CN115461974A - 控制电荷泵的设备和方法 - Google Patents

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CN115461974A CN202080100221.XA CN202080100221A CN115461974A CN 115461974 A CN115461974 A CN 115461974A CN 202080100221 A CN202080100221 A CN 202080100221A CN 115461974 A CN115461974 A CN 115461974A
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Abstract

本发明提供了一种控制电荷泵的设备和方法。该控制电荷泵的设备包括：电荷泵电路，该电荷泵电路连接到输入电路；第一电容器，该第一电容器耦接到电荷泵电路并且作为谐振电路的元件提供；第一开关元件，该第一开关元件连接到第一电容器；和控制器，该控制器被配置成从输入电路读取输入电流和/或输入电压，根据输入电流和/或输入电压生成脉冲宽度调制信号，并且输出脉冲宽度调制信号以控制第一开关元件。因此，可以改善THD和谐波，同时降低电路的成本。

Description

控制电荷泵的设备和方法
技术领域
本公开的实施方案整体涉及功率控制电路领域，并且更具体地涉及控制电荷泵的设备和方法。
背景技术
现在，在功率控制电路中使用越来越多的谐振电路，例如，单级LLC电路通常用于低输出纹波电流和低成本产品。同时，电荷泵电路通常应用于功率控制电路中。例如，在一些解决方案中添加串联电荷泵电容以改善THD(总谐波失真)和/或谐波。
参考文件1：WO2013/113836A1。
参考文件2：US2009/0128057A1。
参考文件3：US6366027B1。
本部分介绍可有利于更好地理解本公开的方面。因此，本部分的陈述应就此来阅读，并且不应理解为是对现有技术中的内容或不是现有技术中的内容的承认。
发明内容
发明人发现，需要添加串联电荷泵电容以改善用于加宽电压产品(诸如发光二极管(LED))的THD和谐波。在该解决方案中，对于负载中的每个负载，电荷泵电容与某一负载是恒定的，因此它是高成本解决方案。
在一些解决方案中，可以针对不同负载添加一阶功率因数校正(PFC)函数，然而PFC函数的成本也是高的。此外，这些解决方案在开发期间是耗时的，并且谐波的不良性能将限制操作范围。
为了解决上述问题的至少一部分，在本公开中提供了方法、装置、设备。当结合附图理解时，也将根据对具体实施方案的以下描述来理解本公开的实施方案的特征和优点，该附图以举例的方式示出本公开的实施方案的原理。
通常，本公开的实施方案提供了一种控制电荷泵的设备和方法。期望降低部件的数量和成本，同时以简单结构改善THD和/或谐波。
在第一方面，提供了一种控制电荷泵的设备。该控制电荷泵的设备包括：电荷泵电路，该电荷泵电路连接到输入电路和输出电路；第一电容器，该第一电容器耦接到电荷泵电路并且作为谐振电路的元件提供；第一开关元件，该第一开关元件连接到第一电容器；其中第一电容器的电容值通过第一开关元件的开关操作改变；和控制器，该控制器被配置成从输入电路读取输入电流和/或输入电压，根据输入电流和/或输入电压生成脉冲宽度调制信号，并且输出脉冲宽度调制信号以控制第一开关元件。
在一些实施方案中，控制器被配置成调节脉冲宽度调制信号以改善功率因数或谐振电路的总谐波失真或谐波。
在一些实施方案中，控制器被配置成在工频周期中修改电荷泵电路的电荷泵电容值。
在一些实施方案中，电荷泵电路的电荷泵电容值随着第一电容器的所改变的电容值一起被修改，该第一电容器由脉冲宽度调制信号控制。
在一些实施方案中，控制器被配置成在多个不同负载中的一个负载下查找电荷泵电路的电荷泵电容值。
在一些实施方案中，控制器被配置成改变脉冲宽度调制信号的占空比以在某一负载中修改电荷泵电容，确定输入功率或输入电压或输入频率是否改变，并且当输入功率或输入电压或输入频率未改变时维持脉冲宽度调制信号。
在一些实施方案中，该设备还包括：第二电容器，该第二电容器耦接到电荷泵电路并且作为谐振电路的元件提供；其中第二电容器与第一电容器并联连接。
在一些实施方案中，该设备还包括：第二开关元件，该第二开关元件被配置在第一开关元件与控制器之间；其中来自控制器的脉冲宽度调制信号用于控制第二开关元件，并且第二开关元件被配置成生成信号以控制第一开关元件。
在第二方面，提供了一种控制电荷泵的方法，其中电荷泵电路连接到输入电路和输出电路；第一电容器耦接到电荷泵电路并且作为谐振电路的元件提供；第一开关元件连接到第一电容器；
该方法包括：从输入电路读取输入电流和/或输入电压；根据输入电流和/或输入电压生成脉冲宽度调制信号，以及输出脉冲宽度调制信号以控制第一开关元件；其中第一电容器的电容值通过第一开关元件的开关操作改变。
在一些实施方案中，该方法还包括：调节脉冲宽度调制信号以改善功率因数或谐振电路的总谐波失真或谐波。
在一些实施方案中，该方法还包括：在工频周期中修改电荷泵电路的电荷泵电容值。
在一些实施方案中，电荷泵电路的电荷泵电容值随着第一电容器的所改变的电容值一起被修改，该第一电容器由脉冲宽度调制信号控制。
在一些实施方案中，该方法还包括：在多个不同负载中的一个负载下查找电荷泵电路的电荷泵电容值。
在一些实施方案中，该方法还包括：改变脉冲宽度调制信号的占空比以在某一负载中修改电荷泵电容；确定输入功率或输入电压或输入频率是否改变，以及当输入功率或输入电压或输入频率未改变时维持脉冲宽度调制信号。
在第三方面，提供了一种功率驱动器。该功率驱动器包括：电荷泵电路，该电荷泵电路连接到输入电路和输出电路；谐振电路，该谐振电路耦接到电荷泵电路；开关元件，该开关元件连接到谐振电路的电容器；其中电容器的电容值通过开关元件的开关操作改变；和控制器，该控制器被配置成从输入电路读取输入电流和/或输入电压，根据输入电流和/或输入电压生成脉冲宽度调制信号，并且输出脉冲宽度调制信号以控制开关元件。
根据本公开的各种实施方案，提供第一开关元件和控制器，并且第一电容器的电容值通过第一开关元件的开关操作改变。因此，可以改善THD和谐波，同时降低电路的成本。
附图说明
以举例的方式，通过以下参考附图的详细描述，本公开的各种实施方案的上述和其他方面、特征部和益处将变得更加显而易见，其中类似的附图标号或字母用于表示类似或等同的元件。附图是为了便于更好地理解本公开的实施方案而示出的并且未必按比例绘制，其中：
图1是根据本公开的实施方案的示出控制电荷泵的设备的图示；
图2是根据本公开的实施方案的示出不具有电容控制的波形示例的图示；
图3是根据本公开的实施方案的示出具有电容控制的波形示例的图示。
图4是根据本公开的实施方案的示出控制电荷泵的方法的图示；
图5是根据本公开的实施方案的示出控制电荷泵的方法的另一个图示；
图6是根据本公开的实施方案的示出功率驱动器的图示。
具体实施方式
现在将参考若干示例性实施方案来描述本公开。应当理解，讨论这些实施方案的目的仅在于使得本领域的技术人员能够更好地理解本公开并因此实施本公开，而不是提出对本公开的范围的任何限制。
应当理解，当元件被称为“连接”或“耦接”或“接触”到另一个元件时，它可以直接连接或耦接或接触到另一个元件，或者可以存在中间元件。相反，当元件被称为“直接连接”或“直接耦接”或“直接接触”到另一个元件时，不存在中间元件。用于描述元件之间的关系的其他词语应以类似的方式解释(例如，“之间”与“直接之间”、“相邻”与“直接相邻”等)。
如本文所用，术语“第一”和“第二”是指不同的元件。除非上下文另有明确说明，否则单数形式“一个”和“一种”旨在也包括复数形式。如本文所用，术语“包括”、“包含”、“具有”和/或“含有”指定所述特征部、元件和/或部件等的存在，但不排除一种或多种其他特征部、元件、部件和/或它们的组合的存在或添加。
术语“基于”应被理解为“至少部分地基于”。术语“覆盖”应被理解为“至少部分地覆盖”。术语“一个实施方案”和“实施方案”应被理解为“至少一个实施方案”。术语“另一个实施方案”应被理解为“至少一个其他实施方案”。下文可包括其他明确和隐含的定义。
在本公开中，除非另有定义，否则本文使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有与示例性实施方案所属领域的普通技术人员通常所理解的相同的含义。应当进一步理解，术语例如在常用词典中定义的那些术语应被解释为具有与其在相关领域的上下文中的含义一致的含义，并且除非本文明确如此定义，否则将不会以理想化或过于正式的意义解释。
在本公开中，提供了一种数字控制方式以执行具有简单结构的稳定控制。例如，本公开中的控制器是微控制器单元(MCU)，并且不限于此。
实施方案的第一方面
在实施方案中，提供了一种控制电荷泵的设备。
图1是根据本公开的实施方案的示出控制电荷泵的设备的图示。
如图1所示，控制电荷泵的设备100包括：连接到输入电路1011的电荷泵电路101；第一电容器102(C4)，该第一电容器耦接到电荷泵电路101并且作为谐振电路(诸如LLC电路)的元件提供；连接到第一电容器102的第一开关元件103(Q1)。
在本公开中，第一电容器102的电容值通过第一开关元件103的开关操作(导通/关断)改变。例如，当第一开关元件103导通时的第一电容器102的电容值Con与当第一开关元件103关断时的第一电容器102的电容值Coff不同。
如图1所示，控制电荷泵的设备100还包括：控制器104，该控制器被配置成从输入电路1011读取输入电流和/或输入电压(Vin)，根据输入电流和/或输入电压生成脉冲宽度调制(PWM)信号，并且输出脉冲宽度调制信号以控制第一开关元件103。
应当理解，一些部件或元件仅作为图1中的示例示出。然而，不限于此，例如，可以调节部件或元件的连接或位置，并且/或者可以省略一些部件或元件。
此外，可以添加图1中未示出的一些部件或元件，同时图1中示出但不解释的部件或元件诸如C1-C5、D1-D5、R1-R5和Vcc可在相关领域中提及。
在一些实施方案中，控制器104被配置成调节脉冲宽度调制信号以改善功率因数(PF)或谐振电路的总谐波失真(THD)或谐波。
例如，控制器104被配置成以开环方式操作。控制器104读取输入电流和输入电压，并且根据输入电流和输入电压计算输入功率。然后，控制器104将所计算的输入功率与预定义功率进行比较，并且当所计算的输入功率与预定义功率不一致时改变PWM信号。
对于另一个示例，控制器104被配置成以闭环方式操作。控制器104读取输入电流和输入电压，并且根据输入电流和输入电压计算输入功率。然后，控制器104改变PWM信号，对应地，输入电流和/或输入电压随着所改变的PWM信号一起改变。然后，当输入功率稳定时，控制器104确定PWM信号。
因此，可以改善功率因数(PF)或谐振电路的总谐波失真(THD)或谐波。
在一些实施方案中，控制器104被配置成在工频周期中修改电荷泵电路的电荷泵电容值。
例如，电荷泵电路101的电荷泵电容值随着第一电容器102的所改变的电容值一起被修改，该第一电容器由脉冲宽度调制信号控制。
因此，加宽电压产品诸如发光二极管(LED)不需要串联电荷泵电容。可以改善THD和谐波，同时降低电路的成本。
在一些实施方案中，控制器104被配置成在多个不同负载中的一个负载下查找电荷泵电路的电荷泵电容值。例如，控制器104可以分析在某一负载处针对PF、THD和/或谐波哪个值是最佳的，并且维持该负载处的电荷泵电容值和PWM信号。
在一些实施方案中，控制器104被配置成改变脉冲宽度调制信号的占空比以在某一负载中修改电荷泵电容，确定输入功率或输入电压或输入频率是否改变，并且当输入功率或输入电压或输入频率未改变时维持脉冲宽度调制信号。
因此，可以在不同负载下修改电荷泵电容值，在电路的成本不高的同时，可以改善电路的性能。
如图1所示，控制电荷泵的设备100还包括：第二电容器105(C3)，该第二电容器耦接到电荷泵电路101并且作为谐振电路的元件提供；第二电容器105与第一电容器102并联连接。
如图1所示，控制电荷泵的设备100还包括：第二开关元件106(Q2)，该第二开关元件被配置在第一开关元件103与控制器104之间；来自控制器104的脉冲宽度调制信号用于控制第二开关元件106，并且第二开关元件106被配置成生成信号以控制第一开关元件103。
因此，执行具有简单结构的稳定控制。
图2是根据本公开的实施方案的示出不具有电容控制的波形示例的图示。例如，不使用图1中的C4、Q1和控制器104。在这种情况下，如图2所示，需要改善过零点的波形(示出为201)。
图3是根据本公开的实施方案的示出具有电容控制的波形示例的图示。例如，使用图1中的C4、Q1和控制器104。在这种情况下，如图3所示，改善过零点的波形(示出为301)。因此，可以改善THD和谐波，同时降低电路的成本。
在一些实施方案中，谐振电路(诸如LLC电路)用于驱动作为输出负载的发光二极管(LED)。然而，不限于此，谐振电路(诸如LLC电路)也可用于驱动其他输出负载。
应当理解，讨论以上示例或实施方案用于说明而非限制。本领域技术人员将理解，在本公开的范围内可以存在许多其他实施方案或示例。
从上述实施方案可以看出，提供第一开关元件和控制器，并且第一电容器的电容值通过第一开关元件的开关操作改变。因此，可以改善THD和谐波，同时降低电路的成本。
实施方案的第二方面
在实施方案中，提供了一种控制电荷泵的方法。在实施方案的第一方面中示出对应的设备100，并且省略与实施方案的第一方面中的那些相同的内容。
图4是根据本公开的实施方案的示出控制电荷泵的方法的图示。例如，该方法由控制器104执行。如图4所示，方法400包括：
401，从输入电路读取输入电流和/或输入电压；
402，根据输入电流和/或输入电压生成脉冲宽度调制信号，以及
403，输出脉冲宽度调制信号以控制第一开关元件；其中第一电容器的电容值通过第一开关元件的开关操作改变。
应当理解，图4仅是本公开的示例，但不限于此。例如，可以调节框或步骤处的操作顺序，并且/或者可以省略一些框或步骤。此外，可以添加图4中未示出的一些框或步骤。
在一些实施方案中，该方法还包括：调节脉冲宽度调制信号以改善功率因数或谐振电路的总谐波失真或谐波。
在一些实施方案中，该方法还包括：在工频周期中修改电荷泵电路的电荷泵电容值。例如，电荷泵电路的电荷泵电容值随着第一电容器的所改变的电容值一起被修改，该第一电容器由脉冲宽度调制信号控制。
图5是根据本公开的实施方案的示出控制电荷泵的方法的另一个图示。例如，该方法由控制器104执行。如图5所示，方法500包括：
501，从输入电路读取输入电流和/或输入电压；
502，根据输入电流和/或输入电压生成脉冲宽度调制信号；
503，在多个不同负载中的一个负载下查找电荷泵电路的电荷泵电容值；
504，改变脉冲宽度调制信号的占空比以在某一负载中修改电荷泵电容；
505，确定输入功率或输入电压或输入频率是否改变，以及
506，当输入功率或输入电压或输入频率未改变时维持脉冲宽度调制信号。在这种情况下，可以被视为处于稳定状态，并且PWM信号和电荷泵电容值可以被视为可用配置。
如图5所示，当输入功率或输入电压或输入频率改变时继续执行501。在这种情况下，可以被视为处于不稳定状态，并且需要更新PWM信号和电荷泵电容值。
如图5所示，方法500包括：
507，输出脉冲宽度调制信号以控制第一开关元件；其中第一电容器的电容值通过第一开关元件的开关操作改变。
应当理解，图5仅是本公开的示例，但不限于此。例如，可以调节框或步骤处的操作顺序，并且/或者可以省略一些框或步骤。此外，可以添加图5中未示出的一些框或步骤。
从上述实施方案可以看出，提供第一开关元件和控制器，并且第一电容器的电容值通过第一开关元件的开关操作改变。因此，可以改善THD和谐波，同时降低电路的成本。
实施方案的第三方面
在实施方案中，提供了一种功率驱动器。在实施方案的第一方面和第二方面中示出对应的设备100和方法500，并且省略与实施方案的第一方面和第二方面中的那些相同的内容。
图6是根据本公开的实施方案的示出功率驱动器的图示。
如图6所示，功率驱动器600包括：连接到输入电路6011和输出电路6012的电荷泵电路601；耦接到电荷泵电路601的谐振电路602；连接到谐振电路602的电容器C4的开关元件603；其中电容器C4的电容值通过开关元件603的开关操作改变。
如图6所示，功率驱动器600还包括：控制器604，该控制器被配置成从输入电路6011读取输入电流和/或输入电压，根据输入电流和/或输入电压生成脉冲宽度调制信号，并且输出脉冲宽度调制信号以控制开关元件603。
应当理解，一些部件或元件仅作为图6中的示例示出。然而，不限于此，例如，可以调节部件或元件的连接或位置，并且/或者可以省略一些部件或元件。
此外，可以添加图6中未示出的一些部件或元件，同时图6中示出但不解释的部件或元件诸如C1-C5、D1-D5、R1-R6、L1、P1、S1、S2、D6-D7、C6和Vcc可在相关领域中提及。
在一些实施方案中，功率驱动器600可用于驱动发光二极管(LED)。在其他实施方案中，功率驱动器600包括在发光二极管(LED)驱动器中，例如，功率驱动器600是LED驱动器的一部分。
应当理解，讨论以上示例或实施方案用于说明而非限制。本领域技术人员将理解，在本公开的范围内可以存在许多其他实施方案或示例。
从上述实施方案可以看出，提供第一开关元件和控制器，并且第一电容器的电容值通过第一开关元件的开关操作改变。因此，可以改善THD和谐波，同时降低电路的成本。
此外，尽管例如通过当由本文公开的概念和原理引导时，通过可用时间、当前技术和经济考虑因素促动的可能显著的努力和许多设计选择，但是期望普通技术人员将容易地以最小的实验生成此类软件指令和程序和集成电路(IC)。
一般来讲，本公开的各种实施方案可在硬件或专用电路、软件、逻辑部件或它们的任何组合中实现。一些方面可在硬件中实现，而其他方面可在可由控制器、微处理器或其他计算设备执行的固件或软件中实现。
尽管本公开的实施方案的各个方面被举例说明和描述为框图、流程图或使用一些其他绘画作品，但应当理解，本文所述的框、装置、系统、技术或方法(作为非限制性示例)可在硬件、软件、固件、专用电路或逻辑部件、通用硬件或控制器或其他计算设备或它们的某种组合中实现。
另外，虽然操作以特定次序示出，但不应将这种情况理解为需要以所示的特定次序或以相继次序来执行此类操作或者需要执行所有所示的操作才能实现期望的结果。在某些情况下，多任务和并行处理可能是有利的。
同样，虽然若干具体实施细节包含在上述讨论中，但这些具体实施细节不应被理解为对本公开的范围的限制，而是应被理解为可能特定于具体实施方案的特征部的描述。在单独实施方案的上下文中描述的某些特征部也可以在单个实施方案中组合地实现。相反，在单个实施方案的上下文中描述的各种特征部也可单独地或者以任何合适的子组合的形式在多个实施方案中实现。
尽管以特定于结构特征部和/或方法动作的语言对本公开进行了描述，但应当理解，以所附权利要求书限定的本公开并不一定限于上述的特定特征部或动作。相反，上文所述的特定特征部和动作被公开为实现权利要求的示例性形式。

Claims (17)

1.一种控制电荷泵的设备，包括：
电荷泵电路，所述电荷泵电路连接到输入电路；
第一电容器，所述第一电容器耦接到所述电荷泵电路并且作为谐振电路的元件提供；
第一开关元件，所述第一开关元件连接到所述第一电容器；其中所述第一电容器的电容值通过所述第一开关元件的开关操作改变；和
控制器，所述控制器被配置成从所述输入电路读取输入电流和/或输入电压，根据所述输入电流和/或所述输入电压生成脉冲宽度调制信号，并且输出所述脉冲宽度调制信号以控制所述第一开关元件。
2.根据权利要求1所述的设备，其中所述控制器被配置成调节所述脉冲宽度调制信号以改善功率因数或所述谐振电路的总谐波失真或谐波。
3.根据权利要求1所述的设备，其中所述控制器被配置成在工频周期中修改所述电荷泵电路的电荷泵电容值。
4.根据权利要求3所述的设备，其中所述电荷泵电路的所述电荷泵电容值随着所述第一电容器的所改变的电容值一起被修改，所述第一电容器由所述脉冲宽度调制信号控制。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的设备，其中所述控制器被配置成在多个不同负载中的一个负载下查找所述电荷泵电路的电荷泵电容值。
6.根据权利要求5所述的设备，其中所述控制器被配置成改变所述脉冲宽度调制信号的占空比以在某一负载中修改所述电荷泵电容，确定输入功率或所述输入电压或输入频率是否改变，并且当所述输入功率或所述输入电压或所述输入频率未改变时维持所述脉冲宽度调制信号。
7.根据权利要求1至4中任一项所述的设备，其中所述设备还包括：
第二电容器，所述第二电容器耦接到所述电荷泵电路并且作为所述谐振电路的元件提供；其中所述第二电容器与所述第一电容器并联连接。
8.根据权利要求1至4中任一项所述的设备，其中所述设备还包括：
第二开关元件，所述第二开关元件被配置在所述第一开关元件与所述控制器之间；其中来自所述控制器的所述脉冲宽度调制信号用于控制所述第二开关元件，并且所述第二开关元件被配置成生成信号以控制所述第一开关元件。
9.根据权利要求1至4中任一项所述的设备，其中所述谐振电路用于驱动作为输出负载的发光二极管(LED)。
10.一种控制电荷泵的方法，其中电荷泵电路连接到输入电路；第一电容器耦接到所述电荷泵电路并且作为谐振电路的元件提供；第一开关元件连接到所述第一电容器；
其中所述方法包括：
从所述输入电路读取输入电流和/或输入电压；
根据所述输入电流和/或所述输入电压生成脉冲宽度调制信号，以及
输出所述脉冲宽度调制信号以控制所述第一开关元件；其中所述第一电容器的电容值通过所述第一开关元件的开关操作改变。
11.根据权利要求10所述的方法，其中所述方法还包括：
调节所述脉冲宽度调制信号以改善功率因数或所述谐振电路的总谐波失真或谐波。
12.根据权利要求10所述的方法，其中所述方法还包括：
在工频周期中修改所述电荷泵电路的电荷泵电容值。
13.根据权利要求12所述的方法，其中所述电荷泵电路的所述电荷泵电容值随着所述第一电容器的所改变的电容值一起被修改，所述第一电容器由所述脉冲宽度调制信号控制。
14.根据权利要求10至13中任一项所述的方法，其中所述方法还包括：
在多个不同负载中的一个负载下查找所述电荷泵电路的电荷泵电容值。
15.根据权利要求14所述的方法，其中所述方法还包括：
改变所述脉冲宽度调制信号的占空比以在某一负载中修改所述电荷泵电容；
确定输入功率或所述输入电压或输入频率是否改变，以及
当所述输入功率或所述输入电压或所述输入频率未改变时维持所述脉冲宽度调制信号。
16.一种功率驱动器，包括：
电荷泵电路，所述电荷泵电路连接到输入电路；
谐振电路，所述谐振电路耦接到所述电荷泵电路；
开关元件，所述开关元件连接到所述谐振电路的电容器；其中所述电容器的电容值通过所述开关元件的开关操作改变；和
控制器，所述控制器被配置成从所述输入电路读取输入电流和/或输入电压，根据所述输入电流和/或所述输入电压生成脉冲宽度调制信号，并且输出所述脉冲宽度调制信号以控制所述开关元件。
17.根据权利要求16所述的功率驱动器，其中所述功率驱动器用于驱动发光二极管(LED)；或者所述功率驱动器包括在发光二极管(LED)驱动器中。
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