CN104885566B - 具有谐振转换器的发光装置的操作 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种用于发光装置形式的负载尤其是用于LED的操作装置，该操作装置包括：时钟转换器(B)，该时钟转换器(B)包括开关件(20)；控制单元(C)，该控制单元(C)用于利用操作频率来切换所述开关件(20)，其中，所述转换器(B)的操作频率以前向控制或前馈控制来调制。

Description

具有谐振转换器的发光装置的操作
技术领域
本发明总体上涉及LED的操作，其中在本文中应理解为无机LED以及有机LED(OLED)。
背景技术
基本上已知，从具有恒定电流源的操作装置向一种可具有一个或多个串联的LED的LED线路供应电功率。还已知的是，该操作装置包括例如LLC电路形式的谐振转换器以产生该电功率。
发明内容
本发明此时涉及一种电路，其中从PFC电路向LLC电路供电。LLC电路的输出电压例如经由变压器被电位隔离，随后，例如被供应给另一转换器级，尤其是再为该LED线路供电的恒定电流转换器或压降转换器。
其中LLC电路的目的在于，在电位隔离的次级侧上产生恒定电压。在这种布置中，已知可这样产生该恒定电压，即该LLC电路在谐振范围内利用恒定频率来操作。
本发明此时的任务在于借助谐振转换器来改进这样的操作装置的EMV兼容性。
为了此时对优选利用恒定频率来操作的LLC电路的EMV频谱加以改进，根据本发明这样规定，对LLC电路的时钟操作施加有针对性的频率扫描。由此，LLC电路的恒定操作频率可被抑制并从而改善EMV兼容性。
尤其是，在控制优选利用恒定切换频率来操作的LLC电路时，有针对性地执行频率变更。该频率变更被称作所谓的“扫描模式”或者也被称作“抖动”。尤其是其中，执行在时间中间点保持恒定的切换频率的循环往复的加速和减速。
根据本发明，LLC电路的操作频率以前向控制或前馈控制来调制。因此，操作频率被施以阶段式变化的值，该值尤其不依赖于用于LLC电路的调节线路的状态。
本发明涉及一种前向调节操作，即固定预先给定频率扫描曲线并且在没有LLC电路的反激式回路的参与的情况下实施本发明还涉及非意外的例如因调节回路而偶然产生的频率扫描。
根据本发明有针对性的扫描模式也并非通过操作调节回路来设置，而是设置为，在对根据本发明的频率扫描进行调节操作方面实施一个LLC电路的时钟元件。根据本发明的频率扫描被设置在一个前向调节操作中，并且不因调节回路激活而产生。
本发明的第一方面涉及一种用于发光装置形式的负载尤其是用于LED的操作装置，该操作装置具有包括开关件的时钟转换器以及用于利用操作频率切换开关件的控制单元。转换器的操作频率以前向控制或前馈控制来调制。
本发明的另一方面涉及一种操作用于发光装置形式的负载尤其是LED的操作装置的方法。该操作装置具有带开关件的时钟转换器。该开关件利用操作频率来切换。该转换器的操作频率可以前向控制或前馈控制来调制。
本发明的又一方面涉及一种用于操作装置的控制构件，尤其是诸如ASIC、微型控制器或二者的混合型的集成电路，其特征在于，该控制构件被构造为用于支持这样的方法。
转换器的操作频率可被实施为作为前向控制或前馈控制的频率调制。
优选为恒定的操作频率能够以前向控制或前馈控制来调制，该恒定的操作频率对应于经由转换器的期望的功率消耗。
经由调节转换器而产生的操作频率也能够另外以前向控制或前馈控制来调制。
开关件可被构造为逆变器，并且尤其被构造为半桥逆变器。
转换器可包括谐振电路，优选的是LLC谐振电路的形式。
谐振电路可被构造为串联谐振电路或者并联谐振电路。
转换器可被连接至PFC电路的输出端并且被供应由PFC电路产生的总线电压。
PFC电路的操作频率能够以前向控制或前馈控制来调制。
可以在转换器的下游布置例如变压器形式的电解耦。
可以在变压器的下游布置另一转换器以产生用于发光装置的恒定电流。
在转换器的操作频率以前向控制或前馈控制来调制前，可首先计算操作频率的额定值。
被限定为前向控制或前馈控制的转换器的操作频率的调制可根据发光装置的调光值可选择性地进行。
附图说明
本发明的其它优点、技术特征和特性将从以下对优选实施方式的描述以及参照附图而变得明显。
图1示意性地示出了根据本发明的照明系统的结构。
图2示出了逆变器形式的且具有以下谐振电路和变压器的谐振转换器的一个实施方式。
图3示出了作为前向控制或前馈控制的、根据本发明的转换器的操作频率的变化的一个示例。
具体实施方式
结合图1对根据本发明用于例如基于LED的照明的照明系统的整体结构加以说明。既可以采用无机LED也可以/或者可以采用有机LED(OLED)。另选地，还可以操作其它发光装置，例如卤素灯或者气体放电灯。
照明系统优选被供以输入电压Vmains，尤其是电网交流电压。该输入电压Vmains被输送至功率因数校正电路或PFC(Power Factor Correction)电路A，该功率因数校正电路执行有源功率因数校正。典型地，输入电压Vmains被输送至预接通PFC电路A的整流电路(未示出)，使得在此情况下，经整流的输入电压位于PFC电路A的输入端处。
PFC电路A的输出电压是直流电压形式的或者基本上恒定电压形式的总线电压Vbus。基于230伏特的电网交流电压，总线电压Vbus例如可以是400伏特。因在欧洲有效电压频率为50赫兹，所以由PFC电路提供的总线电压Vbus通常具有100赫兹频率的波动。在美国，例如注意到频率是120赫兹。
在PFC中，例如可以涉及升压调节器(升压转换器)、反激式变换器(降压-升压-转换器)、隔离反激式变换器(反激式转换器)或者还可以涉及SEPIC转换器。另选地，还可以省去PFC电路A，使得向谐振转换器B供应输入电压Vmains。
总线电压Vbus被输送至谐振转换器B。该谐振转换器B基于总线电压Vbus产生恒定电压。作为优选的实施方式，谐振转换器B可被构造为图2所示的LLC电路形式。该谐振转换器B可被构造为用于产生恒定电压。该谐振转换器B可被另选地构造为用于产生恒定电流。
此外，设置有控制单元C，该控制单元尤其可被实现为集成电路，例如ASIC或者微型处理器或其复合体。在该实施方式中，控制单元C是一方面具有ASIC并且另一方面具有微型控制器或微型处理器uCl的混合型的形式。
如在图1中示意性示出的，该控制单元C既控制PFC电路的有源开关件也控制谐振转换器B的有源开关件。作为开关件可以考虑谐振转换器B，尤其是半桥(参见图2)。
控制单元C可具有编程输入端，通过该编程输入端能够对控制单元C进行编程或者校准编程。这样的编程或者校准编程可根据所接收到的SMART信号或DALI信号、DSI信号或SD信号来实现。
控制单元C尤其是通过电解耦E与接口D进行通信。该接口D具有用于连接外部模拟总线或者数字总线(未示出)的端子，该总线例如可根据DALI工业标准构成。由此，可以根据该原理双向或单向传输数据。但是另选地或附加地，也可以根据其它标准在接口D处传输单向信号或者双向信号。
由谐振转换器B产生的直流电压或恒定电压被输送至尤其是变压器T形式的电解耦F。变压器T在输入侧与谐振转换器相耦接，而在输出侧与用于产生恒定电流的另一转换器H相耦接。该恒定电流源可以例如被构造为压降转换器。
恒定电流源H向相连的发光装置尤其是LED供应恒定电流。另选地，可在恒定电流源H与发光装置之间设置以另一恒定电流源(未示出)形式的至少一个另外的转换器级，其中该转换器级能够分别控制彼此分隔的独立的发光机构，尤其是LED线路。
另选地，还可以省去所示的恒定电流源H，使得谐振转换器B的输出端或电解耦F的输出端可直接向发光装置供电。LED线路可相应地也由LLC电路来供电。
该另一转换器H既可实施为时钟恒定电流源，还例如被实施为也被称作压降转换器的压降调节器，也可实施为也被称作反激式转换器的隔离的反激式变换器，或者实施为利用晶体管或集成开关电路来实现的线性调节器。
此外为该另一转换器H设置自身的控制单元I，该控制单元另外可被构造为微型控制器、ASIC或者其混合体。该控制单元I在图1的实施方式中被构造为混合型，该控制单元具有ASSP(application-specific Standard product，也被称作专用标准产品)以及微型控制器uC2。
PFC电路A传输低压电源(low voltage power supply)LVPS的输入电压Vmains，该低压电源向谐振转换器B的控制单元C供应电压。通过变压器T的次级侧线圈向另一转换器H的控制单元I供应电压。
此外，控制单元I可通过电解耦G与谐振转换器B的控制单元C单向或者双向地进行数据通信。
另一转换器H的次级侧的控制单元I优选地包含来自发光装置或LED的区域的反馈值。控制单元I尤其负责将LED调节至确定的调光电平。其中，优选地根据所谓的反馈值通过LED来调节电流。也可以借助温度传感器J来测量例如LED的温度的反馈值并由控制单元I来监控该反馈值以对LED进行精确操作。
附加地，可以连接无源的或优选地是有源的、尤其是由控制单元I进行控制的冷却装置，例如通风器或风扇K或者冷却单元。该控制单元I可以例如根据测量的温度来控制该通风装置K以冷却LED。
由控制单元I执行的调节也可基于LED亮度的额定值来实现。这样的额定值可通过接口D、电解耦E、控制单元C以及最终通过电解耦G被输送至控制单元I。额定值也可以直接在控制单元I的端子处例如由用户来提供；其中电阻值R_adj能够在控制单元I的端子处以已知的方式确定该额定值。
图2示出了谐振转换器B的一个实施例。
在图2中示出的是，PFC电路A的输出电压(即总线电压Vbus)被输送至逆变器20，该逆变器20例如可被构造成具有两个开关Sl、S2的半桥逆变器。用于开关Sl、S2的时钟的控制信号可以以已知的方式由控制单元C产生。电位较高的开关Sl由信号ctrl_HS来控制，而电位较低的开关S2由信号ctrl_LS来控制。
在所示示例中，在逆变器10的中心点21处接通谐振电路，在此该谐振电路被构造为串联谐振电路，即LLC谐振电路22。在所示示例中，该谐振电路22具有第一电感Lsigma、变压器T的初级线圈以及电容Cres。
其中，变压器T的初级线圈具有引导磁化电流的并联电感器Lm。
负载紧跟着变压器T，该负载可被供应相比于总线电压Vbus被调低的供电电压。根据图1的实施例，该负载包括另一转换器H和LED。在变压器T的输出端处可以另外设置元件(未示出)以用于对输出电压进行整流和稳流。
在图2中，谐振电路22被构造成串联谐振电路。另选地，本发明恰好还可用在例如并联谐振电路的其它谐振电路上。根据本发明的谐振电路可相应地被构造成并联谐振电路，其中谐振电容Cres并联接通至负载，即并联接通至变压器T的初级线圈。逆变器20与谐振电路22的结合形成由变压器T隔离的直流/直流变换器以作为传输能量的转换器。
逆变器20的开关Sl、S2优选在谐振电路的谐振频率附近或者在输出电路的谐振附近频率工作。谐振转换器或电解耦F的输出电压是逆变器20的开关Sl、S2的控制频率的函数，此处该逆变器20为半桥逆变器。
图1所示的转换器B并不局限于谐振转换器，并且尤其并不局限于图2所示的LLC-转换器。该LLC电路描述了一个优选的示例。作为LLC电路的替换，根据本发明的转换器B还可具有PWM(脉冲宽度调制)时钟半桥电路或者反激式变换器。
图3示出了一个用于根据本发明的、转换器B的操作频率的变化的示例，该变化作为前向控制或前馈控制。
其中，X轴描述了在没有刻度的情况下开关Sl、S2的接通持续时间的基本时间曲线。Y轴则描述了开关Sl、S2的接通时间的持续时间。
值“f_avr”对应于谐振转换器B的操作频率的时间平均值，即对应于开关Sl、S2的操作频率的时间平均值。
基于接通时间的额定值或谐振转换器B的开关Sl、S2的频率，该额定值被阶段式地增大或减小。阶段式的增大或减小的时间间隔通过值“Tclk”来确定。增大或减小过程循环反复并且这样实现该额定值，即接通时间或频率的平均值对应于该额定值。该增大或减小过程由控制单元C来执行。
换句话说，在时间中间点保持恒定的切换频率实现加速和减速。或者执行开关Sl、S2的在时间中间点保持恒定的接通持续时间的延长或缩短。
值“nof_steps”限定了开关Sl、S2的频率波动或接通时间波动。该值基于平均值“f_avr”限定了增大步骤或减小步骤的数量。接通持续时间的每个变化均可能意味着在纳秒(ns)范围内的延长或缩短。
因此，开关Sl、S2的接通持续时间或切换频率的两个根据本发明的变化之间的持续时间位于少数微秒(μs)范围内。
两个参数“f_avr”和“nof_steps”是可调整的。
通过开关Sl、S2的切换频率的根据本发明在几千赫兹范围内的变化能够例如在EMV规定方面得以减少。
如在本发明申请的图3中所示，其开关Sl、S2由ASIC来控制的LLC电路的操作频率再由微型控制器uCl预先设定。此时，在该微型控制器uCl中，扫频曲线，如其在图3中示例性地示出的那样被固定提供。
此前提及的在PFC电路A的输出端处的100赫兹波动通常经由LLC电路来调节。因此已通过用于该操作的(即用于LLC电路的时钟的)调节回路产生用于开关Sl，S2的频率变化。
然而，仅在应当向LED线路传输足够高的功率时才产生这种效果。
因此，根据本发明人工预定的频率扫描可以仅在需要较低的光功率时才接着被选择性地设定为可接通或可增强，其中PFC电路的执行电压中的波动(Rippe1)自身不会传送至LLC电路的频率扫描。
因此可这样设置，即根据LED线路的当前调光值适应性地，即例如也可以是选择性地执行该扫描操作。尤其是仅在光功率低于预定阈值时才执行该扫描操作。
当例如PFC电路供应具有频率为100赫兹的波动的输出电压时，LLC电路的操作频率被有针对性地施以千赫兹范围的扫频。此外，频率偏差(Frequenzhub)较小，使得在人类可见的光功率中位于该扫频范围内的功率供应的波动也仅在另一转换器H无法调整该波动时才会体现出来。
通过使得LLC电路的扫频处于千赫兹范围内可以保证也不会存在与PFC的输出电压处的100赫兹波动相作用的低频振颤效果。
例如在LLC电路的操作频率的时间平均值位于80千赫兹至100千赫兹之间的范围内时，频率偏差即对称的频率扫描可能位于少数千赫兹范围内。
可选的是，也可以频率调制有源PFC电路(A)的开关的操作频率。根据本发明的、有针对性的PFC扫描模式尤其在直流操作时(即在输入电压Vmains是直流电压时)能够结合本发明来使用。
LLC电路的时钟频率根据对总线电压的测量，即根据对由PFC供应的电压的测量来执行。
如果此时在进行DC供电时(例如在紧急照明情况下)为PFC实施又在调节操作方面的人为扫描模式，则因此在前向控制或前馈控制中依赖总线电压的LLC电路的时钟能够通过产生波动的PFC电路的人为扫描模式在PFC的输出电压中已导致充分的EMV测量。
因此，也可以通过PFC的扫描模式来间接调节LLC电路的扫描模式。
另选地，可这样规定，即该波动因PFC的扫描模式不足以用于LLC电路所期望的EMV改进，使得除PFC扫描模式之外还可激活LLC的扫描模式。
优选的是，在这种情况下，PFC扫描模式明显比LLC电路的扫描模式更低，例如低数百赫兹，使得在激活PFC和LLC电路的两个扫描模式时也不产生低频振颤并且因而不产生干扰。
附图标记列表:
20 逆变器
21 逆变器20的中心点
22 LLC谐振电路
A PFC电路
B 谐振转换器
C 控制单元
D 接口
E 电解耦
F 电解耦
G 电解耦
H 转换器(恒定电流源)
I 控制单元
J 温度传感器
K 风扇
LVPS 低压电源
Sl，S2 开关
T 变压器
Vbus 总线电压
Vmains 输入电压

Claims (14)

1.一种用于发光装置形式的负载的操作装置，该操作装置包括：
-LLC电路形式的时钟转换器(B)，该时钟转换器(B)包括开关件(20)，
-控制单元(C)，该控制单元(C)用于利用所述转换器(B)的操作频率来切换所述开关件(20)，
其中，所述转换器(B)连接在PFC电路(A)的输出端上并且被供应由所述PFC电路(A)产生的总线电压(Vbus)，
其中，当所述总线电压(Vbus)是直流电压时，所述PFC电路(A)的操作频率在PFC扫描模式中被频率调制，
其中，如果因PFC扫描模式造成的波动不足以用于LLC电路所期望的EMV改进，则激活LLC电路的扫描模式，在这种情况下，PFC扫描模式的扫频明显比LLC电路的扫描模式的扫频更低，
其中，在LLC电路的扫描模式中，所述转换器(B)的操作频率按照循环往复的加速和减速的形式以前向控制或前馈控制来调制，使得所述转换器(B)的操作频率的平均值对应于所述转换器(B)的操作频率的额定值，
其中，所述转换器(B)的操作频率被施以阶段式变化的值。
2.根据权利要求1所述的操作装置，
其中，所述负载是LED。
3.根据权利要求1或2所述的操作装置，
其中，所述开关件(20)被构造为逆变器。
4.根据权利要求1或2所述的操作装置，
其中，所述开关件(20)被构造为半桥逆变器。
5.根据权利要求1或2所述的操作装置，
其中，所述转换器(B)包括串联谐振电路或者并联谐振电路。
6.根据权利要求1或2所述的操作装置，
其中，在所述转换器(B)的下游布置变压器(T)形式的电解耦(F)。
7.根据权利要求6所述的操作装置，
其中，在所述变压器(T)的下游布置另一转换器(H)以产生用于所述发光装置的恒定电流。
8.根据权利要求1或2所述的操作装置，
其中，在所述转换器(B)的操作频率以前向控制或前馈控制被调制前，首先计算所述转换器(B)的操作频率的额定值。
9.根据权利要求1或2所述的操作装置，
其中，根据所述发光装置的调光值选择性地对所述转换器(B)的操作频率执行限定为前向控制或前馈控制的调制。
10.一种操作用于发光装置形式的负载的操作装置的方法，其中，所述操作装置具有带有开关件(20)的LLC电路形式的时钟转换器(B)并且所述开关件(20)利用所述转换器(B)的操作频率来接通，
其中，所述转换器(B)连接在PFC电路(A)的输出端上并且被供应由所述PFC电路(A)产生的总线电压(Vbus)，
其中，当所述总线电压(Vbus)是直流电压时，所述PFC电路(A)的操作频率在PFC扫描模式中被频率调制，
其中，如果因PFC扫描模式造成的波动不足以用于LLC电路所期望的EMV改进，则激活LLC电路的扫描模式，在这种情况下，PFC扫描模式的扫频明显比LLC电路的扫描模式的扫频更低，
其中，在LLC电路的扫描模式中，所述转换器(B)的操作频率能按照循环往复的加速和减速的形式以前向控制或前馈控制来调制，使得所述转换器(B)的操作频率的平均值对应于所述转换器(B)的操作频率的额定值，
其中，所述转换器(B)的操作频率被施以阶段式变化的值。
11.根据权利要求10所述的方法，
其中，所述负载是LED。
12.一种用于操作装置的控制构件，
其特征在于，
该控制构件被构造为用以支持根据权利要求10或11所述的方法。
13.根据权利要求12所述的控制构件，
其中，所述控制构件是集成电路。
14.根据权利要求13所述的控制构件，
其中，所述集成电路是ASIC、微型控制器或者二者的混合。
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