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用于向LED负载提供电压供应的初级侧开关转换器的制作方法

2022-09-15 07:08:44 来源:中国专利 TAG:

用于向led负载提供电压供应的初级侧开关转换器
技术领域
1.本发明涉及用于光源特别是led的转换器。具体地,本发明涉及一种用于操作用于向led负载提供电压供应的初级侧开关转换器的方法,以及隔离初级侧开关转换器和包括此类转换器的用于光源的驱动器。


背景技术:

2.转换器可以用作led驱动器中的用于用调节的输出电压供应led负载的dc/dc级。此类转换器的示例是初级侧开关转换器。
3.初级侧开关转换器通常包括布置在转换器的初级侧与次级侧之间的变压器,其中两个侧彼此流电隔离,并且其中初级侧包括至少一个开关。半桥llc转换器是此类转换器的示例。
4.通常重要的是确保此类led转换器的输出电压不超过例如60伏特的阈值。该阈值由led的低电平操作的对应标准规定,这是因为用户可能意外地触摸正常未受保护的线。
5.可以经由与转换器的次级侧绕组的磁性耦合来感测此类转换器的输出电压。如果检测到电压达到阈值,则led转换器关闭。
6.然而,此类转换器的输出电压的确定可以经受某些波动或公差。此类波动可以联接到磁性行为,特别是漏通量,或led转换器的输出整流和输出滤波的依赖于电流的电压降,并且可以由多个外部因子和内部因子引起。
7.为了确保从未超过阈值,驱动器被设计成使得在输出电压达到低于60伏特阈值的关闭电平,例如在50伏特时,已经关闭led的电压供应。然而,由于这种限制,转换器无法提供在60伏特阈值附近的供电电压。
8.因此,本发明的目的是提供一种改进的初级侧开关转换器、包括此类转换器的改进的驱动器和用于操作初级侧开关转换器的改进的方法,这避免了上文提到的缺点。具体地,本发明的目的是提供一种允许有效补偿确定的输出电压的偏差的隔离初级侧开关转换器。


技术实现要素:

9.本发明的目的是通过所附独立权利要求中提供的解决方案来实现的。在从属权利要求中进一步限定本发明的有利具体实施。
10.根据第一方面,本发明涉及一种用于操作用于向led负载提供电压供应的隔离初级侧开关转换器的方法,其中该转换器包括电流隔离级,该方法包括以下步骤:
11.·
在电流隔离级的初级侧处检测反馈信号,其中反馈信号对应于次级侧电压,
12.·
基于反馈信号确定led供电电压,
13.·
基于恒定参考电压和调整因子来计算阈值,其中调整因子是其绝对值随着led电流增加而增加的动态因子,以及
14.·
在所确定的led供电电压超过阈值时,中断到led负载的电压供应。
15.这实现了可以有效地补偿计算的led供电电压的依赖于电流的偏差的优点。具体地,当确定关闭转换器的阈值电压时考虑这些偏差。因此,可以提供更高的输出电压,例如54v,而不具有使电压超过60v的最大值的风险。
16.转换器可以是谐振或硬开关转换器。具体地,转换器是以下类型中的一者:lcc、反激或同步反激。
17.转换器可以包括位于电流隔离级的初级侧上的开关网络。该开关网络可以包括两个或四个开关。
18.转换器可以是用于用调节的输出电压供应led负载的dc/dc级。具体地,次级侧电压对应于输出电压。
19.调整因子是随着led电流增加而增加的正电压值或随着led电流增加而进一步减小的负电压值。
20.阈值表示用于供应led的阈值电压。具体地,转换器被配置成一旦led供电电压达到阈值就中断led负载的电压供应。
21.可以通过使反馈信号通过分压器和/或将反馈信号变换成数字电压信号来确定led供电电压。
22.可以通过转换器的电流感测单元检测led电流。电流感测单元可以包括位于电流隔离级的初级侧上的另外的辅助绕组,该另外的辅助绕组磁性耦合到至少一个次级侧绕组。
23.led负载可以包括led模块、led灯具和/或led轨道。
24.在一个实施方案中,调整因子包括取决于led电流的常数项和动态项。这实现了可以有效地补偿确定的输出电压的依赖于电流的偏差的优点。
25.在一个实施方案中,调整因子包括led电流的线性函数。
26.例如,根据以下方程计算阈值(v
ref,comp
):
[0027]vref,comp
=v
ref
(i
led
*x1) x2,
[0028]
其中v
ref
是参考电压,并且(i
led
*x1) x2是调整因子,其中i
led
是led电流,并且x1和x2是常数校正参数。
[0029]
在一个实施方案中,通过在不同led电流处执行至少两个校准测量来确定线性函数。这提供了调整因子可以考虑特定于设备的偏差的优点。
[0030]
例如,校准测量可以包括在两个不同负载处即在两个不同电流处驱动转换器,并且在每个电流处测量输出电压的偏移。通过将线性回归拟合到两个测量点,可以确定校正参数x1和x2。
[0031]
另选地,调整因子可以包括led电流的高阶函数。
[0032]
在一个实施方案中,调整因子包括温度依赖性部分。这实现了可以有效地补偿确定的输出电压的依赖于温度的偏差的优点。
[0033]
温度可以对应于环境温度,特别是接近或处于led负载的温度。
[0034]
在一个实施方案中,温度依赖性部分是温度的线性或高阶函数,或者其中基于查找表确定温度依赖性部分。这实现了可以有效地补偿确定的输出电压的依赖于温度的偏差的优点。
[0035]
查找表可以存储在转换器的存储器中,特别是存储在转换器的asic或微控制器的
存储器中。
[0036]
例如,根据以下方程计算阈值(v
ref,comp
):
[0037]vref,comp
=v
ref
(i
led
*x1) x2 x(t),
[0038]
其中x(t)是温度依赖性部分。具体地,t(x)是线性方程,诸如x(t)=x*t,其中t是温度并且x是常数因子。
[0039]
在一个实施方案中,调整因子取决于led负载的调光级。
[0040]
根据第二方面,本发明涉及一种用于向led负载提供电压供应的隔离初级侧开关转换器,该隔离初级侧开关转换器包括:电流隔离级;位于该电流隔离级的初级侧上的辅助绕组,该辅助绕组磁性耦合到至少一个次级侧绕组,其中辅助绕组被配置成接收对应于次级侧电压的反馈信号;控制单元,该控制单元被配置成基于反馈信号确定led供电电压;处理单元,该处理单元被配置成基于恒定参考电压和调整因子来计算阈值,其中调整因子是其绝对值随着led电流增加而增加的动态因子,并且其中转换器被配置成在所确定的led供电电压超过阈值时,中断到led负载的电压供应。
[0041]
这实现了可以有效地补偿计算的led供电电压的依赖于电流的偏差的优点。具体地,当确定关闭转换器的阈值电压时考虑这些偏差。因此,可以提供更高的输出电压,例如54v,而不具有使电压超过60v的最大值的风险。
[0042]
隔离初级侧开关转换器可以是llc转换器,特别是llc谐振半桥转换器、反激转换器或同步反激转换器。转换器可以包括位于电流隔离级的初级侧上的开关网络。该开关网络可以包括两个或四个开关。
[0043]
转换器可以是用于用调节的输出电压供应led负载的dc/dc级。具体地,次级侧电压对应于输出电压。
[0044]
调整因子是随着led电流增加而增加的正电压值或随着led电流增加而进一步减小的负电压值。
[0045]
阈值表示用于供应led的阈值电压。具体地,转换器被配置成一旦led供电电压达到阈值就中断led负载的电压供应。
[0046]
可以通过使反馈信号通过分压器和/或经由控制单元将反馈信号变换成数字电压信号来确定led供电电压。
[0047]
led负载可以包括led模块、led灯具和/或led轨道。
[0048]
在一个实施方案中,转换器包括电流感测单元,该电流感测单元被配置成检测led电流。
[0049]
在一个实施方案中,电流感测单元包括位于电流隔离级的初级侧上的另外的辅助绕组,该另外的辅助绕组磁性耦合到至少一个另外的次级侧绕组。这实现了可以有效地检测led电流以用于计算阈值的优点。
[0050]
在一个实施方案中,转换器包括用于感测环境温度的温度感测单元,其中调整因子包括温度依赖性部分。这实现了可以有效地补偿输出电压的依赖于温度的偏差的优点。
[0051]
具体地,所计算的温度被配置成感测接近或处于led负载的温度。
[0052]
在一个实施方案中,温度感测单元被布置在led负载处并且经由通信接口特别是dali或蓝牙接口连接到处理单元。这实现了可以有效地检测温度以用于计算阈值的优点。
[0053]
在一个实施方案中,控制单元被配置成控制转换器的至少一个初级侧开关。
[0054]
在一个实施方案中,控制单元被配置成在计算的输出电压超过阈值时,中断到led负载的电压供应。这实现了一旦电压超过阈值就可以立即中断到led负载的电压供应的优点。
[0055]
具体地,控制单元通过关闭转换器来中断到led负载的电压供应,例如通过控制转换器的初级侧开关以中断到led负载的电压供应。
[0056]
在一个实施方案中,控制单元包括asic,并且/或者处理单元包括微控制器。
[0057]
另选地,控制单元和处理单元可以集成在同一单元中,例如单个微控制器或asic。
[0058]
转换器可以适于执行根据本发明的第一方面的方法。
[0059]
根据第三方面,本发明涉及一种用于光源特别是led的驱动器,该驱动器包括根据本发明的第二方面的隔离初级侧开关转换器。
[0060]
驱动器可以是用于将ac干线电压转换为适用于驱动led负载的电压的led转换器。
[0061]
该转换器可以是驱动器的dc/dc级。驱动器还可以包括用于用dc输入电压供应转换器的ac/dc级。
[0062]
驱动器可以是selv(安全特低电压)设备。
附图说明
[0063]
下面将连同附图来说明本发明。
[0064]
图1示出了根据一个实施方案的用于操作隔离初级侧开关转换器的方法的示意图;
[0065]
图2示出了根据一个实施方案的在不同led电流处确定的led供电电压的示意图;
[0066]
图3示出了根据一个实施方案的用于向led负载提供电压供应的隔离初级侧开关转换器的示意图;
[0067]
图4a至图4b示出了根据两个不同实施方案的电压感测单元的示意图;
[0068]
图5示出了根据一个实施方案的转换器的控制单元和处理单元的示意图;
[0069]
图6a示出了根据一个实施方案的用于led负载的驱动器的示意图;
[0070]
图6b示出了根据一个实施方案的用于led负载的驱动器的示意图;并且
[0071]
图6c示出了根据一个实施方案的用于led负载的驱动器的示意图。
具体实施方式
[0072]
下文参考附图更全面地描述了本发明,其中示出了本发明的各方面。然而,本发明可以多种不同的形式体现,并且不应理解为限于通过本公开呈现的本发明的各方面。相反,提供这些方面使得本公开将是周密且完整的,并且将向本领域的技术人员充分传达本发明的范围。附图中示出的本发明的各方面可能未按比例绘制。相反,为清楚起见,可扩大或减小各种特征结构的尺寸。此外,为清楚起见,可简化一些附图。因此,附图可能未示出给定装置的所有部件。
[0073]
将呈现转换器的各个方面。然而,如本领域的技术人员将容易理解的,在不脱离本发明的情况下,这些方面可扩展到用于光源的驱动器的各方面。
[0074]
术语“led灯具”应指具有包括一个或多个led的光源的灯具。led在本领域中是众所周知的,因此,将仅简要讨论以提供对本发明的完整描述。
[0075]
还应当理解,本发明的方面可包含易于使用常规半导体技术(诸如互补金属氧化物半导体技术,简称为“cmos”)制造的集成电路。此外,本发明的各方面可利用用于制造光学器件以及电气器件的其他制造工艺来实现。现在将详细参考如附图所示的示例性方面的具体实施。在整个附图和以下详细描述中将使用相同的附图标记来指代相同或类似的部件。
[0076]
图1示出了根据一个实施方案的用于操作用于向led负载提供电压供应的隔离初级侧开关转换器的方法100的示意图。
[0077]
方法100包括以下步骤:在电流隔离级的初级侧处检测101反馈信号,其中反馈信号对应于次级侧电压;基于反馈信号确定103led供电电压;基于恒定参考电压和调整因子来计算105阈值,其中调整因子是其绝对值随着led电流增加而增加的动态因子;以及在反馈信号超过阈值时,中断107到led负载的电压供应。
[0078]
可以通过使反馈信号通过分压器和/或将反馈信号变换成数字电压信号来确定103led供电电压。
[0079]
调整因子可以包括取决于led电流的常数项和动态项。具体地,调整因子包括led电流的线性函数。
[0080]
例如,根据以下方程计算阈值(v
ref,comp
):
[0081]vref,comp
=v
ref
(i
led
*x1) x2,
[0082]
其中v
ref
是参考电压,并且(i
led
*x1) x2是调整因子,其中i
led
是led电流,并且x1和x2是常数校正参数。
[0083]
优选地,通过考虑阈值的依赖于电流的因子,可以将电压感测的大约6v的准确度偏差减小到大约1v的准确度偏差。
[0084]
图2示出了根据一个实施方案的在不同led电流处确定的led供电电压201的示意图200。
[0085]
该图200示出了led供电电压随着led电流增加而变化的线性偏差。
[0086]
可以通过在不同led电流处执行至少两个校准测量来确定线性函数。
[0087]
在校准测量期间,可以在两个不同负载点(例如由所述电压处的最大电压和最大电流限定的第一负载点和由所述电压处的最大电压和最小电流限定的第二负载点)处驱动转换器。可以读出两个负载点处的感测电压。通过将线性回归拟合到两个测量点,可以确定校正参数x1和x2。
[0088]
优选地,这些校准测量在每个转换器的生产期间执行。因此,可以确定包含转换器的部件公差的单独调整因子,并且稍后用于调整阈值。具体地,校正参数x1和x2表示单独转换器公差。
[0089]
也可以在具有两个或三个负载点的生产中调整led电流,这意味着在生产中不需要附加调整点。
[0090]
此外,调整因子可以包括温度依赖性部分。
[0091]
该温度依赖性部分可以是温度的线性或高阶函数。
[0092]
例如,根据以下方程计算阈值(vref,comp):
[0093]vref,comp
=v
ref
(i
led
*x1) x2
x
(t),
[0094]
其中t(x)是温度依赖性部分。具体地,t(x)是线性方程,诸如x(t)=x*t,其中t是
温度并且x是常数因子。
[0095]
另选地,t(x)可以是高阶方程。
[0096]
此外,可以基于查找表确定温度依赖性部分,在该查找表中存储用于每个温度的不同参数。
[0097]
通过考虑led转换器公差、led电流和环境温度,可能将关闭电平设置为57v(对selv限值预留3v并对最大led电压预留3v)并实现稳健的54v输出电压设备。通过降低温度依赖性,可能将关闭电平和输出电压设置为甚至更高。
[0098]
例如,分别在关闭阈值时,设备公差(由x1和x2表示)可能引起确定的led供电电压的高达3v的偏差,led电流可以引起确定的led供电电压的高达6v的偏差,并且环境温度可以引起确定的led供电电压的高达2v的偏差。
[0099]
图3示出了根据一个实施方案的用于向led负载提供电压供应的隔离初级侧开关转换器300的示意图。
[0100]
该转换器300包括:电流隔离级301;位于该电流隔离级301的初级侧上的辅助绕组l51c,该辅助绕组磁性耦合到至少一个次级侧绕组l51a、l51b,其中辅助绕组l51c被配置成接收对应于次级侧电压的反馈信号;控制单元303,该控制单元被配置成基于反馈信号确定led供电电压;处理单元305,该处理单元被配置成基于恒定参考电压和调整因子来计算阈值,其中调整因子是其绝对值随着led电流增加而增加的动态因子,并且其中转换器300被配置成在所确定的led供电电压超过阈值时,中断到led负载的电压供应。
[0101]
优选地,转换器300包括变压器单元。该变压器单元可以包括初级侧绕组l51d,该初级侧绕组磁性耦合到至少一个次级侧绕组l51a、l51b。具体地,转换器是llc转换器、反激转换器或同步反激转换器。
[0102]
优选地,转换器300还包括位于电流隔离级301的初级侧上的开关网络。在图3中,开关网络包括两个开关m40、m41。
[0103]
转换器300还可以包括位于隔离级301的次级侧上的整流电路,该整流电路包括两个二极管d52a、d52b和电容器c52。
[0104]
优选地,控制单元303被配置成初级侧开关m40、m41,特别是基于所确定的led供电电压与阈值之间的比较结果。
[0105]
具体地,控制单元303被配置成控制初级侧开关m40、m41,以在计算的输出电压超过阈值时,中断到led负载的电压供应。
[0106]
在图3的示例性实施方案中,控制单元303是asic,并且处理单元305是经由串行通信接口诸如i2c(内部集成电路)或spi(串行外围接口)连接到asic的微控制器。
[0107]
另选地,控制单元303和处理单元305可以集成到单个单元中,例如asic或微控制器。
[0108]
控制单元303可以包括比较器,该比较器被配置成将led供电电压与阈值进行比较并且检测led供电电压是达到还是超过阈值。
[0109]
图3中的转换器300还包括电压感测单元307,其中电压感测单元包括辅助绕组l51c和具有两个电阻r51、r52的分压器。电压感测单元307还包括二极管d50和电容器c55。
[0110]
电压感测单元307可以被配置成使接收的反馈信号通过分压器到达控制单元303,以用于将信号转换为数字led供电电压信号。
[0111]
优选地,转换器还包括电流感测单元309,该电流感测单元被配置成检测led电流。
[0112]
电流感测单元309可以包括位于电流隔离级的初级侧上的另外的辅助绕组l52a,该另外的辅助绕组磁性耦合到至少一个另外的次级侧绕组l52c、l52b。电流感测单元309可以包括另外的部件,诸如开关、电阻器3、120和导体220n。具体地,电流感测单元309被配置成将检测到的电流转发到控制单元303。
[0113]
该控制单元303可以包括模数转换器(adc),特别是12位adc,以将从电压感测单元307检测到的led供电电压转换为数字信号,并且将从电流感测单元309检测到的led电流转换为数字信号。
[0114]
控制单元还可以包括用于感测环境温度的温度感测单元311。所感测的温度可用于确定调整的温度依赖性部分。
[0115]
图4a和图4b示出了根据两个不同实施方案的电压感测单元307的示意图。
[0116]
图4a中的电压感测单元307使用离散峰和保持该离散峰,并且包括电容器c55和二极管50以及具有两个电阻r51和r52的分压器。
[0117]
相反,图4b中的电压感测单元307包括电阻r51和r52,但不包括电容器c55和二极管50。因此,图4b中的电压感测单元307具有更简单的结构。
[0118]
图5示出了根据一个实施方案的转换器的控制单元303和处理单元305的示意图。
[0119]
在图5中,控制单元303是asic,并且被配置成向处理单元305供应检测到的led电流i
led
和温度t。处理单元是微控制器,并且被配置成计算阈值(v
ref,comp
)。
[0120]
优选地,设置阈值的过程包括以下步骤:
[0121]
1.(例如经由微控制器和asic之间的i2c连接)读出实际温度(t)和实际led电流(i
led
)。
[0122]
2.通过考虑定义的阈值(恒定参考值v
ref,des
)、校正参数(x1和x2)和温度依赖性部分(x(t)),在微控制器305内计算新阈值电平。
[0123]
3.(例如经由i2c)将asic 303的寄存器设置为新阈值电平。
[0124]
该过程可以顺序地执行,或者可以由某些事件触发,例如通过设置另一种调光级或通过某一温度增加/减小。
[0125]
以该方式,控制单元303可以充当比较器,该比较器将确定的led供电电压与新阈值进行比较。如果控制单元303检测到确定的led供电电压超过阈值,则可以禁用生成半桥信号的模块,并且led转换器300的输出被关闭。
[0126]
图6a示出了根据一个实施方案的用于led负载401的驱动器400的示意图。
[0127]
图6a中的led负载401是包括led轨道的led模块。
[0128]
驱动器400包括整流器单元403,该整流器单元将230v的ac电压转发到ac/dc转换器405。该ac/dc转换器405用400v的dc电压供应dc/dc转换器407,该dc/dc转换器通过dc/dc转换器404转变成较低的led供电电压并转发到led模块401。
[0129]
dc/dc转换器进一步检测led模块的led电流,并且将该电流转发到呈asic形式的控制单元303,该控制单元连接到呈微控制器形式的处理单元305。
[0130]
图6a中的led模块包括外部温度感测单元409,该外部温度感测单元被布置在led模块处并且被配置成检测环境温度。
[0131]
温度传感器可以经由无线或有线通信连接(例如dali或蓝牙)连接到驱动器400,
以用于将温度测量结果转发到处理单元305以计算阈值。
[0132]
dc/dc转换器407、控制单元303和处理单元305可以对应于根据图3的转换器300。
[0133]
图6b示出了根据一个实施方案的用于led负载401的驱动器400的示意图。
[0134]
在图6b中,外部单元411被配置成计算校正参数x1和x2,并且用这些参数、测量值或新计算阈值提供驱动器400。这具有以下益处:无需在处理单元305中编程用于计算阈值的指定方程。
[0135]
图6c示出了根据一个实施方案的用于led负载401的驱动器400的示意图。
[0136]
图6c中示出了图6b中的方法的类似方式。在该实施方案中,用于计算led电压的新阈值的信息可由驱动器400和/或从驱动器400外部上的外部逻辑部件413(例如负载上的温度传感器)提供。经由驱动器400的接口(例如dali),可能设置新阈值(v
ref,comp
)或更新/改变校正参数(x1,x2)并计算内部微控制器305中的阈值。
[0137]
图6a-图6c中的驱动器400可以是用于将ac干线电压转换为适用于驱动led负载的电压的led转换器。
[0138]
本文所述、所示和/或受权利要求书保护的所有实施方案的所有特征可彼此组合。
[0139]
虽然上文已描述了本发明的各种实施方案,但应当理解,这些实施方案仅以举例的方式而非限制的方式给出。在不脱离本发明范围的精神的前提下,可根据本文的公开内容对本发明所公开的实施方案进行多种改变。因此,本发明的广度和范围不应受任何上述实施方案的限制。相反,本发明的范围应根据以下权利要求书及其等同物来限定。
[0140]
虽然已经相对于一个或多个具体实施例示和描述了本发明,但是本领域的技术人员在阅读本说明书和附图的理解后将想到等同的替代形式和修改形式。此外,虽然可仅相对于若干具体实施公开本发明的特定特征,但此类特征可根据任何给定或特定应用的期望和优点与其他具体实施的一个或多个其他特征组合。
再多了解一些

本文用于企业家、创业者技术爱好者查询,结果仅供参考。

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