专利名称：高效率低功率电容器充电dc驱动器的制作方法
高效率低功率电容器充电DC驱动器
背景技术：
本公开涉及低功率DC照明装置和DC驱动器设备。低功率DC照明装置正在变得越来越流行。例如，发光二极管(LED)和有机LED (OLED)在需要单数位(single-digit)瓦数光输出的应用中日益流行。迄今为止，用于从AC电源为此类光源供电的驱动器电路通常包括多个功率转换级并且无法提供良好的功率效率。尝试通过电容器充电和受控半波整流提高效率已证实难以控制。因此，随着低功率DC驱动照明装置的持续激增，需要改进的低成本、低功率、高效率驱动器，以将AC输入功率转换成DC功率。
发明内容
提供一种高效率低功率DC驱动器设备为光源供电。该驱动器设备具有用于连接到AC电源的输入端子，以及具有在输入端子之间串联耦合的第一电容和第二电容的电容分压器电路，以在中间节点提供减小或分开的AC输出。整流器接收并整流分开的AC输出以便以低于10瓦特的功率级提供DC输出，并且一个或多个光源经由驱动器输出端子与DC输出耦合。该驱动器包括与光源耦合的线性调节器，以在整流器的DC输出节点之间形成串联电路，其中线性调节器调节流经该串联电路的驱动电流。在一些实施例中，线性调节器包括场效应晶体管(例如具有在串联电路中耦合的漏极端子及源极端子以及控制驱动电流的栅极端子的M0SFET)，以及在串联电路中耦合的感测电阻和运算放大器电路，运算放大器电路具有耦合以感测跨过感测电阻的电压的输入和控制FET栅极电压以调节流经该串联电路的驱动电流的输出。在其它实施例中，线性调节器包括三端子电压调节器装置，该装置具有与DC输出节点之一耦合的输入端子，与驱动器输出端子之一耦合的输出端子以及调整端子。第一电阻在输出端子与调整端子之间耦合，而第二电阻在调整端子与驱动器输出端子的另一个之间耦合，其中三端子调节器调节驱动器输出端子之间的电压以调节向光源提供的驱动电流。在一些实施例中，线性调节器可调整以便对照明装置调光(dimming)和/或可通过控制驱动电流上升时间提供软起动。在一些实施例中，设置电容分压器的电容比以使得线性调节器仅在照明装置的起动期间和/或为了照明装置的调光操作时才进行调节以促进高效操作。此外，在一些实施例中，线性调节器是非开关式调节器，以避免过量EMI或RFI发射而无需额外组件。
在以下详细描述和附图中提出一个或多个示范实施例，附图包括图1是示出示范低功率高效率DC光源驱动器的示意图，它具有与被驱动光源形成串联电路的电容分压器、整流器和线性调节器；图2是示出一个驱动器实施例的示意图，其中线性调节器包括运算放大器电路和η沟道M0SFET，通过可选调光和软起动电路调节光源驱动电流；
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图3是示出图2的调节器中的运算放大器电路参考的一种实现的局部示意图；图4是示出不具备软起动或调光的图1的驱动器中作为时间的函数的驱动电流的示图；图5是示出具备软起动和调光的图1的驱动器中作为时间的函数的驱动电流的示图；图6是示出具备软起动的图1的驱动器中作为时间的函数的驱动电流的示图；以及图7是示出带有线性调节器的另一个驱动器实施例的示意图，其中线性调节器包括具有可选调光控制的三端子电压调节器。
具体实施例方式现在参照附图，其中相似参考标号通篇用于表示相似元件，并且其中多种特征不一定按规定比例绘制。图1-3示出用于为一个或多个照明装置108(例如LED、OLEDS等)供电的高效率、低功率AC线电压到DC驱动器设备100的实施例。驱动器100包括具有可耦合到单相或多相AC电源102的第一输入端子和第二输入端子10 和104b的输入104，例如所示示例中的标准单相120VAC(RMS)功率连接(可提供未示出的更多输入端子用于多相输入连接)。输入104连接到电容分压器电路110，它具有在端子10 与104b之间的串联分支中耦合的第一电容和第二电容Cl和C2 (图幻，以形成在中间节点11 提供减小(分开)的AC输出的电容分压器。第一分压器电容Cl作为电荷泵电容器操作，具有将电流限制在整流全桥二极管网络120中的C2用于对输入电流信号进行平滑并且还在瞬变期间提供电容分压器网络以降低输入浪涌电压尖峰而无需额外的瞬变抑制电路。在某些实施例中，C1/C2的比例大于2，例如在图2的实施例中比例为三。电容分压器110提供减小的AC输出到整流器120，整流器120整流分开的AC输出以便以低于10瓦特的功率级在一对DC输出节点12 和122b上提供DC输出122。所示整流器120是包含二极管D1-D4的全波无源整流器，但也可以使用其它AC-DC电路，例如半波无源整流器、有源整流器等。C3(图幻是跨过整流器输出122耦合的、可选的DC平滑电容器。驱动器100提供具有驱动器输出端子106a和106b的输出106，可耦合到一个或多个光源108，光源108例如单个或多个(串联连接和/或并联连接的)LED、0LEDS等。图1和图2的实施例中的第一驱动器输出端子106a与整流器120的第一 DC输出节点12 耦合，而其它驱动器输出端子106b耦合到线性调节器130。在图2的实施例中，调节器130a在光源108与第二整流器DC输出节点122b之间的串联电路中耦合，其中调节器130操作用于调节流经串联电路的驱动电流IDKIVE。通过这种方式，源108提供受控的光输出。其它实施例可包括在第一整流器输出端子12 与光源108之间的上部电路分支中耦合的调节器，例如，如图7的实施例中所示。此外，如图1中所示，调节器130可包括用于对照明装置108调光的调光电路132，和/或软起动电路134以控制流经串联电路的驱动电流Idkive的上升时间，例如，为了保护OLED型光源108免受起动时的电流尖峰的影响。在图2的实施例中，线性调节器130a包括具有在串联电路中耦合的漏极端子D和源极端子S的η沟道增强模式MOSFET Ml。晶体管Ml具有控制栅极端子G，其操作以控制漏极端子与源极端子D与S之间流动的电流量(Idkive)。感测电阻Rl在Ml与第二 DC输出节点122b (在这个示例中为电路接地)之间的串联电路中耦合，并且跨过Rl的电压表示提供给光源108的驱动电流IDKIVE。这个实施例中的调节器130a还提供包括运算放大器Ul的运算放大器电路以及两个参考电压装置或电路REFl和REF2。Ul的反相运算放大器输入与感测电阻Rl耦合以感测跨过Rl的电压，而非反相输入耦合到REFl (例如，在这个示例中为0. 55VDC)，其中运算放大器Ul由REF2(例如，5VDC)供电。运算放大器Ul提供控制施加到场效应晶体管Ml的栅极端子G的电压的输出并操作以调节流经串联电路的驱动电流Idkive,由此调节由源108提供的照明水平。此外，可调整参考REFl的提供可起作用以调整经调节的驱动电流Idkive用于调光应用。另外，调节器130a可实现软起动功能性，例如通过在运算放大器电路中包括电容C4以控制驱动电流Idkive的上升时间。参考电压REFl和REF2可通过任何适当电路(图3中示出一个示例)从整流器输出得出。在这个示例中，调节器装置UlO在端子12 接收正整流器输出并经由电阻器RlO和Rll为REF2提供5VDC调节输出，通过电阻分压器电路R12、R13设置REFl的电压水平。为了实现调光，R13可以是可变的(例如，电位计)，并且软起动可通过在REFl与端子122b的电路接地之间耦合电容C4来实现。在这方面，本发明人已经意识到，OLED和其它类型的光源108可能对起动时或之后的电流浪涌特别敏感，并且提供软起动电路134促进过渡期间大体恒定dv/dt形式的操作以减轻装置降级，延长光源108的操作寿命。图2和图3的示例实施例设计用于驱动OLED光源108的50mA标称驱动电流IMIVE，标称100%光输出约MVDC，并且可调光以减少输出功率。因此，示范实现是低功率驱动器100 (例如，1. 2瓦特左右)，其中整流器输出总线电压水平由电路110的分压器电容C1/C2的比例设置。特定实施例将此比例设置为2以上，其中图2的示例中比例为3。预期其它实施例提供单数位瓦数的输出功率级，例如少于10瓦特，其中可基于电荷泵电容的选择来设计其它电流水平和电压水平。此外，可采用驱动器100为任何低输出功率DC驱动照明装置供电，并且本公开不限于LED或OLED应用。在驱动器100用于标称操作的原型和模拟中已达到88-92%的效率，并且实际效率预计将大大超过常规两级商业供电的效率(典型效率为约72%或更低)。此外，图2和图3的实施例在实现高效率的同时提供小尺寸、低成本和低组件计数的设计，并且无需使用开关组件(即，线性调节器130a是非开关式调节器，其中FET Ml 一般在线性模式中操作)，由此控制EFI/RFI发射。参照图4-6，可设置电容分压器110的第一电容和第二电容Cl和C2的比例，以使得线性调节器130仅在起动和/或调光操作期间进行调节，由此实际上可减少调节器电路130的功耗。图4中的图200示出表示所示实施例100以50mA的标称驱动电流Idkive操作起动期间的输出驱动电流Idkive的曲线202，其中电容分压器电路110和整流器120提供接近20-24VDC的标称值的DC总线值而无法调光并且无软起动电路134。如图200中所见，电流202带有一定量120Hz纹波地上升(从自源102输入的60Hz无源全波整流)，并且纹波在达到稳定状态的电流水平后继续存在，从而调节器电路130无需参与此水平的正常操作，由此减少调节器130自身中不必要的功率损失(和效率降级)。图5示出驱动器100中作为时间函数的驱动电流212的示图210，驱动器中具有为光源108的30mA操作设置的调光控制132(例如，图3中的电阻器R13)，并包括软起动电路134(例如，电容C4)。在这种情况下，调节器130在起动时操作以减慢电流上升时间，并在之后继续以调节30mA(调光的水平)时的输出电流IDKIVE，可能的代价是调节器130中的一些效率损失(同时消除或衰减稳定状态纹波)。但是要注意，常规调光驱动器在调光操作期间也会遭受降低的效率。在图6中，图220示出驱动器100中的驱动电流222，该驱动器具有软起动电路134为非调光应用(或调光电路设置为100% )减慢电流上升，其中调节器130仅在起动期间操作，此后实现更高效率的操作。图7示出具有另一个非开关式线性调节器130b的另一个驱动器实施例100，它包括三端子电压调节器U2(例如，一个实现中的LM317)，具有经由可调整电阻R3的可选调光控制和驱动器输出106处的可选软起动电容C4。三端子调节器U2具有与DC输出节点12 耦合的输入端子IN、与驱动器输出端子106a耦合的输出端子OUT以及通过R3提供调整电流的调整端子ADJ，并且在输出端子与调整端子之间耦合电阻R2。三端子调节器U2调节驱动器输出端子106a与106b之间的电压以调节流经串联电路的驱动电流IDKIVE。上述示例只是说明本公开的多种方面的若干可能实施例，其中等效变更和/或修改将是本领域技术人员在阅读和理解本说明书及附图时将会想到的。具体关于由上述组件(组装件、装置、系统、电路等等)所执行的多种功能，除非另加说明，否则用于描述这类组件的术语(包括提到“装置”)意在对应于诸如硬件、软件及其组合的任何组件，其执行所述组件的指定功能(即，是功能等效的)，即使与执行本公开的所示实现中功能的、公开的结构不是结构等效的。另外，虽然可能仅针对若干实现其中之一示出和/或描述了本公开的具体特征，但是，这种特征可与对于任何给定或具体应用可能是预期或有利的其它实现的一个或多个其它特征相结合。此外，除非另加说明，否则提到单数组件或项预计包含两个或更多这类组件或项。另外，在术语“包括”、“具有”、“带有”或者其变体用于详细描述和/或权利要求的方面，这类术语意在表示包含在内，其方式与术语“包含”相似。参照优选实施例描述了本发明。显而易见，一旦阅读和理解前面的详细描述，修改和变更将是本领域技术人员会想到的。预计本发明将被解释为包括所有这类修改和变更。
权利要求
1.一种用于为光源供电的高效率低功率DC驱动器设备，包括输入，其包括可耦合到AC电源的第一输入端子和第二输入端子；电容分压器电路，其包括在所述输入端子之间串联耦合并且在中间节点处互相耦合的第一电容和第二电容，所述电容分压器电路在所述输入端子处接收AC输入并在所述中间节点提供分开的AC输出；整流器，其在操作上与所述中间节点耦合以接收和整流所述分开的AC输出，从而以低于10瓦特的功率级在一对DC输出节点处提供DC输出；输出，其包括可耦合到至少一个光源的一对驱动器输出端子，所述驱动器输出端子的第一个与所述DC输出节点的第一个耦合；以及线性调节器，其在所述驱动器输出端子的第二个与所述DC输出节点的第二个之间耦合，以将所述光源和所述线性调节器耦合在所述DC输出节点之间的串联电路中，所述线性调节器操作用于调节流经所述串联电路的驱动电流。
2.如权利要求1所述的驱动器设备，其中，所述线性调节器包括场效应晶体管，其具有在所述串联电路中耦合的漏极端子和源极端子以及操作用于控制在所述漏极端子与源极端子之间流动的电流的栅极端子。在所述串联电路中耦合的感测电阻；以及运算放大器电路，其具有与所述感测电阻耦合以感测跨过所述感测电阻的电压的输入，以及控制施加到所述场效应晶体管的所述栅极端子的电压以调节流经所述串联电路的所述驱动电流的输出。
3.如权利要求2所述的驱动器设备，其中，所述线性调节器还包括所述运算放大器电路中的电容，以控制流经所述串联电路的所述驱动电流的上升时间用于软起动所述驱动器设备。
4.如权利要求2所述的驱动器设备，其中，设置所述电容分压器的所述第一电容和第二电容的比例，以使得所述线性调节器仅在起动期间进行调节。
5.如权利要求1所述的驱动器设备，其中，所述线性调节器包括三端子调节器，其具有与所述DC输出节点的一个耦合的输入端子、与所述驱动器输出端子的一个耦合的输出端子、以及调整端子；在所述输出端子与所述调整端子之间耦合的第一电阻；以及在所述调整端子与所述驱动器输出端子的另一个之间耦合的第二电阻；其中所述三端子调节器调节所述驱动器输出端子之间的电压，以调节流经所述串联电路的所述驱动电流。
6.如权利要求5所述的驱动器设备，其中，所述线性调节器的所述第二电阻可被调整以用于对所述照明装置调光。
7.如权利要求5所述的驱动器设备，其中，设置所述电容分压器的所述第一电容和第二电容的比例以使得所述线性调节器仅在起动期间进行调节。
8.如权利要求1所述的驱动器设备，其中，所述线性调节器操作用于控制流经所述串联电路的所述驱动电流的上升时间，以软起动所述驱动器设备。
9.如权利要求1所述的驱动器设备，其中，所述线性调节器可被调整以用于对所述照明装置调光。
10.如权利要求9所述的驱动器设备，其中，设置所述电容分压器的所述第一电容和第二电容的比例以使得所述线性调节器仅在起动期间和为了所述照明装置的调光操作进行调节。
11.如权利要求1所述的驱动器设备，其中，设置所述电容分压器的所述第一电容和第二电容的比例以使得所述线性调节器仅在起动期间进行调节。
12.如权利要求11所述的驱动器设备，其中，所述第一电容除以所述电容分压器的所述第二电容的比例大于2。
13.如权利要求12所述的驱动器设备，其中，所述第一电容除以所述电容分压器的所述第二电容的比例为3。
14.如权利要求1所述的驱动器设备，其中，所述第一电容除以所述电容分压器的所述第二电容的比例大于2。
15.如权利要求14所述的驱动器设备，其中，所述第一电容除以所述电容分压器的所述第二电容的比例为3。
16.如权利要求1所述的驱动器设备，其中，所述线性调节器是非开关式调节器。
全文摘要
介绍了一种用于为光源供电的高效率低功率DC驱动器设备，它具有接收AC输入并提供分开的AC输出的电容分压器电路、提供低于十瓦特的DC输出的整流器、可耦合到一个或多个光源的输出端子、以及与光源串联耦合以调节流经串联电路的驱动电流的线性调节器。
文档编号H05B33/08GK102598858SQ201080048166
公开日2012年7月18日 申请日期2010年8月10日 优先权日2009年10月21日
发明者B·R·罗伯茨, L·R·尼罗内 申请人:通用电气公司