CN103026787A - 用于为至少一个led提供电流的方法和降压变换器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于为至少一个LED（D2至D5）提供电流的降压变换器，在所述降压变换器中设有两个分流电阻（R3，R2），以便接通和断开辅助开关（Q₄₅，Q3）进而随后接通和断开降压主开关（Q2）。两个分流电阻（R3，R2）设置成使得负载电流仅在降压变换器的续流阶段中流过所述两个分流电阻中的一个（R2），而负载电流在充电阶段和续流阶段中均流过另一个分流电阻（R3）。此外，本发明涉及一种用于为至少一个LED（D2至D5）提供电流（I_LED）的相应的方法。

Description

用于为至少一个LED提供电流的方法和降压变换器

技术领域

本发明涉及一种用于为至少一个LED提供电流的降压变换器，所述降压变换器具有带有第一和第二输入端子以用于与直流电源耦合的输入端、带有第一和第二输出端子以用于与至少一个LED耦合的输出端、降压二极管、降压扼流圈和具有控制电极、工作电极和参考电极的降压主开关、和具有控制电极、工作电极和参考电极的第一辅助开关，其中第一辅助开关的控制电极与下述节点耦合，在电路装置工作时能够在所述节点上提供第一电压，所述第一电压与提供到至少一个LED上的电流相关，其中降压主开关和降压二极管串联地耦合到第一和第二输入端子之间，其中降压扼流圈耦合到一方面降压二极管和降压主开关的连接点和另一方面第一输出端子之间。此外，本发明涉及一种用于为至少一个LED提供电流的相应的方法。

背景技术

随着LED在普通照明的广阔领域中的推进，出现对用于所述构件的简单的和低成本的供电电路的大的需求。同时存在针对这种要求设计的多个特别的集成电路。在此仅示例性地提出松下公司的模块LM3402和凌力尔特公司的模块LT3474。然而，这种集成电路对批量生产中的应用而言通常是过于昂贵和过于不灵活的。因此，存在用于至少一个LED的尽可能低成本的供电电路的需求。用于为至少一个LED提供电流的低成本的降压变换器从WO2009/089912A1中已知。这种降压变换器实现极其低的实现成本和空间需求，所述空间需求低于在通过集成电路实现的情况下的相应的对比尺寸。

从WO2008/132658A1中已知自由振荡的电路装置，然而所述电路装置与已提到的WO2009/089912相反仅能够在临界导通模式中或在转换模式中工作。所述参考文献教导了放大晶体管在控制半导体和功率开关半导体之间的应用，其中这没有表示不同于用于断开功率开关半导体的双极型晶闸管仿真。

从WO2008/001246A1中已知一种用于使具有恒定电流的负载运行的电路装置。所述电路装置包括电压传感器，所述电压传感器影响控制电路，使得补偿输出电压的变化对输出电流的平均值的影响。

US2007/0013323A1涉及用于提供到LED上电流的控制电路并且示出用于在连续模式中使LED运行的降压变换器的基本结构。

关于其他现有技术参考Kelvin Ka-Shing Leung,Henry Shu-HungChung的“Dynamic Hysteresis Band Control of the Buck Converterwith Fast Transient Response”，IEEE TRANSACTIONS ONCIRCUITS AND SYSTEMS-II：EXPRESS BRIEFS，卷52，第7期，2005年七月。

发明内容

因此，本发明的目的在于改进从WO2009/089912A1中已知的降压变换器和用于为至少一个LED提供电流的相应的方法，使得在提高降压变换器的效率的同时，更加低成本地实现所述降压变换器和方法。

本发明基于下述知识，在适当激励的情况下，由唯一的辅助开关来替换WO2009/089912A1中的第一和第二辅助开关。这使得更加低成本地实现这种降压变换器。此外，如同以下更详细地描述，降压变换器的效率提高，因为在根据本发明的实现方案中两个电流测量分流器的电阻的总值与从WO2009/089912A1中已知的解决方案相比能够保持得更小。

因此根据本发明提出，第一辅助开关的参考电极与第二节点耦合，在电流装置工作时能够在所述第二节点上提供第二电压，所述第二电压与提供到至少一个LED上的电流相关，其中第一辅助开关与降压主开关耦合，使得通过第一电压确定降压主开关的断开时间点和通过第一和第二电压的总和确定降压主开关的接通时间点。

在一个优选的实施形式中，将第一和第二电压的总和耦合到第一辅助开关的控制电极和参考电极之间。

一个优选的实施形式的特征在于，第一和第二电压的大小确定为，使得第一辅助开关在降压变换器的续流阶段中从导通状态转入到截止状态中。因此，提供在欧姆电阻处分接出第一电压和第二电压的可能性，所述欧姆电阻在降压变换器的续流阶段中都由相同的电流流过。由此，辅助开关转入到截止状态中的时刻能够以极其简单的方式通过确定分接有相应的电压的欧姆电阻的大小来进行调节。

因此优选地，降压变换器还包括第一分流电阻以及第二分流电阻，其中降在第一分流电阻上的电压是第一电压，并且其中降在第二分流电阻上的电压是第二电压。如同已经提到的，因此能够通过简单地确定分流电阻的大小来确定：何时接通和断开降压主开关。由此，以简单的方式确定提供到至少一个LED上的电流的最大值和最小值。

优选地，第一分流电阻设置成，使得其至少在降压变换器的充电阶段中由提供到至少一个LED上的电流流过。尤其优选地，所述第一分流电阻不仅在降压变换器的充电阶段中而且在降压变换器的续流阶段中由提供到至少一个LED上的电流流过。在本文中，在一个优选的实施例中，第一分流电阻耦合到第二输出端子和参考电势之间。因为在降压变换器的充电阶段中还没有电流在设置有降压二极管的支路中流动，所以第一分流电阻的这种设置实现对提供到至少一个LED上的电流的最大值进行调节。通过将第一分流电阻定位到第二输出端子和参考电势之间，第一电压与参考电势相关并且实现尤其简单地耦合到辅助开关上。

优选地，第二分流电阻设置成，使得其在降压变换器的续流阶段中，然而不在降压变换器的充电阶段中，由提供到至少一个LED上的电流流过。在本文中尤其有利的是，第二分流电阻耦合到降压二极管和参考电势之间。在此也得出下述优点，当辅助开关同样与参考电势耦合时，能够将第二电压尤其简单地耦合到辅助开关上。

在一个优选的实施例中，第一分流电阻大于第二分流电阻。由此，两个分流电阻能够由相同的电流流过并且仍然确保，在降压变换器的续流阶段中，第一电压大于第二电压。因此，第一分流电阻确定提供到LED上的电流的最大值，而第一和第二分流电阻的总和确定提供到LED上的电流的最小值。

根据一个改进形式，降压变换器包括第二辅助开关，所述第二辅助开关具有控制电极、参考电极和工作电极，其中第二辅助开关的参考电极与参考电势耦合，其中第二辅助开关的工作电极与降压主开关的控制电极耦合，其中第二辅助开关的控制电极与第一辅助开关的工作电极耦合。通过该措施，第一辅助开关首先激励第二辅助开关，所述第二辅助开关又控制降压主开关。在此优选的是，第二辅助开关的控制电极经由欧姆电阻与第一输出端子耦合。由此确保第二辅助开关在直流电源电压被施加到降压变换器的输入端上时接通降压主开关，以便实现根据本发明的降压变换器的起动。

此外优选地，降压主开关的控制电极经由欧姆电阻与第一输入端子耦合。由此，只要降压主开关构成为双极型晶体管，就加速了所述降压主开关的基极的耗尽。由此实现更短的开关时间。

其他优选的实施形式在从属权利要求中得出。

参考根据本发明的降压变换器所提出的优选的实施形式和其优点，只要是可应用的，就相应地适用于根据本发明的方法。

附图说明

从现在开始，以下参考附图详细地描述根据本发明的降压变换器的实施例，所述附图以示意图示出根据本发明的降压变换器的实施例。

具体实施方式

图1以示意图示出根据本发明的降压变换器的实施例。所述降压变换器具有输入端，所述输入端具有第一输入端子E1和第二输入端子E2，目前为24V的低压直流电源V1耦合在所述第一输入端子和所述第二输入端子之间。尽管以下用从例如能够构成为电池的这种低压直流电源供电的实例来描述本发明，但能够容易地通过在上游连接本领域技术人员长期已知的装置而由电网电压（100至230V）进行供电。

输入端子E2与参考电势耦合。将降压主开关Q2、降压二极管D1以及欧姆电阻R2的串联电路耦合到第一输入端子E1和第二输入端子E2之间。将降压扼流圈L1耦合到一方面降压主开关Q2和降压二极管D1的连接点和另一方面第一输出端子A1之间。将多个LED D2至D5耦合到输出端子A1和第二输出端子A2之间。将欧姆电阻R3耦合到输出端子A2和参考电势之间。降在欧姆电阻R3上的电压经由欧姆电阻R7耦合到辅助开关Q₄₅的基极上，所述辅助开关的发射极经由与降压二极管D1串联地耦合的欧姆电阻R2同样与参考电势连接。第一辅助开关Q₄₅的集电极经由欧姆电阻R4与第一输入端子E1耦合。欧姆电阻R4与辅助开关Q₄₅的集电极耦合的节点与第二辅助开关Q3的控制电极耦合。辅助开关Q3的发射极与参考电势耦合。与第二辅助开关Q3的控制电极-参考电极的路径并联地耦合电容器C1。将欧姆电阻R8连接到降压主开关Q2的基极和第一输入端子E1之间。此外，将欧姆电阻R1和电容器C2的并联电路耦合到降压主开关Q2的基极和第二辅助开关Q3的集电极之间。

关于工作原理：在将直流电源V1施加到第一输入端子E1和第二输入端子E2之间后，第二辅助开关Q3经由欧姆电阻R4切换到导通状态下。通过从第二辅助开关Q3的集电极流到发射极的电流，经由欧姆电阻R1和电容器C2的并联电路将降压主开关Q2切换到导通状态下。降压变换器的充电阶段开始。在此，电流经由降压主开关Q2流过降压扼流圈L1、LED D2至D5，经由欧姆电阻R3和参考电势流回到输出端子E2。只要二极管D1截止，第一辅助开关Q₄₅的发射极就位于参考电势上。通过负载电流I_LED的增加，降在欧姆电阻R3上的电压U_R3升高直到其超过第一辅助开关Q₄₅的大约0.6V的基极-发射极阈值电压时引起将第一辅助开关Q₄₅切换到导通状态下。由此，之前经由欧姆电阻R4提供到第二辅助开关Q3上的基极电流经由第一辅助开关Q₄₅导向参考电势。由此，第二辅助开关Q3转入到非导通状态中，由此因而断开降压主开关Q2。降压变换器的续流阶段开始。

在续流阶段中，电流从参考电势经由欧姆电阻R2、降压二极管D1、降压扼流圈L1以及LED D2至D5和欧姆电阻R3流回到参考电势。通过降在欧姆电阻R2上的电压U_R2，首先第一辅助开关Q₄₅仍导通。因为现在电流I_LED由于降压扼流圈L1的退磁而减小，第一辅助开关Q₄₅的基极-发射极电压U_BE降低，所述电压如下所示：

U_BE（Q₄₅）=（R2+R3）·I_LED

如果Q3的电压U_BE降低到0.6V的阈值电压以下，那么第一辅助开关Q₄₅转入到截止状态中。由此，第二辅助开关Q3能够经由欧姆电阻R4重新接通，由此因而接通降压主开关Q2。

因此，电流I_LED的上限值确定成：

I_LEDmax=U_BEF（Q₄₅）/R3

并且LED电流的下限值确定成：

I_LEDmin=U_BEF（Q₄₅）/（R2+R3）

三角波形的电流I_LED的频率通过输入电压V1、降在LED D2至D5上的电压、降压扼流圈L1的电感以及最小的I_LEDmin和最大的LED电流I_LEDmax的限值来确定。

开关Q₄₅在基极电路中运行，所述基极电路是三个基本电路中最快的。因此，为开关Q2和Q3选择快速的类型也是有意义的。在本文中，开关Q2能够适当地构成为MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管）。降压变换器的开关的高的连续切换速度能够结合电感器L1的结构尺寸的减小来实现效率的进一步提高和/或更高的切换频率。

与WO2009/089912的降压变换器相比，本降压变换器的欧姆电阻R2为：

R2（本发明）=R2（WO2009/089912）-R3（WO2009/089912）

因此，欧姆电阻R2的数值与欧姆电阻R2的从WO2009/089912中已知的数值相比明显减小。这导致显著更小的损耗，由此本降压变换器的效率高于已知的降压变换器的效率。在本文中能够特别指出，欧姆电阻由负载电路电流I_LED流过，使得电阻值的已最小的下降引起效率的增加。

Claims (13)

1.用于为至少一个LED（D1至D5）提供电流的降压变换器，具有

-输入端，所述输入端具有第一输入端子（E1）和第二输入端子（E2）以用于与直流电源（V1）耦合；

-输出端，所述输出端具有第一输出端子（A1）和第二输出端子（A2）以用于与所述至少一个LED（D2至D5）耦合；

-降压二极管（D1）、降压扼流圈（L1）和降压主开关（Q2），所述降压主开关具有控制电极、工作电极和参考电极；和

-第一辅助开关（Q₄₅），所述第一辅助开关具有控制电极、工作电极和参考电极，

其中所述第一辅助开关（Q₄₅）的所述控制电极与下述节点耦合，在电路装置工作时在所述节点上能够提供第一电压（U_R3），所述第一电压与提供到所述至少一个LED（D2至D5）上的电流（I_LED）相关，

其中所述降压主开关（Q2）和所述降压二极管（D1）串联地耦合到所述第一输入端子（E1）和所述第二输入端子（E2）之间，其中所述降压扼流圈（L1）耦合到一方面所述降压二极管（D1）和所述降压主开关（Q2）的连接点和另一方面所述第一输出端子（A1）之间；

其特征在于，

所述第一辅助开关（Q₄₅）的所述参考电极与第二节点耦合，在所述电路装置工作时在所述第二节点上能够提供第二电压（U_R2），所述第二电压与提供到所述至少一个LED（D2至D5）上的所述电流（I_LED）相关，

其中所述第一辅助开关（Q₄₅）与所述降压主开关（Q2）耦合，使得通过所述第一电压（U_R3）确定所述降压主开关（Q2）的断开时间点和通过所述第一电压（U_R3）和所述第二电压（U_R2）的总和确定所述降压主开关（Q2）的接通时间点。

2.根据权利要求1所述的降压变换器，

其特征在于，

所述第一电压（U_R3）和所述第二电压（U_R2）的大小确定为，使得所述第一辅助开关（Q₄₅）在所述降压变换器的续流阶段中从导通状态转入到截止状态中。

3.根据权利要求1或2之一所述的降压变换器，

其特征在于，

将所述第一电压（U_R3）和所述第二电压（U_R2）的总和耦合到所述第一辅助开关（Q₄₅）的所述控制电极和所述参考电极之间。

4.根据上述权利要求之一所述的降压变换器，

其特征在于，

所述降压变换器还包括：

-第一分流电阻（R3）；以及

-第二分流电阻（R2），

其中降在所述第一分流电阻（R3）上的电压为所述第一电压（U_R3），和其中降在所述第二分流电阻（R2）上的电压为所述第二电压（U_R2）。

5.根据权利要求4所述的降压变换器，

其特征在于，

所述第一分流电阻（R3）设置成，使得至少在所述降压变换器的充电阶段中，提供到所述至少一个LED（D2至D5）上的所述电流（I_LED）流过所述第一分流电阻。

6.根据权利要求5所述的降压变换器，

其特征在于，

所述第一分流电阻（R3）耦合到所述第二输出端子（A2）和参考电势之间。

7.根据权利要求4至6之一所述的降压变换器，

其特征在于，

所述第二分流电阻（R2）设置成，使得在所述降压变换器的所述续流阶段中，然而不在所述降压变换器的所述充电阶段中，提供到所述至少一个LED（D2至D5）上的所述电流（I_LED）流过所述第二分流电阻。

8.根据权利要求7所述的降压变换器，

其特征在于，

所述第二分流电阻（R2）耦合到所述降压二极管（D1）和参考电势之间。

9.根据权利要求4至8之一所述的降压变换器，

其特征在于，

所述第一分流电阻（R3）大于所述第二分流电阻（R2）。

10.根据上述权利要求之一所述的降压变换器，

其特征在于，

所述降压变换器包括第二辅助开关（Q3），所述第二辅助开关具有控制电极、参考电极和工作电极，其中所述第二辅助开关（Q3）的所述参考电极与参考电势耦合，其中所述第二辅助开关（Q3）的所述工作电极与所述降压主开关（Q2）的所述控制电极耦合，其中所述第二辅助开关（Q3）的所述控制电极与所述第一辅助开关（Q₄₅）的所述工作电极耦合。

11.根据上述权利要求之一所述的降压变换器，

其特征在于，

所述第二辅助开关（Q3）的所述控制电极经由欧姆电阻（R4）与所述第一输入端子（E1）耦合。

12.根据上述权利要求之一所述的降压变换器，

其特征在于，

所述降压主开关（Q2）的所述控制电极经由欧姆电阻（R8）与所述第一输入端子（E1）耦合。

13.用于借助于降压变换器为至少一个LED（D2至D5）提供电流的方法，所述降压变换器包括：输入端，所述输入端具有第一输入端子（E1）和第二输入端子（E2）以用于与直流电源（V1）耦合；输出端，所述输出端具有第一输出端子（A1）和第二输出端子（A2）以用于与所述至少一个LED（D2至D5）耦合；降压二极管（D1）、降压扼流圈（L1）和降压主开关（Q2），所述降压主开关具有控制电极、工作电极和参考电极；以及第一辅助开关（Q₄₅），所述第一辅助开关具有控制电极、工作电极和参考电极，其中所述第一辅助开关（Q₄₅）的所述控制电极与下述节点耦合，电路装置工作时在所述节点上能够提供第一电压（U_R3），所述第一电压与提供到所述至少一个LED（D2至D5）上的电流（I_LED）相关，其中所述降压主开关（Q2）和所述降压二极管（D1）串联地耦合到所述第一输入端子（E1）和所述第二输入端子（E2）之间，其中所述降压扼流圈（L1）耦合到一方面所述降压二极管（D1）和所述降压主开关（Q2）的连接点和另一方面所述第一输出端子（A1）之间；

所述方法包括以下步骤：

a）将所述第一辅助开关（Q₄₅）与所述降压主开关（Q2）耦合；

b）将所述第一电压（U_R3）输送到所述第一辅助开关（Q₄₅）的所述控制电极上；和

c）将第二电压（U_R2）输送到所述第一辅助开关（Q₄₅）的所述参考电极上，所述第二电压与提供到所述至少一个LED（D2至D5）上的所述电流（I_LED）相关；

其中在步骤a）中所述第一辅助开关（Q₄₅）与所述主开关（Q2）耦合，使得通过所述第一电压（U_R3）确定所述降压主开关（Q2）的断开时间点，和通过所述第一电压（U_R3）和所述第二电压（U_R2）的总和确定所述降压主开关（Q2）的接通时间点。

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