CN101919146A - 为至少一个发光二极管提供电流的降压转换器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于为至少一个发光二极管提供电流的降压转换器，该降压转换器具有：Buck二极管(D2)、Buck电感线圈(TR1，w1)和Buck主开关(Q1)，其中Buck二极管(D2)和Buck主开关(Q1)串联地耦合在第一输入端子(E1)和第二输入端子(E2)之间，其中在Buck二极管(D2)和Buck主开关(Q1)之间的连接点(VP1)与第二输出端子(A2)耦合；其中Buck电感线圈(TR1，w1)的第一端子与第一输入端子(E1)耦合，Buck电感线圈(TR1，w1)的第二端子与第一输出端子(A1)耦合；其中降压转换器还包括：与Buck电感线圈耦合的第一辅助绕组(TR1，w3)，其具有第二端子并且与Buck主开关(Q1)的控制电极耦合，其中第一辅助绕组(TR1，w3)与Buck电感线圈(TR1，w1)耦合，使得在电流经过Buck主开关(Q1)的情况下通过第一辅助绕组(TR1，w3)将电流提供给Buck主开关(Q1)的控制电极。

Description

为至少一个发光二极管提供电流的降压转换器
技术领域
本发明涉及一种用于为至少一个发光二极管提供电流的降压转换器(Buck-Konverter)，该降压转换器具有：带有第一输入端子和第二输入端子的输入端，用于连接直流电源；带有第一输出端子和第二输出端子的输出端，用于连接至少一个发光二极管；以及Buck二极管、Buck电感线圈和Buck主开关，该Buck主开关具有控制电极、工作电极和参考电极。
背景技术
随着LED进入一般照明的广泛领域中，对于该器件的简单并且成本低廉的供电电路形成了巨大的需求。一种针对电网应用的用于驱动LED的已知的转换器电路是所谓的反向变换器(Sperrwandler)，对其也常用名称反激变换器(Flyback)。此外，同时有多种尤其是集成的电路用于降压转换器或者升压转换器，例如Micronix公司的控制IC MXHV9910。这些实现中的缺点是：它们都需要相当显著的开销，并且规定使用昂贵的器件。这样，反向变换器的开关在欧洲电网电压的情况下必须具有至少700V的耐压强度。对于使用在批量生产中，由此产生的成本通常超过预先给定的预算。
发明内容
因此，本发明的任务是，改进开头提及的降压转换器，使得其可以成本极为低廉地实现。
该任务通过具有权利要求1所述的特征的降压转换器来解决。
本发明所基于的认识是：成本非常低廉的双极性晶体管，如其例如是视频领域中已知的类型MPSA42，在这些晶体管的情况下对于功率LED所需的电流一方面仅仅具有小的电流放大，而另一方面必须在限定的时刻关断，由此限定的电流同样适于LED。
现在本发明进一步基于的是：为了降低开关的负荷，将Buck二极管和Buck主开关串联地耦合在第一输入端子和第二输入端子之间，其中在Buck二极管和Buck主开关之间的连接点与第二输出端子耦合。Buck电感线圈的第一端子与第一输入端子耦合，并且Buck电感线圈的第二端子与第一输出端子耦合。在对功率LED的驱动所需的电流的范围中较小的电流放大的问题根据本发明如下解决：采取措施，以便为Buck主开关提供足够的基极电流。为此，降压转换器还包括与Buck电感线圈耦合的第一辅助绕组，其具有第一端子，该第一端子与第二输入端子耦合；以及第一辅助绕组具有第二端子，该第二端子与Buck主开关的控制电极耦合，其中第一辅助绕组与Buck电感线圈耦合，使得在电流经过Buck主开关的情况下通过第一辅助绕组将电流提供给Buck主开关的控制电极。
这些措施能够实现降压转换器的极其简单且成本低廉的构造。此外，它们能够实现在临界导电模式中的运行，其中实际上仅仅出现Buck主开关的关断损耗。
在一个优选的实施形式中，降压转换器还包括电流测量电阻，其与Buck主开关串联地、尤其是在由Buck二极管和Buck主开关限定的连接点与第二输入端子之间耦合，以及该降压转换器包括第一辅助开关，用于关断Buck主开关，其中第一辅助开关具有控制电极、工作电极和参考电极，其中第一辅助开关的参考电极与第二输入端子耦合，并且其中第一辅助开关的控制电极与电流测量电阻耦合。通过该布置，在达到可预先给定的经过Buck主开关的最大电流的情况下在电流测量电阻上产生电压，该电压导致接通第一辅助开关，其中接通第一辅助开关关断Buck主开关。
优选的是，降压转换器还包括时间环节，该时间环节耦合在电流测量电阻和第一辅助开关的控制电极之间。由此可以保证的是，虽然在第一辅助开关的控制电极上提供的电流由于Buck主开关关断而已经降低，第一辅助开关仍然保持接通。优选的时间常数例如在0.2μs到10μs之间的量级，优选为1μs。
此外，优选的是，在第一辅助绕组的第二端子和Buck主开关的控制电极之间耦合有第一欧姆电阻。此外，优选的是，在此在第一欧姆电阻和Buck主开关的控制电极之间的连接点通过第二欧姆电阻与第二输入端子耦合。由此，Buck主开关的控制端以较低阻值方式锁闭，并且由此对于耦合输入的干扰不敏感。
此外，优选的是，Buck主开关的控制电极与第一辅助开关的工作电极耦合。
在一个优选的改进方案中，可以设计的是，降压转换器还包括第二辅助开关，用于启动降压转换器，其中第二辅助开关具有控制电极、工作电极和参考电极，其中第二辅助开关的参考电极与第一输入端子耦合，其中第二辅助开关的控制电极通过欧姆电阻与第二输入端子耦合。通过该措施，保证了一旦直流电源连接在第一输入端子和第二输入端子之间，则第二辅助开关接通。
优选的是，第二辅助开关的工作电极通过欧姆电阻与第一辅助开关的工作电极耦合。一旦第二辅助开关接通，则通过该欧姆电阻将电流提供给Buck主开关的控制电极，使得该Buck主开关同样接通。相应地，通过第一辅助绕组产生的电流以及通过接通的第二辅助开关流动的电流流入到Buck主开关的控制电极中。
优选的是，降压转换器还包括与Buck电感线圈耦合的第二辅助绕组，其具有第一端子，该第一端子与第一输入端子耦合，以及该第二辅助绕组具有第二端子，该第二端子与第二辅助开关的控制电极耦合。优选的是，在此在第二辅助绕组的第二端子和第二辅助开关的控制电极之间耦合有欧姆电阻，优选耦合有欧姆电阻和二极管的串联电路。在此，第二辅助绕组尤其是与Buck电感线圈耦合，使得在Buck主开关的截止阶段期间或者在Buck电感线圈的去磁化阶段期间将电流提供给第二辅助开关的控制电极，从而使得第二辅助开关截止。由此，可以防止通过如下欧姆电阻的电流：该欧姆电阻将第二辅助开关的工作电极与第一辅助开关的工作电极耦合，使得在该欧姆电阻中仅仅在Buck主开关的短暂的接通阶段中产生损耗功率，并且该欧姆电阻在Buck主开关的长的关断阶段中几乎无损耗地工作。
为了降低提供给所述至少一个LED的电流的波纹(Rippel)，此外优选的是在第一输入端子和第二输出端子之间耦合有至少一个电容器。
其他优选的实施形式由从属权利要求中得到。
附图说明
在下面现在参照附图进一步描述根据本发明的降压转换器的实施例。其中：
图1示出了根据本发明的降压转换器的实施例的示意图；
图2以第一时间分辨率示出了在Buck主开关上的集电极-发射极电压的时间变化曲线以及提供给所述至少一个LED的电流ILED的时间变化曲线；以及
图3以第二时间分辨率示出了在Buck主开关上的集电极-发射极电压的时间变化曲线以及提供给所述至少一个LED的电流ILED的时间变化曲线。
具体实施方式
图1在示意图中示出了根据本发明的降压转换器的一个实施例。该降压转换器具有第一输入端子E1和第二输入端子E2，它们通过整流器GL1与电网端子L、N相连。设置在电网端子L和整流器GL1之间的电感L1用于限制接通电流和去除无线电干扰。为了缓冲被整流的电网电压设置了电容器C9。在输入端子E1和E2之间通常耦合有Buck二极管D2和Buck主开关Q1的串联电路。Buck电感线圈耦合在第一输入端子E1和第一输出端子A1之间，其中在此Buck电感线圈实施为变压器TR1的第一绕组w1，该变压器还具有第一辅助绕组w2和第二辅助绕组w3。在Buck二极管D2和Buck主开关Q1之间设置的连接点VP1与降压转换器的第二输出端子A2耦合。在输出端子A1、A2之间耦合有两个电容器C2、C3。
在Buck主开关Q1的发射极和第二输入端子E2之间设置有欧姆电阻R6作为分流器。在该电阻R6上降落的电压通过包括欧姆电阻R3以及电容器C1的时间环节经欧姆电阻R4引导至第一辅助开关Q3的基极，因为通过Buck主开关Q1的电流在Buck主开关Q1关断之后在大约200ns到300ns内下降到零。与将电阻R6上降落的电压直接耦合(即没有时间环节的中间电路)到第一辅助开关Q3的基极的情况相比，通过该时间环节可以保证的是：保持第一辅助开关Q3更长地接通。
Buck主开关Q1的控制电极首先通过电阻R1与辅助绕组w3耦合，其次与辅助开关Q3的工作电极耦合。其三，Buck主开关Q1的控制电极还通过欧姆电阻R2与第二输入端子E2耦合。另一辅助开关Q2以其参考电极与第一输入端子E1耦合，并且以其工作电极通过欧姆电阻R8与辅助开关Q3的工作电极耦合。辅助开关Q2的控制电极一方面通过欧姆电阻R5与第二输入端子E2耦合，另一方面通过二极管D1和欧姆电阻R7的串联电路与辅助绕组w2耦合。二极管D1在此在过低的电网电压情况下用作启动二极管，即开关Q2从160V至170V的电网电压开始才接通。
辅助绕组w3与绕组w1同方向缠绕，而绕组w2的绕线方向与绕组w1的绕线方向相反。
对于如下工作方式：在施加电网电压之后电流流过输入端子E2、辅助绕组w2、欧姆电阻R7、二极管D1和欧姆电阻R5并且导致接通辅助晶体管Q2。由此，将基极电流提供给Buck主开关Q1的基极，这导致接通Buck主开关Q1。在此，通过合适地设计变压器TR1、尤其是适当地设计绕组w3，保证了在提供给所述至少一个LED的高电流的情况下Buck主开关Q1本身被提供足够的基极电流。当需要基极电流时，更确切地说当Buck主开关Q1接通时，通过辅助绕组w3，于是精确地将基极电流提供给Buck主开关Q1使用。如果Buck主开关的发射极电流在分流器上产生电压降，该电压降足以接通辅助开关Q3，则由辅助开关Q2提供的电流不再流到Buck主开关Q1的控制电极，而是通过辅助开关Q3流向输入端子E2。由此关断Buck主开关Q1。
与反向变换器不同，在此Buck主开关Q1被最大地加载以输入端子E1、E2之间的电压。此外，该电路设计为使得关断时间toff大约为接通时间ton的20倍。在一个优选的实施例中，关断时间toff大约为40μs，而接通时间ton对应为2μs。
通过反向耦合绕组w2和w3相应地保证了Buck主开关Q1和辅助开关Q2被可靠地截止，直到Buck电感线圈TR1、w1被完全去磁化。由此，Buck主开关Q1在临界导电模式(Critical Conduction Mode)(过渡模式(Transition mode))中工作，使得该Buck主开关在随后的周期中可以低损耗地接通，即流过Buck主开关Q1的电流在接通时刻几乎为零。经过Buck电感线圈TR1、w1的三角形电流的频率通过在端子之间的输入电网电压UN、在输出端上的LED电压ULED、Buck电感线圈TR1、w1的电感和最大LED电流ILED的边界值来确定。
图2针对借助图1中给出的设计实现的实施例示出了电流ILED的包络线的时间变化曲线、Buck主开关Q1的集电极-发射极电压UCE的包络线的时间变化曲线以及频率调制的包络线的时间变化曲线。最低的频率为23.12kHz，最大频率为28.16kHz。尽管Buck主开关Q1在临界导电模式中工作，电流ILED由于电容器C2和C3的作用从不降低到零。其最小值在此大约为60mA，其最大值为130mA。
图2的视图以每时间单位(＝小格)2ms的分辨率来示出，而图3中的分辨率为每时间单位20μs。其示出了Buck主开关Q1的集电极-发射极电压Uce和电流ILED的时间变化曲线。如在电压Uce的时间变化曲线上可以清楚看到的那样，Buck主开关Q1的接通时间ton为大约2μs，而关断时间toff为大约38μs。电流ILED的时间变化曲线的模糊的三角形是由于电容器C2和C3的作用而形成的。

Claims (12)

1.一种用于为至少一个发光二极管提供电流的降压Buck转换器，该降压Buck转换器具有：
-带有第一输入端子(E1)和第二输入端子(E2)的输入端，用于连接直流电源；
-带有第一输出端子(A1)和第二输出端子(A2)的输出端，用于连接所述至少一个发光二极管；以及
-Buck二极管(D2)、Buck电感线圈(TR1，w1)和Buck主开关(Q1)，该Buck主开关具有控制电极、工作电极和参考电极；
其特征在于，
Buck二极管(D2)和Buck主开关(Q1)串联地耦合在第一输入端子(E1)和第二输入端子(E2)之间，其中在Buck二极管(D2)和Buck主开关(Q1)之间的连接点(VP1)与第二输出端子(A2)耦合；
其中Buck电感线圈(TR1，w1)的第一端子与第一输入端子(E1)耦合，Buck电感线圈(TR1，w1)的第二端子与第一输出端子(A1)耦合；
其中降压Buck转换器还包括：
与Buck电感线圈(TR1，w1)耦合的第一辅助绕组(TR1，w3)，其具有第一端子，该第一端子与第二输入端子(E2)耦合；以及该第一辅助绕组具有第二端子，该第二端子与Buck主开关(Q1)的控制电极耦合，其中第一辅助绕组(TR1，w3)与Buck电感线圈(TR1，w1)耦合，使得在电流经过Buck主开关(Q1)的情况下通过第一辅助绕组(TR1，w3)将电流提供给Buck主开关(Q1)的控制电极。
2.根据权利要求1所述的降压Buck转换器，其特征在于，
降压Buck转换器还包括：电流测量电阻(R6)，其与Buck主开关(Q1)串联地、尤其是在由Buck二极管(D2)和Buck主开关(Q1)限定的连接点(VP1)与第二输入端子(E2)之间耦合；以及包括第一辅助开关(Q3)用于关断Buck主开关(Q1)，其中第一辅助开关(Q3)具有控制电极、工作电极和参考电极，其中第一辅助开关(Q3)的参考电极与第二输入端子(E2)耦合，并且其中第一辅助开关(Q3)的控制电极与电流测量电阻(R6)耦合。
3.根据权利要求2所述的降压Buck转换器，其特征在于，
降压Buck转换器还包括时间环节(C1，R3)，该时间环节耦合在电流测量电阻和第一辅助开关(Q3)的控制电极之间。
4.根据上述权利要求之一所述的降压Buck转换器，其特征在于，
在第一辅助绕组(TR1，w3)的第二端子和Buck主开关(Q1)的控制电极之间耦合有第一欧姆电阻(R1)。
5.根据权利要求4所述的降压Buck转换器，其特征在于，
在第一欧姆电阻(R1)和Buck主开关(Q1)的控制电极之间的连接点通过第二欧姆电阻(R2)与第二输入端子(E2)耦合。
6.根据权利要求2至5之一所述的降压Buck转换器，其特征在于，
Buck主开关(Q1)的控制电极与第一辅助开关(Q3)的工作电极耦合。
7.根据上述权利要求之一所述的降压Buck转换器，其特征在于，
降压Buck转换器还包括：第二辅助开关(Q2)用于启动降压Buck转换器，其中第二辅助开关(Q2)具有控制电极、工作电极和参考电极，其中第二辅助开关(Q2)的参考电极与第一输入端子(E1)耦合，其中第二辅助开关(Q2)的控制电极通过欧姆电阻(R5)与第二输入端子(E2)耦合。
8.根据权利要求7所述的降压Buck转换器，其特征在于，
第二辅助开关(Q2)的工作电极通过欧姆电阻(R8)与第一辅助开关(Q3)的工作电极耦合。
9.根据上述权利要求之一所述的降压Buck转换器，其特征在于，
降压Buck转换器还包括：与Buck电感线圈耦合的第二辅助绕组(TR1，w2)，其具有第一端子，该第一端子与第一输入端子(E1)耦合，以及该第二辅助绕组具有第二端子，该第二端子与第二辅助开关(Q2)的控制电极耦合。
10.根据权利要求9所述的降压Buck转换器，其特征在于，
在第二辅助绕组(TR1，w2)的第二端子和第二辅助开关(Q2)的控制电极之间耦合有欧姆电阻(R7)，优选耦合有欧姆电阻(R7)和二极管(D1)的串联电路。
11.根据权利要求9或10所述的降压Buck转换器，其特征在于，
第二辅助绕组(TR1，w2)与Buck电感线圈(TR1，w1)耦合，使得在Buck电感线圈(TR1，w1)的去磁化阶段期间将电流提供给第二辅助开关(Q2)的控制电极，从而使得第二辅助开关(Q2)截止。
12.根据上述权利要求之一所述的降压Buck转换器，其特征在于，
在第一输出端子(A1)和第二输出端子(A2)之间耦合有至少一个电容器(C2；C3)。
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