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TWI566637B - 具有獨立控制之級聯升壓和反相降壓轉換器 - Google Patents

具有獨立控制之級聯升壓和反相降壓轉換器 Download PDF

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TWI566637B
TWI566637B TW101115342A TW101115342A TWI566637B TW I566637 B TWI566637 B TW I566637B TW 101115342 A TW101115342 A TW 101115342A TW 101115342 A TW101115342 A TW 101115342A TW I566637 B TWI566637 B TW I566637B
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麥可Ｍ 華特斯
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英特希爾美國公司
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Description

具有獨立控制之級聯升壓和反相降壓轉換器
本發明係大致有關於一種升壓及反相降壓轉換器，並且尤其是有關於一種具有獨立控制之級聯升壓和反相降壓轉換器。
【相關申請案之交互參照】
此申請案係主張2011年6月17日申請的美國臨時申請案序號61/498,126的權益，該申請案係為了所有意圖及目的而藉此以其整體納入作為參考。
本發明的益處、特點及優點在相關於以下的說明及所附的圖式後，將會變得更能夠理解。以下的說明係被提出以使得具有此項技術的通常知識者能夠製造及利用如同在一特定的應用以及其需求的背景中所提出的本發明。然而，各種對於較佳實施例的修改對熟習此項技術者而言將會是明顯的，並且在此界定的一般性原理可以應用到其它實施例。因此，本發明並不欲受限於在此所示及敘述的特定實施例，而是欲被授予和在此揭露的原理及新穎特點一致的最寬範疇。
從現有的AC(交流)基礎結構供電給用於照明的發光二極體(LED)係表示該轉換器應該能夠符合嚴格的功率因數及輸入諧波電流的電源品質標準、在沒有閃爍下調節LED 電流、以及當從現有的調光器(例如，白熾或雙向整流器(TRIAC)調光器)操作時，平順地控制照明。
能量儲存係使得LED能夠在沒有閃爍下從一AC電源被供電，尤其是當調光延長AC輸入電壓是零的時間之情形。然而，當調光是來自雙向整流器調光器之安裝的底座時，能量儲存也是有問題的。一旦被觸發，一流入電流係再充電轉換器的能量儲存電容並且可能使得高Q輸入濾波器在低於該雙向整流器的保持電流下共振，在此情形中，該雙向整流器係關斷並且在線路頻率的一個半週期內再次觸發。如此係造成混亂的調光動作及閃爍。
一種習知的解決方案類型係調節該LED電流並且在AC整流之後利用單級轉換器以達到高的功率因數。利用此方法遞送的能量係隨著AC輸入而改變。然而，大的能量儲存電容是橫跨該轉換器的輸出以及該LED負載所需的，以便於平滑該經整流的線路頻率漣波。限制例如是場效電晶體(FET)或類似者的電子開關裝置由於漏電感所造成的峰值電壓，一緩衝器(snubber)網路通常是必要的。
以返馳LED驅動器著稱的另一種類型的習知轉換器係消除在輸出上的經整流的AC輸入頻率漣波，以助於最小化該能量儲存。然而，該返馳轉換器具有脈動(非連續的)輸出電流以及高的輸出電容。限制該電子切換裝置的由於漏電感所造成的峰值電壓，一減震器網路可能是必要的。以Cuk轉換器著稱的另一種類型的習知轉換器係提供連續的輸出電流並且降低該輸出電容。然而，該Cuk類型轉換器並未 解決離線的AC調光問題，例如：調光角萃取、維持該雙向整流器的保持電流以及消震該輸入濾波器的振盪能量。該Cuk轉換器的配置係採用一外部信號，該外部信號係調變一脈衝寬度調變(PWM)接腳以調光該LED。
為了達到低成本，該電源轉換器拓撲應該避免變壓器並且利用單端的構件及信號或是參照到一共同電壓的構件及信號。單端的信號及構件或是參照到一共同電壓的信號及構件是比需要位準移位或隔離的浮動節點便宜。
在此揭露的是一種轉換器，其係利用電感器而不是變壓器，並且被配置以利用單端或共同參照的控制信號。所揭露的轉換器係符合嚴格的功率因數及輸入諧波電流的電源品質標準，在最小的漣波下調節輸出電流，以及當被利用作為一具有調光器的LED驅動器時，平順地控制當從現有的調光器加以操作時的照明。儘管該轉換器是特別有利地被利用作為一離線的LED驅動器，但如在此進一步所述地，該轉換器可被利用以驅動其它類型的DC負載。法規標準的例子可包含和功率因數及使用壽命相關的能源之星標準(例如，能源之星LM-80-08)、例如是IEC(國際電工委員會)6100-3-2 C類限制的諧波內容標準、例如是CFR(美國聯邦法規(CFR)第47篇第15部份B類限制的電磁干擾(EMI)標準、例如是UL(Underwriters Laboratories)8750以及IEC 61347的安全標準、等等。
在此揭露的是一種新穎的具有獨立控制的級聯升壓和反相降壓轉換器。該級聯轉換器係從一經整流的AC源極操作，並且控制輸出電流。轉換器的控制信號共用一共同電壓參考，該共同電壓參考係提供一用於回授信號且用於驅動電子開關裝置的共同參考。此外，對於一LED驅動器配置而言，一種新穎的控制方法係藉由禁能該反相降壓轉換器且利用一升壓轉換器以抑制在該輸入濾波器上的振盪並且提供一路徑給該調光器的漏電流及保持電流，以達成PWM調光控制。
圖1是根據一實施例實施的一種級聯升壓轉換器和反相降壓轉換器100之概要方塊圖。一輸入AC電壓VAC係被提供至展示為橋式整流器BR的整流器網路，該整流器網路係耦接在一節點102以及一參考節點REF之間。該參考節點具有一可以為正、負或接地的參考電壓位準並且作用為一用於該些構件及信號的共同電壓參考。在該舉例說明的實施例中，BR係包含如同該項技術中具有通常技能者所理解的具有一橋式配置的四個二極體，以在節點102上發展出一經整流的電壓VR。節點102係耦接至電感器L1的一端，該電感器L1係使得其另一端耦接至一節點104。節點104係耦接至二極體D1的陽極以及電子開關Q1的汲極，該電子開關Q1被展示為N通道金屬氧化物半導體場效電晶體(MOSFET)。D1的陰極係耦接至一節點106，該節點 106係進一步耦接至電容器C1的一端以及另一電子開關Q2的汲極，該電子開關Q2亦被配置為N通道MOSFET。C1的另一端係耦接至一節點108，該節點108係進一步耦接至另一個二極體D2的陽極以及另一電感器L2的一端。D2的陰極以及Q1及Q2的源極係耦接至REF。節點108係發展出一相對於REF的電壓VD2(橫跨D2的電壓)，並且一電壓VC1係橫跨C1而發展出。一電壓VC係在節點106上發展出，並且可被決定為VC1+VD2。L2的另一端係耦接至一輸出節點110，該輸出節點110係發展出一輸出電壓VO。一輸出電容器C2係使得一端耦接至輸出節點110並且另一端耦接至一節點112。一感測電阻器R2係耦接在節點112及REF之間，並且節點112係發展出一電流感測電壓VR2。
該等開關Q1及Q2係被展示為利用MOSFET來實施，但其它類型的切換裝置亦被思及，例如其它類似的形式(例如，FET、MOS元件、等等)、雙載子接面電晶體(BJT)與類似者、絕緣閘極雙載子電晶體(IGBT)與類似者、等等。
一負載(LD)111係耦接在節點110及112之間。一控制器101係耦接(參照)至REF、耦接至節點102、106及112、並且分別提供閘極驅動信號G1及G2至Q1及Q2的閘極。從節點102通過L1流到節點104的電流係被展示為一電流IL1，並且從節點110通過L2流到節點108的電流係被展示為一電流IL2。從節點112通過負載111流到節點110的電流係被展示為ILD。R2的電阻是足夠低到使得電壓VR2是非常低的，並且相對於VO是可忽略的，然而也是足夠高 到以達成正確的IL2量測。
該轉換器100係包含和反相降壓轉換器105(包含L2、Q2、D2、C2)級聯配置的升壓轉換器103(包含L1、Q1、D1、C1)，其中電容器C1是一耦接在該等轉換器之間的中間電容器，並且電容器C2是一輸出電容器。該控制器101係控制該升壓轉換器103以及降壓轉換器105，其中此種控制是彼此實質獨立的。在一此處所述的實施例中，兩個開關Q1及Q2係基於一共同時脈信號而在大約相同的時間被導通，然而每個開關係以實質獨立的方式被關斷。替代的配置係被思及，其包含不具有時脈信號的配置。該轉換器100的拓撲並不需要利用變壓器(儘管若需要的話，一變壓器可被利用)，並且具有單一參考連接(REF)用於該轉換器103及105並且用於該些控制信號。此外，該轉換器100係符合功率因數及輸入諧波電流的AC品質標準，並且調節通過負載111的負載電流ILD。當該負載111是如同在此進一步所述的一系列LED時，通過該些LED的負載電流係在沒有閃爍下被調節，並且當從現有的調光器來操作時，該些LED的照明係平順地被控制。
該控制器101係共同參照至Q1及Q2的源極，並且和回授信號共用一共同參考連接REF。該共同參考REF係避免位準移位器或是隔離電路的複雜性及費用。在一實施例中，該控制器101係根據一共同時脈信號CLK(圖2)同時導通Q1及Q2兩者，但是Q1的關斷是發生在Q2被關斷之後。因此，Q1(D1)的工作週期比Q2(D2)的工作週期寬，此係有 效地去耦合降壓及升壓的動作。換言之，如同在此進一步敘述的，每個升壓脈衝係比一對應的降壓脈衝寬。
圖2是根據一範例實施例實施的控制器101的簡化方塊圖。一VC1感測器201係耦接至節點106以用於感測該電壓VC1，並且提供一感測指示VC1S至一升壓控制器203。該升壓控制器203可被配置為一固定導通時間(TON)產生器，儘管替代的配置亦被思及。該升壓控制器203係接收該CLK信號並且具有一用於經由該閘極信號G1透過一閘極驅動器205來控制Q1的輸出。一IL2電流感測器207係耦接至節點112以用於感測該電壓VR2，以提供一感測指示IL2S至一降壓控制器209。該降壓控制器209可被配置為一峰值電流控制器，儘管替代的配置亦被思及。和流經感測電阻器R2實質相同的電流亦流經L2而成為電流IL2，因而VR2的電壓係指出IL2的電流位準。該降壓控制器209係接收CLK並且具有一用於經由該閘極信號G2透過一閘極驅動器211來控制Q2的輸出。一相位角感測器213係耦接至節點102以用於感測根據調光動作的VR以及對應的相位角，並且提供一相位感測指示PHS至一調光控制器215。該調光控制器215發出一禁止信號INH至該降壓控制器209。一時脈電路217係提供時脈信號CLK至控制器203及209。該時脈電路217係產生CLK或是從一個別或外部的時序來源傳遞或發展出CLK。
儘管節點106發展出該電壓VC，在一實施例中，該VC1感測器201係在VD2為低之所選時間取樣VC，因而 VC相對於REF是和VC1實質相同的。取樣到的值係被保持為VCS1。在一實施例中，該VC1感測器201係在Q1及Q2兩者都是關斷(當G1及G2兩者都是低的)並且二極體D2是“導通”(例如，D2被順向偏壓僅一個二極體電壓降)時，週期性地取樣節點106的電壓VC以發展出VC1S。在一實施例中，例如，VC1S是一個取樣到的電壓值，其係在CLK的每個週期後更新(或是在任意數目個CLK週期後週期性地更新)。在此狀況下，當D2是導通時，橫跨D2的電壓相對於VC1是實質可忽略的，因而節點106正確地反映相對於REF的電壓VC1。
在一實施例中，該升壓控制器203係被配置為具有一導通時間值TON的固定導通時間產生器，該導通時間值TON在一些CLK週期是固定的，並且週期性地被更新以鬆散調節VC1至一預設的目標電壓位準或是維持VC1在一預設的目標電壓範圍之內。在一實施例中，例如，導通時間值TON可在VAC的每個週期或是每個半週期被更新。
一例如是調光器1002(圖10)的調光器或類似者可被設置，其係接收AC電壓VAC，並且操作以對於每個半週期(亦即，180度)在0到180度間之任何“調光角”θDIM，選擇性地截斷VAC的前緣及後緣中之一或是兩者，以提供一AC導通角度調變的電壓或是“截斷的”電壓VACMOD。如同該項技術中具有通常技能者所理解的，VAC可具有如同AC線路電壓(例如，參見圖4的VAC)的正常特徵正弦形狀。在一實施例中，當VAC為了調光動作而被截斷以提供VACMOD時， 每個半週期的前緣係被歸零或是截斷到調光角θDIM並且接著在該半個週期的持續期間保持其正常的形狀(例如，參見圖5的VACMOD)。該相位角感測器213係被配置以偵測施加到VAC的相位或調光角，並且依此發展出PHS。例如，該相位角感測器213可利用計數器或類似者或是任何其它適當的數位技術來加以實施，以用於感測該調光角θDIM並且提供PHS。
該調光控制器215係接收PHS並且根據該偵測到的調光角發展出該INH信號，以反映該相對的調光量。在一實施例中，一週期性的調光信號係以一所選的調光頻率而被產生，該所選的調光頻率係根據該調光角而具有一工作週期。在一實施例中，該工作週期在沒有調光下是非常低的或是零，而在完全調光下是高到一對應的最大值。該調光工作週期可被表示為和該偵測到的調光角相關的一個相對的百分比。舉例而言，若VAC被截去50%，因而VACMOD從0到90度是零，同樣地從180到270度是零，則該相位角是90度並且該調光信號的工作週期是50%。該INH信號係根據該調光信號的工作週期而被發出。
舉例而言，當VACMOD是零時，PHS可被發出為低的，並且當VACMOD是非零時，其可被發出為高的，使得PHS具有一大約是VAC的兩倍之頻率，其具有一和該調光角相關的工作週期。該調光控制器215係以一所選的調光頻率來轉換PHS成為具有方波形狀且具有一根據PHS的工作週期之工作週期的INH，因而INH的工作週期也是根據該調 光角而定。PHS及/或INH的反相版本也被思及。
CLK的頻率一般是實質高於VAC的頻率。例如，在一實施例中，VAC是一相當低的頻率，例如，50-500赫茲(Hz)或類似者的AC線路頻率(例如，50Hz、60Hz、400Hz、等等)。CLK的頻率依據特定的實施方式而可以是數個千赫茲(kHz)或是數十個kHz(例如，像是高達100kHz或更高)。該調光頻率相對於VAC及CLK而言是一個中間的頻率，並且有效地限制在低限以避免閃爍，並且高限被限制在CLK的切換頻率且確保有充分的負載電流ILD位準。舉例而言，該調光信號的頻率是CLK頻率的十分之一或是更小，以確保有足夠的Q2切換的週期數目，因而ILD之適當的位準係被發展出。
圖3是顯示根據一實施例，利用圖2中所繪的控制器101的轉換器100在每個CLK週期期間的範例波形之時序圖，其中該升壓轉換器203係被配置為一固定導通時間產生器，並且該降壓控制器209係被配置為一峰值電流控制器。如圖所示，信號CLK、G1、G2、IL1、VD2、IL2以及ILD係相對於時間來繪製。CLK的工作週期係被展示為接近50%，儘管任何的工作週期亦被思及。G1及G2在高與低之間雙態切換，其係分別指出該等開關Q1及Q2的導通及關斷。IL2及ILD係在該圖的下方被重疊在一起。Q1係利用固定導通時間控制來加以操作(其中，如先前所述，TON係週期性地被調整以維持VC1在一適當的電壓範圍之內)，並且Q2係利用峰值電流控制來加以操作。CLK係在每個 CLK週期同時起始Q1及Q2兩者的導通。如同在圖3中所示，G1及G2在時間t1響應於CLK變為高的而都變為高的，其於是在大約時間t1導通Q1及Q2。該電流IL1係在時間t1開始以一個成比例於該輸入電壓VR的速率從零增加。橫跨C1的電壓VC1係反向偏壓二極體D2，並且施加橫跨到該輸出濾波器(L2及C2)上，以增加該電流IL2。IL2係在時間t2到達一預設的峰值電流位準IPK，並且該控制器101的降壓控制器209係藉由將G2拉低來關斷Q2。二極體D2係順向偏壓，並且IL2係在時間t2之後以一個成比例於該輸出電壓VO的速率減小。在從時間t1開始的時間期間TON的持續期間之後，該控制器101的升壓控制器203係將G1發出為低而在時間t3關斷Q1，以從L1傳輸能量至C1。從時間t3開始，IL1係線性地減小，並且在時間t4到達零。動作係針對每個CLK週期來加以重複，例如，下一個週期是開始在G1及G2接著被發出為高以導通Q1及Q2時的後續時間t5。
圖4是顯示在無調光之下，在VAC的一段期間的範例操作波形之時序圖。如圖所示，信號VAC、IL1、G1、VC1、IL2、ILD以及G2係相對於時間來加以繪製VAC的一個完整週期。VAC及IL1係被正規化及重疊，並且IL2及ILD再度是被重疊。在該舉例說明的配置中，該升壓轉換器103係在“固定的”導通時間(週期性地加以調整)下操作在斷續的電流模式中。在該電感器L1中的峰值電流係依循該經整流的AC電壓VR的波封。該所產生的功率因數以及線路電 流諧波內容係符合法規需求。如同該電壓VC1的變化所示，由該升壓轉換器103遞送的能量係隨著該經整流的AC電壓VR的一函數而改變。該控制器101係響應於VC1的施加來調整該降壓轉換器105的工作週期，且因此整體地調節該負載電流ILD。在一實施例中，IL2的峰值電流位準(IPK)是預設且固定的，因而G2的工作週期(以及因此是Q2)係隨著VC1的變化改變。如此係最小化線路頻率閃爍以及能量儲存。
該輸出電容C2的尺寸係按照切換頻率漣波來製作的，並且其大小是小於習知的單級返馳轉換器的輸出電容器之數個級數。在一更特定的實施例中，例如，對於一個6瓦(W)轉換器(例如，18伏特(V)、350毫安培(mA)轉換器)而言，該電容器C2只有2.2微法拉(μF)，而對於一個根據習知配置的對應的6W單級返馳轉換器而言，該輸出電容器是大約20μF的數量級。
圖5是類似於圖4的時序圖，除了其係在調光之下，其顯示在一段期間的VAC的範例操作波形之時序圖。如圖所示，信號VACMOD、IL1、G1、VC1、IL2、ILD以及G2係相對於時間繪製VAC的一個完整週期。VACMOD以及IL1係被正規化且重疊，並且IL2以及ILD同樣是被重疊。根據該相位或是調光角θDIM，VACMOD在該AC期間的一個時間百分比是零。在該舉例說明的實施例中，VACMOD對於大約37%的AC期間的調光角θDIM(例如，每個半週期大約67度)是零。該控制器101的相位角感測器213係量測該AC 調光角並且提供PHS，並且該調光控制器215根據該量測到的相位角相應地發出該禁止信號INH以禁止該降壓轉換器105，以便跳過Q2的週期。該平均負載電流ILD係成比例於該調光角θDIM。當驅動LED作為該負載時，該些LED之對應的光強度係成比例於該調光角θDIM。
如先前所述，Q1係持續地被閘控一導通時間，該導通時間在該AC半週期是固定的，但是會週期性地被調整以調整VC1。即使以該調光器阻擋該AC輸入的一部分，但Q1係持續地被閘控以提供有助於抑制在該輸入濾波器的振盪之受控的輸入阻抗，並且提供一路徑給該調光器的漏電流。當該調光器導通時，該升壓轉換器103係提供該調光器的保持電流並且補充在C1上的電壓VC1。
從VAC(或VACMOD)藉由該升壓轉換器103遞送的能量係隨著該AC輸入改變。因此，在該電容器C1上觀察到一在該經整流的頻率下之顯著的電壓漣波。該降壓轉換器105係容忍在C1上的大電壓漣波，並且調整其工作週期以調節該峰值L2電流來最小化橫跨該負載111的漣波(當LED是該負載111時，此係造成LED的閃爍)。如此係容許C1的電容值能夠降低或是被最小化，並且能夠為了長的使用壽命選擇一種非電解的介電質。最小化該電容亦降低當該調光器第一次被觸發時的湧入電流。
在一更特定的實施例中，該轉換器100的電容器C1只有習知的轉換器中之一對應的電容器的大約十分之一的尺寸。在一範例的配置中，相較於用於一習知的轉換器之 4.7μF，用於根據本發明的一實施例之一轉換器的電容器只有0.5μF。
該升壓轉換器103以及降壓轉換器105在調光期間實質獨立地運作。該負載電流ILD係藉由週期性地禁止該降壓轉換器105來加以脈衝寬度調變(PWM調光)。C2的小輸出電容係確保ILD快速地在零及該調節後的電流之間轉換(slew)，並且避免需要一個與該負載111串聯的額外FET。
圖6-9係描繪各種利用該轉換器100的電子設備。如同在圖6中所示，該轉換器100係接收VAC並且驅動作為該負載111的任何類型的DC負載603。如同在圖7中所示，該轉換器100係接收VAC並且充電作為該負載111的包含一或多個可再充電的電池之一電池或電池組701。如同在圖8中所示，該轉換器100係接收VAC並且提供電流至作為該負載111的一或多個發光二極體(LED)801。如同在圖9中所示，該轉換器100係接收VAC並且提供電流至一作為該負載111的線圈901或類似者，以產生一用於電動馬達903或類似者的磁場。
圖10是以一種類似圖8所示的方式配置的電子設備1000之方塊圖，其包含轉換器100以及一用於提供電流至一或多個LED 801的習知調光器1002。在此例中，該調光器1002係接收VAC(例如，AC線路電壓)並且提供該AC導通角度調變的電壓或是“截斷的”電壓VACMOD，該電壓係被提供至該轉換器100的輸入。在一實施例中，該調光器1002係操作以對於每個半週期(亦即，180度)，在0到180度之 間的任何相位角，選擇性地截斷在1001所繪的VAC的前緣及後緣中之一或是兩者，以提供VACMOD。一範例型式的VACMOD係被描繪在1003，其中該前緣係在VAC的每個半週期期間被截斷。在一實施例中，該調光器1002利用一雙向整流器(未顯示)或類似者以延遲該VAC波形狀接近零，直到該預設的相位角為止。調光器相位角越大，則越多VAC被截斷或歸零，以降低VACMOD的電壓。一旦每個半週期到達該相位角後，VAC步階上升至該線路電壓(例如，該雙向整流器導通)，並且VAC的剩餘部分係輸出至該轉換器100。
相較用於該電子設備1000的習知線路調光器電路，該轉換器100係提供調光動作的一個優點。該轉換器100係調節該LED電流。在此例中，該平均LED電流以及對應的光輸出量係成比例於該調光器相位角。習知的LED調光器係利用複雜的控制以導出該調光相位角，並且接著成比例於該相位角來調節該平均LED電流。該轉換器100並非利用複雜的控制，並且自動地成比例於該相位角來調節該平均LED電流。
包含其它類型的脈衝寬度調變(PWM)或是脈衝頻率調變(PFM)的替代控制方法係被思及，以用於如同由該控制器203及209控制的升壓轉換器103及反相降壓轉換器105。例如，該升壓轉換器103可以運作在一臨界電流模式中，其中該開關Q1係在該電感器電流IL1到達零時被導通，並且在一固定導通時間之後或是響應於一誤差信號在一峰值電流下被關斷。如同在圖3中所示，例如，其並非是根據 該時脈信號導通，而是一旦IL1到達零，G1變為高以導通Q1。在此例中，所產生的切換頻率係隨著輸入電壓改變，而不是根據一時脈信號。該反相降壓轉換器105可利用平均電流模式控制來運作，其中該平均負載電流係根據一參考位準而被調節。在此例中，該降壓控制器209係響應於該誤差來調整該降壓脈衝寬度(例如，被提供至Q2的G2)，並且不指明導通或是關斷邊緣。
在所採用的控制方法中之任一者中，根據獨立控制，每個升壓脈衝寬度都比對應的降壓脈衝寬度寬，以去耦合降壓及升壓動作。然而，注意到的是由於該級聯配置，每個升壓脈衝係藉由開關Q1或Q2的導通而開始。圖11及12是描繪在該閘極驅動信號G1及G2之間的關係之時序圖，該閘極驅動信號G1及G2分別和該開關Q1及Q2的導通及關斷相關，並且該升壓(BOOST)及降壓(BUCK)脈衝分別被用來控制升壓及降壓動作。在每個時序圖中，信號G1及G2係和一BOOST脈衝以及一對應的BUCK脈衝一起相對於時間而被繪製。如同在圖11中所示，在每一個週期或是在任何給定的週期中，G2可在G1之前被發出。由於任一開關Q1或Q2起始該電流IL1通過該電感器L1，每個BOOST脈衝係開始在任一開關Q1或Q2被導通時。每個BOOST脈衝係在Q1被關斷時終止。每個BUCK脈衝係在Q2被導通時起始，並且在Q2被關斷時終止。
在圖11中，在時間t1上升的G2係起始該BOOST以及BUCK脈衝兩者，即如箭頭1101及1103分別所指出的。 G1的上升邊緣係發生在稍後的時間t2，而G2仍然是高的。G2在時間t3之後續的下降邊緣係終止該BUCK脈衝，即如箭頭1105所指出的。G1在時間t4之後續的下降邊緣係終止該BOOST脈衝，即如箭頭1107所指出的。
在圖12中，在時間t1上升的G1係起始該BOOST脈衝，即如箭頭1201所指出的。G2的上升邊緣係發生在稍後的時間t2並且起始該BUCK脈衝，即如箭頭1203所指出的。G2在時間t3之後續的下降邊緣係終止該BUCK脈衝，即如箭頭1205所指出的。G1在時間t4之後續的下降邊緣係終止該BOOST脈衝，即如箭頭1207所指出的。
在此揭露的是一種級聯升壓轉換器和反相降壓轉換器，其係利用電感器而不是變壓器，並不需要電解電容器，並且被配置以使得該回授及控制信號共用一共同電壓參考(例如，接地或是任何其它適當的正或負參考電壓)。該驅動器轉換器係提供具有最小漣波(或閃爍)的固定負載電流，並且提供具有低諧波內容的高功率因數。亦被揭露的是一種利用現有的調光器操作之控制方法，響應於該調光角來脈衝寬度調變該負載電流，並且不需要一與該負載串聯的額外的開關電晶體。
根據一實施例的一種轉換器係提供具有最小漣波的相對固定的負載電流，符合AC電源品質標準，並且在低於習知配置的成本下利用現有的調光器來操作。根據一實施例的一種轉換器係利用電感器而不是變壓器，並且被配置成使得所有的回授及控制信號都共用一共同電壓參考。根據 一實施例的一種轉換器以及對應的控制方法係利用現有的調光器來操作，以平順地控制LED照明，並且不需要一與該LED串聯的額外開關。當相較於施加在一習知的返馳配置中的應力時，所揭露的轉換器的電晶體係具有較低的峰值電壓應力。已使得減震器電路為不必要的。
儘管本發明已經參考其某些較佳的版本而以相當詳細的程度加以敘述，但是其它版本及變化是可能的且被思及。熟習此項技術者應該體認到其可以輕易地利用揭露的概念及特定的實施例作為用於設計或修改其它結構的基礎，以用於提供和本發明相同的目的，而不脫離如以下的申請專利範圍所界定的本發明的精神與範疇。
100‧‧‧級聯升壓轉換器和反相降壓轉換器
101‧‧‧控制器
102‧‧‧節點
103‧‧‧升壓轉換器
104‧‧‧節點
105‧‧‧反相降壓轉換器
106‧‧‧節點
108‧‧‧節點
110‧‧‧輸出節點
111‧‧‧負載(LD)
112‧‧‧節點
201‧‧‧VC1感測器
203‧‧‧升壓控制器
205‧‧‧閘極驅動器
207‧‧‧IL2電流感測器
209‧‧‧降壓控制器
211‧‧‧閘極驅動器
213‧‧‧相位角感測器
215‧‧‧調光控制器
217‧‧‧時脈電路
603‧‧‧DC負載
701‧‧‧電池/電池組
801‧‧‧電池或電池組
901‧‧‧線圈
903‧‧‧電動馬達
1000‧‧‧電子設備
1002‧‧‧調光器
1003‧‧‧VACMOD
1101‧‧‧BOOST脈衝
1103‧‧‧BUCK脈衝
1105‧‧‧BUCK脈衝
1107‧‧‧BOOST脈衝
1201‧‧‧BOOST脈衝
1203‧‧‧BUCK脈衝
1205‧‧‧BUCK脈衝
1207‧‧‧BOOST脈衝
BR‧‧‧橋式整流器
CLK‧‧‧時脈信號
C1‧‧‧電容器
C2‧‧‧輸出電容器
D1-D2‧‧‧二極體
G1-G2‧‧‧閘極驅動信號
ILD‧‧‧負載電流
IL2S‧‧‧感測指示
INH‧‧‧禁止信號
IPK‧‧‧峰值電流位準
L1-L2‧‧‧電感器
PHS‧‧‧相位感測指示
Q1-Q2‧‧‧電子開關
REF‧‧‧參考節點/共同參考連接
R2‧‧‧感測電阻器
VAC‧‧‧輸入AC電壓
VC1S‧‧‧感測指示
VO‧‧‧輸出電壓
VR‧‧‧經整流的電壓
VR2‧‧‧電流感測電壓
QDIM‧‧‧調光角
本發明的益處、特點及優點在相關於以上的說明及所附的圖式後，將會變得更能夠理解，其中：圖1是根據一實施例實施的一種級聯升壓和反相降壓轉換器之概要方塊圖；圖2是根據一範例實施例實施的圖1的控制器的簡化方塊圖；圖3是顯示根據一實施例，利用圖2中所繪的控制器的圖1的轉換器在每個CLK週期期間的範例波形之時序圖；圖4是顯示在無調光之下，在AC輸入電壓的一段期間的範例操作波形之時序圖；圖5是顯示在調光之下，在AC輸入電壓的一段期間的 範例操作波形之時序圖；圖6-9係描繪利用圖1的轉換器的各種電子設備；圖10是以一種類似圖8所示的方式配置的電子設備之方塊圖，其包含圖1的轉換器以及一用於提供電流至一或多個LED的習知調光器；以及圖11及12是分別描繪在閘極驅動信號G1及G2以及被用來控制升壓及降壓動作的升壓及降壓脈衝之間的關係之時序圖。
100‧‧‧級聯升壓轉換器和反相降壓轉換器
101‧‧‧控制器
102‧‧‧節點
103‧‧‧升壓轉換器
104‧‧‧節點
105‧‧‧反相降壓轉換器
106‧‧‧節點
108‧‧‧節點
110‧‧‧輸出節點
111‧‧‧負載(LD)
112‧‧‧節點
BR‧‧‧橋式整流器
C1‧‧‧電容器
C2‧‧‧輸出電容器
D1-D2‧‧‧二極體
G1-G2‧‧‧閘極驅動信號
ILD‧‧‧負載電流
L1-L2‧‧‧電感器
Q1-Q2‧‧‧電子開關
REF‧‧‧參考節點/共同參考連接
R2‧‧‧感測電阻器
VAC‧‧‧輸入AC電壓
VO‧‧‧輸出電壓
VR‧‧‧經整流的電壓
VR2‧‧‧電流感測電壓

Claims (22)

  1. 一種轉換器系統，其係包括：一級聯升壓轉換器和反相降壓轉換器，其係用於轉換一經整流的AC電壓成為一DC輸出電流；一控制器，其係具有參照到一共同電壓的輸入與輸出控制信號，其中該控制器係被配置以一獨立方式來控制該升壓轉換器的切換以及該反相降壓轉換器的切換，以去耦合該反相降壓轉換器的動作和該升壓轉換器的動作；以及其中該控制器係被配置以利用複數個升壓脈衝來控制該升壓轉換器，其中該控制器係被配置以利用複數個降壓脈衝來控制該反相降壓轉換器，其中該複數個升壓脈衝中的每一升壓脈衝係在該複數個降壓脈衝中的一對應降壓脈衝處或之前被起始，並且其中該複數個升壓脈衝中的每一升壓脈衝係在該複數個降壓脈衝中的該對應降壓脈衝的終止之後被終止。
  2. 如申請專利範圍第1項之轉換器系統，其中該複數個升壓脈衝係被提供在參照至該共同電壓的一升壓脈衝信號上，其中該複數個降壓脈衝係被提供在參照至該共同電壓的一降壓脈衝信號上，並且其中該複數個升壓脈衝的每一個係比該複數個降壓脈衝中之一對應者寬。
  3. 如申請專利範圍第2項之轉換器系統，其中該升壓轉換器係包括一第一開關，其中該反相降壓轉換器係包括一第二開關，並且其中該控制器係被配置以藉由導通該第一及第二開關的任一個以起始該複數個升壓脈衝的每一個。
  4. 如申請專利範圍第1項之轉換器系統，其中該控制器係被配置以根據固定導通時間控制來控制該升壓轉換器，並且根據峰值電流控制來控制該反相降壓轉換器。
  5. 如申請專利範圍第1項之轉換器系統，其中：該控制器係被配置以根據利用一固定的時間期間之固定導通時間控制來控制該升壓轉換器；其中該升壓轉換器係具有一耦接至一電容器的輸出，該電容器係耦接至該反相降壓轉換器的一輸入；其中該控制器係包括一電壓感測器，該電壓感測器被配置以決定橫跨該電容器的電壓並且提供用以指示參照至該共同電壓之電壓的一感測信號；以及其中該控制器係根據該感測信號而週期性地調整該固定的時間期間。
  6. 如申請專利範圍第1項之轉換器系統，其中：該經整流的AC電壓係包括一AC導通角度調變的電壓；以及其中該控制器係在一調光頻率的每個週期的一部分期間禁止該反相降壓轉換器的切換，其中該部分係根據該AC導通角度調變的電壓的一相位角而定。
  7. 如申請專利範圍第1項之轉換器系統，其中：該升壓轉換器係包括：一第一電感器，其係具有一接收該經整流的AC電壓之第一端並且具有一第二端；一第一開關，其係具有一耦接至該電感器的該第 二端的第一電流端子，具有一耦接至該共同電壓的第二電流端子，並且具有一從該控制器接收一參照至該共同電壓的第一控制信號的控制端子；一第一二極體，其係具有一耦接至該電感器的該第二端的陽極並且具有一陰極；以及一第一電容器，其係具有一耦接至該第一二極體的該陰極的第一端並且具有一第二端；且其中該反相降壓轉換器係包括：一第二開關，其係具有一耦接至該第一二極體的該陰極的第一電流端子，具有一耦接至該共同電壓的第二電流端子，並且具有一從該控制器接收一參照至該共同電壓的第二控制信號的控制端子；一第二二極體，其係具有一耦接至該第一電容器的該第二端的陽極，並且具有一耦接至該共同電壓的陰極；一第二電感器，其係具有一耦接至該第一電容器的該第二端的第一端，並且具有一耦接至一輸出節點的第二端；以及一第二電容器，其係耦接在該輸出節點以及該共同電壓之間。
  8. 如申請專利範圍第7項之轉換器系統，其中該控制器係包括：一固定導通時間產生器，其係發出該第一控制信號以在一時脈信號的每個週期的起始之際導通該第一開關，並 且在該時脈信號的每個週期期間，於一預設的時間期間之後關斷該第一開關；一電流感測器，其係感測通過該第二電感器的電流；以及一峰值電流控制器，其係發出該第二控制信號以在該時脈信號的每個週期的起始之際導通該第二開關，並且在該時脈信號的每個週期期間，當通過該第二電感器的電流到達一峰值時關斷該第二開關。
  9. 如申請專利範圍第8項之轉換器系統，其中該經整流的AC電壓係包括一AC導通角度調變的電壓，並且其中該控制器進一步包括：一相位角感測器，其係感測該AC導通角度調變的電壓的一相位角，並且提供一指示該相位角的相位信號；一調光控制器，其係產生一禁止信號，該禁止信號係以一調光頻率在第一及第二位準之間雙態切換(toggle)，並且具有一根據該相位信號之工作週期；以及其中當該禁止信號是在該第一位準時，該峰值電流控制器係禁止該第二開關的切換。
  10. 如申請專利範圍第1項之轉換器系統，其進一步包括一耦接至該反相降壓轉換器的一輸出並且接收該DC輸出電流的DC負載。
  11. 如申請專利範圍第10項之轉換器系統，其中該DC負載係包括至少一發光二極體。
  12. 一種用於控制用於轉換一經整流的AC電壓成為一 DC輸出電流的一級聯升壓轉換器以及一反相降壓轉換器之控制器，其係包括：一升壓控制器，其係被配置以提供用於控制該升壓轉換器的切換之參照到一共同電壓的至少一第一控制信號；一降壓控制器，其係被配置以提供用於以一獨立方式控制該反相降壓轉換器的切換之參照至該共同電壓的至少一第二控制信號，以去耦合該反相降壓轉換器的動作和該升壓轉換器的動作；以及其中該升壓控制器係被配置以利用該第一控制信號或該第二控制信號來起始複數個升壓脈衝，並且利用該第一控制信號來終止該複數個升壓脈衝，其中該降壓控制器係被配置以利用該第二控制信號來起始和終止複數個降壓脈衝的每一降壓脈衝，其中該複數個降壓脈衝中的每一降壓脈衝係在該複數個升壓脈衝中的一對應升壓脈衝處或之後被起始，並且在該複數個升壓脈衝中的該對應升壓脈衝之前被終止。
  13. 如申請專利範圍第12項之控制器，其中該複數個升壓脈衝的每一個係比該複數個降壓脈衝之一對應者寬。
  14. 如申請專利範圍第12項之控制器，其中該升壓轉換器係包含一第一開關並且該反相降壓轉換器係包含一第二開關，該控制器進一步包括：一固定導通時間產生器，其係用於在一時脈信號的每個週期的起始之際導通該第一開關，並且在該時脈信號的每個週期期間，用於在一預設的時間期間之後關斷該第一 開關；一電流感測輸入，其係用於感測通過該降壓轉換器的電流，並且用於參照至該共同電壓以提供一指示該電流的電流感測信號；以及一峰值電流控制器，其係用於在該時脈信號的每個週期的起始之際導通該第二開關，並且用於在該電流感測信號指出一峰值電流位準時關斷該第二開關。
  15. 如申請專利範圍第14項之控制器，其中一電容器係耦接在該升壓轉換器以及該反相降壓轉換器之間，其中該控制器進一步包括：一參照至該共同電壓的電壓感測輸入，其係用於感測橫跨該電容器的電壓，並且用於提供一指示該電壓的電壓感測信號；以及其中該固定導通時間產生器係被配置以根據該電壓感測信號來調整該預設的時間期間。
  16. 如申請專利範圍第12項之控制器，其中該經整流的AC電壓係包括一AC導通角度調變的電壓，其中該控制器進一步包括：一相位角感測器，其係感測該AC導通角度調變的電壓的一相位角，並且提供一指示該相位角的相位信號；一調光控制器，其係產生一禁止信號，該禁止信號係以一調光頻率而在第一及第二位準之間雙態切換，並且具有一根據該相位信號之工作週期；以及其中當該禁止信號是在該第一位準時，該降壓控制器 係被配置以禁止該反相降壓轉換器的切換。
  17. 一種控制用於轉換一經整流的AC電壓成為一DC輸出電流的一級聯升壓轉換器和反相降壓轉換器之方法，其係包括：在一參照到一共同電壓的升壓脈衝信號上產生複數個升壓脈衝，以用於控制該升壓轉換器的切換；在一參照至該共同電壓的降壓脈衝信號上產生複數個降壓脈衝，以用於以一獨立方式來控制該反相降壓轉換器的切換，以去耦合該反相降壓轉換器的動作和該升壓轉換器的動作；以及其中該產生複數個升壓脈衝和該產生複數個降壓脈衝係包括在一對應降壓脈衝處或之前起始每一升壓脈衝，並且在終止該對應降壓脈衝之後終止每一升壓脈衝。
  18. 如申請專利範圍第17項之方法，其中該產生複數個升壓脈衝以及該產生複數個降壓脈衝係包括產生每個升壓脈衝都是比一對應的降壓脈衝寬。
  19. 如申請專利範圍第17項之方法，其中該升壓轉換器係包括一第一開關並且其中該反相降壓轉換器係包括一第二開關，並且其中該產生複數個升壓脈衝係包括導通該第一及第二開關的任一者。
  20. 如申請專利範圍第17項之方法，其中該升壓轉換器係包括一第一開關並且其中該反相降壓轉換器係包括一第二開關，該方法進一步包括：在一時脈信號的每個週期的起始之際導通該第一及第 二開關；監視通過該反相降壓轉換器的電流；當通過該反相降壓轉換器的電流到達一峰值位準時，關斷該第二開關；以及在該時脈信號的每個週期期間，在一固定的時間期間之後關斷該第一開關。
  21. 如申請專利範圍第20項之方法，其進一步包括：在該升壓轉換器和反相降壓轉換器之間提供一電容器；監視橫跨該電容器的電壓並且提供一感測信號；以及根據該感測信號週期性地調整該固定的時間期間。
  22. 如申請專利範圍第17項之方法，其中該經整流的AC電壓係包括一AC導通角度調變的電壓，其進一步包括：感測該AC導通角度調變的電壓的一相位角並且提供一指示該相位角的相位信號；產生一禁止信號，該禁止信號係以一調光頻率而在第一及第二位準之間雙態切換並且具有一根據該相位信號之工作週期；以及當該禁止信號是在該第二位準時，禁止該反相降壓轉換器的切換。
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