CN1682575A - 自适应镇流器控制ic - Google Patents
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Abstract
一种用于控制电源电路的集成电路(100),其中电源电路为包括荧光灯(33)的负载电路供电,该集成电路包括镇流器控制和驱动电路,用于提供驱动信号给电源电路,接收表示电源电路和负载电路至少一个的工作状况的感测信号,并且通过修改驱动信号来响应感测信号;并包括自适应零电压转换和最小电流转换(ZVMCS)电路,其中ZVMCS电路检测电源电路输出,并对其做出响应,控制驱动电路在ZVMCS的条件下维持所述电源电路。电源电路包括带有低侧和高侧供电装置(power devices)的半桥电路,驱动信号包括用于控制低侧供电装置的低侧驱动信号和用于控制高侧供电装置的高侧驱动信号;镇流器控制和驱动电路包括用于给低侧供电装置提供低侧驱动信号的低侧驱动输出和用于给高侧供电装置提供高侧驱动信号的高侧驱动输出。ZVMCS电路在其中一个供电装置转换之时检测位于高侧和低侧供电装置之间半桥电路的输出电压和/或电流,并且控制驱动信号从而在所述转换之时将输出电压和/或电流保持在靠近或等于零。
Description
相关申请的交叉引用
本申请分别以2002年7月9日和2002年7月10日提交的美国临时申请US 60/395,093和US 60/395,473(分别为IR-1809 PROV和IR-1809 PROV II)为基础并要求其为优先权,其所公开的内容在此结合引用。
本文涉及2002年6月24日提交的美国临时申请60/___(代理号IR-2199 PROV),本文也结合引用该申请。
背景技术
目前市场上销售的许多用于荧光灯照明用途的线性电子镇流器包括标准的镇流器控制IC,ASIC或者微控制器。这些控制IC执行从功率因数校正到灯/镇流器控制的多种功能,并且已经有助于在降低部件数和成本的同时满足新型灯的技术需要。在自镇流的小型荧光灯(CFL)中,自激振荡双极型晶体管的解决方案由于其比等效的基于IC+FET的解决方案成本更低、部件数更少并且尺寸更小而受到欢迎。
上述方法实际上非常简单,但是具有以下缺点:
●无自启动(需要二端交流开关元件和附加电路);
●需要续流(free-wheeling)二极管;
●工作频率取决于双极型晶体管存储时间和环形饱和度(toroid saturation);
●不可靠,为了预热“一直加热”正向温度系数(PTC)的热敏电阻;
●在点燃过程中无平滑的频率倾斜;
●没有防止灯非点燃(non-strike)或者打开灯丝情况下的保护;
●电容模式操作;和
●较高功率下的基极激励限制。
这些缺点会导致超出部件和负载的容限和/或镇流器输出级元件的严重失败,这能导致性能变差,质量不良,和/或场失效。
发明内容
为了解决这些问题,本发明提供用于控制电源电路的集成电路,其中电源电路为包括荧光灯的负载电路供电,集成电路包括提供驱动信号给电源电路的镇流器控制和驱动电路,镇流器控制和驱动电路接收表示至少一个电源电路和负载电路的工作状况的感测信号,并且通过修改驱动信号来响应感测信号;集成电路还包括自适应零电压转换和最小电流转换(ZVMCS)电路,其中ZVMCS电路检测电源电路输出,对其做出响应,控制驱动电路以在ZVMCS的情况下维持电源电路。
在本发明的一个实施例中,电源电路包括带有低侧和高侧供电装置(power devices)的半桥电路,驱动信号包括用于控制低侧供电装置的低侧驱动信号和用于控制高侧供电装置的高侧驱动信号;镇流器控制和驱动电路,其包括用于给低侧供电装置提供低侧驱动信号的低侧驱动输出和用于给高侧供电装置提供高侧驱动信号的高侧驱动输出。ZVMVC电路在其中一个供电装置转换之时检测位于高侧和低侧供电装置之间的半桥电路的输出电压和/或电流,并且控制驱动信号从而在所述转换之时维持输出电压和/或电流为接近或等于零。
驱动电路控制电源电路在工作频率下供电,ZVMCS电路控制驱动电路维持工作频率在或者靠近负载电路的谐振频率,并且优选的是高于但靠近所述谐振频率。
有益的是,驱动电路的工作频率由压控振荡器(VCO)决定,ZVMCS电路决定供给VCO的控制电压。ZVMCS电路为了增加工作频率而增加控制电压。优选地,控制电压由VCO的输入电容器供给,ZVMCS电路为了增加工作频率而将电容器充电至较高电压。ZVMCS电路为了给电容器提供充电电流可以通过开启转换装置给电容器充电。
集成电路最好具有一组模式,它在其中任何模式下都可以操作,镇流器控制和驱动电路使模式之间的晶体管响应感测信号,并包括自适应零电压转换和最小电流转换(ZVMCS)电路,其中ZVMCS电路检测电源电路的输出并响应该输出,控制驱动电路在ZVMCS的情况下来保持电源电路。有益的是该模式包括低电压锁定模式,频率扫描模式,自适应模式以及故障模式。
按照本发明的另一个方面,集成电路具有8个管脚;其中四个管脚连接到驱动电路;两个管脚被连接到电源和回路;两个管脚被用于设定驱动电路的工作频率。当工作频率由压控振荡器(VCO)确定时,控制电压通过连接到两个所述管脚之一的输入电容器被提供给VCO,用以设定工作频率。ZVMCS电路可以通过控制对VCO的输入电容器的充电设定控制电压。
按照本发明的另一个方面,一种用于控制电源电路的方法,该电源电路将电能传送给包括荧光灯的负载电路,该方法包括步骤:提供驱动信号给电源电路,接收指示电源电路和负载电路的至少一个的工作条件的检测信号,通过修改驱动信号而响应检测信号;通过检测电源电路的输出并响应它来自适应维持零电压转换和最小电流转换(ZVMCS),控制驱动信号以在ZVMCS条件下维持电源电路。
有益的是电源电路包括带有低侧和高侧供电装置的半桥电路,驱动信号包括用于控制低侧供电装置的低侧驱动信号和用于控制高侧供电装置的高侧驱动信号;在其中一个供电装置转换之时通过感测高侧和低侧供电装置之间的半桥电路的输出电压和/或电流来维持ZVMCS的条件,并且控制驱动信号从而在所述转换之时将输出电压和/或电流保持在靠近或等于零。有益的是,电源电路在工作频率下供电;该工作频率被保持在或者接近所述负载的谐振频率;并且更优选的是高于或者接近该谐振频率。
在本发明的一个实施方式中,工作频率由压控振荡器(VCO)确定,本发明包括步骤:控制提供给VCO的控制电压。该控制电压优选的是由VCO的输入电容器提供,并且本发明包括为了设定工作频率而控制对输入电容器的充电的步骤。
按照本发明的一个实施方式,在小型荧光灯应用中,镇流器控制器和600V半桥驱动器被集成在一个芯片里。IC包括自适应零电压最小电流转换(ZVMCS)和集成的阴极负载二极管。这个IC的一部分是具有外部可编程最小化频率的压控振荡器。该镇流器所有功能部件都集成在一个小的8管脚DIP或SOIC封装中。
本实施例的一些特征如下:
●600V半桥驱动器
●自适应零电压最小电流转换(ZVMCS)
●集成阴极负载二极管
●0到5VDC压控振荡器(模拟输入)
●微功率启动(150μA)
●在Vcc的15.6V齐纳钳位
●可编程的最小化频率
●小型DIP8/SO8封装
所公开的8管脚自适应ZVS和MCS镇流器控制IC尤其适用于CFL应用。已经开发出的新型控制和感测技术使在没有牺牲引线数量的情况下实现了重要的镇流器功能。由此而得的系统解决方案与自激振荡的解决方案相比具有更好的性能,使用更少的部件并且在成本上也有竞争力。该IC解决方案对系统容限和偏差具有更高的抗扰性,并且能够容易的针对较低或较高的功率电平而被增加或降低规模。最后,该新型IC的简单性符合市场需要。
本发明的其它特征和优点可从以下结合附图对优选实施例的说明中理解。
附图说明
图1是表示IC电路的框图;
图2是表示IC中管脚分配的表格;
图3是表示在CFL中IC应用的原理图;
图4是表示在预热,点燃和运行(时标=200ms/div)过程中灯电压(上扫描线,250V/div)和VCO管脚电压(2V/div)的曲线图;
图5是表示在120VAC时在自适应运行过程中半桥电压VS(下扫描线,50V/div)和低侧MOSFET电流(中点)的曲线图(时标=5μs/div,频率=41.7kHz);
图6是表示在90VAC时在自适应运行过程中半桥电压VS(下扫描线,50V/div)和低侧MOSFET电流(中点)的曲线图(时标=2μs/div,频率=66.5kHz);
图7是在低电压锁定(UVLO)模式下电路元件的示意图;
图8是在频率扫描模式下电路元件的示意图;
图9是在自适应ZVMCS模式下电路元件的示意图;和
图10是描述IC操作中的步骤的状态图。
具体实施方式
一种简单,低成本的IC解决方案已经被开发出来,其结合多种CFL功能,外加高侧和低侧半桥驱动器(图1)。为了减小封装成本,IC已经被限制为8个管脚,因此它适于标准的SO8封装或DIP8封装。半桥驱动器需要四个管脚8,7,6和5(VB、HO、VS和LO),电源和回路需要两个管脚1和2(VCC和COM),一个管脚4用于编程最小频率(FMIN)。
这导致只有一个控制管脚3可用于镇流器功能。为了实现这个目的,将压控振荡器模拟输入管脚(VCO)与内部自适应控制系统和方法以及半桥电压感测技术结合使用以实现预热、点燃、运行和故障保护功能。
图1表示该IC的框图,图2是该IC管脚分配的表格。参照图1和2,IC 100具有连接在VCC输入管脚1和VB供电管脚8之间的集成阴极负载二极管11。已知的高侧和低侧半桥驱动电路13具有传统的VB,HO,VS和LO管脚8,7,6和5。高侧浮动返回电压VS由电路15感测,其提供输出给故障逻辑电路17和自适应ZVS/MCS控制电路19。ZVS/MCS电路19的输出提供给VCO 21,VCO 21接收来自FMIN管脚4的另一个输入。在本实施方式中推荐的工作条件,最大绝对额定值,电特性的例子将在关于此所附的表格1,2和3中阐明。
低电压锁定模式
现在参照图10所呈现的状态图,该低电压锁定模式(UVLO)S2被定义为当VCC低于IC的开启阈值时IC 100的状态。低电压锁定被设计用来维持超低供给电流(<200μA),并且保证IC在高侧和低侧输出驱动器13启动之前是完全可操作的。
图3表示IC 100在小型荧光灯(CFL)电路200中的应用,图7表示实现UVLO模式的部件。启动电容器,CVCC由通过供电电阻Rsupply的减去给IC 100的启动电流的电流充电。该电阻的选择要使其能够从DC总线提供充分的电流供给IC 100。CVCC应大到能足够保持电压VCC高于UVLO的临界的线电压的半个周期,因为它只有在峰值时才被充电。一旦在VCC处的电容器电压达到启动临界,IC 100打开,HO和LO开始振荡。
在VCC和VB之间的内部阴极负载二极管11和外部供电电容器CBOOT决定了高侧驱动器电路的供电电压VB。利用电容器CCP和两个二极管DCP1和DCP2的电荷泵电路为低侧驱动器电路提供电压。为了保证在HO管脚的第一脉冲之前为高侧电源充电,输出驱动器的第一脉冲来自LO管脚。
在UVLO模式期间,高侧和低侧驱动器输出HO和LO都为低并且管脚VCO被拉至5V,用于将启动频率复位到最大。
频率扫描模式
当VCC超过UVLO正阈值时(图10中的步骤3),IC 100启动频率扫描模式。内部电流源31通过管脚VCO使外部电容器CVCO放电,VCO 21的电压开始按指数规律地递减(ramping down)。这降低了VCO21的频率,其向高-Q镇流器输出级的谐振频率递减,导致灯电压和负载电流增加。该频率持续增加直到灯33点燃或者达到IC 100的电流极限。如果电流超出这个极限,IC 100进入故障模式(将在下文中讨论)。内部电流感测阈值VCSTH决定镇流器输出级的允许的峰值点燃电流。另一方面,如果灯被成功点燃,VCO 21的电压继续降低直到它达到0.5V并且IC进入自适应模式(也将在下文中讨论)用于维持零电压低电流转换(ZVMCS)。
预热和点燃
在预热和点燃的过程中,VCO管脚3在5V时启动(设定输出频率为最大值)并且按指数规律地递减到0V达到最小频率(图4)。这个过程是通过被内部非线性电流源31放电的外部电容器(CVCO)实现的。因为频率向输出级的高-Q谐振频率递减,所以灯的灯丝33被预热直到灯电压增加到足够高并且灯被点燃。最小化频率由FMIN管脚4处的外部电阻RFMIN设定(programmed),并且应该被设定的低于高-Q输出电路的谐振频率,从而确保频率倾斜通过点燃灯的谐振。最大化频率被内部设定为高于最小化频率固定的边缘值,以保证在初始启动时,灯压较低并且没有穿过电灯的不期望的“闪烁”发生。预热的量和点亮的时间由外部电容器CVCO和VCO管脚3处的电阻设置(programmed)。指数形状的倾斜导致VCO 21快速倾斜通过较高频率,这里跨过谐振输出级的增益低并且有较少的电流用来预热,然后较慢的通过作为输出级的较低频率到达谐振,这里增益较高并且有较高的电流可用来预热。
自适应ZVMCS控制
自适应ZVMCS电路(图9)在VCO21的电压降到0.5V或低于0.5V时,能够允许频率扫描通过谐振并允许灯33被点燃。当灯点燃时,输出级变成低-QRCL电路并且频率下降直到工作点稍高出谐振。
在运行过程中,希望将工作频率设置的尽可能接近过阻尼RCL输出级的谐振频率,同时在半桥M1,M2保持零电压转换(ZVS)(图10的步骤S4)。这是因为输出电流将会几乎与半桥输出电压同相也导致最小电流转换(MCS)。在这个模式下的工作将减小半桥MOSFET M1和M2的转换损失。这个工作点的闭环控制也会保持ZVC和MCS超过部件和灯的生产过程中的容差、随时的线电压变化和灯的变化。
该自适应ZVC和MCS控制是在半桥开关M1,M2的非重叠空载时间过程中通过内部感测VS管脚6处的半桥输出电压实现的。在半桥的每个转换周期内,半桥电压在空载时间变换到相对的轨道(oppositerail)。如果电压还没有完全变换到相对的轨道,则在接通之前适当的开关两端有一个零电压,工作频率距离谐振过远,将该频率调高。
测量操作是在低侧MOSFET M2接通时进行的,减去用于前期检测和安全限度的一个小的延迟(100ns)。如果到此刻电压还没有变换到零,那么由内部MOSFET 35向VCO管脚3发出脉冲电流,这导致外部电容器CVCO被略微充电,因此频率略微增加。然后由于内部电流源31,该VCO电容器CVCO在剩余的周期中慢慢的向COM放电。由于在没有ZVS发生时,平行的电阻器放电VCO电容器CVCO,并且自适应ZVS电路19(图9)促使频率在谐振之上略微回退,频率因此被迫向谐振降低。
在具有改变线情况、部件的容差变化和灯/负载变化(图5和6)的运行和保证ZVS和MCS操作的过程中,电路保持在这个闭环自适应靠近谐振的模式。
尤其是,如果线电压降低,过阻尼谐振频率增加因此电路增加工作频率以维持ZVS和MCS。
用于开发这个IC的600V的制造工艺允许VS管脚6在非重叠空在时间过程中由内部高压MOSFET测量,同时在高侧MOSFET M1被接通并且VS位于DC总线电位时在转换周期的其它部分的过程中,承受得起高DC总线电压。
故障保护
现在将描述故障模式(图10中的步骤S5)。在灯丝完好无损但灯没有点燃的灯非点燃情况下,在点燃灯的过程中,灯电压和输出级电流将会增加直到发生过电流或者谐振感应线圈饱和。为了检测这个情况,IC在低侧MOSFET M2的整个接通的时间(on-time),对VS管脚6执行附加的测量。在LO的接通时间过程中VS管脚的电压由低侧MOSFET给出,因此输出级的电流流过低侧MOSFET M2的导通电阻(RDSon)。以此方式检测半桥电流不需要外部电流检测电阻和在IC上的额外的电流检测管脚。低侧MOSFET M2的RDSon作为电流检测电阻,VS管脚6作为IC100上的电流检测管脚。当VS为低(低侧MOSFET M2为“导通”)以使通过用于执行电流检测的低侧电路进行电压测量时,内部高压MOSFET被接通,并且当VS等于DC总线电压(高侧MOSFET M1为“导通”)时,在承受高压的剩余的转换周期内部高压MOSFET被断开。由于RDSon有正温度系数,内部过电流阈值被设定为较高值(大约5V),这样只有过于危险的电流或电感线圈饱和会超过这个阈值并且不会正常点燃。在LO的接通时间里,如果VS管脚的电压超过内部5V的阈值,则IC将进入故障模式并且两个门驱动器输出将会锁定为“低”。为了将IC重置为预热模式,VCC在低于或高于内部UVLO阈值处反复循环。
如果发生打开灯丝的电灯故障,自适应ZVS/MCS电路19将会把频率转换为最大值试图保持ZVS和MCS。如果频率达到最大值,由VCO管脚3测得的值超过5V,电路将会进入故障模式,并且两个门驱动器输出5,7将会锁定为“低”。为了将IC重置为预热模式,VCC在低于或高于内部UVLO阈值处反复循环。
尽管已经关于其具体实施方式描述了本发明,许多其它的变化和修改以及其它应用对本领域技术人员来说是显而易见的,本发明不局限于这里所公开的具体形式。
Claims (27)
1.一种用于控制电源电路的集成电路,其中电源电路为包括荧光灯的负载电路供电,该集成电路包括:
镇流器控制和驱动电路,提供驱动信号给电源电路,接收表示电源电路和负载电路至少一个的工作状况的感测信号,并且通过修改驱动信号来响应感测信号;
自适应零电压转换和最小电流转换(ZVMCS)电路,其中ZVMCS电路检测电源电路输出,并对其做出响应,控制驱动电路在ZVMCS的条件下维持所述电源电路。
2.如权利要求1所述的集成电路,其中电源电路包括带有低侧和高侧供电装置的半桥电路,驱动信号包括用于控制低侧供电装置的低侧驱动信号和用于控制高侧供电装置的高侧驱动信号;镇流器控制和驱动电路包括用于给低侧供电装置提供低侧驱动信号的低侧驱动输出和用于给高侧供电装置提供高侧驱动信号的高侧驱动输出。
3.如权利要求2所述的集成电路,其中所述ZVMCS电路在其中一个供电装置转换之时检测高侧和低侧供电装置之间的半桥电路的输出电压,并且控制驱动信号从而在所述转换之时将输出电压保持在靠近或等于零。
4.如权利要求2所述的集成电路,其中所述ZVMCS电路在其中一个供电装置转换之时检测高侧和低侧供电装置之间的半桥电路的输出电流,并且控制驱动信号从而在所述转换之时将输出电流保持在靠近或等于零。
5.如权利要求1所述的集成电路,其中所述负载电路具有谐振频率;
所述驱动电路控制所述电源电路在工作频率下供电;
所述ZVMCS电路控制驱动电路将所述工作频率保持在或者靠近所述谐振频率。
6.如权利要求5所述的集成电路,其中所述工作频率被保持在高于但靠近所述谐振频率。
7.如权利要求5所述的集成电路,其中电源电路包括带有低侧和高侧供电装置(power devices)的半桥电路,驱动信号包括用于控制低侧供电装置的低侧驱动信号和用于控制高侧供电装置的高侧驱动信号;镇流器控制和驱动电路包括用于给低侧供电装置提供低侧驱动信号的低侧驱动输出和用于给高侧供电装置提供高侧驱动信号的高侧驱动输出;
所述ZVMCS电路在其中一个供电装置转换之时检测高侧和低侧供电装置之间的半桥电路的输出电压,并且控制驱动信号从而在所述转换之时将输出电压保持在靠近或等于零。
8.如权利要求7所述的集成电路,其中所述ZVMCS电路在其中一个供电装置转换之时检测高侧和低侧供电装置之间的半桥电路的输出电流,并且控制驱动信号从而在所述转换之时将输出电流保持在靠近或等于零。
9.如权利要求5所述的集成电路,其中所述驱动电路的工作频率由压控振荡器(VCO)决定,所述ZVMCS决定供给所述VCO的控制电压。
10.如权利要求9所述的集成电路,其中所述ZVMCS电路增加所述控制电压以提高所述工作频率。
11.如权利要求10所述的集成电路,其中所述控制电压由所述VCO的输入电容器供给,所述ZVMCS将所述电容器充电至较高电压,以增加所述工作频率。
12.如权利要求11所述的集成电路,其中为了给所述电容器提供充电电流,ZVMCS通过开启转换装置给所述电容器充电。
13.一种用于控制电源电路的集成电路,其中电源电路为包括荧光灯的负载电路供电,该集成电路包括:
镇流器控制和驱动电路,提供驱动信号给电源电路,接收表示电源电路和负载电路至少一个的工作状况的感测信号,并且通过修改驱动信号来响应感测信号;
镇流器控制和驱动电路还具有一组模式,它在其中任何模式下都可以操作,镇流器控制和驱动电路使模式之间的晶体管响应感测信号;还包括
自适应零电压转换和最小电流转换(ZVMCS)电路,其中ZVMCS电路检测电源电路输出并响应该输出,控制驱动电路在ZVMCS的条件下来保持电源电路。
14.如权利要求13所述的集成电路,其中所述模式包括低电压锁定模式,频率扫描模式,自适应模式和故障模式。
15.如权利要求13所述的集成电路,其中所述集成电路具有8个管脚;
4个管脚连接到驱动电路;
2个管脚被连接到电源和回路;
2个管脚被用于设定驱动电路的工作频率。
16.如权利要求15所述的集成电路,其中所述驱动电路的工作频率由压控振荡器(VCO)确定,控制电压通过连接到所述2个管脚之一的输入电容器被提供给所述VCO,用以设定工作频率。
17.如权利要求16所述的集成电路,其中所述2个管脚的另一个用于设定所述VCO的最小化频率。
18.如权利要求16所述的集成电路,其中所述ZVMCS电路通过控制对VCO的输入电容器的充电设定所述控制电压。
19.一种控制电源电路的方法,其中电源电路为包括荧光灯的负载电路供电,该方法包括:
提供驱动信号给电源电路,接收指示电源电路和负载电路的至少一个的工作条件的检测信号,通过修改驱动信号而响应检测信号;和
自适应维持零电压转换和最小电流转换(ZVMCS),通过检测电源电路的输出并响应它,控制所述驱动信号在ZVMCS条件下维持电源电路。
20.如权利要求19所述的方法,其中电源电路包括带有低侧和高侧供电装置的半桥电路,驱动信号包括用于控制低侧供电装置的低侧驱动信号和用于控制高侧供电装置的高侧驱动信号;
在其中一个供电装置转换之时通过感测高侧和低侧供电装置之间的半桥电路的输出电压来维持ZVMCS的条件,并且控制驱动信号从而在所述转换之时将输出电压保持在靠近或等于零。
21.如权利要求20所述的方法,其中在其中一个供电装置转换之时通过检测高侧和低侧供电装置之间的半桥电路的输出电流来维持ZVMCS的条件,并且控制驱动信号从而在所述转换之时将输出电流保持在靠近或等于零。
22.如权利要求19所述的方法,其中所述负载电路具有谐振频率;
所述电源电路在工作频率下供电;和
所述工作频率被保持在或者靠近所述的谐振频率。
23.如权利要求22所述的方法,其中所述工作频率被维持在高于但接近所述谐振频率。
24.如权利要求22所述的方法,电源电路包括带有低侧和高侧供电装置的半桥电路,驱动信号包括用于控制低侧供电装置的低侧驱动信号和用于控制高侧供电装置的高侧驱动信号;其中在其中一个供电装置转换之时通过检测高侧和低侧供电装置之间的半桥电路的输出电压来维持ZVMCS的条件,并且控制驱动信号从而在所述转换之时将输出电压保持在靠近或等于零。
25.如权利要求24所述的方法,其中在其中一个供电装置转换之时通过检测高侧和低侧供电装置之间的半桥电路的输出电流来维持ZVMCS的条件,并且控制驱动信号从而在所述转换之时将输出电流保持在靠近或等于零。
26.如权利要求22所述的方法,其中所述工作频率由压控振荡器(VCO)确定,该方法还包括控制提供给VCO的控制电压的步骤。
27.如权利要求26所述的方法,其中所述控制电压由所述VCO的输入电容器提供,还包括为了设定所述工作频率而控制对所述输入电容器的充电的步骤。
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