电路中的瞬态抑制系统和方法与流程

电路中的瞬态抑制系统和方法
1.相关申请的交叉引用
2.本技术涉及2020年7月28日提交的发明人为苏雷什
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哈里哈兰、罗恩
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文森特
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奥坎波和拉梅什
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塞尔瓦拉吉且名称为“transient suppression systems and methods in electrical circuits[电路中的瞬态抑制系统和方法]”的美国临时专利申请序列号63/057,825，并根据35u.s.c.
§
119(e)要求其优先权权益。在本专利文件中提及的每个参考文献通过引用以其全文结合在此并用于所有目的。
技术领域
[0003]
本披露内容总体上涉及用于改善电路中瞬态响应的系统和方法。更具体地，本披露内容涉及用于抑制使用开关调节器的电路(诸如用于led应用的驱动器电路)中的过冲电流和过冲持续时间的系统和方法。


背景技术：

[0004]
随着前照灯制造商转向将单串远光灯近光灯和多串配置进行组合，他们面临着由于电源转换器从驱动相对较多数量的有效led转变到相对较少数量的led而产生的问题。通常，在这些类型的照明应用中，取决于负载状况变化的幅度，这种转变会导致电源转换器的输出电容器上的电压(诸如在h桥降压-升压发光二极管(led)驱动器中找到的电压)超过驱动新的led配置所需的电压。这反过来又在led电流中产生相对较大的过冲，其可能表现出的振幅和持续时间在某些情况下可能对led造成永久性的物理损坏。
[0005]
用于减少电流过冲的现有方式利用涉及以下各项的方法：监测输出电容器的电压或类似物，并等待电容器放电，例如，通过调节器电路从40v到18v，然后再操作同一或不同led串中的减少数量的有效led。然而，由等待期引起的时间延迟会对占空比产生负面影响，并导致led亮度出现不必要的损失，因此，需要增大经编程的led电流以补偿这种损失。一些方法利用经由反馈环路与降压-升压控制器进行通信的微控制器来监测输出电容器必须放电到的目标电压。然而，考虑到一旦反馈环路重新控制led电流，整个电路可能发生的变化，这种方法需要额外的微调以抵消电路中不必要的振荡，并需要直接对期望的目标电压进行编程。这不必要地增加了电路的复杂性并将电路操作限制在由微控制器指示的一组预编程状态下。
[0006]
因此，需要当负载状况发生变化时，允许输出电容器进行安全且快速的放电的系统和方法，以减少或抑制过冲电流的大小和持续时间两者以及类似的瞬态效应。
附图说明
[0007]
将参考本发明的实施例，附图中可以展示这些实施例的示例。这些附图旨在为说明性的，并非限制性的。尽管总体上在这些实施例的背景下描述了本发明，但是应当理解的是，并不旨在将本发明的范围限制于这些具体实施例。图中的项并非按比例绘制。
[0008]
图1是展示了根据本披露内容的各种实施例的利用瞬态抑制系统和方法的led驱
动器电路的部分示意图。
[0009]
图2展示了普通led驱动器电路的瞬态响应。
[0010]
图3是展示了根据本披露内容的各种实施例的用于抑制不必要的瞬态的led驱动器控制电路的部分示意图。
[0011]
图4展示了根据本披露内容的各种实施例的如应用于led驱动器电路的瞬态消除的效果。
[0012]
图5描绘了根据本披露内容的各种实施例的用于利用瞬态抑制系统和方法来操作led串的示例性配置。
[0013]
图6是根据本披露内容的各种实施例的用于抑制不必要的瞬态的说明性过程的流程图。
[0014]
图7是根据本披露内容的各种实施例的用于抑制不必要的瞬态的替代性过程的流程图。
具体实施方式
[0015]
在以下描述中，出于解释的目的，阐述了具体细节以便提供对本发明的理解。然而将明显的是，本领域技术人员可以在不具有这些细节的情况下实践本发明。此外，本领域技术人员将认识到，以下所描述的本发明的实施例可以在有形计算机可读介质上以诸如过程、装置、系统、设备、或方法等各种方式实施。
[0016]
在图中示出的部件或模块展示了本发明的示例性实施例并且意在避免模糊本发明。还应当理解的是，贯穿本讨论，部件可以被描述为可以包括子单元的单独的功能单元，但是本领域技术人员将认识到的是，各种部件或其多个部分可以被分成单独的部件或者可以被集成在一起，包括集成在单个系统或部件中。应当注意的是，本文所讨论的功能或操作可以被实施为部件。部件可以以软件、硬件、或其组合来实施。
[0017]
此外，附图内的部件或系统之间的连接不旨在局限于直接连接。相反，这些部件之间的数据可以通过中间部件进行修改、重新格式化、或以其他方式改变。而且，可以使用附加的连接或更少的连接。还应当注意的是，术语“耦合”、“连接”或“通信地耦合”应当被理解为包括直接连接、通过一个或多个中间设备的间接连接、以及无线连接。
[0018]
在本说明书中，对“一个实施例(one embodiment)”、“优选实施例(preferred embodiment)”、“实施例(an embodiment)”、或“多个实施例(embodiments)”的引用意味着结合实施例所描述的具体特征、结构、特性或功能包括在本发明的至少一个实施例中并且可以在多于一个实施例中。而且，在本说明书的不同地方出现的上述短语不一定都是指同一个实施例或多个实施例。
[0019]
在本说明书中的不同地方使用某些术语是用于说明的并且不应当被解释为限制性的。服务、功能、或资源不限于单个服务、功能、或资源；对这些术语的使用可以指可以是分散的或聚集的一组相关服务、功能、或资源。
[0020]
术语“包括(include)”、“包括(including)”、包括(comprise)、和“包括(comprising)”应被理解为是开放性术语并且其后的任何列出项是示例，并不旨在限于所列出的项。本文所使用的任何标题仅是用于组织目的并且不应用于限制说明书或权利要求的范围。在本专利文件中提及的每个参考文献通过引用以其全文结合在此。
[0021]
应当注意，本文所描述的实施例是在led驱动器电路的背景下进行讨论的，但是本领域技术人员将认识到，本披露内容的教导不限于任何特定的驱动器电路、电压或电流调节器、或者led应用，并且同样可以在其他背景下使用。
[0022]
在本文件中，术语“亮度(brightness)”和“亮度(luminance)”可互换使用，并且指的是如可以cd/m2为单位测量的感知表面亮度的度量。类似地，术语“调节器”和“转换器”以及术语“led串”和“led阵列”可互换使用。“控制电路”包括本领域技术人员认可的微控制器、逻辑元件、以及任何其他控制元件。
[0023]
图1是展示了根据本披露内容的各种实施例的利用瞬态抑制系统和方法的led驱动器电路的部分示意图。图1中的led驱动器电路100包括电源102、电流调节器140、放大器电路110、包括相应的开关120和130的led串106和108、电阻器118、152、以及输出电容器114。要注意，为了清楚起见，未示出或仅部分地示出了图1中的某些辅助电路元件，诸如控制电流调节器140和开关(例如，120、124)的控制电路。本领域的技术人员将理解，任何数量的不同或附加的电路元件都可以用于生成并处理信号以控制一个或多个电路部件，诸如电荷泵、转换器、微控制器等。
[0024]
如图1中所描绘的，电源102被实施为电池，并且电流调节器140被实施为包括电感器150、感测电阻器152和n型mosfet 142至148的h桥降压-升压转换器。然而，这并非旨在限制本披露内容的范围，因为可以使用任何类型的调节器或控制器电路。另外，虽然开关被示出为mosfet器件，但是应理解，可以使用任何其他类型的开关(例如，bjt)来实现本披露内容的目的。
[0025]
在实施例中，led串106包括led(例如，122)的阵列，这些led可以通过开关(例如，124)单独地或成组地被激活和去激活以控制在任何给定时间接通的串(例如，106)中的led的数量。在实施例中，串106可以用于操作例如夜间灯、示宽灯或停车灯，并且串108可以操作汽车应用中的日间行车灯。放大器电路110可以被实施为高速电路，该高速电路例如通过检测电阻器118中的电压或电流来监测流经led串106、108的负载电流。
[0026]
在操作中，led驱动器可以充当电流源，该电流源使用与串106、108串联放置的高侧电流感测电阻器118以便例如通过检测电阻器118中的电压或电流来直接或间接地监测流经led串106、108的负载电流。负载电流的信息可以例如以放大器电路110的输出电压的形式进行反馈。在实施例中，负载电流的信息可以作为反馈信号被提供给误差放大器(在图1中未示出)，并由控制电路使用以调整电流调节器140从而产生基本恒定的输出电流。如本领域的技术人员将理解，电流调节器140可以使用反馈信号来控制负载电流，例如，通过改变开关142至148的占空比。
[0027]
由于已知led的亮度与流经其的平均电流基本上成正比，因此通常情况下旁路开关121可以被控制或编程为持续接通和断开，从而使led 122至123具有期望的亮度。在实施例中，控制电路可以使用任何已知的脉冲宽度调制(pwm)方法来调整串电流，例如，通过将开关121持续接通和断开来改变该开关的占空比。例如，开关121可以被控制为在80％的时间内接通，从而引起串106中的led例如在200hz的固定开关频率下在20％的时间内接收负载电流。应理解，在实施例中，开关121可以将led 122至123分流以完全绕过它们。
[0028]
在h桥降压-升压led驱动器电路100从驱动串106(其led数量相对高于串108)切换到驱动串108时的场景下，输出电容器114为了对串106进行驱动而已经充电的电压将超过
操作串108所需的电压。如先前提到的，在现有设计中，涉及负载状况的相对较大变化的转变通常会引起不必要的瞬态效应，诸如led电流的过冲，如图2所展示的。
[0029]
如图2所描绘的，一旦led电压204由于转变而开始从大约24v下降到18v，则led电流206在达到其稳态状态之前从大约1a上升到超过4a。因此，在本文的各种实施例中，使用led驱动器控制电路(诸如图3中所示的驱动器控制电路)来抑制或消除这种瞬态效应，如下文所讨论的。
[0030]
图3是展示了根据本披露内容的各种实施例的用于抑制不必要的瞬态的led驱动器控制电路的部分示意图。与图1中相同的数字表示类似元件。控制电路300包括输入310(在图3中表示为“分流”输入)、优先级开关304、误差放大器306、放电开关307、补偿网络312、314、以及可以包括比较器318和pmos栅极驱动器330的模式选择电路316。应注意，虽然图3中仅描绘了两个补偿网络312、314，但这并非旨在限制，因为可以使用任何数量的补偿网络来控制任何数量的旁路开关。
[0031]
在操作中，优先级开关304可以用于选择将使用补偿网络312、314中的哪一个来控制对串106、108进行驱动的电流调节器电路。在实施例中，优先级开关304可以根据可以从外部供应的输入信号310(例如，响应于用户选择)来改变其状态。类似地，信号310可以是例如引起led数量减少的用户供应的信号。因此，开关121的状态可以确定补偿网络312还是补偿网络314将是有效的。如图3所描绘的，补偿网络312、314可以在控制环路(未示出)内被控制并被实施为rc网络，这有利地有益于电路稳定性。在实施例中，输入310可以与控制优先级开关304的信号进行组合以改善电路的瞬态响应。在实施例中，可以例如在输入310较高时的场景下对补偿网络312、314进行多路复用。
[0032]
特殊考虑可能适用于串106转变到较低数量的led但不具有优先级开关304的场景。如参照图5更详细讨论的，为了在转变到较低数量的led时防止led电流变得不稳定，在实施例中，可以使用附加逻辑来确定两个或更多个连续过冲事件或输出电容器放电事件，并且作为响应，经由放电开关307使有效补偿网络(例如，312)中的补偿电容器(例如，320)放电，以减少或消除不必要的振荡。
[0033]
以类似于图1的方式，典型的负载可以包括具有不同数量的led的任何数量的led阵列，其为电流调节器140呈现不同的负载阻抗。如先前提到的，当led驱动器电路100将操作从串106切换到串108时(并且反之亦然)，这可能会引起瞬态效应。类似地，将旁路开关(例如，124)接通和断开可能会引起瞬态效应。在实施例中，这种瞬态效应可以由高速放大器电路110来检测，该高速放大器电路经由电阻器118监测led电流，例如以确定过冲电流。
[0034]
在实施例中，响应于检测到这种电流过冲，代替在图3中在“完全接通”模式下操作pmos调光fet 120、130，控制电路300可以使用模式选择电路316以在线性调节模式下操作的方式控制fet 120，例如，控制流经三极管区域中的fet 120的电流。在实施例中，一旦过冲事件已经基本上结束(例如，根据指示比较器上的led电流的比较器上的阈值降到预定阈值以下)，电流调节器可以例如通过在模式选择电路316中去激活线性模式来恢复对经编程电流的调节。以这种方式，可以改变串中led(例如，124)的数量，和/或可以“实时”切换串106、108，而无需手动同步工作等。应理解，任何数量的串106、108都可以以分时方式进行操作。例如，串106可以在10％的占空比下进行操作，而同时串108可以在90％的占空比下进行操作。
[0035]
详细地，在实施例中，控制电路300可以将补偿网络314用作例如用于当开关121接通时对电流调节器的占空比进行控制的专用补偿网络。反馈环路(未示出)可以用于例如在补偿网络312的第一调光周期期间或在串106中led数量以引起开关307激活的方式减少时确定补偿电容器320、322的补偿电容器电压。应注意，补偿网络312中的电容器320、322可以等同并承载相同的电压，由于被设计为驱动不同的阻抗，因此该电压可能不同于补偿网络314中的电容器326、328上的电压。
[0036]
在实施例中，利用多于一个补偿网络312、314并从一个有效补偿网络切换到另一个(例如，从312切换到314)允许控制电路300在给定时间使用补偿网络312、314中的一个补偿网络，以保持与该特定补偿网络相关联的上一种有效led配置的控制环路调节点的存储器状态。应注意，在补偿网络中存储控制电容器电压的前提是，补偿网路的后续使用将涉及驱动与在先前状态下相同的负载(即，给定串中的led数量)。与普通的补偿网络不同，使用附加补偿电路来存储存储器状态有利地消除了使补偿电容器(例如，322)主动放电的需要，并在许多场景下降低了复杂性，同时改善了瞬态性能。本领域的技术人员将理解，补偿网络312、314可以有益地用于有效串(例如，106)的一个或多个部分间歇性地短路或变暗的应用中。
[0037]
在实施例中，为了限制led电流以及因此不必要的过冲，可以使用模式选择电路316以在线性调节器模式下操作开关120，从而将led电流调节到可能例如比由比较器318确定的期望led电流的操作点高20％至40％的值。这有利地防止了可能由主控制环路引起的瞬态效应(例如，5％至10％的过电流)干扰(并无意间触发)线性调节器模式。
[0038]
在实施例中，除了在线性调节器模式下操作开关120以限制led电流外，可以使输出电容器114(图1中所示)放电以减少所存储的能量和/或输出电容器114的电压波动。有利地，使输出电容器114放电有助于减少在线性调节器模式下操作开关120的时间。在实施例中，放电可以通过以下方式来实现：使用控制环路来调节h桥140中的开关142至148以将开关144和148接通，从而使输出电容器114放电并将与放电成比例的能量的量返回到电池102，如通过图4所示的负电感器电流404所指示的。
[0039]
在实施例中，流经例如开关144的电感器电流可以由感测电路来感测，该感测电路可以包括电流感测电阻器152。然后，电感器电流可以用于确定何时将开关142至148接通和断开以使输出电容器114放电从而将能量返回到电池102，由此对电感器150进行充电和放电。例如，为了确定何时断开开关144和148并断开开关142和146(并且反之亦然)，可以使用两个电感器电流阈值(例如，-5a和-4a(如图4所示))来将反向电流限制到防止电感器150饱和的值。在实施例中，一旦通过电阻器118的led电流充分减少(如可以由放大器电路110指示的那样)，则可能停止放电并且调节器控制环路可能接管对led电流的控制。
[0040]
图3中展示的led驱动器控制电路不限于这里示出或所附文本中描述的结构细节。与图1一样，本领域的技术人员将理解，任何数量的不同或附加的电路元件都可以用于生成并处理信号以控制一个或多个电路部件，诸如电荷泵、转换器、微控制器等。本领域的技术人员将进一步理解，电容器可以被实施为可以例如通过控制逻辑被调整到预定电容值的并联可变电容器组。
[0041]
图4展示了根据本披露内容的各种实施例的如应用于led驱动器电路的瞬态消除的效果。描绘了用于普通led驱动器电路的重复电感器电流402和led电流206、以及用于根
据本披露内容的各种实施例的led驱动器电路的电感器电流404和led电流406。
[0042]
虽然(例如，响应于从相对较高的led数量到较低的led数量的转变)普通led驱动器电路中的led电流206从大约1a上升到4a以上，但在这种转变之后，led电流406被钳位在大约1.4a(408)处。另外，普通led驱动器电路的稳定时间大大超过了利用本文描述的放电和电流钳位方法的新型led驱动器设计的稳定时间。一些实施例将电流过冲的持续时间从大约50μs减少到10μs以下。换言之，达到稳态的时间因此显著减少。如图4所描绘的，根据各种实施例使输出电容器放电会引起电流调节器中的电感器电流404反向并流回到电池中以为其充电。在实施例中，切换电流调节器中的两组开关可以引起电感器电流在两个阈值(这里是-5a和-4a)之间切换412，例如，以限制反向电流使电流调节器中的电感器饱和。
[0043]
应当注意，本文的实验和结果是以说明的方式提供的，并且是使用一个或多个特定实施例在特定条件下执行的。因此，这些实验及其结果都不应当用于限制当前专利文件的披露范围。
[0044]
图5描绘了根据本披露内容的各种实施例的用于利用瞬态抑制系统和方法来操作led串的示例性配置。描绘了串配置随时间的各种变化，每个变化都可以与不同的负载阻抗相关联，这取决于led的配置。如先前参照图1提到的，在汽车应用中，一个串可以包括可以操作例如夜间驾驶时的远光照明和近光照明的led。在实施例中，这可以通过激活和去激活位于沿led阵列的各个位置处的旁路开关(例如，124)来实现。
[0045]
在实施例中，旁路开关121(其由还对优先级开关304进行控制的外部信号来控制)确定将激活补偿网络1还是补偿网络2(例如，图3中的相应补偿网络312和314)。例如，一旦使用补偿网络1(在图3中表示为数字312)的led配置a中的开关121接通以绕过顶部的两个led，电路就会采用led配置b并转变到使用补偿网络2(在图3中表示为数字314)以解释串中有效led的数量减少，而补偿电容器补偿网络1可以保留其电荷，从而存储其控制电压值以供未来使用。在实施例中，通过激活图5中的晶体管125来进一步减少led的数量不会引起led配置c转变远离补偿网络2。在led的数量再次增加的配置d中，通过断开开关121，电路从补偿网络2转变回到补偿网络1。
[0046]
应注意，由于在其中所有led都有效的配置a中已经为补偿网络1存储的控制电压值对于其中并非所有led都有效的配置d而言可能过高。因此，即使led配置a和d可以使用相同的补偿网络1，在配置a中已经为补偿网络1存储的控制电压值对于配置d中的led操作而言仍可能过高。因此，在实施例中，补偿网络1中的补偿引脚上的电压可以例如通过开关307使补偿电容器放电来减小。
[0047]
以这种方式，结合参照图1到图4所描述的用于抑制不必要的瞬态的系统和方法，从图5所示的led配置a到led配置d的转变将缓解在汽车和其他应用中操作单串或多串led阵列时由过冲状况引发的等待时间的问题。
[0048]
图6是根据本披露内容的各种实施例的用于抑制不必要的瞬态的说明性过程的流程图。用于抑制不必要的瞬态的过程600可以在步骤602处开始，此时使用可以耦合到电流调节器的比较器来监测负载电流，以检测过冲状况(诸如过电流状况)。
[0049]
在步骤604处，可以在诸如用于限制led阵列中的负载电流的线性模式下操作开关(例如，p型mosfet)。
[0050]
在步骤606处，响应于感测到负载电流，可以控制电流调节器以使电流调节器中的
电感器电流反向，从而使得电感器电流引起耦合到比较器的输出电容器放电。在实施例中，使输出电容器放电包括使用控制环路，该控制环路以诸如用于将电荷从输出电容器移动到源的方式将电流调节器中的开关接通和断开。在实施例中，电感器电流可以例如根据可以基于所感测到的电感器电流而控制的开关模式来对电流调节器的电感器进行充电和放电。
[0051]
最后，在步骤608处，例如响应于检测到不存在过冲状况，可以在常规模式下操作开关，并且可以恢复对负载电流的监测。本领域的技术人员应认识到：(1)可以可选地执行某些步骤；(2)步骤可以不限于本文阐述的特定顺序；(3)可以按不同的顺序执行某些步骤；并且(4)可以同时完成某些步骤。
[0052]
图7是根据本披露内容的各种实施例的用于抑制不必要的瞬态的替代性过程的流程图。用于抑制瞬态的过程700可以在步骤702处开始，此时可以例如基于用户输入来选择与控制电流调节器的控制电压相关联的第一补偿网络。
[0053]
在步骤704处，可以使用误差放大器以便例如基于所监测的负载电流来调整第一补偿网络的控制电压。在实施例中，控制电压与led阵列相关联，并且第一补偿网络可以用于控制电流调节器的占空比。
[0054]
在步骤706处，可以使用第一补偿网络来存储控制电压以供未来使用，例如，存储在一个或多个电容器上。
[0055]
在步骤708处，可以使用耦合到电流调节器的比较器来监测负载电流，以检测过冲状况(例如，过电流)。
[0056]
在步骤710处，可以在诸如用于限制led阵列中的负载电流的线性模式下操作开关。
[0057]
在步骤712中，响应于感测到负载电流，可以控制电流调节器以使电感器电流反向，从而引起输出电容器向电池中放电。
[0058]
在步骤714处，响应于检测到不存在过冲状况，可以在常规模式下操作开关，并且可以恢复对负载电流的监测。
[0059]
在步骤716处，可以使用第二补偿网络以便响应于可以与led阵列中的led数量相关联的用户输入而控制电流调节器。
[0060]
最后，在步骤718处，切换用户输入可以触发从第二补偿网络转变回第一补偿网络，从而使用在步骤706处已经存储在第一补偿网络上的控制电压来控制电流调节器。在实施例中，在第一补偿网络中存储的控制电压过高的场景下(例如，由于一种led配置具有的led数量显著低于先前的led配置)，可以使第一补偿网络中的补偿电容器放电以将所存储的控制电压调整到更合适的值从而适应较低的led数量。
[0061]
本领域技术人员还将认识到的是，以上所描述的多个元件可以被物理地和/或功能性地分成多个子模块或组合在一起。
[0062]
对于本领域技术人员将理解的是，前述示例和实施例是示例性的并且不限于本披露的范围。意图是，在阅读本说明书和研究附图之后对本领域技术人员而言显而易见的所有排列、增强、等效物、组合以及对其的改进都包括在本披露的真实精神和范围内。还应注意的是，任何权利要求的要素都可以以不同方式布置，包括具有多种依赖性、配置和组合。