CN102090145B - 开关模式功率转换器及其操作方法 - Google Patents

Abstract

公开了一种开关模式功率转换器及一种所述开关模式功率转换器的操作方法。所述功率转换器适于按照边界导通模式操作，并且在不需要任意负载需求时操作可中断。

Description

开关模式功率转换器及其操作方法

技术领域

本发明涉及一种开关模式功率转换器及其操作方法。

背景技术

用于驱动用于照明和其他应用的发光二极管（LED）的电流通常由开关模式电源或者其他开关模式功率转换器来提供。此外，单个开关模式功率转换器能够提供多个LED或LED串所需要的电流。在一些应用中，需要独立地或者控制或者变暗这种单独的LED或者LED串。众所周知的是提供旁路开关以便提供这种控制功能。在与作为LED电流发生器操作的开关模式功率转换器相连的所有旁路开关都接通以使所有LED关断的情况下，将电流发生器也关断以便节能是切实可行的。

通过关断针对多个LED串的电流发生器可以获得的节能效果是有重要价值的。这如图1所示。图1示出了随着改变光级别的驱动器效率的变化。虚线1表示其中电流发生器总是接通的情况下的驱动器效率。相反地，点划线2表示通过选择性地关断电流源可获得的效率，而实线3表示这样选择性地开关的电流源的接通-关断占空比。在该图中建模的系统具有与单个电流源相连的两个旁路开关。使用脉冲宽度调制（PWM）信号同时开关与这两个旁路开关并联连接的LED，即，两个LED通道。这两个LED通道按照100%的光级别100%的接通，但是50%异相。这表示最差情况。因此，实线曲线3表示要求电流发生器接通的PWM占空比的百分比。虚线1示出了没有关断电流源的系统的效率，而点划线2示出了当不需要时却关断电流发生器时的系统效率。

如图1所示，对于1%的光级别，可以获得从约12%到80%以上的系统效率改进。对于两个旁路开关之间较小或者零相移、或者可选地对于小于100%的PWM占空比，甚至更高的效率改进也是可能的。

从整体能量效率的观点来看或者从所有者总成本的观点来看，固态LED发光系统的部分负载的效率，也就是说小于100%的部分负载的效率变得越来越重要。随着功率成本的增加，在诸如像个人计算机和电视的干线连接消费系统、诸如路由器站点和服务器银行之类的专业基础设置系统、以及自动化应用的其他领域，这种趋势正逐渐变得越来越明显。对于与LED旁路相组合的电流发生器的功率节省有贡献的方法和系统具有显著的商业利益。

在图2的电流vs时间曲线中示出了操作开关模式电源的三种基本方法。图2（a）示出了连续导通模式（CCM）操作。在这种模式下，通过电源电感器的电流始终大于零。图2（b）中示出了第二操作模式。这是所谓的边界导通模式（BCM），有时也称作临界导通模式。在这种操作模式下，允许通过电感器的电流小于零；然而电流立即开始再次上升，尽管实践中典型地控制电流，使得电流略微为负，以允许控制开关的节能零电压（或者零电流）接通。图2（c）中示出了第三操作模式。在称作非连续导通模式（DCM）的这种模式中，电流是脉冲式的；也就是说，电流上升到最大，然后下降到零，并且在电流再次开始上升时下一个电流脉冲的开始之前存在延迟。从图中可以看出，对于术语“边界”导通模式的起因是清楚明白的：这种模式表示连续导通模式和非连续导通模式之间的边界。

大多数电流发生器按照连续导通模式操作。如果已经关断电流发生器以便节能并且旁路开关之一停止接通，需要LED电流发生器再次接通。不幸地是，按照CCM操作的电流转换器有时要求电流再次斜坡上升；这样，需要在旁路开关停止接通的时间之前接通电流发生器。尽管可以实现这种方式，但是却要求附加的电路，增加了发生器的复杂度和成本。

图3中示出了这种情况。该图示出了针对两个LED串的脉冲宽度调制（PWM）信号301和302。逻辑信号“或非”303与可以关断转换器的时间相对应，这是因为两个LED串都被关断并且因此不需要电流。因此，当旁路开关301没有接通（在时间段311期间）、并且旁路开关302也没有接通（在时间段312期间）时不需要电流。如所示出的，在PWM周期305的一部分期间，转换器关断信号303为高，并且允许转换器电流304下降到零。然而，如迹线304所示，在转换器关断迹线303的下降沿（即时刻t0）和全部转换器电流304可用（即时刻t1）之间存在延迟。作为斜坡上升时间306的这种延迟严重地依赖于特定的实现和应用，并且可能依赖于诸如电感器、开关频率、输入或输出电压等之类的因素。因此无法先验地确定固定的值。这种问题可能通过提供用户可调的斜坡上升准备时间（lead time）从电流发生器设计者传递到应用工程师。备选地，如申请人的共同未决欧洲专利申请EPO8102752.6（代理人案号No.81347387）中所建议的那样自动检测所要求的准备时间。然而，这样要求相对复杂的电路，尤其是当在芯片上没有产生PWM输入的时候。

因此，仍然需要提供一种用于LED应用的开关模式功率转换器，提供高效率的部分负载操作。

发明内容

本发明的目的在于提出了一种开关模式功率转换器及其操作方法，允许高效率的部分负载操作。

根据本发明的第一方面，提出了一种控制开关模式功率转换器的方法，开关模式功率转换器包括电感器和开关，并且向LED应用提供输出电流，方法包括以下步骤：

（a）将流过电感器的电流从最大值减小到零；以及

（b）随后立即将流过电感器的电流从零增加到最大值；以及

还包括步骤：通过响应于转换器控制信号的第一变化来强制开关关断来提供中断，第一变化指示对于多个LED负载的每一个没有需求，以及通过响应于转换器控制信号的第二变化来结束开关的强制关断来结束中断，第二变化表示针对多个LED负载的任一个或者多个的需求的重新开始。因此，根据本发明的这一方面，上述目的是通过提供一种按照边界导通模式操作的开关模式转换器并且结合逐周期控制来实现的：通过响应于第一和第二控制信号在限定的时间段内中断边界导通模式，允许部分负载操作。

为了避免疑问，该文献中使用的短语“对于每一个没有”与短语“一个都没有”意思相同，而不仅仅指不是全部。因此，将其解释为具有与“分别没有每一个”相同的意思。当一个都不存在时才满足条件，并且当只存在一些、但是只有一些时不满足条件。相应地，“对于每一个没有需求”应该解释为表示对于每一个都分别没有需求。

优选地，所述方法还包括通过平滑电容器平滑输出电流的另外步骤。考虑到缺少这种平滑装置的边界导通模式下会导致较大波纹，这是特别有效的。

有益的是，本发明可以提供下述内容：通过控制信号PWM（i）_on来确定需要或不需要多个LED负载的第（i）个LED负载，并且转换器控制信号与PWM（i）_on控制信号的逻辑组合“与”相对应。备选地，所述方法可以提供以下内容：通过控制信号PWM（i）_on来确定需要或不需要多个LED负载的第（i）个LED负载，并且转换器控制信号与PWM（i）_on控制信号的逻辑组合“与非”相对应。作为另一种备选方案，所述方法可以提供以下内容：通过控制信号PWM（i）_off来确定需要或不需要多个LED负载的第（i）个LED负载，并且转换器控制信号与PWM（i）_off控制信号的逻辑组合“或非”相对应。作为另一种备选方案，所述方法可以提供以下内容：通过控制信号PWM（i）_off来确定需要或不需要多个LED负载的第（i）个LED负载，并且转换器控制信号与PWM（i）_off控制信号的逻辑组合“或”相对应。这四个备选的方案提供了控制转换器的可用的简单方法，而不要求复杂的电路，在第一和第三替代方案中，转换器控制信号与Conv_off信号相对应，在第二和第四替代方案中，转换器控制信号与Conv_on信号相对应。

根据本发明的另一个方面，提出了一种集成电路，用于控制边界导通模式开关模式电源，并且适用于根据上述方法来操作。在单个集成电路中实现所要求的电路提供了一种对于开关模式电源空间要求的有利减小。

根据本发明的另一个方面，提出了一种用于LED应用的开关模式功率转换器，适用于按照边界导通模式操作，并且适用于在不需要多个LED负载的每一个LED负载的情况下中断操作。也就是说，当不存在多个LED负载的每一个负载时发生中断操作。这提供了一种实现上述目的的特别合适方式。

优选地，开关模式功率转换器包括平滑电容器。因为在这种开关模式功率转换器中的电感器电流典型地在零和所要求输出电流的两倍之间变化，平滑电容器对于减小输出波纹特别有利。

优选地，开关模式功率转换器配置为是巴克转换器（Buckconverter）；可选地但不是排他的，开关模式转换器可以配置为巴克升压转换器（Buck-boost converter）。这些转换器结构特别适用于当与PWM旁路开关组合时在边界导通模式下操作。

参考随后所述的实施例，本发明的这些和其他方面将变得清楚明白，并且参考随后所述的实施例说明本发明。

附图说明

将参考附图，只作为示例描述本发明的实施例，图中：

图1示出了通过对于部分负载LED应用来开关电流发生器获得的系统效率差别；

图2（a）、（b）和（c）用曲线分别示出了开关模式功率转换器在连续导通模式、边界导通模式和非连续导通模式下的操作；

图3示出了当按照连续导通模式操作时与功率转换器有关的各种控制信号的理想迹线以及所得到的转换器电流；

图4示出了对于按照边界导通模式操作的功率转换器的相应控制信号和转换器电流；

图5示出了对于按照边界导通模式操作的功率转换器的电感器电流以及已滤波的LED电流的曲线；

图6示出了边界导通模式巴克转换器的示意图；

图7示出了具有两个旁路开关栅极驱动器的边界导通模式巴克转换器的示意图；以及

图8示出了用于单个LED串的控制电路的示意性电路图。

具体实施方式

应该注意的是附图只是示意性的，并且没有按比例绘制。为了清楚和方便的目的，尺寸上夸大或者缩小了这些图的相对尺寸和各部件的比例。相同的参考符号通常用于表示在修改实施例或不同实施例中的相应或类似特征。

实施例的详细描述

在根据本发明的方法中，边界导通模式（BCM）用于控制功率转换器。在这种导通模式下，在每一个转换周期期间，线圈电流恢复为零。因此，这种导通模式的特征在于电感器电流在零和最大电平之间准连续变化。为了提供接近恒定的输出电流，流过电感器的最大电平是输出电流的两倍。这表示了较大的输出波纹；因此，通常在输出上要求平滑电容器或滤波电容器。另一方面，由于可能在零电流或零电压处执行开关，能够实现软开关。因此，对于开关模式功率转换器的非同步实现，自由飞轮二极管（freewheel diode）在零电流处截止，允许用廉价的硅二极管来代替昂贵的肖特基二极管。此外，因为边界导通模式支持零电流和/或零电压开关，显著地减小了开关损耗，产生了优化的功率效率。用于典型的开关模式功率转换器的部件结构对于本领域普通技术人员是公知的，因此没有示出。

在本发明的这一方面，控制转换器（在该示例中是巴克转换器）的方法包括逐周期的电流控制。逐周期的电流控制包含在每一个完整的转换周期期间（在此期间，电感器或者线圈电流从零上升到其峰值，并再次返回零）基于完整的转换器周期来调节转换器的占空比。这种控制原理对于输出负载（或者输入源）的变化反应迅速（在周期内），因此允许将LED旁路。

图4示出了根据本发明的这一方面产生的转换器电流。与用于连续导通模式的图3类似，图4中用迹线401和402示出了对于两个LED串的脉冲宽度调制器的受控信号。逻辑“或非”迹线403表示用于转换器的控制信号。因此，该控制信号确定了不需要来自转换器的电流期间的那部分总脉冲宽度调制周期时间405。用于第一和第二LED通道的旁路开关在时间段411和412期间分别关断。

以下四个备选方案可以用于确定转换器关断控制信号403：

1）Conv_off=NOR(LED1_on，LED2_on,…)

2）Conv_off=AND(LED1_off，LED2_off,…)

3）Conv_on=OR(LED1_on，LED2_on,…)

4）Conv_on=NAND(LED1_off，LED2_off,…)

其中Conv_off表示转换器关断控制信号为高（即转换器应该关断），以及Conv_on表示转换器关断信号应该为低（即，转换器应该接通）。省略号“…”表示对于超过两个LED通道的情况，每一个通道都应该被包括在表达式中。

以上四个等式按照诸如LED1_on之类的方式进行表达，因为提供了考虑关系的一种方便和直观方式；然而应该立即明白的是“LED1_on”直接等价于“PWM1_off”（其中，“PWM1”可以看作表示旁路开关），因为事实上是旁路开关控制LED通道是接通还是关断。

因此，可以将用于控制转换器关断信号403的以上四个等式等价地写作：

5）Conv_off=NOR(PWM1_off，PWM2_off,…)

6）Conv_off=AND(PWM1_on，PWM2_on,…)

7）Conv_on=OR(PWM1_off，PWM2_off,…)

8）Conv_on=NAND(PWM1_on，PWM2_on,…)

迹线404示出了在用平滑电容器平滑之前的转换器电流的输出。应该强调的是这种迹线只是示意性的，这是因为转换器具有典型地在几百千赫范围内的频率，而脉冲宽度调制的LED串典型地以100Hz至几千赫量级的频率为周期。

从节点414和424可以看出，转换器电流在转换器关断信号403的下降沿之后立即开始从零上升。因为这表示转换器操作的开始处于边界导通模式，转换器在对于负载的适当电流电平处立即操作。边界导通模式操作在贯穿任意旁路开关关断的每一个时间段期间继续；即此时转换器关断信号403为低。一旦转换器关断信号403在接通所有旁路开关时变高，则中断了功率转换器。这样，允许电感器电流下降到零；此刻，转换器开关不再关断，从而防止流过电感器的电流再次开始上升。这样，中断了边界导通模式操作。在转换器关断迹线403恢复为零之前保持这种中断。这表示第二控制信号，第一控制信号与转换器关断迹线变高的时刻相对应。此刻，如图4的节点424所示，PWM周期405重新开始。对于另一种模式，当转换器关断信号403变高时，通过强制开关关断来关断功率转换器：如果在中断时刻开关已经关断，则防止了开关接通；而如果在中断时刻开关是接通的，将其状态转变为“关断”。在中断结束时，也就是说在转换器关断信号403变低的时刻，去除了强制功能，因此允许开关接通以便重新开始边界导通模式操作。

注意，图4示出了转换器电流的理想形式，其中将转换器电流的斜率示出为是常数。实际上，该斜率可以根据负载而变化；具体地，当旁路更多的LED通道时频率通常将减小。

因为BCM不包含斜坡上升准备时间，不要求复杂的电路来延迟（外部）PWM信号的定时；只将驱动LED旁路开关的PWM信号的简单逻辑组合用于促进功率转换器的接通和关断。

图5示出了电感器或线圈电流随时间的变化以及已滤波或平滑的LED电流中的相应变化。电感器电流采取锯齿状501的形状，锯齿状形状在最小零值和最大值之间变化，该示例中最大电流是700mA，最大电流表示平均电感器电流值的两倍。已平滑或滤波的LED电流遵循近似的正弦形状，具有落后于电感器电流501的相位滞后。如从平滑电容器的操作所期待的那样，已滤波或平滑的电流中的变化明显小于电感器电流中的变化。在该示例中，变化在约280mA和380mA之间。因此，这种平滑电容器的功能明显是用于避免不必要的较高峰值电流通过LED串。

图6示出了根据本发明另一个方面的另一个控制器的示意图，配置用于根据上述方法操作。图包括用于两个PWM电路的驱动器以及相关联的二极管串。系统包括驱动器601，配置用于驱动开关602的栅极612，开关的漏极电流在Rsense622两端测量。Vbus603经由二极管D1604与开关602的漏极632相连。通过电感器L1605完成了转换器，电感器L1连接在开关602的漏极632和LED负载电路606之间。

LED负载电路包括两个LED串，分别是D2、D3和D4，以及D5、D6和D7。分别经由PWM开关616和626开关所述串；每一个PWM开关616和626的栅极和源极在控制器601的控制下。PWM开关616和626开关相应的二极管串D2、D3和D4，以及D5、D6和D7。与串D2、D3和D4并联地放置第一平滑电容器C1，并且将等价平滑电容器C2放置为与另一个LED串D5、D6和D7并联。

在操作时，控制器控制开关602的操作，以便通过LED负载电路602顺序地对电感器L1（605）充电和放电。通过感测电阻器622来提供电流控制。此外，控制器601根据两个LED串的相应负载需求来控制PWM开关616和626，使得当接通相应的PWM开关616或626时，将相应的二极管串D2、D3和D4或者D5、D6和D7旁路。电容器C1和C2提供基于逐串的平滑功能。

当与LED旁路相结合时，并联平滑电容器的包含引入了附加的复杂度，这是因为需要在短路LED之前断开电容器，以便防止较大的电流尖峰。在共同未决欧洲专利申请07112960.5（代理人卷号ID680826）中描述了实现这种方式的手段，将其全部内容结合在此作为参考。具体地，与对于每一个段不存在并联平滑电容器的情况相比较，变暗段的接通更长。这是因为该分段电容器C1需要从基本上零伏特进行充电。这种接通延迟是可接受的，因为与驱动周期相比其比较小：典型地，与5ms的驱动周期性相比延迟可以是约40μs。当可接受时，可以忽略对于LED段的光输出的影响。备选地，可以在驱动旁路开关616、626的信号的占空比中补偿接通延迟。可以针对LED结构来校准停歇（dead）时间，或者监测并且自动地补偿停歇时间。有源监测和校正具有以下优势：以用于测量开关时间的附加电路以及将所测量的时间与所要求的占空比周期相比较为代价，自动地考虑了温度和老化效应。

作为另一种备选方案，如从图7中可以看出，段驱动器可以包括旁路开关716、716和分段电容器C1、C2，并且也配备有与分段电容器C1、C2串联的第二开关717、727。电容器和相应第二开关的串联结构与相应的LED段电并联，作为旁路开关。第二开关和分段电容器操作用于在关断LED之后的下一个接通阶段保持LED两端的电压。因此，也将第二开关和分段电容器称作采样保持开关和保持电容器。

图7示出了根据本发明一个方面的另一个控制器的示意图，配置用于根据上述方法操作。图包括用于两个PWM电路的驱动器以及相关联的二极管串。系统包括驱动器701，配置用于驱动开关702的栅极712，在Rsense722两端感测开关702的漏极电流。Vbus703经由二极管D1704与开关702的漏极632相连。通过电感器L1705完成了转换器，电感器L1705连接在开关702的漏极和LED负载电路706之间。

LED负载电路包括两个LED串，分别是D2、D3和D4，以及D5、D6和D7。分别经由PWM开关716和626开关串；每一个PWM开关716和726的栅极和源极在控制器701的控制下。PWM开关716和726开关相应的二极管串D2、D3和D4，以及D5、D6和D7。与串D2、D3和D4并联地放置第一平滑电容器C1，并且与另一个LED串D5、D6和D7并联地放置等价平滑电容器C2。为了防止分别通过第一和第二LED串的来自电容器C1和C2的电流尖峰，与第一和第二LED串两端的相应电容器C1和C2串联地放置另外的开关717和727。开关717和727也在控制器701的控制下。

在操作时，控制器控制开关702的操作，以便通过LED负载电路702顺序地对电感器L1（705）充电和放电。通过感测电阻器722来提供电流控制。此外，控制器701根据两个LED串的相应负载需求来控制PWM开关716和726，使得当接通相应的PWM开关716或726时，将相应的二极管串D2、D3和D4或者D5、D6和D7旁路。电容器C1和C2逐串地提供平滑功能；开关717和727防止来自相应电容器C1和C2的有害高电流放电效应。这一方面的控制器包括备用管脚（STDBY），尽管因为可以通过PWM控制的组合来执行这种备用功能，无需包括这种管脚。

图8示出了实现本发明实施例的示意性电路图。在该图中，通过开关82、具有电感L的电感器83和二极管84提供到LED串81的开关电流。在该图中只示出了单个LED串81。开关82通过感测电阻器Rs接地。通过驱动器drv驱动开关82，进而通过触发器85使能驱动器。通过谷值或零值检测器86来确定触发器的“设置”输入，并且通过峰值检测器87来设置“复位”输入。如所示出的，将PWM（经由“与”逻辑88）与峰值检测器结合；对于多个LED串，用上述的逻辑组合来代替PWM信号。PWM产生伪峰值信号，也就是说，产生将触发器85复位的信号。该复位信号优先于（override）零信号或者谷值信号。因此在PWM信号接通或者为高的时间间隔期间，强制开关82保持在关断状态。在中断结束时，即一旦PWM信号关断（或者变低），恢复驱动器电路的正常操作。

应该理解的是由于例如在检测器电路和晶体管开关中的固有延迟，通常在检测到零值电流和使开关进入到导通模式之间存在简短的间隔。因此，电感器电流在再次上升之前将零值保持简短的时间段，从几十纳秒到约100ns或者150ns。如该说明书和权利要求中所使用的，本领域普通技术人员将术语“立即”理解为其实际含义，因此包含这种延迟时间段，当相对于转换器周期考虑时这种延迟不明显。

在阅读本发明公开时，其他变化和修改对于本领域普通技术人员而言是清楚明白的。这些变化和修改可以包含对于LED应用的功率转换器领域已知的等价和其他特征，并且可以代替地或者附加地用于这里已经描述的特征。

尽管所附权利要求涉及特征的具体组合，应该理解是本发明公开的范围也包括这里公开的任意新特征及其任意衍生物，不管其是否涉及所附任意权利要求中所描述的本发明，也不管其是否结合了本发明所进行的相同技术问题。

在不同实施例的上下文中描述的特征也可以在单独的实施例中组合地提供。相反地，在单独的实施例中简略地描述的各种特征也可以分离地或者按照任意合适的子组合方式来提供。

申请人因此提醒：可以将新权利要求明确表达为在该申请或者由此得出的任意另外申请的存续期间的特征和/或特征组合。

为了完备性，这里也声明术语“包括”不排除其他元件或步骤，术语“一个”不排除多个，单独的处理器或者其他单元可以满足权利要求中引用的几个装置的功能，并且权利要求中的参考符号不应该解释为限制权利要求的范围。

Claims (8)

1.一种控制开关模式功率转换器的方法，所述开关模式功率转换器包括电感器和开关，并且向LED应用提供输出电流，所述方法包括以下顺序步骤：

（a）将流过电感器的电流从最大值减小到零；以及

（b）随后立即将流过电感器的电流从零增加到最大值；以及

还包括步骤：

通过响应于转换器控制信号的第一变化来强制所述开关关断以提供中断，所述第一变化指示对于多个LED负载的每一个都没有需求，以及

通过响应于所述转换器控制信号的第二变化来结束所述开关的强制关断以结束所述中断，所述第二变化指示针对所述多个LED负载的任一个或者多个的需求的重新开始。

2.根据权利要求1所述的方法，还包括另外的步骤：通过平滑电容器平滑所述输出电流。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中通过控制信号PWM（i）_on来确定存在或者不存在所述多个LED负载的第（i）个LED负载，并且所述转换器控制信号与PWM（i）_on控制信号的逻辑组合“与”相对应。

4.根据权利要求1或2所述的方法，其中通过控制信号PWM（i）_on来确定需要或不需要所述多个LED负载的第（i）个LED负载，并且所述转换器控制信号与PWM（i）_on控制信号的逻辑组合“与非”相对应。

5.根据权利要求1或2所述的方法，其中通过控制信号PWM（i）_off来确定需要或不需要所述多个LED负载的第（i）个LED负载，并且所述转换器控制信号与PWM（i）_off控制信号的逻辑组合“或非”相对应。

6.根据权利要求1或2所述的方法，其中通过控制信号PWM（i）_off来确定需要或不需要所述多个LED负载的第（i）个LED负载，并且所述转换器控制信号与PWM（i）_off控制信号的逻辑组合“或”相对应。

7.根据权利要求1所述的方法，其中所述开关模式功率转换器是巴克开关模式功率转换器。

8.根据权利要求1所述的方法，其中所述开关模式功率转换器是巴克升压开关模式功率转换器。

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