開關電路的自適應輸出電流控制的制作方法

文檔序號：7312225閱讀：130來源：國知局

專利名稱：開關電路的自適應輸出電流控制的制作方法
技術領域：
本發(fā)明的主題涉及電源電路，尤其是用于控制開關穩(wěn)壓器中輸出電流的電路和方法。本發(fā)明具有特定的適用性、但并不局限于回掃變換器。
背景技術：
有些開關電路，例如發(fā)光裝置(LED)驅動器的開關穩(wěn)壓器，必須接受來自各種電壓源的電力，這些電壓源可以提供寬范圍的輸入電壓——從直流電源產生的低電壓到交流電源整流后得到的高電壓。此外，開關電路會受到負載的不確定性影響。例如，LED本身具有極其易變的電流-電壓特性。由LED驅動器驅動的可變數目的LED會增大負載的不確定性。由于LED的光發(fā)射與流經LED的電流直接相關，因此應當精確地控制LED 驅動器的輸出電流。由于LED驅動器的輸出電流依賴于輸入電壓，輸入電壓電平的變化為精確地控制輸出電流產生了大量問題。一種隔離的開關穩(wěn)壓器，例如回掃穩(wěn)壓器，被用于LED驅動器中，從而能夠適應寬范圍的輸入電壓和負載的不確定性。此外，回掃開關穩(wěn)壓器的隔離配置使輸入電壓源和負載分開，從而提供額外的安全保護。然而，由于控制信息應當穿過穩(wěn)壓器的輸入端和輸出端之間的隔離屏障被轉播，因此隔離裝置也使得控制開關穩(wěn)壓器變得更難。此外，光耦合器在LED 驅動器的反饋環(huán)路中產生了傳播延遲，從而降低了系統(tǒng)的動態(tài)性和精確性。因此，期望提供一種用于控制隔離開關穩(wěn)壓器中的輸出電流的方法，而無需直接測量穩(wěn)壓器輸出端的電流或電壓。發(fā)明內容根據本發(fā)明的一個方面，提供一種用于控制開關電路的輸出電流的方法，其中該開關電路具有用于接收輸入電壓和輸入電流的輸入電路，以及用于提供輸出電壓的輸出電路。該輸出電路與該輸入電路電氣絕緣。該方法包括基于在輸入電路得到的輸入電壓、輸入電流和反射輸出電壓，預先確定輸出電路的輸出電流值，以及控制輸入電路中的開關元件以產生確定值的輸出電流。以這樣的方式來確定該輸出電流值，使得在輸入電壓和輸出電壓變化時，減小輸出電流的變化。該開關元件包括一個電感元件，該電感元件具有與第二線圈隔離的第一線圈，可以通過控制該開關元件，使得該開關電路工作在邊界導電模式(BCM)、連續(xù)導電模式(CCM)、或不連續(xù)導電模式(DCM)中。根據本發(fā)明的另一個方面，提供一種用于控制開關電路的輸出電流的系統(tǒng)，其中該開關電路具有用于接收輸入電壓和輸入電流的輸入電路，以及用于產生輸出電壓的輸出電路。該輸出電路與該輸入電路電氣絕緣。該系統(tǒng)包括一個用于控制輸入電路中的開關元件的開關控制電路，從而控制該輸出電路中的輸出電流。該開關控制電路被配置用于基于在輸入電路得到的輸入電壓、輸入電流和反射輸出電壓，確定輸出電流的值，以及用于控制該開關元件，從而在輸入電壓和輸出電壓變化時，減小輸出電流的變化。該開關控制電路進一步被配置來控制該開關元件，從而產生與輸入電壓和輸入電流成正比且與反射輸出電壓成反比的輸出電流。該輸入電路包括電感元件的初級線圈，該輸出電路包括電感元件的次級線圏。該開關控制電路進一步被配置來控制該開關元件，從而產生與電感元件的匝數比成比例的輸出電流。該開關控制電路可以被配置來使得該開關電路工作在BCM、 CCM、或DCM中。根據本發(fā)明的另一個方面，提供一種用于控制開關電路的方法，其中該開關電路具有彼此電氣絕緣的輸入電路和輸出電路。該方法包括基于施加給輸入電路的輸入電壓和表示相應于輸出電路中產生的輸出電壓的輸入電路中電壓的反射輸出電壓，確定該輸出電路中的輸出電流值。控制輸入電路中的開關元件, 從而產生適當值的輸出電流。當開關電路的輸入電壓和輸出電壓變化時，適當地減小輸出電流的變化。開關電路可以工作在BCM和CCM中。當開關電路工作在DCM中時，基于該反射輸出電壓來計算該輸出電流。根據本發(fā)明的另一個方面，一種用于控制具有彼此電氣絕緣的輸入電路和輸出電路的開關電路系統(tǒng)具有一個用于控制輸入電路中的開關元件的開關控制電路，從而控制開關電路的輸出電路中的電流。該開關控制電路被配置用于基于輸入電壓和反射輸出電壓，確定該lt出電^各的該電流。根據本發(fā)明的一個實施例，該輸入電路包括一個電感元件的初級線圈，該輸出電路包括該電感元件的次級線圈。當該開關電路工作在BCM或CCM時，該開關控制電路控制該開關元件，從而產生與輸入電壓成正比且與輸入電壓和反射輸出電壓之和成反比的輸出電路電流。當該開關電路工作在DCM時，該開關控制電路控制該開關元件，從而產生與反射輸出電壓成反比且與電感元件的電感和該開關元件的開關頻率成正比的輸出電路電流。根據本發(fā)明的一個實施例，該開關控制電路可調節(jié)該開關元件中開關電流的峰值，從而產生位于適當電平的輸出電流。特別地，該開關控制電路包括用于比較開關電流與參考值的比較器，從而當開關電流超過該參考值時切換該開關元件，以及用于產生該參考值的參考電路。在BCM )和CCM中，該參考電路產生與輸入電壓成反比且與輸入電壓和反射輸出電壓之和成正比的參考值。在DCM中，該參考電路產生與反射輸出電壓的平方根成正比且與電感元件的電感和開關元件的開關頻率的平方根成反比的參考值。根據本發(fā)明的另一個方面，用于驅動發(fā)光二極管(LED)的系統(tǒng)包括用于提供驅動LED的電源的開關穩(wěn)壓器。該開關穩(wěn)壓器具有彼此電氣絕緣的輸入電路和輸出電路。該輸入電路包括一個電感元件的初級線圏，該輸出電路包括該電感元件的次級線圈。提供一種控制電路，用于控制開關穩(wěn)壓器的輸出電路中的電流。該控制電路被配置用于產生基于施加給該輸入電路的輸入電壓和表示相應于該輸出電路中產生的輸出電壓的輸入電路電壓的反射輸出電壓計算出的輸出電路中的電流?？刂齐娐房梢钥刂乒ぷ髟贐CM和CCM中的開關穩(wěn)壓器，從而產生與輸入電壓成正比且與輸入電壓和反射輸出電壓之和成反比的輸出電路中的電流。當開關穩(wěn)壓器工作在DCM中時，該控制電路可以控制開關穩(wěn)壓器，從而產生與反射輸出電壓成反比且與電感元件的電感和開關穩(wěn)壓器的開關頻率成正比的專t出電路中的電流o通過下面詳細的描述，本領域技術人員將更容易地理解本發(fā)明的其它優(yōu)點和方面，其中僅通過說明設想用于實施本發(fā)明的最佳方式來描述和示出本發(fā)明的實施例。如將要描述的，在不脫離本發(fā)明的精神范圍內，本發(fā)明能夠是其它的和不同的實施例，并且它的各個元件能夠以各種顯而易見的方式進行修改。因此，附圖和說明書實際上被認為是說明性的，而非限定性的。

結合下列附圖進行閱讀，能夠更好地理解下文詳細描述的本發(fā)明的實施例，其中的部件不必按照比例繪制，而是根據更好地圖解說明相關的部件進行繪制的，其中圖1示出了根據本發(fā)明的回掃開關穩(wěn)壓器的典型實施例。圖2示出了開關穩(wěn)壓器的常規(guī)輸出電壓控制方案。圖3示出了開關穩(wěn)壓器的常規(guī)輸出電流控制方案。圖4示出了常規(guī)輸出電流控制方案的時序圖。圖5示出了根據本發(fā)明的峰值電流參考電平的自適應控制的時序圖。圖6示出了根據本發(fā)明的在BCM中運行開關穩(wěn)壓器的示例性輸出電流控制系統(tǒng)。圖7示出了根據本發(fā)明的在BCM中運行開關穩(wěn)壓器的另一個示例性的輸出電流控制系統(tǒng)。圖8A及8B示出了具有和不具有峰值電流校正的電模擬輸出電流控制系統(tǒng)的輸出電流的圖表。圖9示出了工作在CCM中的開關穩(wěn)壓器的輸出電流控制的時序圖。圖10示出了根據本發(fā)明的在CCM中運行開關穩(wěn)壓器的示例性輸出電流控制系統(tǒng)。圖11示出了工作在DCM中的開關穩(wěn)壓器的輸出電流控制的時序圖。圖12示出了根據本發(fā)明的在DCM中運行開關穩(wěn)壓器的示例性輸出電流控制系統(tǒng)。
具體實施方式
本發(fā)明通過舉例用于控制LED驅動器的回掃開關穩(wěn)壓器輸出電流的系統(tǒng)來描述。然而，應當清楚，本發(fā)明的原理能夠適用于響應輸入電壓產生可控輸出電流的任何開關電路。圖l說明了 LED驅動器的典型隔離回掃開關穩(wěn)壓器10。穩(wěn)壓器10包括開關元件S,具有初級線圈Wpr和次級線圈Wsec的變壓器Tr,和控制開關元件S切換的控制器12。傳感電阻Rsense耦接到開關元件S,以監(jiān)測流經開關元件S的開關電流I sw。電容C和二極管D與由LED驅動器驅動的第1個到第n個LED 一起耦接到次級線圈Wsec?；貟叻€(wěn)壓器IO將輸入直流電壓Vin轉換為具有相當高功率轉換效率的一個或多個輸出直流電壓。如下文所述，本發(fā)明的開關穩(wěn)壓器可以被控制來工作在連續(xù)導電模式 (CCM)、不連續(xù)導電模式(DCM)，或邊界導電模式(BCM)中。例如，當回掃開關穩(wěn)壓器工作在CCM中時，其變壓器中的電流總是大于零，反之在DCM的回掃開關穩(wěn)壓器中，變壓器中的電流在每個切換周期內的某個時間期間降至零。在 BCM中，開關穩(wěn)壓器工作在CCM和DCM之間的邊界。圖2說明了工作在邊界導電模式(BCM)中的回掃開關穩(wěn)壓器10的常規(guī)輸出電壓控制方案。用于控制穩(wěn)壓器10的輸出電壓的典型控制系統(tǒng)100包括減法器電路102,減法器電路102確定施加給開關穩(wěn)壓器10的輸入電壓Vin和在開關元件S的輸出端產生的開關電壓Vsw之間的差值Vo，。電壓Vo，表示反射輸出電壓，其是對應于開關穩(wěn)壓器10的次級端的輸出電壓的初級端電壓。此外，控制系統(tǒng)100包括具有運算放大器104和積分電路的比例積分(PI ) 調節(jié)器，運算放大器104響應其輸入端的電壓差值產生輸出電流，積分電路由耦接到放大器104輸出端的電容106和電阻108組成耦4妄。電壓Vo，；波施加到放大器104的反相輸入端，反之其非反相輸入端輸入由參考電壓源110提供的參考電壓Vref。放大器104包括一個采樣保持電路，用于采樣位于放大器104 輸入端的電壓差值，使PI調節(jié)器能夠設置開關電流Isw的參考峰值Iph在峰值電流水平。采樣保持電路的采樣率相應于開關穩(wěn)壓器10的開關頻率f。
此外，控制系統(tǒng)100包括過電流(OC)比較器112、電壓驟降(VC)比較器 114,和耦接到比較器112和114輸出端耦接的RS觸發(fā)器電路116。 OC比較器 112比較開關元件S輸出端的開關電流I sw和峰值電流參考值I pk *,從而當開關電流Isw達到峰值電流參考值Ip"時，產生過電流信號OC。例如，開關電流 Isw可以通過監(jiān)測傳感電阻Rsense兩端的電壓來確定。
VC比較器114比較輸入電壓Vin和開關電壓Vsw，從而當開關電壓Vsw落到輸入電壓Vin以下時，產生電壓驟降信號VC。將VC信號提供給RS觸發(fā)器電路116，從而在RS觸發(fā)器電路116的Q輸出端設置柵極控制信號。當設置柵極控制信號時，開啟開關元件S。 0C信號施加給RS觸發(fā)器電路116，從而在Q輸出端復位柵極控制信號。當柵極控制信號被復位時，關閉開關元件S。因此，為了在BCM中運行開關穩(wěn)壓器IO，在次級線圈的電流下降到零之后，開關元件S 關閉期間產生的VC信號立即開啟開關。
圖3說明了在BCM中運行開關穩(wěn)壓器10的常規(guī)輸出電流控制方案。用于控制開關穩(wěn)壓器10的輸出電流的典型控制系統(tǒng)200包括參考電源202和PI調節(jié) 器，參考電源202產生參考電流Iref, PI調節(jié)器比較開關穩(wěn)壓器的反射輸出電流Io，和參考電流Iref。反射輸出電流Io，表示相應于開關穩(wěn)壓器10的次級線圈Wsec的輸出電流的初級線圈Wpr中的電流。例如，反射輸出電流Io，可以基于傳感電阻Rsense中的傳感電流:帔確定。
PI調節(jié)器包括運算放大器204和由電容206與電阻208組成的積分電路。該運算放大器204比較電流Io，和Iref,并且對其輸入端上的電流差值進行采樣，從而使PI調節(jié)器能夠設置開關電流Isw的參考值Iph在峰值電流水平。采樣率相應于開關穩(wěn)壓器10的開關頻率f。
此外，該控制系統(tǒng)200包括OC比較器212、 VC比較器214,和耦接到比較器212與214的輸出端耦接的RS觸發(fā)器電路216。 0C比較器212比較開關電流 I sw和峰值電流參考水平I pk * ，從而當開關電流I sw達到峰值電流參考水平I pk * 時產生過電流信號0C。
VC比較器214比較輸入電壓Vin和開關電壓Vsw，當開關電壓Vsw降到輸入電壓Vin以下時產生電壓驟降信號VC。 VC信號被提供給RS觸發(fā)器電路216，從而在RS觸發(fā)器電路216的Q輸出端設置柵極控制信號。當柵極控制信號被設置時，開啟開關元件S。 0C信號被施加到RS觸發(fā)器電路216,從而在Q輸出端復位柵極控制信號。當柵極控制信號被復位時，關閉開關元件S。因此，控制系統(tǒng)200控制穩(wěn)壓器10的開關，從而使其輸出電流維持在所需的水平。
然而，如圖4的時序圖所示，由控制系統(tǒng)200維持的穩(wěn)壓器10的輸出電流隨著輸入電壓Vin的變化而變化。波形I表示工作在BCM中的穩(wěn)壓器10的變壓器電流。特別地，波形I中向上傾斜的虛線表示開關元件S在頻率f進行切換時開啟時間ton期間穩(wěn)壓器10的初級端電流，反之波形I中向下傾斜的實線表示開關元件S關閉時間toff期間穩(wěn)壓器IO的次級斷電流。向上傾斜線由比率 Vin/L確定，其中Vin是穩(wěn)壓器10的輸入電壓，L是變壓器Tr的電感。向下傾斜線由比率Vout/L確定，其中Vout是開關穩(wěn)壓器10的輸出電壓。波形I中的實線三角形區(qū)域表示傳輸到穩(wěn)壓器10次級端的總電荷。穩(wěn)壓器10的輸出電流 Iout相應于由波形I中虛線和實線三角形區(qū)域所表示的電流平均值，也就是，相應于穩(wěn)壓器IO切換周期上的電流平均值。如圖4所示，在BCM工作期間，當輸入電壓Vin為j氐時，初級端電流到達峰值電流參考水平Ipl^需要占用很長時間。因此，開關頻率為低。如果開關元件S的開啟時間ton等于它的關閉時間toff時，那么輸出電流是峰值電流的 1/4。當輸入電壓Vin為高時，初級端電流到達峰值電流參考水平Ip"占用較少時間。因此，開關頻率為高。忽略微小的開啟時間ton,輸出電流大約是峰值電流的1/2。因此，如果在輸入電壓擾動期間峰值電流水平保持同一值，那么輸出電流將隨著輸入電壓增加。如圖5所示，4艮據本發(fā)明，可以基于輸入電壓Vin和反射輸出電壓Vo，來計算Iout值，從而控制開關穩(wěn)壓器的輸出電流Iout。因此，不管是由于輸電線條件的變化引起輸入電壓的擾動還是由于負載端條件的變化引起輸出電壓的變化，輸出電流Iou t保持基本恒定水平。此外，本發(fā)明公開的技術無需通過直接測量輸出電流或輸出電壓來控制輸出電流水平。如上所述，在一個隔離開關穩(wěn)壓器中，例如回掃穩(wěn)壓器，穩(wěn)壓器的輸入端和輸出端之間的隔離屏障使得4艮難通過測量其輸出端參數來控制開關穩(wěn)壓器，這是由于控制信息應當通過隔離屏障被轉播。此外，光耦接器在LED 驅動器的反饋環(huán)路中產生了傳播延遲，LED驅動器的反饋環(huán)路降低了依賴于測量位于穩(wěn)壓器輸出端上的參數的任何控制系統(tǒng)的動態(tài)性和精確性。因此，期望無需直接測量穩(wěn)壓器輸出端的電流或電壓來控制隔離開關穩(wěn)壓器的輸出電流。為了產生對應于適當Iout值的lout水平，由輸出電流控制系統(tǒng)設置的峰值電流參考水平Ip"可以依據輸入電壓Vin和開關電壓Vsw自適應地調整，從化引起的輸出電壓的變化，輸出電流Iout保持基本恒定水平。特別地，平均輸出電流lout與峰值電流參考水平Iph的關系如下2 2 + 2 —丄—+丄_ 2 . K/" +化，. 上述等式可以改寫為樹* = 27o"Z W" + ^0。鑒于反射輸出電壓Vo，可表示為(Vsw - Vin)，考慮到變壓器Tr的臣數比n，峰值電流參考水平Iph可以表示為樹* = 2/ow,丄因此，基于輸入電壓Vin和反射輸出電壓Vo，計算出的lout電平可以根據輸入電壓Vin、開關電壓Vsw和匝數比n分別調整峰值電流參考水平Iph來產生?？蛇x地，輸出電流lout可以由初級線圈Wpr中的輸入電壓Vin,反射輸出電壓Vo，，和輸入電流Iin來確定。根據能量守恒定律，從輸入源傳送的能量等于傳送給輸出負載的能量?？紤]到開關電路運行的周期性，來自輸入源的平均功率是W"'力'"，其中Vin 是輸入電壓，Iin是一個周期中的平均輸入電流。類似地，輸出負載的平均功率是Fo'/ow,其中Vo是輸出電壓，Iout是一個周期中的平均輸出電流。所以，即，
<formula>formula see original document page 19</formula>
同時，Vo反射到初級端是Vo， =nVo，其中n是初級端和次級端之間的匝婆: 比，因此，輸出電流可以由輸入電壓、輸入電流和反射輸出電壓確定。
因此，輸出電流Iout可以基于輸入電壓Vin、輸入電流Iin和反射輸出電壓Vo，來計算。
在某些應用中，輸入電壓Vin可以是由固定參數表示的固定值。在這種情況下，可以基于輸入電流Iin、反射輸出電壓Vo，和表示輸入電壓Vin的固定參數來計算輸出電流。
在BCM中，根據整個切換周期中開關電流i sw的平均值來定義輸入電流I in, 如圖4所示。<formula>formula see original document page 19</formula>
其中Ts是切換周期，D是占空比，^是峰值開關電流，ton是開關開啟時間，toff是開關關閉時間。圖6說明了根據本發(fā)明的具有自適應峰值電流校正的輸出電流控制方案。用于控制BCM中的開關穩(wěn)壓器10的輸出電流的典型控制系統(tǒng)300包括參考電源 302和PI調節(jié)器，參考電源302產生參考電流Iref， PI調節(jié)器比較開關穩(wěn)壓器 lO的反射輸出電流Io，和參考電流Iref。反射輸出電流Io，表示相應于開關穩(wěn)壓器10次級線圈Wsec的輸出電流的初級線圈Wpr中的電流。例如，反射輸出電流Io，可以基于傳感電阻Rsense中的傳感電流來確定。PI調節(jié)器包括運算放大器304以及由電容306和電阻308組成的積分電路。運算^L大器304比較電流Io，和Iref值，并且通過相應于開關穩(wěn)壓器10的開關頻率f的采樣率對電流差值進行采樣?？梢赃x4奪PI調節(jié)器的元件來產生相應于值7的PI調節(jié)器的輸出信號Iref*。連接到PI調節(jié)器輸出端的乘法器310接收開關電壓Vsw,使PI調節(jié)器的輸出信號Ire"乘以Vsw值。此外，除法器312耦接到乘法器310的輸出端，使乘法器310的輸出信號除以輸入電壓值Vin。采樣保持電路314耦接到除法器312 的輸出端，對除法器312的輸出信號進行采樣，以便設定調整的峰值電流參考水平 — "^"。采樣保持電路314的采樣率相應于開關穩(wěn)壓器10的開關頻率f。控制系統(tǒng)300進一步包括OC比較器316, VC比較器318,以及耦接到比較器316和318輸出端耦接的RS觸發(fā)器電路320。OC比較器316比較開關電流Isw 和調整后的峰值電流參考水平Ipk*,當開關電流Isw到達調整后的峰值電流參考水平Ip"時產生過電流信號0C。VC比較器318比較輸入電壓Vin和開關電壓Vsw,當開關電壓Vsw降到輸入電壓Vin以下時產生電壓驟降信號VC。 VC信號被提供給RS觸發(fā)器電路320，從而在RS觸發(fā)器電路320的Q輸出端設置柵極控制信號。當柵極控制信號被設置時，開啟開關元件S。 OC信號被施加給RS觸發(fā)器電路320,從而在Q輸出端復位柵極控制信號。當柵極控制信號被復位時，關閉開關元件S。因此，輸出電流控制系統(tǒng)300以圖5時序圖中所示的方式控制開關穩(wěn)壓器10的操作。
前面提供了一種用于回掃穩(wěn)壓器的有效開關控制方案。然而，使用初級線圈電流感應方案來估算次級線圈中的輸出電流是很困難的。此外，和PI調節(jié)器關聯(lián)的延遲和過沖在輸入電壓擾動和負載變化期間會減緩控制系統(tǒng)的響應。圖7 說明了具有自適應峰值電流校正的輸出電流控制方案的一個例子，其中無需基于初級線圈的感測電流來估算次級線圈的輸出電流，并且不使用用于開關控制的PI調節(jié)器。
如圖7所示，用于控制BCM中的開關穩(wěn)壓器10的典型輸出電流控制系統(tǒng)400 包括參考電源402,參考電源402考慮到開關穩(wěn)壓器10中變壓器Tr的匝數比直接設定開關穩(wěn)壓器lO的輸出電流Io，。乘法器404使Io'值乘以Vsw值。此外，除法器406耦接到乘法器404的輸出端，使乘法器404的輸出信號除以輸入電壓值Vin。采樣保持電路408耦接到除法器406的輸出端，對除法器406
的輸出信號進行采樣，以便設定調整后的峰值電流參考水平 "W"。
采樣保持電路408的采樣率相應于開關穩(wěn)壓器10的開關頻率f 。
控制系統(tǒng)400進一步包括OC比較器410, VC比較器412,以及耦接到比較器410和412輸出端的RS觸發(fā)器電路416，采用與圖6配置中執(zhí)行的開關控制相似的方式來控制開關穩(wěn)壓器10的開關元件S。
因此，圖6和圖7中的輸出電流控制配置確定該輸出電流來產生調整后的 Ip"值并且控制開關穩(wěn)壓器10的開關元件S，從而在開關穩(wěn)壓器10的輸出端產生預定的電流水平。因此，盡管輸入電壓和輸出電壓發(fā)生變化，輸出電流仍可以保持基本恒定的水平。通過電路模擬證實了本發(fā)明輸出電流控制方案的有效性。圖8A說明了不具有自適應峰值校正的模擬常規(guī)輸出電流控制系統(tǒng)中的輸出電流，反之圖8B示出了使用本發(fā)明具有自適應峰值校正的模擬輸出電流控制系統(tǒng)保持的輸出電流。而在常規(guī)的輸出電流控制系統(tǒng)中，在輸入電壓Vin擾動期間輸出電流I上會產生大量輸出電流沖擊，本發(fā)明的控制系統(tǒng)當輸入電壓Vin變化時使輸出電流 lout幾乎保持在同一水平。如圖9的時序圖所示，可以執(zhí)行本發(fā)明的輸出電流控制方案來控制在連續(xù) 導電模式(CCM)中的回掃穩(wěn)壓器10的輸出電流。波形I表示工作在CCM中的穩(wěn)壓器10的變壓器電流，其中電流在由峰值電流參考水平I pk*確定的上限和由高于零的谷值電流水平Iv確定的下限之間變化。與圖4和圖5相似，波形I中的向上傾斜的虛線表示開關元件S在頻率f進行切換時開啟時間ton期間穩(wěn)壓器10的初級端電流，反之波形I中向下傾斜的實線表示開關元件S關閉時間 toff期間穩(wěn)壓器10的次級端電流。向上傾斜線由比率Vin/L確定，其中Vin 是穩(wěn)壓器10的輸入電壓，L是變壓器Tr的電感。向下傾斜線由比率Vout/L確定，其中Vout是開關穩(wěn)壓器10的輸出電壓。波形I中的實線區(qū)域表示傳輸到穩(wěn)壓器10的次級端的總電荷。穩(wěn)壓器10的輸出電流lout相應于穩(wěn)壓器10切換周期上的電流平均值。平均輸出電流lout與峰值電流參考水平Iph的關系如下<formula>formula see original document page 23</formula>
上述等式可以改寫為 <formula>formula see original document page 23</formula>鑒于反射輸出電壓Vo，可以表示為(Vsw - Vin),考慮到變壓器Tr的匝數比 n，峰值電流參考水平Ip"可以表示為
<formula>formula see original document page 23</formula>
如上所述，輸出電流Iout也可以根據如下等式基于輸入電壓Vin,輸入電流I in和反射輸出電壓Vo，來確定
在某些應用中，輸入電壓Vin可以是由固定參數表示的固定值。在這種情況下，可以基于輸入電流Iin、反射輸出電壓Vo，和表示輸入電壓Vin的固定參數來計算輸出電流。
在CCM中，根據整個切換周期中開關電流i sw的平均值來定義輸入電流I in, 如圖9所示<formula>formula see original document page 23</formula>其中Ts是切換周期，D是占空比，IV是最小開關電流，^是峰值開關電流， ton是開關開啟時間，toff是開關關閉時間。參見圖10，用于控制工作在CCM中的開關穩(wěn)壓器1Q的輸出電流的本發(fā)明典型的輸出電流控制系統(tǒng)500包括參考電源502和PI調節(jié)器，參考電源502產生參考電流Iref ， PI調節(jié)器比較開關穩(wěn)壓器10的反射輸出電流Io，和參考電流 Iref。該PI調節(jié)器包括運算放大器504以及由電容506和電阻508組成的積分電路。該運算放大器504比較電流Io，和Iref值，并且通過相應于開關穩(wěn)壓器 10的開關頻率f的采樣率對電流差值進行采樣。可以選擇PI調節(jié)器的元件來產生相應于值；PI調節(jié)器的輸出信號Iref*。連接到PI調節(jié)器輸出端的乘法器510接收開關電壓Vsw,使PI調節(jié)器的輸出信號Ire&乘以Vsw值。此外，除法器512耦接到乘法器510的輸出端，使乘法器510的輸出信號除以輸入電壓Vin。采樣保持電路514耦接到除法器512 的輸出端，對除法器512的輸出信號進行釆樣，以便設定調整的峰值電流參考樹* 二 2/贈丄'- /v水平<formula>formula see original document page 24</formula> 。采樣保持電路514的采樣率相應于開關穩(wěn)壓器10的開關頻率f?？刂葡到y(tǒng)500進一步包括峰值電流比較器516，谷值電流比較器518,以及耦接到比較器516和518輸出端耦接的RS觸發(fā)器電路520。峰值電流比較器516 比較開關電流Isw和調整后的峰值電流參考水平Ipk*,當開關電流Isw到達調整后的峰值電流參考水平I pk *時產生峰值電流信號。谷值電流比較器518比較變壓器電流和谷值電流水平Iv,產生設定最小開關電流Isw為谷值電流Iv的谷值電流信號。谷值電流信號被提供給RS觸發(fā)器電路520,從而在RS觸發(fā)器電路520的Q輸出端產生柵極控制信號。當柵極控制信號被設定時，開啟開關元件S。 OC信號施加給RS觸發(fā)器電路520,從而在 Q輸出端復位柵極控制信號。當柵極控制信號被復位時，關閉開關元件S。因此，電流峰值參考水平Ipk^艮據輸入電壓Vin的變化被自適應地調整，從而當開關電流Isw在Iph水平和Iv水平之間變化時，輸出電流lout保持恒定水平。
因此，圖10中的輸出電流控制配置通過計算相應于調整后的峰值電流參考水平Iph的輸出電流水平以及通過控制開關元件S來產生位于適當水平的輸出電流，控制工作在CCM中的開關穩(wěn)壓器10的輸出電流水平。
此外，執(zhí)行本發(fā)明具有峰值電流校正的輸出電流控制方案來控制工作在不連續(xù)導電模式(DCM)中的開關穩(wěn)壓器。如圖ll的時序圖所示，在DCM中，開關穩(wěn)壓器10的次級線圈電流在開關穩(wěn)壓器IO每個周期的tdead期間等于零。波形I中的向上傾斜虛線表示開關元件S在頻率f進行切換時開啟時間ton期間穩(wěn)壓器10的初級線圈中的電流，反之波形I中向下傾斜的實線表示開關元件 S關閉時間toff期間穩(wěn)壓器10的次級線圏中的電流。向上傾斜線由比率Vin/L 確定，其中Vin是穩(wěn)壓器10的輸入電壓，L是變壓器Tr的電感。向下傾斜線由比率Vout/L確定，其中Vout是開關穩(wěn)壓器10的輸出電壓。波形I中的實線區(qū) 域表示傳輸到穩(wěn)壓器10的次級端的總電荷。相應于穩(wěn)壓器10切換周期上的電流平均值的穩(wěn)壓器10的輸出電流lout與峰值電流參考水平Ip"的關系如下
<formula>formula see original document page 25</formula>
上述等式可以改寫為<formula>formula see original document page 26</formula>鑒于反射輸出電壓Vo，可以表示為(Vsw-Vin)，考慮到變壓器的匝數比n, 峰值電流參考水平Ipb可以表示為<formula>formula see original document page 26</formula>如上所述，輸出電流lout也可以根據如下等式基于輸入電壓Vin，輸入電流I in和反射輸出電壓Vo ，來確定,<formula>formula see original document page 26</formula>在某些應用中，輸入電壓Vin可以是由固定參數表示的固定值。在這種情況下，可以基于輸入電流Iin，反射輸出電壓Vo，和表示輸入電壓Vin的固定參數來計算輸出電流。在DCM中，才艮據整個切換周期中開關電流i sw的平均值來定義輸入電流I in, 如圖11所示<formula>formula see original document page 26</formula>其中Ts是切換周期，D是占空比，^是峰值開關電流，ton是開關開啟時間，toff是開關關閉時間。參見圖12，用于控制工作在DCM中的開關穩(wěn)壓器10的輸出電流的本發(fā)明典型的輸出電流控制系統(tǒng)600包括參考電源602和PI調節(jié)器，參考電源602產生參考電流Iref， PI調節(jié)器比較開關穩(wěn)壓器10的反射輸出電流Io，和參考電流 Iref。該PI調節(jié)器包括運算》文大器604以及由電容606和電阻608組成的積分電路。該運算放大器604比較電流Io，和Iref值，并且通過相應于開關穩(wěn)壓器 10的開關頻率f的采樣率堆電流差值進行采樣。
連接到PI調節(jié)器輸出端的乘法器610接收減法器612的輸出信號，使PI 調節(jié)器的輸出信號Ireb乘以減法器612的輸出值，減法器612確定開關電壓
Vsw和輸入電壓Vin之間的差值。同時，乘法器610使PI調節(jié)器的輸出信號乘
<formula>formula see original document page 27</formula>
以值V。平方根計算單元614耦接到乘法器610的輸出端，從而確定乘法器610 輸出結果的平方根。采樣保持電路616耦接到平方根計算單元614的輸出端，對它的輸出信號進行采樣，以便設定調整后的峰值電流參考水平<formula>formula see original document page 27</formula> 。采樣保持電路616的采樣率相應于開關穩(wěn)壓器10的開關
頻率f 。
控制系統(tǒng)600進一步包括峰值電流比較器618和耦接到比較器618輸出端的RS觸發(fā)器電路620。峰值電流比較器618比較開關電流Isw和調整后的峰值電流參考水平Ipk*,當開關電流Isw到達調整后的峰值電流參考水平Iph時產生峰值電流信號。外部振蕩器將具有與開關元件S的頻率相對應的頻率f的振蕩信號提供給RS觸發(fā)器電路620,從而在RS觸發(fā)器電路620的Q輸出端產生柵極控制信號。當柵極控制信號被設置時，開啟開關元件S。來自峰值電流比較器 618的峰值電流信號被提供給RS觸發(fā)器電路620，從而在Q輸出端復位柵極控制信號。當柵極控制信號被復位時，關閉開關元件S。因此，峰值電流參考水平 Ipk—艮據輸入電壓Vin的變化被自適應地調整，從而當開關穩(wěn)壓器1Q工作在DCM 中時，輸出電流Iout保持恒定水平。
因此，圖12中的輸出電流控制配置通過計算產生調整后的峰值電流參考水平Ip"所需的輸出電流值以及通過控制開關元件S來產生位于適當水平的輸出電流，控制DCM中的輸出電流水平。
如上所述，本發(fā)明具有自適應峰值電流校正的輸出電流控制方案可用于控
制LED驅動器的回掃開關穩(wěn)壓器的輸出電流。由于LED的光發(fā)射與流經LED的電流直接相關，盡管輸入電壓的變化以及負載條件的變化，本發(fā)明的控制方案能夠通過使開關穩(wěn)壓器中的輸出電流保持在所需水平來避免LED閃爍。
上述說明書解釋和描述了本發(fā)明的各方面。此外，本發(fā)明僅示出和描述了優(yōu)選實施例，但如上所述，應當理解本發(fā)明能夠使用在各種其他組合，修改，和環(huán)境中并且能夠在如這里所表達的發(fā)明原理，和上述教導相稱的，和/或相關領域的技術或知識的范圍內進行變化或修改。
上面描述的實施例進一步意旨用于解釋實施本發(fā)明已知的最佳方式并且能夠使本領域的其他技術人員能夠利用本發(fā)明的這種或其他，以及具有具體應用所需的各種修改的實施例或本發(fā)明的用途。
權利要求
1.一種控制開關電路輸出電流的方法，其中，該開關電路具有用于接收輸入電壓和輸入電流的輸入電路以及用于產生輸出電壓的輸出電路，該輸出電路與該輸入電路電氣絕緣，該方法包括以下步驟基于在該輸入電路中獲得的輸入電壓，輸入電流和反射輸出電壓，確定輸出電路中的輸出電流值，和控制該輸入電路中的開關元件以產生輸出電流的確定值。
2. 根據權利要求1所述的方法，其中確定該輸出電流值，使得當輸入電壓和輸出電壓變化時，減小輸出電流的變化。
3. 根據權利要求1所述的方法，其中控制該開關元件，使得該開關電路工作在邊界導電模式中。
4. 根據權利要求1所述的方法，其中控制該開關元件，使得該開關電路工作在連續(xù)導電模式中。
5. 根據權利要求1所述的方法，其中控制該開關元件，使得該開關電路工作在不連續(xù)導電模式中。
6. 根據權利要求1所述的方法，其中該開關電路包括一個電感元件，該電感元件具有與第二線圈隔離的第一線圏。
7. —種控制開關電路輸出電流的方法，其中該開關電路具有用于接收輸入電流和由固定參數表示的輸入電壓的輸入電路，以及用于產生輸出電壓的輸出電路，該輸出電路與該輸入電路電氣絕緣，該方法包括以下步驟基于在該輸入電路中獲得的輸入電流，固定參數和反射輸出電壓，確定輸出電路中的輸出電流值，控制該輸入電路中的開關元件以產生輸出電流的確定值。
8. 根據權利要求7所述的方法，其中控制該開關元件，使得該開關電路工作在邊界導電模式中。
9. 根據權利要求7所述的方法，其中控制該開關元件，使得該開關電路工作在連續(xù)導電模式中。
10. 根據權利要求7所述的方法，其中控制該開關元件，使得該開關電路工作在不連續(xù)導電模式中。
11. 一種控制開關電路輸出電流的系統(tǒng)，其中該開關電路具有用于接收輸入電壓和輸入電流的輸入電路，以及用于產生輸出電壓的輸出電路，該輸出電路與該輸入電路電氣絕緣，該系統(tǒng)包括開關控制電路，用于控制輸入電路中的開關元件，從而控制輸出電路中的專命出電法u，該開關控制電路配置用于基于在輸入電路中獲得的輸入電壓，輸入電流和反射輸出電壓來確定輸出電流值，以及用于控制該開關元件，從而當輸入電壓和輸出電壓變化時，減小輸出電流的變化。
12. 根據權利要求11所述的系統(tǒng)，其中該開關控制電路進一步被配置來控制該開關元件，以產生與該輸入電壓成比例的輸出電流。
13. 根據權利要求11所述的系統(tǒng)，其中該開關控制電路進一步被配置來控制該開關元件，以產生與該輸入電流成比例的#r出電流。
14. 根據權利要求11所述的系統(tǒng)，其中該開關控制電路進一步被配置來控制該開關元件，以產生與該反射輸出電壓成反比的輸出電流。
15. 根據權利要求11所述的系統(tǒng)，其中該輸入電路包括一個電感元件的初級線圈，該輸出電路包括該電感元件的次級線圈。
16. 根據權利要求15所述的系統(tǒng)，其中該開關控制電路進一步被配置來控制該開關元件，以產生與電感元件的匝數比成比例的輸出電流。
17. 根據權利要求11所述的系統(tǒng)，其中該開關控制電路被配置來使該開關電路工作在邊界導電模式中。
18. 根據權利要求11所述的系統(tǒng)，其中該開關控制電路被配置來使該開關電路工作在連續(xù)導電模式中。
19. 根據權利要求11所述的系統(tǒng)，其中該開關控制電路被配置來使該開關電路工作在不連續(xù)導電模式中。
20. —種控制開關電路輸出電流的系統(tǒng)，其中該開關電路具有用于接收輸入電流和由固定參數表示的輸入電壓的輸入電路，以及用于產生輸出電壓的輸出電路，該輸出電路與該輸入電路電氣絕緣，該系統(tǒng)包括開關控制電路，用于控制該輸入電路中的開關元件，從而控制該輸出電路中的輸出電流，該開關控制電路配置用于基于在輸入電路中獲得的輸入電流，固定參數和反射輸出電壓，確定該輸出電流值，以及用于控制該開關元件，從而當輸入電壓和i命出電壓變化時，減小該iir出電流的變化。
21. 根據權利要求20所述的系統(tǒng)，其中該開關控制電路被配置來使該開關電路工作在邊界導電模式中。
22. 根據權利要求20所述的系統(tǒng)，其中該開關控制電路被配置來使該開關電路工作在連續(xù)導電模式中。
23. 根據權利要求20所述的系統(tǒng)，其中該開關控制電路被配置來使該開關電路工作在不連續(xù)導電模式中。
24. —種驅動發(fā)光二^L管的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括用于提供驅動發(fā)光二極管的電源的開關穩(wěn)壓器，該開關穩(wěn)壓器具有用于接收輸入電壓和輸入電流的輸入電路，以及用于產生輸出電壓的輸出電路，該輸出電路與該輸入電路電氣絕緣；和用于控制該開關穩(wěn)壓器的輸出電路的電流的控制電路，該控制電路被配置用于基于在輸入電路中獲得的輸入電壓，輸入電流，和反射輸出電壓來產生輸出電路中的電流。
25. 根據權利要求24所述的系統(tǒng)，其中該輸入電路包括一個電感元件的初級線圈，該輸出電路包括該電感元件的次級線圈。
26. 根據權利要求24所述的系統(tǒng)，其中該控制電路被配置來使該開關電路工作在邊界導電模式中。
27. 根據權利要求24所述的系統(tǒng)，其中該控制電路被配置來使該開關電路工作在連續(xù)導電模式中。
28. 根據權利要求24所述的系統(tǒng)，其中該開關控制電路被配置來使該開關電路工作在不連續(xù)導電模式中。
29. —種控制開關電路的方法，其中該開關電路具有用于接收輸入電壓的輸入電路和用于產生輸出電壓的輸出電路，該輸出電路與該輸入電路電氣絕緣，該方法包括以下步驟基于在輸入電路中獲得的輸入電壓和反射輸出電壓來確定輸出電路中的輸出電流Y直，和控制輸入電路中的開關元件以產生輸出電流的確定值。
30. 根據權利要求29所述的方法，其中確定該輸出電流值，使得當輸入電壓和輸出電壓變化時，減小輸出電流的變化。
31. 根據權利要求29所述的方法，其中控制該開關元件，使得該開關電路工作在邊界導電模式中。
32. 根據權利要求29所述的方法，其中控制該開關元件，使得該開關電路工作在連續(xù)導電模式中。
33. 根據權利要求29所述的方法，其中該開關元件包括一個電感元件，該電感元件具有與第二線圈隔離的第一線圈。
34. —種控制運行在不連續(xù)導電模式中的開關電路的方法，其中該開關電路具有輸入電路，以及用于提供輸出電壓的輸出電路，該輸出電路與該輸入電路電氣絕緣，該方法包括以下步驟基于在該輸入電路中獲得的反射輸出電壓，確定該輸出電路中的輸出電流值，和控制該輸入電^^中的開關元件以產生輸出電流的確定值。
35. —種控制開關電路的系統(tǒng)，其中該開關電路具有用于接收輸入電壓的輸入電路和用于產生輸出電壓的輸出電路，該輸出電路與該輸入電路電氣絕緣，該系統(tǒng)包括開關控制電路，用于控制該輸入電路中的開關元件，從而控制該輸出電路中的電流，該開關控制電路被配置用于基于在輸入電路中獲得的輸入電壓和反射輸出電壓，確定該輸出電路的電流值，并且用于控制該開關元件，從而當輸入電壓和輸出電壓變化時，減小該輸出電路中電流的變化。
36. 根據權利要求35所述的系統(tǒng)，其中該開關控制電路進一步被配置來控制該開關元件，以產生與輸入電壓成比例的輸出電路中的電流。
37. 根據權利要求35所述的系統(tǒng)，其中該開關控制電路進一步被配置來控制該開關元件，用于產生與輸入電壓和反射輸出電壓之和成反比的輸出電路中的電流。
38. 根據權利要求35所述的系統(tǒng)，其中該輸入電路包括一個電感元件的初級線圈，該輸出電路包括該電感元件的次級線圈。
39. 根據權利要求35所述的系統(tǒng)，其中該開關控制電路進一步被配置來調整開關元件中的開關電流，用于在輸出電路中產生相應于確定值水平的電流。
40. 根據權利要求39所述的系統(tǒng)，其中該開關控制電路進一步被配置來調整開關元件中的開關電流峰值水平，用于在輸出電路中產生相應于確定值水平的電流。
41. 根據權利要求40所述的系統(tǒng)，其中該開關控制電路包括比較開關電流與參考值的比較器，當該開關電流超過參考值時切換該開關元件。
42. 根據權利要求41所述的系統(tǒng)，其中該開關控制電路進一步包括一個產生該參考值的參考電路。
43. 根據權利要求42所述的系統(tǒng)，其中該參考電路被配置來產生與該輸入電壓成反比的參考值。
44. 根據權利要求43所述的系統(tǒng)，其中該參考電路被配置來產生與輸入電壓和反射輸出電壓之和成比例的參考值。
45. 根據權利要求44所述的系統(tǒng)，其中該輸入電路包括一個電感元件的初級線圏，該輸出電路包括該電感元件的次級線圈，該參考電路被配置來提供與電感元件的匝數比成比例的參考值。
46. 根據權利要求35所述的系統(tǒng)，其中該開關控制電路被配置來使該開關電路工作在邊界導電模式中。
47. 根據權利要求35所述的系統(tǒng)，其中該開關控制電路被配置來使該開關電路工作在連續(xù)導電模式中。
48. —種控制開關電路的系統(tǒng)，其中該開關電路具有輸入電路和用于產生輸出電壓的輸出電路，該輸出電路與該輸入電路電氣絕緣，該系統(tǒng)包括開關控制電路，用于控制輸入電路中的開關元件，從而控制開關電路的輸出電3各的電流，該開關控制電路被配置來使該開關電路工作在不連續(xù)導電模式中，該開關控制電路被進一步配置來控制該開關元件，用于基于在輸入電路中獲得的反射輸出電壓來產生輸出電路中的電流。
49. 根據權利要求48所述的系統(tǒng)，其中該開關控制電路進一步被配置來控制該開關元件，從而產生與該反射輸出電壓成反比的輸出電路中的電流。
50. 根據權利要求48所述的系統(tǒng)，其中該輸入電路包括一個電感元件的初級線圈，該輸出電路包括該電感元件的次級線圈。
51. 根據權利要求50所述的系統(tǒng)，其中該開關控制電路被配置來控制該開關元件，以在輸出電if各中產生與該電感元件的電感成正比的電流。
52. 根據權利要求51所述的系統(tǒng)，其中該開關控制電路被配置來控制該開關元件，以輸出電路中產生與該開關元件的開關頻率成正比的電流。
53. 根據權利要求52所述的系統(tǒng)，其中該開關控制電路被配置來根據施加給開關電路的輸入電壓調整開關元件中的開關電流。
54. 根據權利要求53所述的系統(tǒng)，其中該開關控制電路包括比較開關電流與參考值的比較器，當開關電流超過參考值時切換該開關元件。
55. 根據權利要求54所述的系統(tǒng)，其中該自適應電流控制電路包括一個參考電路，用于產生與該反射輸出電壓的平方根成比例的參考值。
56. 根據權利要求55所述的系統(tǒng)，其中，該參考電路被配置來產生與該電感元件電感的平方根成反比的參考值。
57. 根據權利要求56所述的系統(tǒng)，其中該參考電路被配置來產生與該開關元件的開關頻率的平方根成反比的參考值。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于控制開關電路輸出電流的系統(tǒng)和方法，該開關電路具有彼此電氣絕緣的輸入電路和輸出電路。輸出電流值可以基于輸出電壓，輸出電流和表示相應于輸出電壓的輸入電路中的電壓的反射輸出電壓來確定。輸入電路中的開關元件被控制來產生輸出電流的確定值。
文檔編號H02M3/335GK101242143SQ200810000488
公開日2008年8月13日申請日期2008年1月14日優(yōu)先權日2007年2月8日
發(fā)明者史蒂文·M·彼特凱維奇, 周喜根, 大衛(wèi)·羅伊·Ng, 羅伯特·C·道金申請人:凌力爾特有限公司

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