生成电源转换器的参考电压的电路和方法
【专利摘要】本文公开了用于产生电源转换器控制装置（116）的参考电压的电路和方法。电源转换器控制装置（116）在输出端（130）上提供用于对齐电源线（115）上的电压和电流的信号以使它们同相。电路的一个实施例包括电压检测器（160），其检测电源线（115）上的电压。信号发生器（162，168）产生与电源线（115）上的电压同相的波形，该波形独立于电源线（115）上的电压而生成。信号发生器（162，168）的输出是参考电压。
【专利说明】生成电源转换器的参考电压的电路和方法
【背景技术】
[0001]当给设备供电时，理想状态是将最大功率传输给设备。传输的功率的有效性被称为功率因数，理想状态下它具有的值为I。当使用AC电源时，当电压和电流同相时，传输的是最大功率。在一个纯电阻AC电路中，电压和电流同相(有时称为一致)，其中它们在每个周期的同一时刻改变极性。因此，在纯电阻AC电路中，进入设备的所有功率被消耗而且功率因数为I或接近I。
[0002]但电抗性负载如电容器或电感器出现在设备中时，存储在负载中的能量造成电流和电压波形的时间差。在AC电压的每个周期期间，除负载消耗的能量之外，额外的能源被暂时以电场或磁场形式存储在负载中，一段时间之后又返回到电网中。这使得提供给设备的输入电流和电压之间相位的偏移，其造成较低的功率因数。较低的功率因数造成供电设施的低效率功率传输和更高的负载或电流需求。供电设施更适宜工作在功率因数最接近I的产品，这样它们限制最小功率因数的产品而提倡具有最大功率因数的产品。提高功率因数的唯一方法是实施控制方法以将输入电压和电流波形的时间(或相位)中的差别至最小。
[0003]电源转换器电路能够被实施以提供功率和驱动设备。电源转换器具有用于线电压等的输入端和连接到所驱动的设备的输出端。电源转换器还具有参考电压输入端，其中参考电压由输入和/或输出电压或电流驱动。参考电压为电流和电压的同相提供参考，从而增加功率因数。如果输入电压波动，参考电压也将波动，这会降低功率因数并使得电源转换器的输出功率波动。
【发明内容】
[0004]本文公开了产生用于电源转换器控制装置的参考电压的电路和方法。电源转换器控制装置在输出端上提供信号以对齐电源线上的电压和电流，从而使它们同相。电路的一种实施例包括电压检测器，其检测电源线路上的电压。信号发生器产生与电源线上的电压同相的波形，其中该波形独立于电源线上的电压而生成。信号发生器的输出是参考电压。
【专利附图】
【附图说明】
[0005]图1是向多个发光二极管供电的电源转换器的方框图。
[0006]图2是显示图1的整流后的输入电压和图1的电源转换器生成的三角波的图形。
[0007]图3是图1的电源转换器控制装置的实施例的方框图。
[0008]图4是图1的参考信号发生器的实施例的方框图。
[0009]图5是描述操作图1的电源转换器的方法的一个实施例的流程图。
[0010]图6是描述操作图1的电源转换器的方法的另一个实施例的流程图。
[0011]图7是图1的参考信号发生器的另一个实施例的方框图。
【具体实施方式】
[0012]本文描述用于修正功率因数的功率因数修正电路和方法。通过将电路的电压或电流维持在同相来实现功率因数的修正。在此处描述的实例中，功率因数修正在电源转换器中执行，其中电源转换器接收AC线电流并驱动多个发光二极管(LED)。图1示出了电源转换器100的一个实例的方框图。电源转换器100具有连接至或可连接至线电压104的输入端102。电源转换器100具有的输出端106驱动一个LED或多个LED 108。线电压104是AC电压，如120伏特或240伏特，60Hz或50Hz的电压，通常被称为AC线电压。LED 108可以是常用类型的LED灯泡。注意电源转换器100可用于驱动或为除LED之外的设备供电。
[0013]电源转换器100的其中一个目的是同步输出端106的电流和输入端102的电压。输出电流和输入电压的相位越接近同步，功率因数越大。在电源转换器100中提供功率因数修正以同步输出电流和输入电压从而使它们基本或大致同相。如果输出电流和输入电压不同相，功率将不会以维持较高功率因数的方式传输给设备。
[0014]已经简单地描述了电源转换器100以及目的，电源转换器100内的元件将在此详细描述。输入端102被连接至整流器110，其可以是全波整流器。整流器110具有输出端112，其中电流传感器113测量或感测来自整流器110的电流输出。电流传感器113在被称为电源线115的线路上。电流传感器113可以具有非常低的电阻以便不加载到整流110的输出端112上。电流传感器113具有的输出端通过线路117连接至电源转换器控制装置116的输入端114。整流器110的输出端112通过电流传感器113也被连接至参考信号发生器112的输入端和驱动器122。电源转换器控制装置116具有的参考输入端126被连接至参考信号发生器124的输出端128。参考信号发生器120的输出端128上的电压被称为参考电压。
[0015]电源转换器控制装置116具有的输出130被连接至FET驱动器134的输入端132。FET驱动器134的输出端被连接至FET Q1，其可以连接至或可以是驱动器122的部分。驱动器122的输出端是电源转换器100的输出端106。所显示的驱动器122是降压升压驱动器，然而，其他类型的驱动器如降压驱动器或升压驱动器也可以使用。
[0016]图1的整流器110是全波整流器。图2显示了整流器110的输出端上的电压140的实例。由于整流，整流后的电压140的频率是线电压104的频率的两倍。此处所描述的整流器110不具有任何电抗组件或无功组件，因此电压140与线电压104同相。电源线115上输出的电压140到达参考信号发生器120、驱动器122和LED 108。
[0017]图3显示了电源转换器控制装置116更详细的方框图。电源转换器控制装置116可以是本领域公知的传统电源转换器控制器。电源转换器控制装置116已经被简化而且可以包括没在图3中显示或本文中描述的其他反馈回路。电源转换器控制装置116具有来自电流传感器113的输入端114。所显示的电流传感器113为低阻值的电阻器。因此输入端114接收的电压与电源线115上来自整流器110的电流成正比。
[0018]电源转换器控制装置116的输入端126被连接至参考信号发生器120的输出端128。在传统的功率因数修正电路中，在与输入端126相似的输入端上提供的参考电压被连接到LED 108的电压或电源转换器控制装置的其他输出端。如下文更详细的描述，LED 108两端的电压是恒定的，因为它是LED 108的组合的正向电压。提供给此处所述电源转换器100中的输入端126的参考电压是三角波，其与线电压104同相，但独立于线电压140而产生。
[0019]电源转换器控制装置116具有测量输入端114上的电流的电流测量电路154。更具体地，电流测量电路通过使用放大器测量输入端114上的电压。电流测量电路154生成的电压和来自输入端126的参考电压由乘法器156组合。生成的信号由补偿器159补偿并被用于驱动脉冲宽度调制器159。脉冲宽度调制器159的输出端是电源转换器控制装置116的输出端且被连接至FET驱动器134。
[0020]再次参考图1，参考信号发生器120为电源转换器控制装置116的输入端126提供参考电压。与传统的参考电压不同，参考信号发生器120使用与整流后的电压140同相的三角波驱动电源转换器控制装置116。参考信号发生器120的一个实施例的方框图如图4所示。输入端118连接至电压检测器160。电压检测器160可以检测预定电压何时出现在输入端118或者其可测量输入端118上的电压。电压检测器160的输出端通过线路163被连接至计数器162。电压检测器160通过线路163将信号传输给计数器162以使计数器162考试计数，其具体细节将在下文描述。
[0021]时钟164具有的输出端通过线路166连接至计数器162。计数器162根据来自时钟164的时钟信号输出而计数而且可以递增和递减地计数，其具体细节如下文所述。计数器162通过线路170将数如二进制数输出给数模转换器(DAC) 168。DAC 168将计数器162输出的数转换为模拟信号。如本领域公知的那样，DAC 168还可以平滑或滤波该模拟信号。
[0022]已经描述了参考信号发生器120的组件，其操作将在下文描述。参考信号发生器120产生并在输出端128上输出图2所示的三角波172。三角波172被用作电压转换器116的输入端126上的参考电压。如图2所示，三角波172与电压140同相。三角波的使用显著地增大了驱动LED 108的线电压104和电流的功率因数。更具体地，三角波172为电源转换器控制装置116提供电流参考，其总是与线电压104同相。此外，相对于正弦波，三角波被非常有效地生成而且显著地跟随整流后的电压40。注意除三角波之外其他波形也可以用作参考电压。例如，可以使用正弦波或不同的斜坡波形。然而，与其他波如方波相比，三角波具有较少的谐波，因此三角波172的使用将电源转换器100的总谐波失真控制得非常小。此外，低的谐波失真有利于保持高的功率因数。三角波172的使用可以得到约0.99的功率因数。
[0023]图2中的电压140在输入端118被输入到参考信号发生器120。在本实施例中，电压检测器160分析电压140。当电压140在预定值时，电压检测器160在线路163上生成一个信号。在最简单的实施例中，当电压140处于其最低值时，电压检测器160在线路163上输出一个电压，其中该最低值为电压140在周期之间。该值在图2上显示为低电压174。例如，当电压140在周期之间的转换点时，其位于低电压174，该低电压174可以是零伏特，除非有DC偏置施加到电压140上。当电压检测器160检测到低电压174时，将会通过线路163输出复位信号给计数器162。电压检测器160还可以输出使能计数器162进行计数的电压。
[0024]当计数器162在线路163上接收到该信号时，其根据在线路166上接收到来自时钟164的时钟脉冲开始计数。时钟164被设置为针对电压140的每个周期输出预定数量的脉冲。例如，时钟164可以被设置以针对电压140的每个周期输出256个脉冲。对于60Hz的线电压104，电压140具有120Hz的频率，其周期约为8.3ms。因此，时钟频率约为30.7kHz。
[0025]为了生成三角波172，计数器162开始在电压140的第一半周期期间递增地计数。在上述实施例中，计数器162递增地计数首先的128个脉冲。然后计数器162递减地计数后来的128个脉冲。计数器162产生的数通过线路170被传输给DAC 168。当电压140达到周期之间的低电压174时，电压检测器160将信号如复位信号传输给计数器，其将计数器设置为零或其他对应于周期之间的低电压174的预定数。当电压140达到低电压140时，如果电压140没有波动，计数器162产生的数将是起始数。然而，如果电压140波动，复位计数器162使得三角波172的另一个周期与电压140同相。
[0026]DAC 168将计数器162产生的数转换为模拟信号。如上所述，电压140的半周期的数递增而另一半周期的数递减。因此，该模拟信号是图2中的三角波172。注意DAC 168可以将该模拟信号滤波以使其平滑，从而消除数模转换的影响。如上所述，计数器162和DAC168的组合产生了三角波172，其组合有时候被统称为信号发生器。
[0027]因为三角波172在电压140的低电压174点开始，三角波172与电压140同相。如上所述，整流器110呈现为线电压104的电阻性负载。因此，电压140与线电压102同相，这意味着三角波172与线电压104同相。三角波172独立于电压140而产生，意味着电压140仅用作三角波172的起始参考，而且电压140的幅度或波动不会影响三角波172。由于三角波172独立于电压140而产生，除了低电压174作为参考之外，三角波172始终与电压140同相。因此三角波172时钟与线电压104同相，因为整流器110不会影响电流和电压之间的相位角。
[0028]再次参考图1，电源转换器控制装置116将脉冲宽度调制信号输出给FET驱动器134。FET驱动器134可以是本领域中用于驱动FET的众所周知的驱动器。FET驱动器134使用基于电流传感器113测量的电流和参考电压之间的差的信号驱动FET Q1，从而使电源线115上的电压和电流同相。FET Ql驱动驱动器122，驱动器122驱动LED 108。LED 108两端的电压基本上是恒定的，因为它是LED的正向压降。因此，仅是提供给LED 108的电流能波动。注意驱动LED 108的电流由电流传感器113测量并被维持与线电压104同相，如上所述。因此，功率因数基本上接近I。在许多情况下，实现了 0.992的功率因数。除了高功率因素之外，三角波172不会波动且具有较少的谐波，引擎总谐波失真非常低。在很多情况下，测量得到总谐波失真低至11.89%。
[0029]参考图5的流程图描述上述电源转换器100的操作。在步骤252中，与整流后的电压104同相的三角波172被产生。电源转换器100通过监测整流后的电压104和使用作为产生三角波172的计数器162和DAC 168的信号发生器产生三角波172。在步骤254，三角波172被用作电源转换器控制装置116的参考电压。DAC 168的输出是被输出至电源转换器控制装置116的参考输入端126的参考电压。
[0030]描述驱动LED 108的方法的流程图的更多细节如图6所示。该方法自步骤262中描述的整流线电压104开始。该整流是全波整流以生成图2的电压104。在步骤264，电压140被监测，这可以通过参考信号发生器120内的电压检测器160来执行。检测器160可以检测电压140什么时候达到具体的电压电平。在本文所述的实施例中，检测结果发生在电压140达到低电压174时。然而，检测结果还可以出现在电压140的峰值。尽管可以使用其他电压电平，但是较困难，因为这些电平每个周期出现两次。
[0031]决策框266确定检测的电压是否达到预定值。在上述实施例中，预定值是零伏特的低电压174。然而，检测的电压可以是任意预定值。如果没有检测到预定值，过程返回到264，继续检测整流后的线电压。[0032]如果检测到预定值，过程进行到步骤268，在这里计数器在电压140的第一半个周期期间递增地计数。该计数独立于线电压104而执行。因此，线电压104的波动不会影响计数器162产生的数值。在步骤270中，在电压140的第二半周期期间计数递减地计数。同样地，该计数独立于线电压104而执行，因此线电压104的波动不会影响计数器162产生的数。
[0033]在步骤272，DAC 168将计数器162产生的数转换为模拟信号，该模拟信号就是三角波172。即使电压140不对称或者波动，因为在电压140的第一半个周期期间递增计数，而在电压140的第二半个周期递减地计数，因此三角波172是对称的。在步骤274，三角波172被用作电源转换器控制装置116的参考电压。因为三角波174独立于线电压104，但是和线电压104同相，因此电源转换器100的功率因数被维持为与将以线电压104为基础的正弦波用作参考电压的常规功率因数修正电路类似的功率因数，但是与传统功率因数修正电路相比，其实施的方式不受线路干扰的影响而且降低了电路设计的复杂性。
[0034]已经描述了用于生成参考电压的电源转换器100和方法的若干实施例，现在描述电源转换器100和方法的其他实施例。
[0035]在某些实施例中，线电压102的频率会波动或者电源转换器100可用于具有不同线电压频率的区域。例如，常规线电压频率为50Hz和60Hz，但是会波动。电源转换器100可以测量修正后的电压140的周期以确定递增计数和递减计数所需的时间量。在一个实施例中，测量低电压174之间的时间。然后这个时间除于时钟脉冲的周期，从而计算电压140的一个周期期间产生的脉冲数目。该数的一般被用于递增计数，另一半用作递减计数。
[0036]电源转换器100已经被描述为使用数字计数器162和DAC 168产生三角波172。其他生成三角波的公知方法可用于替代计数器162和DAC 168。例如，可以使用产生三角波的正弦波发生器。用于产生三角波172的替代电路可以连接至电压检测器160以将电压140的相位锁定在三角波172的相位。在某些实施例中，可以使用独立于线电压102但是与线电压102同相的正弦波或整流后的正弦波。然而，正弦波产生的成本比三角波产生的成本闻。
[0037]另一个参考信号发生器120的实施例在图7中以方框图的形式显示为参考信号发生器300。参考信号发生器300以参考信号发生器120类似的方式将参考电压提供给电源转换器控制装置116的输入端，但是其使用稍微不同的电路和方法。参考信号发生器300具有的输入端连接至电压检测器304。电压检测器304与电压检测器160基本上相同的方式工作。电压检测器304的输出端通过线路308连接至时钟306。电压检测器304通过线路308将信号传输给时钟306。
[0038]时钟306具有的输出端通过线路312连接至计数器310。计数器310基于时钟306输出的时钟信号，以与时钟162相同的方式计数。复位线311从电压检测器304连接至计数器310，其中复位线311将计数器310复位到预定数，如零。计数器310通过线路316将数如二进制数输出给数模转换器(DAC)314。与DAC 168将数转换为模拟信号相同的方式，DAC 314将计数器310输出的数转换为模拟信号，还可以将该模拟信号平滑或滤波。模拟信号输出在线路318上，其是电源转换器控制装置116的参考电压。
[0039]已经描述了参考信号发生器300的组件，现在描述其操作方式。参考信号发生器300产生的三角波，图4，被输出在输出端318。图2的电压140在输入端302被输入参考信号发生器300。在本实施例中，电压检测器304分析电压140。当电压140在预定值时，电压检测器304在线路308上产生信号。例如，当电压140在周期间的转换点时，在低电压174时，此时是零伏特，除非有DC偏置施加到电压140上。当电压检测器304检测到低电压174时，其还会在线路311上输出复位信号至计数器310。
[0040]线路308上的信号使得时钟306产生在线路312上输出的时钟脉冲。时钟306被设置以针对电压140的每个周期输出预定数量的脉冲，与时钟164—样。当计数器310接收时钟信号时，其开始与计数器164类似的方式计数。当复位信号被发送到线路311上时，时钟310复位。复位信号可以对应于低电压电平174的检测。与DAC 168将数转换为模拟信号的方式相同，DAC 314将计数器310产生的数转换为模拟信号。DAC 314的输出是输入到电源转换器控制装置116的参考电压。
[0041]尽管本文详细描述了本发明的示例性和当前优选的实施例，但是应理解本发明的概念可以另外不同地实施和应用，并且除了现有技术，所附权利要求旨在包括这些变化，。
【权利要求】
1.一种用于产生电源转换器控制装置的参考电压的电路，所述电源转换器控制装置同步电源线上的电压和电流的相位，所述电源转换控制装置具有参考电压的输入端和输出端，所述电路包括: 电压检测器，其检测所述电源线上的所述电压；和 信号发生器，其产生与所述电源线上的所述电压同相的波形，所述波形独立于所述电源线上的所述电压的幅值而产生； 其中所述信号发生器的所述输出是所述参考电压。
2.根据权利要求1所述的电路，其中所述电源线上的电压是整流后的正弦波，并且其中所述电压检测器检测所述整流后的正弦波的周期之间的低电压。
3.根据权利要求2所述的电路，其中，当所述电压检测器检测到所述整流后的正弦波的周期之间的所述低电压时，所述信号发生器开始产生所述波形。
4.根据权利要求1所述的电路，其中所述电源线上的所述电压是整流后的正弦波；其中所述电压检测器检测所述整流后的正弦波的周期间的低电压；并且，其中当所述电压检测器检测到周期之间的所述低电压时，所述信号发生器开始产生三角波。
5.根据权利要求1所述的电路，其中所述信号发生器包括: 计数器，当所述电压检测器检测到预定电压时，所述计数器产生数；和 数模转换器，其将所述计数器生成的所述数转换为模拟信号，所述模拟信号是所述参考电压。
6.根据权利要求5所述的电路，其中所述计数器在所述电源线上的所述电压的第一半个周期期间递增地计数，并且在所述电源线上的所述电压的第二半个周期期间递减地计数。
7.根据权利要求1所述的电路，其中: 所述电源线上的所述电压是整流后的正弦波； 所述电压检测器检测所述整流后的正弦波的周期之间的所述低电压；并且所述信号发生器包括: 计数器，在所述电压检测器检测到所述低电压之时，所述计数器开始计数，所述计数器在所述电源线上的所述电压的周期的第一半周期期间递增地计数，并且在所述周期的第二半周期期间递减地计数，所述计数器产生数；和 数模转换器，其将所述计数器产生的所述数转换为模拟信号，所述模拟信号是三角波。
8.一种给电源转换器控制装置提供参考电压的方法，所述电源转换控制装置在输出端提供用于同步电源线上的电压和电流的信号以使所述电压和电流同相，所述方法包括: 监测所述电源线上的所述电压以检测预定电压； 一检测到所述预定电压就产生所述参考电压，所述参考电压与所述电源线上的所述电压同相，并且所述参考电压独立于所述电源线上的所述电压而产生。
9.根据权利要求8所述的方法，其中所述电源线上的所述电压是整流后的正弦波，并且其中所述预定电压是所述整流后的正弦波的周期间的低电压。
10.根据权利要求8所述的方法，其中所述产生包括产生三角波。
11.根据权利要求10所述的方法，其中所述三角波具有低电压点，所述低电压点与所述预定电压在相同时间出现。
12.根据权利要求8所述的方法，其中所述产生包括: 在检测到所述预定电压之时开始计数器； 在所述电源线上的所述电压的周期的第一半周期期间递增地计数； 在所述电源线上的所述电压的所述周期的第二半周期期间递减地计数；以及 将所述计数器产生的数转换为模拟信号。
13.根据权利要求12所述的方法，进一步包括平滑所述模拟信号。
14.根据权利要求12所述的方法，进一步包括测量所述电源线上的所述电压的周期的所述期间。
15.一种驱动发光二极管，即LED的电路，所述电路包括: 输入端，其中，输入电压在所述输入端上是可接收的； 电源转换器控制装置，其连接至所述输入端，其中所述电源转换器将所述输入电压与到所述LED的输出电流同步，所述电源转换器具有参考电压输入端；和 参考信号发生器，其用于生成所述参考电压，所述参考电压被连接至所述电源转换器控制装置的所述参考电压输入端； 其中所述参考信号发生器产生的所述参考电压基本上与所述输入电压同相。
16.根据权利要求15所述的电路，其中所述参考电压大致上是三角形的。
17.根据权利要求15所述的电路，其中所述参考信号发生器包括监测所述输入电压的电压检测器，并且其中所述参考信号发生器基于监测的输入电压产生所述参考电压。
18.根据权利要求15所述的电路，进一步包括连接在所述LED和所述电源转换器控制装置之间的驱动器，所述驱动器产生驱动所述LED的电流。
19.根据权利要求1所述的电路，进一步包括整流器，其中所述整流器的输入是正弦电压，并且所述整流器的输出是所述输入电压。
20.根据权利要求15所述的电路，其中所述参考信号发生器包括: 计数器，在所述输入电压的第一半个周期期间递增地计数，并且在所述输入电压的第二半个周期期间递减地计数；和 数模转换器，其连接至所述计数器的输出端，所述数模转换器的输出是所述参考电压。
【文档编号】H05B37/02GK103840653SQ201310617747
【公开日】2014年6月4日 申请日期:2013年11月27日 优先权日:2012年11月27日
【发明者】T·R·苏利文, I·科恩 申请人:德克萨斯仪器股份有限公司