反激ac-dc转换器的制造方法
【专利摘要】公开了用于改进操作在过渡模式的反激功率因数校正（PFC）拓扑的功率因数（PF）和总谐波失真（THD）的技术和对应的电路与驱动器。在一个或多个实施例中，PF和THD通过校正反激PFC拓扑的切换元件的开启时间以主动地成形PFC输入电流的波而被改进。在一些实施例中，开启时间使用与整流输入线电压信号同步的锁相环模块和校正开关开启时间的输出调节器模块来校正。控制可以使用数字或模拟控制器来实施。
【专利说明】反激AC-DC转换器
[0001] 对相关应用的交叉参考 本申请要求标题是"DIGITALLY CONTROLLED SINGLE-STAGE 化YBACK DRIVER FOR SOLID STATE LIGHT SOURCE(S)"并且2012年7月26日提交的美国临时专利申请号61/675， 881和标题是"FLYBACK AC-T0-DC CONVERT邸"并且2013年7月26日提交的美国专利申请 号13/951,559的优先权，其整体内容由此通过参考被结合。
【技术领域】
[0002] 本发明涉及发光，并且更具体而言涉及驱动发光负载。
【背景技术】
[0003] 电子技术正在快速地发展W协助环境保护。比如，包含发光二极管（LED)、有机发 光二极管（0LED)等等的固态光源技术正在迅速地赶上更老的发光技术(例如，白识发光、英 光发光等）作为用于电子照明的优选源。固态光源尤其提供更低的功耗、最小的热输出、更 耐用的设计、更长的寿命、W及在处置时更低的环境影响。典型的固态光源基照明系统由将 交流(AC)功率(例如来自传统的壁上插座）或直流（DC)功率(例如来自电池）转换成被固态 光源可用的电压电平的驱动器电路供电。驱动器电路要求将补充或至少不减损固态光源的 效率的部件和配置。
【发明内容】
[0004] 在发光系统内存在多个与对固态光源供电相关联的重要的问题。固态光源具有长 的寿命和低的维护要求，并且在它们的亮度效率中已存在持续的改进，使得固态光源成为 对传统的光源的有吸引力的替选。然而，在发光工业中强加的各种标准和规则设置了当设 计固态光系统时必须考虑的限制。该些限制中的许多涉及驱动器的功率因数（PF)和总谐 波失真（T皿)。
[0005] 本发明的实施例提供改进传统PFC拓扑的PF和T皿的技术和装置。在一些实施 例中，传统反激基PFC拓扑的PF和T皿通过校正整流输入电流和/或电压波形的技术和/ 或装置来改进。在一些实施例中，该通过在反激电路内变化开关的开启时间来实现，所述反 激电路典型地用诸如但是不限制到金属氧化物半导体场效应晶体管（M0SFET)或双极结型 晶体管（BJT)或绝缘栅BJT (IGBT)等等的晶体管来实施。开关的开启时间在一些实施例 中使用微控制器来数字地校正。在该样的实施例中，微控制器采用锁相环（PLL)和输出调 节器来变化开关的开启时间W校正波形并且由此改进系统的PF和T皿。在一些实施例中， 给定的反激基PFC拓扑的现有的微控制器可W被进一步编程或另外配置有化L和输出调节 器模块W执行如在本文中描述的动态开启时间校正。各种其它实施例和变动是可能的。比 女口，在一些实施例中开启时间切换控制用提供与数字化L和输出驱动器模块可比较的功能 性的模拟部件来实施。
[0006] 在实施例中，提供一种装置。装置包含；锁相环（PLL)模块，所述锁相环（PLL)模 块配置成与输入到反激转换器的整流线电压信号同步w对负载供电，并且检测整流线电压 信号的相位中的改变；和输出调节器模块，所述输出调节器模块被配置成使用反映基于被 P化模块检测到的在整流线电压信号中的相位变动的校正因数的开启时间控制信号来调节 到负载的输出电流、输出电压、和/或输出功率中的至少一个，其中开启时间控制信号控制 反激转换器的切换。
[0007] 在相关的实施例中，P化模块可W被配置成通过下述方式来同步；在采样时段 测量整流线电压信号的值，并且基于整流线电压信号的频率中的改变来调整采样时 Tgaupl 化g。
[0008] 在另一个相关的实施例中，整流线电压信号可W被化L模块分成段，并且每段可 W与唯一的开启时间校正因数相关联。在进一步相关的实施例中，P化模块可W包含计数 器，并且每段可W被计数器跟踪。在进一步相关的实施例中，输出调节器模块可W从化L模 块接收计数器的值，计数器值是到查询表的索引值，所述查询表包含预建立的开启时间校 正因数。在另一个进一步相关的实施例中，P化模块可W被进一步配置成测量整流线电压信 号并且将整流线电压信号的当前测量值与整流线电压信号的之前测量值比较W识别整流 线电压信号的上升沿。在又一个进一步相关的实施例中，P化模块可W被配置成通过下述方 式来同步：进一步测量整流线电压信号的当前值并且将测量的当前值与在整流线电压信号 上的参考点的值比较。在进一步相关的实施例中，在整流线电压信号上的参考点可W是整 流线电压信号的最大峰值电压除W二。在另一个进一步相关的实施例中，如果整流线电压 信号的测量的当前值大于参考点的值并且计数器的值处在其最大值，则化L模块可W被配 置成重设计数器并且维持当前采样时段在又一个进一步相关的实施例中，如果整 流线电压信号的测量的当前值大于参考点的值并且计数器的值不处在其最大值，则化L模 块可W被配置成重设计数器并且调整当前采样时段Lampihg。在进一步相关的实施例中，当 前采样时段Lamplhg可W在完成当前锁相环之后且在测量输入整流线电压信号的下一个样 本之前被调整。
[0009] 在又一个相关的实施例中，P化模块和输出调节器模块可W被配置成提供反激转 换器的数字开启时间切换控制。
[0010] 在另一个实施例中，提供一种系统。系统包含；反激转换器电路，所述反激转换器 电路接收线电压正弦波并且对光源供电，所述反激转换器电路包括与开启时间相关联的切 换晶体管；和微控制器，所述微控制器包括：数字锁相环（PLL)模块，所述数字锁相环（P化） 模块配置成与线电压正弦波同步并且检测线电压正弦波的相位中的改变；和数字输出调节 器模块，所述数字输出调节器模块被配置成使用反映基于被化L模块检测到的在线电压正 弦波中的相位变动的校正因数的开启时间控制信号来调节到光源的输出电流、输出电压、 和/或输出功率中的至少一个，其中开启时间控制信号控制切换晶体管。
[0011] 在相关的实施例中，P化模块可W被配置成通过下述方式来同步；在采样时段 测量线电压正弦波的值，并且基于线电压正弦波的频率中的改变来调整采样时段 在另一个相关的实施例中，PLL模块可W包含计数器，其中线电压正弦波可W分成 被计数器跟踪的多段，其中每段可W与唯一的开启时间校正因数相关联，并且其中数字输 出调节器模块可W使用计数器的值作为到查询表的索引值，所述查询表包括预建立的开启 时间校正因数。在进一步相关的实施例中，P化模块可W被进一步配置成测量线电压正弦 波的值并且将测量值与线电压正弦波的之前测量值比较w识别线电压正弦波的上升沿，并 且其中化L模块可W被配置成通过下述方式来同步：进一步测量线电压正弦波的值并且将 测量值与在线电压正弦波上的参考点的值比较。在进一步相关的实施例中，在线电压正弦 波上的参考点可W是线电压正弦波的最大峰值电压除W二。在另一个进一步相关的实施 例中，如果线电压正弦波的测量值大于参考点的值并且计数器的值处在其最大值，则PLL 模块可W被配置成重设计数器并且维持当前采样时段Lamplhg。在又一个进一步相关的实 施例中，如果线电压正弦波的测量值大于参考点的值并且计数器的值不处在其最大值，贝U P化模块可W被配置成重设计数器并且调整当前采样时并且其中当前采样时段 可W在完成当前锁相环之后且在测量线电压正弦波的下一个样本之前被调整。
[0012] 在另一个实施例中，提供一种计算机可读媒介。计算机可读媒介用指令来编码，所 述指令当被一个或多个处理器运行时造成处理器执行下述操作：将数字锁相环（PLL)模块 与输入到反激转换器的整流线电压信号同步W对负载供电；用化L模块检测线电压信号的 相位中的改变；并且使用反映基于被PLL模块检测到的在线电压信号中的相位变动的校正 因数的开启时间控制信号用数字输出调节器模块来调节到负载的输出电流、输出电压、和/ 或输出功率中的至少一个，其中开启时间控制信号控制反激转换器的切换。
【专利附图】
【附图说明】
[0013] 在本文中公开的前述和其它目标、特征和优点从下面对在本文中公开的特定实施 例的描述将是显而易见的，如在附图中图解，在附图中贯穿不同视图相同的参考符号指的 是相同的部件。附图不必成比例，而将重点放在图解在本文中公开的原理上。
[0014] 图1示出带有整流输入线电流开启时间电流的初级和次级绕组电流包络。
[0015] 图2示出针对用于操作在使所有其它参数保持恒定的过渡模式中的传统反激PFC 拓扑的Kv的不同值的在输入线半周期内的整流线电流。
[0016] 图3示出作为用于操作在使所有其它参数保持恒定的过渡模式中的传统反激PFC 拓扑的Kv的函数的理论PF和T皿曲线的图解。
[0017] 图4示出针对用于操作在使所有其它参数保持恒定的过渡模式中的传统反激PFC 拓扑的Kv=0和Kv〉0的在输入线半周期内的整流线电流。
[0018] 图5A示出依据在本文中公开的实施例的示例单级反激PFC驱动器电路。
[0019] 图5B示出依据在本文中公开的实施例的用来在PFC驱动器电路中实施波成形技 术的微控制器(数字）或专用电路(模拟）的框图。
[0020] 图6示出依据在本文中公开的实施例的带有同步参考点的示例整流线电压信号 输入。
[0021] 图7A示出依据在本文中公开的实施例的P化模块同步技术。
[0022] 图7B示出依据在本文中公开的实施例的输出调节器模块校正技术。
[0023] 图8A示出依据在本文中公开的实施例的针对操作在具有相同参数的过渡模式中 的反激PFC拓扑的H条理论整流PFC线电流曲线的图示图解。
[0024] 图8B示出依据在本文中公开的实施例的关于相位角度在开启时间中的百分比校 正的图不图解。
[00巧]图9示出依据在本文中公开的实施例的针对带有校正的输入电压、M0S阳T Q电 流、PFC输入线电流、和LED负载电流的示例绘图。
[0026] 图10示出依据在本文中公开的实施例的带有和没有开启时间校正的图9的PFC 输入线电流的示例绘图。
[0027] 图11A和11B分别示出没有开启时间校正的图9的M0SFET Q电流接近峰值处和 接近过零处的缩放波形。
[002引图12A和12B分别示出依据在本文中公开的实施例的带有主动开启时间校正的图 9的M0S阳T Q电流接近峰值处和接近过零处的缩放波形。
【具体实施方式】
[0029] 如贯穿使用的术语(一个或多个）固态光源指的是一个或多个发光二极管（LED)、 有机发光二极管（0LED)、聚合物发光二极管（PLED)、和任何其它固态发光器、和/或其组 合，不论串联连接还是并联连接还是其组合。
[0030] 公开了用于改进操作在过渡模式中的反激功率因数校正（PFC)拓扑的功率因数 (PF)和总谐波失真（T皿）的技术和对应的电路与驱动器。在一些实施例中，PF和T皿通过 校正反激PFC拓扑的切换元件的开启时间W主动地成形PFC输入线电流的波来改进。在一 些特定示例实施例中，开启时间使用下述被校正；锁相环（PLL)模块，所述锁相环（PLL)模 块与整流输入线电压信号同步并且检测该信号的相位变动；和输出调节器模块，所述输出 调节器模块基于检测到的相位变动来校正开关开启时间。转换器可W被用来对任何个数的 负载(诸如但是不限制到(一个或多个）固态光源、计算机、充电装置等）供电。尽管在本文 中提供的一些实施例处在用于包含固态光源的系统的、操作在过渡模式(也被称为临界导 通模式或边界线导通模式或边界导通模式）的反激PFC拓扑和分别的驱动器的情境下，但 是技术可W并且在一些实施例中被容易地应用于或另外用于其它应用，诸如用于改进其它 PFC拓扑(包含操作在其它导通模式(例如连续导通模式（CCM)和不连续导通模式（DCM))的 拓扑)的PF和T皿W及分别的发光驱动器和/或镇流器。各种配置和变动鉴于该公开内容 将是显而易见的。
[0031] 为了给在实施例中使用的技术和装置提供情境，提供了操作在过渡模式中的反激 PFC拓扑的数学分析。关于该分析采用多个假定W解释并且得到数学关系。第一假定是输 入电源是纯正弦的并且其被连接到理想的桥式整流器，并且因而整流正弦电压可W如W下 在等式（1)中所示书写： (1) 巧民狂)=&炎柄11 (2?r/iC)| = 妃含=V化巧) 其中Fps。输入线电压的峰值(或RMS线电压，乘W 2的平方根 =八^2)，并且& =输入线电压频率(典型地处在50化或60化）。第二假定是反激变压器 是无损的并且在初级和次级绕组之间存在完美的磁禪合。作为该些假定的结果，初级侧峰 值电流的包络是正弦的，并且其可W如W下在等式（2)中书写。次级侧峰值电流的包络也 是正弦的并且其可W如W下在等式（3)中书写成具有线面比n。针对反激晶体管(例如金属 氧化物半导体场效应晶体管或M0SFET)的瞬时开启时间持续时间可W使用等式（1)和（2) 如^下在等式（4)中所示书写，其中￡^是反激变压器的初级绕组的电感。
【权利要求】
1. 一种装置，包括： 锁相环（PLL)模块，所述锁相环模块配置成与输入到反激转换器的整流线电压信号同 步以对负载供电，并且检测整流线电压信号的相位中的改变；和 输出调节器模块，所述输出调节器模块被配置成使用反映基于被PLL模块检测到的在 整流线电压信号中的相位变动的校正因数的开启时间控制信号来调节到负载的输出电流、 输出电压、和/或输出功率中的至少一个，其中开启时间控制信号控制反激转换器的切换。
2. 权利要求1的所述装置，其中PLL模块被配置成通过在采样时段T sampling?量整流线 电压信号的值并且基于整流线电压信号的频率中的改变来调整采样时段Tsampling而同步。
3. 权利要求1的所述装置，其中整流线电压信号被PLL模块分成段，并且其中每段与唯 一的开启时间校正因数相关联。
4. 权利要求3的所述装置，其中PLL模块包括计数器，并且其中每段被计数器跟踪。
5. 权利要求4的所述装置，其中输出调节器模块从PLL模块接收计数器的值，计数器值 是到查询表的索引值，所述查询表包括预建立的开启时间校正因数。
6. 权利要求4的所述装置，其中PLL模块被进一步配置成测量整流线电压信号并且将 整流线电压信号的当前测量值与整流线电压信号的之前测量值比较以识别整流线电压信 号的上升沿。
7. 权利要求4的所述装置，其中PLL模块被配置成通过进一步测量整流线电压信号的 当前值并且将测量的当前值与在整流线电压信号上的参考点的值比较来同步。
8. 权利要求7的所述装置，其中在整流线电压信号上的参考点是整流线电压信号的最 大峰值电压除以二。
9. 权利要求7的所述装置，其中如果整流线电压信号的测量的当前值大于参考点的 值并且计数器的值处在其最大值，则PLL模块被配置成重设计数器并且维持当前采样时段 T 1 sampling0
10. 权利要求7的所述装置，其中如果整流线电压信号的测量的当前值大于参考点的 值并且计数器的值不处在其最大值，则PLL模块被配置成重设计数器并且调整当前采样时 ^sampling0
11. 权利要求10的所述装置，其中当前采样时段Tsampling在完成当前锁相环之后且在测 量输入整流线电压信号的下一个样本之前被调整。
12. 权利要求1的所述装置，其中PLL模块和输出调节器模块被配置成提供反激转换器 的数字开启时间切换控制。
13. -种系统，包括： 反激转换器电路，用于接收线电压正弦波并且对光源供电，所述反激转换器电路包括 与开启时间相关联的切换晶体管；和 微控制器，所述微控制器包括：数字锁相环（PLL)模块，所述数字锁相环（PLL)模块配 置成与线电压正弦波同步并且检测线电压正弦波的相位中的改变；和数字输出调节器模 块，所述数字输出调节器模块被配置成使用反映基于被PLL模块检测到的在线电压正弦波 中的相位变动的校正因数的开启时间控制信号来调节到光源的输出电流、输出电压、和/ 或输出功率中的至少一个，其中开启时间控制信号控制切换晶体管。
14. 权利要求13的所述系统，其中PLL模块被配置成通过在采样时段T sampling?量线电 压正弦波的值并且基于线电压正弦波的频率中的改变来调整采样时段Tsampling而同步。
15. 权利要求13的所述系统，其中PLL模块包括计数器，其中线电压正弦波分成被计数 器跟踪的多段，其中每段与唯一的开启时间校正因数相关联，并且其中数字输出调节器模 块使用计数器的值作为到查询表的索引值，所述查询表包括预建立的开启时间校正因数。
16. 权利要求15的所述系统，其中PLL模块被进一步配置成测量线电压正弦波的值 并且将测量值与线电压正弦波的之前测量值比较以识别线电压正弦波的上升沿，并且其中 PLL模块被配置成通过进一步测量线电压正弦波的值并且将测量值与在线电压正弦波上的 参考点的值比较来同步。
17. 权利要求16的所述系统，其中在线电压正弦波上的参考点是线电压正弦波的最大 峰值电压除以二。
18. 权利要求16的所述系统，其中如果线电压正弦波的测量值大于参考点的值并且计 数器的值处在其最大值，则PLL模块被配置成重设计数器并且维持当前采样时段Tsampling。
19. 权利要求16的所述系统，其中如果线电压正弦波的测量值大于参考点的值并且计 数器的值不处在其最大值，则PLL模块被配置成重设计数器并且调整当前采样时段Tsampling， 并且其中当前采样时段Tsampling在完成当前锁相环之后且在测量线电压正弦波的下一个样 本之前被调整。
20. -种计算机可读媒介，所述计算机可读媒介用指令编码，所述指令当被一个或多个 处理器运行时造成处理器执行下述操作： 将数字锁相环（PLL)模块与输入到反激转换器的整流线电压信号同步以对负载供电； 用PLL模块检测线电压信号的相位中的改变；并且 使用反映基于被PLL模块检测到的在线电压信号中的相位变动的校正因数的开启时 间控制信号用数字输出调节器模块来调节到负载的输出电流、输出电压、和/或输出功率 中的至少一个，其中开启时间控制信号控制反激转换器的切换。
【文档编号】H02M3/335GK104488182SQ201380039563
【公开日】2015年4月1日 申请日期:2013年7月26日 优先权日:2012年7月26日
【发明者】伊马姆 A., 安东尼 B. 申请人:奥斯兰姆施尔凡尼亚公司