CN101971472B - 用于减少待机模式下的能量吸收的结构和相应方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于利用从RC分压器电路(R2、C9、C5)分出的驱动电压(Vs)驱动电子变压器(HB)的结构。RC分压器电路(R2、C9、C5)包括上拉分支(R2、C9)和控制分支(C5)。控制分支(R3、C5)与控制开关(S2)耦接，可控制(12)控制开关(S2)短路接地，用于RC分压器电路(R2、C9、C5)的控制分支(C5)的待机工作。该结构包括被插入在RC分压器电路(R2、C9、C5)的上拉分支(R2、C9)和控制分支(C5)之间的节能开关(S1)。可启动节能开关(S1)使RC分压器电路(R2、C9、C5)的上拉分支(R2、C9)和控制分支(C5)解耦，以在待机工作期间防止在分压器(R2、C9、C5)的上拉分支(R2、C9)中流过电流，从而避免上拉分支(R2、C9)的功率吸收。

Description

用于减少待机模式下的能量吸收的结构和相应方法
技术领域
本公开内容涉及可在装置的待机模式工作期间应用的节能技术。
本公开内容的研发尤其关注于本公开的与用于还嵌入有调光功能的卤素灯的电子变压器有关的可能应用。
然而，本公开的范围决不局限于这类可能的应用。
背景技术
如通常在照明器具领域所使用的，“调光”是指通过减小或增大供应给光源(例如，卤素灯、发光二极管或LED等的灯泡)的平均功率来调节光源的亮度的动作。
执行调光功能最常用的方式包括使用被称为“调光器”的装置。根据是否分别通过切断电源电压正弦波形的下降沿或上升沿来调节传送至负载的功率，将调光器通常区分为“后沿”调光器和“前沿”调光器。
还可以直接通过电子变压器自身进行调光操作。在这种情况下，可以使用通常称为“按钮”模式和“按键式调光”模式的两种方法，如这里的图1.a和图1.b示意性所示。
这两种方法基于不同理念：前一方法中，通过正常闭合的开关管理照明，即向正变暗的灯泡L馈电(图1.a)，而对于后一方法，通过正常闭合的开关实现该控制(图1.b)。
当采用“按钮”方法时，开关PB-SW与电源M(相位)串联连接，并且按下该按钮使得中断所检测到的、用于反映用户想要的操作的供电电压。相反，如果镇流器在原理上根据“按键式调光”工作，则将开关TD-SW与额外的配线联结，这表示产生用以控制照明的信号所需的额外输入。可以根据不同因素(调光的舒适性、安装的便捷性等)选择这两种方法中的一种，并且这两种方法均具有优缺点。
无论选择哪一方法，用户对按钮的按压和释放产生用于作为控制电路的核心的微控制器的输入信号。微控制器处理该输入，并据此产生输出信号，其中，该输出信号管理镇流器以打开和关闭光源，并且进行调光动作。
图2的框图进一步示出与在用于卤素灯的电子变压器中如何能够实现“按钮”和“按键式调光”的调光有关的详细情况。
图2的示例性结构包括从电源M馈电并包括LRC串联自谐振转换器的半桥转换器HB。
更详细地，D1、D2、D3和D4表示从电源M馈电的配置在全桥整流器结构中的四个二极管。
输入级还包括EMI滤波器(L1和C1)、保险丝电阻器(R1)和变阻器(VDR1)，因而具有提供抗脉冲和电涌的功能。
另一滤波电容器C4跨接二极管桥D1～D4的输出端。由电容器C9以及电阻器R2和电容器C5构成的分压器与电容器C4级联。
经由连接至分压器的中间点的双向触发二极管10来驱动转换器HB。当双向触发二极管10上的压降达到其阈值(例如，32V)时，双向触发二极管10激发半桥，并且开始谐振。
电容器C9加电阻器R2从而形成分压器的“上拉”分支。电容器C5定义为在mosfet S2作用下的分压器的“控制”分支，其中，由执行该控制和调光功能的微控制器12驱动mosfet S2。
电阻器R3与mosfet S2的源极-漏极通路并联连接，并且正确地使晶体管极化。
微控制器12接收来自图1.a和1.b的开关PB-SW或TD-SW的信号GP0作为输入。
每次按压或释放开关时，在微控制器12中发生中断。中断的发生定时根据按压/释放按钮的动作的次数和/或持续时间而不同。通过这样的方式，装置能够“理解”用户想要的调光水平或者他/她的打开或关闭装置的意图。将微控制器12的输出处的相应信号GP4施加至驱动双向触发二极管10的N沟道mosfet S2的栅极。
结果，当微控制器的输出为低时，mosfet S2等效于断开的开关。双向触发二极管10被供电，并且电力电路HB执行其的传统的电子变压器功能。
相反，当微控制器12的输出为高时，mosfet S2等效于闭合的开关，使电容器C5短路，并且使双向触发二极管10接地，从而防止双向触发二极管10激发半桥HB中的BJT。
这种情形适合与“待机”模式相对应。“待机”模式与作为下述的待机耗电的广义定义一致：待机耗电是指“电器在不执行其主要技术经济功能而仍然使用来自电源的电力的模式下的耗电”(Molinder，Olof 1997，“StudyOn Miscellaneous Standby Power Consumption of HouseholdEquipment”，
Figure BPA00001226176300031
Konsult AB，EU-DG XVII，contract4.1031/E/96-008)。
在待机期间，灯被关闭，但是实际上，相位线没有中断。因此，在待机模式期间，将存在经过上拉电阻器R2的导电通道。
因此在该组件上产生功耗。
例如，在Vin，rms＝230Vrms的情况下，Vin pk＝330Vpk，R2＝240KΩ，在待机期间测量到0.5W浪费掉的功率。
合理地估计表明，灯L每天平均关闭20小时，因而每年将消耗浪费约4kWh。这相当于每一装置每年产生4千克的二氧化碳的情况。
发明内容
尽管以上所述的结构被广泛应用，但是避免这种非希望的能量浪费的问题仍没有解决，继而产生不良的能量和环境影响。
因此，本发明的目地是针对该问题提供一种十分满意的解决方案。根据本发明，利用具有随后所附的权利要求书中阐明的特征的装置来实现这一目地。本发明还涉及相应的方法。
权利要求书是在此提供的发明的公开的不可缺少的部分。
本公开的实施例在减少待机模式下的消耗方面具有明显优势。考虑到可以包括在此所说明的结构的电器和电子装置的数量相当之多，因此本公开可对致力于节能的努力提供显著贡献。用户经济上的节约同样成为本发明的优点。
附图说明
下面将参照附图，仅通过例子来说明本发明，其中：
----图1.a、图1.b和图2已在前面进行了说明；
----图3是在此说明的电路结构的总框图；
----图4和5是在此说明的电路结构的示例性操作；以及
----图6详细说明在此说明的电路结构的可能实施例。
具体实施方式
在下面的说明中，给出许多特定细节以全面理解实施例。可以在没有这些特定细节中的一个或多个的情况下实现这些实施例，或者可以利用其它方法、组件、材料等实现这些实施例。在其它实例中，没有详细示出或说明众所周知的结构、材料或操作，以避免使这些实施例的方面模糊。
本说明书通篇所指的“一个实施例”或“实施例”意为，与该实施例相关联地说明的特定特征、结构或特性至少包括在一个实施例中。因此，在本说明书通篇各个位置处出现的短语“在一个实施例中”或“在实施例中”并非必须是指同一实施例。此外，在一个或多个实施例中，可以以任何适当方式组合特定特征、结构或特性。
在此提供的以上内容仅是为了便于说明，而不是解释这些实施例的范围或意义。
在图3～图6中，利用与图1.a、图1.b和图2中出现的附图标记相同的标记来表示与上述中已说明的元件/组件相同或等价的元件/组件，并且下面不再重复进行说明。
另外，图3示出适用于通过变压器T驱动灯L的半桥转换器HB的可能实施例的电路结构。所示结构纯粹具有示例性价值，并且下面不做详细说明；实际上，在这里所说明的结构的框架内，可以使用本技术领域的技术人员所熟知的、适于通过例如双向触发二极管10等双向触发二极管来驱动的任何其它半桥转换器。
在图4、图5和图6中，在附图中再次仅以块来表示半桥转换器HB。
在图4和图5中，仅以块来表示同样分别适用于紧接着变阻器VDR1的上游和下游设置的组件的集合：将这些组件的集合简单地表示成标记为“输入滤波器”和“桥整流器”的块。规定成这种示意性表示是为了简化表示，并且还意图突出在这里说明的结构的框架内，可以使用本领域技术人员所熟知的任何其它输入滤波器和桥整流器结构。
图2和3的直接对比示出，在图3的结构中，在由C9和R2组成的上拉网络后面插入了开关S1(例如，mosfet等电子开关)。
微控制器12以如下方式通过与信号GP4同步的信号GP1来控制开关S1：当微控制器12迫使双向触发二极管10接地时，为了使该结构处于待机模式操作，将开关S1断开。
作为断开开关S1的结果，在待机时将不会有电流通过电阻器R2。
可以以不同方式实现这一相同理念。
在这里所示的示例性实施例中，可以利用与用户对按钮的动作有关的功能信号(例如，输入给微控制器12以表示用户想要的用于驱动半桥转换器HB的条件的信号GP0)，由处理器12控制开关S1。
然而，还可以根据表示输出负载(即，由通过半桥转换器HB驱动的灯或灯L所表示的负载)的负载信号来控制开关S1(这种负载信号可以通常熟知的方式，例如，感测可以识别待机模式操作的任何参数来获得)。
当用户想要打开灯时，电子变压器的正常工作不会由于开关S1闭合而受到影响。可以再次通过检测用户对按钮的动作和/或利用表示输出负载的信号，来感测该条件。
图4表明在开关S1闭合时所发生的：在这种情况下，灯L点亮，并且可以调节亮度水平。通过微控制器12以实际已知的方式执行这一动作，其中，微控制器12在其输出中产生适当改变占空比的矩形波信号。这允许调节从输入级传送至灯的功率量，并且因此允许调节亮度的水平。相反，图5表示当通过禁止双向触发二极管10工作来关闭灯时所发生的：断开开关S1，通过防止电流流过上拉电阻器R2来使功率消耗最小化。
图6详细说明用于通过使用来自微控制器12的信号GP1驱动开关S1的电路的实施例。优选使用微控制器12(通过以实际上已知的方式使当地编程微控制器12的软件功能)来驱动开关S1，因为这样减少了电路的组件的数量(和与其相关的成本)。另外，已将微控制器12配置成直接根据由对按钮(PB-SW或TD-SW)的按压/释放所引起的中断来“感测”用户想要的操作，因此使得不必要设置额外的感测电路。
双极(这里为n-p-n)晶体管Q1的基极与信号GP1连接，并且Q1的集电极与来自微控制器12的固定的(例如，5.1伏特)电源电压Vdd连接。晶体管Q1的发射极通过二极管D驱动mosfet S1的栅极。晶体管Q1的发射极通过齐纳二极管Z、电容器C和电阻器R的并联连接与双向触发二极管10连接。
使用二极管D9以确保在电源电压的每半个周期的谐振开始时，电容器C5上的压降不会升高到高于双向触发二极管10的阈值(例如，32V)以上。这样，双向触发二极管10不会连续激发晶体管Q2，因此可以关闭Q2。
分别以Vg和Vs表示mosfet S1的栅极上的电压和双向触发二极管10的输入端的电压。
在这里的示例性驱动结构的正常(非待机)工作期间，信号GP1为高。当电压Vs，即半桥转换器HB的驱动电压(该驱动电压可以在0～32V之间的范围摆动)等于0时，直接极化二极管D，并且从电源线Vdd流过二极管D的电流对电容器C充电。
这样，跨接mosfet S1的栅极和源极的电压Vgs(＝Vg-Vs)升高到阈值以上，需要导通mosfet。开关S1闭合，从而将上拉RC网络(由R2和C9形成)连接到双向触发二极管10。
在这种情况下，双向触发二极管10能够激发半桥HB，因此通过同样来自微控制器12的信号GP4来管理(以实际已知的方式)导通状态和调光功能。
齐纳二极管Z进行“钳位”，并且将电压Vgs稳定到固定值。
当Vs高于Vdd时，二极管D被反相极化，并且二极管D不允许电流流过。mosfet S1通过电容器C上的残留电荷保持“导通”。
以下面的方式确定电容器C和电阻器R的大小：即使电容器C通过电阻器R放电，跨接电容器C的电压也不会低于mosfet S1的阈值电压，直到电源电压的下一个半周期为止：在该时点，电压Vs将再次为0，因此二极管D将再次允许电流流过。
可以将微控制器12中的软件配置成使得当识别出待机模式时，将信号GP1设置为低，并且关断(即切断)晶体管Q1。不会从截止的晶体管Q1的发射极注入任何电流，并且在时间常数τ＝R·C所规定的间隔之后，电容器C上的电压将不再能够维mosfet S1的导通状态，从而mosfet S2关断。
通过R2的导电路径中断，因此避免了R2本身的消耗(参见图5)。
微控制器12将检测用户对按钮(PB-SW或TD-SW)的动作，以指示用户想要点亮灯L。因此微控制器12将端口GP1设置成高电平，并将再现如图4所表示的前述情况。
由于电容器C充电需要时间，因而可能引起点亮灯L中的小的延迟。然而，该延迟将不会被用户察觉。
应该理解，在因灯L损坏(烧掉)引起的待机工作的情况下，在此说明的结构同样有效。
在不影响到本发明的基本原理并且不脱离所附权利要求书所限定的本发明的范围的情况下，参考仅作为例子说明的内容，可以改变甚至显著改变细节和实施例。

Claims (12)

1.一种用于利用从RC分压器电路(R2、C9、C5)分出的驱动电压(Vs)驱动电子变压器(HB)的结构，其中，所述RC分压器电路(R2、C9、C5)包括上拉分支(R2、C9)和控制分支(C5)，所述控制分支(C5)与控制开关(S2)耦接，能够控制(12)所述控制开关(S2)使所述控制分支(C5)短路接地以用于待机工作；其特征在于，所述结构包括节能开关(S1)，所述节能开关(S1)插入在所述RC分压器电路(R2、C9、C5)的所述上拉分支(R2、C9)和所述控制分支(C5)之间，能够启动所述节能开关(S1)使所述RC分压器电路(R2、C9、C5)的所述上拉分支(R2、C9)和所述控制分支(C5)解耦，以在待机工作期间防止在所述分压器(R2、C9、C5)的所述上拉分支(R2、C9)中流过电流，从而避免所述上拉分支(R2、C9)中的功率吸收。
2.根据权利要求1所述的结构，其特征在于，所述节能开关(S1)是半导体开关。
3.根据权利要求2所述的结构，其特征在于，所述节能开关(S1)为金属氧化物半导体场效应晶体管。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的结构，其特征在于，包括处理器(12)，所述处理器(12)用于通过发送给所述控制开关(S2)和所述节能开关(S1)的同步化的信号(GP4、GP1)来控制所述控制开关(S2)和所述节能开关(S1)。
5.根据权利要求4所述的结构，其特征在于，包括对外部控制信号(GP0)灵敏的所述处理器(12)，所述外部控制信号(GP0)指示用户想要的对所述电子变压器(HB)的驱动，所述处理器(12)配置成用于根据所述外部控制信号(GP0)来控制所述控制开关(S2)和所述节能开关(S1)。
6.根据权利要求4所述的结构，其特征在于，包括对负载信号灵敏的所述处理器(12)，所述负载信号指示所述电子变压器(HB)的负载，所述处理器(12)配置成用于根据所述负载信号(GP0)来控制所述控制开关(S2)和所述节能开关(S1)。
7.根据权利要求1至3中任一项所述的结构，其特征在于，包括处理器(12)，所述处理器(12)用于向所述节能开关(S1)发送电源信号和开关信号(GP1)两者，以产生所述节能开关(S1)的切换。
8.根据权利要求1至3中任一项所述的结构，其特征在于，包括辅助开关(Q1)，所述辅助开关(Q1)用于产生所述节能开关(S1)的切换。
9.根据权利要求8所述的结构，其特征在于，所述辅助开关(Q1)是双极晶体管，能够将所述辅助开关(Q1)切换成切断状态来启动所述节能开关(S1)将所述RC分压器电路(R2、C9、C5)的所述上拉分支(R2、C9)和所述控制分支(C5)解耦，以防止在所述分压器(R2、C9、C5)的所述上拉分支(R2、C9)中流过电流。
10.根据权利要求8所述的结构，其特征在于，包括插入在所述辅助开关(Q1)和所述节能开关(S1)之间的RC网络，从而所述辅助开关(Q1)：
----当所述辅助开关(Q1)导通时，允许将所述RC网络中的电容(C)加载到维持所述节能开关(S1)闭合的电压；以及
----当所述辅助开关(Q1)未导通时，使所述RC网络中的电容(C)通过所述RC网络中的电阻(R)放电，以将所述节能开关(S1)切换成断开。
11.根据权利要求9所述的结构，其特征在于，包括插入在所述辅助开关(Q1)和所述节能开关(S1)之间的RC网络，从而所述辅助开关(Q1)：
----当所述辅助开关(Q1)导通时，允许将所述RC网络中的电容(C)加载到维持所述节能开关(S1)闭合的电压；以及
----当所述辅助开关(Q1)未导通时，使所述RC网络中的电容(C)通过所述RC网络中的电阻(R)放电，以将所述节能开关(S1)切换成断开。
12.一种用于利用从RC分压器电路(R2、C9、C5)分出的驱动电压(Vs)驱动电子变压器(HB)的方法，其中，所述RC分压器电路(R2、C9、C5)包括上拉分支(R2、C9)和控制分支(C5)，所述方法包括将所述RC分压器电路(R2、C9、C5)中的所述控制分支(C5)短路接地以用于待机工作的步骤，其特征在于，所述方法包括如下步骤：在待机工作期间，解耦所述RC分压器电路(R2、C9、C5)的所述上拉分支(R2、C9)和所述控制分支(C5)，以在待机工作期间防止在所述分压器(R2、C9、C5)的所述上拉分支(R2、C9)中流过电流，从而避免所述上拉分支(R2、C9)中的功率吸收。
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