CN108207054B - 负载的功率扩展电路和功率扩展方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种负载的功率扩展电路和功率扩展方法。负载的功率扩展电路，包括电平复制电路和复制比例设置电路。电平复制电路将系统时钟信号的高电平间隔一个周期复制到DMDB信号的高电平。复制比例设置电路将从系统时钟信号的高电平复制到DMDB信号的高电平的持续时间的复制比例设置为大于1:1且小于1:2，从而在维持该负载的驱动电路的退磁时间的条件下，提高该系统时钟信号的频率。

Description

负载的功率扩展电路和功率扩展方法
技术领域
本发明主要涉及功率驱动电路，尤其涉及一种负载的功率扩展电路和功率扩展方法。
背景技术
发光二极管(light-emitting diode，LED)因其发光效率高、寿命长等特点，目前越来越多地被用于照明光源。商用或家用的照明设备往往由市电(工频交流电)来驱动，这就需要通过交流-直流(AC-DC)转换来为LED提供恒定电流。
AC-DC LED驱动电路实际上是LED的恒流电源电路。恒流电源电路将市电转换为特定的输出电流以驱动LED发光。恒流电源电路利用器件对输出电流进行调制，以使得输出平均电流保持恒定，且输出电流不随输入电压的波动而波动。
对LED或者其它负载的驱动电路来说，希望在功率器件持续缩小的条件下，继续保持同样的功率输出。或者，在功率器件等外围电路条件不变的情况下，提高输出功率。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种负载的功率扩展电路和功率扩展方法，能够在其他条件不变的情况下，扩展输出到负载的功率。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种负载的功率扩展电路，包括电平复制电路和复制比例设置电路。电平复制电路将系统时钟信号的高电平间隔一个周期复制到电平复制检测信号的高电平。复制比例设置电路将从系统时钟信号的高电平复制到电平复制检测信号的高电平的持续时间的复制比例设置为大于1:1且小于1:2，从而在维持该负载的驱动电路的退磁时间的条件下，提高该系统时钟信号的频率。
在本发明的一实施例中，该复制比例设置电路包括第一电流源和第二电流源，该第一电流源决定对一电压节点的充电时间，该第二电流源决定该电压节点的放电时间，该第一电流源和该第二电流源的电流比例决定该复制比例。
在本发明的一实施例中，该电平复制电路包括反相器、第一晶体管、第二晶体管、电容、比较器、RS触发器和电压源，该反相器的输入端接收该系统时钟信号，该反相器的输出端连接该第一晶体管的栅极，该第一晶体管的源极连接该第一电流源，该第一晶体管的漏极与该第二晶体管的漏极均连接到电压节点，该第二晶体管的源极连接该第二电流源，该电容连接在该电压节点和接地点之间，该比较器的正输入端连接该电压节点，负输入端连接该电压源，该RS触发器的S端连接该比较器的输出端，该RS触发器的R端连接关断信号，该RS触发器的Q端连接该第二晶体管的栅极，且输出该电平复制检测信号。
在本发明的一实施例中，该负载为发光二极管。
在本发明的一实施例中，上述的负载的功率扩展电路还包括动态频率调节电路，接收振荡器产生的频率信号，据此产生该系统时钟信号。
在本发明的一实施例中，上述的负载的功率扩展电路还包括采样比较电路，输入该电平复制检测信号和退磁宽度采样信号DM，经过比较后输出变频控制信号信号DCC，并反馈到该动态频率调节电路。
本发明还提出一种负载的功率扩展方法，包括将系统时钟信号的高电平间隔一个周期复制到电平复制检测信号的高电平，其中将从系统时钟信号的高电平复制到电平复制检测信号的高电平的持续时间的复制比例设置为大于1:1且小于1:2，从而在维持该负载的驱动电路的退磁时间的条件下，提高该系统时钟信号的频率。
与现有技术相比，本发明通过设置从系统时钟信号的高电平复制到电平复制检测信号的高电平的持续时间的复制比例，使得在退磁时间TDMHO不变条件下，提升系统时钟频率，从而使得输出功率也相应提升。
附图说明
图1是典型的LED驱动电路的电路图。
图2是图1所示电路的电流Iout和Ipeak的常规信号波形示意图。
图3是图1所示电路的各信号波形示意图。
图4是根据本发明一实施例的功率扩展电路的电路框图。
图5是根据本发明一实施例的电流Iout和Ipeak的信号波形示意图。
图6是根据本发明一实施例的各信号波形示意图。
图7是本发明一实施例的复制比例设置电路的电路图。
图8是本发明一实施例的复制电路的电路图。
具体实施方式
为让本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，以下结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其它不同于在此描述的其它方式来实施，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
图1是典型的LED驱动电路的电路图。参考图1所示，这里的LED驱动电路200为反激式开关电源系统，包括桥式整流器110、反激式功率转换器120和恒流控制器130。桥式整流器110的输入端连接交流输入电压Vac，输出端输出一输入整流电压Vin。反激式功率转换器120具有变压器TX、功率开关M1、控制器供电电阻R1、供电电容C2、初级侧电流侦测电阻Rs、次级侧整流二极管D2和滤波电容C3。变压器TX包含初级侧绕组PRI和次级侧绕组SEC。变压器TX的初级侧绕组PRI一端连接桥式整流器110的输出端，以引入输入整流电压Vin。
恒流控制器130包含正电源端VDD、输入/输出端GD、电流采样输入端CS和负电源端VSS等四个端子。VSS端连接电路200的初级侧“地”电位。VDD端连接功率转换器120中的供电电阻R1和供电电容C2，为恒流控制器130提供电源。功率开关M1连接在初级侧绕组PRI的另一端和恒流控制器130的CS端之间。初级侧电流侦测电阻Rs连接在CS端和接地点之间，以取得一电流采样信号作为第一输入信号。功率开关M1的控制端被连接到恒流控制器130的GD端，在本实施例中，功率开关M1可为MOSFET。功率开关M1的控制端相应地为栅极。一方面，GD端作为一个输出端输出脉冲控制信号以驱动功率开关M1。另一方面，次级侧绕组SEC的退磁信号被耦合到初级侧绕组PRI与功率开关M1的连接点，该退磁耦合信号经由功率开关M1的栅漏寄生电容CGD转换为一电流反馈信号IGD，输入恒流控制器130的GD端作为第二输入信号。
恒流控制器130通常实施为集成电路芯片。然而，恒流控制器130也可以由相互分离的电路模块组成。
恒流控制器130包括退磁检测器131、PWM(脉冲宽度调制)比较器132、时钟发生器133、PWM控制器134、参考源135以及功率开关驱动器136。参考源135输出一参考电压Vref作为PWM比较器132的阈值电压。PWM比较器132有两个输入端和一个输出端。PWM比较器132的第一输入端连接参考源135的输出端用于接收上述参考电压，PWM比较器132的第二输入端与恒流控制器130的CS端相连用于接收第一输入信号。PWM比较器132的输出信号为一关断信号SP，它输入至PWM控制器134用于控制PWM信号关断。PWM控制器134包括两个输入端和两个输出端。PWM控制器134的第一输入端与时钟发生器133的输出端连接，用于接收时钟发生器133的时钟信号CLK，该时钟信号CLK触发PWM信号开启。PWM控制器134的第二输入端与PWM比较器132的输出端连接，用来接收PWM关断信号SP，SP的作用是关断PWM信号。PWM控制器134的第一输出端分别连接到功率开关驱动器136和退磁检测器131，PWM控制器134的第二输出端输出一个高阻控制信号DSB至功率开关驱动器136。退磁检测器131有两个输入端和一个输出端。退磁检测器131的第一输入端连接到恒流控制器130的GD端用来对第二输入信号采样，退磁检测器131的第二输入端连接PWM控制器134的第一输出端用来接收PWM控制信号，退磁检测器131的输出端输出一个退磁宽度采样信号DM，并被连接到时钟发生器133。时钟发生器133的输入端连接到退磁检测器131的输出端用来接收退磁宽度采样信号，其输出端输出一个时钟信号，并与PWM控制器134连接。功率开关驱动器136有两个输入端和一个输出端。功率开关驱动器136的第一输入端与PWM控制器134的第一输出端连接，用来接收PWM信号，功率开关驱动器136的第二输入端与PWM控制器134的第二输出端连接用来接收高阻控制信号DSB。
在上述的驱动电路200中，输出电流的计算过程为：
输出功率：
Figure GDA0003095484940000051
因为Ls*Isp＝Vout*TDMHO，
所以
Figure GDA0003095484940000052
输出功率又为pout*Iout，
因此
Figure GDA0003095484940000053
其中Ls是次级电感感量。
通过动态自适应调节系统工作频率，可以使得系统退磁时间TDMHO(信号DM的高电平时间)与系统时钟周期的比值为1/2，即
Figure GDA0003095484940000054
得到输出电流方程：
Figure GDA0003095484940000055
因为
Figure GDA0003095484940000056
Isp和TDMHO所围成的面积与Iout和T所围成的面积相同，所以同样可以得到：
Figure GDA0003095484940000057
这一输出电流和原边峰值电流的关系可参考图2所示。其中：
Figure GDA0003095484940000058
Np为变压器原边匝数，Ns为变压器次级匝数，Isp为原边峰值电流，Vref为恒流控制器130内的参考电压，Rcs为CS端与GND之间电阻阻值。
图3是图1所示电路的各信号波形示意图。参考图3所示，CLK为系统时钟信号，VD为功率开关M1漏极端波形。SP信号为关断信号，当CS端电压VCS大于参考电压Vref时，输出高电平脉冲。GT为功率开关M1的驱动信号，GT信号上升沿与CLK信号下降沿同步，GT信号下降沿与SP信号上升沿同步。DM为退磁宽度采用信号，DM信号上升沿与GT信号下降沿同步，系统退磁结束触发DM下降沿。VC为电平复制电压信号，CLK信号上升沿触发VC从Vb1开始增加，直到GT信号上升沿，VC保持不变，GT下降沿VC开始下降直到Vb1。VC电平复制是隔CLK周期操作。DMDB为电平复制检测信号，DMDB上升沿与GT下降沿同步，VC电压从高电压下降到Vb1而触发DMDB的下降沿。同样的，DMDB信号也是隔CLK周期操作。DCC为变频控制信号，DCC为高电平则CLK频率变低，DCC为低电平则CLK频率变高。
动态自适应调节系统频率，即系统时钟信号CLK的频率随系统退磁时间TDMHO自动调节，最终稳定在某一固定频率抖频。常规上，电平复制斜率1:1，即VC上升斜率与下降斜率相等，可以得到DMDB信号的高电平时间TDMDBHO＝(1/2)*T。DMDB信号的上升沿与DM信号的上升沿对齐，用DMDB信号的下降沿采样DM信号：若采样DM电平为低，DCC信号电平也为低，CLK的频率升高；若采样DM电平为高，DCC信号电平为高，CLK的频率降低。系统起始状态是最低频率，DCC电平为低。随着系统频率逐渐升高，直至系统达到动态平衡，DCC信号高/低电平相互转换，实现DM与DMDB的高电平时间相同，即退磁时间TDMHO为系统周期T的一半。
图4是根据本发明一实施例的功率扩展电路的电路框图。参考图4所示，功率扩展电路400包括动态频率调节电路410、电平复制电路420、脉冲宽度调制生成器430、采样比较电路440和复制比例设置电路450。这一功率扩展电路400可以结合在图1所示的PWM控制器134中，作为其内部结构。
动态频率调节电路410接收振荡器产生的频率信号OSC，据此产生系统时钟信号CLK。电平复制电路420根据系统时钟信号CLK产生DMDB信号，在此过程中，电平复制电路420将系统时钟信号的高电平复制到DMDB信号的高电平。电平复制电路420另外输入关断信号SP。
采样比较电路440输入DMDB信号和退磁宽度采样信号DM，经过比较后输出DCC信号，并反馈到动态频率调节电路410。
退磁宽度采样信号DM的高电平时间TDMHO为系统退磁时间，另设TDMDBHO为DMDB信号的高电平时间：当TDMDBHO>TDMHO时，采样比较电路440输出信号DCC为低电平，通过动态频率调节电路410的系统时钟信号CLK的频率会变高，经过电平复制电路420后，TDMDBHO会减小；当TDMDBHO<TDMHO时，采样比较电路440输出信号DCC为高电平，通过动态频率调节电路410的系统时钟信号CLK的频率会变低，经过电平复制电路420，TDMDBHO会增加。通过这一过程，系统会达到动态平衡状态，即TDMDBHO＝TDMHO。
复制比例设置电路450，将从系统时钟信号的高电平复制到DMDB信号的高电平的持续时间的复制比例设置为大于1:1，且小于1:2，从而在维持驱动电路200的退磁时间TDMHO的条件下，提高系统时钟信号CLK的频率(即降低系统时钟信号CLK的周期)。
本实施例的功率扩展电路是通过改变系统时钟信号CLK的高电平复制到DMDB信号的高电平的持续时间的复制比例，即CLK的高电平持续时间TCLKHO与DMDB信号的高电平持续时间TDMDBHO的复制比例，来改变输出给负载的功率。这一复制比例大于1:1，且小于1:2。举例来说，这一复制比例可以为2:3。
图5是根据本发明一实施例的电流Iout和Ipeak的信号波形示意图。图6是根据本发明一实施例的各信号波形示意图。参考图5和图6所示，由CLK信号的高电平复制到DMDB信号高电平的持续时间的复制比例，从常规的1:1变为2:3。平衡状态下DCC信号的高电平和低电平相互转换，实现DM信号与DMDB信号高电平时间相同，退磁时间TDMHO为系统时钟周期T的3/4时间，即TDMHO/T＝3/4。与常规的
Figure GDA0003095484940000071
相比，本实施例的TDMHO和T的比值得到了提高。
因为DM＝(3/4)*T，Isp和DM所围成的面积与Iout和T所围成的面积相同，所以Iout＝(3/8)*Isp。
输出电流公式变为：
Iout＝(3/8)*(Np/Ns)*Isp
在Np/Ns和Isp不变的情况下，输出电流比之前增加的50％。
输出负载上的功率即输出功率：
Figure GDA0003095484940000072
其中，Lp是变压器初级侧的感量；Ip是变压器初级侧线圈导通时的峰值电流，f是功率开关的工作频率，η代表功率转换器的转换效率。对于一个给定的功率转换器，Lp和η都是常数，所以输出功率是Ip和f的函数。
在于Lp，Ip不变的情况下，提高f，可以提高输出功率Po。本方案实施例，在退磁时间TDMHO不变条件下，如果系统时钟信号CLK的频率提升，输出功率也会相应比例的提升。例如提升CLK的频率1.5倍，输出功率也提升1.5倍。
图7是本发明一实施例的复制比例设置电路的电路图。参考图7所示，复制比例设置电路450可包括电流源Ip、晶体管MN1-MN6、MP1-MP4等。晶体管MN1-MN6、MP1-MP4组成第一电流源Ip1和第二电流源Ip2。
在电路中Ip为输入偏置电流，输出两个电流信号比为Ip1：
Figure GDA0003095484940000073
Figure GDA0003095484940000081
为了保证电流精度的匹配，需要保证
Figure GDA0003095484940000082
Figure GDA0003095484940000083
当使用功率扩展技术时，设置Ip1：In1＝3:2。
图8是本发明一实施例的电平复制电路的电路图。参考图8所示，电平复制电路420包括反相器421、晶体管MP、MN、电容C4、电压源Vb1、比较器422和RS触发器423等。
在系统时钟信号CLK的TCLKHO时间(高电平时间)MP管导通，以第一电流源Ip1的电流给VC点充电；在TDMDBHO时间MN管导通，以第二电流源In1的电流给VC点进行放电。MP管和MN管不可以同时导通。VC信号与基准电压Vb1比较的结果作为RS触发器423的S端输入，关断信号SP作为RS触发器423的R端输入，RS触发器输出端Q的信号为DMDB。在TCLKHO时间，给VC点充电时间段，电容C4上极板的电荷变化△V1*C1＝Ip1*TCLKHO；在TDMDBHO时间，给VC点放电时间段，C1电容上极板的电荷变化△V2*C1＝-In1*TDMDBHO。因为△V1＝-△V2，所以Ip1*TCLKHO＝In1*TDMDBHO。
可以得到：
Figure GDA0003095484940000084
由前文已知TCLKHO/TCLK＝1/2，TDMDBHO＝TDMHO，
所以：
Figure GDA0003095484940000085
当功率扩展技术时Ip1：In1＝3:2，
Figure GDA0003095484940000086
因此在退磁时间TDMHO不变条件下，功率扩展技术使系统频率1/TCLK提升1.5倍，输出功率也提升1.5倍。
虽然本发明已参照当前的具体实施例来描述，但是本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，在没有脱离本发明精神的情况下还可作出各种等效的变化或替换，因此，只要在本发明的实质精神范围内对上述实施例的变化、变型都将落在本申请的权利要求书的范围内。

Claims (5)

1.一种负载的功率扩展电路，包括：
动态频率调节电路，接收振荡器产生的频率信号，据此产生系统时钟信号；
电平复制电路，将该系统时钟信号的高电平间隔一个周期复制到电平复制检测信号的高电平；
复制比例设置电路，将从系统时钟信号的高电平复制到电平复制检测信号的高电平的持续时间的复制比例设置为大于1:1且小于1:2，从而在维持该负载的驱动电路的退磁时间的条件下，提高该系统时钟信号的频率；以及
采样比较电路，输入该电平复制检测信号和退磁宽度采样信号DM，经过比较后输出变频控制信号DCC，并反馈到该动态频率调节电路。
2.如权利要求1所述的负载的功率扩展电路，其特征在于，该复制比例设置电路包括第一电流源和第二电流源，该第一电流源决定对一电压节点的充电时间，该第二电流源决定该电压节点的放电时间，该第一电流源和该第二电流源的电流比例决定该复制比例。
3.如权利要求2所述的负载的功率扩展电路，其特征在于，该电平复制电路包括反相器、第一晶体管、第二晶体管、电容、比较器、RS触发器和电压源，该反相器的输入端接收该系统时钟信号，该反相器的输出端连接该第一晶体管的栅极，该第一晶体管的源极连接该第一电流源，该第一晶体管的漏极与该第二晶体管的漏极均连接到电压节点，该第二晶体管的源极连接该第二电流源，该电容连接在该电压节点和接地点之间，该比较器的正输入端连接该电压节点，负输入端连接该电压源，该RS触发器的S端连接该比较器的输出端，该RS触发器的R端连接关断信号，该RS触发器的Q端连接该第二晶体管的栅极，且输出该电平复制检测信号。
4.如权利要求1所述的负载的功率扩展电路，其特征在于，该负载为发光二极管。
5.一种负载的功率扩展方法，包括：
接收振荡器产生的频率信号，据此产生系统时钟信号；
将该系统时钟信号的高电平间隔一个周期复制到电平复制检测信号的高电平，其中将从系统时钟信号的高电平复制到电平复制检测信号的高电平的持续时间的复制比例设置为大于1:1且小于1:2，从而在维持该负载的驱动电路的退磁时间的条件下，提高该系统时钟信号的频率；
输入该电平复制检测信号和退磁宽度采样信号DM，经过比较后输出变频控制信号DCC，以提高或降低该系统时钟信号。
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