开关转换器电路的制作方法

本发明涉及led(发光二极管)光源领域，并且特别地涉及中等功率和大功率led光源的电源领域。本发明的研发特别地相关于，但不限于，开关转换器电路，即，一种开关转换器，特别地适合于作为led光源的电源的功率转换的第二级，或输出级。

背景技术

在中等功率和大功率led光源的电源领域，例如在功率大于50瓦特的情况，已知有使用具有两级或三级拓扑的电源，其中绝缘级一般为反激式开关转换器或llc谐振转换器。

两级电源由于其效率高、成本低而毫无疑问是最受欢迎的，但是其有一些缺陷。利用llc谐振技术的开关转换器所实现的两级电源需要复杂控制器，并提供受限输出电压动态。利用反激式开关转换器所实现的两级电源的特征在于较低的效率、由于在元件上的高电应力造成的受限的可靠性、以及用于管理这些缺陷所需要的集成的控制电路的高成本，上述元件上的高电应力是由元件的寄生参数造成的高电压所产生。因此，在采用利用llc技术的第二级或采用利用反激技术的第二级之间的选择是根据输出电压动态、转换器的效率和可靠性之间的折中的选择来确定的。

现有技术中所采用的其中一种方案是，插入后调节(post-regulation)的第三级。然而，使用该第三级会导致电源的效率的急剧下降以及成本和尺寸的增加。

由申请人实施的大量实验表明，需要实现一种开关转换器电路，该开关转换电路能够避免反激技术和llc技术之间就性能而言的上述折中选择。

本发明的其中一个主要目的为满足该需要。

本发明的另一个目的为实现一种开关转换器电路，该开关转换器电路能够避免已知类型的led光源的转换器电路的所有缺陷。

本发明的另一个目的为提高用于中等功率和大功率led光源的电源的性能，例如，用于ii类照明设备的供电。

本发明的另一个目的为提高已知类型的led光源的电源的可靠性。

本发明的另一个目的为减少led光源的电源的制造成本。

技术实现要素：

本发明的实施例公开了一种开关转换器电路，包括用于连接连续电压源的至少一个输入端子、集成控制电路、连接至所述集成控制电路的一对场效应晶体管、连接至所述一对场效应晶体管的一对耦合电感器、连接至所述一对场效应晶体管的二极管、一对电容、第一输出端子，以及控制回路，所述控制回路用于控制通过所述第一输出端子从所述电路输出的电流。

利用该方案，可以实现恒定电压到恒定电流的开关转换器电路，能够保证高度的电气绝缘。

在本发明的另一方面，该电路包括第二输出端子以及与该第二输出端子串联连接的测量电阻。

利用该方案，可以通过测量所述测量电阻的端处的电压来控制电路的电流。

在本发明的另一方面，该集成控制电路为用于电流的滞回控制的集成电路。

利用该方案，可以大幅减少制造成本并且简化电源的复杂度，该电源包括利用本发明电路实现的开关转换器。

在本发明的另一个方面，转换器电路包括连接至集成电路的一对mosfet。

利用该方案，开关转换器电路的效率非常高，这是因为mosfet的开关发生在零电压下，并且每个mosfet的内部二极管在该mosfet导通前开始导通，因此进而防止由于结的扩散造成的功率耗散。

在本发明的另一方面，控制回路包括连接至所述一对场效应晶体管的第一输入端、连接至所述测量电阻的第二输入端、以及连接至所述集成控制电路的输出端。

利用该方案，能够利用电压作为控制量度来控制从电路输出的电流，并且进而遵循已知类型的滞回控制方法。

在本发明的另一个方面，所述控制回路包括：

-高通滤波器，连接至所述第一输入端子，

-低通滤波器，连接至所述高通滤波器，

-第一放大块，连接至所述低通滤波器，以及

-求和节点，连接至所述第一放大块。

在本发明的另一个方面，所述控制回路包括：

-第二放大块，连接至所述第二输入端子，

-光电耦合元件，连接至所述第二放大块和所述求和节点。

利用该方案，可以获得与通过对在磁化电感中流动的电流进行直流测量所得到的波形完全相同的波形，并且将其用作电流的滞回控制的集成电路的控制输入。

本发明的另一个方面包括连接至光电耦合元件和求和节点的信号去耦器级。

本发明的另一个方面涉及led光源电源，其包括如本说明书所定义的开关转换器电路。

利用该方案，可以提高用于中等功率和大功率led光源的电源的性能并且减少其成本。

本发明的另一个方面涉及开关转换器电路的控制方法，包括步骤：

-测量在所述控制回路的端子上的电压，所述端子连接至所述两个mosfet的共有的节点，

-通过所述高通滤波器以比所述开关周期大得多的时间常数，从所述电压测量值中减去平均值，

-通过所述低通滤波器以比所述开关周期大得多的时间常数，对从所述高通滤波器输出的所述波形进行滤波，

-通过所述第一放大块对从所述低通滤波器输出的所述波形进行放大，以及

-将从所述第一放大块输出的所述波形发送到所述求和节点。

本发明的另一个方面包括步骤：

-通过测量在所述测量电阻的端处的电压来测量从所述转换器电路输出的电流，

-通过所述第二放大块来放大和过滤所述电压的测量值，

-通过所述光电耦合元件将从所述放大块输出的所述波形传输到所述求和节点。

本发明的另一个优点基于以下事实：由于与所述耦合电感器对的相关于寄生参数过电压所产生的影响表现在所述二极管上。因此，相对于传统的反激式拓扑，本发明的开关转换器电路的可靠性得到了明显的提高，其中所述寄生影响表现在所述mosfet上，所述mosfet从过电压的角度看是更加关键的元件。

附图说明

本发明的其他特征和优点将结合附图以举例方式从以下描述中更加全面地进行呈现，其中：

图1为根据本发明的开关转换器电路的示意图；

图2为图1的开关转换器电路的控制回路的示意图；

图3为led光源的电源的电路的示意图；以及

图4a至图4f为本发明的电路中存在的波形的示意图。

具体实施方式

图1示出了根据本发明的绝缘的开关转换器电路的实施例，通过附图标记1来表示将所述开关转换器电路的全部，并且在下文中为了简洁的目的将其称为转换器电路1。

转换器电路1包括至少一个输入端子in1，其特别地适合在使用时用于连接电压源，特别是连续电压源vdcbus。

转换器电路1包括一对耦合电感器10，其由双极模型的等同体所表示，包括理想变压器t、磁化电感lm以及寄生电感ls。

电路转换器1还包括一对场效应晶体管，优选为一对mosfetqh、ql，进而地优选为一对具有n个通道的mosfet。

电路转换器1还包括二极管d、一对电容cn和cled，以及第一输出端子out1，特别地适合在使用时用于连接电负载，优选为光源，进而地优选为led光源。

所述耦合电感对10的第一极连接至所述mosfetqh、ql两者，所述耦合电感对10的第二极通过电容cn(即，无负载输出的电容)连接至连续电压源的接地。

电容cled连接至一对耦合电感器10的第三极(即次级体)和二极管d的阴极之间，该阴极与第一输出端子out1相重合。二极管d(即，输出二极管)连接至第一输出端子out1和一对耦合电感器的第四极之间。

使用时，当输入端子in1连接至连续电压源vdcbus时，则在on阶段(ton)，仅mosfetqh是导通的，以便使得能量能够从连续电压源vdcbus向无负载输出电容cn和磁化电感lm进行传输。在off阶段(toff)，mosfetqh关断了，而mosfetql导通并且使二极管d与第一输出端子out1连通，以便使得能量能够从无负载输出的电容cn以及从磁化电感lm传送到输出电容cled、经过理想变压器t的输出端以及寄生电感ls。

在本发明的特别有利的特征中，转换器电路1包括电流控制系统，以便能够在使用时实施功率转换和输出电流控制两者，进而将输入的连续电压vdcbus(t)转变为受控的输出的直流电流iled(t)。

在这种情况，本发明的电路转换器1还包括集成控制电路20，连接至两个mosfet场效应晶体管，用于控制电路转换器1的电流，优选地用于电路转换器1的电流的滞回控制。然而，单单集成控制电路20是不足以用来控制从电路转换器1输出的直流电流iled(t)的。

为了更好地理解本发明，加入了在扩展试验过程期间的一些申请人的考虑。在理想变压器t的转化率为1的情况下，在磁化电感lm中流动的电流ilm(t)的平均值等于离开第一输出端子out1的输出电流iled(t)的平均值。

然而，需要考虑到的是，在磁化电感lm中流动的电流ilm(t)的三角波形。该电流不能用已知型号的读取设备来读取，如所述的，磁化电感lm不是真实的元件，而是一对耦合电感器的模型的一部分，并且因此是不可访问的。为了获得电流控制，甚至已经考虑对输出电流iled(t)的平均值进行控制，该平均值可以通过测量电阻读取。

因此，本发明的转换电路1的电流控制系统包括控制回路100(优选地为追溯控制回路)以及测量电阻rs，该测量电阻rs连接至转换电路1的第二输出端子out2。

特别地参考图2中所示的实施例，控制回路100包括第一输入端子vac和第二输入端子vdc，所述第一输入端子vac连接至两个mosfetqh、ql的所共有的共有节点上，所述第二输入端子vdc连接至电阻rs。控制回路100还包括高通滤波器22、低通滤波器24、第一放大块26以及求和节点28，所述高通滤波器22连接至控制回路100的第一输入端子vac，所述低通滤波器24连接至所述高通滤波器22，所述第一放大块26具有连接至所述低通滤波器24的增益器gac，所述求和节点28连接至所述第一放大块26。

控制回路100还包括第二放大块30、光电耦合元件32和信号去耦器级34(缓存器)，所述第二放大块30具有连接至控制回路100的所述第二输入端子vdc的增益器gac，所述光电耦合元件32连接至所述第二放大块30，所述信号去耦级34(缓存器)连接至所述光电耦合元件32和所述求和节点28。

控制回路100最后包括输出端子vfb，所述输出端子vfb连接至集成控制电路20。

根据本发明，为了利用上述电路实施将连续电压值vdcbus(t)转变为受控的直流电流值iled(t)的功率转换，则需要波形的间接重建方法。如果可以测量在磁化电感lm中流动的电流则可以获取该波形。

参考图4a到图4f，电流ilm(t)可以被分解为两个分量：直流分量和频率分量。直流分量对应于从第一输出端子out1输出的电流iled的平均值，而频率分量为具有零平均值的三角波，并且在on阶段(ton)期间具有系数为以下的正斜率：

以及在断开阶段(toff)期间具有系数为以下的负斜率：

因此，该方法包括步骤：

-测量在端子vac上的电压vac(t)，所述端子vac连接至两个mosfetqh和ql的所共有的节点(方波)，

-通过所述高通滤波器22以比所述开关周期(ton+toff)大得多的时间常数(τhp)，从所述电压测量值(vac(t))中减去平均值，

-通过所述低通滤波器24以比所述开关周期(ton+toff)大得多的时间常数(τhp)，对从所述高通滤波器22输出的波形进行滤波，以获取三角波形，

-通过所述第一放大块26以增益gac，对从所述低通滤波器24输出的所述波形进行放大，以及

-将从所述第一放大块26输出的所述波形v出ac(t)发送到所述求和节点28。

波形v’ac(t)将具有三角级，准确地说为类似在磁化电感lm中流动的电流的频率分量，并且在on和off阶段期间的斜率将各自是先为正、然后为负，具有以下系数。

以及

因此，该方法包括步骤：

-通过测量在所述测量电阻rs的端处的电压vdc(t)来测量从所述转换器电路1输出的电流，

-通过具有增益器gdc的所述第二放大块30来放大和过滤所述电压的测量值vdc(t)，

-将从放大块30输入的波形v入dc(t)＝iled×rs×gdc通过所述光电耦合元件32传输到求和节点28。

按照通过乘积因子gdc和gac的预设大小而从求和节点28进行输出，可以获取波形vfb(t)＝vbac(t)+v输dc(t)，该波形与通过对在磁化电感lm中流动的电流进行直流测量所得到的波形完全相同，可以通过使用集成控制电路20以滞回的方式来控制本发明的转换器电路1的输出量度iled(t)的平均值，并且可以通过遵循已知类型的滞回控制方法将电压vfb(t)作为控制量度。

在本发明的实施例中，上述方法可以还包括在向求和节点28发送结果前，通过信号去耦级34，对从光电耦合元件32输出的电压测量值vdc(t)的放大以及过滤的结果进行去耦的步骤。

在本发明的另一个方面，开关转换器电路可以被用在连续导通模式(ccm)中。利用该方案，电流的rms值可以显著地被减小，因此改善了电磁干扰(emi)参数。

如本说明书开头所指出的，本发明的转换器电路1特别地适于作为led光源的电源的功率转换的第二级，或者输出级。特别地参考图3，led光源的电源40包括第一emi滤波器级50、第二主动重相级60以及根据本发明的电路转换器1。电源40连接在led光源70上。

更具体地，emi滤波器级50为被动滤波器，其使得电子设备能够响应于电磁兼容性的规则，并且包括由共模扼流圈lchoke和x类中的一对电容器cx所组成的滤波器π。

主动重相级60实施从正弦模(ac)到直流模(dc)的功率转换，同时保持功率因子(pf)和总谐波畸变(thd)接近理想值。总地来说，这是一种能够产生大约400伏受控电压连续输出的增强转换器。主动重相级60包括用于整流电网电压(pnt)的完整二极管桥62、用于过滤在转换期间产生的高频分量的第一电容cboost、以及mosfetqboost，所述mosfetqboost由集成电路icboost所控制，允许在on阶段(tonbosst)(即，在mosfetqboost接通的情况下)能够在电感lboost上进行能量聚集。

在off阶段(toffboost)(即，在mosfetqboost开路的情况下)，能量通过二极管dboost传递到第二电容celboost并传递到输出端。需要指出的是，集成电路icboost能够控制该能量传递，使得其从正弦模变为直流模，同时保持从电网中吸收的电流与电网电压之间的相移。

构成电源40的电力负载的led光源70包括一个或多个led72，并且需要低纹波直流电。

在本发明的另一个方面，可通过作用于开关时间比来改变输出中的受控量度的值(即，电流)。利用该方案，可以显著地改善输出中的电压动态。

尽管本发明的研发是特别相关于，但不限于，开关转换器电路(即，开关转换器)，特别地适于作为功率转换的第二级，或led光源的变压器的输出级，但本领域的技术人员应当容易地会将本发明的转换器电路1使用在不同的电子设备中，例如不同电负载的电源中，例如用于不同于光源和/或led光源的电气装置和/或电子装置。

所有的细节都能够由其他技术等同元件来替代。类似地，在不脱离下述权利要求的保护范围的情况下，所使用的材料以及其形状和大小可以根据需要为任意的。