專利名稱:用于光源或需要受控供電電流的負(fù)載的開關(guān)電源系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及用于光源、特別地用于LED功率二極管的電源系統(tǒng),或更一般地涉及用于需要受控供電電流的負(fù)載的電源系統(tǒng)。
背景技術(shù):
近年來,LED功率二極管已經(jīng)出現(xiàn)在市場上,其在照明方面例如街燈方面可以找到可能的使用。這樣的功率二極管是供電電流高達(dá)1. 5A、額定工作電壓大約3. 5的照明源。關(guān)于用于這樣的應(yīng)用的電源,LED 二極管需要受控的恒定電流,其影響亮度和色溫。這些LED的特別顯著的特征是它們的大約50,000-100,000小時(shí)的長使用壽命,這實(shí)現(xiàn)持久耐用且維修成本低的照明裝置。需要用于這樣的LED 二極管的、將具有與該LED 二極管的工作壽命相似的工作壽命的電源系統(tǒng)。然而,該目標(biāo)實(shí)現(xiàn)起來并不簡單。例如,在公共/街道照明的特定場合,電源系統(tǒng)必須由公共電網(wǎng)提供、在戶外使用,并且因此要遭受諸如溫度、電壓峰值、雷擊、機(jī)械應(yīng)力等的應(yīng)激狀況。仍然參考公共/街道照明的特定方面,在某些公共照明系統(tǒng)中,需要對每個(gè)照明裝置的激活和去激活的遠(yuǎn)程控制、為節(jié)能原因而進(jìn)行的亮度調(diào)節(jié)以及為診斷或其它原因而對運(yùn)行數(shù)據(jù)的收集。用于達(dá)到這些目的的一種越來越普遍技術(shù)是使用電力線調(diào)制解調(diào)器(PLM),即使用照明裝置的相同電源線作為物理載體的用于接收和發(fā)送數(shù)據(jù)的調(diào)制解調(diào)器。這種技術(shù)具有明顯的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢。參考圖1,圖1示出了具有LED 二極管2的照明裝置1的功能性框圖,上述技術(shù)的問題在于PLM調(diào)制解調(diào)器3的收發(fā)器端口和二極管2的供電和開關(guān)系統(tǒng)4的輸入端是重合的。實(shí)際上,它們并聯(lián)連接以便由電網(wǎng)電壓Vac供電。而且,電源系統(tǒng)4在工作于開關(guān)模式下時(shí),在開關(guān)和相應(yīng)的諧波的激勵(lì)下會以其開關(guān)頻率和諧波以及系統(tǒng)中的寄生諧振電路的振蕩頻率發(fā)射出電噪聲。而且,同時(shí)存在的不同頻率處的諧波會產(chǎn)生交叉調(diào)制效應(yīng),這會產(chǎn)生進(jìn)一步的諧波分量。PLM調(diào)制解調(diào)器3所使用的頻帶內(nèi)的該電噪聲的諧波可能破壞所傳輸?shù)男盘柣蛘吒愀獾氖瞧茐乃邮盏男盘?由于其被傳播路徑衰減,因此其具有更低的振幅)。為避免這種情況,有必要提供濾波器5、6,濾波器5、6使電源系統(tǒng)4通過輸入端后向注入的噪聲以及從PLM調(diào)制解調(diào)器3的輸入端進(jìn)入的噪聲最小化。還有必要使開關(guān)電源系統(tǒng)4與PLM調(diào)制解調(diào)器3之間的直接耦合最小化。附圖2示出了用于向功率LED 二極管2供電的已知技術(shù)的電源系統(tǒng)4的功能性框圖。電源系統(tǒng)4包括PFC(功率因數(shù)校正器)預(yù)調(diào)節(jié)器5,以便從電網(wǎng)接收和電力網(wǎng)電壓Vac同相的基本上正弦的電流。典型地,PFC預(yù)調(diào)節(jié)器5由升壓變換器組成,用于以經(jīng)整流的電網(wǎng)電壓Vac起動,在輸出電容8上產(chǎn)生幾乎連續(xù)的電壓。電源系統(tǒng)4還包括直流直流(DC-DC)變換器6,用于將PFC預(yù)調(diào)節(jié)器5的輸出電壓 Vin變換成連續(xù)的電壓Vott (該連續(xù)的電壓Vott具有用于為LED 二極管組供電的合適的值), 同時(shí)提供安全調(diào)節(jié)所需要的隔離。同樣由于安全原因,經(jīng)常需要輸出電壓Vtm不高于60V, 即使在故障狀態(tài)下也是如此,以便符合SELV(特低電壓安全)規(guī)范。典型值為48V。在開關(guān) 電源系統(tǒng)4中還提供有反饋控制環(huán)8、9,它們和DC-DC變換器6相關(guān)聯(lián),以便關(guān)于負(fù)載吸收 的可變電流和輸入電壓Vin將輸出電壓Vott保持在指定值。對于DC-DC變換器6可以使用 各種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu);然而,為得到最大可能的轉(zhuǎn)換效率,采用諧振DC-DC變換器6。開關(guān)電源系統(tǒng)4還包括一個(gè)或多個(gè)電流調(diào)節(jié)器7,每個(gè)電流調(diào)節(jié)器和相應(yīng)的串聯(lián) 連接LED 二極管的串相關(guān)聯(lián),各LED 二極管串相互并聯(lián)。使用各種并聯(lián)LED 二極管串的原 因是,在48V的電壓條件且使用普通IA的LED的情況下,不可能提供超過大約50W的功率, 而在街道照明的情況下,經(jīng)常需要更高的功率水平(高至150-200W)。為達(dá)到這種功率水 平,因此有必要提供多個(gè)串聯(lián)連接LED 二極管的并聯(lián)串。然而,每個(gè)LED 二極管串上的壓降 相對于制造誤差可顯著變化。因此,如果這些LED 二極管串直接并聯(lián)連接到DC-DC變換器6 的輸出端,則顯示出最低壓降的串將吸收DC-DC變換器6提供的所有功率,而其它的串將保 持?jǐn)嚅_。這顯然是不可接受的;為提供統(tǒng)一的照明,對于所有的LED 二極管串,LED 二極管 的電流必須相同。為達(dá)此目的,為每個(gè)串提供電流調(diào)節(jié)器7。這不僅將電流調(diào)整到期望值, 還充當(dāng)“阻尼器”,消減DC-DC變換器6提供的電壓和每個(gè)串的兩端所存在的電壓之間的差。參見附圖3,這種電流調(diào)節(jié)器7是例如由非隔離開關(guān)變換器和反饋電流控制環(huán)組 成。圖3中的電流調(diào)節(jié)器7例如配置有以固定頻率的且具有PWM調(diào)制(脈寬調(diào)制)的單片 調(diào)節(jié)器10 (即,控制部分和功率部分都在同一板上)。在圖3的例子中,單片調(diào)節(jié)器10是 Stmicroelectronics公司生產(chǎn)的集成電路,且作為型號L6902D出售。在圖3中,附圖標(biāo)記 11代表5個(gè)LED 二極管2的串,而端子12是圖2中的DC-DC變換器6的輸出端。用于照明裝置或設(shè)備內(nèi)的上述類型的現(xiàn)有技術(shù)電源系統(tǒng)4在配備有與PLM調(diào)制解 調(diào)器3進(jìn)行通信的通信系統(tǒng)時(shí),有下面所述的一些缺點(diǎn)。用于管理預(yù)期功率水平的升壓PFC預(yù)調(diào)節(jié)器5利用以下控制技術(shù),該控制技術(shù)使 得其開關(guān)頻率能夠隨著一定數(shù)值范圍內(nèi)的瞬時(shí)電網(wǎng)電壓而及時(shí)變化,該數(shù)值范圍取決于電 網(wǎng)有效電壓及負(fù)載兩者。幾乎不可能保證基波成分和其任何諧波都不落在PLM調(diào)制解調(diào)器 3的傳輸帶中。在DC-DC變換器6為諧振變換器的特定情況下,通過根據(jù)輸入電壓和負(fù)載改變頻 率來獲得對輸出電壓Vott的調(diào)節(jié)。在電源系統(tǒng)4中,由于DC-DC開關(guān)變換器6的輸入電壓 是由PFC預(yù)調(diào)節(jié)器5輸出的電壓,因此根據(jù)輸入電壓變化的工作頻率受到限制但非零,這是 因?yàn)樵陬A(yù)調(diào)節(jié)器5的輸出電壓中存在交流成分,其中頻率是電網(wǎng)電壓\c頻率的兩倍,且其 被疊加到連續(xù)的電壓值上。這導(dǎo)致對DC-DC開關(guān)變換器6的工作頻率的調(diào)制。由于負(fù)載變 化而引起的頻率變化保持相同(如,在亮度調(diào)節(jié)的情況下)。這些工作頻率和預(yù)調(diào)節(jié)器5的 那些頻率不同,從而也存在交叉調(diào)制諧波,這些諧波可能在PLM調(diào)制解調(diào)器3的傳輸帶內(nèi)。借助于反饋控制環(huán)8、9來調(diào)節(jié)DC-DC開關(guān)變換器6的輸出電壓,反饋控制環(huán)將輸 出電壓和參考值相比較,并且通過所產(chǎn)生的誤差信號改變DC-DC開關(guān)變換器6的工作頻率。在此過程中,誤差信號必須跨過DC-DC開關(guān)變換器6的輸入和輸出之間的、因?yàn)榘踩{(diào)制而 所需的隔離障礙。為使誤差信號跨過隔離障礙,典型的情況是使用光耦合器9。除非使用昂 貴的器件,其具有有限的平均使用期限,并且其還對整個(gè)電源系統(tǒng)4的使用期限產(chǎn)生負(fù)面 影響。而且,在遭到雷擊時(shí),光耦合器9是最容易發(fā)生故障的元件之一。上述類型的電源系統(tǒng)4的另一個(gè)重要元件是在PFC預(yù)調(diào)節(jié)器5的輸出端處的電解 電容8。該電解電容8由于以下事實(shí)而遭受低頻分量(兩倍于電網(wǎng)頻率)的非常大的電流 應(yīng)力在以電網(wǎng)頻率標(biāo)度來進(jìn)行衡量的情況下,由于PFC預(yù)調(diào)節(jié)器5的開關(guān)和下游的DC-DC 開關(guān)變換器6的聯(lián)合作用,PFC預(yù)調(diào)節(jié)器5表現(xiàn)得像是高頻的浮動發(fā)電機(jī)。因此,仍然需要能消除已知電源系統(tǒng)的上述缺陷的開關(guān)電源系統(tǒng)。
發(fā)明內(nèi)容
通過一種開關(guān)電源來實(shí)現(xiàn)上述目的,該開關(guān)電源包括PFC預(yù)調(diào)節(jié)器,用于接收輸 入電壓并提供輸出電壓;以及DC-DC開關(guān)變換器,其是諧振變換器,工作在固定的恒定工作 頻率并且包括LLC諧振電路。DC-DC開關(guān)變換器在輸入端接收由預(yù)調(diào)節(jié)器輸出的電壓,并在輸出端為負(fù)載提供供電電壓。本發(fā)明還涉及照明裝置,該照明裝置包括本發(fā)明的開關(guān)電源以及功率LED 二極管 的一個(gè)或多個(gè)串。所述一個(gè)或多個(gè)串并聯(lián)連接,并且負(fù)載包括功率LED 二極管的所述一個(gè) 或多個(gè)串。
從下面參考附圖對本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例之一的詳細(xì)描述可以更好地理解本發(fā)明,該 優(yōu)選實(shí)施例之一僅僅是例示性的,并且因此不是限制性的,在附圖中圖1示出已知技術(shù)的LED 二極管照明裝置的功能性框圖,該LED 二極管照明裝置 包括開關(guān)電源系統(tǒng)和PLM調(diào)制解調(diào)器;圖2示出可用于圖1的照明裝置中的已知技術(shù)的LED 二極管照明裝置的功能性框 圖,圖3示出可用于圖3的電源系統(tǒng)中的已知技術(shù)的電流調(diào)節(jié)器的電路圖,圖4示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的開關(guān)電源系統(tǒng)的框圖,該開關(guān)電源系統(tǒng)包括具有 諧振電路LLC的DC-DC變換器,圖5示出要用于圖4的電源系統(tǒng)中的PFC預(yù)調(diào)節(jié)器的電路圖,圖6使出要用于圖4的電源系統(tǒng)中的諧振電路DC-DC LLC變換器的電路圖,圖7示出表示圖6的變換器的工作特性的圖,圖8示出用于同步圖4的電源系統(tǒng)的PFC預(yù)調(diào)節(jié)器的電路的例子的電路圖,圖9示出涉及在PFC預(yù)調(diào)節(jié)器的第一同步模式下可在圖4的開關(guān)電源系統(tǒng)中觀察 到的電壓或電流信號的波形的一些時(shí)序圖;和圖10示出涉及在PFC預(yù)調(diào)節(jié)器的第二同步模式下可在圖4的開關(guān)電源系統(tǒng)中觀 察到的電壓或電流信號的波形的一些時(shí)序圖。在各圖中,同樣的或相似的元件用相同的附圖標(biāo)記來表示。
具體實(shí)施例方式參考圖4,附圖標(biāo)記40—般表示負(fù)載的開關(guān)電源系統(tǒng),該負(fù)載需要受控電流。根據(jù)優(yōu)選但非限制性的實(shí)施例,電源系統(tǒng)40是光源的電源系統(tǒng)。更優(yōu)選地,系統(tǒng)40是LED功率 二極管的電源系統(tǒng)。眾所周知,這種二極管需要受控的恒定電源電流。更特別地,所述實(shí)施 例是指用于向一個(gè)或多個(gè)并聯(lián)的LED 二極管串供電的電源系統(tǒng)40,每個(gè)所述串包括多個(gè)串 聯(lián)連接的LED 二極管。然而,應(yīng)該注意,還有它應(yīng)用,諸如在電機(jī)控制部分中,或例如在由一個(gè)或多個(gè)電 聲裝置形成的負(fù)載導(dǎo)向領(lǐng)域中,其中必須提供受控電流給負(fù)載。因此,根據(jù)本發(fā)明的開關(guān)電 源系統(tǒng)的應(yīng)用不限于負(fù)載為功率LED 二極管的特定場合。為簡化敘述,從現(xiàn)在開始,在不引 入任何限制的情況下,將僅涉及功率LED 二極管的電源系統(tǒng)40的特定場合。開關(guān)電源系統(tǒng)40包括PFC預(yù)調(diào)節(jié)器45,優(yōu)選地包括FF-CCM (固定頻率-連續(xù)電導(dǎo) 模式),用于在其輸入端50、51接收來自電網(wǎng)的輸入電壓Vac。優(yōu)選地,這樣的電網(wǎng)電壓Vac 是整流交變電網(wǎng)電壓,從而使得在預(yù)調(diào)節(jié)器45的輸入端,系統(tǒng)40也可以包括整流器(未示 出)。而且,在相對于整流器的上游(即在整流器的輸入端),可方便地布置濾波裝置(未 示出),該濾波裝置由電網(wǎng)電壓供電并且將電網(wǎng)的電磁干擾約束在規(guī)定所強(qiáng)制的限度內(nèi)。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例,PFC預(yù)調(diào)節(jié)器45是升壓型的,并提供接近連續(xù)的電壓Vin作為輸出,電壓Vin的幅值大于輸入電壓VAe的幅值。電源系統(tǒng)40還包括DC-DC開關(guān)變換器46,該DC-DC開關(guān)變換器具有連接到PFC預(yù)調(diào)節(jié)器45的輸出端52、53的諧振LLC電路,以便在輸入端接收由預(yù)調(diào)節(jié)器45輸出的接近 連續(xù)的電壓VIN。電源系統(tǒng)40還包括一個(gè)或多個(gè)電流調(diào)節(jié)器7,它們并聯(lián)連接到DC-DC開關(guān)變換器46的輸出端。每一個(gè)所述電流調(diào)節(jié)器7為相應(yīng)的LED 二極管串供電。根據(jù)特別有利的實(shí)施例,電源系統(tǒng)40還包括系統(tǒng)48,該系統(tǒng)48用于使PFC預(yù)調(diào)節(jié) 器45的工作頻率或開關(guān)頻率相對于DC-DC開關(guān)變換器46的工作頻率同步。根據(jù)進(jìn)一步的實(shí)施例,電源系統(tǒng)40還包括一系統(tǒng),該系統(tǒng)用于使電流調(diào)節(jié)器7的 工作頻率相對于DC-DC開關(guān)變換器46的頻率同步。參考圖5,示出了 PFC預(yù)調(diào)節(jié)器45的一個(gè)例子,該P(yáng)FC預(yù)調(diào)節(jié)器45可方便地用于 開關(guān)電源系統(tǒng)40中。PFC預(yù)調(diào)節(jié)器45包括用于向PFC預(yù)調(diào)節(jié)器45的輸出端52、53提供輸 出電壓Vin的轉(zhuǎn)換電路55、58、59,該電壓的幅值大于在輸入端50、51上接收的電壓的幅值。 例如,輸入電壓Vac是交變電壓,其交流電有效值(rms value)在88至264V之間,而輸出電 壓Vin是接近連續(xù)的,電壓值大約為400V。為達(dá)此目的,轉(zhuǎn)換電路55、58、59由本領(lǐng)域技術(shù) 人員已知的電路結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn),包括作為儲能元件的電感58、二極管59和開關(guān)55 (優(yōu)選地為例 如MOSFET的功率開關(guān),由驅(qū)動信號SD_1控制)。在PFC預(yù)調(diào)節(jié)器45中,集成控制電路54與轉(zhuǎn)換電路55、58、59相關(guān),其合適地配 置有反饋,包括本地振蕩器65。集成控制電路54包括驅(qū)動器56,用于輸出控制信號SD_1 到開關(guān)55。在圖5的特例中,集成控制電路54是Stmicroelectronics公司生產(chǎn)的型號為 L4918的集成電路,其可工作在基本固定的工作頻率下。在圖5中,附圖標(biāo)記60表示模擬電 流倍增器,附圖標(biāo)記64是頻率補(bǔ)償塊。應(yīng)該注意,集成電路54配置有輸入端57,用來接收 同步信號Syncl。集成電路54是本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的,因此將不進(jìn)行更詳細(xì)的描述。
圖5的PFC預(yù)調(diào)節(jié)器45是工作在固定工作頻率下的升壓變換器??刂齐娐?4的 振蕩器65因此用于諸如確定所述升壓變換器的工作頻率fsw。在一個(gè)特別優(yōu)選的實(shí)施例中,開關(guān)電源系統(tǒng)40將用于包括PLM調(diào)制解調(diào)器的照明 裝置中,并且,如果(fmin,fmax)是PLM調(diào)制解調(diào)器使用的頻帶,則在fmax/fmin彡2時(shí),選擇所 述升壓變換器的工作頻率fsw略微小于fmin,或者在fmax/fmin > 2時(shí),選擇所述升壓變換器的 工作頻率fsw大于fmax,從而使得沒有基波成分或其諧波之一落入PLM調(diào)制解調(diào)器使用的頻 帶內(nèi)。圖6示意性地示出DC-DC開關(guān)變換器46的一個(gè)例子,該DC-DC開關(guān)變換器46具有用于電源系統(tǒng)40的諧振電路LLC。在圖6所示的特定例子中,這種DC-DC開關(guān)變換器46 是所謂的半橋型。DC-DC開關(guān)變換器46包括諧振電路LLC Cr、Ls、Lm,或諧振單元,包括電容Cr和 兩個(gè)電感Ls、Lm。優(yōu)選地,如本例中所示,諧振電路LLC是串聯(lián)諧振電路。優(yōu)選地,電感Ls、 Lm(也被稱為諧振電感Lr以及磁化電感Lm)被集成到用于將負(fù)載耦合到諧振電路同時(shí)限定 隔離屏障的變壓器72中。在所示的例子中,該變壓器72是具有初級繞組和兩個(gè)次級繞組 的變壓器。為驅(qū)動諧振電路LLC,提供所謂的功率控制電路,包括相互串聯(lián)的兩個(gè)開關(guān)Ql、Q2 或功率開關(guān)(例如兩個(gè)M0SFET),還包括所述開關(guān)Ql、Q2的控制器70,該控制器70用于產(chǎn) 生用于分別驅(qū)動第一開關(guān)Ql和第二開關(guān)Q2的第一控制信號S_u和第二控制信號S_l???以通過例如使用由Stmicroelectronics公司生產(chǎn)的型號為L6599的電路來提供控制器70。控制信號S_u和S_1是方波信號,以便當(dāng)兩個(gè)開關(guān)Q1、Q2中的一個(gè)導(dǎo)通時(shí),另一個(gè) 關(guān)斷,反之亦然。應(yīng)注意,在圖6中,這些開關(guān)中的一個(gè),特別是開關(guān)Q2,在導(dǎo)通狀態(tài)時(shí),是和 諧振電路并聯(lián)連接的,該諧振電路由電容Cr以及電感Ls、Lp組成的部件串聯(lián)形成。從現(xiàn)在 開始,該開關(guān)Q2被稱為低側(cè)開關(guān)Q2。開關(guān)Q1、Q2中的另一個(gè)開關(guān)即開關(guān)Q1,在導(dǎo)通狀態(tài)時(shí),是和諧振電路串聯(lián)連接的, 該諧振電路由電容Cr以及電感Ls、Lm這些部件的串聯(lián)而組成。從現(xiàn)在開始,該開關(guān)Ql被 稱為高側(cè)開關(guān)Ql。再參考附圖6,DC_DC開關(guān)變換器46還包括連接到隔離變壓器72的次級的整流電 路,該整流電路包括兩個(gè)二極管D1、D2以及濾波電容Cf,并且。參考圖4,DC_DC開關(guān)變換器46由PFC預(yù)調(diào)節(jié)器45的輸出饋電并且從而使得由功 率控制電路控制,以便工作在固定的恒定頻率下,即工作在不依賴負(fù)載的頻率下。這種固定 的恒定頻率僅由控制電路70以開環(huán)工作模式施加,換言之,無需任何例如根據(jù)要供電的負(fù) 載來控制該頻率的反饋環(huán)?;谏鲜隼碛?,半橋諧振變換器在開環(huán)模式下工作在嚴(yán)格固定 的頻率下。根據(jù)一個(gè)實(shí)施例,半橋變換器以50%的占空比工作。根據(jù)一個(gè)實(shí)施例,上述固定的恒定頻率名義上等于LLC變換器的串聯(lián)諧振頻率 (由于電路元件的容差,實(shí)際上,該頻率可能略有差別)。根據(jù)一個(gè)實(shí)施例,上述固定頻率等于PFC預(yù)調(diào)節(jié)器45的工作頻率fsw。通過這種方式,有利地,可能存在于PLM調(diào)制解調(diào)器的傳輸帶內(nèi)的交叉調(diào)制諧波 就不存在了。應(yīng)注意,LLC型諧振變換器有兩個(gè)諧振頻率一個(gè)較低的并聯(lián)諧振頻率和一較高的串聯(lián)諧振頻率fri。這種類型的諧振變換器的特定特征是以下事實(shí)當(dāng)它們工作在串聯(lián) 諧振頻率&下時(shí),它們趨向于不依賴負(fù)載的固定的輸入-輸出變換比。 參見附圖7,該圖是附圖6的諧振LLC變換器46的工作特性圖。在橫軸上,工作 頻率f相對于串聯(lián)諧振頻率被歸一化;在縱軸上,是輸出電壓Vtm (根據(jù)變壓器的“a”繞 組比率,相當(dāng)于初級)與輸入電壓Vin之間的比率M。針對諧振電路的品質(zhì)因數(shù)Q的每個(gè)值 而得到曲線族,其基本上與輸出電流成正比。應(yīng)注意,所有曲線都通過“諧振”點(diǎn)(1,0.5), 這意味著若系統(tǒng)工作在諧振頻率fri,則輸入_輸出電壓比不依賴于負(fù)載(“負(fù)載無關(guān)點(diǎn)”)。 應(yīng)注意,在“諧振”點(diǎn),所有曲線都具有等于-Ι/k(其中k = Lm/Ls)的斜率。在圖7的圖中,兩個(gè)不同的色調(diào)表明所謂的容性工作區(qū)(或ZCS區(qū))以及所謂的 感性工作區(qū)(或ZVS區(qū))。在圖7中,“ZVS-ZCS分界線”表示ZVS區(qū)和ZCS區(qū)之間的邊界。參考圖3,同步系統(tǒng)48使得將PFC(圖5)的控制器54的振蕩器頻率聯(lián)鎖到DC-DC 開關(guān)變換器46的頻率,以便確保這兩個(gè)工作頻率或開關(guān)頻率有效地相同。由于在用于控制 諧振變換器的商用設(shè)備中振蕩器的精度經(jīng)常大大優(yōu)于PFC預(yù)調(diào)節(jié)器的控制設(shè)備的振蕩器 的精度,因此優(yōu)選地DC-DC開關(guān)變換器46使PFC預(yù)調(diào)節(jié)器45同步而非相反?;谏鲜隼碛?,在一個(gè)特別有利的實(shí)施例中,DC-DC開關(guān)變換器46的LLC諧振電 路具有等于工作頻率fsw的串聯(lián)諧振頻率(該工作頻率為DC-DC開關(guān)變換器46和PFC預(yù) 調(diào)節(jié)器45所共有),以便所述諧振變換器46的輸出電壓Vqut相對于輸入電壓Vin具有恒定 的比率。由于后者是經(jīng)調(diào)準(zhǔn)的(因?yàn)槠浔硎綪FC預(yù)調(diào)節(jié)器45輸出的電壓VIN),則即使沒有 反饋環(huán),DC-DC開關(guān)變換器46的輸出電壓也將幾乎恒定。通過這種方式,有利地,無需連接 到負(fù)載(或更優(yōu)地連接到輸出變壓器的一個(gè)/多個(gè)次級繞組)的光耦合器和反饋系統(tǒng),和 前面參考圖2的已知技術(shù)的電源系統(tǒng)所進(jìn)行的說明相對照,這增加了在近期和遠(yuǎn)期具有較 低成本的開關(guān)電源系統(tǒng)和相應(yīng)照明裝置的魯棒性性和平均使用期限。如果DC-DC開關(guān)變換器46如上所述(圖6)是半橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),則優(yōu)選地發(fā)生PFC 預(yù)調(diào)節(jié)器的同步以使得PFC預(yù)調(diào)節(jié)器45的功率開關(guān)55和半橋的低側(cè)功率開關(guān)Q2同時(shí)導(dǎo) 通。圖8示出了如何通過使用包括電容C和電阻Rl的微分塊C、Rl以及包括電阻R2和齊 納二極管DZl的鉗位塊由商業(yè)上可得到的器件形成同步系統(tǒng)48。在系統(tǒng)48中,驅(qū)動功率開 關(guān)Q2的選通電極的信號S L的上升沿(在圖6的端子71處被拾取)被微分模塊C、Rl微 分,并且在下面齊納二極管DZl使得對所述經(jīng)微分的信號執(zhí)行鉗位。提供電阻R2以用于限 制注入齊納二極管DZl中的電流。所產(chǎn)生的脈沖syncl被提供給PFC預(yù)調(diào)節(jié)器45的控制 器54的同步輸入端57,以便引發(fā)振蕩器65的同步以及驅(qū)動器56的起動。通過這種方式,如圖9的時(shí)序圖中所示,其中S_L是低側(cè)開關(guān)Q2的控制信號,SJJ是高側(cè)開關(guān)Ql的控制信號,PFC_G是PFC預(yù)調(diào)節(jié)器45的開關(guān)55的選通電極處的電壓,PFC_SC是PFC預(yù)調(diào)節(jié)器45的開關(guān)55中的電流,PFC_DC是PFC預(yù)調(diào)節(jié)器45的二極管59中的電流,DC_IC是DC-DC開關(guān)變換器46的輸入電流,C0_C是PFC預(yù)調(diào)節(jié)器45的輸出電容9中的電流,為使PFC預(yù)調(diào)節(jié)器45的輸出電容8中的以頻率為fsw注入的電流最小化,通過PFC預(yù)調(diào)節(jié)器的二極管59利用電流注入使DC-DC開關(guān)變換器46汲取的電流同步的趨勢。實(shí)際 上,正如圖9中那樣,可以觀察到,PFC預(yù)調(diào)節(jié)器45的電解輸出電容8中的電流CO_C (平均 值為0)相對較小,具有較小的交流電有效值。這將有助于減少所述電容8中的應(yīng)力并因此 延長其使用期限和魯棒性。參考圖10,應(yīng)注意,相反地,如果基于高側(cè)開關(guān)Ql的控制信號S_U使PFC預(yù)調(diào)節(jié)器 45被同步,則輸出電容8中的電流C0_C (平均值為0)將會相對較大,具有較大的交流電有 效值。因此,相對于前面的方案,這種配置代表可能的但次優(yōu)的選擇。參考圖4,電源系統(tǒng)40還包括電流調(diào)節(jié)器7,每個(gè)電流調(diào)節(jié)器7連接到待供電的相 應(yīng)LED 二極管串。優(yōu)選地,這種電流調(diào)節(jié)器7是開關(guān)調(diào)節(jié)器,例如是有關(guān)已知技術(shù)的電源系 統(tǒng)的參考圖3的已指定類型的開關(guān)調(diào)節(jié)器。有利地,設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器7的大小以便吸收由于DC-DC開關(guān)變換器46的輸入電壓 Vin的瞬變而導(dǎo)致的輸入端處的可能的Vott電壓變化。原理上,所述電流調(diào)節(jié)器7的工作頻 率可以不同于PFC預(yù)調(diào)節(jié)器45的工作頻率fsw,這是因?yàn)檫@些電流調(diào)節(jié)器工作在DC-DC開關(guān) 變換器46的次級側(cè)并且因此初級側(cè)(也是PLM調(diào)制解調(diào)器連接到的側(cè))的可見噪聲將大 大減弱。然而,在“單頻(singletone) ”的實(shí)施例中,可以利用合適的同步系統(tǒng)49使所述電 流調(diào)節(jié)器7的頻率同步到DC-DC開關(guān)變換器46以及PFC預(yù)調(diào)節(jié)器45的頻率,同步系統(tǒng)49 在概念上與圖8的同步系統(tǒng)類似,其中次級側(cè)信號將用于同步例如變壓器72的次級繞組之 一上的電壓。根據(jù)上文的描述,因此可以理解這種開關(guān)電源系統(tǒng)是如何可以達(dá)到所需的目標(biāo) 的。實(shí)際上,本說明書中已指出,省略光耦合器實(shí)現(xiàn)了電源系統(tǒng)以及一般地還有照明裝置的 更大的魯棒性以及更長的平均使用期限。而且,還已經(jīng)指出,通過將PFC預(yù)調(diào)節(jié)器的頻率設(shè) 置成等于DC-DC變換器的串聯(lián)諧振頻率的值,可避免產(chǎn)生可能落入PLM調(diào)制解調(diào)器的傳輸 帶內(nèi)的交叉調(diào)制諧波。還已經(jīng)證明了它如何可以減少PFC預(yù)調(diào)節(jié)器的電解輸出電容8上的 應(yīng)力。還應(yīng)注意,通過上述措施,可以使用于電源系統(tǒng)的濾波器最小化,這是因?yàn)閷τ谒?們的制造來說,僅必須遵循有關(guān)發(fā)射范圍上的電磁兼容的規(guī)定。相對于為確保PLM調(diào)制解 調(diào)器接收的信號以及同一 PLM調(diào)制解調(diào)器所發(fā)送的信號的完整性而所需的那些規(guī)定,這種 規(guī)定典型地施加更不嚴(yán)格的限制。因此,其經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢是不可否認(rèn)的。相對于具有其輸出電壓由閉環(huán)調(diào)節(jié)的DC-DC變換器的已知技術(shù)的電源系統(tǒng),僅有 的小缺點(diǎn)在于,在上述類型的電源系統(tǒng)中,為計(jì)及由于負(fù)載變化而導(dǎo)致的PFC預(yù)調(diào)節(jié)器的 輸出電壓的瞬時(shí)變化,必須以稍微較高的輸出電壓工作,這會稍微降低轉(zhuǎn)換效率。然而,同 禾IJ用上述類型的電源系統(tǒng)可獲得的優(yōu)點(diǎn)相比較,這種小缺點(diǎn)不太嚴(yán)重。雖然已經(jīng)通過例子根據(jù)優(yōu)選實(shí)施例說明了本發(fā)明,但應(yīng)理解,本發(fā)明不限于上述 例子和優(yōu)選實(shí)施例。相反地,本發(fā)明意圖覆蓋各種修改以及相似的布置和過程,并且所附的 權(quán)利要求的范圍因此應(yīng)當(dāng)和最寬的解釋相一致,以便涵蓋所有這樣的修改以及相似的布置 和過程。
權(quán)利要求
一種開關(guān)電源系統(tǒng),其用于為需要受控電流的負(fù)載供電,所述開關(guān)電源系統(tǒng)包括用于接收輸入電壓和提供輸出電壓的PFC預(yù)調(diào)節(jié)器;DC-DC開關(guān)變換器,所述DC-DC開關(guān)變換器工作在固定的恒定工作頻率下,用于在輸入端接收由預(yù)調(diào)節(jié)器輸出的電壓并用于在輸出端為所述負(fù)載提供供電電壓,其中,所述開關(guān)DC-DC變換器包括帶有LLC諧振電路的諧振變換器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的開關(guān)電源系統(tǒng),其中所述固定的工作頻率是所述LLC諧振電 路的串聯(lián)諧振頻率。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的開關(guān)電源系統(tǒng),其中所述PFC預(yù)調(diào)節(jié)器工作在基本上等于所述LLC變換器的工作頻率的固定的工作頻率下。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的開關(guān)電源系統(tǒng),還包括用于將所述PFC預(yù)調(diào)節(jié)器的工作頻率與所述DC-DC變換器的工作頻率聯(lián)鎖的同步系統(tǒng)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的開關(guān)電源系統(tǒng),其中所述DC-DC變換器是半橋變換器,所述LLC諧振電路包括電容、諧振電感和磁化電感,所述電容、諧振電感和磁化電感是串聯(lián)連接 的。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的開關(guān)電源系統(tǒng),其中所述LLC諧振電路包括控制電路,該控制電路包括兩個(gè)串聯(lián)連接的開關(guān),還包括所述開關(guān)的控制器,該控制器用于產(chǎn)生第一控制信 號和第二控制信號,所述第一控制信號和所述第二控制信號用于分別驅(qū)動第一開關(guān)和第二 開關(guān),所述控制信號是方波信號,從而使得當(dāng)所述開關(guān)中的一個(gè)開關(guān)導(dǎo)通時(shí),所述開關(guān)中的 另一個(gè)開關(guān)阻斷,反之亦然,所述開關(guān)中的一個(gè)開關(guān)或低側(cè)開關(guān)在處于導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)并聯(lián)連 接到由串聯(lián)連接的所述電容和所述電感來表示的LLC諧振電路,并且其中所述同步系統(tǒng)使 得提供基于所述低側(cè)開關(guān)的控制信號的所述頻率聯(lián)鎖。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的開關(guān)電源系統(tǒng),其中所述PFC預(yù)調(diào)節(jié)器是FF-CCM(固定頻 率-連續(xù)電導(dǎo)模式)型的升壓變換器。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的開關(guān)電源系統(tǒng),還包括配置在所述DC-DC變換器和所述負(fù)載 之間的電流調(diào)節(jié)器。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的開關(guān)電源系統(tǒng),包括同步系統(tǒng),該同步系統(tǒng)用于將所述電流 調(diào)節(jié)器同步到所述DC-DC變換器的工作頻率。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的開關(guān)電源系統(tǒng),其中所述負(fù)載包括一個(gè)或多個(gè)功率LED二極管。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的開關(guān)電源系統(tǒng),其中所述諧振變換器工作在開環(huán)工作模式下。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的開關(guān)電源系統(tǒng),其中所述固定頻率不是由連接到所述負(fù)載 的任何反饋環(huán)控制的。
13.一種照明裝置,包括并聯(lián)連接的一個(gè)或多個(gè)功率LED二極管串和根據(jù)權(quán)利要求1所 述的開關(guān)電源系統(tǒng),其中所述負(fù)載包括所述一個(gè)或多個(gè)功率LED 二極管串。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的照明裝置,還包括使用fmin和fmax之間的頻帶的PLM調(diào)制 解調(diào)器,其中fmin小于fmax,在fmax/fmin彡2時(shí),DC-DC變換器的所述工作頻率為小于fmin的 值,在f_/fmin > 2時(shí),所述DC-DC變換器的工作頻率為大于fmax的值。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于光源或需要受控供電電流的負(fù)載的開關(guān)電源系統(tǒng)。一種用于需要受控電流的負(fù)載的開關(guān)電源系統(tǒng),包括接收輸入電壓并提供輸出電壓的PFC預(yù)調(diào)節(jié)器,以及用于在輸入端接收由預(yù)調(diào)節(jié)器輸出的電壓并用于在輸出端為所述負(fù)載提供供電電壓的DC-DC開關(guān)變換器。DC-DC開關(guān)變換器工作在固定的恒定工作頻率下,是諧振變換器且包括LLC諧振電路。
文檔編號F21Y101/02GK101801126SQ20091100016
公開日2010年8月11日 申請日期2009年12月30日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月31日
發(fā)明者C·阿德拉格納 申請人:意法半導(dǎo)體股份有限公司