本發(fā)明涉及集成式功率轉(zhuǎn)換器領(lǐng)域。本發(fā)明能夠特別適用于發(fā)光二極管(led)光源的驅(qū)動(dòng)電路。更具體地，本發(fā)明涉及一種緊湊有效的功率轉(zhuǎn)換裝置。

背景技術(shù)：

需要功率轉(zhuǎn)換模塊的高度集成的應(yīng)用(例如使用開(kāi)關(guān)模式電源(smps)可以訴諸于諸如開(kāi)關(guān)電容器轉(zhuǎn)換器(scc)的功率轉(zhuǎn)換器，該開(kāi)關(guān)電容器轉(zhuǎn)換器(scc)能夠只使用電容器和開(kāi)關(guān)就提供高效的直流-直流電壓轉(zhuǎn)換。

值得注意的是，固態(tài)照明(ssl)行業(yè)對(duì)用于led的小的緊湊型功率管理單元的需求正在增加。led要求電源盡可能高效地以恒定電流的形式進(jìn)行輸送。理想地，與led本身尺寸相當(dāng)?shù)膌ed驅(qū)動(dòng)器將代表實(shí)現(xiàn)新的照明概念的重大突破。這樣的解決方案將需要具有高水平的可靠性和效率的系統(tǒng)，以滿足壽命、尺寸和散熱的要求。

led驅(qū)動(dòng)器可以基于smps。smps可以包括scc，scc允許高集成度并實(shí)現(xiàn)大的功率轉(zhuǎn)換比，但是具有提供多個(gè)離散轉(zhuǎn)換比的缺點(diǎn)，這使得scc不能適合于需要輸出功率的精細(xì)調(diào)節(jié)的應(yīng)用。

smps還可以包括傳統(tǒng)的電感轉(zhuǎn)換器，其包括至少一個(gè)電感器和至少一個(gè)開(kāi)關(guān)。電感轉(zhuǎn)換器允許對(duì)輸出功率進(jìn)行精細(xì)調(diào)節(jié)并且可以高效地提供任意的轉(zhuǎn)換比，但是電感轉(zhuǎn)換器的一個(gè)缺點(diǎn)是它們不能夠容易地集成在緊湊的結(jié)構(gòu)中。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

混合開(kāi)關(guān)電容器轉(zhuǎn)換器(h-scc)結(jié)合至少一個(gè)濾波電感器使用在scc的內(nèi)部節(jié)點(diǎn)中可用的脈沖寬度調(diào)制電壓來(lái)擴(kuò)展轉(zhuǎn)換范圍并提高scc的效率。

然而，本發(fā)明人已經(jīng)觀察到，當(dāng)在極端的占空比中操作時(shí)，使用h-scc會(huì)導(dǎo)致大的效率降低，因而限制了轉(zhuǎn)換器的可能的轉(zhuǎn)換范圍。

下面描述的本發(fā)明的實(shí)施例有利于在vin/vo比的寬動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)高性能操作(高轉(zhuǎn)換效率和平滑的輸出電流(低紋波))。

根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種用于向負(fù)載提供脈沖寬度調(diào)制(pwm)信號(hào)的功率轉(zhuǎn)換裝置，其包括至少具有輸出的電感輸出濾波器，所述輸出被配置為連接到所述負(fù)載，該功率轉(zhuǎn)換裝置包括：由dc輸入電壓(vin)供電并被配置為提供輸出電壓的轉(zhuǎn)換比控制級(jí)；功率轉(zhuǎn)換模塊，其由輸出電壓供電并被配置為提供多個(gè)輸出信號(hào)(pwm1、...、pwmn)，其中所述多個(gè)輸出信號(hào)中的一個(gè)被提供給輸出濾波器；以及控制器，其被配置為：基于所述dc輸入電壓(vin)和目標(biāo)參考電壓(vset)來(lái)確定所請(qǐng)求的轉(zhuǎn)換比(m)；以及基于所確定的所請(qǐng)求的轉(zhuǎn)換比，控制轉(zhuǎn)換比控制級(jí)在第一操作模式和第二操作模式中的一個(gè)下操作，其中當(dāng)轉(zhuǎn)換比控制級(jí)在第一操作模式下操作時(shí)，功率轉(zhuǎn)換模塊根據(jù)第一轉(zhuǎn)換比(m1)提供所述多個(gè)輸出信號(hào)，并且當(dāng)轉(zhuǎn)換比控制級(jí)在第二操作模式下操作時(shí)，功率轉(zhuǎn)換模塊根據(jù)第二轉(zhuǎn)換比(m2)提供所述多個(gè)輸出信號(hào)。

在示例性實(shí)施例中，功率轉(zhuǎn)換裝置包括用于連接到提供所述dc輸入電壓的電壓源的輸入，并且轉(zhuǎn)換比控制級(jí)布置為連接在所述輸入和電壓源之間。在替代的示例性實(shí)施例中，轉(zhuǎn)換比控制級(jí)被集成到功率轉(zhuǎn)換模塊中。

轉(zhuǎn)換比控制級(jí)可以包括多個(gè)開(kāi)關(guān)，并且控制器可以通過(guò)控制轉(zhuǎn)換比控制級(jí)的開(kāi)關(guān)配置來(lái)控制轉(zhuǎn)換比控制級(jí)的操作模式。

控制器還可以被配置為將所請(qǐng)求的轉(zhuǎn)換比與多個(gè)轉(zhuǎn)換比閾值進(jìn)行比較，以確定功率轉(zhuǎn)換模塊的操作區(qū)域。

控制器可以被配置為基于所確定的操作區(qū)域來(lái)控制轉(zhuǎn)換比控制級(jí)在第一操作模式和第二操作模式中的一個(gè)下操作。

控制器可以包括多個(gè)比較器，所述多個(gè)比較器中的每一個(gè)被配置為將所請(qǐng)求的轉(zhuǎn)換比與所述多個(gè)轉(zhuǎn)換比閾值中的一個(gè)進(jìn)行比較。

控制器可以包括除法器級(jí)，除法器級(jí)被配置為通過(guò)將目標(biāo)參考電壓(vset)除以dc輸入電壓(vin)來(lái)計(jì)算所請(qǐng)求的轉(zhuǎn)換比。

功率轉(zhuǎn)換裝置還可以包括選擇模塊，其中功率轉(zhuǎn)換模塊經(jīng)由選擇模塊耦合到輸出濾波器，其中控制器還被配置為基于所確定的所請(qǐng)求的轉(zhuǎn)換比控制選擇模塊來(lái)選擇所述多個(gè)輸出信號(hào)(pwm1、...、pwmn)中的一個(gè)輸出信號(hào)。可替代地，功率轉(zhuǎn)換裝置還可以包括多個(gè)輸出信號(hào)中的所述一個(gè)輸出信號(hào)到輸出濾波器的布線。

在一個(gè)實(shí)施例中，第一轉(zhuǎn)換比為1/n，其中n為大于或等于2的整數(shù)值，第二轉(zhuǎn)換比為1/(n-0.5)。在另一個(gè)實(shí)施例中，第一轉(zhuǎn)換比為1/n，其中n為大于或等于2的整數(shù)值，并且第二轉(zhuǎn)換比為1/(n-1)。

在示例性實(shí)施例中，所述多個(gè)輸出信號(hào)具有作為輸入電壓(vin)電平的一部分的電平幅度，其中每個(gè)輸出信號(hào)以從所確定的最低部分電平幅度到所確定的最高部分電平幅度的多個(gè)步長(zhǎng)劃分的偏置分量浮置。

功率轉(zhuǎn)換模塊可以包括開(kāi)關(guān)電容器轉(zhuǎn)換器(scc)，開(kāi)關(guān)電容器轉(zhuǎn)換器包括由控制器控制的多個(gè)開(kāi)關(guān)。

功率轉(zhuǎn)換模塊可以基于包括第一組開(kāi)關(guān)和第二組開(kāi)關(guān)的迪克森(dickson)梯拓?fù)洹?/p>

在示例性實(shí)施例中，所述多個(gè)輸出信號(hào)(pwm1、...、pwmn)由功率轉(zhuǎn)換模塊的相應(yīng)內(nèi)部節(jié)點(diǎn)(n1、...、n4、sn1)處的電壓(vx1、...、vxn)形成。

根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種光模塊，其包括至少一個(gè)光源和用于向所述至少一個(gè)光源提供脈沖寬度調(diào)制(pwm)信號(hào)的功率轉(zhuǎn)換裝置，所述功率轉(zhuǎn)換裝置包括：感應(yīng)輸出濾波器，其至少具有被配置為連接到所述至少一個(gè)光源的輸出；功率轉(zhuǎn)換模塊，其由輸出電壓供電并被配置為提供多個(gè)輸出信號(hào)(pwm1、...、pwmn)，其中所述多個(gè)輸出信號(hào)中的一個(gè)被提供給輸出濾波器；耦合到所述功率轉(zhuǎn)換模塊的轉(zhuǎn)換比控制級(jí)；以及控制器，其被配置為：基于dc輸入電壓(vin)和目標(biāo)參考電壓(vset)來(lái)確定所請(qǐng)求的轉(zhuǎn)換比(m)；以及基于所確定的所請(qǐng)求的轉(zhuǎn)換比，控制轉(zhuǎn)換比控制級(jí)在第一操作模式和第二操作模式中的一個(gè)下操作，其中當(dāng)轉(zhuǎn)換比控制級(jí)在第一操作模式下操作時(shí)，功率轉(zhuǎn)換模塊根據(jù)第一轉(zhuǎn)換比(m1)提供所述多個(gè)輸出信號(hào)，并且當(dāng)轉(zhuǎn)換比控制級(jí)在第二操作模式下操作時(shí)，功率轉(zhuǎn)換模塊根據(jù)第二轉(zhuǎn)換比(m2)提供所述多個(gè)輸出信號(hào)。

這些和其他方面將從以下描述的實(shí)施例中變得顯而易見(jiàn)。本公開(kāi)的范圍并不旨在受限于本發(fā)明內(nèi)容，或受限于必須解決任何或所有所指出的缺點(diǎn)的實(shí)施方式。

附圖說(shuō)明

為了更好地理解本公開(kāi)以及為了示出可以如何實(shí)施實(shí)施例，將參考附圖，其中：

圖1示出了作為10：1分壓器工作的h-scc的轉(zhuǎn)換比和占空比的典型效率曲線；

圖2a和2b示出了本發(fā)明的示例性實(shí)施例的示例性構(gòu)架；

圖2c示出了功率轉(zhuǎn)換裝置；

圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例的功率轉(zhuǎn)換裝置的部件；

圖4示出了功率轉(zhuǎn)換裝置的控制器的圖；

圖5示出了由功率轉(zhuǎn)換裝置的控制器實(shí)現(xiàn)的控制環(huán)的圖；

圖6示出了根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例的控制器的組合邏輯的真值表；

圖7a-7c示出了根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例的組合邏輯的示例性邏輯級(jí)；

圖8示出了當(dāng)作為5：1分壓器和4.5：1分壓器工作時(shí)的功率轉(zhuǎn)換裝置的h-scc的效率對(duì)轉(zhuǎn)換比的曲線；

圖9示出了配置成作為5：1分壓器和4.5：1分壓器工作的h-scc級(jí)的仿真結(jié)果；

圖10示出了根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例的功率轉(zhuǎn)換裝置的部件。

圖11示出了當(dāng)作為5：1分壓器和4：1分壓器工作時(shí)，功率轉(zhuǎn)換裝置的h-scc級(jí)的效率對(duì)轉(zhuǎn)換比的曲線；

圖12示出了轉(zhuǎn)換比控制級(jí)被集成在h-scc級(jí)206內(nèi)的示例性結(jié)構(gòu)；以及

圖13示出了在根據(jù)圖12的構(gòu)架的本發(fā)明的示例性實(shí)施例中的h-scc級(jí)的功率轉(zhuǎn)換模塊和轉(zhuǎn)換比控制級(jí)中的開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)。

具體實(shí)施方式

對(duì)于led驅(qū)動(dòng)器功率轉(zhuǎn)換器，基本要求是在多種模式下操作的能力，該要求可以涵蓋各種電氣規(guī)格，例如輸入或輸出電壓、轉(zhuǎn)換比、效率等。

scc可以通過(guò)使輸入電壓逐漸升高或逐漸降低來(lái)產(chǎn)生調(diào)節(jié)的輸出電壓。

scc的效率η可以表示為獨(dú)立于開(kāi)關(guān)電阻的電壓傳輸比的函數(shù)：

其中vo是轉(zhuǎn)換器的輸出電壓，vin是轉(zhuǎn)換器的輸入電壓，vset是目標(biāo)電壓，m是轉(zhuǎn)換比。

多模式功率轉(zhuǎn)換器可以具有多個(gè)期望的操作條件，這些期望的操作條件被不期望的操作條件分開(kāi)。特別地，當(dāng)負(fù)載所需的電壓在范圍vo1或范圍vo2內(nèi)時(shí)，多模式功率轉(zhuǎn)換器可以以期望的方式向耦合至轉(zhuǎn)換器的至少一個(gè)輸出端的至少一個(gè)負(fù)載供給功率，其中：

va>vo1>vb

vc>vo2>vd

其中vc>vb

因此，當(dāng)負(fù)載所需的電壓在vo3范圍內(nèi)時(shí)，其中：

vb<vo3<vc

轉(zhuǎn)換器可能根本不工作，或者只有非常有限的性能。

這些電壓“間隙”導(dǎo)致scc的效率迅速下降，甚至降為零。

圖1示出當(dāng)作為10：1分壓器(即，設(shè)計(jì)有十個(gè)操作區(qū)域，這些操作區(qū)域可以提供十個(gè)轉(zhuǎn)換比范圍，這使得功率轉(zhuǎn)換器能夠應(yīng)用于寬電壓范圍應(yīng)用)工作時(shí)的混合開(kāi)關(guān)電容器轉(zhuǎn)換器(h-scc)的效率對(duì)轉(zhuǎn)換比的曲線102。轉(zhuǎn)換比與每個(gè)操作區(qū)域內(nèi)的占空比成比例，從而調(diào)整操作區(qū)域(例如使用脈沖寬度調(diào)制(pwm))是實(shí)現(xiàn)期望的轉(zhuǎn)換比的一般方法。

當(dāng)使用h-scc時(shí)，轉(zhuǎn)換比受到由scc級(jí)提供的不同電壓范圍之間的邊界限制。在邊界區(qū)域，scc級(jí)以極端的占空比操作，其中占空比通常低于10％或高于90％。這導(dǎo)致scc級(jí)的等效輸出阻抗的大幅增加，導(dǎo)致轉(zhuǎn)換器效率的急劇下降，因此功率轉(zhuǎn)換器在這些邊界處實(shí)現(xiàn)非常有限的性能。這些效率“間隙”或“凹口”在圖1中示出，并且由本發(fā)明的實(shí)施例來(lái)解決。

盡管圖1示出了當(dāng)作為10：1分壓器操作時(shí)關(guān)于混合開(kāi)關(guān)電容器轉(zhuǎn)換器(h-scc)的效率“間隙”，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，當(dāng)混合開(kāi)關(guān)電容器轉(zhuǎn)換器(h-scc)提供不同的轉(zhuǎn)換比時(shí)，也將觀察到這些效率“間隙”。例如，當(dāng)混合開(kāi)關(guān)電容器轉(zhuǎn)換器(h-scc)作為5：1分壓器(即設(shè)計(jì)有能夠提供五個(gè)轉(zhuǎn)換比范圍的五個(gè)操作區(qū)域)操作時(shí)，在不同電壓范圍之間的邊界處將觀察到上述轉(zhuǎn)換器的效率的降低。

本公開(kāi)的實(shí)施例涉及通過(guò)控制被配置為控制h-scc的轉(zhuǎn)換比的轉(zhuǎn)換比控制級(jí)來(lái)解決上述效率“間隙”。

在實(shí)施例中，轉(zhuǎn)換比控制級(jí)耦合到h-scc；具體地，轉(zhuǎn)換比控制級(jí)耦合到h-scc的scc級(jí)。

轉(zhuǎn)換比控制級(jí)204可以多種方式耦合到h-scc206。轉(zhuǎn)換比控制級(jí)204可以如圖2a所示放置在主功率級(jí)(h-scc)之前的功率線輸入處，或者如圖2b所示集成在所述主功率級(jí)內(nèi)。

首先關(guān)于圖2a所示的布置來(lái)描述實(shí)施例。

現(xiàn)在參考圖2c，其示出了根據(jù)圖2a所示的布置的功率轉(zhuǎn)換裝置200。功率轉(zhuǎn)換裝置200包括用于連接到提供dc電壓的電壓源202的輸入端(以下標(biāo)記為vin)和例如可以是電阻負(fù)載或發(fā)光裝置的負(fù)載214。發(fā)光裝置可以包括一個(gè)或多個(gè)光源，例如單個(gè)led或一組led，例如一串led。雖然這里提到的是led光源，但是任何合適的光源都可以由功率轉(zhuǎn)換裝置200驅(qū)動(dòng)，例如，有機(jī)發(fā)光二極管(oled)或激光二極管，

功率轉(zhuǎn)換裝置200包括轉(zhuǎn)換比控制級(jí)204、h-scc206和控制器216。

h-scc206包括具有輸送pwm電壓的多個(gè)輸出pwm1、pwm2...pwmn的scc級(jí)208(在本文中另行稱為功率轉(zhuǎn)換模塊)。根據(jù)本發(fā)明，所述多個(gè)輸出pwm1、pwm2、...pwmn中的一個(gè)可以通過(guò)諸如選擇模塊的適當(dāng)?shù)倪x擇裝置來(lái)選擇，并且例如通過(guò)輸出濾波器212連接到輸出。例如，所述多個(gè)輸出pwm1、pwm2......pwmn可以連接到多路復(fù)用器210(在本文中另行稱為選擇模塊)的多個(gè)相應(yīng)的輸入，該多路復(fù)用器210在其輸出從所述多個(gè)輸入輸出一個(gè)pwm電壓pwmx，如下文進(jìn)一步詳述的。因此，多路復(fù)用器210可以是n：1多路復(fù)用器。應(yīng)當(dāng)理解，h-scc206并不必須包括在下文描述的示例性實(shí)施例中圖示的多路復(fù)用器。選擇模塊例如可以由通過(guò)輸出濾波器212將輸出pwm1、pwm2、...pwmn中的一個(gè)適當(dāng)?shù)夭季€到輸出來(lái)形成。

多路復(fù)用器210的輸出連接到輸出濾波器212。輸出濾波器212可以顯著地至少包括一個(gè)電容器或一個(gè)電感器。

控制器216通過(guò)根據(jù)表示由電源202提供的感測(cè)電壓、h-scc206的dc輸出電壓(以下稱為vdc)和/或表示感測(cè)的負(fù)載電壓、負(fù)載電流或負(fù)載功率(例如負(fù)載電壓(以下稱為vo))的信號(hào)的輸入信號(hào)控制scc級(jí)208和多路復(fù)用器210，來(lái)允許控制環(huán)。

控制器216接收由電源202提供的電壓作為第一輸入220。控制器216還接收h-scc206的dc輸出電壓作為第二輸入228。

控制器216的第一輸出222允許通過(guò)借助模擬控制來(lái)控制scc級(jí)208的占空比而控制scc級(jí)208。

控制器216的第二輸出224允許控制多路復(fù)用器210的多路復(fù)用器通道。

如圖2c所示，轉(zhuǎn)換比控制級(jí)204被置于h-scc之前的功率線輸入端。在下面描述的實(shí)施例中，使用半點(diǎn)scc204來(lái)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換比控制級(jí)204?？刂破?16的第三輸出226允許半點(diǎn)scc204的控制，這將在下面進(jìn)一步詳細(xì)描述。

現(xiàn)在參照?qǐng)D3，其示出了在本發(fā)明的示例性實(shí)施例中更詳細(xì)地示出了半點(diǎn)scc204和h-scc206的電氣圖。

半點(diǎn)scc204包括四個(gè)開(kāi)關(guān)sx1、sx2、sx3和sx4以及單個(gè)電容器chp?？梢愿鶕?jù)四種開(kāi)關(guān)配置中的一種來(lái)控制半點(diǎn)scc204。這里使用轉(zhuǎn)換比控制級(jí)204的開(kāi)關(guān)配置來(lái)表示轉(zhuǎn)換比控制級(jí)的開(kāi)關(guān)的打開(kāi)和閉合的順序。例如，這里使用半點(diǎn)scc204的開(kāi)關(guān)配置來(lái)表示開(kāi)關(guān)sx1-sx4的打開(kāi)和閉合的順序。

在第一開(kāi)關(guān)配置中，在第一時(shí)間相位φ1期間，所有開(kāi)關(guān)sx1、sx2、sx3和sx4都斷開(kāi)，并且在第二時(shí)間相位φ2期間，開(kāi)關(guān)sx1和sx3接通而開(kāi)關(guān)sx2和sx4斷開(kāi)。也就是說(shuō)，在第二時(shí)間相位φ2期間，電壓vin被提供給h-scc206的第一中心節(jié)點(diǎn)n1。

在第二開(kāi)關(guān)配置中，在第一時(shí)間相位φ1期間，所有開(kāi)關(guān)sx1、sx2、sx3和sx4都斷開(kāi)，并且在第二時(shí)間相位φ2期間，開(kāi)關(guān)sx2和sx4接通而開(kāi)關(guān)sx1和sx3斷開(kāi)。也就是說(shuō)，在第二時(shí)間相位φ2期間，電壓vin被提供給h-scc206的第一中心節(jié)點(diǎn)n1。

在第三開(kāi)關(guān)配置中，在第一時(shí)間相位φ1期間，開(kāi)關(guān)sx1和sx4接通而開(kāi)關(guān)sx2和sx3斷開(kāi)，并且在第二時(shí)間相位φ2期間，開(kāi)關(guān)sx1和sx4斷開(kāi)而開(kāi)關(guān)sx2和sx3接通。

在第四開(kāi)關(guān)配置中，在第一時(shí)間相位φ1期間，開(kāi)關(guān)sx1和sx4斷開(kāi)而開(kāi)關(guān)sx2和sx3接通，并且在第二時(shí)間相位φ2期間，開(kāi)關(guān)sx1和sx4接通而開(kāi)關(guān)sx2和sx3斷開(kāi)。

scc級(jí)208適于提供如上所述的多個(gè)pwm輸出信號(hào)，其具有作為輸入dc電壓vin的一部分的電平幅度。在該示例性實(shí)施例中，pwm輸出信號(hào)是幅度為輸入dc電壓vin的一部分的方波電壓。在非限制性示出的示例性實(shí)施例中，在從最低部分幅度到最高部分幅度的多個(gè)步長(zhǎng)中，每個(gè)方波電壓都以等分的偏置分量浮置?？梢酝ㄟ^(guò)多路復(fù)用器210選擇任何電壓，并且可以通過(guò)多路復(fù)用器210的輸出輸出該電壓，其中多路復(fù)用器210的輸出端連接到輸出濾波器212，從而向負(fù)載214提供連續(xù)電壓。

在圖3所示的非限制性示例性實(shí)施例中，h-scc206由包括多個(gè)開(kāi)關(guān)和電容器的scc級(jí)形成。例如，scc級(jí)208包括所謂的迪克森梯轉(zhuǎn)換器。應(yīng)當(dāng)注意，可以使用其他scc拓?fù)洌鐦?biāo)準(zhǔn)梯、斐波納契或串-并聯(lián)拓?fù)洹?/p>

所示的示例性實(shí)施例更具體地使用基于五個(gè)電容器c1至c5和單極單擲類型的八個(gè)開(kāi)關(guān)s1至s8的迪克森梯拓?fù)?。更具體地，scc級(jí)208包括兩個(gè)飛梯(flyingladder)：第一飛梯包括串聯(lián)放置的四個(gè)電容器c3和c5，并且第二飛梯包括串聯(lián)放置的兩個(gè)電容器c2和c4。

scc級(jí)208還包括六個(gè)中心節(jié)點(diǎn)n1至n6。第一中心節(jié)點(diǎn)n1接收半點(diǎn)scc204的電壓輸出。第一開(kāi)關(guān)s1選擇性地將第一中心節(jié)點(diǎn)n1連接到第二中心節(jié)點(diǎn)n2。第二開(kāi)關(guān)s2選擇性地將第二中心節(jié)點(diǎn)n2連接到第三中心節(jié)點(diǎn)n3。第三開(kāi)關(guān)s3選擇性地將第三中心節(jié)點(diǎn)n3連接到第四中心節(jié)點(diǎn)n4。第四開(kāi)關(guān)s4選擇性地將第四中心節(jié)點(diǎn)n4連接到第五中心節(jié)點(diǎn)n5。第一電容器c1被放置在第五中心節(jié)點(diǎn)n5和第六中心節(jié)點(diǎn)n6之間，其中第六中心節(jié)點(diǎn)n6連接到參考電壓，例如接地。

包括電容器c3和c5的第一飛梯位于第一中心節(jié)點(diǎn)n1和第一次級(jí)節(jié)點(diǎn)sn1之間。第五開(kāi)關(guān)s5選擇性地將第一次級(jí)節(jié)點(diǎn)sn1連接到第六中心節(jié)點(diǎn)n6；第六開(kāi)關(guān)s6選擇性地將第一次級(jí)節(jié)點(diǎn)sn1連接到第五中心節(jié)點(diǎn)n5。

包括電容器c2和c4的第二飛梯位于第二中心節(jié)點(diǎn)n2和第二次級(jí)節(jié)點(diǎn)sn2之間。第七開(kāi)關(guān)s7選擇性地將第二次級(jí)節(jié)點(diǎn)sn2連接到第五中心節(jié)點(diǎn)n5；第八開(kāi)關(guān)s8選擇性地將第二次級(jí)節(jié)點(diǎn)sn2連接到第六中心節(jié)點(diǎn)n6。

由于打開(kāi)和閉合開(kāi)關(guān)s1至s8的適當(dāng)?shù)捻樞?，兩個(gè)飛行梯被相反地相控(phased)。例如，所有的奇數(shù)號(hào)開(kāi)關(guān)s1、s3、...、s7都可以在第一時(shí)間相位φ1期間處于給定狀態(tài)，例如接通，而所有偶數(shù)號(hào)開(kāi)關(guān)s2、s4、...、s8都可以是相反的，例如斷開(kāi)；在接下來(lái)的第二時(shí)間相位φ2期間，所有開(kāi)關(guān)的狀態(tài)可以顛倒?？刂破?16被配置為生成pwm信號(hào)以如上所述地控制第一時(shí)間相位φ1和第二時(shí)間相位φ2中的開(kāi)關(guān)s1至s8(即，控制scc級(jí)208的開(kāi)關(guān)配置)。

從中心節(jié)點(diǎn)n1到n4傳輸?shù)男盘?hào)形成scc級(jí)208的同樣多的輸出，并且是在所示實(shí)施例中形成h-scc206的開(kāi)關(guān)電容器轉(zhuǎn)換器的內(nèi)部節(jié)點(diǎn)(在圖3中被標(biāo)注為電壓vx1至vx4)，連接到多路復(fù)用器210的同樣多的輸入。在該示例性實(shí)施例中，多路復(fù)用器210因此包括四個(gè)開(kāi)關(guān)，從而允許選擇性地將四個(gè)輸入中的一個(gè)連接到輸出vx，并且多路復(fù)用器210包括連接到第一次級(jí)節(jié)點(diǎn)sn1的附加開(kāi)關(guān)，用于進(jìn)一步改進(jìn)施加到輸出濾波器212的電壓電平的限定或動(dòng)態(tài)特性。根據(jù)關(guān)于負(fù)載操作的要求，可以通過(guò)減少開(kāi)關(guān)數(shù)量來(lái)簡(jiǎn)化多路復(fù)用器210的結(jié)構(gòu)。

如上所述，多路復(fù)用器212是選擇模塊的可能實(shí)現(xiàn)方式?？梢酝ㄟ^(guò)提供功率轉(zhuǎn)換模塊的多個(gè)輸出pwm1、pwm2、...、pwmn之中的所選擇輸出的適當(dāng)?shù)牟季€來(lái)實(shí)現(xiàn)h-scc206的更簡(jiǎn)單的構(gòu)架，這可以滿足一些應(yīng)用的負(fù)載操作要求。在這種情況下，選擇模塊由所述適當(dāng)?shù)牟季€形成。這樣的實(shí)施例例如通過(guò)制造過(guò)程中的簡(jiǎn)單的附加布線步驟而明顯地帶來(lái)了仍然提供能夠適應(yīng)于給定負(fù)載的成本有效且緊湊的構(gòu)架的優(yōu)點(diǎn)。

仍然在圖3所示的示例性實(shí)施例中，上文稱為vdc的scc級(jí)208的dc輸出電壓是第一電容器c1兩端的電壓，即第五中心節(jié)點(diǎn)n5和第六中心節(jié)點(diǎn)n6之間的電壓。

在圖3所示的示例性實(shí)施例中，輸出濾波器212可以包括濾波電感l(wèi)o和濾波電容器co，其中濾波電感l(wèi)o連接在多路復(fù)用器210的輸出和與濾波電容器co并聯(lián)的負(fù)載214之間。

因此，本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是在多路復(fù)用器210的輸出處的電壓vx信號(hào)的紋波急劇地降低，這使得能夠在體積方面減輕對(duì)濾波電感l(wèi)o的要求，使得電感l(wèi)o能夠容易地集成在小的封裝中，其尺寸類似于負(fù)載214本身(例如由led模塊形成)的尺寸。通常，電感值與電壓紋波成正比，因此如果電壓紋波被減小n倍，則電感器的尺寸可以減小相同的倍數(shù)n。

這種小紋波也提供了允許減少電磁發(fā)射的優(yōu)點(diǎn)，從而改善電磁干擾(emi)。它們還提供了進(jìn)一步的優(yōu)點(diǎn)，即功率轉(zhuǎn)換裝置中包括的開(kāi)關(guān)中的電壓和電流應(yīng)力可以急劇降低，因此顯著地改善了功率轉(zhuǎn)換裝置的壽命。

根據(jù)本公開(kāi)的實(shí)施例，根據(jù)半點(diǎn)scc204的開(kāi)關(guān)配置來(lái)控制h-功率轉(zhuǎn)換裝置200的操作。

也就是說(shuō)，如下表1所述，通過(guò)控制半點(diǎn)scc204的開(kāi)關(guān)配置，可以配置功率轉(zhuǎn)換裝置200的轉(zhuǎn)換比。

表1：半點(diǎn)scc204的開(kāi)關(guān)配置

如表1所示，當(dāng)半點(diǎn)scc204在第一操作模式下操作時(shí)(根據(jù)上述第一或第二開(kāi)關(guān)配置操作，即斷開(kāi))，功率轉(zhuǎn)換裝置200作為5:1分壓器即除以5的分壓器(具有第一轉(zhuǎn)換比，m1(1/5))操作。當(dāng)半點(diǎn)scc204在第二操作模式下操作時(shí)(根據(jù)上述第三或第四開(kāi)關(guān)配置操作，即接通)，功率轉(zhuǎn)換裝置200的轉(zhuǎn)換比減小0.5，在這種情況下功率轉(zhuǎn)換裝置200作為4.5:1分壓器即除以4.5的分壓器(具有第二轉(zhuǎn)換比，m2(1/4.5))操作。

當(dāng)根據(jù)第四開(kāi)關(guān)配置的第三個(gè)來(lái)配置半點(diǎn)scc204時(shí)，電容器chp此時(shí)包括在scc拓?fù)渲小Ｔ谝粋€(gè)相位期間，電容器chp連接在輸入源vin和中心節(jié)點(diǎn)n1之間，而在另一個(gè)相位期間，電容器chp以顛倒的極性連接在vin和中心節(jié)點(diǎn)n1之間。對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員顯而易見(jiàn)的是，這使得功率轉(zhuǎn)換裝置200以半個(gè)步長(zhǎng)改變其轉(zhuǎn)換比。

當(dāng)作為5：1分壓器工作時(shí)，可以發(fā)現(xiàn)scc級(jí)208的輸出電壓：

vx4:和vin(φ2)

vx3:和

vx2:和

vx1:和

sn1:0(φ1)和

當(dāng)作為4.5：1分壓器工作時(shí)，可以發(fā)現(xiàn)scc級(jí)208的輸出電壓：

vx4:和

vx3:和

vx2:和

vx1:和

sn1:0(φ1)和

控制器216被配置為根據(jù)由輸出電壓vo和電壓源202提供的輸入電壓vin提供特定的轉(zhuǎn)換比m，以控制負(fù)載電壓或輸出電流，由此m＝vo/vin?？刂破?16能夠?qū)崿F(xiàn)特定的轉(zhuǎn)換比，這是通過(guò)以下控制實(shí)現(xiàn)的：(i)使用控制器216的第一輸出來(lái)控制pwm信號(hào)(其控制開(kāi)關(guān)s1至s8)的占空比，(ii)使用控制器216的第二輸出來(lái)控制多路復(fù)用器210的多路復(fù)用器通道，以及(iii)使用控制器216的第三輸出來(lái)控制半點(diǎn)scc204。

圖4示出了示出本發(fā)明的示例性實(shí)施例中的控制器216的圖。

由控制器216實(shí)現(xiàn)的控制方案由兩個(gè)控制環(huán)組成。

第一控制環(huán)用于控制h-scc206的占空比，并能夠在輸出進(jìn)行緊密調(diào)節(jié)。使用具有增益h(s)、輸出感測(cè)電壓vsense的傳感器402感測(cè)輸出(在這種情況下為輸出電壓vout)。比較器404將感測(cè)電壓vsense與目標(biāo)參考電壓vset進(jìn)行比較。比較器404輸出作為vsense和vset之間的差的誤差信號(hào)。誤差信號(hào)被饋送到補(bǔ)償器406，然后被pwm調(diào)制器408調(diào)制以生成互補(bǔ)的一對(duì)pwm信號(hào)。多路復(fù)用器409在第一時(shí)間相位φ1中選擇性地將pwm信號(hào)中的一個(gè)提供給h-scc206的奇數(shù)號(hào)開(kāi)關(guān)(由此該pwm信號(hào)的反相在第二時(shí)間相位φ2中被提供給h-scc206的偶數(shù)號(hào)開(kāi)關(guān))。

應(yīng)當(dāng)理解，從控制器216輸出的信號(hào)222對(duì)應(yīng)于h-scc206的相位φ1(奇數(shù)號(hào)開(kāi)關(guān))，并且相位φ2始終是具有死區(qū)時(shí)間的互補(bǔ)信號(hào)，以避免時(shí)鐘信號(hào)的重疊。圖4中未示出φ2的生成，應(yīng)當(dāng)理解其嵌入在h-scc206內(nèi)(否則電路將不工作)。

pwm調(diào)制器408從控制器216生成兩個(gè)信號(hào)pwm和信號(hào)。多路復(fù)用器409根據(jù)所選擇的通道提供信號(hào)的選擇。信道0將pwm信號(hào)路由到輸出，并且信道1將信號(hào)路由到輸出。該多路復(fù)用器409由從組合邏輯414輸出的信號(hào)230驅(qū)動(dòng)。組合邏輯414包括用于輸出信號(hào)230的邏輯級(jí)416(下面進(jìn)一步詳細(xì)描述)。

根據(jù)h-scc206中選擇的內(nèi)部節(jié)點(diǎn)，設(shè)備具有不同的行為，并且必須提供正確的pwm信號(hào)以實(shí)現(xiàn)閉環(huán)調(diào)節(jié)。

奇數(shù)號(hào)開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)(vx1和vx3)具有反相的行為，因此平均節(jié)點(diǎn)電壓隨著占空比的增加而減小，因此當(dāng)選擇這些節(jié)點(diǎn)之一時(shí)，h-scc設(shè)備應(yīng)由反相的pwm信號(hào)驅(qū)動(dòng)。

偶數(shù)號(hào)節(jié)點(diǎn)(vx2和vx4)具有正行為，因此平均節(jié)點(diǎn)電壓隨著占空比的增加而增加，因此當(dāng)選擇這些節(jié)點(diǎn)之一時(shí)，h-scc設(shè)備應(yīng)由正pwm信號(hào)pwm驅(qū)動(dòng)。

圖5示出圖示了控制器216如何實(shí)現(xiàn)第一控制環(huán)的圖。

如圖5所示，流過(guò)負(fù)載214(例如led串)的電流可以通過(guò)測(cè)量檢測(cè)電阻器rsense兩端的感測(cè)電壓vsense來(lái)感測(cè)?？梢允褂梅糯笃麟娐?04從電流設(shè)定點(diǎn)電壓vset中減去感測(cè)電壓vsense。

比例積分(pi)控制器可以由放大器電路504和積分器電路506形成，例如基于運(yùn)算放大器(oa)。pi控制器允許最小化兩個(gè)測(cè)量電壓vsense和vset之間的誤差；pi控制器的響應(yīng)可以通過(guò)修改連接到oa的無(wú)源部件(即所示示例性實(shí)施例中的電阻器和電容器)的特性來(lái)調(diào)節(jié)。

pi控制器的輸出電壓vduty具有與功率轉(zhuǎn)換器的占空比操作對(duì)應(yīng)的量值。用于驅(qū)動(dòng)scc級(jí)208的開(kāi)關(guān)的信號(hào)可通過(guò)借助于比較器電路508(pwm調(diào)制器)比較pi控制器的輸出電壓vduty與鋸齒波電壓vsaw來(lái)獲得，從而輸出兩個(gè)互補(bǔ)的pwm信號(hào)pwm和鋸齒信號(hào)的頻率決定了pwm信號(hào)的頻率，并且其幅度決定了pi控制器的比例增益。可以在相位驅(qū)動(dòng)信號(hào)之間添加死區(qū)時(shí)間，以防止開(kāi)關(guān)的直通(shootthrough)。

雖然補(bǔ)償器506已經(jīng)以積分器電路—該積分器電路與放大器電路504形成pi控制器—的形式示出，但是將理解，補(bǔ)償器可以包括圖5中未示出的另外的電路，以提供本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的控制系統(tǒng)。例如，補(bǔ)償器可以另外包括用于形成pid控制器的導(dǎo)數(shù)電路。

回到圖4，現(xiàn)在參考控制器216使用的第二控制環(huán)。

第二控制環(huán)調(diào)節(jié)半點(diǎn)scc204和多路復(fù)用器210的通道，以使h-scc206在正確和最高效的操作區(qū)域中操作。第二控制環(huán)包括除法器級(jí)410，除法器級(jí)410接收由電壓源202提供的輸入電壓vin和目標(biāo)參考電壓vset作為輸入。除法器級(jí)410通過(guò)將目標(biāo)參考電壓vset除以輸入電壓vin(m＝vset/vin)來(lái)計(jì)算所請(qǐng)求的轉(zhuǎn)換比m。

使用多個(gè)比較器412a-412n將所計(jì)算的請(qǐng)求轉(zhuǎn)換比m與多個(gè)轉(zhuǎn)換比閾值mth1-mthx進(jìn)行比較。該比較提供h-scc206的操作區(qū)域和根據(jù)該操作區(qū)域來(lái)控制提供給在相位φ1中的奇數(shù)號(hào)開(kāi)關(guān)的pwm信號(hào)、多路復(fù)用器210的通道和半點(diǎn)scc204。術(shù)語(yǔ)操作區(qū)域在本文中用于指轉(zhuǎn)換比的范圍。

也就是說(shuō)，基于h-scc206的操作區(qū)域，選擇提供給在相位φ1中的奇數(shù)號(hào)開(kāi)關(guān)的pwm信號(hào)、多路復(fù)用器210的通道以及半點(diǎn)scc204的操作模式。該信息可以包含在由組合邏輯614制成的查詢表中。

組合邏輯614包括：邏輯級(jí)416，其提供輸出230以控制提供給在相位φ1中的奇數(shù)號(hào)開(kāi)關(guān)的pwm信號(hào)；邏輯級(jí)418，其提供輸出224以控制多路復(fù)用器210的通道；以及邏輯級(jí)420，其提供輸出226以控制半點(diǎn)scc204的操作模式。也就是說(shuō)，根據(jù)h-scc206的操作區(qū)域，控制器216控制半點(diǎn)scc204在第一操作模式下(即根據(jù)上述第一開(kāi)關(guān)配置或第二開(kāi)關(guān)配置)操作以控制h-scc206作為5：1分壓器操作，或者在第二操作模式下(即根據(jù)上述第三開(kāi)關(guān)配置或第四開(kāi)關(guān)配置)操作以控制h-scc206作為4.5：1分壓器操作。

可以使用本領(lǐng)域技術(shù)人員可用的模型數(shù)據(jù)或基于h-scc206的模擬(例如，基于功率轉(zhuǎn)換裝置200的效率對(duì)轉(zhuǎn)換比曲線)來(lái)獲得閾值mth1-mthx的值。比較器可以包括用于防止不穩(wěn)定性的遲滯(即施密特觸發(fā)器)，并且可以添加某種濾波以對(duì)從除法器級(jí)410輸出的指示所請(qǐng)求的轉(zhuǎn)換比m的信號(hào)進(jìn)行濾波。

在圖6中示出了組合邏輯414的真值表600。

為了使h-scc206作為5:1分壓器操作，使用七個(gè)比較器412，這七個(gè)比較器412被配置為具有限定h-scc級(jí)206可以操作的多個(gè)操作區(qū)域的七個(gè)轉(zhuǎn)換比閾值極限(表示為mth1-mth7)中的一個(gè)。

七個(gè)比較器412中的每一個(gè)提供作為輸入接收到組合邏輯614中的輸出信號(hào)(m1-m7)。邏輯級(jí)416、418和420中的每一個(gè)接收信號(hào)(m1-m7)作為輸入。

用于組合邏輯614的真值表600的第一行示出了當(dāng)計(jì)算出的請(qǐng)求轉(zhuǎn)換比m小于轉(zhuǎn)換比閾值極限mth1時(shí)，比較器412a的輸出為高(m1＝1)，因此h-scc級(jí)206正在第一操作區(qū)域中操作，并且組合邏輯414被配置為提供“高”pwm230以控制多路復(fù)用器409輸出信號(hào)到在相位φ1中的奇數(shù)號(hào)開(kāi)關(guān)，在輸出端226上提供“低”輸出以控制半點(diǎn)scc204在第一操作模式下操作，并使用輸出(ch0、ch1和ch2)選擇多路復(fù)用器210的第一通道(ch1)。

用于組合邏輯614的真值表600的第二行示出了當(dāng)計(jì)算出的請(qǐng)求轉(zhuǎn)換比m在轉(zhuǎn)換比閾值極限mth1與轉(zhuǎn)換比閾值極限mth2之間時(shí)，比較器412b的輸出為高(m2＝1)，因此h-scc級(jí)206正在第二操作區(qū)域中操作，并且組合邏輯414被配置為提供“低”pwm230以控制多路復(fù)用器409輸出pwm信號(hào)到處于相位φ1的奇數(shù)號(hào)開(kāi)關(guān)，在輸出端226上提供“高”輸出以控制半點(diǎn)scc204在第二操作模式下操作，并使用輸出(ch0、ch1和ch2)選擇多路復(fù)用器210的第二通道(ch2)。

根據(jù)上述描述，從真值表600可以顯而易見(jiàn)地看出，當(dāng)h-scc級(jí)206在第三至第七操作區(qū)域中操作時(shí)，組合邏輯614如何被配置進(jìn)行操作。

根據(jù)邏輯級(jí)418的輸出ch2、ch1和ch0224，選擇多路復(fù)用器通道中的一個(gè)。具體地，當(dāng)ch2＝0、ch1＝0且ch0＝0時(shí)，選擇多路復(fù)用器210的第一通道(ch1)；當(dāng)ch2＝0、ch1＝0且ch0＝1時(shí)，選擇多路復(fù)用器210的第二通道(ch2)；當(dāng)ch2＝0、ch1＝1且ch0＝0時(shí)，選擇多路復(fù)用器210的第三通道(ch3)；當(dāng)ch2＝0、ch1＝1且ch0＝1時(shí)，選擇多路復(fù)用器210的第四通道(ch4)；并且當(dāng)ch2＝1、ch1＝0且ch0＝0時(shí)，選擇多路復(fù)用器210的第五通道(ch5)。

圖7a中示出了示例性邏輯級(jí)416。邏輯級(jí)416接收從七個(gè)比較器412輸出的信號(hào)m1-m7作為輸入。在邏輯級(jí)416中提供邏輯門的布置，以便遵循真值表600。盡管在圖7a中示出了示例的邏輯級(jí)416，但實(shí)施例擴(kuò)展到遵循真值表600的邏輯門的其他布置。

在圖7b中示出了示例性邏輯級(jí)418。邏輯級(jí)418接收從七個(gè)比較器412輸出的信號(hào)m1-m7作為輸入。在邏輯級(jí)418中提供邏輯門的布置，以便遵循真值表600。盡管在圖7b中示出了示例的邏輯級(jí)418，但實(shí)施例擴(kuò)展到遵循真值表600的邏輯門的其他布置。

在圖7c中示出了示例性邏輯級(jí)420。邏輯級(jí)420接收從七個(gè)比較器412輸出的信號(hào)m1-m7作為輸入。在邏輯級(jí)420中提供邏輯門的布置，以便遵循真值表600。盡管在圖7b中示出了示例的邏輯級(jí)420，但實(shí)施例擴(kuò)展到遵循真值表600的邏輯門的其他布置。

當(dāng)h-scc級(jí)206在操作區(qū)域oz0、oz2、oz4和oz6中操作時(shí)，控制器216控制h-scc級(jí)206作為5：1分壓器(第一轉(zhuǎn)換比，m1)操作。當(dāng)h-scc級(jí)206在操作區(qū)域oz1、oz3、oz5和oz7中操作時(shí)，控制器216控制h-scc級(jí)206作為4.5：1分壓器(第二轉(zhuǎn)換比，m2)操作。

圖8示出了根據(jù)上述實(shí)施例操作的功率轉(zhuǎn)換裝置200的效率對(duì)轉(zhuǎn)換比的曲線。

如圖8所示，當(dāng)h-scc206操作在圖8中由特定轉(zhuǎn)換比閾值極限限定的多個(gè)操作區(qū)域(標(biāo)記為hp＝關(guān)閉)之一中操作時(shí)，控制器216控制半點(diǎn)級(jí)204在第一操作模式下操作，以控制功率轉(zhuǎn)換裝置200作為5：1分壓器(轉(zhuǎn)換比，m1)操作。此外，當(dāng)h-scc206操作在圖8中由特定轉(zhuǎn)換比閾值極限限定的多個(gè)操作區(qū)域(標(biāo)記為hp＝打開(kāi))之一中操作時(shí)，控制器216控制半點(diǎn)級(jí)204在第二操作模式下操作，以控制功率轉(zhuǎn)換裝置200作為4.5：1分壓器(轉(zhuǎn)換比，m2)操作。

如圖8所示，在h-scc206操作為提供第一轉(zhuǎn)換比m1與提供第二轉(zhuǎn)換比m2之間的這種切換隨著所請(qǐng)求的轉(zhuǎn)換比m增加而繼續(xù)。

根據(jù)圖8，從曲線圖可以看出，根據(jù)上述實(shí)施例操作的功率轉(zhuǎn)換裝置200能夠進(jìn)一步提高效率性能，從而從整個(gè)轉(zhuǎn)換范圍幾乎消除效率下降。

圖8表示當(dāng)請(qǐng)求的轉(zhuǎn)換比m在每個(gè)轉(zhuǎn)換比閾值范圍之間時(shí)組合邏輯614的輸出。例如，當(dāng)所請(qǐng)求的轉(zhuǎn)換比m在轉(zhuǎn)換比閾值mth1和mth2之間時(shí)，h-scc206在操作區(qū)域oz1中操作，因此多路復(fù)用器409被控制以將信號(hào)提供給處于相位φ1中的奇數(shù)號(hào)開(kāi)關(guān)，組合邏輯614選擇多路復(fù)用器210的通道2，并且半點(diǎn)scc204接通(在第二操作模式下操作)。

可以看出，對(duì)于表示不同輸出電流io的每個(gè)曲線，效率凹口總是位于相同的轉(zhuǎn)換比。

圖9示出了被配置為作為5：1分壓器和4.5：1分壓器操作的h-scc級(jí)206根據(jù)改變的目標(biāo)參考電壓vset的仿真結(jié)果。

如圖9所示，當(dāng)目標(biāo)參考電壓vset被設(shè)置在第一電壓電平時(shí)，h-scc級(jí)206在操作區(qū)域oz2中操作，并且在一段時(shí)間之后，輸出電壓穩(wěn)定在目標(biāo)參考電壓vset。當(dāng)目標(biāo)參考電壓vset變?yōu)榈诙妷弘娖綍r(shí)，h-scc級(jí)206在操作區(qū)域oz7中操作，并且在一段時(shí)間之后，輸出電壓穩(wěn)定在目標(biāo)參考電壓vset。當(dāng)目標(biāo)參考電壓vset變?yōu)榈谌妷弘娖綍r(shí)，h-scc級(jí)206在操作區(qū)域oz5中操作，并且在一段時(shí)間之后，輸出電壓穩(wěn)定在目標(biāo)參考電壓vset。

雖然上面已經(jīng)參考使用半點(diǎn)scc204將h-scc級(jí)206的轉(zhuǎn)換比改變0.5來(lái)實(shí)施轉(zhuǎn)換比控制級(jí)204而描述了實(shí)施例，但是本發(fā)明的實(shí)施例不限于這種轉(zhuǎn)換比控制級(jí)。h-scc級(jí)206的轉(zhuǎn)換比的交換有利地實(shí)現(xiàn)了效率曲線關(guān)于占空比的變化?？梢酝ㄟ^(guò)轉(zhuǎn)換比控制級(jí)204的其他實(shí)施方式實(shí)現(xiàn)類似的效果。

圖10示出了包括第一開(kāi)關(guān)sx1和第二開(kāi)關(guān)sx2的全點(diǎn)scc204。開(kāi)關(guān)sx1的輸入端子連接到電壓源202，而開(kāi)關(guān)sx1的輸出端子連接到中心節(jié)點(diǎn)n1。開(kāi)關(guān)sx2的輸入端子連接到電壓源202，而開(kāi)關(guān)sx2的輸出端子連接到中心節(jié)點(diǎn)n2。

可以根據(jù)兩種開(kāi)關(guān)配置中的一種來(lái)控制全點(diǎn)scc204。

在第一開(kāi)關(guān)配置中，開(kāi)關(guān)sx1和sx2在第一時(shí)間相位φ1期間斷開(kāi)，并且在第二時(shí)間相位φ2期間，開(kāi)關(guān)sx1接通并且開(kāi)關(guān)sx2斷開(kāi)，而開(kāi)關(guān)sx2和sx4斷開(kāi)。也就是說(shuō)，在第二時(shí)間相位φ2期間，電壓vin被提供給h-scc206的第一中心節(jié)點(diǎn)n1。

在第二開(kāi)關(guān)配置中，在第一時(shí)間相位φ1期間開(kāi)關(guān)sx1斷開(kāi)和開(kāi)個(gè)sx2接通，并且在第二時(shí)間相位φ2期間，開(kāi)關(guān)sx1和sx2斷開(kāi)。也就是說(shuō)，在第一時(shí)間相位φ1期間，電壓vin被提供給h-scc206的第二中心節(jié)點(diǎn)n2。

也就是說(shuō)，如下面的表2所描述的，可以通過(guò)控制全點(diǎn)scc204的開(kāi)關(guān)配置來(lái)配置功率轉(zhuǎn)換裝置200的轉(zhuǎn)換比。

表2：全點(diǎn)scc204的開(kāi)關(guān)配置

如表2所示，當(dāng)全點(diǎn)scc204在第一操作模式下操作時(shí)(根據(jù)上述第一開(kāi)關(guān)配置操作)，功率轉(zhuǎn)換裝置200作為5:1分壓器即除以5的分壓器(具有第一轉(zhuǎn)換比，m1(1/5))操作。當(dāng)全點(diǎn)scc204在第二操作模式下操作時(shí)(根據(jù)上述第二開(kāi)關(guān)配置操作)，功率轉(zhuǎn)換裝置200的轉(zhuǎn)換比減小1，在這種情況下功率轉(zhuǎn)換裝置200作為4:1分壓器即除以4.5的分壓器(具有第二轉(zhuǎn)換比，m2(1/4))操作。

當(dāng)作為4：1分壓器工作時(shí)，可以發(fā)現(xiàn)scc級(jí)208的輸出電壓：

vx4:vin(φ1)和

vx3:vin(φ1)和

vx2:和

vx1:和

sn1:0(φ1)和

圖11示出了當(dāng)作為5:1分壓器操作時(shí)的功率轉(zhuǎn)換裝置200的效率對(duì)轉(zhuǎn)換比曲線1102以及當(dāng)作為4:1分壓器操作時(shí)的功率轉(zhuǎn)換裝置200的效率對(duì)轉(zhuǎn)換比曲線1104。

當(dāng)h-scc級(jí)206在被標(biāo)記為m1的操作區(qū)域中的一個(gè)操作時(shí)，控制器216控制h-scc級(jí)206作為5：1分壓器(第一轉(zhuǎn)換比，m1)操作。當(dāng)h-scc級(jí)206在被標(biāo)記為m2的操作區(qū)域中的一個(gè)操作時(shí)，控制器216控制h-scc級(jí)206作為4.5：1分壓器(第二轉(zhuǎn)換比，m2)操作。這使得能夠克服效率凹口，從而提供改進(jìn)的效率性能。

在上述實(shí)施例中，轉(zhuǎn)換比控制級(jí)204被置于h-scc級(jí)206之前的功率線輸入處，轉(zhuǎn)換比控制級(jí)204的操作模式被切換以使h-scc級(jí)206的轉(zhuǎn)換比改變，而scc級(jí)208的切換配置保持不變。

如上所述，作為放置在h-scc級(jí)206之前的功率線輸入處的替代方案，轉(zhuǎn)換比控制級(jí)204可以集成在h-scc206級(jí)內(nèi)(如圖2b所示)。

在這些替代實(shí)施例中，轉(zhuǎn)換比控制級(jí)204的操作模式和scc級(jí)208的切換配置都切換以改變h-scc級(jí)206的轉(zhuǎn)換比，

圖12示出了轉(zhuǎn)換比控制級(jí)204集成在h-scc級(jí)206內(nèi)的示例性布置。具體地，圖12示出了轉(zhuǎn)換比控制級(jí)204與h-scc級(jí)206的scc級(jí)208的耦合。

在圖12中，scc級(jí)208是包括開(kāi)關(guān)m1、m2、m3、m5、m6、m8和m9的3：2分壓器。

在scc級(jí)208的第一開(kāi)關(guān)配置中，在第一時(shí)間相位φ1期間，開(kāi)關(guān)m1、m3、m6和m8接通，而開(kāi)關(guān)m2、m5和m9斷開(kāi)，而在接下來(lái)的第二時(shí)間相位φ2期間，所有開(kāi)關(guān)m1-m3、m5、m6、m8和m9的狀態(tài)顛倒。如上所述，控制器216被配置為生成pwm信號(hào)以控制第一時(shí)間相位φ1和第二時(shí)間相位φ2中的開(kāi)關(guān)(m1、m2、m3、m5、m6、m8和m9)。

在圖12所示的示例中，轉(zhuǎn)換比控制級(jí)204包括開(kāi)關(guān)m4和m7。當(dāng)在第一操作模式下操作時(shí)，轉(zhuǎn)換比控制級(jí)204的開(kāi)關(guān)m4和m7在第一時(shí)間相位φ1和第二時(shí)間相位φ2中都斷開(kāi)。當(dāng)轉(zhuǎn)換比控制級(jí)204被控制為在第一操作模式下操作，并且根據(jù)上述第一開(kāi)關(guān)配置來(lái)控制scc級(jí)208時(shí)，scc級(jí)208作為3：2分壓器操作。

當(dāng)作為3：2分壓器操作時(shí)，能夠發(fā)現(xiàn)scc級(jí)208的輸出電壓：

vx4:vin(φ1)和

vx3:和

vx2:vin(φ1)和

vx1:和0(φ2)

為了擴(kuò)展3：2分壓器的輸出轉(zhuǎn)換比范圍，控制器216可操作為將轉(zhuǎn)換比控制級(jí)204的操作模式切換到第二操作模式并改變scc級(jí)208的開(kāi)關(guān)配置。

在scc級(jí)208的第二開(kāi)關(guān)配置中，在第一時(shí)間相位φ1期間，開(kāi)關(guān)m1、m3、m6和m8接通(如在3：2分壓器操作中那樣)，而開(kāi)關(guān)m2、m4、m7和m9斷開(kāi)，并且在接下來(lái)的第二時(shí)間相位φ2期間，所有開(kāi)關(guān)的狀態(tài)都顛倒。在第一時(shí)間相位φ1和第二時(shí)間相位φ2期間，開(kāi)關(guān)m5都斷開(kāi)。如上所述，控制器216被配置為生成pwm信號(hào)以控制第一時(shí)間相位φ1和第二時(shí)間相位φ2中的開(kāi)關(guān)(m1-m4和m6-m9)。

當(dāng)在第二操作模式下操作時(shí)，轉(zhuǎn)換比控制級(jí)204的開(kāi)關(guān)m4和m7在第一時(shí)間相位φ1中斷開(kāi)，在第二時(shí)間相位φ2中接通。當(dāng)轉(zhuǎn)換比控制級(jí)204被控制為在第二操作模式下操作，并且根據(jù)上述第二開(kāi)關(guān)配置來(lái)控制scc級(jí)208時(shí)，scc級(jí)208作為2：1分壓器操作。

當(dāng)作為2：1分壓器操作時(shí)，能夠發(fā)現(xiàn)scc級(jí)208的輸出電壓：

vx4:vin(φ1)和

vx3:和0(φ2)

vx2:vin(φ1)和

vx1:和0(φ2)

在圖13中示出了當(dāng)scc級(jí)208被控制為作為3：2分壓器和2：1分壓器兩者操作時(shí)的開(kāi)關(guān)m1-m9的狀態(tài)。

在圖12所示的示例性布置中，如果h-scc級(jí)206的輸出濾波器212連接到節(jié)點(diǎn)vx4，則該節(jié)點(diǎn)將提供輸出電壓，后者提供有兩個(gè)轉(zhuǎn)換比。當(dāng)scc級(jí)208被配置為2:1分壓器時(shí)，節(jié)點(diǎn)vx4將提供vo/vin＝(2-d)/2的轉(zhuǎn)換比(由此d是提供給scc級(jí)208的開(kāi)關(guān)的pwm信號(hào)的占空比)。當(dāng)scc級(jí)208被配置為3：2分壓器時(shí)，節(jié)點(diǎn)vx4將提供vo/vin＝(3-d)/3的轉(zhuǎn)換比。

本發(fā)明的實(shí)施例擴(kuò)展到將h-scc級(jí)206的轉(zhuǎn)換比改變除本文提供的示例中所描述量以外的其他量的轉(zhuǎn)換比控制級(jí)204的實(shí)施方式。

在實(shí)施例中，h-scc級(jí)206的轉(zhuǎn)換比的變化導(dǎo)致能夠克服效率凹口的效率曲線的偏移。轉(zhuǎn)換比改變量與施加到電感器的紋波之間存在交易。當(dāng)轉(zhuǎn)換比降低(改變)時(shí)，電感器中的電壓紋波增加，這需要較大的電感器，因此影響了整個(gè)系統(tǒng)的體積。因此，轉(zhuǎn)換比改變?cè)酱螅瑒t電感器中的電壓紋波的增加越大，并且需要較大的電感器。

如所示示例性實(shí)施例中的所有開(kāi)關(guān)s1至s8和m1至m9都可以是雙向的，并且以與電路的開(kāi)關(guān)頻率兼容的合適技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。例如，開(kāi)關(guān)可以由硅襯底上的金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(mosfet)或氮化鎵襯底上的高電子遷移率晶體管(hemt)形成。

包括在上述實(shí)施例中的所有元件的尺寸可以足夠小以使得能夠例如作為芯片上的功率系統(tǒng)(psoc)或封裝中的功率系統(tǒng)(psip)進(jìn)行集成。在所示的示例性實(shí)施例中，所有電容器的電容可以被設(shè)置為100nf；可以進(jìn)一步優(yōu)化電容值以實(shí)現(xiàn)更好的性能。濾波電感器lo的電感值可以設(shè)置為200nh，使其可以印刷在表面為5x5mm的led子底座(sub-mount)中。例如，可以將led封裝設(shè)計(jì)成包括至少一個(gè)led和驅(qū)動(dòng)器，其中該驅(qū)動(dòng)器包括如不同實(shí)施例中所描述的功率轉(zhuǎn)換裝置。

也可以使用類似于應(yīng)用于鐵電隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(fram)或嵌入式動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(edram)的技術(shù)來(lái)實(shí)施電容器。用這種技術(shù)實(shí)現(xiàn)的較高的介電常數(shù)使得集成的scc更小，因而更便宜。

雖然已經(jīng)在附圖和前面的描述中詳細(xì)地示出和描述了本發(fā)明，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)清楚，這種說(shuō)明和描述被認(rèn)為是說(shuō)明性的或示例性的而不是限制性的。本發(fā)明不限于所公開(kāi)的實(shí)施例；相反，在所附權(quán)利要求中限定的本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)，可以進(jìn)行若干變化和修改。

例如，上述實(shí)施例涉及由具有特定拓?fù)涞膕cc形成的功率轉(zhuǎn)換模塊，但可以使用任何其他類型的功率轉(zhuǎn)換器。

應(yīng)該注意的是，盡管本文主要描述了負(fù)載是光源的應(yīng)用，但是本發(fā)明也可以應(yīng)用于需要集成的電源管理單元的許多系統(tǒng)，例如在諸如用于感測(cè)物理或生理參數(shù)的可植入或可穿戴的身體傳感器的集成設(shè)備中，或在集成能量收集單元等中。

雖然控制器216已被示出為使用模擬電路實(shí)現(xiàn)，但在其他實(shí)施例中，控制器216的功能可以在存儲(chǔ)在包括一個(gè)或多個(gè)存儲(chǔ)介質(zhì)的存儲(chǔ)器上并且被布置為在包括一個(gè)或多個(gè)處理單元的處理器上執(zhí)行的代碼(軟件)中實(shí)現(xiàn)。代碼被配置為當(dāng)從存儲(chǔ)器取出并在處理器上執(zhí)行時(shí)根據(jù)上述實(shí)施例執(zhí)行操作。

根據(jù)對(duì)附圖、公開(kāi)內(nèi)容和所附權(quán)利要求的研究，本領(lǐng)域技術(shù)人員在實(shí)踐要求保護(hù)的本發(fā)明時(shí)可以理解和實(shí)現(xiàn)所公開(kāi)的實(shí)施例的其他變化。在權(quán)利要求中，“包括”一詞不排除其他元件或步驟，并且不定冠詞“一”或“一個(gè)”不排除多個(gè)。在相互不同的從屬權(quán)利要求中記載某些措施的僅有事實(shí)并不表示不能有利地使用這些措施的組合。權(quán)利要求中的任何附圖標(biāo)記都不應(yīng)被解釋為是對(duì)范圍進(jìn)行限制。