CN102804917B - 用于交变电流三极管调光器的具有led的电源接口 - Google Patents

Abstract

公开了一种电源接口，其可以将可调电源电路保持在导通状态，即使所连接上的负载的平均电流消耗低于可调电源电路保持电流的需要。电源接口利用了可调电源电路的动态特性。由于可调电源电路的恢复时间，即使短期内没有电流流过，可调电源电路也将处于导通状态。电源接口通过中断并重新建立从可调电源电路来的电流从而利用了该效应。

Description

用于交变电流三极管调光器的具有LED的电源接口

技术领域

本发明涉及一种电源接口。具体地，本发明涉及一种用于将负载连接至具有依赖于时间的保持电流水平或对负载电流具有其他限制的可调电源电路的电源接口。

背景技术

现在，对于诸如发光二极管(LED)光源之类的固态光源的高的市场渗透性而言，改装灯被认为是十分重要的。对于大多数消费者灯具而言，用户/消费者可以能够以低原始成本仅将灯具内的单个光源(例如白炽灯泡)替换为现今的LED光源。不仅与插座的兼容性是重要的，而且与现有的装置/电路的兼容性也是十分重要的。因此，光源必须适合现有的插座而且应当与现有的电子装置(包括调光器)相兼容。这包括与现有的墙壁调光器之间的互操作性。

尤其是基于交变电流三极管(TRIAC)的前沿调光器被用于许多住宅。对于这些调光器而言，十分常见的问题在于LED光源的负载太小而无法适用于调光器。结果，当调光水平太低时，LED光源开始闪烁或甚至永久关断。即，假设存在墙壁调光器，则固态光源的低功耗可能导致TRIAC的闭锁和保持电流的问题。特别是对于具有低于40W功耗的低瓦灯(例如E14螺口的2W烛光灯泡)而言，无法达到TRIAC调光器电路的最小负载。因此，根本无法照明或可能工作在闪烁的混沌模式。

已提出了用特殊开关模式电源来根据TRIAC所需保持电流而整形灯的电流消耗。例如标准TRIAC的典型的50mA，230V系统中最小负载可能大于10W。但是，对于改装灯的计划额定功率而言，这可能仍然功率过大。

US7075251公开了一种具有谐振反馈电路的整流器，该谐振反馈电路通过使用保活功能从大范围的源电压汲取持续的输入电流从而满足相控调光器的需求。在输入电压低于总线电容器电压的时间期间，没有输入电流，从而导致TRIAC处于关断状态。为了防止这个问题，持续消耗高频电流。结果，TRIAC保持在导通状态，但是负载仍然需要汲取TRIAC保持电流。

US 2007/182347 A1提供一种用于从具有TRIAC调光器开关向可耦合至固态照明装置的开关电源提供可变功率的阻抗匹配电路。示例性阻抗匹配电路包括：第一电阻器；耦合以从开关电源接收第一电流；第二电阻器；以及晶体管，串联耦合至第二电阻器，该晶体管响应于栅极电压以响应于流经第一电阻器的第一电流的经检测的水平来调制流经第二晶体管的第二电流。

发明内容

本发明的目的在于克服该问题，以及提供一种电源接口，其将可调电源电路保持在导通状态，即使所附接负载的平均电流消耗低于可调电源电路的保持电流需求。

总体而言，上述目的通过根据所附独立权利要求的电源接口来实现。

根据第一方面，上述目的通过用于将负载连接至具有依赖于时间的保持电流水平的可调电源电路的电源接口来实现，该电源接口包括：电流整形器，被布置为可操作地连接在负载和可调电源电路之间，其特征在于电流整形器被配置为中断并重新建立来自可调电源电路的电流，从而确保通过可调电源电路的电流周期地高于保持电流水平，从而即使当负载的平均电流消耗低于保持电流水平时，也将可调电源电路保持在导通状态。

按照定义，保持电流是必须流过可调电源电路以便使其保持在导通状态的最小电流。换言之，可调电源电路一旦被触发就持续导通，直至流经该可调电源电路的电流降低至保持电流之下。然而，由于可调电源电路的恢复时间，实际上即使短时间内没有电流流过，可调电源电路也将保持在导通状态。如以下将进一步公开的那样，该时间周期尤其取决于所施加电流和可调电源电路的组件。保持电流水平可由可调电源电路的电路拓扑和包含在可调电源电路中的开关所确定。

因此，电源接口的一个优点在于其被布置为通过低于可调电源电路的原始最小负载要求的例如标准墙壁调光器之类的可调电源电路操作例如光源之类的负载。进一步优点在于电源接口被布置为通过甚至低于可调电源电路的最小保持电流的可调电源电路操作负载。

电流整形器可以被配置为形成周期性脉冲电流，从而确保了电流至少周期地大于保持电流水平。

脉冲电流可以包括没有电流的脉冲以及电流高于可调电源电路的所需保持电流水平的电流的脉冲，其中高电流的脉冲被用于保持可调电源电路导通，而停顿(也即没有电流的周期)被用于降低平均电流。

电流整形器的周期优选地为使得在由电流驱动的光源所发出的光中察觉不到任何电流起伏。例如，该周期可以是5μs-50μs，优选地为15μs-30μs。

电流整形器可在确保可调电源处于导通状态的足够长的周期的持续时间内被激活。由于更长的低电流周期将要求更长的高电流周期以保持可调电源处于导通状态，因此激活的持续时间通常取决于电流整形器的周期。通过适当地控制周期和激活时间，可以实现改进的操作。备选地，可以限定并采用多于两个时间段和多于两个电流水平，以便具有特定波形以改进某些可调电源电路的操作。

电流整形器可以是升压转换器，该升压转换器是实现本发明的现实方法。将升压转换器与高于市电(mains)电压的峰值的最小负载电压相结合，确保了在大多数时间点上，通过可调电源电路汲取的电流可以被电流整形器设定。

升压转换器可以针对具有固定峰值电流进行配置，以便简化电路设计。换言之，这可以降低电流整形器控制回路的复杂度。

根据一种实施方式，可调电源电路包括在调光器内，而负载为可调光源。在此情况下，可以根据由光源输出的光中的预定的最大闪烁量来确定电路组件。

电源接口可进一步包括被并联布置在电流整形器和负载之间的电容器，以避免流经负载的电流的大起伏(也即稳定递送至负载的电能)。在高电流周期期间，电容器被充电。在低电流或无电流周期期间，电容器向负载提供电能。

如果负载是光源，则电容器的电容可以根据由光源输出的光中的预定最大闪烁量来确定。

一个优点可以在于电源接口可以使得经TRIAC调光的LED光源处在低瓦数。

注意，本发明涉及权利要求所述特征的所有可能组合。

附图说明

参照显示了本发明一个或多个实施方式的附图，以下将详述本发明的这些和其他方面。

图1是现有技术电路的示意图；

图2a至图2e是根据实施方式的电源接口电路的示意图；

图3a至图3e是根据实施方式的电流整形器的示意图；

图4a至图4b是根据实施方式的开关控制信号发生器的示意图；

图5显示了根据时间的电流；以及

图6是根据实施方式的测试电路的示意图。

具体实施方式

以下实施方式将通过示例方式提供，从而使得该公开完全和完整，并且向本领域技术人员完全传达本发明的范围。相似的附图标记表示相似的元件。示例涉及一种用于将负载连接至具有依赖于时间的保持电流水平的可调电源电路的通用电源接口。在以下示例中，可调电源电路有时实施为可以是调光器的一部分的TRIAC。然而，可调电源电路可以是满足下述任何需求的任意可调电源电路。在以下示例中，负载有时实施为(基于LED)光源。然而，负载可以是能满足下述任何需求的任意合适的负载。

图1显示了现有技术的电路100，包括电压源102、可调电源电路104和负载106。可调电源电路可以具有依赖于时间的保持电流水平。例如，如果负载太小而无法与可调电源电路合适地工作，则操作电路可能存在问题。这可以是例如当可调电源电路为墙壁调光器而负载为光源时，特别是光源包括一个或多个发光二极管(LED)。结果，当调光器确定的调光水平变得太低时，光源可开始闪烁或甚至永久关断。

根据本发明一种实施方式，如图2a的电源接口电路108中所示，电流整形器110被布置为可操作地连接于负载106和可调电源电路104之间。电源接口因此被提供以用于将负载连接至可调电源电路。如下将进一步详述的那样，布置电源接口从而使得避免或至少减少上述问题。特别地，电流整形器被配置为中断并重新建立从可调电源电路流至负载的电流。因此，电流整形器确保流经可调电源电路的电流至少周期性地高于可调电源电路的保持电流水平。从而，即使负载的平均电流消耗小于保持电流水平，电流整形器也将可调电源电路保持在导通状态。电流整形器可被配置为向负载提供最小正向电压，该最小正向电压高于由电压源向可调电源电路提供的市电电压的峰值。保持电流水平可通过可调电源电路的电路拓扑(包括电子组件及其值)和包含在可调电源电路中的开关来确定。

图2b是根据本发明实施方式的电源接口电路的第二个示例，其包括可调电源电路202、负载204、整流电路206、电源208以及电流整形器210。出于示意性目的，可调电源电路202在图2b中实施为TRIAC 214电路。TRIAC可被包括在典型的调光器内。此外，负载204由典型的基于LED的光源216表示。然而，也可能使用具有非SSL光源的所公开的电源接口，例如用于可调光的低瓦数CFL灯。图2b中，一组二极管形成了整流电路206。就此而言的整流电路206和/或包括在整流电路206中的组件的存在通常取决于电流整形器210的实现。

将以操作状态来描述电源接口电路。当激活电源接口电路时，建立高于TRIAC 214的保持电流需求的电流。在停用周期期间，存储在电感218(可在电流整形器210中包括其他电感，如下所示)中的电能首先续流进入电容器220，其通常具有高于市电电压(由电压源208所提供)峰值的电压，并且其次在市电供应电流中存在停顿。电容器220的电容可根据由光源输出的光中的闪烁的预定最大量来确定。由于停顿的短的持续时间，TRIAC214将保持为导通且在下一个激活时段期间可能有又一电流。电阻222的目的在于降低LED上的电压。二极管224为续流二极管，其用于在电流整形器中开关被停用之后允许来自电感性负载的持续的电流，从而消除了当电源电压突然被降低或被移除时在电感性负载处产生的突变电压峰值。

电流整形器210可以具有某一最小工作电压，也即电流整形器210可能无法在过零附近非常低的输入电压下汲取到全部所需的峰值电流。结果，在市电(正或负)半周期结束时，电流可以降至保持TRIAC 214导通所需要的数值之下。然而，这是交错的工作模式。在下一个半周期期间，一旦TRIAC被再次激活，电路电源接口210将开始消耗来自电源电压源的电能。

使用具有固定峰值电流(但是不具有输出电压调制)的电流整形器可能导致输出电压根据可调电压电路的触发角而变化。负载的最小正向电压，诸如基于LED的光源的最小正向电压，必须被选择为高于市电电压的峰值。但是，当使用具有某些电压变换比的不同的电源接口电路拓扑时，也可以有较低的负载正向电压，例如较低的LED点燃电压。

总是通过电容器220中存储的能量对负载供电。根据灯的光输出中的闪烁的所允许的水平来选择该电容器的大小。闪烁的所允许的水平可以是预定的。

图2c为根据本发明实施方式的电源接口电路的第三示例。如图2b所示，图2c的电路包括可调电源电路202、负载204、整流电路206、电源208以及被配置为产生脉冲电流的电流整形器210。这些元件的功能通常与图2b中相应元件的功能相同；可调电源电路202实施为TRIAC电路214，负载204实施为基于LED的光源216，而整流电路206实施为多个二极管。与图2b的电路相对比，图2c的电路包括数目较少的整流和续流二极管。整流电路的需求和/或续流二极管的数目通常可以取决于电流整形器。对于图2c中实施方式而言，电流整形器要求整流电路。

图2d至图2e显示了根据本发明实施方式的电源接口电路的其他示例。图2d至图2e的每个电源接口电路均包括可调电源电路202、负载204、整流电路206、电源208以及被配置为产生脉冲电流的电流整形器。这些元件的功能通常与图2b中相应元件的功能相同；可调电源电路202实施为TRIAC电路214，负载204实施为基于LED的光源216，而整流电路206实施为多个二极管。在图2d的电路中，电流整形器由电感器226、二极管228以及由开关控制信号发生器232所控制的开关230形成。开关控制信号发生器232被配置为控制电流整形器的开关。因此当产生脉冲电流时，使用开关230。与图2d的电源接口电路相比，图2e的电源接口电路包括两个额外的电流感测电阻器234、236。在图2e中，开关控制信号发生器232被配置为分别接收来自负载和可调电源电路的反馈信号，从而提供了一种自适应开关控制信号发生器。以下将参照图4a至图4b来进一步描述开关控制信号发生器及其内部组件的示例。

通常电流整形器包括能够在两种不同阻抗之间切换的电路。图3a是根据本发明实施方式的第一电流整形器的示意图。电流整形器可以由提供脉冲电流的电路来形成。图3a的电流整形器包括电感302、二极管304以及开关306。当电流整形器被充电时，电流整形器用作负载并吸收能量；当电流整形器被放电时，其作为电源。在放电相期间由电流整形器产生的电压与电流变化率相关，而与原始的充电电压无关，因此允许了不同的输入和输出电压。电流整形器可以是升压转换器(也已知为上升转换器)，其根据所需的脉冲重复率而被激活和停用。对于升压转换器而言，可能需要整流电路，但是其他电流整形器可能不需要此类整流器。电流转换器可以被配置为通过选择其相应的组件(及其控制)来具有固定的峰值电流。参照图6，给出了可以被用于选择电流整形器的组件的值的测试电路的说明。

如上所述，可能存在电流整形器的其他变形。图3b至图3e显示了根据本发明实施方式的电流整形器的其他示例。图3b至图3e的电流整形器的共性在于电路设计是基于用作开关的晶体管。更具体地，图3b至图3e的电流整形器的开关被实施为由开关控制信号发生器316、318、320、322所控制的金属氧化物场效应管(MOSFET)308、310或双极晶体管(BJT)312、314。以下将参照图4a至图4b进一步公开开关控制信号发生器。图3b的电流整形器的开关实施为MOSFET 308，MOSFET 308在电感器以及电流整形器的二极管的阳极侧之间连接其漏区。MOSFET 308的源区被接地。备选地，如图3c的电流整形器所示，开关可以被实施为MOSFET 310，MOSFET310在电感器和电流整形器的二极管之间连接其源区。对于该实施方式而言，MOSFET 310的漏区被接地。图3d的电流整形器的开关被实施为NPN BJT 312，NPN BJT 312在电感器和电流整形器的二极管之间连接其集电极。NPN BJT 312的发射极被接地。根据图3e所示的另一可选方案，电流整形器的开关可被实施为PNP BJT 314，PNPBJT 314在电感和电流整形器的二极管之间连接其集电极。对于该实施方式而言，PNP BJT 314的发射极被接地。

备选地，在不改变电路的有效功能的情况下，正电势可以被直接连接至负载，其中电感器和二极管被放置在负通路中。

如上所述，电流整形器可以包括开关控制信号发生器。图4a至图4b为根据实施方式的开关控制信号发生器的示意图。开关控制信号发生器的第一示例被显示在图4a中。在图4a的开关控制信号发生器中，功能是基于标准计时器的集成电路402，其为文献以及本领域技术人员公知。输出信号的高周期和低周期的持续时间由被连接至计时器电路402的组件来确定，即电阻器404、电阻器406、电容器408、电容器410以及二极管412。

与图4a的、由所使用的组件来固定计时的开关控制信号发生器相反，可以基于真实测量或捕捉的数据来产生计时信号。在图4b中，显示了一种产生开关信号的可能的控制回路。经由第一输入，测量经整流的输入电压。基于此，(通过所谓的调光器类型以及设置检测414)检测可调电源电路的类型以及可调电源电路的电流设置。开关电流控制回路416中计时信号的产生受到该检测的影响。此外，得到所谓的调光值。基于该调光值(设置点命令)、测得的LED电流(真实值)以及测得的电容器电压(前馈干扰补偿)、在LED控制回路418中计算期望的开关电流以及因此的LED电流。块418的结果(设置点命令)与真实开关电流(真实值)相比较以计算计时信号，该计时信号受到所谓的调光器类型和设置检测414的结果影响。最终，开关驱动器420被用于将计时信号放大为合适的栅极或基极驱动信号。

图5显示了由电流整形器产生的根据时间的脉冲电流502。总体而言，该图显示了脉冲电流由高电流的时间间隔和无电流的时间间隔构成。包括一个高电流时间间隔和一个无电流时间间隔的周期被记做T1。脉冲电流的性能尤其取决于电流整形器的电路。更具体地，电流整形器的组件及其控制信号被选择成使得总体而言电流整形器的周期T1为5μs-50μs，优选地为15μs-30μs。电流整形器的激活时间被记做T2。更长的T1可能暗示更长的T2。通常，如果可调电源电路包括电容，则T1(并且因此T2也)将取决于该电容。因此，周期T1可以尤其由可调电源电路中的电容器来限定。此外，脉冲电流的峰值应该高于TRIAC所需的保持电流水平。

图6是根据实施方式的测试电路的示意图。因此，测试电路可以在电流整形器的设计方法中使用。因此测试电路可以被视作TRIAC估计电路。换言之，测试电路可以被用于寻找电流整形器的对于给定TRIAC 602和给定负载的参数。在图6的示例中，负载表示为电阻器604、606、608以及被连接至电阻604、606、608的LED 610、612、614。也即，电阻器604、606、608被用于与由电源630提供的电源电压水平一起来配置电流水平。在图6中，电流整形器由MOSFET 616以及电阻器R1形成。R1的一个目的在于限制MOSFET616的开关速度。外部脉冲发生器Vpulse被用于控制MOSFET 616的周期。MOSFET 616被用于基于由Vpulse提供的脉冲序列来调制电流(也即MOSFET 616使得脉冲电流产生)。电阻器618可以被用于降低MOSFET616上的电压。靠近电阻器618的LED 620提供了脉冲的可视参考。二极管622为续流二极管。此外，电感器624和626分别代表用于典型的墙壁调光器电路中的电感器以及装置中的寄生电感，其中这种电感通常存在。续流二极管可以被用于允许电感器的退磁。在根据图2a至图2e的预期的电源接口电路中，该退磁由提供比市电电压更高的正向电压的电流整形器来执行。

在测试估计期间，通过手动按压按钮628以提供触发电流，同时向MOSFET 616提供静态导通信号(占空比＝100％)，可以激活图6的电路。随后，可以减小MOSFET驱动信号的占空比，直至TRIAC602关断。在稍大一点的占空比处，可以再次导通电路并将其保持在导通状态达任何期望的时间周期。因此，通过微调电流整形器的组件的值，可找到合适的占空比(也即，其中TRIAC被保持在导通状态达任何期望的时间周期)。

作为示例，使用具有13.2mA静态DC保持电流的TRIAC。对于本发明示例而言，流经负载的电流每隔约23μs就被激活约3μs。由于电感，该电流缓慢地提高和下降。继而测量电流消耗的平均值仅为约8mA。该电流与为13.2mA的上述TRIAC的DC保持电流相比较。因此，作为结果，用于将TRIAC在脉冲模式保持导通的最小平均电流显著小于DC模式下的最小平均电流。在230V系统中，8mA将对应于具有1.2W的最大功耗(如果没有被可调电源电路调整)的负载。

重复率、激活周期和峰电流的组合(在该示例中，分别为23μs、3μs和55mA)可以因此被微调至电路的需求。可以有更高的重复率、更长的激活周期以及更高的电流，其中例如在较高峰电流下可能具有较低重复率。

本领域技术人员知晓的是本发明无意限制于上述优选实施方式。相反，在所附权利要求范围内的许多变形和改变都是可能的。

Claims (14)

1.一种电源接口，用于将负载(106、204)连接至具有依赖于时间的保持电流水平的可调电源电路(104、202)，所述电源接口包括：

电流整形器(110、210)，被配置为可操作地连接在所述负载和所述可调电源电路之间；其特征在于

所述电流整形器被配置为中断并重新建立来自所述可调电源电路的电流，从而确保流过所述可调电源电路的电流周期性地位于所述保持电流水平之上，从而即使在所述负载的平均电流消耗低于所述保持电流水平时，也保持所述可调电源电路处于导通状态。

2.根据权利要求1所述的电源接口，其中所述电流整形器被配置为形成周期性的脉冲电流。

3.根据权利要求2所述的电源接口，其中所述脉冲电流包括无电流的脉冲以及电流高于所述可调电源电路的所需保持电流水平的脉冲。

4.根据权利要求2或3所述的电源接口，其中所述电流整形器的周期T1为5μs-50μs。

5.根据权利要求4所述的电源接口，其中所述电流整形器的周期T1为15μs-30μs。

6.根据权利要求4所述的电源接口，其中所述周期T1由所述可调电源电路中的电容限定。

7.根据权利要求1或2所述的电源接口，其中所述电流整形器被配置为向所述负载提供比提供给所述可调电源电路的市电电压的峰值更高的最小正向电压。

8.根据权利要求1或2所述的电源接口，其中所述电流整形器为升压转换器。

9.根据权利要求8的电源接口，其中所述升压转换器针对固定峰值电流进行配置。

10.根据权利要求1或2所述的电源接口，其中所述可调电源电路被包括在调光器中。

11.根据权利要求1或2所述的电源接口，其中所述保持电流水平由所述可调电源电路的电路拓扑以及包括在所述可调电源电路中的开关来确定。

12.根据权利要求1或2所述的电源接口，进一步包括电容器(220)，其并联布置在所述电流整形器和所述负载之间。

13.根据权利要求12所述的电源接口，其中所述负载包括光源(216)。

14.根据权利要求13所述的电源接口，其中所述电容器(220)的电容根据由所述光源(216)输出的光中的闪烁的预定最大量来确定。