专利名称：电源装置的制作方法
电源装置
狱领域
本发明涉及一个电源装置以及更具体的但并不是唯一的涉及一个与照明设 备—起舰的电源装置。
背景餘
为了最大化配电效率，EC已经引入了一个标准，被称为EN61000，它限 制用于连接到消费者电源的产品的最大谐波水平。在这个标准下有四个分级， 该标准的C级驢了所有的照明产品。该标准确定了达至拼包括第39次的基本 电源频率的所有谐波的限制。通常制造商设计他们的产品以适应这个标准的方 法是相同的。这就是使用一组电子元件，这组电子元件被设置为有源地将AC 电源转换为WM高于电源的峰值M的稳定DC电压。在欧洲，通常的电源是 230vRMS，这意赠峰值是1.414X230v-325v,因此一般4顿400v的DC值。 所熟知的无源縫改善谐波但是不幸的是这些不會跶到该标准所要求柳艮制。 为了i^lj谐波标准的要求，目标设备负载必须被应用以致于它不会改变Mi入 周期的任意16个周期上被平均的多于规定的限制。这有效地意赠负M当呈 现非常紧随电压周期的电流波形图。如果荧光灯将直接ii^这个需求，它将需 要在当供电周期在荧光管能保持等离子体撞击的电平之下时的时段和当其高到 等离子体会被过驱动到击穿点时的时段运行。那就是为什么补救这个的标准方 法是在被整流的输入电源和灯电压反相器之间放置有源转换器。这个，达到 了标准的要求，但是具有一些缺点。
当前装置关于处理到诸如照明产品之类的设备的电源的具体问题在于为了 提供该处理功能需要昂贵的和相对体积大的电子元件。这样昂贵和大体积的元 件不能与小的灯一起舰，如那些用于家翻途的和舰螺纹的灯或被设计具 有低的能量消耗的卡口式固定^^明产品发1 以接受这种花费，因为它们是 —次性的以及要容纳元件在可用空间中。图1鄉了谐波控制的一种传统方法 的电路图例。
参见示出一种传统方法的图1,首先Mil隔离所产生的电磁干扰的滤波器电路1搶波电源100。然后它31M^:^式整流器2被整流。整流^ffi随后被施加 到感应器3的一端，感应器3的另一个端子被同时连接到功率晶体管4和恢复 二极管5。恢复二极管的另一端被连接到大存储电容器6，在电容器两端产生稳 定的DC电压。DC电压随后被用于供给反相电路7，该反相电路皿隔DC电 容器(8)，到感应器(9)的一端。这个感应器9的另一端纟纽灯12的加热 器连赚连接到灯12以^151电容器10。感应器9和电容器10形成了谐振器 电路，该电路旨嫩增加反相器输出电压的峰值摆动至初始触发荧光灯12导通所 需的水平。反相器7在远高于电源100的频率_ 作，通常大约为50KHz— 70KHz。功率晶体管4il^审J^/驱动，置n被驱动，该CT育辦以这样的 一种方式切换功率晶体管4开和关以有效 ^取自 流的输入电压的电流 到大容量存储电，6。控制默驱动器ll倉嫩平均取自整流器(2)的电流以 使存储电鄉6两端的电压保持在安全范围内。功率切换控库幡的频率远高于 电源并且通常平均大约为150KHz。可选地，有时添加直接控制反相器7的反相 ，带勝部分以在灯12启动期间和灯12发生故障时改善总体反相器的稳定性 和安全性。由于所需元件的电阻性和磁',生在图1所示的传统方法中的损耗。 总损,常为取自电源的总负荷的10—15 %之间。
鉴于上面的描述，关于图1的传统方法和途径导致了显著的费用以及尤其 关于虚线框101中所示的元件雜空间需求。在这样的情况下，对于涉及一次 性的低能量的电灯泡等的电源，这种传统方法的可接受性受到了限制。
发明内容
根据本发明的方面，提供了一种提供电功率给例如灯的负载的方法，该方 法包1 ^隔离电#1111供交流电流给该负载的一端以及通过旁路电容器和控 制二极管使该负载的另一端与存储电容器相关联，由此取决于旁路电容器和隔 离电容器之间的值的比率，交流电流峰值的一部分被存储用于与提供给该负载 的交流电^&合。
同样根据本发明的另一方面，提供用于灯的电源装置，该电源隨具有用 于ilil隔离电容器提供交流电流给负载的一端的设备，该装置具有通过旁路电 容器和控制二极管组合在该负载的另一端上关联的存储电容器，由此取决于旁 路电容器和存储电容器之间的容量的比率，交流电流峰值的一部分被存储用于
6与,给该负载的交流电流组合。
通常，用于提供交流电 该负载的一端的设备包括感应器和反相器。 通常，被存储用于与提供给该负载的交流电流组合的交流电流峰值的该部 分歸返回路径被提供。典型地，该返回路，鲍括串联二极管。 通常，在该负载两端提供限制电容器。
通常，通过滤波器和整流器鹏供交流电流e聰地！整流器桥与控制器 相关联以确定由存储电容^#储的交流电流峰值的部分以及改 流器桥和/或 反相器的隨。
通常，提供给该负载的一端的交流电流包括来自初始源的初始交流电流和 由存储电容旨储的交流电流峰值的部分。
典型地，被存储的交流电流峰值的部分是固定的。可替换地，被存储的交
流电流峰值的部分可以是变化的。可能aii改，制二极管和/或旁路电容器来 提供变化。
通常，该装置包括电压反相阶段。典型地，电压反相(inversion)阶段是 固定的。可謝奂地，电压反相阶段是可调整的以在电源的单个或多个周期期间 动态地改变给该负载提供f遣的有效电流。
典型地，电压反相阶段被提供来自电源體中的各种点的监控信号，例如 关于供电电流、供电相位、负载电压和负载电流。典型地，这种监控信号被利 用以顿过提供控制器W尝电源装置的配置中的变化。
可會她，电压反相阶段被劍共输出周期标志或间隔周期(space period)。输 出周期标志或间隔周期能根据需求被固定或被改变。
典型地，关于输出周期的电压反相阶段与供电周期同步，以便能够修改由 存储电容驟储的交流电流峰值的部分。
现在将通过参考以下附图对本发明的实施例进fi^明 图1提供了谐波控制的一种传统方法的电路图例。 图2提供了图解电源装置的电路。
图3是相比较于谐波供电周期的用于灯负载的典型电流波形的图例。 图4是在典型现有电源装置中的传统存储电^^两端的电压、来自隔离电 容器的电压、输入供电电流和输入供电电压的图例。图5提供了示出了髙频失真的来自隔离电容器的输出的图例。
图6提供了根据本发明的方面在两个^f共电周期中存储电容器两端的电
压、来自反相器的输出、输入供电电流和输入供电电压的图例。
图7是在半供电周期中电压和电流状况以及因此相对于图6更详细细节的图例。
图8是为了描^t波并且在存储电容器两端的电压中与图7类似的放^图。
图9提供了在512賴电半周期上平均的根据本发明的方面的状况的图例。
具体实施例方式
为了提高关于费用和空间需求的可接受性，本发明的方面的部分的目标是 提供更低成本更小尺寸并且tt^的更少元件数的用于诸如照明设备之类的负载 的电源體。
根据本发明的方面，^顿不同的方法执行功率因,正(PFC)。负载被视 为动态的而不是认为是固定的。本发明的方面的简要概括是它取高供电电压周 期时期，当可用的能量辦附，并且临时存储它4顿的这倾剩的育遣，同时 该周期低于足够保持荧光灯的驱动的周期。该繊非常的精细，因为谐波需求 指示负载必须大体足艮随主要周期。该发明的方面以两个途径达到这个精细。首 先，基本元f^更件设计自身通过它的固有的设计产生了大部分的需求以及通常 能mii^够的谐波校正以fflM调节标准。第二个部分提取这个粗略校正过的负 载曲线分布图并且施加最后的调整，舰灯自身驱动的小的变化，来更进一步 改善校正。本发明相比较于图1中所示的传统方法有几个重要的优点。首先， 费用J^低的，因为相比较于传统方法中需要的大量很昂贵的元件，仅使用了 一些便宜的元件。其次，本发明转换输入功率到反相器功率中没有浪费肯瞳。 传统方法在它的转换期间消耗了总能量的10-15%。第三，该装置占用了传统方
法的物理空间的很小一 部分以使它能鹏用在诸如小型灯之类的尺寸受限制的 产品中。但是所有这些中最重要的是该发明的方面使低^W氐能量的照明产品 第一次有机会能在发电公司要求内运行以及因此它不再需要必须免除国际谐波 规贝lJ如EN61000。
参见图2，为了便于比较，与图1 一致的元件具有相同的附图标记，所有新元件的附图^i己为20以上。从输入电源100开始，通过滤波器电路1滤波输入 电源，该滤波器电路隔离所产生的电磁干扰。其,MJ^W式整流器2被
整流。本发明这方面与传统方法(图i)的不同在于整流电压mm接施加到反相
器电路7，反相器电,次皿隔DC电容器8连接至憾应器9的一端。感应器 9的另一端M31灯的加热器连接M^接到灯12以及穿过电容器10。感应器9和 电織10形成了il^器电路，该谐振器电路會辦增加反相器输出腿的峰值摆 动至初始角拨荧光灯导通所需的水平。如图2中所示的装置在其t^面不同于 传统方法(图l)。总的灯功率不是简单地返回电源接地而JM^—对高速二极 管20、 21被传递。二极管之一20弓l导反相器周期的负周期到电源接地。另一 个二极管21弓l导反相器周期的正周期ffi31存储电容器22到电源接地。电織 22还有与二极管21有效串联的二极管(23)。 二极管23的阴M:接连接返回整 流器2的输出端，该整流器自身M:接连接到反相器7。正控制的二极管21也 被电容器24去耦合。电容器24创建了有效的分配器阻,径， 径允许二 极管21被旁路。该分配器是隔DC电容器8和旁路电鄉(24)的值的函数。 例如，本发明的方面的简单體达到了如下的要求断皆波校正。当输入电 源电压周期从零上升，反相器(7)传送增加的电压到由感应器(9)和电容器 (10)构成的灯谐振器至荧光灯(12)。由于二极管(20)的导通，齡反相器 电流周期的负周期被允i^P驱动至釘12中，该二极管20把负电驢接返回 到电源接地。反相器的正周期电流穿雖制二极管(21)并且随后舰存储电 容器(22)接地，其保持了在它两端增加电压的一些育遣。当反相器(7)的输 入电压达到它的最大值时，存储电容器(22)两端的电荷达到了它的最大以及 因为控制二极管(21)反向偏置灯电流的正返回路径从而有效限制了灯(12) 可用的最大育遣。在ii斜阶段期间，隔DC电容器8平均了M正和负反相器 (7)周期的功率之间的差。这意棘传ill^灯(12)的峰值能量能被限制到安 全值。存储电容器(22)保留的总能量需要被控制。通过作为分配器的二极管 旁路电容器(24)与隔DC电容器(8) —fer作来^^一点。当供电电压周 期从它的峰值减小时，在反相器(7)的每个正周期中的总倉遣也衰减。现在在 输入供电周期的第一个90度期间已经充电的隔DC电容器(8)，此时作为电荷 ^il31二极管(20)在M反相器周期的负周期Jdi回这部分能量。因为二极 管21由于在存储电容器(22)上的保留电荷被反向偏置，反相器周期的正周期此时将旁路电容器(24)视为它的电源接地路径。因此不会发，一步的充电, 但是电流路径被保持反相器7的正电流周期。当供电电源^HiS""^减少，来 自整流器(2)的输出终于低于存储电容器(22)两端的电压，这引起串联二极 管(23)导通以及存储在电容器中的育遣此时对于反相器(7)可用。反相器(7) 所有的能量此时有效地和临时地都从存储电容器(22)获得。电容器(22)有 足够的大小以保^自己两端的feE统波至腿样的值，这个值允许在电源周期 的低电压周期期间维持反相器7。当在这些周期期间反相器7以存储电容器(22)
为电源，它不会返回任何反相器正周期电流给自己，因为它以与减小供电电压 期间，90-180度，完全相同的方貌行，因此正控制二极管(21)总是被反向 偏置以及旁路电容器(24)是到电源接地的有效路径。
本发明的总体效果是窃取了在峰值输入电压周期期间可用的过剩能量并且 在低周期期间使用它。存储电容器(22)通过使其两端上的最大电荷大约为峰 働入电压的25%舰到这一点。上升电压育遣保持和下降腿稳定的旨働口 载的，传送了几乎完美的谐波曲线图。在反相器从存储电容器(22)获取其 能量源时的期间就是从供电周期可得到的谐波能量是最小的时候。因此，发明 将总的谐波误差保持的非常低并且大体上它被集中在第3次谐波内，根据 EN61000标准，其被允许达到总负载电流的30%。
本发明的方面的进"^的特点在于没有像传统方法(图1)中^甚至在没 有谐波^E产品的情况下的输入大容量存储电皿。本发明的方面使用了更小 的存储电容器(22)，雜反相器7之后并且因此不会鄉一 鄉加功率时遭受 瞬时或冲击充电电流。这个非常大的充电电流对没有^ffl本发明的方面的目前 照明产品具有显著的老化效应。在本发明的方面的装置方法中没有这样的冲击 充电电流，无论什么都没有老化效应。发明的另一个重要方面是相比较于传统 方法(图l)具有更高的效率。这归因于没有了传统方法中的中间的转换阶段， 其必须首先转换整流器(2)的输出至稳定的DC电压。没有了转换阶段，本发 明的方面不会浪费任何肯遣以及因此产生{，不必要的热以满足EN61000谐波 标准的要求。这使得发明比传统方法高出了 15%的效率。也由于发明具有更少 的元件和小的尺寸，它的串隨费用很低并且浪费更少的原材料。
对于本发明来说，由控制器(25)提供了另一可选特征。需要所有的照明 产品符合电磁限律腰求，其主要由添加输入搶波器阶段(1)来执行。不幸的是这个阶段1对于供电电流弓l入了电容性电抗输入，这将在谐波曲线图中有舰
导致稍微的超前相移。这个相移可能不会足够显著到不符合谐波标准，但仍然
是不想要的。同样^M明产品中所有的體的整流器(2)阶段，需要安装在整 流器(2)的输出两端的小电容器以帮助抑制通常在反相器(7)阶段中的更多 的潜在电磁干扰。,一步在输入供电电流上增加了电容性相移。本发明也能 舰给反相器7自身增加可选的控制器(25)校正这些影响。控制勝(25)被 提(^Hif入i^和灯(12)功率，信号并且在滞后相位指令中调整反相器(7) 以使电磁舰阶段的超前相位影响为零。如果有这样的要求的话，i柳本发明， 控制器(25)也能在输入供电电压周期上被"调谐"以更进"^减小产品的总 的谐波含量，皿EN61000的限制。具有这个可选的控制器阶段(25),也可 能有源地调节反相器阶段(7)以使总的消耗會遣在供电电压电源的通常变^lh 保挣恒定以及在任何供电变化期间使灯输出肖滩保持恒定。
如上所述，为了最大化功率分配效率，提供了关于限制基本供电频率的谐 波的规则。图3提供了针对很多，的灯的半供电周期上电流变化的图示。需 要注意这些由线200、 300、 400所示的类型的灯没有PFC校正。所示的灯免除 谐波标准，其仅iX^用于具有大于25瓦特的功率的灯设备。考虑到用于PFC 舰的必需元件的费用以及在螺纹或卡口式固定灯泡中受限制的容纳空间，先 前需要这样的免除。需要注意的是这里与谐波供电周期600有很大的不同，这 意據有育遣损失和因此分配低效率。本发明的方面涉及不仅仅提供PFC校正 功能，还与要求的AC电功率保持更大一致性，如示出谐波供电周期的线600 定义的。
图4示出了关于如上面图1所示的传统存储电容器6两端的电压的线201, 来自再一7細图1所示的隔离电織8的输出给出了曲线203、 204，其分另微 及给如图1所示盼传统的现有装置的输入电流供给以及输入M供给。需要注 意的是通常电流和电压的输入供^线或曲线203、 204基本以微小的延迟彼此 跟随，同时线201所示的传统存麟置两端的腿波动以诚自波带202所示 的隔离电容器8的输出以高皿荡。为了确保以灯的形式的负载一贯i&it行， 来自传统存储电容器6的输出电压典型地在大约400V上摆动。
图5提供了关于隔离电容器8的输出的更高的分辨率,在图4中以波带202 以及在图5中以，202A示出。如所示，这个渝出202A具有大约72Kh的频率并且失真。这个失真是功率损耗和功率分配低效率的结果。
图6提供了关于类似观懂电压和电流状况的图例。因此，线301示出图2 中所示的存储电容器22两端的电压，以及302示出如图2中所示的来自反相器 7的输出，同时线303、 304分别示出图2中所示的縫的输入供电电流和输入
<共^1 ^iflE 。
在这种情况下，需要注意的是输入供电电流和输入供电电压303、 304基本 上彼鄉艮随，同时这个存储电容器22两端的电压在该周期JJ1常再一次地移置 到大约400V并具有微小的振荡。来自反相器7的输出示出，由存储电容器22 分配弓l起在反相器7的输出中的峰302A的峰302序列中的变化,以及由此保存 电功率并M免各自的谐波的问题。
图7 3131^401更详细示出招^波供电周期期间电容器22两端的电压，同 时线402示出图2中所示的来自反相器7的输出。线403示出在图2所示的二 极管20和控制二极管21的结合点处的电压电流信号7K平。同时，线404再次 示出供电电压周期的一部分。在这样的情况下，需要注意的是由于在如图2所 示的存储电容器22中的功 储，电压在ii^区域403A中实质上被剪切。这
个所示的剪切的电压作为存储电容器22的功率充电的结果并且由iM:旁路电容
器24和二极管21至存储电容器22的旁路组合所呈现的关系以及更具体的是旁 路电容器24和隔离电容器6之间的值比率来确定。
图8衝共了图7所提供图例的放大视图。为了便于比较4顿了相似的附图 标记。特别地，图8中线401所示的存储电容器22的电压关于纹波提供了更明 显的证据，所述纹波表明在403的峰Ch剪切信号电平，这^^在存储电， 22中的存储。
图9鄉了在512铺电半周期上被平均的靴电容器22两端的电压501 的图示。来自隔离电容器8隨出由512个供电半周期上被平均的线402示出， 二极管20、 21之间的结合点的电流或腿的信号或电平503再次在512賴电 半周期上被平均以及504示出输入供电电压。在这样的情况下如再次貧镜到的 腿有由平稳段503A示出的P艮制，表明由存储电容器22存储。根据本发明的 方面，为了提供再生倉遣^ffi以及因此更高的效率，存储的能量和周期的其它 部分将ffl3i反相器7被呈现。
在上面的情形下，对于根据本发明的方面的PFC、搶波，图1中的框101所示的相对昂贵元件能被移除。这些元件不仅仅昂贵而且体积大。因此， 一次性
的低肖遣的照明灯泡将更加可被接受，同时舰根据本发明的方面的PFC滤波 提供有效的运行。框150中所示的元件将是小尺寸以及仅为图1的框101所示 的元件的#的一部分。
将離的是，旁路电容器24实质上确定了由用于iil31反相器7返回给交流 供电的存储电容器22提供的存储水平。在旁路电容器24和隔离电，8之间 ^一种关系，其##在供电电 电压峰值中对存储电容器22给出显著控制 的充电。
在这样的情形下，根据本发明的方面，依据运行需要，旁路电容器24和隔 离电容器8之间的值的比 会由所需的必要性育浙确定。
通常，旁路电W^可以具有大约68纳法的值，同时魏电容器可以具有大 约10微法的值。修改和替换赚本领m^人员理解。因此，存储电織和隔 离电容器以及旁路电容 可以具有#的几何结构或者不同容量的这样电容 器的配置可以被有效,换成其它运行性能的一系列连接。虽然主要的描述是 以荧光灯作为负载，应当理解的是根据本发明的方面其它负载可以与特定的供
电^a相关联。
权利要求
1、一种提供电功率给例如灯的负载的方法，该方法包括通过隔离电容器提供交流电流给该负载的一端以及通过旁路电容器和控制二极管使该负载的另一端与存储电容器相关联，由此取决于旁路电容器和隔离电容器之间的值的比率，交流电流峰值的一部分被存储用于与提供给该负载的交流电流组合。
2、 如权利要求1臓的方法，其中被存储用于与提供絲负载的交流电流组合的交流电流峰值的该部分^E回路径被il^。
3、 女P^利要求1或2所述的方法，其中该返回路鲍括串联二极管。
4、 如权利要求K 2或3中任一权利要求所述的方法，其中在该负载两端 提供限制电織。
5、 如在前权利要求中任一权利要求戶，的方法，其中i!31滤波器和整流器 鹏共交流电流。
6、 如权利要求5所述的方法，其中整流離与控审職相关联以确定由存储 电容#储的交流电流峰值的部分以及改 流，柳或反相器的配置。
7、 如在前权利要求中任一权利要求戶，的方法，其中,，负载的一端 的交流电流包括来自初始源的初始交流电流和由存储电容M储的交流电流峰 值的部分。
8、 如在前权利要求中任一权利要求所述的方法，其中被存储的交流电流峰 值的部分是固定的。
9、 如权利要求1-7中ft""权利要求所述的力法，其中被存储的交流电流峰 值的部分可以是变化的。
10、 如权利要求9所述的方法，其中i!31改，制二极管称或旁路电容器
11、 一种繊电功率给例如灯的负载的方法，基本上如舰参考附图所描 述的。
12、 用于灯的电源装置，该电 2§具有用于皿隔离电皿提供交流电流给负载的一端的设备，该装置具有M:旁路电Wll和控制二极管组合在该负载的另一端上关联的存储电容器，由此取决于旁路电容器和存储电容器之间的 容量的比率，交流电流峰值的一部分被存储用于与提供给该负载的交流电流组合。
13、 如权利要求12所述的装置，其中用于提供交流电流至该负载的一端的 设純括感应器和反相器。
14、 乡敝利要求12或13所述的装置，其中被存储用于与提供给该负载的
15、 如权禾腰求14所述的方法，其中舰回路鄉括串联二极管。
16、 如权禾腰求12-15中任一权利要求所述的装置，其中在该负载两端提 供限制电容器。
17、 如权利要求12-16中fr"权利要求臓的錢，其中ffiil熗波器和整流^JI供交流电流。
18、 如权利要求17所述的装置，其中整流，与控制器相关联以确定由存 储电容#储的交流电流峰值的部分以及改 流器桥柳或反相器的配置。
19、 如权利要求12-18中任一权利要求所述的装置，其中提供给该负载的流:值的部分:'、、° '、、
20、 女敝利要求12-19中任一权利要求所述的體，其中被存储的交流电 流峰值的部分是固定的。
21、 如权利要求12-19中任一权利要求所述的装置，其中被存储的交流电 流峰值的部分可以是变化的。
22、 如权利要求21所述的装置，其中舰^^制二极管和/麟路电容
23、 如权利要求12-22中任一权利要求臓的縫，其中该装置包括腿 反相阶段。
24、 如权利要求23 0f^的装置，其中M反相阶段是固定的。
25、 如权利要求23所述的装置，其中畅反相阶段是可调整的以在电源的 单个或多个周期期间动态地改变,负UI供兽遣的有效电流。
26、 如权利要求23-25中《f"权利要求所述的體，其中电压反相阶段被 提供来自电源装置中的各种点的监控信号，例如关于供电电流、供电相位、负 载电压和负载电流。
27、 如权利要求26戶腿的錢，其中这种监控信号被禾鹏以 ^$|^律i鹏Hi电源錢的配置中的变化。
28、 如权利要求23及其任一项皿权利要求所述的装置，其中电压反相阶 段被提供输出周期标志或间隔周期。
29、 如权利要求28所述的装置，其中输出周期标志或间隔周期能根据需求 被固定或被改变。
30、 如权利要求23及其^~项扁权利要求所述的錢，其中关于输出周 期的^ffi反相阶段与供电周期同步，以便肖嫩修改由存储电容11#储的交流电 流峰值的部分。
31、 用于灯的电源装置，基本上如&Jt参考附图所描述的。
全文摘要
用于灯的电源装置，该电源配置具有用于通过隔离电容器提供交流电流给负载的一端的设备，该装置具有通过旁路电容器和控制二极管组合在该负载的另一端上关联的存储电容器，由此取决于旁路电容器和存储电容器之间的容量的比率，交流电流峰值的一部分被存储用于与提供给该负载的交流电流组合。
文档编号H05B37/00GK101610615SQ200910149708
公开日2009年12月23日 申请日期2009年5月4日 优先权日2008年5月3日
发明者戴维·约翰·鲍威尔 申请人:戴维·约翰·鲍威尔