CN104735860B - 泄放电路控制器 - Google Patents

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Abstract

一种泄放电路控制器(11)，配置为控制双极结晶体管(10)，所述双极结晶体管具有：集电极(12)，配置为与切相调光器(2)的整流输出相连以接收泄放电流；发射极(13)，与地相连；以及基极(14)，所述泄放电路控制器配置为生成控制信号以控制通过双极结晶体管(10)的泄放电流，测量对通过调光器(2)的电流流动加以指示的信号，以及作为所测量的信号的函数对于基极‑发射极电流流动施加电流限制。

Description

泄放电路控制器
技术领域
本发明涉及泄放电路(bleeder circuit)控制器，用于控制与切相调光器一起使用的泄放电路中的双极结晶体管。本发明还涉及包括泄放电路控制器的固态照明驱动器以及包括驱动器和泄放电路控制器的固态照明器。
背景技术
通常对于照明应用，切相调光器用于控制流向负载的电流。切相调光器通常包括用于在所应用的波形的预定相位处在开启(导通)和关闭(非导通)状态之间周期性地切换的三端双向可控硅开关(triac)或者其他开关器件，其中开启状态与关闭状态的比值提供了电流控制。切相调光器与白炽灯泡一起可靠地操作，但是为了与固态照明器(light)一起操作可能需要泄放电路。在固态照明器中，使用开关模式电源来驱动LED阵列，例如LED阵列具有电流汲取，所述电流汲取可能不与切相调光器一起可靠地操作。具体地，切相调光器可能需要最小负载来正确地操作。这在与高效可调光LED相连时可能是成问题的。此外，需要汲取“闩锁电流”来完成从关闭状态到开启状态的转换。对于LED照明，可以使用泄放电路来拉动切相调光器的可靠操作所需的该电流(称为“泄放电流”)的整个或部分。
发明内容
根据本发明的第一方案，提供了一种泄放电路控制器，配置为控制双极结晶体管，所述双极结晶体管具有：集电极，配置为与切相调光器的整流输出相连以接收泄放电流；发射极，与地相连；以及基极，所述泄放电路控制器配置为生成控制信号以控制通过双极结晶体管的泄放电流，测量对通过调光器的电流流动加以指示的信号，以及作为所测量的信号的函数对基极-发射极电流流动施加电流限制。
可以看出，控制器有利于可靠地控制双极结晶体管(BJT)，使得其可以成功地用于泄放电路中。BJT在泄放电路中的使用是有利的，因为相比于在已知的泄放电路中使用的MOSFET，BJT成本更低。作为通过调光器的电流流动的函数来确定和施加电流限制将得到高效的控制器。因此，当BJT在饱和状态工作时，例如当调光器输出电压为低时，例如在调光器的非导通状态期间，可以控制BJT，使得BJT在集电极处的电流宿(sink)能力适应于通过调光器的电流，以提供有效的泄放电路而不使大量驱动电流流失到BJT的基极中。实践中，可以控制BJT使得BJT保持在线性工作区域内或者在饱和边缘，并且可以响应于通过调光器的电流流动的改变来调整通过BJT的基极-发射极的电流限制。因此，控制器包括BJT控制器。
由控制器测量的信号可以包括以下中的至少一个：
双极结晶体管基极处的电压；
双极结晶体管发射极处的电压；
双极结晶体管集电极处的电压；以及
整流后的切相电源电压，电源电压包括向切相调光器的输入施加的电压。
可以看出，上述电压中的每一个均可以向控制器给出对于通过调光器的电流流动的指示，该指示可以用于控制对通过BJT的基极-发射极的电流的限制，同时允许对泄放电流的控制。可以相对于接地来测量基极、发射极和集电极处的电压。
控制器可以被配置为通过在基极处施加控制信号以控制来自切相调光器的通过双极结晶体管的泄放电流，来控制双极结晶体管。对基极处电流的控制可以控制泄放电流从集电极向发射级的流动。
控制器可以包括电压源，并且控制器可以被配置为控制所述电压源来生成所述控制信号。因此，电压源可以被用于控制BJT，使得根据特定调光器的控制曲线和相关定时来汲取合适的泄放电流。
控制器可以包括电流源，并且还可以被配置为作为所测量的信号的函数来控制来自电流源的电流。因此，可以根据所测量的信号动态地限制电流源的输出。
控制器可以包括开关或晶体管，所述开关或晶体管配置为控制从电流源向双极结晶体管的基极的电流流动。开关可以与控制器一起集成在集成电路中。
备选地，可以通过控制开关或BJT的发射极处的可控阻抗来限制基极-发射极电流。因此，控制器可以被配置为提供电流限制控制信号来控制与发射极相连的开关，以作为所测量的信号的函数，控制从电流源到双极结晶体管的发射极的电流流动。因此，不控制至BJT的基极的电压或电流，而是可以在发射极与地之间添加串联的开关元件，来控制从控制器流入BJT的基极的电流的量。这在例如当调光器电流下降了一定的量使得BJT将被驱动到饱和状态时或在其他情况下是有利的。开关可以包括MOS晶体管或者另一BJT。
控制器可以生成控制信号，使得控制器控制BJT汲取泄放电流，所述泄放电流包括以下一个或更多个：
切相调光器的关闭状态期间的关闭状态电流；
前向切相调光器在关闭状态和开启状态之间转换所需的闩锁电流；
一旦切相调光器处于开启状态就使切相调光器保持在开启状态所需的保持电流；
使后向切相调光器在开启状态和关闭状态之间转换时将调光器输出电压拉低的放电电流。
因此，控制器可以被配置为根据要求汲取足够的泄放电流。可以为BJT提供多个控制器，每个控制器配置检测何时需要上述泄放电流中的每一个并提供控制信号来相应地控制BJT。
控制器可以包括：误差确定元件(例如误差放大器)，配置为：比较控制信号的电压与基极处的测量电压，并使用所述比较来控制基极-发射极电流流动。误差确定元件可以被配置为控制向基极的电流流动。
当与级联的高电压金属氧化物半导体晶体管(MOST)组合时，BJT可以是低电压器件，低电压BJT的集电极与高电压MOST的源极相连，MOST的漏极与整流后的电源相连，栅极与电压源相连。
基极-发射极电流限制函数可以包括：第一区域，在第一区域中电流限制随着在第一阈值和第二阈值之间的所测量的信号而增长。增长可以是线性的，尽管增长可以是任何其他关系。函数还可以包括定义最大电流值的第二区域，在第二区域中在所测量的信号超过第二阈值时电流限制保持恒定。函数可以包括第三区域，在第三区域中电流限制在零值以上处保持恒定，而所测量的信号在第一阈值以下。所测量的信号可以包括基极处的电压。
函数可以被配置为：限制基极-发射极电流，使得控制器在使用时实质上在饱和模式的边缘以线性工作模式驱动向双极结晶体管。
根据本发明的第二方面，提供了一种泄放电路，包括双极结晶体管，所述包括双极结晶体管的由根据本发明第一方面的泄放电路控制器来控制。
泄放电路可以包括用户可设置组件，泄放电路控制器被配置为使用用户可设置组件来确定通过极结晶体管的最大允许电流。
泄放电路可以包括在控制器外部并且与双极结晶体管串联的用户可替换限制电阻器，配置为与控制器相结合来限制通过双极结晶体管的最大电流。限制电阻器可以位于发射极与地之间。
控制器可以体现为集成电路(IC)。限制电阻器可以在IC的外部。
根据本发明的第三方面，提供了一种固态照明驱动器，包括本发明第二方面的泄放电路。
根据本发明的第四方面，提供了一种固态照明器，包括用于为固态照明器供电的驱动器，所述驱动器包括本发明第二方面的泄放电路。
附图说明
以下是仅以示例的方式示出参照附图的发明的实施例的详述，其中：
图1示出了固态照明应用中的泄放电路的实施例；以及
图2示出了一系列曲线图，所述曲线图示出了来自切相调光器的整流输出、泄放电流曲线、控制器的控制信号、流入固态照明器的驱动器的电流以及基极-发射极电流流动的三个示例的波形；以及
图3示出了电流限制-基极电压的函数。
具体实施方式
图1示出了通过整流器7与切相调光器2相连的泄放电路1。整流器的输出还与开关模式电源3相连，开关模式电源3向包括LED阵列的固态照明器4提供电力。整流器7通过二极管21与电源3相连并且还与缓冲电容器22相连。缓冲电容器22用于缓冲电源3的输入电压，使得可以连续地并且还在电源过零点和调光器非导通时间期间传送输出电流。二极管21用于将整流器7的输出电压与缓冲电容器22上的缓冲电压去耦合，使得泄放电路1可以用电流来加载调光器而不将缓冲电容器22放电。
在需要高功率因数的其它实施方式中，可以不使用二极管21并且电容器22可以具有更低的值。在这些应用中，仅在调光器2导通并且可以从整流器7得到足够的整流电源电压时，电源3是激活的。应理解，电源3可以被设计为在调光器非导通时甚至对于低输入电压也汲取电流，但是这通常将导致向LED负载4提供的能量值的不确定和改变，因此不能保证稳定的光输出。
切相调光器2包括：电源电压输入5，用于接收交流电源电压供应；以及切相输出信号6，用于根据调光器2的设置来输出切相输出信号。调光器可以包括前沿(forward edge)切相调光器或者后沿(backward edge)切相调光器。切相信号被桥式整流器7整流并且被提供至开关模式电源3和泄放电路1。泄放电路1被配置为在需要时汲取泄放电流，并且具有合适的尺寸以便切相调光器2可靠操作。
泄放电路1包括双极结晶体管(BJT)10和泄放电路控制器11。控制器11可以体现为集成电路。BJT 10包括集电极端子12、发射极端子13和基极端子14。控制器11与基极端子14相连。
集电极端子12与桥式整流器7的输出相连。集电极电阻器15位于集电极端子12与桥式整流器7之间。电阻器15是可选的，并且可用于通过从BJT10到电阻器转移整个泄放电路耗散的一部分来在电路1中分发热耗散。用这种方式，耗散被物理地分发，因此降低了热设计的开销。发射极端子13被配置为通过发射极电阻器16与地相连。
控制器11被配置为向基极端子14施加控制信号来控制通过BJT 10的泄放电流流动。因此，控制器被配置为控制最大泄放电流。为了这个目的，将根据由控制器检测到的调光器的类型(前向或后向切相)以及调光器的状态(导通状态、非导通状态、开-关转换、关-开转换)，控制电压源18随时间而具有不同的值。因此，泄放电路可以响应于切相调光器在其每个周期上的工作状态来确保泄放电路1汲取合适的泄放电流，以便调光器2正确操作。
在需要与切相调光器的兼容性的照明应用中，在调光器的关闭状态期间电流必须被负载汲取以确保调光器正常工作。除这种关闭状态电流外，还需要特定的“闩锁电流”来完成调光器中从关闭状态到开启状态的转换。因此泄放电路1与开关模式电源3一起操作来汲取该泄放电流，原因在于，电源3在调光器2处于关闭状态时因二极管21和电容器22而不能从调光器2汲取电流。
控制器11还包括可变电流源17，被配置为：作为在基极端子14处测量的电压的函数，设置可以提供给基极端子14的电流的最大值。电压源18被配置为输出控制信号，所述控制信号用于控制调光器波形上的泄放电流。电压源与误差确定元件19相连。误差确定元件19在其端子之一处接收控制信号，并且在其另一端子处接收对通过调光器的电流流动加以指示的测量信号。在该实施例中，基极14处的电压提供所述测量信号。误差确定元件19通过与MOS晶体管20的栅极的连接来控制MOS晶体管20，MOS晶体管20的栅极控制在电流源17和基极14之间的电流流动。
因此，当整流源的瞬时电压足够高以防止BJT饱和时(即集电极电压比基极电压高时)，将通过电压源18的输出电平来确定泄放电流。可以经历基极-发射极结上的电压降。电压降(Vbe)可以约为0.7V。因此，泄放电流(Ibleed)可以由控制信号和电阻16确定，使得Ibleed＝(Vctrl-Vbe)/R16，其中R16是发射极电阻器16的电阻。在该工作模式中，误差确定元件19充当误差放大器，并且与晶体管20一起起到单位增益电压缓冲器的作用。
如果集电极电压降至基极电压以下，则BJT饱和并且基极电流相比于在非饱和工作模式中的基极电流而增加。因此，在没有电流的限制的情况下，如果控制器能够提供不受限制的输出电流，则高电流将从控制器的内部IC电源流至BJT的基极。这由于效率低而不被期望。
因此，控制器被配置为限制可以经由晶体管20传导至BJT 10的基极14中的最大电流。经由电流源17来设置对电流的限制，并且对电流的限制依赖于对通过调光器的电流流动加以指示的测量信号。通常，测量信号包括通过泄放电流的电流流动的测量。理想地，电流限制被设置为将实际调光器电流除以BJT的电流增益因数(由Hfe表示)得到的值(或者刚好在该值以上)。实践中，考虑余量(margin)来补偿具有低于平均值的Hfe的BJT。在该实施例中，如上述，基极电压被用作测量信号并且确定合适的函数。
图2示出了前向切相调光器的电压和电流波形的示例。Vrect是来自整流器7(例如在点23处)的整流电压。在调光器导通时间段期间，波形是切相正弦电源电压。在调光器非导通时间段期间，如本领域技术人员所理解，电压为低(通常为几瓦)但是不是精确为零。IDiode是通过二极管21的电流，在周期的一部分内流动以对缓冲电容器22充电。
Ibleed示出了可以使用的示例泄放电流曲线。如下面将描述的那样，通过对电压“Vctrl”的控制来实现这种泄放电流曲线，所述电压“Vctrl”包括来自电压源18的输出。因此，Vctrl包括来自电压源18的控制信号。
IB1是在不使用由电流源17提供的电流限制函数而仅由电压源18来确定基极电流的情况下得到的基极电流。IB2是在使用了固定电流限制(在该示例中为5mA)的情况下得到的基极电流。如上面实施例中描述的，IB3是在使用控制器1时的基极电流。
在点30以前，调光器2处于非导通状态并且在23处的电压为低。为了使切相调光器2表现最佳，需要泄放电路1保持电压为低。这是通过将Vctrl设置为预定最大值(在该示例中为3V)的控制器11来实现的。因此，在非导通时间段期间，控制信号电压被设置为高值(upper value)。
BJT 10将由于高控制信号电压设置而试图汲取高发射极电流，但是在23处的电压为低，因此BJT 10具有低集电极12电压并且BJT 10将在饱和状态工作，造成通过泄放电路1的电流流动，所述电流流动由非导通状态的调光器的阻抗确定。显然，在该间隔中，IBleed的精确波形依赖调光器的构成。在这种饱和模式中，BJT发射极电流的其余部分由基极-发射极电流提供，在没有电流限制的情况下，所述基极-发射极电流由电压源18的输出(Vctrl)和发射极电阻器16来确定，并将被BJT 10的基极汲取并通过晶体管20提供。以下将更详细描述电流限制的操作。
在点30处，调光器开始其导通阶段。应注意，一旦Vrect在导通时间段的开始处步入高值，因为BJT 10的工作模式已经从饱和态变化为非饱和态，基极电流IB1显著地下降(下降因数等于BJT 10的电流增益Hfe)。泄放电路1被初始地配置为将23处的电压尝试并保持为低，因为这将有助于调光器闩锁(latch)。当控制器11已经检测到调光器已经开始导通(即在点31处)并且因此通过二极管22流向电源3的电流足够高来保持调光器导通时，控制器11被配置为逐渐减小(ramp down)控制信号Vctrl。
将Vctrl从点32向前调节至保持调光器导通所需的值。在该具体示例中，Idiode电流高于32和33之间的保持电流，因此，Vctrl被降至使例如泄放电流Ibleed为0的电平。
从点33向前，电流Idiode低于保持调光器导通所需的电流(称为保持电流)。控制器11被配置为逐渐地增加电压源18的电压Vctrl，使得泄放电流将通过二极管22的下降电流补偿至所需的电平。BJT 10工作在非饱和模式下。
在点34处，二极管电流Idiode已经变为零。因此控制信号Vctrl恒定以提供保持电流，并且泄放电流IBleed稳定为固定值。
从点35开始，在电源过零之前不久，控制器被配置为将Vctrl设置为高，从而将泄放电路设置为“高电流模式”，使得泄放电路在起始于点36的后续非导通时间段期间保持电压23为低。
在点35处，电压6已经降至使BJT将再次开始在饱和模式工作的电平。结果，如曲线IB1中所示，基极-发射极电流IB1通常将增长至高值。这是所不期望的，因为电流将来自控制器电源并且因此降低功率效率(与电源布置无关)。因此，作为基极电压的函数来限制基极-发射极电流允许控制信号控制BJT提供有效的泄放电路，同时至少在调光器处于非导通时间段时限制基极-发射极电流。
在第一示例中，可以通过将电流源17设置为固定的最大值来限制基极电流，固定的最大值足够高来使得控制器能够控制BJT来获得最大期望泄放电流(该示例中为120mA)。例如，如果BJT的电流增益Hfe为至少25，约5mA的电流限制是合适的。
在优选的示例中，基于所测量的泄放电路1电流来控制基极电流，所测量的泄放电路1电流指示通过调光器2的电流。这是通过测量基极电压并根据图3的函数设置电流限制来实现的。在该示例中，在非导通时间段中泄放电路电流可以为10mA。如果我们假设更糟的情况下例如25的电流增益Hfe，基极电流可以被限制为0.4mA。然而，有利的是，将最大电流限制设置为高于该值以实现可靠的操作。因此，在该示例中，包括电流限制余量，并且如IB3中所示的所基极电流可以被限制为在非导通期间峰值0.5mA。
该控制模式使得泄放电路能够从30之前向30之后的区域转变(调光器的关闭，非导通状态到导通状态)，而无需状态改变检测或者控制电压(Vctrl)的变化。
以上针对前向切相调光器描述的操作原理同样适用于后向切相调光器，相应地具有必要的时序和量值修改。
图3示出了可以如何依赖基极14处的电压来控制电流源17设置的电流限制的示例。短划线40示出了最小电流，所述最小电流需要作为基极电压的函数而可用，以在BJT 10在非饱和模式工作时，用值为25的电流增益Hfe和例如18欧的发射极电阻器16来驱动BJT10的泄放电流。在使用5mA的静态最大电流值的示例中，点状线41是由电流源17设置的基极电流限制。实线42示出了示例电流限制控制函数。线42必须在最小电流线40以上，但是对于最佳效率，电流限制控制函数42仍然应当相对接近要求的最小值40。因此，电流控制函数包括电流限制随着测量变量而增大的第一区域，在该示例中所述测量变量是基极处的电压，在第一阈值V1与第二阈值V2之间。在该示例中，电流限制函数在第一区域中线性地增长。在该示例中，控制函数具有定义电流最大值的第二区域，其中电流限制在第二阈值V2以上保持恒定。电流控制函数还可以包括第三区域，在所述第三区域中电流限制在零值以上保持恒定，而基极电压在第一阈值V1以下。

Claims (14)

1.一种泄放电路控制器，配置为控制双极结晶体管，所述双极结晶体管具有：
集电极，配置为与切相调光器的整流输出相连以接收泄放电流；
发射极，与地相连；以及
基极，
所述泄放电路控制器配置为生成控制信号以控制通过双极结晶体管的泄放电流，测量对通过调光器的电流流动加以指示的信号，以及作为所测量的信号的函数对基极-发射极电流流动施加电流限制，从而在调光器的非导通状态期间控制所述双极结晶体管，使得所述双极结晶体管在集电极处的电流宿能力适应于通过调光器的电流，
其中所述函数包括第一区域，在第一区域中基极-发射极电流限制随着在第一阈值和第二阈值之间的所测量的信号而增长。
2.根据权利要求1所述的泄放电路控制器，其中对通过调光器的电流流动加以指示的信号包括以下中的至少一个：
双极结晶体管基极处的电压；
双极结晶体管发射极处的电压；
双极结晶体管集电极处的电压；以及
整流后的切相电源电压，电源电压包括向切相调光器的输入施加的电压。
3.根据权利要求1或2所述的泄放电路控制器，其中控制器被配置为通过在基极处施加所述控制信号以控制通过双极结晶体管的来自切相调光器的泄放电流，来控制双极结晶体管。
4.根据权利要求3所述的泄放电路控制器，其中控制器包括电压源，并且控制器配置为控制所述电压源来生成所述控制信号。
5.根据权利要求3所述的泄放电路控制器，其中控制器被配置为：作为所测量的信号的函数来控制所述控制信号的电流，以提供所述电流限制。
6.根据权利要求5所述的泄放电路控制器，其中控制器包括：配置为对向双极结晶体管的基极的电流流动加以控制的晶体管。
7.根据权利要求5所述的泄放电路控制器，其中控制器被配置为：提供电流限制控制信号，以控制与发射极相连的可控阻抗，从而控制从控制器向双极结晶体管的基极的电流流动。
8.根据权利要求1的泄放电路控制器，其中由控制器生成的控制信号被配置为控制泄放电流以提供：
切相调光器的关闭状态期间的关闭状态电流；
切相调光器在关闭状态和开启状态之间转换所需的闩锁电流；
一旦切相调光器处于开启状态就使切相调光器保持在开启状态所需的保持电流；
使后向切相调光器在开启状态和关闭状态之间转换时将调光器输出电压拉低的放电电流。
9.根据权利要求1所述的泄放电路控制器，其中所述控制器包括：误差确定元件，配置为比较控制信号的电压与基极处的所测量的电压，并使用所述比较来控制基极-发射极电流流动。
10.根据权利要求1所述的泄放电路控制器，其中所述函数还包括定义最大电流的第二区域，在第二区域中在所测量的信号超过第二阈值时电流限制保持恒定。
11.一种泄放电路控制器，配置为控制双极结晶体管，所述双极结晶体管具有：
集电极，配置为与切相调光器的整流输出相连以接收泄放电流；
发射极，与地相连；以及
基极，
所述泄放电路控制器配置为生成控制信号以控制通过双极结晶体管的泄放电流，测量对通过调光器的电流流动加以指示的信号，以及作为所测量的信号的函数对基极-发射极电流流动施加电流限制，从而在调光器的非导通状态期间控制所述双极结晶体管，使得所述双极结晶体管在集电极处的电流宿能力适应于通过调光器的电流，
其中所述函数被配置为限制基极-发射极电流，使得控制器在使用时实质上在饱和模式的边缘以线性工作模式驱动向双极结晶体管。
12.一种包括双极结晶体管的泄放电路，配置为由根据权利要求1至11中任一项所述的泄放电路控制器来控制。
13.根据权利要求12所述的泄放电路，双极结晶体管被布置为与金属氧化物半导体晶体管MOST级联，双极结晶体管的集电极与MOST的源极相连，MOST的漏极与整流后的电源信号相连，栅极与固定电压源相连。
14.一种固态照明器，包括用于为固态照明器供电的驱动器，所述驱动器包括权利要求12或13所述的泄放电路。
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