CN104039053B - 低电压供电控制方法、电路及应用其的低电压供电电路 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种低电压供电控制方法、低电压供电控制电路及应用该控制电路的低电压供电电路。所述低电压供电控制电路(10)包括：第一比较器(CMP1)，所述第一比较器(CMP1)基于预设电压(Vset)或反馈电压(Vout)对母线电压(VM)进行比较操作，并基于比较结果输出用于控制开关单元(20)的控制信号(Control)。根据本发明实施例的低电压供电控制电路以及应用该控制电路的低电压供电电路，从母线直接为负载提供低压电源，使其具备待机工作的可能。

Description

低电压供电控制方法、电路及应用其的低电压供电电路

技术领域

本发明涉及一种供电控制方法和电路，具体而言，涉及一种用于AC-DCLED驱动器的低电压供电控制方法和低电压供电控制电路，以及应用该低电压供电控制电路的低电压供电电路。

背景技术

发光二极管(light-emittingdiode，LED)因其发光效率高、寿命长等特点，目前越来越多地被用于照明光源。商用或家用的照明设备往往由市电(高压工频交流电)来驱动，这就需要通过AC-DC转换来为LED提供恒定电流。

AC-DCLED驱动电路(驱动器)实际上就是LED的恒流电源电路，该电路将市电转换为特定的输出电流以驱动LED发光，并且利用器件对输出电流进行调制，以使得输出平均电流保持恒定，及输出电流不随输入电压的波动而波动。

随着智能化照明技术的发展，对AC-DCLED驱动器提出了更多的要求，需要完成更多的任务，如接收MCU(微控制器)的控制信号，实现开关、调光，并为MCU提供电源等功能。

传统的AC-DCLED驱动器由输出电感的储能供电，这样，在LED关闭后，电感无储能，驱动器断电，无法接收除电源以外的任何控制指令。如果要实现智能控制，则需要另一套供电系统维持控制电路和MCU工作，通常也是AC-DC转换器，这样导致整个系统复杂昂贵，不利于绿色能源的推广。

发明内容

根据本发明的一个方面，提供了一种低电压供电控制电路，其包括：第一比较器，第一比较器基于预设电压或反馈电压对母线电压进行比较操作，并基于比较结果输出用于控制开关单元的控制信号。

根据本发明实施例的低电压供电控制电路，可选地，第一比较器在母线电压低于预设电压时生成控制信号以开启开关单元。

根据本发明实施例的低电压供电控制电路，可选地，预设电压(Vset)满足

$\mathrm{Vset}\_\max \≈{\left(150\sqrt{2}\mathrm{\π}\mathrm{}E\max \mathrm{}\mathrm{Rsw}\mathrm{}\mathrm{Vac}\right)}^{1/3}$

其中，Vset_max是预设电压的最大值，Rsw是开关单元的导通阻抗，Emax是该开关单元允许的最大瞬时能量，Vac是工频交流电的有效值。

根据本发明实施例的低电压供电控制电路，可选地，反馈电压是储能电路的输出电压。

根据本发明实施例的低电压供电控制电路，可选地，第一比较器在母线电压低于输出电压与参考电压之和时生成控制信号以开启开关单元。

根据本发明实施例的低电压供电控制电路，可选地，参考电压满足

$\mathrm{Vcon}\≈{\left(150\sqrt{2}\mathrm{\π}\mathrm{}E\max \mathrm{}\mathrm{Rsw}\mathrm{}\mathrm{Vac}\right)}^{1/3}$

其中，Vcon是参考电压的值，Rsw是开关单元的导通阻抗，Emax是该开关单元允许的最大瞬时能量，Vac是工频交流电的有效值。

根据本发明实施例的低电压供电控制电路，可选地，控制电路还包括：检测电阻和钳位电路，其中，母线电压输入到检测电阻的一端；钳位电路钳位该检测电阻的另一端电压为输出电压，且该钳位电路的输出电流等于(母线电压—输出电压)/检测电阻阻值，即(VM-Vout)/RM，其中VM是母线电压的电压值，Vout是输出电压的电压值，RM是检测电阻的电阻值；第一比较器比较钳位电路的输出电流和参考电流，其中参考电流为参考电压与检测电阻之比。

根据本发明实施例的低电压供电控制电路，可选地，钳位电路包括：钳位比较器，将检测电阻的另一端电压与钳位电压进行比较，并基于比较结果控制下拉晶体管和电流镜像晶体管的导通和关断；下拉晶体管导通时提供的下拉电流等于(母线电压—输出电压)/检测电阻阻值，即(VM-Vout)/RM；电流镜像晶体管与下拉晶体管同时导通，并生成和输出与下拉电流相等的电流。

根据本发明实施例的低电压供电控制电路，可选地，控制电路还包括：检测电阻和钳位电路，其中，母线电压输入到检测电阻的一端；钳位电路钳位该检测电阻的另一端电压为输出电压，且该钳位电路的输出电压等于(母线电压—输出电压)×(采样电阻值/检测电阻阻值)，即(VM-Vout)×(Rs/RM)，其中VM是母线电压的电压值，Vout是输出电压的电压值，RM是检测电阻的电阻值，Rs是采样电阻值；第一比较器比较钳位电路的输出电压和参考电压与Rs/RM之积，即比较(VM-Vout)×Rs/RM与Von×Rs/RM。

根据本发明实施例的低电压供电控制电路，可选地，钳位电路包括：钳位比较器，将检测电阻的另一端电压与钳位电压进行比较，并基于比较结果控制下拉晶体管的导通和关断；下拉晶体管导通时提供的下拉电流等于(母线电压—输出电压)/检测电阻阻值，即(VM-Vout)/RM；采样电阻在下拉晶体管导通时提供的输出电压为下拉电流与该采样电阻的阻值之积，即(VM-Vout)/RM×Rs。

根据本发明实施例的低电压供电控制电路，可选地，控制电路还包括：第一分压电阻和第二分压电阻，母线电压经第一分压电阻和第二分压电阻分压后输入到第一比较器；第一比较器将分压电压与K×Vset相比较，其中，Vset是预设电压的电压值，K＝R2/(R1+R2)，R1和R2分别是第一分压电阻和第二分压电阻的电阻值。

根据本发明实施例的低电压供电控制电路，可选地，控制电路还包括：第一分压电阻和第二分压电阻，母线电压经第一分压电阻和第二分压电阻分压后输入到第一比较器；第一比较器将分压电压与K×(Vout+Vcon)相比较，其中，Vout是反馈电压的电压值，Vcon是参考电压值，K＝R2/(R1+R2)，R1和R2分别是第一分压电阻和第二分压电阻的电阻值。

根据本发明的另一个方面，提供了一种低电压供电控制电路，其包括：第一比较器，基于预设电压或储能电路的输出电压对母线电压进行比较操作而获得第一比较结果；第二比较器，基于输出电压和阈值电压进行比较操作而获得第二比较结果；以及逻辑单元，通过对第一比较结果和第二比较结果进行逻辑操作，并基于该逻辑操作的结果输出用于控制开关单元的控制信号。

根据本发明实施例的低电压供电控制电路，可选地，逻辑单元在母线电压低于预设电压或母线电压低于输出电压与参考电压之和，并且输出电压低于阈值电压时，生成控制信号以开启开关单元。

根据本发明实施例的低电压供电控制电路，可选地，逻辑单元包括门电路。

根据本发明实施例的低电压供电控制电路，可选地，控制信号通过切换作用于开关单元的电压来控制开关单元。

根据本发明实施例的低电压供电控制电路，可选地，控制电路还包括钳位电路，作用于开关单元的电压等于由该钳位电路提供的钳位电压。

根据本发明的又一个方面，提供了一种低电压供电电路，其包括前述的低电压供电控制电路。

根据本发明的再一个方面，提供了一种低电压供电电路，其包括：控制单元和开关单元，其中，控制单元包括：第一比较器，第一比较器基于预设电压或储能电路的输出电压对母线电压进行比较操作，并基于比较结果输出用于控制开关单元的控制信号。

根据本发明实施例的低电压供电电路，可选地，开关单元包括NMOS管或者NPN三极管。

根据本发明实施例的低电压供电电路，可选地，低电压供电电路还包括储能单元，在控制单元控制开关单元开启时，用母线电压对储能单元充电。

根据本发明实施例的低电压供电电路，可选地，储能单元包括电容。

根据本发明实施例的低电压供电电路，可选地，母线电压是全波整流信号。

根据本发明的其它方面，提供了一种低电压供电方法，在母线电压低于预设电压或供电输出电压与参考电压之和时对储能电路充电。

根据本发明的其它方面，提供了一种低电压供电方法，在母线电压低于预设电压或供电输出电压与参考电压之和，并且供电输出电压低于阈值电压时，对储能电路充电。

根据本发明实施例的低电压供电控制电路以及应用该控制电路的低电压供电电路，从母线直接为负载提供低压电源，使其具备待机工作的可能。可选地，该供电电路还可以为MCU提供电源，从而简化系统，并增强系统的扩展能力。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅涉及本发明的一些实施例，而非对本发明的限制。

图1示出了根据本发明一个实施例的低电压供电电路的原理图；

图2是图1的低电压供电电路的一种工作波形图，图2a是图2中的部分工作波形；

图3是图1的低电压供电电路的另一种工作波形图；

图4示出了根据本发明另一个实施例的低电压供电电路的原理图；图5和图6示出了根据本发明实施例的低电压供电电路的工作波形图；

图7示出了图1所示低电压供电电路的控制单元的原理图；

图8a示出了钳位电路的一种实现方式，图8b示出了根据本发明实施例的钳位电路的一个例子，图8c示出了根据本发明实施例的钳位电路的另一个例子；

图9示出了根据本发明另一个实施例的低电压供电电路的控制单元的原理图，图9a示出了图9的控制单元电路的另一种应用的原理图；

图10示出了根据本发明又一个实施例的低电压供电电路的控制单元的原理图；

图11示出了图1所示低电压供电电路的一个具体例子；

图12示出了图11的低电压供电电路的一种变型；

图13示出了图12所示电路中的钳位电压切换；

图14示出了图1所示低电压供电电路的另一个例子。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

除非另作定义，此处使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明专利申请说明书以及权利要求书中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，“一个”或者“一”等类似词语也不表示数量限制，而是表示存在至少一个。

根据本发明实施例的供电电路和供电方法，从原理上，通过开关控制经整流得到的母线电压来对储能单元进行充电，从而实现低电压供电。

通常，经整流得到的母线电压可以达到几百伏，而被供电的负载所需的供电电压比较低，例如为十几伏甚至更低，根据本发明的实施例，为了实现从母线直接为负载提供低压电源，且并不增加降压电路，可以通过开关控制，选择母线电压幅度较低的时间区间，用母线电压进行供电。更具体地，在母线电压不高于某值的时间段，导通母线电压供电通路，用母线电压对负载供电，并且对储能单元充电；在母线电压高于该值的时间段，断开母线电压供电通路，不用母线电压对负载供电，而是通过储能单元的放电来实现对负载的充电。这样，无需降压电路即可以实现对负载的不间断低压供电。

图1示出了根据本发明一个实施例的低电压供电电路的原理图。如图1所示，供电电路1包括：控制单元10，开关单元20，储能单元30，整流单元40和负载50。

其中，储能单元30和整流单元40分别用虚线框表示。储能单元30包括电容C，存储从开关单元20传输来的电能，并且储能单元30的输出电压Vout被反馈到控制单元10。

负载50也用虚线框表示，其可以是电阻，也可以是LED驱动器、LED驱动器中的控制器、MCU等等。

整流单元40的作用是将市电(85V～265V交流电)通过整流转换为母线电压VM。VM的波形，例如，如图1所示，为全波整流信号。

由于供电电路1所作用的负载电路(例如，AC-DCLED驱动器)可以具有储能单元(例如，储能电容)和/或整流单元，因而供电电路1可以与AC-DCLED驱动器共用该储能单元和整流单元，也因此在图1中用虚线标注储能单元30和整流单元40。负载50本身为供电电路1的供电对象，因而可以不属于供电电路1的一部分，也用虚线框表示。

控制单元10和开关单元20分别用实线框表示。如图1所示，市电经整流得到的母线电压VM输入到控制单元10和开关单元20；控制单元10基于母线电压VM生成控制信号Control，该控制信号用于控制开关单元20的开关状态；开关单元20控制母线电流对储能单元30的输出。例如，开关单元20包括NMOS管或者NPN三极管。

具体而言，当检测到母线电压VM不高于设定的参考值Vset时，控制单元10通过控制信号Control控制开关单元20开启，开始用母线电压(电流)给储能单元充电；若母线电压VM高于参考值Vset，控制单元10通过控制信号Control控制开关单元20关闭，停止对储能单元充电。

图2示出了图1的低电压供电电路的一种工作波形图，图2a是图2中的部分工作波形。图3示出了图1的低电压供电电路的另一种工作波形图。

如图2所示，当母线电压VM高于Vset时，控制信号Control置低，不对储能单元30充电，此时储能单元30处于放电状态(例如，通过负载50放电，储能单元30的输出电压Vout在放电过程中相应降低，由于此过程中开关单元20关闭，因此，流经开关单元20的电流Isw为零；当母线电压VM低于Vset时，控制信号Control被置高，对储能单元30充电，储能单元30的输出电压Vout在充电过程中相应升高，由于此过程中开关单元20开启，因此，流经开关单元20的电流Isw不再为零，并随VM的变化而变化，并且此期间可以实现向负载50供电；当母线电压VM低于Vset但不高于Vout时，由于没有电压降而不对储能单元30充电，于是开关单元电流Isw为零，且Vout因储能单元30放电而降低，在此期间，由于储能单元30的放电作用，供电电路1仍能够实现对负载50供电；然后，在下一个VM波形周期，VM逐渐升高，大于Vout，在不高于Vset之前，再次对储能单元30充电，Vout升高，Isw也随着VM升高而升高，如前所述，在此期间可以实现向负载50供电；当VM高于Vset，将控制信号Control置低，关闭开关单元20，停止对储能单元30充电，Isw变为零，储能单元30的输出电压Vout也逐渐因放电而降低，继续对负载50供电。

如前所述，通常经整流得到的母线电压VM可以达到几百伏，而负载50所需的供电电压可以比较低，例如为十几伏甚至更低，因此，图2中的电压VM、Vset、Vout的幅度相对关系仅为示意性的，并不体现比例关系。

为了实现从母线直接为负载提供低压电源，根据本发明实施例的供电电路1通过开关控制来选择母线电压VM较低幅度值区间的部分(对应于图2中两个曲线箭头之间的部分，也即对应于控制先后Control置高的部分)对储能单元30进行充电，并利用储能单元30的充放电储能特性来实现持续地低压供电。

根据本发明实施例的供电电路1还可以实现对MCU供电。由于MCU所需的电源电压通常为直流低电压，例如为5V或12V，因而需要对输出电压Vout进行控制。如图3所示，如果检测到输出电压达到阈值Vth，则控制单元10将控制信号Control置低，关闭开关单元20，停止对储能单元30充电，Isw变为零，储能单元30的输出电压Vout也逐渐因放电而降低，通过放电继续对LED驱动电路供电。这样，可以通过控制Vout的幅度上限来起到对MCU电路或MCU芯片的保护作用。

由上述对于根据本发明实施例的低压供电电路的工作原理和工作波形的分析，可以看出，控制单元10基于VM与Vset的比较结果来生成控制信号Control，用该控制信号Control来控制开关单元20的开关状态，从而控制储能单元30的充放电。

从图2及上述分析可以理解到，因为是基于对VM＝Vset的临界点的过点检测来改变控制信号Control，所以在电压VM到达该临界点的时刻控制信号Control处于何种状态(高或者低)对电路的整体工作过程而言并无特别的影响。因此，前述的“不高于”可以包括等于的情况，即VM≤Vset；也可以不包括等于的情况，即VM<Vset。

可选地，根据开关单元20的功耗限制，设置与母线电压VM比较的阈值Vset。

半导体开关器件一般有瞬时能量的限制，超过该限制，器件会因为瞬间发热过大而烧毁。具体而言，瞬时能量记为Es，开关单元20的开启时间是从t₁时刻到t₂时刻，如图2a所示。则，

$\begin{array}{c}{E}_{\mathrm{sw}\_\max }={\&Integral;}_{t_1}^{t_2}(V_M-V_{\mathrm{out}\_\min })I_{\mathrm{SW}}\mathrm{dt}<E_S\end{array}---\left(1\right)$

$I_{\mathrm{SW}}=\frac{V_M-V_{\mathrm{OUT}}}{R_{\mathrm{SW}}}$

其中，Esw_max是开关单元20的开关器件的瞬时能量的最大值，Vout_min是输出电压的最小值，Isw是导通电流，Rsw为开关单元的导通阻抗。

如果设VM的谷值为0时刻，则在t₁时刻和t₂时刻，满足：

$t_1=-\frac{1}{100\mathrm{\&pi;}}\mathrm{ArcSin}\left(\frac{V_{\mathrm{set}}}{\sqrt{2}\mathrm{Vac}}\right)---\left(2\right)$

$t_2=-\frac{1}{100\mathrm{\&pi;}}\mathrm{ArcSin}\left(\frac{V_{\mathrm{set}}}{\sqrt{2}\mathrm{Vac}}\right)---\left(3\right)$

其中，Vac是工频交流电的有效值(例如，220V，110V等)。以50Hz工频交流电为例，Vac满足

$V_M=\sqrt{2}\mathrm{Vac}\mathrm{}\mathrm{Sin}\left(100\mathrm{\&pi;t}\right)---\left(4\right)$

通过上述公式(1)，并结合图2a，可以得出Vset与输出电压的差值决定了总的导通时间，Vset越大，t1到t2的时间越长，瞬时能量越高。同时，电压差除以开关单元的导通阻抗也决定了导通电流I_SW的大小，瞬时能量与母线VM与输出电压Vout的差值成正比，Vset越大，其差值的最大值越大，导通电流I_SW越大，可能的瞬时能量越高。

设定Vset以保证最差情况的器件安全性，即E_{sw_max}小于E_S，以免烧毁开关器件。因此根据实际工作情况，可以得到Vset的值。极限条件是Vout为零，Vset与输出电压Vout的差值即为Vset。通常Vset会设置在一个较低的值，避免Esw过大。在Vset电压相对母线电压VM较低的前提下，可以取一阶近似进行计算，得到Vset_max的近似值：

$\mathrm{Vset}\_\max \&ap;{\left(150\sqrt{2}\mathrm{\&pi;}\mathrm{}E\max \mathrm{}\mathrm{Rsw}\mathrm{}\mathrm{Vac}\right)}^{1/3}---\left(5\right)$

其中，Rsw是开关单元20的导通阻抗，Emax是允许的最大瞬时能量。

应用上述公式(5)计算，例如，在Emax＝50mJ，Rsw＝10Ω，Vac＝265V的条件下，Vset_max＝44.5V；在Emax＝50mJ，Rsw＝10Ω，Vac＝85V的条件下，Vset_max＝30.5V。

同时，Vout的最大输出功率为：

$P_{\mathrm{OUT}\_\max }=\frac{V_{\mathrm{OUT}}\stackrel{\&OverBar;}{I_{\mathrm{SW}}}\mathrm{\&Delta;t}}{T_{\mathrm{SW}}}---\left(6\right)$

其中，Δt为最大有效导通时间，即VM高于Vout的时间。T_SW是开关的间隔周期，即交流电周期的一半，对于50Hz工频的电网，T_SW＝10ms。是导通时间内的平均电流。

VM高于Vout时为输出提供电流，而VM低于Vout的时间内是无法为输出提供电流的。如果固定Vset为上述最大值，Vout升高，实际的导通时间Δt会减小，最大输出功率Pout会下降。输出电压Vout越接近Vset，最大输出功率越低。

图4示出了根据本发明另一个实施例的低电压供电电路的原理图。对比图4和图1，可以看出，根据图4的电路方案，控制单元10基于母线电压VM和储能单元30的输出电压Vout生成控制信号Control，以控制开关单元20的开关状态。

具体而言，当检测到母线电压VM不高于输出电压Vout电压加上一个设定值Vcon时，控制单元10通过控制信号Control控制开关单元20开启，开始用母线电压(电流)给储能单元充电；若母线电压VM高于输出电压Vout电压加上一个设定值Vcon，控制单元10通过控制信号Control控制开关单元20关闭，停止对储能单元充电。与之前同理，“不高于”可以包括等于的情况，即VM≤Vout+Vcon；也可以不包括等于的情况，即VM<Vout+Vcon。

图5和图6示出了根据本发明实施例的低电压供电电路的工作波形图。

如图5所示，当母线电压VM高于Vout+Vcon时，控制信号Control置低，不对储能单元30充电，此时储能单元30处于放电状态(例如，通过负载50放电，储能单元30的输出电压Vout在放电过程中相应降低，由于此过程中开关单元20关闭，因此，流经开关单元20的电流Isw为零；当母线电压VM低于Vout+Vcon时，控制信号Control被置高，对储能单元30充电，储能单元30的输出电压Vout在充电过程中相应升高，由于此过程中开关单元20开启，因此，流经开关单元20的电流Isw不再为零，并随VM的变化而变化，并且此期间可以实现向负载50供电；当母线电压VM低于Vout+Vcon但不高于Vout时，由于没有电压降而不对储能单元30充电，于是开关单元电流Isw为零，且Vout因储能单元30放电而降低，在此期间，由于储能单元30的放电作用，供电电路1仍能够实现对负载50供电；然后，在下一个VM波形周期，VM逐渐升高，大于Vout，在不高于Vout+Vcon之前，再次对储能单元30充电，Vout升高，Isw也随着VM升高而升高，如前所述，在此期间可以实现向负载50供电；当VM高于Vout+Vcon，将控制信号Control置低，关闭开关单元20，停止对储能单元30充电，Isw变为零，储能单元30的输出电压Vout也逐渐因放电而降低，继续对LED驱动电路供电。

同前，图5中的电压VM、Vout的幅度相对关系仅为示意性的，并不体现比例关系。为了实现从母线直接为负载提供低压电源，图4的供电电路1通过开关控制来选择母线电压VM较低幅度值区间的部分(对应于图4中两个曲线箭头之间的部分，也即对应于控制先后Control置高的部分)对储能单元30进行充电，并利用储能单元30的充放电储能特性来实现持续地低压供电。

根据本发明实施例的供电电路1还可以实现对MCU供电。由于MCU所需的电源电压通常为直流低电压，例如为5V或12V，因而需要对输出电压Vout进行进一步的控制。如图6所示，如果检测到输出电压达到阈值Vth，则控制单元10将控制信号Control置低，关闭开关单元20，停止对储能单元30充电，Isw变为零，储能单元30的输出电压Vout也逐渐因放电而降低，通过放电继续对LED驱动电路供电。这样，可以通过控制Vout的幅度上限来起到对MCU电路或MCU芯片的保护作用。

由上述对于根据本发明实施例的低压供电电路的工作原理和工作波形的分析，可以看出，控制单元10基于VM与Vout+Vcon的比较结果来生成控制信号Control，用该控制信号Control来控制开关单元20的开关状态，从而控制储能单元30的充放电。

根据图1所示的方案，实际上，Vset是在Vout＝0的极限条件下计算得到的，该条件在低压供电电路的启动过程中会遇到。为了满足启动过程中极限条件下瞬时能量不超安全范围，同时满足启动后最大输出功率不会大幅度下降，也可以动态设置Vset电压。图4的方案实际上就是通过引入反馈电压Vout来实现了对Vset电压的动态设置。也就是说，用Vout+Vcon取代了Vset，即Vset＝Vout+Vcon。

依前述原理，类似的，经过计算可以得到：

$\mathrm{Vset}\&ap;{\left(150\sqrt{2}\mathrm{\&pi;}\mathrm{}E\max \mathrm{}\mathrm{Rsw}\mathrm{}\mathrm{Vac}\right)}^{1/3}+\mathrm{Vout}---\left(7\right)$

即

$\mathrm{Vcon}\&ap;{\left(150\sqrt{2}\mathrm{\&pi;}\mathrm{}E\max \mathrm{}\mathrm{Rsw}\mathrm{}\mathrm{Vac}\right)}^{1/3}---\left(8\right)$

Vout最大输出功率:

$P_{\mathrm{OUT}\_\max }=\frac{V_{\mathrm{OUT}}\stackrel{\&OverBar;}{I_{\mathrm{SW}}}\mathrm{\&Delta;t}}{T_{\mathrm{SW}}}---\left(9\right)$

其中，

$\mathrm{\&Delta;t}\&ap;{\left(\frac{3E\max \mathrm{}\mathrm{Rsw}}{40000{\mathrm{\&pi;}}^2{\mathrm{Vac}}^2}\right)}^{1/3}---\left(10\right)$

与静态设置Vset电压相比，动态设置Vset电压可以实现相对固定的最大有效导通时间Δt，从而实现最大输出功率的相对稳定。

图7示出了图4所示低电压供电电路的控制单元的原理图。如图7所示，控制单元10包括比较器CMP1，电阻RM和钳位电路ZD。其中，用RM作为检测电阻，将VM信号输入到RM的一端，钳位电路ZD钳位RM另一端电压VC＝Vout，从而使得VM-Vout＝电流Im×RM，即Im＝(VM-Vout)/RM，其中Im是流经电阻RM的电流。这样，设定一个参考电流Iref＝Vcon/RM，并通过比较器CMP1比较Iref和Im，从而实现对VM-Vout与Vcon的比较，也就是说，实现了VM与Vout+Vcon的比较。通过设置RM的电阻值，可以实现较小电流的比较，从而降低对比较器CMP1的器件要求。这里，比较器CMP1是电流比较器。可选地，比较器CMP1也可以是电压比较器，通过电流/电压转换来比较电流Iref和Im。

钳位电路ZD的特性与稳压二极管类似，它有一个钳位电压Vclamp。当节点电压VC小于Vclamp时，钳位电路呈现为截止状态，电流为零；随着外部电流(流经RM的电流Im)增大使VC升高，当VC等于Vclamp后电流Im继续上升，钳位电路ZD提供与电流Im相等的下拉电流，保持VC等于Vclamp。

因此，钳位单元可以等价看做一个阈值为Vclamp的稳压二极管，外加电压不低于Vclamp时导通，低于Vclamp时截止。

图8a示出了钳位电路的一种实现方式。如图8a所示，钳位电路ZD通过放大器Opamp控制实现VC＝Vclamp，放大器Opamp控制的NMOS晶体管NMOS只具备下拉电流功能，故能够实现单向的电压钳位，VC电压低于Vclamp时NMOS不导通，不产生电流。

图8b示出了根据本发明实施例的钳位电路的一个例子。如前所述，图7所示的根据本发明实施例的控制单元10通过进行电流Im和参考电流Iref的比较来实现VM与Vout+Vcon的比较。进一步，图8a的钳位电路ZD可以提供与电流Im相等的下拉电流Izd，于是，可以通过设置镜像电流源而产生与电流Im相等的电流输出。该镜像电流源可以通过另一个NMOS晶体管NMOS2(提供下拉电流Izd的晶体管为NMOS1)来实现。

图8c示出了根据本发明实施例的钳位电路的另一个例子。与图8b的钳位电路ZD相比，图8c的电路可以通过采样电阻Rs实现对Rs*Im的输出，从而可以进行电压比较，这可以对应于图7中比较器CMP1为电压比较器的情况。

图9示出了根据本发明另一个实施例的低电压供电电路的控制单元的原理图。如图9所示，VM通过分压电阻R1、R2分压后与K×(Vout+Vcon)比较，其中，K＝R2/(R1+R2)，那么，VM分压后输入到比较器CMP1的电压为R2/(R1+R2)×VM，即K×VM，于是可以实现VM与Vout+Vcon比较。由于电阻R1和R2的分压作用，通过设定R1和R2的电阻值，可以实现对VM的较小分量R2/(R1+R2)×VM(R1的电阻值大于或远大于R2的电阻值)的输入比较，也就是说，可以用低电压电路实现比较。这里，比较器CMP1是电压比较器。

图9所示的控制单元可以用于图4所示的供电电路，也可以用于图1所示的供电电路。图9a示出了将图9的供电电路应用于图1的供电电路的原理示意图。

如图9所示，VM通过分压电阻R1、R2分压后与K×Vset比较，其中，K＝R2/(R1+R2)，那么，VM分压后输入到比较器CMP1的电压为R2/(R1+R2)×VM，即K×VM，于是可以实现VM与Vset比较。同理，由于电阻R1和R2的分压作用，通过设定R1和R2的电阻值，可以实现对VM的较小分量R2/(R1+R2)×VM(R1的电阻值大于或远大于R2的电阻值)的输入比较，也就是说，可以用低电压电路实现比较。这里，比较器CMP1是电压比较器。

图10示出了根据本发明又一个实施例的低电压供电电路的控制单元的原理图。在图10中，控制单元10进一步包括比较器CMP2和逻辑电路Logic。其中，比较器CMP2比较Vout和Vth，如前所述，可以通过利用阈值Vth来控制Vout的幅度上限，从而对MCU电路或MCU芯片进行供电。逻辑电路Logic基于比较器CMP1的比较结果输出和比较器CMP2的比较结果输出来生成控制信号Control。

在图10中，包括了比较器CMP1的实线框部分采用了图7所示的电路，可选地，其也可以采用图9和图9a所示的电路。也就是说，图10所示电路的原理结构(比较器CMP2和逻辑电路Logic的部分)即可以应用于图4的供电电路，也可以应用于图1的供电电路。

具体而言，当用于图1的供电电路时，结合图2和图3所示的波形图，当VM低于Vset且Vout低于Vth时，控制信号Control被逻辑电路Logic置高；当VM高于Vset或Vout高于Vth时，逻辑电路Logic将控制信号Control置低。逻辑电路Logic可以用门电路实现；当用于图4的供电电路时，结合图5和图6所示的波形图，当VM低于Vout+Vcon且Vout低于Vth时，控制信号Control被逻辑电路Logic置高；当VM高于Vout+Vcon或Vout高于Vth时，逻辑电路Logic将控制信号Control置低。逻辑电路Logic可以用门电路实现。

图11示出了图4所示低电压供电电路的一个具体例子。与图4的电路相比，图11的电路采用了图10的控制单元10(如虚线部分所示)，并且用NMOS管实现了开关单元20。

图12示出了图11的低电压供电电路的一种变型。与图11方案的不同之处在于，图12的方案中，并未使用信号Control直接控制开关单元20，而是用该Control信号来切换钳位电路ZD的钳位电压Vclamp；如前所述，钳位电路ZD的钳位作用使得RM下端电压VC＝钳位电压Vclamp，而VC作用于开关单元20，于是得以实现用控制信号Control对开关单元20进行开关控制。

具体而言，如图13所示，通过控制信号Control来设置钳位电压，例如，在Vclamp1和Vclamp2之间切换，当设置为Vclamp1＝Vout时，钳位VC＝Vout；当设置为Vclamp2＝Vout+Vcon时，钳位VC＝Vout+Vcon。由此，可以通过对钳位电压的切换，来实现对开关单元20的控制电压的切换。

这样，可以使用较低电压的Control信号来产生对NMOS管较高电压的控制信号。由此，采用这种变型，可以实现比较器CMP1、比较器CMP2、逻辑电路Logic和钳位电路ZD的芯片集成。也就是说，将控制单元10的这些部分集成在一个低电压工作的芯片中，并通过检测电阻RM检测母线电压VM，以及通过改变钳位电压来实现对NMOS管的开关控制。

图14方案与图12方案的区别在于，图14中的开关单元20用NPN三极管代替NMOS管。

可选地，根据本发明实施例的控制单元或者应用其的低电压供电电路可以包括一个或者多个信号发生电路，用于生成诸如Iref、Vcon、Vth的参考信号。可选地，这些参考信号也可以由外部信号发生电路生成。

可选地，根据本发明实施例的控制单元的比较器COMP1、比较器COMP2、逻辑电路Logic和钳位电路ZD集成在集成电路芯片中。可选地，前述的信号发生电路可以集成于该芯片，也可以独立于该芯片。采用芯片集成的方式可以减少电路体积、降低成本，也可以标准化器件参数。

根据本发明实施例的低电压供电控制电路以及应用该控制电路的低电压供电电路，从母线直接为负载(如，AC-DCLED驱动器)提供低压电源，使其具备待机工作的可能。可选地，该供电电路还可以为MCU提供电源，从而简化系统，并增强系统的扩展能力。

以上所述仅是本发明的示范性实施方式，而非用于限制本发明的保护范围，本发明的保护范围由所附的权利要求确定。

Claims (16)

1.一种低电压供电控制电路(10)，其特征在于，包括：第一比较器(CMP1)，所述第一比较器(CMP1)基于预设电压(Vset)或反馈电压(Vout)对母线电压(VM)进行比较操作，并基于比较结果输出用于控制开关单元(20)的控制信号(Control)，其中，所述反馈电压(Vout)是储能电路(30)的输出电压(Vout)，所述第一比较器(CMP1)在所述母线电压(VM)低于所述输出电压(Vout)与参考电压(Vcon)之和时生成所述控制信号(Control)以开启所述开关单元(20)。

2.根据权利要求1所述的低电压供电控制电路(10)，其特征在于，所述预设电压(Vset)满足

$Vset\_max\&ap;{\left(150\sqrt{2}\mathrm{\&pi;}E\max RswVac\right)}^{1/3}$

其中，Vset_max是所述预设电压(Vset)的最大值，Rsw是所述开关单元(20)的导通阻抗，Emax是该开关单元(20)允许的最大瞬时能量，Vac是工频交流电的有效值。

3.根据权利要求1所述的低电压供电控制电路(10)，其特征在于，所述参考电压(Vcon)满足

$Vcon\&ap;{\left(150\sqrt{2}\mathrm{\&pi;}E\max RswVac\right)}^{1/3}$

其中，Vcon是所述参考电压(Vcon)的值，Rsw是所述开关单元(20)的导通阻抗，Emax是该开关单元(20)允许的最大瞬时能量，Vac是工频交流电的有效值。

4.根据权利要求1所述的低电压供电控制电路(10)，其特征在于，所述控制电路(10)还包括：检测电阻(RM)和钳位电路(ZD)，其中，

所述母线电压(VM)输入到所述检测电阻(RM)的一端；

所述钳位电路(ZD)钳位该检测电阻(RM)的另一端电压(VC)为所述输出电压(Vout)，且该钳位电路(ZD)的输出电流等于(母线电压—输出电压)/检测电阻阻值，即(VM-Vout)/RM，其中VM是所述母线电压的电压值，Vout是所述输出电压的电压值，RM是所述检测电阻的电阻值；

所述第一比较器(CMP1)比较所述钳位电路(ZD)的输出电流和参考电流(Iref)，其中所述参考电流(Iref)为所述参考电压(Vcon)与所述检测电阻(RM)之比。

5.根据权利要求4所述的低电压供电控制电路(10)，其特征在于，所述钳位电路(ZD)包括：

钳位比较器(Opamp)，将所述检测电阻(RM)的另一端电压(VC)与所述钳位电压(Vclamp)进行比较，并基于比较结果控制下拉晶体管(NMOS1)和电流镜像晶体管(NMOS2)的导通和关断；

下拉晶体管(NMOS1)导通时提供的下拉电流等于(母线电压—输出电压)/检测电阻阻值，即(VM-Vout)/RM；

电流镜像晶体管(NMOS2)与下拉晶体管(NMOS1)同时导通，并生成和输出与所述下拉电流相等的电流。

6.根据权利要求1所述的低电压供电控制电路(10)，其特征在于，所述控制电路(10)还包括：检测电阻(RM)和钳位电路(ZD)，其中，

所述母线电压(VM)输入到所述检测电阻(RM)的一端；

所述钳位电路(ZD)钳位该检测电阻(RM)的另一端电压(VC)为所述输出电压(Vout)，且该钳位电路(ZD)的输出电压等于(母线电压—输出电压)×(采样电阻值/检测电阻阻值)，即(VM-Vout)×(Rs/RM)，其中VM是所述母线电压的电压值，Vout是所述输出电压的电压值，RM是所述检测电阻的电阻值，Rs是采样电阻值；

所述第一比较器(CMP1)比较所述钳位电路(ZD)的输出电压和所述参考电压(Vcon)与Rs/RM之积，即比较(VM-Vout)×Rs/RM与Von×Rs/RM。

7.根据权利要求6所述的低电压供电控制电路(10)，其特征在于，所述钳位电路(ZD)包括：

钳位比较器(Opamp)，将所述检测电阻(RM)的另一端电压(VC)与所述钳位电压(Vclamp)进行比较，并基于比较结果控制下拉晶体管(NMOS1)的导通和关断；

下拉晶体管(NMOS1)导通时提供的下拉电流等于(母线电压—输出电压)/检测电阻阻值，即(VM-Vout)/RM；

采样电阻(Rs)在所述下拉晶体管(NMOS1)导通时提供的输出电压为所述下拉电流与该采样电阻(Rs)的阻值之积，即(VM-Vout)/RM×Rs。

8.根据权利要求1所述的低电压供电控制电路(10)，其特征在于，所述控制电路(10)还包括：第一分压电阻(R1)和第二分压电阻(R2)，

所述母线电压(VM)经所述第一分压电阻(R1)和所述第二分压电阻(R2)分压后输入到所述第一比较器(CMP1)；

所述第一比较器(CMP1)将所述分压电压与K×(Vout+Vcon)相比较，其中，Vout是所述反馈电压(Vout)的电压值，Vcon是参考电压值，K＝R2/(R1+R2)，R1和R2分别是所述第一分压电阻和所述第二分压电阻的电阻值。

9.一种低电压供电控制电路(10)，其特征在于，包括：

第一比较器(CMP1)，基于预设电压(Vset)或储能电路(30)的输出电压(Vout)对母线电压(VM)进行比较操作而获得第一比较结果；

第二比较器(CMP2)，基于所述输出电压(Vout)和阈值电压(Vth)进行比较操作而获得第二比较结果；以及

逻辑单元(Logic)，通过对所述第一比较结果和所述第二比较结果进行逻辑操作，并基于该逻辑操作的结果输出用于控制开关单元(20)的控制信号(Control)，其中，所述逻辑单元(Logic)在所述母线电压(VM)低于所述输出电压(Vout)与参考电压(Vcon)之和，并且所述输出电压(Vout)低于所述阈值电压(Vth)时，生成所述控制信号(Control)以开启所述开关单元(20)。

10.根据权利要求9所述的低电压供电控制电路(10)，其特征在于，所述逻辑单元(Logic)包括门电路。

11.根据权利要求9所述的低电压供电控制电路(10)，其特征在于，所述控制信号(Control)通过切换作用于所述开关单元(20)的电压(VC)来控制所述开关单元(20)。

12.根据权利要求11所述的低电压供电控制电路(10)，其特征在于，所述控制电路(10)还包括钳位电路(ZD)，所述作用于所述开关单元(20)的电压(VC)等于由该钳位电路(ZD)提供的钳位电压(Vclamp)。

13.一种低电压供电电路(1)，其特征在于，包括权利要求1-12中任何一项所述的低电压供电控制电路(10)。

14.根据权利要求13所述的低电压供电电路(1)，其特征在于，所述开关单元(20)包括NMOS管或者NPN三极管。

15.根据权利要求13所述的低电压供电电路(1)，其特征在于，所述储能电路(30)包括电容(C)。

16.根据权利要求13所述的低电压供电电路(1)，其特征在于，所述母线电压(VM)是全波整流信号。