隔离初级侧开关转换器的制作方法

1.本发明涉及一种隔离初级侧开关转换器和用于操作此类转换器的方法。本发明还涉及一种用于光源的驱动器。


背景技术：

2.通常已知转换器诸如初级侧开关转换器。此类转换器可将第一电平的dc信号(例如输入电流)转换为第二电平的dc信号(例如输出电流)。
3.初级侧开关转换器通常包括布置在转换器的初级侧与次级侧之间的变压器，其中两个侧彼此流电隔离，并且其中初级侧包括至少一个开关。此类转换器可以称为隔离初级侧开关转换器。如果此类隔离转换器包含可以被调谐成以特定频率谐振的电感器和电容器的网络，则该隔离转换器为隔离谐振初级侧开关转换器。半桥llc转换器是此类谐振转换器的示例。
4.初级侧开关转换器可用于驱动负载，诸如led。例如，它们形成以led电流(分别是电压)直接供应led负载的dc/dc级。另选地，它们可以形成中间dc/dc级，该中间dc/dc级为另一个dc/dc级提供输入电压，这继而供应led负载。
5.为了对例如由led引线的短路引起或由没有led连接和输出侧处的所得开路负载引起的欠电压和过电压情况进行反应，可以利用初级侧上的控制逻辑监测转换器的输出电压。
6.为此，分压器和光耦合器可以布置在转换器的次级侧处，后者将关于输出电压的信息传输到转换器的初级侧。然而，这种解决方案具有复杂且昂贵的缺点。
7.另选地，可以通过初级侧上的感测绕组来监测led电压。感测绕组可以接收与输出电压正相关的电压信号。
8.为了基于矩形信号适当地确定输出电压，已知首先对信号进行整流以移除信号的负部分，并且随后通过缓慢的低通滤波器使信号平滑。该信号处理连续执行。
9.然而，这种方法具有相对慢的缺点。因此，对欠电压和过电压情况的可能反应被缓慢滤波延迟。
10.因此，本发明的目的是提供一种改进的隔离谐振初级侧开关转换器、用于操作此类逆变器的改进的方法和包括此类转换器的用于光源的改进的驱动器，这避免了上文提到的缺点。具体地，本发明的目的是提供一种具有快速且准确的反馈控制的隔离谐振初级侧开关转换器，这允许对输出电压的突然变化进行反应。


技术实现要素：

11.本发明的目的是通过所附独立权利要求中提供的解决方案来实现的。在从属权利要求中进一步限定本发明的有利具体实施。
12.根据第一方面，本发明涉及一种隔离谐振初级侧开关转换器，该隔离谐振初级侧开关转换器包括：电流隔离级；位于隔离级的初级侧上的辅助绕组，该辅助绕组磁性地耦合
到隔离级的至少一个次级侧绕组，其中辅助绕组被配置为检测关于次级侧电压的反馈信号；和控制单元，该控制单元被配置为在每个第n开关循环中的其中电流正在隔离级的次级侧上流动的采样周期期间对反馈信号进行采样，以及通过控制初级侧开关的切换操作来处理所采样的信号以用于对次级侧电压进行反馈控制。这提供了实现快速且准确的反馈控制的优点，这可以对次级侧电压的突然变化进行反应。
13.具体地，控制单元被配置为以循环方式对循环中的反馈信号进行采样，其中采样周期以这样的方式选择：次级侧电压在采样时具有恒定振幅。以这种方式，可以实现次级侧电压的可靠且无延迟的采样。
14.次级侧电压可以是隔离谐振初级侧开关转换器的输出电压。该输出电压可以被供应到led负载或另一个转换器，这继而可以供应led负载。
15.反馈信号可以表示次级侧电压。具体地，反馈信号包括电压信号。反馈信号可以是矩形信号。
16.控制单元可以被实现为集成电路或包括半导体集成电路。在另一个实施方案中，控制单元被实现为处理器、微处理器、控制器、微控制器、专用集成电路(asic)或前述部件的组合。
17.初级侧开关可以是隔离级的初级侧上的高和/或低电位开关。具体地，初级侧可以包括两个开关，并且控制单元可以被配置为控制初级侧上两个开关的切换操作。
18.可以在初级侧开关转换器的每个开关循环中对反馈信号进行采样。另选地，可以仅在转换器的每个第二、第三、第四等开关循环中对反馈信号进行采样。
19.可以在转换器的初级侧上的高电位开关和/或低电位开关被去激活时执行采样。
20.开关循环可以分为充电阶段和放电阶段。优选地，在充电阶段期间，转换器的变压器被充电，并且随后在放电阶段期间，变压器被放电并且电流正在转换器的次级侧上流动。
21.在一个实施方案中，隔离谐振初级侧开关转换器是llc转换器，特别是llc谐振半桥转换器。
22.在一个实施方案中，控制单元被配置为基于反馈信号确定次级侧电压。这提供了可以在初级侧上以无延迟且准确的方式监测次级侧电压的优点。
23.反馈信号电压可以是次级侧电压的一部分，例如次级侧电压的一半。
24.在一个实施方案中，反馈信号是ac信号，特别是单极性或双极性信号。
25.具体地，反馈信号是非dc电压。
26.在一个实施方案中，该转换器还包括位于隔离级的初级侧上的感测单元，其中感测单元被配置为直接或间接感测电流是否正在隔离级的次级侧上流动。这提供了可以有效地确定每个循环中的最佳采样周期的优点。
27.感测单元可以将采样周期直接检测为在其期间电流正在隔离级的次级侧上流动的周期。随后可以执行反馈信号的采样。利用这种方法，可以避免可以由不稳定信号产生的问题，因为不必估计采样周期的起始点和/或长度。
28.在一个实施方案中，该转换器包括位于隔离级的次级侧上的二极管或可控开关，其中感测单元被配置为在二极管中的至少一者或可控开关中的至少一者处于导通状态的情况下，确定每个第n开关循环中的采样周期。这提供了可以有效地确定每个循环中的采样周期的优点。
29.感测单元可以被配置为直接感测隔离级的次级侧上的至少一个二极管或至少一个可控开关是否处于导通状态。为此，感测单元可以被配置为例如经由与隔离级的次级侧的谐振或磁性耦合和/或经由光耦合器直接接收来自二极管(分别是可控开关)的测量信号。
30.在一个实施方案中，隔离级的次级侧包括整流电路，其中感测单元被配置为在电流流过整流电路的情况下，确定每个第n开关循环中的采样周期。这提供了可以有效地确定每个循环中的采样周期的优点。
31.整流电路可以包括两个或四个二极管。另选地，整流电路可以包括可控开关。感测单元可以被配置为直接接收来自整流电路的测量信号。
32.整流电路可以是包括四个二极管(分别是四个可控开关)的全波整流电路。感测单元可以被配置为通过监测全波整流电路的相对的二极管(分别是相对的可控开关)是否处于导通状态来检测在其期间电流正在次级侧上流动的采样周期。
33.在一个实施方案中，感测单元包括分流器，该分流器与转换器的开关、特别是低电位开关串联。这提供了感测单元可以简单的方式设置在初级侧上并且仅具有几个部件的优点。低电位开关可以是隔离级的初级侧上的两个开关中的一者。
34.在一个实施方案中，控制单元被配置为在开关特别是低电位开关的导通状态期间通过分流器的电流满足预定义标准的情况下，对反馈信号进行采样。这提供了可以有效地确定每个循环中的采样周期，特别是每个循环中的采样周期的开始的优点。
35.在一个实施方案中，预定义标准是通过分流器的电流的过零点。这提供了可以有效地确定每个循环中的采样周期，特别是每个循环中的采样周期的开始的优点。
36.在一个实施方案中，转换器的次级侧包括串联的两个绕组，其中辅助绕组磁性地耦合到两个绕组。这提供了可通过辅助绕组有效地检测反馈信号的优点。
37.根据第二方面，本发明涉及一种用于光源特别是led的驱动器，该驱动器包括根据本发明的第一方面的隔离谐振初级侧开关转换器。这提供了设置具有转换器的驱动器的优点，这可以对其输出电压的突然变化进行反应。
38.该驱动器可以包括升压pfc电路，该升压pfc电路耦合到转换器的初级侧并且提供输入电压。
39.根据第三方面，本发明涉及一种用于操作隔离谐振初级侧开关转换器的方法，其中该隔离谐振初级侧开关转换器包括电流隔离级，该方法包括以下步骤：在隔离级的初级侧上检测关于转换器的次级侧电压的反馈信号；在每个第n开关循环中的其中电流正在隔离级的次级侧上流动的采样周期期间对反馈信号进行采样；以及通过控制初级侧开关的切换操作来处理所采样的反馈信号以用于对次级侧电压进行反馈控制。这提供了实现快速且准确的反馈控制的优点，这可以对次级侧电压的突然变化进行反应。
40.在一个实施方案中，处理所采样的信号的步骤包括基于所采样的反馈信号确定转换器的次级侧电压。这提供了可以有效地确定次级侧电压例如输出电压的优点。
41.在一个实施方案中，该方法还包括以下步骤：确定每个第n开关循环中的采样周期、特别是采样周期的开始。这提供了可以确定每个新循环的合适的采样周期并且因此可以执行准确的采样的优点。
42.优选地，可以通过在转换器的开关(特别是低电位开关)的导通状态期间检测通过
转换器的初级侧上的分流器的电流的过零点来确定采样周期的开始。
附图说明
43.下面将连同附图来说明本发明。
44.图1示出了根据一个实施方案的初级侧开关转换器的示意图；
45.图2示出了根据一个实施方案的初级侧开关转换器的示意图；
46.图3示出了根据一个实施方案的初级侧开关转换器的示意图；
47.图4示出了根据一个实施方案的电压和电流信号的示意曲线图；
48.图5示出了根据一个实施方案的用于光源的驱动器的示意性表示；并且
49.图6示出了根据一个实施方案的用于操作初级侧开关转换器的方法的示意图。
具体实施方式
50.本文在初级侧开关转换器的上下文中描述了本发明的各方面。
51.下文参考附图更全面地描述了本发明，其中示出了本发明的各方面。然而，本发明可以多种不同的形式体现，并且不应理解为限于通过本公开呈现的本发明的各方面。相反，提供这些方面使得本公开将是周密且完整的，并且将向本领域的技术人员充分传达本发明的范围。附图中示出的本发明的各方面可能未按比例绘制。相反，为清楚起见，可扩大或减小各种特征结构的尺寸。此外，为清楚起见，可简化一些附图。因此，附图可能未示出给定装置的所有部件。
52.将呈现隔离谐振初级侧开关转换器的各个方面。然而，如本领域的技术人员将容易理解的，在不脱离本发明的情况下，这些方面通常可以扩展到转换器的各方面。
53.术语“led灯具”应指具有包括一个或多个led的光源的灯具。led在本领域中是众所周知的，因此，将仅简要讨论以提供对本发明的完整描述。
54.还应当理解，本发明的方面可包含易于使用常规半导体技术(诸如互补金属氧化物半导体技术，简称为“cmos”)制造的集成电路。此外，本发明的各方面可利用用于制造光学器件以及电气器件的其他制造工艺来实现。现在将详细参考如附图所示的示例性方面的具体实施。在整个附图和以下详细描述中将使用相同的附图标记来指代相同或类似的部件。
55.图1示出了根据一个实施方案的隔离谐振初级侧开关转换器100的示意图。
56.转换器100包括电流隔离级105、位于隔离级105的初级侧101上的辅助绕组l51-c，该辅助绕组磁性地耦合到隔离级的至少一个次级侧绕组l51-b，其中辅助绕组l51-c被配置为检测关于次级侧电压的反馈信号。转换器100还包括控制单元107，该控制单元被配置为在每个第n开关循环中的其中电流正在次级侧103上流动的采样周期期间对反馈信号进行采样，以及通过控制初级侧开关m40、m41的切换操作来处理所采样的信号以用于对次级侧电压进行反馈控制。
57.通常，图1中的转换器100被配置为接收来自初级侧101上的输入端子115处的外部电流或电压源的输入电流，并且将该输入电流从第一电压电平转换为转换器100的次级侧103上的第二电压电平的输出电流。然后，可以将输出电流供应到连接到输出端子led+、led-的led负载。led负载可以包括一个或多个led灯具，该一个或多个led灯具可以由输出
电流驱动。
58.在图1的示例性实施方案中，转换器100是半桥llc转换器。另选地，转换器可以是任何类型的谐振初级侧开关转换器，例如半桥lcc转换器。
59.在一个实施方案中，转换器100的初级侧101还包括初级侧绕组l51-a，并且次级侧103包括次级侧绕组l51-b，而这些绕组l51-a、l51-b与变压器芯体117一起形成转换器100的变压器。借助于该变压器，电流可以从转换器100的初级侧101传输到次级侧103。初级侧绕组l51-a和次级侧绕组l51-b可以电隔离并且磁性地耦合。
60.在一个实施方案中，初级侧101包括两个开关m40、m41。该开关m40、m41可以被配置为将输入电压信号转化为方波信号。例如，方波通过以偏移开关循环驱动开关m40、m41来生成。
61.具体地，开关m40、m41可以分为高电位开关m40(分别是高侧fet m40)和低电位开关m41(分别是低侧fet m41)。
62.优选地，开关m40、m41是fet，特别是mosfet。
63.在一个实施方案中，初级侧还包括两个电容器c42、c43，该两个电容器被配置为划分输入电压。初级侧可以包括另外的电容c51，该另外的电容可以是转换器100的谐振电容。
64.初级侧绕组l51-a和谐振电容c51可以形成隔离谐振初级侧开关转换器100的谐振回路的一部分。
65.在一个实施方案中，次级侧103包括整流电路。在图1的示例性实施方案中，该整流电路是全波整流器，包括四个二极管d52a、d52b、d52c、d52d。另选地，整流电路可以包括可控开关而不是二极管。
66.优选地，次级侧包括电容器c52，该电容器连接在输出端子led+、led-之间。
67.在一个实施方案中，转换器100还包括在隔离级105的初级侧101上的输出电压感测单元109。该输出电压感测单元109可以包括检测反馈信号的辅助绕组l51c。
68.输出电压感测单元109还可以包括用于整流所检测的反馈信号的二极管d50和包括电容器c55和电阻r51、r52的低通滤波器。电容器c55和电阻r51、r52可以被配置为对所感测的反馈信号进行滤波并将其向下缩放到逻辑电平，例如0至3.3v，这可以由asic或微控制器的adc测量。
69.控制单元可以例如经由输出电压感测单元109的引脚从辅助绕组l51-c接收反馈信号。至少对于某些时间周期，反馈信号可以对应于转换器100的次级侧电压，特别是输出电压。
70.控制单元可以被配置用于通过控制初级侧开关m40、m41的切换操作来对次级侧电压进行反馈控制。因此，控制单元可以被配置为控制转换器100的开关m40、m41。
71.在一个实施方案中，控制单元107被实现为集成电路或包括半导体集成电路。在另一个实施方案中，控制单元107被实现为处理器、微处理器、控制器、微控制器、专用集成电路(asic)或前述部件的组合。
72.控制单元107可以被配置为基于反馈信号确定每个采样周期期间的次级侧电压。
73.反馈信号可以是ac信号。具体地，反馈信号是单极性信号或双极性信号。
74.转换器100还可以包括隔离级105的初级侧101上的感测单元113。感测单元可以被配置为直接或间接感测电流是否正在隔离级105的次级侧103上流动。
75.在图1的示例性实施方案中，如果整流器二极管d52a和d52c或整流器二极管d52b和d52d处于导通状态，则电流正在隔离级105的次级侧103上流动。
76.在一个实施方案中，感测单元113被配置为直接接收来自次级侧103的整流器二极管d52a、d52b、d52c、d52d的测量信号，并且基于该测量信号确定这些二极管是否处于导通状态。
77.换句话说，感测单元113被配置为确定电流是否流过整流电路。
78.感测单元113可以被配置为经由与隔离级105的次级侧103的谐振或磁性耦合和/或经由光耦合器来接收测量信号。
79.在一个实施方案中，在检测到电流正在隔离级105的次级侧103上流动时，控制单元107对反馈信号进行采样。
80.换句话说，可以在反馈信号对应于次级侧电压时执行反馈信号的采样。在这些周期期间，反馈信号具有恒定振幅，并且对应的二极管d52a和d52c或d52d和d52b处于导通状态。
81.在图1的示例性实施方案中，转换器100包括隔离级105的初级侧101上的任选的输出电流感测单元111。该输出电流感测单元可以包括另外的绕组l52-a，该另外的绕组可以耦合到隔离级105的次级侧103上的两个对应绕组l52-b、l52-c。输出电流感测单元111可以包括另外的部件，诸如开关q50、q51、q52、q53，电阻器r33、r38和导体c30、c28。
82.图2示出了根据另一个实施方案的初级侧开关转换器100的示意图。
83.在图2的示例性实施方案中未描绘隔离级105的初级侧101上的控制单元107。
84.在图2中，感测单元113包括与初级侧101上的低电位开关m41串联的分流器。
85.控制单元107可以被配置为监测来自感测单元113的电流信号(i
ihb
)，并且基于该电流信号(i
ihb
)确定每个第n开关期间的采样周期。具体地，电流信号(i
ihb
)对应于通过分流器r47的电流。
86.为了接收电流信号(i
ihb
)，控制单元107可以连接到感测单元113的输出引脚201。
87.优选地，控制单元107被配置为在低电位开关m41处于导通状态并且通过分流器r47的电流满足预定义标准的情况下，对每个第n开关循环期间的反馈信号进行采样。
88.具体地，控制单元107被配置为在低电位开关m41处于导通状态并且通过分流器r47的电流满足预定义标准的情况下，开始对每个第n开关循环期间的反馈信号进行采样。
89.预定义标准是通过分流器r47的电流的过零点，特别是负过零点或正过零点。
90.具体地，以通过分流器r47的电流的该过零点开始，电流正在隔离级105的次级侧103上流动。控制单元107可以被配置为在此时启动新采样周期。
91.感测单元113还可以包括电阻器r45和电容器c44，该电阻器和电容器被布置成对电流信号进行滤波。
92.在图2的实施方案中，转换器100包括另外的电阻r43a、r43b、r43c，该另外的电阻与感测单元11的电阻r45、r47一起形成分压器。该分压器可以被配置为监测来自低电位开关m41的漏极的电压以判断低电位开关m41被是否关闭。该电压可以对应于半桥中间点电压。至少以该过零点开始，对应的次级侧二极管导通。
93.图3示出了根据另一个实施方案的初级侧开关转换器100的示意图。
94.在图3中，初级侧开关转换器100是llc半桥转换器，其包括串联的两个次级侧绕组
l51b、l51d。辅助绕组l51-c可以磁性地耦合到次级侧绕组l51b、l51d。
95.图3中的转换器100还包括其次级侧103上的具有两个二极管d52a、d52d的整流电路。
96.图3中未示出的感测单元113可以被配置为检测次级侧103上的二极管d52a、d52d中的至少一者是否处于导通状态。
97.图4示出了根据一个实施方案的电压和电流信号的示意曲线图401、402。
98.图4中的上部曲线图401示出了在感测绕组l51-c处检测到的反馈信号405。图4中的下部曲线图403示出了通过分流器r47的电流407。竖直线指示通过分流器r47的电流407的过零点。
99.在图4中，反馈信号405在电流407的过零点时是稳定的。这个时间点可以限定采样周期的起始点。例如，对反馈信号进行采样持续起始于过零点的点的500ns。这可以针对每个第n开关循环重复。
100.在一个实施方案中，电流信号407经由输出引脚201转发到控制单元107，该控制单元可利用比较器。该比较器可以将信号与0v进行比较，以便检测过零点。
101.图5示出了根据一个实施方案的用于光源的驱动器500的示意性表示。光源可以是led灯具。
102.驱动器500可以包括转换器504，例如半桥llc转换器。转换器504可以是图1至图3的转换器100中的任一者。
103.驱动器500还可以包括电磁干扰(emi)滤波器501，该emi滤波器将输入电压转发到pfc电路503，特别是升压pfc电路。该pfc电路503可以继而利用总线电压供应转换器504。
104.驱动器500还可以包括asic 508。该asic 508可以对应于控制单元107或来自图1至图3的控制单元107的部件。asic 508可以被配置为执行对转换器504的次级侧电压和/或pfc电路503的反馈控制。
105.驱动器500还可以包括低电压电源507，该低电压电源可以被配置为利用电压供应驱动器500的集成电路，例如asic 508。
106.驱动器500还可以包括微控制器509，该微控制器可以被配置为控制asic 508。例如，微控制器509可以将信号发送到asic 508以便控制asic 508，例如调整灯亮度。此外，微控制器509可以从asic 508接收信号，例如灯故障检测。
107.在一个实施方案中，驱动器500包括整流和感测电路506，该整流和感测电路与驱动器500的其他部件隔离并且经由两个变压器505a、505b耦合到转换器504和asic508。
108.驱动器500还可以包括与微控制器509光学隔离的dali接口513。可以经由两个光耦合器511a、511b在dali接口513和微控制器509之间交换信号。
109.图6示出了根据一个实施方案的用于操作初级侧开关转换器100的方法600的示意图。
110.方法600包括以下步骤：在转换器100的隔离级105的初级侧101上检测601关于转换器100的次级侧电压的反馈信号；在每个第n开关循环中的其中电流正在隔离级105的次级侧103上流动的采样周期期间对反馈信号进行采样605；以及通过控制初级侧开关m41的切换操作来处理607所采样的反馈信号以用于对次级侧电压进行反馈控制。
111.方法600还可以包括确定603每个第n开关循环中的采样周期、特别是采样周期的
开始的步骤。优选地，该确定603发生在隔离级105的初级侧101上。
112.具体地，在对反馈信号进行采样605之前执行确定603采样周期的步骤。具体地，在检测601反馈信号之后执行确定603采样周期的步骤。
113.处理607所采样的信号的步骤包括基于所采样的反馈信号确定转换器100的次级侧电压。
114.本文所述、所示和/或受权利要求书保护的所有实施方案的所有特征可彼此组合。
115.虽然上文已描述了本发明的各种实施方案，但应当理解，这些实施方案仅以举例的方式而非限制的方式给出。在不脱离本发明范围的精神的前提下，可根据本文的公开内容对本发明所公开的实施方案进行多种改变。因此，本发明的广度和范围不应受任何上述实施方案的限制。相反，本发明的范围应根据以下权利要求书及其等同物来限定。
116.虽然已经相对于一个或多个具体实施例示和描述了本发明，但是本领域的技术人员在阅读本说明书和附图的理解后将想到等同的替代形式和修改形式。此外，虽然可仅相对于若干具体实施公开本发明的特定特征，但此类特征可根据任何给定或特定应用的期望和优点与其他具体实施的一个或多个其他特征组合。