電流平衡裝置、電流平衡方法和供電裝置的製作方法

2023-04-26 02:33:41 1

專利名稱：電流平衡裝置、電流平衡方法和供電裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種用於平衡流經並聯連接的多個負載的電流的電流平衡裝置、電流
平衡方法和供電裝置。
背景技術：
作為向多個負載供電的裝置的 一 個示例，日本待審專利申請公開No. 2003-332624 (文獻l)中公開了一種用於點亮多個LED (發光二極體)的裝置。
圖l示出了文獻l中公開的LED驅動裝置。該裝置具有DC電源Vdd、升壓電路27、LED 21-26、下沉式驅動器(sink driver) 12-14、旁路單元15-17、以及選擇器18。下沉式驅動器12-14響應於時分信號Sl-S3而導通/斷開。下沉式驅動器12-14的各末端與端子P23-P25中相關的一個相連，並且端子P23-P25又都與LED 21-26相連。旁路單元15-17與下沉式驅動器12-14並聯連接，並且當下沉式驅動器12-14斷開時流過電流，該流過的電流較小不足以使LED 21-26發射光。 選擇器18檢測下沉式驅動器12-14中一個的漏極_源極電壓和流經LED21-26的
三條線路中的一條的電流，並且控制升壓電路(轉換器)27的輸出電壓。根據上述現有技術，在點亮LED 21-26的期間內下沉式驅動器12-14使得LED
21-26流經必要的電流。在不點亮LED 21-26的期間內下沉式驅動器12-14停止電流並且
旁路單元15-17旁路小的電流，從而防止了轉換器27的輸出電壓跳躍(jump up)。例如，在日本待審專利申請公開No.Hll-67471和No. 2002-8409中還公開了其他
的現有技術。

發明內容
根據圖1所示的現有技術，升壓電抗器L27和高頻開關Q27被用來生成升壓、高頻電壓，通過二極體D27和電解電容C27整流並且平滑該升壓、高頻電壓，以對LED 21-26施加升壓DC電壓。 總體上，LED具有變化的前向電壓Vf。相應地，流經串聯連接的LED 21_26的電流
彼此之間不相等。因此，現有技術使用了作為恆流電路(電流鏡像電路)的下沉式驅動器
12-14，根據不同的Vf值施加不同的電壓，以使流經LED 21-26的電流彼此之間平衡。由於
下沉式驅動器12-14會引起基於所施加的電壓的損耗，因此會降低效率。 本發明提供了一種電流平衡裝置、電流平衡方法和供電裝置，其能夠最小化在平
衡流經負載的電流時所產生的損耗並且提高效率。 根據本發明的第一方面， 一種電流平衡裝置，包括第一變壓器，其具有第一初級線圈和與所述第一初級線圈電磁耦合的第一次級線圈，所述第一初級線圈具有與第一負載相連的第一端；第二變壓器，其具有第二初級線圈和與所述第二初級線圈電磁耦合的第二次級線圈，所述第二初級線圈具有與第二負載相連的第一端；以及串聯電路，其包括所述第一次級線圈、所述第二次級線圈和電流平滑器，其中，流經所述第一負載的第一電流和流經所述第二負載的第二電流被彼此平衡。 根據本發明的第二方面，一種供電裝置，包括串聯諧振電路，其包括變壓器；多 個開關元件，其用於使得電流流經所述串聯諧振電路；第一變壓器，其與所述串聯諧振電路 的輸出相連，並且所述第一變壓器具有第一初級線圈和與所述第一初級線圈電磁耦合的第 一次級線圈，所述第一初級線圈具有與第一負載相連的第一端；第二變壓器，其與所述串聯 諧振電路的輸出相連，並且所述第二變壓器具有第二初級線圈和與所述第二初級線圈電磁 耦合的第二次級線圈，所述第二初級線圈具有與第二負載相連的第一端；串聯電路，其包括 所述第一次級線圈、第二次級線圈和電流平滑器；電流檢測器，其用於檢測流經所述串聯電 路的電流；以及控制器，其用於根據所述電流檢測器的輸出，導通/斷開所述多個開關元 件。 根據本發明的第三方面，一種電流平衡方法，包括連接第一變壓器的初級線圈和 第一負載；連接第二變壓器的初級線圈和第二負載；串聯地連接與所述第一變壓器的初級 線圈電磁耦合的所述第一變壓器的次級線圈、與所述第二變壓器的初級線圈電磁耦合的所 述第二變壓器的次級線圈、以及電流平滑器，由此流過電流用於彼此平衡所述第一負載的 電流和所述第二負載的電流。 根據本發明的上述這些方面，構成了串聯電路的第一次級線圈、第二次級線圈和 電流平滑器可流過用於平衡第一電流和第二電流的電流，由此降低了在平衡流經負載的電 流時產生的損耗並且提高了效率。


圖1是示出了根據現有技術的LED點亮裝置的方框圖； 圖2是示出了根據本發明實施例的具有電流平衡裝置的供電裝置的方框圖；以及
圖3是示出了圖2中的供電裝置的操作的時序圖。
具體實施例方式
下面參考附圖，詳細地說明根據本發明實施例的電流平衡裝置、電流平衡方法和 供電裝置。 圖2是示出了根據本發明實施例的具有電流平衡裝置的供電裝置的方框圖。在這 個實施例中，具有電流平衡裝置的供電裝置被用作LED點亮裝置。 在圖2中，DC電源Vin的兩端都與包含M0SFET製成的開關元件Ql和Q2的串聯 電路相連。開關元件Ql和Q2之間的連接點與包含變壓器T的初級線圈Np和電流諧振電 容Cri的串聯諧振電路相連。變壓器T具有漏電感。 變壓器T具有次級線圈Ns，其第一端與串聯連接的LED 21a_21e、串聯連接的LED 22a-22e、以及飛輪(flywheel) 二極體D10相連。 變壓器T的次級線圈Ns的第二端與串聯連接的LED 23a_23e、串聯連接的LED 24a-24e、以及飛輪二極體Dll相連。 LED 21e的陰極與變壓器Tl (對應於權利要求書中指明的"第一變壓器")的初級 線圈P1的第一端相連。初級線圈P1的第二端接地。LED 22e的陰極與變壓器T2(對應於 權利要求書中指明的"第一變壓器")的初級線圈P2的第一端相連。初級線圈P2的第二端接地。 LED 23e的陰極與變壓器T3 (對應於權利要求書中指明的"第二變壓器")的初級 線圈P3的第一端相連。初級線圈P3的第二端接地。LED 24e的陰極與變壓器T4(對應於 權利要求書中指明的"第二變壓器")的初級線圈P4的第一端相連。初級線圈P4的第二端 接地。 變壓器Tl的次級線圈Sl、變壓器T2的次級線圈S2、變壓器T3的次級線圈S3、變 壓器T4的次級線圈S4、電阻Rs、以及電抗器Ll串聯連接以形成迴路恆流電路。由於恆流 電路的功能使其可以作為平衡電路來操作。電抗器L1對應於權利要求書中所指明的"電流 平滑器"並且平滑流經恆流電路的電流。在平滑後的電流中，留下了 AC分量以實現電流平 衡動作(隨後說明)。 電阻Rs和次級線圈S4之間的連接點接地。電阻Rs用作電流檢測器。電阻Rs和 電抗器L1之間的連接點與包含電阻R3和電容C3的串聯電路相連。該串聯電路將包含AC 分量的電壓轉換為DC電壓。 PFM電路1比較電容C3的電壓和參考電壓Vref並且生成脈衝信號。此時，PFM電 路1根據電容C3的電壓來改變脈衝信號的頻率。 逆變器2逆變來自PFM電路的脈衝信號並且將逆變後的脈衝信號提供給高側驅動 器4。低側驅動器3從PFM電路1接收脈衝信號，並且根據脈衝信號來導通/斷開開關元件 Ql。高側驅動器4根據來自逆變器2的逆變後的脈衝信號導通/斷開開關元件Q2。
交替地導通/斷開開關元件Ql和Q2，脈衝信號的頻率控制對LED21a-21e、 LED 22a-22e、LED 23a_23e、以及LED 24a_24e的輸入電壓。
下面參考圖3說明上述配置的LED點亮裝置的操作。 在圖3中，波形Qlv是開關元件Ql的漏極-源極電壓，波形Qli是開關元件Ql的 漏極電流，波形Q2v是開關元件Q2的漏極-源極電壓，波形Q2i是開關元件Q2的漏極電流， 波形D10i是流經飛輪二極體DIO的電流，而波形Dlli是流經飛輪二極體Dll的電流。
在時刻t0，開關元件Ql斷開並且開關元件Q2導通以使電流Q2i在負(逆時針) 方向上流經沿Vin(正端子)、Q2、Np、Cri和Vin(負端子)的路徑。隨著時間的推移，電流 增大到正(時針)方向以對電流諧振電容Cri充電。 此時，變壓器T的次級線圈Ns生成電壓，以使變壓器電流Nsi、LED電流、以及電流 Dlli流過沿著Ns的第一端、LED 21a-21e(LED 22a—22e) 、Pl (P2) 、D11和Ns的第二端的路 徑。 在時刻tl，開關元件Q2斷開並且開關元件Ql導通。變壓器T的初級線圈Np生成 反方向的電壓以使電流Qli在負(時針)方向上流經沿Cri、Np、Ql和Cri的路徑。隨著時 間的推移，電流增大到正(逆時針)方向以使電流諧振電容Cri放電。
此時，變壓器T的次級線圈Ns響應於初級線圈Np生成的反方向電壓而生成電壓。 這使得變壓器電流Nsi、 LED電流、以及電流D10i流過沿著Ns的第二端、LED 23a_23e (LED 24a-24e) 、 P3 (P4) 、 D10和Ns的第一端的路徑。 即，流經LED 23a-23e和P3 (LED 24a_24e和P4)的電流具有AC分量，該AC分量 具有與流經LED 21a-21e和Pl(LED 22a_22e和P2)的電流相比實質上相差180度的相位 差。時刻t2後的操作與從t0至t2的周期內的操作相同，因此不再對其贅述。
下面將會說明根據本發明實施例的電流平衡方法。 如上所述，在時刻tO，LED 21a-21e和變壓器Tl的初級線圈PI流過相等的LED電 流。上述LED電流可使初級線圈PI生成磁通。該磁通可使變壓器T1的次級線圈SI也生 成磁通。該磁通可使次級線圈SI生成流經迴路恆流電路的電流。 此外，在時刻t0， LED 22a_22e和變壓器T2的初級線圈P2流過相等的LED電流。 上述LED電流可使初級線圈P2生成磁通。該磁通可使變壓器T2的次級線圈S2也生成磁 通。該磁通可使次級線圈S2生成流經迴路恆流電路的電流。 在時刻tl， LED 23a_23e和變壓器T3的初級線圈P3流過相等的LED電流。上述 LED電流可使初級線圈P3生成磁通。該磁通可使變壓器T3的次級線圈S3也生成磁通。該 磁通可使次級線圈S3生成流經迴路恆流電路的電流。 此外，在時刻tl， LED 24a_24e和變壓器T4的初級線圈P4流過相等的LED電流。 上述LED電流可使初級線圈P4生成磁通。該磁通可使變壓器T4的次級線圈S4也生成磁 通。該磁通可使次級線圈S4生成流經迴路恆流電路的電流。 基於由次級線圈Sl-S4生成的磁通的電流都流經迴路恆流電路，因此即使電流本 身彼此之間不同仍可獲得平衡的(均值化的)恆值。這實現了對於次級線圈S1-S4生成的 磁通的平衡(均值化)，由此獲得了對於初級線圈Pl-P4生成的磁通的平衡(均值化)。結 果，使得流經LED 21a-21e和初級線圈PI的LED電流、流經LED 22a_22e和初級線圈P2的 LED電流、流經LED 23a-23e和初級線圈P3的LED電流、以及流經LED 24a_24e和初級線圈 P4的LED電流彼此之間獲得平衡(均值化)。 以上述方式，LED點亮裝置，即根據本實施例的具有電流平衡裝置的供電裝置可平 衡(均值化)流經初級線圈P1-P4的電流。電抗器L1平滑LED電流。結果，LED 21a_21e、 LED 22a-22e、LED 23a_23e、以及LED 24a_24e可均衡地發光。 本實施例沒有使用現有技術中由恆流驅動器製成的下沉式驅動器12-14，因此本 實施例可降低平衡電路中的損耗並且提高效率。 根據本實施例，PFM電路1比較代表電流檢測器檢測到的電流的電壓和參考電壓 Vref，從而交替地導通/斷開開關元件Ql和Q2並且控制向LED21a-21e、LED 22a_22e、LED 23a-23e、以及LED 24a_24e提供的電壓。即，本實施例不需要現有技術中使用的具有短使 用壽命的電解電容C27。因此，LED點亮裝置，即根據本實施例的具有電流平衡裝置的供電 裝置可以低成本地製造，體積較小，並且具有較長的使用壽命。 本發明並不局限於如上所述的LED點亮裝置。根據上述實施例，變壓器T的次級 線圈Ns的第一端可與兩組串聯連接的LED相連，並且次級線圈Ns的第二端可與兩組串聯 連接的LED相連。串聯連接的LED的組的個數是可選的，例如可以是一組、三組或更多組， 只要次級線圈Ns的第一端和第二端中的每一端都與相同組數的串聯連接的LED相連即可。
本發明可應用到LED點亮裝置以點亮作為例如液晶顯示器的背光的LED。
本申請主張2009年2月3日提交的日本專利申請No. 2009-022415的優先權權益， 該申請的全部內容都通過參考包括在這裡。儘管如上通過本發明的特定實施例說明了本發 明，但是本發明並不局限於如上所述的實施例。本領域技術人員在上面的教示下可以對如 上所述的實施例作出各種變形和改變。通過所述的權利要求來限定本發明的範圍。
權利要求
一種電流平衡裝置，包括第一變壓器，其具有第一初級線圈和與所述第一初級線圈電磁耦合的第一次級線圈，所述第一初級線圈具有與第一負載相連的第一端；第二變壓器，其具有第二初級線圈和與所述第二初級線圈電磁耦合的第二次級線圈，所述第二初級線圈具有與第二負載相連的第一端；以及串聯電路，其包括所述第一次級線圈、所述第二次級線圈和電流平滑器，其中，流經所述第一負載的第一電流和流經所述第二負載的第二電流被彼此平衡。
2. 根據權利要求1所述的電流平衡裝置，其中，所述第一電流相對於所述第二電流具 有180度相位差。
3. 根據權利要求1所述的電流平衡裝置，其中，所述第一初級線圈的第二端和所述第 二初級線圈的第二端接地。
4. 根據權利要求l所述的電流平衡裝置，其中， 所述負載中的每一個都具有整流元件和再生元件。
5. 根據權利要求2所述的電流平衡裝置，其中， 所述負載中的每一個都具有整流元件和再生元件。
6. 根據權利要求3所述的電流平衡裝置，其中， 所述負載中的每一個都具有整流元件和再生元件。
7. —種供電裝置，包括 串聯諧振電路，其包括變壓器；多個開關元件，其用於使得電流流經所述串聯諧振電路；第一變壓器，其與所述串聯諧振電路的輸出相連，並且所述第一變壓器具有第一初級 線圈和與所述第一初級線圈電磁耦合的第一次級線圈，所述第一初級線圈具有與第一負載相連的第一端；第二變壓器，其與所述串聯諧振電路的輸出相連，並且所述第二變壓器具有第二初級 線圈和與所述第二初級線圈電磁耦合的第二次級線圈，所述第二初級線圈具有與第二負載相連的第一端；串聯電路，其包括所述第一次級線圈、第二次級線圈和電流平滑器； 電流檢測器，其用於檢測流經所述串聯電路的電流；以及 控制器，其用於根據所述電流檢測器的輸出，導通/斷開所述多個開關元件。
8. —種電流平衡方法，包括 連接第一變壓器的初級線圈和第一負載； 連接第二變壓器的初級線圈和第二負載；以及串聯地連接與所述第一變壓器的初級線圈電磁耦合的所述第一變壓器的次級線圈、與 所述第二變壓器的初級線圈電磁耦合的所述第二變壓器的次級線圈、以及電流平滑器，由 此流過電流用於彼此平衡所述第一負載的電流和所述第二負載的電流。
全文摘要
一種電流平衡裝置，包括第一變壓器，其具有第一初級線圈和與第一初級線圈電磁耦合的第一次級線圈，第一初級線圈具有與第一負載相連的第一端；第二變壓器，其具有第二初級線圈和與第二初級線圈電磁耦合的第二次級線圈，第二初級線圈具有與第二負載相連的第一端，流經第二負載的第二電流包含與流經第一負載的第一電流實質上相差180度相位差的AC分量；以及串聯電路，其包括第一次級線圈、第二次級線圈和電流平滑器，用於彼此平衡第一電流和第二電流。
文檔編號H05B37/02GK101795518SQ20101010764
公開日2010年8月4日 申請日期2010年1月29日 優先權日2009年2月3日
發明者木村研吾, 麻生真司 申請人:三墾電氣株式會社