限制功率控制器的制作方法

1.本发明涉及用于限制诸如在电源和发光二极管(led)驱动器中使用的dc-dc转换器的功率转换器的输出功率的控制器和方法，但是本发明不限于这些特定用途。


背景技术：

2.许多功率转换器可以提供可变电压和电流，从而限制最大输出电压或电流。还存在仅能够提供限定的输出功率的转换器。当在组合这些特征时，如在一些led驱动器中，转换器需要以调节的最大电流、调节的最大电压和调节的最大功率运行。要求转换器的输出同时符合所有三个限制。这通常通过包括模拟或数字乘法电路的复杂电路来实现。
3.通常，恒定功率限制特征只需要保护某些部件不过热，因此正确运行时不需要高精度。例如，采用两级led驱动器，其中第一级是将ac转换为dc电压的功率因数控制(pfc)级，并且第二级将该dc电压转换为经调节的dc电流或电压以驱动led负载。第二级电压和电流限制可能允许大于第一级的总输出功率能力的输出功率。因此，为第二级提供输出电压、电流和功率的连续调节电流限制是有利的。
4.转换器被以最低成本设计，这就是为什么它们的功率处理可能不足以提供在最坏情况下的输出功率(由输出电压和电流极限的乘积定义)。以这种方式牺牲转换器的最大功率处理可以节省成本，尤其是在pfc级。然而，能够限制输出功率的控制电路需要由模拟或数字乘法器产生的表示负载电压和电流的乘积的信号，这两者都很昂贵。这种方法将抵消任何潜在的成本节约。
5.这种现有电路的例子包括us 4,837,653中公开的电路，其是用于在电气部件消耗过多功率时发出信号并用于保护电气部件免受过多功率影响的电路。该电路产生比较电压，该比较电压代表通过的电流和元件两端的电压的总和，该比较电压近似于元件消耗的功率。如果比较电压超过代表部件的近似最大功率电平的阈值电压，则电路产生中断向部件的电流供应的信号。
6.us 5,087,870公开了另一种这样的现有电路，其通过根据编程的负载值测量负载两端的电压和负载汲取的电流并确定测量的电流和电压的总和是否超过负载的功率极限来检测过大功率。如果超过功率极限，则通过在围绕恒定功率极限的滞后带内振荡功率电平，负载以由恒定功率极限定义的恒定功率电平耗散功率。然后驱动功率级的输出以跟随振荡输出功率电平，直到不再测量到过量功率条件为止。
7.本发明的目的是克服或改善现有技术的至少一个缺点，或提供有用的替代方案。
8.本发明的一些实施例的目的是提供一种在恒定电压和/或恒定电流转换器中实现恒功率控制的低成本方法。


技术实现要素：

9.在第一方面，本发明的实施例提供了一种用于限制提供给负载电路的受控电源的输出功率的控制器，所述负载电路在连接到输出功率时具有负载电压和负载电流，所述控
制器包括：
10.电压参考电路，用于提供控制参考电压；
11.归一化电路，用于检测基于负载电压的负载电压信号和基于负载电流的负载电流信号，缩放负载电压信号以产生归一化的负载电压信号，以及缩放负载电流信号以产生归一化的负载电流信号；以及
12.功率限制电路，其具有放大器以放大控制参考电压与归一化负载电压信号和归一化负载电流信号之和之间的差，因而功率限制电路在功率限制电路输出端子处产生控制信号以控制受控电源的输出功率。
13.在本发明的第二方面的实施例中，提供了一种限制提供给负载电路的受控电源的输出功率的方法，该负载电路在连接到输出功率时具有负载电压和负载电流，该方法包括：
14.提供控制参考电压；
15.基于所述负载电压检测负载电压信号；
16.基于所述负载电流检测负载电流信号；
17.缩放所述负载电压信号以产生归一化负载电压信号；
18.缩放所述负载电流信号以产生归一化负载电流信号；
19.将所述归一化负载电压信号和所述归一化负载电流信号求和以产生负载功率信号；
20.放大所述控制参考电压与所述负载功率信号之间的差以产生功率限制控制信号；以及
21.基于所述功率限制控制信号控制所述受控电源的输出功率。
22.本发明的其它特征和实施例可以在所附权利要求中找到。
23.在本说明书全文中，包括权利要求书中，词语“包括(comprise)”、“包含(comprising)”和其他类似术语应被解释为包含性的意义，即“包括但不限于”的意义，而不是在排他性或详尽无遗的含义，除非另有明确说明或上下文另有明确要求。
附图说明
24.现在将参照附图仅以示例的方式描述根据本发明的最佳模式的优选实施例，其中，除非另有说明，否则在整个附图中相同的附图标记指代相同的部件，并且其中：
25.图1是现有技术的功率限制控制器的示意图；
26.图2是另一种现有功率限制控制器的示意图；
27.图3是将根据本发明实施例的输出限制特性与理想恒定功率曲线进行比较的示图；
28.图4是根据本发明的实施例的用于电源的控制器的示意性框图；以及
29.图5是根据本发明的另一实施例的用于电源的控制器的示意性框图。
具体实施方式
30.参照附图，提供了控制器1，用于限制提供给负载电路3的受控电源2的输出功率。负载电路3在连接到输出功率时具有负载电压和负载电流。还提供了一种限制提供给负载电路3的受控电源2的输出功率的方法。
31.所述控制器1和所述方法是以提供具有近似恒定功率极限的输出特性的用于控制电源的低成本解决方案。包括当前描述的这些实施例在内的本发明的实施例用基于简单模拟加法和缩放的更简单的准恒定功率(quasi-constant power，即qcp)算法来代替理想恒定功率(constant power，即cp)算法(其需要某种形式的乘法)。qcp算法实现对cp算法的近似，避免了昂贵的模拟(analog)或数字乘法(digital multiplication)的需要。
32.cp和qcp曲线的方程式如下：
33.cp＝(v
×
i)(理想cp算法)
34.(qcp近似)
35.其中cp是归一化功率极限(固定值)，v是归一化电压，i是归一化电流，k是比例因子。
36.图3示出了由本发明的实施例控制的示例性电源的输出特性，其提供恒定电压(cv)、恒定电流(cc)和qcp限制。图3中的曲线将qcp近似值与理想cp算法进行比较，其中归一化功率极限cp＝50％，缩放值k＝2.0和k＝2.1。注意，cp极限可以设置在cc*cv产品的0％和100％之间的任何值。可以看出，qcp近似稍微偏离理想cp输出特性。假设选择k来最小化qcp误差，则功率极限中的最坏情况的误差可以用cp通过以下等式表示：
[0037][0038]
因此，对于图3中给出的示例，其中cp＝50％，功率极限误差为8.6％，对于防止功率转换器中的功率过大的情况这通常是可接受的。
[0039]
本发明的实施例提供了一种用于控制连接到具有恒定功率极限的负载的电源的调节控制器，其具有一个或多个可选限制特征。
[0040]
现在回到图中所示的实施例，控制器1包括用于提供控制参考电压v
ref
的电压参考电路4。归一化电路5用于检测基于负载电路3的负载电压的负载电压信号vs和基于负载电路3的负载电流的负载电流信号cs。归一化电路5还用于缩放负载电压信号vs以产生归一化负载电压信号nvs，以及缩放负载电流信号cs以产生归一化负载电流信号ncs。功率限制电路6具有放大器a5，用于放大控制参考电压v
ref
与归一化负载电压信号nvs和归一化负载电流信号ncs之和之间的差。功率限制电路6由此在功率限制电路输出端子8处产生控制信号7以控制受控电源2的输出功率。
[0041]
在一些实施例中，归一化负载电压信号nvs和归一化负载电流信号ncs的和是加权和(weighted sum)。
[0042]
归一化电路5使用电阻r1和r2来减小由vs提供的感测负载电压，以产生归一化负载电压信号nvs。电流感测信号cs被a1放大，电压增益被定义为r4/r3，以产生归一化信号nvs、ncs。有利地，信号nvs和ncs被缩放为具有相同的满量程电压(full-scale voltage)。
[0043]
功率限制电路6的运行可以由以下等式描述：
[0044][0045]
其中v
ctrl
是控制信号7，v
ref
是控制参考电压，v
nvs
是nvs的平均电压，v
ncs
是ncs的平均电压，r9和r
10
是电阻，c2是电容。在当前描述的实施例中，r9和r
10
有利地是相同的值。
[0046]
上述等式可改写如下：
[0047][0048]
这明确地示出了正被放大的是控制参考电压v
ref
与归一化负载电压信号nvs和归一化负载电流信号ncs之和之间的差。
[0049]
电流限制电路9具有放大器a6，用于放大归一化负载电流信号ncs和恒定电流参考电压ccset之间的差。电流限制电路9由此在电流限制电路输出端子11处产生控制信号10以控制受控电源2的输出功率。
[0050]
电流限制电路9的运行可以由以下等式描述：
[0051][0052]
这当然可以改写如下：
[0053][0054]
其中v
ctrl
是控制信号10，v
ref
是控制参考电压，v
ncs
是ncs的平均电压，r
11
和r
13
是电阻，c3是电容。在当前描述的实施例中，有利地，r
11
＝r
13
并且r
12
＝r
14
，其中r
12
和r
14
也是如图所示的电阻。
[0055]
在上述等式中，可以看出，在当前描述的实施例中，归一化负载电流信号ncs和恒定电流参考电压ccset之间的差基于控制参考电压v
ref
被抵消。
[0056]
电阻感测电路12具有第一电阻感测电路输入端子13，第一电阻感测电路输入端子13的电压保持在恒定电压，在本实施例中为v
ref
。电阻感测电路12还具有电阻感测电路输出端子14，其电压线性地取决于流经第二电阻感测电路输入端子19的电流。电阻感测电路输出端子14由此产生恒定电流参考电压ccset。特别地，电阻感测电路12包括电阻r
set
，并且ccset响应于r
set
的欧姆值。
[0057]
电阻感测电路12的运行可由以下等式描述：
[0058]vccset
＝v
ref
·
(1 r7/r
set
)
[0059]
电压限制电路15具有放大器a4以放大归一化负载电压信号nvs与控制参考电压v
ref
之间的差。电压限制电路15由此在电压限制电路输出端子17处产生控制信号16以控制受控电源2的输出功率。
[0060]
电压限制电路15的运行可以由以下等式描述：
[0061][0062]
其中v
ctrl
是控制信号16，v
ref
是控制参考电压，v
nvs
是nvs的平均电压，r8是电阻，c1是电容。
[0063]
如图所示，控制器1具有多个限制电路，即功率限制电路6、电流限制电路9和电压限制电路15。这些限制电路各自具有限制电路输出端子，即，功率限制电路输出端子8、电流限制电路输出端子11和电压限制电路输出端子17。各个限制电路输出端子8、11和17以有线或(wired-or)配置互连，使得公共控制信号ctrl被在各个限制电路输出端子8、11和17处产生的各个控制信号7、10和16中的任何一个拉低。公共控制信号ctrl控制受控电源2的输出
功率。如上所述，术语“限制电路”可以指任何类型的限制电路，即功率限制电路6、电流限制电路9和电压限制电路15中的每一个都是“限制电路”。“多个限制电路”是指任何类型或类型组合的这些限制电路中的两个或更多个。同样如上所述，术语“控制信号”可以指控制信号7、10、16和公共控制信号ctrl中的任何一个，除非涉及特定控制信号或上下文指定这些特定控制信号之一。功率限制电路6产生的控制信号7也称为“功率限制控制信号”。电流限制电路9产生的控制信号10也称为“电流限制控制信号”。电压限制电路15产生的控制信号16也称为“电压限制控制信号”。
[0064]
每个限制电路6、9和15中的积分器(放大器)从公共控制信号ctrl获得反馈(经由c1、c2和c3)。这提供了不同限制电路6、9和15之间的平滑切换，从而使得当从一个限制模式转换到另一个限制模式时由积分器饱和(integrator saturation)引起的假信号和不连续性最小化。
[0065]
图4更一般地示出了控制器1，其具有恒定电压、恒定电流和准恒定功率的限制特性。受控电源2是led驱动器块18的一部分并且以受控电流源的形式示出。受控电源2由模拟信号形式的公共控制信号ctrl控制，并且与电流感测电阻r
cs
串联连接。led驱动器块18向负载电路3(在该示例中为led串)提供电流，负载电路3的负极端(即阴极端)连接到公共节点com。感测的负载电压信号vs和感测的负载电流信号cs被传递到归一化电路5。归一化电路5对vs和cs信号应用缩放，分别产生归一化信号nvs和ncs。典型地，缩放被选择为使得ncs和nvs的满量程电压相同，因为这将准功率曲线最佳地拟合到理想功率曲线。参考电阻r
set
由电阻感测电路12感测，电阻感测电路12用于设置由信号ccset提供的cc电流极限。
[0066]
为了提供cp、cc和cv限制功能，归一化的nvs和ncs信号被路由到cp、cc和cv限制电路6、9和15。cp、cc和cv限制电路6、9和15中的每一个具有驱动公共控制信号ctrl的a类放大器输出级(无源上拉、有源下拉)。以这种方式，ctrl信号可以被任何限制电路6、9或15拉低，从而控制电源2并减少传送到负载的功率。这种互连方法在本文中被称为有线或(wired-or)，而放大器输出端子具有有线或特性。
[0067]
另外，提供了一种限制提供给负载电路3的受控电源2的输出功率的方法。该方法包括：
[0068]
提供控制参考电压v
ref
；
[0069]
基于所述负载电压检测负载电压信号vs；
[0070]
基于负载电流检测负载电流信号cs；
[0071]
缩放负载电压信号vs以产生归一化负载电压信号nvs；
[0072]
缩放负载电流信号cs以产生归一化负载电流信号ncs；
[0073]
将归一化负载电压信号nvs和归一化负载电流信号ncs求和以产生负载功率信号；
[0074]
放大控制参考电压与负载功率信号之间的差以产生功率限制控制信号7；以及
[0075]
基于功率限制控制信号7控制受控电源2的输出功率。
[0076]
该方法包括加权归一化负载电压信号nvs和归一化负载电流信号ncs的和。
[0077]
上述方法可由以下等式描述：
[0078][0079]
其中v
ctrl
是控制信号7，v
ref
是控制参考电压，v
nvs
是nvs的平均电压，v
ncs
是ncs的平
均电压，r9和r
10
是电阻，c2是电容。在当前描述的实施例中，r9和r
10
有利地是相同的值。
[0080]
该方法还包括：
[0081]
放大归一化负载电流信号ncs与恒定电流参考电压ccset之间的差以产生电流限制控制信号10；以及
[0082]
基于电流限制控制信号10控制受控电源2的输出功率。
[0083]
在这样做时，该方法还包括基于控制参考电压v
ref
来抵消(offsetting)归一化负载电流信号ncs与恒定电流参考电压ccset之间的差。
[0084]
该方法的这些特征可以由以下等式描述：
[0085][0086]
其中v
ctrl
是控制信号10，v
ref
是控制参考电压，v
ncs
是ncs的平均电压，r
11
和r
13
是电阻，c3是电容。在当前描述的实施例中，有利地，r
11
＝r
13
并且r
12
＝r
14
，其中r
12
和r
14
也是如图所示的电阻。
[0087]
该方法还包括：
[0088]
在第一电阻感测电路输入端子13处维持恒定电压v
ref
；以及
[0089]
在电阻感测电路输出端子14处产生线性依赖于流过第二电阻感测电路输入端子19的电流的电压，从而在电阻感测电路输出端子14处产生恒定电流参考电压ccset。
[0090]
该方法的这些特征可以由以下等式描述：
[0091]vccset
＝v
ref
·
(1 r7/r
set
)
[0092]
该方法还包括：
[0093]
放大归一化负载电压信号nvs与控制参考电压v
ref
之间的差以产生电压限制控制信号16；以及
[0094]
基于电压限制控制信号16控制受控电源2的输出功率。
[0095]
该方法的这些特征可以由以下等式描述：
[0096][0097]
其中v
ctrl
是控制信号16，v
ref
是控制参考电压，v
nvs
是nvs的平均电压，r8是电阻，c1是电容。
[0098]
在产生多个限制控制信号的情况下，例如在当前描述的实施例中，该方法还可以包括：
[0099]
以有线或方式互连限制控制信号7、10和16以产生公共控制信号ctrl，因而公共控制信号ctrl被限制控制信号7、10或16中的任一个拉低；以及
[0100]
基于公共控制信号ctrl控制受控电源2的输出功率。
[0101]
还应当理解，上述实施例仅仅是用于描述本发明原理的示例性实施例，并且本发明不仅仅限于此。在不脱离本发明的精神和本质的情况下，本领域普通技术人员可以做出各种变型和修改，并且这些变型和修改也包括在本发明的范围内。因此，尽管已经参考具体实例描述了本发明，但是本领域技术人员应当理解，本发明可以以许多其它形式实施。本领域技术人员还应当理解，所描述的各种示例的特征可以以其它组合进行组合。