CN104067693A - 用于避免差频的操作发光装置的方法和电路结构 - Google Patents

用于避免差频的操作发光装置的方法和电路结构 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于发光装置，尤其是用于一个或多个LED部分(17)的操作电路，该操作电路具有可以由交流电压(UAC)并且可选地也由直流电压(UDC)供电的有源时钟PFC电路(11),该PFC电路的输出电压被直接或间接地输送到单元(19),以便生成流经该发光装置(17)的PWM调制电流。此外，该操作电路还具有控制单元(16)，该控制单元在PFC电路(11)之前(18a)、之中(18b)或者之后(18c)测出供电电路中的电压(UPFC)中的余纹波，并且使得根据该余纹波的频率来选择流过该发光装置(17)的电流的PWM调制频率。

Description

用于避免差频的操作发光装置的方法和电路结构
本发明涉及一种用于借助脉宽调制来操作发光装置的方法和电路结构。为了避免在可见的频率范围内出现差频(该差频在尤其是LED的发光装置中会引起可见的亮度波动)，此时根据测定的电压纹波(供电电压中的余纹波)来选择可以不连续地或是连续地调节的脉宽调制(PWM)的频率。
通常来说为了要向LED供电，借助功率因数校正电路以及滤波电容器通过电源电压生成直流电压信号。该直流电压信号通过脉宽调制过程被转换为脉宽调制后的直流电压信号。利用该脉宽调制直流电压信号来操作负载，例如直接操作LED模块，或者另一个LED转换器等级。其中，整流器模块的输出信号具有带有双倍电源电压的频率的余纹波(“Rippel”)。
例如即使当在故障状态下存在直流供电时，也会在PFC电路的脉冲被有意地调节以改善EMI特性时产生余纹波。
通常脉宽调制的频率在100Hz至500Hz的范围内。尤其是，当所采用的脉宽调制的频率接近于直流电压信号的余纹波的频率或者接近该频率的整数倍时，将由于解调而导致低频的差频。这些差频在LED模块中利用差频频率,即:利用双倍的电源频率或其整数倍的电源频率与脉宽调制的频率之间的差频，在明显可见的亮度波动中发挥作用。
美国文献US2011/0043133A1就示出了一种用于操作LED模块的操作电路，该操作电路利用来自交流电压的功率因数校正生成具有余纹波的直流电压信号。该信号通过脉宽调制过程被处理并且被用于操作LED。其中，脉宽调制的频率不依赖于电源频率进行调节。此处所示的电路结构的不利之处在于，可能会导致前面所述的差频。
本发明的目的在于，实现一种方法和电路结构，其不依赖于所采用的电源频率来实现对发光装置的操作，而不出现不希望产生的人眼可见的亮度波动。
这些由于纹波而产生的波动未被调整，而是采取了如下措施，即：解调产物(差频)不出现在人眼可以很好检测到的频率范围内。在亮度波动方面，人眼的最大敏感度已知在大约10Hz处，因此根据本发明确保了，余纹波频率与PWM频率之间的差频位于大于20Hz，优选大于30HZ，更优选大于40Hz的范围内。
一种用于发光装置，尤其是用于一个或多个LED部分的操作电路具有可以由交流电压以及可选地也由直流电压供电的有源时钟PFC电路,该电路的输出电压被直接或间接地输送到一个单元,以便生成流经该发光装置的PWM调制电流。此外，该操作电路还具有控制单元，该控制单元在PFC电路之前、之中或者之后测定出供电电路中的电压中的余纹波，并且使得根据该余纹波的频率来选择流过该发光装置的电流的PWM调制频率。因此可以简单地避免由于差频所产生的亮度变化。
控制单元优选将PWM调制的频率确定为，使得PWM调制的频率是交流电压的频率的整数倍，优选为交流电压的双倍频率的整数倍。因此可以避免由于PWM调制的频率接近于交流电压的频率而产生的差频。
控制单元优选将PWM调制的频率确定为，使得它与PFC电路的时钟频率相差至少20Hz，优选相差至少30Hz，尤其优选相差至少40Hz，并且该PWM调制的频率为该PFC电路的时钟频率的整数倍。因此可以避免由于PWM调制的频率接近于PFC电路的时钟频率而产生的差频。
有利的是，控制单元优选将PWM调制的频率确定为，使得PWM调制的频率的大小为交流电压的频率的两倍，优选为交流电压的双倍频率的整数倍。因为交流电压通常在操作电路的输入端处被全波整流，因此该整流后的电压在操作设备的输入端处具有双倍的交流电压的频率。
作为替代或补充，控制单元优选将PWM调制的频率确定为，使得它等于PFC电路的控制回路的频率，即：PFC电路的时钟频率，优选为PFC电路的控制回路的频率的整数倍。因此利用另选的频率能够避免由于PWM调制的频率接近于交流电压的频率而产生的差频。
控制单元优选将PWM调制的频率确定为，使得它与交流电压的频率的整数倍，优选与交流电压的双倍频率的整数倍相差至少20Hz。因此能够利用另选的频率，避免由于PWM调制的频率接近于交流电压的双倍频率而产生的差频。
特别有利的是，将控制单元与PFC电路的控制输入端连接起来，该控制输入端允许对PFC电路的控制回路的频率进行调节。因此，控制单元将PWM调制的频率和PFC电路的控制回路的频率确定为，使得PWM调制的频率与PFC电路的控制回路的频率相适应和/或PWM调制的频率以及PFC电路的控制回路的频率与交流电压的频率的整数倍相差至少20Hz。因此可以特别有效地避免差频。
优选将控制单元进一步构造成，用于执行对交流电压和直流电压的检测，并且因此用于对正常运行状态与故障状态进行区分。因此可以无需额外的单元来进行检测。
根据本发明的方法用于操作发光装置，尤其用于操作一个或多个LED部分。根据交流电压和可选地也根据直流电压来执行有源时钟功率因数校正。该功率因数校正的输出电压直接或间接地用于生成流经发光装置的PWM调制电流。供电电路电压中的余纹波在功率因数校正之前、之中或者之后被测定。其中，根据该余纹波的频率来选择流经发光装置的电流的PWM调制的频率。因此可以简单地避免由于差频所产生的亮度变化。
下面将借助对本发明有利的实施例进行描述的示图来示例性地描述本发明。图中示出了：
图1根据本发明的电路结构的一个实施例，以及
图2根据本发明的方法的一个实施例。
首先借助图1详细描述根据本发明的电路结构的一个实施例的结构和工作原理。随后通过图2详细示出了根据本发明的方法的一个实施例的工作原理。相同的元件在相似的示图中没有被重复说明和描述。
图1示出了根据本发明的电路结构的一个实施例。操作电路1具有电源接头10。该电源接头10用于为交流电压UAC馈电。其中，交流电压UAC不必然是电源电压。在故障状态下为直流电压UDC馈电也是可行的。
操作电路1还具有PFC电路11、滤波电容器12、直流-直流电压转换器13、脉宽调制器模块19以及控制单元16。其中，PFC电路11为功率因数校正电路。该电路与电源接头10相连。该PFC电路11的输入端经由电源滤波器和整流器电桥与电源接头10相连接。该PFC电路11的输出端与滤波电容器12相连，该滤波电容器12又被接地连接。进一步地，PFC电路11的输出端与直流/直流转换器13的输入端相连。该转换器13的输出端与脉宽调制器模块19相连接。
其中，该脉宽调制器模块19包括降压转换器14和脉宽调制器15，并且是用于对流经发光装置17的电流进行脉宽调制的单元。其中，直流-直流电压转换器13与降压转换器14相连接。脉宽调制器15也与降压转换器14相连接。此外，控制单元16还与脉宽调制器模块19的脉宽调制器15相连接。此外，控制单元16还与PFC电路11相连接。其中，实现了至PFC电路11的输入端的连接18a，或者实现了与PFC电路11的直接连接18b，或者实现了至PFC电路11的输出端的连接18c。其中，脉宽调制器模块19的降压转换器14与负载(此处为LED模块17)相连接。
其中，脉宽调制器15的频率是可以连续地或者是不连续地进行调节的。
另外，能够可选地对脉宽调制器15的占空比进行调节。
作为替代或者补充，可以在接通PWM脉冲的持续时间期间对发光装置电流的振幅进行调节。
优选为电源电压的交流电压UAC向电源接头10馈电。PFC电路11将交流电压UAC的各个区段从每个波中传递到其输出端并且将其整流。如果作为替代，在故障状态下接入直流电压UDC，则PFC电路11将传输该信号UDC的每个区部分。滤波电容器12对所获得的电压UPFC进行滤波。其中，这个所获得的电压UPFC是具有余纹波的直流电压。其中，该余纹波具有双倍于交流电压UAC的频率的频率，因为它是整流交流电压。此外，该余纹波可以具有如下频率，该频率对应于功率因数校正的控制回路的频率。PFC电路11的控制回路(功率因数校正)还具有低频特性，以便在尽可能恒定的输出电压作用下实现尽可能为正弦形状的电力输入。
整流交流电压UPFC被输送给直流-直流电压转换器13。该转换器将馈入的直流电压UPFC转换为电压降低的直流电压ULLC。根据负载情况，也可以考虑通过该直流-直流电压转换器13来提高电压。所获得的直流电压ULLC被输送给脉宽调制器模块19。其中，直流电压ULL被输送给脉宽调制器模块19的降压转换器14。同时，由脉宽调制器15向该降压转换器14输送脉宽调制信号UPWM。该脉宽调制信号UPWM为脉冲激发的直流电压。该脉宽调制信号UPWM的电压优选位于明显比电压ULLC更低的位置。利用该脉宽调制信号UPWM的占空比，可以调节被输送给负载(此处为LED模块17)的功率。
降压转换器14只是PWM模块的一个示例，其用于产生对流过发光装置17的电流的PWM调节作用以调节该发光装置17的功率，并且因此影响发光装置17的亮度，例如：亮度水平。还可以使用其它的开关调节拓扑结构来代替降压转换器14，以控制发光装置17。脉宽调制信号UPWM也可以间接作为信息输送给降压转换器14，其中，该降压转换器14根据该信息利用脉宽调制信号UPWM对例如为LED模块的发光装置17进行控制。该降压转换器14优选借助高频脉冲工作，其中所述脉冲只在施加高位脉宽调制信号UPWM时相应地得以实现(即，在接通脉宽调制信号UPWM的过程中)。
该降压转换器14作为PWM模块可以在其激活过程中(即，在接通脉宽调制信号UPWM的过程中)基于控制回路而将电流调节到预定值。它具有至少一个高频时钟开关元件以及一个储能器，其中，所述储能器通过该高频时钟开关元件被有针对性地持续充电和放电，并且因此将其能量以受控的方式释放到发光装置17中。
其中，通过控制单元16来调节脉宽调制信号UPWM的频率。控制单元16确定交流电压UAC的频率以及整流过的信号UPFC的余纹波的频率，并且基于该信息为脉宽调制器15提供信号UF，该信号显示出所确定的频率。该脉宽调制器15基于该信号UF生成脉宽调制信号UPWM。其中，脉宽调制信号UPWM被调节为交流电压的频率的整数倍，优选被调节为交流电压UAC的双倍频率的整数倍。
如果该控制单元16与功率因数校正电路11连接，则能够间接测定该交流电压的频率。因此通过功率因数校正的参数来实现该测定过程。例如可以使用功率因数校正的时间toff作为频率或者双倍频率的指标。
因此独立于信号UAC的频率而实现了在降压转换器14中没有形成低频的变频产品。因此不发生可见的亮度波动。
此外，控制单元16可以在存在连接18b时，另选地通过PFC电路11另外确定功率因数校正的控制回路的频率。在此情况下，控制单元16确定信号UF的频率，使得它同样不近似于PFC电路的控制回路的频率。也就是说，如此选择信号UF的频率，使得该频率另外与PFC电路的控制回路的频率相差至少20Hz，优选至少30Hz，更加优选至少40Hz。
因为信号UPFC除电源信号的余纹波之外，还可以具有功率因数校正的余纹波，因此还可以更好地避免可见的亮度波动。
另选地，控制单元16包含开关，使用者通过此开关来调节施加的电源频率，来代替检测实际频率。在此情况下，控制单元16不具有与PFC电路11的连接。尤其是，在用于发光装置的操作电路中，电源电压还满足了在50Hz和60Hz时的操作可能性。因此，控制单元16包含开关，借助该开关可以切换50Hz至60Hz之间的操作频率。由此优选的是，脉宽调制频率的大小为100Hz的倍数或者120Hz的倍数。另外这里，还可以避开PFC电路的控制回路的频率范围。
控制单元16在优选实施例中尤其被构造成，用于检测大小为50Hz或60Hz的输入频率以及大小为100HZ或120Hz的余纹波的频率。因此，控制单元16能非常简单地设计，这是因为仅需区分这些固定值。这可以例如在控制单元16内部通过调整到该频率的谐振来实现。
此外，可以通过与负载串联的线性调节器来调节负载的电流。
从现有技术中已知的是，为了例如在故障状态下例如施加直流电压到电源接头10时，改善电磁干扰特性而调节PFC电路的高频时钟频率。为了避免脉宽调制或者其谐波的频率与PFC电路的高频同步的频率之间的低频的差频，在有利的实施例中进一步将控制单元16构造成用于测定PFC电路的高频时钟频率并加以处理。由此，控制单元16将脉宽调制的频率确定为PFC电路的高频时钟频率的整数因子。其中，要避免以下数值，即：在使用这些数值的情况下，脉宽调制的频率的整数倍接近于PFC电路11的高频时钟频率。
在另一实施例中进一步将控制单元16构造为用于测定整流过的输入电压的频率并加以处理。因此，控制单元16将脉宽调制的频率确定为输入频率的整数倍。其中，要避免接近于PFC电路11的时钟频率的整数倍的数值。
另选地，可以将脉宽调制的频率调节为PFC电路的控制回路的频率或者该频率的整数倍，并且因此实现对PFC电路的时钟频率的调节。然而其中要注意的是，所选择的脉宽调制的频率不应接近于电源频率的整数倍或者余纹波的整数倍。在此情况下，与输入频率的整数倍保持至少20Hz的间隔。
在一个另选的实施例中，控制单元16不仅控制脉宽调制15的频率，也另外控制PFC电路的高频时钟频率和/或PFC电路的控制回路的频率。因此，能够进行最佳的调整并且避免任何差频。
除了控制PFC电路11的时钟频率和脉宽调制的频率的单个控制单元16之外，也可以将这两个单元隔离开。因此，PFC控制装置对功率因数校正进行控制。该控制装置经由同步线路与控制单元16相连。通过该同步线路，更换这两个装置并且确定适当的频率。
在一个另选的实施例中，控制单元16可以作为输入信号同时用来检测直流电压和交流电压。因此，控制单元16实现了用于检测故障状态的附加的用途。
在图2中描述了根据本发明的方法的一个实施例。在第一步骤30中，确定输入信号的频率。另选地，也可以同时或者在第二步骤31之后实现这个步骤。如果同时或者在步骤31之后实现步骤30，则确定信号的余纹波的频率，来替代对输入频率的确定。
在第二步骤31中，对输入信号进行整流。此外，在该步骤31中，整流过的信号能够被滤波。然而，所获得的信号具有余纹波。除了第一步骤30之外，此时可以随后也对该余纹波的频率加以确定。
在可选的第三步骤32中，执行直流-直流电压转换过程。即：经由整流过程和滤波过程所获得的直流电压将被降低或提高。在图1的示例中，在框PFC电路11中执行步骤31。根据图1，在框直流-直流电压转换器13中执行步骤32。也可以将两个步骤31和32结合起来，并且在一个框中予以执行，例如借助具有功率因数校正功能的隔离的反激式转换器。
在第四步骤33中，执行对所获得的直流电压的脉宽调制。在图1中借助降压转换器14来执行该步骤33。其中，在对应于输入信号已确定的多倍频率的频率下对脉宽进行调制。优选以输入信号的双倍频率的整数倍大小来进行脉宽调制。如果此前已确定了余纹波的频率，则以余纹波的频率整数倍大小来进行脉宽调制。其中，可选地以如下方式来选择脉宽调制的频率，即，作为替代或补充，该频率与功率因数校正的控制回路的频率相差至少20Hz，优选至少30Hz，尤其优选至少40Hz。利用脉宽调制的占空比可以在此步骤中另外确定输送给负载的功率。
在第五步骤34中，将借助脉宽调制过的信号来操作负载。在第五步骤34之后继续进行第一步骤30。该方法将任意重复下去。
本发明并不局限于所示的实施例。如上所述，可以使用各种不同的负载。此外，可以放弃使用直流-直流电压转换器13或者可以将其整合到PFC电路11中。也可以在没有额外的降压转换器14的情况下或者通过另一个开关调节拓扑结构来直接进行脉宽调制。可以通过直流-直流电压转换器13来实现直接的脉宽调制，其中该转换器只在接通脉宽调制信号UPWM的过程中被激活。所有前述的特征或者示图中所示的特征都可以在本发明的范围内以有利的方式进行任意的相互组合。

Claims (16)

1.一种用于发光装置，尤其是用于一个或多个LED部分的操作电路,该操作电路包括：
-由交流电压(UAC)并且可选地也由直流电压(UDC)供电的有源时钟PFC电路(11),所述PFC电路的输出电压(UPFC)被直接或间接地输送到单元(19),以便生成流经所述发光装置(17)的PWM调制电流，
-控制单元(16)，所述控制单元在所述PFC电路(11)之前(18a)、之中(18b)或者之后(18c)测定所述供电电路中的所述电压(UPFC)中的余纹波，并且使得根据该余纹波的频率来选择流过该发光装置(17)的电流的PWM调制频率。
2.根据权利要求1所述的操作电路,其特征在于,
所述控制单元(16)将所述PWM调制频率确定为：使得所述PWM调制频率是所述交流电压(UAC)的频率的整数倍，优选为所述交流电压(UAC)的双倍频率的整数倍。
3.根据权利要求2所述的操作电路,其特征在于,
所述控制单元(16)将所述PWM调制频率确定为：使得所述PWM调制频率与所述PFC电路的控制回路的频率相差至少20Hz，优选至少30Hz，尤其优选至少40Hz，并且为所述PFC电路(11)的控制回路的频率的整数倍。
4.根据权利要求1所述的操作电路,其特征在于,
所述控制单元(16)将所述PWM调制频率确定为：使得所述PWM调制频率为所述PFC电路(11)的控制回路的频率，优选为所述PFC电路(11)的时钟频率的整数倍。
5.根据权利要求4所述的操作电路,其特征在于,
所述控制单元(16)将所述PWM调制频率确定为：使得所述PWM调制频率为所述交流电压(UAC)的频率的整数倍，优选与所述交流电压(UAC)的双倍频率的整数倍相差至少20Hz。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的操作电路，其特征在于,
所述控制单元(16)与所述PFC电路(11)的控制输入端相连，所述控制输入端允许对所述PFC电路(11)的控制回路的频率进行调节，
所述控制单元(16)将所述PWM调制频率和所述PFC电路(11)的控制回路的频率确定为：使得所述PWM调制频率与所述PFC电路(11)的控制回路的频率相适应和/或所述PWM调制频率以及所述PFC电路(11)的控制回路的频率二者与所述交流电压(UAC)的频率的整数倍相差至少20Hz。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的操作电路，其特征在于,将所述控制单元(16)进一步构造成：用于执行对交流电压(UAC)和直流电压(UDC)的检测，并且用于因此对正常运行状态与故障状态进行区分。
8.一种用于发光装置，尤其是用于一个或多个LED部分的操作电路,该操作电路包括：
-由交流电压(UAC)并且可选地也由直流电压(UDC)供电的有源时钟PFC电路(11),所述PFC电路的输出电压(UPFC)被直接或间接地输送到单元(19),以便生成流经所述发光装置(17)的PWM调制电流，
-控制单元(16)，所述控制单元在所述PFC电路(11)之前(18a)、之中(18b)或者之后(18c)测定所述供电电路中的所述电压(UPFC)中的余纹波，并且所述控制单元(16)被设计成：使得所述PWM频率和所述余纹波的频率在低于20Hz，优选低于30Hz，更优选低于40Hz的范围内不产生差频。
9.一种具有根据权利要求1至8中任一项所述的操作电路和优选为LED模块的发光装置负载(17)的系统。
10.一种用于操作发光装置，尤其是用于操作一个或多个LED部分的方法，
其中，根据交流电压(UAC)或者根据直流电压(UDC)来执行有源时钟功率因数校正电路，
其中，所述功率因数校正的输出电压(UPFC)被直接或间接地用于生成流经所述发光装置(17)的PWM调制电流，
其中，在所述功率因数校正之前(18a)、之中(18b)或者之后(18c)测定所述供电电路中的所述电压(UPFC)中的余纹波，并且
根据该余纹波的频率来选择流过所述发光装置(17)的电流的PWM调制频率。
11.根据权利要求10所述的方法,其特征在于,
所述PWM调制频率被确定为：使得PWM调制频率为所述交流电压(UAC)的频率的整数倍，优选为所述交流电压(UAC)的双倍频率的整数倍。
12.根据权利要求11所述的方法,其特征在于,
所述PWM调制频率被确定为：使得所述PWM调制频率与所述功率因数校正的控制回路的频率相差至少20Hz，优选至少30Hz，尤其优选至少40Hz，并且为所述功率因数校正的控制回路频率的整数倍。
13.根据权利要求10所述的方法,其特征在于,
所述PWM调制频率被确定为：使得所述PWM调制频率为所述功率因数校正的时钟频率，优选为所述功率因数校正的时钟频率的整数倍。
14.根据权利要求13所述的方法,其特征在于,所述PWM调制频率被确定为：使得所述PWM调制频率为所述交流电压(UAC)的频率的整数倍，优选与所述交流电压(UAC)的双倍频率的整数倍相差至少20Hz。
15.根据权利要求9至14中任一项所述的方法，其特征在于,
所述PWM调制的频率和所述功率因数校正的时钟频率被确定为：使得所述PWM调制频率与所述功率因数校正的控制回路的频率相适应和/或所述PWM调制频率以及所述功率因数校正的控制回路的频率二者与所述交流电压(UAC)的频率的整数倍相差至少20Hz。
16.根据权利要求9至15中任一项所述的方法，其特征在于,
执行对交流电压(UAC)和直流电压(UDC)的检测，并且
因此对正常运行状态与故障状态进行区分。
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