TW201334388A - 動態定位交換式電源供應器輸出電壓之方法與系統 - Google Patents

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Abstract

藉由使用同步開關而代替常用整流二極體來週期性地反轉交換式電源供應器(SMPS)轉換器。藉由反轉SMPS轉換器，可使SMPS輸出電容器極迅速地放電以提供LED之快速關斷(無電流通過LED)，藉此解決色移問題。此情形使能夠藉由使大容量輸出電容器主動地充電或放電來向上或向下定位SMPS之輸出電壓。具有使大容量輸出電容器主動地充電或放電之能力會允許產生包含對於驅動LED照明應用較佳之實質上方形(例如，當接通時實質上全電流，及當關斷時實質上無電流)電流脈衝之電流源。

Description

動態定位交換式電源供應器輸出電壓之方法與系統
本發明係關於交換式電源供應器，且詳言之，係關於一種對發光二極體(LED)供電且控制該等LED之調光之交換式電源供應器。
本申請案主張由Scott Dearborn及Terry Cleveland於2011年11月11日申請之名為「動態定位交換式電源供應器輸出電壓之方法與系統(Method and System to Dynamically Position a Switch mode Power Supply Output Voltage)」之共同擁有之美國臨時專利申請案第61/558,616號的優先權，該臨時專利申請案據此出於所有目的而以引用之方式併入本文中。
當(例如)在汽車前照燈應用中驅動發光二極體(LED)時，可使用調光開關以極迅速地接通及關斷LED電流。在不使用調光開關的情況下，交換式電源供應器(SMPS)之輸出電容器為LED電流提供足夠能量以使其緩慢地衰減，此將為吾人所期望。此緩慢衰減造成LED光之波長移位。因為光色彩改變，所以此移位係明顯的。
因此，需要一種可對發光二極體(LED)供電且控制該等LED之調光而不造成明顯輸出光色彩改變之改良型交換式電源供應器(SMPS)。
根據一實施例，一種電源供應器電路可包含：一脈寬調 變控制器，其係與一返馳電路耦接，其中該返馳電路包含受到一第一場效電晶體控制之一初級電路及受到一第二場效電晶體控制且包含一輸出電容器之一次級電路，其中該控制器可經組態以控制該第二場效電晶體，使得該輸出電容器可放電以消除一輸出脈衝之一曳尾電流。根據一另外實施例，該電源供應器電路為至少一發光二極體串提供電力。
根據另一實施例，一種用於動態定位一交換式電源供應器輸出電壓之方法可包含如下步驟：用一主開關使一輸出電容器經由一返馳變壓器而充電，其中該返馳變壓器及該主開關耦接至一電源；及用一同步開關使該輸出電容器經由該返馳變壓器而放電，其中該返馳變壓器及該同步開關可耦接至該輸出電容器；其中該主開關及該同步開關可受到一交換式電源供應器控制器控制，藉以，使該輸出電容器充電及放電之該等步驟將一實質上方形波脈寬調變式電流提供至耦接至該輸出電容器之一負載。
根據該方法之一另外實施例，該負載可為一串聯連接式發光二極體串。根據該方法之一另外實施例，該發光二極體串具有高輸出光且可用於汽車應用。根據該方法之一另外實施例，該主開關及該同步開關可為電力場效電晶體。根據該方法之一另外實施例，該交換式電源供應器控制器可為一微控制器。
根據該方法之一另外實施例，該負載可包含在一第一電壓下操作之一第一發光二極體串及在一第二電壓下操作之 一第二發光二極體串，其中該第一電壓可大於該第二電壓，且該方法可進一步包含如下步驟：當該已充電輸出電容器上之一電壓可實質上處於該第一電壓時用一斷接/連接開關使該第二發光二極體串斷接；及當該已充電輸出電容器上之一電壓可實質上處於該第二電壓時用該斷接/連接開關來連接該第二發光二極體串。
根據該方法之一另外實施例，可使該輸出電容器經由該返馳變壓器而放電至一輸入電容器中。根據該方法之一另外實施例，該輸出電容器可耦接至該返馳變壓器之一次級繞組，且該輸入電容器可耦接至該返馳變壓器之一初級繞組。
根據又一實施例，一種用於動態定位一交換式電源供應器輸出電壓之系統可包含：一返馳變壓器，其具有一初級繞組及一次級繞組；一主開關，其係與該返馳變壓器之該初級繞組串聯地耦接，其中該返馳變壓器之該初級繞組及該主開關可耦接至一電源；一同步開關，其係與該返馳變壓器之該次級繞組串聯地耦接；及一輸出電容器，其耦接至該返馳變壓器之該次級繞組及該同步開關；其中該主開關使該輸出電容器經由該返馳變壓器而充電，且同步開關使該輸出電容器返回經由返馳變壓器而放電；及一交換式電源供應器控制器，其耦接至該主開關及該同步開關且控制該主開關及該同步開關；其中一實質上方形波脈寬調變式電流可提供至耦接至該輸出電容器之一負載。
根據一另外實施例，該負載可為一串聯連接式發光二極 體串。根據一另外實施例，該發光二極體串可具有高輸出光且可用於汽車應用。根據一另外實施例，該主開關及該同步開關可為電力場效電晶體。根據一另外實施例，該交換式電源供應器控制器可為一微控制器。根據一另外實施例，該負載可包含在一第一電壓下操作之一第一發光二極體串及在一第二電壓下操作之一第二發光二極體串，其中該第一電壓可大於該第二電壓；其中當該輸出電容器上之一電壓可實質上處於該第一電壓時可用一斷接/連接開關使該第二發光二極體串自該輸出電容器斷接；且當該輸出電容器上之該電壓可實質上處於該第二電壓時可用該斷接/連接開關來連接該第二發光二極體串。根據一另外實施例，該輸出電容器可經由該返馳變壓器而放電至耦接至該返馳變壓器之該初級繞組之一輸入電容器中。
可藉由參考結合隨附圖式而採取之以下描述來獲取對本發明之更完整理解。
微控制器單元(MCU)可被定義為具有非揮發性程式記憶體之主機微控制器或可程式化邏輯。根據各種實施例，提議一種藉由使用同步開關而代替常用整流二極體來基本上反轉交換式電源供應器(SMPS)轉換器之方法及系統。藉由反轉轉換器，可使SMPS輸出電容器極迅速地放電以提供LED之快速關斷(無電流通過LED)，藉此解決色移問題。此情形使能夠藉由使大容量輸出電容器主動地充電或放電來向上或向下定位SMPS之輸出電壓。具有使大容量輸出 電容器主動地充電或放電之能力會允許產生包含對於驅動LED照明應用較佳之實質上方形(例如，當接通時實質上全電流，及當關斷時實質上無電流)電流脈衝之電流源。
根據本發明之教示，來自SMPS之輸出電壓經動態控制以用於在實質上恆定電流下驅動串聯連接式電力LED串。在許多LED照明應用中，此情形改良電流脈衝對LED之動態回應而同時對LED調光，且改良LED電流臨界值之上升及下降時間。其亦防止色移且改良調光範圍(窄脈衝及寬脈衝表現得實質上相同)。因此，調光開關係不必要的。無需需要校準之時序電路。藉此，藉由移除針對調光開關之要求且消除時序電路之可變性來簡化針對LED驅動應用之調光解決方案。此外，針對工廠校準之要求得以消除且電流暫態回應得以實質上改良，藉此引起來自LED之光之較少色移。根據本文所描述之各種實施例，對於各種LED調光應用亦可增加作用時間循環範圍。
現在參看圖式，示意性地說明一特定實例實施例之細節。圖式中之類似元件將由類似數字表示，且相似元件將由具有不同小寫字母字尾之類似數字表示。
參看圖1，描繪使用返馳拓撲之典型習知SMPS的示意圖。啟用輸入EN接通及關斷SMPS之輸出以用於LED 100之調光。藉由變化調光控制脈衝102之作用時間循環，可藉此使用電流104流動通過LED 100之時間長度以控制來自LED 100之光輸出。通過LED 100之電流104之量將影響自LED 100產生之光之色彩(例如，色溫)。
參看圖2，描繪具有軟起動、曳尾電流及突增問題的圖1所示之SMPS電路之理想脈衝式電流的示意性時序圖。DIM脈衝102用以接通及關斷SMPS之輸出。理想LED電流ILED 104a波形將在所要全電流與無電流之間交替。然而，SMPS產生造成電流ILED 104流動通過串聯連接式LED 100串之電壓輸出。對於圖1所示之SMPS電路，由於大容量輸出電容器COUT之充電及放電時間常數及與其相關聯之電路阻抗(未圖示)而不能瞬時地接通及關斷輸出電壓。當在SMPS中使用軟起動功能時，將存在所要最大LED電流ILED 104b之延遲，且當不使用軟起動時，將存在所要最大LED電流ILED 104c之突增。大容量輸出電容器COUT上之殘餘電壓將造成針對任一LED電流ILED 104b或ILED 104c之曳尾電流。此等不理想電流偏差將造成自將已由理想LED電流ILED 104a產生之色彩產生之光輸出的色移。
參看圖3及圖4，描繪藉由添加調光開關及用於接通調光開關之延遲而具有改良型功能性之SMPS的示意圖(圖3)，及其示意性時序圖(圖4)。調光開關314串聯地連接於SMPS之輸出與LED 100之間。提供延遲電路308以用於經由電壓位準移位器310而接通調光開關314。結合調光開關314及延遲電路308之SMPS提供至LED 100之電流之良好關斷，但具有相當不可預測之接通功能性，如圖4所示。因此，在使用圖3所示之SMPS電路的情況下可發生突增問題。電流量測電阻器316用以量測通過LED 100之電流。輸出電容器COUT係經由連接至返馳變壓器320之二極體而充電，該 充電係由主開關312激發。
參看圖5及圖6，描繪根據本發明之一特定實例實施例的用於驅動發光二極體(LED)之SMPS的示意圖(圖5)及其示意性時序圖(圖6)。已用同步開關518替換驅動大容量輸出電容器COUT之次級輸出二極體。此同步開關518使能夠進行對儲存於大容量輸出電容器COUT中之能量之雙向控制，且可用以使大容量輸出電容器COUT迅速地放電，藉此消除曳尾電流及LED色彩改變。電流量測電阻器516用以量測通過LED 100之電流。輸出電容器COUT係經由返馳變壓器520而充電，該充電係由主開關512激發。圖5所示之電路相比於使用輸出二極體之SMPS改良效率，尤其是對於低電壓高電流LED亦如此。應預期且在本發明之範疇內的是，圖5所示之電路可應用於許多SMPS拓撲。
可使用誤差放大器、比較器及鎖存器(未圖示)來調節LED電流104。至鎖存器之另一輸入可用以非同步地終止PWM電流脈衝(LED電流104)。第二比較器及可程式化Vref(未圖示)可用以漣波調節SMPS輸出電壓。當使用同步SMPS時，可向上或向下驅動輸出電壓。為了向上驅動輸出電壓，使用主開關512且轉換器通常在「前向」模式下操作。為了快速地向下定位輸出電壓，同步開關518使大容量輸出電容器COUT放電回至輸入電容器CIN中，藉此使能量返回至輸入電容器CIN。此情形提供已成為用非同步SMPS拓撲來驅動LED之問題的SMPS輸出電壓之迅速定位。一旦已定位電壓，就連接電流迴路(未圖示)以將所要 「方形」波脈衝式電流104顯現至LED串100中。應預期且在本發明之範疇內的是，可使用混合信號(類比及數位)微控制器506，且一般熟習SMPS及微控制器設計且受益於本發明之人員可容易地複製圖5所示之同步SMPS之功能性。開關512及518可為電力場效電晶體(FET)。
參看圖7，描繪根據本發明之另一特定實例實施例的用於驅動兩個發光二極體(LED)串之SMPS的示意圖。圖7所示之SMPS可包含：SMPS控制器706，例如，微控制器；主(初級)開關712；同步開關718；返馳變壓器720；低LED串開關730；電壓位準移位器728；SMPS控制器706；電流量測電阻器716；低光束LED 732；及高光束LED 700。開關712、718及728可為電力場效電晶體(FET)。
高光束LED 700相比於低光束LED 728在較高電壓下操作。SMPS控制器706控制來自SMPS之輸出電壓。當需要來自LED 700之高光束光時，低LED串開關730關斷(斷開)且SMPS提供足夠高以將高光束LED 700驅動至所要電流ILED 104之輸出電壓。當需要來自LED 732之低光束光時，低LED串開關730接通(閉合)且SMPS提供足夠高以將低光束LED 732驅動至所要電流ILED 104但並不足夠高以造成高光束LED 700傳導電流之輸出電壓。亦應預期且在本發明之範疇內的是，分別為高光束LED 700及低光束LED 732可組合成一個串聯連接式串，其中在串聯連接式LED之間某處提供分接頭(未圖示)且將該分接頭耦接至低LED串開關730之輸出。
參看圖8及圖9，描繪根據本發明之教示的用於驅動兩個發光二極體(LED)串之模擬SMPS電路的詳細示意圖(圖8)及其示意性時序圖(圖9)。微控制器、膠合邏輯及電壓位準移位器可用作SMPS控制器且耦接至適當電力開關(電力FET)。
上文所描述之各種實施例可實施至(例如，但不限於)汽車光輸入LED驅動器或具有用於LED串之驅動器之積體電路微控制器中。積體電路微控制器可能夠控制用於至少一LED串之驅動信號。在微控制器內部之數位至類比轉換器(DAC)可用於設定電流調節及/或亦可用於設定滯後電壓調節。
雖然已描繪、描述且藉由參考本發明之實例實施例而界定本發明之實施例，但此等參考並不暗示對本發明之限制，且不應推斷出此限制。所揭示主題容許在形式及功能方面之大量修改、變更及等效者，此將為一般熟習相關技術且受益於本發明之人員所想到。本發明之所描繪及描述實施例僅為實例，且並未窮舉本發明之範疇。
100‧‧‧發光二極體(LED)/發光二極體(LED)串
102‧‧‧調光控制脈衝/DIM脈衝
104‧‧‧發光二極體(LED)電流/方形波脈衝式電流
104a‧‧‧發光二極體(LED)電流ILED
104b‧‧‧發光二極體(LED)電流ILED
104c‧‧‧發光二極體(LED)電流ILED
308‧‧‧延遲電路
310‧‧‧電壓位準移位器
312‧‧‧主開關
314‧‧‧調光開關
316‧‧‧電流量測電阻器
320‧‧‧返馳變壓器
506‧‧‧混合信號微控制器
512‧‧‧主開關
516‧‧‧電流量測電阻器
518‧‧‧同步開關
520‧‧‧返馳變壓器
700‧‧‧高光束發光二極體(LED)
706‧‧‧交換式電源供應器(SMPS)控制器
712‧‧‧主開關
716‧‧‧電流量測電阻器
718‧‧‧同步開關
720‧‧‧返馳變壓器
728‧‧‧電壓位準移位器
730‧‧‧低發光二極體(LED)串開關
732‧‧‧低光束發光二極體(LED)
CIN‧‧‧輸入電容器
COUT‧‧‧大容量輸出電容器
圖1說明使用返馳拓撲之典型習知SMPS的示意圖；圖2說明具有軟起動、曳尾電流及突增問題的圖1所示之SMPS電路之理想脈衝式電流的示意性時序圖；圖3說明藉由添加調光開關及用於接通調光開關之延遲而具有改良型功能性之SMPS的示意圖；圖4說明具有突增問題的圖3所示之SMPS電路的示意性 時序圖；圖5說明根據本發明之一特定實例實施例的用於驅動發光二極體(LED)之SMPS的示意圖；圖6說明圖5所示之SMPS電路的示意性時序圖；圖7說明根據本發明之另一特定實例實施例的用於驅動兩個發光二極體(LED)串之SMPS的示意圖；圖8說明根據本發明之教示的用於驅動兩個發光二極體(LED)串之模擬SMPS電路的詳細示意圖；及圖9說明圖8所示之模擬SMPS電路的示意性時序圖。
雖然本發明容許各種修改及替代形式，但已在圖式中展示且本文中詳細地描述本發明之特定實例實施例。然而，應理解，本文中對特定實例實施例之描述不意欲將本發明限於本文所揭示之特定形式，而相反地，本發明應涵蓋如由附加申請專利範圍界定之所有修改及等效者。
100‧‧‧發光二極體(LED)/發光二極體(LED)串
102‧‧‧調光控制脈衝/DIM脈衝
104‧‧‧發光二極體(LED)電流/方形波脈衝式電流
506‧‧‧混合信號微控制器
512‧‧‧主開關
516‧‧‧電流量測電阻器
518‧‧‧同步開關
520‧‧‧返馳變壓器
CIN‧‧‧輸入電容器
COUT‧‧‧大容量輸出電容器

Claims (17)

  1. 一種電源供應器電路，其包含：一脈寬調變控制器，其係與一返馳電路耦接，其中該返馳電路包含受到一第一場效電晶體控制之一初級電路及受到一第二場效電晶體控制且包含一輸出電容器之一次級電路，其中該控制器經組態以控制該第二場效電晶體，使得該輸出電容器放電以消除一輸出脈衝之一曳尾電流。
  2. 如請求項1之電源供應器電路，其中該電源供應器電路為至少一發光二極體串提供電力。
  3. 一種用於動態定位一交換式電源供應器輸出電壓之方法，該方法包含如下步驟：用一主開關使一輸出電容器經由一返馳變壓器而充電，其中該返馳變壓器及該主開關耦接至一電源；及用一同步開關使該輸出電容器經由該返馳變壓器而放電，其中該返馳變壓器及該同步開關耦接至該輸出電容器；其中該主開關及該同步開關受到一交換式電源供應器控制器控制，藉此使該輸出電容器充電及放電之該等步驟將一實質上方形波脈寬調變式電流提供至耦接至該輸出電容器之一負載。
  4. 如請求項3之方法，其中該負載為一串聯連接式發光二極體串。
  5. 如請求項3之方法，其中該發光二極體串具有高輸出光 且用於汽車應用。
  6. 如請求項3之方法，其中該主開關及該同步開關為電力場效電晶體。
  7. 如請求項3之方法，其中該交換式電源供應器控制器為一微控制器。
  8. 如請求項3之方法，其中該負載包含在一第一電壓下操作之一第一發光二極體串及在一第二電壓下操作之一第二發光二極體串，其中該第一電壓大於該第二電壓，且該方法進一步包含如下步驟：當該已充電輸出電容器上之一電壓實質上處於該第一電壓時用一斷接/連接開關使該第二發光二極體串斷接；及當該已充電輸出電容器上之一電壓實質上處於該第二電壓時用該斷接/連接開關來連接該第二發光二極體串。
  9. 如請求項3之方法，其中使該輸出電容器經由該返馳變壓器而放電至一輸入電容器中。
  10. 如請求項9之方法，其中該輸出電容器耦接至該返馳變壓器之一次級繞組，且該輸入電容器耦接至該返馳變壓器之一初級繞組。
  11. 一種用於動態定位一交換式電源供應器輸出電壓之系統，該系統包含：一返馳變壓器，其具有一初級繞組及一次級繞組；一主開關，其係與該返馳變壓器之該初級繞組串聯地耦接，其中該返馳變壓器之該初級繞組及該主開關耦接至一電源； 一同步開關，其係與該返馳變壓器之該次級繞組串聯地耦接；及一輸出電容器，其耦接至該返馳變壓器之該次級繞組及該同步開關；其中該主開關使該輸出電容器經由該返馳變壓器而充電，且同步開關使該輸出電容器返回經由返馳變壓器而放電；及一交換式電源供應器控制器，其耦接至該主開關及該同步開關且控制該主開關及該同步開關；其中一實質上方形波脈寬調變式電流提供至耦接至該輸出電容器之一負載。
  12. 如請求項11之系統，其中該負載為一串聯連接式發光二極體串。
  13. 如請求項11之系統，其中該發光二極體串具有高輸出光且用於汽車應用。
  14. 如請求項11之系統，其中該主開關及該同步開關為電力場效電晶體。
  15. 如請求項11之系統，其中該交換式電源供應器控制器為一微控制器。
  16. 如請求項11之系統，其中該負載包含在一第一電壓下操作之一第一發光二極體串及在一第二電壓下操作之一第二發光二極體串，其中該第一電壓大於該第二電壓；其中當該輸出電容器上之一電壓實質上處於該第一電壓 時用一斷接/連接開關使該第二發光二極體串自該輸出電容器斷接；且當該輸出電容器上之該電壓實質上處於該第二電壓時用該斷接/連接開關來連接該第二發光二極體串。
  17. 如請求項11之系統，其中該輸出電容器係經由該返馳變壓器而放電至耦接至該返馳變壓器之該初級繞組之一輸入電容器中。
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