CN100527579C - 有自身辅助电压源及负载故障保护的直流电源转换电路 - Google Patents
有自身辅助电压源及负载故障保护的直流电源转换电路 Download PDFInfo
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Abstract
一种具有自身辅助电压源及负载开路及短路保护功能的直流电源转换电路包含有直流电压源、驱动电路及辅助电路。该驱动电路包含有开关、第一电阻、控制信号产生器、第二电阻、二极管及电感。该开关用来根据控制信号，导通或关闭一连结。该控制信号产生器用来产生该控制信号。该第二电阻的一端耦接于该控制信号产生器。该电感耦接于该第一电阻及负载之间。该辅助电路并联于该电感，其包含有辅助电容及辅助二极管。该辅助电容的一端耦接于该第二电阻的一端。该辅助二极管耦接于该辅助电容该电感之间。
Description
技术领域
本发明是指一种直流电源转换电路，尤指一种用来驱动发光装置，具有自身辅助电压源及负载开路及短路保护功能的直流电源转换电路。
背景技术
近年来，发光二极管(Light Emitting Diode，LED)已普遍应用使用于信息、通讯及消费性电子产品的指示灯与显示装置上，如交通号志灯等等。不同于一般白炽灯泡，发光二极管是属冷发光元件，因此具有耗电量低、元件寿命长、无须暖灯时间以及反应速度快等优点，再加上其体积小、耐震动、适合量产，因此容易配合应用需求而制成极小或阵列式的元件。在发光二极管的物理特性中，通过发光二极管的电流随着发光二极管的顺向偏压呈指数型的增加，而发光二极管的发光程度是与通过的电流成正比，也就是说，当通过的电流越大，二极管发光的强度也越高。因此，一般来说，发光二极管需要电压转换电路来控制其顺向偏压，以稳定发光亮度。
请参考图1，图1为已知直流对直流电压转换器10的示意图。直流对直流电压转换器10包含有直流电压源100、开关晶体管102、电阻104、二极管106、电感108、控制信号产生器110、负载112及线性调压器(linearregulator)114。线性调压器114通常为IC芯片或简单偏压电路，可调降直流电压源100提供的电压至适当的电压电平，以供应控制信号产生器110所需要的工作电压。控制信号产生器110通过感测电阻104两端的电流或电压，产生控制信号Sc来开启或关闭开关晶体管102，以控制输出至负载112的电流，其工作原理如下。当开关晶体管102导通时，二极管106承受反偏压而阻断回路L1，使得直流电压源100对电感108储能。一旦开关晶体管102关闭，则电感108会产生极性相反的电压。换句话说，当开关晶体管102导通时，直流电压源100对电感108储存能量，而当开关晶体管102关闭时，二极管106导通回路L1，电感108则把能量移送到电容110和负载112。
在已知技术中，线性调压器114通过降压操作，转换直流电压源100的电压至较低的电压，以提供工作电源给控制信号产生器110。然而，已知直流对直流电压转换器10的线性调压器114的调压效率(输出电压与输入电压的比率)通常很差，约只有5％～10％。举例来说，当直流电压源100提供170伏特的电压给直流对直流电压转换器10，线性调压器114一般将170伏特(V)的电压调降至17伏特，再输出至控制信号产生器110，由此可知线性调压器的效率为10％。若通过线性调压器114的电流大小约为20毫安(mA)，则线性调压器114耗费的功率为：(170-17)×20＝3.06瓦特(W)。由上可知，已知直流对直流电压转换器10是利用低效率的线性调压器来提供工作电源给控制信号产生器，不仅耗费电能，亦可能因为线性调压器过热而损坏电路。
发明内容
因此，本发明的主要目的即在于提供一种具有自身辅助电压源及负载开路及短路保护功能的直流电源转换电路。
本发明是揭露一种具有自身辅助电压源及负载开路及短路保护功能的直流电源转换电路。该直流电源转换电路包含有直流电压源、驱动电路及辅助电路。该直流电压源用来提供直流电源。该驱动电路包含有开关、第一电阻、控制信号产生器、第二电阻、二极管及电感。该开关具有第一端耦接于该直流电压源，第二端用来接收控制信号，以及第三端。该开关用来根据该第二端所接收的控制信号，导通或关闭该第一端至该第三端的连结。该第一电阻具有第一端耦接于该开关的第三端，及第二端。该控制信号产生器耦接于该第一电阻的第一端及第二端，用来感测该第一电阻的电压，以产生该控制信号。该第二电阻具有第一端耦接于该直流电压源及该开关的第一端，及第二端耦接于该控制信号产生器。该二极管具有第一端耦接于该第一电阻的第二端，及第二端耦接于接地端。该电感具有第一端耦接于该第一电阻的第二端，及第二端耦接于负载。该辅助电路是并联于该电感，其包含有辅助电容及辅助二极管。该辅助电容具有第一端耦接于该第一电阻的第二端，及第二端耦接于该第二电阻的第二端。该辅助二极管具有第一端耦接于该辅助电容的第二端，及第二端耦接于该电感的第二端。
附图说明
图1为已知降压式直流对直流电压转换器的示意图。
图2为本发明具自身辅助电压源及负载开路及短路保护功能的直流电源转换电路的示意图。
[主要元件标号说明]
10 直流对直流电压转换器
102 开关晶体管
20 直流电源转换电路
22 驱动电路
24 辅助电路
100、200 直流电压源
202 开关
104、204、210 电阻
106、206、216 二极管
108、208 电感
214 电容
112、212 负载
110、26 控制信号产生器
114 线性调压器
Sc控 制信号
L1、L2、L3 回路
2022、2024、2026 端点
GND接 地端
Vcc 电压
Vin 直流电源
P1、P2接 线
具体实施方式
请参考图2，图2为本发明具有自身辅助电压源及负载开路及短路保护功能的直流电源转换电路20的示意图。直流电源转换电路20包含有直流电压源200、负载212、驱动电路22及辅助电路24。直流电压源200耦接于接地端GND，用来提供直流电源Vin。负载212为发光装置，通常由至少一发光二极管(Light Emitting Diode，LED)组成，其亦耦接于接地端GND。驱动电路22的构成元件类似于图1的直流对直流电压转换器10，包含有开关202、第一电阻204、二极管206、电感208、第二电阻210及控制信号产生器26。开关202用来根据第二端2024所接收的控制信号Sc，导通或关闭第一端2022至第三端2026的连结。开关202通常为金属氧化物半导体场效应晶体管(metal-oxide-semiconductor field-effect transistor，MOSFET)，其第一端2022是漏极，第二端2024是栅极，第三端2026是源极。或者，开关202亦可为双极结型晶体管(Bipolar Junction Transistor，BJT)，则第一端2022是集极，第二端2024是基极，第三端2026是射极。第二电阻210是高阻抗的电阻，用来提供控制信号产生器26的启动电源。二极管206通常为pn接面半导体元件，其图2中的右端为n极而左端为p极。电感208耦接于负载212，用来储存或释放直流电压源200提供的能量。控制信号产生器26通常为脉宽调制器，耦接于第一电阻204的两端，藉此用来感测第一电阻204的电压，以产生控制信号Sc。根据第一电阻204的电流改变的程度，控制信号产生器26调整控制信号Sc，以控制开关202的导通或关闭。
本发明直流电源转换电路20于驱动电路22的电感208上并联辅助电路24。辅助电路24包含有辅助电容214及辅助二极管216。辅助电容214于直流电源转换电路20启动时，通过第二电阻210，储存直流电压源200提供的能量。当储满电能时，辅助电容214即形成辅助电压源，可提供稳定的辅助电压Vcc给控制信号产生器26。辅助二极管216耦接于辅助电容214与电感208之间，用来于开关202导通时，防止直流电压源200提供的电源的电流流入辅助电路24导致负载212的电压发生非预期的改变。辅助二极管216通常相同于二极管206，具有相同的顺向偏压，其图2中的右端为n极而左端为p极。直流电源转换电路20还包含滤波电容(未示于图2)耦接于接地端GND与电感208之间，用来滤除输出至负载212的电流的噪声。
本发明直流电源转换电路20的工作原理如下。首先，于直流电源转换电路20启动时，第二电阻210调降直流电源Vin至适当的电压电平，以启动控制信号产生器26，并同时提供能量给电容214作储能用。控制信号产生器26于启动后通过接线P1及P2，不断地感测通过第一电阻204的电流，并根据电流变化，事实调整控制信号Sc。接着，当开关202导通时，二极管206及辅助二极管216皆承受反偏压，分别阻断回路L2及回路L3。直流电压源200对电感208储能，此时第一电阻204的电流随着电感208的电流逐步往上升。当电阻204的电流上升至预定最大值时，控制信号产生器26通过控制信号Sc关闭开关202。一旦开关202关闭，二极管206及辅助二极管216皆运作于顺向偏压时，分别导通回路L2及L3。由于直流电压源200的供电被截断，电感208产生极性相反的电压，同时提能量给负载212及辅助电容214，使通过负载212的电流不会发生剧烈变化，亦可使辅助电容214维持稳定的电压，维持控制信号产生器26的正常运作。因此，无论在开关202导通或关闭的情形下，对控制信号产生器26来说，辅助电容214如稳定的电压源，提供辅助电压Vcc给控制信号产生器26。最后，当第一电阻204的电流下降至预定最小值时，控制信号产生器26再通过控制信号Sc开启开关202，使直流电源转换电路20的工作因开关202导通及关闭不断循环下去。
在直流电源转换电路20中，若负载212、电感208及辅助电容214的电压大小分别为VLD_、VL及VC，并根据回路L2及L3，可得出关系式：
VL＝二极管216的顺向偏压+VLD＝二极管206的顺向偏压+VC
由于二极管216的顺向偏压与二极管206的顺向偏压几乎相同，最后可得到负载212、电感208及辅助电容214的电压之间的关系式为：VL＝VLD＝VC。因此，若负载212发生短路，则由上述的关系式可知VL＝VLD＝0(Volt)，而辅助电容214则快速放电。此时，换成由直流电压源200通过高阻抗的电阻210提供辅助电压Vcc给控制信号产生器26。由于电阻210的高阻抗的关系，辅助电压Vcc将变为很低的电平，将无法提供足够的工作电压而使控制信号产生器26进入保护模式(hiccup)，也就是时而启动时而闲置。另外，若负载212有开路的情况发生，则由上述的关系式可知VLD＝VC，此时直流电源转换电路20可通过辅助电容214的电压VC来判断负载212的电压VLD是否过高。控制信号产生器26根据判断结果可自动地调整开关202的导通时间，以防止负载电压过高而造成电路损坏。因此，无论负载212发生短路或开路，直流电源转换电路20可根据辅助电容214输出的辅助电压Vcc，调整控制信号产生器26的工作状态，以适时改变开关202的导通频率，以保护直流电源转换电路20免于损坏。
总括来说，在已知技术中，已知直流电源转换电路是利用低效率的调压电路来提供工作电源给信号控制产生器，造成已知直流电源转换电路浪费电能。相对于已知技术，本发明是并联辅助电路于电感上，使开关导通或关闭时，辅助电路皆可提供稳定的辅助电源给控制信号产生器，以维持电路正常运作。并于负载发生短路或断路时，本发明可通过辅助电路提供的辅助电压，调整控制信号产生器的工作状态，以改变适时改变开关的导通频率，藉此预防电路因负载电流过高而损坏。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明权利要求范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。
Claims (12)
1.一种具有自身辅助电压源并具有负载开路及短路保护功能的直流电源转换电路，包含有：
直流电压源，耦接于接地端，用来提供直流电源；
驱动电路，包含有：
开关，具有第一端耦接于该直流电压源，第二端用来接收控制信号，以及第三端，该开关用来根据该第二端所接收的控制信号，导通或关闭该第一端至该第三端的连结；
第一电阻，具有第一端耦接于该开关的第三端，及第二端；
控制信号产生器，耦接于该第一电阻的第一端及第二端，用来感测该第一电阻的电压，以产生该控制信号；
第二电阻，具有第一端耦接于该直流电压源及该开关的第一端，及第二端耦接于该控制信号产生器；
二极管，具有第一端耦接于该第一电阻的第二端，及第二端耦接于该接地端；以及
电感，具有第一端耦接于该第一电阻的第二端，及第二端耦接于负载；以及
辅助电路，并联于该电感，包含有：
辅助电容，具有第一端耦接于该第一电阻的第二端，及第二端耦接于该第二电阻的第二端；以及
辅助二极管，具有第一端耦接于该辅助电容的第二端，及第二端耦接于该电感的第二端。
2.根据权利要求1所述的直流电源转换电路，其中控制信号产生器是脉宽调制器。
3.根据权利要求1所述的直流电源转换电路，其中还包含滤波电容，耦接于该二极管的第二端与该电感的第二端之间。
4.根据权利要求1所述的直流电源转换电路，其中该开关为金属氧化物半导体场效应晶体管。
5.根据权利要求4所述的直流电源转换电路，其中该开关的该第一端是漏极，该第二端是栅极，以及该第三端是源极。
6.根据权利要求1所述的直流电源转换电路，其中该开关为双极结型晶体管。
7.根据权利要求6所述的直流电源转换电路，其中该开关的该第一端是集电极，该第二端是基极，以及该第三端是发射极。
8.根据权利要求1所述的直流电源转换电路，其中该二极管的该第一端为n极，该第二端为p极。
9.根据权利要求1所述的直流电源转换电路，其中该辅助二极管的该第一端为n极，该第二端为p极。
10.根据权利要求1所述的直流电源转换电路，其中该二极管与该辅助二极管的顺向偏压相同。
11.根据权利要求1所述的直流电源转换电路，其中该第二电阻是高阻抗的电阻。
12.根据权利要求1所述的直流电源转换电路，其中该负载包含有至少一发光二极管。
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