動態(tài)定位開關(guān)式電力供應(yīng)器輸出電壓的方法和系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】通過使用同步開關(guān)而代替常用整流二極管來周期性地反轉(zhuǎn)開關(guān)式電力供應(yīng)器SMPS轉(zhuǎn)換器。通過反轉(zhuǎn)SMPS轉(zhuǎn)換器，可使SMPS輸出電容器極迅速地放電以提供LED的快速關(guān)斷(無電流通過LED)，藉此解決色移問題。此情形實(shí)現(xiàn)了通過使大容量輸出電容器主動地充電或放電來向上或向下定位SMPS的輸出電壓。具有使大容量輸出電容器主動地充電或放電的能力允許產(chǎn)生包括對于驅(qū)動LED照明應(yīng)用較佳的實(shí)質(zhì)上方形(例如，當(dāng)接通時實(shí)質(zhì)上全電流，及當(dāng)關(guān)斷時實(shí)質(zhì)上無電流)電流脈沖的電流源。
【專利說明】動態(tài)定位開關(guān)式電力供應(yīng)器輸出電壓的方法和系統(tǒng)[0001]相關(guān)專利申請案
[0002]本申請案主張由斯考特?迪爾伯恩和泰瑞?克萊維蘭于2011年11月11日申請 的名為“動態(tài)定位開關(guān)式電源輸出電壓的方法和系統(tǒng)（Method and System to Dynamically Position a Switch Mode Power Supply Output Voltage) ” 的共同擁有的美國臨時專利申請 案第61/558，616號的優(yōu)先權(quán)，所述臨時專利申請案據(jù)此出于所有目的而以引用的方式并 入本文中。
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0003]本發(fā)明涉及開關(guān)式電力供應(yīng)器，且明確地說，涉及一種對發(fā)光二極管（LED)供電 且控制所述LED的調(diào)光的開關(guān)式電力供應(yīng)器。
【背景技術(shù)】
[0004]當(dāng)（例如）在汽車前照燈應(yīng)用中驅(qū)動發(fā)光二極管（LED)時，可使用調(diào)光開關(guān)以極 迅速地接通和關(guān)斷LED電流。在不使用調(diào)光開關(guān)的情況下，開關(guān)式電力供應(yīng)器（SMPS)的輸 出電容器為LED電流提供足夠能量以使其緩慢地衰減，此將為我們所期望。此緩慢衰減造 成LED光的波長移位。因?yàn)楣馍矢淖儯源艘莆皇敲黠@的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]因此，需要一種可對發(fā)光二極管（LED)供電且控制所述LED的調(diào)光而不造成明顯 輸出光色彩改變的改進(jìn)型開關(guān)式電力供應(yīng)器（SMPS)。
[0006]根據(jù)實(shí)施例，一種電力供應(yīng)器電路可包括：脈寬調(diào)變控制器，其與回掃電路耦接， 其中所述回掃電路包括受到第一場效晶體管控制的初級電路和受到第二場效晶體管控制 且包括輸出電容器的次級電路，其中所述控制器可經(jīng)配置以控制所述第二場效晶體管，使 得所述輸出電容器可放電以消除輸出脈沖的尾電流。根據(jù)另外實(shí)施例，所述電力供應(yīng)器電 路為至少一個發(fā)光二極管串提供電力。
[0007]根據(jù)另一實(shí)施例，一種用于動態(tài)定位開關(guān)式電力供應(yīng)器輸出電壓的方法可包括如 下步驟：用主開關(guān)使輸出電容器通過回掃變壓器而充電，其中所述回掃變壓器和所述主開 關(guān)耦接到一電源；以及用同步開關(guān)使所述輸出電容器通過所述回掃變壓器而放電，其中所 述回掃變壓器及所述同步開關(guān)可耦接到所述輸出電容器；其中所述主開關(guān)及所述同步開關(guān) 可受到開關(guān)式電力供應(yīng)器控制器控制，由此使所述輸出電容器充電和放電的所述步驟將實(shí) 質(zhì)上方形波脈寬調(diào)變式電流提供到耦接到所述輸出電容器的負(fù)載。
[0008]根據(jù)所述方法的另外實(shí)施例，所述負(fù)載可為串聯(lián)連接式發(fā)光二極管串。根據(jù)所述 方法的另外實(shí)施例，所述發(fā)光二極管串具有高輸出光且可用于汽車應(yīng)用。根據(jù)所述方法的 另外實(shí)施例，所述主開關(guān)及所述同步開關(guān)可為電力場效晶體管。根據(jù)所述方法的另外實(shí)施 例，所述開關(guān)式電力供應(yīng)器控制器可為微控制器。
[0009]根據(jù)所述方法的另外實(shí)施例，所述負(fù)載可包括在第一電壓下操作的第一發(fā)光二極管串及在第二電壓下操作的第二發(fā)光二極管串，其中所述第一電壓可大于所述第二電壓，且所述方法可進(jìn)一步包括如下步驟:當(dāng)所述已充電輸出電容器上的電壓可實(shí)質(zhì)上處于所述第一電壓時用斷開/連接開關(guān)使所述第二發(fā)光二極管串?dāng)嚅_；以及當(dāng)所述已充電輸出電容器上的電壓可實(shí)質(zhì)上處于所述第二電壓時用所述斷開/連接開關(guān)來連接所述第二發(fā)光二極管串。
[0010]根據(jù)所述方法的另外實(shí)施例，可使所述輸出電容器通過所述回掃變壓器而放電至輸入電容器中。根據(jù)所述方法的另外實(shí)施例，所述輸出電容器可耦接到所述回掃變壓器的次級繞組，且所述輸入電容器可耦接到所述回掃變壓器的初級繞組。
[0011]根據(jù)又一個實(shí)施例，一種用于動態(tài)定位開關(guān)式電力供應(yīng)器輸出電壓的系統(tǒng)可包括:回掃變壓器，其具有初級繞組和次級繞組；主開關(guān)，其與所述回掃變壓器的所述初級繞組串聯(lián)地耦接，其中所述回掃變壓器的所述初級繞組及所述主開關(guān)可耦接到電源；同步開關(guān)，其與所述回掃變壓器的所述次級繞組串聯(lián)地耦接；及輸出電容器，其耦接到所述回掃變壓器的所述次級繞組及所述同步開關(guān)；其中所述主開關(guān)使所述輸出電容器通過所述回掃變壓器而充電，且同步開關(guān)使所述輸出電容器返回通過回掃變壓器而放電；以及開關(guān)式電力供應(yīng)器控制器，其耦接到所述主開關(guān)及所述同步開關(guān)且控制所述主開關(guān)及所述同步開關(guān)；其中實(shí)質(zhì)上方形波脈寬調(diào)變式電流可提供到耦接到所述輸出電容器的負(fù)載。
[0012]根據(jù)另外實(shí)施例，所述負(fù)載可為串聯(lián)連接式發(fā)光二極管串。根據(jù)另外實(shí)施例，所述發(fā)光二極管串可具有高輸出光且可用于汽車應(yīng)用。根據(jù)另外實(shí)施例，所述主開關(guān)及所述同步開關(guān)可為電力場效晶體管。根據(jù)另外實(shí)施例，所述開關(guān)式電力供應(yīng)器控制器可為微控制器。根據(jù)另外實(shí)施例，所述負(fù)載可包括在第一電壓下操作的第一發(fā)光二極管串和在第二電壓下操作的第二發(fā)光二極管串，其中所述第一電壓可大于所述第二電壓；其中當(dāng)所述輸出電容器上的電壓可實(shí)質(zhì)上處于所述第一電壓時可用斷開/連接開關(guān)使所述第二發(fā)光二極管串與所述輸出電容器斷開；且當(dāng)所述輸出電容器上的所述電壓可實(shí)質(zhì)上處于所述第二電壓時可用所述斷開/連接開關(guān)來連接所述第二發(fā)光二極管串。根據(jù)另外實(shí)施例，所述輸出電容器可通過所述回掃變壓器而放電至耦接到所述回掃變壓器的所述初級繞組的輸入電容器中。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]可通過參考結(jié)合隨附圖式而采取的以下描述來獲取對本發(fā)明的更完整理解，其中:
[0014]圖1說明使用回掃拓?fù)涞牡湫统Ｒ?guī)SMPS的示意圖；
[0015]圖2說明具有軟起動、尾電流和突增問題的圖1所示的SMPS電路的理想脈沖式電流的不意性時序圖；
[0016]圖3說明通過添加調(diào)光開關(guān)和用于接通調(diào)光開關(guān)的延遲而具有改進(jìn)型功能性的SMPS的示意圖；
[0017]圖4說明具有突增問題的圖3所不的SMPS電路的不意性時序圖；
[0018]圖5說明根據(jù)本發(fā)明的特定實(shí)例實(shí)施例的用于驅(qū)動發(fā)光二極管(LED)的SMPS的示意圖；
[0019]圖6說明圖5所不的SMPS電路的不意性時序圖；[0020]圖7說明根據(jù)本發(fā)明的另一特定實(shí)例實(shí)施例的用于驅(qū)動兩個發(fā)光二極管(LED)串的SMPS的示意圖；
[0021]圖8說明根據(jù)本發(fā)明的教示的用于驅(qū)動兩個發(fā)光二極管(LED)串的模擬SMPS電路的詳細(xì)不意圖；以及
[0022]圖9說明圖8所不的I旲擬SMPS電路的不意性時序圖。
[0023]雖然本發(fā)明容許各種修改及替代形式，但已在圖式中展示且本文中詳細(xì)地描述本發(fā)明的特定實(shí)例實(shí)施例。然而，應(yīng)理解，本文中對特定實(shí)例實(shí)施例的描述不意欲將本發(fā)明限于本文所揭示的特定形式，而相反地，本發(fā)明應(yīng)涵蓋如由附加權(quán)利要求書定義的所有修改和等效者。
【具體實(shí)施方式】
[0024]微控制器單元(MCU)可被定義為具有非易失性程序存儲器的主機(jī)微控制器或可編程邏輯。根據(jù)各種實(shí)施例，提議一種通過使用同步開關(guān)代替常用整流二極管來基本上反轉(zhuǎn)開關(guān)式電力供應(yīng)器(SMPS)轉(zhuǎn)換器的方法和系統(tǒng)。通過反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換器，可使SMPS輸出電容器極迅速地放電以提供LED的快速關(guān)斷(無電流通過LED)，藉此解決色移問題。此情形實(shí)現(xiàn)了通過使大容量輸出電容器主動地充電或放電來向上或向下定位SMPS的輸出電壓。具有使大容量輸出電容器主動地充電或放電的能力允許產(chǎn)生包括對于驅(qū)動LED照明應(yīng)用較佳的實(shí)質(zhì)上方形(例如，當(dāng)接通時實(shí)質(zhì)上全電流，及當(dāng)關(guān)斷時實(shí)質(zhì)上無電流)電流脈沖的電流源。
[0025]根據(jù)本發(fā)明的教示，來自SMPS的輸出電壓經(jīng)動態(tài)控制以用于在實(shí)質(zhì)上恒定電流下驅(qū)動串聯(lián)連接的電力LED串。在許多LED照明應(yīng)用中，此情形改進(jìn)了電流脈沖對LED的動態(tài)響應(yīng)而同時對LED進(jìn)行調(diào)光，且改進(jìn)了 LED電流臨界值的上升及下降時間。其還防止色移且改進(jìn)了調(diào)光范圍(窄脈沖及寬脈沖表現(xiàn)得實(shí)質(zhì)上相同)。因此，調(diào)光開關(guān)是不必要的。無需需要校準(zhǔn)的時序電路。藉此，通過移除對調(diào)光開關(guān)的要求且消除時序電路的可變性來簡化針對LED驅(qū)動應(yīng)用的調(diào)光解決方案。此外，對工廠校準(zhǔn)的要求得以消除且電流暫態(tài)響應(yīng)得以實(shí)質(zhì)上改進(jìn)，藉此引起來自LED的光的較少色移。根據(jù)本文所描述的各種實(shí)施例，對于各種LED調(diào)光應(yīng)用也可增加工作循環(huán)范圍。
[0026]現(xiàn)在參看圖式，示意性地說明特定實(shí)例實(shí)施例的細(xì)節(jié)。圖式中的類似元件將由類似數(shù)字表示，且相似元件將由具有不同小寫字母字尾的類似數(shù)字表示。
[0027]參看圖1，描繪使用回掃拓?fù)涞牡湫统Ｒ?guī)SMPS的示意圖。啟用輸入EN接通和關(guān)斷SMPS的輸出以用于LED100的調(diào)光。通過變化調(diào)光控制脈沖102的工作循環(huán)，可藉此使用電流104流動通過LED100的時間長度控制來自LED100的光輸出。流過LED100的電流104的量將影響自LED100產(chǎn)生的光的色彩(例如，色溫)。
[0028]參看圖2,描繪具有軟起動、尾電流及突增問題的圖1所示的SMPS電路的理想脈沖式電流的示意性時序圖。DM脈沖102用以接通和關(guān)斷SMPS的輸出。理想LED電流Im104a波形將在所要全電流與無電流之間交替。然而，SMPS產(chǎn)生造成電流Im104流動通過串聯(lián)連接式LED100串的電壓輸出。對于圖1所示的SMPS電路，由于大容量輸出電容器Qm的充電和放電時間常數(shù)及與其相關(guān)聯(lián)的電路阻抗(未圖示)而不能瞬時地接通和關(guān)斷輸出電壓。當(dāng)在SMPS中使用軟起動功能時，將存在所要最大LED電流I_104b的延遲，且當(dāng)不使用軟起動時，將存在所要最大LED電流Im104c的突增。大容量輸出電容器Ctot上的殘余電壓將造成針對任一 LED電流ImiKMb或ImiKMc的尾電流。這些不理想電流偏差將造成從將已由理想LED電流I_104a產(chǎn)生的色彩產(chǎn)生的光輸出的色移。
[0029]參看圖3和4，描繪通過添加調(diào)光開關(guān)和用于接通調(diào)光開關(guān)的延遲而具有改進(jìn)型功能性的SMPS的示意圖(圖3)，及其示意性時序圖(圖4)。調(diào)光開關(guān)314串聯(lián)地連接于SMPS的輸出與LED100之間。提供延遲電路308以用于通過電壓電平移位器310而接通調(diào)光開關(guān)314。結(jié)合調(diào)光開關(guān)314和延遲電路308的SMPS提供到LED100的電流的良好關(guān)斷，但具有相當(dāng)不可預(yù)測的接通功能性，如圖4所示。因此，在使用圖3所示的SMPS電路的情況下可發(fā)生突增問題。電流測量電阻器316用以測量通過LED100的電流。輸出電容器Ctot是通過連接到回掃變壓器320的二極管而充電，充電由主開關(guān)312激發(fā)。
[0030]參看圖5和6，描繪根據(jù)本發(fā)明的特定實(shí)例實(shí)施例的用于驅(qū)動發(fā)光二極管(LED)的SMPS的示意圖(圖5)及其示意性時序圖(圖6)。已用同步開關(guān)518替換驅(qū)動大容量輸出電容器Qjut的次級輸出二極管。此同步開關(guān)518實(shí)現(xiàn)進(jìn)行對儲存于大容量輸出電容器Cout中的能量的雙向控制，且可用以使大容量輸出電容器Ctot迅速地放電，藉此消除尾電流和LED色彩改變。電流測量電阻器516用以測量通過LED100的電流。輸出電容器Ctot通過回掃變壓器520而充電，充電由主開關(guān)512激發(fā)。圖5所示的電路相比于使用輸出二極管的SMPS改進(jìn)效率，尤其是對于低電壓高電流LED也如此。應(yīng)預(yù)期且在本發(fā)明的范圍內(nèi)的是，圖5所示的電路可應(yīng)用于許多SMPS拓?fù)洹?br> [0031]可使用誤差放大器、比較器和鎖存器(未圖示)來調(diào)節(jié)LED電流104。到鎖存器的另一輸入可用以非同步地終止PWM電流脈沖(LED電流104)。第二比較器和可編程Vref (未圖示)可用以紋波調(diào)節(jié)SMPS輸出電壓。當(dāng)使用同步SMPS時，可向上或向下驅(qū)動輸出電壓。為了向上驅(qū)動輸出電壓，使用主開關(guān)512且轉(zhuǎn)換器通常在“前向”模式下操作。為了快速地向下定位輸出電壓，同步開關(guān)518使大容量輸出電容器Cotjt放電回到輸入電容器Cin中,藉此使能量返回到輸入電容器CIN。此情形提供已成為用非同步SMPS拓?fù)鋪眚?qū)動LED的問題的SMPS輸出電壓的迅速定位。一旦已定位電壓，就連接電流回路(未圖示)以將所要“方形”波脈沖式電流104顯現(xiàn)到LED串100中。應(yīng)預(yù)期且在本發(fā)明的范圍內(nèi)的是，可使用混合信號(模擬與數(shù)字)微控制器506，且在SMPS及微控制器設(shè)計(jì)方面具有一般技能且受益于本發(fā)明的人員可容易地復(fù)制圖5所示的同步SMPS的功能性。開關(guān)512及518可為電力場效晶體管(FET)。
[0032]參看圖7，描繪根據(jù)本發(fā)明的另一特定實(shí)例實(shí)施例的用于驅(qū)動兩個發(fā)光二極管(LED)串的SMPS的示意圖。圖7所示的SMPS可包括:SMPS控制器706，例如，微控制器；主(初級)開關(guān)712 ;同步開關(guān)718 ;回掃變壓器720 ;低LED串開關(guān)730 ;電壓電平移位器728 ；SMPS控制器706 ;電流測量電阻器716 ;低光束LED732 ;以及高光束LED700。開關(guān)712、718和728可為電力場效晶體管(FET)。
[0033]高光束LED700在比低光束LED728高的電壓下操作。SMPS控制器706控制來自SMPS的輸出電壓。當(dāng)需要來自LED700的高光束光時，低LED串開關(guān)730關(guān)斷(斷開)且SMPS提供足夠高以將高光束LED700驅(qū)動到所要電流1_104的輸出電壓。當(dāng)需要來自LED732的低光束光時，低LED串開關(guān)730接通(閉合)且SMPS提供足夠高以將低光束LED732驅(qū)動到所要電流1_104但并不足夠高以造成高光束LED700傳導(dǎo)電流的輸出電壓。還應(yīng)預(yù)期且之人員且受益于本發(fā)明的人員所想到。本發(fā)本發(fā)明的范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種電力供應(yīng)器電路,其包括: 脈寬調(diào)變控制器，其與回掃電路耦接，其中所述回掃電路包括受到第一場效晶體管控制的初級電路和受到第二場效晶體管控制且包括輸出電容器的次級電路，其中所述控制器經(jīng)配置以控制所述第二場效晶體管，使得所述輸出電容器放電以消除輸出脈沖的尾電流。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電力供應(yīng)器電路，其中所述電力供應(yīng)器電路為至少一個發(fā)光二極管串提供電力。
3.一種用于動態(tài)定位開關(guān)式電力供應(yīng)器輸出電壓的方法，所述方法包括如下步驟: 用主開關(guān)通過回掃變壓器給輸出電容器充電，其中所述回掃變壓器及所述主開關(guān)耦接到電源；以及 用同步開關(guān)通過所述回掃變壓器使所述輸出電容器放電，其中所述回掃變壓器及所述同步開關(guān)耦接到所述輸出電容器； 其中所述主開關(guān)及所述同步開關(guān)受到開關(guān)式電力供應(yīng)器控制器控制，藉此使所述輸出電容器充電和放電的所述步驟將實(shí)質(zhì)上方形波脈寬調(diào)變式電流提供到耦接到所述輸出電容器的負(fù)載。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中所述負(fù)載為串聯(lián)連接式發(fā)光二極管串。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中所述發(fā)光二極管串具有高輸出光且用于汽車應(yīng)用。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中所述主開關(guān)及所述同步開關(guān)為電力場效晶體管。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中所述開關(guān)式電力供應(yīng)器控制器為微控制器。
8.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中所述負(fù)載包括在第一電壓下操作的第一發(fā)光二極管串和在第二電壓下操作的第二發(fā)光二極管串，其中所述第一電壓大于所述第二電壓，且所述方法進(jìn)一步包括如下步驟: 當(dāng)所述已充電輸出電容器上的電壓實(shí)質(zhì)上處于所述第一電壓時用斷開/連接開關(guān)使所述第二發(fā)光二極管串?dāng)嚅_；以及 當(dāng)所述已充電輸出電容器上的電壓實(shí)質(zhì)上處于所述第二電壓時用所述斷開/連接開關(guān)來連接所述第二發(fā)光二極管串。
9.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中將所述輸出電容器通過所述回掃變壓器放電至輸入電容器中。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中所述輸出電容器耦接到所述回掃變壓器的次級繞組，且所述輸入電容器耦接到所述回掃變壓器的初級繞組。
11.一種用于動態(tài)定位開關(guān)式電力供應(yīng)器輸出電壓的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括: 回掃變壓器，其具有初級繞組及次級繞組； 主開關(guān)，其與所述回掃變壓器的所述初級繞組串聯(lián)地耦接，其中所述回掃變壓器的所述初級繞組及所述主開關(guān)耦接到電源； 同步開關(guān)，其與所述回掃變壓器的所述次級繞組串聯(lián)地耦接；以及 輸出電容器，其耦接到所述回掃變壓器的所述次級繞組及所述同步開關(guān)； 其中所述主開關(guān)通過所述回掃變壓器給所述輸出電容器充電，且同步開關(guān)使所述輸出電容器通過回掃變壓器返回而放電；以及 開關(guān)式電力供應(yīng)器控制器，其耦接到所述主開關(guān)及所述同步開關(guān)且控制所述主開關(guān)及所述同步開關(guān)； 其中實(shí)質(zhì)上方形波脈寬調(diào)變式電流被提供到耦接到所述輸出電容器的負(fù)載。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的系統(tǒng)，其中所述負(fù)載為串聯(lián)連接式發(fā)光二極管串。
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的系統(tǒng)，其中所述發(fā)光二極管串具有高輸出光且用于汽車應(yīng)用。
14.根據(jù)權(quán)利要求11所述的系統(tǒng)，其中所述主開關(guān)及所述同步開關(guān)為電力場效晶體管。
15.根據(jù)權(quán)利要求11所述的系統(tǒng)，其中所述開關(guān)式電力供應(yīng)器控制器為微控制器。
16.根據(jù)權(quán)利要求11所述的系統(tǒng)，其中所述負(fù)載包括在第一電壓下操作的第一發(fā)光二極管串和在第二電壓下操作的 第二發(fā)光二極管串，其中所述第一電壓大于所述第二電壓； 其中 當(dāng)所述輸出電容器上的電壓實(shí)質(zhì)上處于所述第一電壓時用斷開/連接開關(guān)使所述第二發(fā)光二極管串與所述輸出電容器斷開；且 當(dāng)所述輸出電容器上的所述電壓實(shí)質(zhì)上處于所述第二電壓時用所述斷開/連接開關(guān)來連接所述第二發(fā)光二極管串。
17.根據(jù)權(quán)利要求11所述的系統(tǒng)，其中所述輸出電容器通過所述回掃變壓器而放電至耦接到所述回掃變壓器的所述初級繞組的輸入電容器中。
【文檔編號】H02M3/335GK104040862SQ201280066405
【公開日】2014年9月10日 申請日期:2012年11月9日 優(yōu)先權(quán)日:2011年11月11日
【發(fā)明者】斯考特·迪爾伯恩, 泰瑞·克萊維蘭 申請人:密克羅奇普技術(shù)公司