КОМПАКТНОЕ УСТРОЙСТВО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ С НЕПРЕРЫВНЫМ ВЫХОДНЫМ ДИАПАЗОНОМ РЕГУЛИРОВАНИЯ Российский патент 2017 года по МПК H02M3/158 

Область техники, к которой относится изобретение

[0001] Настоящее изобретение относится к области интегральных преобразователей напряжения. В частности, настоящее изобретение может применяться к схемам управления для светодиодных источников света. Более конкретно, настоящее изобретение относится к компактному и эффективному устройству преобразования напряжения.

Уровень техники

[0002] Приложения, требующие высокого уровня интеграции модулей преобразования напряжения, например, использующие импульсные источники питания (ИИП), могут прибегать к преобразователям напряжения, таким как преобразователи на переключаемых конденсаторах (ППК), которые могут обеспечивать высокую эффективность DC-DC преобразования напряжения только за счет использования конденсаторов и переключателей в сочетании с индуктивными выходными фильтрами.

[0003] Следует отметить, что спрос индустрии твердотельного освещения (SSL) на малогабаритные и компактные блоки управления питанием для светодиодов возрастает. Светодиодам необходимо, чтобы электропитание подавалось в виде постоянного тока с максимально возможной эффективностью. В идеале светодиодные драйверы, сопоставимые по размеру с самими светодиодами, представляли бы собой значительный прорыв, способствующий новым концепциям освещения. Для такого решения потребуется система с высоким уровнем надежности и эффективности, чтобы удовлетворить требованиям по сроку службы, размеру и теплоотводу.

[0004] Светодиодные драйверы могут быть основаны на ИИП. ИИП могут содержать ППК, которые предоставляют возможность высокого уровня интеграции и позволяют достичь больших коэффициентов преобразования напряжения, но имеют недостаток в обеспечении множества дискретных коэффициентов преобразования, что делает ППК непригодными для приложений, в которых требуется тонкое регулирование выходного напряжения.

[0005] ИИП также могут содержать обычные индуктивные преобразователи, содержащие множество индуктивностей и переключателей. Индуктивные преобразователи предоставляют возможность тонкого регулирования выходного напряжения и могут эффективно обеспечивать произвольный коэффициент преобразования, но один из недостатков индуктивных преобразователей состоит в том, что их нелегко интегрировать в компактные структуры.

Сущность изобретения

[0006] Одной из целей настоящего изобретения является устранение вышеупомянутых недостатков предшествующего уровня техники путем предложения решения, позволяющего реализовывать высокоэффективные, малообъемные гибридные преобразователи напряжения, в особенности адаптированные для использования в интегральных драйверах для светодиодов. Настоящее изобретение также позволяет реализовывать блок управления питанием для светодиода, который может быть легко интегрирован в компактную сборку. Кроме того, настоящее изобретение может позволять интегрировать светодиод и связанный с ним блок управления питанием в одну и ту же подмонтажную опору или подложку.

[0007] В соответствии с настоящим изобретением предлагается значительно снизить требования к фильтру в ИИП, так чтобы можно было использовать гораздо менее громоздкие индуктивности, сохраняя при этом высокую эффективность преобразования для широкого и непрерывного выходного диапазона регулирования.

[0008] Для этой цели настоящее изобретение предлагает новое устройство преобразования напряжения для питания нагрузки с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) сигнала, которое содержит индуктивный выходной фильтр, имеющий по меньшей мере один выход, выполненный с возможностью подключения к нагрузке, устройство преобразования напряжения, содержащее:

• модуль преобразования напряжения, питаемый входным напряжением постоянного тока и выполненный с возможностью обеспечения множества выходных сигналов с уровнем амплитуды, составляющим некоторую долю от уровня входного напряжения, где каждый выходной сигнал колеблется в пределах составляющей напряжения смещения, разделенной на множество уровней в диапазоне от установленной наименьшей доли уровня амплитуды до установленной наибольшей доли уровня амплитуды;

• модуль выбора, приспособленный для выбора одного выходного сигнала из указанного множества выходных сигналов, где выбранный выходной сигнал подключается к выходному фильтру.

В типовом варианте осуществления настоящего изобретения модуль выбора может содержать мультиплексор, принимающий в качестве множества входов указанное множество выходных сигналов и выполненный для вывода одного выходного сигнала, выбранного из указанного множества входов.

[0009] В другом типовом варианте осуществления изобретения модуль выбора содержит проводку выбранного выходного сигнала к выходному фильтру.

[0010] В типовом варианте осуществления настоящего изобретения устройство преобразования напряжения может дополнительно содержать контроллер, выполненный для управления коэффициентом заполнения и/или частотой выходных сигналов модуля преобразования напряжения в зависимости от по меньшей мере одного компонента из группы, состоящей из входных сигналов, представляющих считанное напряжение питания, считанное выходное напряжение модуля преобразования напряжения, и сигнала, представляющего считанные напряжение нагрузки, ток нагрузки или мощность нагрузки.

[0011] В типовом варианте осуществления настоящего изобретения модуль преобразования напряжения может содержать преобразователь на переключаемых конденсаторах (ППК), включающий в себя множество переключателей, управляемых контроллером.

[0012] В типовом варианте осуществления настоящего изобретения модуль преобразования напряжения может быть основан на лестничной топологии Диксона.

[0013] В типовом варианте осуществления множество выходных сигналов может быть сформировано посредством напряжений на соответствующих внутренних узлах модуля преобразования напряжения.

[0014] Другой аспект настоящего изобретения представляет собой драйвер для светодиода, содержащий устройство преобразования напряжения по любому из описанных вариантов осуществления.

[0015] Другой аспект настоящего изобретения представляет собой светодиодную сборку, содержащую по меньшей мере один светодиод и связанный с ним драйвер в соответствии с любым из описанных вариантов осуществления.

[0016] В соответствии с типовым вариантом осуществления настоящего изобретения такая светодиодная сборка может быть интегрирована как энергосистема на кристалле (PSoC) или как энергосистема в корпусе (PSiP).

[0017] Другой аспект настоящего изобретения представляет собой метод для питания нагрузки ШИМ сигналом через индуктивный выходной фильтр, имеющий по меньшей мере один выход, выполненный с возможностью подключения к нагрузке, который содержит по меньшей мере стадию преобразования напряжения, подаваемого входным напряжением постоянного тока, во множество выходных сигналов с уровнем амплитуды, составляющим некоторую долю от уровня входного напряжения, где каждый выходной сигнал колеблется в пределах составляющей напряжения смещения, разделенной на множество уровней в диапазоне от установленной наименьшей доли уровня амплитуды до установленной наибольшей доли уровня амплитуды, и стадию выбора посредством мультиплексора, подключенного к выходному фильтру, одного выходного сигнала, выбираемого из указанного множества выходных сигналов.

[0018] Еще одно преимущество настоящего изобретения в некоторых его вариантах осуществления состоит в том, что оно позволяет сократить электромагнитные излучения, снижая тем самым электромагнитные помехи (EMI).

[0019] Еще одним преимуществом настоящего изобретения является то, что градиенты напряжения в переключателях, содержащихся в устройстве преобразования напряжения, могут быть значительно снижены, что заметно улучшает срок службы устройства преобразования напряжения, а также обеспечивает высокоэффективное преобразование. Кроме того, снижение градиентов напряжения позволяет использовать меньшие переключатели, что приводит к более дешевым интеграционным процессам, удовлетворяющим требованиям сверхбольших интегральных схем (СБИС), что, в свою очередь, приводит к более быстрым возможным скоростям переключения.

[0020] Еще одно преимущество настоящего изобретения в некоторых его вариантах осуществления состоит в том, что по сравнению с существующими устройствами преобразования напряжения, имеющими аналогичные характеристики, количество конденсаторов, используемых в раскрываемом устройстве преобразования напряжения, может быть значительно сокращено.

Краткое описание чертежей

[0021] Эти и другие особенности и преимущества настоящего изобретения станут более ясными из нижеприведенного подробного описания предпочтительного варианта осуществления, предоставляемого только в качестве иллюстративного и неограничивающего примера, так же, как и прилагаемые чертежи, которые представляют:

[0022] Фиг.1 представляет блок-схему, иллюстрирующую устройство преобразования напряжения, подключенное к источнику напряжения и нагрузке, в типовом варианте осуществления настоящего изобретения;

[0023] Фиг.2 представляет электрическую схему, иллюстрирующую силовую цепь устройства преобразования напряжения в типовом варианте осуществления настоящего изобретения;

[0024] Фиг.3 представляет диаграммы временной зависимости, иллюстрирующие напряжение на различных внутренних узлах устройства преобразования напряжения в соответствии с типовым вариантом осуществления изобретения;

[0025] Фиг.4 представляет кривые, иллюстрирующие средние напряжения на различных внутренних узлах устройства преобразования напряжения в соответствии с типовым вариантом осуществления настоящего изобретения в развертке по коэффициенту заполнения управляющего ШИМ сигнала;

[0026] Фиг.5 представляет кривые, иллюстрирующие зависимость значения индуктивности выходного фильтра при вариации пульсации выходного напряжения для различных значений напряжения номинальной нагрузки;

[0027] Фиг.6 представляет схему, иллюстрирующую типовую реализацию аналогового управления для управления коэффициентом заполнения и/или частотой модуля преобразования напряжения в типовом варианте осуществления настоящего изобретения;

[0028] Фиг.7 представляет схему, иллюстрирующую типовую реализацию зонального управления для управления мультиплексорным каналом в типовом варианте осуществления настоящего изобретения.

Подробное описание

[0029] В нижеследующем подробном описании в целях пояснения, а не ограничения типовые варианты осуществления, раскрывающие конкретные детали, изложены для того, чтобы обеспечить глубокое понимание настоящей идеи. Тем не менее рядовому специалисту в данной области техники, извлекающему преимущество настоящего изобретения, должно быть очевидно, что другие варианты осуществления в соответствии с настоящим раскрытием, отступающие от конкретных раскрываемых здесь деталей, остаются в пределах объема прилагаемой формулы изобретения. Кроме того, описания хорошо известных устройств и методов могут быть опущены, чтобы не загромождать описание типовых вариантов осуществления. Такие методы и устройства совершенно понятны в рамках настоящего изобретения.

[0030] На фиг.1 показана блок-схема, иллюстрирующая устройство преобразования напряжения, подключенное к источнику напряжения и нагрузке, в типовом варианте осуществления настоящего изобретения.

[0031] Фиг.1 изображает устройство преобразования напряжения 10, имеющее по меньшей мере один выход, поставляющий выходной сигнал, такой как регулируемое напряжение постоянного тока, на нагрузку 11. Устройство преобразования напряжения 10 имеет по меньшей мере один вход, подключенный к источнику питания 13, например, подающему напряжение постоянного тока, которое обозначается здесь и далее как Vin. Нагрузка 11 может быть, например, резистивной нагрузкой или светоизлучающим устройством, таким как светодиод или органический светодиод (OLED).

[0032] В соответствии с настоящим изобретением устройство преобразования напряжения 10 содержит модуль преобразования напряжения 101, имеющий множество выходов ШИМ1, ШИМ2, ... , ШИМn, поставляющих ШИМ напряжения. В соответствии с настоящим изобретением один из множества выходов ШИМ1, ШИМ2, ... , ШИМn может быть выбран с помощью надлежащих средств выбора, таких как модуль выбора, и соединен с выходом, например, через выходной фильтр 105. Например, множество выходов ШИМ1, ШИМ2, ... , ШИМn может быть подключено к множеству соответствующих входов модуля мультиплексора 103, образующего модуль выбора, который поставляет на свой выход одно ШИМ напряжение ШИМx из указанного множества входов, как подробно описано ниже.

Мультиплексор 103 может быть, таким образом, мультиплексором n в 1. Следует понимать, что устройство преобразования напряжения не обязательно включает в себя мультиплексор, как в приведенных типовых вариантах осуществления, описанных далее. Модуль выбора может быть сформирован, например, с помощью надлежащей проводки одного из выходов ШИМ1 , ШИМ2, ... , ШИМn к выходу через выходной фильтр 105.

[0033] Выход мультиплексора 103 подключен к выходному фильтру 105. Выходной фильтр 105 может содержать, в частности, как минимум либо один конденсатор, либо одну индуктивность.

[0034] Устройство преобразования напряжения 10 также содержит контроллер 107, который обеспечивает управление с обратной связью путем управления модулем преобразования напряжения 101 и модулем мультиплексора 103 в зависимости от входных сигналов, представляющих считанное напряжение, подаваемое источником питания 13, выходное напряжение постоянного тока модуля преобразования напряжения 101, обозначаемое здесь и далее как vdc, и/или сигнала, представляющего считанные напряжение нагрузки, ток нагрузки или мощность нагрузки, например напряжение нагрузки, обозначаемое здесь и далее как vo.

[0035] Первый выход контроллера 107 позволяет управлять модулем преобразования напряжения 101, а второй выход контроллера 107 позволяет управлять мультиплексорным каналом, например, посредством зонального управления. Типовая реализация зонального управления дополнительно описана более подробно ниже со ссылкой на фиг.7.

[0036] Модуль преобразования напряжения 101 может быть образован ППК. В этом случае контроллер 107 управляет модулем преобразования напряжения 101 через свой первый выход путем управления коэффициентом заполнения и/или частотой модуля преобразования напряжения 101 посредством аналогового управления. Типовая реализация аналогового управления дополнительно описана более подробно ниже со ссылкой на фиг.6

[0037] На фиг.2 показана электрическая схема, иллюстрирующая устройство преобразования напряжения 10 в типовом варианте осуществления настоящего изобретения.

[0038] Как описано выше со ссылкой на фиг.1, устройство преобразования напряжения 10 содержит, в частности, модуль преобразования напряжения 101, мультиплексор 103 и выходной фильтр 105.

[0039] В соответствии с настоящим изобретением модуль преобразования напряжения 101 выполнен с возможностью обеспечения множества выходных ШИМ сигналов, упомянутых выше, с уровнем амплитуды, составляющим некоторую долю от входного напряжения постоянного тока Vin. В данном варианте осуществления выходные ШИМ сигналы представляют собой напряжения прямоугольной формы с амплитудой, составляющей некоторую долю от входного напряжения постоянного тока Vin. Каждое из этих прямоугольных напряжений колеблется в пределах составляющей напряжения смещения, разделенной, в неограничивающем типовом варианте осуществления, на множество эквидистантных уровней в диапазоне от наименьшей доли амплитуды до наибольшей доли амплитуды. Любое из напряжений может быть выбрано посредством мультиплексора 103 и выведено через выход мультиплексора 103, где выход мультиплексора 103 подключен к выходному фильтру 105, что обеспечивает, таким образом, непрерывное напряжение на нагрузку 11.

[0040] В неограничивающем типовом варианте осуществления, показанном на фиг.2, модуль преобразования напряжения 101 образован ППК, содержащим множество переключателей и конденсаторов. Например, модуль преобразования напряжения 101 содержит так называемый лестничный преобразователь Диксона. Следует отметить, что могут использоваться и другие топологии ППК, такие как стандартная лестничная топология, топология Фибоначчи или, например, последовательно-параллельные топологии.

[0041] Более конкретно, приведенный типовой вариант осуществления использует лестничную топологию Диксона, в основе которой имеется десять конденсаторов C1-C10 и четырнадцать однополюсных переключателей S1-S14 на одно направление. В частности, модуль преобразования напряжения 101 включает в себя два лестничных пролета: первый лестничный пролет содержит четыре последовательно соединенных конденсатора C3, C5, C7, C9, а второй лестничный пролет содержит пять последовательно соединенных конденсаторов C2, C4, C6, C8, C10.

[0042] Модуль преобразования напряжения 101 также содержит десять центральных узлов N1-N10. Первый переключатель S1 выборочно соединяет первый центральный узел N1 с напряжением питания Vin. Второй переключатель S2 выборочно соединяет первый центральный узел N1 со вторым центральным узлом N2. Третий переключатель S3 выборочно соединяет второй центральный узел N2 с третьим центральным узлом N3. Четвертый переключатель S4 выборочно соединяет третий центральный узел N3 с четвертым центральным узлом N4. Пятый переключатель S5 выборочно соединяет четвертый центральный узел N4 с пятым центральным узлом N5. Шестой переключатель S6 выборочно соединяет пятый центральный узел N5 с шестым центральным узлом N6. Седьмой переключатель S7 выборочно соединяет шестой центральный узел N6 с седьмым центральным узлом N7. Восьмой переключатель S8 выборочно соединяет седьмой центральный узел N7 с восьмым центральным узлом N8. Девятый переключатель S9 выборочно соединяет восьмой центральный узел N8 с девятым центральным узлом N9. Десятый переключатель S10 выборочно соединяет центральный девятый узел N9 с десятым центральным узлом N10. Первый конденсатор C1 расположен между десятым центральным узлом N10 и одиннадцатым центральным узлом N11, который соединен с опорным напряжением, например с землей.

[0043] Первый лестничный пролет, содержащий четыре конденсатора C3, C5, C7, C9, расположен между вторым центральным узлом N2 и первым вторичным узлом SN1. Одиннадцатый переключатель S11 выборочно соединяет первый вторичный узел SN1 с одиннадцатым центральным узлом N11; двенадцатый переключатель S12 выборочно соединяет первый вторичный узел SN1 с десятым центральным узлом N10.

[0044] Второй лестничный пролет, содержащий пять конденсаторов C2, C4, C6, C8, C10, расположен между первым центральным узлом N1 и вторым вторичным узлом SN2. Тринадцатый переключатель S13 выборочно соединяет второй вторичный узел SN2 с десятым центральным узлом N10; четырнадцатый переключатель S14 выборочно соединяет второй вторичный узел SN2 с одиннадцатым центральным узлом N11.

[0045] Два лестничных пролета находятся в противофазе благодаря надлежащей последовательности открытых и закрытых переключателей S1-S14. Например, все четные переключатели S2, S4, ... , S14 могут находиться в заданном состоянии в течение первой временной фазы Φ1, скажем, быть включенными, тогда как все нечетные переключатели S1, S3, ... , S13 могут находиться в противоположном состоянии, например, быть выключенными; в течение последующей второй временной фазы Φ2 состояния всех переключателей могут быть инвертированы.

[0046] Модуль преобразования напряжения 101 в соответствии с приведенным вариантом осуществления выполнен, таким образом, с возможностью обеспечения коэффициента преобразования 10:1. Сигналы, передаваемые с центральных узлов N1-N9, образуют множество выходов модуля преобразования напряжения 101, и внутренние узлы преобразователя на переключаемых конденсаторах, образующего модуль преобразования напряжения 101 в приведенном варианте осуществления, обозначенные как напряжения vx1-vx9 на фиг.2, соединены с множеством входов мультиплексора 103. В данном типовом варианте осуществления мультиплексор 103, таким образом, содержит девять переключателей, что позволяет выборочно подключать один из девяти входов к выходу vx, и содержит дополнительный переключатель, соединенный с первым вторичным узлом SN1, для дальнейшего улучшенного определения или динамики уровня напряжения, приложенного к выходному фильтру 105. В общем, мультиплексор 103 может быть подключен к любому из внутренних узлов модуля преобразования напряжения 101, при этом количество переключателей, которые он содержит, равняется числу внутренних узлов, к которым он подключается. Структура мультиплексора 103 может быть упрощена за счет сокращения количества переключателей в зависимости от требований по отношению к работе нагрузке.

[0047] Как описано выше, мультиплексор 103 является возможной реализацией модуля выбора. Еще более простая архитектура модуля преобразования напряжения 101 может быть реализована путем обеспечения надлежащей проводки выбранного выхода из множества выходов ШИМ1, ШИМ2, ... , ШИМn модуля преобразования напряжения, которая может удовлетворить эксплуатационным требованиям нагрузки для некоторых приложений. В таком случае модуль выбора образует указанная надлежащая проводка. Такой вариант осуществления имеет преимущество, в частности, в обеспечении по-прежнему экономически выгодной и компактной архитектуры, которая может быть приспособлена к данной нагрузке, например, с помощью простой дополнительной стадии проводки в производственном процессе.

[0048] Также в типовом варианте осуществления, показанном на фиг.2, выходное напряжение постоянного тока модуля преобразования напряжения 101, указанное выше как vdc, является напряжением на первом конденсаторе C1, то есть напряжением между десятым центральным узлом N10 и одиннадцатым центральным узлом N11.

[0049] Как в типовом варианте осуществления, показанном на фиг.2, преобразователь на переключаемых конденсаторах может быть реализован с помощью емкостной лестничной топологии Диксона 10 с фиксированным коэффициентом преобразования 10:1, доступным из выходного напряжения vdc модуля преобразования напряжения 101.

[0050] В то же время напряжения vx1-vx9 на внутренних узлах преобразователя на переключаемых конденсаторах, образующего модуль преобразования напряжения 101, являются напряжениями прямоугольной формы с амплитудой, составляющей одну двадцатую входного напряжения постоянного тока Vin. Каждый из центральных узлов N1-N9 производит прямоугольное напряжение, колеблющееся в пределах составляющей напряжения смещения, разделенной на 10 эквидистантных уровней в диапазоне от Vin/20 до 19Vin/20, как показано на фиг.3, описываемой более подробно ниже. Любой из центральных узлов N1-N9 может быть соединен с выходным фильтром через мультиплексор 103.

[0051] Типовой вариант осуществления настоящего изобретения, показанный на фиг.2, использующий ППК в качестве модуля преобразования напряжения 101, позволяет обеспечить выходные напряжения модуля преобразования напряжения 101 через уже существующие внутренние узлы ППК. Данный конкретный вариант осуществления дает преимущество в позволении значительно сократить количество конденсаторов, используемых в устройстве преобразования напряжения, в сравнении с существующими устройствами преобразования напряжения, имеющими аналогичные характеристики, поскольку выходные напряжения уже доступны в узлах, которые по сути содержатся в ППК, образующем модуль преобразования напряжения 101.

[0052] Как и в типовом варианте осуществления, показанном на фиг.2, выходной фильтр 105 может содержать фильтрующую индуктивность Lo и фильтрующий конденсатор Со, где фильтрующая индуктивность Lo подключена между выходом мультиплексора 103 и нагрузкой 11, параллельной фильтрующему конденсатору Co.

[0053] Таким образом, дополнительное преимущество настоящего изобретения состоит в том, что пульсация сигнала напряжения vx на выходе мультиплексора 103 значительно снижается, что позволяет снизить требования к фильтрующей индуктивности Lo по габаритам так, что индуктивность Lo с размером, аналогичном размеру самой нагрузки 11, может быть легко интегрирована в компактную сборку, образованную, например, светодиодным модулем. Как правило, значение индуктивности прямо пропорционально пульсации напряжения, поэтому, когда пульсация напряжения уменьшается в N раз, размер индуктивности как элемента также может быть уменьшен в N раз.

[0054] Такие небольшие пульсации также обеспечивают преимущество, состоящее в позволении сокращения электромагнитных излучений, которое приводит к снижению электромагнитных помех (EMI). Они также обеспечивают дополнительное преимущество, состоящее в том, что градиенты напряжения и тока в переключателях, содержащихся в устройстве преобразования напряжения, могут быть значительно уменьшены, что, в частности, приводит к увеличению срока службы устройства преобразования напряжения.

[0055] Для обеспечения регулирования нагрузки контроллер 107, как описано выше со ссылкой на фиг.1, выполнен с возможностью управления соответствующим каналом мультиплексора 103 и модулем преобразования напряжения 101. Мультиплексор 103 обеспечивает грубое регулирование среди дискретных уровней напряжения, прикладываемых к выходному фильтру 105.

[0056] Контроллер 107 также обеспечивает тонкое регулирование ШИМ прямоугольных выходов модуля преобразования напряжения 101, т.е. внутренних узлов ППК в типовом варианте осуществления, описанном выше со ссылкой на фиг.2, путем управления коэффициентом заполнения фаз ППК. Кроме того, контроллер 107 может позволять настраивать частоту переключения ППК так, чтобы максимизировать эффективность при различных уровнях нагрузки.

[0057] Вариации среднего уровня напряжения на некоторых внутренних узлах ППК, изображенных на фиг.2, в развертке по коэффициенту заполнения показаны на фиг.4, описываемой более подробно ниже.

[0058] На фиг.3 приведены диаграммы временной зависимости, иллюстрирующие напряжение на некоторых различных внутренних узлах устройства преобразования напряжения в соответствии с типовым вариантом осуществления изобретения, описанным выше со ссылкой на фиг.2.

[0059] На графике, изображенном на фиг.3, ось абсцисс отвечает времени, прошедшем с произвольного момента, в терминах количества периодов T периодического сигнала, тогда как по оси ординат отложено напряжение сигнала в терминах различных долей входного напряжения Vin. Следует отметить, что в целях ясности на графике на фиг.3 представлены напряжения не на всех внутренних узлах модуля преобразования напряжения.

[0060] Первая кривая 305 отвечает напряжению vx5 на пятом центральном узле N5 модуля преобразования напряжения; вторая кривая 306 отвечает напряжению vx6 на шестом центральном узле N6 модуля преобразования напряжения; третья кривая 307 отвечает напряжению vx7 на седьмом центральном узле N7 модуля преобразования напряжения; четвертая кривая 308 отвечает напряжению vx8 на восьмом центральном узле N8 модуля преобразования напряжения; пятая кривая 309 отвечает напряжению vx9 на девятом центральном узле N9 модуля преобразования напряжения.

[0061] Сигнал напряжения, представленный каждой из кривых 305, ... , 309, является прямоугольным сигналом с периодом T и амплитудой, равной одной двадцатой входного напряжения питания Vin. Две кривые, отвечающие двум соседним узлам, разделены шагом в одну двадцатую входного напряжения питания Vin.

[0062] На фиг.4 представлены кривые, иллюстрирующие средние напряжения на различных внутренних узлах устройства преобразования напряжения в соответствии с типовым вариантом осуществления настоящего изобретения, как описано выше со ссылкой на фиг.2, в развертке по коэффициенту заполнения управляющего ШИМ сигнала от 0 до 1.

[0063] Как видно из фиг.4, средние напряжения некоторых узлов могут перекрываться при экстремальных значениях коэффициента заполнения.

[0064] На фиг.4 первая кривая 405 показывает вариацию среднего напряжения vx5 на пятом внутреннем узле N5 модуля преобразования напряжения; вторая кривая 406 показывает вариацию среднего напряжения vx6 на шестом внутреннем узле N6 модуля преобразования напряжения; третья кривая 407 показывает вариацию среднего напряжения vx7 на седьмом внутреннем узле N7 модуля преобразования напряжения; четвертая кривая 408 показывает вариацию среднего напряжения vx8 на восьмом внутреннем узле N8 модуля преобразования напряжения; пятая кривая 409 показывает вариацию среднего напряжения vx9 на девятом внутреннем узле N9 модуля преобразования напряжения.

[0065] Как показано на фиг.4, вариация коэффициента заполнения сигнала, управляющего переключателями модуля преобразования напряжения посредством контроллера 107, как описано выше со ссылкой на фиг.1, позволяет обеспечить непрерывный диапазон значений выходного напряжения; кроме того, выбор соответствующего выходного напряжения посредством мультиплексора 103 позволяет обеспечить широкий диапазон значений выходного напряжения.

[0066] На фиг.5 показаны кривые, иллюстрирующие зависимость значения индуктивности выходного фильтра при вариации пульсации выходного напряжения для различных значений напряжения номинальной нагрузки vo.

[0067] Как показано на фиг.5, значение индуктивности выходного фильтра меняется линейно в зависимости от пульсации выходного напряжения. Поскольку величина индуктивности дает представление о фактических габаритах индуктивности как элемента, фиг.5 подчеркивает преимущество настоящего изобретения с точки зрения уменьшения размера выходного фильтра.

[0068] На фиг.6 показана схема, иллюстрирующая типовую реализацию аналогового управления для управления коэффициентом заполнения и/или частотой модуля преобразования напряжения в типовом варианте осуществления настоящего изобретения.

[0069] Как показано на фиг.6, ток, протекающий через нагрузку 611, к примеру через светодиодный шнур, может быть считан путем измерения напряжения Vsense на резисторе Rsense. Считанное напряжение Vsense может быть вычтено из текущего заданного значения напряжения Vset.

[0070] Пропорционально-интегральный (ПИ) регулятор может состоять из схемы усилителя 603 и схемы интегратора 605, например, на основе операционных усилителей (ОУ). ПИ-регулятор позволяет минимизировать ошибку между двумя измеренными напряжениями Vsense и Vset; отклик ПИ-регулятора можно настроить путем изменения характеристик пассивных элементов, то есть подключенных к ОУ резисторов и конденсаторов в приведенном типовом варианте осуществления.

[0071] Выходное напряжение Vduty ПИ-регулятора имеет величину, соответствующую значению коэффициента заполнения преобразователя напряжения. Сигналы для управления преобразователем напряжения, например, преобразователем на переключающихся конденсаторах, как в типовом варианте осуществления, описанном выше со ссылкой на фиг.2, могут быть получены путем сравнения выходного напряжения Vduty ПИ-регулятора с пилообразным напряжением Vsaw посредством компаратора 607, выводящего, таким образом, два взаимодополняющих ШИМ сигнала с первой временной фазой Φ1 и второй временной фазой Φ2 соответственно. Частота пилообразного сигнала определяет частоту ШИМ сигналов, а его амплитуда определяет пропорциональный коэффициент ПИ-регулятора. Для предотвращения сквозного тока через переключатели между фазовыми управляющими сигналами может быть добавлено время задержки.

[0072] На фиг.7 показана схема, иллюстрирующая типовую реализацию зонального управления для управления мультиплексорным каналом в типовом варианте осуществления настоящего изобретения.

[0073] Дополнительное управление напряжением с обратной связью может быть обеспечено для предоставления большого диапазона ввода/вывода динамического напряжения преобразователя напряжения. Колеблющиеся узлы ШИМ могут охватывать весь спектр выходного напряжения от 0 до Vin с интервалами, соответствующими 1/10 входного напряжения Vin. Как описано выше со ссылкой на фиг.1 и 2, соответствующий внутренний узел ШИМ подключается к выходному фильтру путем выбора одного из каналов мультиплексора 103. Зональный контроллер 700, показанный на фиг.7, позволяет активировать надлежащий канал мультиплексора путем считывания входных и выходных напряжений.

[0074] В типовом варианте осуществления, показанном на фиг.7, входное напряжение Vin может быть считано с помощью 10 идентичных резисторов R, соединенных последовательно, которые позволяют сформировать 9 пороговых напряжений постоянного тока Vth1, Vth2, ... , Vth9, эквидистантно расположенных в диапазоне от 1/10Vin до 9/10Vin. Отдельные напряжения Vth1, Vth2, ... , Vth9 сравниваются с выходным напряжением vo с помощью аналоговых компараторов CMP0, ... , CMP9.

[0075] Сигналы активации для двух граничных каналов/уровней мультиплексора, т.е. сигнал активации MS10 верхнего уровня и сигнал активации MS1 нижнего уровня, могут быть непосредственно получены из соответствующих компараторов CMP9, CMP0. Остальные сигналы активации генерируются путем соединения выходов смежных компараторов с элементом исключающее ИЛИ XORx. Таким образом, соответствующий канал является активным, когда выходное напряжение лежит между двумя пороговыми уровнями напряжений; т.е. в случае, когда Vin 3/10 < vo < Vin 4/10, выходы первых трех компараторов CMP1, CMP2, CMP3 устанавливаются на высокий уровень, а выходы остальных компараторов CMP0, CMP4, ... , CMP9 устанавливаются на низкий уровень. В данной типовой конфигурации только элемент XOR1 имеет входы на разных уровнях, поэтому сигнал активации MS4 является единственным активным сигналом (высокий уровень), тогда как другие сигналы активации неактивны (низкий уровень).

[0076] Все элементы, содержащиеся в вышеописанных вариантах осуществления, могут быть выполнены достаточно малыми для интеграции, например, в виде энергосистемы на кристалле (PSoC) или энергосистемы в корпусе (PSiP). В приведенном типовом варианте осуществления емкости всех конденсаторов могут быть выбраны равными 100 нФ; значения емкостей могут быть дополнительно оптимизированы для достижения более высокой эффективности. Значение фильтрующей индуктивности Lo может быть выбрано равным 200 нГн, что делает возможным печать на светодиодной подмонтажной опоре площадью 5х5 мм. Например, светодиодная сборка может быть выполнена таким образом, чтобы включать в себя по меньшей мере один светодиод и драйвер, содержащий устройство преобразования напряжения по различным описанным вариантам осуществления.

[0077] Конденсаторы могут быть также реализованы с использованием технологии, аналогичной той, которая применяется в ферроэлектрическом ОЗУ (FRAM) или встроенном динамическом ОЗУ (eDRAM). Более высокая диэлектрическая проницаемость, достигнутая посредством таких технологий, делает интегральные ППК меньше и, таким образом, дешевле.

[0078] В то время как изобретение было проиллюстрировано и подробно описано на чертежах, а также в вышеприведенном описании, специалисту в данной области техники должно быть ясно, что такие иллюстрации и описание должны рассматриваться как иллюстративные или типовые и неограничивающие. Изобретение не ограничивается описанными вариантами осуществления; напротив, в пределах защищаемого объема настоящего изобретения, определяемого прилагаемой формулой изобретения, возможно несколько вариаций и модификаций.

[0079] Например, варианты осуществления, описанные выше, относятся к модулям преобразования напряжения, сформированным на основе ППК конкретной топологии, в то время как может быть использован и любой другой тип преобразователя напряжения.

[0080] Следует отметить, что хотя здесь описаны в основном приложения, в которых нагрузкой является источник света, настоящее изобретение также может применяться во многих системах, где существует необходимость в интегральных блоках управления питанием, например, в интегральных устройствах, таких как имплантируемые или носимые датчики на теле для считывания физических или физиологических параметров, или в интегральных блоках аккумулирования энергии и т.д.

[0081] Все сформулированные и использованные здесь определения следует понимать как превалирующие над определениями в словарях, определениями в документах, включенных посредством ссылки, и/или традиционными значениями определяемых терминов.

[0082] Другие вариации раскрытых вариантов осуществлений могут быть поняты и реализованы специалистами в данной области техники при осуществлении заявленного изобретения в ходе изучения чертежей, описания и прилагаемой формулы изобретения. В формуле изобретения слово "содержащий" не исключает другие элементы или стадии, а неопределенный артикль "a" или "an" не исключает множественности. Тот факт, что определенные меры перечислены во взаимно различных зависимых пунктах формулы изобретения, не означает, что комбинация этих мер не может быть использована для преимущества. Любые ссылочные обозначения в формуле изобретения не должны быть истолкованы как ограничивающие объем изобретения.

Изобретение относится к устройству преобразования напряжения (10) для питания нагрузки (11) ШИМ сигналом через индуктивный выходной фильтр (105). Устройство преобразования напряжения (10) содержит модуль преобразования напряжения (101), питаемый входным напряжением постоянного тока (Vin), и выполнено для обеспечения множества выходных сигналов (ШИМ1, ... , ШИМn) с уровнем амплитуды, составляющим некоторую долю от уровня входного напряжения (Vin). Каждый выходной сигнал колеблется в пределах составляющей напряжения смещения, разделенной на множество уровней в диапазоне от установленной наименьшей доли уровня амплитуды до установленной наибольшей доли уровня амплитуды. Устройство преобразования напряжения (10) дополнительно содержит мультиплексор (103), принимающий в качестве множества входов указанное множество выходных сигналов (ШИМ1, ... , ШИМn). Мультиплексор выполнен для вывода одного выходного сигнала (ШИМx), выбранного из множества входов, при этом выходной сигнал (ШИМx) мультиплексора (103) подключается к выходному фильтру (105). 4 н. и 7 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Устройство преобразования напряжения (10) для питания нагрузки (11) с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) сигнала, которое содержит индуктивный выходной фильтр (105), имеющий по меньшей мере один выход, выполненный с возможностью подключения к нагрузке, при этом устройство преобразования напряжения (10) содержит:

• модуль преобразования напряжения (101), питаемый входным напряжением постоянного тока (Vin) и выполненный с возможностью обеспечения множества выходных сигналов (ШИМ1, ... , ШИМn) с уровнем амплитуды, составляющим долю от уровня входного напряжения (Vin), где каждый выходной сигнал колеблется в пределах составляющей напряжения смещения, разделенной на множество уровней в диапазоне от установленной наименьшей доли уровня амплитуды до установленной наибольшей доли уровня амплитуды;

• модуль выбора (103), приспособленный для выбора одного выходного сигнала из указанного множества выходных сигналов (ШИМ1, ... , ШИМn), при этом выбранный выходной сигнал подключается к выходному фильтру (105).

2. Устройство преобразования напряжения (10) по п.1, в котором указанный модуль выбора (103) содержит мультиплексор (103), принимающий в качестве множества входов указанное множество выходных сигналов (ШИМ1, ... , ШИМn) и выполненный для вывода одного выходного сигнала (ШИМx), выбранного из указанного множества входов.

3. Устройство преобразования напряжения (10) по п.1, в котором указанный модуль выбора (103) содержит проводку выбранного выходного сигнала к выходному фильтру (105).

4. Устройство преобразования напряжения (10) по любому из пп.1-3, дополнительно содержащее контроллер (107), выполненный для управления коэффициентом заполнения и/или частотой выходных сигналов (ШИМ1, ... , ШИМn) модуля преобразования напряжения (101) в зависимости от по меньшей мере одного компонента из группы, состоящей из входных сигналов, представляющих считанное напряжение питания (Vin), считанное выходное напряжение (vo) модуля преобразования напряжения (101), и сигнала, представляющего считанные напряжение нагрузки, ток нагрузки или мощность нагрузки.

5. Устройство преобразования напряжения (10) по п.4, в котором модуль преобразования напряжения (101) содержит преобразователь на переключаемых конденсаторах (ППК), включающий в себя множество переключателей, управляемых контроллером (107).

6. Устройство преобразования напряжения (10) по п.5, в котором модуль преобразования напряжения (101) основан на лестничной топологии Диксона.

7. Устройство преобразования напряжения (10) по п.6, в котором указанное множество выходных сигналов (ШИМ1, ... , ШИМn) сформировано посредством напряжений (vx1, ... , vxn) на соответствующих внутренних узлах (N1, ... , N9) модуля преобразования напряжения (101).

8. Драйвер для светоизлучающего диода, характеризующийся тем, что он содержит устройство преобразования напряжения (10) по любому из предшествующих пунктов.

9. Светодиодная сборка, содержащая по меньшей мере один светодиод и связанный с ним драйвер по п.8.

10. Светодиодная сборка по п.9, интегрированная как энергосистема на кристалле (PSoC) или энергосистема в корпусе (PSiP).

11. Способ для питания нагрузки (11) сигналом с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) через индуктивный выходной фильтр (105), имеющий по меньшей мере один выход, выполненный с возможностью подключения к нагрузке, который содержит по меньшей мере стадию преобразования напряжения, подаваемого входным напряжением постоянного тока (Vin), во множество выходных сигналов (ШИМ1, ... , ШИМn) с уровнем амплитуды, составляющим долю от уровня входного напряжения (Vin), где каждый выходной сигнал колеблется в пределах составляющей напряжения смещения, разделенной на множество уровней в диапазоне от установленной наименьшей доли уровня амплитуды до установленной наибольшей доли уровня амплитуды, и стадию выбора одного выходного сигнала (ШИМx), выбираемого из указанного множества выходных сигналов (ШИМ1, ... , ШИМn), для подачи питающего нагрузку сигнала через выходной фильтр (105).