。 
在开关118处于“接通”状态中时，经整流AC输入电压源(例如，110VAC)连接到电感器104且由于开关118提供到接地的路径而与LED108断开。此导致在电感器104中积累能量。在开关118处于“关断”状态中时，电感器104连接到LED108，因此将电流从电感器104传送到LED108。此电流为大致恒定的，因此避免LED108的色彩移位。二极管106(例如，肖特基二极管)防止在开关118的“接通”状态期间跨越LED108的负电压。 
在一些实施方案中，开关控制电路101可包含波形产生器110、逻辑112、比较器114、锁存器116及感测电阻器120。波形产生器110可为经配置以产生n电平脉宽调制(PWM)信号(例如，16到64个电平)的全波经整流正弦波产生器。在一些实施方案中，可使用AC输入电压的相位以数字方式产生PWM信号。在其它实施方案中，AC输入电压可用模/数转换器(ADC)来测量且用作PWM信号。在此实例中，所述PWM信号为5电平电流PWM(“5LPC”)信号。全波经整流AC输入为120Hz(2×60Hz)，从而导致5LPC信号以约600Hz到3000Hz改变。 
逻辑112可为“与”门或其它适合逻辑装置组合。逻辑112具有耦合到波形产生器110的输出的第一输入及耦合到产生用于命令开关118的第二信号的第二波形产生器(例 如，振荡器)的第二输入。如参考图2所论述，第二信号在5LPC信号的“接通”时间期间提供到开关118的命令端子且在几百千赫到几兆赫的范围中改变。当5LPC信号为高时，开关控制电路101会将开关命令提供到开关118。当5LPC信号为低时，开关控制电路101关断。 
逻辑112的输出耦合到锁存器116的第一输入(例如，SR触发器的设定输入)。锁存器116的输出耦合到开关118的命令端子(例如，MOSFET功率晶体管的栅极端子)。在此实例中，当逻辑112的输出为高时，锁存器116的输出将保持经锁存(例如，到逻辑“1”)。此导致开关118接通且电感器104经由感测电阻器120而接地。跨越感测电阻器120“感测”的电压为比较器114的输入(负输入端子)。 
在包含峰值电流控制的实施方案中，比较器114将跨越感测电阻器120的电压与耦合到比较器114的另一输入端子(正输入端子)的参考电压Iref进行比较。Iref可为设定用于LED108的切换模式供应峰值电流的恒定电压。在其它实施方案中，可使用平均电流控制电路。当达到峰值电流时，使用比较器114的输出来对锁存器116进行复位(例如，施加到SR触发器的复位输入)。当达到峰值电流时，施加到开关118的命令电压将开关118闭合，借此允许电流从电感器104流动到LED108。 
在转换器电路100中，在输出处不存在大的电解电容器，因此当开关118“接通”以将电感器104充电时，LED108关断。开关控制电路101实施“PWM信号内部的PWM信号”以确保在电路100的所有操作级中大致恒定的脉冲电流流动到LED108中，因此防止由于在LED108接通时电流电平变化而在LED108中发生色彩移位。 
转换器电路100提供胜过常规PFC驱动器电路的各种优点，包含消除大的电解电容器以及提供良好的PFC及单个级中的调光能力。虽然将开关控制电路101展示为用离散组件实施，但也可以可编程微控制器来实施开关控制电路101的功能性。 
示范性波形 
图2图解说明用于图1的转换器电路100的示范性波形。在这些示范性波形中，采取5LPC波形。所述波形图解说明已经控制而具有与AC输入电压相同的形状及相位的5LPC近似。由波形产生器110产生的PWM(正弦波)在电流为低时具有较短工作循环且在电流为高时具有较长工作循环。举例来说，在峰值电流处，4/4个PWM脉冲为高。 
图2中所图解说明的波形是针对转换器电路100的降压/升压拓扑。所述波形图解说明从模拟电流到大致恒定电流及“PWM信号内部的PWM信号”的转换，此向LED108提供大致恒定脉冲电流。用大致恒定电流脉冲给LED108加以脉冲，但使平均LED电流与经整流AC输入电压同步(具有相同相位及形状)。由于不存在与LED108并联的 大电解电容器，因此LED108将在开关118接通时关断。降压/升压拓扑将甚至在AC输入电压比输出电压低时也起作用且提供良好的PFC。由于LED108在电感器104正存储能量时关断，因此LED108的平均电流(亮度)将较小。可增加在LED108中流动的峰值电流(例如，增加Iref)以对此效应进行补偿。 
浮动降压/升压拓扑中的LED108仅在电感器104正将其能量放电时被直接供电。此意味着LED108将在电感器104正存储能量时关断且平均电感器电流将较小。可通过增加电感器104的峰值电流来补偿此效应。如果期望将峰值LED电流减小到平均电流，那么可与LED108并联地放置小电容器以向LED108提供连续电流。举例来说，当开关118正在1MHz下以500mA脉冲电流运行时，与LED108并联放置的5uF电容器将允许LED电压有小于100mV的改变。 
将开关118的“接通”时间称为工作循环或“D”，且开关118的“关断”时间为“1-D”。由于降压/升压转换器100仅在1-D期间向LED108递送电流，因此LED108中的平均电流等于电感器104中在D期间的平均电流(经由感测电阻器120测量)乘以1-D。 
示范性浮动降压电力转换器 
图3是用于驱动例如LED的发光装置的示范性浮动降压电力转换器电路300的简化框图。转换器电路300具有与降压/升压转换器电路100类似的拓扑；只不过电感器104耦合于LED108与开关118之间且二极管106各自与LED108并联耦合。 
转换器电路300具有图1中所示的降压/升压转换器电路100的所有益处。然而，由于图3的浮动降压转换器拓扑仅在输入电压比输出电压高时起作用，因此将存在其中转换器电路300关断且与转换器电路100相比功率因数将为较差的一部分时间。当使用转换器电路300时，LED108在电感器104中存在电流时始终接通。图4中图解说明用于所述浮动降压转换器拓扑的对应波形。 
当浮动降压拓扑中的电感器104正存储能量时，电流也流动穿过LED108。当开关118关断时，电感器104将其能量以电流的形式放电穿过LED108。因此，LED108经历DC电流加上电感器104中的纹波电流。纹波电流为相当小的且可通过与LED108并联地放置小电容器而进一步减小，但此在大多数应用中并非必需的。 
示范性波形产生器 
转换器100、300使用波形产生器110来产生LED108中的平均电流，所述平均电流遵循全波经整流AC输入电压波形。存在可由波形产生器110实施以确保AC负载的恰当定相从而产生高质量PFC的数种方法。还可能有其它方法。 
方法1
在第一方法中，可测量并使用AC输入电压以产生“PWM内部的PWM”波形。电阻器分割器网络可测量来自经整流AC输入电压的电压。PWM工作循环为与所测量电压成比例的工作循环。电压与工作循环的比率可经缩放(实时地)以允许LED亮度的调光。 
方法2
在第二方法中，检测并使用AC输入电压的零交叉点以合成待用于产生PWM信号的经整流电压。在了解零/零交叉点的情况下，可确定经整流正弦波的周期。可基于应用的亮度要求而设定经整流电压的振幅。 
方法3
在第三方法中，将PWM电流斜升率锁相到经整流AC输入电压波形。将浮动降压拓扑中的电感器104充电的斜升率与经整流AC输入电压上的电压成比例。可检测最大及最小斜升率。举例来说，最小斜升率对应于输入电压波形的谷值(或零交叉点)，且最大斜升率对应于输入电压波形的峰值。可使用所确定的最大及最小斜升率来正确地对“PWM信号内部的PWM信号”进行定相。 
示范性PFCLED驱动器过程 
图5是用于驱动输出负载(例如，LED)的过程500的流程图。过程500可由如参考图1及图3所描述的转换器100或300实施。 
过程500可通过产生用于命令开关以允许耦合到输出负载的电感器将由输入电压源提供的能量传送到所述输出负载的第一信号而开始。第一信号具有第一频率以及与输入电压振幅成比例的工作循环，且其命令所述开关使平均输入电流与输入电压振幅成比例(502)。在一些实施方案中，第一信号可为由波形产生器产生的PWM信号。所述第一信号可经控制而具有与输入电压波形相同的形状及相位。 
过程500可通过产生用于命令开关的第二信号而继续。第二信号具有比第一频率高的第二频率(504)。举例来说，第二频率可为比第一频率高的数量级。 
过程500可通过以下操作而继续：基于第一信号的值(例如，在第一信号为高时)而用第二信号命令开关(506)，借此给输出负载提供大致恒定电流脉冲，从而导致输出负载中的大致恒定脉冲电流。在输出负载包含一个或一个以上LED时，大致恒定脉冲电流帮助防止LED的色彩移位。 
尽管此文件含有许多特定实施方案细节，但这些细节不应解释为对可主张的范围的 限制而是解释为特定实施例可特有的特征的描述。在此说明书中在单独实施例的背景中描述的某些特征还可以组合形式实施于单个实施例中。相反地，在单个实施例的背景中描述的各种特征也可单独地或以任何适合子组合形式实施于多个实施例中。此外，虽然上文可将特征描述为以某些组合形式起作用且甚至最初如此主张，但来自所主张组合的一个或一个以上特征在一些情况下可从所述组合去除，且所主张组合可针对子组合或子组合的变化形式。 

Claims (11)

1.一种具有调光能力的一次侧功率因数校正驱动器电路，其特征在于所述电路包括： 
整流器电路，其经配置以对交变输入电压进行整流； 
电感器，其耦合到所述整流器电路； 
二极管，其耦合到所述电感器及输出负载； 
开关，其耦合到所述电感器； 
开关控制电路，其耦合到所述开关且经配置以用于： 
产生用于命令所述开关以允许所述电感器将由所述经整流输入电压提供的能量传送到所述输出负载的第一信号，所述第一信号具有第一频率以及与所述经整流输入电压的振幅成比例的工作循环；产生用于命令所述开关的第二信号，所述第二信号具有比所述第一频率高的第二频率；及 
基于所述第一信号而用所述第二信号命令所述开关，所述命令致使将大致恒定脉冲电流提供到所述输出负载，从而导致平均输入电流在所述脉冲电流在提供到所述输出负载时为大致恒定的同时与所述经整流输入电压的所述振幅成比例。 
2.根据权利要求1所述的具有调光能力的一次侧功率因数校正驱动器电路，其特征在于所述整流器电路为二极管桥接器。 
3.根据权利要求1所述的具有调光能力的一次侧功率因数校正驱动器电路，其特征在于所述开关为功率晶体管。 
4.根据权利要求1所述的具有调光能力的一次侧功率因数校正驱动器电路，其特征在于所述开关控制电路进一步包括： 
逻辑电路，其经配置以用于接收第一波形及第二波形，且基于所述第一波形及所述第二波形而提供输出； 
锁存器电路，其具有耦合到所述逻辑电路的所述输出的第一输入及耦合到所述开关的命令端子的输出，所述锁存器电路经配置以用于至少部分地基于所述逻辑电路的所述输出而设定所述命令端子上的命令电压；及 
比较器，其具有耦合到所述开关的第一输入、耦合到参考电压的第二输入及耦合到所述锁存器电路的输出，其中所述比较器经配置以用于基于所述第一与第二比较器输入的比较而对所述锁存器电路进行复位。 
5.根据权利要求4所述的具有调光能力的一次侧功率因数校正驱动器电路，其特征在于进一步包括： 
感测电阻器，其耦合到开关及所述比较器的所述第一输入。 
6.根据权利要求4所述的具有调光能力的一次侧功率因数校正驱动器电路，其特征在于所述锁存器电路为触发器。 
7.根据权利要求3所述的具有调光能力的一次侧功率因数校正驱动器电路，其特征在于所述命令端子为所述功率晶体管的栅极。 
8.根据权利要求1所述的具有调光能力的一次侧功率因数校正驱动器电路，其特征在于所述功率因数校正驱动器电路实施浮动降压/升压或浮动降压拓扑。 
9.根据权利要求1所述的具有调光能力的一次侧功率因数校正驱动器电路，其特征在于所述二极管为肖特基二极管。 
10.根据权利要求1所述的具有调光能力的一次侧功率因数校正驱动器电路，其特征在于进一步包括： 
电容器，其与所述输出负载并联耦合。 
11.根据权利要求1所述的具有调光能力的一次侧功率因数校正驱动器电路，其特征在于所述输出负载包含一个以上发光二极管。 
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