生成電源轉換器的參考電壓的電路和方法
【專利摘要】本文公開了用于產生電源轉換器控制裝置（116）的參考電壓的電路和方法。電源轉換器控制裝置（116）在輸出端（130）上提供用于對齊電源線（115）上的電壓和電流的信號以使它們同相。電路的一個實施例包括電壓檢測器（160），其檢測電源線（115）上的電壓。信號發生器（162，168）產生與電源線（115）上的電壓同相的波形，該波形獨立于電源線（115）上的電壓而生成。信號發生器（162，168）的輸出是參考電壓。
【專利說明】生成電源轉換器的參考電壓的電路和方法
【背景技術】
[0001]當給設備供電時，理想狀態是將最大功率傳輸給設備。傳輸的功率的有效性被稱為功率因數，理想狀態下它具有的值為I。當使用AC電源時，當電壓和電流同相時，傳輸的是最大功率。在一個純電阻AC電路中，電壓和電流同相(有時稱為一致)，其中它們在每個周期的同一時刻改變極性。因此，在純電阻AC電路中，進入設備的所有功率被消耗而且功率因數為I或接近I。
[0002]但電抗性負載如電容器或電感器出現在設備中時，存儲在負載中的能量造成電流和電壓波形的時間差。在AC電壓的每個周期期間，除負載消耗的能量之外，額外的能源被暫時以電場或磁場形式存儲在負載中，一段時間之后又返回到電網中。這使得提供給設備的輸入電流和電壓之間相位的偏移，其造成較低的功率因數。較低的功率因數造成供電設施的低效率功率傳輸和更高的負載或電流需求。供電設施更適宜工作在功率因數最接近I的產品，這樣它們限制最小功率因數的產品而提倡具有最大功率因數的產品。提高功率因數的唯一方法是實施控制方法以將輸入電壓和電流波形的時間(或相位)中的差別至最小。
[0003]電源轉換器電路能夠被實施以提供功率和驅動設備。電源轉換器具有用于線電壓等的輸入端和連接到所驅動的設備的輸出端。電源轉換器還具有參考電壓輸入端，其中參考電壓由輸入和/或輸出電壓或電流驅動。參考電壓為電流和電壓的同相提供參考，從而增加功率因數。如果輸入電壓波動，參考電壓也將波動，這會降低功率因數并使得電源轉換器的輸出功率波動。
【發明內容】
[0004]本文公開了產生用于電源轉換器控制裝置的參考電壓的電路和方法。電源轉換器控制裝置在輸出端上提供信號以對齊電源線上的電壓和電流，從而使它們同相。電路的一種實施例包括電壓檢測器，其檢測電源線路上的電壓。信號發生器產生與電源線上的電壓同相的波形，其中該波形獨立于電源線上的電壓而生成。信號發生器的輸出是參考電壓。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0005]圖1是向多個發光二極管供電的電源轉換器的方框圖。
[0006]圖2是顯示圖1的整流后的輸入電壓和圖1的電源轉換器生成的三角波的圖形。
[0007]圖3是圖1的電源轉換器控制裝置的實施例的方框圖。
[0008]圖4是圖1的參考信號發生器的實施例的方框圖。
[0009]圖5是描述操作圖1的電源轉換器的方法的一個實施例的流程圖。
[0010]圖6是描述操作圖1的電源轉換器的方法的另一個實施例的流程圖。
[0011]圖7是圖1的參考信號發生器的另一個實施例的方框圖。
【具體實施方式】
[0012]本文描述用于修正功率因數的功率因數修正電路和方法。通過將電路的電壓或電流維持在同相來實現功率因數的修正。在此處描述的實例中，功率因數修正在電源轉換器中執行，其中電源轉換器接收AC線電流并驅動多個發光二極管(LED)。圖1示出了電源轉換器100的一個實例的方框圖。電源轉換器100具有連接至或可連接至線電壓104的輸入端102。電源轉換器100具有的輸出端106驅動一個LED或多個LED 108。線電壓104是AC電壓，如120伏特或240伏特，60Hz或50Hz的電壓，通常被稱為AC線電壓。LED 108可以是常用類型的LED燈泡。注意電源轉換器100可用于驅動或為除LED之外的設備供電。
[0013]電源轉換器100的其中一個目的是同步輸出端106的電流和輸入端102的電壓。輸出電流和輸入電壓的相位越接近同步，功率因數越大。在電源轉換器100中提供功率因數修正以同步輸出電流和輸入電壓從而使它們基本或大致同相。如果輸出電流和輸入電壓不同相，功率將不會以維持較高功率因數的方式傳輸給設備。
[0014]已經簡單地描述了電源轉換器100以及目的，電源轉換器100內的元件將在此詳細描述。輸入端102被連接至整流器110，其可以是全波整流器。整流器110具有輸出端112，其中電流傳感器113測量或感測來自整流器110的電流輸出。電流傳感器113在被稱為電源線115的線路上。電流傳感器113可以具有非常低的電阻以便不加載到整流110的輸出端112上。電流傳感器113具有的輸出端通過線路117連接至電源轉換器控制裝置116的輸入端114。整流器110的輸出端112通過電流傳感器113也被連接至參考信號發生器112的輸入端和驅動器122。電源轉換器控制裝置116具有的參考輸入端126被連接至參考信號發生器124的輸出端128。參考信號發生器120的輸出端128上的電壓被稱為參考電壓。
[0015]電源轉換器控制裝置116具有的輸出130被連接至FET驅動器134的輸入端132。FET驅動器134的輸出端被連接至FET Q1，其可以連接至或可以是驅動器122的部分。驅動器122的輸出端是電源轉換器100的輸出端106。所顯示的驅動器122是降壓升壓驅動器，然而，其他類型的驅動器如降壓驅動器或升壓驅動器也可以使用。
[0016]圖1的整流器110是全波整流器。圖2顯示了整流器110的輸出端上的電壓140的實例。由于整流，整流后的電壓140的頻率是線電壓104的頻率的兩倍。此處所描述的整流器110不具有任何電抗組件或無功組件，因此電壓140與線電壓104同相。電源線115上輸出的電壓140到達參考信號發生器120、驅動器122和LED 108。
[0017]圖3顯示了電源轉換器控制裝置116更詳細的方框圖。電源轉換器控制裝置116可以是本領域公知的傳統電源轉換器控制器。電源轉換器控制裝置116已經被簡化而且可以包括沒在圖3中顯示或本文中描述的其他反饋回路。電源轉換器控制裝置116具有來自電流傳感器113的輸入端114。所顯示的電流傳感器113為低阻值的電阻器。因此輸入端114接收的電壓與電源線115上來自整流器110的電流成正比。
[0018]電源轉換器控制裝置116的輸入端126被連接至參考信號發生器120的輸出端128。在傳統的功率因數修正電路中，在與輸入端126相似的輸入端上提供的參考電壓被連接到LED 108的電壓或電源轉換器控制裝置的其他輸出端。如下文更詳細的描述，LED 108兩端的電壓是恒定的，因為它是LED 108的組合的正向電壓。提供給此處所述電源轉換器100中的輸入端126的參考電壓是三角波，其與線電壓104同相，但獨立于線電壓140而產生。
[0019]電源轉換器控制裝置116具有測量輸入端114上的電流的電流測量電路154。更具體地，電流測量電路通過使用放大器測量輸入端114上的電壓。電流測量電路154生成的電壓和來自輸入端126的參考電壓由乘法器156組合。生成的信號由補償器159補償并被用于驅動脈沖寬度調制器159。脈沖寬度調制器159的輸出端是電源轉換器控制裝置116的輸出端且被連接至FET驅動器134。
[0020]再次參考圖1，參考信號發生器120為電源轉換器控制裝置116的輸入端126提供參考電壓。與傳統的參考電壓不同，參考信號發生器120使用與整流后的電壓140同相的三角波驅動電源轉換器控制裝置116。參考信號發生器120的一個實施例的方框圖如圖4所示。輸入端118連接至電壓檢測器160。電壓檢測器160可以檢測預定電壓何時出現在輸入端118或者其可測量輸入端118上的電壓。電壓檢測器160的輸出端通過線路163被連接至計數器162。電壓檢測器160通過線路163將信號傳輸給計數器162以使計數器162考試計數，其具體細節將在下文描述。
[0021]時鐘164具有的輸出端通過線路166連接至計數器162。計數器162根據來自時鐘164的時鐘信號輸出而計數而且可以遞增和遞減地計數，其具體細節如下文所述。計數器162通過線路170將數如二進制數輸出給數模轉換器(DAC) 168。DAC 168將計數器162輸出的數轉換為模擬信號。如本領域公知的那樣，DAC 168還可以平滑或濾波該模擬信號。
[0022]已經描述了參考信號發生器120的組件，其操作將在下文描述。參考信號發生器120產生并在輸出端128上輸出圖2所示的三角波172。三角波172被用作電壓轉換器116的輸入端126上的參考電壓。如圖2所示，三角波172與電壓140同相。三角波的使用顯著地增大了驅動LED 108的線電壓104和電流的功率因數。更具體地，三角波172為電源轉換器控制裝置116提供電流參考，其總是與線電壓104同相。此外，相對于正弦波，三角波被非常有效地生成而且顯著地跟隨整流后的電壓40。注意除三角波之外其他波形也可以用作參考電壓。例如，可以使用正弦波或不同的斜坡波形。然而，與其他波如方波相比，三角波具有較少的諧波，因此三角波172的使用將電源轉換器100的總諧波失真控制得非常小。此外，低的諧波失真有利于保持高的功率因數。三角波172的使用可以得到約0.99的功率因數。
[0023]圖2中的電壓140在輸入端118被輸入到參考信號發生器120。在本實施例中，電壓檢測器160分析電壓140。當電壓140在預定值時，電壓檢測器160在線路163上生成一個信號。在最簡單的實施例中，當電壓140處于其最低值時，電壓檢測器160在線路163上輸出一個電壓，其中該最低值為電壓140在周期之間。該值在圖2上顯示為低電壓174。例如，當電壓140在周期之間的轉換點時，其位于低電壓174，該低電壓174可以是零伏特，除非有DC偏置施加到電壓140上。當電壓檢測器160檢測到低電壓174時，將會通過線路163輸出復位信號給計數器162。電壓檢測器160還可以輸出使能計數器162進行計數的電壓。
[0024]當計數器162在線路163上接收到該信號時，其根據在線路166上接收到來自時鐘164的時鐘脈沖開始計數。時鐘164被設置為針對電壓140的每個周期輸出預定數量的脈沖。例如，時鐘164可以被設置以針對電壓140的每個周期輸出256個脈沖。對于60Hz的線電壓104，電壓140具有120Hz的頻率，其周期約為8.3ms。因此，時鐘頻率約為30.7kHz。
[0025]為了生成三角波172，計數器162開始在電壓140的第一半周期期間遞增地計數。在上述實施例中，計數器162遞增地計數首先的128個脈沖。然后計數器162遞減地計數后來的128個脈沖。計數器162產生的數通過線路170被傳輸給DAC 168。當電壓140達到周期之間的低電壓174時，電壓檢測器160將信號如復位信號傳輸給計數器，其將計數器設置為零或其他對應于周期之間的低電壓174的預定數。當電壓140達到低電壓140時，如果電壓140沒有波動，計數器162產生的數將是起始數。然而，如果電壓140波動，復位計數器162使得三角波172的另一個周期與電壓140同相。
[0026]DAC 168將計數器162產生的數轉換為模擬信號。如上所述，電壓140的半周期的數遞增而另一半周期的數遞減。因此，該模擬信號是圖2中的三角波172。注意DAC 168可以將該模擬信號濾波以使其平滑，從而消除數模轉換的影響。如上所述，計數器162和DAC168的組合產生了三角波172，其組合有時候被統稱為信號發生器。
[0027]因為三角波172在電壓140的低電壓174點開始，三角波172與電壓140同相。如上所述，整流器110呈現為線電壓104的電阻性負載。因此，電壓140與線電壓102同相，這意味著三角波172與線電壓104同相。三角波172獨立于電壓140而產生，意味著電壓140僅用作三角波172的起始參考，而且電壓140的幅度或波動不會影響三角波172。由于三角波172獨立于電壓140而產生，除了低電壓174作為參考之外，三角波172始終與電壓140同相。因此三角波172時鐘與線電壓104同相，因為整流器110不會影響電流和電壓之間的相位角。
[0028]再次參考圖1，電源轉換器控制裝置116將脈沖寬度調制信號輸出給FET驅動器134。FET驅動器134可以是本領域中用于驅動FET的眾所周知的驅動器。FET驅動器134使用基于電流傳感器113測量的電流和參考電壓之間的差的信號驅動FET Q1，從而使電源線115上的電壓和電流同相。FET Ql驅動驅動器122，驅動器122驅動LED 108。LED 108兩端的電壓基本上是恒定的，因為它是LED的正向壓降。因此，僅是提供給LED 108的電流能波動。注意驅動LED 108的電流由電流傳感器113測量并被維持與線電壓104同相，如上所述。因此，功率因數基本上接近I。在許多情況下，實現了 0.992的功率因數。除了高功率因素之外，三角波172不會波動且具有較少的諧波，引擎總諧波失真非常低。在很多情況下，測量得到總諧波失真低至11.89%。
[0029]參考圖5的流程圖描述上述電源轉換器100的操作。在步驟252中，與整流后的電壓104同相的三角波172被產生。電源轉換器100通過監測整流后的電壓104和使用作為產生三角波172的計數器162和DAC 168的信號發生器產生三角波172。在步驟254，三角波172被用作電源轉換器控制裝置116的參考電壓。DAC 168的輸出是被輸出至電源轉換器控制裝置116的參考輸入端126的參考電壓。
[0030]描述驅動LED 108的方法的流程圖的更多細節如圖6所示。該方法自步驟262中描述的整流線電壓104開始。該整流是全波整流以生成圖2的電壓104。在步驟264，電壓140被監測，這可以通過參考信號發生器120內的電壓檢測器160來執行。檢測器160可以檢測電壓140什么時候達到具體的電壓電平。在本文所述的實施例中，檢測結果發生在電壓140達到低電壓174時。然而，檢測結果還可以出現在電壓140的峰值。盡管可以使用其他電壓電平，但是較困難，因為這些電平每個周期出現兩次。
[0031]決策框266確定檢測的電壓是否達到預定值。在上述實施例中，預定值是零伏特的低電壓174。然而，檢測的電壓可以是任意預定值。如果沒有檢測到預定值，過程返回到264，繼續檢測整流后的線電壓。[0032]如果檢測到預定值，過程進行到步驟268，在這里計數器在電壓140的第一半個周期期間遞增地計數。該計數獨立于線電壓104而執行。因此，線電壓104的波動不會影響計數器162產生的數值。在步驟270中，在電壓140的第二半周期期間計數遞減地計數。同樣地，該計數獨立于線電壓104而執行，因此線電壓104的波動不會影響計數器162產生的數。
[0033]在步驟272，DAC 168將計數器162產生的數轉換為模擬信號，該模擬信號就是三角波172。即使電壓140不對稱或者波動，因為在電壓140的第一半個周期期間遞增計數，而在電壓140的第二半個周期遞減地計數，因此三角波172是對稱的。在步驟274，三角波172被用作電源轉換器控制裝置116的參考電壓。因為三角波174獨立于線電壓104，但是和線電壓104同相，因此電源轉換器100的功率因數被維持為與將以線電壓104為基礎的正弦波用作參考電壓的常規功率因數修正電路類似的功率因數，但是與傳統功率因數修正電路相比，其實施的方式不受線路干擾的影響而且降低了電路設計的復雜性。
[0034]已經描述了用于生成參考電壓的電源轉換器100和方法的若干實施例，現在描述電源轉換器100和方法的其他實施例。
[0035]在某些實施例中，線電壓102的頻率會波動或者電源轉換器100可用于具有不同線電壓頻率的區域。例如，常規線電壓頻率為50Hz和60Hz，但是會波動。電源轉換器100可以測量修正后的電壓140的周期以確定遞增計數和遞減計數所需的時間量。在一個實施例中，測量低電壓174之間的時間。然后這個時間除于時鐘脈沖的周期，從而計算電壓140的一個周期期間產生的脈沖數目。該數的一般被用于遞增計數，另一半用作遞減計數。
[0036]電源轉換器100已經被描述為使用數字計數器162和DAC 168產生三角波172。其他生成三角波的公知方法可用于替代計數器162和DAC 168。例如，可以使用產生三角波的正弦波發生器。用于產生三角波172的替代電路可以連接至電壓檢測器160以將電壓140的相位鎖定在三角波172的相位。在某些實施例中，可以使用獨立于線電壓102但是與線電壓102同相的正弦波或整流后的正弦波。然而，正弦波產生的成本比三角波產生的成本聞。
[0037]另一個參考信號發生器120的實施例在圖7中以方框圖的形式顯示為參考信號發生器300。參考信號發生器300以參考信號發生器120類似的方式將參考電壓提供給電源轉換器控制裝置116的輸入端，但是其使用稍微不同的電路和方法。參考信號發生器300具有的輸入端連接至電壓檢測器304。電壓檢測器304與電壓檢測器160基本上相同的方式工作。電壓檢測器304的輸出端通過線路308連接至時鐘306。電壓檢測器304通過線路308將信號傳輸給時鐘306。
[0038]時鐘306具有的輸出端通過線路312連接至計數器310。計數器310基于時鐘306輸出的時鐘信號，以與時鐘162相同的方式計數。復位線311從電壓檢測器304連接至計數器310，其中復位線311將計數器310復位到預定數，如零。計數器310通過線路316將數如二進制數輸出給數模轉換器(DAC)314。與DAC 168將數轉換為模擬信號相同的方式，DAC 314將計數器310輸出的數轉換為模擬信號，還可以將該模擬信號平滑或濾波。模擬信號輸出在線路318上，其是電源轉換器控制裝置116的參考電壓。
[0039]已經描述了參考信號發生器300的組件，現在描述其操作方式。參考信號發生器300產生的三角波，圖4，被輸出在輸出端318。圖2的電壓140在輸入端302被輸入參考信號發生器300。在本實施例中，電壓檢測器304分析電壓140。當電壓140在預定值時，電壓檢測器304在線路308上產生信號。例如，當電壓140在周期間的轉換點時，在低電壓174時，此時是零伏特，除非有DC偏置施加到電壓140上。當電壓檢測器304檢測到低電壓174時，其還會在線路311上輸出復位信號至計數器310。
[0040]線路308上的信號使得時鐘306產生在線路312上輸出的時鐘脈沖。時鐘306被設置以針對電壓140的每個周期輸出預定數量的脈沖，與時鐘164—樣。當計數器310接收時鐘信號時，其開始與計數器164類似的方式計數。當復位信號被發送到線路311上時，時鐘310復位。復位信號可以對應于低電壓電平174的檢測。與DAC 168將數轉換為模擬信號的方式相同，DAC 314將計數器310產生的數轉換為模擬信號。DAC 314的輸出是輸入到電源轉換器控制裝置116的參考電壓。
[0041]盡管本文詳細描述了本發明的示例性和當前優選的實施例，但是應理解本發明的概念可以另外不同地實施和應用，并且除了現有技術，所附權利要求旨在包括這些變化，。
【權利要求】
1.一種用于產生電源轉換器控制裝置的參考電壓的電路，所述電源轉換器控制裝置同步電源線上的電壓和電流的相位，所述電源轉換控制裝置具有參考電壓的輸入端和輸出端，所述電路包括: 電壓檢測器，其檢測所述電源線上的所述電壓；和 信號發生器，其產生與所述電源線上的所述電壓同相的波形，所述波形獨立于所述電源線上的所述電壓的幅值而產生； 其中所述信號發生器的所述輸出是所述參考電壓。
2.根據權利要求1所述的電路，其中所述電源線上的電壓是整流后的正弦波，并且其中所述電壓檢測器檢測所述整流后的正弦波的周期之間的低電壓。
3.根據權利要求2所述的電路，其中，當所述電壓檢測器檢測到所述整流后的正弦波的周期之間的所述低電壓時，所述信號發生器開始產生所述波形。
4.根據權利要求1所述的電路，其中所述電源線上的所述電壓是整流后的正弦波；其中所述電壓檢測器檢測所述整流后的正弦波的周期間的低電壓；并且，其中當所述電壓檢測器檢測到周期之間的所述低電壓時，所述信號發生器開始產生三角波。
5.根據權利要求1所述的電路，其中所述信號發生器包括: 計數器，當所述電壓檢測器檢測到預定電壓時，所述計數器產生數；和 數模轉換器，其將所述計數器生成的所述數轉換為模擬信號，所述模擬信號是所述參考電壓。
6.根據權利要求5所述的電路，其中所述計數器在所述電源線上的所述電壓的第一半個周期期間遞增地計數，并且在所述電源線上的所述電壓的第二半個周期期間遞減地計數。
7.根據權利要求1所述的電路，其中: 所述電源線上的所述電壓是整流后的正弦波； 所述電壓檢測器檢測所述整流后的正弦波的周期之間的所述低電壓；并且所述信號發生器包括: 計數器，在所述電壓檢測器檢測到所述低電壓之時，所述計數器開始計數，所述計數器在所述電源線上的所述電壓的周期的第一半周期期間遞增地計數，并且在所述周期的第二半周期期間遞減地計數，所述計數器產生數；和 數模轉換器，其將所述計數器產生的所述數轉換為模擬信號，所述模擬信號是三角波。
8.一種給電源轉換器控制裝置提供參考電壓的方法，所述電源轉換控制裝置在輸出端提供用于同步電源線上的電壓和電流的信號以使所述電壓和電流同相，所述方法包括: 監測所述電源線上的所述電壓以檢測預定電壓； 一檢測到所述預定電壓就產生所述參考電壓，所述參考電壓與所述電源線上的所述電壓同相，并且所述參考電壓獨立于所述電源線上的所述電壓而產生。
9.根據權利要求8所述的方法，其中所述電源線上的所述電壓是整流后的正弦波，并且其中所述預定電壓是所述整流后的正弦波的周期間的低電壓。
10.根據權利要求8所述的方法，其中所述產生包括產生三角波。
11.根據權利要求10所述的方法，其中所述三角波具有低電壓點，所述低電壓點與所述預定電壓在相同時間出現。
12.根據權利要求8所述的方法，其中所述產生包括: 在檢測到所述預定電壓之時開始計數器； 在所述電源線上的所述電壓的周期的第一半周期期間遞增地計數； 在所述電源線上的所述電壓的所述周期的第二半周期期間遞減地計數；以及 將所述計數器產生的數轉換為模擬信號。
13.根據權利要求12所述的方法，進一步包括平滑所述模擬信號。
14.根據權利要求12所述的方法，進一步包括測量所述電源線上的所述電壓的周期的所述期間。
15.一種驅動發光二極管，即LED的電路，所述電路包括: 輸入端，其中，輸入電壓在所述輸入端上是可接收的； 電源轉換器控制裝置，其連接至所述輸入端，其中所述電源轉換器將所述輸入電壓與到所述LED的輸出電流同步，所述電源轉換器具有參考電壓輸入端；和 參考信號發生器，其用于生成所述參考電壓，所述參考電壓被連接至所述電源轉換器控制裝置的所述參考電壓輸入端； 其中所述參考信號發生器產生的所述參考電壓基本上與所述輸入電壓同相。
16.根據權利要求15所述的電路，其中所述參考電壓大致上是三角形的。
17.根據權利要求15所述的電路，其中所述參考信號發生器包括監測所述輸入電壓的電壓檢測器，并且其中所述參考信號發生器基于監測的輸入電壓產生所述參考電壓。
18.根據權利要求15所述的電路，進一步包括連接在所述LED和所述電源轉換器控制裝置之間的驅動器，所述驅動器產生驅動所述LED的電流。
19.根據權利要求1所述的電路，進一步包括整流器，其中所述整流器的輸入是正弦電壓，并且所述整流器的輸出是所述輸入電壓。
20.根據權利要求15所述的電路，其中所述參考信號發生器包括: 計數器，在所述輸入電壓的第一半個周期期間遞增地計數，并且在所述輸入電壓的第二半個周期期間遞減地計數；和 數模轉換器，其連接至所述計數器的輸出端，所述數模轉換器的輸出是所述參考電壓。
【文檔編號】H05B37/02GK103840653SQ201310617747
【公開日】2014年6月4日 申請日期:2013年11月27日 優先權日:2012年11月27日
【發明者】T·R·蘇利文, I·科恩 申請人:德克薩斯儀器股份有限公司