CN102118909B - 驱动发光二极管的升压电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种驱动发光二极管的升压电路，该升压电路包括输入端、输出端、电感、输入电容、输出电容以及第一开关、第二开关和第三开关，电气耦接以驱动发光二极管负载。第三开关用于实现高调光比控制、短路保护和输入切断。另外，第三开关还用于在输入端电压大于负载上的电压时实现低压差线性稳压器功能。本发明公开的用于驱动发光二极管的升压电路仅通过增加一个第三开关便实现了高调光比控制、短路保护以及输入切断功能。因此，本发明公开的升压电路大大降低了整个驱动电路的导通损耗以及复杂度，同时也节约了电路成本。
Description
技术领域
本发明涉及光源驱动电路，更具体地，涉及采用升压拓扑驱动发光二极管(LED)的电路。
背景技术
发光二极管(LED)在各种电气应用中作为光源备受欢迎。在多数应用中，对LED进行高调光比控制是必须的，例如用于实现显示器的高对比度。此外，为了保证LED光源的安全性和可靠性，还需要提供短路保护电路。再者，在大多数电池供电设备中，当系统关断时希望将电池与设备的输入端口断开以防止功率泄漏，即，输入完全切断也是必须的。现有技术中，通常采用升压或者降压型直流变换器作为LED的驱动电路。当采用传统的升压型变换器时，至少需要在传统升压型变换器的拓扑结构中增加两个开关以实现高调光比控制、短路保护和输入切断。
图1a示出了现有技术中采用传统升压型变换器驱动LED时，用于实现高调光比控制、短路保护和输入切断的一种技术方案。如图1a所示，驱动电路100A在传统升压型变换器的拓扑结构中增加了两个额外的开关S3和S4。开关S3的一端耦接LED串的阴极，开关S3的另一端耦接到地。开关S4与升压型变换器中的整流开关S2串联。本领域的技术人员应该理解整流开关S2还可以采用二极管D1来替换。在正常工作时，升压型变换器的功率开关S1和整流开关S2互补地被开通或者关断，增加的开关S3和S4持续导通，驱动电路100A的输出与输入电压比为Vo/Vin＝1/(1-D)。在调光时，提供调光信号以控制开关S3。当调光信号使能时，开关S3被导通，从而允许电源Vin向LED负载传送功率。当调光信号不使能时，开关S3被关断，使得流经LED串的电流立即被切断。与此同时，由于开关S3关断而使得输出电容Co没有放电通路，从而其上的电压保持不变。由于在调光不使能期间输出电容Co上的电压保持不变，当调光信号再次使能时，流经LED串的电流可以很快恢复到一个调整好的水平。
因此，增加了开关S3后，即使在调光工作周期很小的情况下，仍然可以控制流经LED串的驱动电流为一个平均值与调光信号的工作周期成比例的方波信号。换句话说，可以实现高调光比控制。
当在变换器的输出端检测到短路或者过流情况时，例如，检测到输出电流达到了保护阈值，开关S4将被关断以保护负载和变换器不受损。应该注意，开关S4需要被缓慢地关断以避免引起大的电压尖峰，因为在保护过程中没有电流通路。
当需要将电源Vin与LED驱动电路完全断开时，升压型变换器的功率开关S1和所增开关S4均被缓慢关断以避免产生大的电压尖峰。
参考图1b，示出了现有技术中实现高调光比控制、短路保护和输入切断的又一种技术方案。如图1b所示，驱动电路100B在传统升压型变换器的拓扑结构中增加了两个额外的开关S5和S6。开关S5的一端耦接到LED串的阴极，开关S5的另一端耦接到地。开关S6被耦接在电源Vin和升压型变换器的输入端之间。在正常工作时，升压型变换器中的功率开关S1和整流开关S2被互补地导通或者关断，增加的开关S5和S6持续导通。在调光时，采用调光信号控制开关S5导通/关断，其控制原理与图1a中对开关S3的控制原理相同，以实现高调光比控制。当用于实现短路或者过流保护时，开关S6被关断以切断电源Vin向LED负载传送功率。同时实现了电源Vin与升压型变换器的完全断开以防止功率泄漏。然而应该注意，开关S6需要被缓慢的关断以避免引起大的电压尖峰。否则，需要增加一个续流二极管D2以提供电流通路，二极管D2的阴极耦接开关S6与电感L1的公共节点，其阳极耦接到地。
对于前述的图1a与图1b中给出的技术方案，增加的开关S3和S4或者S5和S6在正常工作过程中是持续导通的，以至于引入了额外的导通损耗。另外，在调光时，增加的开关S3或者S5在调光信号使能时也是导通的，这也引入了额外的导通损耗。再者，当实现短路或者过流保护以及输入切断功能时，开关S4或者S6需要被缓慢的关断，这需要相应的控制电路来实现，从而增加了系统的复杂程度，否则，对于图1b中示出的技术方案，需要增加一个续流二极管，导致成本增加。
总之，现有技术中基于传统升压型变换器驱动LED以实现高调光比控制、短路保护以及输入切断会增加系统的导通损耗，并且增加的开关使得系统复杂度和成本增加。
发明内容
针对现有技术中的一个或多个问题，本发明的一个目的是提供一种升压电路，用于驱动直流驱动型光源，并实现高调光比控制、短路保护和输入切断功能。
在本发明的一个方面，提出了一种升压电路，该升压电路包括：输入端，电耦接用于接收输入信号；输出端，电耦接用于提供输出信号至负载；第一电容，电耦接于输入端和地之间；电感，其一端电气连接到地；第一开关，其一端耦接所述输入端，另一端通过所述电感耦接到地；第二开关，电耦接于所述第一开关的另一端和所述输出端之间；第三开关，其一端耦接于输入端，其另一端通过负载耦接到输出端；以及第二电容，电耦接于输出端和地之间。
在本发明的又一方面，提出了根据本发明又一实施例的升压电路，该升压电路包括：输入端，电耦接以接收输入信号；输出端，电耦接以提供输出信号至负载；第一电容，电耦接于输入端和地之间；电感，其一端电气连接到地；第一开关，其一端耦接到所述输入端，其另一端通过所述电感耦接到地；第二开关，电耦接于所述第一开关的另一端和所述输出端之间；第三开关，其一端耦接到所述输出端，其另一端通过所述负载耦接到所述输入端；以及第二电容，电耦接于所述输出端和地之间。
根据本发明实施例的升压电路，所述第二开关为二极管或者同步整流开关。
根据本发明实施例的升压电路，所述第三开关为N沟道MOSFET。
根据本发明实施例的升压电路，所述第三开关为P沟道MOSFET。
根据本发明实施例的升压电路，在正常工作期间，所述第一和第二开关互补地导通或者关断，并且所述第三开关持续导通。
根据本发明实施例的升压电路，在调光期间，当调光使能时，所述第一和第二开关互补地导通或者关断，并且所述第三开关持续导通；当调光不使能时，所述第一开关、第二开关和第三开关均关断。
根据本发明实施例的升压电路，在需要进行短路保护或者需要将所述输入信号与所述升压电路完全切断的情况下，所述第一和第三开关关断，所述第二开关的状态是为流经所述电感的电流提供放电通路。
根据本发明实施例的升压电路，当所述输入端的电压高于所述负载上的电压时，所述第三开关工作在线性区。
本发明公开的用于驱动发光二极管的升压电路仅通过增加一个开关即可实现高调光比控制、短路保护以及输入切断功能。因此，本发明公开的升压电路大大降低了整个驱动电路的导通损耗以及复杂度，同时也节约了电路成本。
附图说明
下面的图表明了本发明的实施方式。这些图和实施方式以非限制性、非穷举性的方式提供了本发明的一些实施例。
图1a示出了一个现有技术中基于传统型转换器的LED驱动电路的示意图。
图1b示出了又一现有技术中基于传统型转换器的LED驱动电路的示意图。
图2示出了根据本发明一个实施例的升压电路示意图。
图3示出了根据本发明又一实施例的升压电路示意图。
图4示出了根据本发明再一实施例的升压电路示意图。
具体实施方式
下面详细说明本发明各个实施例的升压电路及其工作原理。在接下来的说明中，一些具体的细节，例如实施例中的具体电路结构和这些电路元件的具体参数，都用于对本发明的实施例提供更好的理解。本技术领域的技术人员可以理解，即使在缺少很多细节或者其他方法、元件、材料等结合的情况下，本发明也可以被实现。在一些实施例中，公知的结构或者功能并未示出或者被详细描述以免不必要的使本发明的实施例不清楚。以下的说明中所采用的术语应当合理地以其最宽的意义被解释，即使其是被用于具体实施例的详细说明中。虽然某些术语可能在如下被强调，任何以限制性的方式被解释的术语将在如下的详细说明部分被明确地并且特别地作定义。“基于”、“根据”或者类似的用语并非是排它性的，而应当被理解为等同于“至少部分基于”或者类似的意思，并且包括“基于/根据”其它在本发明的实施例中并未描述的因素。单数性的描述仅仅是为了方便阅读，其应当被理解为还包括复数，除非某些复数被特别地排除在外。“或者”是一个囊括性的词，除另有特别说明的情况外，其包含“和/或者”的意思。“耦接”意味着互相连接的物体间至少具有直接的电气连接，或者具有间接的通过一个或者多个有源或者无源的中间器件所建立的连接。“电路”意味着至少一个或者多个元件，有源的和/或者无源的，耦接在一起以实现期望的功能。“信号”表示至少电流、电压、电荷、温度、数据或者其它信号。“信号”可能被用于通过高有效、低有效、时分复用、同步、非同步、差分、互补、单端或者其它数字以及模拟信号处理或者调制技术进行交换。在场效应晶体管(FET)、双极性晶体管和/或者其它类似器件被用于晶体管或者开关器件的实现时，“栅极”、“漏极”和“源极”分别包括“基极”、“集电极”和“发射极”，反之亦是。在接下来的说明中，“某些实施例”的范围并不限于多于一个实施例，而是可以包括一个实施例、多于一个实施例或者所有实施例。
图2为根据本发明一个实施例的升压电路200的示意图。该升压电路200包括输入端、输出端、电感L1、输入电容Cin、输出电容Co、第一开关S1和第二开关S2。升压电路200还包括第三开关S3，第三开关S3用于实现高调光比控制、短路保护和输入切断。输入端用于接收输入信号Vin；输出端用于提供输出信号；输入电容Cin耦接于输入端和地之间；第一开关S1的一端耦接到输入端，其另一端通过电感L1耦接到地；第二开关S2耦接于第一开关S1的所述另一端和输出端之间；输出电容Co耦接于输出端和地之间；第三开关S3的一端耦接输入端，其另一端通过负载耦接到输出端。所述负载可以为任意类型的直流驱动光源，例如LED或者LED串。
在正常工作过程中，第三开关S3持续导通，第一开关S1和第二开关S2以互补的方式导通或关断(本申请中的互补导通或关断，是指其中一个开关导通时，另一个则关断，反之亦反)。对于一个开关周期Ts，在DTs期间(其中D是占空比，其取值在区间[0，1]内)，第一开关S1导通，第二开关S2关断，输入信号Vin为电感L1充电。电感L1上的电压为Vin。在开关周期Ts的剩余(1-D)Ts期间，第一开关S1关断，第二开关S2导通，电感L1放电。电感L1上的电压为Vx，其为负值。在稳态工作过程中，电感L1符合伏秒平衡原则，据此有：
Vin*DTs＝-Vx*(1-D)Ts (1)
在本发明的描述中，输出电压指的是加载于负载上的电压，可以由下式表示：
Vo＝Vin-Vx (2)
由式(1)和(2)可得升压电路200的输出与输入电压比为：
Vo/Vin＝1/(1-D) (3)
由式(3)可见，升压电路200的输出与输入电压比与现有技术中升压电路的输出与输入电压比相同。因此，在电路正常工作状态下，升压电路200实现的功能与现有技术中升压电路的相同。
如果要对LED负载进行调光，可以采用一个调光信号来控制第三开关S3的导通和关断，从而调整由输入信号Vin输送给LED负载的平均功率。当调光信号使能时，第三开关S3导通，第一开关S1和第二开关S2作在正常状态下，功率被传输至LED负载。当调光信号不使能时，第三开关S3被关断，使得流经LED负载的电流被迅速切断。与此同时，第一开关S1和第二开关S2也被关断以降低功耗。在调光不使能期间，由于电容Cin和电容Co没有放电通路，电容Cin和电容Co上的电压将保持不变。当调光信号再次使能时，流经LED负载的电流可以很快恢复到调整好的水平。因此，根据本发明的实施例，通过调光信号控制第三开关S3的导通与关断即可以控制流经LED负载的电流为平均值与调光信号的占空比成比例的方波信号，并且即使该调光信号的占空比非常小，该方波信号的平均值仍与调光信号的占空比成比例。从而实现了高调光比调光。
当整个驱动电路被关断，需要使升压电路200及其负载与输入信号Vin完全断开时，第一开关S1和第三开关S3均被关断。这时，第二开关S2处于允许电感L1上的电流通过由电感L1、第二开关S2和输出电容Co组成的环路放电的状态，以避免在整个电路被关断时产生大的电压尖峰。因此，如果第二开关S2采用二极管或者其它开关器件来实现时，第二开关S2是导通的状态；如果第二开关S2采用具有体二极管的开关器件来实现时，第二开关S2可以是关断的状态，其体二极管是导通的。
当出现短路状况或者过流状况时，升压电路200可以提供保护机制以使升压电路200及其负载均不受损坏。当出现所有LED负载均被短路、或者一个或几个LED负载的阳极被短路到地、或者当出现一个或多个LED的阴极被短路到地的情况时，第三开关S3被关断以实现对升压电路200及其负载的短路保护。与此同时，第一开关S1也被关断，使得输入信号Vin不再向升压电路200及其负载输送功率。在这种情况下，第二开关S2是导通的以保证电感L1上的电流具有放电通路，这样就可以避免大的电压尖峰出现。在另外的实施例中，第二开关S2如果具有体二极管，则第二开关S2在短路保护期间也可以是关断的，而保持其体二极管导通，同样可以保证电感L1上的电流具有放电通路。
根据本发明的一个实施例，第三开关S3可以是P沟道MOSFET。
根据本发明另外的实施例，如图3所示，在升压电路300种，第三开关S3的一端电气耦接到输出端，其另一端通过负载被电气耦接到输入端。在这种拓扑结构下，第三开关S3可以由N沟道MOSFET来实现。
根据本发明不同的实施例，第二开关S2可以采用二极管或者同步整流开关器件来实现。如图4所示是根据本发明一个实施例的升压电路400的示意图。升压电路400与升压电路300相似，其中采用二极管D1替换了第二开关S2。
升压电路300和升压电路400的工作原理与图2中升压电路200的工作原理相同。
与如图1a和图1b中所示的现有技术中基于传统升压型变换器驱动发光二极管(LED)并实现高调光比控制、短路保护和输入切断的LED驱动电路相比，本发明公开的用于驱动发光二极管的升压电路仅通过增加一个开关即可实现高调光比控制、短路保护以及输入切断功能。因此，本发明公开的升压电路大大降低了整个驱动电路的导通损耗以及复杂度，同时也节约了电路成本。
另外，根据本发明实施例的升压电路在输入信号Vin的电压高于输出电压Vo时还可以实现低压差线性稳压器(LDO)的功能，此时，第三开关S3工作于线性区。
上述本发明的说明书和实施方式仅仅以示例性的方式对本发明的用于驱动发光二极管的升压电路进行了说明，并不用于限定本发明的范围。对于公开的实施例进行变化和修改都是可能的，其他可行的选择性实施例和对实施例中元件的等同变化可以被本技术领域的普通技术人员所了解。本发明所公开的实施例的其他变化和修改并不超出本发明的精神和保护范围。
Claims (14)
1.一种升压电路，包括：
输入端，电耦接用于接收输入信号；
输出端，电耦接用于提供输出信号至负载；
第一电容，电耦接于输入端和地之间，用作升压电路的输入电容；
电感，其一端电气连接到地；
第一开关，其一端耦接所述输入端，另一端通过所述电感耦接到地；
第二开关，电耦接于所述第一开关的另一端和所述输出端之间；
第三开关，其一端耦接于输入端，其另一端通过负载耦接到输出端；以及
第二电容，电耦接于输出端和地之间，用作升压电路的输出电容。
2.如权利要求1所述的升压电路，其特征在于，所述第二开关为二极管或者同步整流开关。
3.如权利要求1所述的升压电路，其特征在于，所述第三开关为P沟道MOSFET。
4.如权利要求1所述的升压电路，其特征在于，在正常工作期间，所述第一和第二开关互补地导通或关断，并且所述第三开关持续导通。
5.如权利要求1所述的升压电路，其特征在于，在调光期间，当调光使能时，所述第一和第二开关互补地导通或者关断，并且所述第三开关持续导通；当调光不使能时，所述第一开关、第二开关和第三开关均关断。
6.如权利要求1所述的升压电路，其特征在于，在需要进行短路保护或者需要将所述输入信号与所述升压电路完全切断的情况下，所述第一和第三开关关断，所述第二开关的状态是为流经所述电感的电流提供放电通路。
7.如权利要求1所述的 升压电路，其特征在于，当所述输入端的电压高于所述负载上的电压时，所述第三开关工作在线性区。
8.一种升压电路，包括：
输入端，电耦接以接收输入信号；
输出端，电耦接以提供输出信号至负载；
第一电容，电耦接于输入端和地之间，用作升压电路的输入电容；
电感，其一端电气连接到地；
第一开关，其一端耦接到所述输入端，其另一端通过所述电感耦接到地；
第二开关，电耦接于所述第一开关的另一端和所述输出端之间；
第三开关，其一端耦接到所述输出端，其另一端通过所述负载耦接到所述输入端；以及
第二电容，电耦接于所述输出端和地之间，用作升压电路的输出电容。
9.如权利要求8所述的升压电路，其特征在于，所述第二开关为二极管或者同步整流开关。
10.如权利要求8所述的升压电路，其特征在于，所述第三开关为N沟道MOSFET。
11.如权利要求8所述的升压电路，其特征在于，在正常工作期间，所述第一和第二开关互补地导通或者关断，并且所述第三开关持续导通。
12.如权利要求8所述的升压电路，其特征在于，在调光期间，当调光使能时，所述第一和第二开关互补地导通或者关断，并且所述第三开关持续导通；当调光不使能时，所述第一开关、第二开关和第三开关均关断。
13.如权利要求8所述的升压电路，其特征在于，在需要进行短路保护或者需要将所述输入信号与所述升压电路完全切断的情况下，所述第一和第三开关关断，所述第二开关的状态是为流经所述电感的电流提供放电通路。
14.如权利要求8所述的升压电路，其特征在于，当所述输入端的电压高于所述负载上的电压时，所述第三开关工作在线性区。
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