自激振蕩開關電路以及包括這種開關電路的驅動器電路的製作方法

2023-10-25 15:53:47

專利名稱：自激振蕩開關電路以及包括這種開關電路的驅動器電路的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種用於開關DC-DC變換器的自激振蕩開關電路。此 外，本發明涉及一種用於對負載進行操作的驅動器電路，所述驅動器 電路包括所述自激振蕩開關電路。具體地說，所述驅動器電路被配置 成驅動LED。
背景技術：
在已知的包括LED或0LED的器件中，電子開關驅動器用於將合適 的負載電流提供給(O)LED。這種器件可以是具有(O)LED背光的LCD 顯示器、汽車燈光組件(例如組合尾燈(RCL))或任何其它照明器件。 這種電子開關驅動器通常優選地是低成本電路。
合適的低成本開關驅動器電路可以是已知的自激振蕩驅動器電 路。這種開關驅動器電路包括自激振蕩開關電路。已知的自激振蕩開 關電路的缺點是有限的效率。具體地說，在負載電流流過功率開關晶 體管的同時，功率開關電晶體逐漸地關斷。因此，在關斷的時段期間， 功率在功率開關電晶體中有耗散。這種功率有所損失，導致了相對低 的效率。此外，由於功率開關電晶體中的功率耗散，因此，為了防止 損壞功率開關電晶體，僅可以施加有限的負載電流。

發明內容
本發明的目的在於提供一種低成本開關DC-DC變換器，用於驅動 負載，所述負載具體地是LED。
以根據權利要求1的自激振蕩開關電路以及根據權利要求11的負 載驅動器電路來實現上述目的。
根據本發明， 一種用於開關DC-DC變換器的自激振蕩開關電路包 括輸入端子，用於從電源接收功率；以及輸出端子，用於將功率提 供給負載。提供一種具有控制端子的功率開關半導體器件(例如晶體
5管)，其被配置為控制在所述輸入端子與所述輸出端子之間流動的 負載電流。此外，提供一種控制半導體器件，其耦合到所述功率開關 半導體器件，用於將控制信號提供給所述功率開關半導體器件的控制 端子，以用於控制所述功率開關半導體器件的切換。此外，提供一種 增益半導體器件，其耦合在所述功率開關半導體器件與所述控制晶體 管之間，用於對所述控制信號進行放大。
在上述現有技術中，通過逐漸增加所述控制半導體器件所提供的 控制信號來引起所述功率開關半導體器件的逐漸關斷過程。根據本發 明，增益半導體器件耦合在所述控制器件與所述功率開關器件之間， 以對所述控制信號進行放大。由於放大的控制信號，所述功率開關器 件切換得更快，並且功率耗散較少。降低的功率耗散產生更高的功率 效率，並且使得能夠使用更高的負載電流，而不損壞功率開關器件。
所述半導體器件中的一個或多個可以是電晶體(具體地說是雙極 型電晶體或場效應電晶體(FET))或任何其它合適的半導體器件。
負載電流通過所述功率開關半導體器件從功率開關輸入端子流動 到功率開關輸出端子。在實施例中，電容器耦合在所述功率開關輸入 端子與所述功率開關輸出端子之間。結果，當所述控制半導體器件切 換時，半導體器件上的電壓和/或通過半導體器件的電流得以延遲。由 此，因切換而導致的功率損耗進一步減少。
在實施例中，所述控制半導體器件是第一控制半導體器件，用於 將所述功率開關半導體器件切換為非導通的。此外，在該實施例中， 所述自激振蕩開關電路包括第二控制半導體器件，其耦合到所述功 率開關半導體器件的控制端子，用於將所述功率開關半導體器件切換 為導通的。脈寬調製PWM電路耦合在所述功率開關半導體器件與所述 第二控制半導體器件之間。所述PWM電路包括PWM信號輸入端子，用 於接收PWM信號。將合適的PWM信號提供給所述PWM信號輸入端子使 得能夠在PWM模式下驅動負載。因此，如果負載是照明器件(例如LED )， 則該LED可以通過脈寬調製而調整明暗(dim)。這種實施例特別適合
用於汽車組合尾燈。例如，可以對後燈和剎車燈進行組合。例如，如 果LED用作後燈，則通過使用10%佔空比的PWM信號，PWM模式可以用 於獲得減小的光輸出。如果LED用作剎車燈，則佔空比可以增加到高 達例如100%,以產生最大的光輸出。
6在另一實施例中，所述PWM電路包括PWM電路電阻器與PWM電路 電容器和PWM電路二極體的並聯連接的串聯連接，其中，所述PWM電 路電容器被配置為當所述功率開關半導體器件開始導通時，增加提 供給所述笫二控制半導體器件的控制信號。增加對於所述第二控制半 導體器件的控制信號導致從所述第二控制半導體器件到所述功率開關 半導體器件的增加的控制信號，並且因此，導致所述功率開關器件的更快切換。更快的切換導致更低的功率耗散以及更短的接通延遲 (swi tch on delay )。在實施例中，緩衝半導體器件耦合在所述PWM信號輸入端子與所 述電路的公共端子之間，並且PWM信號發生器耦合到所述緩衝半導體 器件的控制端子。例如，所述緩衝半導體器件可以是電晶體。在該實 施例中，所述緩沖器件允許使用內部PWM發生器或外部PWM發生器。在另一實施例中，可控開關元件耦合在所述緩沖半導體器件的控 制端子與所述公共端子之間。所述可控開關元件(例如電晶體)被配 置為當所述可控開關元件切換為導通時，將所述緩衝半導體器件切 換為非導通的。因此，與PWM信號無關地將所述緩衝器件切換為非導 通的，由此禁用PWM信號。在實施例中，啟動電路耦合在所述第二控制半導體器件的輸入端 子與控制端子之間。所述啟動電路包括齊納二極體，其耦合到公共端 子以及所述輸入端子，以在所述負載電流中將不存在DC偏移電流的方 式提供啟動電流。本發明還提供一種用於對負栽進行操作的負載驅動器電路。所述 負載驅動器電路包括開關DC-DC變換器電路。所述開關DC-DC變換器 包括根據本發明的自激振蕩開關電路。在實施例中，所述開關DC-DC 變換器選自包括降壓變換器、升壓變換器、降壓-升壓變換器和反激 (flyback)變換器以及其它變換器拓樸的群組中。在實施例中，所述 負載是發光二極體LED。


下文中，參照附圖闡述本發明，附圖示出非限制實施例，並且其中，圖1示出現有技術自激振蕩開關DC-DC變換器的電路圖；7圖2示出根據本發明的自激振蕩開關DC-DC變換器的第一實施例 的電路圖；圖3示出根據本發明的自激振蕩開關DC-DC變換器的第二實施例 的電路圖；圖4示出用於根據圖3的開關DC-DC變換器的PWM發生器電路的 實施例。
具體實施方式
在附圖中，相同標號表示相同元件。圖1示出開關DC-DC降壓變 換器10中所包括的現有技術自激振蕩開關電路的電路圖。該自激振蕩 開關電路包括第一輸入端子Tinl和笫二輸入端子Tin2。 DC電源PS1 耦合到輸入端子Tinl、 Tin2，用於將DC電壓提供給降壓變換器10。 Dc電源PS1可以是任何種類的DC電源，包括電池(組)。發光二極體 LED耦合到降壓變換器10的輸出。降壓變換器10還包括輸出電感器 Ll、輸出電容器CI和續流二極體Dl。輸出電容器CI並聯耦合到LED。 輸出電感器LI與輸出電容器CI和所述LED的所述並聯電路串聯耦合。 續流二極體Dl並聯連接到所述串聯連接，並且續流二極體Dl連接在 自激振蕩開關電路的第一輸出端子Toutl與第二輸出端子Tout2之間。所述自激振蕩開關電路包括功率開關半導體器件，具體地說是雙 極型功率開關電晶體Ql。功率開關電晶體Ql的集電極連接到第一輸出 端子Toutl，並且功率開關電晶體Ql的射極經由感測電阻器Rl耦合到 第一輸入端子Tinl,從而功率開關電晶體Ql被配置為控制輸入端子 Tinl與輸出端子Toutl之間的負栽峰值電流。所述自激振蕩開關電路還包括第一控制半導體器件，具體地說是 第一雙極型控制電晶體Q2。功率開關電晶體Ql的基極端子(即控制端 子)耦合到第一控制電晶體Q2的集電極。第一控制電晶體Q2的射極 耦合到第一輸入端子Tinl。第一控制電晶體Q2的基極端子耦合到功率 開關電晶體Ql的射極。所述自激振蕩開關電路還包括第二控制半導體器件，具體地說是 第二雙極型控制電晶體Q3。笫二控制電晶體Q3的集電極耦合到功率開 關電晶體Ql的基極端子以及第一控制電晶體Q2的集電極。第二控制 電晶體Q3的射極經由限流電阻器R3耦合到第二輸入端子Tin2以及第二輸出端子Tout2，第二輸入端子Tin2和第二輸出端子Tout2皆連接 至地，並且因此充當電路的公共端子。第二控制電晶體Q3的基極端子 (即其控制端子)經由啟動電阻器R2連接到第一輸入端子Tinl，並且 連接到功率開關電晶體Ql的集電極，而且連接到第一輸出端子Toutl。在操作中，在啟動時，電源PS1將DC供電電壓提供給第一輸入端 子Tinl和第二輸入端子Tin2。所提供的DC電壓通過啟動電阻器R2 施加到第二控制電晶體Q3的基極端子。結果，第二控制電晶體Q3被 切換為導通的。結果，生成集電極電流，並且功率開關電晶體Ql變為 導通的。負栽電流於是能夠從第一輸入端子Tinl通過感測電阻器Rl、 功率開關電晶體Ql和輸出電感器Ll流動到輸出電容器Cl和LED。由 於電感器L1，負載電流逐漸地增加。通過增加的負載電流，在感測電阻器Rl上生成增加的電壓。該增 加的電壓在第一控制電晶體Q2上產生增加的基極-射極電壓。通過增 加的基極-射極電壓，第一控制電晶體Q2逐漸變為導通的，由此逐漸 降低功率開關電晶體Ql的基極-射極電壓。隨著負載電流流過功率開 關電晶體Ql，當功率開關電晶體Ql的基極-射極電壓變得低於與此時 的峰值電流對應的基極-射極電壓時，功率在功率開關電晶體Ql中有 耗散。最終，功率開關電晶體Ql變為非導通的，並且負載電流被阻擋。同時，電感器L1維持其電流，並且電流開始流過LED和續流二極 管D1。結果，負電壓在續流二極體Dl的陰極處生成，由此將第二控制 電晶體Q3切換為非導通的。當電流變得太低並且續流二極體Dl切換 為非導通時，消除在第二控制電晶體Q3的基極端子處的負電壓。隨後， 從第一輸入端子Tinl提供的DC電壓被施加在第二控制電晶體Q3的基 極端子處，並且重複上述過程，因此提供了自激振蕩。如上所述，由於從第一控制電晶體Q2的集電極提供給功率開關晶 體管Ql的基極端子的相對緩慢增加的控制信號，功率在功率開關晶體 管Q1中有耗散。較快增加的控制信號將導致較快的切換，並且因此導 致較少的功率耗散。較少的功率耗散將允許較高的負載電流。根據圖2所示的本發明實施例，增益半導體器件(具體地說是增 益電晶體Q4)可以被提供以對由第一控制電晶體Q2施加到功率開關晶 體管Ql的控制信號進行放大。增益電晶體Q4的集電極連接到第一控 制電晶體Q2的基極端子，其基極端子連接到第一控制電晶體Q2的集電極，並且其射極連接到功率開關電晶體Ql的基極端子。注意，在另 一實施例中，增益電晶體Q4的集電極可以連接到電源PS的正端子。 在增益電晶體Q4的基極端子(並且由此第一控制電晶體Q2的集電極) 與功率開關電晶體Ql的基極端子之間引入增益電阻器。此外，延遲電 容器C2耦合在功率開關電晶體Ql的射極(功率開關輸入端子)與功 率開關電晶體Ql的集電極(功率開關輸出端子)之間。除了上述添加 的部件之外，圖2所示的電路與圖1所示的電路相同。在操作中，圖2的電路與圖1電路相似地進行操作。然而，當感 測電阻器Rl上的電壓已經變得高到足以使得第一控制電晶體Q2開始 導通時，在第一控制電晶體Q2的集電極處輸出的控制信號由增益晶體 管Q4放大。因此，第一控制電晶體Q2輸出的小控制信號快速變為由 增益電晶體Q4輸出的相對較大的控制信號。因此，由於快速增加的控 制信號，功率開關電晶體Ql相對快速地切換到非導通狀態。因此，在 切換期間的功率耗散相對較低。延遲電容器C2同樣可操作為降低功率開關電晶體Ql中的功率耗 散。具體地說，當功率開關電晶體Ql切換為導通時，延遲電容器C2 將功率開關電晶體Ql的集電極和射極上的電壓保持為相對較低。因此， 由於電壓低，因此功率耗散(等於電流乘以電壓)較低。參照圖3，圖1和圖2中給出的電路可以被配置為使得能夠用於脈 寬調製(PWM)操作，以用於調整LED的明暗。因此，注意，PWM操作 以及對應的電路改變也可以應用於圖1的電路，由此省略如圖2所介 紹的附加電路部件。在根據圖3的電路中，PWM信號輸入端子PWM-in耦合到第二控制 電晶體Q3的基極端子。在PWM信號輸入端子PWM-in與和功率開關晶 體管Ql的集電極對應的第一輸出端子Toutl之間，提供電阻器R5與 二極體D3和前饋電容器C3的並聯電路的串聯連接。由於PWM信號輸 入端子PWM-in可以通過緩衝電晶體而耦合到公共端子，因此提供二極 管D3，以防止來自功率開關電晶體Ql的負載電流可能通過PWM信號輸 入端子PWM-in而流到公共端子，下文中參照圖4對此進行更詳細的解 釋。參照圖3,在操作中，如結合圖l所解釋的那樣，電路的正確操作 需要續流二極體Dl的陰極與第二控制電晶體Q3的基極端子之間的合10適反饋耦合。由電阻器R5和前饋電容器C3來提供這種合適的耦合。 具體地說，當功率開關電晶體Ql再次開始導通時，反饋電容器C3增 加第二控制電晶體Q3的基極電流，而反饋電阻器R5限制所迷基極電 流，並且確保正確啟動電路。仍參照圖3，啟動電阻器現被實施為第一啟動電阻器R2A和第二啟 動電阻器R2B的串聯連接。在第一啟動電阻器R2A與第二啟動電阻器 R2B之間的節點處，耦合有齊納二極體D2。齊納二極體D2進一步耦合 至地(公共端子)。該啟動電路在電源電壓範圍以及操作溫度範圍內 將通過功率開關電晶體Ql的DC電流水平保持得相對較低。圖4示出已知的PWM信號發生器PWM-gen。PWM信號發生器PWM-gen 適合於與圖3所示的自激振蕩開關電路結合而使用。然而，也可以採 用其它PWM信號發生器。因此，在此省略PWM信號發生器PWM-gen的 詳細討論。PWM信號發生器PWM-gen耦合到電源PS2，電源PS2可以是 與圖1-圖3中給出的相同的電源(電源PS1 ),或者可以是任何其它 分離的合適電源PS2。PWM信號發生器PWM-gen所產生的PWM信號被施加到緩衝半導體器 件的控制端子，具體地說是緩沖電晶體Qll的基極端子。緩衝電晶體 Qll的集電極可操作為PWM信號輸出端子P額-out,並且可以耦合到圖 3電路的PWM信號輸入端子PWM-in。緩衝電晶體Qll的射極耦合至地 (或公共端子)。此外，可控開關元件，具體地說是雙極型開關電晶體Q12,耦合在 緩沖電晶體Qll的基極端子與地之間，從而當PWM中斷信號施加到控 制端子(即開關電晶體Q12的基極端子)時，緩衝電晶體Qll的基極 端子連接至地，由此將緩沖電晶體切換為非導通的，從而禁用PWM信 號。現參照圖3和圖4，在PWM操作中，PWM信號發生器PWM-gen的輸 出被施加到緩衝電晶體Qll的基極端子。當緩衝電晶體Qll切換為導 通時，自激振蕩開關電路的PWM信號輸入端子PWM-in連接至地(公共 端子)。結果，第二控制電晶體Q3切換為非導通的，並且功率開關晶 體管Ql也切換為非導通的。因此，自激振蕩電路的振蕩被中斷。如果 緩衝電晶體Qll切換為非導通的，則自激振蕩開關電路如結合圖l和 圖2所描述的那樣而進行操作。當PWM中斷信號施加到開關電晶體Q12的基極端子時，緩沖晶體 管Qll切換為非導通的，如上所述，並且因此，與PWM信號發生器 PWM-gen的輸出無關地中斷PWM信號。這種P西中斷信號可以用於汽車 應用中的組合尾燈(RCL)。例如，PWM信號發生器PWM-gen可以輸出 具有大約90%佔空比的PWM信號，導致LED在大約10%的時間期間(反 相電路)發光，其可以適合作為車輛後燈。當剎車時，可以通過中斷 PWM信號而使用該相同的LED，有效地導致100%的佔空比，並且因此導 致LED輸出更高的光強度，這種LED適合作為剎車燈。雖然在此公開了本發明詳細實施例，但應理解，所公開的實施例 僅僅是本發明的示例，本發明可以通過各種形成而得以實施。因此， 在此公開的具體結構和功能細節不應解釋為限制性的，而是僅僅作為 權利要求書的基礎，並且作為教導本領域技術人員通過以實際上任何 適當詳細的結構來多樣地採用本發明的代表性基礎。此外，在此所使用的術語和短語不打算是限制的；相反，目的在 於提供本發明的可理解的描述。在此使用的術語"一，，定義為"一個" 或"多於一個"。在此使用的術語"另一，，定義為至少第二個或更多。 在此使用的術語包括和/或具有定義為包含(即，開放式語言)。在此 使用的術語耦合定義為連接，但不一定是直接連接，也不一定通過導 線連接。1權利要求
1.用於開關DC-DC變換器中的自激振蕩開關電路，所述自激振蕩開關電路包括-輸入端子，用於從電源接收功率；-輸出端子，用於將功率提供給負載；-功率開關半導體器件，其具有控制端子，所述功率開關半導體器件被配置為控制所述輸入端子與所述輸出端子之間的負載電流；-控制半導體器件，其耦合到所述功率開關半導體器件，用於將控制信號提供給所述功率開關半導體器件的控制端子，以用於控制所述功率開關半導體器件的切換；-增益半導體器件，其耦合在所述功率開關半導體器件與所述控制半導體器件之間，以用於對所述控制信號進行放大。
2. 根據權利要求1的自激振蕩開關電路，其中，所述功率開關半 導體器件、所述控制半導體器件和所述增益半導體器件中的至少一個 是電晶體。
3. 根據權利要求2的自激振蕩開關電路，其中，所述功率開關半 導體器件、所述控制半導體器件和所述增益半導體器件中的該至少一 個是雙極型電晶體。
4. 根據權利要求2的自激振蕩開關電路，其中，所述功率開關半 導體器件、所述控制半導體器件和所述增益半導體器件中的該至少一 個是場效應電晶體FET。
5. 根據權利要求1的自激振蕩開關電路，其中，所述負載電流通 過所述功率開關半導體器件從功率開關輸入端子流到功率開關輸出端 子，並且其中，在所述功率開關輸入端子與所述功率開關輸出端子之 間耦合電容器。
6. 根據權利要求1的自激振蕩開關電路，其中-所述控制半導體器件是第一控制半導體器件，用於將所述功率開 關半導體器件切換為非導通的；-所述自激振蕩開關電路還包括第二控制半導體器件，其耦合到所述功率開關半導體器件的控制端子，用於將所述功率開關半導體器件切換為導通的；-脈寬調製PWM電路耦合在所述功率開關半導體器件與所述第二控 制半導體器件之間，所述PWM電路包括PWM信號輸入端子，用於接收 PWM信號。
7. 根據權利要求6的自激振蕩開關電路，其中，所述PWM電路包 括PWM電路電阻器與PWM電路電容器和PWM電路二極體的並聯連接的 串聯連接，其中，所述PWM電路電容器被配置為當所述功率開關半 導體器件開始導通時，增加提供給所述第二控制半導體器件的控制信弓—
8. 根據權利要求6的自激振蕩開關電路，其中，PWM信號發生器耦 合到緩衝半導體器件的控制端子，所述緩衝半導體器件耦合在所述PWM 信號輸入端子與公共端子之間。
9. 根據權利要求8的自激振蕩開關電路，其中，可控開關元件耦述可控開^元件切換為P導通時，所述J衝半導體器件切換為非導通的， 以禁用PWM信號。
10. 根據權利要求1的自激振蕩開關電路，其中，啟動電路耦合在所述第二控制半導體器件的輸入端子與控制端子之間，所述啟動電路 包括齊納二極體並且耦合到所述第二控制半導體。
11. 用於對負載進行操作的負載驅動器電路，所述負載驅動器電路 包括開關DC-DC變換器電路，所述開關DC-DC變換器包括根據權利要 求1的自激振蕩開關電路。
12. 根據權利要求11的負載驅動器電路，其中，所述開關DC-DC 變換器選自包括降壓變換器、升壓變換器、降壓-升壓變換器和反激變 換器的群組中。
13. 根據權利要求11的負載驅動器電路，其中，所述負載是發光 二極體LED。
全文摘要
自激振蕩開關電路被配置為用於開關DC-DC變換器(開關模式電源(SMPS))。所述自激振蕩開關電路包括輸入端子(Tin1，Tin2)，用於從電源(51)接收功率；輸出端子(Tout1，Tout2)，用於將功率提供給負載。例如，所述負載可以是高功率LED。所述自激振蕩開關電路還包括功率開關半導體器件(Q1)，其具有控制端子；以及控制半導體器件(Q2)，其耦合到所述功率開關半導體器件。所述功率開關半導體器件被配置為控制所述輸入端子與所述輸出端子之間的負載電流，並且所述控制半導體器件被配置為將控制信號提供給所述功率開關半導體器件的控制端子，以用於控制所述功率開關半導體器件的切換。為了減少所述功率開關半導體器件中的功率損耗，增益半導體器件(Q4)耦合在所述功率開關半導體器件與所述控制半導體器件之間，以用於對控制信號進行放大。由於控制信號的放大，因此所述功率開關半導體器件的切換得以執行得更快，由此，在所述功率開關電晶體的基極-射極電壓小於與此時的峰值電流對應的基極-射極電壓的同時，減少了因流過所述功率開關半導體器件的負載電流而導致的功率耗散。
文檔編號H02M3/156GK101669271SQ200880013886
公開日2010年3月10日 申請日期2008年4月22日 優先權日2007年4月27日
發明者J·斯內爾滕 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司