专利名称：例如用于卤素灯的驱动单元和相应的方法
技术领域：
本公开涉及用于电气负载的驱动单元。通过特别关注于本公开对卤素灯的可能应用而设计了本公开。所提到的该应用领 域仅作为示例，不应被解释为对本发明的范围的限制。
背景技术：
目前借助于磁变压器或电子变压器对低压卤素灯进行供电。由于这两种解决方案 的操作的基本机制不同，因此它们在成本方面(包括“物料清单”)不相同并且它们的输出 波形不相同。在磁变压器的情况中，操作频率是供电线路(电源)频率并且输出电压具有与输 入相同的频率。在电子降压转换器的情况中，输入频率是供电线路频率，但是转换器可以在几十 kHz范围中的开关频率下操作并且输出频率是该开关频率。由于灯的灯丝对流过其的电流的频率不敏感，因此这两种解决方案中的任一解决 方案的选择可以由待供电的电器的类型(例如轨道或小型灯具)来决定。电子变压器较之磁变压器呈现出某些优点除了减小的尺寸和重量外，电压转换 效率通常是较高的(例如，对于高达250W的磁变压器，电压转换效率是0. 7至0. 85，而对于 电子变压器(ET)，电压转换效率是0. 93至0. 96)。在向150W的负载馈电时效率提高15% 意味着在设备的50000h的使用寿命中节约1. 125MWh，这大致对应于少向空气中排放1. 125 吨(X)2 ( 二氧化碳)。电子变压器(其本质上是开关模式电源)的缺点在于，递送到负载的功率取决于 线缆的长度。实际上，输出信号的频率是足够高的，足以导致由通往负载的线缆的阻抗的虚 (非实)分量引起的线缆中的能量损失。一般说来，线缆越长，电压越小，并且因此递送到负载的有效功率越小。在照明应 用的情况中，这降低了系统的效能(以每瓦流明为单位)并且使电子变压器几乎不适于牵 涉长度超过2米的线缆的应用，而目前对于一些常见的电器，需要长达10米的长度。一种用于缓和该缺点的方法是借助于同步整流或所谓的二极管整流将输出频率 降低到供电线路频率或者供电线路频率的两倍。此两者的区别在于所使用的电子开关的类 型在前者的情况中使用金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)，而在后者的情况中使 用肖特基(Schottky) 二极管。这里的图1至3是基于上文中提及的原理的许多常规拓扑的示例。贯穿图1至3，CET和(无源)磁变压器T表示常规电子变压器，其具有抽头的次 级绕组而非这种降压变压器中使用的经典的双绕组。在图1中所示的基本的二极管整流拓扑中，由两个二极管D1、D2确保整流，而低通 LC (即电感器/电容器)滤波器滤除输出电流中的高频分量。图2的配置基于同样包括两个二极管Dl、D2的倍流器拓扑，每个二极管具有关联的电感器L，同样跨越输出电容器C的端子获取输出信号0UT+/0UT-。图3是牵涉同步整流的配置的示例。在该情况中，两个电子开关M1、M2(典型地为 M0SFET)耦合到同步整流器(SR)配置中的绝缘变压器T的次级绕组。驱动器P确保两个 开关M1、M2的交替的接通/断开切换(即当一个开关“接通”时另一个开关“断开”，反之亦 然)以产生经整流的信号。该经整流的信号随后被馈送到低通LC滤波器以同样横跨输出 电容器C提供输出信号。如所指出的，在图1至3中所示的拓扑在本领域中是公知的，因此这里不必提供更 详细的描述。牵涉肖特基二极管的配置需要若干个并联的二极管，这导致了占用空间的并且不 是成本有效的配置。“同步”整流(图3)的情况中的电路复杂度和功率使用容量均高于如 图1和2中所示的“无源”配置的情况中的电路复杂度和功率使用容量。因此，对于其中负 载所需要的电流相对高的所有应用(例如具有中高功率容量或“瓦特数”的电子变压器)， 同步整流是优选的。实际上，在市场上可获得许多解决方案，包括面向模拟和数字应用的集 成驱动器，其中驱动器由待整流的电压信号触发。然而，如图3中所示的拓扑对于驱动卤素灯而言几乎是不可接受的，在该情况中 极为需要尽可能廉价的配置。使提供给开关的信号适应负载条件的灵活性是另一受到重视的特征。实际上，同步整流器配置依赖于将被提供给其中的开关(参见例如图3的MOSFET Ml和M2)的驱动信号的时序。为了提供最优操作，开关的接通和断开应在开关未承载全电流时进行。一种方法是，当全电流的一半在一个支路上流动并且另一半在另一支路上流动 时，强迫进行变换以便于使功耗最小。本发明人已注意到，对于电压驱动的配置，利用可能可变的负载，也就是利用不同 的线缆长度和/或不同的灯“瓦特数”，不容易实现这一结果。这是因为输出电压和电流之间的相移取决于这些因素。
发明内容
注意到上文讨论的相关技术，仍然需要如下的驱动单元，该驱动单元特别是在成 本成为关键因素的消费类应用中(例如卤素灯)，可以引出在确保电路的全面的可靠性和 安全性的同时适于通过简单工艺制造的简单然而有效的配置。本发明的目的在于提供这样的驱动单元。根据本发明，该目的是借助于一种具有所附权利要求中阐述的特征的驱动单元来 实现的。本发明还涉及一种相应的方法。权利要求是这里提供的本发明的公开的组成部分。这里描述的配置的实施例基于如下概念通过感测流过绝缘变压器的次级绕组 的电流并且当次级绕组上的电流接近零时使同步整流器电路从一个支路切换到另一支路 (就是说从一个开关切换到另一开关)，使用于同步整流器的开关的驱动电路最优化。在实施例中，借助于电感器执行该电流感测动作，该电感器与流过绝缘变压器的 次级绕组的电流生成的磁场进行反应；该感测电感器的行为如同电流变压器的次级绕组，4流过绝缘变压器的次级绕组的电流穿过该电流变压器的初级绕组。在实施例中，可以借助于由骨架和一组或多组反并联连接的二极管构成的小型电 路来管理两个驱动器(即两个开关)级。在没有输入信号而仅有电源的情况下，两个驱动器级都将被设定在“高”电平，因 此使得电流能够在启动时流入SR的一个支路或另一支路。骨架主要是电流感测部件，其在 其引脚处产生正的或负的电压差，该电压差由反并联的二极管“截顶”，因此提供方波状驱 动信号以触发同步整流器中的开关(例如M0SFET)。例如，当电流在变压器的次级侧流动时，交替地使MOSFET中的一个的栅极保持在 高电平，从而相应的开关闭合(即传导或“接通”)，同时使另一 MOSFET的栅极处于低电平， 从而相应的开关开启(即不传导或“断开”)。死区时间由电路自动设定，其可能包括绝缘 变压器的漏电感。因此这里描述的配置避免了在例如使输出电压和电流的过零之间的延迟固定 (因为设备的所有输入和输出条件应是固定的，因此这不容易实行)或者基于设定电流时 序的概念的其他更加复杂的解决方案(这对于最终产品而言可能过于昂贵)中固有的某些 缺点。这是通过如下方式实现的将变换的触发锁定到绝缘变压器T的次级绕组上的电 流的过零。该配置是完全有效的，与同步整流器SR的拓扑(例如是否为倍流器)无关。较之文献中的已知的当前解决方案，制造这里描述的配置明显是更廉价的和更简单的。
现将参照附图，仅借助于示例来描述本发明，在附图中图1至3已在上文中讨论，图4至6是这里描述的配置的许多可能实施例的框图，以及图7至9详细地示出了图4至6的框图中示出的配置中包括的部件的某些细节。
具体实施例方式在下面的描述中给出了许多特定细节以提供对实施例的全面的理解。实施例可以 在没有这些特定细节中的一个或多个细节的情况下实施，或者可以通过其他的方法、部件、 材料等实施。在其他实例中，将不详细示出或描述公知的结构、材料或操作，以避免使实施 例的方面模糊。本说明书通篇中提到的“一个实施例”或“实施例”意味着结合实施例描述的特定 的特征、结构或特性包括在至少一个实施例中。因此，本说明书通篇各处出现的习语“在一 个实施例中”或“在实施例中”不一定均指的是同一实施例。此外，特定的特征、结构或特性 可以按任何适当的方式组合在一个或多个实施例中。这里提供的标题仅出于便利的目的，并非解释实施例的范围或意义。图4至6中所示的各种实施例的某些基本构造模块基本上与已参照图1至3讨论 的配置相同，也就是
-常规电子变压器CET，突出示出了其绝缘变压器T，该绝缘变压器T具有连接到电 子变压器CET的其余部分的初级绕组以及与同步整流器配置中的开关(诸如图3的Ml和 M2)耦合以提供输出信号0UT+/0UT-的次级绕组，以及-驱动器P，用于提供同步整流器配置的开关的触发信号。为了易于表示，绝缘变压器T的次级绕组被图示为与开关Ml和M2所处的标为SR 的模块隔开。在当前实施例中，次级绕组实际上是提供输出信号的同步整流器配置的一部 分。在任何情况中，在上文中考虑的元件可以是用于执行相应的功能的本领域中已知的任 何元件/部件，使得这里不必提供更详细的描述。相反，这里的描述集中于如下配置其用 于从绝缘变压器T得到将施加到驱动器P以便于使得驱动器能够适当地触发同步整流器SR 的开关的方波状信号。贯穿图4至6，Ts表示与绝缘变压器T的次级绕组关联的感测变压器。在这里描述的示例性实施例中，感测变压器Ts包括-一组传导带(图8中的11至13)，其定义感测变压器Ts的初级绕组，绝缘变压 器T的次级绕组的电流流过该初级绕组，以及-感测电感器L感测，其耦合到连续的带11至13以构成感测变压器Ts的次级绕组。跨越感测电感器L感测的电压(如图5中所示，在该情况中经由电阻器R)被馈送 到一组(图4和5)或两组(图6)反并联的二极管对。跨越一组或多组二极管10、10'的电压构成了被馈送到驱动器P以触发同步整流 器SR的操作的信号。图7至9详细示出了感测变压器Ts的示例性实施例，其中变压器Ts被安装在印 刷电路板(PCB)上，驱动单元的其他元件也安装到该印刷电路板上。因此，将意识到，在该 实施例中，感测变压器Ts未安装在绝缘变压器T上，并且因此是在与绝缘变压器T隔开的 位置处提供的。在图7和8中，附图标记20表示线圈架(例如塑料材料的圆形/螺旋形线圈架)， 感测电感器L感测的绕组缠绕到该线圈架以形成感测变压器Ts的次级绕组。因此，感测电感器L感测可以被构造为小型独立部件的形式，其容易地适于通过 如下形式焊接到印刷电路板PCB上将缠绕在线圈架20上的绕组的末端4、5连接到在PCB 上提供的各个传导带(铜走线)14、15。在PCB上的如下位置提供传导线或带(例如铜走线)11、12和13，使得当线圈架 20安装在PCB自身上时，绕组11至13和线圈架20上的绕组包括感测变压器Ts的初级和 次级绕组。图7是安置线圈架20的可能方案的一般示图，感测电感器L感测的绕组在接近在 PCB上提供的传导带CS的情况下缠绕到该线圈架20上。图9详细示出了感测变压器Ts的电气连接的示例。具体地，附图标记11和13表示连接到绝缘变压器T的次级绕组并且依次成为感 测变压器Ts的适当的初级绕组的绕组。由附图标记12所指示的线连接到驱动单元的输出端处的LC滤波器的扼流圈(参 见例如图3中所示的连接)，而参考标记14和15表示感测电感器L感测的端子。
图示的示例性实施例引出了无芯的并且因此不可饱和的感测变压器Ts。这通过两 种方式而是有帮助的一方面，容易地确保了输入-输出(IN-OUT)的线性(不同于其中初 级电流在假定的具有磁芯的双绕组Ts中流动的情况。该电流将非常高，因此导致选择相当 大的芯以便于确保次级侧的适当的信号)；另一方面，该解决方案无疑更加廉价。在实施例中，该变压器包括例如用于产生感测电感器(感测变压器的次级绕组) 的塑料线圈架20上的300匝细导线，该感测电感器适于借助于传导带11和13 (感测变压 器的初级绕组)感测在印刷电路板上提供的一对绕组产生的磁场。电流感测的强度和频率 足以使该解决方案是完全令人满意的。由于次级绕组上的电流非常低；该绕组的导线是细的并且易于固定到线圈架20 的引脚以随后焊接(或者通过另外的方式连接)到印刷电路板(PCB)上的相应的传导带 (铜走线)，因此焊接问题被减少到最低限度。在图示的示例性实施例中，感测变压器Ts的初级绕组简单地包括印刷电路板上 的一组传导带，因此避免了任何焊接问题或在绝缘变压器上提供任何种类的绕组的需要。由于感测变压器Ts中不存在芯，因此避免了饱和问题，这也避免了与当前的制造 工艺期间的再现性相关的可能的关键问题。感测变压器Ts的高匝数比避免了次级绕组处 存在的任何非线性负载对初级侧的任何影响。通过反并联的二极管使感测变压器Ts的回路闭合引出了具有相当陡峭的边缘的 方波状信号，其完全适于被馈送到驱动器P。尽管一对反并联的二极管呈现了完全令人满意 的实施例，但是其他实施例可以包括诸如图5所示的一对二极管加上电阻器R或者包括两 对反并联的二极管。根据驱动器电路的需要，可以容易地设计用于使回路闭合的其他实施例。在选择 用于使感测变压器Ts的回路闭合的部件时，适当地吸收电流变压器的次级绕组中感生的 并且未被用作驱动器输入的部分电流可以成为将考虑的因素。图示的实施例表明，一个简单电感器L感测和两个二极管可以完全令人满意地提 供良好定义和同步的方波，其适于用作同步整流器SR的驱动器P的驱动信号。除了初级侧的半桥被断开的情况之外，流过“扼流圈”(即用于滤除输出电流的高 频分量的低通滤波器)的电流将不是零。因此自动地良好地处理了调光和空载的条件。如果在电流强度处于从断开时的零到接通时的全值的中间时未进行变换，则接通 /断开切换过程使功耗急剧地增加，然而所描述的配置通过使用感测电感器而安全地避免 了这一缺点，该感测电感器通过不可饱和的电感来检测绝缘变压器T的次级绕组中的电流 的过零，其生成用于作为输入触发信号馈送到驱动器的足够陡峭和精确的信号。这里描述的配置对PCB空间的需要很小，此外是非常廉价的。此外，这里描述的配 置不需要以任何形式安置在绝缘变压器上(这将增加绝缘元件自身的复杂性和成本)，同 时还避免了使用复杂的和昂贵的配备有芯的感测变压器。此外，这里描述的配置避免了可能对整个设备的完整性有风险的任何焊接问题 (例如因为部件的不当使用，可能导致整个单元的永久性损伤)。在不违背本发明的基本原理的情况下，在不偏离所附权利要求限定的本发明的范 围的情况下，对于仅作为示例的这里描述的内容，细节和实施例可以变化，甚至显著地变 化。
权利要求
1.一种用于电气负载的驱动单元，包括-绝缘变压器(T)，其具有用于使交变电流流过其中的次级绕组，其中所述绝缘变压器 (T)的所述次级绕组耦合到同步整流器(SR)配置中的电子开关(Ml、M2)，所述电子开关 (Ml, M2)根据触发信号(P)而交替地接通和断开，以从流过所述次级绕组的所述交变电流 产生经整流的输出信号(0UT+/0UT-)，其中所述单元包括感测电感(Ls1m),其经由一组传导带(11、1；3)耦合到所述绝缘变压 器(T)的次级绕组以感测流过所述次级绕组的所述交变电流的过零并且从其生成用于所 述同步整流器配置(SR)的所述触发信号。
2.根据权利要求1所述的单元，包括感测变压器(Ts)，所述感测变压器(Ts)包括作为 所述感测变压器(Ts)的次级绕组的所述感测电感(Ls1m)。
3.根据权利要求2所述的单元，其中所述感测变压器(Ts)是无芯变压器。
4.根据权利要求2或3所述的单元，其中所述感测变压器(Ts)是在与所述绝缘变压器 (T)隔开的位置处提供的。
5.根据权利要求2至4中任一权利要求所述的单元，包括印刷电路板(PCB)，其中所述 感测变压器(Ts)包括在所述印刷电路板(PCB)上提供的传导带(11、13)，流过所述绝缘变 压器(T)的所述次级绕组的所述交变电流穿过所述传导带。
6.根据以上任一权利要求所述的单元，其中所述传导带包括用于连接到用于滤除所述 同步整流器配置(SR)的所述经整流的输出信号(0UT+/0UT-)中的高频分量的输出扼流圈 (L)的线(12)。
7.根据以上任一权利要求所述的单元，包括印刷电路板(PCB)和安装在所述印刷电路 板(PCB)上的线圈架(20)，所述线圈架00)具有缠绕在其上的所述感测电感(Lm)。
8.根据以上任一权利要求所述的单元，其中所述感测电感器(Ls1m)包括在用于生成所 述触发信号的回路中，所述回路包括至少一对反并联的二极管(10、10')，其中跨越所述 至少一对反并联的二极管来检测所述触发信号。
9.根据权利要求8所述的单元，进一步包括连接到所述感测电感器(Ls1m)以使所述回 路闭合的电阻器(R)。
10.一种借助于绝缘变压器(T)来驱动电气负载的方法，所述绝缘变压器(T)具有用于 使交变电流流过其中的次级绕组，所述方法包括以下步骤-通过根据触发信号(P)而使电子开关(Ml、iC)交替地接通和断开来对流过所述次级 绕组的所述交变电流进行同步整流(SR)，产生经整流的输出信号(0UT+/0UT-)，以及-经由通过一组传导带(11、1；3)耦合到所述绝缘变压器(T)的次级绕组的感测电感 (Lss)来感测流过所述次级绕组的所述交变电流的过零，并且从其生成用于所述电子开关 (M1、M2)的所述触发信号。
全文摘要
一种用于诸如卤素灯的电气负载的驱动单元包括具有用于使交变电流流过其中的次级绕组的绝缘变压器(T)。该绝缘变压器(T)的次级绕组耦合到同步整流器(SR)配置中的电子开关(M1、M2)。这些电子开关根据触发信号(P)而交替地接通和断开，以从流过次级绕组的交变电流产生经整流的输出信号。感测电感器(L感测)借助于一组传导带耦合到绝缘变压器(T)的次级绕组以感测流过其中的交变电流的过零并且生成用于同步整流器(SR)的触发信号。该感测电感器(L感测)包括在无芯的、不饱和的感测变压器(Ts)中，该感测变压器(Ts)是在与绝缘变压器(T)隔开的位置处提供的。
文档编号H02M3/335GK102057562SQ200880129725
公开日2011年5月11日 申请日期2008年6月11日 优先权日2008年6月11日
发明者卢卡·博尔丁 申请人:奥斯兰姆有限公司