用于为电负载提供电流的装置和方法与流程

本发明涉及一种用于向电负载提供电流的装置和方法。特别地，本发明涉及一种使用开关模式电源(smps)配置来驱动电负载的装置和方法。

背景技术：

以下对本发明背景的讨论仅旨在促进对本发明的理解。应当理解，该讨论不是承认或认可截至在本发明的优先权日，所引用的任何材料已在任何管辖范围内被公开、已知或为本领域技术人员的公知常识的一部分。

现有的开关模式电源(smps)装置通常包括许多元件，例如电容器、电感器和调节器。这些元件占用空间并且给电气部件和电路引入可能的失真。

用于驱动电负载的装置或系统，也称为驱动器，通常包括数字或模拟电压或电流控制器，其配置成不限于隔离或非隔离配置的构造。这样的控制器通常操作以接收电输入，例如交流电流和电压，以提供调节的输出。最先进的控制器包括某种形式的反馈机构/回路，以确保至少一个电参数(例如电流)保持在理想或允许范围内，同时实现可接受的功率因数水平。但是，为了改善整体性能，常规控制器通常并入电气/电子部件，例如电阻器、电容器、电感器等，以补偿失真，减少谐波或提高功率因数。这样的部件增加了总成本并且也增加了形状因数。

此外，大多数现有控制器的反馈要求在每(一个或者多个)预定间隔来感测各种电参数。这样的感测可能增加处理电输入以便产生调节的输出所需的时间量。

有些电负载(例如led单元或led灯单元)通常对电流和温度的波动敏感。因此，用于led的电控制器需要考虑温度和电流要求。电子器件和电气部件产生的噪声问题是敏感电负载的重要考虑因素。

本发明试图提供一种减轻上述缺点或至少部分地满足上述需求的系统和方法。

技术实现要素：

贯穿整个文件，除非上下文另有要求，否则词语“包含”或例如“包含”或“包括”的变体应理解为暗示包含所述整数或整数组，但不排除任何其它整数或整数组。

此外，贯穿整个说明书，除非上下文另有要求，否则词语“包括”或例如“包括”或“含有”的变体应理解为暗示包括所述整数或整数组，但不排除任何其它整数或整数组。

本发明试图通过利用用于存储一个或多个理想电压波形的存储装置来减少电子部件的数量并提高功率因数。来自电源的输入电压vi用作同步的参考，并且理想波形用于计算用于电流控制的参考电压。

根据本发明的一个方面，提供了一种用于向电负载提供电流的装置，该装置包括：用于存储多个理想电压波形的存储器存储装置；电子控制器，其被配置为与所述存储器存储装置数据通信，所述电子控制器可操作以选择多个理想电压波形之一，以基于预定准则来计算参考电压和切换周期；以及，电子开关，其被配置为接收切换周期作为输入，以在接通(on)状态和断开(off)状态之间切换电子开关，其中，基于参考电压和电子开关的切换周期或频率的函数计算电流。

在一些实施例中，多个理想电压波形中的至少一个是理想交流(ac)波形。

在其它实施例中，多个理想电压波形中的至少一个是理想直流(dc)波形。

在一些实施例中，该装置还包括布置成与电子控制器数据通信的感测电路，该感测电路可操作以感测源输入电压，其中该源输入电压向该装置提供电功率。

在一些实施例中，感测电路包括电位计，分压器或反馈电阻器。

在一些实施例中，感测的源输入电压除以预定数。预定数可以是偶数，例如四(4)。

在一些实施例中，在选择多个理想电压波形中的一个之前的瞬态中，电子控制器可操作，以将除以预定数的源输入电压用作切换电子开关的参考电压。

在一些实施例中，在切换电子开关时，测量从参考电压被感测到处于预定电压时到参考电压下一次被感测到处于预定电压时的时间tx。

在一些实施例中，当满足以下条件时，选择多个理想电压波形之一以计算参考电压：i.在多个时间周期tx之后；以及ii.在输入电压降至零的情况下；以及，其中选择的理想电压波形的周期对应于时间周期tx或近似于时间周期tx。

在一些实施例中，理想的ac波形包括以下的一个或多个：正弦波形，正弦平方波形，或多项式函数波形，例如但不限于，二次函数。

在一些实施例中，如果装置被配置在升压转换器配置中，则选择正弦波形。

在一些实施例中，如果装置被配置在反激转换器配置中，则选择正弦平方波形或多项式函数波形。

在一些实施例中，如果在多个时间周期tx之后输入电压没有下降到零，则选择理想的dc波形。

在一些实施例中，该装置还包括模数转换器，以将源输入电压转换为数字波形。

在一些实施例中，该装置被实现在反激开关模式功率转换器(aflybackswitchmodepowerconverter)的初级侧处。

在一些实施例中，该装置还包括调光电路，该调光电路被布置为向电负载提供调光信号。

在一些实施例中，电子控制器包括专用集成电路(asic)或现场可编程门阵列(fpga)。

在一些实施例中，电子开关是mosfet。

在一些实施例中，基于以下数学表达式计算电流：

其中iout是提供给电负载的电流；t对应于切换循环；ton是电子开关的接通时间；toff是电子开关的断开时间，其对应于具有电感l的电感器放电所需的时间；以及，vi对应于源输入电压。

在一些实施例中，输入电压vi根据以下数学表达式与参考电压vh相关：

其中，vh是施加到比较器的参考电压，用于与源输入电压vi进行比较，并且，其中rfb是反馈元件的电阻值，反馈元件定位成用于比较vh与vfb，vfb是跨过具有电阻值rfb的反馈元件的电压。

在一些实施例中，基于以下数学表达式计算电流：

在一些实施例中，基于以下数学表达式计算电流：

其中iout是提供给电负载的电流；t对应于切换循环t＝ton+toff+tcalc；toff是电子开关的断开时间，其对应于具有电感l的电感器放电所需的时间；vi对应于输入电压；vh是触发电子开关的断开的参考电压；t1对应于感测到的输入电压达到或处于预定电压v1的时间。

在一些实施例中，存储器存储装置是rom，ram，数据库或lut。

根据本发明的另一方面，提供一种用于向电负载提供电流的方法，该方法包括以下步骤：在存储器存储装置中存储多个理想电压波形；选择多个理想电压波形中的一个，并基于预定规则计算参考电压和切换周期，所述选择和计算步骤由电子控制器执行；以及在电子开关处接收切换周期作为输入，以在导通状态和断开状态之间切换电子开关，其中，基于参考电压和电子开关的切换周期或频率的函数计算电流。

在一些实施例中，多个理想电压波形中的至少一个是理想交流(ac)波形。

在一些实施例中，多个理想电压波形中的至少一个是理想直流(dc)电压波形。

在一些实施例中，该方法还包括通过感测电路感测源输入电压的步骤，其中源输入电压向装置提供电功率。

在一些实施例中，感测电路包括电位计，分压器或反馈电阻器。

在一些实施例中，该方法还包括将感测到的源输入电压除以预定数的步骤。在一些实施例中，预定数是4。在其它实施例中，预定数是任何偶数。在一些实施例中，预定数是任何奇数。

在一些实施例中，该方法还包括使用被除的感测的输入电压作为参考电压来激活电子开关的步骤。

在一些实施例中，该方法进一步包括测量时间t1的步骤，时间t1对应于输入电压被感测到处于预定电压时到输入电压下一次被感测到处于预定电压时的时间。预定标准可以包括满足以下条件的情况：i.在多个时间周期t1之后；以及，ii.在输入电压降至零的情况下；以及，其中选择的理想电压波形的周期对应于时间周期t1或近似于时间周期t1。

在一些实施例中，理想ac波形包括以下中的一个或多个：正弦波形，正弦平方波形，二次函数波形，多项式函数波形。

在一些实施例中，如果装置被配置在升压转换器配置中，则选择正弦波形。

在一些实施例中，如果装置被配置在反激转换器配置中，则选择正弦平方波形。

在一些实施例中，如果在多个时间周期t1之后输入电压没有下降到零，则选择dc波形。

在一些实施例中，该方法还包括将(源)输入电压转换到数字值的步骤。

在一些实施例中，该装置被实现在反激开关模式功率转换器的初级侧处。

在一些实施例中，该方法还包括向电负载提供调光信号的步骤。

在一些实施例中，电子控制器包括专用集成电路(asic)或现场可编程门阵列(fpga)。

在一些实施例中，电子开关是金属氧化物半导体场效应晶体管(mosfet)。

在一些实施例中，基于以下数学表达式计算电流

其中，iout是提供给电负载的电流；t对应于切换循环；ton是电子开关的接通时间；toff是电子开关的断开时间，其对应于具有电感l的电感器放电所需的时间；以及，vi对应于输入电压。

在一些实施例中，输入电压vi根据以下数学表达式与参考电压vh相关：

其中，rfb是反馈元件的电阻值，该反馈元件被定位用于比较vh与跨过具有电阻rfb的反馈元件的电压vfb。

在一些实施例中，基于以下数学表达式来计算电流：

在一些实施例中，基于以下数学表达式来计算电流

其中，iout是提供给电负载的电流；τ对应于切换循环；toff是电子开关的断开时间，其对应于具有电感l的电感器放电所需的时间；vi对应于输入电压；vh是触发电子开关的断开的参考电压；t1对应于感测到的输入电压达到预定电压v1的时间。

附图说明

现在将参考附图仅以示例的方式描述本发明，其中：

图1a示出了根据本发明的一些实施例的用于向电负载提供电流的装置；

图1b示出了用于向电负载提供电流的装置的另一实施例；

图2是根据一些实施例的用于存储理想电压波形的查找表(lut)的一个示例；

图3是流程图，示出了作为向电负载提供电流的过程的一部分的用于从图2的lut中选择条目的方法；

图4a示出了电压波形(y轴)对时间(x轴)的一部分，描述了参考电压、输入电压的一部分和从lut选择理想电压波形之前的瞬态下的时间之间的关系；

图4b示出了使用触发器使理想波形与输入电压同步；和

图5a和图5b是示出了在降压升压开关模式电源(smps)配置中在不连续模式和连续模式下装置和方法的效率的结果表。

本发明的其它布置是可能的，因此，附图不应被理解为取代本发明的前述描述的一般性。

具体实施方式

现在将结合附图描述本发明的特定实施例。本文所使用的术语仅出于描述特定实施例的目的，并不旨在限制本发明的范围。另外，除非另有定义，否则本文所用的所有技术和科学术语具有与本发明所属领域的普通技术人员通常所理解的相同含义。

在整个说明书中，术语“波形”不限于实际波形，而是包括与电信号(例如电压或电流供应信号)相关联的数据和/或数据组。特别地，一种波形可以包括与该波形相关联的一组或多组数据。

该装置适合，但不限于，至少提供相对“无波纹(ripplefree)”电流，该电流定义为小于规定的额定电流的5％。规定的额定电流通常为(但不限于)大约350ma至700ma。

在整个说明书中，除非另外说明，否则对“电流”、“(一个或多个)连接”的引用是指电流和连接。

在整个说明书中，输入电压vi是指从电源干线或源头获得的源输入电压；参考电压vh是指根据理想电压波形计算出的电压。

根据本发明的一个方面，包括一种用于向电负载提供电流的装置，该装置包括用于存储多个理想电压波形的存储器存储装置；电子控制器，其被布置为与所述存储器存储装置数据通信，所述电子控制器可操作以选择多个理想电压波形之一，以基于预定准则来计算参考电压；以及电子开关，其被配置为接收参考电压作为输入，以在接通状态和断开状态之间切换电子开关，其中，基于参考电压和电子开关的切换周期或频率的函数来计算电流。

参照图1a所示的实施例，装置100是用于向一个或多个电负载180提供电流的开关模式电源(smps)或驱动器。装置100从电源50汲取电能，所述电源例如为交流(ac)电源或直流(dc)电源。电源的示例包括提供ac电源的建筑的干线或提供dc电源的电池组。

装置100包括布置成与电子控制器104电连接的整流器模块102，所述电子控制器104布置或配置成从存储装置106接收与理想电压波形相关联的一个或多个输入以驱动电子开关108。电子开关108的开关调节向电负载180的电流供应。电子开关108布置成与电感元件110电连接，在装置100布置在反激(flyback)配置的情况下，电感元件110可以是隔离变压器，或在装置100布置在dc到dc非隔离配置的情况下，电感元件110可以是电感器。电感元件110或隔离变压器的放电时间用作输入之一，以控制电子开关108的开关状态。在一些实施例中，跨过电感元件110的电压可由反馈模块112感测，其后，由电子控制器104基于电感元件110的放电时间来计算断开时间toff。

在一些实施例中，包括调光器电路114。在电负载包括led灯单元的情况下，调光器电路114可以布置在装置100的次级侧，以调节led灯单元的亮度。调光器电路114可以被布置为控制提供给电负载180的电流，并且可以接收来自如本领域技术人员已知的运动传感器、电位计等的输入。应当理解，与调光器电路114相关联的逻辑可以被实现为由模数转换器(adc)数字化的电子控制器104的输出电压。

在一些实施例中，整流器模块102包括整流器桥元件、电流或电压感测电路以及供给侧电容器或电阻器。在一些实施例中，反馈模块112包括一个或多个比较器，用于比较参考电压vh与跨过反馈元件(例如具有电阻rfb的反馈电阻器)的电压vfb。

在一些实施例中，电子控制器104可以是专用集成电路(asic)、现场可编程门阵列(fpga)或其它类型的可编程或非可编程集成电路(ic)，其中在电子控制器104是非可编程的情况下，逻辑可以硬接线到(一个或多个)电路板上。电子控制器104可以被布置为接收多个输入，包括但不限于：

i.切换周期t和相应的ton(接通)和toff(断开)测量值；

ii.从干线电压或电源数字化的输入电压或源输入电压vi；

iii.可以是预定的电感元件110的电感(l)。

基于输入，基于等式(1)中的以下数学表达式计算要提供给负载的电流：

其中iout是要提供给电负载的电流；t对应于切换周期(或切换循环)；ton是电子开关的接通时间；toff是与具有电感l的电感元件110放电所花费的时间相对应的电子开关的断开时间；以及vi对应于输入电压。

在一些实施例中，切换周期t是以下参数的总和：ton+toff+tcalc，其中tcalc是在电感元件的放电时间之后的用于计算等式(1)的时间。

在一些实施例中，输入电压vi根据等式(2)中的以下数学表达式与参考电压vh相关：

其中，vh是施加到反馈模块112内的比较器的参考电压，用于与跨过具有电阻rfb的反馈元件的电压进行比较。

在一些实施例中，利用断开时间toff、参考电压vh和切换周期t，基于以下数学表达式来计算输出电流，以数学方式表示为如下的等式(3)：

在一些实施例中，基于以下数学表达式来计算输出电流：

通过利用等式(4)而不是等式(3)，可以避免与使用比较器相关的任何延迟，因为在等式(4)中，通过引入参数vi，t1和v1抵消了来自比较器的不确定性贡献。

其中t1对应于基于感测电路102的输入电压vi从0达到预定电压v1的时间。

存储装置106可以包括随机存取存储器(ram)、只读存储器(rom)和/或能够存储与多个理想电压波形相关联的数据的其它存储装置。在一些实施例中，存储装置106可以被集成为电子控制器104的一部分。在一些实施例中，电子控制器104和/或存储装置106形成集成电路(ic)芯片的一部分。在其它实施例中，存储装置106可以是与电子控制器104分离的ic芯片。在一些实施例中，存储装置106可以被实现为查找表，该查找表定义了基于一组操作状态要选择作为输入的特定理想电压波形。在选择理想电压波形以计算参考电压vh之前，可以将这些输入与装置100的初始操作参数相关联。

应当理解，smps可以布置成隔离的反激配置或非隔离的配置(dc电源)。

存储在存储装置106中的理想波形可以是数字化的理想波形，每个波形由至少三个参数(包括周期或频率；振幅；和类型)定义。

图1b示出了用于提供电流iout来驱动电负载的装置200的另一实施例，该装置200包括电子控制器202，其被布置成接收多个输入，以计算接通和关断电子开关204的参考电压vh以及电子信号，以产生必要的iout。在一些实施例中，电子开关204是mosfet。

多个输入包括，但不限于：

i.切换周期t(由内部时钟产生)以及相应的ton和toff测量值；

ii.从干线电压或电源数字化的输入电压vi；

iii.可以预先确定的电感元件206的电感(l)。

基于输入，基于等式(1)计算要提供给负载的电流iout。

在图1b所示的实施例中，电子控制器202可以包括模数转换器adc212、存储单元214、数字接口216、波形选择器218、数字测量单元220、参考电压发生器222、内部算法单元224和同步单元226。

adc212布置成从干线ac或dc电源接收具有电压vi的电能。vi与任何当前预设信号dim一起由adc数字化。如果检测到高电压(例如280v以上)，则该值将通过电阻分压器进行分压。数字化用于：1)将理想电压波形与输入电压vi同步；2)使用数学表达式计算vout值

vout＝vi＊ton/toff(5)

存储单元214包括存储可以是正弦、三角、多项式或其它的理想电压波形。这些可以在制造过程中嵌入，或者可以从任何外部装置(未显示)载入。

存储单元214可以包括配置寄存器，用于允许用户/程序员预设不同的操作模式。例如，可以数字地调节dim值，可以选择波形形状，并且可以检查和/或获得操作参数，例如内部误差条件和测量值。

数字接口216提供一个或多个用户接口，允许从外部装置加载理想电压波形(一个或多个)，并配置和检查模式和测量值。

该波形选择器218有助于基于输入电压vi选择合适的理想波形。该选择可以使用数字接口216完成，或者可以由同步单元226自动地完成。

数字测量单元220被布置为测量时间参数t,ton和toff。它电连接到第一比较器203，以接收vh和vfb的输出结果作为输入，其中vfb是跨过反馈电阻器207的电压，在反馈电阻器207的一端处连接到电子开关204的源极，反馈电阻器207的另一端接地。反馈电阻器207具有电阻值rfb。

数字测量单元220还连接到第二比较器205。第二比较器205被连接以检查电感元件206的放电时间。第二比较器205的一个输入端子被布置为分接(tap)源输入电压vi，第二比较器205的另一输入端子被布置为分接开关204的漏极处的电压。这用于测量toff。

参考电压发生器222包括数模转换器，其可操作以将理想电压波形转换成模拟波形。

内部算法单元224从其它单元接收参数，并且基于等式(1)至(5)产生计算。

同步单元226可操作用于将存储在存储单元214中的理想电压波形与输入ac波形vi同步。它使用阈值电平(例如vi/4)来触发波形，如图4b所示。数字计数器在两个触发点之间计数。计数器的一半将是波形的一半。理想波形的顶部将与输入vi信号的顶部同步。

参考图2，存储装置106、214的一个实施例是查找表(lut)的形式，查找表包括各种条目，例如60hz；240v；ac理想正弦波形。因此，多个理想电压波形中的至少一个可以是理想交流(ac)波形或理想直流(dc)波形。存储装置106可以基于世界范围内利用的公共电源ac电压(例如，但不限于，100-120vac；220-240vac等)由理想波形来填充。一旦被填充，将基于在操作装置100的前几个循环期间(此后称为瞬态)获得的反馈来选择相关的理想电压波形。术语“理想波形”还可以指与波形相关联的数据，包括数字数据。

在操作中从lut选择和同步适用的理想波形的方法300详细描述如下。应当理解，在从lut或存储装置106选择理想波形之前，装置100以瞬态运行。

一旦接通电干线(例如ac电源)(步骤s302)并且电流向装置100、200，该过程就开始。电可以通过整流器模块102，并且输入电压vi可以通过感测电路(其可以是感测电阻器电路的形式)来感测。感测电路可以包括电位计、分压器、反馈电阻器或具有电阻rfb的前述元件的任何组合。

根据adc的输入电压范围，将感测到的输入电压vi除以预定数。在一些实施例中，预定数是4(步骤s304)。应当理解，预定数可以是任何整数，并且可以优选地是偶数。

一旦确定，那么vi/4将被用作触发器，以使理想电压波形与vi同步。

电子开关被激活(步骤s306)，并且优选地使用可以与电子控制器104集成的内部振荡器或者时钟来测量输入电压vi从0上升到v1(见图4)和电压从vi下降到v1所花费的时间。可以基于输入电压vi除以预定数(例如8)，来计算或推导出v1(步骤s308)。

在获得过零(vi＝0)到v1(上升)之间的时间t1以及获得从v1(下降)到过零(vi＝0)的时间t2之后，预定的循环数(例如t1和t2的4个循环)进行计数(步骤s310)。在四个(4)循环后的过零(zerocrossing)处，来自lut的理想波形被激活，并且装置现在使用选定的理想波形作为vh切换到稳态(步骤s312)。用于基于等式(1)至(4)提供调节电流的稳态控制算法被激活以控制电子开关(步骤s314)。

在多个循环后电压vi仍未降至零的情况下，将选择dc波形。

所选的理想电压波形可以数字化地乘以某一常数来调节输出电流iout。然后，它由参考电压生成器222转换为模拟。

所选的理想ac波形可以包括以下的一个或多个：正弦波形、正弦平方波形、多项式函数波形。多项式函数波形可以是二次函数波形。

在一些实施例中，如果装置100被配置为升压转换器配置，则选择正弦波形。如果装置100被配置为反激转换器配置，则选择正弦平方波形。

在一些实施例中，电子控制器可以包括专用集成电路(asic)或现场可编程门阵列(fpga)。

在一些实施例中，在电子开关是mosfet的情况下，mosfet的门可以连接到电子控制器104的输出，以提供必要的接通时间ton以切换电子开关108。电子开关108的漏极可以连接到电感元件110，并且电子开关108的源极经由反馈电阻器连接到电接地。

图5a和图5b示出了在降压升压、隔离配置中使用的装置100，其在以图5a所示的不连续导电模式(dcm)下和在图5b所示的连续导电模式(ccm)下操作。

图5a示出了装置100的操作结果，该装置具有电感值为390μh的隔离变压器、电阻值为10欧姆(ohm)的感测反馈电阻器rfb，分别地，对于作为电负载的形成高功率led灯单元的28led单元的输出电流iout为350ma，400ma，对于作为电负载的形成高功率led灯单元的12led单元的输出电流iout为430ma。输入电压vi在90vac和265vac之间变化。观察到装置100在操作中的功率因数在0.942至0.996之间变化。

图5b示出了装置100的操作结果，该装置具有电阻值为10欧姆的感测反馈电阻器rfb，输出电流iout分别，对于作为电负载的28led为350ma，以及对于作为电负载的12led为370ma。输入电压vi在90vac和265vac之间变化。观察到装置100在操作中的功率因数在0.980至0.996之间变化。

可以理解的是，可以以一个或多个集成电路芯片(ic芯片)的形式来实现装置100或其一部分。在一些实施例中，整个装置100可以是ic芯片。

本领域技术人员将认识到，上述特征的变化和组合，而不是替代或代替，可以组合以形成落入本发明的预期范围内的其它实施例。