CN105591560A - 与功率适配器有关的改进 - Google Patents

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Abstract

提供了一种功率适配器(20)，包括：用于连接到AC电源的输入(22)，以及耦合到该输入(22)、提供适合于驱动负载(50)的输出的谐振电路(34)。选择谐振电路(34)的电容和电感，以在功率适配器(20)的输入(22)与输出(24)之间提供有效电压的预定改变以及有效电流的相应预定改变。

Description

与功率适配器有关的改进
本发明申请是申请日为2009年10月8日的、申请号为200980150153.1(国际申请号为PCT/GB2009/051334)以及发明名称为“与功率适配器有关的改进”的发明专利申请的分案申请。
本发明涉及功率适配器，尤其涉及适合于提供功率适配器输出与输入之间有效电压的改变的功率适配器。
在民用应用中，从干线供给可得到的电压通常是频率50或60Hz的120V－240VAC。在功率适配器用于驱动低压负载(诸，10V负载)的情况下，供给处可得到的电压与驱动负载需要的电压之间的比率在10与20之间。在这种大比率的情况下，因为开关以具有很短的导通时间的小占空比以及对平均比率峰值高的电流波形工作，所以用来驱动低压负载的传统开关模式功率适配器变得很没有效率。
因此在现有技术中普遍的是，功率适配器包括匝数比适合于创建电压中的下降和电流中的相应上升的磁变压器。在一些传统功率供给中，在向功率适配器的输入处提供该磁变压器，使得整个功率适配器在较低电压工作。在这种情形中，磁变压器在供电频率(50或60Hz)工作，且相对较笨重和昂贵。在其它情形中，将磁变压器整合成开关电路的一部分，以允许它在功率适配器中电子部件的开关频率工作。这种电路因此具有可以使得磁变压器较小的优点。
不过，这些现有技术布置中的所有布置均需要相当笨重和没有效率的磁变压器。
现在设计了这样的改进的功率适配器：克服或基本上减轻与现有技术相关联的以上提到的和/或其它缺点。
根据本发明，提供了一种功率适配器，包括：用于连接到AC电源的输入，以及提供适合于驱动负载的输出、耦合到输入的谐振电路，其中，选择谐振电路的电容和电感，以在功率适配器的输入与输出之间提供有效电压的预定改变以及有效电流的相应预定改变。
因为功率适配器在对磁变压器没有任何需要的情况下在功率适配器的输入与输出之间提供有效电压的预定改变、以及有效电流的相应预定改变，所以根据本发明的电源主要地是有利的。功率适配器因此可以用于在不需要磁变压器，且不需要在小占空比(相对于开关周期而言接通时间短)工作并具有对平均比率峰值高的电流波形的电子开关电路的情况下，从较高AC干线供给驱动低压负载。特别地，功率适配器可以用于连接到高压AC干线供给(例如，频率50Hz或60Hz的110V或230VAC)，并提供适合于驱动低压固态光源的输出(例如，10－20V)。
可以选择谐振电路的电容和电感以在功率适配器的输入与输出之间提供有效电压的预定减小，以及有效电流的相应预定增加。可替选地，可以选择谐振电路的电容和电感以在功率适配器的输入与输出之间提供有效电压的预定增加，以及有效电流的相应预定减小。
在目前优选的实施例中，选择谐振电路的电容和电感以提供功率适配器的输入处的有效电压与功率适配器的输出处的有效电压之间的预定比率，以及功率适配器的输入处的有效电流与功率适配器的输出处的有效电流之间的预定比率。
将谐振电路优选地配置为提供有效电流相对于通过谐振电感器的有效电流而言增加或减小的输出，使得输出的有效电压相对于电源的有效电压而言相应减小或增加。输出的有效电流优选地相对于通过谐振电感器的电流而言增加到至少2倍或至少减小到1/2倍，以及更优选地，增加到至少5倍或减小到至少1/5倍。另外，输出相对于AC电源而言的有效电压的增加或减小优选地增加到至少2倍或至少减小到1/2倍，更优选地，增加到至少5倍或至少减小到1/5倍。
优选地在没有来自磁变压器的协助的情况下实现功率适配器的输入与输出之间有效电压和有效电流的预定改变。的确，功率适配器可以没有任何磁变压器，除了功率适配器中会存在的信号或电源变压器以外。
可以在没有来自变压器的协助的情况下实现功率适配器的输入与输出之间有效电压和有效电流的预定改变。然而，可以为功率适配器提供将功率适配器的输出与输入隔离的压电变压器。在该布置中，压电变压器可以在功率适配器的输入与输出之间提供有效电压的进一步预定改变，以及有效电流的进一步预定改变。
在为功率适配器提供压电变压器的情况下，可以将压电变压器布置成提供谐振电路的电容的至少一部分。在一个实施例中，压电变压器提供谐振电路的所有电容。包括压电变压器因此在结合到具有谐振电路的功率适配器中时提供数个优点。因而，根据本发明进一步的方面，提供了功率适配器，其包括：用于连接到AC电源的输入，耦合到该输入、提供适合于驱动负载的输出的谐振电路，以及将输出与功率适配器的输入隔离的压电变压器。
输出优选地适合于驱动恒流负载，诸如固态光源。谐振电路因此优选被配置为提供具有基本上恒定的电压的输出，该基本上恒定的电压是针对AC电源的特定有效电压预先确定的。特别地，谐振电路优选被配置为提升(即升高)或者减低(即降低)功率适配器的输入处接收的实际电压，以在输入AC周期的大部分时间提供基本上恒定的电压，该基本上恒定的电压是针对AC电源的特定有效电压预先确定的。
本发明的该布置因此使得在较之磁变压器提供的而言更大比例的输入AC周期上，输出能够具有针对AC电源的特定有效电压预先确定的基本上恒定的电压。该布置因此使得功率适配器能够具有较之采用磁变压器提供有效电压预定改变的功率适配器而言更低的大容量储存电容。
本发明的该布置适合于驱动固定负载。然而，功率适配器也可以被配置为驱动可变负载。特别地，功率适配器可以被配置为在功率适配器提供的输出不足以驱动负载时关断该输出，然后在功率适配器提供的输出足以驱动负载时接通输出。
在用于提供适合于驱动恒流负载的输出的特别优选的布置中，谐振电路是LCL串－并联谐振电路。
“LCL串－并联谐振电路”意思是包括串联的第一电容器和第一电感器，以及包括第二电感器的并联负载引脚的谐振电路。第一电感器和第一电容器优选地串联连接在谐振电路的两个输入端子之间，且谐振电路优选地包括并联在第一电容器上的负载引脚，其中，负载引脚包括串联连接的用于驱动负载的输出以及第二电感器。特别地，LCL谐振电路优选地具有输入端子和输出端子和第一电感器L1和电容器C1，第一电感器L1从第一输入端子通过与第二电感器L2的公共点连接到第一输出端子，第二输入端子直接连接到第二输出端子，电容器C1连接在两个电感器之间的公共点与输入和输出的两个端子之间的直接连接之间。输入端子优选地被配置为从高频逆变器驱动。第一电感器、第一电容器和第二电感器中的任何一个均可以包括单个感性或容性部件或者这种部件的组合。
谐振电路优选地配置为使得在其谐振频率之一，功率适配器在给定有效输入电压提供恒定电流输出，并且优选地在该谐振频率或其次谐波、或者足够接近该谐振频率或其次谐波驱动谐振电路，以便功率适配器适合用于恒流负载，诸如固态光源。特别地，优选地选择第一和第二电感器，使得第一电感器的电抗XL1和第二电感器的电抗XL2在大小上基本上相等，并且在大小上与第一电容器的电抗XC1基本上相等。特别地，在目前优选的实施例中，XL1≈XL2≈－XC1。
当选取的部件满足这些条件时，在给定输入电压，传递给负载的电流将会恒定，与连接到功率适配器的负载无关。此外，输入电压的变化将会直接控制传递给负载的恒定电流的大小。因此，当驱动恒压负载(诸如LED)时，在不需要任何前馈或反馈控制的情况下，传递给负载的功率将会与输入电压成正比。
其中，LCL串－并联谐振电路被配置为提供恒定电流输出，将LCL串－并联谐振电路的电容优选地选择成具有与谐振电路的所需相对较高的输入电阻Rin以及所需负载电阻RL匹配的电抗XC1。优选地使用以下公式选择第一电容器：
X C 1 = R i n R L - - - ( 1 )
其中，XC1是第一电容器的电抗。第一电容器的电抗因此优选地等于谐振电路的所需输入电阻Rin以及所需负载电阻RL的乘积的平方根。
功率适配器的输出因此优选地被配置为连接到视在阻抗RL的负载，选取第一和第二电感器L1、L2、以及第一电容器C1的值，使得在至少一个频率处，L1、L2和C1的电抗在大小上大致相似，并且在至少一个频率处，LCL谐振电路将在输入端子Rin处所见的视在阻抗变换成大致等于电容器的电抗XC1的平方除以负载的视在阻抗RL。
谐振电路电容和电感的该选择因此提供功率适配器的输入与输出之间有效电压的预定改变。
在目前优选的实施例中，根据本发明的功率适配器包括用于连接到AC干线供给连接的输入，且谐振电路提供适合于驱动固态光源的输出。如以上所讨论的，谐振电路优选地是LCL串－并联谐振电路。
LCL串－并联谐振电路的使用在功率适配器被配置为提供适合于驱动固态光源的输出时特别有益。特别地，LCL串－并联谐振电路可以被配置为提供适合于驱动固态光源的恒定电流输出，这不取决于负载，并不需要任何形式的反馈或复杂控制。包括LCL串－并联谐振电路的功率适配器因此可以相比于现有技术功率适配器而言，提供功率从干线功率供给向固态光源更加有效率的传送，功率适配器较之现有技术适配器而言可以具有更低的制造成本并且更紧凑。另外，功率适配器的输出处的功率通常将会随着输入功率减少而减少，因而，包括LCL串－并联谐振电路的功率适配器适合用于与干线功率供给相关联的传统功率减少器件。因而，根据本发明进一步的方面，提供了用于固态光源的功率适配器，该功率适配器包括：用于连接到干线电力供给的输入，以及耦合到该输入、提供适合于驱动固态光源的输出的谐振电路。
谐振电路优选地倍配置为以给定输入电压提供恒定电流输出。传递给输出的功率因此优选地随着输入处电压的变化而变化，而不需要任何控制。特别地，恒定电流的大小优选地与输入电压成比例。此外，谐振电路优选地被配置为在给定输入电压提供与负载无关的恒定电流输出。为了实现这些特性，谐振电路优选地被配置为使得其谐振频率之一提供这些属性，优选地在该谐振频率处、或者充分接近该谐振频率地驱动谐振电路，以便功率适配器适合用于固态光源。
不过，发现了：通过在谐振频率的次谐波驱动谐振电路，可以提高功率适配器的功率因数和/或效率。最优选地，在次谐波1/x处驱动谐振电路，其中，x是奇数，例如，1/3、1/5或1/7。
在谐振频率的次谐波处驱动谐振电路具有可以减少谐振驱动电路的开关损耗和开关频率的优点，从而提高功率适配器的效率。在大多数现有技术谐振电路中，在次谐波处驱动电路将会减少功率。然而，可以将LCL串－并联谐振电路配置为如下面更详细讨论的具有在0Hz处其谐振频率之一，这允许低频电流穿过负载。因而，穿过谐振电路的电流以及传递给负载的功率在谐振频率的次谐波处驱动电路的情况下基本上不改变。
可以将LCL串并联电路配置为具有三个谐振频率，在0Hz的第一谐振频率，即DC电流，在给定输入电压提供与负载无关的恒定电流输出的第二谐振频率，以及在给定输入电压提供随着负载而变化的电流的第三谐振频率。优选地通过选择第一电感器、第二电感器和第一电容器实现这些谐振频率，使得这些部件的电抗基本上相等。第三谐振频率可以被配置为相对于第二谐振频率而言在输出处提供显著更大的功率。功率适配器的控制器因此可以被配置为在不同谐振频率之间切换，以采用它们的不同特性。例如，功率适配器的控制器可以被配置为在第二与第三谐振频率之间切换以补偿输入电压的改变，例如，在230V与110VAC之间。这种控制进一步的实例包括在关键点在发光系统中加载TRIAC，并转变功率适配器的功率因数和/或调节。
由于输入处的电压正弦变化，如上所述配置的LCL串－并联谐振电路从输入引出的电流将会固有地符合方形形状。然而，功率适配器的控制器可以修改谐振电路从输入引出的电流的波形。功率适配器因此可以包括：控制器，配置为确定谐振电路从输入引出的电流的波形。特别地，控制器可以被配置为修改谐振电路将会固有地引出的电流的波形，使得从输入引出的电流的波形与输入处的电压的波形在形状上较相似。特别地，谐振电路引出的电流的波形可以总体上是正弦的，但是具有平坦的峰。
优选地由向谐振电路提供谐振驱动信号的谐振驱动电路驱动谐振电路。谐振驱动信号优选地是交流信号，并优选地由可以控制两个或四个电子开关的振荡器(例如，FET)提供。谐振驱动信号的形式通常为方波。驱动电路的目的是用交流电压激励谐振电路，交流电压通常包括正负电压区块。电子开关通常以全桥逆变器(4个开关)或半桥逆变器(2个开关)的形式连接在一起。
如以上所讨论的，功率适配器可以被配置为修改谐振电路将会固有地引出的电流的波形，特别是修改该波形的形状和/或尺寸。特别地，可以向谐振电路提供谐振驱动信号，其中，谐振驱动信号被配置为确定期望的输入电流波形。例如，可以按包括但不限于其以下包括组合中任何组合的各种方式配置谐振驱动信号：(i)引入交流驱动信号的全周期或半周期之间的死区，(ii)改变驱动信号的频率，以及(iii)错过(miss)交流驱动信号的周期。
其中，通过错过交流驱动信号的周期配置谐振驱动信号，可以对于每个干线供给周期按不连续的布置、按单个连续组、或者按多个连续组布置这些错过的周期。在按多个连续组布置错过的周期的情况下，每个干线供给周期的连续组的数量优选地选择成适合于输出功率，并因而可以是随着输出功率可变的。
如下面所讨论的，功率适配器可以配置为控制来自固态光源的光输出。在该实施例中，优选地例如通过控制器使谐振驱动信号可变化，以确定来自固态光源的光输出。谐振驱动信号优选地还被配置为优化功率适配器的功率因数和/或效率。
可替选地，在将功率适配器配置为使得只能通过改变在功率适配器的输入处可得到的功率来控制来自固态光源的光输出情况下，可以预先确定谐振驱动信号，优选地以优化功率适配器的功率因数和/或效率。
如以上所讨论的，功率适配器的任何控制器优选地配置为控制提供给谐振电路的谐振驱动信号，以确定谐振电路从输入引出的电流的波形。可以通过集成电路(诸如微处理器)、模拟电子电路或者模拟和数字电子的任何组合提供功率适配器的该控制器。的确，功率适配器的控制器可以是可以通过很低的成本制造的特定于应用的集成电路。在该配置中，驱动电路的振荡器也可以形成集成电路的一部分，或者可以是单独的电路。
驱动谐振电路处的频率的确定可以用来校准功率适配器以提高效率。可替选地，可以在使用期间改变驱动谐振电路的频率，以改变提供给固态光源的功率。
可以将用于驱动固态光源的输出与谐振电路隔离，特别是对于用户将会接近固态光源和/或相关联电路的应用。在该情形中，功率适配器优选地包括压电变压器以提供该隔离。
谐振电路还可以包括第一电容器与其相连的一对电势划分电容器。可替选地，在谐振驱动电路包含布置成创建两个开关引脚(例如，“H电桥”)的四个电子开关(例如，FET)作为单个倒相器的情况下，可以用单个电容器替换该对电容器。这些电容器优选地是Y电容器。
在另一实施例中，谐振驱动电路包括连接在LCL串－并联谐振电路与地之间的两个电子开关(例如，FET)，即，两个“低侧”开关。这两个低侧开关优选地各自在接通与断开之间交替变换，第一开关接通而第二开断开，反之亦然。该布置在由低压控制器(诸如集成电路)驱动开关的情况下特别有益。
在该实施例中，LCL串－并联谐振电路的第一谐振电感器优选地包括两个电感器，一个连接到第一电容器的一端，另一个连接到第一电容器的另一端。在该布置中，这两个电感器中之一将会在供电的正半周激活，这两个电感器中的另一个电感器将会在供电的负半周激活。在一个实施例中，围绕公共芯缠绕这两个电感器，以使得LCL串－并联谐振电路的第一谐振电感器是三端子电感器。
功率适配器可以通过输入处电压的函数的形式从输入引出电流以使得功率适配器显现为对干线供给的阻性负载。优选地通过这样的方式实现这一点：(i)使功率适配器的输入处的电容最小化，(ii)从输入引出与输入处的电压波形基本上同相的电流波形，和/或(iii)引出与电压基本上成比例的电流。这些特征通过去除对干线供给呈现的容性负载增加功率适配器的效率和功率因数，并减少从干线供给引出的谐波电流和电流失真。的确，这些特征使得功率适配器和连接的固态光源对干线供给呈现为传统灯丝光源。
可替选地，功率适配器可以通过输入处电压的函数的形式从输入引出功率，以使得功率适配器对干线供给不显现为阻性负载。
固态光源优选地是发光二极管(LED)，或者一系列的两个或更多个LED。功率适配器优选地包括在其输出处的一个或更多个二极管，例如，二极管电桥，以确保不呈现会损坏固态光源的反向电流。
可以由集成电源向功率适配器的任何控制电路供电。可替选地，可以由到谐振电路的电感器之一的连接(例如，到耦合到该电感器的绕组的连接)向功率适配器的控制电路供电。
在功率适配器包括集成电源的情况下，集成电源优选地直接从干线功率供给(最优选地，经由功率适配器的输入)引出功率。特别地，集成电源优选地是优选地不引起过量浪涌以及成本低的恒定电流电源，诸如开关模式恒定电流调节器。控制电路优选地用于在干线周期的关断时段期间(例如，在功率适配器连接到TRIAC或类似器件时)切断它自身，以使得恒定电流器件的功率低，从而效率高。
功率适配器优选地还包括在去除负载(例如会由光源的断开或故障引起)的情况下优选地通过去除振荡驱动信号禁用谐振电路的差错检测电路。差错检测电路优选地将谐振电路的输出与控制器相连。该差错检测电路是反馈电路，但是它优选地在正常工作期间从谐振电路的输出引出最小的功率，并因而不应当与调节功率输出的有源反馈电路相混淆。差错检测电路只在差错情况期间激活，并对于在正常使用期间控制输出功率并非必不可少。
功率适配器可以包括用于减少从干线供给引出的谐波电流的其输入处的滤波器。滤波器可以包括小型非电解电容器电感器网络。功率适配器优选地还包括将输入波形转换为恒定极性中一个极性的其输入处的整流器。最优选地，整流器是反转交流波形的负(或正)部分的全波整流器。不过，功率适配器没有必要在LCL串－并联谐振电路的输入处提供稳定的DC信号，因而，在LCL串－并联谐振电路与功率适配器的输入之间优选地不提供大容量储存电容器(也已知为储能电容器或平滑电容器)。因而，功率适配器优选地基本上没有谐振电路与功率适配器的输入之间的大容量储存电容。的确，功率适配器优选地基本上没有电解电容器。这使得对于固态发光系统相对于现有技术功率适配器而言在成本和尺寸减少的情况下将电源设计得电抗最小，浪涌电流最小，并且寿命长。可以在功率适配器的输出处提供大容量储存电容器，但是这对于具有传统固态光源的功率适配器的运行并非必不可少。
根据本发明的功率适配器优选地适合用于采用任何功率减少器件的发光系统中，以确定功率适配器的输入处可得到的功率。特别地，功率减少器件可以是可变电阻器，如，调压器或者变阻器。功率适配器也可以被配置为在包括采用SCR相位控制或可控硅的调光器控制的发光系统中运行以减少功率适配器的输入处可得到的功率。在该情形中，然而，功率适配器可以用于在关断发光单元以前从干线供给引出最少的电流以在全干线周期期间保持SCR稳定，以确保调光器控制的连续运行。
根据本发明的功率适配器进一步的优点是例如由功率适配器的控制器对输入处电压的监控没有必要。因而，根据本发明的功率适配器可以没有用于监控输入处电压的任何部件，特别地，功率适配器可以用于使得控制器不从输入接收信号。
功率适配器可以包括能够向谐振电路传递控制信号以便减少从输入引出的功率的控制器。然而，在其它实施例中，功率适配器不包括具有这种特征的控制器。特别地，功率适配器可以用于使得只能通过改变功率适配器的输入处可得到的功率来控制来自固态光源的光输出。特别地，可以使用与干线供给相关联的外部器件(如，外部功率减少器件)使功率适配器的输入处可得到的功率变化。该实施例特别适合用于包括积分功率适配器的发光单元，其将会适合于结合到传统发光电路中。为了使功率适配器的效率最大化，功率适配器优选地用于将除了不可避免的损耗之外，输入处可得到的所有功率传送给功率适配器的输出。
根据本发明进一步的方面，提供了发光系统，包括：如上所述的功率适配器以及包括至少一个固态光源的发光单元。
通常将会为发光单元提供多个固态光源。为了取得光输出的不同颜色，发光单元可以包括发出不同颜色光的固态光源，例如，发出红色、绿色和蓝色光的LED。此外，发光单元还可以包括琥珀色、青色和白色的LED以使显色指数升高。
功率适配器和发光单元可以具有共同的壳体，或者可以单独容纳。的确，功率适配器可以用于向多个发光单元提供功率，每个发光单元包括多个固态光源。此外，发光系统可以包括多个这种功率适配器。发光系统还可以包括功率减少器件，如，采用SCR相位控制的调光器控制、变阻器或可变电阻器。
根据本发明的功率适配器特别适合用于包括积分功率适配器的发光单元，其将会适合于结合到传统发光电路中。因而，根据本发明进一步的方面，提供了适合于向干线供给直接连接的发光单元，发光单元包括如上所述的功率适配器以及一个或更多个固态光源，其中，能够通过改变使功率适配器的输入处可得到的功率来控制来自一个或更多个固态光源的光输出。为了使功率适配器的效率最大化，功率适配器优选地用于将除了不可避免的损耗之外，输入处可得到的所有功率传送给功率适配器的输出。
发光单元优选地包括用于容纳功率适配器和一个或更多个固态光源的壳体，以及用于将功率适配器的输入连接到干线供给的连接器。连接器优选地用于连接到传统灯丝灯泡的配件。特别地，发光单元可以包括卡口或螺纹连接器。在一个实施例中，只能通过改变功率适配器的输入处可得到的功率来控制来自一个或更多个固态光源的光输出。
根据本发明进一步的方面，提供了电子阻抗匹配电路，其引入有具有输入端子和输出端子的LCL谐振电路，该LCL谐振电路具有第一电感器L1和电容器C1，第一电感器L1从第一输入端子通过与第二电感器L2的公共点连接到第一输出端子，第二输入端子直接连接到第二输出端子，电容器C1连接在两个电感器之间的公共点与输出和输入的两个端子之间的直接连接之间，从高频逆变器驱动输入端子，输出端子连接到视在阻抗RL的负载，选取部件L1、L2和C1的值以使得在至少一个频率处，L1、L2和C1的电抗在大小上大致相似，以及在至少一个频率处，LCL谐振电路将在输入端子处所见的视在阻抗变换成大致等于电容器的电抗的平方除以负载的视在阻抗RL。
高频逆变器的工作频率优选地接近L1、L2和C1的电抗大致相似时的频率。
电子阻抗匹配电路优选地被配置为在基本上低于输入供电电压的电压需求的情况下驱动一个或更多个LED。
然而，可替选地，电子阻抗匹配电路可以被配置为在基本上低于输入供电电压的电压需求的情况下对电池充电，或者可以被配置为通过动态地匹配变化的视在负载阻抗与供电电压以多于一个速度驱动电动机。
现在将参照附图，仅通过示例的方式，更详细地描述本发明的优选实施例，其中
图1是根据本发明的功率适配器的示意图；
图2是形成图1的功率适配器的一部分的包括谐振控制器和谐振驱动电路的谐振电路的示意图；
图3是包括替选谐振驱动电路的图2的谐振电路的示意图；
图4是图2中示出的电路的第二替选的示意图；
图5是图2中示出的电路的第三替选的示意图；
图6是图2中示出的电路的第四替选的示意图；
图7是图2中示出的电路的第五替选的示意图；以及
图8是根据本发明的发光系统的示意图。
图1示出根据本发明的功率适配器20。功率适配器20包括：用于从干线电路引出功率的输入22，以及用于向固态发光单元50的三个LED60a、60b、60c提供功率的输出24。功率适配器20包括输入22处的滤波和整流电路30，使得将从干线电路引出的AC电压波形作为全波整流波形(DC+)提供给功率适配器电路的其余部分。
功率适配器20还包括低功率辅助电源32，以及包括谐振控制器40和谐振驱动电路42的谐振电路34，下面将参照图2更详细地描述它们。低功率辅助电源32提供用于向谐振驱动电路42和谐振控制器40的集成电路供电的低功率DC输出(+V)。这提供了向功率适配器集成电路的稳定供电以确保这些电路的稳定运行。注意：在其它实施例中，通过连接到耦合到谐振电路的电感器之一的额外绕组向功率适配器的集成电路供电，因而，略去辅助电源32。
图2中示出包括谐振控制器40和谐振驱动电路42的谐振电路34。谐振控制器40包括控制电路，并被配置为控制谐振驱动电路42。特别地，谐振控制器40具有用于向谐振驱动电路42提供控制信号的输出，谐振驱动电路42确定由谐振电路34从输入引出的电流的形式。注意：在其它实施例中，谐振驱动电路42是自振荡的，完全略去控制电路。
谐振电路34的形式为LCL串－并联谐振电路(L1、C1和L2)。谐振驱动电路42被配置为以方波驱动信号驱动LCL串－并联谐振电路。该方波信号由连接到谐振电路第一端的两个电子开关(例如，FET)和关联的驱动电路44生成。谐振控制器40控制该FET。使用二极管电桥对谐振电路34的输出进行整流，然后由整流器的输出处的电容器(C5)进行平滑，以形成适合于驱动LED60a、60b、60c的输出。电容器C2和C3创建谐振电路第二端的连接点，基本上在DC+与0V之间电压的中间。
可替选地，如图3中所示，谐振驱动电路42包含布置以创建两个开关引脚(在“H电桥”中)的四个电子开关(例如，FET)，作为单相逆变器。在该实施例中，用连接在DC+与0V之间的单个电容器(C2)替换了电容器C2和C3。由于需要少量电容在开关瞬态期间保护开关免受过压损坏，电路不能在DC电源上没有电容的情况下工作。
配置LCL串－并联谐振电路，使得在选择的频率处，L1的电抗(XL1)、C1的电抗(XC1)和L2的电抗(XL2)基本上相等。在该配置中，LCL串－并联谐振电路具有两个非零谐振频率。电抗相等的频率将会是两个非零谐振频率之一。当在该频率驱动谐振电路时，谐振电路向输出、以及因而向LED60a、60b、60c提供恒定电流，而不论负载如何。恒定电流的大小与输入电压成比例。该谐振频率是
ω 1 = + 1 L S C P - - - ( 2 )
谐振控制器40和谐振驱动电路42因此被配置为接近该谐振频率ω1激励LCL串－并联谐振电路。作为接近谐振频率驱动谐振电路的结果，减少了电子开关中的开关损耗，因而，提高了电路的效率。进一步的优点包括传导和辐射电磁干扰的减少，并且因而必要滤波和屏蔽部件花费的减少。
LCL串－并联谐振电路的该配置的正常特性是引出与输入电压直接有关的功率。在没有任何控制的情况下，随着输入22处电压正弦变化，从输入22引出的AC电流将会符合方形形状。然而，可以使用开关的频率和/或接通时间调制减少每个过零附近从输入22引出的功率，并因此改进输入电流谐波。另外，整流器的输出上的可选电容器(C5)平滑传递给LED的功率，使得光输出将会包含较少的波动。
优选地提供这样的差错检测电路：包括通过电阻器R1在谐振控制器40的PIC上的禁用引脚与LCL串－并联谐振电路的输出之间的连接，以及通过电阻器R2与0V的连接。差错检测电路引出最小的功率。然而，在LED60a、60b、60c停止导通的情况下，相关联的差错检测电路迅速检测谐振电路的输出处电压的升高，并使得谐振控制器40切断它向谐振驱动电路42的输出，并因而使得从谐振电路34中去除驱动信号。在图2中，示出的差错检测电路连接在L2与二极管电桥之间。然而，请注意：此电路也可以连接在输出24的正端子与二极管电桥的正端之间。
可以随着输入干线供电电压的变化使传递给LED60a、60b、60c的功率的量变化，这使得它适合用于功率减少器件10。
图4示出图2中示出的电路进一步的替选，其中，略去了谐振控制器40。在该实施例中，谐振驱动电路42仅包括连接到谐振电路第一端的两个电子开关(例如，FET)，以及相关联的驱动电路44(能够向电子开关提供合适驱动信号的任何形式的模拟或数字电路)。此外，该实施例不包括整流器的输出处的任何电容器(图2和图3的C5)，或者任何差错检测电路(图2和图3中的R1和R2)。
以上结合图1－图4描述的功率适配器各自被配置为连接到高压电源(例如，频率50或60Hz的110V或230VAC)，并提供适合于驱动低压负载(诸如固态光源)的输出(例如10－20V)。特别地，每个功率适配器的LCL串－并联谐振电路被配置为在对磁性传感器没有任何需要的情况下提供相对于电源而言电压显著减小且电流显著增加的输出。
结合图1－图4描述的功率适配器的LCL串－并联谐振电路各自的第一端子和第二端子连接到具有四个开关器件的全桥逆变器或者具有两个开关器件和分压电容器的半桥逆变器。第一电感器L1以及第一电容器C1从第一端子串联到第二端子。电路的负载引脚与第一电容器C1并联连接，负载引脚包括与整流部件串联的第二电感器L2，以在谐振电路中的电流以高频交替变换的同时向负载提供单向电流。
在这种电路中，第一电容器C1上的电压确定通过负载引脚驱动的电流。将会因此预期到如果第一电感器L1的电抗增加，则该部件上将会下降较大的电压，且负载引脚上的电压将会与需要的较低电压更接近地匹配。
已发现并非如此，但是可以选取谐振部件L1、L2和C1的值，使得负载引脚中的电流显著高于第一电感器L1中的电流。
通过下式给出在任何频率该电路的负载引脚中的电流：
i L 2 = X C 1 V R L X L 1 + R L X C 1 + j ( X L 1 X C 1 + X L 2 X L 1 + X L 2 X C 1 ) - - - ( 3 )
其中，XL1、XL2、XC1分别是谐振部件L1、L2和C1的电抗，V是激励电压，RL是负载的有效电阻，j是无功分量。
当XL1＝XL2＝－XC1时，以上公式简化为
i L 2 = V - j ( X C 1 ) - - - ( 4 )
在该配置中，负载中的电流与负载无关，并且与输入供电电压成比例。
减小XC1的进一步的步骤引起同样电压的负载电流增加。然而，本发明令人惊讶的方面是在谐振时，电路的输入电阻是
R i n = X C 1 2 R L - - - ( 5 )
重新排列，
X C 1 = R i n R L - - - ( 6 )
因而可以选取XC1的值以使给定负载RL与Rin的需要(较高)值匹配，使得在输入处引出的电流小并且传递给负载的电流高。
因此，本发明的该实施例可以通过电感器和电容器的正确选取从较高压电源驱动低压LED串。电路还得益于该电路的恒定电流方面。
作为实例，要从230VAC电源驱动具有1A电流需求的前向电压12V的LED串。负载RL的视在电阻是12Ω。负载的功率是12W，所以输入的功率(假定无损耗)是12W。如果使用具有分裂电容的半桥逆变器驱动谐振电路，则谐振电路上施加的有效电压是±115V。需要的输入电阻因此大致为1100Ω。XC1的值因此是频率70kHz的20nF的电容对应的115Ω。L1和L2的相应值将会是260μH。
图5中示出根据本发明的功率适配器进一步的实施例。该实施例与先前实施例相似之处在于：它包括其输出处的电容器(C4)和肖特基二极管电桥(D1－D4)、一对电势划分电容器(C2，C3)、LCL串－并联谐振电路(L1，C1，L2)以及半桥逆变器(M1，M2)。输出连接到串联连接的一个或更多个LED(图5中示出了两个LED，LED1和LED2)。
然而，该实施例与先前实施例的不同之处在于：通过压电变压器限定LCL串－并联谐振电路的电容器(C1)。压电变压器包括由陶瓷材料(诸如，PZT(锆钛酸铅)形成的四个压电变换器元件。
包括压电变压器的LCL串－并联谐振电路被配置为提供相对于电源而言电压显著减小、电流显著增加的输出。特别地，功率适配器被配置为连接到高压电源(例如，频率50或60Hz的110V或230VAC)，并提供适合于驱动低压固态光源的输出(例如，10－20V)。
压电变压器还将功率适配器的输出从功率适配器的输入隔离。
图6中示出根据本发明的功率适配器进一步的实施例。该实施例与先前实施例的相似之处在于：它包括其输出处的电容器(C4)和肖特基二极管电桥(D1－D4)、一对电势划分电容器(C2，C3)、LCL串－并联谐振电路(L1，C1，L2)。输出连接到串联连接的两个LED(LED1和LED2)。
然而，该实施例与先前实施例的不同之处在于：谐振驱动电路包括连接在LCL串－并联谐振电路与地之间的两个FET(M1、M2)，即，两个“低侧”开关。这两个低侧开关各自在接通与断开之间交替变换，第一开关接通而第二开关断，反之亦然，以创建方波驱动信号。
此外，用一个连接到电容器C1的一端、另一个连接到电容器C1的另一端的两个电感器(L1a和L1b)替换先前实施例的LCL串－并联谐振电路的第一谐振电感器(L1)。在该布置中，这两个电感器中的一个电感器(L1a)将会在输出处谐振频率的正半周激活，这两个电感器中的另一个电感器(L1b)将会在输出处谐振频率的负半周激活。
该实施例在低压控制器(诸如集成电路)驱动开关(M1、M2)的布置中特别有益。
图7中示出根据本发明的功率适配器进一步的实施例。该实施例与图6中示出的实施例相同，除了图5中示出的布置对应的布置中包括压电变压器之外。该实施例组合了以上结合图5和6讨论的优点。
最后，图8示出根据本发明的发光系统。发光系统连接到包括干线供给L、N和功率减少器件10(诸如TRIAC)的干线电路，并包括根据本发明的功率适配器20和固态发光单元50。固态发光单元50包括串联连接的LED60a、60b、60c。功率适配器20从干线电路提供有功率，并且被配置为向固态发光单元50的LED60a、60b、60c提供功率。
此外，本申请还记载了以下方案。
方案1.一种功率适配器，包括：用于连接到AC电源的输入，以及耦合到所述输入、提供适合于驱动负载的输出的谐振电路，其中，选择所述谐振电路的电容和电感，以在所述功率适配器的输入与输出之间提供有效电压的预定改变以及有效电流的相应预定改变。
方案2.如方案1所述的功率适配器，其中，选择所述谐振电路的电容和电感，以在所述功率适配器的输入与输出之间提供有效电压的预定减小以及有效电流的相应预定增加。
方案3.如方案1所述的功率适配器，其中，选择所述谐振电路的电容和电感，以在功率适配器的输入与输出之间提供有效电压的预定增加以及有效电流的相应预定减小。
方案4.如任一项在前方案所述的功率适配器，其中，选择所述谐振电路的电容和电感，以提供所述功率适配器的输入处的有效电压与所述功率适配器的输出处的有效电压之间的预定比率，以及所述功率适配器的输入处的有效电流与所述功率适配器的输出处的有效电流之间的预定比率。
方案5.如任一项在前方案所述的功率适配器，其中，在没有来自磁变压器的协助的情况下，实现所述功率适配器的输入与输出之间的有效电压和有效电流的预定改变。
方案6.如任一项在前方案所述的功率适配器，其中，在没有来自变压器的协助的情况下，实现所述功率适配器的输入与输出之间的有效电压和有效电流的预定改变。
方案7.如任一项在前方案所述的功率适配器，其中，所述功率适配器被提供有将所述功率适配器的所述输出与所述输入隔离的压电变压器。
方案8.如方案7所述的功率适配器，其中，所述压电变压器在所述功率适配器的输入与输出之间提供有效电压的进一步预定改变，以及有效电流的进一步预定改变。
方案9.如方案7或8所述的功率适配器，其中，所述功率适配器的所述压电变压器被布置为提供所述谐振电路的电容的至少一部分。
方案10.如方案9所述的功率适配器，其中，所述压电变压器提供所述谐振电路的全部电容。
方案11.如任一项在前方案所述的功率适配器，其中，所述输出适合于驱动恒流负载。
方案12.如任一项在前方案所述的功率适配器，其中，所述谐振电路被配置为提供具有基本上恒定的电压的输出，所述基本上恒定的电压是针对所述AC电源的特定有效电压预先确定的。
方案13.如方案12所述的功率适配器，其中，所述谐振电路被优选地配置为提升(即升高)或者减低(即降低)在所述功率适配器的输入处接收的实际电压，以在输入AC周期的大部分时间提供基本上恒定的电压，所述基本上恒定的电压是针对所述AC电源的特定有效电压预先确定的。
方案14.如任一项在前方案所述的功率适配器，其中，所述功率适配器适合于驱动固定负载。
方案15.如任一项在前方案所述的功率适配器，其中，所述功率适配器用于驱动固定负载和可变负载。
方案16.如方案15所述的功率适配器，其中，所述功率适配器被配置为在所述功率适配器提供的输出不足以驱动负载时关断所述输出，然后在所述功率适配器提供的输出足以驱动负载时接通所述输出。
方案17.如任一项在前方案所述的功率适配器，其中，所述谐振电路是LCL串－并联谐振电路。
方案18.如方案17所述的功率适配器，其中，所述谐振电路被配置为使得在其谐振频率之一处，所述功率适配器以给定有效输入电压提供恒定电流输出，并且在该谐振频率或其次谐波、或者充分接近该谐振频率或其次谐波地驱动所述谐振电路，以便所述功率适配器适合用于恒流负载。
方案19.如方案18所述的功率适配器，其中，所述恒流负载是固态光源。
方案20.如方案17至19中任一项所述的功率适配器，其中，选择第一和第二电感器，使得所述第一电感器的电抗XL1和所述第二电感器的电抗XL2在大小上基本相等，并且在大小上均与第一电容器的电抗XC1基本相等。
方案21.如方案17至20中任一项所述的功率适配器，其中，将LCL串－并联谐振电路的电容选择成具有与所述谐振电路的所需输入电阻Rin以及所需负载电阻RL匹配的电抗XC1。
方案22.如方案21所述的功率适配器，其中，所述电容被选择为具有等于所述谐振电路的所需输入电阻Rin以及所需负载电阻RL的乘积的平方根的电抗。
方案23.如任一项在前方案所述的功率适配器，其中，所述功率适配器包括用于连接到干线AC电源的输入，且所述谐振电路提供适合于驱动固态光源的输出。
方案24.如任一项在前方案所述的功率适配器，其中，所述谐振电路被配置为提供具有相对于通过谐振电感器的电流增加或减小的电流的输出，使得所述输出具有相对于电源的有效电压相应地减小或增加的有效电压。
方案25.如方案24所述的功率适配器，其中，所述输出的电流相对于通过所述第一谐振电感器的电流增加到至少2倍或至少减小到1/2倍。
方案26.如方案24所述的功率适配器，其中，所述输出的电流相对于通过所述谐振电感器的电流增加到至少5倍或至少减小到1/5倍。
方案27.一种发光系统，包括：如任一项在前方案所述的功率适配器，以及包括至少一个固态光源的发光单元。
方案28.如方案27所述的发光系统，其中，发光单元设有多个固态光源。
方案29.一种适合于直接连接到干线供给的发光单元，所述发光单元包括如任一项在前方案所述的功率适配器以及固态光源，其中，从所述固态光源输出的光只能够通过改变在所述功率适配器的输入处可得到的功率来控制。
方案30.如方案29所述的发光单元，其中，所述功率适配器被配置为除不可避免的损耗之外，将在所述输入处可得到的所有功率传送到所述功率适配器的输出。
方案31.如方案29或30所述的发光单元，其中，所述发光单元包括用于容纳所述功率适配器和所述固态光源的壳体，以及用于将所述功率适配器的输入连接到所述干线供给的连接器。
方案32.如方案31所述的发光单元，其中，所述连接器被配置为连接到用于传统灯丝灯泡的配件。
方案33.一种电子阻抗匹配电路，引入有具有输入端子和输出端子的LCL谐振电路，所述LCL谐振电路具有第一电感器L1和电容器C1，第一电感器L1从第一输入端子通过与第二电感器L2的公共点连接到第一输出端子，第二输入端子直接连接到第二输出端子，且电容器C1连接在两个电感器之间的公共点与输入和输出的第二端子之间的直接连接之间，从高频逆变器驱动各输入端子，各输出端子被连接到视在阻抗RL的负载，选择部件L1、L2和C1的值，使得在至少一个频率，L1、L2和C1的电抗在大小上大致相似，并且在至少一个频率，LCL谐振电路将在各输入端子处所见的视在阻抗变换成大致等于所述电容器的电抗的平方除以负载的视在阻抗RL。
方案34.如方案33所述的电子阻抗匹配电路，其中，所述高频逆变器的工作频率接近L1、L2和C1的电抗大致相似时的频率。

Claims (12)

1.一种功率适配器，包括：用于连接到AC电源的输入，耦合到所述输入、提供适合于驱动负载的输出的LCL串－并联谐振电路，以及用于驱动所述谐振电路的控制器和电子开关，所述控制器适于使用所述开关的接通时间调制以确定所述谐振电路从所述输入引出的电流的波形，其中，所述LCL串－并联谐振电路具有第一谐振频率和第二谐振频率，所述第一谐振频率以给定输入电压提供与所述负载无关的恒定电流输出并且所述第二谐振频率以给定输入电压提供随所述负载变化的电流，所述第二谐振频率在所述输出处提供相对于所述第一谐振频率更大的功率，并且所述功率适配器的所述控制器适于在所述谐振频率之间切换。
2.如权利要求1所述的功率适配器，其中，所述谐振电路被配置为提供具有基本上恒定的电压的输出，所述基本上恒定的电压是针对所述AC电源的特定有效电压预先确定的。
3.如权利要求2所述的功率适配器，其中，所述谐振电路被配置为提升(即升高)或者减低(即降低)在所述功率适配器的输入处接收的实际电压，以在输入AC周期的大部分时间提供基本上恒定的电压，所述基本上恒定的电压是针对所述AC电源的特定有效电压预先确定的。
4.如任一项在前权利要求所述的功率适配器，其中，所述功率适配器被配置为在所述功率适配器提供的输出不足以驱动负载时关断所述输出，然后在所述功率适配器提供的输出足以驱动负载时接通所述输出。
5.如任一项在前权利要求所述的功率适配器，其中，选择所述谐振电路的LCL，使得所述负载的有效电阻与所述谐振电路的所需较高输入电阻匹配，以在所述功率适配器的输入与输出之间提供有效电压的预定减小和有效电流的相应预定增加。
6.如任一项在前权利要求所述的功率适配器，其中，将所述LCL串－并联谐振电路的电容选择成具有与所述谐振电路的所需输入电阻Rin以及所需负载电阻RL匹配的电抗XC1。
7.如权利要求6所述的功率适配器，其中，所述电容被选择为具有等于所述谐振电路的所需输入电阻Rin以及所需负载电阻RL的乘积的平方根的电抗。
8.如任一项在前权利要求所述的功率适配器，其中，所述谐振电路被配置为提供具有相对于通过谐振电感器的电流增加的电流的输出，使得所述输出具有相对于电源的有效电压相应地减小的有效电压。
9.如权利要求8所述的功率适配器，其中，所述输出的电流相对于通过所述第一谐振电感器的电流增加到至少2倍。
10.如权利要求8所述的功率适配器，其中，所述输出的电流相对于通过所述谐振电感器的电流增加到至少5倍。
11.如任一项在前权利要求所述的功率适配器，其中，所述负载包括一个或更多个固态光源。
12.一种发光单元，包括：一个或更多个固态光源、以及如任一项在前权利要求所述的功率适配器。
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