CN103259437B

CN103259437B - 负载驱动器和用于减小负载驱动器的输出纹波电流的方法

Info

Publication number: CN103259437B
Application number: CN201210034241.9A
Authority: CN
Inventors: 魏泽科; 米凯莱·梅内加齐; 张泉; 张玉平
Original assignee: Osram Co Ltd
Current assignee: Optoelectronics Co Ltd
Priority date: 2012-02-15
Filing date: 2012-02-15
Publication date: 2017-05-10
Anticipated expiration: 2032-02-15
Also published as: WO2013120768A1; CN103259437A; EP2815492B1; EP2815492A1

Abstract

本发明公开了一种负载驱动器和用于减小负载驱动器的输出纹波电流的方法。所述负载驱动器包括：直流‑直流变换器，该直流‑直流变换器具有第一输出端和第二输出端；反相纹波电流生成电路，该反相纹波电流生成电路连接到第二输出端，且被配置为生成第二电流，该第二电流的纹波电流的相位与第一输出端的第一电流的纹波电流的相位相反，其中第一电流和第二电流合并成为输出电流，以驱动负载，其中，反相纹波电流生成电路包括线性稳压器，线性稳压器的输出端耦接到第一输出端，输入端耦接到第二输出端。

Description

负载驱动器和用于减小负载驱动器的输出纹波电流的方法

技术领域

本发明总体上涉及负载驱动器领域，具体来说，涉及一种减小输出纹波电流的负载驱动器。本发明还涉及一种用于减小负载驱动器的输出纹波电流的方法。

背景技术

对于采用直流供电的负载，供电电流的纹波电流的大小对于负载的工作状态、效率等会产生重要影响。如何减小负载驱动器的输出纹波电流一直以来是研究的热点。特别地，发光二极管(LED)作为一种采用直流驱动的新型绿色照明光源已得到了越来越广泛的应用，LED具有节能、环保、寿命长等优点。由于其驱动方式不同于采用交流供电的普通白炽灯，通常需要有能够输出直流电流的驱动器来保证其正常工作。因此，高性能、小型化的驱动器的开发成为该领域的一个重要课题。

为了提高功率因数以达到实际应用的标准(例如，美国“能源之星”商业及住宅照明应用要求)，可采用功率因数校正电路。单级反激式功率因数校正电路是LED驱动器的芯片级和流行的解决方案，如图1所示，它可以仅采用单级来实现高功率因数和高效率。相比于传统的两级功率因数校正电路，具有电路拓扑简单和成本低的优点。但是，该电路具有一个显著的缺点，即输出纹波电流很大，通常需要大的电解电容器来减小纹波，否则在一些应用中会出现问题。例如，由于纹波电流的频率为工频的两倍，在纹波电流很大的情况下，虽然人眼感觉不到灯光闪烁，但是在室内应用中，有些照相机可以捕捉到这种频率的纹波。但是，电解电容器的体积通常较大，对于大小受限的LED驱动器而言，如何容纳若干个大尺寸的电容器是一个挑战。

发明内容

鉴于以上问题，作出了本发明。需要说明的是，虽然本发明针对上述问题而提出，但是本领域的技术人员应该理解，本发明所提出的负载驱动器和减小负载驱动器的输出纹波电流的方法不限于与发光二极管结合使用，而是可以适当地用于任何其他有类似要求的负载或场合。同样，本领域的技术人员应该理解，本发明不限于应用于单级反激式功率因数校正电路。

具体地，本发明意在提出一种减小输出纹波电流的负载驱动器以及减小负载驱动器的输出纹波电流的方法。

根据本发明的一个方面，提出了一种负载驱动器，包括：直流-直流变换器，所述直流-直流变换器具有第一输出端和第二输出端；反相纹波电流生成电路，所述反相纹波电流生成电路连接到所述第二输出端，且被配置为生成第二电流，所述第二电流的纹波电流的相位与所述第一输出端的第一电流的纹波电流的相位相反，其中所述第一电流和所述第二电流合并成为输出电流，以驱动负载，其中，反相纹波电流生成电路包括线性稳压器，线性稳压器的输出端耦接到第一输出端，输入端耦接到第二输出端。

根据本发明的另一个方面，提出了一种用于减小负载驱动器的输出纹波电流的方法，其特征在于：在直流-直流变换器的第一输出端处生成第一电流；使用反相纹波电流生成电路生成第二电流，反相纹波电流生成电路连接到直流-直流变换器的第二输出端，所述第二电流的纹波电流的相位与所述第一电流的纹波电流的相位相反；所述第一电流和所述第二电流合并成为输出电流，以驱动负载，其中，反相纹波电流生成电路包括线性稳压器，线性稳压器的输出端耦接到第一输出端，输入端耦接到第二输出端。

通过以下结合附图对本发明的优选实施例的详细说明，本发明的这些以及其他优点将更加明显。

附图说明

为了进一步阐述本发明的以上和其它优点和特征，下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。所述附图连同下面的详细说明一起包含在本说明书中并且形成本说明书的一部分。应当理解，这些附图仅描述本发明的典型示例，而不应看作是对本发明的范围的限定。在附图中：

图1是现有技术的采用单级反激式功率因数校正电路的发光二极管(LED)驱动器的电路图；

图2是根据本发明的一个实施例的负载驱动器的结构框图；

图3是根据本发明的一个实施例的反相纹波电流生成电路的结构框图；

图4是根据本发明的一个实施例的LED驱动器的电路图；

图5是采用图4的驱动器驱动LED时的输出纹波电流的波形图；

图6是采用图1的驱动器驱动LED时的输出纹波电流的波形图；以及

图7是根据本发明的另一个实施例的反相纹波电流生成电路的电路图。

具体实施方式

在下文中将结合附图对本发明的示例性实施例进行描述。为了便于说明，在所描述的示例性实施例中采用发光二极管(LED)作为负载，并且该LED的驱动器为单级反激式功率因数校正电路驱动器。但是应当明白，本发明所应用的负载和驱动器结构不限于此，这里所描述的实施例只是用于说明，而不构成对本发明的限制。本发明的范围仅由所附权利要求及其等效含义来限定。

首先参照图2，根据本发明的一个实施例的负载驱动器100包括直流-直流(DC-DC)变换器101和反相纹波电流生成电路102。其中，DC-DC变换器101接收经整流的电源输入，以将其变换到负载所要求的电压和电流水平。该DC-DC变换器101具有第一输出端和第二输出端，其中第一输出端输出第一电流，第二输出端连接至反相纹波电流生成电路102，以便为该电路供电。反相纹波电流生成电路102被配置为生成第二电流，第二电流的纹波电流的相位与第一电流的纹波电流的相位相反，从而使得第一电流和第二电流合并得到的输出电流的纹波电流由于相消而减小。所得到的具有较小的纹波电流的输出电流用于驱动负载。

在图2中，根据所应用的场合，可以采用各种DC-DC变换器，例如正激式变换器、反激式变换器等。所采用的DC-DC变换器的参数也根据具体的应用而确定。但是这不涉及本发明的主题，在此不作详细讨论。

另外，图2的负载驱动器100可以用于驱动各种负载。具体地，可以用于驱动各种恒流装置，例如LED等。

在本发明的一个实施例中，DC-DC变换器101的第一输出端和第二输出端分别通过第一电容器和第二电容器接地，以用于滤波。特别地，其中第一电容器为电解电容器。而第二电容器可以为电容值很小的普通电容器。

图2中的反相纹波电流生成电路102可以被配置为包括集成电路芯片、分立电阻器、分立电容器等电路元件。下面将参照图3描述根据本发明的一个实施例的反相纹波电流生成电路的结构。

在图3中，反相纹波电流生成电路102被配置为包括线性稳压器121、第一电阻器122和第二电阻器123。线性稳压器121被配置为使第一电阻器122和第二电阻器123上的电压降为常数值。线性稳压器121的输出端耦接到所述第一输出端，输入端耦接到所述第二输出端。

应注意，此处所使用的“耦接”被限定为表示在两个或更多电路对象之间没有任何插入电路对象的直接连接，以及在两个或更多电路对象之间通过一个或更多插入电路对象实现的间接连接。例如，两个彼此直接连接的电路对象被称为彼此“耦接”。同样的两个电路对象若其间连接有一个或更多插入电路对象则也被称为彼此“耦接”。

具体地，第一电阻器122的两端分别连接到线性稳压器121的输出端和第一输出端，第二电阻器123的两端分别连接到第一输出端和负载。下面参照图3具体说明该电路如何产生反相纹波电流。

如图3所示，假定来自第一输出端的第一电流的纹波电流为Delta_Iout，由反相纹波电流生成电路102生成的电流的纹波电流为Delta_Ido。由于线性稳压器121被配置为使得第一电阻器122和第二电阻器123上的电压降为常数值，即电压的波动可以忽略不计。因此，第一电流的纹波电流Delta_Iout和反相纹波电流生成电路生成的电流的纹波电流Delta_Ido满足下式(1)：

(Delta_Iout+Delta_Ido)×R3+Delta_Ido×R2＝0 (1)

其中，R2为第一电阻器122的电阻值，R3为第二电阻器123的电阻值。对上式作简单的线性变换，可以得到关系式(2)：

Delta_Iout/Delta_Ido＝-(R2+R3)/R3 (2)

由式(2)可以看出，反相纹波电流生成电路102生成的电流的纹波电流Delta_Ido的相位与第一电流的纹波电流Delta_Iout的相位相反。因此，合并后的到负载的输出电流由于纹波电流的相消而具有减小的纹波电流。

由式(2)还可以看出，第一电阻器122和第二电阻器123的电阻值的比例决定了输出电流的纹波电流的大小。实际应用中，可以根据负载所要求的纹波电流的大小以及电源效率来确定其电阻值。

另外，线性稳压器121可以采用已有的多种线性稳压器芯片来配置，例如LM 317、LT 3085或UTC 317等。线性稳压器121和电阻器122、123可以是表面贴装器件(SMD)，也可以是插件。

在本发明的一个实施例中，采用LM 317来配置反相纹波电流生成电路102，且采用LED作为负载，如图4所示。应当理解，图4所示的电路配置仅是本发明的一个具体示例，而不是对本发明的限制。

图4所示的LED驱动器包括功率因数校正电路、反激式变换器电路以及反相纹波电流生成电路。其中，为了不模糊本发明而简略给出了功率因数校正电路的配置，其中集成电路IC可以采用现有技术的任何能够实现功率因数校正功能的电路或模块，例如，图1中所示的ST(意法半导体)公司的芯片L 6561、TI(德州仪器)公司的TPS 92210、TI公司的UCC28810和UCC 28811等。这在现有技术中是已知的，在此不再详细描述。

功率因数校正电路和反激式变换器电路共用一个金属氧化物半导体场效应管(MOSFET)Q1，构成具有单级反激式功率因数校正电路的LED驱动器结构。如图4所示，电路中还包括与功率因数校正电路耦接的恒流反馈电路(OPTO+Amp)，用于通过电阻器R4将输出到LED的电流反馈到功率因数校正电路，以控制MOSFET Q1的接通和关断，从而实现高功率因数。

反激式变换器电路具有变压器，变压器的次级侧具有S1(主绕组)和S2(辅助绕组)两个绕组，反相纹波电流生成电路与辅助绕组构成线性电路，产生和主绕组相反的纹波电流，从而实现减小输出到LED的纹波电流的目的。

具体地，从主绕组S1和辅助绕组S2的同名端接出的抽头分别通过正向连接的二极管D1和D2耦接到第一输出端和第二输出端，且第一输出端和第二输出端分别通过电容器C3和电容器C2接地。

反相纹波电流生成电路采用三端可调线性稳压器LM 317作为线性稳压器121，LM317的输入端连接到第二输出端，输出端连接到第一电阻器R2，电压调整端连接到第二电阻器R3和负载。LM 317被配置为使得第一电阻器R2和第二电阻器R3上的电压降为1.2V。基于式(1)和(2)，可以减小到LED的输出纹波电流。

理论上，为了保证有足够的电压差提供给线性稳压器LM 317，辅助绕组S2的匝数应当多于主绕组S1的匝数。

另外，应当注意，这里虽然采用LED作为负载，但是负载的类型并不限于此，而是可以应用于例如任何恒流装置。

图5给出了采用图4的LED驱动器驱动LED时的输出纹波电流的波形图。其中LED的额定功率为15W，所述驱动器的输出电流为450mA。在图中，C1表示来自主绕组S1的电流，C2表示到LED的电流，C4表示线性稳压器的输出电流。可以看出，C2的纹波电流为294mA，远小于C1的纹波电流531mA。换言之，通过采用图4的LED驱动器，减小了到LED的输出电流的纹波电流。在该实施例中，仅采用了一个电解电容器C3，C3的电容值为680微法，额定电压为35V。而电容器C2的电容值可以为很小。

作为对比，图6示出了采用图1的LED驱动器驱动LED时的输出纹波电流的波形图，其中采用了两个电容值为1000微法的电解电容器(额定电压均为35V)。可以看出，采用该方案得到的输出电流的纹波电流为326mA。

在这两种情况下，输出电流的纹波电流大小近似，但是根据本发明的实施例的LED驱动器仅需要个数较少、电容值较小的电解电容器，从而在减小输出纹波电流的同时节省了电解电容器所占用的空间。进一步地，通过在输出侧采用较少的电解电容器，可以降低LED驱动器的成本。

此外，如上所述，图4中的线性稳压器LM 317还可以用其他线性稳压器例如UTC317代替。

作为替选，图7示出了根据本发明的另一个实施例的反相纹波电流生成电路的电路图。在该电路中，采用凌力尔特公司(Linear Technology Corporation)的LT 3085作为线性稳压器121。如图7所示，LT 3085的IN和V_CONTROL引脚共同连接至第二输出端，OUT引脚连接至第一电阻器R2，SET引脚通过一个可变电阻器连接至LED。类似地，利用LT 3085的稳压特性，保持第一电阻器R2和第二电阻器R3上的电压降为常数，从而可以通过反相纹波电流来减小输出电流的纹波电流。

虽然以上参照特定实施例描述了本发明，但是应当理解，所描述的实施例仅是说明性的而不是限定性的。对于本领域的技术人员来说，在不背离本发明的实质和范围的情况下，可以进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求及其等效含义来限定。

Claims

1.一种负载驱动器，包括：

直流-直流变换器，所述直流-直流变换器具有第一输出端和第二输出端；

反相纹波电流生成电路，所述反相纹波电流生成电路连接到所述第二输出端，且被配置为生成第二电流，所述第二电流的纹波电流的相位与所述第一输出端的第一电流的纹波电流的相位相反，其中

所述第一电流和所述第二电流合并成为输出电流，以驱动负载，

其中，所述反相纹波电流生成电路包括线性稳压器，所述线性稳压器的输出端耦接到所述第一输出端，输入端耦接到所述第二输出端。

2.根据权利要求1所述的负载驱动器，其中，

所述反相纹波电流生成电路还包括第一电阻器、第二电阻器，所述线性稳压器被配置为使所述第一电阻器和所述第二电阻器上的电压降为常数值；以及

所述第一电阻器的两端分别连接到所述线性稳压器的输出端和所述第一输出端，所述第二电阻器的两端分别连接到所述第一输出端和所述负载。

3.根据权利要求2所述的负载驱动器，其中，

所述第一电阻器和所述第二电阻器的电阻值根据所要求的纹波电流的大小来确定。

4.根据权利要求1到3之一所述的负载驱动器，其中，

所述线性稳压器为LM 317、LT 3085或UTC 317。

5.根据权利要求1所述的负载驱动器，其中

所述第一输出端和所述第二输出端分别通过第一电容器和第二电容器接地。

6.根据权利要求5所述的负载驱动器，其中所述第一电容器为电解电容器。

7.根据权利要求1所述的负载驱动器，其中，

所述直流-直流变换器为反激式变换器。

8.根据权利要求1所述的负载驱动器，其中所述负载为恒流装置。

9.根据权利要求8所述的负载驱动器，其中所述负载为发光二极管。

10.根据权利要求1-3中任意一项所述的负载驱动器，其中所述反相纹波电流生成电路的电路元件为表面贴装器件。

11.根据权利要求1-3中任意一项所述的负载驱动器，还包括功率因数校正电路，所述功率因数校正电路连接在所述直流-直流变换器之前。

12.根据权利要求11所述的负载驱动器，其中所述功率因数校正电路包括L 6561、TPS92210、UCC 28810和UCC 28811之一。

13.根据权利要求12所述的负载驱动器，还包括恒流反馈电路，用于将到所述负载的输出电流反馈到所述功率因数校正电路。

14.一种用于减小负载驱动器的输出纹波电流的方法，其特征在于，

在直流-直流变换器的第一输出端处生成第一电流；

使用反相纹波电流生成电路生成第二电流，所述反相纹波电流生成电路连接到所述直流-直流变换器的第二输出端，所述第二电流的纹波电流的相位与所述第一电流的纹波电流的相位相反；

15.根据权利要求14所述的方法，其中所述负载为恒流装置。

16.根据权利要求15所述的方法，其中所述负载为发光二极管。

17.根据权利要求14-16中任意一项所述的方法，其中所述反相纹波电流生成电路的电路元件为表面贴装器件。