CN101919307A - 用于为至少一个发光二极管提供电流的降压型转换器和方法 - 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(D2，D3，D4，D5)提供电流的降压型转换器，其具有：带有第一输入端子(E1)和第二输入端子(E2)的输入端，用于连接直流源(V1)；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(D2，D3，D4，D5)；以及Buck二极管(D1)、Buck电感线圈(L1)和Buck主开关(Q2)，该Buck主开关具有控制电极、工作电极和参考电极；其中Buck二极管(D1)和Buck主开关(Q2)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Buck电感线圈(L1)耦合在Buck二极管(D1)同Buck主开关(Q2)的连接点与第一输出端子(A1)之间，并且其中降压型转换器还包括：第一辅助开关(Q4)，其被输送第一电压(UR3)，该第一电压与提供给所述至少一个发光二极管(D2，D3，D4，D5)的电流(ILED)相关；以及第二辅助开关(Q5)，其被输送第二电压(UR2)，该第二电压与提供给所述至少一个发光二极管(D2，D3，D4，D5)的电流相关，其中第一辅助开关(Q4)和第二辅助开关(Q5)与Buck主开关(Q2)耦合，使得通过第一电压来确定Buck主开关(Q2)的关断时刻而通过第二电压来确定Buck主开关(Q2)的接通时刻。此外，本发明还涉及一种借助降压型转换器来为至少一个发光二极管(D2，D3，D4，D5)提供电流的相应方法。

Description

用于为至少一个发光二极管提供电流的降压型转换器和方法
技术领域
本发明涉及一种用于为至少一个LED(发光二极管)提供电流的降压型转换器(Buck-Konverter)，其具有：带有第一输入端子和第二输入端子的输入端，用于连接直流源；带有第一输出端子和第二输出端子的输出端，用于连接所述至少一个LED；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。此外，本发明还涉及一种用于借助降压型转换器为至少一个LED提供电流的相应方法。
背景技术
随着LED进入普通照明的宽广领域，存在对器件的简单且成本低廉的供电电路的巨大的需求。同时，存在许多尤其是集成的电路，它们针对这种要求而设计。在此仅仅示例性地介绍了National公司的模块LM3402以及Linear Technology公司的模块LT3474。然而，这种集成电路对于使用在大量生产中通常过于昂贵。因此需要用于至少一个LED的、成本尽可能低廉的供电电路。
发明内容
因此，本发明的任务在于改进上面所述的降压型转换器，使得其可以用作成本尽可能低廉的用于至少一个LED的供电电路。本发明的任务还在于提供一种用于借助降压型转换器为至少一个LED提供电流的合适方法。
所述任务通过具有权利要求1所述特征的降压型转换器以及具有权利要求17所述特征的用于借助降压型转换器为至少一个LED提供电流的方法来解决。
本发明所基于的知识是：当降压型转换器构建为针对要提供给所述至少一个LED的电流的两点调节器时，可以解决所述任务。该降压型转换器尤其应构建为使得其能够实现分别仅仅通过小信号双极性晶体管的基极-发射极正向电压来确定Buck主开关的接通时刻和关断时刻。由此，可以调节通过所述至少一个LED的电流的最大值和最小值，并且由此可以调节其平均值和纹波。由于从低压直流源来优选地驱动根据本发明的降压型转换器，所以降压型转换器可以在连续的模式中被驱动，即提供给所述至少一个LED的电流的最小值不等于零。
成本特别低廉的是，必要时将其他所需的有源开关同样构建为双极性晶体管。
在根据本发明的实现中，相应地通过第一辅助开关来确定提供给所述至少一个LED的电流的最大值，并且通过第二辅助开关确定该电流的最小值。
通过这些措施可以实现用于至少一个LED的、极其简单且成本低廉的供电电路。在将双极性晶体管用于电子开关时，得到了低于通过集成电路实现的相应比较量的实现成本和位置要求。
虽然在下面以从低压直流源(例如电池)馈电为例描述了本发明，本发明可毫无困难地通过相应的整流的前级电路由电网电压(100至230V)来馈电，只要至少与整流器输出端并联耦合的晶体管通过耐压的晶体管来实现。
根据一个优选的实施形式，第一电压和第二电压设计为使得在降压型转换器的空载阶段中第一辅助开关在第二辅助开关之前过渡至不导通状态。由此，可能流过同样的电流的两个欧姆电阻上量取第一电压以及第二电压。由此可以以特别简单的方式通过设计相关的欧姆电阻(其中在该欧姆电阻上量取相应的电压)来调节哪个辅助开关过渡至不导通状态的时刻。
优选地，第一辅助开关和第二辅助开关分别具有控制电极、参考电极和工作电极，其中第一电压和第二电压耦合在相应的辅助开关的控制电极和参考电极之间，其中在降压型转换器的空载阶段中第二电压大于第一电压。
根据一个优选的实施形式，降压型转换器还包括第一分流电阻和第二分流电阻，其中在第一分流电阻上下降的电压是第一电压，并且其中在第二分流电阻上下降的电压是第二电压。如已提及的那样，于是可以通过简单地设计分流电阻确定Buck主开关何时接通和关断。由此以简单的方式确定了提供给所述至少一个LED的电流的最大值和最小值。
优选地，第一分流电阻设置为使得在降压型转换器的充电阶段中提供给所述至少一个LED的电流流过该第一分流电阻。由于在降压型转换器的充电阶段中在设置有Buck二极管的支路中还没有电流流动，所以第一分流电阻的这种布置能够实现调节提供给所述至少一个LED的电流的最大值。
在此，第一分流电阻优选耦合在第二输出端子和参考电势之间。由此，第一电压与参考电势相关，并且如果第一辅助晶体管的参考电极同样耦合到参考电势，则能够实现第一电压特别简单地耦合到第一辅助晶体管。
优选地，第二分流电阻设置为使得在降压型转换器的空载阶段中而不是在降压型转换器的充电阶段中提供给所述至少一个LED的电流流过该第二分流电阻。由此能够实现：在第二分流电阻上下降的电压尤其是在降压型转换器的空载阶段中彼此相关。激活第一辅助开关来结束降压型转换器的充电阶段由此不受第二电压影响。
优选地，第二分流电阻耦合在Buck二极管和参考电势之间。在此也得到了如下优点：当第二辅助晶体管同样与参考电势耦合时，可以实现第二电压特别简单地耦合到第二辅助晶体管上。
为了可以直接在相应的分流电阻上量取第一电压和第二电压并且将第一电压和第二电压耦合到相应的辅助开关上，优选的是第一分流电阻小于第二分流电阻。由此，这两个电阻可以流过同样的电流并且仍然保证了第二电压在降压型转换器的空载阶段中大于第一电压。
在一个成本特别低廉的实现中，至少第一辅助开关和第二辅助开关实施为双极性晶体管，其中在第一分流电阻上下降的电压作为基极-发射极电压耦合到第一辅助开关上，而在第二分流电阻上下降的电压作为发射极-基极电压耦合到第二辅助开关上。
根据一个优选的改进方案，降压型转换器包括第三辅助开关，第三辅助开关具有控制电极、工作电极和参考电极，其中第三辅助开关的参考电极与参考电势耦合，其中第三辅助开关的工作电极与Buck主开关的控制电极耦合，其中第三辅助开关的控制电极与第一辅助开关和第二辅助开关耦合。通过该措施，第一辅助开关和第二辅助开关并行地激励第三辅助开关，第三辅助开关又控制Buck主开关。在此，特别优选的是，第一辅助开关和第二辅助开关分别具有控制电极、工作电极和参考电极，其中第一辅助开关的工作电极-参考电极段以及第二辅助开关的工作电极-控制电极段与控制段即第三辅助开关的控制电极-参考电极段并联地耦合。这开创了如下可能性：在发射极电路中驱动第一辅助开关而在基极电路中驱动第二辅助开关。在此，在第一辅助开关的参考电极和控制电极之间耦合有在第一分流电阻上下降的电压，而在第二辅助开关的控制电极和参考电极之间耦合有在第二分流电阻上下降的电压。
特别优选地，第三辅助开关的控制电极通过欧姆电阻与第一输入端子耦合。由此，保证了在将供电直流电压施加到降压型转换器的输入端上时第三辅助开关将Buck主开关接通，以便能够实现启动根据本发明的降压型转换器。
优选地，在第三辅助开关的控制电极和参考电极之间耦合有电容器。该电容器用于在导通状态从第一辅助开关过渡到第三辅助开关时(影响Buck二极管、第一辅助开关和第二辅助开关的切换时间)将第三辅助开关的基极电势保持为低到使得第三辅助开关(并且由此Buck主开关)在Buck电感线圈消磁到所希望的最小电流期间保持可靠地截止。
最后，优选的是，Buck主开关的控制电极通过欧姆电阻与第一输入端子耦合。由此，只要该Buck主开关实施为双极性晶体管，则加速Buck主开关的基极的耗尽(Ausraeumen)。
由从属权利要求中得到其他优选的实施形式。
参照根据本发明的降压型转换器所描述的优选的实施形式及其优点只要可应用也相应地适用于根据本发明的方法。
附图说明
现在在下面参照所附的附图更为详细地描述了根据本发明的降压型转换器的一个实施例，其中该附图在示意图中示出了根据本发明的转换器的一个实施例。
具体实施方式
图1在示意图中示出了根据本发明的降压型转换器的一个实施例。该降压型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，在第一输入端子和第二输入端子之间耦合有低压直流源V1(在此为9V)。输入端子E2与参考电势耦合。在第一输入端子E1和第二输入端子E2之间耦合有Buck主开关Q2、Buck二极管D1以及欧姆电阻R2的串联电路。在Buck主开关Q2和Buck二极管D1的连接点与第一输出端子A1之间耦合有Buck电感线圈L1。在输出端子A1和第二输出端子A2之间耦合有LED，其在电路图中通过D2、D3、D4和D5的串联电路来表示。在输出端子A2和参考电势之间耦合有欧姆电阻R3。在欧姆电阻R3上下降的电压通过欧姆电阻R7耦合到第一辅助开关Q4的基极，第一辅助开关的发射极同样耦合到参考电势。第一辅助开关的集电极通过欧姆电阻R4与第一输入端子E1耦合。降压型转换器还具有第二辅助开关Q5，第二辅助开关的发射极与Buck二极管D1和欧姆电阻R2之间的连接点耦合。第二辅助开关Q5的基极通过欧姆电阻R6同样与参考电势耦合。第二辅助开关Q5的集电极通过欧姆电阻R5同欧姆电阻R4与第一辅助开关Q4的集电极之间的连接点耦合。该连接点与第三辅助开关Q3的基极耦合，该第三辅助开关的发射极与参考电势耦合。第三辅助开关Q3的集电极通过欧姆电阻R1与Buck主开关Q2的基极耦合。在第三辅助开关Q3的基极和参考电势之间连接有电容器C1。在Buck主开关Q2的基极与第一输入端子之间连接有欧姆电阻R8。
针对如下功能：在第一输入端子E1和第二输入端子E2之间施加直流源V1之后，第三辅助开关Q3通过欧姆电阻R4切换至导通状态。通过从第三辅助开关的集电极流至第三辅助开关的发射极的电流，通过欧姆电阻R1将Buck主开关Q2切换至导通状态。降压型转换器的充电阶段已开始。在此，电流通过Buck主开关流经Buck电感线圈、LED D2至D5，经欧姆电阻R3和参考电势流回至输出端E2
当在欧姆电阻R3上下降的电压超过第一辅助开关Q4的大约0.6V的基极-发射极阈值电压时，则第一辅助开关Q4切换至导通状态。由此将前面通过欧姆电阻R4提供给第三辅助开关Q3的基极电流通过第一辅助开关Q4引导至参考电势。第三辅助开关Q3由此过渡至不导通状态，由此结果是Buck主开关Q2关断。降压型转换器的空载阶段开始。在空载阶段中，电流从参考电势经欧姆电阻R2、Buck二极管D1、Buck电感线圈L1以及LED D2至D5和欧姆电阻R3回流至参考电势。通过在欧姆电阻R2上下降的电压将第二辅助开关Q5切换至导通状态，并且由此负责将第三辅助开关Q3以及由此将Buck主开关Q2保持可靠地关断。
在降压型转换器的空载阶段中，提供给LED D2至D5的电流ILED持续降低，其中由于所选的设计使得在欧姆电阻R2上下降的电压始终比在欧姆电阻R3上下降的电压大。这导致：首先第一辅助开关Q4被切换至不导通的状态。而由于第二辅助开关Q5还始终处于导通状态，所以首先第三辅助开关Q3和由此Buck主开关Q2保持关断。当在欧姆电阻R2上下降的电压降低到使得第二辅助开关Q5也过渡至不导通的状态时，流经欧姆电阻R4的电流才又可以流向第三辅助开关Q3的基极，接通该第三辅助开关并且由此接通Buck主开关Q2。
因此，电流ILED的上边界值确定为：
ILEDmax＝UBEF(Q4)/R3
而LED电流的下边界值确定为：
ILEDmin＝UBEF(Q5)/R2
三角形电流ILED的频率通过输入电压V1、在LED D2至D5上下降的电压、Buck电感线圈L1的电感以及最小LED电流ILEDmin和最大LED电流ILEDmax的边界值来确定。

Claims (17)

1.一种用于为至少一个发光二极管(D2，D3，D4，D5)提供电流的降压型转换器，具有：
-带有第一输入端子(E1)和第二输入端子(E2)的输入端，用于连接直流源(V1)；
-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(D2，D3，D4，D5)；以及
-Buck二极管(D1)、Buck电感线圈(L1)和Buck主开关(Q2)，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(D1)和Buck主开关(Q2)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Buck电感线圈(L1)耦合在Buck二极管(D1)同Buck主开关(Q2)的连接点与第一输出端子(A1)之间，
其中降压型转换器还包括：
-第一辅助开关(Q4)，其被输送第一电压(UR3)，该第一电压与提供给所述至少一个发光二极管(D2，D3，D4，D5)的电流(ILED)相关；以及
-第二辅助开关(Q5)，其被输送第二电压(UR2)，该第二电压与提供给所述至少一个发光二极管(D2，D3，D4，D5)的电流相关，
其中第一辅助开关(Q4)以及第二辅助开关(Q5)与Buck主开关(Q2)耦合，使得通过第一电压来确定Buck主开关(Q2)的关断时刻，并且通过第二电压来确定Buck主开关(Q2)的接通时刻。
2.根据权利要求1所述的降压型转换器，其特征在于，第一电压(UR3)和第二电压(UR2)设计为使得在降压型转换器的空载阶段中第一辅助开关(Q4)在第二辅助开关(Q5)之前过渡至不导通状态。
3.根据权利要求1或2所述的降压型转换器，其特征在于，第一辅助开关(Q4)和第二辅助开关(Q5)分别具有控制电极、参考电极和工作电极，其中第一电压(UR3)和第二电压(UR2)耦合在相应的辅助开关(Q4；Q5)的控制电极和参考电极之间，其中在降压型转换器的空载阶段中第二电压(UR2)大于第一电压(UR3)。
4.根据上述权利要求之一所述的降压型转换器，其特征在于，降压型转换器此外包括：
-第一分流电阻(R3)，
-第二分流电阻(R2)，
其中在第一分流电阻(R3)上下降的电压是第一电压(UR3)，并且其中在第二分流电阻(R2)上下降的电压是第二电压(Ur2)。
5.根据权利要求4所述的降压型转换器，其特征在于，第一分流电阻(R3)设置为使得在降压型转换器的充电阶段中，提供给所述至少一个发光二极管(D2，D3，D4，D5)的电流(ILED)流过该第一分流电阻。
6.根据权利要求5所述的降压型转换器，其特征在于，第一分流电阻(R3)耦合在第二输出端子(A2)和参考电势之间。
7.根据权利要求4至6之一所述的降压型转换器，其特征在于，第二分流电阻(R2)设置为使得在降压型转换器的空载阶段而不是充电阶段中，被提供给所述至少一个发光二极管(D2，D3，D4，D5)的电流(ILED)流过第二分流电阻。
8.根据权利要求7所述的降压型转换器，其特征在于，第二分流电阻(R2)耦合在Buck二极管(D1)和参考电势之间。
9.根据权利要求4至8之一所述的降压型转换器，其特征在于，第一分流电阻(R3)小于第二分流电阻(R2)。
10.根据权利要求4至9之一所述的降压型转换器，其特征在于，第一辅助开关(Q4)和第二辅助开关(Q5)实施为双极性晶体管，其中在第一分流电阻(R3)上下降的电压作为基极-发射极电压耦合到第一辅助开关(Q4)上，在第二分流电阻(R2)上下降的电压作为发射极-基极电压耦合到第二辅助开关(Q5)上。
11.根据上述权利要求之一所述的降压型转换器，其特征在于，降压型转换器包括第三辅助开关(Q3)，该第三辅助开关具有控制电极、工作电极和参考电极，其中第三辅助开关(Q3)的参考电极与参考电势耦合，其中第三辅助开关(Q3)的工作电极与Buck主开关(Q2)的控制电极耦合，其中第三辅助开关(Q3)的控制电极与第一辅助开关(Q4)以及第二辅助开关(Q5)耦合。
12.根据权利要求11所述的降压型转换器，其特征在于，第一辅助开关(Q4)和第二辅助开关(Q5)分别具有控制电极、工作电极和参考电极，其中第一辅助开关(Q4)的工作电极-参考电极段以及第二辅助开关(Q5)的工作电极-控制电极段与第三辅助开关(Q3)的控制段、即控制电极-参考电极段并联耦合。
13.根据权利要求12所述的降压型转换器，其特征在于，在第一辅助开关(Q4)的参考电极和控制电极之间耦合有在第一分流电阻上下降的电压，在第二辅助开关(Q5)的控制电极和参考电极之间耦合有在第二分流电阻上下降的电压。
14.根据权利要求11至13之一所述的降压型转换器，其特征在于，第三辅助开关(Q3)的控制电极通过欧姆电阻(R4)与第一输入端子(E1)耦合。
15.根据权利要求11至14之一所述的降压型转换器，其特征在于，在第三辅助开关(Q3)的控制电极和参考电极之间耦合有电容器(C1)。
16.根据上述权利要求之一所述的降压型转换器，其特征在于，Buck主开关的控制电极通过欧姆电阻(R8)与第一输入端子(E1)耦合。
17.一种用于借助降压型转换器为至少一个发光二极管(D2，D3，D4，D5)提供电流的方法，该降压型转换器具有：带有第一输入端子(E1)和第二输入端子(E2)的输入端，用于连接到直流源(V1)；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(D2，D3，D4，D5)；Buck二极管(D1)、Buck电感线圈(L1)和Buck主开关(Q2)，该Buck主开关具有控制电极、工作电极和参考电极；其中Buck二极管(D1)和Buck主开关(Q2)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Buck电感线圈(L1)耦合在Buck二极管(D1)同Buck主开关(Q2)的连接点与第一输出端子(A1)之间，
该方法的特征在于包括如下步骤：
a)提供第一辅助开关(Q4)和第二辅助开关(Q5)；
b)将第一辅助开关(Q4)和第二辅助开关(Q5)与Buck主开关(Q2)耦合；
c)输送第一电压(UR3)给第一辅助开关(Q4)，该第一电压与提供给所述至少一个发光二极管(D2，D3，D4，D5)的电流(ILED)相关；
d)将第二电压(UR2)输送给第二辅助开关，该第二电压与提供给所述至少一个发光二极管(D2，D3，D4，D5)的电流相关；
其中在步骤b)中第一辅助开关(Q4)和第二辅助开关(Q5)与Buck主开关(Q2)耦合，使得通过第一电压(UR3)来确定Buck主开关(Q2)的关断时刻，并且通过第二电压(UR2)来确定Buck主开关(Q2)的接通时刻。
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