CN100403639C - 自激振荡同步升压变换器 - Google Patents

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Abstract

自激振荡升压变换器(50)包括电阻启动网络(86、88、90)，配置成启动对升压变换器的充电。谐振反馈电路(72)设计为在由电阻启动网络启动所述电路之后产生振荡信号。互补开关网络具有一对互补共源连接的开关(56、58)，它们被配置为接收谐振反馈电路产生的振荡信号。振荡信号确定互补开关对的开关率、或占空度。升压电感(70)在操作上与互补开关对相连。互补开关网络的开关率被用来确定向负载发光二极管(54)提供的升压电压。

Description

自激振荡同步升压变换器
技术领域
本发明涉及升压变换器，更具体地说，涉及有效地将低电压转换为电流、从而为发光二极管(LED)供电的电路。
背景技术
在从前为白炽灯保留的环境中开始使用LED。一种用作这样替代的LED类型是白色LED，它是具有将紫外线或蓝色转换为白色的荧光体的蓝色LED。这些白色LED与白炽灯相比具有某些优点，包括大约20流明/瓦的额定值，其中相同规格的白炽灯中的流明/瓦的额定值大约为7-10。此外，相似规格的电池与白色LED一起使用时，比与白炽灯一起使用相比，大约可持续2倍长的时间。同样，众所周知的是，白色LED本身在较高电压的情况下持续的时间也比白炽灯长。例如，白炽灯可以持续50-100小时，而白色LED在相同的高电压下可以持续长达10000小时或更长。同时白色LED与其他LED相比，能发出更亮的光输出，这也是众所周知的。
白色LED的缺点在于它们比其他的LED类型具有更大的带隙。这种更大的带隙需要大大高于其他LED的工作电压，大约为4伏特。
已经使用了向白色LED提供所需电压电平的方法，包括调节输出电压的直流-直流转换器。但是，这种方法成本高，并且在低输入电压时效率低。所用的另一种方法利用锂电池直接匹配LED电压。同样这是一种成本高并且效率低的方法。此外，这种应用的白色LED光源中的设置倾向于低成本的实现。例如，它需要发光系统能够在诸如两个AA规格电池的低功率输入下使用。但是，已知这种电池组合只能产生大约1.5-3.1伏特。这个电压当然不够操作白色LED。
发明内容
所以，本发明的目的是提供一种能够将低电池电压转换为足够操作白色LED的LED电流的有效电路。这样一种电路也必须具有少的元件数量以及小的经济成本。
根据本发明提供了一种自激振荡升压变换器，其中包括：电阻启动网络，配置成启动对所述升压变换器的充电；谐振反馈电路，配置为在由所述电阻启动网络启动所述电路的操作之后产生振荡信号；互补开关网络，具有一对互补共源连接的开关，配置为接收所述谐振反馈电路产生的所述振荡信号，其特征在于所述振荡信号确定所述互补对开关的开关率；以及升压电感，在操作上与所述互补共源连接的开关相连，其特征在于所述互补开关网络的开关率确定升压电压。
本发明还提供了一种自激振荡升压变换器，它用于将由输入源供应的输入电压转换为足够操作白色发光二极管的电平，所述升压变换器包括：电阻启动网络，配置为启动对所述升压变换器的充电；包括谐振电容、电感和电阻的谐振反馈电路，配置为在由所述电阻启动网络启动所述电路的操作之后产生振荡信号；互补开关网络，具有一对互补共源连接的开关，配置为接收所述谐振反馈电路产生的所述振荡信号，其特征在于所述振荡信号确定所述互补共源连接的开关的开关率；升压电感，在操作上与互补共源连接的开关相连，其特征在于所述互补开关网络的开关率确定升压电压，其特征在于由所述升压电压和所述输入源提供的电压足够为所述白色发光二极管供电。
附图说明
图1描述了常用的升压变换器；
图2陈述了根据本发明的概念的自激振荡同步升压变换器；
图3示意了根据本发明的实施例提供的自激振荡升压变换的更详细电路；
图4是如图3所示的变换器的各种波形；以及
图5陈述了本发明的自激振荡同步升压变换器的第二实施例。
具体实施方式
图1示意了已知的升压或渐增开关调压器10。这样一种调压器在所需工作电压高于所提供的输入电压时使用。当控制开关单元12被连接到升压电感14时，它又连接到电压源16。在接通控制开关单元12时，将来自电压源16的输入电压(Vin)作为电感电压(V1)加到电感14上。在稳定状态条件下，电感14中的电流正向线性增加。用隔离二极管20对负载18进行隔离，并且在这段时间由储存在电路电容22上的电荷对其供电。
当控制单元12被关闭时，储存在电感14中的能量被加到输入电压上，并且电感电流24辅助提供负载电流26，同时也储存电路电容22释放的能量。当控制单元12关闭时，电感中的电压(V1)等于输出电压(VO)减去输入电压(Vin)(即，V1＝VO-Vin)。控制单元12的操作通过利用控制器28实现。在这种传统升压电路10中，二极管20被看作无源开关，而控制单元12被看作有源开关。
为提高对白色LED供电的电路的效率，本发明将图1的无源开关20替换成有源开关，以提供利用互补开关对的自激振荡同步升压变换器。图2示意了这样一种自激振荡同步升压变换器30。在此实施例中，图1的无源开关20被替换为有源开关32。开关32和34的操作由同步开关控制器36控制，它允许向负载42供应电感38的能量以及输入源44的能量。这种能量使得能够向负载42提供与仅仅由输入电压源44提供的电压相比更高的电压或升高了的电压。
在最佳实施例中，变换器30向负载42供应足够的电压，所述负载可能是白色LED，产生至少80mA。将会理解，通过利用控制器36调整开关32和34的操作，并选择适当的元件规格，包括电容40和电感38，可以根据负载42的需要得到各种电压值和电流。
继续参考图1和2，注意到传统变换器10的缺点在于非常低的电压应用，从0.7到1V的任何数量的二极管压降对系统引入了不希望有的低效率。这种损耗在低电压时占了总量的重要部分。因此，为提高效率，图1的二极管20被替换为了图2的有关开关32。开关32与二极管20相比，具有较低的导通电阻值，即使在将低压击穿二极管用作无源开关20的时候也是如此。因此，图2的电路对提高工作效率、特别是低压时的工作效率是有益的。
控制有源开关32和34的导通时间，确定加到诸如白色LED42的负载上的电压。具体地说，由开关频率的占空率控制输出电压(Vout)，其中所述占空度被定义为：
D = V out - V in V out ,
因此，在一个所需输出电压为4V而输入电压为2.42V(这是2个AA电池的额定值)的实现中，开关34的导通时间开关率为：
D = 4 v - 2.42 v 4 v = . 395
注意到在图2中，输入源的配置以正配置连接。在某些情况下，电路在被配置为负输入配置时可以更加有效地工作，将在下面对该点进行更详细的讨论。
回到图3，它所示的是本发明的第二实施例，其中更详细的陈述了对同步升压变换器50的元件的描述。在这个电路中，反向偏置的直流源52被用于为诸如白色LED的负载54供电，所述负载上跨接了滤波电容55。两个互补开关56和58被配置为共源结构，其中开关56和58的源都被连接到节点60。电压源52的一端被连接到总线64，而源52的第二端被连接到参考线66。电阻68和存储或升压电感70被串连在直流源52和节点60之间。反馈电路72包括串连连接的电阻74、电感76、以及电容78，它们在节点80处与总线64相连，它们也被连接到控制节点82。开关56和58的栅极或控制极最好在控制节点82处直接连接到一起。注意到电阻68和74可能是元件的内阻，而不是单独的电阻。同时，开关56和58将具有内在二极管。
开关56和58被用于将供应的输入电压转换为升压信号，从而为LED54供电。当开关包括n沟道和p沟道增强模式MOSFET时，开关的源极最好分别在公共节点60处直接连接在一起。但是，要注意到，开关可能包括其它具有互补导通模式、诸如PNP和NPN双极性面结型晶体管。
选择性地提供连接在公共节点60和控制节点82之间的电压钳位器件。双向电压钳位器件可以被设置为所示的背对背稳压二极管，它们被用于保证对LED54提供的电压的控制。钳位器件84是可选元件，并且在低压环境下可能不那么有用。启动电阻86、88和90共同对电路50进行充电，以启动反馈电路72的再生操作。提供常规缓冲电容92，以辅助开关56和58的切换。
在通电时，反馈电路72向电路50提供足够的增益，以产生自激振荡。具体地说，由于输入电压源52是一个固定点，因此节点82的信号开始上下摆动，提供足够的延迟以便以所需相角驱动开关56、58。因此，反馈电路72产生的振荡确定开关56和58的工作频率，即，反馈电路72确定开关56和58的占空度。反馈电路72的元件的选择确定各个开关导通的时间量，并因此确定升压变换器电路50提供多少电压升压。具体地说，由于电流在电感70中增加，电感70两端将产生传递到LED54的较大电压。反馈电路72是将其信号返回到源52的谐振网络。
图4示意了提供给开关56、58的栅极的振荡或正弦信号波形94。要注意图4的栅极电压具有加在其上的直流偏置，即变化不是在零伏。这个直流偏移了一个偏移量，它允许开关以适当的占空度进行工作。电路50被设计为当源52在它的额定电压时，占空度基本上以所需的比率进行。比如，在本实施例中，当额定输入电压为大约2.42V时，开关58大约为.4的占空度将得到大约4V的输出电压。
图4还示意了电感70两端的电感电流96和电感70对地的电压信号98。电流96的增加发生在下面的n沟道开关58被导通的时段。当开关58被关闭而开关56被导通时，电感电流96下降并且向LED 54提供电压98。从而在源52的额定电压下得到相当稳定状态的到LED 54的80mA的电流99。
反馈电流72的元件(即电阻74、电感74和电容78)被用于改变开关56和58的占空度，使其不等于50/50的占空度。反馈电路72通过产生到源信号94的栅偏移来完成这个工作。
在此实施例中，所需输出在2.42V的额定输入时产生到LED 54的80mA的电流。尽管本电路不是调压器，但是，通过适当选择元件，可以在整个LED和电池的使用寿命上得到有用的光输出。要注意80mA是为白色LED得到适当的亮度而指定的。但是，要理解它是理想的额定值。但是，没有被指定在这个值的LED仍将正常的工作。
可以理解在其它实现中，可能需要不同的电流值。本电路可能通过选择不同的元件值来适应这些情况。具体地说，通过调整反馈电路建立的偏移，可以得到开关率的调整，以得到不同的输出。
回到图5，它示意了根据本发明的概念的同步升压转换器电路100的另一个实施例。这个实施例和图3的实施例的主要差别在于提供的直流电压源102为正输出配置。本实施例使用正电压源是因为P沟道开关104被置于电路100的底部而互补对的n沟道开关106是上面的开关。
同样，选择性地提供限制电容108，以可预测性地限制节点60和80之间控制电压的变化速度。此外，相同的元件用与图3相同的方式进行编号。
对其他小元件进行了改变，例如电阻86的位置。但是，这仅仅是强调元件的确切配置可能改变，同时，变换器仍将维持在本发明的精神和范围之内。具体地说，本发明利用互补开关概念来配置能够在低电压下工作的同步升压变换器。
将n沟道开关用在图3的底部开关位置，其理由是，与同样规格和类型的p沟道器件相比，n沟道器件具有较低的导通电阻值(较低的rds)。在此实施例中，对于预期的开关率，认为n沟道将比上面的p沟道导通的时间长。因此，图3中，将n沟道放在下部提供了更有效的电路。同样，在图5中，当认为比率将使上面的开关接通较长的时段时，这种配置可能发生。因此，作为一般陈述，当使用较小的输入电压，并且下面的开关将比上面的开关导通更长时间时，将n沟道放在下面的开关位置。
尽管本发明已经参考最佳实施例进行了描述，本领域的技术人员将会理解可以进行各种变化，并且可用等效物代替其中的元件，并不背离本发明的范围。另外，可以进行许多修改，以使本发明的讲授适应特定的情况和材料，并不背离本发明的基本范围。因此，本发明并不限于作为实现本发明的最佳模式所公开的特定实施例，本发明将包括落在所附权利要求的范围内的所用实施例。

Claims (12)

1.一种自激振荡升压变换器，其中包括：
电阻启动网络(86、88、90)，配置成启动对所述升压变换器的充电；
谐振反馈电路(72)，配置为在由所述电阻启动网络启动所述电路的操作之后产生振荡信号；
互补开关网络，具有一对互补共源连接的开关(56、58)，配置为接收所述谐振反馈电路(72)产生的所述振荡信号，其特征在于所述振荡信号确定所述互补共源连接的开关(56、58)的开关率；以及
升压电感(70)，在操作上与所述互补共源连接的开关(56、58)相连，其特征在于所述互补开关网络的开关率确定升压电压。
2.如权利要求1所述的自激振荡升压变换器，还包括：
负载(43)，它在操作上与所述互补共源连接的开关(56、58)中的至少一个相连，以接收所述升压电压。
3.如权利要求2所述的自激振荡升压变换器，其特征在于所述负载是白色发光二极管。
4.如权利要求3所述的自激振荡升压变换器，其特征在于提供给所述升压变换器的输入电压在2V和3.1V之间。
5.如权利要求4所述的自激振荡升压变换器，其特征在于提供给所述负载的所述升压电压为4V。
6.如权利要求1所述的自激振荡升压变换器，其特征在于所述升压变换器(50)配置为利用负电源电压工作。
7.如权利要求1所述的自激振荡升压变换器，其特征在于所述升压变换器(50)配置为利用正电源电压工作。
8.一种自激振荡升压变换器(50)，它用于将由输入源供应的输入电压转换为足够操作白色发光二极管(54)的电平，所述升压变换器包括：
电阻启动网络(86、88、90)，配置为启动对所述升压变换器的充电；
包括谐振电容、电感和电阻的谐振反馈电路(72)，配置为在由所述电阻启动网络启动所述电路的操作之后产生振荡信号；
互补开关网络，具有一对互补共源连接的开关(56、58)，配置为接收所述谐振反馈电路产生的所述振荡信号，其特征在于所述振荡信号确定所述互补共源连接的开关的开关率；
升压电感(70)，在操作上与互补共源连接的开关相连，其特征在于所述互补开关网络的开关率确定升压电压，
其特征在于由所述升压电压和所述输入源提供的电压足够为所述白色发光二极管(54)供电。
9.如权利要求8所述的自激振荡升压变换器，其特征在于提供给所述升压变换器(50)的输入电压在2V和3.1V之间。
10.如权利要求8所述的自激振荡升压变换器，其特征在于提供给所述白色发光二极管的所述升压电压为4V。
11.如权利要求8所述的自激振荡升压变换器，其特征在于所述升压变换器(50)配置为利用负电源电压工作。
12.如权利要求8所述的自激振荡升压变换器，其特征在于所述升压变换器(50)配置为利用正电源电压工作。
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