СХЕМА ВОЗБУЖДЕНИЯ НАГРУЗКИ Российский патент 2019 года по МПК H05B33/08 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к схеме возбуждения, такой как понижающий преобразователь для возбуждения нагрузки, такой как светодиод или светодиодная матрица.

Уровень техники

Кодирование света относится к технологиям, посредством которых данные внедряются в видимый свет, излучаемый источником света, таким как бытовой светильник. Таким образом, в случае такого светильника свет содержит как долю видимого освещения для освещения целевой окружающей среды, такой как помещение (как правило, основное назначение), так и внедренный сигнал для распространения информации в окружающей среде. Для этого свет модулируется с определенной частотой или частотами модуляции, предпочтительно достаточно высокой частотой, таким образом, чтобы он находился за пределами человеческого восприятия и, следовательно, не влиял на первичную функцию освещения. Данные можно также передавать, используя специализированный источник кодированного света, в случае которого модуляция может находиться или не находиться за пределами человеческого восприятия.

Кодирование света может использоваться в ряде приложений. Например, данные, внедренные в свет, могут содержать идентификатор источника света, излучающего этот свет. Затем этот идентификатор можно использовать на стадии ввода в эксплуатацию для определения вклада от каждого светильника или можно использовать во время работы для идентификации светильника для того, чтобы управлять им дистанционным образом (например, через обратный РЧ канал). В другом примере идентификацию можно использовать для навигации или других выполняемых функций, основанных на определении местоположения, путем обеспечения отображения между идентификатором и известным местоположением источника света и/или другой информации, связанной с местоположением. В этом случае мобильное устройство, такое как мобильный телефон или планшетный компьютер, принимающий свет (например, через встроенную камеру), может обнаружить внедренный идентификатор и использовать его для отыскания соответствующего местоположения и/или другой информации, отображенной в идентификаторе (например, в базе данных местоположений, доступ к которой обеспечивается по сети, такой как Интернет). В еще одних дополнительных приложениях другую информацию можно непосредственно кодировать в свете (в отличие от отыскания на основе идентификатора (ID), внедренного в свет).

Перед эксплуатацией источник света необходимо подключить к модулю, который называется драйвером и который отвечает за подачу питания к источнику света для того, чтобы вырабатывать световой выход на требуемом уровне, а также за модуляцию выходного сигнала с тем, чтобы кодировать данные в свете в случае кодирования света. Обычно драйвер встроен в тот же самый блок светильника, как и сам источник света. Например, в случае светодиодного светильника светодиоды, размещенные на печатной плате, можно подключить в качестве нагрузки к драйверу светодиодов, и, таким образом, светодиоды вырабатывают свет на требуемом уровне, а также передают одно или более сообщений, кодированных светом, выработанных драйвером светодиодов (например, на основе сигнала данных, выработанного программным обеспечением, запускаемым на микроконтроллере).

В состав драйвера светодиодов обычно входит один или более преобразователей, работающих в режиме переключения, таких как понижающий преобразователь. Этот (выходной) преобразователь, подключенный непосредственно к светодиодной нагрузке, используется для модуляции тока светодиода с целью получения кодированного света. Существуют различные способы модуляции тока светодиода и, следовательно, интенсивности света. Известные технологии модуляции данных в свете включают в себя широтно-импульсную модуляцию (ШИМ) и частотную модуляцию. ШИМ выполняется при фиксированной частоте, при этом дискретные уровни рабочих циклов соответствуют логическим уровням в сообщении, кодированном светом. С другой стороны, при частотной модуляции дискретные уровни частоты соответствуют логическим уровням в сообщениях, кодированных светом. Другой технологией модуляции кодированного света является амплитудная модуляция (AM), где дискретные уровни амплитуды соответствуют логическим уровням в сообщениях, кодированных светом.

Раскрытие изобретения

Согласно одному аспекту, раскрытому в данном документе, предложена схема возбуждения нагрузки, причем схема содержит выходную цепь для подключения схемы к нагрузке, переключающую цепь, выполненную с возможностью подачи питания от источника питания на нагрузку, и цепь управления. Выходная цепь содержит один или более компонентов накопления энергии. Переключающая цепь выполнена с возможностью подачи питания от источника питания на нагрузку путем подачи тока через по меньшей мере один из компонентов накопления энергии выходной цепи, который препятствует изменению тока, или приложения напряжения к по меньшей мере одному из компонентов накопления энергии выходной цепи, который препятствует изменению напряжения. Цепь управления выполнена с возможностью управления переключающей цепью таким образом, чтобы обеспечивать колебание упомянутого тока или напряжения между верхней огибающей и нижней огибающей. Кроме того, цепь управления выполнена с возможностью модулирования упомянутого тока или напряжения данными путем сдвига верхней огибающей между, по меньшей мере, первым уровнем амплитуды и вторым уровнем амплитуды и одновременно путем сдвига нижней огибающей на ту же величину в том же направлении.

Как будет показано более подробно ниже в разделе "Осуществление изобретения", этот одновременный сдвиг верхней и нижней огибающих обеспечивает преимущество, связанное с возможностью поддержания постоянной частоты переключения при применении амплитудной модуляции. Кроме того, перепады амплитуды, накладываемые на обе огибающие, можно уменьшить наполовину по сравнению с перепадом только одной из огибающих, что приводит к меньшей нагрузке на магнитные и другие компоненты.

Предпочтительно верхняя огибающая находится выше нуля для каждого из упомянутых уровней, и нижняя огибающая находится ниже нуля для каждого из упомянутых уровней. Это обеспечивает преимущество, состоящее в возможности переключения при нулевом напряжении (например, квазирезонансное переключение при нулевом напряжении).

Один или более компонентов накопления энергии могут содержать, по меньшей мере, индуктор, при этом переключающая цепь выполнена с возможностью подачи питания на нагрузку путем подачи упомянутого тока через индуктор, и цепь управления выполнена с возможностью обеспечения колебания упомянутого тока между верхней и нижней огибающими и модулирования упомянутого тока данными путем упомянутого сдвига верхней и нижней огибающих. В вариантах осуществления один или более компонентов накопления энергии могут содержать индуктор и конденсатор, размещенные вместе с образованием фильтра для сглаживания тока, подаваемого на нагрузку.

Альтернативно, один или более компонентов накопления энергии могут содержать, по меньшей мере, конденсатор, при этом переключающая цепь выполнена с возможностью подачи питания на нагрузку путем подачи упомянутого напряжения на конденсатор, и цепь управления выполнена с возможностью обеспечения колебания упомянутого напряжения между верхней и нижней огибающими и модулирования упомянутого напряжения данными путем упомянутого сдвига верхней и нижней огибающих. В вариантах осуществления один или более компонентов накопления энергии могут содержать конденсатор и индуктор, размещенные вместе с образованием фильтра для сглаживания напряжения, прикладываемого к нагрузке.

В вариантах осуществления цепь управления может содержать первый компаратор и второй компаратор, причем первый компаратор выполнен с возможностью ограничения колебания верхней огибающей путем сравнения сигнала обратной связи упомянутого тока или напряжения с верхним опорным сигналом, и второй компаратор выполнен с возможностью ограничения колебания нижней огибающей путем сравнения сигнала обратной связи упомянутого тока или напряжения с нижним опорным сигналом.

В вариантах осуществления, упомянутым сдвигом верхней и нижней огибающих можно управлять с помощью программного обеспечения. Например, программное обеспечение позволяет управлять сдвигом, регулируя верхний и нижний опорные сигналы.

В вариантах осуществления переключающая цепь может содержать переключатель верхнего плеча для подключения выходной цепи к верхней шине напряжения питания упомянутого источника питания и переключатель нижнего плеча для подключения выходной цепи к нижней шине напряжения питания упомянутого источника питания; при этом цепь управления выполнена с возможностью обеспечения колебания с постепенным увеличением в направлении верхней огибающей за счет включения переключателя верхнего плеча и обеспечения колебания с постепенным снижением в направлении нижней огибающей за счет включения переключателя нижнего плеча.

В вариантах осуществления нагрузка может содержать источник света, и выходная цепь подключена для возбуждения источника света. Например, источник света может содержать по меньшей мере один светодиод.

В вариантах осуществления схема может принимать форму понижающего преобразователя.

Согласно другому аспекту, раскрытому в данном документе, предложен компьютерный программный продукт для управления схемой возбуждения, причем компьютерный программный продукт сохранен на по меньшей мере одном машиночитаемом носителе информации и/или загружен через компьютерную сеть; при этом цепь возбуждения выполнена с возможностью подачи питания от источника питания на нагрузку путем подачи тока через по меньшей мере один компонент накопления энергии, который препятствует изменению тока, или приложения напряжения к по меньшей мере одному компоненту накопления энергии, который препятствует изменению напряжения, и схема возбуждения содержит цепь управления, выполненную с возможностью обеспечения колебания упомянутого тока или напряжения между верхней огибающей и нижней огибающей; и компьютерный программный продукт содержит код, выполненный таким образом, чтобы при его исполнении на одном или более процессорах происходило управление цепью управления для модулирования упомянутого тока или напряжения данными путем сдвига верхней огибающей между, по меньшей мере, первым уровнем амплитуды и вторым уровнем амплитуды и одновременно путем сдвига нижней огибающей на ту же величину в том же направлении.

Согласно другому аспекту, раскрытому в данном документе, предложен способ возбуждения нагрузки, причем способ содержит: подачу питания от источника питания на нагрузку через выходной каскад, содержащий один или более компонентов накопления энергии, путем подачи тока через по меньшей мере один из компонентов накопления энергии выходного каскада, который препятствует изменению тока, или приложения напряжения к по меньшей мере одному из компонентов накопления энергии выходного каскада, который препятствует изменению напряжения; обеспечение колебания упомянутого тока или напряжения между верхней огибающей и нижней огибающей; и модулирование упомянутого тока или напряжения данными путем сдвига верхней огибающей между, по меньшей мере, первым уровнем амплитуды и вторым уровнем амплитуды и одновременно путем сдвига нижней огибающей на ту же величину в том же направлении.

Краткое описание чертежей

Для того чтобы облегчить понимание настоящего раскрытия и показать, как варианты осуществления изобретения можно осуществить на практике, сделана ссылка в качестве примера на сопроводительные чертежи, на которых:

Фиг.1a - схематичный чертеж графика, показывающего ток, подаваемый на нагрузку;

Фиг.1b - другой схематичный чертеж графика, показывающего ток, подаваемый на нагрузку;

Фиг.2 - другой схематичный чертеж графика, показывающего ток, подаваемый на нагрузку;

Фиг.3 - схематичная принципиальная схема возбуждения, предназначенная для возбуждения нагрузки;

Фиг.4 - другая схематичная принципиальная схема возбуждения, предназначенная для возбуждения нагрузки;

Фиг.5 - схематичная временная диаграмма, показывающая синхронизацию тока, подаваемого на нагрузку относительно напряжений в схеме возбуждения;

Фиг.6 - осциллограмма, показывающая синхронизацию тока, подаваемого на нагрузку, относительно напряжений в схеме возбуждения;

Фиг.7 - схематичная блок-схема светильника; и

Фиг.8a-8d - упрощенные схемы, показывающие цепи, задействованные в процессе квазирезонансного переключения при нулевом напряжении.

Осуществление изобретения

На Фиг.4 показан пример схемы 300 возбуждения в соответствии с вариантами осуществления настоящего раскрытия для возбуждения светодиода (или группы светодиодов) с целью излучения кодированного света. На Фиг.3 показана эквивалентная схема той же самой схемы в упрощенной форме. В иллюстрированном примере схема 300 возбуждения имеет вид сдвоенного синхронного понижающего преобразователя, аналогичного и/или эквивалентного схемам, которые можно обнаружить в драйвере светодиодов Xitanium мощностью 75 Вт или которые можно на практике использовать для других драйверов. В вариантах осуществления добавление описанной функции кодирования света в драйвер светодиодов Xitanium мощностью 75 Вт потребует только обновления программно-аппаратного обеспечения, аналогичного обновлениям для смартфонов или планшетных компьютеров. Нет никакой необходимости в изменении аппаратных средств, и по существу ранние установленные драйверы светодиодов можно также обновлять с возможностью кодирования света. Однако следует понимать, что это всего лишь один пример, и возможны другие реализации либо только в виде аппаратных средств, либо в сочетании аппаратных средств и программного обеспечения, таком как программно-аппаратное обеспечение.

Схема 300 возбуждения содержит первый электронный переключатель SW1 верхнего плеча (например, МОП-транзистор (полевой транзистор со структурой металл-оксид-полупроводник)), второй электронный переключатель SW2 нижнего плеча (например, другой полевой МОП-транзистор) и токочувствительный резистор RS1, соединенный последовательно между верхней шиной питания и нижней шиной питания источника питания - в этом случае между положительным напряжением Vbus и землей, соответственно (но следует понимать, что возможны и другие размещения шин питания, например, положительные и отрицательные шины питания). Каждый переключатель SW1 и SW2 имеет первый проводящий вывод, второй проводящий вывод и вывод для переключения, предназначенный для управления переключателем таким образом, чтобы пропускать или не пропускать ток между первым и вторым проводящими выводами (например, как показано в случае N-канального МОП-транзистора, они имеют сток, исток и затвор, соответственно). Переключатель SW1 верхнего плеча имеет первый проводящий вывод, подключенный к верхней шине Vbus питания, и второй проводящий вывод, подключенный к первому проводящему выводу переключателя SW2 нижнего плеча. Переключатель SW2 нижнего плеча имеет второй проводящий вывод, подключенный к первому выводу токочувствительного резистора RS1, и другой вывод токочувствительного резистора RS1 подключен к нижней шине напряжения питания (в этом примере к земле). Таким образом, образуется соединение между переключателем SW1 верхнего плеча и переключателем SW2 нижнего плеча (то есть провод, соединяющий второй проводящий вывод переключателя SW1 верхнего плеча и первый проводящий вывод переключателя SW2 нижнего плеча) и дополнительное соединение между переключателем SW2 нижнего плеча и токочувствительным резистором RS1 (то есть провод, соединяющий второй проводящий вывод переключателя SW2 нижнего плеча с первым выводом токочувствительного резистора RS1).

Схема 300 возбуждения также содержит выходной каскад, содержащий множество компонентов накопления энергии, в этом случае индуктор L1 и конденсатор C1. Соединение между переключателем SW1 верхнего плеча и переключателем SW2 нижнего плеча соединяет первый вывод индуктора L1, и другой вывод индуктора L1 подключен к выходной линии 304, которая является соединением с нагрузкой 704 (смотри также Фиг.7, описанную ниже). Таким образом, переключающая цепь SW1, SW2 выполнена с возможностью подключения к нагрузке 704 через индуктор L1 либо к верхней шине Vbus питания, либо к нижней шине питания (в этом случае к земле). Следует отметить, что, как будет обсуждено более подробно ниже, переключатели SW1 верхнего плеча и SW2 нижнего плеча переключаются поочередно таким образом, чтобы при выключении одного включался другой и наоборот.

Выходная линия 304 также подключена к первому выводу конденсатора C1, и другой вывод конденсатора C1 подключен к нижней шине питания (например, земле), таким образом образуя в выходном каскаде фильтр с индуктором L1.

Схема 300 возбуждения дополнительно содержит пошаговый контроллер 302, который имеет первый выход, подключенный к выводу для переключения переключателя SW1 верхнего плеча для его управления с помощью первого сигнала Vbuck_hi переключения, и второй выход, подключенный к выводу для переключения переключателя SW2 нижнего плеча для его управления с помощью второго сигнала Vbuck_lo переключения. В вариантах осуществления оба этих соединения проходят через буфер 404, например, FAN7380. Пошаговый контроллер 302 может также иметь третий выход, подключенный к входу цепи 406 обнаружения нулевого напряжения (ZVD), при этом выход цепи ZVD подключен к соединению между переключателем SW1 верхнего плеча и переключателем SW2 нижнего плеча. Цепь 406 ZVD представляет собой цепь измерения/обнаружения, воплощенную в аппаратных средствах, которые обнаруживают, равно ли нулю или близко к нулю напряжение на концах переключателей SW1 и SW2.

На практике выходной сигнал ZVD будет представлять собой, как правило, уменьшенную в масштабе копию входного напряжения цепи ZVD. Масштабирование необходимо для пошагового контроллера 302, который может только оперировать с определенными уровнями напряжения (например, 5 В), в то время как сигнал на входе цепи ZVD, который подключен к стоку SW2/истоку SW1, линейно нарастает и падает между Vbus (обычно, по меньшей мере, 400 В по отношению к земле gnd) и землей gnd.

В дополнение, схема 300 возбуждения содержит первый компаратор CP1 и второй компаратор CP2, причем выход первого компаратора CP1 соединен с первым входом пошагового контроллера 302, и выход второго компаратора CP2 соединен со вторым входом пошагового контроллера 302. Каждый из компараторов CP1 и CP2 содержит первый вход и второй вход для сравнения с первым входом, например, инвертирующим входом (-) и неинвертирующим входом (+), соответственно. Схема 300 возбуждения содержит цепь 408 обнаружения положительного (пикового) тока (PCD), подключенную для получения обратной связи по току iL, протекающему через индуктор L1 при его подключении переключателем SW1 верхнего плеча к верхней шине Vbus питания, и цепь 410 обнаружения отрицательного (пикового) тока (NCD), подключенную для получения обратной связи по току iL, протекающему через индуктор L1 при его подключении переключателем SW2 нижнего плеча к нижней шине питания (в данном случае к земле). В вариантах осуществления цепь 408 PCD подключена для использования напряжения на вторичной обмотке индуктора L1 для интегрирования и, следовательно, восстановления тока iL индуктора, когда переключатель SW1 верхнего плеча находится в проводящем состоянии, тогда как цепь 410 NCD подключена к соединению между переключателем SW2 нижнего плеча и токочувствительным резистором RS1 для измерения тока iL индуктора путем измерения тока, протекающего через токочувствительный резистор RS1, когда переключатель SW2 нижнего плеча находится в проводящем состоянии. Однако следует иметь в виду, что возможны и другие компоновки для получения обратной связи.

Например, цепь 408 PCD можно расширить таким образом, чтобы она также включала в себя обнаружение отрицательного пикового тока, делая в этом случае цепь 410 NCD неактуальной. Схема 408 PCD будет поддерживать на одном и том же уровне напряжение на вторичной обмотке в качестве входного сигнала для восстановления тока индуктора, но при этом будет иметь два выхода: один, идущий к CP1, и другой, подключенный к CP2. Однако в предпочтительной реализации цепи PCD и NCD представляют собой отдельные решения, основанные на двух различных источниках входного сигнала для обнаружения, то есть на напряжении на вторичной обмотке индуктора L1 для PCD и на напряжении на концах токочувствительного резистора RS1 для NCD.

Цепь 408 PCD подключена для обеспечения обратной связи по току iL индуктора к одному из входов первого компаратора CP1, например, к неинвертирующему входу. Другой вход первого компаратора CP1, например, инвертирующий вход, подключен для приема верхнего опорного сигнала Vref_hi. Цепь NCD 410 подключена для того, чтобы обеспечить обратную связь по току iL индуктора на одном из входов второго компаратора CP2, например, на инвертирующем входе. Другой вход второго компаратора CP2, например, неинвертирующий вход, подключен для приема нижнего опорного сигнала Vref_lo. В вариантах осуществления первый и второй компараторы CP1, CP2 подключены для приема верхнего и нижнего опорных сигналов Vref_hi, Vref_lo, соответственно, поступающих из программного обеспечения, запускаемого на процессоре, таком как микропроцессор. В вариантах осуществления, пошаговый контроллер 302 и компараторы CP1, CP2 составляют одно целое на одном и том же блоке микроконтроллера (MCU) 402, который запускает программное обеспечение для выработки верхнего и нижнего опорных сигналов Vref_hi и Vref_lo. Однако этот случай не обязательно будет использоваться во всех возможных вариантах осуществления, например, Vref_hi и Vref_lo можно выработать с помощью одного или более процессоров независимо от пошагового контроллера 302 и/или компараторов CP1, CP2; или Vref_hi и Vref_lo можно даже выработать с помощью специализированных схем аппаратных средств или конфигурируемых или реконфигурируемых схем, таких как PGA или FPGA.

На Фиг.7 показана схема 300 возбуждения в контексте Фиг.3 и 4. В данном случае схема 300 возбуждения выполнена как одно целое со светильником 702. Такой светильник 702 обычно содержит: одну или более плат 704 со светодиодами, каждая из которых содержит один или более светодиодов 706, и по меньшей мере одну схему 300 возбуждения светодиодов, подключенную для возбуждения светодиодов 706, установленных на одной или более платах 704 со светодиодами; наряду с любыми платами с оптикой и/или другими оптическими материалами или устройствами для направления и/или формирования света, излучаемого из светодиодов 706, и металлический каркас или другую конструкцию каркаса или корпуса для поддержания схемы 300 возбуждения, плат 704 со светодиодами и оптикой. Схема 300 возбуждения выполнена с возможностью приема питания через провода 708 питания и приема данных, которыми должен быть модулирован свет (а также любых других данных, таких как уровень понижения яркости), через цифровой интерфейс 710.

В соответствии с вариантами осуществления настоящего раскрытия схема 300 возбуждения светодиодов выполнена для кодирования света (в вариантах осуществления только за счет обновления программного обеспечения) и, конечно, также для возбуждения панелей 704 со светодиодами, подключенных к ее выходу на затребованном пользователем уровне (понижения яркости). В случае кодирования света ток светодиода будет модулироваться (в этом случае с помощью амплитудной модуляции), тем самым модулируя излучаемый свет.

Работа схемы 300 возбуждения обсуждена со ссылкой на Фиг.1a, 1b и 2. В целях иллюстрации рассмотрим, что пошаговый контроллер 302 начинает работать при напряжении Vbuck_hi, установленном на высокий логический уровень, и напряжении Vbuck_lo, установленном на низкий логический уровень. Это означает, что переключатель SW1 верхнего плеча включается (находится в проводящем состоянии), и переключатель SW2 нижнего плеча выключается (находится в непроводящем состоянии). Таким образом, индуктор L1 подключается к верхней шине Vbus питания, и ток начинает линейно нарастать (увеличиваться) в индукторе L1 в направлении от верхней шины Vbus питания к нагрузке 704. Во время этого процесса первый компаратор CP1 сравнивает сигнал обратной связи этого тока (принятый через цепь 408 PCD) с верхним опорным сигналом Vref_hi (например, поданным с помощью программного обеспечения). Следует отметить, что сигнал обратной связи может представлять собой сигнал напряжения, характеризующий ток iL. Результатом сравнения является выходной сигнал, подаваемый из первого компаратора CP1 в пошаговый контроллер 302. В момент времени Тstep, когда сигнал обратной связи достигает уровня верхнего опорного сигнала Vref_hi, соответствующего верхней огибающей (верхней границе) Ienv_hi, которая будет применяться к току iL индуктора, пошаговый контроллер 302 устанавливает напряжение Vbuck_hi на низкий логический уровень и устанавливает напряжение Vbuck_lo на высокий логический уровень. Это означает, что переключатель SW1 верхнего плеча выключается (переходит в непроводящее состояние), и переключатель SW2 нижнего плеча включается (переходит в проводящее состояние). Таким образом, индуктор L1 подключен теперь к нижней шине питания (например, к земле), и ток начинает линейно падать (уменьшаться) в индукторе L1 (в случае Фиг.1b и 2, окончательно изменяя направление протекания на направление от нагрузки 704 к нижней шине питания). Во время этого процесса второй компаратор CP2 сравнивает сигнал обратной связи этого тока (принятый с помощью цепи 410 NCD) с нижним опорным сигналом Vref_lo (например, поданным с помощью программного обеспечения). Результатом сравнения является выходной сигнал, подаваемый из второго компаратора CP2 в пошаговый контроллер 302. После того как сигнал обратной связи достигнет уровня нижнего опорного сигнала Vref_lo, соответствующего нижней огибающей (нижней границе) Ienv_lo, которая будет применяться к току iL индуктора, пошаговый контроллер 302 устанавливает Vbuck_hi обратно на высокий логический уровень и устанавливает Vbuck_lo на низкий логический уровень. Таким образом, процесс повторяется в течение одного цикла, при этом ток iL в индукторе iL совершает колебания между верхним уровнем Ienv_hi огибающей и нижним уровнем Ienv_lo огибающей.

В вариантах осуществления обнаружение тока iL индуктора разделено на две цепи - одна для обнаружения положительного (цепь 408 PCD) и другая для обнаружения отрицательного (цепь 410 NCD) пикового тока индуктора. Описание этих двух цепей приведено ниже.

В цепи 408 PCD используется напряжение, снимаемое со вторичной обмотки индуктора L1 для интегрирования и восстановления тока индуктора в периоды времени, когда переключатель SW1 находится в проводящем состоянии. Сигнал Vbuck_hi возбуждения, подаваемый из MCU 402, используется для правильного приведения в исходное состояние элемента интегрирующей цепи, конденсатора, перед началом следующего цикла интегрирования. Когда измеренный пиковый ток превышает опорный уровень положительного пикового тока, переключатель SW1 верхнего плеча выключается. Как будет обсуждено ниже, перепады накладываются на верхнюю часть опорного уровня положительного пикового тока для того, чтобы достичь кодирования света. Положительный пиковый ток индуктора и, таким образом, ток светодиода и, следовательно, уровень излучаемого света, будет следовать этим перепадам.

В цепи 410 NCD используется информация от токочувствительного резистора RS1, соединенного последовательно с переключателем SW2 для восстановления и измерения отрицательного тока в периоды времени, когда переключатель SW2 находится в проводящем состоянии. Измеренный ток сравнивается с опорным уровнем отрицательного пикового тока, и при превышении нижнего пика переключатель SW2 выключается. Аналогично опорному уровню положительного пика, перепады тока для кодирования света применяются к этому опорному уровню; и поэтому отрицательный пиковый ток индуктора и, таким образом, ток светодиода и, следовательно, уровень яркости света будет следовать этим перепадам.

Схему 300 возбуждения можно описать как "гистерезисный" понижающий преобразователь. Гистерезис - это свойство схемы, с помощью которого выходной сигнал зависит не только от текущего входного сигнала схемы, но также и от своей предыстории прошлых входных сигналов (в этом случае из-за компонентов L1 и C1 накопления энергии). Название "гистерезисный" понижающий преобразователь относится к гистерезисному поведению тока индуктора, который линейно нарастает и падает между двумя заданными уровнями, в данном случае опорными уровнями, для положительного и отрицательного пикового тока индуктора.

Циклическое изменение тока индуктора между верхним и нижним опорными уровнями тока означает, что возмущения на Vbus, которые могут присутствовать, не влияют по существу на амплитуду циклического изменения (так как это определено верхним и нижним опорными значениями), и поэтому средний (выходной) ток, то есть ток светодиода, не подвержен влиянию возмущений на Vbus, хотя частота цикла/переключения может быть/будет подвержена влиянию. Поэтому коэффициент подавления возмущений Vbus для тока светодиода гистерезисного понижающего преобразователя является очень хорошим.

В вариантах осуществления индуктор L1 соединен с конденсатором C1 параллельно нагрузке 704, тем самым образуя фильтр таким образом, чтобы ток подавался в нагрузку 704 в сглаженном виде iL', который приблизительно равен постоянному току. Альтернативно или дополнительно, другую цепь фильтра (не показана) можно подключить между выходной линией 304 и нагрузкой 704.

Отметим также, несмотря на то, что это не изображено на Фиг.3 и 4, в вариантах осуществления можно также предусмотреть другой внешний контур обратной связи, который отвечает за управление током светодиода (средним током индуктора).

В целях кодирования света модуляция достигается путем управления положительным и/или отрицательным пиковыми токами Ienv_hi и Ienv_lo индуктора понижающего преобразователя посредством кодирования опорных уровней Vref_hi и Vref_lo (двухпороговых) компараторов CP1 и CP2 (например, под управлением программного обеспечения).

Один из способов добиться этого состоит в сохранении нижней огибающей Ienv_lo на постоянном положительном уровне (путем поддержания напряжения Vref_lo на постоянном уровне); и модуляции только верхней огибающей Ienv_hi (путем управления Vref_hi) для представления данных. Например, верхняя огибающая представляет собой логическую 1 в данных, и нижняя огибающая представляет собой логический 0 (или наоборот или, в более общем смысле, другие символы для представления данных можно модулировать для получения нужной огибающей аналогичным образом). Это проиллюстрировано на Фиг.1a. Однако при использовании этой технологии существует много проблем.

Сначала, в вариантах осуществления может быть предпочтительным наличие возможностей использовать переключение при нулевом напряжении (ZVS), предпочтительно квазирезонансное ZVS (QR-ZVS). Для настоящих целей переключение при нулевом напряжении означает включение переключающего устройства (обычно полевого МОП-транзистора) только в момент, когда напряжение (напряжение исток-сток в случае полевого МОП-транзистора) на концах этого переключающего устройства равно нулю. Поэтому в примере, показанном на Фиг.3 и 4, это означает переключение SW1 и SW2 в момент, когда напряжение исток-сток равно нулю.

Для достижения этой цели предпочтительным режимом работы гистерезисного понижающего преобразователя является граничный режим работы, то есть ток iL индуктора становится отрицательным для создания условий переключения при нулевом напряжении для переключателя SW1 (полевого МОП-транзистора) верхнего плеча. Это проиллюстрировано на Фиг.1b. Как можно видеть, нижняя огибающая Ienv_lo остается теперь на всем протяжении отрицательной (в отличие от Фиг.1a). Переключение при нулевом напряжении является желательным, так как потери при переключении могут быть существенными, когда переключение осуществляется не при нулевом напряжении, а при высоком напряжении Vbus на шине (например, в вариантах осуществления приблизительно 400-500 В). Управление переключателями SW1 и SW2 осуществляется пошаговым контроллером 302, который вырабатывает надлежащие сигналы возбуждения для обоих переключателей с тем, чтобы понижающий преобразователь работал в режиме граничной проводимости (в режиме критической проводимости) во все периоды времени, то есть, чтобы создавались условия для переключения при нулевом напряжении с целью минимизации потерь. Например, пошаговый контроллер 302 может содержать ШИМ-генераторы, которые позволяют обеспечить обработку, по меньшей мере, событий от компараторов CP1, CP2 наряду с некоторыми другими сигналами (на Фиг.4 не изображены), чтобы гарантировать граничный/критичный режим работы.

Однако все еще существует одна или более проблем, которые необходимо решить даже при модуляции, раскрытой в связи с Фиг.1b.

В частности, когда модулируется только положительный пиковый ток Ienv_hi, результат состоит в том, что частота переключения (частота колебаний назад и вперед между верхней и нижней огибающими Ienv_hi и Ienv_lo) является различной для различных логических уровней, например, является различной для нулей (0) и единиц (1). Изменения частоты переключения оказывают негативное влияние на качество света (пульсации тока светодиода), и поэтому их следует избегать.

Кроме того, чтобы достичь определенного перепада x в токе светодиода (например, 10%) с целью кодирования света, необходимо изменение, равное 2x от амплитуды (например, 20%), что значительно увеличивает нагрузку на индуктор (смотри снова Фиг.1b).

Как показано на Фиг.2, варианты осуществления настоящего раскрытия обеспечивают решение одной или обеих из этих проблем за счет модуляции обоих опорных уровней для положительного пикового тока Ienv_hi индуктора и отрицательного пикового тока Ienv_lo индуктора с одинаковой величиной в одинаковом направлении в один и тот же момент времени (Tstep). В этом случае частота переключения всегда поддерживается на одном и том же уровне, поэтому пульсации тока светодиода не будут изменяться при переключении. Таким образом, качество света и качество кодирования света повышаются по сравнению с ситуациями, где модулируется только один из двух опорных уровней.

Кроме того, когда оба опорных уровня изменяются на величину x (например, на 10%) в целях кодирования света, средний ток индуктора и, следовательно, ток светодиода также изменяются только на x (например, также на 10%), тем самым ограничивая нагрузку на индуктор L1. То есть, чтобы достичь определенного перепада x в токе светодиода (например, на 10%), требуется только изменение амплитуды на x, а не на 2x.

Таким образом, достигается гистерезисное управление, которое производит очень хорошее управление средним выходным током, например, током светодиода и, таким образом, светом.

Как уже упоминалось, аппаратные средства драйвера светодиодов Xitanium мощностью 75 Вт обеспечивают адаптацию функциональных возможностей устройства посредством обновления только программного обеспечения, тем самым добавляя функциональные возможности кодирования света в соответствии с изобретением в существующие функции драйвера светодиодов. В момент времени Тstep оба опорных уровня Ienv_hi и Ienv_lo повышаются скачком с равной амплитудой, тем самым приводя к эквивалентному перепаду вверх амплитуды среднего тока светодиода (до уровня выше общего среднего уровня, который требуется для установленного на данный момент уровня понижения яркости светодиодов). Перепады вниз достигаются аналогичным образом путем установки опорных уровней как для положительного, так и для отрицательного пиковых токов, которые уменьшаются скачком, тем самым приводя к эквивалентному перепаду вниз по амплитуде среднего тока светодиода (до уровня ниже, чем общее среднее значение, требуемое для установленного на данный момент уровня понижения яркости светодиодов). Следует отметить, что ток светодиода соответствует уровню интенсивности света, и что кодированный свет является также активным при пониженных уровнях яркости.

Перепады амплитуды кодированного света тактируются через равноотстоящие фиксированные интервалы и могут осуществляться уже существующим планировщиком задач драйвера светодиодов. Пример: для достижения скорости передачи символов кодированным светом 2 кГц требуется обновление опорных уровней каждые 500 мкс, что соответствует требованиям планировщика 250 мкс (4 кГц) драйвера светодиодов: следующий уровень кодирования света устанавливается каждый второй такт.

На Фиг.5 показана временная диаграмма сигналов синхронного понижающего преобразователя, включая сигналы iL, ZVD, Vbuck_hi и Vbuck_lo. На Фиг.6 показаны реально существующие результаты измерений таких же сигналов, как и на Фиг.5.

Со ссылкой на обозначения на Фиг.5, события 1-3 показывают последовательность от выключения SW1 до включения SW2:

- при достижении опорного уровня положительного пикового тока SW1 выключается, то есть Vbuck_hi становится низким;

- в результате падает напряжение на стоке SW2 (равное напряжению на истоке SW1), и поэтому значение ZVD (которое равно масштабированному значению напряжения стока) падает до нуля через некоторое время;

- обнаруживается задний фронт сигнала ZVD, и включается SW2 (напряжение Vbuck_lo становится высоким).

Аналогичным образом, события 4-6 показывают последовательность от выключения SW2 до включения SW1:

- при достижении опорного уровня отрицательного пикового тока SW2 выключается, то есть напряжение Vbuck_lo становится низким;

- в результате, ZVD повышается до напряжения питания, например, 5 В;

- обнаруживается передний фронт сигнала ZVD, и включается SW1 (напряжение Vbuck_hi становится высоким).

Эти последовательности поддерживаются в том случае, когда модулируются положительные и отрицательные уровни пикового тока для сообщений, кодированных светом.

Описание переключения при нулевом напряжении приведено теперь со ссылкой на Фиг.8a-8d.

Переключение при нулевом напряжении (ZVS) в данном случае означает включение переключающего устройства (обычно полевого МОП-транзистора) только в тот момент, когда напряжение (напряжение исток-сток) полевого МОП-транзистора) на концах этого переключающего устройства становится равным нулю. Квазирезонансное ZVS относится к способу, которым достигается ZVS: резонансная энергия используется в моменты переключения для создания нулевых напряжений на концах устройства, перед его включением. Резонансные элементы состоят из индуктора L1 и паразитных емкостей Cpar1 и Cpar2, присутствующих на концах переключающих устройств. Резонанс возникает тогда, когда оба переключателя SW1 и SW2 выключены, то есть не проводят ток (индуктора).

На практике ZVS по существу означает, что сначала внутренний паразитный диод (прямое падение напряжения) полевого МОП-транзистора проводит ток (индуктора), затем канал (более низкое падение напряжения, Rdson) проводит ток за счет приложения напряжения источника логического элемента и, в результате, включается устройство.

В случае синхронного понижающего преобразователя, нижний переключатель SW2 остается закрытым в течение некоторого более продолжительного периода времени, который устанавливается отрицательным опорным уровнем пикового тока для хранения дополнительной резонансной энергии в индукторе, не вносящей вклад в выходной ток, только для создания условий ZVS для выключателя SW1.

Фактически, условия ZVS для переключателя SW1 необходимо создавать только в том случае, когда напряжение на выходном конденсаторе C1 (VC1) меньше половины напряжения Vbus на шине; то есть дополнительная энергия в индукторе необходима только для переключателя SW1 для того, чтобы достичь ZVS в случае, если VC1<0,5*Vbus. Типичные светодиодные нагрузки, подключенные к выходу понижающего преобразователя, действительно имеют напряжения VC1 на нагрузке меньше половины напряжения Vbus на шине - отсюда появление синхронного понижения напряжения.

На Фиг.8a показана часть цикла, в котором SW1 находится в проводящем состоянии. На Фиг.8b показана часть цикла, в котором SW1 выключается тогда, когда iL1 достигает положительного опорного уровня пикового тока. На фигурах не показаны паразитные емкости Cpar1 и Cpar2, которые являются заряженными/разряженными. ZVD (напряжение на стоке SW2) падает (смотри события 1 и 2 на Фиг.5). На Фиг.8c показана часть цикла, в котором напряжение ZVD (напряжение на стоке переключателя SW2) достигло нуля (фактически приблизительно -0,7В), и внутренний паразитный диод Dbody2 SW2 проводит теперь ток индуктора (смотри интервал между событиями 2 и 3 на Фиг.5). На Фиг.8d показана часть цикла, в котором в одно и то же время после того, как паразитный диод начинает проводить ток в переключающем устройстве SW2 (полевом МОП-транзисторе 2), полевой МОП-транзистор включается, и канал теперь проводит ток (смотри событие 3 на Фиг.5).

(QR-)ZVS имеет преимущества, связанные с минимизированными потерями (при включении) и, следовательно, с минимизированной температурой в устройстве; и со сниженными электромагнитными помехами (EMI), так как можно избежать высоких значений dv/dt (жесткого) переключения.

Следует иметь в виду, что приведенные выше варианты осуществления были описаны только посредством примера.

Например, хотя это и предпочтительно, использование переключения при нулевом напряжении не является обязательным и поэтому во всех возможных вариантах осуществления не обязательно, чтобы нижняя огибающая Ienv_lo находилась ниже нуля. Возможны также и другие режимы переключения устройства, такие как переключение в точке минимума или жесткое переключение при пониженных потерях при переключении.

В общем, технологии, раскрытые в данном документе, применимы к другим понижающим преобразователям, другим преобразователям, работающим в режиме переключения, или, в более общем смысле, другим схемам возбуждения. Например, различные преобразователи, работающие в режиме переключения, можно приводить в действие, используя гистерезисное управление. Гистерезисное управление можно использовать в драйвере любого типа, который включает в себя компоненты накопления энергии, такие как индукторы и конденсаторы. Поэтому гистерезисное управление можно выполнять в отношении тока (индуктора) или напряжения (конденсатора). В случае понижающего преобразователя, гистерезисное управление представляет собой управление размахом тока индуктора при понижении напряжения (как и в приведенном выше примере). Например, в случае преобразователя полумостового (HB) типа с резонансной нагрузкой, который используется в других драйверах светодиодов Xitanium, можно управлять размахом напряжения на резонансном конденсаторе (управление Вон-Воффа (Von-Voff)). Принцип работы устройства будет аналогичным, и основные компоненты аппаратных средств будут общими для различных реализаций: два компаратора, два пиковых опорных уровня и некоторая управляющая логика.

Следует также отметить, что в данном документе там, где упоминается, что верхний и нижний опорные уровни или огибающие Ienv_hi и Ienv_lo увеличиваются и уменьшаются скачком на "одинаковую" величину в одно и то же время, это не исключает незначительные отклонения.

Кроме того, драйвер, раскрытый в данном документе, не ограничивается только возбуждением светодиодов. Например, его можно использовать для возбуждения других типов источника света, способных излучать кодированный свет, или даже других типов нагрузки, отличных от источника света, если требуется кодирование данных в выходном уровне этой нагрузки.

Кроме того, что касается компараторов CP1 и CP2, следует отметить, что обнаружение можно запрограммировать по низкому или высокому уровню выходного сигнала компаратора или, альтернативно, по заднему или переднему фронту выходного сигнала компаратора. Поэтому обозначение входов компараторов CP1 и CP2 не имеют значения до тех пор, пока сигналы, находятся в рабочем диапазоне компараторов.

Специалисты в данной области техники могут придумать и осуществить другие изменения в раскрытых вариантах осуществления. В формуле изобретения один процессор или другой блок могут выполнять функции нескольких элементов. Компьютерная программа может храниться/распространяться на подходящем носителе, таком как оптический носитель информации или твердотельный носитель, поставляемый вместе с другими аппаратными средствами или в виде их части, но может также распространяться в других формах, например, через Интернет или другие проводные или беспроводные телекоммуникационные системы.

Изобретение относится к схеме возбуждения светодиода (или светодиодной матрицы) с целью излучения кодированного света. Техническим результатом является обеспечение поддержания постоянной частоты переключения при применении амплитудной модуляции. Такой результат обеспечивает одновременный сдвиг верхней и нижней огибающих. Для этого схема возбуждения содержит выходную цепь для подключения схемы к нагрузке, причем выходная цепь содержит один или более компонентов накопления энергии, переключающую цепь, выполненную с возможностью подачи питания от источника питания на нагрузку путем подачи тока через по меньшей мере один из компонентов накопления энергии, который препятствует изменению тока, или приложения напряжения к по меньшей мере одному из компонентов накопления энергии, который препятствует изменению напряжения, и цепь управления, выполненную с возможностью управления переключающей цепью таким образом, чтобы обеспечивать колебание вышеупомянутого тока или напряжения между верхней огибающей и нижней огибающей. Цепь управления выполнена с возможностью модулирования этого тока или напряжения данными путем сдвига верхней огибающей между, по меньшей мере, первым уровнем амплитуды и вторым уровнем амплитуды и одновременно путем сдвига нижней огибающей на ту же величину в том же направлении. 3 н. и 13 з.п. ф-лы, 12 ил.

1. Схема (300) возбуждения нагрузки (704), причем схема содержит:

выходную цепь для подключения схемы к нагрузке, причем выходная цепь содержит один или более компонентов (L1, C1) накопления энергии;

переключающую цепь (SW1, SW2), выполненную с возможностью подачи питания от источника питания на нагрузку путем подачи тока через по меньшей мере один из компонентов накопления энергии выходной цепи, который препятствует изменению тока, или приложения напряжения к по меньшей мере одному из компонентов накопления энергии выходной цепи, который препятствует изменению напряжения; и

цепь (402) управления, выполненную с возможностью управления переключающей цепью для того, чтобы обеспечивать колебание упомянутого тока или напряжения между верхней огибающей и нижней огибающей;

при этом цепь управления выполнена с возможностью модулирования упомянутого тока или напряжения данными путем сдвига верхней огибающей между, по меньшей мере, первым уровнем амплитуды и вторым уровнем амплитуды и одновременно путем сдвига нижней огибающей на эту же величину в том же направлении.

2. Схема по п.1, в которой верхняя огибающая находится выше нуля для каждого из упомянутых уровней, а нижняя огибающая находится ниже нуля для каждого из упомянутых уровней.

3. Схема по п.1 или 2, в которой один или более компонентов накопления энергии содержат, по меньшей мере, индуктор (L1), переключающую цепь (SW1, SW2), выполненную с возможностью подачи питания на нагрузку (704) путем подачи упомянутого тока через индуктор, и цепь (402) управления, выполненную с возможностью обеспечения колебания упомянутого тока между верхней и нижней огибающими и модулирования упомянутого тока данными путем упомянутого сдвига верхней и нижней огибающих.

4. Схема по п.1 или 2, в которой один или более компонентов накопления энергии содержат, по меньшей мере, конденсатор, переключающую цепь (SW1, SW2), выполненную с возможностью подачи питания на нагрузку (704) путем подачи упомянутого напряжения на конденсатор, и цепь (402) управления, выполненную с возможностью обеспечения колебания упомянутого напряжения между верхней и нижней огибающими и модулирования упомянутого напряжения данными путем упомянутого сдвига верхней и нижней огибающих.

5. Схема по п.3, в которой один или более компонентов накопления энергии содержат индуктор (L1) и конденсатор (C1), размещенные вместе с образованием фильтра для сглаживания тока, подаваемого на нагрузку.

6. Схема по п.4, в которой один или более компонентов накопления энергии содержат конденсатор и индуктор, размещенные вместе с образованием фильтра для сглаживания напряжения, прикладываемого к нагрузке.

7. Схема по п. 1 или 2, в которой управление упомянутым сдвигом верхней и нижней огибающих осуществляется с помощью программного обеспечения.

8. Схема по п. 3, в которой цепь (402) управления содержит первый компаратор (CP1) и второй компаратор (CP2), причем первый компаратор выполнен с возможностью ограничения колебания верхней огибающей путем сравнения сигнала обратной связи упомянутого тока или напряжения с верхним опорным сигналом, и второй компаратор выполнен с возможностью ограничения колебания нижней огибающей путем сравнения сигнала обратной связи упомянутого тока или напряжения с нижним опорным сигналом.

9. Схема по п.7, в которой программное обеспечение управляет сдвигом, регулируя верхний и нижний опорные сигналы.

10. Схема по п.8, в которой программное обеспечение управляет сдвигом, регулируя верхний и нижний опорные сигналы.

11. Схема по п. 1 или 2, в которой переключающая цепь содержит переключатель (SW1) верхнего плеча для подключения выходной цепи к верхней шине напряжения питания упомянутого источника питания и переключатель (SW2) нижнего плеча для подключения выходной цепи к нижней шине напряжения питания упомянутого источника питания; при этом цепь (402) управления выполнена с возможностью обеспечения колебания с постепенным увеличением в направлении верхней огибающей за счет включения переключателя верхнего плеча и обеспечения колебания с постепенным снижением в направлении нижней огибающей за счет включения переключателя нижнего плеча.

12. Схема по п. 1 или 2, в которой нагрузка (704) содержит источник света и выходная цепь подключена для возбуждения источника света.

13. Схема по п.12, в которой источник света содержит по меньшей мере один светодиод.

14. Схема по п. 3, при этом схема (300) имеет вид понижающего преобразователя.

15. Способ возбуждения нагрузки (704), при этом способ содержит этапы, на которых:

подают питание от источника питания на нагрузку через выходной каскад, содержащий один или более компонентов (L1, C1) накопления энергии, путем подачи тока через по меньшей мере один из компонентов накопления энергии выходного каскада, который препятствует изменению тока, или приложения напряжения к по меньшей мере одному из компонентов накопления энергии выходного каскада, который препятствует изменению напряжения;

обеспечивают колебание упомянутого тока или напряжения между верхней огибающей и нижней огибающей; и

модулируют упомянутый ток или напряжение данными путем сдвига верхней огибающей между, по меньшей мере, первым уровнем амплитуды и вторым уровнем амплитуды и одновременно путем сдвига нижней огибающей на ту же величину в том же направлении.

16. Машиночитаемый носитель информации, содержащий сохраненные на нем исполняемые компьютером инструкции для управления схемой (300) возбуждения, выполненные таким образом, чтобы при их исполнении на одном или более процессорах выполнялся способ по п.15.