具有連續輸出調節范圍的緊湊功率轉換設備的制造方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及集成功率轉換器領域。本發明尤其可以應用于發光二極管(LED)光源的驅動電路。更具體地，本發明涉及緊湊和有效的功率轉換設備。
【背景技術】
[0002]要求功率轉換模塊的高集成水平的應用，例如使用開關模式電源(SMPS)，可以借助諸如開關電容轉換器(SCC)的功率轉換器，該功率轉換器可以僅使用電容器和開關并與電感輸出濾波器組合來提供高效率的DC-DC電壓轉換。
[0003]尤其地，固態照明(SSL)工業對用于LED的小且緊湊的電源管理單元的需求正在增加。LED要求盡可能高效地以恒定電流的形式傳輸供應功率。理想地，在尺寸上可與LED本身進行比較的LED驅動器將表現出重大突破，其能夠實現新的照明概念。這種解決方案將要求系統具有高水平的可靠性和效率，從而滿足壽命、尺寸和散熱的要求。
[0004]LED驅動器可以基于SMPS。SMPS可以包括SCC，其允許高集成水平并實現較大的功率轉換比率，但是具有提供多個離散的轉換比率的缺陷，這使得SCC不適合于要求輸出功率的細調的應用。
[0005]SMPS還可以包括傳統的電感轉換器，其包括多個電感器和開關。電感轉換器允許輸出功率的細調，并且可以有效地提供任意的轉換比率，但是電感轉換器的一個缺點是它們不能容易地集成到緊湊結構中。
【發明內容】
[0006]本發明的一個目標是通過提出一種允許實現高效的、小體積的混合功率轉換器、尤其是適用于LED的集成驅動器中的解決方案來克服現有技術的上述缺點。本發明還允許實現能夠容易集成在緊湊封裝中的LED的電源管理單元。本發明可以進一步允許將LED及其相關聯的電源管理單元集成在同一子基板中。
[0007]根據本發明，提出顯著減少SMPS的濾波器需求，從而在針對寬泛且連續的輸出調節范圍保持高的轉換效率的同時，能夠使用少得多的大體積的電感器。
[0008]為了該目的，本發明提出了使用脈寬調制信號向負載供電的新型的功率轉換設備，其包括電感式輸出濾波器，所述電感式輸出濾波器的至少一個輸出被配置為連接至所述負載，所述功率轉換設備包括:
[0009].功率轉換模塊，其由DC輸入電壓供電并被配置用于提供多個輸出信號，所述多個輸出信號的電平幅度為輸入電壓電平的分數，每個輸出信號均浮置，其具有以從經確定的最低分數的電平幅度到經確定的最高分數的電平幅度的范圍內的多個階梯進行劃分的偏置分量;
[0010]?選擇模塊，適于選擇所述多個輸出信號中的一個輸出信號，所選擇的輸出信號連接至所述輸出濾波器。
[0011]在本發明的一個示例性實施例中，選擇模塊可以包括多路復用器，該多路復用器接收所述多個輸出信號作為多個輸入，并且配置用于從所述多個輸入輸出所選擇的一個輸出信號。
[0012]在本發明的一個示例性實施例中，選擇模塊包括所選擇的輸出信號到輸出濾波器的布線。
[0013]在本發明的一個示例性實施例中，功率轉換設備可以還包括控制器，其被配置用于根據由表示感測的電源電壓的輸入信號、所述功率轉換模塊的感測輸出電壓和表示感測的負載電壓、負載電流或負載功率的信號組成的組中的至少一個分量，來控制所述功率轉換模塊的輸出信號的占空比和/或頻率。
[0014]在本發明的一個示例實施例中，功率轉換模塊可以包括開關電容轉換器(SCC)，所述開關電容轉換器包括被所述控制器控制的多個開關。
[0015]在本發明的一個示例實施例中，功率轉換模塊可以基于迪克森梯型拓撲。
[0016]在本發明的一個不例實施例中，多個輸出信號可以由所述功率轉換模塊的對應內部節點處的電壓形成。
[0017]本發明的另一方面是用于發光二極管的驅動器，其包括所描述的實施例中的任意實施例中的功率轉換設備。
[0018]本發明的另一方面是LED封裝，其包括至少一個LED以及相關聯的根據所描述的實施例中的任意實施例中的驅動器。
[0019]根據本發明的示例實施例，這種LED封裝可以集成為芯片上電源系統(PSoC)或封裝內電源系統(PSiP)。
[0020]本發明的另一方面是一種用于通過電感式輸出濾波器為負載提供脈寬調制(PWM)信號的方法，所述電感式輸出濾波器的至少一個輸出被配置為連接至所述負載，所述方法至少包括以下步驟:將DC輸入電壓提供的功率轉換為多個輸出信號，所述多個輸出信號的幅度電平為輸入電壓電平的分數，每個輸出信號均浮置，其具有以從經確定的最低分數的電平幅度到經確定的最高分數的電平幅度的范圍內的多個階梯進行劃分的偏置分量；以及通過連接至輸出濾波器的多路復用器選擇從所述多個輸出信號中所選擇的一個輸出信號。
[0021]本發明在其實施例中的另一優勢是其允許減少電磁發射，由此改善電磁干擾(EMI)。
[0022]本發明的又一優勢是功率轉換設備所包括的開關中的電壓應力可以顯著減少，從而顯著地改善功率轉換設備的壽命以及實現高效的轉換。更進一步地，減少電壓應力允許使用更小的開關，這導致更廉價的集成工藝，以及允許符合超大規模集成(VLSI)的要求，這導致了可能更快的開關速度。
[0023]本發明在其一些實施例中的又一優勢是:與具有類似性能的現有功率轉換設備相比較，功率轉換設備中所使用的電容器的數量可以大幅減少。
【附圖說明】
[0024]本發明的這些和其他特性和優勢將根據以下僅通過說明和非限制性實例給出的優選實施例的詳細描述以及附圖而變得更加清楚，其中:
[0025]圖1示出了本發明的示例性實施例中的連接至電壓源和負載的功率轉換設備的框圖；
[0026]圖2是示出本發明的示例性實施例中的功率轉換設備的傳動系的電氣圖；
[0027]圖3是示出根據本發明示例性實施例的功率轉換設備的不同內部節點處的電壓的時序圖；
[0028]圖4是示出根據本發明示例性實施例的當控制PWM信號的占空比被掃描時功率轉換設備的不同內部節點處的平均電壓的曲線；
[0029]圖5是示出針對額定負載電壓的不同值的輸出濾波器的電感值對輸出電壓波紋變化的依賴性的曲線；
[0030]圖6是示出本發明的示例性實例中的用于控制功率轉換模塊的占空比和/或頻率的模擬控制的示例性實施方式的示圖；
[0031]圖7是示出本發明的示例性實施例中的用于控制多路復用器通道的分區控制的示例性實施方式的示圖。
【具體實施方式】
[0032]在以下詳細描述中，為了解釋而不是限制的目的，闡述公開具體細節的代表性實施例以提供對本教導的透徹理解。然而，對于受益于本公開內容的本領域技術人員將清楚的是，根據本公開內容的脫離這里公開的具體細節的其他實施例仍然落在所附權利要求的范圍之中。此外，可以省略公知裝置和方法的描述，從而不模糊代表性實施例的描述。這些方法和裝置明顯在本公開的范圍內。
[0033]圖1示出了本發明的示例性實施例中的連接至電壓源和負載的功率轉換設備的框圖。
[0034]圖1示出了功率轉換設備10，其具有向負載11傳輸諸如調節DC電壓的輸出信號的至少一個輸出。功率轉換設備10具有連接至電源13的至少一