CN107078635B - 电源系统和使用该电源系统的方法和电路 - Google Patents

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Abstract

电源系统使用DC‑DC功率转换器(28)来供给输出负载。补偿电路(40)连接在到DC‑DC转换器的输入和DC‑DC转换器的输出之间，并且该补偿电路响应于由输出负载中的浪涌引起的DC‑DC转换器的输出处的电压降而提供补偿路径。电源系统还包括作为输出负载的低压差调节器(30)，该低压差调节器(30)具有连接到DC‑DC功率转换器和补偿电路的输入，以及连接到输出端子(C)用以连接另外的输出负载的输出。这使得DC‑DC功率转换器能够具有低电流能力，因为DC‑DC转换器的DC供给可以满足大电流需求。

Description

电源系统和使用该电源系统的方法和电路
技术领域
本发明涉及电源系统，特别地，用于供给具有电流需求中浪涌(surge)的负载的电源系统。
背景技术
本发明对照明应用特别感兴趣。
伴随着LED照明的市场增长，无线照明控制正受到欢迎。无线照明控制是通过将低功率RF模块集成到照明单元中以使无线连接成为可能而实现。例如，最近发布的飞利浦色度(hue)灯泡通过将ZigBee模块集成到灯泡中而为LED灯泡带来了无线连接。为了智能光控制，灯泡还含有控制RF模块和LED光源二者的微控制器。
图1是具有RF连接的LED光点的示例的框图。主电源10是用于整个光点的相对高电压(例如20-30V)的DC电压源，所述整个光点包括LED光源12、控制器14、RF模块16(即，RF收发器18和可选的RF放大器20)、以及其它控制电路22(诸如逻辑电路、MOSFET驱动器等等)。如果电源由市电驱动，电源可以包括AC-DC转换器。LED光源12经由LED驱动器24从电源10接收功率。
LED光点中的大多数控制电路通常在诸如5V(DC)的相对低的DC电压下操作，并且大多数控制器和RF模块在诸如3.3V(DC)的甚至更低的DC电压下操作。
为了功率效率的目的，电源26在高电压电源10和控制器14以及其它电路之间使用。电源26的功能是将电压降低到适当的水平。电源26含有两个部件，DC-DC转换器28和调压器30，所述DC-DC转换器将来自电源的电压转换为5V(DC)，所述调压器将来自DC-DC转换器的电压进一步降低到3.3V(DC)。
控制器14和RF模块16的RF收发器18可以在单个芯片上。例如，已经知晓ZigBee片上系统产品含有控制器和2.4GHz RF收发器。
对于诸如MR 16LED灯泡的光点而言(该灯泡通常具有几乎覆盖了器材的整个表面的金属散热器，并且其中所述光点安装到金属圆顶中)，RF放大器20对于确保足够的RF性能(诸如增加的发射功率(或工作距离))是必要的，并且为了改进的接收灵敏度，RF放大器包括低噪音放大器。
对于电源26的重要要求是在恒定电压(例如3.3V(DC))下提供足够的电流，以确保控制器和RF模块的正常操作。存在三种典型操作模式，它们消耗不同水平的电流：非RF模式：只有控制器是有效的，并且不发生RF通信。操作电流例如小于10mA。
接收模式：RF模块处于接收操作中。RF收发器的操作电流例如在20-30mA的范围内。RF放大器的操作电流例如小于5mA。因此，总电流要求是30-40mA。
发射模式：RF模块处于发射操作中。RF收发器的操作电流例如在30-40mA的范围中。RF放大器的操作电流例如在80-180mA的范围中。因此，总电流要求是120-240mA。
显然，发射操作比其它操作要求显著更高的电流。发射操作的另一特征是：其是具有低频率和极短持续时间的周期性操作。例如，平均每5-15秒就有一个持续时间少于10毫秒的发射。换句话说，控制器和RF模块在大部分时间里消耗10-40mA，但是在周期性的发射操作期间需要高的峰值(120-240mA)瞬时电流。
对于设计用于无线连接的LED光点的电源26，存在两种通常采用的方案。
第一方案是使用具有高电流供给能力和快速瞬时响应的DC-DC转换器以在发射时供应来自RF模块的高峰值瞬时电流需求。主要缺点是这样的转换器体积大且昂贵，这限制了在强制要求紧凑的空间和低成本的应用中的使用。
第二方案是将正常的DC-DC转换器和大值存储电容器或电解质电容器一起使用。转换器可以容许RF模块的接收操作，而电容器可以在发射操作期间帮助吸收瞬时峰值电流。此方案与第一方案相比具有较低的成本，但是大值(例如100-200μF的范围内)电容器仍然是大体积的。
考虑到针对具有紧凑尺寸的LED光点(诸如MR16或MR11灯泡)实现无线连接的需要，期望一种低成本且紧凑的电源解决方案。
US5422562A1、US20060022653A1和“应用到开关电源以得到快速瞬时响应的线性-非线性控制”，10.1109/IECON.2002.1187556公开了在从第一电源到负载的功率不足的情况下，第二电源可以向负载提供功率。
发明内容
将有利的是，拥有一种可以满足电流需求中的浪涌并且还是低成本和小尺寸的电路。
本发明由权利要求定义。
根据本发明的一个方面，提供了一种电源系统，包括：
DC电源，其用于产生第一DC输出；
DC-DC功率转换器，其用于从第一DC输出产生第二DC输出，并且向电源系统的供给端子提供该第二DC输出以供给输出负载；以及
连接在该第一DC输出和供给端子之间的补偿电路，该补偿电路被适配成响应于第二DC输出中的电压降从第一DC输出向供给端子提供功率，
其中该电源系统还包括作为输出负载的低压差调节器，该低压差调节器具有连接到该供给端子的输入，以及连接到用于连接另外的输出负载的输出端子的输出。
例如，电压降由输出负载中的浪涌引起，该输出负载由该供给端子供给。
此系统使第一DC输出能够用作针对输出负载的供给，所述输出负载一般地由第二DC输出(其具有比第一DC输出更低的电压)供给。这使得DC-DC功率转换器能够具有低的电流能力，因为来自输出的大的电流需求可以由第一DC供给满足。DC-DC转换器可以保持低成本和低尺寸，适合于在大多数时间内出现的输出负载特性，并且需求中的浪涌仍然可以被满足。最终的输出负载典型地是具有周期性的但是持续时间短的需求中的浪涌的电路。此装置避免了需要大储存电容器来应付浪涌，并且避免了对于尺寸过大的DC-DC转换器的需要。
在一个实施例中，第一DC输出优选处于比第二DC输出的电压范围更高的电压范围中，并且DC电源可以包括AC-DC转换器。此实施例给出了将本发明的方面实施为具有AC-DC转换器和DC-DC转换器的广泛使用的功率结构。
第一DC输出可以例如用于LED照明电路，并且第二DC输出可以用于诸如RF模块的辅助控制电路。当存在DC-DC转换器不能满足的需求方面的浪涌时，更高电压的第一DC输出于是用于供给辅助控制电路。DC电源可以由AC市电信号供给，并且因此包括AC-DC转换器。
在一个实施例中，补偿电路可以包括第一DC输出和第二DC输出之间的开关，以及用于控制该开关操作的控制电路。
该开关将第一DC输出耦合到该第二DC输出。当开关闭合时，更高电压的第一DC输出可以用于供给负载，并且一旦已经获得所期望的电流以使得能够满足负载需求，则该开关可以再次断开。此实施例的优势是部件数量较少。
在一个实施例中，开关可以包括具有基极连接和发射极连接的晶体管装置，该基极连接和发射极连接一起控制开关状态，其中该控制电路包括电压产生电路，其产生用于应用到基极连接的电压，并且该发射极连接连接到第二DC输出。
第二DC输出处的电压用作应用到晶体管发射极的第一晶体管控制参数，并且参考电压用作应用到晶体管基极的第二控制参数。如果DC-DC转换器不能够满足负载需求，则第二DC输出处的电压将下降，并且此电压中的下降可以用于控制补偿电路。替代地，该晶体管可以是场效应管，其具有对应于基极的栅极和对应于发射极的源极。在此情况中，栅-源电压响应于电压降而变化，以引起晶体管导通。优点是，感测电压降和控制开关的功能基于单个(双极型或场效应)晶体管实施，使得电路结构简单。
在一个实施例中，电压产生电路可以包括位于第一DC输出和基极连接之间的限流电阻，以及电压调节二极管装置。
这提供了设定将被应用到基极连接的电压的简单方式。第二DC输出处的电压中的改变影响基极-发射极电压，并且从而控制晶体管切换。
在一个实施例中，调压器可以是低压差调节器，其用于为DC电压提供低于第二DC输出电压的电压。这提供了稳定的参考点，使得恒定电压(通过二极管装置)在基极连接处被维持。低压差调压器需要稳定的输入电压以维持其输出。此输入由DC-DC转换器提供，使得DC-DC转换器输出中的波动(其被本发明的系统所防止)可以另外引起调压器的压差。
调压器可以用于供给需要比第二DC输出的电压更低的电压的电路(即另外的输出负载)，所述第二DC输出供给第一输出负载。可以例如存在作为第一输出负载(例如，处于5V)的控制电路，作为另外的输出负载(例如，处于3.3V)的微处理器电路和RF电路，以及作为主电源10的输出负载的照明电路(例如处于20V)。微处理器电路例如需要稳定的供给，并且系统防止DC-DC转换器输出响应于负载浪涌而具有大波动。
在一个实施例中，二极管装置可以包括基极连接和输出端子之间的串联的两个二极管。优点是，该两个二极管的正向电压提供了用于应用到基极连接的准确的参考电压。
在本发明的第二方面，还提供了一种电路，包括：
本发明的电源系统，以及
输出负载，
其中该输出负载包括具有瞬时的爆发功率要求的负载。
该负载可以包括RF收发器电路，并且输出负载中的浪涌包括RF收发器电路的发射模式。RF收发器，特别是在发射模式中，可以具有高电流的爆发操作模式，并且这可能是输出负载浪涌的原因。在此实施例中，RF收发器导致的电流需求中的浪涌可以被解决。
在实施例中，照明系统可以被第一DC输出供电，所述照明系统包括LED驱动电路和LED照明装置，其中RF收发器电路用于接收照明命令和发送照明状态信息。
这提供了智能照明系统，其可以具有用于RF收发器电路的低成本供给电路。
在本发明的第三方面中，还提供了一种供电方法，其包括：
产生第一DC输出；
使用DC-DC功率转换器从该第一DC输出产生第二DC输出，并且向供给端子提供该第二DC输出；
响应于第二DC输出的下降，使用补偿电路向该供给端子提供功率；以及
通过低压差调节器调整供给端子处的DC电压，并且供给经调整的电压作为输出。
例如，所述下降由被供给端子供给的输出负载中的浪涌引起。
使用补偿电路优选地包括将第一DC输出切换到第二DC输出。
本发明的这些和其它方面将会从下文描述的(多个)实施例显而易见，并且将会参考下文描述的(多个)实施例对它们予以解释说明。
附图说明
现在将参考附图详细地描述本发明的示例，其中：
图1示出智能照明单元的电源装置的已知构造；
图2示出根据本发明的对图1电路的修改；
图3示出图示本发明电路的操作的时序图；以及
图4示出放大形式的图3中的迹线之一。
具体实施方式
本发明提供了一种使用DC-DC功率转换器来供给输出负载的电源系统。补偿电路连接在到DC-DC转换器的输入和DC-DC转换器的输出之间，并且其响应于由输出负载的浪涌引起的DC-DC转换器的输出处的电压降而提供补偿功率路径。这使得DC-DC功率转换器能够具有低电流能力，因为大的电流需求可以由到DC-DC转换器的DC供给所满足。
本发明提供了低成本和紧凑的电源解决方案，以高效地满足瞬时峰值电流的需求，例如来自诸如无线控制的LED光点中的RF模块的负载的瞬时峰值电流的需求。通过添加自适应电路，本发明可以基于常规的电源设计。当存在由RF模块的发射操作产生的瞬时峰值电流的需求时，电路将被触发进入活性状态并且向RF模块释放来自资源丰富的电源的足够的电流。在发射操作之后，电路则可以自动地切换回到关闭状态。
在大部分时间内，当操作电流处于正常水平(例如10-40mA)时，自适应电路保持在失活状态。只有当存在发射操作时，电路被触发进入活性状态并且从电源释放足够的电流(例如300mA)，以容许RF模块的瞬时峰值电流。
图2示出根据本发明如何可以修改图1的电路。为了简明起见，图1中的一些部件(例如光源12和驱动器24)被省略。
电源10例如提供20-30V(DC)总线作为整个光点的电源。
DC-DC转换器28包括开关模式电源，其将电压从总线电压转换为5V(DC)以用于为控制电路供电。电源还包括诸如LDO(低压差)调节器的调压器30。这进一步将电压降低至用于连接至点C的控制器14和RF模块16的3.3V(DC)。LDO调节器可以用输入和输出电压之间的小的差别并且以高效率操作。低压差或LDO调节器是DC线性调压器，即使在供给电压非常接近输出电压时其也可以调整输出电压。典型的低压差调节器包括功率FET和差分放大器(误差放大器)。差分放大器的一个输入监控输出。到差分放大器的第二输入是来自稳定的参考电压。如果输出电压相对于参考电压升高太多，那么对功率FET的驱动改变以维持恒定的输出电压。
DC-DC转换器28(开关模式电源)的电流供给能力例如在30-50mA的范围内，这对于RF模块的接收操作是足够的。当没有用于大值电容器的空间时，点B处的DC-DC转换器28的输出电压将被发射操作的峰值瞬时电流快速下拉。当电压降到低于LDO调压器的最小操作电压时，将不会有来自LDO调压器30的输出来为控制器和RF模块供电。最小操作电压是LDO调压器的输出电压(例如3.3V(DC))加上下降电压，所述下降电压是依赖于部件的。
例如，如果LDO调压器的下降电压是0.2V(DC)，那么最小操作电压是3.5V，这是用于维持控制器和RF模块的平稳操作的点B的最小电压。
本发明提供自适应电路40，以在最终的输出负载中有电流浪涌时确保到点B的电流供给。
自适应电路40具有双极型NPN晶体管42，其集电极连接到高电压DC总线，并且其发射极连接到点B。该点B可以被认为是DC-DC转换器28的输出与其连接的供给端子。在此示例中，连接到端子B的输出负载是转换器30(并且间接地，转换器30所驱动的负载)。调压器30的输出(点C)可以被认为是另外的负载(也就是控制器14和RF模块16)与其连接的输出端子。
晶体管42的基极通过限流电阻44连接到集电极。基极还通过两个串联的二极管D1和D2连接到调压器30的输出(点C)。这些二极管起到用于参考电压设置的元件的作用。电路以两种状态操作，关闭状态和其中实施功率补偿功能的打开状态。
在大部分时间内，当控制器和RF模块的操作电流处于DC-DC转换器28(开关模式电源)的电流供给能力之内时，自适应电路40维持关闭状态。在此状态中，晶体管42基极端子(即点A)的电压维持在VA，其可以通过将点C的电压(即，经调整的电压VC)与D1和D2的阈值电压相加而计算出。如果D1和D2是具有0.7V阈值电压的硅二极管，那么VA将是4.7V(即，3.3+0.7*2)。晶体管42的发射极(即点B)的电压维持在VB，其是开关电源的输出电压(即，5V)。
由于VB和VD两者都比VA高，所以晶体管42被关断，这意味着非常小的电流从点D经过晶体管42流到点B。
来自更高的DC电压总线的电流经过限流电阻44流到调压器的输出处的点C。流过电阻44的电流(IR1)的量取决于电阻44的电阻值(R1)，并且可以通过(VVbus-VA)/R1来计算。
IR1可以被调整到若干mA的水平。例如，如果要求IR1是3mA，那么R1的电阻值可以在5.1kOhm-8.4kOhm的范围中。
当晶体管打开(即，关断)时，电流流到二极管D1和D2并且最终流到控制器14和RF电路18、20。当晶体管闭合(即接通)时，电流流到晶体管的基极。
当存在发射操作时，VB被快速下拉。当VA和VB的差超过晶体管42基极-发射极节的阈值电压(即，对于硅晶体管，0.7V)时，晶体管被导通并且自适应电路40被触发进入打开状态，以将来自主要的高电压电源10(即，Vbus)的电流释放到DC-DC转换器28的输出。在此模式中，电路40起到补偿DC-DC转换器的作用，因为电流还从主电源20直接地供给到调压器30。
例如，因为VA是4.7V，所以当VB降低到4V时电路将进入此打开状态。释放的电流的量近似于因数β(典型地，大于100)乘以晶体管的基极端子电流，其比IR1稍小一点。这是针对具有电流增益β的晶体管42的线性操作模式。
如果IR1是3mA并且β是100，那么最大300mA的电流可以注入到节点B，以使得高的峰值瞬时电流能够被容许。由于晶体管的微秒量级的快速响应性质的缘故，VB通过对电容器C1充电开始快速增加。电容器C1起到开关模式电源的缓冲器的作用。在电流涌入状态，晶体管42向C1和负载两者注入电流，以将电压VB维持于某一水平。
当VA和VB之间的差变得比二极管的组合的阈值电压小时，晶体管的基极端子电流变为零，这阻止来自Vbus的电流注入到电源。由于发射操作仍然在进行(具有比晶体管42的切换更长的持续时间)，所以VB开始再次降低并且于是晶体管再次被接通以开始注入电流。由于电流注入以高频率发生，电流注入极快地发生，因此在发射操作的整个时段期间，VB基本稳定在4V。
在发射操作之后，VB增加到5V并且自适应电路切换回到关闭状态。
已经使用德州仪器(商标)部件TI CC2530和CC2590作为控制器和RF模块测试了电路的运行。测量指示：在大部分时间中平均操作电流是17.8mA。每15秒存在2毫秒的RF发射操作，并且于是平均电流是91.5mA。
注意，在图2中，点D是主电源10的输出，点E是与其它电路元件22的连接，并且点F是与LED 12和驱动器24的连接。
图3(a)和3(b)各自示出了到调压器的输入(即如上面定义的供给端子)处的电压VB，调压器的输出(即如上面定义的输出端子)处的电压VC，以及控制器和RF模块从节点C汲取的电流IC的(相对于时间的)波形。
图3(a)示出针对没有修改的图1电路的波形，并且图3(b)示出针对图2的电路的波形。
图3(a)示出在点50处调压器的输出电压中存在降低。这引起控制器重置，因此引起时间52期间的电流下降。
图3(b)示出尽管电压VB中有下降，电压VC被维持。
图4是VB波形的放大视图。当存在发射操作时，常规的电源遭遇图4(a)所示的问题。VA快速下降到低于3.5V，并且调压器停止工作，这导致控制器的重置。在控制器重置期间(其通常持续若干秒)，不存在电流消耗(即IA是零)，因此VB开始增加。负载电流的突然下降对调压器(开关模式电源)具有负面影响，导致控制器重置期间的不稳定的电压输出。
另一方面，图4(b)所示的本发明的电源解决方案能够将VC稳定于4V，以维持调压器和控制器的正常操作。
一般地，本发明可以用来实现针对包括需要瞬时峰值电流的负载并且对空间和成本有限制的系统的电源。具有嵌入的RF模块的紧凑的LED光点的示例仅仅是一个示例。
设备的许多其它示例包括无线收发器，其可能在发射操作期间高度需要瞬时峰值电流。本发明可以在这样的设备中使用，以使得能够实现可以在需要那些峰值的时间期间递送所要求的电流输出的紧凑装置。
用于提供补偿功能的开关被示出为双极型晶体管。可以使用其它开关，例如基于场效应管。最简单的版本使用单个的晶体管，但是可以使用具有多个晶体管的晶体管装置。
切换的控制被示出为使用电路中的电压水平。这提供了最简单的实施方式。替代地，可以使用电压监控电路(例如比较器电路)，于是其控制驱动电路以控制晶体管或晶体管装置。因此，存在各种其它方式来实施依赖于电压的电流注入电路。
二极管用于提供固定的电压差。可以使用其它的固定电压电路元件，诸如二极管连接的晶体管、齐纳二极管，或者诸如并联调压器的电压参考设备。
电源可以是任何合适类型的电源，诸如降压转换器、降压-升压转换器、升压转换器或充电泵。可以使用任何合适的线性调节器。
本领域技术人员在实践所要求保护的本发明时，通过研究附图、公开内容和所附权利要求，可以理解和实现对所公开实施例的其它变型。权利要求中，词语“包括”不排除其它元件或步骤，并且不定冠词“一”或“一个”不排除多个。在互不相同的从属权利要求中记载某些措施的纯粹事实并不表示不能有利地使用这些措施的组合。权利要求中的任何附图标记不应当被解释成限制范围。

Claims (10)

1.一种电源系统，包括：
DC电源（10），其用于产生第一DC输出（D）；
DC-DC功率转换器（28），其用于从所述第一DC输出产生第二DC输出，并且向所述电源系统的供给端子（B）提供所述第二DC输出以供给输出负载；以及
连接在所述第一DC输出和所述供给端子（B）之间的补偿电路（40），所述补偿电路（40）被适配成响应于所述第二DC输出中的电压降从所述第一DC输出向所述供给端子（B）提供功率，
其中所述电源系统还包括作为所述输出负载的低压差调节器（30），所述低压差调节器（30）具有连接到所述供给端子（B）的输入，以及连接到用于连接另外的输出负载的输出端子（C）的输出，
其中所述补偿电路（40）包括：
位于所述第一DC输出和所述供给端子（B）之间的开关（42），以及
用于控制所述开关的操作的控制电路，
所述开关包括具有基极连接和发射极连接的晶体管装置（42），所述基极连接和发射极连接一起控制所述晶体管的开关状态，并且所述发射极连接连接到所述供给端子（B），
所述控制电路包括电压产生电路（44、D1、D2），其产生用于应用到所述基极连接的电压，所述电压产生电路包括位于所述基极连接和输出端子（C）之间的电压调节二极管装置（D1、D2），所述二极管装置包括位于所述基极连接和所述输出端子（C）之间的串联的两个二极管（D1、D2）。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述电压降由输出负载中的浪涌引起，所述输出负载由所述供给端子供给，所述第一DC输出处于比所述第二DC输出的电压范围更高的电压范围中，并且其中所述DC电源包括AC-DC转换器（10）。
3.根据权利要求1所述的系统，其中所述电压产生电路进一步包括所述第一DC输出和所述基极连接之间的限流电阻（44）。
4. 一种电路，包括：
根据前述权利要求中任一项所述的电源系统；以及
输出负载（16），
其中所述输出负载（16）包括具有瞬时的爆发功率要求的负载。
5.根据权利要求4所述的电路，其中所述负载包括RF收发器电路（18），并且所述输出负载中的浪涌包括所述RF收发器电路的发射模式。
6.根据权利要求5所述的电路，进一步包括由所述第一DC输出（D）供电的照明系统，所述照明系统包括LED驱动电路（24）和LED照明装置（12），其中所述RF收发器电路（18）用于接收照明命令和发送照明状态信息。
7.一种供电方法，包括：
产生第一DC输出（D）；
使用DC-DC功率转换器（28）从所述第一DC输出产生第二DC输出，并且向供给端子（B）提供所述第二DC输出；
响应于所述第二DC输出中的下降，使用补偿电路（40）向所述供给端子提供功率；以及
通过低压差调节器调整所述供给端子（B）处的DC电压，并且供给经调整的电压作为输出端子（C）；其中
所述使用补偿电路（40）提供功率的步骤包括：
提供具有集电极连接、发射极连接和基极连接的晶体管装置（42），所述集电极连接连接到所述第一DC输出（D），所述发射极连接连接到所述供给端子（B），其中所述基极连接和所述发射极连接一起控制所述晶体管的开关状态；
通过位于所述基极连接和所述输出端子（C）之间的二极管装置（D1、D2）产生用于应用到所述基极连接的电压，所述二极管装置包括位于所述基极连接和所述输出端子（C）之间的串联的两个二极管（D1、D2）。
8.根据权利要求7所述的方法，其中所述下降由被供给端子（B）供给的输出负载中的浪涌引起，并且所述使用补偿电路包括将所述第一DC输出切换到所述供给端子。
9.根据权利要求7或8所述的方法，包括供给输出负载，所述输出负载包括使用所述供给端子的RF收发器电路（18）。
10.根据权利要求9所述的方法，进一步包括使用第一DC输出为照明系统供电，其中所述RF收发器电路用于接收照明命令和发送照明状态信息。
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