用于可調光固態(tài)照明設備的驅動電路的制作方法
【專利摘要】一種用于生成高電壓電源電路中的管理電壓的電壓調節(jié)器，包括耦合到高電壓節(jié)點和在輸出節(jié)點處的存儲器件的充電開關、以及耦合到所述充電開關的控制電壓調節(jié)電路，所述控制電壓調節(jié)電路被配置用于使得所述充電開關生成用于對所述存儲器件進行充電的電流脈沖。
【專利說明】
用于可調光固態(tài)照明設備的驅動電路

【技術領域】
[0001 ] 本發(fā)明的主題涉及用于固態(tài)照明設備的驅動電路。

【背景技術】
[0002]固態(tài)照明陣列被用于許多照明應用。例如，包括固態(tài)發(fā)光裝置陣列的固態(tài)照明面板已經在例如建筑照明和/或重點照明中用作直接照明源。固態(tài)發(fā)光裝置可以包括例如包括一個或更多個發(fā)光二極管(LED)的封裝的發(fā)光裝置，所述封裝的發(fā)光裝置可以包括可包括形成Pn結的半導體層的無機發(fā)光二極管和/或可包括有機發(fā)光層的有機發(fā)光二極管(OLED)。典型地，固態(tài)發(fā)光裝置通過發(fā)光層或發(fā)光區(qū)域中的電載流子(即，電子和空穴)的重新組合來生成光。固態(tài)發(fā)光裝置可以包括例如包括一個或更多個發(fā)光二極管(LED)的封裝的發(fā)光裝置。
[0003]Cree公司生產使用發(fā)光二極管來照明的各種嵌入式筒燈(recessed down light),例如LR-6和CR-6。固態(tài)照明面板也通常被用作用于小型液晶顯示器(IXD)屏幕和較大的顯示器的背光，所述小型液晶顯示器屏幕例如在便攜式電子裝置中使用的LCD顯示器屏幕，所述較大的顯示器例如LCD電視顯示器。
[0004]典型地用直流信號對固態(tài)照明裝置進行供電。但是，按照慣例是以交流形式傳輸功率的。因此，一般期望固態(tài)燈具包括交流/直流轉換器，以將交流線電壓轉換成直流電壓。
[0005]升壓轉換器可以用于從交流線電壓生成直流電壓，并具有高的功率因數(shù)和低的總諧波失真。基于LED的負載的電壓可以高于輸入(線)交流電壓的峰值。在這種情況下，單級升壓轉換器可以用作實現(xiàn)高功率效率和低成本的驅動器。例如，將120V、60Hz的交流電轉換成200-250V的直流輸出的功率因數(shù)校正(power factor corrected, PFC)升壓轉換器可以用于以10-15W的功率水平來驅動高壓(HV)LED陣列
[0006]對于一般的照明應用，期望固態(tài)照明設備能夠兼容舍相調光信號(phase cutdimming signal)。舍相調光器通常用于降低輸入功率以用于傳統(tǒng)的白熾燈具，這導致了燈具變暗。舍相調光器在每個周期中僅使輸入電壓波形的一部分通過。因此，在舍相交流輸入信號的該部分期間，不向燈具提供電壓。
[0007]與舍相調光信號的兼容性也可用于基于升壓轉換器的LED驅動器。一種低成本的方法是使用開環(huán)控制，這意味著驅動器將不對由于舍相調光導致的LED電流減小進行響應，而是在調光器導通時間期間保持預設的輸入電流。以這種方式，實現(xiàn)了“自然的”調光性能，并且由于調光器導通時間減少因而輸入功率以及因此LED電流將減小。一種其它的方法是驅動器使用閉環(huán)控制。由于控制環(huán)路是完整和有效的，因此這些驅動器將嘗試補償由于調光器舍相導致的輸入功率減小。在這些情況下為了對LED進行調光，應當使控制環(huán)路飽和，使得輸入電流不能增大。例如可以通過對誤差放大器的輸出進行鉗位來實現(xiàn)控制環(huán)路飽和。
[0008]由于舍相調光導致的另一挑戰(zhàn)是升壓轉換器生成用于在深度調光期間對升壓轉換器的控制電路供電(所謂的“管理供電(housekeeping power)”)的偏置電壓。傳統(tǒng)的LED驅動電路從升壓電路電感器的輔助繞組取得管理供電。在調光器關閉時段期間，取決于輸入波形被調光器切去多少，控制電路可能失去供電。這可以導致整個驅動電路斷開，整個驅動電路斷開可以導致固態(tài)照明設備的可見閃爍或其他問題。


【發(fā)明內容】

[0009]根據(jù)一些實施例的電壓調節(jié)器包括:充電開關，包括耦合到高電壓節(jié)點的第一端子、第二端子以及控制端子；整流器，耦合到所述充電開關的所述第二端子；輸出電容器，耦合到所述整流器；控制開關，耦合到所述第二端子；以及控制電壓調節(jié)電路，耦合到所述充電開關的所述控制端子。所述控制開關和所述充電開關被配置用于使得當所述控制開關被關斷時，所述控制開關上的電壓的升高導致所述充電開關的控制端子上的電壓的增大，所述增大足以使得充電電流流過所述整流器并流入所述輸出電容器。所述控制電壓調節(jié)電路被配置用于使所述控制開關上的增大的電壓耗散，以使得所述充電電流僅在響應于所述控制開關被關斷的有限的時間段之內流動。
[0010]所述控制電壓調節(jié)電路可包括耦合到所述充電開關的所述控制端子的鉗位二極管。
[0011]所述電壓調節(jié)器還可包括電阻器，所述電阻器與所述鉗位二極管相并聯(lián)，并被配置用于使得被所述鉗位二極管鉗位后的電壓耗散。所述電阻器的電阻被選擇以提供所述充電電流的期望的脈沖寬度。
[0012]所述控制開關具有寄生電容，當所述控制開關被關斷時所述寄生電容被充電，由此導致所述控制開關上的電壓的升高。
[0013]在一些實施例中，所述控制電壓調節(jié)電路可包括:齊納二極管，耦合到電壓節(jié)點；第一電阻器，耦合在所述電壓節(jié)點與電壓源之間；鉗位二極管，耦合到所述充電開關的控制端子；第二電阻器，與所述鉗位二極管相并聯(lián)地耦合；第三電阻器，耦合在所述鉗位二極管與所述電壓節(jié)點之間；以及電容器，耦合到所述電壓節(jié)點。所述第二電阻器和第三電阻器以及所述電容器可被配置用于使所述充電開關的控制端子上的增大的電壓耗散。所述充電開關被配置用于響應于所述充電開關的控制端子上的增大的電壓的耗散而關斷。
[0014]在一些實施例中，所述的電壓調節(jié)器還可包括:主電感器；過零檢測(Z⑶)電路，被配置用于響應于通過所述主電感器的電流下降到零而生成過零檢測信號；以及控制電路，被配置用于響應于所述過零檢測信號而選擇性地啟動所述控制開關。所述過零檢測信號被配置用于生成具有電壓擺動的所述過零檢測信號，所述電壓擺動足夠用于觸發(fā)所述控制電路的過零檢測。
[0015]在一些實施例中，所述過零檢測電路可包括:電容器，耦合到所述高電壓節(jié)點和第一節(jié)點；第一電阻器，耦合到所述電容器和過零檢測輸出節(jié)點；第二電阻器，耦合到所述過零檢測輸出節(jié)點；第一二極管，包括耦合到所述第一節(jié)點的陽極，并包括陰極；第二電阻器，耦合到所述二極管的所述陰極；以及第二二極管，包括耦合到所述第二電阻器的陰極。
[0016]在其它實施例中，其中所述過零檢測電路可包括:第一電阻器，耦合到所述高電壓節(jié)點；第一齊納二極管，具有耦合到所述第一電阻器的陰極，并具有耦合到過零檢測輸出節(jié)點的陽極；第二齊納二極管，具有耦合到所述過零檢測輸出節(jié)點的陰極；第二電阻器，耦合到所述過零檢測輸出節(jié)點；以及電容器，耦合到所述過零檢測輸出節(jié)點。
[0017]一些實施例提供了一種用于生成電源電路中的管理電壓的電壓調節(jié)器。所述電壓調節(jié)器包括:充電開關，耦合到高電壓節(jié)點和輸出電容器；以及控制電壓調節(jié)電路，耦合到所述充電開關的控制端子。所述控制開關和所述充電開關被配置用于使得當所述控制開關被關斷時，所述控制開關上的電壓的升高導致所述充電開關的控制端子上的電壓的增大，所述增大足以使得充電電流流入所述輸出電容器。所述控制電壓調節(jié)電路被配置用于使得所述控制開關上的增大的電壓耗散，以使得所述充電電流僅在響應于所述控制開關的狀態(tài)變換的有限的時間段內流動。
[0018]根據(jù)另外的實施例的一種用于生成電源電路中的管理電壓的電壓調節(jié)器包括:充電開關，耦合到高電壓節(jié)點和輸出電容器；以及控制電壓調節(jié)電路，耦合到所述充電開關，并被配置用于使得所述充電開關響應于控制信號而生成用于對所述輸出電容器進行充電的電流脈沖。
[0019]根據(jù)本發(fā)明的另外的實施例，一種生成高電壓電源中的低電壓的方法包括:生成在電壓節(jié)點處的高電壓；以及響應于所述電壓節(jié)點處的電壓電平的變化，生成用于將輸出電容器充電到低于所述高電壓的電平的電流的脈沖。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]被包括用于提供對本發(fā)明主題的進一步理解且被合并而構成本申請的一部分的附圖示出了本發(fā)明主題的某些實施例(一個或多個)。在附圖中:
[0021]圖1是可用于生成控制電路電壓的線性電壓調節(jié)器的電路圖。
[0022]圖2是根據(jù)本發(fā)明原理的實施例的可用于生成控制電路電壓的電壓調節(jié)器電路的電路圖。
[0023]圖3是與圖2所示的電壓調節(jié)器電路相關聯(lián)的波形的圖示。
[0024]圖4是過零檢測電路的框圖。
[0025]圖5-7是根據(jù)本發(fā)明原理的過零檢測電路的電路圖。

【具體實施方式】
[0026]現(xiàn)在將在下文中參考其中示出了本發(fā)明主題的實施例的附圖來更充分地描述本發(fā)明主題的實施例。然而，本發(fā)明主題可以以許多不同的形式來實施，而不應被解釋為限定于在此提出的實施例。更確切地，提供這些實施例以使得本公開是徹底的和完整的且充分地向本領域的技術人員傳達本發(fā)明主題的范圍。相似的附圖標記始終表示相似的元件。
[0027]應當理解，盡管在此可以使用詞語第一、第二等來描述各種元件，但是這些元件不應受這些詞語的限定。這些詞語僅用于使元件相互區(qū)分。例如，第一元件可以被稱為第二元件，類似地，第二元件可以被稱為第一元件，而不偏離本發(fā)明主題的范圍。在此使用的詞語“和/或”包括相關的列出的項中的一個或更多個的任意的和所有的組合。
[0028]應當理解，當元件被稱為“連接”或“耦合”到另一元件時，該元件可以直接地連接或耦合到另一元件，或者可以存在中間元件。相反地，當元件被稱為“直接連接”或“直接耦合”到另一元件時，不存在中間元件。
[0029]應當理解，當元件或層被稱為在另一元件或層“之上”時，該元件或層可以直接在另一元件或層之上，或者也可以存在中間元件或中間層。相反地，當元件被稱為是“直接在”另一元件或層“之上”時，不存在中間元件或層。附圖中的相似的附圖標記在說明書中始終表示相似的元件。
[0030]在此使用的術語是僅用于描述特定實施例的目的，而并不旨在限定本發(fā)明主題。在此使用的單數(shù)形式“一”、“一個”和“該”旨在也包括復數(shù)形式，除非上下文清楚地表示另外的情況。還應當理解，詞語“包括”、“包括…的”、“包含”和/或“包含…的”當在此使用時指定所述的特征、整體、步驟、操作、元件和/或部件的存在，但并不排除一個或更多個其它特征、整體、步驟、操作、元件、部件和/或其組的存在或添加。
[0031]除非另外定義，否則在此使用的所有詞語(包括技術和科學詞語)具有與本發(fā)明主題所屬的領域的普通技術人員通常理解的意思相同的意思。還應當理解，在此使用的詞語應被解釋為與其在本說明書的上下文以及相關領域中的意思相一致的意思，而不應被解釋為理想的或過度的形式意義，除非在此被清楚地定義。詞語“多個”在此用于表示所引用的項的兩個或更多個。
[0032]在此使用的表述“照明設備”除了表示該裝置能發(fā)光之外并不限定于此。也就是說，照明設備可以是:照亮諸如結構、游泳池或游泳溫泉、房間、倉庫、指示器、道路、停車場、車輛、諸如道路標志之類的標志、廣告牌、船、玩具、鏡子、容器、電子裝置、艇、航行器、體育場、計算機、遠程音頻裝置、遠程視頻裝置、電話、樹、窗口、LCD顯示器、洞穴、隧道、院子、路燈柱之類的區(qū)域或容積的裝置；或對外殼進行照明的裝置或裝置陣列；或用于邊緣照明或背光(例如背光廣告、標志、IXD顯示器)、燈泡替換(例如用于替換交流白熾燈、低壓燈、熒光燈等)、用于室外照明的燈、用于安全照明的燈、用于住宅外部照明(墻式安裝、柱/支柱式安裝)的燈、天花板燈具/壁燈臺、柜下照明、(地板和/或桌和/或椅)燈、風景照明、軌道照明、任務照明、專業(yè)照明、吊扇照明、檔案/藝術顯示照明、高振動/沖擊照明、工作燈等、鏡子/梳妝臺照明的裝置；或任何其它發(fā)光裝置。
[0033]本發(fā)明的一些實施例提供了利用低成本的部件解決可調光LED驅動電路中的各種需求和/或實現(xiàn)寬范圍的調光(例如低至1%)的電子電路。在此結合升壓(逐步升高)轉換器來描述本發(fā)明的實施例。然而，本發(fā)明不限于升壓轉換器，而是可以結合諸如降壓(buck)(逐步降低)、降壓-升壓、SEPIC和/或其它開關模式電源拓撲和/或其它電壓轉換器拓撲之類的其它類型的電路來使用。
[0034]作為對從升壓轉換器電感器的輔助繞組取得控制電路電壓的取代，一些實施例從升壓轉換器中發(fā)現(xiàn)的諸如整流線路電壓之類的高電壓電平生成直流管理電壓。然而，該整流線路電壓可能實質上高于對驅動電路供電所需要的電壓電平(例如150V相對于15V)。這種電壓差可能導致控制電壓生成電路中的不期望的損耗。
[0035]例如，圖1示出了具有可用于生成相對低的控制電路電壓的共源共柵開關拓撲(cascoded switch topology)的線性電壓調節(jié)器。該電路的功能是用于從高電壓源VD (例如150V)生成相對低的偏置“管理”電壓VDD (典型地約為15V)，如上文所述，所述高電壓源VD可以是整流線路電壓。
[0036]圖1所示的線性電壓調節(jié)器電路包括齊納二極管ZD1、電阻器R1、充電開關Q1、二極管Dl和輸出電容器Cl。齊納二極管ZDl和電阻器Rl形成了柵極電壓調節(jié)電路，其向充電開關Ql的柵極供應與齊納二極管的齊納電壓相等的柵極電壓。充電開關Ql在圖1中被示出為MOSFET晶體管。然而，應當認識到，作為替代，可以使用其它類型的晶體管開關，例如雙極結晶體管。
[0037]在加電之后，通過電阻器Rl和齊納二極管ZDl生成直流電壓VG (例如18V)。當充電開關Ql的柵極對源極的電壓(VG-VS)大于閾值Vth(例如2V)時，充電開關Ql導通。只要VS-VDD大于二極管Dl的正向電壓Vd (例如IV)，二極管Dl就導通。隨后，只要VG-VDD大于Vth+Vd，輸出電容器Cl就通過充電開關Ql和二極管Dl進行充電，并且VDD的最終值等于VG-Vth-Vd。如果VDD上升到大于VG-Vth-Vd的電平，則充電開關Ql停止導通，并且不再用電壓VD對電容器進行充電。然后電容器可以提供偏置電壓VDD，直到電容器上的電荷下降到VDD小于VG-Vth-Vd的點，在該點處電壓VD再次開始對輸出電容器Cl進行充電。
[0038]該線性調節(jié)結構能夠提供非?？斓膯雍秃愣ǖ闹绷髌秒妷篤DD。然而，其可能遭受大功率損耗的缺點，特別是在VD遠高于VDD時。大功率損耗是由于MOSFET充電開關Ql在飽和模式(或者如果充電開關Ql是雙極晶體管則為線性工作模式)下的工作以及充電開關Ql兩端的大的電壓降VD-VDD。例如，如果VD是VDD的十倍，則Ql上的功率損耗是傳輸?shù)捷敵鲭娙萜鰿l的功率的九倍。
[0039]為了提供具有降低的功率損耗的線性調節(jié)結構，本發(fā)明原理的實施例實現(xiàn)了在每個開關時段在有限的時間間隔內對輸出電容器的充電。該方法可以通過操縱充電開關的柵極電壓來實現(xiàn)。例如，參考圖2，基于升壓轉換器100示出了示例。升壓轉換器100被配置用于供應兩個不同的直流輸出電壓以用于例如對控制電路20供電，所述兩個不同的直流輸出電壓即為可用于驅動諸如固態(tài)照明設備之類的負載的高電壓Vout和可用作“管理供電”的低電壓VDD。
[0040]升壓轉換器100的基本結構包括主電感器L1、包括充電開關Q2和控制開關Q3的開關結構、向負載26提供輸出電壓的初級整流二極管D3和初級輸出電容器C4，其中負載26例如可以是包括多個發(fā)光二極管的固態(tài)照明裝置。在具體實施例中，負載26可以包括高電壓LED，包括具有超過4伏特的正向電壓的LED。例如，在作者為Ibbetson等人的標題為“High Voltage Low Current Surface Emitting LED”的美國專利申請第 12/814，241 號中公開了高電壓LED，該美國專利申請的公開內容通過引用全部合并于此。可以在負載中使用其它的高電壓LED，例如本發(fā)明的受讓人所制造的XB-D LED。負載的發(fā)光二極管中的至少一些可以串聯(lián)連接，使得驅動發(fā)光二極管所需要的正向電壓可以是相對高的，例如大于100V。
[0041]在一些實施例中，相應地利用升壓，提供給負載26的直流輸出電壓可以介于約180V和約500V的加/減10%之間。在具有降壓-升壓轉換器的情況下，輸出電壓可以介于約50V和約250V之間。轉換器的功率水平可以顯著地從2W變化到200W。典型的線(交流)電壓的范圍是以頻率50/60HZ的具有加/減10%的變化的交流100V、交流120V、交流230V、交流 270V。
[0042]充電開關Q2可以是額定用于高電壓(例如250V或更多)，而控制開關Q3是低電壓開關(例如低于20V)并可以在控制器(例如德州儀器(Texas Instrument)公司制造的TPS92210型號的功率因數(shù)校正LED照明驅動器控制器)內部。
[0043]仍參考圖2，控制電壓調節(jié)電路25被設置用于調節(jié)充電開關Q2上的柵極電壓?？刂齐妷赫{節(jié)電路25包括電阻器R2、R3、R4、齊納二極管ZD2、ZD3和電容器C3。電阻器R3和R4和齊納二極管ZD3連接在齊納二極管ZD2的陰極和充電開關Q2的柵極之間。齊納二極管ZD3可以具有例如4.7V的齊納電壓。充電電路27由充電開關Q2、次級整流二極管D2和次級輸出電容器C2形成。
[0044]在圖2的升壓轉換器中，充電開關Q2和控制開關Q3是MOSFET晶體管器件，然而，可以使用其它類型的晶體管器件來實現(xiàn)所述開關。充電晶體管Q2的漏極在節(jié)點VD處耦合到主電感器LI和初級整流二極管D3的陽極。充電晶體管Q2的柵極在節(jié)點VG處耦合到控制電壓調節(jié)電路25，并且充電晶體管的源極在節(jié)點VS處耦合到次級整流二極管D2的陽極。許多寄生電容與充電開關Q2相關聯(lián)，包括柵極對漏極的電容Cgd、漏極對源極的電容Cds、以及柵極對源極的電容Cgs。
[0045]控制開關Q3耦合到節(jié)點VS，并具有關聯(lián)的寄生電容Cd3。
[0046]初級輸出電容器C4在節(jié)點Vout處耦合到初級整流二極管D3的陰極，并且次級輸出電容器C2在節(jié)點VDD處耦合到次級整流二極管D2的陰極。
[0047]控制電路20在節(jié)點VDD處接收來自次級輸出電容器C2的功率。控制電路20具有耦合到控制開關Q3的柵極的輸出，并響應于定時基準電路29提供的定時信號而控制控制開關Q3的工作。如下文更詳細地討論的，定時基準電路29可以包括檢測通過主電感器LI的電流何時下降到零的過零檢測(ZCD)電路。
[0048]圖3是示出了圖2的電路的工作的波形圖。在圖3中，曲線42表示在充電開關Q2的漏極處的電壓VD，曲線44表示在充電開關Q2的柵極處的電壓VG，并且曲線46表示通過次級整流二極管D2的電流Id2。
[0049]再次參考圖2，如下文所討論的，在開關Q3-Q2的通斷變換之后，僅在短暫的時段內對次級輸出電容器C2進行充電。當控制和充電開關Q3和Q2接通時，主電感器LI被輸入電壓源充電，并達到一定的電流。在實施例中，在利用諸如STMicroelectronics公司制造的L6562A型號的驅動器控制器之類的控制器的變換模式控制的情況下，電感器電流以線性形式從零至峰值ipeak斜坡上升(ramp up)。當控制開關Q3斷開時,通過主電感器LI的電感器電流(ipeak)對控制開關Q3的寄生電容Cd3進行充電，并使控制開關Q3的在節(jié)點VS處的漏極電壓從零升高。在此變換期間，由于齊納二極管D3、電阻器R3和充電開關Q2的寄生電容，充電開關Q2的柵極電壓臨時提高。通過齊納二極管ZD3對該電壓進行鉗位。
[0050]參考圖2和圖3，在時間tO處，VD(曲線42)是高的。VG(曲線44)被鉗位在約18V處。在時間tl處，控制電路20使晶體管Q3接通。在該點，電壓VD下降到零，導致通過電感器LI的電流增大到峰值。在時間t2處，晶體管開關Q3被控制電路20關斷。這導致在節(jié)點VS和VD處的電壓隨著寄生電容被電感器電流充電而升高。此外，當晶體管開關Q3被關斷時，由于充電開關Q2的柵極-源極電容保持了電荷，因此在節(jié)點VG處的電壓急劇增大。在節(jié)點VG處的電壓被齊納二極管ZD3鉗位。由于對Q2的柵極-漏極電容進行充電直至節(jié)點VD處的電壓穩(wěn)定在初級輸出電壓處的電流，該電壓保持短的時段(t2-t3)。在該時段期間，通過次級整流二極管D2的充電通道打開，導致了流入次級輸出電容器C2的充電電流(曲線46)。由于在充電開關Q2的柵極處的寄生電容放電，在節(jié)點VG處的電壓減小，這使得當充電開關Ql的柵極-源極電壓低于閾值時，充電開關Ql關斷，從而導致了流過次級整流二極管D2的充電電流在時間t3處下降到零。
[0051]電阻器R3具有被選擇以使充電開關Q2的柵極-源極電容的放電變慢但同時限定了充電脈沖的寬度的電阻值。在此時間期間，如圖3的波形中看到的(即，電壓VG在時間t2處的上升)，充電開關Q2接通，并且電感器電流正在對次級輸出電容器C2進行充電。由于充電開關Q2的柵極-源極電壓延遲且充電開關Q2開始進入飽和，因此在節(jié)點VD處的電壓升高，直至初級整流二極管D3導通并將節(jié)點VD處的電壓鉗位到Vout。只要在節(jié)點VD處的電壓達到該輸出電壓，則對寄生電容的充電停止，并且在節(jié)點VG處的電壓返回至通過齊納二極管ZD2設定的電壓。
[0052]利用適當?shù)牟考?，只有當控制晶體管Q3的通斷變換期間節(jié)點VG處的電壓提高時才發(fā)生對次級輸出電容器C2的充電，這可以減少通常與當節(jié)點VD處的電壓高時對次級輸出電容器C2進行充電相關聯(lián)的功率損耗。
[0053](用于LED的)開關模式電源或驅動器中的一個主要的成本項是具有輔助繞組的主電感器。該輔助繞組需要生成約為12-15V的輔助電源或偏壓電源(管理供電)以用于對控制電路供電。具有輔助繞組使得該電感器成為定制部件，其中必須管理電感器初級匝數(shù)相對于輔助匝數(shù)的比率且必須使用諸如具有線軸的環(huán)形磁芯或EE磁芯之類的電感器磁芯。這增加了電感器的成本。能夠在不使用輔助繞組的情況下生成輔助電源可以允許使用較便宜的電感器。在環(huán)形磁芯或EE磁芯上的電感器可以比具有輔助繞組的電感器便宜10-30%。然而，本發(fā)明的實施例可以允許使用標準的現(xiàn)成的鼓式磁芯電感器，這可以比具有輔助繞組的定制電感器的成本的一半更少。
[0054]一旦主電感器LI中的能量完全被傳送到輸出端，則電感器電流下降到零，且初級整流二極管D3反相偏置。主電感器LI與節(jié)點VD處的電容之間的諧振驅動電壓VD下降。需要檢測到該電壓以啟動新的開關時段。當升壓電路電感器上的輔助繞組被用于管理供電時，容易感測到該繞組上的電壓并判定開始新的開關時段。在不具有輔助繞組的情況下，典型的方法是使用電阻電容(RC)耦合來將VD節(jié)點信號傳送至控制器。在具有升壓轉換器和具有調光的情況下，存在對該“過零檢測(ZCD) ”方法的一些限定。如下文更詳細地討論的，本發(fā)明的實施例提供了用于確定何時開始新的開關時段的另外的電路。
[0055]對于以臨界導通模式(CRM、邊界模式或變換模式)工作的電壓轉換器，期望向控制電路20提供過零檢測(ZCD)信號以觸發(fā)新的接通時段。ZCD信號表示通過主電感器的電流已達到零，并且Z⑶信號通常是利用主電感器LI的次級繞組生成的。如果次級繞組不可用，則也可以利用RC網(wǎng)絡來生成Z⑶信號。如圖4所示，過零檢測器30可以耦合在電壓VD與接地之間，并且可以生成過零檢測信號Z⑶，當通過主電感器LI的電流已達到零時，該過零檢測信號ZCD被提供給控制電路20。
[0056]在圖5中示出了基于升壓轉換器拓撲的根據(jù)一些實施例的ZCD檢測電路30A。
[0057]圖5中的Z⑶檢測電路30A包括耦合在電感器LI的輸出(即，電壓VD的位置)與接地之間的電容器C5和電阻器R5、R6。在電阻器R5與電容器C5之間的節(jié)點處的電壓被表示為VC。被控制電路20控制的晶體管開關Q4也連同關聯(lián)的寄生電容Cpl —起耦合在VD與接地之間。
[0058]在開關Q4斷開且二極管D3導通的時間期間，輸出電壓Vout約等于VD，并且通過電阻器R5和R6對ZCD檢測電容器C5進行充電。當電感器電流iLl下降到零時，由于電感器LI與寄生電容Cpl之間的諧振，二極管D3關斷且VD下降。由于電容器C5能夠保持其電壓，因此節(jié)點VC處的電壓遵循節(jié)點VD處的電壓的變化。通過選擇R5與R6之間的適當?shù)谋嚷?，Z⑶信號可以被生成并被饋入控制電路20。
[0059]可以選擇電容器C5上的電壓電平以及達到該電平所需的速度，使得提供正確的ZCD信號，特別是當電路必須兼容舍相調光器時。典型的控制電路中用于ZCD信號的閾值電壓通常為低電壓(接近于零)。ZCD信號的高到低的變換觸發(fā)新的接通時間間隔。
[0060]在升壓轉換器中，當峰值輸入電壓(例如180V)接近于輸出電壓(例如190V)時，電壓VD的諧振擺動在峰值處可以是小的(例如20V-差值的兩倍)。如果電容器C5上的直流電壓低，則電壓信號ZCD可能不能擺動得低到足以觸發(fā)控制電路20的過零檢測。為了更好地確保正確的ZCD觸發(fā)，電容器C5上的電壓可以是大到足以允許正確的ZCD觸發(fā)、但低于輸出電壓Vout。此外,該大的值可以在一個開關時段內達到。
[0061]當開關Q4導通時，VD處的電壓接近于零，并且通過R5、R6和Q4對電容器C5進行放電。類似地，電容器C5上的電壓在由于調光導致的長的斷開時段期間可以下降到零。然而，只要電壓電平VD升高，則電容器C5應當盡快被充電至高電壓。通過操縱電容器C5上的電壓并以不同的速度對C5進行充電/放電，可以滿足這些需求。圖6示出了一個用于實現(xiàn)這些功能的電路。
[0062]參考圖6，Z⑶檢測電路30B包括所示出的連接在電感器LI的輸出與接地之間的電容器C5和C6、二極管D5、齊納二極管ZD4和電阻器R5、R6和R7。
[0063]利用圖6所示的電路，當VD高時，主要通過二極管D5、電阻器R7和齊納二極管ZD4對電容器C5進行充電。R7的小的電阻導致了快速充電，而齊納二極管ZD4限定了 C5上的最大電壓，該最大電壓大致上是輸出電壓Vout減去ZD4的齊納電壓。齊納二極管ZD4被設置成使得當VD高時ZCD處的電壓能夠比觸發(fā)閾值更高。當VD低時，通過R5和R6對C5進行放電，同時R7支路被二極管D5阻斷。因此，通過使用用于R5和R6的高電阻值，可以使放電變慢。使用電容器C6來向ZCD信號引入小的延遲。利用該配置，C5上的電壓可以接近于但小于輸出電壓，因此可以生成正確的Z⑶信號。
[0064]圖7示出了可以生成適當?shù)牧汶娏鳈z測信號的另一過零檢測電路30C。Z⑶電路30C包括電阻器R7和R8、齊納二極管ZD5和ZD6以及電容器C7。
[0065]在電路30C中，齊納二極管ZD5是高電壓齊納二極管(例如180V)。當VD下降到低于齊納二極管ZD5的齊納電壓時，隨著R7對電容器C7進行放電，在節(jié)點ZCD處的電壓將下跌到零。這觸發(fā)了過零檢測閾值(例如0.7V)。當電壓VD升高到高于齊納二極管ZD5上的電壓時，節(jié)點ZCD處的電壓升高到高于復位控制電路所需要的另一閾值(例如1.4V)，這使控制電路準備好用于下個過零事件。如果必要的話，齊納二極管ZD6對ZCD信號的電壓電平進行鉗位(例如在4.7V)。
[0066]在此已經結合上述的說明以及附圖公開了許多不同的實施例。應當理解，字面上描述和示出這些實施例的每個組合和子組合將是過于冗余和令人困惑的。因此，可以以任意的方式和/或組合來組合所有實施例，并且本說明書包括附圖應當被解釋為構成在此描述的實施例的所有組合和子組合以及制造和使用這些組合和子組合的方式和過程的完整的書面公開，并且應當支持對任意的這種組合或子組合的權利要求。
[0067]在附圖和說明書中，已經公開了本發(fā)明的典型的實施例，并且盡管使用了特定詞語，但是這些特定詞語僅僅是以一般描述性語句使用的，而并不用于限定，在下面的權利要求書中提出了本發(fā)明的范圍。
【權利要求】
1.一種電壓調節(jié)器，包括: 充電開關，包括耦合到高電壓節(jié)點的第一端子、第二端子以及控制端子； 整流器，耦合到所述充電開關的所述第二端子； 輸出電容器，耦合到所述整流器； 控制開關，耦合到所述第二端子；以及 控制電壓調節(jié)電路，耦合到所述充電開關的所述控制端子； 其中所述控制開關和所述充電開關被配置用于使得當所述控制開關被關斷時，所述控制開關上的電壓的升高導致所述充電開關的控制端子上的電壓的增大，所述增大足以使得充電電流流過所述整流器并流入所述輸出電容器；以及 其中所述控制電壓調節(jié)電路被配置用于使所述控制開關上的增大的電壓耗散，以使得所述充電電流僅在響應于所述控制開關被關斷的有限的時間段之內流動。
2.根據(jù)權利要求1所述的電壓調節(jié)器，其中所述控制電壓調節(jié)電路包括耦合到所述充電開關的所述控制端子的鉗位二極管。
3.根據(jù)權利要求2所述的電壓調節(jié)器，還包括: 電阻器，與所述鉗位二極管相并聯(lián)，并被配置用于使得被所述鉗位二極管鉗位的電壓耗散。
4.根據(jù)權利要求3所述的電壓調節(jié)器，其中所述電阻器的電阻被選擇為提供所述充電電流的期望的脈沖寬度。
5.根據(jù)權利要求1所述的電壓調節(jié)器，其中所述控制開關具有寄生電容，當所述控制開關被關斷時所述寄生電容被充電，由此導致所述控制開關上的電壓的升高。
6.根據(jù)權利要求5所述的電壓調節(jié)器，其中所述控制電壓調節(jié)電路包括: 齊納二極管，耦合到電壓節(jié)點； 第一電阻器，耦合在所述電壓節(jié)點與電壓源之間； 鉗位二極管，耦合到所述充電開關的控制端子； 第二電阻器，與所述鉗位二極管并聯(lián)地耦合； 第三電阻器，耦合在所述鉗位二極管與所述電壓節(jié)點之間；以及 電容器，耦合到所述電壓節(jié)點。
7.根據(jù)權利要求6所述的電壓調節(jié)器，其中所述第二電阻器和第三電阻器以及所述電容器被配置用于使所述充電開關的控制端子上的增大的電壓耗散。
8.根據(jù)權利要求7所述的電壓調節(jié)器，其中所述充電開關被配置用于響應于所述充電開關的控制端子上的增大的電壓的耗散而關斷。
9.根據(jù)權利要求1所述的電壓調節(jié)器，還包括: 主電感器； 過零檢測Z⑶電路，被配置用于響應于通過所述主電感器的電流下降到零而生成過零檢測信號；以及 控制電路，被配置用于響應于所述過零檢測信號而選擇性地啟動所述控制開關； 其中所述過零檢測信號被配置用于生成所述過零檢測信號以具有足夠的電壓擺動，所述電壓擺動足夠用于觸發(fā)所述控制電路的過零檢測。
10.根據(jù)權利要求9所述的電壓調節(jié)器，其中所述過零檢測電路包括: 電容器，耦合到所述高電壓節(jié)點和第一節(jié)點； 第一電阻器，耦合到所述電容器和過零檢測輸出節(jié)點； 第二電阻器，耦合到所述過零檢測輸出節(jié)點； 第一二極管，包括耦合到所述第一節(jié)點的陽極，并包括陰極； 第二電阻器，耦合到所述二極管的所述陰極；以及 第二二極管，包括耦合到所述第二電阻器的陰極，其中所述第二二極管包括齊納二極管。
11.根據(jù)權利要求9所述的電壓調節(jié)器，其中所述過零檢測電路包括: 第一電阻器，耦合到所述高電壓節(jié)點； 第一齊納二極管，具有耦合到所述第一電阻器的陰極，并具有耦合到過零檢測輸出節(jié)點的陽極； 第二齊納二極管，具有耦合到所述過零檢測輸出節(jié)點的陰極； 第二電阻器，耦合到所述過零檢測輸出節(jié)點；以及 電容器，耦合到所述過零檢測輸出節(jié)點。
12.一種用于生成電源電路中的次級電壓的電壓調節(jié)器，所述電壓調節(jié)器包括: 充電開關，耦合到高電壓節(jié)點和輸出電容器；以及 控制電壓調節(jié)電路，耦合到所述充電開關的控制端子； 其中所述控制開關和所述充電開關被配置用于使得當所述控制開關被關斷時，所述控制開關上的電壓的升高導致所述充電開關的控制端子上的電壓的增大，所述增大足以使得充電電流流入所述輸出電容器；以及 其中所述控制電壓調節(jié)電路被配置用于使得所述控制開關上的增大的電壓耗散，以使得所述充電電流僅在響應于所述控制開關的狀態(tài)變換的有限的時間段內流動。
13.一種用于生成電源電路中的次級電壓的電壓調節(jié)器，所述電壓調節(jié)器包括: 充電電路，耦合到開關節(jié)點和輸出節(jié)點； 存儲元件，耦合到所述輸出節(jié)點；以及 控制電壓調節(jié)電路，耦合到所述充電電路，并被配置用于使得所述充電電路生成用于對所述存儲元件進行充電的電流脈沖。
14.一種在高電壓電源中生成低電壓的方法，所述方法包括: 生成在電壓節(jié)點處的高電壓；以及 響應于所述電壓節(jié)點處的電壓電平的變化，生成用于將輸出電容器充電到低于所述高電壓的電平的電流脈沖。
15.一種固態(tài)照明裝置，包括: 固態(tài)負載，包括多個固態(tài)發(fā)光器件；以及 電源電路，所述電源電路生成初級電壓并將所述初級電壓供應到所述固態(tài)負載； 其中所述電源電路包括生成次級電壓的電壓調節(jié)器，所述電壓調節(jié)器包括: 充電電路，耦合到開關節(jié)點和輸出節(jié)點； 存儲元件，耦合到所述輸出節(jié)點；以及 控制電壓調節(jié)電路，耦合到所述充電電路，并被配置用于使得所述充電電路生成用于對所述存儲元件進行充電的電流脈沖。
16.一種響應于通過電感器的電流下降到零而生成過零檢測信號的過零檢測ZCD電路，包括: 電容器，耦合到所述電感器和第一節(jié)點； 第一電阻器，耦合到所述電容器和過零檢測輸出節(jié)點； 第二電阻器，耦合到所述過零檢測輸出節(jié)點； 第一二極管，包括耦合到所述第一節(jié)點的陽極，并包括陰極； 第二電阻器，耦合到所述二極管的所述陰極；以及 第二二極管，包括耦合到所述第二電阻器的陰極，其中所述第二二極管包括齊納二極管。
17.一種響應于通過電感器的電流下降到零而生成過零檢測信號的過零檢測ZCD電路，包括: 第一電阻器，耦合到所述電感器； 第一齊納二極管，具有耦合到所述第一電阻器的陰極，并具有耦合到過零檢測輸出節(jié)點的陽極； 第二齊納二極管，具有耦合到所述過零檢測輸出節(jié)點的陰極； 第二電阻器，耦合到所述過零檢測輸出節(jié)點；以及 電容器，耦合到所述過零檢測輸出節(jié)點。
【文檔編號】H02M3/335GK104365004SQ201380030469
【公開日】2015年2月18日 申請日期:2013年5月1日 優(yōu)先權日:2012年5月2日
【發(fā)明者】胡清琮, P·阿塞雷 申請人:克里公司