TW201804717A - 紋波抑制方法、電路及應用其的負載驅動電路 - Google Patents

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Abstract

本發明提供了一種紋波抑制方法、電路及應用其的負載驅動電路，本發明採用開關變換器來緩衝前級信號源的輸出能量，使得所述開關變換器的輸入電壓信號與輸出電壓信號之間的電壓差跟隨所述信號源輸出的紋波信號的變化，從而抑制了負載上的紋波，使的負載電流信號維持為直流量，避免了諸如LED燈類的負載由於負載電流信號存在紋波成分而出現閃爍的現象，且由於所述開關變換器的輸入電壓信號與輸出電壓信號之間的電壓差的平均值為零，使得所述開關變換器不會額外的消耗前級所述信號源輸出的能量。因此，帶所述紋波抑制電路的負載驅動電路的功耗非常低。

Description

紋波抑制方法、電路及應用其的負載驅動電路
本發明涉及電力電子技術，具體涉及一種紋波抑制方法、電路及應用其的負載驅動電路。
驅動LED負載的開關電源的輸出通常含有紋波(ripple)，其中，在輸出電流中會存在工頻或者更低頻的紋波，同時造成輸出電壓也存在紋波。若用這樣的開關電源直接驅動LED負載，必然會使得LED燈出現閃爍或頻閃現象。
傳統的開關電源中，會採用大的電解電容來儲能，為後級LED負載提供直流電壓，這樣使驅動電源的輸出電流紋波很低。但是，採用這種方式無法提供功率因數校正，而且電解電容使用也會影響到電路的壽命。
為了避免大的電解電容的使用，常規的LED的驅動電路中通常會設置紋波抑制電路。如圖1所示，其為現有的一種帶紋波抑制電路的LED驅動電路，該電路的紋波抑制電路包括電晶體Q、低通濾波器和誤差運算放大器AMP。採樣電阻RS採樣流過LED燈串的電流，再經過一 低通濾波器得到LED燈串的平均電流，然後用該平均電流與RS採樣到的採樣電流的差值去控制電晶體Q的閘極電壓，以控制電晶體Q的汲極端(電晶體Q的源極接地)電壓跟隨直流變換器的輸出電壓VOUT紋波的變化，從而最終實現LED電流為一直流量。
然而，上述這種採用電晶體的汲極電壓跟隨輸出電壓紋波的變化來抑制LED驅動電流的紋波的方式，電晶體的耗能較大，且對電晶體的散熱性能也需要較高的要求，需要更大尺寸的封裝來確保電晶體的散熱性能。
有鑑於此，本發明提供了一種紋波抑制電路及應用其的驅動電路，以提高一種紋波抑制方法，其特徵在於，包括：將開關變換器與負載串聯在信號源的輸出端之間，控制所述開關變換器的輸入端的電壓信號與輸出端的電壓信號之間的電壓差跟隨所述信號源輸出的紋波信號的變化，使得流過所述負載的負載電流信號維持為直流量。
較佳地，控制所述電壓差的平均值為零。
較佳地，控制所述電壓差跟隨所述信號源輸出的紋波信號的變化步驟包括：在所述紋波信號大於預定值信號期間，控制所述開關變換器儲存部分所述信的輸出能量，在所述紋波信號的值小於所述預定值信號期間，控制 所述開關變換器釋放能量，以與所述信號源共同向所述負載提供能量。
較佳地，通過檢測所述負載電流信號來判斷所述紋波信號與所述預定值信號的關係，在所述負載電流信號大於參考電流信號期間，所述紋波信號大於所述預定值信號，控制所述開關變換器儲存所述輸出能量的大小跟隨所述負載電流信號與參考電流信號的差值的變化，在所述負載電流信號小於參考電流信號期間，所述紋波信號小於所述預定值信號，控制所述開關變換器釋放能量的大小跟隨所述參考電流信號與所述負載電流信號的差值的變化。
較佳地，在第一電壓信號大於參考電壓信號期間，所述參考電流信號增加的速度跟隨所述第一電壓信號與參考電壓信號的差值的變化，在所述第一電壓信號小於所述參考電壓信號期間，所述參考電流信號減小的速度跟隨所述參考電壓信號與第一電壓信號的差值的變化，其中，所述第一電壓信號為所述開關變換器的輸入端或輸出端的電壓信號。
較佳地，將所述開關變換器的輸入端與所述負載的電流輸出端相連，所述開關變換器的輸出端與所述信號源的輸出端的負端相連。
較佳地，濾去所述紋波信號中的直流成分，以獲得交 流信號，將所述交流信號作為所述開關變換器輸入端的電壓信號的參考信號，並根據所交流信號與所述開關變換器的輸入端的電壓信號之間的誤差補償信號控制所述開關變換器進行所述的儲存與釋放能量的動作。
較佳地，所述預定值信號的值等於所述紋波信號的平均值。
一種紋波抑制電路，其特徵在於，包括開關變換器，所述開關變換器與負載串聯在信號源的輸出端之間，其中，所述開關變換器的輸入端的電壓信號與輸出端的電壓信號之間的電壓差跟隨所述信號源輸出的紋波信號的變化，使得流過所述負載的負載電流信號維持為直流量。
較佳地，所述電壓差的平均值為零。
較佳地，所述開關變換器包括功率級電路和控制電路，所述控制電路控制所述功率級電路在所述紋波信號大於預定值信號期間儲存部分所述信號源的輸出能量，在所述紋波信號的值小於所述預定值信號期間，釋放能量，以與所述信號源共同向所述負載提供能量。
較佳地，所述控制電路根據所述負載電流信號來判斷所述紋波信號與預定值信號的關係，在所述負載電流信號大於參考電流信號期間，所述紋波信號大於所述預定值信號，所述控制電路控制所述功率級電路儲存所述輸出能量的大小跟隨所述負載電流信號與 參考電流信號的差值的變化，在所述負載電流信號小於參考電流信號期間，所述紋波信號小於所述預定值信號，所述控制電路控制所述功率級電路釋放能量的大小跟隨所述參考電流信號與所述負載電流信號的差值的變化。
較佳地，所述控制電路包括第一誤差補償電路，以用於產生所述參考電流信號與負載電流信號之間誤差的補償信號，在所述參考電流信號大於所述負載電流信號期間，所述補償信號的值增加的速度跟隨所述參考電流信號與所述負載電流信號的差值的變化，所述補償信號的值越大，所述功率級電路向所述負載釋放的能量越大，使得所述負載電流信號增加，在所述參考電流信號小於所述負載電流信號期間，所述補償信號的值減小的速度跟隨所述負載電流信號與所述參考電流信號的差值的變化，所述補償信號的值越小，所述功率級電路儲存的所述輸出能量越大，使得所述負載電流信號減小。
較佳地，所述第一誤差補償電路包括反饋電路、第一誤差放大器、第一補償電容，所述反饋電路接收所述負載電流信號，以產生所述負載電流信號的反饋信號，所述第一誤差放大器的第一輸入端接收所述反饋信號，第二輸入端接收所述參考電流信號的表徵信號，輸出 端輸出第一誤差信號，所述第一補償電容與所述第一誤差放大器的輸出端相連，接收所述第一誤差信號，以產生所述補償信號。
較佳地，所述控制電路還包括第二誤差補償電路，用於產生所述表徵信號，在第一電壓信號大於參考電壓信號期間，所述表徵信號增加的速度跟隨所述第一電壓信號與參考電壓信號的差值的變化，在所述第一電壓信號小於所述參考電壓信號期間，所述表徵信號減小的速度跟隨所述參考電壓信號與第一電壓信號的差值的變化，其中，所述第一電壓信號為所述開關變換器的輸入端或輸出端的電壓信號。
較佳地，所述開關變換器的輸入端與所述負載的電流輸出端相連，所述開關變換器的輸出端與所述信號源的輸出端的負端相連。
較佳地，所述控制電路包括濾波電路和第三誤差補償電路，所述濾波電路接收所述紋波信號，以濾去所述紋波信號中的直流成分，從而產生交流信號，所述第三誤差補償電路用於產生所述交流信號與所述開關變換器的輸入端的電壓信號之間誤差的補償信號，所述控制電路根據所述補償信號，控制所述功率級電路進行所述的儲存和釋放能量的動作，以控制所述開關變 換器的輸入端的電壓信號跟隨所述交流信號的變化，使得所述負載電流信號維持為直流量。
較佳地，所述功率級電路的拓撲類型選自Buck-Boost、Flyback以及Sepic中的一種。
較佳地，所述功率級電路包括第一開關管、第二開關管、電感、第一電容、第二電容，第一整流管、第二整流管，所述第一電容的第一端與所述負載的電流輸出端相連，第二端與所述信號源的輸出端的負端相連，所述第一整流管的電流輸入端與所述第一電容的第一端相連，電流輸出端與電感的第一端相連，所述電感的第二端通過所述第一開關管與所述第一電容的第二端相連，所述第二電容的第一端與所述第一電容的第二端相連，第二端通過所述第二開關管與所述電感的第一端相連，所述第二整流管的電流輸入端與所述電感的第二端相連，電流輸出端與所述第二電容的第二端相連。
較佳地，所述預定值信號的值等於所述紋波信號的平均值。
一種負載驅動電路，其特徵在於，包括信號源和申請專利範圍第9至20項中任意一項的紋波抑制電路，所述紋波抑制電路與負載串聯連接在所述信號源的輸出端之間， 所述信號源向所述負載輸出紋波信號，所述紋波抑制電路用於消除所述負載上的紋波，以使得流過所述負載的負載電流信號維持為直流量。
較佳地，所述信號源包括PFC(功率因數校正)轉換器和輸出電容，所述輸出端電容的正端與所述PFC轉換器的輸出端相連，負端為所述信號源的輸出端的負端。
由上可見，本發明採用開關變換器來緩衝前級信號源的輸出能量，使得所述開關變換器的輸入電壓信號與輸出電壓信號之間的電壓差跟隨所述信號源輸出的紋波信號的變化，從而抑制了負載上的紋波，使的負載電流信號維持為直流量，避免了諸如LED燈類的負載由於負載電流信號存在紋波成分而出現閃爍的現象，且由於所述開關變換器的輸入電壓信號與輸出電壓信號之間的電壓差的平均值為零，使得所述開關變換器不會額外的消耗前級所述信號源輸出的能量。因此，帶所述紋波抑制電路的負載驅動電路的功耗非常低。
1‧‧‧PFC轉換器
2‧‧‧開關變換器
211‧‧‧反饋電路
212‧‧‧第二誤差放大器
213‧‧‧第一誤差放大器
214‧‧‧PWM邏輯電路
221‧‧‧濾波電路
222‧‧‧第三誤差補償電路
223‧‧‧PWM邏輯電路
AMP‧‧‧誤差運算放大器
Ca‧‧‧電容
Cb‧‧‧電容
CBUF‧‧‧電容
CBUS‧‧‧電容
CCOMPA‧‧‧電容
CCOMPB‧‧‧電容
CI1‧‧‧電容
CI2‧‧‧電容
CI3‧‧‧電容
CIN‧‧‧電容
Cm3‧‧‧電容
CO1‧‧‧電容
CO2‧‧‧電容
CO3‧‧‧電容
Da1‧‧‧二極體
Da2‧‧‧二極體
Da3‧‧‧二極體
Da4‧‧‧二極體
Db1‧‧‧二極體
Db4‧‧‧二極體
GMA‧‧‧跨導放大器
GMB‧‧‧跨導放大器
La1‧‧‧電感
La2‧‧‧電感
La3‧‧‧電感
La4‧‧‧電感
Lb2‧‧‧電感
Lb3‧‧‧電感
Lb4‧‧‧電感
Q‧‧‧電晶體
Qa1‧‧‧開關管
Qa2‧‧‧開關管
Qa3‧‧‧開關管
Qa4‧‧‧開關管
Qb1‧‧‧開關管
Qb4‧‧‧開關管
Ra‧‧‧電阻
Rs‧‧‧電阻
Ta2‧‧‧變壓器
圖1為現有的一種帶紋波抑制電路的LED驅動電路；圖2為依據本發明實施例的負載驅動電路結構方塊圖；圖3為圖2所示的負載電流驅動電路的工作波形圖； 圖4為依據本發明實施例的一種負載驅動電路的電路圖；圖5為圖4所示的負載驅動電路的中的紋波抑制電路的控制電路圖；圖6為圖5所示的控制電路的波形圖；圖7為帶用電壓控制方式控制的紋波抑制電路的負載驅動電路圖；圖8為依據本發明實施例的一種負載驅動電路的電路圖；圖9為依據本發明實施例的一種負載驅動電路的電路圖；圖10為依據本發明實施例的一種負載驅動電路的電路圖。
以下結合圖式對本發明的幾個較佳實施例進行詳細描述，但本發明並不僅僅限於這些實施例。本發明涵蓋任何在本發明的精髓和範圍上做的替代、修改、等效方法以及方案。為了使公眾對本發明有徹底的瞭解，在以下本發明較佳實施例中詳細說明了具體的細節，而對本領域技術人員來說沒有這些細節的描述也可以完全理解本發明。
本發明提供可一種紋波抑制方法，以在信號源輸出的紋波信號給所述負載供電期間，抑制所述負載上的紋波，使得流過所述負載的電流信號維持為一直流量。其中，在 本發明的所有實施例中，所述負載以LED燈為例，所述信號源以AC-DC開關電源為例。AC-DC開關電源將交流市電轉換成直流電壓給LED燈供電，並向LED燈提供驅動電流。LED燈的亮度與流過其電流的大小相關，為了使LED燈不閃爍，就需要維持其電流為一直流量。然而，AC-DC開關電源輸出的電壓信號並非一個純直流電壓，而是一個帶有紋波的紋波信號，會使得流過LED燈的電流也會存在紋波。根據本發明所提供的紋波抑制方法，可抑制流過LED燈的電流中的紋波。
根據本發明實施例提供的紋波抑制方法主要包括：將開關變換器與LED燈串聯在AC-DC開關電源的輸出端之間，然後，控制所述開關變換器的輸入端的電壓信號與輸出端的電壓信號之間的電壓差跟隨所述AC-DC開關變換器輸出的紋波信號的變化，使得流過所述LED燈的負載電流信號維持為直流量。
在本發明中，前級AC-DC開關電源、開關變換器以及LED燈構成了一個回路，所述回路中的電流為流過LED燈的負載電流，因此所述開關變換器的輸入電壓信號與輸出電壓信號之間的電壓差值跟隨前級AC-DC開關電源的紋波信號的變化時，LED燈兩端的電壓差維持為直流量，則使得流過LED燈的負載電流信號也維持為直流量，從而消除了LED燈的閃頻現象。此外，在本發明中，還可控制所述開關變換器的輸入電壓信號與輸出電壓信號之間的電壓差正負變換，最終使得所述電壓差的平均 值為零。因此，所述開關變換器整體來說並不消耗能量，即不會引起所述紋波信號的平均值的增加。
在本發明中，使所述電壓差值跟隨所述紋波信號的變化的具體實現方法為：在所述紋波信號大於在前級AC-DC開關電源的輸出能量過大期間，如所述紋波信號大於預定值信號期間，所述負載電流信號會大於參考電流信號，此期間，使所述開關變換器儲存前級AC-DC開關電源輸出的部分輸出能量，以降低所述負載電流信號。而在前級AC-DC開關電源的輸出能量過小期間，如所述紋波信號小於所述預定值信號時，所述負載電流信號會大於參考電流信號，此期間，使所述開關變換器向LED燈釋放能量，以與前級AC-DC開關電源共同為LED燈提供能量，以增加所述負載電流信號。其中，當所述紋波信號為電壓信號時，所述預定值信號是指所述LED燈正常工作時，AC-DC開關電源理想狀態下需要輸出的電壓，即在所述負載不變的情況下，所述預定值信號為一個值等於所述紋波信號的平均值直流信號，而所述參考電流信號為所述負載電流的參考信號。
由於所述紋波信號與所述預定值信號的關係和所述負載電流信號與所述參考電流信號之間的關係是相對應的，因此，在本發明中，通過檢測所述負載電流信號來判斷所述紋波信號與所述預定值信號的關係，並控制所述開關變換器進行相應的動作。具體的，在所述負載電流信號大於所述參考電流信號期間，說明所述紋波信號大於所述預定 值信號，此時間裡，控制所述開關變換器儲存所述輸出能量的大小跟隨所述負載電流信號與參考電流信號的差值的變化，即所述負載電流信號比所述參考電流信號大得越多，則需要使所述開關變換器儲存前級AC-DC開關電源輸出的輸出能量也越多，使得落在所述LED燈上的能量減小得也越多，從而使得所述負載電流信號下降得也越多，以使所述負載電流信號的值儘快的下降為所述參考電流信號的值。而在所述負載電流信號小於參考電流信號期間，說明所述紋波信號小於所述預定值信號，在此時間裡，控制所述開關變換器釋放能量的大小跟隨所述參考電流信號與所述負載電流信號的差值的變化，即所述負載電流信號比所述參考電流信號的值小得越多，則需要所述開關變換器釋放的能量也越多，使得所述LED燈上的能量增加得也越多，從而使得所述負載電流信號上升得也越多，以使所述負載電流信號儘快的上升為所述參考電流信號的值。
在本發明中，為了所述開關變換器的輸入電壓信號與輸出電壓信號具有一定的變化範圍，以使得二者的電壓差值可跟隨紋波幅度變化範圍較大的所述紋波信號的變化，可使所述開關變換器的輸入電壓信號與輸出電壓信號之一作為第一電壓信號，然後根據所述第一電壓信號與參考電壓信號來調整所述參考電流信號。具體的，在所述第一電壓信號大於所述參考電壓信號期間，所述參考電流信號增加的速度跟隨所述第一電壓信號與參考電壓信號的差值的 變化，在所述第一電壓信號小於所述參考電壓信號期間，所述參考電流信號減小的速度跟隨所述參考電壓信號與第一電壓信號的差值的變化。
在依據本發明提供的所述紋波抑制方法實施例中，將所述開關變換器的輸入端與所述LED燈的電流輸出端(LED燈的陰極端)相連，所述開關變換器的輸出端與所述AC-DC功率轉換器的輸出端的負端相連。在此實施例中，所述開關變換器的輸入電壓信號為所述LED燈的陰極端處的電壓信號，而所述LED燈的陽極端處的電壓信號為所述紋波信號，只要控制所述開關變換器的輸入端的電壓信號等於所述紋波信號中的交流成分即可使得所述LED上的電壓為直流量。因此，在本實施例中，可通過採樣所述紋波信號，並濾去所述紋波信號中的直流成分，以獲得交流信號，然而將所述交流信號作為所述開關變換器輸入端的電壓信號的參考信號，並根據所交流信號與所述開關變換器的輸入端的電壓信號之間的誤差補償信號控制所述開關變換器進行所述的儲存與釋放能量的動作，以控制所述負載電流維持為直流量。
基於上述紋波抑制方法，本發明還提供了一種紋波抑制電路，以在信號源給負載提供能量的過程中，抑制流過負載的負載電流信號中的紋波成分，使得所述負載電流信號維持為直流量。
圖2為包括依據本發明實施例的紋波抑制電路的負載驅動電路結構示意圖。在本實施例中，所述信號源以AC- DC開關電源為例，而負載為LED燈。圖2僅示出了AC-DC開關電源的PFC(功率因數校正)轉換器1和輸出電容CBUS，事實上AC-DC開關電源還包括整流橋，交流市電經過所述整流橋整流後，由經PFC轉換器1和輸出電容CBUS轉換成帶紋波的紋波信號VOUT(電壓信號)。PFC轉換器1的輸出端與輸出電容CBUS的正端相連，以輸出流向所述輸出電容CBUS的正端的輸出電流信號IOUT，使得輸出電容CBUS的正端輸出紋波信號VOUT，即輸出電容CBUS的正端為AC-DC開關電源的輸出端的正端，而輸出電容CBUS的負端(電容CBUS的兩端中電壓較低的一端)在本實施例中為所述AC-DC開關電源的輸出端的負端。
如圖2所示，依據本發明實施例提供的紋波抑制電路包括與LED燈串聯後連接在所述AC-DC開關電源開的輸出端之間關變換器2，其中，開關變換器2的輸入端的電壓信號VI與輸出端的電壓信號VO之間的電壓差跟隨所述信號源輸出的紋波信號VOUT的變化，也就是跟隨輸出電容CBUS上的電壓的變化，使得流過LED燈的負載電流信號ILED維持為直流量。
在本實施例中，開關變換器2連接在輸出電容CBUS的負端與LED燈的電流輸出端之間，且開關變換器2的輸入端為與LED燈相連的一端，輸出端為與輸出電容CBUS相連的一端，而在其它實施例中開關變換器2也可連接在輸出電容CBUS的正端與LED燈的電流輸入端之間。
圖3為圖2所示的負載電流驅動電路的工作波形圖。下面將結合圖2與圖3來闡述本發明提供的紋波抑制電路抑制紋波的原理。
前級AC-DC開關電源、開關變換器2以及LED燈構成了一個回路，所述回路中的電流為流過LED燈的負載電流ILED。如圖3所示，當開關變換器2的輸入電壓信號VI與輸出電壓信號VO之間的電壓差VI-VO跟隨紋波信號VOUT的變化時，即跟隨輸出電容CBUS上的電壓VOUT-VO變化時，LED燈上的電壓VOUT-VI為一個直流電壓，因此，負載電流信號ILED燈為一個直流量，從而可避免了LED燈出現閃爍的現象。此外，如圖3所示，在本發明中，開關變換器2的輸入電壓信號VI與輸出電壓信號VO之間的電壓差VI-VO正負變換，最終使得VI-VO的平均值為零。因此，所述開關變換器整體來說並不消耗能量，即不會引起所述紋波信號VOUT的平均值的增加。
在本發明中，開關變換器2進一步包括功率級電路和控制電路，所述控制電路控制所述功率級電路在紋波信號VOUT大於所述預定值信號期間儲存AC-DC開關電源輸出的部分輸出能量，在紋波信號VOUT的值小於所述預定值信號期間，釋放能量，以與AC-DC開關電源共同向LED燈提供能量。具體的，所述控制電路根據所述負載電流信號來判斷紋波信號VOUT與預定值信號的關係，在負載電流信號ILED大於參考電流信號期間，說明紋波信號VOUT大於所述預定值信號，所述控制電路控制所述功率級電路 儲存AC-DC開關電源的輸出能量的大小跟隨負載電流信號ILED與所述參考電流信號的差值的變化，在負載電流信號ILED小於所述參考電流信號期間，說明紋波信號VOUT小於所述預定值信號，所述控制電路控制所述功率級電路釋放能量的大小跟隨所述參考電流信號與負載電流信號ILED的差值的變化。
由於開關變換器2輸入電壓信號VI與輸出電壓信號VO之差需要正負變換，因此開關變換器2是一種既具有升壓功能又具有降壓功能的升降壓變換器。具體的，開關變換器2中的功率級電路的拓撲類型可以為Buck-Boost、Flyback以及Sepic中的一種，或者可以為其它任何一種可滿足升降壓功能的拓撲類型。
圖4為依據本發明實施例提供的一種負載驅動電路。在圖4所示的電路中，給出了開關變換器2的功率級電路的具體結構圖，在本實施例中，功率級電路的拓撲類型為Buck-Boost型。
如圖4所示，開關變換器2的功率級電路包括開關管Qa1(由PWMa1信號控制)、開關管Qb1(由PWMb1信號控制)、電感La1、電容CI1、電容CO1、第一整流管(如二極體Da1)、第二整流管(如二極體Db1)。其中，電容CI1的第一端接地，第二端端與LED燈的陰極端相連以作為開關變換器2的輸入端，該端處的電壓信號為輸入電壓信號VI，開關管Qa1的的第一端與電容CI1的第二端相連，第一端通過電感La1與二極體Da1的陽極相連，二極 體Da1的陰極與電容CO1的第一端相連，且二者相連的節點處與輸出電容CBUS的負端相連，該處的電壓為開關變化器2的輸出電壓信號VO，電容CO1的第二端接地，開關管Qb1連接在二極體Db1的陽極與接地端之間，二極體Da1的陽極與開關管Qa1的第二端相連，陰極接地。開關變換器2的輸入電流信號為II，輸出電流信號為IO，顯然輸入電流信號II與輸出電流信號IO均與負載電流信號ILED相等。
電容CI1的值設置得比較小，用於濾去開關電流，而電容CO1的容值設置得比較大，用於緩衝前級AC-DC開關電源的輸出功率。通過控制開關管Qa1與Qb1的占空比，使得輸入電壓信號VI與輸出電壓信號VO之間的差值VI-VO的變化跟隨VOUT-VO的變化，從而使得輸入電壓信號VI跟隨紋波信號VOUT的變化，使得LED燈兩端的電壓差VOUT-VI為直流電壓，以實現負載電流ILED為了直流量，以消除LED燈的閃屏。
由於VI-VO的值正負變換，因此可以將開關變換器2的工作狀態分為以下兩種工作狀態。
第一種為VI大於VO期間，對應前級AC-DC開關電源的輸出能量偏大，即紋波信號VOUT大於所述預定值信號，此時開關變換器2工作在Buck狀態，使得AC-DC開關電源輸出的多餘(維持負載電流信號ILED為參考電流信號所需的能量之外的部分)的能量通過電容CO1來儲存，則在一個開關週期中： ILED=II=IO=IL×D1其中，D1為開關管Qa1的占空比，IL為流過電感La1的電流；ICO1=IL-IO=IL×(1-D1)；其中，ICO1為流過電容CO1的電流。
第二種為VI小於VO期間，對應前級AC-DC開關電源的輸出能量偏小，即紋波信號VOUT小於所述預定值信號，此時開關變換器2工作在Boost狀態，使得開關變換器2儲存在電容CO1上的能量釋放到LED燈上，以與AC-DC開關電源共同向LED燈提供能量，則在一個開關週期中：ILED=II=IO=IL；其中，IL為流過電感La1的電流；ICO1=IL×(1-D2)=-IL×D1；其中，ICO1為流過電容CO1的電流，D2為開關管Qb1的占空比為。
由上可見，用於控制所述功率級電路進行上述的儲存與釋放能量動作的控制電路可主要包括包括第一誤差補償電路，以用於產生所述參考電流信號與負載電流信號ILED之間誤差的補償信號，在所述參考電流信號大於負載電流信號ILED期間，所述補償信號的值增加的速度跟隨所述參考電流信號與負載電流信號ILED的差值的變化，所述補償信號的值越大，所述功率級電路向LED燈釋放的能量越大，使得負載電流信號ILED增加；在所述參考電流信號小於負載電流信號ILED期間，所述補償信號的值減小的速度跟隨負載電流信號ILED與所述參考電流信號的差值的變化，所述補償信號的值越小，所述功率級電路儲存的所述 輸出能量越大，使得負載電流信號ILED減小。
具體如圖5所示，其為所述控制電路的一種具體實現方式。在圖5中，所述第一補償電路主要包括反饋電路211、第一誤差放大器213、第一補償電容CCOMPB。反饋電路211接收所述負載電流信號ILED，以產生負載電流信號的反饋信號VFB；第一誤差放大器213，如可跨導放大器GMB，其第一輸入端(如反相輸入端)接收反饋信號VFB，第二輸入端(如同相輸入端)接收所述參考電流信號的表徵參考信號VIREF，輸出端輸出第一誤差信號(跨導放大器GMB輸出的跨導電流)，第一補償電容CCOMPB與第一誤差放大器213的輸出端相連，接收所述第一誤差信號，以產生補償信號VC。此外，所述控制電路還進一步包括PWM邏輯電路214，以根據補償信號VC產生PWMa1信號、PWMb1信號以分別去控制開關管Qa1、Qb1的開關狀態，其中開關管Qa1、Qb1的占空比與補償信號VC的波形圖如圖6所示，令在ta時刻補償信號VC為初始值，此時若開關變換器2的輸出能量偏大，使得負載電流信號ILED大於所述參考電流，補償信號VC減小，所述控制電路根據補償信號VC控制開關管Qa1的的占空比D1隨著VC的減小而減小，使得開關變換器2處於Buck(降壓)工作狀態，此時期間D2為零，以儲存AC-DC開關電源輸出的多餘能量，若此時開關變換器2的輸出能量偏小，使得負載電流信號ILED小於所述參考電流，補償信號VC增加，所述控制電路根據補償信號VC控制開關管Qb1 的的占空比D2隨著VC的增加而增加，使得開關變換器2處於Boost(升壓)工作狀態，以向LED燈釋放能量。由此可見，所述控制電路根據補償信號VC調整D1、D2的值，最終可將負載電流信號ILED調整得維持為所述參考電流信號。
為了使輸入電壓信號VI與輸出電壓信號VO具有一定的電壓變化範圍，以使確保VI與VO之間的電壓差值可跟隨紋波幅度變化範圍更大的紋波信號VOUT的變化。所述的控制電路還可進一步包括第二誤差補償電路，以用於產生所述表徵信號，使得在第一電壓信號大於參考電壓信號期間，所述表徵信號增加的速度跟隨所述第一電壓信號與參考電壓信號的差值的變化，在所述第一電壓信號小於所述參考電壓信號期間，所述表徵信號減小的速度跟隨所述參考電壓信號與第一電壓信號的差值的變化，其中，所述第一電壓信號為所述開關變換器2的輸入電壓信號V1與輸出電壓信號VO之一。
具體的，如圖5所示，所述第二誤差補償電路包括第二誤差放大器212和第二補償電容CCOMPA。第二誤差放大器212可以為跨導放大器GMA，其第一輸入端(如反相輸入端)接收所述參考電壓信號VREF，第二輸入端(如同相輸入端)接收輸出電壓信號VO(在其它實施例中也可接收輸入電壓信號VI)，輸出端輸出第二誤差信號(跨導放大器CCOMPA輸出的跨導電流)，第二補償電容CCOMPA與第二誤差放大器212的輸出端相連，接收所述第 二誤差信號，以產生所述表徵信號VIREF。其中，所述表徵信號與所述參考電流信號的比值等於所述反饋信號與負載電流信號ILED的比值。
綜上所述，圖5所示的控制電路實際上包括兩個控制環路，即由第一誤差放大器213構成的快環和由第二誤差放大器212構成的慢環。對於外環來說，當輸出電壓信號VO大於參考電壓信號VREF時，說明所述開關變換器2儲存的能量過多，此時，負載電流信號ILED的平均值小於前級AC-DC開關電源提供的電流IOUT，此時調節表徵信號VIREF增加，使的開關變換器2更多的工作在Boost狀態，反之更多的工作在Buck狀態，最終以使的輸出電壓信號VO的值最終穩定為參考電壓信號VREF。而對於快環而言，反饋信號VFB與表徵信號VIREF不斷的進行誤差計算，以產生補償信號VC來控制D1、D2，使得開關變換器2處於相應的狀態來調節負載電流信號ILED維持為直流量。
圖5所示的控制電路是通過採樣電流的方式來實現對開關變換器2的控制，但是在本發明中，控制所述開關變換器2的輸入電壓信號VI與輸出電壓信號VO的差值跟隨紋波信號VOUT的變化的具體控制方式不限定，如還可以以採樣電壓的方式來進行控制，具體如圖7所示，其為根據紋波信號VOUT來進行控制的負載電流驅動電路的結構示意圖。
在圖7中省略了前級AC-DC開關電源的部分結構， 且所述的功率級電路與圖4所示的相同，此外，在圖7中還示出了所述開關變換器的控制電路部分的示意圖。如圖7所示，所述控制電路包括濾波電路221、第三誤差補償電路222，還進一步包括PWM邏輯電路223。其中，濾波電路221接收紋波信號VOUT，以濾去紋波信號VOUT中的直流成分，從而產生交流信號。第三誤差補償電路222用於產生所述交流信號與所述開關變換器的輸入端的電壓信號之間誤差的補償信號VC1。所述PWM邏輯電路根據補償信號VC1產生PWMa1信號、PWMb1信號以控制開關管Qa1、Qb1的開關狀態，使得所述開關變換器中的功率級電路進行所述的儲存和釋放能量的動作，以控制所述開關變換器的輸入端的電壓信號跟隨所述交流信號的變化，使得負載電流信號ILED維持為直流量。
上述主要以Buck-Boost類型的開關變換器構成的紋波抑制電路為例，此外，本發明還提供了多種帶其它類型的開關變換器構成的紋波抑制電路的負載驅動電路，下面例舉其中的幾種。
圖8為依據本發明實施例的一種負載電流驅動電路的簡化結構示意圖。圖8與圖4不同的地方在於所述開關變換器2的功率級電路為為flyback拓撲類型，其餘相同。所述功率級電路包括電容CI2、電容CO2、開關管Qa2、整流管(如二極體Da2)以及變壓器Ta2。具體的，電容CI2的第一端與LED燈的陰極相連，第二端接地，電容CO2的第一端與輸出電容CBUS的負端相連，第二端接地，二 極體Da2的陰極與電容CO2的第一端相連，陽極與變壓器Ta2的副邊繞組La2的第一端相連，副邊繞組La2的第二端接地，變壓器Ta2的原邊繞組Lb2的第一端通過開關管Qa2接地，第二端與電容CI2的第一端相連。通過PWMa2信號控制開關管Qa2的占空比，使得電容CO2進行儲存和釋放能量，使得所述開關變換器的輸入電壓信號VI與輸出電壓信號VO的差值跟隨紋波信號VOUT的變化，可將負載電流信號ILED調節為直流量。所述開關變換器的具體的控制方式可參考圖5或圖7中所示的控制電路。
圖9為依據本發明實施例的一種負載電流驅動電路的簡化結構示意圖。圖9與圖4不同的地方在於所述開關變換器2的功率級電路為為Sepic拓撲類型，其餘相同。如圖9所示，開關變換器2的功率級電路包括開關管Qa3(由PWMa3信號控制)、電容Cm3、電感La3、電感Lb3、電容CI3、電容CO3、整流管(如二極體Da3)。其中，電容CI3的第一端接地，第二端與LED燈的陰極端相連，電感La3的第一端與電容CI3的第二端相連，第二端通過開關管Qa3接地，電容Cm3的第一端與電感La3的第二端相連，第二端通過電感Lb3接地，二極體Da3的陽極與電容Cm3的第二端相連，陰極與電容CO3的第一端相連，且二者相連的節點處與輸出電容CBUS的負端相連，電容CO3的第二端接地。通過PWMa3信號控制開關管Qa3的占空比，使得電容CO3進行儲存和釋放能量，使得開關變換器2的輸入電壓信號VI與輸出電壓信號VO的差值跟隨紋波信 號VOUT的變化，以將負載電流信號ILED調節為直流量。開關變換器2的具體的控制方式可參考圖5或圖7中所示的控制電路。
圖10為依據本發明實施例的一種負載電流驅動電路的簡化結構示意圖。圖10與圖4不同的地方在於開關變換器2的功率級電路拓撲類型不同，其餘相同。如圖9所示，開關變換器2的功率級電路包括開關管Qa4、開關管Qb4、電感La4、電容CIN、電容CBUF，整流管Da4、整流管Db4。其中，電容CIN的第一端與LED燈的電流輸出端相連，第二端與輸出電容CBUS的負端相連(二者可均接地)，整流管Da4的電流輸入端與所述電容CIN的第一端相連，電流輸出端與電感La4的第一端相連，電感La4的第二端通過所述開關管Qb4與所述電容CIN的第二端相連，所述電容CBUF的第一端與電容CIN的第二端相連，第二端通過開關管Qa4與電感La4的第一端相連，整流管Db4的電流輸入端與電感La4的第二端相連，電流輸出端與電容CBUF的第二端相連。通過PWMa4信號控制開關管Qa4的占空比，使得電容CBUF進行儲存和釋放能量，使得開關變換器2的輸入電壓信號VI與輸出電壓信號VO的差值跟隨紋波信號VOUT的變化，以將負載電流信號ILED調節為直流量。開關變換器2的具體的控制方式可參考圖5或圖7中所示的控制電路。
需要說明的是，在本發明中，A跟隨B的變化是指A與B同步變化，即A增加，B也增加，A減小B也減 小。
由上可見，依據本發明提供的紋波抑制電路由於採用開關變換器來緩衝前級信號源的輸出能量，使得所述開關變換器的輸入電壓信號與輸出電壓信號之間的電壓差跟隨所述信號源輸出的紋波信號的變化，從而抑制了負載上的紋波，使的負載電流信號維持為直流量，避免了諸如LED燈類的負載由於負載電流信號存在紋波成分而出現閃爍的現象，且由於所述開關變換器的輸入電壓信號與輸出電壓信號之間的電壓差的平均值為零，使得所述開關變換器不會額外的消耗前級所述信號源輸出的能量。因此，帶所述紋波抑制電路的負載驅動電路的功耗非常低。
以上對本發明的實施例進行了描述。但是，這些實施例是為了說明的目的，而並非為了限制本發明的範圍。本發明的範圍由申請專利範圍及其均等物限定。不脫離本發明的範圍，本項技術領域人士可以做出多種替代和修改，這些替代和修改都應落在本發明的範圍之內。
1‧‧‧PFC轉換器
2‧‧‧開關變換器
CBUS‧‧‧電容

Claims (22)

  1. 一種紋波抑制方法，其特徵在於，包括：將開關變換器與負載串聯在信號源的輸出端之間，控制該開關變換器的輸入端的電壓信號與輸出端的電壓信號之間的電壓差跟隨該信號源輸出的紋波信號的變化，使得流過該負載的負載電流信號維持為直流量。
  2. 根據申請專利範圍第1項的紋波抑制方法，其中，控制該電壓差的平均值為零。
  3. 根據申請專利範圍第2項的紋波抑制方法，其中，控制該電壓差跟隨該信號源輸出的紋波信號的變化步驟包括：在該紋波信號大於預定值信號期間，控制該開關變換器儲存部分該信的輸出能量，在該紋波信號的值小於該預定值信號期間，控制該開關變換器釋放能量，以與該信號源共同向該負載提供能量。
  4. 根據申請專利範圍第3項的紋波抑制方法，其中，通過檢測該負載電流信號來判斷該紋波信號與該預定值信號的關係，在該負載電流信號大於參考電流信號期間，該紋波信號大於該預定值信號，控制該開關變換器儲存該輸出能量的大小跟隨該負載電流信號與參考電流信號的差值的變化，在該負載電流信號小於參考電流信號期間，該紋波信 號小於該預定值信號，控制該開關變換器釋放能量的大小跟隨該參考電流信號與該負載電流信號的差值的變化。
  5. 根據申請專利範圍第4項的紋波抑制方法，其中，在第一電壓信號大於參考電壓信號期間，該參考電流信號增加的速度跟隨該第一電壓信號與參考電壓信號的差值的變化，在該第一電壓信號小於該參考電壓信號期間，該參考電流信號減小的速度跟隨該參考電壓信號與第一電壓信號的差值的變化，其中，該第一電壓信號為該開關變換器的輸入端或輸出端的電壓信號。
  6. 根據申請專利範圍第3項的紋波抑制方法，其中，將該開關變換器的輸入端與該負載的電流輸出端相連，該開關變換器的輸出端與該信號源的輸出端的負端相連。
  7. 根據申請專利範圍第6項的紋波抑制方法，其中，濾去該紋波信號中的直流成分，以獲得交流信號，將該交流信號作為該開關變換器輸入端的電壓信號的參考信號，並根據所交流信號與該開關變換器的輸入端的電壓信號之間的誤差補償信號控制該開關變換器進行該儲存與釋放能量的動作。
  8. 根據申請專利範圍第3項的紋波抑制方法，其中，該預定值信號的值等於該紋波信號的平均值。
  9. 一種紋波抑制電路，其特徵在於，包括開關變換器，該開關變換器與負載串聯在信號源的輸出端之間，其中，該開關變換器的輸入端的電壓信號與輸出端的電壓信號之間的電壓差跟隨該信號源輸出的紋波信號的變化，使得流過該負載的負載電流信號維持為直流量。
  10. 根據申請專利範圍第9項的紋波抑制電路，其中，該電壓差的平均值為零。
  11. 根據申請專利範圍第10項的紋波抑電路，其中，該開關變換器包括功率級電路和控制電路，該控制電路控制該功率級電路在該紋波信號大於預定值信號期間儲存部分該信號源的輸出能量，在該紋波信號的值小於該預定值信號期間，釋放能量，以與該信號源共同向該負載提供能量。
  12. 根據申請專利範圍第11項的紋波抑電路，其中，該控制電路根據該負載電流信號來判斷該紋波信號與預定值信號的關係，在該負載電流信號大於參考電流信號期間，該紋波信號大於該預定值信號，該控制電路控制該功率級電路儲存該輸出能量的大小跟隨該負載電流信號與參考電流信號的差值的變化，在該負載電流信號小於參考電流信號期間，該紋波信號小於該預定值信號，該控制電路控制該功率級電路釋放能量的大小跟隨該參考電流信號與該負載電流信號的差值 的變化。
  13. 根據申請專利範圍第12項的紋波抑電路，其中，該控制電路包括第一誤差補償電路，以用於產生該參考電流信號與負載電流信號之間誤差的補償信號，在該參考電流信號大於該負載電流信號期間，該補償信號的值增加的速度跟隨該參考電流信號與該負載電流信號的差值的變化，該補償信號的值越大，該功率級電路向該負載釋放的能量越大，使得該負載電流信號增加，在該參考電流信號小於該負載電流信號期間，該補償信號的值減小的速度跟隨該負載電流信號與該參考電流信號的差值的變化，該補償信號的值越小，該功率級電路儲存的該輸出能量越大，使得該負載電流信號減小。
  14. 根據申請專利範圍第13項的紋波抑電路，其中，該第一誤差補償電路包括反饋電路、第一誤差放大器、第一補償電容，該反饋電路接收該負載電流信號，以產生該負載電流信號的反饋信號，該第一誤差放大器的第一輸入端接收該反饋信號，第二輸入端接收該參考電流信號的表徵信號，輸出端輸出第一誤差信號，該第一補償電容與該第一誤差放大器的輸出端相連，接收該第一誤差信號，以產生該補償信號。
  15. 根據申請專利範圍第14項的紋波抑電路，其中，該控制電路還包括第二誤差補償電路，用於產生該表 徵信號，在第一電壓信號大於參考電壓信號期間，該表徵信號增加的速度跟隨該第一電壓信號與參考電壓信號的差值的變化，在該第一電壓信號小於該參考電壓信號期間，該表徵信號減小的速度跟隨該參考電壓信號與第一電壓信號的差值的變化，其中，該第一電壓信號為該開關變換器的輸入端或輸出端的電壓信號。
  16. 根據申請專利範圍第11項的紋波抑制電路，其中，該開關變換器的輸入端與該負載的電流輸出端相連，該開關變換器的輸出端與該信號源的輸出端的負端相連。
  17. 根據申請專利範圍第16項的紋波抑制電路，其中，該控制電路包括濾波電路和第三誤差補償電路，該濾波電路接收該紋波信號，以濾去該紋波信號中的直流成分，從而產生交流信號，該第三誤差補償電路用於產生該交流信號與該開關變換器的輸入端的電壓信號之間誤差的補償信號，該控制電路根據該補償信號，控制該功率級電路進行該儲存和釋放能量的動作，以控制該開關變換器的輸入端的電壓信號跟隨該交流信號的變化，使得該負載電流信號維持為直流量。
  18. 根據申請專利範圍第11項的紋波抑制電路，其中，該功率級電路的拓撲類型選自Buck-Boost、Flyback 以及Sepic中的一種。
  19. 根據申請專利範圍第11項的紋波抑制電路，其中，該功率級電路包括第一開關管、第二開關管、電感、第一電容、第二電容，第一整流管、第二整流管，該第一電容的第一端與該負載的電流輸出端相連，第二端與該信號源的輸出端的負端相連，該第一整流管的電流輸入端與該第一電容的第一端相連，電流輸出端與電感的第一端相連，該電感的第二端通過該第一開關管與該第一電容的第二端相連，該第二電容的第一端與該第一電容的第二端相連，第二端通過該第二開關管與該電感的第一端相連，該第二整流管的電流輸入端與該電感的第二端相連，電流輸出端與該第二電容的第二端相連。
  20. 根據申請專利範圍第11項的紋波抑電路，其中，該預定值信號的值等於該紋波信號的平均值。
  21. 一種負載驅動電路，其特徵在於，包括信號源和申請專利範圍第9至20項中任意一項的該紋波抑制電路，該紋波抑制電路與負載串聯連接在該信號源的輸出端之間，該信號源向該負載輸出紋波信號，該紋波抑制電路用於消除該負載上的紋波，以使得流過該負載的負載電流信號維持為直流量。
  22. 根據申請專利範圍第21項的負載驅動電路，其中，該信號源包括PFC(功率因數校正)轉換器和輸出電容，該輸出端電容的正端與該PFC轉換器的輸出端相連，負端為該信號源的輸出端的負端。
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