CN107925349A - 用于断续导电模式的pfc模块 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种智能PFC模块，其具有有源时钟PFC电路和控制单元，该控制单元以断续导电模式控制该有源时钟PFC电路。本发明还涉及一种具有这种智能PFC模块和用于操作LED段的至少一个变换器级的系统、具有这种PFC模块的照明装置、以及用于操作这种PFC模块和系统的系统和方法。

Description

用于断续导电模式的PFC模块
技术领域
本发明涉及PFC模块，该PFC模块具有有源时钟PFC电路和控制单元，该控制单元以断续导电模式(Discontinous conduction mode)控制该有源时钟PFC电路，还涉及具有这种智能PFC模块和用于操作例如LED段的至少一个变换器级的系统、具有这种PFC模块的照明装置以及用于操作这种PFC模块和系统的系统和方法。
背景技术
从现有技术中已知具有至少一个有源时钟开关的有源时钟PFC电路(功率因数修正电路)和通过控制单元来控制或调整这种PFC电路。
这样的电路在用于灯具(例如具有一个或更多个LED的LED段)的操作装置中用于将供应的直流电压(DC电压)或交流电压(AC电压)转换至一定电压水平。同时，有源时钟PFC电路被用来当AC电压(例如电网交流电压)被供给PFC电路时以近似为1的功率因数(PowerFactor)呈现给用户。
为了做到这一点，有源时钟PFC电路且尤其是有源时钟PFC电路的至少一个开关如此通过控制单元被控制或调整，即，所耗电流就像AC电压那样具有正弦时间曲线。由此可以减小供电网中的谐波电流，该谐波电流在PFC电路所耗用的电流的非正弦时间曲线情况下将会出现。就是说，控制单元控制或时钟控制所述有源时钟PFC电路的至少一个开关，从而使PFC电路所耗用的电流适应于正弦包络曲线，以便电流呈现与提供给PFC电路的AC电压的正弦时间曲线相对应的正弦时间曲线。
存在各种不同的已知操作模式，控制单元可以以这些操作模式来操作PFC电路，例如非断续电流模式或非断续导电模式(CCM)、断续电流模式或断续导电模式(DCM)以及临界模式(Borderline Mode)。
临界模式的特点是，当流过有源时钟PFC电路的线圈的电流降到零安培(0A)时，有源时钟PFC电路的至少一个开关被接通。这有以下缺点，必须测量流经线圈的电流的过零并将其提供给控制单元。与此不同，在断续导电模式下，以固定频率控制所述至少一个开关，即在固定周期或时间段之后接通所述至少一个开关，其中，在每个开关周期中存在无电流流经线圈的无用时间。
关于有源时钟PFC电路和利用这种电路的功率因数修正的现有技术例如可以从以下出版物中得到：
-美国专利5,777,866，
-美国专利申请US2009/0141524A1，以及
-国际专利申请WO2011/009717A2和WO2007/121944A2。
PFC电路在用于灯具(例如LED)的操作装置中通常只形成第一变换器级。因此，通常将PFC电路与用于操作灯具的至少一个另外的变换器级相连接，其利用PFC电路的输出电压VBUS进行供电。所述至少一个变换器级于是是恒定电流源或恒定电压源，其在LED负载的情况下产生用于操作LED负载的相应的LED电流或相应的电压。所述至少一个变换器级可以是有源时钟电流源或线性电流源，其由自身的控制单元进行控制。
为了保证适应于变化的输入电压条件或负载条件地操作PFC电路和至少一个变换器级，控制单元必须使这两个电路相互协调。
现在，本发明的任务是提供一种智能PFC模块，该智能PFC模块具有有源时钟PFC电路以及作为控制单元的集成电路，其中该有源时钟PFC电路通过该集成电路以断续导电模式进行操作或控制。另外，本发明的任务是提供一种系统，该系统具有这样的智能PFC模块和连接于PFC模块的PFC电路的用于操作具有一个或更多个LED的LED段的至少一个另外的变换器级，其中，所述至少一个变换器级也通过该PFC模块的集成电路或集成控制电路进行控制。
根据本发明，所述任务通过独立权利要求的特征来完成。从属权利要求以特别有利的方式改进本发明的中心构思。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供一种PFC模块，其具有：
-具有至少一个受控开关的有源时钟PFC电路，和
-作为控制单元的集成电路(优选微控制器)，其按断续导电模式以固定操作频率控制该有源时钟PFC电路的至少一个开关，其中该集成控制电路根据有源时钟PFC电路的输入电压的幅度来调整所述至少一个开关的接通时间(tON)，并且针对输入电压的半波内的至少两个连续的开关周期使该接通时间(tON)保持恒定。
此外，根据本发明，所述集成电路可以根据有源时钟PFC电路的输出电压来调整所述至少一个开关的接通时间(tON)，使得该PFC电路的输出电压的实际值与额定值相对应。
此外，根据本发明，所述集成控制电路可以具有至少一个输入引脚，其中该集成控制电路可以通过所述至少一个输入引脚来检测所述PFC电路的输入电压和输出电压。
此外，根据本发明，所述集成控制电路可以具有至少两个输入引脚，其中该集成控制电路可以通过所述至少两个输入引脚中的第一输入引脚检测PFC电路的输入电压，并且通过所述至少两个输入引脚中的第二输入引脚检测PFC电路的输出电压。
此外，根据本发明，可以直接或间接地将具有包括一个或更多个LED的LED段的负载电路连接至所述有源时钟PFC电路，其中所述集成电路可以适应用于基于负载电路的至少一个反馈变量来控制所述有源时钟PFC电路和/或所述负载电路。
另外，根据本发明，所述集成电路可以适应用于以低于PFC电路输入电压的半波频率的频率改变PFC电路的操作频率，以适应于改变的输入电压条件和/或负载条件。
此外，根据本发明，所述有源时钟PFC电路的输入电压可以是经整流的交流电压(优选是网络电压)。
上述的这些可选特征可以根据本发明任意组合，以便得到根据本发明的PFC模块。
根据本发明的第二方面，提供一种系统，该系统具有PFC模块(优选是如上所述的根据本发明的PFC模块)，该PFC模块具有包括至少一个第一开关的有源时钟PFC电路和集成电路(优选是微控制器)。根据本发明的系统还包括至少一个变换器级，所述至少一个变换器级具有用于操作包括一个或更多个LED的LED段的至少一个第二开关，其中，所述至少一个变换器级被直接或间接连接至所述PFC电路。在根据本发明的系统中，所述集成电路以断续导电模式控制所述有源时钟PFC电路的至少一个第一开关，其中所述集成电路根据输入电压条件和/或负载条件控制所述有源时钟PFC电路和所述至少一个变换器级，并且所述集成电路控制所述至少一个变换器级的所述至少一个第二开关以调节通过所述LED段输出的光功率。
此外，在根据本发明的系统中，所述集成控制电路可以控制所述至少一个变换器级的时钟电元件组和/或非时钟电元件组。
此外，在根据本发明的系统中，所述至少一个变换器级可以是用于操作LED段的时钟电流源或者用于操作LED段的非时钟电流源。
此外，在根据本发明的系统中，所述集成控制电路可以检测来自所述至少一个变换器级的至少一个第一反馈变量和/或来自可由所述至少一个变换器级操作的LED段的至少一个第二反馈变量。
另外，在根据本发明的系统中，所述集成控制电路可以根据有源时钟PFC电路的输入电压、所述至少一个第一反馈变量和/或所述至少一个第二反馈变量来控制所述有源时钟PFC电路(优选有源时钟PFC电路的操作频率)和所述至少一个变换器级。
另外，在根据本发明的系统中，所述有源时钟PFC电路的输出电压可以对应于所述至少一个变换器级的输入电压，其中所述集成控制电路可以根据所述有源时钟PFC电路的输入电压、所述至少一个第一反馈变量和/或所述至少一个第二反馈变量来控制所述有源时钟PFC电路的输出电压。
另外，在根据本发明的系统中，所述集成控制电路可根据所述有源时钟PFC电路的输入电压、所述至少一个第一反馈变量和/或所述至少一个第二反馈变量以低于所述有源时钟PFC电路的输入电压半波频率的频率来改变该PFC电路的操作频率。
上述的可选特征可以根据本发明任意组合以得到根据本发明的系统。
根据本发明的第三方面，提供一种照明装置，该照明装置具有如上所述的根据本发明的PFC模块和具有至少一个LED的LED段，其中所述PFC模块设计用于操作所述LED段。
根据本发明的第四方面，提供一种系统，该系统具有如上所述的根据本发明的系统和具有至少一个LED的LED段，其中所述系统设计用于操作所述LED段。
根据本发明的第五方面，提供一种用于操作PFC模块的方法，其中，所述PFC模块包括具有至少一个受控开关的有源时钟PFC电路和作为控制单元的集成电路(优选是微控制器)。根据本发明的方法，所述集成电路以固定的操作频率按断续导电模式控制所述有源时钟PFC电路的至少一个开关，其中所述集成控制电路根据有源时钟PFC电路的输入电压的幅度来调节所述至少一个开关的接通时间(tON)，并且针对输入电压的半波内的至少两个连续的开关周期使接通时间(tON)保持恒定。
根据本发明的第六方面，提供一种用于操作系统的方法，其中所述系统包括
-PFC模块(优选如上所述根据本发明的PFC模块)，所述PFC模块具有包括至少一个第一开关的有源时钟PFC电路和集成电路(优选是微控制器)，以及
-至少一个变换器级，所述至少一个变换器级具有用于操作包括一个或更多个LED的LED段的至少一个第二开关。
所述至少一个变换器级直接或间接连接到所述PFC电路。根据本发明的方法，所述集成电路以断续导电模式控制有源时钟PFC电路的至少一个第一开关，其中所述集成电路根据输入电压条件和/或负载条件控制所述有源时钟PFC电路和所述至少一个变换器级，并且所述集成电路控制所述至少一个变换器级的至少一个第二开关以调节通过LED段输出的光功率。
附图说明
现在将参照附图来详细描述本发明的其它优点、特征和性能。
图1在此示意性地示出了根据本发明的系统的优选实施例，其中该系统包括根据本发明的具有有源时钟PFC电路和集成控制电路的PFC模块以及用于操作LED段的至少一个变换器级。
图2示意性地示出了根据本发明的PFC模块的第一优选实施例。
图3示意性地示出了根据本发明的PFC模块的第二优选实施例。
图4示意性地示出了通过根据本发明的PFC模块的集成控制电路产生的用于按断续导电模式以固定频率控制或时钟控制根据本发明的PFC模块的PFC电路的至少一个开关的时钟信号(下曲线)以及根据现有技术的用于按断续导电模式以固定频率控制PFC电路的开关的时钟信号(上曲线)。
图5示意性地示出了当根据本发明(下曲线)或根据现有技术(上曲线)按断续导电模式以固定频率操作PFC电路时，根据本发明的PFC模块的PFC电路所耗用的电流适应于正弦包络曲线。
图6示意性地示出了根据本发明的系统的至少一个变换器级的优选实施例。
具体实施方式
图1示意性地示出了根据本发明的系统101的优选实施例。系统101包括PFC模块102和用于操作LED段106的至少一个变换器级105。根据图1，LED段106不是系统101的组成部分。但是，根据本发明，LED段106也可以是系统101的组成部分。
系统101也可以对应于用于操作LED段106的操作装置。此外，PFC模块102可以与LED段106一起或者系统101可以与LED段106一起形成照明装置。
PFC模块102包括有源时钟PFC电路104和作为用于该有源时钟PFC电路104的控制电路的集成电路103。
集成电路103可以是各本领域技术人员已知的集成电路或控制电路，其可以被用于控制或操作有源时钟PFC电路。根据本发明，集成电路103优选是微控制器。
有源时钟PFC电路104具有至少一个开关并且例如可以是增压PFC电路(即具有增压转换器的PFC电路)，或者是降压PFC电路(即具有降压转换器的PFC电路)。但根据本发明，PFC电路104可以是各技术人员已知的有源时钟PFC电路。
根据图1，作为输入电压VIN向PFC电路104提供经整流的交流电压，优选经整流的网络电压/电网交流电压。交流电压可以被滤波或平滑。但根据本发明，PFC电路也可以被提供直流电压。因此，有源时钟PFC电路的输入电压VIN对应于经整流的且优选经滤波的交流电压，例如网络电压或直流电压。
根据本发明，对供给PFC电路104的电压的整流和滤波可以通过本领域技术人员已知的任何方式实现，以便得到输入电压VIN。例如整流可以借助由四个二极管构成的桥整流电路实现，滤波可以借助EMI滤波器或低通滤波器实现。
根据图1，用于整流和滤波的元件不是系统101的组成部分。但根据本发明，用于整流和滤波的元件也可以是系统101、PFC模块102和/或PFC电路104的组成部分。除了在系统101外的可能的滤波之外，可以提供用于在PFC模块102内和/或在PFC电路104内滤波的其它元件。
PFC电路104的输出电压VBUS优选对应于直流电压，其根据将什么用于有源时钟PFC电路104而具有相比输入电压VIN更高或更低的电压水平。尤其是，通过PFC电路104的至少一个开关的时钟控制来调节输出电压VBUS。
根据本发明，集成电路103在不变的边界条件(例如输入电压、负载等)下按断续导电模式以固定的频率或操作频率控制或操作有源时钟PFC电路104。即，集成电路按断续导电模式在固定的操作频率下时钟控制或操作有源时钟PFC电路104的至少一个开关。
为此，由集成控制电路103向PFC电路104提供信号或时钟信号108，用于时钟控制PFC电路104的至少一个开关。
该信号108在集成电路103中基于输入电压VIN以及优选输出电压VBUS来确定或计算。用于时钟控制PFC电路104的至少一个开关的信号108的确定可以通过本领域技术人员已知的任何方式实现。
为此，向集成电路103提供表示PFC电路104的输入电压VIN的反馈变量或信号107以及表示PFC电路104的输出电压VBUS的反馈变量或信号110。
输入电压VIN和输出电压VBUS的测量或相应的反馈变量107、110的产生以及将反馈变量107、110提供给集成电路103可以根据本发明通过本领域技术人员已知的任何方式实现。所述测量或产生可以在PFC电路104外进行，也可以在PFC电路104内进行。
另外，根据本发明，输入电压VIN和输出电压VBUS可以借助单独的反馈变量被提供给集成电路103。可选地，还可以向集成电路103提供至少一个另外的反馈变量109。例如所述至少一个另外的反馈变量109可以表示流过PFC电路104的至少一个开关的电流，以便可以检测过载电流。
根据图1，系统101具有一个变换器级105，其被提供来自PFC电路104的输出电压VBUS，其中所述变换器级产生用于操作LED段106的电流或LED电流ILED。但根据本发明，系统101也可以具有多于一个的变换器级，并且变换器级105可以直接或间接地(即通过至少一个另外的变换器级)接收PFC模块102的PFC电路104的输出电压VBUS并直接或间接地将LED电流ILED提供给LED段106。
根据本发明，系统101的至少一个变换器级105是电流源。变换器级105可以是时钟或非时钟电流源。此外，变换器级105不仅可以具有时钟组件，也可以具有非时钟组件。
例如，所述至少一个变换器级105可以是初级时钟变换器或转换器(例如降压变换器或升压变换器)，或者是次级时钟变换器或转换器(例如逆向变换器、前向转换器或谐振转换器)。
但是，所述至少一个变换器级105也可以是线性电流源，例如利用多个开关(优选晶体管)或集成电路实现的线性控制器。根据本发明，系统101的所述至少一个变换器级105可以是本领域技术人员已知的任何电路，其可以由PFC电路104的输出电压VBUS产生用于操作LED段106的LED电流。
另外，根据本发明，变换器级105具有至少一个开关或调节元件，其位置影响LED电流ILED或用于操作LED段106的电能。
如图1所示，根据本发明，变换器级105通过PFC模块103的集成控制电路103被控制或操作。即，集成电路103控制变换器级105的所述至少一个开关，以便调节LED电流或应用以操作LED段的电能。集成电路103优选可以用于调节和/或控制变换器级105内的时钟组件和非时钟组件。
因此，集成电路103向变换器级105提供至少一个信号111，以便调节或控制电流ILED或要提供给LED段106的电能。为此，根据本发明，来自变换器级105的至少一个反馈变量或信号112和/或来自LED段106的至少一个反馈变量或信号113被提供给集成电路103。所述反馈变量112和113呈现关于变换器级105和负载(即LED段106)的信息。
例如所述至少一个反馈变量112和所述至少一个反馈变量113表示LED电流、LED电压、LED段106的温度、由LED段106发出的光功率、由变换器级105耗用的电能/功率、由LED段106耗用的电能/功率等。
根据本发明，所述至少一个反馈变量112和所述至少一个反馈变量113可以是任何反馈变量，该反馈变量可以被集成电路103用于借助对所述PFC电路104和/或所述至少一个变换器级105的控制或调整来调节被供给LED段106的电能/功率。
所述至少一个反馈变量112和113可以通过本领域技术人员已知的任何方式被测量或产生并提供给集成电路103。
根据本发明，集成电路103也可以从系统101(从外面)外被供给信号、信息或指令114。例如用于操作LED段106的调光指令或信息可以从外面被提供给集成电路103，或者可以将用于PFC电路104的输出电压VBUS的额定值从外面提供给集成电路103。
集成控制电路103也可以向系统101外提供关于PFC电路104、所述至少一个变换器级105和LED段106的信息。即，集成电路103具有双向通信接口，借此不仅可以将信息从外(系统101外)通信至集成电路103，也可从集成电路103对外通信。这种通信可以通过本领域技术人员已知的任何方式进行，例如根据DALI标准。
根据本发明，可以在系统101、PFC模块102、集成电路103、PFC电路104、所述至少一个变换器级105和LED段106中设置存储器，以便存储由PFC电路104、所述至少一个变换器级105、LED段106提供的信息，诸如反馈变量107、109、110、112和113。此外，也可以将从系统101外提供给集成电路103的信息(例如用于LED段调光的调光信息或者用于输出电压VBUS的额定值)存储在该存储器内。也可以在存储器内存储关于PFC电路104和变换器级105的控制或调整的其它信息，例如调光设定值或在集成电路中确定的或算出的参数。这样的参数例如可以是PFC电路104的至少一个开关的或变换器级105的至少一个关的接通时间tON。
然后集成电路为了控制或操作PFC电路104和/或变换器级105不仅能够将信息存储/写入存储器中，也可以从存储器加载/读取信息。
LED段106具有一个或更多个可以并联和/或串联布置的LED。根据本发明，本领域技术人员已知的任何LED都可以通过本领域技术人员已知的任何方式布置在LED段106中。LED段106的所述一个或更多个LED的所确定的光功率按照已知的方式取决于被提供给LED段106的LED电流或电能。因此，集成电路103可以通过控制PFC电路104和/或所述至少一个变换器级105来调节通过LED段106发出的光功率。
根据本发明，控制有源时钟PFC电路104的所述至少一个开关的集成电路103也可以获得来自LED段106区域的反馈变量并且据此调节或调整时钟控制的或非时钟控制的另一个变换器级105。
因此，当集成控制电路103除了PFC电路104外也调节或控制所述至少一个变换器级105时，所述至少一个变换器级105的当前状态已知，由此可以实现在PFC电路104区域内的快速负载适应调整。即，集成电路103可以为了控制PFC电路104而采用来自变换器级105和LED段106的反馈变量112和113。
图2示意性地示出了根据本发明的PFC模块的第一优选实施例，其中，之前关于图1的说明也适用于图2的PFC模块202。因此，以下主要讨论根据本发明的PFC模块202的新的方面。用于图2的元件的附图标记的后两位数字对应于图1的相应元件的附图标记的后两位数字。
在图2中，有源时钟PFC电路204对应于增压PFC电路。但如已经描述的，PFC电路204根据本发明可以是本领域技术人员已知的任何有源时钟PFC电路。线圈L1在开关S1闭合时被充电，并在开关S1打开时又放电。通过线圈L1的充电和放电，在每个开关周期中，电容C2通过二极管D1被充电，并且通过集成电路203对应于输出电压VBUS来调节对开关S1的时钟控制。开关S1优选是晶体管，例如MOSFET。
根据图2，PFC电路204的输入电压VIN通过由电阻R1和R2构成的分压器被测量并且作为反馈变量或信号207被提供给集成控制电路203。在闭合状态下流过开关S1的电流IS1通过电阻或并联电阻R3来测量并且作为反馈变量或信号209被提供给集成电路203。PFC电路204的输出电压VBUS通过由电阻R4和R5构成的分压器被测量并且作为反馈变量或信号210被提供给集成控制电路203。
如前所述，反馈变量207、209和210也可以通过本领域技术人员已知的任何方式来测量或产生。即，PFC电路202可以具有本领域技术人员已知的用于测量和产生反馈变量207、209和210的任何装置。此外，也还可以将来自PFC电路204的其它反馈变量提供给集成电路203。
根据本发明，集成电路203以断续导电模式在固定的操作频率下操作PFC电路204。为此，集成电路203向PFC电路204提供用于时钟控制开关S1的时钟信号208。通过调节开关S1的接通时间tON，可以调节线圈L1的充电时间(即线圈L1在此期间被充电的时间)。因此，通过调节开关S1的接通时间tON，可以调节从PFC电路204的输入到输出传递的电能。
开关S1的接通时间tON和断开时间tOFF按照已知方式共同对应于时钟信号的周期T或者说对应于用以通过集成电路203时钟控制或操作PFC电路204的开关S1的操作频率f的倒数(1/f＝T＝tON+tOFF)。因为根据本发明，开关S1以断续导电模式在固定的操作频率下被操作，所以开关的断开时间tOFF在接通时间tON改变时改变。在开关S1的接通时间tON(开关S1闭合/导通状态)期间有电流流过线圈L1和开关S1，其中线圈L1被充电。在开关S1断开时间tOFF(开关S1打开/非导通状态)期间有电流从线圈L1流过二极管D1，其中线圈L1放电并且电容C2充电。
断续导电模式的特征在于，在断开时间tOFF期间有无用时间tTOT，在该无用时间tTOT期间没有电流流过线圈L1，即没有充电电流或放电电流。
集成电路203基于表示PFC电路204的输入电压VIN的反馈变量207和表示PFC电路204的输出电压VBUS的反馈变量210以断续导电模式在固定频率下控制或调整开关S1，使得PFC电路204所耗用的电流适应于正弦包络曲线并且调节出一定的(例如对应于额定值的)输出电压VBUS。
通过调节接通时间tON，集成控制电路203可以在每个开关周期中使所耗用的电流适应于正弦包络曲线以获得近似为1的功率因数并且对PFC电路204的输出端所提供的输出电压VBUS进行调节。因此，也可以由此调节PFC电路204的输出端提供的电能。
根据图2，集成电路203具有至少两个输入引脚，以将输入电压VIN和输出电压VBUS作为反馈变量提供给集成控制电路。
但根据本发明，集成电路203也可以只有一个输入引脚用于将表示输入电压VIN和输出电压VBUS的反馈变量提供给集成控制电路。这如图3所示。
之前关于图1和图2的说明也适用于根据图3的PFC模块。用于图3的元件的附图标记的后两位数字对应于图1和图2的相应元件的附图标记的后两位数字。
根据图3的PFC模块302与根据图2的PFC模块202的区别在于，输入电压VIN、在开关S1的闭合状态期间流过开关S1的电流IS1以及输出电压VBUS借助来自PFC电路304的单独的反馈变量或信号315被提供给集成电路303。
为此，由电阻R4和R5构成的分压器与开关S1并联地布置在二极管D1前方。现在不再需要根据图2的由电阻R1和R2构成的用于检测输入电压VIN的分压器。这是有利的，因为由此可以节约元件。
根据本发明，输入电压VIN和输出电压VBUS可以通过本领域技术人员已知的任何方式被如此检测，即，将表示这两个电压的单独的反馈变量315从PFC电路304提供给集成电路303。也就是说，在开关S1的开关周期中的一个时刻，反馈变量115表示输入电压VIN，在开关S1的开关周期中的另一个时刻，该反馈变量115表示输出电压VBUS。
图4示意性地示出了通过根据本发明的PFC模块的集成控制电路产生的时钟信号(下曲线)，该时钟信号用于以断续导电模式在固定频率下控制或时钟控制根据本发明的PFC模块的PFC电路的所述至少一个开关；以及根据现有技术的以断续导电模式在固定频率下控制PFC电路的开关的时钟信号(上曲线)。
根据现有技术，在PFC电路的所述至少一个开关S1的每个开关周期中，根据输入电压VIN的当前状态计算接通时间tON以使PFC电路所耗用的电流适应于正弦输入电压VIN的当前幅度。即基于“逐周期(cycle-by-cycle)”计算接通时间tON。
根据本发明，集成控制电路也根据输入电压VIN的幅度来计算或确定接通时间tON，但其中，集成控制电路针对输入电压VIN的半波内的至少两个连续的开关周期使接通时间tON保持恒定。即根据本发明，集成电路仅针对输入电压VIN的半波内的每隔一个的开关周期来调节接通时间tON。
根据本发明，接通时间tON也可以针对输入电压VIN的半波内的超过两个的连续的开关周期、优选最多15个开关周期、更优选最多10个开关周期被保持恒定，使得还能保证充分良好的功率因数。
因此，通过集成电路/控制电路对接通时间tON进行的以适应于输入电压VIN的当前半波幅度的调节并非在每个开关周期中实现，而是在每第n个开关周期中实现，其中，n可以大于等于2(n≥2)，并且优选不大于15(n<15)。因此得到以下“圆盘”，其具有至少两个或更多个开关周期或接通周期，其中，在该圆盘期间，PFC开关S1的接通持续时间tON不变。也就是说，出现具有恒定的接通持续时间tON的开关周期或接通周期的包，即，根据本发明，集成电路在输入电压VIN的半波内没有逐周期地调节接通时间tON，而是以打包方式进行调节。
可在图4中看到在输入电压VIN半波内的接通时间tON调节的差异。上曲线表示现有技术：在输入电压VIN的半波内的每个时钟信号(即每个开关周期)中，接通时间tON被调节或者说适应于输入电压VIN的当前幅度。输入电压VIN的幅度越大，接通时间tON被调节得越大。也就是说，在输入电压半波内，接通时间tON首先在每个接通周期中被增大至达到了输入电压半波的最大幅度。接着，接通时间tON在每个开关周期中又被减小。
图4的下曲线示出了根据本发明通过集成控制电路调节接通时间tON：在输入电压VIN半波内的每隔一个的开关周期或时钟周期中(第1、第3.、第n和第n+2个开关周期)，接通时间tON根据输入电压VIN的幅度被调节。即，接通时间tON根据本发明针对至少两个连续的开关周期(例如第1和第2、第3和第4、第n和第n+1个，等)被保持恒定。
如前所述，根据本发明，接通时间tON可以通过集成电路在每第n个开关周期中被调节，或者说针对n个连续的开关周期/时钟周期被保持恒定，其中，n可以大于等于2(n≥2)且优选不大于15(n<15)。
此外根据本发明，集成电路也可以根据PFC电路的输出电压VBUS来调节该PFC电路的开关S1的接通时间tON，以使得输出电压VBUS的实际值对应于额定值。
根据本发明对接通时间tON的调节的优点在于，作为用于操作PFC电路的集成电路可以采用微控制器，优选采用低成本的简单的微控制器。
图5示意性地示出了当PFC电路按断续导电模式以固定的频率根据本发明(下曲线)或根据现有技术(上曲线)被操作时使根据本发明的PFC模块的PFC电路所耗用的电流适应于正弦包络曲线或正弦包络曲线的半波。图5的上曲线表示在利用根据图4的上曲线的时钟信号来时钟控制PFC电路的开关S1时使PFC电路所耗用的电流适应于正弦包络线。下曲线相应地表示在利用根据图4的下曲线的时钟信号来时钟控制PFC电路的开关S1时使PFC电路所耗用的电流适应于正弦包络线。
在图5的两条曲线中示出了正弦包络曲线与流过线圈L1的电流或PFC电路的线圈电流之间的关系，其中，三角形信号的或三角形波形的升沿对应于流过线圈L1的充电电流，并且降沿相应地对应于流过线圈L1的放电电流。两个图仅示意性地示出了PFC电路所耗用的电流或线圈电流适应于正弦包络曲线，因为PFC电路的至少一个开关S1以比PFC电路的输入电压VIN的频率或正弦包络曲线的频率高许多的操作频率被操作，因此实际上在正弦包络曲线的半波内存在比如图5所示的数量多得多的三角形波形。
此外，可以在图5的两条曲线中看出，在每个开关周期中有一时间或无用时间tTOT，在该时间的期间内没有电流流过PFC电路的线圈。这表征PFC电路以断续导电方式被操作。
在上曲线中可以看出，因为PFC电路的开关S1的接通时间tON在每个开关周期或时钟周期中适应于输入电压VIN的幅度，所以在每个开关周期中的电流最大值适应于正弦包络曲线的半波。
在下曲线中可以看出，因为PFC电路的开关S1的接通时间tON根据本发明在每隔一个的开关周期中适应于输入电压VIN的幅度，所以电流最大值只在每隔一个的开关周期中适应于正弦包络曲线的半波。也就是说，存在其中电流的最大值小于包络曲线的开关周期，并且也存在其中电流的最大值大于包络曲线的开关周期。
根据本发明，可以如上所述地在每第n个开关周期中调节接通时间tON，或者说针对n个连续的时钟周期保持接通时间tON恒定，其中，n可以大于等于2(n≧2)且优选不大于15(n<15)。
这意味着，在根据本发明的下曲线中，n个连续的开关周期或者说n个连续的三角形波形可以具有近似相等的最大电流。
因为输入电压VIN在变化，所以当接通时间tON只在每第n个开关周期中被调节或者说针对n个连续的时钟周期保持恒定时最大电流或峰值电流也变化。
但最大电流或峰值电流原则上受到接通时间tON调整的影响，即当PFC电路的开关S1的接通时间tON在一个开关周期中(例如在每第n个开关周期中)适应于输入电压VIN的幅度时，则在该开关周期中的电流的最大值或峰值电流适应于正弦包络曲线的半波。因此原则上，电流的最大值或峰值电流在一个开关周期中通过在该开关周期中的开关接通时间tON来确定，其中输入电压VIN的变化也对峰值电流有一定影响。
因此，当接通时间tON只在每第n个开关周期中被调节或针对n个连续的时钟周期被保持恒定时，峰值电流在n个连续的开关周期或者说n个连续的三角形波形中因为变化的输入电压VIN而变化(但受到接通时间tON的调整的影响)。
因此根据本发明，n个连续的开关周期或者说n个连续的三角形波形可以具有近似相等的最大电流或峰值。
因此，在n个连续的开关周期中最大电流或峰值电流还是因为变化的输入电压VIN而变化，其中，峰值电流原则上通过PFC电路开关的接通时间tON的调整被影响或调节。
尽管在n个连续的开关周期中接通时间tON恒定的情况下针对n-1个开关周期的电流未正好对应于正弦包络曲线，也可以获得足够良好的功率因数。
图6示意性地示出了根据本发明的系统的至少一个变换器级的优选实施例，其中，之前关于图1至图5的说明也适用于图6的系统以及变换器级605。因此，以下主要讨论根据本发明的系统和变换器级605的新的方面。用于图6的元件的附图标记的后两位数字对应于图1至图3的相应元件的附图标记的后两位数字。
在图6中，变换器级605对应于可逆变换器。但如前所述，变换器级605根据本发明可以是技术人员所知的能够提供用于操作LED段606的LED电流或电能的任何时钟变换器级或非时钟变换器级，例如初级或次级时钟转换器/变换器或线性电流源。
根据本发明，集成电路/控制电路603控制或操作PFC电路604以及变换器级605。根据图6，集成电路603向变换器级605的开关S2提供信号或时钟信号611。开关S2优选是晶体管，例如MOSFET。
通过调节开关S2的接通时间tON(即开关S2被接通的持续时间)，集成电路603可以调节变换器级605的功率消耗并进而调节LED电流ILED或被提供给LED段606的电能。但另选地，集成电路603也可以代替开关S2的接通时间tON调节其占空比(即时钟信号611的周期T与接通时间tON之间的比例)或者其操作频率。
信号或时钟信号611可以根据本发明通过集成电路603基于来自变换器级605的至少一个反馈变量612和/或来自LED段606的至少一个反馈变量613来确定或计算。
根据图6，通过带有初级线圈L4和次级线圈L5以及电阻R6的测量变压器来测量LED电流，并且作为来自变换器级605的反馈变量或信号612被提供给集成电路603。此外，通过电阻R7(优选并联电阻)LED电流被测量并且作为来自LED段606的反馈变量或信号613被提供给集成电路603。可选地，可以采用光电耦合器或本领域技术人员知道的任何其它电流隔绝元件616来将来自LED段606的反馈变量613反馈至集成电路603。
如前所述，根据本发明，变换器级605和LED段606中的各种不同的物理变量或参数被检测并且按照技术人员所知的任何方式作为反馈变量被提供给集成电路603，用于确定或计算时钟信号611。为此，变换器级605和LED段606可以具有本领域技术人员已知的用于获得物理变量或参数的任何元件。例如LED段可以具有用于检测由LED段606的一个或更多个LED发出的光功率的装置或传感器，其中，传感器检测光功率并且表示光功率的反馈变量或信号613被供给集成电路603。
此外，根据本发明，反馈变量612和613可以被集成电路603用来控制或操作PFC电路604。由此，PFC电路的操作可以适应于变化的负载条件，例如LED段的调光。因此，PFC电路所耗用的电能/功率和由PFC电路的输出端提供的输出电压VBUS或电能可以适应于变化的负载条件。变化的负载条件可以是所有技术人员已知的条件，例如LED段606的一个或更多个LED的调光、LED段606的应急照明操作、LED段606变化地耗用的电能或功率等等。
如前所述，集成电路603按断续导电方式在不变化的输入电压和负载条件的情况下以固定的操作频率操作PFC电路604。
根据本发明，现在集成电路603可以作为对已改变的输入电压和/或负载条件的适应以低于PFC电路604的输入电压VIN的半波频率的频率改变PFC电路604的操作频率。
此外，根据本发明，集成电路603可以根据PFC电路604的输入电压VIN、来自变换器级605的至少一个反馈变量612和/或来自LED段606的至少一个反馈变量613控制有源时钟PFC电路604(优选PFC电路604的操作频率)以及变换器级605。
另外，根据本发明，集成电路603可以根据PFC电路604的输入电压VIN、来自变换器级605的至少一个反馈变量612和/或来自LED段606的至少一个反馈变量613来控制或调节PFC电路604的输出电压VBUS。
因此，根据本发明，PFC模块602的集成控制电路603可以按断续导电模式在固定的操作频率下控制或调整PFC电路604的至少一个开关S1并且基于来自PFC电路604、变换器级605和LED段606的反馈变量607、609、610、612和613以及外界信息614来控制或调整变换器级605的至少一个开关S2。
可以作为对改变的输入电压和/或负载条件的适应、即根据PFC电路604的输入电压VIN、来自变换器级605的至少一个反馈变量612和/或来自LED段613的至少一个反馈变量613，通过集成电路603优选以低于PFC电路604的输入电压VIN的半波频率的频率来被改变PFC电路的固定操作频率。

Claims (18)

1.一种PFC模块(102)，该PFC模块(102)构造成具有：
-有源时钟PFC电路(104)，所述有源时钟PFC电路(104)具有至少一个受控开关(S1)，以及
-作为控制单元的集成电路(103)，所述集成电路(103)优选是微控制器，所述集成电路(103)按断续导电模式以固定的操作频率来控制所述有源时钟PFC电路(104)的所述至少一个开关(S1)，其中，所述集成控制电路(103)根据所述有源时钟PFC电路(104)的输入电压(VIN)的幅度来调节所述至少一个开关(S1)的接通时间(tON)并且针对所述输入电压(VIN)的半波内的至少两个连续的开关周期使所述接通时间(tON)保持恒定。
2.根据权利要求1所述的PFC模块，其中，所述集成电路根据所述有源时钟PFC电路的输出电压来调节所述至少一个开关的所述接通时间(tON)，以使得所述PFC电路的所述输出电压的实际值对应于额定值。
3.根据前述权利要求中任一项所述的PFC模块，
-其中，所述集成控制电路具有至少一个输入引脚，并且
-其中，所述集成控制电路通过所述至少一个输入引脚来检测所述PFC电路的所述输入电压和所述输出电压。
4.根据前述权利要求中任一项所述的PFC模块，
-其中，所述集成控制电路具有至少两个输入引脚，并且
-其中，所述集成控制电路通过所述至少两个输入引脚中的第一输入引脚来检测所述PFC电路的所述输入电压，并且通过所述至少两个输入引脚中的第二输入引脚来检测所述PFC电路的所述输出电压。
5.根据前述权利要求中任一项所述的PFC模块，
-其中，具有包括一个或更多个LED的LED段的负载电路能够直接或间接地连接至所述有源时钟PFC电路，并且
-其中，所述集成电路适于基于来自所述负载电路的至少一个反馈变量来控制所述有源时钟PFC电路和/或所述负载电路。
6.根据前述权利要求中任一项所述的PFC模块，
-其中，所述集成电路适于作为对改变的输入电压条件和/或负载条件的适应以低于所述PFC电路的所述输入电压的半波频率的频率来改变所述PFC电路的所述操作频率。
7.根据前述权利要求中任一项所述的PFC模块，
-其中，所述有源时钟PFC电路的所述输入电压是经整流的交流电压，优选是网络电压。
8.一种系统(101)，该系统(101)具有：
-PFC模块(102)，优选是根据前述权利要求中任一项所述的PFC模块(102)，所述PFC模块(102)具有包括至少一个第一开关(S1)的有源时钟PFC电路(104)和集成电路(103)，所述集成电路(103)优选是微控制器，以及
-至少一个变换器级(105)，所述至少一个变换器级(105)具有用于操作包括一个或更多个LED的LED段(106)的至少一个第二开关(S2)，
-其中，所述至少一个变换器级(105)直接或间接地连接至所述PFC电路(104)，-其中，所述集成电路(103)以断续导电模式来控制所述有源时钟PFC电路的所述至少一个第一开关(S1)，
-其中，所述集成电路根据输入电压条件和/或负载条件来控制所述有源时钟PFC电路(104)和所述至少一个变换器级(105)，并且
-其中，所述集成电路(103)控制所述至少一个变换器级(105)的所述至少一个第二开关(S2)以调节通过所述LED段(106)输出的光功率。
9.根据权利要求8所述的系统，其中，所述集成控制电路控制所述至少一个变换器级的时钟电元件组和/或非时钟电元件组。
10.根据权利要求8或9所述的系统，其中，所述至少一个变换器级是用于操作所述LED段的时钟电流源或者用于操作所述LED段的非时钟电流源。
11.根据权利要求8至10中任一项所述的系统，其中，所述集成控制电路检测来自所述至少一个变换器级的至少一个第一反馈变量和/或来自能够通过所述至少一个变换器级操作的LED段的至少一个第二反馈变量。
12.根据权利要求11所述的系统，
-其中，所述集成控制电路根据所述有源时钟PFC电路的所述输入电压、所述至少一个第一反馈变量和/或所述至少一个第二反馈变量来控制所述有源时钟PFC电路和所述至少一个变换器级，优选控制所述有源时钟PFC电路的操作频率和所述至少一个变换器级。
13.根据权利要求11或12所述的系统，
-其中，所述有源时钟PFC电路的输出电压对应于所述至少一个变换器级的输入电压，并且
-其中，所述集成控制电路根据所述有源时钟PFC电路的所述输入电压、所述至少一个第一反馈变量和/或所述至少一个第二反馈变量来控制所述有源时钟PFC电路的所述输出电压。
14.根据权利要求11至13中任一项所述的系统，
-其中，所述集成控制电路根据所述有源时钟PFC电路的所述输入电压、所述至少一个第一反馈变量和/或所述至少一个第二反馈变量以低于所述有源时钟PFC电路的所述输入电压的半波频率的频率来改变所述PFC电路的所述操作频率。
15.一种照明装置，所述照明装置具有：
-根据权利要求1至7中任一项所述的PFC模块(102)，
-具有至少一个LED的LED段(106)，
-其中，所述PFC模块(102)构造成用于操作所述LED段(106)。
16.一种照明装置，所述照明装置具有：
-根据权利要求8至14中任一项所述的系统(101)，
-具有至少一个LED的LED段(106)，
-其中，所述系统(101)构造成用于操作所述LED段(106)。
17.一种用于操作PFC模块(102)的方法，所述PFC模块(102)包括具有至少一个受控开关(S1)的有源时钟PFC电路(104)和作为控制单元的集成电路(103)，所述集成电路(103)优选是微控制器，
-其中，所述集成电路(103)按断续导电模式以固定的操作频率来控制所述有源时钟PFC电路(104)的所述至少一个开关(S1)，
-其中，所述集成控制电路(103)根据所述有源时钟PFC电路(104)的输入电压(VIN)的幅度来调节所述至少一个开关(S1)的接通时间(tON)，并且针对所述输入电压(VIN)的半波内的至少两个连续的开关周期使所述接通时间(tON)保持恒定。
18.一种用于操作系统(101)的方法，所述系统(101)具有PFC模块(102)，该PFC模块(102)优选是根据权利要求1至7中任一项所述的PFC模块(102)，所述PFC模块具有有源时钟PFC电路(104)和集成电路(103)以及至少一个变换器级(105)，所述有源时钟PFC电路(104)包括至少一个第一开关(S1)，所述集成电路(103)优选是微控制器，所述至少一个变换器级(105)包括用于操作具有一个或更多个LED的LED段(106)的至少一个第二开关(S2)，
-其中，所述至少一个变换器级(105)直接或间接地连接至所述PFC电路(104)，
-其中，所述集成电路(103)以断续导电模式控制所述有源时钟PFC电路(104)的所述至少一个第一开关(S1)，
-其中，所述集成电路(103)根据输入电压条件和/或负载条件来控制所述有源时钟PFC电路(104)和所述至少一个变换器级(105)，并且
-其中，所述集成电路(103)控制所述至少一个变换器级(105)的所述至少一个第二开关(S2)以调节通过所述LED段(106)输出的光功率。
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