CN101669271B - 自激振荡开关电路以及包括这种开关电路的驱动器电路 - Google Patents

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Abstract

自激振荡开关电路被配置为用于开关DC-DC变换器(开关模式电源(SMPS))。所述自激振荡开关电路包括：输入端子(Tin1，Tin2)，用于从电源(51)接收功率；输出端子(Tout1，Tout2)，用于将功率提供给负载。例如，所述负载可以是高功率LED。所述自激振荡开关电路还包括：功率开关半导体器件(Q1)，其具有控制端子；以及控制半导体器件(Q2)，其耦合到所述功率开关半导体器件。所述功率开关半导体器件被配置为：控制所述输入端子与所述输出端子之间的负载电流，并且所述控制半导体器件被配置为：将控制信号提供给所述功率开关半导体器件的控制端子，以用于控制所述功率开关半导体器件的切换。为了减少所述功率开关半导体器件中的功率损耗，增益半导体器件(Q4)耦合在所述功率开关半导体器件与所述控制半导体器件之间，以用于对控制信号进行放大。由于控制信号的放大，因此所述功率开关半导体器件的切换得以执行得更快，由此，在所述功率开关晶体管的基极-射极电压小于与此时的峰值电流对应的基极-射极电压的同时，减少了因流过所述功率开关半导体器件的负载电流而导致的功率耗散。

Description

自激振荡开关电路以及包括这种开关电路的驱动器电路
技术领域
本发明涉及一种用于开关DC-DC变换器的自激振荡开关电路。此外，本发明涉及一种用于对负载进行操作的驱动器电路，所述驱动器电路包括所述自激振荡开关电路。具体地说，所述驱动器电路被配置成驱动LED。
背景技术
在已知的包括LED或OLED的器件中，电子开关驱动器用于将合适的负载电流提供给(O)LED。这种器件可以是具有(O)LED背光的LCD显示器、汽车灯光组件(例如组合尾灯(RCL))或任何其它照明器件。这种电子开关驱动器通常优选地是低成本电路。
合适的低成本开关驱动器电路可以是已知的自激振荡驱动器电路。这种开关驱动器电路包括自激振荡开关电路。已知的自激振荡开关电路的缺点是有限的效率。具体地说，在负载电流流过功率开关晶体管的同时，功率开关晶体管逐渐地关断。因此，在关断的时段期间，功率在功率开关晶体管中有耗散。这种功率有所损失，导致了相对低的效率。此外，由于功率开关晶体管中的功率耗散，因此，为了防止损坏功率开关晶体管，仅可以施加有限的负载电流。
发明内容
本发明的目的在于提供一种低成本开关DC-DC变换器，用于驱动负载，所述负载具体地是LED。
以根据权利要求1的自激振荡开关电路以及根据权利要求11的负载驱动器电路来实现上述目的。
根据本发明，一种用于开关DC-DC变换器的自激振荡开关电路包括：输入端子，用于从电源接收功率；以及输出端子，用于将功率提供给负载。提供一种具有控制端子的功率开关半导体器件(例如晶体管)，其被配置为：控制在所述输入端子与所述输出端子之间流动的负载电流。此外，提供一种控制半导体器件，其耦合到所述功率开关半导体器件，用于将控制信号提供给所述功率开关半导体器件的控制端子，以用于控制所述功率开关半导体器件的切换。此外，提供一种增益半导体器件，其耦合在所述功率开关半导体器件与所述控制晶体管之间，用于对所述控制信号进行放大。
在上述现有技术中，通过逐渐增加所述控制半导体器件所提供的控制信号来引起所述功率开关半导体器件的逐渐关断过程。根据本发明，增益半导体器件耦合在所述控制器件与所述功率开关器件之间，以对所述控制信号进行放大。由于放大的控制信号，所述功率开关器件切换得更快，并且功率耗散较少。降低的功率耗散产生更高的功率效率，并且使得能够使用更高的负载电流，而不损坏功率开关器件。
所述半导体器件中的一个或多个可以是晶体管(具体地说是双极型晶体管或场效应晶体管(FET))或任何其它合适的半导体器件。
负载电流通过所述功率开关半导体器件从功率开关输入端子流动到功率开关输出端子。在实施例中，电容器耦合在所述功率开关输入端子与所述功率开关输出端子之间。结果，当所述控制半导体器件切换时，半导体器件上的电压和/或通过半导体器件的电流得以延迟。由此，因切换而导致的功率损耗进一步减少。
在实施例中，所述控制半导体器件是第一控制半导体器件，用于将所述功率开关半导体器件切换为非导通的。此外，在该实施例中，所述自激振荡开关电路包括：第二控制半导体器件，其耦合到所述功率开关半导体器件的控制端子，用于将所述功率开关半导体器件切换为导通的。脉宽调制PWM电路耦合在所述功率开关半导体器件与所述第二控制半导体器件之间。所述PWM电路包括PWM信号输入端子，用于接收PWM信号。将合适的PWM信号提供给所述PWM信号输入端子使得能够在PWM模式下驱动负载。因此，如果负载是照明器件(例如LED)，则该LED可以通过脉宽调制而调整明暗(dim)。这种实施例特别适合用于汽车组合尾灯。例如，可以对后灯和刹车灯进行组合。例如，如果LED用作后灯，则通过使用10％占空比的PWM信号，PWM模式可以用于获得减小的光输出。如果LED用作刹车灯，则占空比可以增加到高达例如100％，以产生最大的光输出。
在另一实施例中，所述PWM电路包括PWM电路电阻器与PWM电路电容器和PWM电路二极管的并联连接的串联连接，其中，所述PWM电路电容器被配置为：当所述功率开关半导体器件开始导通时，增加提供给所述第二控制半导体器件的控制信号。增加对于所述第二控制半导体器件的控制信号导致从所述第二控制半导体器件到所述功率开关半导体器件的增加的控制信号，并且因此，导致所述功率开关器件的更快切换。更快的切换导致更低的功率耗散以及更短的接通延迟(switch on delay)。
在实施例中，缓冲半导体器件耦合在所述PWM信号输入端子与所述电路的公共端子之间，并且PWM信号发生器耦合到所述缓冲半导体器件的控制端子。例如，所述缓冲半导体器件可以是晶体管。在该实施例中，所述缓冲器件允许使用内部PWM发生器或外部PWM发生器。
在另一实施例中，可控开关元件耦合在所述缓冲半导体器件的控制端子与所述公共端子之间。所述可控开关元件(例如晶体管)被配置为：当所述可控开关元件切换为导通时，将所述缓冲半导体器件切换为非导通的。因此，与PWM信号无关地将所述缓冲器件切换为非导通的，由此禁用PWM信号。
在实施例中，启动电路耦合在所述第二控制半导体器件的输入端子与控制端子之间。所述启动电路包括齐纳二极管，其耦合到公共端子以及所述输入端子，以在所述负载电流中将不存在DC偏移电流的方式提供启动电流。
本发明还提供一种用于对负载进行操作的负载驱动器电路。所述负载驱动器电路包括开关DC-DC变换器电路。所述开关DC-DC变换器包括根据本发明的自激振荡开关电路。在实施例中，所述开关DC-DC变换器选自包括降压变换器、升压变换器、降压-升压变换器和反激(flyback)变换器以及其它变换器拓扑的群组中。在实施例中，所述负载是发光二极管LED。
附图说明
下文中，参照附图阐述本发明，附图示出非限制实施例，并且其中，
图1示出现有技术自激振荡开关DC-DC变换器的电路图；
图2示出根据本发明的自激振荡开关DC-DC变换器的第一实施例的电路图；
图3示出根据本发明的自激振荡开关DC-DC变换器的第二实施例的电路图；
图4示出用于根据图3的开关DC-DC变换器的PWM发生器电路的实施例。
具体实施方式
在附图中，相同标号表示相同元件。图1示出开关DC-DC降压变换器10中所包括的现有技术自激振荡开关电路的电路图。该自激振荡开关电路包括第一输入端子Tin1和第二输入端子Tin2。DC电源PS1耦合到输入端子Tin1、Tin2，用于将DC电压提供给降压变换器10。Dc电源PS1可以是任何种类的DC电源，包括电池(组)。发光二极管LED耦合到降压变换器10的输出。降压变换器10还包括输出电感器L1、输出电容器C1和续流二极管D1。输出电容器C1并联耦合到LED。输出电感器L1与输出电容器C1和所述LED的所述并联电路串联耦合。续流二极管D1并联连接到所述串联连接，并且续流二极管D1连接在自激振荡开关电路的第一输出端子Tout1与第二输出端子Tout2之间。
所述自激振荡开关电路包括功率开关半导体器件，具体地说是双极型功率开关晶体管Q1。功率开关晶体管Q1的集电极连接到第一输出端子Tout1，并且功率开关晶体管Q1的射极经由感测电阻器R1耦合到第一输入端子Tin1，从而功率开关晶体管Q1被配置为：控制输入端子Tin1与输出端子Tout1之间的负载峰值电流。
所述自激振荡开关电路还包括第一控制半导体器件，具体地说是第一双极型控制晶体管Q2。功率开关晶体管Q1的基极端子(即控制端子)耦合到第一控制晶体管Q2的集电极。第一控制晶体管Q2的射极耦合到第一输入端子Tin1。第一控制晶体管Q2的基极端子耦合到功率开关晶体管Q1的射极。
所述自激振荡开关电路还包括第二控制半导体器件，具体地说是第二双极型控制晶体管Q3。第二控制晶体管Q3的集电极耦合到功率开关晶体管Q1的基极端子以及第一控制晶体管Q2的集电极。第二控制晶体管Q3的射极经由限流电阻器R3耦合到第二输入端子Tin2以及第二输出端子Tout2，第二输入端子Tin2和第二输出端子Tout2皆连接至地，并且因此充当电路的公共端子。第二控制晶体管Q3的基极端子(即其控制端子)经由启动电阻器R2连接到第一输入端子Tin1，并且连接到功率开关晶体管Q1的集电极，而且连接到第一输出端子Tout1。
在操作中，在启动时，电源PS1将DC供电电压提供给第一输入端子Tin1和第二输入端子Tin2。所提供的DC电压通过启动电阻器R2施加到第二控制晶体管Q3的基极端子。结果，第二控制晶体管Q3被切换为导通的。结果，生成集电极电流，并且功率开关晶体管Q1变为导通的。负载电流于是能够从第一输入端子Tin1通过感测电阻器R1、功率开关晶体管Q1和输出电感器L1流动到输出电容器C1和LED。由于电感器L1，负载电流逐渐地增加。
通过增加的负载电流，在感测电阻器R1上生成增加的电压。该增加的电压在第一控制晶体管Q2上产生增加的基极-射极电压。通过增加的基极-射极电压，第一控制晶体管Q2逐渐变为导通的，由此逐渐降低功率开关晶体管Q1的基极-射极电压。随着负载电流流过功率开关晶体管Q1，当功率开关晶体管Q1的基极-射极电压变得低于与此时的峰值电流对应的基极-射极电压时，功率在功率开关晶体管Q1中有耗散。最终，功率开关晶体管Q1变为非导通的，并且负载电流被阻挡。
同时，电感器L1维持其电流，并且电流开始流过LED和续流二极管D1。结果，负电压在续流二极管D1的阴极处生成，由此将第二控制晶体管Q3切换为非导通的。当电流变得太低并且续流二极管D1切换为非导通时，消除在第二控制晶体管Q3的基极端子处的负电压。随后，从第一输入端子Tin1提供的DC电压被施加在第二控制晶体管Q3的基极端子处，并且重复上述过程，因此提供了自激振荡。
如上所述，由于从第一控制晶体管Q2的集电极提供给功率开关晶体管Q1的基极端子的相对缓慢增加的控制信号，功率在功率开关晶体管Q1中有耗散。较快增加的控制信号将导致较快的切换，并且因此导致较少的功率耗散。较少的功率耗散将允许较高的负载电流。
根据图2所示的本发明实施例，增益半导体器件(具体地说是增益晶体管Q4)可以被提供以对由第一控制晶体管Q2施加到功率开关晶体管Q1的控制信号进行放大。增益晶体管Q4的集电极连接到第一控制晶体管Q2的基极端子，其基极端子连接到第一控制晶体管Q2的集电极，并且其射极连接到功率开关晶体管Q1的基极端子。注意，在另一实施例中，增益晶体管Q4的集电极可以连接到电源PS的正端子。在增益晶体管Q4的基极端子(并且由此第一控制晶体管Q2的集电极)与功率开关晶体管Q1的基极端子之间引入增益电阻器。此外，延迟电容器C2耦合在功率开关晶体管Q1的射极(功率开关输入端子)与功率开关晶体管Q1的集电极(功率开关输出端子)之间。除了上述添加的部件之外，图2所示的电路与图1所示的电路相同。
在操作中，图2的电路与图1电路相似地进行操作。然而，当感测电阻器R1上的电压已经变得高到足以使得第一控制晶体管Q2开始导通时，在第一控制晶体管Q2的集电极处输出的控制信号由增益晶体管Q4放大。因此，第一控制晶体管Q2输出的小控制信号快速变为由增益晶体管Q4输出的相对较大的控制信号。因此，由于快速增加的控制信号，功率开关晶体管Q1相对快速地切换到非导通状态。因此，在切换期间的功率耗散相对较低。
延迟电容器C2同样可操作为降低功率开关晶体管Q1中的功率耗散。具体地说，当功率开关晶体管Q1切换为导通时，延迟电容器C2将功率开关晶体管Q1的集电极和射极上的电压保持为相对较低。因此，由于电压低，因此功率耗散(等于电流乘以电压)较低。
参照图3，图1和图2中给出的电路可以被配置为使得能够用于脉宽调制(PWM)操作，以用于调整LED的明暗。因此，注意，PWM操作以及对应的电路改变也可以应用于图1的电路，由此省略如图2所介绍的附加电路部件。
在根据图3的电路中，PWM信号输入端子PWM-in耦合到第二控制晶体管Q3的基极端子。在PWM信号输入端子PWM-in与和功率开关晶体管Q1的集电极对应的第一输出端子Tout1之间，提供电阻器R5与二极管D3和前馈电容器C3的并联电路的串联连接。由于PWM信号输入端子PWM-in可以通过缓冲晶体管而耦合到公共端子，因此提供二极管D3，以防止来自功率开关晶体管Q1的负载电流可能通过PWM信号输入端子PWM-in而流到公共端子，下文中参照图4对此进行更详细的解释。
参照图3，在操作中，如结合图1所解释的那样，电路的正确操作需要续流二极管D1的阴极与第二控制晶体管Q3的基极端子之间的合适反馈耦合。由电阻器R5和前馈电容器C3来提供这种合适的耦合。具体地说，当功率开关晶体管Q1再次开始导通时，反馈电容器C3增加第二控制晶体管Q3的基极电流，而反馈电阻器R5限制所述基极电流，并且确保正确启动电路。
仍参照图3，启动电阻器现被实施为第一启动电阻器R2A和第二启动电阻器R2B的串联连接。在第一启动电阻器R2A与第二启动电阻器R2B之间的节点处，耦合有齐纳二极管D2。齐纳二极管D2进一步耦合至地(公共端子)。该启动电路在电源电压范围以及操作温度范围内将通过功率开关晶体管Q1的DC电流水平保持得相对较低。
图4示出已知的PWM信号发生器PWM-gen。PWM信号发生器PWM-gen适合于与图3所示的自激振荡开关电路结合而使用。然而，也可以采用其它PWM信号发生器。因此，在此省略PWM信号发生器PWM-gen的详细讨论。PWM信号发生器PWM-gen耦合到电源PS2，电源PS2可以是与图1-图3中给出的相同的电源(电源PS1)，或者可以是任何其它分离的合适电源PS2。
PWM信号发生器PWM-gen所产生的PWM信号被施加到缓冲半导体器件的控制端子，具体地说是缓冲晶体管Q11的基极端子。缓冲晶体管Q11的集电极可操作为PWM信号输出端子PWM-out，并且可以耦合到图3电路的PWM信号输入端子PWM-in。缓冲晶体管Q11的射极耦合至地(或公共端子)。
此外，可控开关元件，具体地说是双极型开关晶体管Q12，耦合在缓冲晶体管Q11的基极端子与地之间，从而当PWM中断信号施加到控制端子(即开关晶体管Q12的基极端子)时，缓冲晶体管Q11的基极端子连接至地，由此将缓冲晶体管切换为非导通的，从而禁用PWM信号。
现参照图3和图4，在PWM操作中，PWM信号发生器PWM-gen的输出被施加到缓冲晶体管Q11的基极端子。当缓冲晶体管Q11切换为导通时，自激振荡开关电路的PWM信号输入端子PWM-in连接至地(公共端子)。结果，第二控制晶体管Q3切换为非导通的，并且功率开关晶体管Q1也切换为非导通的。因此，自激振荡电路的振荡被中断。如果缓冲晶体管Q11切换为非导通的，则自激振荡开关电路如结合图1和图2所描述的那样而进行操作。
当PWM中断信号施加到开关晶体管Q12的基极端子时，缓冲晶体管Q11切换为非导通的，如上所述，并且因此，与PWM信号发生器PWM-gen的输出无关地中断PWM信号。这种PWM中断信号可以用于汽车应用中的组合尾灯(RCL)。例如，PWM信号发生器PWM-gen可以输出具有大约90％占空比的PWM信号，导致LED在大约10％的时间期间(反相电路)发光，其可以适合作为车辆后灯。当刹车时，可以通过中断PWM信号而使用该相同的LED，有效地导致100％的占空比，并且因此导致LED输出更高的光强度，这种LED适合作为刹车灯。
虽然在此公开了本发明详细实施例，但应理解，所公开的实施例仅仅是本发明的示例，本发明可以通过各种形成而得以实施。因此，在此公开的具体结构和功能细节不应解释为限制性的，而是仅仅作为权利要求书的基础，并且作为教导本领域技术人员通过以实际上任何适当详细的结构来多样地采用本发明的代表性基础。
此外，在此所使用的术语和短语不打算是限制的；相反，目的在于提供本发明的可理解的描述。在此使用的术语“一”定义为“一个”或“多于一个”。在此使用的术语“另一”定义为至少第二个或更多。在此使用的术语包括和/或具有定义为包含(即，开放式语言)。在此使用的术语耦合定义为连接，但不一定是直接连接，也不一定通过导线连接。

Claims (12)

1.用于开关DC-DC变换器中的自激振荡开关电路，所述自激振荡开关电路包括：
-输入端子，用于从电源接收功率；
-输出端子，用于将功率提供给负载；
-功率开关半导体器件，其具有控制端子，所述功率开关半导体器件被配置为控制所述输入端子与所述输出端子之间的负载电流；
-控制半导体器件，其耦合到所述功率开关半导体器件，用于将控制信号提供给所述功率开关半导体器件的控制端子，以用于控制所述功率开关半导体器件的切换；
-增益半导体器件，其耦合在所述功率开关半导体器件与所述控制半导体器件之间，以用于对所述控制信号进行放大；
-其中所述控制半导体器件是第一控制半导体器件，用于将所述功率开关半导体器件切换为非导通的；
-所述自激振荡开关电路还包括第二控制半导体器件，其耦合到所述功率开关半导体器件的控制端子，用于将所述功率开关半导体器件切换为导通的；
-脉宽调制PWM电路耦合在所述功率开关半导体器件与所述第二控制半导体器件之间，所述脉宽调制PWM电路包括PWM信号输入端子，用于接收PWM信号。
2.根据权利要求1的自激振荡开关电路，其中所述功率开关半导体器件、所述控制半导体器件和所述增益半导体器件中的至少一个是晶体管。
3.根据权利要求2的自激振荡开关电路，其中所述功率开关半导体器件、所述控制半导体器件和所述增益半导体器件中的该至少一个是双极型晶体管。
4.根据权利要求2的自激振荡开关电路，其中所述功率开关半导体器件、所述控制半导体器件和所述增益半导体器件中的该至少一个是场效应晶体管FET。
5.根据权利要求1的自激振荡开关电路，其中所述负载电流通过所述功率开关半导体器件从功率开关输入端子流到功率开关输出端子，并且其中在所述功率开关输入端子与所述功率开关输出端子之间耦合电容器。
6.根据权利要求1的自激振荡开关电路，其中所述PWM电路包括PWM电路电阻器与PWM电路电容器和PWM电路二极管的并联连接的串联连接，其中所述PWM电路电容器被配置为：当所述功率开关半导体器件开始导通时，增加提供给所述第二控制半导体器件的控制信号。
7.根据权利要求1的自激振荡开关电路，其中PWM信号发生器耦合到缓冲半导体器件的控制端子，所述缓冲半导体器件耦合在所述PWM信号输入端子与公共端子之间。
8.根据权利要求7的自激振荡开关电路，其中可控开关元件耦合在所述缓冲半导体器件的控制端子与所述公共端子之间，从而当所述可控开关元件切换为导通时，所述缓冲半导体器件切换为非导通的，以禁用PWM信号。
9.根据权利要求1的自激振荡开关电路，其中启动电路耦合在所述输入端子与所述第二控制半导体器件的控制端子之间，所述启动电路包括齐纳二极管并且耦合到所述第二控制半导体器件。
10.用于对负载进行操作的负载驱动器电路，所述负载驱动器电路包括开关DC-DC变换器，所述开关DC-DC变换器包括根据权利要求1的自激振荡开关电路。
11.根据权利要求10的负载驱动器电路，其中所述开关DC-DC变换器选自包括降压变换器、升压变换器、降压-升压变换器和反激变换器的群组。
12.根据权利要求10的负载驱动器电路，其中所述负载是发光二极管LED。
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