為至少一個發光二極體提供電流的降壓轉換器的製作方法

2023-10-31 19:05:17 2

專利名稱：為至少一個發光二極體提供電流的降壓轉換器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種用於為至少一個發光二極體提供電流的降壓轉換器 (Buck-Konverter)，該降壓轉換器具有帶有第一輸入端子和第二輸入端子的輸入端，用於 連接直流電源；帶有第一輸出端子和第二輸出端子的輸出端，用於連接至少一個發光二極 管；以及Buck 二極體、Buck電感線圈和Buck主開關，該Buck主開關具有控制電極、工作電 極和參考電極。
背景技術：
隨著LED進入一般照明的廣泛領域中，對於該器件的簡單並且成本低廉的供電電 路形成了巨大的需求。一種針對電網應用的用於驅動LED的已知的轉換器電路是所謂的反 向變換器(Sperrwandler)，對其也常用名稱反激變換器(Flyback)。此外，同時有多種尤其 是集成的電路用於降壓轉換器或者升壓轉換器，例如Micronix公司的控制IC MXHV9910。 這些實現中的缺點是它們都需要相當顯著的開銷，並且規定使用昂貴的器件。這樣，反向 變換器的開關在歐洲電網電壓的情況下必須具有至少700V的耐壓強度。對於使用在批量 生產中，由此產生的成本通常超過預先給定的預算。

發明內容
因此，本發明的任務是，改進開頭提及的降壓轉換器，使得其可以成本極為低廉地 實現。該任務通過具有權利要求1所述的特徵的降壓轉換器來解決。本發明所基於的認識是成本非常低廉的雙極性電晶體，如其例如是視頻領域中 已知的類型MPSA42，在這些電晶體的情況下對於功率LED所需的電流一方面僅僅具有小的 電流放大，而另一方面必須在限定的時刻關斷，由此限定的電流同樣適於LED。現在本發明進一步基於的是為了降低開關的負荷，將Buck二極體和Buck主開關 串聯地耦合在第一輸入端子和第二輸入端子之間，其中在Buck 二極體和Buck主開關之間 的連接點與第二輸出端子耦合。Buck電感線圈的第一端子與第一輸入端子耦合，並且Buck 電感線圈的第二端子與第一輸出端子耦合。在對功率LED的驅動所需的電流的範圍中較小 的電流放大的問題根據本發明如下解決採取措施，以便為Buck主開關提供足夠的基極電 流。為此，降壓轉換器還包括與Buck電感線圈耦合的第一輔助繞組，其具有第一端子，該第 一端子與第二輸入端子耦合；以及第一輔助繞組具有第二端子，該第二端子與Buck主開關 的控制電極耦合，其中第一輔助繞組與Buck電感線圈耦合，使得在電流經過Buck主開關的 情況下通過第一輔助繞組將電流提供給Buck主開關的控制電極。這些措施能夠實現降壓轉換器的極其簡單且成本低廉的構造。此外，它們能夠實 現在臨界導電模式中的運行，其中實際上僅僅出現Buck主開關的關斷損耗。在一個優選的實施形式中，降壓轉換器還包括電流測量電阻，其與Buck主開關串 聯地、尤其是在由Buck 二極體和Buck主開關限定的連接點與第二輸入端子之間耦合，以及該降壓轉換器包括第一輔助開關，用於關斷Buck主開關，其中第一輔助開關具有控制電 極、工作電極和參考電極，其中第一輔助開關的參考電極與第二輸入端子耦合，並且其中第 一輔助開關的控制電極與電流測量電阻耦合。通過該布置，在達到可預先給定的經過Buck 主開關的最大電流的情況下在電流測量電阻上產生電壓，該電壓導致接通第一輔助開關， 其中接通第一輔助開關關斷Buck主開關。優選的是，降壓轉換器還包括時間環節，該時間環節耦合在電流測量電阻和第一 輔助開關的控制電極之間。由此可以保證的是，雖然在第一輔助開關的控制電極上提供的 電流由於Buck主開關關斷而已經降低，第一輔助開關仍然保持接通。優選的時間常數例如 在0. 2^8至1」10 μ s之間的量級，優選為lys。此外，優選的是，在第一輔助繞組的第二端子和Buck主開關的控制電極之間耦合 有第一歐姆電阻。此外，優選的是，在此在第一歐姆電阻和Buck主開關的控制電極之間的 連接點通過第二歐姆電阻與第二輸入端子耦合。由此，Buck主開關的控制端以較低阻值方 式鎖閉，並且由此對於耦合輸入的幹擾不敏感。此外，優選的是，Buck主開關的控制電極與第一輔助開關的工作電極耦合。在一個優選的改進方案中，可以設計的是，降壓轉換器還包括第二輔助開關，用於 啟動降壓轉換器，其中第二輔助開關具有控制電極、工作電極和參考電極，其中第二輔助開 關的參考電極與第一輸入端子耦合，其中第二輔助開關的控制電極通過歐姆電阻與第二輸 入端子耦合。通過該措施，保證了一旦直流電源連接在第一輸入端子和第二輸入端子之間， 則第二輔助開關接通。優選的是，第二輔助開關的工作電極通過歐姆電阻與第一輔助開關的工作電極耦 合。一旦第二輔助開關接通，則通過該歐姆電阻將電流提供給Buck主開關的控制電極，使 得該Buck主開關同樣接通。相應地，通過第一輔助繞組產生的電流以及通過接通的第二輔 助開關流動的電流流入到Buck主開關的控制電極中。優選的是，降壓轉換器還包括與Buck電感線圈耦合的第二輔助繞組，其具有第一 端子，該第一端子與第一輸入端子耦合，以及該第二輔助繞組具有第二端子，該第二端子與 第二輔助開關的控制電極耦合。優選的是，在此在第二輔助繞組的第二端子和第二輔助開 關的控制電極之間耦合有歐姆電阻，優選耦合有歐姆電阻和二極體的串聯電路。在此，第二 輔助繞組尤其是與Buck電感線圈耦合，使得在Buck主開關的截止階段期間或者在Buck電 感線圈的去磁化階段期間將電流提供給第二輔助開關的控制電極，從而使得第二輔助開關 截止。由此，可以防止通過如下歐姆電阻的電流該歐姆電阻將第二輔助開關的工作電極與 第一輔助開關的工作電極耦合，使得在該歐姆電阻中僅僅在Buck主開關的短暫的接通階 段中產生損耗功率，並且該歐姆電阻在Buck主開關的長的關斷階段中幾乎無損耗地工作。為了降低提供給所述至少一個LED的電流的波紋(Rippel)，此外優選的是在第一 輸入端子和第二輸出端子之間耦合有至少一個電容器。其他優選的實施形式由從屬權利要求中得到。


在下面現在參照附圖進一步描述根據本發明的降壓轉換器的實施例。其中圖1示出了根據本發明的降壓轉換器的實施例的示意圖2以第一時間解析度示出了在Buck主開關上的集電極_發射極電壓的時間變 化曲線以及提供給所述至少一個LED的電流I·的時間變化曲線；以及圖3以第二時間解析度示出了在Buck主開關上的集電極-發射極電壓的時間變 化曲線以及提供給所述至少一個LED的電流I·的時間變化曲線。
具體實施例方式圖1在示意圖中示出了根據本發明的降壓轉換器的一個實施例。該降壓轉換器具 有第一輸入端子El和第二輸入端子E2，它們通過整流器GLl與電網端子L、N相連。設置在 電網端子L和整流器GLl之間的電感Ll用於限制接通電流和去除無線電幹擾。為了緩衝 被整流的電網電壓設置了電容器C9。在輸入端子El和E2之間通常耦合有Buck 二極體D2 和Buck主開關Ql的串聯電路。Buck電感線圈耦合在第一輸入端子El和第一輸出端子Al 之間，其中在此Buck電感線圈實施為變壓器TRl的第一繞組wl，該變壓器還具有第一輔助 繞組w2和第二輔助繞組w3。在Buck 二極體D2和Buck主開關Ql之間設置的連接點VPl 與降壓轉換器的第二輸出端子A2耦合。在輸出端子A1、A2之間耦合有兩個電容器C2、C3。在Buck主開關Ql的發射極和第二輸入端子E2之間設置有歐姆電阻R6作為分流 器。在該電阻R6上降落的電壓通過包括歐姆電阻R3以及電容器Cl的時間環節經歐姆電 阻R4引導至第一輔助開關Q3的基極，因為通過Buck主開關Ql的電流在Buck主開關Ql 關斷之後在大約200ns到300ns內下降到零。與將電阻R6上降落的電壓直接耦合(即沒 有時間環節的中間電路)到第一輔助開關Q3的基極的情況相比，通過該時間環節可以保證 的是保持第一輔助開關Q3更長地接通。Buck主開關Ql的控制電極首先通過電阻Rl與輔助繞組w3耦合，其次與輔助開關 Q3的工作電極耦合。其三，Buck主開關Ql的控制電極還通過歐姆電阻R2與第二輸入端子 E2耦合。另一輔助開關Q2以其參考電極與第一輸入端子El耦合，並且以其工作電極通過 歐姆電阻R8與輔助開關Q3的工作電極耦合。輔助開關Q2的控制電極一方面通過歐姆電 阻R5與第二輸入端子E2耦合，另一方面通過二極體Dl和歐姆電阻R7的串聯電路與輔助 繞組w2耦合。二極體Dl在此在過低的電網電壓情況下用作啟動二極體，即開關Q2從160V 至170V的電網電壓開始才接通。輔助繞組w3與繞組wl同方向纏繞，而繞組w2的繞線方向與繞組wl的繞線方向 相反。對於如下工作方式在施加電網電壓之後電流流過輸入端子E2、輔助繞組w2、歐 姆電阻R7、二極體Dl和歐姆電阻R5並且導致接通輔助電晶體Q2。由此，將基極電流提供 給Buck主開關Ql的基極，這導致接通Buck主開關Ql。在此，通過合適地設計變壓器TRl、 尤其是適當地設計繞組《3，保證了在提供給所述至少一個LED的高電流的情況下Buck主開 關Ql本身被提供足夠的基極電流。當需要基極電流時，更確切地說當Buck主開關Ql接通 時，通過輔助繞組《3，於是精確地將基極電流提供給Buck主開關Ql使用。如果Buck主開 關的發射極電流在分流器上產生電壓降，該電壓降足以接通輔助開關Q3，則由輔助開關Q2 提供的電流不再流到Buck主開關Ql的控制電極，而是通過輔助開關Q3流向輸入端子E2。 由此關斷Buck主開關Ql。與反向變換器不同，在此Buck主開關Ql被最大地加載以輸入端子El、E2之間的電壓。此外，該電路設計為使得關斷時間億 大約為接通時間t。nm 20倍。在一個優選的 實施例中，關斷時間t。ff大約為40 μ S，而接通時間t。n對應為2μ S。通過反向耦合繞組w2和w3相應地保證了 Buck主開關Ql和輔助開關Q2被可靠 地截止，直到Buck電感線圈TRl,wl被完全去磁化。由此，Buck主開關Ql在臨界導電模式 (Critical Conduction Mode)(過渡模式(Transition mode))中工作，使得該Buck 主開關 在隨後的周期中可以低損耗地接通，即流過Buck主開關Ql的電流在接通時刻幾乎為零。經 過Buck電感線圈TR1、wl的三角形電流的頻率通過在端子之間的輸入電網電壓Un、在輸出 端上的LED電壓ULED、Buck電感線圈TR1、wl的電感和最大LED電流I·的邊界值來確定。圖2針對藉助圖1中給出的設計實現的實施例示出了電流Imi的包絡線的時間變 化曲線、Buck主開關Ql的集電極-發射極電壓Uce的包絡線的時間變化曲線以及頻率調製 的包絡線的時間變化曲線。最低的頻率為23. 12kHz，最大頻率為28. 16kHz。儘管Buck主 開關Ql在臨界導電模式中工作，電流『由於電容器C2和C3的作用從不降低到零。其最 小值在此大約為60mA，其最大值為130mA。圖2的視圖以每時間單位(=小格)2ms的解析度來示出，而圖3中的解析度為每 時間單位20 μ S。其示出了 Buck主開關Ql的集電極-發射極電壓Uce和電流I·的時間變 化曲線。如在電壓Uee的時間變化曲線上可以清楚看到的那樣，Buck主開關Ql的接通時間 t。n為大約2 μ s,而關斷時間t。ff為大約38 μ S。電流I·的時間變化曲線的模糊的三角形 是由於電容器C2和C3的作用而形成的。
權利要求
一種用於為至少一個發光二極體提供電流的降壓Buck轉換器，該降壓Buck轉換器具有 帶有第一輸入端子(E1)和第二輸入端子(E2)的輸入端，用於連接直流電源； 帶有第一輸出端子(A1)和第二輸出端子(A2)的輸出端，用於連接所述至少一個發光二極體；以及 Buck二極體(D2)、Buck電感線圈(TR1，w1)和Buck主開關(Q1)，該Buck主開關具有控制電極、工作電極和參考電極；其特徵在於，Buck二極體(D2)和Buck主開關(Q1)串聯地耦合在第一輸入端子(E1)和第二輸入端子(E2)之間，其中在Buck二極體(D2)和Buck主開關(Q1)之間的連接點(VP1)與第二輸出端子(A2)耦合；其中Buck電感線圈(TR1，w1)的第一端子與第一輸入端子(E1)耦合，Buck電感線圈(TR1，w1)的第二端子與第一輸出端子(A1)耦合；其中降壓Buck轉換器還包括與Buck電感線圈(TR1，w1)耦合的第一輔助繞組(TR1，w3)，其具有第一端子，該第一端子與第二輸入端子(E2)耦合；以及該第一輔助繞組具有第二端子，該第二端子與Buck主開關(Q1)的控制電極耦合，其中第一輔助繞組(TR1，w3)與Buck電感線圈(TR1，w1)耦合，使得在電流經過Buck主開關(Q1)的情況下通過第一輔助繞組(TR1，w3)將電流提供給Buck主開關(Q1)的控制電極。
2.根據權利要求1所述的降壓Buck轉換器，其特徵在於，降壓Buck轉換器還包括電流測量電阻(R6)，其與Buck主開關(Ql)串聯地、尤其是 在由Buck 二極體(D2)和Buck主開關(Ql)限定的連接點(VPl)與第二輸入端子(E2)之 間耦合；以及包括第一輔助開關(Q3)用於關斷Buck主開關(Ql)，其中第一輔助開關(Q3) 具有控制電極、工作電極和參考電極，其中第一輔助開關(Q3)的參考電極與第二輸入端子 (E2)耦合，並且其中第一輔助開關(Q3)的控制電極與電流測量電阻(R6)耦合。
3.根據權利要求2所述的降壓Buck轉換器，其特徵在於，降壓Buck轉換器還包括時間環節(Cl，R3)，該時間環節耦合在電流測量電阻和第一輔 助開關(Q3)的控制電極之間。
4.根據上述權利要求之一所述的降壓Buck轉換器，其特徵在於，在第一輔助繞組(TR1，w3)的第二端子和Buck主開關(Ql)的控制電極之間耦合有第 一歐姆電阻(Rl)。
5.根據權利要求4所述的降壓Buck轉換器，其特徵在於，在第一歐姆電阻(Rl)和Buck主開關(Ql)的控制電極之間的連接點通過第二歐姆電 阻(R2)與第二輸入端子(E2)耦合。
6.根據權利要求2至5之一所述的降壓Buck轉換器，其特徵在於，Buck主開關(Ql)的控制電極與第一輔助開關(Q3)的工作電極耦合。
7.根據上述權利要求之一所述的降壓Buck轉換器，其特徵在於，降壓Buck轉換器還包括第二輔助開關(Q2)用於啟動降壓Buck轉換器，其中第二輔 助開關(Q2)具有控制電極、工作電極和參考電極，其中第二輔助開關(Q2)的參考電極與第一輸入端子(El)耦合，其中第二輔助開關(Q2)的控制電極通過歐姆電阻(R5)與第二輸入 端子(E2)耦合。
8.根據權利要求7所述的降壓Buck轉換器，其特徵在於，第二輔助開關(Q2)的工作電極通過歐姆電阻(R8)與第一輔助開關(Q3)的工作電極華禹合。
9.根據上述權利要求之一所述的降壓Buck轉換器，其特徵在於，降壓Buck轉換器還包括與Buck電感線圈耦合的第二輔助繞組(TR1，w2)，其具有第 一端子，該第一端子與第一輸入端子(El)耦合，以及該第二輔助繞組具有第二端子，該第 二端子與第二輔助開關(Q2)的控制電極耦合。
10.根據權利要求9所述的降壓Buck轉換器，其特徵在於，在第二輔助繞組(TRl，w2)的第二端子和第二輔助開關(Q2)的控制電極之間耦合有歐 姆電阻(R7)，優選耦合有歐姆電阻(R7)和二極體(Dl)的串聯電路。
11.根據權利要求9或10所述的降壓Buck轉換器，其特徵在於，第二輔助繞組(TRl，w2)與Buck電感線圈(TRl，wl)耦合，使得在Buck電感線圈(TRl， wl)的去磁化階段期間將電流提供給第二輔助開關(Q2)的控制電極，從而使得第二輔助開 關(Q2)截止。
12.根據上述權利要求之一所述的降壓Buck轉換器，其特徵在於，在第一輸出端子(Al)和第二輸出端子(A2)之間耦合有至少一個電容器(C2 ；C3)。
全文摘要
本發明涉及一種用於為至少一個發光二極體提供電流的降壓轉換器，該降壓轉換器具有Buck二極體(D2)、Buck電感線圈(TR1，w1)和Buck主開關(Q1)，其中Buck二極體(D2)和Buck主開關(Q1)串聯地耦合在第一輸入端子(E1)和第二輸入端子(E2)之間，其中在Buck二極體(D2)和Buck主開關(Q1)之間的連接點(VP1)與第二輸出端子(A2)耦合；其中Buck電感線圈(TR1，w1)的第一端子與第一輸入端子(E1)耦合，Buck電感線圈(TR1，w1)的第二端子與第一輸出端子(A1)耦合；其中降壓轉換器還包括與Buck電感線圈耦合的第一輔助繞組(TR1，w3)，其具有第二端子並且與Buck主開關(Q1)的控制電極耦合，其中第一輔助繞組(TR1，w3)與Buck電感線圈(TR1，w1)耦合，使得在電流經過Buck主開關(Q1)的情況下通過第一輔助繞組(TR1，w3)將電流提供給Buck主開關(Q1)的控制電極。
文檔編號H05B33/08GK101919146SQ200880125079
公開日2010年12月15日 申請日期2008年1月18日 優先權日2008年1月18日
發明者貝恩德·魯道夫 申請人:奧斯蘭姆有限公司