CN101657056A - 用于驱动至少一个半导体光源的电路装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于驱动至少一个半导体光源的电路装置，该电路装置具有：用于输入输入电压的输入端，用于将输出电压输出给所述半导体光源的输出端，其中电路装置的主电流路径在两个输入端子之间并且包括第一二极管或发光二极管与所述至少一个半导体光源的反并联电路、电感器和开关的串联电路，其中与所述至少一个半导体光源并联设置有第一存储电容器，并且与该并联电路串联设置有第二二极管。

Description

用于驱动至少一个半导体光源的电路装置
技术领域
本发明涉及一种用于驱动至少一个半导体光源的电路装置，该电路装置具有输入输入电压的输入端、用于将输出电压输出给半导体光源的输出端，其中输入电压大于输出电压。
背景技术
本发明基于根据主权利要求的类型的用于驱动至少一个半导体光源的电路装置。
在EP 0 948 241 A2中公开了一种用于驱动发光二极管的电路装置，该电路装置具有用于输入输入电压的输入端和用于输出至发光二极管的输出端。在那里所公开的电路中，串联连接的LED(发光二极管)与电感线圈N1串联，该电感线圈又与开关K1串联并且与电压供给相连。在达到预给定的上阈值、即达到预给定的开关电流时开关K1被打开。该工作方式对于本领域技术人员而言作为基于分路R2的信号的电流模式控制(current-mode-control)而公知。在接着的去磁化阶段中，电感线圈电流通过与发光二极管和电感线圈反并联连接的二极管D1释放。如果无载电流(Freilaufstrom)达到预给定的下阈值，则开关K1又闭合并且对电感线圈进行重新充磁。对于所描述的功能的前提条件是，输入电压Uin始终大于发光二极管的正向电压。
在EP 0 948 241 A2中，电感线圈N1实施为变压器(Trafo)的绕组，使得借助绕组N2以及D2和C2可以实现辅助电压供给。通过R1直接由输入电压Uin进行电路起动。辅助绕组N2具有另一任务：通过该辅助绕组借助电路部分C对无载电流进行间接测量，该电路部分提供控制信号用于再次接通开关K1。如果电感线圈去磁化，则在线圈N2上的电压跃变，这被电路部分C检测到。变压器可以实施为三绕组变压器，其中第三绕组N3与电路部分B一起实现了与二极管D1的附加同步的整流。
然而，该电路装置具有的大的缺点是：开关K1通常被硬切换，即没有进行ZVS(零电压切换)，在ZVS的情况下电路被驱动为使得相应的开关始终在开关上的电压基本上为零时才被切换。在根据EP 0 948 241 A2的电路装置中，情况并非如此；尤其是在无间隙的、即恒定的电流流过发光二极管的的情况下，二极管D1的反向恢复效应导致电路效率的明显降低，这尤其在(对小型化所需的)提高的切换频率的情况下导致由于提高的开关损耗而引起降低的效率。
在Unitrode公司于1990年出版的研讨会手册“Switching RegulatedPower Supply Design”中的论文“Zero Voltage Switching Resonant PowerConversion”中公开了一种根据图2的电路装置，该电路装置具有用于输入输入电压的输入端和用于将输出电压输出给负载的输出端。该电路装置以ZVS工作，因此使开关损耗最小化。如果一个或者多个串联连接的发光二极管连接到该电路装置，则这些发光二极管受制于原理而以脉冲方式驱动，因为负载被施加有脉冲化的直流电压，并且与该论文的图2中的图示不同，负载并不近似于电流源(在该论文中称做Iout)。在一个半波中发光二极管导通，在另一半波中二极管D0导通。而脉冲工作方式对于发光二极管的良好的效率而言并非最优。光输出的光学状态图会在脉冲工作中受到影响。
任务
本发明的任务是提出一种用于驱动至少一个半导体光源的电路装置，其具有用于输入输入电压的输入端和用于将输出电压输出给半导体光源的输出端，其中电路装置由于发光二极管的连续工作方式而具有更好的效率。
发明内容
根据本发明，该任务的解决借助用于驱动至少一个半导体光源的电路装置来实现，其中该电路装置具有用于输入输入电压的输入端、用于将输出电压输出给半导体光源的输出端，其中该电路装置的主电流路径在两个输入端子之间，并且包括第一二极管与至少一个半导体光源的反并联电路、电感器和开关的串联电路，其中与所述至少一个半导体光源并联设置有第一存储电容器，并且与该并联电路串联设置有第二二极管。
在一个优选的实施形式中，与开关并联设置有谐振电容器，该谐振电容器的电容大于开关的有效地起作用的寄生电容。
如下电容可视为开关的有效地起作用的寄生电容：该电容在标称输入电压和被阻塞的开关的情况下由开关的小信号电容产生。在例如MOSFET的情况下，这是输出电容，该输出电容在栅极-源极电压为0V时产生，并且在数据页中通常用Coss表示。
该电路特别适于如下配置：其中输入电压大于输出电压。为了特别良好地利用根据本发明的电路装置的优点，优选以高的频率来对开关(Q1)进行时钟控制以驱动所述至少一个半导体光源(D1)。
开关的时钟频率在此可以大于80kHz，特别优选是大于500kHz。这在没有显著增大损耗功率的情况下是可能的，因为该开关以ZVS模式被驱动。在该驱动方式的情况下晶体管始终在电压基本上为零的情况下接通或者关断。该开关在此优选体以恒定的关断时间和可变的接通时间来驱动。
开关的高时钟频率由于优选存在的措施而导致降低在二极管上的最大电压变化速度、所谓的软切换，而并不导致在二极管中的显著的开关损耗，如在高切换频率的情况下所期待的那样。
如果多个半导体光源由该电路装置驱动，则这些半导体光源优选串联连接。
为了防止在电压供给中的干扰电流并且为了改进电磁兼容性，优选与主电流路径并联设置有第二存储电容器。为了能够测量电路装置的能量转换，优选与主电流路径串联设置有电流测量电阻。电流测量电阻的一极在此优选连接到地，而测量电阻的另一极连接到第一存储电容器的一极和开关的一极上。
所述至少一个半导体光源在第一优选的实施形式中以时钟控制的方式被驱动。在根据本发明的第二优选的实施形式中，与所述至少一个半导体光源并联设置有第一存储电容器，而与该并联电路串联有第二二极管。电路装置的该扩展有利地实现了连续地驱动所述至少一个半导体光源。输出给所述至少一个半导体光源的功率在此优选通过频率来调节。通过该措施，对功率调节所需的控制电路变得简单且紧凑。在此特别优选的是，输出给所述至少一个半导体光源的功率在较低的频率下更高而在较大的频率下更低。
根据本发明的电路装置的其他有利的改进方案和扩展方案由其他从属权利要求和以下说明中得到。
附图说明
参照以下对实施例的说明以及参照附图得到了本发明的其他优点、特征和细节，在这些附图中相同或者功能相同的元件设置有相同的参考标记。其中：
图1a-1d示出了在观察不同的工作阶段的情况下根据本发明的在第一实施形式中的电路装置的简化的电路图。
图2示出了图1的电路装置中的一些信号。
图3示出了根据本发明的在第二实施形式中的电路装置的简化的电路图。
图4示出了图3的电路装置中的一些信号。
具体实施方式
第一实施形式
以下，参照图1a-1d和图2阐述根据本发明的电路装置的工作方式。电路装置的连续工作可以划分成四个阶段。电路装置中在不同阶段中的电流流动分别用箭头表示。
根据本发明的电路装置的主电流路径包括二极管与至少一个发光二极管的反并联电路、电感器L、功率MOS场效应晶体管Q1和电流测量电阻RShunt的串联电路。然而与二极管反并联的支路也可以由多个发光二极管的串联电路构成，如在图1a右边所示。与二极管与至少一个发光二极管的反并联电路、电感器L和晶体管Q1构成的串联电路并联设置有存储电容器C2。与开关Q1并联有谐振电容器C1。该主电流路径连接到输入电压Vin上。
在图1a中所示的第一阶段a中，开关Q1闭合。电流从存储电容器C2流经所述至少一个发光二极管D1和电感器L。在输入电压Vin大于所述至少一个发光二极管D1的正向电压之后，在电感器L上的相应电压差下降。在电感器L上的电压UL与电流的升高相对应。如在图2中可看到的那样，在根据第一实施例的设计中，通过晶体管的电流IQ1C和在发光二极管上的电压UD1升高。在该阶段的结尾，晶体管Q1被关断，如从栅极电压UQ1G上可看出的那样。
在图1b中所示的阶段b中，通过电感器L的电流和在存储电容器C2上的电压进一步被驱动并且对谐振电容器C1充电。在谐振电容器上的电压UC1升高。发光二极管再次被进一步驱动，而在发光二极管上的电压UD1下降。通过电感器L的电流现在下降，然而朝着正方向继续流动直至存储在L中的所有能量被输送给C1和D1。在某个时候，通过电感器L的电流变为零。而在此时刻(在正确设计的前提下)谐振电容器C1具有比充电到输入电压Vin的存储电容器C2上的电压更高的电压，并且二极管D2开始导通。
出现“回转(Umschwingen)”并且工作过渡到图1c中所示的阶段c中：谐振电容器C1现在驱动通过二极管D2、电感器L和存储电容器C2的电流。由此在谐振电容器C1上的电压下降。通过电感器L的电流现在朝着与前面相反的方向流动。通过电感器L的电流升高，直至谐振电容器C1和存储电容器C2的电压等大。从此刻起，通过电感器L的电流减小，因为现在电感器L使谐振电容器C1放电到输入电压之下。谐振电容器C1的电压进一步下降，更确切地说直至其变为零并且随后变负。然而，电容器电压并未显著地变负，因为现在在图1d所示的阶段d中晶体管Q1的体二极管(Body-diode)开始导通。只要在电感器L中还存储有能量，则该体二极管就导通并且能量从电容器L转移到存储电容器C2中。在此过程期间，可以又接通晶体管。栅极的激励实现通过晶体管的通道IQ1C部分或者(如图2中所示)完全承担体二极管的电流IQ1R并且最后以阶段a重新开始到目前为止所描述的过程。
该工作方式保证了所谓的ZVS工作(零电压切换)，其中晶体管始终在基本为零的电压的情况下接通或关断。直接在接通晶体管Q1之前，该晶体管的体二极管(或与晶体管反并联的二极管，其尤其是在使用双极性晶体管的情况下必然是必需的)导通，使得在晶体管上近似没有电压。在关断时，在晶体管上同样近似没有电压，因为谐振电容器C1还在放电并且C1上或在晶体管Q1上的电压才由于线圈电流而缓慢地升高。在(足够快速的)切换过程期间，在开关晶体管上的电压还良好近似地为零。由于不仅在晶体管Q1接通时而且在晶体管Q1关断时在该晶体管上都没有电压，所以也没有形成开关损耗。在Q1中的理论上的损耗功率计算为：PQ1，损耗＝UQ1＊IQ1。因此对于ZVS，必然需要与晶体管Q1并联的谐振电容器C1和与晶体管Q1串联的电感线圈L。
为了提高该电路的效率，二极管D2可以通过用于同步整流的装置来补充。这样，例如二极管D2可以由带有相应激励电路的晶体管例如MOSFET来替代。可替选地，二极管D2可以由至少两个发光二极管的串联电路替代。
与现有技术不同，对所述至少一个发光二极管D1中所转换的功率或流经负载的平均电流的调节在发光二极管驱动器的情况下可以并不通过脉宽调制来进行，因为否则不能保证在ZVS工作下的切换。替代地，作为图2和图4中的时间区域b至d之和而得到的开关的关断持续时间Toff保持恒定，而对应于时间区域a的接通持续时间变化。该调节具有作为调节量的转换器频率。过小的负载电流、即在测量电阻RShunt上过小的电压降导致频率的降低，反之过高的负载电流引起频率的升高。与其他软切换的转换器方案相比，在该方案中如下情况可称为是特别有利的：关断持续时间Toff相对地与负载的大小无关，因为仅仅在时间区域b中出现该负载特性。这能够实现激励电路的特别简单的结构。
如果需要对发光二极管电流的精确调节，则可以测量通过所述至少一个发光二极管D1的电流，并且通过调节使转换器频率相应变化。电流测量信号例如可以通过与发光二极管串联的分路来检测(未示出)。该测量信号被低通滤波并且作为实际量输送给调节装置。
如果要将恒定的功率提供给所述至少一个发光二极管D1，则还可以测量发光二极管的电压。发光二极管电流和发光二极管电压或对应的未被低通滤波的测量信号的乘积提供了瞬时功率，该瞬时功率以低通滤波的方式被作为实际量输送给调节装置。
特别要强调的是，该电路也会在没有存储电容器C2的情况下起作用。然而，对于ZVS一定需要的摆动的能量通过测量电阻RShunt从设备的来自电压源Vin的馈电线中获取并且又回馈到该电压源。这会对电磁兼容性有不利影响，也不利地影响发光二极管驱动器的效率。通过根据图1特别地将存储电容器C2与由D1、L和Q1构成的串联电路并联设置，存储电容器C2吸收纹波电流。此外，在电路的输入端上使用EMV滤波器例如低通滤波器是可能的。该EMV滤波器为该电路供给恒定的电流。此外，存储电容器C2的这种布置具有如下优点：纹波电流并不流过测量电阻RShunt，并且因此可以省去测量电阻RShunt的测量信号的低通滤波。测量信号可以直接用于调节负载功率或者平均的发光二极管电流。此外，由于在测量电阻RShunt中的脉冲电流而形成的损耗下降。
将测量电阻RShunt上的电压用作测量量用于调节是特别有利的，因为该信号(如上面已提及的那样)不具有高频纹波并且还与地关联。由此电路开销更低，因为不需要“高侧测量(High-Side Messung)”。
负载(即所述至少一个发光二极管)在该第一实施形式中以脉冲直流电流来驱动。反并联连接的二极管D2在此使得负载电流从不反转。
在一个优选的、在附图中未示出的实施形式中，为了降低反并联连接的(开关)二极管D2上的电压的最大电压变化速度而与二极管D2并联有电容器。该附加的电容器(以下也称作放电电容器)导致在二极管D2上出现的最大dU/dt的降低，并且由此减少了在二极管D2中出现的开关损耗。这特别是在将由硅构成的PiN二极管或PN二极管用作二极管D2的情况下是有利的。放电电容器还可以实现在所述至少一个发光二极管中可能出现的开关损耗的降低。该放电电容器应具有足够大的值，以便能够实现显著地降低最大的电压变化速度。另一方面，放电电容器不应设计得过大，因为要不然对开关Q1的要求就显著增加。后者尤其是涉及Q1的所需的开关阻塞电压以及所需的开关电流，这会导致一般更为成本高昂的开关Q1。一个良好的折衷是选择在电容器C1的电容值的百分之一到五十倍之间的范围中的放电电容器，而优选在电容器C1的电容值的二十分之一到两倍之间的范围中进行选择。
第二实施形式
图3示出了根据本发明的电路装置的第二实施形式。该电路装置具有的优点是，现在近似恒定的电流流经所述至少一个发光二极管，如在图4中所示的那样。尤其是当所述至少一个发光二极管要与其余的电路远离地驱动时，在第二实施形式中可以保证简单地保持该电路的电磁电容性。近似恒定的发光二极管电流通过借助第二存储电容器C3的附加的平滑而变得可能。当然现在可以不再利用所述至少一个发光二极管的整流特性，并且需要附加的二极管D3。根据图3的电路是带有ZVS的直流电压转换器，该转换器在原理上可以用于任意的直流电压负载。尤其是当附加的存储电容器C3位于其余电路附近时，能够容易地保证简单地保持电路的电磁兼容性。
在下表中说明了针对第一和第二实施形式的器件设计。实施例#1和#2是第一实施形式针对不同输出功率的不同设计。实施例#3和#4是针对第二实施形式的设计。这些实施例是针对五个串联的大功率发光二极管(例如OSRAM Opto Semiconductors公司的Dragon发光二极管)而设计的。
Figure G2009101713058D00081
输入电压分别相等。根据不同的工作频率、器件设计以及通过占空因数D得到不同的功率。在给定的器件设计的情况下，功率可以通过在某个范围中改变频率而被调节，其中有利的是，占空因数D可被选择为使得出现开关Q1的ZVS运行。
在另外四个实施例#1a至#4a中，并不是将Schottky二极管而是将硅-PiN二极管用于二极管D2。然而所有其余设计与用于根据上表的实施例#1至#4的设计相一致。为了降低二极管D2的最大电压变化速度，具有电容器C1的电容值的十分之一(因此具有100pF，30pF，100pF或1nF)的放电电容器分别与二极管D2并联。在实施例#3a和#4a中，这同时导致同样有利地降低了二极管D3的最大电压变化速度。
在其中要求恒定的输出电压的直流电压转换器应用的情况下，该调节使第二存储电容器C3的电压与预给定的额定值的偏差最小。然而也可以使其最小。然而也可以测量通过所述至少一个发光二极管D1的电流，并相应地对其进行调节。
代替调节实际的发光二极管功率，在许多应用中可以调节发光二极管驱动器的输入功率。于是，例如对输入电压Vin和输入电流(例如通过测量电阻RShunt的电流)进行测量并且由此确定输入功率是足够的，以便必要时在考虑到转换器效率的情况下足够精确地调节发光二极管功率。由于并不需要在发光二极管上进行直接测量，所以这实现了成本特别低廉的驱动器。此外，如果允许以近似恒定的输入电压Vin为出发点，则也可以省去对输入电压的测量。如果与例如输入电压Uin和温度相关的驱动器的效率已知，则其可以存储在相应的表中例如存储在微控制器中的相应表中。于是这些影响量可以被微控制器“计算出”。调节的额定值因此与影响量有关并且由此与电路装置的当前效率有关地被相应适配。所描述的方式通常完全不需要额外的硬件开销，因为这些影响量本来也被微控制器检测：由于欠压保护和过压保护本来也检测输入电压Uin。发光二极管的温度情况也如此，因为由于在过热时“降级”、即降低发光二极管功率或发光二极管电流而本来也要对其进行检测。

Claims (13)

1.一种用于驱动至少一个半导体光源(D1)的电路装置，具有：用于输入输入电压的输入端，用于将输出电压输出给所述半导体光源(D1)的输出端，其中电路装置的主电流路径在两个输入端子之间并且包括第一二极管(D1)或半导体光源与所述至少一个半导体光源(D1)的反并联电路、电感器(L)和开关(Q1)的串联电路，其特征在于，与所述至少一个半导体光源(D1)并联设置有第一存储电容器(C3)，并且与该并联电路串联设置有第二二极管(D3)。
2.根据权利要求1所述的电路装置，其特征在于，与开关(Q1)并联地设置有谐振电容器(C1)，该谐振电容器的电容大于开关(Q1)的有效地起作用的寄生电容。
3.根据权利要求1或2所述的电路装置，其特征在于，输入电压大于输出电压，并且该电路装置以高频来时钟控制开关(Q1)以驱动所述至少一个半导体光源(D1)。
4.根据权利要求3所述的电路装置，其特征在于，开关(Q1)的时钟频率大于80kHz，尤其是大于500kHz。
5.根据上述权利要求中任一项所述的电路装置，其特征在于，在多个半导体光源(D1)的情况下，这些半导体光源串联连接。
6.根据上述权利要求中任一项所述的电路装置，其特征在于，与主电流路径并联设置有第二存储电容器(C2)。
7.根据上述权利要求中任一项所述的电路装置，其特征在于，附加地与主电流路径串联设置有电流测量电阻(RShunt)。
8.根据权利要求7所述的电路装置，其特征在于，电流测量电阻(RShunt)的一极连接到地，并且电流测量电阻(RShunt)的另一极连接到第一存储电容器(C2)的一极和连接到开关(Q1)的一极。
9.根据上述权利要求中任一项所述的电路装置，其特征在于，该电路装置以零电压切换模式驱动开关(Q1)。
10.根据权利要求9所述的电路装置，其特征在于，该电路装置以恒定的关断时间和可变的接通时间来驱动开关(Q1)。
11.根据上述权利要求中任一项所述的电路装置，其特征在于，设置有放电电容器。
12.根据上述权利要求中任一项所述的电路装置，其特征在于，该电路装置被构建为通过频率调节输送给所述至少一个半导体光源(D1)的功率。
13.根据权利要求12所述的电路装置，其特征在于，输送给所述至少一个半导体光源(D1)的功率在较小的频率下较高而在较大的频率下较低。
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