TWI498042B - 用於功率切換電晶體電流汲取功能之功耗監控 - Google Patents

用於功率切換電晶體電流汲取功能之功耗監控 Download PDF

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TWI498042B
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John William Kesterson
Richard M Myers
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Dialog Semiconductor Inc
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Description

用於功率切換電晶體電流汲取功能之功耗監控
本文中所揭示之實施例大體上係關於一種切換功率轉換器，且更具體言之，本文中所揭示之實施例係關於該切換功率轉換器之一切換電晶體之不安全操作條件之監控。
本申請案主張依據35 U.S.C.§119(e)之2012年3月13日申請之共同待審美國臨時申請案第61/610,377號之優先權，該案之全文以引用之方式併入本文中。
LED燈系統大體上包含與一習知調光器開關一起使用之一習知LED燈。習知調光器開關使用一TRIAC電路來調整燈輸入電壓。一TRIAC係一雙向裝置，其在被觸發(即，導通)時沿任一方向傳導電流。在被觸發之後，TRIAC繼續傳導，直至電流下降至低於某一臨限值(被稱為一保持電流臨限值)。為使一TRIAC調光器之內部時序適當運行，必須在某些時間自調光器汲取電流。遺憾地，習知LED燈無法依允許調光器之內部電路適當運行之一方式自調光器開關汲取電流。
本文中所揭示之實施例描述一種一功率控制器之方法，該功率控制器用於監控一切換模式功率轉換器之一切換電晶體之不安全操作條件。在一實施例中，當一驅動電晶體(諸如一雙極接面電晶體(BJT)) 在作用中模式中操作時，該切換功率轉換器可在一線性模式中操作。在作用中模式期間，該BJT充當一電流槽，其中將電流汲取至該BJT以藉此自LED燈系統之一調光器開關汲取電流。自該調光器開關汲取電流允許該調光器開關之內部電路適當運行。
因為BJT在線性模式期間耗散功率，所以BJT之溫度升高(即，BJT變熱)，若BJT達到與BJT之不安全操作條件相關聯之一溫度，則溫度升高會危害切換功率轉換器。在一實施例中，功率控制器連續觀察在線性模式期間由BJT耗散之功率之一數位模擬，其描述：若在作用中模式中操作BJT達一時間段，則功耗會導致BJT達到一不安全操作溫度。回應於達到一耗散能量臨限值，功率控制器可關閉BJT以允許BJT冷卻至一安全操作溫度。
本說明書中所描述之特徵及優點並不全面，且特定言之，一般技術者將鑒於圖式及說明書而明白諸多額外特徵及優點。再者，應注意，本說明書中所使用之用語已主要出於可讀性及教示之目的而選擇，且未被選擇用於描繪及限制發明標的。
10‧‧‧調光器開關
11‧‧‧調光輸入信號
20‧‧‧發光二極體(LED)燈
30‧‧‧功率控制器
40‧‧‧電流調節器
60‧‧‧LED燈
110‧‧‧燈輸入電壓/AC電壓/調光器輸出電壓
112‧‧‧整流輸入電壓/整流輸入信號
114‧‧‧DC輸出電壓
116‧‧‧控制信號
118‧‧‧輸入電壓
120‧‧‧功率轉換器
121‧‧‧驅動信號
200‧‧‧AC電壓信號
201‧‧‧部分區段
203‧‧‧溢出電流啟用/溢出電流啟用信號
205‧‧‧關閉狀態
207‧‧‧導通狀態
209‧‧‧延遲時
211‧‧‧最小重疊
301‧‧‧模擬模組
401‧‧‧類比至數位轉換器(ADC)
403‧‧‧乘法器
405‧‧‧加法器
407‧‧‧多工器
409‧‧‧暫存器
411‧‧‧減法器/排放路徑
413‧‧‧減法器
415‧‧‧積分器
417‧‧‧輸出
419‧‧‧輸出
421‧‧‧輸出
423‧‧‧輸出
425‧‧‧輸出
501‧‧‧ADC
503‧‧‧乘法器
505‧‧‧乘法器
507‧‧‧加法器
509‧‧‧暫存器
511‧‧‧減法器
513‧‧‧乘法器
515‧‧‧輸出
517‧‧‧低通濾波器
519‧‧‧輸出
521‧‧‧輸出
523‧‧‧輸出
525‧‧‧輸出
527‧‧‧輸出
BR1‧‧‧橋式整流器
C1‧‧‧電容器
CI ‧‧‧電容器
D1‧‧‧二極體
IB ‧‧‧基極電流
L1‧‧‧電感器
Q1‧‧‧驅動電晶體
Q2‧‧‧分壓電晶體
R1‧‧‧電阻器
Rs‧‧‧感測電阻器
VAC‧‧‧AC輸入電壓信號
圖1繪示根據一實施例之一LED燈系統。
圖2A、圖2B及圖2C繪示根據一實施例之一驅動電晶體之燈輸入電壓波形及一電流啟用波形。
圖3繪示根據一實施例之一功率控制器之一詳細視圖。
圖4繪示根據一實施例之一模擬模組之一電路圖。
圖5繪示根據一實施例之模擬模組之一替代電路圖。
圖6繪示根據一實施例之一替代LED燈系統。
可藉由考量結合附圖之以下詳細描述而容易地理解本文中所揭示之實施例之教示。
圖式及以下描述係關於僅作為說明之各種實施例。應注意，自以下論述，本文中所揭示之結構及方法之替代實施例將易於被視為可在不背離本文中所論述原理之情況下採用之可行替代方案。
現將詳細參考若干實施例，附圖中繪示該等實施例之實例。應注意，無論何處，類似或相同元件符號可用在圖中且可指示類似或相同功能。圖式僅出於說明之目的而描述各種實施例。熟習技術者將易於自以下描述認識到：可在不背離本文中所描述之原理之情況下採用本文中所繪示之結構及方法之替代實施例。
本文中所揭示之實施例描述一種一功率控制器之方法，該功率控制器用於監控一切換功率轉換器之一驅動電晶體之不安全操作條件。該功率控制器藉由基於對通過該驅動電晶體之程式化電流之瞭解及橫跨該驅動電晶體之電壓之一連續觀察預測功耗而監控該切換功率轉換器中之該驅動電晶體之功耗。
在一實施例中，一BJT用作為一LED燈系統之切換功率轉換器中之切換裝置(即，驅動電晶體)。一BJT在包含切斷模式、飽和模式或作用中模式之不同操作模式中操作。一BJT經組態以基於該BJT之操作模式而充當一開式電路、一閉合電路或一恆定電流槽。
在一實施例中，功率控制器控制BJT在飽和模式與切斷模式之間切換以導致BJT充當一開關。根據一實施例，當BJT充當一開關時，切換功率轉換器在一「切換模式」中操作。在該切換模式期間，切換功率轉換器將電功率傳遞至諸如一串LED之一負載。控制器進一步控制BJT在作用中模式中操作以導致BJT充當一可調電流槽。在作用中模式中，BJT之發射極電壓VE 小於BJT之基極電壓VB ，BJT之基極電壓VB 小於BJT之集電極電壓VC (即，VE <VB <VC )。根據一實施例，當BJT在作用中模式期間充當一電流槽時，切換功率轉換器在一「線性模式」中操作。
在線性模式期間，將電流汲取至BJT以藉此自設定一LED燈之所要光輸出強度之LED燈系統之一調光器開關汲取電流。自該調光器開關汲取電流允許該調光器開關之內部電路適當運行。此外，在線性模式期間，BJT使該LED燈與該調光器開關之間之輸入電容器放電以允許該調光器開關之內部電路適當運行。
在線性模式期間，BJT歸因於橫跨BJT之一電壓降及通過BJT之電流而耗散功率，其係因為BJT充當一電流槽。因為在線性模式期間BJT耗散功率，所以BJT之溫度升高(即，BJT變熱)，若BJT達到(或接近)與BJT之不安全操作條件相關聯之一溫度，則溫度升高會危害切換功率轉換器。一般而言，功率控制器連續觀察由BJT隨時間逝去而耗散之功率之一數位模擬，其描述：若在作用中模式中操作BJT達一時間長度，則功耗會導致BJT達到一不安全操作溫度。回應於達到一耗散能量臨限值，功率控制器可關閉BJT以允許BJT冷卻至一安全操作溫度。
圖1繪示包含一調光器開關10及一LED燈20之一LED燈系統。電容CI 存在於調光器開關10與LED燈20之間。在一實施例中，調光器開關10係一習知調光器開關且接收一調光輸入信號11，調光輸入信號11用於設定LED燈20之目標光輸出強度。調光器開關10接收一AC輸入電壓信號VAC且回應於調光輸入信號11而調整燈輸入電壓110之均方根值。換言之，藉由調整施加至LED燈20之燈輸入電壓110之均方根值而實現由調光器開關10控制LED燈20之光強度。可手動地(經由一旋鈕或滑動開關，本文中未展示)或經由一自動照明控制系統(本文中未展示)而提供調光輸入信號11。
美國專利第7,936,132號中描述一調光器開關之一實例。在一實施例中，調光器開關10採用燈輸入電壓110之相位角切換以藉由一TRIAC電路而調整燈輸入電壓。一TRIAC係一雙向裝置，其可在被觸 發時沿任一方向傳導電流。為使一TRIAC調光器之內部時序適當運行，必須在某些時間自調光器10汲取電流。在一實施例中，LED燈20經組態以依允許調光器10之內部電路適當運行之一方式自調光器10汲取電流。
LED燈20包含一橋式整流器BR1、一電感器L1(即，一磁性元件)、一二極體D1、一電容器C1、驅動電晶體Q1、一感測電阻器Rs、一功率控制器30、一電流調節器40及一串發光二極體LED。一般而言，LED燈20採用由電感器L1、二極體D1、電容器C1及驅動電晶體Q1組成之一升壓式切換AC-DC功率轉換器120，其使用驅動電晶體Q1作為由一動態開關驅動信號驅動之切換裝置。在一實施例中，驅動電晶體Q1係一BJT，但在其他實施例中，可使用其他類型之切換裝置，諸如一金屬氧化物半導體場效電晶體(MOSFET)。應注意，在其他實施例中，其他功率轉換器拓撲(諸如返馳拓撲)可用於功率轉換器。
具體言之，橋式整流器BR1接收相位角經調整之AC電壓110且產生一整流輸入電壓112。功率控制器30接收整流輸入電壓112且控制至驅動電晶體Q1(其耦合至功率控制器30)之基極電流IB 。一般而言，功率控制器30控制執行AC-DC電壓轉換以產生DC電壓114之圖1中所展示之升壓轉換器。
電流調節器40自功率轉換器120接收DC輸出電壓114。電流調節器40亦自功率控制器30接收一或多個控制信號116且在控制信號116之控制下調節通過發光二極體LED之電流。控制信號116可例如包含歸因於整流輸入信號112中之相位角切換之切相之一指示。電流調節器40可採用脈寬度調變(PWM)或恆定電流控制來實現發光二極體LED之目標光輸出強度。在一實施例中，電流調節器40實施為一返馳式切換功率轉換器，其包含使用一返馳拓撲來調節通過發光二極體LED之電流之組件之一集合。
在一實施例中，功率控制器30基於驅動電晶體Q1之操作模式而控制功率轉換器120是否在切換模式或線性模式中操作。如先前所描述，當在飽和模式中操作驅動電晶體Q1時，功率轉換器120在切換模式中操作，且當在作用中模式中操作驅動電晶體Q1時，功率轉換器120在線性模式中操作。相對於功率轉換器120在線性模式中之操作而描述以下描述之內文。
參考圖2A，圖中繪示由調光器開關10輸出至LED燈20中之AC電壓110。特定言之，圖2A繪示燈輸入電壓，其在調光器開關10透過相位角切換而消除輸入至調光器開關10中之AC電壓信號200之部分區段201時具有一略微調光效應。如圖2A中所展示，LED燈系統在以上先前所描述之線性模式與切換模式之間循環。在線性模式期間，功率控制器30藉由精確地控制至驅動電晶體Q1之基極電流IB 而使驅動電晶體Q1在其作用中模式中操作。
如先前所提及，在線性模式期間，當驅動電晶體Q1處於作用中模式時，驅動電晶體Q1充當一電流槽。相應地，當在線性模式中操作功率轉換器120時，將來自調光器10之電流汲取至驅動電晶體Q1以允許調光器10之內部電路適當運行。此外，儲存於調光器10與LED燈20之間之電容器CI 中之電荷流動至驅動電晶體Q1以藉此使電容器CI 放電。使電容器CI 放電亦允許調光器開關10之內部電路適當操作。在切換模式期間，功率控制器30藉由接通及切斷驅動電晶體Q1而使驅動電晶體Q1在其飽和模式中操作。
參考圖2B，根據一實施例而繪示由調光器開關10輸出之調光器輸出電壓110及溢出電流啟用203。溢出電流啟用203表示驅動電流至驅動電晶體Q1之基極以在作用中模式中操作驅動電晶體Q1以藉此導致驅動電晶體Q1充當一電流槽之時間。溢出電流啟用203係功率控制器30之一內部信號。溢出電流啟用203可具有兩個狀態：一「導通」 狀態207，其導致功率控制器30在作用中模式中操作驅動電晶體Q1；及一「關閉」狀態205，其導致功率控制器30關閉驅動電晶體Q1。
當在作用中模式中操作驅動電晶體Q1時，功率控制器30將一範圍之電流量供應至驅動電晶體Q1之基極以在作用中模式中操作驅動電晶體Q1。在一實施例中，由功率控制器30供應之該範圍之電流量在自0.4毫安培至28毫安培之範圍內。可在作用中模式期間增大提供至驅動電晶體Q1之電流以使驅動電晶體Q1深入至作用中模式中，使得集電極-發射極電壓維持處於一高電壓。可增大供應至驅動電晶體Q1之電流，直至達到驅動電晶體Q1之不安全操作極限。
在圖2B中，調光器輸出電壓110與一前緣調光器(其通常為一TRIAC調光器)相關聯。當導通調光器開關10時，由調光器開關10透過相位角切換而消除調光器輸出電壓110之前緣。相反地，當關閉調光器開關10時，調光器輸出電壓110不受調光器開關10影響。
如圖2B中所展示，溢出電流啟用203處於高狀態207以導致功率控制器30在調光器開關10關閉時在作用中模式中操作驅動電晶體Q1。否則，調光器開關10中之旁路電容(圖中未展示)將向上漂移以導致調光器開關10之相位量測失真。在一實施例中，相位量測幫助判定在作用中模式中操作驅動電晶體Q1之時間(相對於關閉調光器開關10之時間)。當調光器開關10導通時，溢出電流啟用203在一延遲期209之後即時變為低狀態205以藉此關閉驅動電晶體Q1。在調光器開關關閉之前，將溢出電流啟用203重新確定為高狀態207。
在圖2C中，調光器輸出電壓110與一後緣調光器(其通常使用MOSFET開關以取代一TRIAC)相關聯。在圖2C中，當導通調光器開關10時，調光器輸出電壓110之前緣不受調光器開關10影響。相反地，當關閉調光器開關10時，由調光器開關10消除調光器輸出電壓110之後緣。
如圖2C中所展示，僅在調光器開關10利用最小重疊211來轉變至關閉狀態之前，將溢出電流啟用203設定為高狀態207以藉此導致功率控制器30在作用中模式中操作驅動電晶體Q1。將溢出電流啟用203設定為低狀態205以藉此在調光器開關10反向轉變為導通狀態時導致功率控制器30關閉驅動電晶體Q1。在後緣型調光器中，重疊211存在於關閉調光器開關10之時間與溢出電流啟用203轉變為高狀態207之時間之間。需要重疊用於確保：功率控制器30可準確地判定調光器開關10關閉之時間以判定LED之亮度設定值。然而，重疊211保持最小以確保功率轉換器120之操作之效率及安全。
在一實施例中，功率控制器30會困惑於調光器開關10之相位或調光器輸出電壓110之零電壓交叉點(即，與其等失去聯繫)。因此，在前緣及後緣調光器組態兩者中，當橫跨驅動電晶體Q1而施加高電壓時，可偶然在作用中模式中操作驅動電晶體Q1達長時間段。因此，驅動電晶體Q1耗散可導致驅動電晶體Q1達到可導致驅動電晶體Q1失效之不安全操作條件之功率。在一實施例中，功率控制器30判定在作用中模式中長時間操作驅動電晶體Q1之時間且防止驅動電晶體Q1繼續在作用中模式中操作。
圖3繪示功率控制器30之一詳細視圖。在一實施例中，功率控制器30包括一模擬模組301。模擬模組301可藉由預測驅動電晶體Q1之功耗而監控橫跨驅動電晶體Q1之功耗。模擬模組301基於經程式化以流動通過驅動電晶體Q1之電流及橫跨驅動電晶體Q1施加之電壓之一連續觀察而預測驅動電晶體Q1之功耗。因為功率控制器30控制提供至驅動電晶體Q1之基極之電流IB 且已知驅動電晶體Q1之共射極電流增益β，所以功率控制器30可判定通過驅動電晶體Q1之電流。
在一實施例中，模擬模組30可產生驅動電晶體Q1之耗散功率之一即時模擬。模擬模組30亦可產生驅動電晶體Q1之熱電阻及電容之 一模擬。耗散功率、熱電阻及電容之模擬允許模擬模組301估算自驅動電晶體Q1流出之熱。
藉由連續觀察驅動電晶體Q1之即時數字模擬，模擬模組301可判定是否已在作用中模式中操作驅動電晶體Q1達一段時間，作為驅動電晶體Q1之耗散功率之結果，其可導致驅動電晶體Q1在一不安全溫度處操作。當滿足一能量臨限值時，模擬模組301可關閉驅動電晶體Q1以允許驅動電晶體Q1冷卻至一安全操作溫度。
圖4繪示模擬模組301之一電路圖之一實施例。模擬模組301可包括一類比至數位轉換器(ADC)401、一乘法器403、一加法器405、一多工器407、一暫存器409、一減法器411及一減法器413。應注意，在其他實施例中，模擬模組301可包括除圖4中所繪示組件以外之其他組件。
在一實施例中，ADC 401以足以觀察到由橋式整流器BR1提供之整流電壓112之形狀之一取樣速率取樣至驅動電晶體Q1之輸入電壓118。至驅動電晶體Q1之輸入電壓118等效於整流輸入電壓112，此係因為在線性模式期間不存在橫跨電感器L1之一電壓降(鑒於功率轉換器120處於恆定電流模式)。在一實施例中，僅需一有限數目之位元，諸如取樣之最高有效位元。由圖4中繪示為I(溢出)之通過驅動電晶體Q1之電流之一數位表示縮放取樣電壓。由一小整數大體上表示電流，此係因為實際電流將為一固定比例因數乘以該小整數。在一實施例中，通過驅動電晶體Q1之電流使用一乘法器403來縮放取樣電壓。
乘法器403之輸出417表示由驅動電晶體Q1耗散之瞬時功率，此係因為乘法器403使至驅動電晶體Q1之輸入電壓118及流動通過驅動電晶體Q1之電流I(溢出)倍增。將由驅動電晶體Q1耗散之瞬時功率輸入至一積分器415。如吾人所知，能量為功率隨時間逝去之積累。用積分器415累積由驅動電晶體Q1耗散之能量。
如圖4中所展示，積分器415包括一加法器405及一暫存器409。一般而言，積分器415模擬在驅動電晶體Q1耗散功率時之由驅動電晶體Q1產生之熱，此係因為各種功耗之量值與驅動電晶體Q1之一操作溫度相關聯。因此，積分器415之輸出419表示以回饋至加法器405之耗散能量為函數之驅動電晶體Q1之溫度。
亦將積分器415之輸出419輸入至減法器411中。減法器411自暫存器409中之累積能量減去能量。在一實施例中，減法器411之輸出412表示自驅動電晶體Q1流出之熱。一多工器407基於圖4中所展示之「溢出循環」信號而週期性接通減法器411。基於溢出循環信號之值，多工器407控制多工器407是否在取樣時脈之上升緣處將加法器405之輸出423(其表示驅動電晶體Q1之累積能量)輸入至暫存器409中或是否將減法器411之輸出421輸入至暫存器409中。
在一實施例中，減法器411之輸出421使積分器415以由輸入至減法器411中之排放速率信號判定之一速率排放。可在每N個循環之後週期性導通減法器411一次，使得在驅動電晶體Q1之正常操作期間，減法器411確保積分器415中之累積能量不會無限上升。特定言之，減法器411排放儲存於暫存器409中之耗散能量，暫存器409用於模型化驅動電晶體Q1之溫度。因此，若關閉驅動電晶體Q1(即，無電流流動通過驅動電晶體Q1)達一段時間，則儲存暫存器409中之耗散能量將最終排放至零。在一實施例中，設定排放速率，使得儲存於暫存器409中之能量在LED燈20之正常操作期間不增加。此藉由設定排放速率而完成，使得暫存器409模型化驅動電晶體Q1之對流冷卻，該對流冷卻快於在作用中模式之操作期間累積於驅動電晶體Q1中之熱量。
當自由驅動電晶體Q1耗散之能量減去一累積能量臨限值時，將加法器405之輸出423(其表示由驅動電晶體Q1耗散之能量)輸入至一減法器413中。在一實施例中，在開始操作模擬模組301時在作用中模式 中操作驅動電晶體Q1達複數個循環(例如3個至5個循環)以識別調光器開關10是否為一前緣調光器或一後緣調光器。一般而言，在作用中模式期間操作驅動電晶體Q1所達之該複數個循環對應於可在作用中模式中正常操作驅動電晶體Q1之最長持續時間(即，最壞情況)。該能量臨限值可對應於被設定為恰好比在該複數個循環期間由驅動電晶體Q1耗散之能量數量高之一能級。因此，若LED燈20變為與調光器開關10不同步，則模擬模組301可用該複數個循環來偵測一不安全操作條件。
在一實施例中，若減法器413之輸出425係一正值，則模擬模組301產生指示一不安全操作即時發生之一信號。如先前所提及，由驅動電晶體Q1耗散之能量指示驅動電晶體Q1之溫度。因此，該正值表示驅動電晶體Q1在一不安全操作溫度處操作，此係因為驅動電晶體Q1已耗散過多能量(鑒於驅動電晶體Q1已處於作用中模式達比在驅動電晶體Q1之正常操作期間所預期之時間大之一時間段)。該信號導致模擬模組301關閉驅動電晶體Q1以允許驅動電晶體冷卻至一安全操作溫度。
在一替代實施例中，可自圖4中所展示之模擬模組301之電路圖省略排放路徑411。在一實施例中，用用於在預定時間段或預定數目之切換循環內重設積分器415之一恆定值替換至多工器407之輸入。在一實施例中，該恆定值可為零。藉由用該恆定值替換排放路徑411，一臨限值用於判定驅動電晶體Q1在該等預定時間段或該預定數目之切換循環內之最大可允許能耗。
圖5繪示模擬模組301之一替代實施例電路圖。在一實施例中，模擬模組301包括一ADC轉換器501、一乘法器503、一乘法器505、一加法器507、一暫存器509、一乘法器513及一減法器511。一般而言，圖5中之模擬模組301之實施例與圖4中之模擬模組301之實施例之不同 點在於：圖5利用一低通濾波器517(即，一漏溢積分器)，而非利用圖4中之積分器415及充當一排放器之減法器411。應注意，在其他實施例中，模擬模組301可包括除圖5中所繪示組件以外之其他組件。
在一實施例中，由ADC 501以足以觀察到由橋式整流器BR1提供之整流電壓之形狀之一取樣速率取樣至驅動電晶體Q1之輸入電壓118。類似於圖4，由通過驅動電晶體Q1之電流I(溢出)之一數位表示縮放取樣電壓。在一實施例中，乘法器503使取樣電壓與通過驅動電晶體Q之電流(即，I(溢出))相乘。
乘法器503之輸出515表示由驅動電晶體Q1耗散之瞬時功率。將由驅動電晶體Q1耗散之功率(例如x(n))輸入至低通濾波器517中。在一實施例中，低通濾波器517包括乘法器505、加法器507、延遲暫存器509及乘法器513。在一實施例中，模型化一時間常數以近似為以驅動電晶體Q1之熱電阻θ ja 及熱電容為函數之驅動電晶體Q1之熱時間常數。因此，低通濾波器517模型化驅動電晶體Q1隨時間逝去之冷卻。熱電阻單位為每瓦特攝氏度且熱電容單位為每攝氏度瓦特-秒(焦耳/攝氏度)。因此，熱時間常數係以時間為單位之熱電阻與熱電容之乘積。低通濾波器517模型化此時間常數。
若已知驅動電晶體之熱電阻及熱電容，則模擬模組301可判定一熱時間常數，該熱時間常數繪示由不同功耗引起之驅動電晶體Q1之操作溫度上升及降低所花費之持續時間。一般而言，低通濾波器517為與以下轉移函數(1)及時間常數τ (2)相關聯之一階無限脈衝回應(IIR)配置：y (n )=y (n -1)．(1-a )+ax (n ) (1)
使用來自方程式2之時間常數，模擬模組301調整方程式1之轉移函數中之a值以具有方程式2中所展示之近似相同時間常數。此允許模擬模組301在無需圖4之實施例中之排放器之情況下模擬自驅動電晶體Q1流出之熱。
如圖5中所展示，乘法器505藉由一比例因數「a」而縮放由驅動電晶體Q1耗散之瞬時功率(例如x(n))以導致輸入至加法器507中之ax(n)之輸出525。將加法器507之輸出519(其表示驅動電晶體Q1之耗散能量)輸入至延遲暫存器509中，延遲暫存器509延遲經縮放瞬時能量以導致輸出521(例如y(n-1))。乘法器513使經縮放瞬時能量與一比例因數「1-a」相乘以導致「y(n-1)(1-a)」之輸出523。在一實施例中，乘法器513與延遲暫存器509之組合模型化驅動電晶體Q1之熱封裝。加法器507使乘法器513之輸出523與乘法器505之輸出相加以產生表示驅動電晶體Q1中所含有之瞬時熱能之輸出519(「y(n)」)，其為耗散能量減去自封裝流出之能量。
當自由驅動電晶體Q1耗散之能量減去一累積能量臨限值時，將加法器507之輸出519輸入至減法器511中。在一實施例中，若減法器511之輸出527係一正值，則模擬模組301產生指示一不安全操作即時發生之一信號。該信號導致模擬模組301關閉驅動電晶體Q1以允許驅動電晶體冷卻至一安全操作溫度。
在以上之揭示內容中，一數位實施方案用於監控橫跨驅動電晶體Q1之功耗。在替代實施例中，等效類比電路(例如濾波器及積分器)或類比電路與數位實施方案之一組合可用於監控橫跨驅動電晶體Q1之功耗。
圖6繪示包含調光器開關10及一LED燈60之一LED燈系統。圖6之LED燈系統包含與圖1中所展示之LED燈系統類似之組件。若無另外說明，則圖6中所展示之LED燈系統之組件執行與圖1之LED燈系統中 之組件功能相似之功能。
與圖1之LED燈20相比，LED燈60包含經由電阻器RI 而耦合至整流輸入電壓112之一分壓電晶體Q2。在一實施例中，分壓電晶體Q2係一MOSFET。然而，可在其他實施例中使用諸如一BJT之其他切換裝置。
在LED燈60中，功率控制器30控制待導通之分壓電晶體Q2以自調光器開關10汲取電流以藉此允許調光器開關11之內部電路適當運行。功率控制器30可使分壓電晶體Q2充當一切換負載、一恆定電流負載或一切換電阻負載，其取決於由功率控制器30施加至分壓電晶體Q2之基極之驅動信號121之量值。
因為分壓電晶體Q2自調光器開關11汲取電流，所以驅動電晶體Q1不充當功率轉換器120之一電流槽，如先前相對於圖1之實施例所描述。圖6中所展示之實施例之驅動電晶體Q1僅充當一切換裝置以將功率傳遞至功率轉換器120之輸出端。
在一實施例中，功率控制器30控制待導通之分壓電晶體Q2以基於相對於圖2B及2C所描述之溢出電流啟用信號203而自調光器開關11汲取電流。溢出電流啟用信號203在一導通狀態207與一關閉狀態205之間循環以表示功率控制器30導通分壓電晶體Q2以自調光器開關11汲取電流之時間。
當導通分壓電晶體Q2時，功率控制器30藉由預測分壓電晶體Q2之功耗而監控橫跨分壓電晶體Q2之功耗，如以上先前相對於圖3至圖5所描述。當功率控制器30基於分壓電晶體Q2之預測功耗而判定一不安全操作條件時，功率控制器30可關閉分壓電晶體Q2。
在閱讀本發明之後，熟習技術者將瞭解用於控制功率轉換器之操作模式之額外替代設計。因此，雖然已繪示及描述特定實施例及應用，但應瞭解，本文中所論述之實施例不受限於本文中所揭示之精確 建構及組件且可在不背離本發明之精神及範疇之情況下對本文中所揭示之方法及裝置之配置、操作及細節作出將使熟習技術者明白之各種修改、改變及變動。
10‧‧‧調光器開關
11‧‧‧調光輸入信號
20‧‧‧發光二極體(LED)燈
30‧‧‧功率控制器
40‧‧‧電流調節器
110‧‧‧燈輸入電壓/AC電壓/調光器輸出電壓
112‧‧‧整流輸入電壓/整流輸入信號
114‧‧‧DC輸出電壓
116‧‧‧控制信號
118‧‧‧輸入電壓
120‧‧‧功率轉換器
BR1‧‧‧橋式整流器
CI ‧‧‧電容器
C1‧‧‧電容器
D1‧‧‧二極體
IB ‧‧‧基極電流
L1‧‧‧電感器
Q1‧‧‧驅動電晶體
Rs‧‧‧感測電阻器
VAC‧‧‧AC輸入電壓信號

Claims (20)

  1. 一種發光二極體(LED)燈，其包括：一切換功率轉換器，其包含：一磁性組件，其耦合至具有相位角切換之一調光器開關之一輸出電壓且耦合至該切換功率轉換器之一輸出端，該調光器開關之該輸出電壓被接收為該切換功率轉換器之輸入電壓；一開關，其耦合至該磁性組件，當導通該開關時產生通過該磁性組件之電流，且當關閉該開關時不產生通過該磁性組件之電流；及一控制器，其經組態以產生一控制信號以在該開關之各切換循環內導通或關閉該開關；其中該控制器經組態以在一第一模式中操作該開關以將電功率傳遞至該切換功率轉換器之該輸出端或在一第二模式中操作該開關以導致該開關充當一電流槽；其中該控制器經組態以估算在該第二模式期間由該開關耗散之功率以判定該開關是否接近一不安全操作條件；一電流調節器，其耦合至該切換功率轉換器之該輸出端，該電流調節器接收由該切換功率轉換器傳遞之該電功率；及一或多個LED，其等耦合至該電流調節器之一輸出端；其中該電流調節器基於來自該控制器之一控制信號而調節通過該一或多個LED之電流。
  2. 如請求項1之LED燈，其中該開關係一雙極接面電晶體。
  3. 如請求項2之LED燈，其中在該第一模式期間該控制器經組態以在該雙極接面電晶體之一飽和模式與一切斷模式之間連續切換 該開關之操作。
  4. 如請求項2之LED燈，其中在該第二模式期間該控制器經組態以在該雙極接面電晶體之一作用中模式中操作該開關以導致該開關充當該切換功率轉換器之該電流槽。
  5. 如請求項1之LED燈，其中該開關係一金屬氧化物半導體場效電晶體。
  6. 如請求項1之LED燈，其中該控制器進一步經組態以回應於由該開關耗散之估算功率超過一臨限值而關閉該開關，該臨限值指示該開關接近該不安全操作條件。
  7. 如請求項1之LED燈，其中該開關充當該電流槽以自耦合至該切換功率轉換器之該調光器開關汲取電流以導致該調光器開關正確地調整該切換功率轉換器之輸入電壓。
  8. 如請求項1之LED燈，其中該控制器包含：一類比至數位轉換器(ADC)，其用於取樣輸入電壓；一乘法器，其耦合至該ADC以接收該取樣輸入電壓且基於該取樣輸入電壓及通過該開關之電流而計算在該第二模式期間由該開關耗散之功率；一積分器，其耦合至該乘法器以接收由該開關耗散之功率且基於由該開關耗散之功率而模擬在該第二模式期間由該開關耗散之能量；及一減法器，其用於比較由該開關耗散之該能量與一臨限值以判定該開關是否接近該不安全操作條件。
  9. 如請求項1之LED燈，其中該控制器進一步包含：一第二減法器，其自由該積分器模擬之能量移除表示自該開關流出之熱之能量。
  10. 如請求項1之LED燈，其中該控制器包含： 一類比至數位轉換器(ADC)，其用於取樣輸入電壓；一乘法器，其耦合至該ADC以接收該取樣輸入電壓且基於該取樣輸入電壓及通過該開關之電流而計算在該第二模式期間由該開關耗散之功率；一低通濾波器，其耦合至該乘法器以自該乘法器接收由該開關耗散之功率且基於由該開關耗散之功率及該開關隨時間逝去之冷卻而模擬在該第二模式期間由該開關耗散之能量；及一減法器，其耦合至該低通濾波器以比較由該開關耗散之該能量與一臨限值以判定該開關是否接近該不安全操作條件。
  11. 如請求項10之LED燈，其中該低通過濾波器包含：一第二乘法器，其用於在隨時間逝去而該冷卻該開關之後計算由該開關耗散之能量；一延遲暫存器，其用於接收由該開關耗散之能量且延遲由該開關耗散之能量；及一第三乘法器，其耦合至該延遲暫存器以基於該開關隨時間逝去之冷卻而計算由該開關耗散之能量之一縮放表示。
  12. 一種在一控制器中控制一發光二極體(LED)燈之方法，該LED燈包括一切換功率轉換器，該切換功率轉換器包含：一磁性組件，其耦合至具有相位角切換之一調光器開關之一輸出電壓且耦合至該切換功率轉換器之一輸出端，該調光器開關之該輸出電壓被接收為該切換功率轉換器之輸入電壓；及一開關，其耦合至該磁性組件，當導通該開關時產生通過該磁性組件之電流且當關閉該開關時不產生通過該磁性組件之電流；該LED燈進一步包含：一電流調節器，其耦合至該切換功率轉換器之該輸出端，電流調節器接收由該開關功率轉換器傳遞之電功率；及一或多個LED，其等耦合至該電流調節器之一輸出端，該方法包 括：產生一控制信號以在該開關之各切換循環內導通或關閉該開關；在一第一模式中操作該開關以將電功率傳遞至該切換功率轉換器之該輸出端，或在一第二模式中操作該開關以導致該開關充當一電流槽；及估算在該第二模式期間由該開關耗散之功率以判定該開關是否接近一不安全操作條件。
  13. 如請求項12之方法，其中該開關係一雙極接面電晶體。
  14. 如請求項13之方法，其進一步包括：在該第一模式期間在該雙極接面電晶體之一飽和模式與一切斷模式之間連續切換該開關之操作。
  15. 如請求項13之方法，其進一步包括：在該雙極接面電晶體之一作用中模式中操作該開關以導致該開關充當該切換功率轉換器之該電流槽。
  16. 如請求項12之方法，其中該開關係一金屬氧化物半導體場效電晶體。
  17. 如請求項12之方法，其進一步包括：回應於由該開關耗散之估算功率超過一臨限值而關閉該開關，該臨限值指示該開關接近該不安全操作條件。
  18. 如請求項12之方法，其中估算由該開關耗散之功率包括：取樣輸入電壓；基於該取樣輸入電壓及通過該開關之電流而計算在該第二模式期間由該開關耗散之功率；基於由該開關耗散之功率而模擬在該第二模式期間由該開關耗散之能量； 比較由該開關耗散之該能量與一臨限值以判定該開關是否接近該不安全操作條件。
  19. 如請求項13之方法，其中該開關充當該電流槽以自耦合至該切換功率轉換器之該調光器開關汲取電流以導致該調光器開關正確地調整該切換功率轉換器之輸入電壓。
  20. 一種發光二極體(LED)燈，其包括：一第一開關，其耦合至具有相位角切換之一調光器開關之一輸出電壓，該調光器開關之該輸出電壓被接收為該LED燈之一輸入電壓；一切換功率轉換器，其包含：一磁性組件，其耦合至該LED燈之該輸入電壓且耦合至該切換功率轉換器之一輸出端；一第二開關，其耦合至該磁性組件，當導通該第二開關時產生通過該磁性組件之電流且當關閉該第二開關時不產生通過該磁性組件之電流；及一控制器，其經組態以產生一控制信號以在該第二開關之各切換循環內導通或關閉該第二開關；其中該控制器經組態以導通該第一開關以自該調光器開關汲取電流；其中該控制器經組態以在導通該第一開關時估算由該第一開關耗散之功率；及其中該控制器經組態以基於由該第一開關耗散之估算功率而判定該第一開關是否接近一不安全操作條件；一電流調節器，其耦合至該切換功率轉換器之該輸出端，該電流調節器接收由該切換功率轉換器傳遞之電功率；及一或多個LED，其等耦合至該電流調節器之一輸出端； 其中該電流調節器基於來自該控制器之一控制信號而調節通過該一或多個LED之電流。
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