CN100488012C - 发光二极管驱动器的同步开关升压转换器 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种升压转换器，用以驱动诸如发光二极管的半导体发光装置。此升压转换器包含：电源端，用以接收直流电源；驱动输出端，用以提供驱动电源给半导体发光装置；切换组件和同步切换组件，二者的开关状态互为相反，并互相配合以调节驱动电源；以及短路检测装置，用以检测半导体发光装置是否处于短路状态，当检测到半导体发光装置是处于短路状态时，发出短路信号以同时关闭同步切换组件和切换组件。

Description

发光二极管驱动器的同步开关升压转换器

技术领域

本发明是有关于一种升压转换器(booster converter)，特别是关于一种用于发光二极管(Light Emitting Diode；LED)驱动器的同步开关升压转换器。

背景技术

传统发光二极管驱动器多以升压架构为主。有关典型的传统式升压转换器的主要组成组件可参见图1。图1显示使用传统式升压转换器以驱动发光二极管的电路示意图，其包含传统式升压转换器1、直流电源2、和发光二极管模块3。传统式升压转换器1包含电源端X、电感L、二极管D、切换组件(switch)SW、电容C、和驱动输出端Y。其中的切换组件SW于正常运作时其状态在导通和关闭之间切换。当切换组件SW导通时，电感L上有电流流过，并将电磁能量储存于其中。此时二极管D处于逆向偏压状态，避免电流回灌，负载的电流则由电容C提供。当切换组件SW不导通(本文以下或称关闭(turnoff))时，电感L的储存能量释放出激磁电流，使二极管D导通并对电容C充电。由此可知，传统式升压转换器中二极管D的功能在于构成回路并避免电流回灌。

然而，此种传统式架构的升压转换器于负载端短路时缺乏保护的机制。换言之，当上例中的发光二极管模块3短路时，即使其中的切换组件SW处于关闭的状态，二极管仍会导通而容易造成整个电路的危险，甚至烧毁。

发明内容

鉴于以上的问题，其有必要提出一种改良的升压转换器，于发光二极管短路时，不致产生巨大的电流而损坏整个系统。因此，本发明的目的之一即在于提出一种用于驱动诸如发光二极管的半导体发光装置的升压转换器，其于发光二极管短路时，停止功率的损耗且避免损坏其它电路。

本发明的另一目的在于提出一种用于驱动诸如发光二极管的半导体发光装置的升压转换器，其可以检测其驱动的发光二极管的短路事件，并做适当反应以保护其它部分的电路。

依据上述目的，本发明提出一种升压转换器，用以驱动诸如发光二极管的半导体发光装置。此升压转换器包含：电源端，用以接收直流电源；驱动输出端，用以提供驱动电源给半导体发光装置；切换组件和同步切换组件(synchronized switch)，二者的开关状态互为相反，并互相配合以调节驱动电源；以及短路检测装置，用以检测半导体发光装置是否处于短路状态，当检测到半导体发光装置是处于短路状态时，发出短路信号以关闭同步切换组件和切换组件。换言之，当诸如发光二极管的半导体发光装置短路时，依据本发明的升压转换器可以检测到此事件并关闭所有切换组件以阻断发光二极管的电流，停止短路二极管造成的功率损耗并避免对其他组件可能的伤害。

依据上述目的，本发明还提出一种升压转换器，用以驱动半导体发光装置，该升压转换器包含：电源端，用以接收直流电源；电感器，其第一端电性连接于该电源端；驱动输出端，提供驱动电源给该半导体发光装置；电容器，电性连接于该驱动输出端；切换组件，其第一端电性连接于该电感器的第二端，而该切换组件的第二端接地；同步切换组件，其一端电性连接于该切换组件的第一端，该同步切换组件配合该切换组件以调节该驱动电源，且该切换组件与该同步切换组件的开关状态是互为相反；短路检测装置，用以检测该半导体发光装置为短路状态时，即关闭该同步切换组件及该切换组件；反馈电路，用于根据流经该半导体发光装置的驱动电源状态，以产生反馈信号；可控相位转换器，用以输出第一切换信号给该同步切换组件，并于该短路检测装置检测到短路状态时，关闭该同步切换组件；及可控脉波调制器，用于根据该反馈信号以产生第二切换信号给该切换组件及该可控相位转换器，并于该短路检测装置检测到短路状态时关闭该切换组件。

附图说明

本揭示的实施例的诸多特色配合以下图式可更易于理解。

图1显示典型的传统式升压转换器的主要组成组件；

图2是依据本发明的发光二极管升压转换器的示意图；

图3A显示依据本发明一实施例的发光二极管升压转换器的电路图；

图3B显示图3A中可控制反相器和可控制脉波调制器的输入和输出信号关系图；

图4A显示依据本发明另一实施例的发光二极管升压转换器的电路图；

图4B显示图4A中可控制反相器和可控制脉波调制器的输入和输出信号关系图。

[主要组件标号说明]

1       传统式升压转换器

2       直流电源

3       发光二极管模块

10      升压转换器

102     同步切换组件

104     短路检测装置

106     可控相位转换器

108     可控脉波调制器

SW      切换组件

30/40   可控脉波调制器的输出输入信号关系表

32/42   可控相位转换器的输出输入信号关系表

CIP1    可控相位转换器的第一输入端

CIP2    可控相位转换器的第二输入端

COP     可控相位转换器的输出端

PIP1    可控脉波调制器的第一输入端

PIP2    可控脉波调制器的第二输入端

POP     可控脉波调制器的输出端

PWM     可控脉波调制器的正常宽调脉波输出

/CIP2   可控相位转换器第二输入端的反相信号

N       正常无短路状态

A       短路状态

X       电源端

Y       驱动输出端

L       电感

C       电容

R       电阻

Rf      反馈电阻

具体实施方式

以下将配合图式对本发明相关的细节作进一步说明。各个图式中相同的编号或标示代表相同的组件或概念。此外，再次强调，本文中所谓的“关闭”(turn off)切换组件，是指将切换组件控制为不导通的状态。

图2是依据本发明的用以驱动诸如发光二极管的半导体发光装置的电路示意图。与图1类似，图2的电路示意图包含升压转换器10、直流电源2、和发光二极管模块3。升压转换器10包含电源端X、电感L、同步切换组件102、切换组件SW、电容C、和驱动输出端Y。与图1的传统式升压转换器比较，明显可知其主要差异乃在于以特定功能的同步切换组件102取代原有的二极管。基本上，同步切换组件102于整个升压转换器电路正常运作时，与切换组件SW的状态恰好相反。换言之，当切换组件SW关闭时，同步切换组件102处于导通状态以供应负载端发光二极管所需的电流；当切换组件SW导通时，同步切换组件102则关闭，直到反馈机制(未显示于图中，将于以下实施例说明)再次使得切换组件SW关闭，同步切换组件102才又导通。重点在于，当负载端的发光二极管处于短路状态时，除了切换组件SW被关闭，同步切换组件102亦将同时被关闭以阻断电路中所有可能的电流通路。如图2所示的升压转换器10用于驱动诸如发光二极管的半导体发光装置时，通常还需要配合反馈机制以及脉波调制机制来稳定发光二极管的电流。

图3A显示依据本发明一实施例的电路图，其包含升压转换器10、直流电源2、和发光二极管模块3。其中的升压转换器10包含电源端X、电感L、P型晶体管(P type transistor)102、短路检测装置104、N型晶体管(N typetransistor)SW、可控相位转换器106、可控脉波调制器108、电容C、反馈电阻Rf以及驱动输出端Y。短路检测装置104包含二输入端和一输出端；可控相位转换器106包含第一输入端CIP1、第二输入端CIP2和输出端COP；可控脉波调制器108包含第一输入端PIP1、第二输入端PIP2和输出端POP。

电源端X连接至电感L的第一端；电感L的第二端连接至P型晶体管102的源极(source)和N型晶体管SW的漏极(drain)；N型晶体管SW的源极接地；短路检测装置的二输入端跨接于P型晶体管102的漏极和源极之间，其输出端则连接至可控相位转换器106的第一输入端CIP1和可控脉波调制器108的第一输入端PIP1；可控相位转换器106的第二输入端CIP2连接至可控脉波调制器108的输出端POP，其输出端COP则连接至P型晶体管102的栅极(gate)作为其控制信号；可控脉波调制器108的第二输入端PIP2连接至反馈电阻Rf的第一端以接收反馈电压，其输出端POP如上所述连接至可控相位转换器106的第二输入端CIP2且连接至N型晶体管SW的栅极作为其控制信号；P型晶体管102的漏极连接至电容C的第一端以及驱动输出端Y以驱动负载；电容C的第二端和反馈电阻Rf的第二端接地。

反馈电阻Rf于此实施例的功能是作为上述的反馈机制，其于正常运作时配合升压转换器10中的其它组件驱动负载端的发光二极管模块3使其达到稳定的电流。N型晶体管SW的功能是已知技术中的切换组件，P型晶体管102则是与N型晶体管SW状态相关的同步切换组件。短路检测装置104则是过电流检测器，其通过监测跨P型晶体管102的电流以决定后级负载是否处于短路状态。此外，正常运作时，通过可控相位转换器106，P型晶体管102和N型晶体管SW是处于相反的状态。换言之，当N型晶体管SW关闭时，P型晶体管102处于导通状态以供应负载端发光二极管所需的电流；当N型晶体管SW导通时，P型晶体管102则关闭。此时(正常运作时)，短路检测装置104不会发出短路信号。而当发光二极管模块3短路时，意即短路检测装置104检测到极大的跨开关电流时，其输出端将发出短路信号A(参见图3B的说明)。此短路信号A同时分别由可控相位转换器106的第一输入端CIP1和可控制脉波调制器108的第一输入端PIP1所接收。当可控相位转换器106和可控制脉波调制器108接收到短路信号A时，将分别关闭P型晶体管102和N型晶体管SW。

以下说明发光二极管模块3短路时如何通过可控相位转换器106和可控制脉波调制器108关闭P型晶体管102和N型晶体管SW，以及正常运作时P型晶体管102和N型晶体管SW恒为相反的状态如何通过可控相位转换器106达成。参见图3B，其包含信号关系表30和信号关系表32。其中，信号关系表30为图3A中的可控脉波调制器108的输出信号和输入信号关系表，而信号关系表32则为图3A中的可控相位转换器106的输出信号和输入信号关系表。

信号关系表30中的第一列包含可控脉波调制器108的第一输入端PIP1接收来自短路检测装置104的信号状态，N表示未收到短路信号，A则表示接收到上述的短路信号A。信号关系表30中的第二列则包含可控脉波调制器108的输出端POP对应于第一输入端PIP1接收到不同输入时相对的输出，PWM表示可控脉波调制器108的正常输出，意即可调宽度的脉波输出。可调宽度脉波工作周期(duty cycle)的设计依不同电路的需求可能不同，因相关细节与本发明无关，故在此不予赘述。OFF则表示输出关闭信号以关闭N型晶体管SW。由信号关系表30可知，可控脉波调制器108于正常运作时，是一般的脉波调制器，其依照由第二输入端PIP2接收的反馈信号调制其输出脉波的工作周期以稳定负载的电流。当可控脉波调制器108接收到短路信号A时，其输出关闭信号以关闭N型晶体管SW。由于N型晶体管SW的运作原理，故此关闭信号为逻辑上的低电位。

信号关系表32的架构大致和信号关系表30相同。除了第二列的CIP2表示可控相位转换器106的输出端COP应输出和第二输入端CIP2接收的信号相同之外，其它符号的意义和信号关系表30完全一样。例如，第二列的OFF亦表示输出关闭信号以关闭P型晶体管102。不过此例中，因P型晶体管102的运作原理，故此关闭信号为逻辑上的高电位。由信号关系表32可知，可控相位转换器106于正常运作时(其第一输入端CIP1此时接收的状态为N，意即非短路的正常状态)，其输出端COP的输出和第二输入端CIP2接收的信号(也就是可控脉波调制器108的输出端POP的信号)相同。又由于N型晶体管SW和P型晶体管102于此实施例为不同型信道的晶体管，故N型晶体管SW和P型晶体管102于正常运作时其状态将恒为相反。

此实施例中的N型晶体管SW和P型晶体管102是使用金属氧化物半导体

场效应晶体管(metal-oxide-semiconductor field-effect transistor，MOSFET)为范例，然而，亦可用其它任何切换组件替代，例如BJT(BipolarJunction Transistor或双极型结晶体管)或诸如顶闸型晶体管、底闸型晶体管(BCE，I-Stopper，或类似组件)等各种变异。晶体管的材质可包括非晶硅、多晶硅、单晶硅、微晶硅或上述的组合。再者，晶体管的信道型态可以互换，意即，以一P型晶体管替代N型晶体管SW，同时以一N型晶体管替代P型晶体管102。

此外，依据本发明的一个变异，上述切换组件SW和同步切换组件102亦可以使用同型的晶体管，如：全N型晶体管或全P型晶体管。不过，当切换组件SW和同步切换组件102为同型的晶体管时，其正常运作时的控制信号必须反相，意即可控相位转换器106的运作必须改变，细节请参见以下的其它实施例说明。

图4A显示依据本发明另一实施例的电路图，其大致类似图3A所举的实施例，主要差异点有二。其一在于本实施例的切换组件SW和同步切换组件102皆为N型晶体管。其二在于本实施例的短路检测装置104是跨接于电阻R的二端，本领域技术人员应能理解，此种连接方式通过电流的监测，亦能检测到后级负载的短路状态。图4B显示图4A中的可控脉波调制器108和可控相位转换器106的输出信号和输入信号关系表40和42。信号关系表40和信号关系表30相同。而信号关系表42和信号关系表32的差异仅在于可控相位转换器106的正常输出为/CIP2，意即CIP2的反相信号，此是由于切换组件SW和同步切换组件102皆为N型晶体管，故需要反相的控制信号以使得其状态相反。同样地，本实施例中的切换组件SW和同步切换组件102亦可用如前所述的其它任何切换组件替代，且当使用晶体管时，其信道型态可以换为二者皆为P型晶体管。

以上实施例仅是可能的实作范例。许多变异或修改均可在不脱离本发明的原理下达成。该等变异或修改均应视为在本发明范畴之内而为所附的权利要求范围所保护。

Claims (16)

1.一种升压转换器，用以驱动半导体发光装置，该升压转换器包含：

电源端，接收直流电源；

驱动输出端，提供驱动电源给该半导体发光装置；

切换组件；

同步切换组件，是配合该切换组件以调节该驱动电源，且该切换组件与该同步切换组件的开关状态是互为相反；及

短路检测装置，用以检测该半导体发光装置是否为短路状态，当检测到该半导体发光装置是短路状态时，发出短路信号以关闭该同步切换组件及该切换组件。

2.根据权利要求1所述的升压转换器，还包含：

可控相位转换器，用以提供第一切换信号给该同步切换组件，并于该短路检测装置检测到短路状态时关闭该同步切换组件。

3.根据权利要求2所述的升压转换器，其中该短路检测装置为过电流检测器，当检测到通过该同步切换组件的电流超过默认值时，即产生短路信号给该可控相位转换器，用以关闭该同步切换组件。

4.根据权利要求3所述的升压转换器，其中该切换组件和该同步切换组件包含晶体管。

5.根据权利要求4所述的升压转换器，其中该过电流检测器包含二输入端，其跨接于该同步切换组件的晶体管的二输出端，且该过电流检测器包含输出端，用以提供该短路信号。

6.根据权利要求4所述的升压转换器，其中该过电流检测器包含二输入端，其跨接于电阻器的两端，该电阻器并与该同步切换组件串联，且该过电流检测器包含输出端，用以提供该短路信号。

7.根据权利要求3所述的升压转换器，还包含反馈电路，是根据流经该半导体发光装置的驱动电源状态，以产生反馈信号。

8.根据权利要求7所述的升压转换器，还包含可控脉波调制器，是根据该反馈信号以产生第二切换信号给该切换组件及该可控相位转换器。

9.根据权利要求8所述的升压转换器，其中该可控相位转换器包含一输入端及一输出端，该输入端从该可控脉波调制器接收该第二切换信号且该输出端于非短路状态时输出该第一切换信号，该可控相位转换器还包含另一输入端，用以接收该短路信号。

10.根据权利要求8所述的升压转换器，其中该可控脉波调制器接收该短路信号，并于短路状态时关闭该切换组件。

11.一种升压转换器，用以驱动半导体发光装置，该升压转换器包含：

电源端，用以接收直流电源；

电感器，其第一端电性连接于该电源端；

驱动输出端，提供驱动电源给该半导体发光装置；

电容器，电性连接于该驱动输出端；

切换组件，其第一端电性连接于该电感器的第二端，而该切换组件的第二端接地；

同步切换组件，其一端电性连接于该切换组件的第一端，该同步切换组件配合该切换组件以调节该驱动电源，且该切换组件与该同步切换组件的开关状态是互为相反；

短路检测装置，用以检测该半导体发光装置为短路状态时，即关闭该同步切换组件及该切换组件；

反馈电路，用于根据流经该半导体发光装置的驱动电源状态，以产生反馈信号；

可控相位转换器，用以输出第一切换信号给该同步切换组件，并于该短路检测装置检测到短路状态时，关闭该同步切换组件；及

可控脉波调制器，用于根据该反馈信号以产生第二切换信号给该切换组件及该可控相位转换器，并于该短路检测装置检测到短路状态时关闭该切换组件。

12.根据权利要求11所述的升压转换器，其中该短路检测装置为过电流检测器，当检测到通过该同步切换组件的电流超过默认值时，即产生短路信号分别给该可控脉波调制器和该可控相位转换器，用以分别关闭该切换组件及该同步切换组件。

13.根据权利要求12所述的升压转换器，其中该切换组件和该同步切换组件包含晶体管。

14.根据权利要求13所述的升压转换器，其中该过电流检测器包含二输入端，其跨接于该同步切换组件的晶体管的二输出端，该过电流检测器包含输出端，用以提供该短路信号。

15.根据权利要求13所述的升压转换器，其中该过电流检测器包含二输入端，其跨接于电阻器的两端，该电阻器并与该同步切换组件串联，该过电流检测器包含输出端，用以提供该短路信号。

16.根据权利要求11所述的升压转换器，其中该可控相位转换器包含一输入端及一输出端，该输入端从该可控脉波调制器接收该第二切换信号且该输出端于非短路状态时输出该第一切换信号，该可控相位转换器还包含另一输入端，用以接收该短路信号。

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