專利名稱：Power factor correction and driver circuits的制作方法
技術領域：
本公開總體涉及功率因數(shù)校正和驅(qū)動電路。更具體而言，本公開涉及利用用于功 率調(diào)節(jié)的輔助電感繞組的功率因數(shù)校正電路并且還涉及被配置成用于諸如串聯(lián)布置的發(fā) 光二極管(“LED")的電負載的高壓驅(qū)動電路。
背景技術：
功率因數(shù)是實際功率與視在功率的比率。在美國，提供頻率為大約60赫茲的大約 120伏的AC功率。在歐洲及其它地區(qū)，提供頻率為大約50赫茲的大約240伏的AC功率。功率因數(shù)校正(PFC)是對產(chǎn)生小于1的功率因數(shù)的電負載的特征進行調(diào)節(jié)的處 理。通過電力傳輸部門來施加功率因數(shù)校正以改善傳輸網(wǎng)絡的穩(wěn)定性和效率。或者，可由 各個電氣客戶來安裝功率因數(shù)校正以降低他們的電氣供應商向他們收取的費用。在傳輸系 統(tǒng)中高功率因數(shù)(即，接近于一或"1")通常是期望的以降低傳輸損失并且提高負載上的 電壓調(diào)節(jié)。耗用交流電功率的電負載消耗用于進行有用功或能進行有用功的實際功率以及 下述無功功率，該無功功率在負載中不消耗能量并且在每個交流電周期回到源。實際功率 與無功功率的矢量和是視在功率。實際功率與視在功率的比率是在0與1之間，并且包括 0與1的數(shù)字的功率因數(shù)。無功功率的存在會引起實際功率小于視在功率，并且因此，電負 載具有小于一的功率因數(shù)。無功功率可使在電源與負載之間流動的電流增大，這使通過傳輸和配電線的功率 損耗增大了。這導致電力公司的額外費用。因此，電力公司需要它們的客戶，尤其是具有大 負載的那些客戶保持他們的功率因數(shù)在規(guī)定量(通常是0. 90或更高)之上或者需要繳納 額外的費用。電力部門對高需求客戶所使用的無功功率進行測量并且因此收取更高費用。 一些客戶在他們的工廠安裝功率因數(shù)校正方案以減少這些較高費用。涉及電功率的產(chǎn)生、傳輸、分配、以及消耗的電氣工程師對負載的功率因數(shù)感興 趣，因為功率因數(shù)會影響電力企業(yè)和客戶的效率和費用。除了操作費用增加之外，無功功率 需要利用載流量較高的線路、開關、斷路器、變壓器、以及傳輸線路。通過提供符號相反的無功功率，添加分別作用于消除負載的電感性或電容性效應 的電容器或電感器，功率因數(shù)校正使AC功率電路的功率因數(shù)接近1。例如，通過局部連接的 電容器來抵消電動機負載的電感效應。有時，當由于電容性負載而使功率因數(shù)超前時，電感 器用于對功率因數(shù)進行校正。在電力企業(yè)中，電感器被認為消耗無功功率并且電容器被認 為提供無功功率，即使無功功率實際上僅僅是在每個AC周期之間來回移動。代替利用電容器，可使用無載同步電動機。同步電動機所汲取的無功功率是其場 激勵的函數(shù)。將這稱為同步調(diào)相器。啟動這種調(diào)相器并且使其與電網(wǎng)相連。它以完全超前 功率因數(shù)進行操作并且必要時向網(wǎng)絡提供無功功率(通常稱為無功伏安或"VAR")以支 持系統(tǒng)的電壓或者保持系統(tǒng)功率因數(shù)在指定水平。調(diào)相器的安裝和操作與大電動機相同。 其主要優(yōu)點是易于對校正量進行調(diào)節(jié)，因為它具有與電可變電容器一樣的性質(zhì)。
除了初始AC電流之外，非線性負載還產(chǎn)生了諧波電流。添加諸如電容器和電感器 這樣的線性部件無法消除這些諧波電流，因此需要諸如濾波器或有功功率因數(shù)校正這樣的 其他方法來對在交流電的每個周期上的電流需要進行平滑并且因此降低所產(chǎn)生的諧波電流。典型的開關模式電源首先對AC電流進行整流，利用橋式整流器或相似電路形成 DC總線(或DC波紋電流)。然后從該DC總線得到輸出電壓。與此相關的問題是整流器是 非線性設備，因此輸入電流高度非線性。這意味著輸入電流在電壓頻率的諧波上具有能量。這表現(xiàn)出了電力公司的特定問題，因為它們無法與對線性負載所汲取的無功功率 進行補償一樣來通過添加簡單的電容器或電感器來對諧波電流進行補償。許多管轄區(qū)開始 合法地需要對處于某個功率級之上的所有電源進行功率因數(shù)校正。圖1示出了功率因數(shù)校正(PFC)被設計成根據(jù)現(xiàn)有技術來校正的電子設備的電流 和電壓波形。如圖所示，電壓波形的形狀是正弦曲線并且電流波形的特征為電流值穩(wěn)定的 波形，其中電流波形幅值中的大尖峰隨同諧波的高分量一起。電流波形中的大尖峰是由于 開關電源以及其使用整流器電橋/平滑電容器電路引起的。從效率的角度來看，典型的未 校正的開關式電源具有0.6的功率因數(shù)，其可以使從AC插座中獲得的電流從大約13安培 有效地降低為大約7. 8安培。功率因數(shù)校正的解決方案是調(diào)節(jié)設備的輸入負載功率以便它利用有功PFC技術 而純粹呈現(xiàn)為電阻性。普通PFC設計在傳統(tǒng)的電壓調(diào)節(jié)級之前采用升壓預轉(zhuǎn)換器，該升壓 預轉(zhuǎn)換器與交換式電源有效地級聯(lián)。升壓預轉(zhuǎn)換器使全波整流的未濾波的AC線路上升到 略高于整流AC線路級別的DC輸入軌，并且大約是375至400伏DC。通過在整個AC線路周 期汲取電流，升壓預轉(zhuǎn)換器迫使負載汲取與AC線電壓同相的電流，這可消除諧波發(fā)射?？刂浦C波電流的最簡單方式是使用濾波器作為無源功率因數(shù)校正技術?？稍O計僅 使線路頻率(例如50或60Hz)的電流通過的濾波器。該濾波器降低諧波電流，這意味著非 線性設備現(xiàn)在看來像線性負載。就此必要時利用電容器或電感器可使功率因數(shù)接近一。該 濾波器需要大值高電流電感器，然而，其是龐大的且昂貴的。這是通過利用電容器組來對負 載的非線性進行校正的簡單方式。它不是與有源PFC—樣有效。將電容器切換到電路中或 者電路之外會引起諧波，這就是為什么有源PFC或同步電動機是優(yōu)選的原因。還可執(zhí)行有功功率因數(shù)校正。為此，通常將升壓轉(zhuǎn)換器插入到橋式整流器與主輸 入電容器之間。升壓轉(zhuǎn)換器試圖在其輸出上保持恒定DC總線電壓，同時汲取總是與線電 壓同相的且相同頻率的電流。電源內(nèi)部的另一開關式轉(zhuǎn)換器從DC總線產(chǎn)生期望的輸出電 壓。該方法需要額外的半導體開關和電子控制器件，但是允許較便宜的且較小的無源部件。 由于它們非常廣的輸入電壓范圍，因此具有有功PFC的許多電源可自動調(diào)節(jié)以對從大約 100V(日本)至240V(UK)的AC功率進行操作。有功功率因數(shù)校正器(有功PFC)是下述功率電子系統(tǒng)，該功率電子系統(tǒng)對負載所 汲取的功率量進行控制以便獲得盡可能靠近一的功率因數(shù)值。在大多數(shù)應用中，有功PFC 對負載的輸入電流進行控制以便電流波形與電源電壓波形(正弦波)成正比。一些類型的 有功PFC是(i)升壓、(ii)降壓、并且(iii)降壓一升壓。有功功率因數(shù)校正器可以是單 級或多級。有功PFC可產(chǎn)生0.99 (99% )的PFC。利用整流器電橋/平滑電容器電路的電源汲取非正弦電流，因為AC線路的瞬時電壓超過了存儲電容器的電壓。沒有功率因數(shù)校正的電子產(chǎn)生器必須在正弦波的頂部/峰值 提供能量而不是在整個周期提供能量，這可使正弦波在其峰值附近陷落。圖2示出了根據(jù)現(xiàn)有技術的具有升壓預轉(zhuǎn)換器的功率因數(shù)校正電路。全波電橋整 流器200接收AC輸入電壓并且產(chǎn)生全波整流電壓。該升壓預轉(zhuǎn)換器205接收全波整流電壓 并且迫使負載汲取與電壓同相的電流。通過與輸出和控制電路220相耦合的開關設備215 來確定電流波形的形狀?？刂齐娐?20將輸入提供給開關設備215并且接收來自輸出的信 號作為輸入信號并接收來自整流器/升壓節(jié)點225的信號。該電路可解決由于使電流波形 成形為酷似電壓波形并且使電流波形與電壓波形同相所引起的問題。對于包括有提供相對高電壓的功率的一些應用而言，先前所描述的PFC技術由于 非一的PFC值而可呈現(xiàn)出或可使效率不期望的損失。越來越多地，許多工業(yè)、民用、以及公共基礎設施應用已使用發(fā)光二極管來照明。 與諸如白熾或熒光照明這樣的先前照明技術相比，LED可提供寬的色譜、大小緊湊、能效增 大、不需要汞和相關環(huán)境考慮、使用壽命增加、弱光輸出的能力、不需要紅外或紫外光譜分 量(當期望時)、以及低電壓(基于每個LED)。LED是固有地低壓設備并且根據(jù)顏色和電 流，LED的正向電壓在不到2至4. 5V變化。另外，LED必須由恒定電流來驅(qū)動以確保期望的 強度和顏色。就諸如包括LED的各類照明這樣的電子部件的驅(qū)動器級而言，調(diào)節(jié)器用于功 率調(diào)節(jié)和功率因數(shù)校正。然而，已顯示出這種調(diào)節(jié)器和PFC具有小于最佳的電流控制。由 于附屬部件壽命降低以及熱管理問題，這又會導致電流傳送過程中的不能接受的變化。因此，當前缺乏的是用于在各種類型的操作條件以及相對高電壓之下提供較接近 一的功率因數(shù)校正值的技術。進一步缺乏的是用于利用增大的且更均勻的功率調(diào)節(jié)向電子 部件提供相對高的電壓的技術，尤其是用于包括LED應用的照明應用，其中外加功率的變 化可產(chǎn)生引人注目的視覺效果。

發(fā)明內(nèi)容
本公開涉及并且包括這樣的技術和系統(tǒng)，該技術和系統(tǒng)包括用于在各種操作條件 以及例如大約400V或之上這樣的相對高電壓之下提供接近一的功率因數(shù)校正值的電子線 路。在本公開中包括所描述的電子線路的技術和系統(tǒng)可利用增大的且更均勻的功率和電流 調(diào)節(jié)而向電子部件提供相對高的電壓。示例性實施例可用于或?qū)崿F(xiàn)對LED的配置的操作和控制，例如對期望數(shù)量的適當 LED的串聯(lián)配置的操作和控制。本公開的一個方面包括其包括提供功率因數(shù)校正的電路、電子線路、和/或級的 技術和系統(tǒng)。更具體而言，本公開的一方面涉及并且能夠提供使用輔助電感繞組進行功率 調(diào)節(jié)和電流相位(例如零點)檢測的功率因數(shù)校正電路。本公開的另一方面涉及并且能夠提供用于諸如串聯(lián)布置的LED的電負載的高壓 驅(qū)動電路。這種驅(qū)動級或電路的示例性實施例可實現(xiàn)比較器和/或電壓調(diào)節(jié)器，以允許改 善高電壓應用以及諸如串聯(lián)配置的LED的負載的輸出電流均勻性。PFC級/電路以及驅(qū)動器級/電路的示例性實施例是以組合電路進行配置和布置。 這種實施例可用作電源并且將其配置在或配置有公共電路板，例如配置在公共電路板的相 對側(cè)上。
當結(jié)合附圖閱讀時，可從以下描述顯而易見的得知本公開的其它方面、實施例、以 及細節(jié)。


當結(jié)合附圖閱讀時，從以下描述可更完全清楚本公開的方面和實施例，這些附圖 被認為實質(zhì)上是示意性的而不是作為限制。附圖不必按比例繪制，而是將重點放置突出本 公開的原理。在附圖中圖1示出了用于現(xiàn)有PFC技術的電子設備的電流和電壓波形；圖2描述了現(xiàn)有PFC控制電路；圖3描述了根據(jù)本公開的示例性實施例的PFC電路的電路圖；圖4描述了根據(jù)本公開的示例性實施例的驅(qū)動電路的電路圖；圖5描述了根據(jù)該公開的另一實施例的PFC電路的電路圖；以及圖6描述了根據(jù)本公開的另一實施例的驅(qū)動電路的電路圖。雖然在附圖中對某些實施例進行了描述，但是所描述的實施例是示意性的，并且 在本公開的范圍之內(nèi)可預見到并實施所示的那些的變化以及在這里所描述的其它實施例。另外，本領域技術人員還應意識到雖然在附圖中示出了某些部件值和/或部分/ 型號，但是在本公開的范圍之內(nèi)可使用具有其它適當值的其它適當部分/部件。
具體實施例方式本公開的方面和實施例提供了用于功率因數(shù)校正和/或電子設備/部件驅(qū)動功能 的電路/級。該級或電路能夠用于增大功率因數(shù)校正和/或功率調(diào)節(jié)，并且提高例如串聯(lián) 配置的LED的電負載以及相關部件的使用壽命，以及降低與此相關的熱損耗和成本。本公開的其他方面涉及用于諸如串聯(lián)布置的發(fā)光二極管的電負載的高壓驅(qū)動電 路。驅(qū)動電路的示例性實施例能夠?qū)崿F(xiàn)比較器和/或電壓調(diào)節(jié)器，以允許改善高壓應用以 及諸如串聯(lián)配置的LED的負載的輸出電流均勻性。當結(jié)合附圖閱讀時可從這里的描述更完全清楚本公開的方面和實施例，附圖被認 為實質(zhì)上是示例性的而不是限制性的。在附圖中，所述電路實施例的突出特征具有參考標 記(例如圖3中的電容器336)并且在相關描述中調(diào)用，同時其它不突出特征在附圖中不 具有這種特征標記或者不在該描述中調(diào)用；然而，在該詳細說明中所描述的附圖中，為便于 理解，除了代表性額定值、管腳數(shù)、和/或值(例如圖3所示的，電解電容器Cl具有額定為 450V的68uF的標稱電容)之外，所述電路的功能部件還具有代表性所施加的電壓輸入和接 地符號以及電路元件符號和字母(根據(jù)傳統(tǒng)標準)。本領域技術人員應意識到雖然在附圖 中示出了某些部件值和/或部分/型號，但是在本公開范圍之內(nèi)可使用具有其它適當值的 其它適當部分/部件。本公開的一個方面涉及使用輔助電感繞組進行功率調(diào)節(jié)和/或電流相位(例如零 點)檢測的PFC電路。圖3示出了這種PFC電路的一個示例。圖3描述了根據(jù)本公開的示例性實施例的PFC電路或級300的電路圖。如圖3所示，功率因數(shù)校正級300能夠包括與EMI濾波器部分320連接的升壓電 路310 (例如配置在升壓預轉(zhuǎn)換器拓撲或電路部分中)。如圖所示，可將EMI濾波器320配置成接收AC功率，例如利用火線、中線、以及接地由典型的120伏AC電源所提供的。升壓 電路310能夠包括有功功率因數(shù)校正控制器312。級300還能夠包括功率調(diào)節(jié)電路330和 整流器340。在示例性應用和實現(xiàn)中，能夠?qū)FC級300配置成在臨界導電模式(CRM)下進 行操作。升壓電路310還能夠包括具有輔助繞組316的升壓或PFC線圈314。電壓調(diào)節(jié)電 路或調(diào)節(jié)器330可以包含在PFC級300中，以便將來自輔助繞組316的電壓調(diào)節(jié)到供功率 因數(shù)控制器310和/或例如圖4所描述的驅(qū)動控制器的其它電路/部件所用的期望電壓。 整流器340可以包含在PFC級300中并且如所示地進行配置和布置，以接收來自EMI濾波 電路320的AC，從而有助于/產(chǎn)生用于升壓電路310的整流電壓和電流。在示例性實施例 中，可以將NCP1606B控制器用于功率因數(shù)控制器310。對于某些應用而言，可以將施加到 NCP1606控制器的任何管腳的最大電壓限制為20V或更小。在示例性實施例中，升壓線圈 314可以是購買自Coilcraft公司的FA2890-ALPFC升壓電感器。繼續(xù)參考圖3，如圖所示，EMI濾波器電路310可以包括變阻器322、保險絲 324、多個電容器326(1)-326(4)，以及用于EMI屏蔽/濾波的一個或多個線圈/電感器 328(1)-328 (2)。PFC控制器312 (例如如圖3所示配置的NCP1606控制器)通過對電感器電壓進行 感測來確定校正斷開時間。當電感器電流下降至零時，晶體管開關317的漏極電壓(示例性 實施例所示的為購買自Fairchild半導體公司的Q1550V N-溝道增強型MOSFET FDPF7N50) 實質(zhì)上是浮置的并且可以開始下降。如果此刻導通開關317，那么將實現(xiàn)CRM操作。直接 對升壓電感器上的高壓進行測量通常是不經(jīng)濟的或不實際的。相反地，使較小的輔助繞組 316離開升壓電感器314。該繞組316可作為零電流檢測器(ZOT)繞組(例如如圖所示與 控制器312的管腳8相連)進行操作，并且尤其可給出供PFC控制器312使用的縮小型電 感器314輸出。如所描述的，PFC級300的輔助線圈繞組316的主要作用是使得PFC控制器(例 如，在示例性實施例中的NCP1606 1C)能夠確定PFC電感器314的電流何時達到特定相位 點，例如，確定何時在PFC電感器314中出現(xiàn)電流過零。對于CRM操作，雖然AC周期上的導 通時間是恒定的，但是CRM操作中的截止時間隨瞬時輸入電壓而變。除了零電流檢測之外，輔助線圈繞組316還可以提供要使例如NCP1606控制器的 PFC控制器312和/或例如諸如圖4所示且描述的Supertex HV9910的驅(qū)動控制器的相關 /相連部件和電子線路運行所需的功率。在PFC級300的操作中，當?shù)谝淮螌﹄娐?00供電時，PFC控制器312 (例如， NCP1606)是不運行的。一旦供電，很小的電流開始流過電阻器313(1)和313(2)，對于該示 例性實施例而言該電阻器313(1)和313 (2)具有如圖3中的R24和R23所示的270千歐姆 的電阻值。所產(chǎn)生的電流對電容器315進行充電，該電容器315例如是如圖3中的C13所 示的在25V具有IOuF的值的電解電容器。當電容器315上的電壓達到PFC控制器312的 導通電壓Vcc (on)時，PFC控制器312可以啟動并且導通晶體管開關317 (針對示例性實施 例所示的購買自Fairchild半導體公司的Ql 550VN-溝道MOSFET FDPF7N50)。這可使PFC 電感器314 (針對示例性實施例所示的購買自Coilcraft公司的L2部件號FA2890-AL)和 輔助繞組316中的電流向上陡沖(ramp)。
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PFC級300的電壓調(diào)節(jié)電路(或調(diào)節(jié)器)330可以包括例如通過二極管339和電 荷泵318而與線圈314的輔助繞組316連接的共發(fā)射極放大器332、齊納二極管334、存儲 電容器336、以及局部電容器338。如所示的，共發(fā)射極放大器332可以包括NPN型晶體管。 在示例性實施例中，如圖3所示，NPN型晶體管可以是額定為SOVcemax的BCP56型號晶體管， 存儲電容器336可以是額定為53V的47uF電解電容器，并且局部電容器338可以是額定為 25V的IOuF電容器。PFC級300的電壓調(diào)節(jié)器330可以進行操作以將輔助繞組316的電壓調(diào)節(jié)為期望 水平，例如從輔助繞組所提供的40v調(diào)節(jié)降至功率因數(shù)校正控制器312所需的12v。這種調(diào) 節(jié)對許多應用是期望的，因為電容器336上的電壓(例如如所示的，在示例性實施例中C9 上的40V)對于例如LM7812調(diào)節(jié)器這樣的便宜現(xiàn)成的線性調(diào)節(jié)器的應用而言是太大電壓， 否則太接近這種調(diào)節(jié)器的最大額定值以滿足足夠的或期望的安全系數(shù)。在級300的操作過程中，在PFC控制器的恒定導通時間到期之后(例如在CRM操 作期間)，斷開開關317并且通過二極管311將聚集在PFC電感器314中的能量傳送到例如 圖3中描述為Cl、對于400V輸出350而言最高電壓為450V的68uF的電解電容器的電容器 319。當PFC電感器電流陡降至零(在輔助繞組316檢測到)時，PFC控制器312在恒定導 通時間導通開關317 (例如晶體管開關Ql)并且該處理再次開始。恒定導通時間是指如果 輸入電壓更高，那么PFC電感器314中的電流將達到更高值，并且如果輸入電壓更低，那么 PFC電感器314中的電流更低。因此輸入電流脈沖被束縛到輸入電壓并且PFC級300所提 供的功率因數(shù)很高(趨于一)。如先前所述的，可以將輔助繞組316用來供電，以便操作PFC控制器312 (例如， NCP1606)和/或相連的部件(例如圖4的驅(qū)動控制器412)。在該作用中，優(yōu)選地將輔助繞 組316的AC (或AC分量)輸出轉(zhuǎn)換成DC并且使其平滑。電荷泵318 (例如，包括如圖3所 示的R21、C22以及D6)可以連接至PFC電感器314的輔助繞組316。存儲電容器336的電 壓是二極管壓降到輔助繞組316所提供的電壓之下的一個。例如，假定通過電感器314和 10 1繞組比的標稱電壓是400V，則輔助繞組316具有40V的電壓(在電阻器與電荷泵 318的電容器兩端的壓降之前)。繼續(xù)對調(diào)節(jié)電路330進行描述，更高電壓(與現(xiàn)有技術相比)以及能夠?qū)⒋鎯﹄?容器336設計成具有例如68uF、47uF、39uF等等的期望電容的事實能夠在由于輸出上的過 壓情況而關閉PFC開關時使所存儲的足夠的能量可用于對PFC控制器312和/或其它電子 線路部件(例如圖4所示且所描述的控制器412)饋電。在不存在從電容器336所提供的/ 可從電容器336獲得的能量的情況下，如果電容器336中的能量不足以在PFC斷開時間對 部分/負載(LED串)饋電，那么可向用戶通知過壓情況，例如當電負載是LED串時閃光。除了 PFC電路之外，本公開呈現(xiàn)了其它方面，其包括被配置和布置成向電負載提 供例如400V DC這樣的相對高電壓以及高均勻性的電流的驅(qū)動電路或級。圖4描述了根據(jù) 本公開的示例性實施例的一個這種驅(qū)動電路或級400的電路圖。參考圖4，驅(qū)動器級400可以包括驅(qū)動控制拓撲或電路410、比較電路420、以及電 壓參考/調(diào)節(jié)電路430?？梢詫Ⅱ?qū)動器級400配置和布置成對在應用于電負載460的輸入 端450所接收的功率進行調(diào)節(jié)。輸入端450處的電壓是例如400V DC或之上的較高電壓， 或者在例如從大約400V DC至大約500V DC等等的電壓范圍內(nèi)。在示例性實施例中，可以將驅(qū)動器級400耦合至包括諸如圖4中所示的串聯(lián)配置的LED的電負載。如圖所示，驅(qū)動 器級400還可以包括電容器組470。驅(qū)動控制電路410可以包括驅(qū)動器集成電路(“IC")或控制器412。比較電路 420可以包括適當?shù)谋容^器422。調(diào)節(jié)電路430可以包括如所示的調(diào)節(jié)器配置的適當調(diào)節(jié) 器(或分路調(diào)節(jié)器)432。驅(qū)動電路400的應用可利用控制器412的PWM高效LED驅(qū)動控 制IC。在示例性實施例中，可以將購買在Supertex公司的HV9910BNG-G LED驅(qū)動器IC用 于驅(qū)動控制器412。在示例性實施例中，可以將購買在得克薩斯儀器公司的TL331IDBV單差 分比較器可用于比較器422。并且，在示例性實施例中，可以將購買在得克薩斯儀器公司的 TL431CDBZ分路調(diào)節(jié)器(或等效物)用于調(diào)節(jié)電路430中的調(diào)節(jié)器432。繼續(xù)參考圖4，驅(qū)動器級400可以包括例如如所示的配置在輸入端450與開關456 的漏極之間的二極管或回掃二極管452，其可以是配置為開關的M0SFET?；貟叨O管452 可以在開關(例如M0SFET)斷開時間期間為負載/電感器電流(通過負載和/或電感器的 電流)提供返回路徑。當控制器412導通MOSFET 456時，電流流過LED負載460和電感器 454。當控制器412截止MOSFET 456時，在導通時間期間存儲在電感器454中的能量可使電 流繼續(xù)在負載460和電感器454中流動。該電流使閉合回路的回掃二極管452正向偏壓。 在示例性實施例中，二極管452可以是例如可購買自Cree公司的CSD01060A這樣的碳化硅 (SiC)肖特基二極管。這種配置有助于延長構成驅(qū)動器400的負載的設備/部件的壽命。在示例性實施例中，將級400配置成接收由例如圖3的PFC級300所提供的大約 400V DC的輸入電壓，并且可用于向期望的電負載提供已調(diào)節(jié)的功率。在示例性實施例中， 級400可以0. 425安培IOOKHz進行操作。在示例性實施例中，驅(qū)動器級400可以用于將電 流提供給串聯(lián)布置的LED。級400可操作以提供例如350mA的具有士3_4%的期望電流額 定值的電流。與此相反，現(xiàn)有技術以僅士20%的精確度將相似電壓的電流提供給電負載。繼續(xù)參考圖4，在操作中，驅(qū)動控制器412 (例如，圖4中表明為Ul的HV9910IC)可 以通過導通晶體管開關452 (例如可購買自Fairchild半導體公司的器件號550V N-溝道 增強型MOSFET FDPF7N50的晶體管Q2)開始脈寬調(diào)制(〃 PWM")。就此，PFC電源450 (例 如供電400V DC)所提供的電流接著流過負載460 (例如LED)并且此后穿過電感器454、開 關456、以及電阻器458至地。因此電流向上陡沖以直至在比較器輸出變高時比較器422的 +輸入高于-輸入并且從而驅(qū)動控制器(CS)輸入，使得控制器412截止開關456。在截止 時間(由與管腳14相連的標明為的R7的值所確定的)之后，然后重復該循環(huán)。繼續(xù)參考圖4，相對于表現(xiàn)出或生成各個應用不可接受的很高的板與板輸出電流 變化的現(xiàn)有技術驅(qū)動器，驅(qū)動電路400可提供電流調(diào)節(jié)改善。就例如225至275mv這樣的 下述電流感應式的吸合(pull-in)閾值電壓Vcs (hi)而言，驅(qū)動電路400可克服的很寬范 圍的板與板(或者單元與單元)的電流變化是由于例如HV9910的現(xiàn)有技術驅(qū)動控制器的 相當差的性能引起的，所述電流感應式的吸合閾值電壓可對350mA的標稱設計電流生成 314mA與384mA之間的相應電流變化并且允許控制器數(shù)據(jù)表中的全范圍。如先前所述的，對于例如串聯(lián)配置的高效LED的許多負載應用而言，傳送電流的 寬范圍是不可接受的或者不希望的。與現(xiàn)有技術相比，包含/添加外部比較器420和參考 /調(diào)節(jié)器430提供了更好地精確度，比較器420的偏移電壓(例如TL331)是5mV或者大約 5mV，并且參考/調(diào)節(jié)器(例如TL431)的精度是2%或者大約2%。因此，其中，使用驅(qū)動電
11路400可以提供電流變化性從現(xiàn)有技術的士20%降低到士3-4%，例如在標稱值的2%之內(nèi) 的精確度。為了延長壽命，對于包括諸如LED的照明元件的電負載而言，特別是例如400V 或更大的相對高電壓處這種電流的均勻性尤其是合乎需要的。圖5描述了根據(jù)本公開另一實施例的PFC級500的電路圖。PFC級500通常與圖 3所描述的PFC級300相似，并且可以包括與EMI濾波器部分520連接的升壓電路510 (例 如，配置在升壓預轉(zhuǎn)換器拓撲或電路部分)。如所示的，可以將EMI濾波器520配置成利用 火線、中線、以及接地接收諸如典型的120伏AC電源所提供的AC功率。升壓電路510包括 有功功率因數(shù)校正控制器512。級500還可以包括功率調(diào)節(jié)電路530和整流器540。在示 例性應用和實現(xiàn)中，將PFC級500配置成以臨界導電模式(CRM)進行操作。升壓電路510還可以包括具有輔助繞組516的升壓線圈514。電壓調(diào)整電路或者 調(diào)節(jié)器530可以包含在PFC級500中，以便將來自輔助繞組516的電壓調(diào)節(jié)為供例如下文 對圖6所描述的驅(qū)動控制器612的功率因數(shù)控制器512和/或其它電子線路/部件使用的 期望電壓。在示例性實施例中，PFC線圈514可以是購買自Coilcraft公司的Z9264-B回 掃變壓器。繼續(xù)參考圖5，整流器540可以包含在PFC級500中，并且如圖所示地進行配置和 布置以接收來自EMI濾波電路520的AC，從而有助于/生成用于升壓電路510的整流電壓 和電流。在示例性實施例中，可購買自ON半導體的NCP1606B控制器可以用于功率因數(shù)校 正控制器512。對于某些應用而言，施加在NCP 1606控制器的任何管腳上的最大電壓可被 限制在20V或者更低。如圖5所示，EMI濾波電路520包括變阻器522、保險絲524、多個電容器 526(1)-526 (4)、以及用于對線路功率進行遮蔽/濾波的一個或多個線圈/電感器528。同樣如圖5所示，電壓調(diào)節(jié)電路(或者調(diào)節(jié)器)530可以包括共發(fā)射極放大器532、 齊納二極管534、存儲電容器536、以及局部電容器538，該局部電容器538例如通過二極管 539和電荷泵518與PFC線圈514的輔助繞組516相連。如圖所示，共發(fā)射極放大器532可 以包括NPN型晶體管。在示例性實施例中，NPN型晶體管可以是額定為SOVcemax的BCP56型 號晶體管，存儲電容器536可以是額定為63V的39uF電解電容器，并且局部電容器338可 以是額定為25V的IOuF電容器。圖6描述了根據(jù)本公開的實施例的驅(qū)動器級600的電路圖。驅(qū)動器級600可以包 括驅(qū)動控制拓撲或電路610。對于對電負載660的應用而言，將驅(qū)動器級600配置和布置成 對在輸入端650所接收的功率進行調(diào)節(jié)。輸入端450的電壓可以是例如400V DC或以上的 相對高電壓，或者在例如從大約400V DC至大約500V DC等等的電壓范圍內(nèi)。在示例性實 施例中，驅(qū)動器級600可以耦合至包括諸如圖6中所示的串聯(lián)配置的LED的電負載。如圖 所示，驅(qū)動器級600還可以包括電容器組670。能夠?qū)㈦娐?00配置成由PFC電源650 (例 如提供400V DC)所提供的電流流過負載660(例如LED串)并且接著穿過電感器654、開關 656、以及電阻器658而至地。驅(qū)動控制電路610可以包括驅(qū)動器IC或者控制器612。驅(qū)動電路600的應用可利 用控制器612的通用LED驅(qū)動器控制IC。在示例性實施例中，可以將購買自Melexis微電 子集成系統(tǒng)的MLX10803LED驅(qū)動器IC用于驅(qū)動控制器612。配置和布置驅(qū)動控制器以控 制晶體管開關656。在該示例性實施例中，開關656是可購買自Fairchild半導體公司的550V N-溝道增強型 MOSFET FDPF7N50。繼續(xù)參考圖6，驅(qū)動器級400可以包括例如如所示的配置在輸入端650與MOSFET 開關656的漏極之間的回掃二極管652。當控制器612導通MOSFET 656時，電流流過LED 負載660和電感器654。當控制器612截止MOSFET 656時，在導通時間期間存儲在電感器 654中的能量使電流繼續(xù)在負載660和電感器654中流動。該電流使閉合環(huán)路的回掃二極管 652正向偏壓。在示例性實施例中，二極管452可以是例如可購買自Cree公司的CSD01060A 的碳化硅(SiC)肖特基二極管。這種配置能夠有助于延長形成驅(qū)動器600的負載的設備/ 部件的壽命。在示例性實施例中，級600被配置成接收例如由圖5的PFC級500所提供的大約 400V DC的輸入電壓并且可用于將所調(diào)節(jié)的功率提供給期望的電負載。在示例性實施例中， 級600以0. 425安培IOOKHz操作。在示例性實施例中，驅(qū)動器級600可以用于將電流提供 給串聯(lián)配置的LED。另外，在示例性實施例中，驅(qū)動器級600可以與PFC級500或者PFC級 300 (或者相似的PFC級)一起實施。這種組合的配置可代表或者提供適于例如包括但并 不限于串聯(lián)配置的LED的目標/企圖電負載的電源；示例性實施例可以包括下述PFC級，該 PFC級與公共電路板上的驅(qū)動器級一起實施，例如與電路板的相對側(cè)上的驅(qū)動器級一起實 施。如先前所述的，根據(jù)本公開的實施例可以用于將相對高的電壓(例如400+V DC) 功率應用到在許多企業(yè)以及許多應用中所使用的串聯(lián)配置的LED (或者其它光源)上。這種 LED通常需要2.5與4. 5V之間的外加電壓。LED可以具有任何類型、顏色(例如根據(jù)想要 的照明布置需要而發(fā)射出任何顏色或白光或者彩色與白光的混合)、亮度能力、或者強度， 優(yōu)選地在可見光譜中。LED可以包括生成一個顏色或多個顏色的期望陣列的任何半導體配 置和材料或者組合(合金)。LED可以具有嵌入有LED或者放置在LED上的折射光學儀器 或者不具有折射光學儀器，并且可替代地，或者還具有使低角度和中間角度LED光向外重 新定向的周圍反射器。在示例性實施例中，根據(jù)本公開的PFC級(例如，如圖3所示和所述)和驅(qū)動器級 (例如，如圖4所示和所述)可以結(jié)合在一起用作一個或多個照明元件的電源。還可以將這 種組合電源與一個或多個照明元件實現(xiàn)用于形成照明裝置或設備。在示例性實施例中，將一個或多個LED配置和布置在可以包括板上驅(qū)動器(例如， 如圖4所示和所述)和/或PFC電路(例如，如圖3所示和所述)的印刷電路板(“PCB “) 上，以便使例如LED的光源以期望電流工作。例如，可以使用適于LED的電流。例如，代表性 的電流范圍可以包括但并不限于大約250mA至大約800mA ；—個示例性電流大約為350mA。 這種電路板可以具有從一端至另一端的例如24V DC總線的總線。其它電壓當然可用于總 線。在燈帶板上可設置任何適當數(shù)目的適當LED。在一個說明性示例中，可以采用具有本公 開的驅(qū)動器和/或PFC電路/級的可在最小80流明操作的一個或多個的五個(5) LED配置 (可購買自飛利浦Lumileds照明公司的LUXEON Rebel LEDs)?？稍诒竟_的范圍內(nèi) 使用其它適當?shù)腖ED或者替換光源和輸出值。因此，根據(jù)本公開的電路實施例可以用于提供具有PFC值改善的例如是400V DC 或之上的相對高的DC電壓。另外，本公開的實施例可以提供用于向高壓的電負載提供改善 的電流調(diào)節(jié)的驅(qū)動電路。與現(xiàn)有技術相比，根據(jù)本公開的技術和實施例可以降低耗損、熱疲
13勞性、輸出變化性、功耗、以及成本。如先前所描述的，本公開的實施例尤其很好地適于向串 聯(lián)配置的LED或者LED串提供功率。雖然在這里已對某些實施例進行了描述，但是本領域普通技術人員應明白的是在 不脫離其精神的情況下可將本公開的方法、系統(tǒng)、以及裝置體現(xiàn)為其它特定形式。例如，雖 然在這里已在某些輸入和輸出電壓和電流的上下文中對方面和實施例進行了描述，但是當 然在本公開的范圍之內(nèi)可實現(xiàn)并使用其它的。另外，雖然已在將電源提供給由串聯(lián)配置的 LED所組成的電負載的上下文中對該公開的實施例進行了描述，但是將電負載描述為LED 僅僅是通過示例，并且本公開的范圍并不局限于此。應意識到的是本公開實際上可供任何 類型的電負載使用。因此，應認為在這里所描述的以及在所附權利要求中所要求的實施例在本公開中 的所有方面是說明性的而并非限制性的。
權利要求
一種照明裝置和功率因數(shù)校正(PFC)電路，包括EMI濾波器，配置和布置所述EMI濾波器以接收來自AC電源的AC輸入；連接所述EMI濾波器的整流器，配置和布置所述整流器以接收來自所述EMI濾波器的AC功率并且產(chǎn)生整流電流；升壓電路，所述升壓電路連接至所述整流器并且包括PFC控制器和具有輔助繞組的PFC線圈，配置和布置所述升壓電路以接收所述整流電流并且產(chǎn)生具有比所述AC電源的所述AC輸入更高的電壓的功率因數(shù)校正輸出；以及電壓調(diào)節(jié)器，所述電壓調(diào)節(jié)器連接至所述輔助線圈并且包括共發(fā)射極放大器部分，所述共發(fā)射極放大器部分包括連接至所述輔助繞組的共發(fā)射極放大器，其中，配置和布置所述電壓調(diào)節(jié)器以將由所述輔助繞組提供的電壓調(diào)節(jié)到用于施加到所述功率因數(shù)校正控制器的期望電壓。
2.根據(jù)權利要求1所述的電路，其中，所述升壓部分包括電荷泵。
3.根據(jù)權利要求1所述的電路，其中，以臨界導電模式拓撲來配置和布置所述升壓部分。
4.根據(jù)權利要求1所述的電路，其中，所述電壓調(diào)節(jié)器還包括連接至所述共發(fā)射極放 大器晶體管的基極和發(fā)射極的齊納二極管。
5.根據(jù)權利要求1所述的電路，其中，所述電壓調(diào)節(jié)器還包括串聯(lián)耦合在所述輔助線 圈和所述共發(fā)射極放大器之間的二極管。
6.根據(jù)權利要求5所述的電路，其中，所述電壓調(diào)節(jié)器還包括耦合在所述二極管和地 之間的存儲電容器。
7.根據(jù)權利要求1所述的電路，其中，配置和布置所述EMI濾波器以接收120VAC輸 入，并且配置和布置所述升壓電路以產(chǎn)生大約400V DC的輸出。
8.根據(jù)權利要求1所述的電路，其中，所述PFC控制器是NCP1606控制器。
9.一種照明裝置驅(qū)動電路，包括 包括驅(qū)動控制器的驅(qū)動控制電路；包括比較器的比較電路，其中所述比較器連接至所述驅(qū)動控制電路；以及 連接至所述比較電路的電壓調(diào)節(jié)器；其中，配置和布置所述驅(qū)動電路以將提供給電負載的所述電流調(diào)節(jié)到標稱電流加或減 大約2%。
10.根據(jù)權利要求9所述的驅(qū)動電路，其中，所述電壓調(diào)節(jié)器包括分路調(diào)節(jié)器。
11.根據(jù)權利要求9所述的驅(qū)動電路，其中，所述比較器包括單差分比較器。
12.根據(jù)權利要求9所述的驅(qū)動電路，還包括二極管，配置和布置所述二極管以在晶體 管開關截止時間期間為負載/電感器電流提供返回路徑。
13.根據(jù)權利要求12所述的驅(qū)動電路，其中，所述二極管包括碳化硅肖特基二極管。
14.根據(jù)權利要求9所述的驅(qū)動電路，還包括被配置和布置成接收電壓為大約400V的 功率的輸入端。
15.根據(jù)權利要求14所述的驅(qū)動電路，還包括配置在所述輸入端與地之間的電容器組。
16.根據(jù)權利要求9所述的驅(qū)動電路，其中，所述比較器連接至所述驅(qū)動控制器的電流感測輸入端。
17.根據(jù)權利要求16所述的驅(qū)動電路，其中，所述驅(qū)動控制器是HV9910控制器。
18.一種照明電源，包括 (i) PFC級，所述PFC級包括EMI濾波器，配置和布置所述EMI濾波器以接收來自AC電源的AC輸入； 連接所述EMI濾波器部分的整流器，配置和布置所述整流器以接收來自所述EMI濾波 器的AC功率并且產(chǎn)生整流電流；升壓電路，所述升壓電路連接至所述整流器并且包括PFC控制器和具有輔助繞組的 PFC線圈，配置和布置所述升壓電路以接收所述整流電流并且產(chǎn)生具有比所述AC電源的所 述AC輸入更高的電壓的功率因數(shù)校正輸出；以及電壓調(diào)節(jié)器，所述電壓調(diào)節(jié)器連接至所述輔助線圈并且包括共發(fā)射極放大器部分，所 述共發(fā)射極放大器部分包括連接至所述輔助繞組的共發(fā)射極放大器，其中，配置和布置所 述電壓調(diào)節(jié)器以將由所述輔助繞組提供的電壓調(diào)節(jié)到用于施加到所述功率因數(shù)校正控制 器的期望電壓；以及( )驅(qū)動器級，配置和布置所述驅(qū)動器級以接收來自所述PFC級的輸出并且將其作為 輸出功率提供給電負載，所述驅(qū)動器級包括驅(qū)動控制器。
19.根據(jù)權利要求18所述的電源，其中，所述驅(qū)動器級包括 包括驅(qū)動控制器的驅(qū)動控制電路；包括比較器的比較電路，其中，所述比較器連接至所述驅(qū)動控制電路；以及 連接至所述比較電路的電壓調(diào)節(jié)器；其中，配置和布置所述驅(qū)動電路以將提供給電負載的所述電流調(diào)節(jié)到標稱電流加或減 大約2%。
20.根據(jù)權利要求19所述的電源，其中，所述電壓調(diào)節(jié)器包括分路調(diào)節(jié)器。
21.根據(jù)權利要求19所述的電源，其中，所述比較器包括單差分比較器。
22.根據(jù)權利要求19所述的電源，還包括二極管，配置和布置所述二極管以在晶體管 開關截止時間期間為負載/電感器電流提供返回路徑。
23.根據(jù)權利要求22所述的電源，其中，所述二極管包括碳化硅肖特基二極管。
24.根據(jù)權利要求19所述的電源，還包括被配置和布置成接收電壓為大約400V的功率 的輸入端。
25.根據(jù)權利要求24所述的電源，還包括配置在所述輸入端與地之間的電容器組。
26.根據(jù)權利要求19所述的電源，其中，所述比較器連接至所述驅(qū)動控制器的電流感 測輸入端。
27.根據(jù)權利要求26所述的電源，其中，所述驅(qū)動控制器是HV9910控制器。
28.根據(jù)權利要求19所述的電源，其中，將所述PFC級和所述驅(qū)動器級配置和布置在公 用電路板上。
29.根據(jù)權利要求19所述的電源，其中，所述升壓部分包括電荷泵。
30.根據(jù)權利要求19所述的電源，其中，以臨界導電模式拓撲來配置和布置所述升壓 部分。
31.根據(jù)權利要求19所述的電源，其中，所述電壓調(diào)節(jié)器還包括連接至所述共發(fā)射極放大器晶體管的基極和發(fā)射極的齊納二極管。
32.根據(jù)權利要求19所述的電源，其中，所述電壓調(diào)節(jié)器還包括串聯(lián)耦合在所述輔助 線圈和所述共發(fā)射極放大器之間的二極管。
33.根據(jù)權利要求32所述的電源，其中，所述電壓調(diào)節(jié)器還包括耦合在所述二極管與 地之間的存儲電容器。
34.根據(jù)權利要求19所述的電源，其中，配置和布置所述EMI濾波器以接收120VAC輸 入，并且配置和布置所述升壓電路以產(chǎn)生大約400V DC的輸出。
35.根據(jù)權利要求19所述的電源，其中，所述PFC控制器是NCP1606控制器。
36.一種照明裝置，包括 (i) PFC級，所述PFC級包括EMI濾波器，配置和布置所述EMI濾波器以接收來自AC電源的AC輸入； 連接所述EMI濾波器部分的整流器，配置和布置所述整流器以接收來自所述EMI濾波 器的AC功率并且產(chǎn)生整流電流；升壓電路，所述升壓電路連接至所述整流器并且包括PFC控制器和具有輔助繞組的 PFC線圈，配置和布置所述升壓電路以接收所述整流電流并且產(chǎn)生具有比所述AC電源的所 述AC輸入更高的電壓的功率因數(shù)校正輸出；以及電壓調(diào)節(jié)器，所述電壓調(diào)節(jié)器連接至所述輔助線圈并且包括共發(fā)射極放大器部分，所 述共發(fā)射極放大器部分包括連接至所述輔助繞組的共發(fā)射極放大器，其中，配置和布置所 述電壓調(diào)節(jié)器以將由所述輔助繞組提供的電壓調(diào)節(jié)到用于施加到所述功率因數(shù)校正控制 器的期望電壓；以及( )包括驅(qū)動器級的驅(qū)動電路，配置和布置所述驅(qū)動器級以接收來自所述PFC級的輸 出并且將其作為輸出功率提供給電負載，所述驅(qū)動器級包括驅(qū)動控制器；以及(iii) 一個或多個發(fā)光元件，配置和布置所述一個或多個發(fā)光元件以接收來自所述驅(qū) 動電路的功率。
37.根據(jù)權利要求36所述的照明裝置，其中，所述驅(qū)動器級包括 包括驅(qū)動控制器的驅(qū)動控制電路；包括比較器的比較電路，其中，所述比較器連接至所述驅(qū)動控制電路；以及 連接至所述比較電路的電壓調(diào)節(jié)器；其中，配置和布置所述驅(qū)動電路以將提供給電負載的所述電流調(diào)節(jié)到標稱電流加或減 大約2%。
38.根據(jù)權利要求36所述的照明裝置，其中，所述一個或多個發(fā)光元件包括一個或多 個 LED。
39.根據(jù)權利要求38所述的照明裝置，其中，所述一個或多個LED包括按照串聯(lián)配置相 連的多個LED。
全文摘要
文檔編號H05B33/08GK101953228SQ20098000035
公開日2011年1月19日 申請日期2009年4月30日 優(yōu)先權日2008年4月30日
發(fā)明者Kelly Kevin Allan 申請人:Lsi Industries Inc