CN102545627B - 恒流电源装置 - Google Patents

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Abstract

恒流电源装置具有：交替接通/断开开关元件(Q1)和开关元件(Q2)的第1控制电路(10)；与开关元件(Q1)的两端连接的电抗器(Lr)、一次绕组(P)、电流谐振电容器(Cri)的串联电路；负载(LED1)、电流检测电阻(R1)和开关元件(Q3)的串联电路；对电流检测电阻的电压与基准电压的误差信号进行放大的误差放大器(OP1)；以及第2控制电路(20)，该第2控制电路(20)在外部信号接通的期间，对误差信号进行采样保持，对第1控制电路输出误差信号，在外部信号从接通切换为断开之前，保持误差信号，在外部信号断开的期间，使误差放大器的放大度以规定倍率增加，对第1控制电路输出增加后的误差信号。

Description

恒流电源装置
技术领域
本发明涉及通过接通/断开例如与负载即LED串联连接的开关元件而在LED中流过恒流并使LED点亮的恒流电源装置。
背景技术
作为现有的这种技术，公知有专利文献1和专利文献2。在专利文献1所记载的LED点亮装置中，在熄灭LED时，通过设定为比LED点亮时的输出电压低的电压的预占空比来驱动开关电源，并且，接通与LED并联连接的作为假负载的旁通电路，从而流过待机电流，防止输出电压的上升。
专利文献2所记载的光照射系统具有如下的驱动部：在点亮LED的导通期间内，根据LED动作电流指示值供给动作电流，在熄灭LED时，根据待机电流指示值，在导通期间的上升之前积极供给比动作电流小的待机电流。
【专利文献1】日本特开2009-238633号公报
【专利文献2】日本特开2008-27874号公报
在专利文献1和专利文献2的技术中，在熄灭LED时必定流过规定的待机电流，从而防止输出电压的低下，点亮LED时的输出电压的上升时间延迟，抑制了输出电压上升时间内的LED动作电流未达到规定值而使LED照度临时不足的情况。
但是，在熄灭LED时流过规定的待机电流会使用额外的能量。
并且，在专利文献1中，通过切换为点亮动作时的输出电流和待机时的待机电流，降低待机时的输出电压。即，仅利用降低待机时的输出电压的反馈控制信号，通过开关动作从变压器向输出供给电力，所以，输出电压微增并上升。用于消耗基于所述开关动作的电力供给量的负载电流成为待机电流。并且，在专利文献2中，也需要待机电流，所以，推断为使用与专利文献1相同的转换器。
发明内容
本发明的课题在于，提供不流过待机电流而能够将输出电压控制为比动作时电压低的设定电压的恒流电源装置。
为了解决上述课题，本发明的恒流电源装置的特征在于，该恒流电源装置具有：直流电源；第1串联电路，其与所述直流电源的两端连接，串联连接有第1开关元件和第2开关元件；第1控制电路，其交替地接通/断开所述第1开关元件和所述第2开关元件；第2串联电路，其与所述第1开关元件或所述第2开关元件的两端连接，串联连接有电抗器、变压器的一次绕组和电流谐振电容器；整流平滑电路，其对在所述变压器的二次绕组中产生的电压进行整流平滑，输出输出电压；第3串联电路，其与所述整流平滑电路的输出两端连接，串联连接有负载、开关元件和电流检测电阻，其中，该开关元件通过来自外部信号的接通/断开信号对流过所述负载的负载电流进行接通/断开控制；误差放大器，其对所述电流检测电阻的电压与基准电压的误差信号进行放大；以及第2控制电路，其在所述外部信号接通的期间，对来自所述误差放大器的误差信号进行采样保持，对所述第1控制电路输出所述误差信号，在所述外部信号从接通切换为断开之前，保持所述误差信号，在所述外部信号断开的期间，使所述误差放大器的放大度以规定倍率变化，对所述第1控制电路输出变化后的误差信号。
根据本发明，第2控制电路在外部信号从接通切换为断开之前，保持误差信号，在外部信号断开的期间，使误差放大器的放大度以规定倍率增加或减少，所以，不流过待机电流，能够将输出电压控制为比动作时电压低的设定电压。
附图说明
图1是本发明的实施例1的恒流电源装置的结构框图。
图2是本发明的实施例1的恒流电源装置内的控制电路的结构框图。
图3是示出本发明的实施例1的恒流电源装置内的开关元件Q1、Q2的开关动作的波形图。
图4是示出全波电流谐振型DC-DC转换器的输出电压与振荡频率的关系的图。
图5是示出本发明的实施例1的恒流电源装置的各部的动作的波形图。
图6是本发明的实施例2的恒流电源装置的结构框图。
图7是示出本发明的实施例2的恒流电源装置的各部的动作的波形图。
标号说明
Vin：直流电源；10：第1控制电路；20、21：第2控制电路；23：逆变器；Q1、Q2：开关元件；T：变压器；P：一次绕组；S1：第1二次绕组；S2：第2二次绕组；D1、D2、D3：二极管；Lr：电抗器；Cri：电流谐振电容器；Crv：电压谐振电容器；ZD1：齐纳二极管；OP1、OP2：误差放大器；LED1～LED3：负载；Q3：开关元件；SW1、SW2：开关；Co、C1：电容器；R1：电流检测电阻；R2～R4：电阻；BF1、BUF1、BUF2：缓存电路；Vdim：调光信号；PC：光耦合器；OSC：振荡器；DFF：触发电路；DT1、DT2：空载时间生成电路；LST：电平位移电路。
具体实施方式
下面，参照附图详细说明本发明的实施方式的恒流电源装置。
【实施例1】
图1是本发明的实施例1的恒流电源装置的结构框图。图1所示的恒流电源装置应用于LED点亮装置，由对LED输出电流进行恒流控制的全波电流谐振电路的DC-DC转换器构成。
在图1所示的恒流电源装置中，在直流电源Vin的两端连接有由MOSFET构成的开关元件Q1和由MOSFET构成的开关元件Q2的第1串联电路。在开关元件Q1的漏极-源极间并联连接有电压谐振电容器Crv，并且，并联连接有谐振用的电抗器Lr、变压器T的一次绕组P和电流谐振电容器Cri的第2串联电路。
另外，代替开关元件Q1的漏极-源极间，电压谐振电容器Crv和第2串联电路也可以连接在开关元件Q2的漏极-源极间。
第1控制电路10根据来自反馈端子FB的反馈信号，交替地对开关元件Q1和开关元件Q2进行接通/断开控制。
变压器T的第1二次绕组S1和第2二次绕组S2串联连接，在第1二次绕组S1的一端连接有二极管D1的阳极，在第2二次绕组S2的一端连接有二极管D2的阳极。二极管D1的阴极和二极管D2的阴极与电容器Co的一端、齐纳二极管ZD1的阴极、负载LED1的阳极连接，第1二次绕组S1与第2二次绕组S2之间的连接点和电容器Co的另一端连接。
在电容器Co的两端连接有齐纳二极管ZD1、电阻R4、光耦合器PC的光电二极管的串联电路，并且连接有串联连接的负载LED1～LED3、由MOSFET构成的开关元件Q3、电流检测电阻R1的串联电路。
在开关元件Q3的栅极连接有缓存电路BF1的输出，用于点亮/熄灭负载LED1～LED3的调光信号Vdim(外部信号)经由调光端子和缓存电路BF1施加给开关元件Q3的栅极，接通/断开负载LED1～LED3。并且，调光信号Vdim对开关SW1和开关SW2进行接通/断开控制。
构成恒流误差放大器的误差放大器OP1对电流检测电阻R1的两端电压与基准电压Vref的误差电压进行放大，作为误差信号输出到开关SW1的一端。开关SW1的另一端与电容器C1的一端和误差放大器OP2的非反转入力端子连接。
误差放大器OP1、基准电压Vref、电流检测电阻R1进行负载LED1～LED3的恒流控制。为了对误差放大器OP1的信号进行采样和保持，设有误差放大器OP2、电容器C1、电阻R2、R3。
在误差放大器OP2的反转入力端子连接有电阻R2的一端、电阻R3的一端和开关SW2的一端，电阻R3的另一端和开关SW2的另一端与误差放大器OP2的输出端子和二极管D3的阳极连接。二极管D3的阴极与齐纳二极管ZD1的阳极和电阻R4的一端连接，电阻R4的另一端与光耦合器PC的光电二极管的阳极连接。
电流检测电阻R1的另一端、基准电源Vref的负极、电容器C1的另一端、电阻R2的另一端、光耦合器PC的光电二极管的阴极、电容器Co的另一端共同连接。
光耦合器PC的光电晶体管与第1控制电路10的反馈端子FB连接，由电流检测电阻R1检测到的反馈信号经由反馈端子FB输出到第1控制电路10。
开关SW1、SW2在调光信号Vdim接通时接通，在调光信号Vdim断开时断开。误差放大器OP2、开关SW1、SW2、电容器C1、电阻R2、R3构成第2控制电路。第2控制电路对来自误差放大器OP1的误差信号进行采样保持，并且对第1控制电路10输出误差信号，在调光信号Vdim从接通切换为断开之前，保持误差信号，在调光信号Vdim断开的期间，使误差放大器OP1的放大度(增益)以规定倍率增加。
接着，参照图1～图3说明实施例1的恒流电源装置的开关元件Q1、Q2的动作。
首先，当施加电源电压Vin后，通过未图示的起动电路，第1控制电路10开始动作。如图2所示，控制电路10由振荡器OSC、触发电路DFF、空载时间生成电路DT1、DT2、电平位移电路LST、缓存电路BUF1、BUF2构成。
振荡器OSC根据来自反馈端子FB的反馈信号的信号电平，产生使振荡频率变化的脉冲信号。具体而言，随着从重负载成为无负载，产生进一步提高振荡频率的脉冲信号。
触发电路DFF根据来自振荡器OSC的脉冲信号，输出交替接通/断开的能率分别为50％的2个脉冲信号。
一个脉冲信号经由空载时间生成电路DT1、缓存电路BUF1输出到低侧的开关元件Q1的栅极。另一个脉冲信号经由空载时间生成电路DT2、电平位移电路LST、缓存电路BUF2输出到高侧的开关元件Q2的栅极。即，开关元件Q1、Q2具有由空载时间生成电路DT1、DT2生成的空载时间，交替进行接通/断开。
图3示出各部的波形图。在图3中，Q2v表示开关元件Q2的漏极-源极间电压，Q2i表示开关元件Q2的漏极电流、Q1v表示开关元件Q1的漏极-源极间电压，Q1i表示开关元件Q1的漏极电流，ILr表示流过电抗器Lr的电流。图3(a)是Vin＝400V100％负载时的波形图，图3(b)是Vin＝400V0％负载时(无负载)的波形图。
首先，当开关元件Q2接通后，以Vin-Q2-Lr-P-Cri-Vin的路径流过电流Q2i。该电流Q2i成为流过变压器T的未图示的1次侧电感器Lp的励磁电流、以及经由变压器T的一次绕组P、变压器T的二次绕组S2、二极管D2、电容器Co从输出端子+Vo和-Vo供给到负载的负载电流的合成电流。
即，前者的电流成为(电抗器Lr+电感器Lp)与电流谐振电容器Cri的正弦波状的谐振电流，与开关元件Q2的接通期间相比，设为较低的谐振频率，所以，正弦波的一部分被观测为三角波状的电流。后者的电流成为出现电抗器Lr与电流谐振电容器Cri的谐振要素的正弦波状的谐振电流。
当开关元件Q2断开后，通过蓄积在变压器T中的励磁电流的能量，产生基于(电抗器Lr+电感器Lp)、电流谐振电容器Cri和电压谐振电容器Crv的电压伪谐振。基于容量少的电压谐振电容器Crv的谐振频率被观测为开关元件Q1和开关元件Q2的两端电压。
即，开关元件Q2的电流Q2i随着开关元件Q2的断开而转移到电压谐振电容器Crv，当电压谐振电容器Crv被放电到零伏时，该电流转移到开关元件Q1的内置二极管。基于蓄积在变压器T中的励磁电流的能量经由开关元件Q1的内置二极管对电压谐振电容器Cri进行充电。通过在该期间内接通开关元件Q1，能够实现开关元件Q1的零伏开关。
当开关元件Q1接通后，将电流谐振电容器Cri作为电源，以Cri-P-Lr-Q1-Cri的路径流过电流Q1i。该电流Q1i成为流过变压器T的电感器Lp的励磁电流、以及经由一次绕组P、二次绕组S1、二极管D1、电容器Co从输出端子+Vo、-Vo供给到负载的负载电流的合成电流。
即，前者的电流成为(电抗器Lr+电感器Lp)与电流谐振电容器Cri的正弦波状的谐振电流，与开关元件Q1的接通期间相比，设为较低的谐振频率，所以，正弦波的一部分被观测为三角波状的电流。后者的电流成为出现电抗器Lr与电流谐振电容器Cri的谐振要素的正弦波状的谐振电流。
当开关元件Q1断开后，通过蓄积在变压器T中的励磁电流的能量，产生基于(电抗器Lr+电感器Lp)、电流谐振电容器Cri和电压谐振电容器Crv的电压伪谐振。基于容量少的电压谐振电容器Crv的谐振频率被观测为开关元件Q1和开关元件Q2的两端电压。
即，开关元件Q1的电流Q1i随着开关元件Q1的断开而转移到电压谐振电容器Crv，当电压谐振电容器Crv被充电到电源电压Vin时，该电流转移到开关元件Q2的内置二极管。基于蓄积在变压器T中的励磁电流的能量经由开关元件Q2的内置二极管再生为直流电源Vin。通过在该期间内接通开关元件Q2，能够实现开关元件Q2的零伏开关。
另外，对图3(a)与图3(b)进行比较可知，通过控制振荡器OSC的振荡频率，能够控制输出电流。
第2控制电路20检测流过LED1～LED3的输出电流，将检测到的输出电流作为反馈信号，经由光耦合器PC、反馈端子FB送出到第1控制电路10，振荡器OSC根据反馈信号的信号电平，进行使振荡频率变化的反馈控制。
图4是示出全波电流谐振型DC-DC转换器的输出电压与振荡频率的关系的图。如图4所示，振荡频率使用比基于电抗器Lr和电流谐振电容器Cri的谐振频率fo高的频率。
接着，参照图5的波形图说明实施例1的恒流电源装置的动作。
在图5中，Vdim表示调光信号，Q3Vds表示开关元件Q3的漏极-源极间电压，ILED表示流过负载LED1～LED3的电流，SW1表示开关SW1的接通断开信号，SW2表示开关SW2的接通断开信号，OP1表示误差放大器OP1的输出电压，OP2表示误差放大器OP2的输出电压，Vc1表示电容器C1的两端电压，fre表示振荡器OSC的振荡频率，Vs1、Vs2表示第1和第2二次绕组S1、S2的两端电压，Vco表示电容器Co的两端电压。
在时刻t0中，根据调光信号Vdim，MOSFETQ3接通/断开，在负载LED1～LED3中流过接通/断开电流。在MOSFETQ3接通时，在电流检测电阻R1中流过负载电流，通过误差放大器OP1对电流检测电阻R1的两端电压与基准电压Vref进行比较。通过从误差放大器OP1的输出端子输出的误差信号，经由开关SW1对电容器C1进行充电，并且，误差信号被输入到误差放大器OP2的非反转端子。
并且，开关SW1和开关SW2与调光信号Vdim的H/L电平同步地接通/断开。因此，在调光信号Vdim的H电平时，开关SW2处于接通状态，所以，在误差放大器OP2的输出端子和非反转入力端子间连接的电阻R3由于开关SW2而短路。因此，误差放大器OP2成为以使反转入力端子电压成为与非反转入力端子电压相同的电压的方式进行动作的电压跟随器。
因此，误差放大器OP2经由二极管D3对光耦合器PC的光电二极管施加来自误差放大器OP1的误差信号，经由光耦合器PC向第1控制电路10发送误差信号。
由此，电流谐振电源电路根据来自误差放大器OP1的误差信号，将流过负载LED1～LED3的电流控制成为恒流。
另外，当流过光耦合器PC的电流增加时，振荡频率上升，成为降低输出电压的动作。当流过光耦合器PC的电流减少时，振荡频率低下，成为提高输出电压的动作。
接着，在时刻t1，当调光信号Vdim断开而成为L电平时，MOSFETQ3和开关SW1、SW2断开，流过负载LED1～LED3的电流停止。
这里，开关SW1断开，所以，电流检测电阻R1的两端电压为零伏时的来自误差放大器OP1的误差信号不输入电流谐振电源电路的第1控制电路10的反馈端子FB，而继续输入保持恒流动作时的信号的电容器C1的充电电压。
但是，开关SW2也同时处于断开状态，所以，误差放大器OP2的增益切换为基于负反馈电阻即电阻R3与反转入力端子的入力电阻R2之比的放大率。此时的误差放大器OP2的放大度(增益)为误差放大器OP1的放大度的(1+R3/R2)倍。因此，电容器C1的充电电压被放大(1+R3/R2)倍后施加给光耦合器PC的光电二极管。因此，电流谐振电源电路被控制成为恒流动作时的输出电压的1/(1+R3/R2)倍的输出电压。
电流谐振电源电路的动作如上所述，在控制成为恒流动作时的输出电压的1/(1+R3/R2)倍的输出电压时，通过提高振荡频率来抑制电力供给。
即，当放大(1+R3/R2)倍后的电容器C1的充电电压施加给光耦合器PC时，流过光耦合器PC的电流增加。于是，振荡器OSC的振荡频率上升，在开关元件Q2接通时对电流谐振电容器Cri充电的电压降低。并且，变压器T的1次绕组P的施加电压也低下，所以，2次绕组电压降低到规定电压。
这与在现有技术中公开的在开关时进行电力供给的动作不同，能够将2次绕组电压本身控制为恒定。在从2次绕组向输出供给电力的情况下，需要成为比输出平滑电容器Co的充电电压+二极管D1、D2的正方向电压高的电压。
因此，即使调光信号Vdim断开而成为待机状态动作，也不需要停止电流谐振电路的振荡动作。在调光信号Vdim的断开时间较长的时刻t1～t3中如下进行控制：在时刻t2，由于输出平滑电容器Co自身所具有的漏电流，输出平滑电容器Co的充电电压Vco逐渐放电，在降低到恒流动作时的1/(1+R3/R2)倍的输出电压时，保持所述电压Vco。
由此，不流过待机电流，在时刻t3在调光信号Vdim从断开反转为接通时，输出电压的上升也高效地提前(时刻t3～t4)，能够流过恒定值的负载电流。
接着，在时刻t5～t6中，在输入了周期较短的调光信号Vdim的情况下，在未达到所述输出平滑电容器Co的放电之前，大致保持输出电压Vnom，转移到时刻t6的调光信号Vdim的接通动作。
另外，齐纳二极管ZD1具有如下的过电压保护功能：在输出电压异常上升的情况下进行抑制，以使其不会成为超过齐纳二极管ZD1的齐纳电压的输出电压。
这样，根据实施例1的恒流电源装置，第2控制电路20在调光信号Vdim从接通切换为断开之前，保持误差信号，在调光信号Vdim断开的期间，使误差放大器OP1的放大度以规定倍率增加，所以，不流过待机电流，能够将输出电压控制为比动作时电压低的设定电压。
【实施例2】
图6是本发明的实施例2的恒流电源装置的结构框图。实施例2的恒流电源装置相对于实施例1的恒流电源装置，交换误差放大器OP1的反转入力端子、非反转入力端子。在开关SW1与开关SW2之间设置逆变器23，逆变器23使开关SW2的接通/断开与开关SW1的接通/断开反转。
在电源Vcc与误差放大器OP2的输出端子之间连接有光耦合器PC的光电二极管和电阻R4的串联电路。即，利用来自误差放大器OP2的输出的拉电流来驱动光耦合器PC。
伴随这些变更，在调光信号接通时，误差放大器OP2的放大率为(1+R3/R2)倍，控制输出电流，在调光信号断开时，误差放大器OP2的放大率为1倍，使流过光耦合器PC的电流增加，控制输出电压。
接着，参照图7说明实施例2的恒流电源装置的动作。
在时刻t10中，基本上与实施例1的恒流电源装置的图5所示的时刻t0中的动作相同，所以，仅说明不同的动作。
在时刻t10中，开关SW1和开关SW2与调光信号Vdim的H/L电平同步地接通/断开。因此，在调光信号Vdim的H电平时，开关SW2处于断开状态，所以，在误差放大器OP2的输出端子和非反转入力端子间连接的电阻R3由于开关SW2而开放。因此，调光信号Vdim的H电平时的误差放大器OP2的放大率为(1+R3/R2)倍，对光耦合器PC的电流进行控制。
由此，电流谐振电源电路根据误差放大器OP1的误差信号，将流过负载LED1～LED3的电流控制成为恒流。
接着，在时刻t11中，当调光信号Vdim断开而成为L电平时，MOSFETQ3和开关SW1断开、SW2接通，流过负载LED1～LED3的电流停止。
这里，开关SW1从接通反转为断开，所以，电流检测电阻R1的两端电压为零伏时的来自误差放大器OP1的误差信号不输入电流谐振电源电路的反馈端子FB，而继续输入保持恒流动作时的信号的电容器C1的充电电压。
但是，开关SW2同时从断开成为接通状态，所以，电阻R3短路，误差放大器OP2的输出端子与反转端子间短路。因此，误差放大器OP2成为以使反转入力端子电压成为与非反转入力端子电压相同的电压的方式进行动作的电压跟随器。
因此，误差放大器OP2的放大率从基于负反馈电阻即电阻R3与反转入力端子的入力电阻R2之比的放大率(1+R3/R2)切换为电压跟随器的1倍。因此，误差放大器OP2输出电容器C1的充电电压的1/(1+R3/R2)倍的电压。
即，误差放大器OP2的输出电压低下，所以，对光耦合器PC和电阻R4的串联电路施加电压Vcc与误差放大器OP2的输出电压的差分电压，所以，在光耦合器PC中流过(1+R3/R2)倍的电流。
于是，振荡器OSC的振荡频率上升，在开关元件Q2接通时对电流谐振电容器Cri充电的电压降低。并且，变压器T的1次绕组P的施加电压也低下，所以，2次绕组电压降低到规定电压。
即，以与光耦合器PC的电流成反比例的方式控制电流谐振电源电路，所以，控制成为调光信号Vdim接通的恒流动作时的输出电压的1/(1+R3/R2)倍的输出电压。
这样，根据实施例2的恒流电源装置，第2控制电路21在调光信号Vdim从接通切换为断开之前，保持误差信号，在调光信号Vdim断开的期间，使误差放大器OP1的放大度以规定倍率减少，所以，不流过待机电流，能够将输出电压控制为比动作时电压低的设定电压。即，仅变更第2控制电路21及其周边电路，能够得到与实施例1的恒流电源装置相同的效果。
【产业上的可利用性】
本发明能够应用于LED点亮装置、LED照明装置等。

Claims (3)

1.一种恒流电源装置，其特征在于具有：
直流电源；
第1串联电路，其与所述直流电源的两端连接，由第1开关元件和第2开关元件串联连接而成；
第1控制电路，其交替地接通/断开所述第1开关元件和所述第2开关元件；
第2串联电路，其与所述第1开关元件或所述第2开关元件的两端连接，由电抗器、变压器的一次绕组和电流谐振电容器串联连接而成；
整流平滑电路，其对在所述变压器的二次绕组中产生的电压进行整流平滑，输出输出电压；
第3串联电路，其与所述整流平滑电路的输出两端连接，由负载、开关元件和电流检测电阻串联连接而成，其中，该开关元件通过来自外部信号的接通/断开信号对流过所述负载的负载电流进行接通/断开控制；
误差放大器，其对所述电流检测电阻的电压与基准电压之间的误差信号进行放大；以及
第2控制电路，其在所述外部信号接通的期间，对来自所述误差放大器的误差信号进行采样保持，对所述第1控制电路输出所述误差信号，在所述外部信号从接通切换为断开之前，保持所述误差信号，在所述外部信号断开的期间，使所述误差放大器的放大度以规定倍率变化，对所述第1控制电路输出变化后的误差信号，其中，该规定倍率大于1，
所述第2控制电路在所述外部信号断开的期间使所述误差放大器的放大度变化，根据大于1的所述规定倍率，将所述整流平滑电路的输出电压设定得低。
2.根据权利要求1所述的恒流电源装置，其特征在于，
所述第1控制电路根据来自所述第1控制电路的所述误差信号的信号电平，使用于交替地接通/断开所述第1开关元件和所述第2开关元件的频率变化，从而控制所述负载电流。
3.根据权利要求1或2所述的恒流电源装置，其特征在于，
所述负载是LED。
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