專利名稱：功率變換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種功率變換器，其包括與感性元件相連接的DC輸入端，配置用于 以預(yù)定循環(huán)周期循環(huán)地中斷具有的感應(yīng)電流的開關(guān)，多個(gè)負(fù)載電路，以及在感性元件的 第一和第二輸出端之間具有多個(gè)并行通道的多路復(fù)用器；其中，每個(gè)通道包括所述負(fù)載 電路中的一個(gè)，并且多路復(fù)用器適用于使得通道依次周期性地產(chǎn)生感應(yīng)。更具體地說，本發(fā)明涉及一種可用作LED驅(qū)動器的功率變換器，尤其是適用于 用于照明目的的高亮度LED。
背景技術(shù)：
LED照明裝置(例如，如同傳統(tǒng)的燈泡那樣可通過擰入插槽而與電網(wǎng)連接的裝 置)可配備有白色LED、或者有色LED(例如傳統(tǒng)的基本色紅、綠和藍(lán)(RGB))的組 合。有色LED的組合在使用壽命方面優(yōu)于白色LED，并且還具有這樣的優(yōu)勢通過單獨(dú) 地控制不同顏色的強(qiáng)度，可以按需調(diào)整光源的色溫，并且可以很容易地補(bǔ)償由于老化而 造成的色溫偏差、以及LED的不同溫度特性。但是，有色LED的缺點(diǎn)在于，必須為不 同顏色配置單獨(dú)的電流控制的電源。當(dāng)然可以為每個(gè)顏色(即具有相同顏色并且可能被串聯(lián)或者并聯(lián)的每個(gè)LED組) 提供單獨(dú)的功率變換器。但是，這一解決方案相對昂貴，這是因?yàn)閷τ讷@取白光所需的 三種顏色需要至少三個(gè)功率變換器。另一個(gè)方案是提供具有多個(gè)次級繞組的變壓器，從而每個(gè)負(fù)載電路(LED組)可 連接至不同的一個(gè)次級繞組。但是，在這種情況下，額外的繞組導(dǎo)致不利的變壓器(尺 寸、成本、效率)，并且提供后置調(diào)節(jié)器的必要性進(jìn)一步降低了效率并增大了成本。又一 種替換方案是在變壓器的次級電路中將負(fù)載電路串行連接。但是，在這種情況下，必須 根據(jù)對效率、顏色和/或正向電壓的非常嚴(yán)格的分類(篩選)來選擇LED，或者每個(gè)負(fù)載 電路中需要附加裝置來單獨(dú)地控制每個(gè)輸出功率，這就增加了變壓器總體的復(fù)雜性和成 本，并且很難使輸出電路與潛在有害的電網(wǎng)電壓電隔離。US2006-072252A1以及WO 03/041254公開了起始段落中所表示的那種類型的 功率變換器，其中多路復(fù)用器將切換的感性元件所傳遞的每個(gè)能量包(energy packet)再 次劃分成將被傳遞給不同輸出端的多個(gè)部分。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種具有較低復(fù)雜度的、能夠以低成本制造的、并且 允許對多個(gè)負(fù)載電路進(jìn)行單獨(dú)功率控制的功率變換器。為了實(shí)現(xiàn)該目的，根據(jù)本發(fā)明的功率變換器的特征在于多路復(fù)用器具有切換周 期，所述切換周期是開關(guān)的預(yù)定循環(huán)周期的倍數(shù)。由于多路復(fù)用器允許感應(yīng)電流一次流 經(jīng)僅僅一個(gè)負(fù)載電路，所以傳遞至各個(gè)輸出電路的平均功率將取決于每個(gè)多路復(fù)用器周 期期間多路復(fù)用器將該輸出電路連接至感性元件的周期數(shù)。該周期數(shù)對應(yīng)于每單位時(shí)間傳遞至相應(yīng)輸出電路的能量包的數(shù)量。傳遞至各自的輸出電路的平均功率還取決于能量 包的能量含量，該能量含量繼而又由相應(yīng)周期中開關(guān)的“導(dǎo)通”時(shí)間所確定。結(jié)果就 是，可以利用簡單的低成本的裝置來精細(xì)地控制傳遞至每個(gè)相應(yīng)負(fù)載電路的輸出功率， 其中在各個(gè)負(fù)載電路之間共用感性元件和開關(guān)。由于感性元件是定制設(shè)計(jì)的手工制作的 元件，所以該元件是昂貴的，尤其是在其必須提供電網(wǎng)和輸出之間的安全隔離時(shí)。因 此，就成本和效率來說，只需要使用單個(gè)感性元件是具有巨大優(yōu)勢的。開關(guān)必須在線電 壓水平下工作。在較高頻率下切換相對高的峰值的高電流(從而保持感性元件的寸長較 小)也是昂貴的。并且，必須通過驅(qū)動電子裝置來控制開關(guān)。允許僅僅使用一個(gè)(初 級)開關(guān)的本發(fā)明由此實(shí)現(xiàn)了可觀的成本下降。而且，多路復(fù)用器不用再次劃分各個(gè)能 量包而是僅僅將整個(gè)能量包路由至不同輸出電路的這一事實(shí)實(shí)現(xiàn)了高控制精度、以及開 關(guān)損失的減少。多路復(fù)用的一個(gè)結(jié)果就是，更加非連續(xù)地將輸出功率傳遞給各個(gè)負(fù)載電 路，即以具有與多路復(fù)用周期相對應(yīng)的周期性的脈沖的形式。對應(yīng)的輸出電壓將是脈沖 形式或者周期的DC電壓，但是會根據(jù)各個(gè)負(fù)載電路中的并聯(lián)電容的存在而對其進(jìn)行平滑 處理。此外，當(dāng)功率變換器被用作LED驅(qū)動器時(shí)，多路復(fù)用周期可被選擇成足夠高以至 于實(shí)質(zhì)上沒有閃爍對于人眼是可見的，哪怕輸出電壓的波紋未被平滑處理掉。從屬權(quán)利要求中示出了本發(fā)明的更多具體的可選特征。這些特征涉及用于功率 變換器本身的控制裝置的簡單的電源、閃爍的進(jìn)一步降低、以及電網(wǎng)側(cè)的電能質(zhì)量的改 進(jìn)。


現(xiàn)在將結(jié)合附圖來解釋本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，其中圖1是根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的功率變換器的簡化電路示圖；圖2是圖示出在圖1所示的電路中出現(xiàn)的各種信號的波形的時(shí)序圖；圖3和圖4是圖示出不同多路復(fù)用方案的時(shí)序圖；圖5是圖示出變換器的另一可能的操作模式的時(shí)序圖；圖6是圖1所示的變換器的AC/DC變換器形成部分的更加詳細(xì)的示圖；圖7和圖8是圖示出圖6所示的AC/DC變換器的不同配置的輸入電壓和輸出電 流的波形的時(shí)序圖；圖9圖示出了圖1所示的電路的改型；以及圖10和圖11是圖示出本發(fā)明的另一實(shí)施例的電路示圖。
具體實(shí)施例方式圖1圖示出了用作紅色(R)、綠色(G)和藍(lán)色(B)的三個(gè)LED10、12、14的電 源的LED驅(qū)動器。雖然圖中針對每個(gè)顏色僅僅示出了單個(gè)LED，但是這些單個(gè)LED中 的每一個(gè)均可由包括串聯(lián)和/或并聯(lián)的多個(gè)同樣色的LED的網(wǎng)絡(luò)所取代。LED驅(qū)動器包括AC/DC變換器16以及DC/DC變換器18。AC/DC變換器16 具有例如通過手動操作的開關(guān)24與230V/50HZ的電網(wǎng)的端子20、22相連接的輸入側(cè)， 并且還包括與DC/DC變換器18的DC輸入端26相連接的輸出側(cè)。DC/DC變換器18的DC輸入端26連接至感性元件(在該情況下是變壓器TR)的第一初級端28，并且該變壓器的第二初級端30通過開關(guān)Tl接地，其中開關(guān)Tl閉合時(shí) 閉合了變壓器的初級電路。開關(guān)Tl例如可以是N溝道MOSFET。DC/DC變換器18具有由負(fù)載電路31、32和33形成的三個(gè)單獨(dú)控制的功率輸出 端，負(fù)載電路31、32和33中的每一個(gè)都作為用于LED 10、12、14中之一的具有例如9V 電壓的電源。負(fù)載電路31、32、33經(jīng)由相應(yīng)的二極管D 1、D2和D3并行地連接至變壓 器TR的第一次級端34，并且還連接至多路復(fù)用器36，多路復(fù)用器36選擇性地連接將負(fù) 載電路之一接地，由此連接至了變壓器TR的接地的第二次級端38。因此，每個(gè)負(fù)載電 路被包含在多路復(fù)用器36的三個(gè)并行通道Ml、M2、M3之一中?？刂齐娐?在該情況下由微控制器40形成控制電路)經(jīng)由控制線41控制開關(guān)Tl 和多路復(fù)用器36。在當(dāng)前示例中，假設(shè)DC輸入端26從AC/DC變換器16接收基本恒定的電壓 Up (大約310V)。在微控制器40的控制下，開關(guān)Tl以例如25kHz (對應(yīng)于40 μ s的循環(huán) 周期P)的頻率以及可控占空比D來斷開及閉合變壓器TR的初級電路，如圖2所示。不 管開關(guān)Tl何時(shí)閉合，變壓器的初級電流Ip都以正比于輸入電壓Up的一個(gè)速率開始從零增 大。當(dāng)開關(guān)Tl再次斷開時(shí)，與(UP*IP)在占空比(脈沖寬度)上的時(shí)間積分相對應(yīng)的能 量總和已經(jīng)被存儲在變壓器的磁場中?？稍谄胀ㄎ⒖刂破髦泻苋菀椎赜?jì)算該時(shí)間積分。當(dāng)磁場建立時(shí)，二極管Dl至D3以及另一二極管D4(將在后文描述)防止電流 流入變壓器的次級電路。但是，一旦開關(guān)Tl再次斷開并且負(fù)載電路之一(例如負(fù)載電路 31)通過多路復(fù)用器36接地，變壓器的磁場將消退，并且電流Is將開始流經(jīng)二極管D1、 負(fù)載電路31以及多路復(fù)用器36。負(fù)載電路31還包括與負(fù)載并聯(lián)(即與LED 10并聯(lián))的電容器Cl。從而，流經(jīng) 負(fù)載電路31的電流將首先被用來為電容器Cl充電，并且流經(jīng)LED 10的電流將與電容器 Cl上的電壓降的增大成正比地增大。這樣，如果多路復(fù)用器36的相應(yīng)通道保持導(dǎo)通，那 么在開關(guān)Tl的“閉合”脈沖期間存儲在變壓器中的整個(gè)能量包將被傳遞至負(fù)載電路31， 并且LED 10未消耗的能量包的部分將被存儲在電容器Cl中。將針對開關(guān)Tl的每個(gè)循 環(huán)周期重復(fù)該處理，并且確定了流經(jīng)LED 10的電流的電容器Cl上的電壓降將達(dá)到由開 關(guān)Tl的脈沖寬度所保持的均衡。上述處理適用于包括各自的電容器C2和C3的負(fù)載電路32、33的每一個(gè)。在例 如負(fù)載電路31的多路復(fù)用通道斷開(即，負(fù)載電流與端口 38斷開)的時(shí)間段中，電容器 Cl將經(jīng)由LED 10放電，并且一旦再次閉合多路復(fù)用通道，電容器Cl將再次充電。因 此，如果電容器Cl的電容足夠大，LED 10將被提供有基本恒定的電壓，而不管多路復(fù)用 器36的操作如何。流經(jīng)LED的平均電流以及LED 10的光強(qiáng)將由開關(guān)Tl的脈沖寬度和 由多路復(fù)用器的通道閉合時(shí)間段的持續(xù)時(shí)間所確定，所述脈沖寬度和所述通道閉合時(shí)間 段的持續(xù)時(shí)間兩者均可以由微控制器40所控制。當(dāng)然，這也適用于負(fù)載電路32、33以 及 LED 12、14。在大多數(shù)實(shí)際應(yīng)用中，提供給LED 10、12、14的(平均)輸出電壓和電流必須 互不相同，從而獲得正確的顏色混合，即期望的光源色溫。現(xiàn)在將參考圖3來描述相互 獨(dú)立地控制三個(gè)LED 10、12、14的輸出功率的第一個(gè)方法。圖3所示的第一波形42是微控制器40所輸出的信號的波形，并且第一波形42控制開關(guān)Tl。圖2中的其它波形44、46和48示出了多路復(fù)用器36的三個(gè)通道Ml、M2 和M3的“斷開”和“閉合”狀態(tài)的序列。出于圖示的目的，波形44-48中的每一個(gè)均被示出為具有360 μ s的持續(xù)期，這 對應(yīng)于波形42的9個(gè)循環(huán)周期以及多路復(fù)用器的一次完整切換周期。與負(fù)載電路31和 LED 10相關(guān)聯(lián)的第一通道Ml在波形42的前三個(gè)周期中是閉合的(導(dǎo)通的)，并且在剩 下的六個(gè)周期中是斷開的。通道M2在隨后的(第四到第六個(gè))三個(gè)切換周期中是閉合 的，即其“閉合”時(shí)期的持續(xù)時(shí)間與通道Ml的閉合持續(xù)時(shí)間相同。于是，負(fù)載電路31 和32接收相同的平均能量，并且該示例中的紅色和綠色LED 10和12將被相同的功率所 驅(qū)動(因此，如果LED具有相同的正向電壓，則具有相等的平均電流)，如圖2中的恒定 曲線50、52所示。相反，多路復(fù)用器的第三通道M3僅在360μ s的時(shí)間間隔中的兩個(gè) (第七和第八)周期中閉合，所以提供給藍(lán)色LED 14的平均電流將是提供給LED 10和12 的平均電流的三分之二。該平均電流由圖3中的恒定曲線54所表示。因此，在該示例中，多路復(fù)用器的每個(gè)周期將包括序列“RRRGGGBB0”，其 中R、G和B分別代表傳遞給紅色、綠色和藍(lán)色LED的能量包，“0”表示代表根本未 被傳遞的能量包。作為另一示例，圖4示出了用于通道M1-M3的修改了的波形44，-48’，這些 波形可實(shí)現(xiàn)與圖3中的LED相同的相對強(qiáng)度。不同之處在于，在圖4中，多路復(fù)用器的 每個(gè)周期包括序列“RGBRGBRG0”。其中能量包在多路復(fù)用器周期上均勻擴(kuò)散的模式 將在輸出端中產(chǎn)生遠(yuǎn)遠(yuǎn)更小且更頻繁的波紋(因此對于濾波器來說更便宜)。如這些簡化的示例所示，通過確定其中多路復(fù)用器36的對應(yīng)通道Ml、M2、 M3閉合的開關(guān)Tl的脈沖數(shù)量，可單獨(dú)地控制紅色、綠色和藍(lán)色的LED 10、12、14的亮 度?？傊?，多路復(fù)用器的周期是開關(guān)Tl的循環(huán)周期的η倍(η為整數(shù))。在實(shí)際的實(shí)施 方式中，多路復(fù)用器36的周期將顯著地大于360 μ s (9個(gè)脈沖)，并且可能是例如對應(yīng)于 開關(guān)Tl的1000個(gè)脈沖的40ms。從而，當(dāng)然可以在非常精細(xì)的(即準(zhǔn)連續(xù)的)步驟中改 變?nèi)齻€(gè)輸出端的功率分布。但是，40ms的多路復(fù)用周期對應(yīng)于25Hz的重復(fù)頻率，該重 復(fù)頻率仍足夠高以防止LED的任意閃爍對于人眼來說是可視的，即使在輸出電壓(電容 器C1-C3的電壓降)不是完全恒定時(shí)。可以注意到的是，多路復(fù)用器36的重復(fù)周期可包括其中三個(gè)通道M1-M3中的 任何一個(gè)都沒有閉合的一些脈沖。在圖3所示的示例中，360 μ s的周期中的第九個(gè)脈沖 以及最后一個(gè)脈沖就是這種情況。該循環(huán)周期期間或者該循環(huán)周期之后，變壓器TR的次 級電流流經(jīng)二極管D4，并且對與之串行連接的電容器C4進(jìn)行充電。因此，通過提供足 夠數(shù)量的脈沖(其中多路復(fù)用通道均斷開)，其電容值相對于電容器C1-C3來說足夠小的 電容器C4可保持為充有電的狀態(tài)，盡管負(fù)載電路56與之并聯(lián)。微控制器40具有與電容器C4的正側(cè)相連的監(jiān)控輸入端Μ，并且微控制器40被 編程來控制其中多路復(fù)用器的所有通道均斷開的脈沖的數(shù)量，使得該數(shù)量足夠大到能夠 將二極管D4和電容器C4之間的一個(gè)點(diǎn)處的電壓保持為至少10V。在此情況下，負(fù)載電 路56是已知的分壓器電路，其可包括齊納二極管等，并且可被用來將IOV電壓轉(zhuǎn)換成5V 的穩(wěn)定電壓以作為微控制器40的電源。因此，根據(jù)本發(fā)明的功率變換器不僅提供了三個(gè) 可單獨(dú)控制的DC電壓輸出，而且提供了用于其本身的控制裝置的DC電源。
如圖1所進(jìn)一步示出的，振蕩電路58連接至DC輸入端26，并且其輸出端經(jīng)由 例如DiAc(未示出)連接至開關(guān)Tl的柵極。緊接著手動操作的開關(guān)24閉合以后，微控 制器40缺失了電源，不工作。隨后，振蕩電路58將提供用于控制開關(guān)Tl的脈沖(具有 未控制的占空比)。由于微控制器不工作，所以多路復(fù)用器36的所有通道都斷開，并且 整體輸出功率被用來對電容器C4充電。一旦電容器C4達(dá)到必須的電壓10V，微控制器 40開始工作，并且支配(overrule)振蕩電路58以利用限定的占空比來控制開關(guān)Tl，并控 制多路復(fù)用器36。如圖1所進(jìn)一步示出的，二極管D5連接在二極管D4的陰極和Dl的陰極之間。 在功率變換器的正常工作期間，該二極管D5將截止，這是因?yàn)殡娙萜鰿4的電壓(IOV) 將大于電容器Cl、C2和C3任一個(gè)的電壓。但是，當(dāng)手動操作的開關(guān)24斷開并且DC 輸入端26的電壓迅速下降時(shí)，電容器C4將經(jīng)由分壓器56放電，并且一旦其電壓降低至 電容器Cl的電壓以下，電流將流經(jīng)二極管D5，電容器C4的進(jìn)一步放電將重新開始，直 到電容器Cl也被放電。于是，微控制器40在開關(guān)24已經(jīng)斷開以后仍然能夠工作一兩秒鐘。該功能可 被用來例如，通過很快地?cái)嚅_開關(guān)24并隨后在微控制器停止工作之前閉合開關(guān)24，來向 微控制器40發(fā)送指令。微控制器40可被編程來(經(jīng)由輸入端M)檢測電源的該簡短斷 路，以及將其解釋為使其切換至不同工作模式(例如針對LED 10、12、14的另一變暗模 式)的控制信號。如果開關(guān)24保持?jǐn)嚅_更長時(shí)間，微控制器40停止工作，并且當(dāng)通過 振蕩電路58執(zhí)行新的啟動時(shí)，微控制器再次開始其缺省模式。微控制器的監(jiān)控輸入端M還可被用來檢測其中輸出電路之一由于例如LED缺失 或壞了而斷開的情況，并用來關(guān)斷變換器以保護(hù)電容器不被破壞。當(dāng)出現(xiàn)這一情況時(shí)， 相應(yīng)電容器Cl、C2或C3的電壓降將增大，這是因?yàn)殡娙萜鞑荒茉俜烹?。于是，輸?端M的電壓也將增大，并且當(dāng)超過+ IOV —個(gè)特定量時(shí)，將被認(rèn)為是輸出電路被中斷的指 示?，F(xiàn)在將參考圖5來描述圖1所示的功率變換器的操作的另一可能模式。圖5中的波形60表示了開關(guān)Tl的狀態(tài)。出于圖示說明的目的，多路復(fù)用器36 的周期被假設(shè)為400 μ S，S卩，其覆蓋了波形60的十個(gè)循環(huán)周期。如波形62、64和66所 示，通道Ml、M2和M3的每一個(gè)均閉合相同長度的時(shí)間段，該時(shí)間段覆蓋了開關(guān)Tl的 三個(gè)周期。因此，在該實(shí)施例中，輸出電路31、32、和33中的每一個(gè)接收類似數(shù)量的能 量包。但是，當(dāng)用于藍(lán)色LED 14的通道M3閉合時(shí)，微控制器40以更短的占空比來操 作開關(guān)Tl，從而傳遞給輸出電路33的能量包更小，這就造成了一方面針對LED 10及12 與另一方面針對LED 14的不同平均輸出電流。當(dāng)然，圖3、圖4和圖5所圖示的設(shè)計(jì)可彼此結(jié)合以精確地控制變換器的輸出電壓。微控制器40改變開關(guān)Tl的占空比的能力還可用于其它目的。為了對此予以說 明，圖6示出了可被用作圖1所示的變換器16的典型AC/DC變換器的電路示圖。該變 換器包括輸入電容器C6、(可熔)電阻器R6、二極管橋68以及輸出電容器C7。如果電 容器C7具有高電容，將極大地平滑傳遞給DC輸入端26的輸出電壓，即電容器C7將保 持基本恒定的充電水平。
因?yàn)?，為了使充電電流流?jīng)二極管橋68，端口 20或端口 22與器件(電容器C7 的負(fù)極)的接地電壓之間的電壓降必須大于電容器C7兩端的基本恒定的電壓降。對于 AC/DC變換器16的輸入側(cè)以及由此對于與之連接的電網(wǎng)，產(chǎn)生了具有圖7的上部圖形所 示的大體形狀的波形70。圖7的下部圖形示出了 DC輸入端26處的電壓U的相應(yīng)波形 72?？梢钥闯觯妷篣的波形72基本恒定，僅僅顯示出了很小的波紋74。但是，圖7所示的電流波形70就電網(wǎng)的電能質(zhì)量來說是不受歡迎的，這是因?yàn)?提供商很難保持電網(wǎng)電壓的基本正弦波形。這就是為什么能源供應(yīng)商建立了標(biāo)準(zhǔn)的原 因，該標(biāo)準(zhǔn)適用于具有大于特定限值的功耗的所有裝置的、并且禁止波形70所示類型的 波形。并且，當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)TRIAC類型的調(diào)光器可被用來使得被該功率變換器所驅(qū)動的LED光 源變暗，該類型的波形可能包含了損壞調(diào)光器的風(fēng)險(xiǎn)。為了避免上述問題，可以在根據(jù)本發(fā)明的功率變換器中使用具有如相對更低的 電容的電容器作為輸出電容器C7。那么，該電容器將在電網(wǎng)電壓的每個(gè)半循環(huán)周期期間 完全放電。圖8的上部示出了所得到的電流波形76?？梢钥闯觯摬ㄐ胃愃朴谡仪?線，因此滿足有關(guān)質(zhì)量鑒定規(guī)程(reglementation)。但是，另一方面，輸出電壓U的相應(yīng) 波形78遠(yuǎn)不會恒定，如圖8的下部所示。當(dāng)具有波形78的電壓被提供給AC/DC變換器18的DC輸入端26、并且開關(guān)Tl 以恒定占空比(圖3所示)工作時(shí)，那么提供給負(fù)載電路31、32和33的能量包的含量將 取決于電壓U的瞬時(shí)值，并且相應(yīng)LED的平均亮度將根據(jù)波形78的振蕩與多路復(fù)用周期 的振蕩之間的相位關(guān)系而以長周期地改變。通過與電壓U的波動(如波形78所示)同步地改變開關(guān)Tl的占空比，可避免 上述不期望的效應(yīng)。如圖1所示，同步電路80被提供用于使微控制器40與AC/DC變換器16同步。 這是相當(dāng)容易的，例如，當(dāng)多路復(fù)用周期(在一個(gè)實(shí)用實(shí)施例中為40ms)等于電網(wǎng)電壓周 期(20ms)或者是其整數(shù)倍時(shí)。隨后，對于被微控制器40傳遞給開關(guān)Tl的每個(gè)控制脈 沖，電壓U的瞬時(shí)值是已知的，并且能量在變壓器中的累積可被計(jì)算為時(shí)間的函數(shù)。由 此，可變占空比以及多路復(fù)用模式(所有線路同步)可被預(yù)先確定，從而使得變壓器在每 個(gè)脈沖期間接收相同的能量，而無論電壓U的瞬時(shí)值如何。換言之，微控制器40被用來 補(bǔ)償提供至DC輸入端26的電壓的波動。類似地，微控制器可被用來檢測并補(bǔ)償由于端子20、22處的AC電壓的波動而 造成的DC電壓的波動。 在提供給DC輸入端26的電壓基本恒定而僅僅顯示微小的波紋74時(shí)(如圖7所 示)，AC/DC變換器和微控制器40之間的同步也是有用的。于是，同步防止了這些波 紋74干擾多路復(fù)用器36的周期性。在圖1所示的示例中，變換器是一個(gè)隔離的功率變換器，其中變壓器TR的初級 側(cè)上的輸入接地Gi與次級側(cè)的輸出接地Go相隔離。在這種情況下，變壓器TR是一個(gè) 隔離的變壓器，并且同步電路80是高阻的差分同步器。并且，微控制器40經(jīng)由隔離的 驅(qū)動器82控制開關(guān)Tl。多路復(fù)用器36優(yōu)選地由N溝道MOSFET開關(guān)形成，微控制器40可經(jīng)由單端信 號來控制N溝道MOSFET，從而不需要電平移動，也不需要差分放大器(高端驅(qū)動器)。在這種情況下，本發(fā)明的一個(gè)重要特征在于，對于輸出電路中的每一個(gè)，二極管(例如 D1)、輸出電路(例如31)以及多路復(fù)用器36被布置成在二極管所確定的電流流動方向上 看到的順序。由于采用了并行多路復(fù)用的原理，所以可以在負(fù)載電路31-33中連接諸如電容 器Cl、C2和C3之類的并聯(lián)電容。這些并聯(lián)電容產(chǎn)生了通過LED的幾乎純直流電流， 而不管具體的能量包如何。在圖2所示的示例中，變換器在非連續(xù)模式下工作，這就意味著，在開關(guān)Tl的 每個(gè)循環(huán)周期P中，次級電流Is在下一個(gè)脈沖出現(xiàn)之前具有足夠的時(shí)間來下降至零。與 連續(xù)模式相比，具有這樣的優(yōu)勢次級電流Is具有清晰脈沖或能量包的形狀，它們均具 有明確定義的能量含量，并且以零電流時(shí)間間隔相分離。優(yōu)選地，如圖3所示，例如， 多路復(fù)用器的通道在開關(guān)Tl閉合的這些時(shí)間段中被接通或關(guān)斷。從圖2可以看出，這些 時(shí)間段對應(yīng)于次級電流IsS零的時(shí)間段。所以，開關(guān)損失可以最小化并且多路復(fù)用器通 道的準(zhǔn)確切換時(shí)刻不是關(guān)鍵，只要它們處于所述零電流時(shí)間間隔中。圖2的最下面的示圖示出了開關(guān)Tl上的電壓降UT，包括電壓峰值以及由電路中 的雜散電感和雜散電容所造成的振蕩。具體地說，電壓振蕩在次級電流Is再次達(dá)到零電平時(shí)產(chǎn)生。通過采用所謂的谷 值切換原理可以實(shí)現(xiàn)切換損失的有效降低，谷值切換原理意味著開關(guān)Tl在電壓振蕩最小 時(shí)的那一瞬間(即圖2的時(shí)間tl)閉合(但是圖2所示的示例并沒有使用該原理)。另一方面，如果有必要獲取每個(gè)輸出電流脈沖或能量包的精確定義的能量含 量，建議的方式是在電壓Ut的振蕩實(shí)際上衰減至零時(shí)閉合開關(guān)Tl，從而電流Ip在下一個(gè) 脈沖中的上升不會被電壓波動所影響。在LED的強(qiáng)度將被直接控制、并且不提供反饋控 制時(shí)，圖2的示例中所采用的這一原理尤其合適。通過與開關(guān)Tl并聯(lián)地連接例如RC網(wǎng) 絡(luò)之類的合適的減振電路(有源減振器或無源減振器)，可加速電壓Ut的振蕩的減振。圖9圖示了一種對圖1所示的電路的可能補(bǔ)償，用于實(shí)現(xiàn)用于風(fēng)扇84的小型風(fēng) 扇驅(qū)動的功能，風(fēng)扇84用于冷卻LED 10、12、14。風(fēng)扇84的電源正端經(jīng)由與二極管 D1-D3和負(fù)載電路31、32、33并聯(lián)的二極管D6和電阻器Rl而連接至晶體管的第一次級 端34。風(fēng)扇84的電源負(fù)端經(jīng)由相應(yīng)的二極管D7、D8和D9而連接至LED 10、12、14 中的每一個(gè)的負(fù)端，并且電容器C8與風(fēng)扇84并聯(lián)。因此，在某種意義上，包括風(fēng)扇84的電路形成了變換器的另一負(fù)載電路，這個(gè) 另一負(fù)載電路的特征在于，該電路的負(fù)側(cè)不是直接連接至多路復(fù)用器，而是連接至LED 的負(fù)端。這存在這樣的影響，即，電容器C8兩端的電壓降(以及從而風(fēng)扇84的驅(qū)動功 率)正比于LED10、12、14中的每一個(gè)的兩端的電壓降的均值的最大值。從而，風(fēng)扇的 冷卻功率與被最大功率所驅(qū)動的LED所產(chǎn)生的熱量成正比地改變。上述功率變換器特別適合用作LED驅(qū)動器，其允許對不同LED顏色的強(qiáng)度進(jìn)行 單獨(dú)控制。當(dāng)然，該功率變換器的使用并不限于三種LED顏色。變換器可具有四個(gè)或 者更多輸出端，用于控制多于三種顏色的LED，例如RBGA(A=黃褐色)，從而豐富光 譜?？珊苋菀椎貙?shí)現(xiàn)每個(gè)輸出端的單獨(dú)反饋控制，從而自動地補(bǔ)償由于LED老化或者環(huán) 境影響(尤其是LED溫度)而引起的強(qiáng)度、色溫等的偏移。另一方面，即使不提供反 饋控制，彼此對照地精確調(diào)節(jié)LED 10、12、14的強(qiáng)度的可能性實(shí)現(xiàn)了精度要求的極大降低，從而“篩選” LED的成本極大降低。但是，所述功率變換器并不限于該應(yīng)用，而是可以用于其它目的，例如作為PC 或其它電子設(shè)備的電源。此外，變換器不是必須如實(shí)施例所示的那樣與AC/DC變換器 16相結(jié)合，而是還可以是一個(gè)獨(dú)立的DC/DC變換器。將注意到，已經(jīng)在圖1中示出的變換器具有反激式(fly-back)變換器的拓?fù)浣Y(jié) 構(gòu)。實(shí)際上，反激式變換器的所有已知的設(shè)計(jì)修改同樣適用于根據(jù)本發(fā)明的變換器。而 且，本發(fā)明并不限于反激式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，而是可以是類似地應(yīng)用至其它變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。 圖10圖示了 DC/DC變換器的示例，其中所有負(fù)載電路具有公共負(fù)極。其中，在圖1和圖9所示的實(shí)施例中，LED的負(fù)端的平均電壓是彼此獨(dú)立地“懸 浮”的，圖10示出了并聯(lián)的負(fù)載電路具有公共極點(diǎn)的DC/DC變換器的實(shí)施例。其優(yōu)勢 在于，可很容易地對輸出電壓進(jìn)行測量和反饋控制，而無需差分放大器。圖10所示的變換器將例如12V的輸入電壓轉(zhuǎn)換成負(fù)載電路31、32、33上的單 獨(dú)控制的例如0-24V的輸出電壓。DC輸入端26在這種情況下是由電池86的負(fù)極所形 成，并且包括負(fù)載(由電阻器表示)和并聯(lián)電容器的所有負(fù)載電路的一端直接連接至電池 86的負(fù)極。在這種情況下，感性元件由單個(gè)電感器(線圈)L1所形成，電感器Ll的第 一(輸入和輸出)端34連接至二極管D1-D3，并且經(jīng)由開關(guān)Tl連接至電池86的負(fù)極， 而第二(輸入和輸出)端38連接至電池的正極以及負(fù)載電路31-33的公共極點(diǎn)。多路復(fù)用器36的每個(gè)通道包括連接在二極管D1-D3之一與負(fù)載電路之一之間的 P溝道MOSFET PI、P2、P3。每個(gè)P溝道MOSFET的柵極被電阻器R7、R8和N溝道 MOSFET NU N2、N3所控制，N溝道MOSFETN1、N2、N3由微控制器40直接控制。 因此，在這種情況下，電平偏移被用來控制多路復(fù)用器。圖10所示的設(shè)計(jì)利用了相對便宜的單個(gè)感性元件而不是變壓器，該設(shè)計(jì)允許將 輸出電壓控制在輸入電壓之下。不需要差分放大器。圖11圖示了變換器的示例，其中輸出電路的一些提供相對于公共接地端的正輸 出電壓，而其它提供相對于公共接地端的負(fù)輸出電壓。在這種情況下，感性元件還是變壓器TR’，但是變壓器TR’在次級繞組中具 有中央抽頭。該中央抽頭形成了第二輸出端38，并且作為用于所有負(fù)載電路的公共接地 端，在圖11中，所有負(fù)載電路僅由兩個(gè)負(fù)載電路31、32所表示。負(fù)載電路31(以及未示 出的幾個(gè)其它負(fù)載電路)提供了正輸出電壓，并且處于變換器的正分支中，而負(fù)載電路 32 (以及未示出的幾個(gè)其它負(fù)載電路)提供了負(fù)輸出電壓，并且處于變換器的負(fù)分支中。正分支中的多路復(fù)用器通道Ml包括二極管Dl和負(fù)載電路31之間的P溝道 MOSFET P11。經(jīng)由電阻器R9、RlO和N溝道MOSFET Nll控制柵極，N溝道MOSFET Nll由微控制器40直接控制。相反，負(fù)分支中的多路復(fù)用器通道M2包括負(fù)載電路32和 二極管D2之間的N溝道MOSFET Nl2。經(jīng)由P溝道MOSFET P12和電阻器Rll、Rl2 控制該MOSFET的柵極。MOSFET P12的柵極由微控制器40的輸出直接控制，并且源 極連接至恒定的正電壓V+，例如用于微控制器40的驅(qū)動電壓，從而P溝道MOSFET P12 在微控制器輸出零電壓時(shí)變得導(dǎo)通。
權(quán)利要求
1.一種功率變換器，包括與感性元件(TR; Li)相連接的DC輸入端(26)，用于以預(yù) 定周期來周期性地中斷感應(yīng)電流的開關(guān)(Tl)，多個(gè)負(fù)載電路(31，32，33)，以及多路復(fù) 用器(36)，多路復(fù)用器具有位于感性元件(TR)的第一和第二輸出端(34，38)之間的多 個(gè)并行通道(Ml，M2，M3)，其中每個(gè)通道包括負(fù)載電路(31，32，33)中的一個(gè)，并且 多路復(fù)用器用于使通道依次周期性地導(dǎo)通，其特征在于，多路復(fù)用器具有切換周期，所 述切換周期是開關(guān)(Tl)的預(yù)定的循環(huán)周期的倍數(shù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的功率變換器，其中，感性元件是變壓器(TR； TR')，其中 開關(guān)(Tl)位于所述變壓器的初級側(cè)，輸出電路(31，32，33)位于所述變壓器的次級側(cè)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的功率變換器，其中，所述變壓器(TR)是隔離的。
4.根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的功率變換器，包括控制器(40)，用于控制多路復(fù)用 器(36)，從而通過確定與各個(gè)負(fù)載電路相關(guān)的多路復(fù)用器的通道(Ml，M2，M3)導(dǎo)通所 針對的開關(guān)(Tl)在每個(gè)多路復(fù)用周期中的循環(huán)周期數(shù)，來控制負(fù)載電路(31，32，33)的 輸出功率。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的功率變換器，其中，控制器(40)用于控制開關(guān)(Tl)以在非 連續(xù)模式下操作變換器，并控制多路復(fù)用器(36)以便在感應(yīng)電流為零的時(shí)間段中從一個(gè) 通道切換至另一通道。
6.根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的功率變換器，其中，控制器(40)用于控制多路復(fù)用器 (36)以便在開關(guān)(Tl)的每個(gè)循環(huán)周期之后從一個(gè)通道切換至另一通道。
7.根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的功率變換器，包括控制器(40)，用于控制多路復(fù)用 器(36)和開關(guān)(Tl)，并用于根據(jù)識別出多路復(fù)用器的通道(Ml，M2，M3)針對哪個(gè)負(fù) 載電路(31，32，33)導(dǎo)通，來改變開關(guān)(Tl)的占空比(D)。
8.根據(jù)權(quán)利要求4至6之一所述的功率變換器，包括AC/DC變換器(16)，用于將AC 電壓轉(zhuǎn)換成將要提供給DC輸入端(26)的DC電壓，并且還包括用于同步控制器(40)和 AC電壓的同步電路(80)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的功率變換器，其中，控制器(40)用于改變開關(guān)(Tl)的占空 比(D)從而補(bǔ)償DC電壓的波動。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的功率變換器，其中，AC/DC變換器(16)用于將周期性波 動的DC電壓提供給DC輸入端(26)，并且控制器(40)用于周期性地改變開關(guān)(Tl)的占 空比(D)。
11.根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的功率變換器，包括用于控制開關(guān)(Tl)和多路復(fù)用器 (36)的控制裝置(40)，以及與其它負(fù)載電路(31，32，33)并聯(lián)的另一負(fù)載電路(56)，所 述另一負(fù)載電路直接連接至感性元件的第二輸出端(38)并提供用于控制裝置(40)的工作 電壓。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的功率變換器，包括振蕩器(58)，用于在變換器的啟動階 段控制開關(guān)(Tl)，直到另一負(fù)載電路(56)為控制裝置(40)提供足夠的工作電壓。
13.根據(jù)權(quán)利要求11或12所述的功率變換器，其中，與多路復(fù)用器(36)相連接的負(fù) 載電路(31，32，33)中的至少一個(gè)包括作為負(fù)載的LED (10)、以及與所述LED并聯(lián)的電 容器(Cl)，所述電容器(Cl)經(jīng)由二極管(D5)連接至另一負(fù)載電路(56)，從而當(dāng)DC輸 入端(26)處的電壓下降時(shí)電容器(Cl)可放電并保持控制裝置(40)工作一段特定時(shí)間。
14.根據(jù)權(quán)利要求11-13之一所述的功率變換器，其中，控制裝置(40)用于監(jiān)控提供 給另一負(fù)載電路(56)的電壓，從而檢測其中負(fù)載電路(31，32，33)中的至少一個(gè)被中斷 的情況。
15.根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的功率變換器，其中，負(fù)載電路中的至少一個(gè)包括作 為負(fù)載的風(fēng)扇(84)，風(fēng)扇與至少一個(gè)其它負(fù)載電路(31，32，33)的懸浮端一起連接至多 路復(fù)用器(36)，從而風(fēng)扇(84)的功率取決于至少一個(gè)其它負(fù)載電路的功耗。
全文摘要
一種功率變換器，包括與感性元件(TR)相連接的DC輸入端(26)，用于以預(yù)定周期來周期性地中斷感應(yīng)電流的開關(guān)(T1)，多個(gè)負(fù)載電路(31，32，33)，以及多路復(fù)用器(36)，多路復(fù)用器具有位于感性元件(TR)的第一和第二輸出端(34，38)之間的多個(gè)并行通道(M1，M2，M3)，其中每個(gè)通道包括負(fù)載電路(31，32，33)之一，并且多路復(fù)用器用于使通道依次周期性地導(dǎo)通，多路復(fù)用器具有切換周期，所述切換周期是開關(guān)(T1)的預(yù)定周期的倍數(shù)。
文檔編號H05B33/08GK102017381SQ200880128771
公開日2011年4月13日 申請日期2008年4月25日 優(yōu)先權(quán)日2008年4月25日
發(fā)明者J·H·席杰夫林, 簡·萬納, 緬諾·卡多盧斯 申請人:動力研究電子股份有限公司