CN103906311A

CN103906311A - 点亮装置

Info

Publication number: CN103906311A
Application number: CN201310741029.0A
Authority: CN
Inventors: 门田充弘; 庄司浩幸; 畠山笃史
Original assignee: Hitachi Appliances Inc
Current assignee: Hitachi Appliances Inc
Priority date: 2012-12-27
Filing date: 2013-12-27
Publication date: 2014-07-02
Also published as: JP2014127376A; JP5986921B2

Abstract

本发明提供一种电力转换效率高且低噪声的点亮装置。该点亮装置包括：电力转换电路，其具有主开关元件、同步整流元件、线圈和电容器，对直流电源进行转换而对与上述电容器并联连接的发光二极管（以下称LED）负载供电；和对上述主开关元件和上述同步整流元件进行导通和关断控制的控制电路，上述控制电路，在上述线圈中流动的电流达到第一设定值时，使上述主开关元件关断，并在经过规定时间后使上述同步整流元件导通，在上述线圈中流动的电流的极性从上述第一设定值的极性发生反转后，使上述同步整流元件关断，并在经过规定时间后使上述主开关元件导通。

Description

点亮装置

技术领域

本发明涉及点亮装置。

背景技术

在对发光二极管（以下称为LED：Light Emitting Diode）等光源（负载）进行驱动的点亮装置中，电力转换效率的提高是一个重要的问题。为了实现电力转换效率的提高，常用的点亮装置使用了降压斩波器、升降压斩波器或反激式变换器等开关方式的电力转换电路，但人们期望电力转换效率进一步提高。

为了进一步提高电力转换效率，专利文献1中记载了一种设置有主开关元件和同步整流元件，并应用同步整流的点亮装置，其中主开关元件是在包括不应用同步整流在内的情况下，电力转换电路为了进行开关动作而原本就具备的，而同步整流元件则是在应用同步整流的情况下代替续流二极管使用的开关元件。

专利文献1：日本特开2011-151913号公报

发明内容

专利文献1所记载的点亮装置中，在使同步整流元件关断，并经死区时间后使主开关元件导通的情况下，各开关元件在电极间所具有的寄生电容（电容器）会发生充放电。在该充放电中，主开关元件中会流通尖峰状电流，可能会成为导致导通损耗和噪声的产生的原因。特别是，在像专利文献1那样应用同步整流的情况下，由于同步整流元件使用的是导通时的电阻（导通电阻）较小的元件，所以电极间寄生电容较大，上述充放电时产生的尖峰状电流也可能会较大。

本发明的目的在于提供一种电力转换效率高且低噪声的点亮装置。

为了解决上述问题，本发明的点亮装置包括：电力转换电路，其具有主开关元件、同步整流元件、线圈和电容器，对直流电源进行转换而对与上述电容器并联连接的发光二极管（以下称LED）负载供电；和对上述主开关元件和上述同步整流元件进行导通和关断控制的控制电路，上述控制电路，在上述线圈中流动的电流达到第一设定值时，使上述主开关元件关断，并在经过规定时间后使上述同步整流元件导通，在上述线圈中流动的电流的极性从上述第一设定值的极性发生反转后，使上述同步整流元件关断，并在经过规定时间后使上述主开关元件导通。

通过本发明，能够提供一种电力转换效率高且低噪声的点亮装置。

附图说明

图1是本发明的点亮装置的基本结构图。

图2是表示本发明的点亮装置的动作波形的图。

图3是表示电流检测单元和控制电路的具体例的图。

图4是表示控制电路的另一例的图。

图5是表示电力转换电路的另一例的图。

图6是表示利用交流电源的情况下的结构例的图。

附图标记说明

100 直流电源

101 电力转换电路

102 LED负载

103 主开关元件

104 同步整流元件

105 线圈

106 电容器

107 电流检测单元

108 主开关元件的寄生电容

109 同步整流元件的寄生电容

110 控制电路

111 电流控制单元

112 反转检测单元

113 驱动电路

114 电阻（同115）

116 比较器（同118）

117 控制模块（同119）

120 SW2导通时间控制单元

121 交流电源

122 整流电路

具体实施方式

使用附图对本发明的实施方式进行说明。

图1是本发明的点亮装置的基本结构图。点亮装置利用虚线内所示的电力转换电路101将直流电源100的电压转换后供给到LED负载102。直流电源100可以利用由整流电路对商用电源进行整流而形成，也可以利用连接在外部的直流电源装置。LED负载102对于LED的个数或连接方式没有限制。另外，LED负载102可以包括内置有保护用元件等的LED模块。

图1中，电力转换电路101的主电路构成降压斩波器，其中使用了主开关元件103、同步整流元件104、线圈105、电容器106和电流检测单元107。另外，电力转换电路101的主电路也可以使用其它类型的电路，例如升降压斩波器或反激式变换器等。并且，图1中以MOSFET表示了主开关元件103和同步整流元件104的例子，但也可以是其它类型的开关元件，例如双极型晶体管或IGBT等。108和109分别是主开关元件103和同步整流元件104的寄生电容（电容器）。当然，在该处也可另行连接电容器。

主开关元件103与同步整流元件104串联连接。线圈105与电容器106串联连接。同步整流元件104与线圈105和电容器106并联连接。电容器106与LED负载102并联连接。电流检测单元107被设置在线圈105和电容器106之间，对线圈105中流通的电流进行检测。

图1中点划线内表示降压斩波器的控制电路110。控制电路110由电流控制单元111、反转检测单元112和驱动电路113构成。电流控制单元111对驱动电路113输出用于控制由电流检测单元107检测的线圈105中流通的电流（线圈电流）的最大值的信号。反转检测单元112对由电流检测单元107检测出的线圈电流的极性反转进行检测，对驱动电路113输出与检测结果相应的信号。上述各部的具体例将在后文详述，只要能够实现后述图2所示的动作波形即可，其详细结构并不受限制。驱动电路113根据电流控制单元111和反转检测单元112输出的信号进行使主开关元件103和同步整流元件104导通/关断的驱动。

即，控制电路110根据由电流检测单元检测出的线圈电流对主开关元件103和同步整流元件104进行导通/关断控制。

图2是本发明的点亮装置的动作波形。作为图2中所示的标记，SW1和SW2分别表示主开关元件103和同步整流元件104的导通/关断状态，IL表示线圈105中流通的电流（线圈电流），Id1表示主开关元件103的漏极电流（包括体二极管和寄生电容中流通的电流），Vds1表示主开关元件103的漏极—源极电压。关于IL、Id1、Vds1的极性，以图1所示的箭头指向为正。

当主开关元件103导通时（SW1为ON），电流自直流电源100（的正极侧）起，按照主开关元件103、线圈105、电容器106与LED负载102的并联体、直流电源100（的负极侧）的路径流动。根据图1可知，电流检测单元107也存在于该电流的路径之上，但为方便说明而省去。关于这一点，在后文的说明中均是同样的。根据图2的IL和Id1可知，该电流随时间而线性增加。并且IL与Id1大致相等。由于主开关元件103导通，所以Vds1大致为零。

通过电流控制单元111，当IL到达第一设定值（图2的Imax）时，使主开关元件103关断（SW1为OFF），并在经过规定时间（死区时间，即图2的td）后使同步整流元件104导通（SW2为ON）。由此，通过积蓄于线圈105中的能量，在线圈105、电容器106与LED负载102的并联体、同步整流元件104和线圈105的路径中开始流动续流电流1。

另外，在使主开关元件103关断（SW1为OFF），续流电流1开始流动时，Vds1增大至与直流电源100大致相同的电压。此时，直流电源100对主开关元件103的寄生电容108进行充电。另一方面，积蓄于同步整流元件104的寄生电容109中的电荷被放电，同步整流元件104的漏极—源极电压（Vds2）大致成为零。其中，该放电由续流电流1抽走寄生电容109的电荷而进行。若该充放电在死区时间（td）期间中结束，则同步整流元件104的导通（turn-on）成为零电压开关（ZVS），几乎不发生损耗。另外，作为同步整流元件104，若选用寄生电容109的静电电容较大的元件，则能够抑制Vds1增大的趋势，能够降低主开关元件103的关断（turn-off）损耗和噪声。

根据图2的IL可知，该续流电流1随时间而线性减小。通过应用同步整流，并作为同步整流元件104应用低导通电阻的元件，能够降低同步整流元件104的导通损耗。

如专利文献1所记载的那样，在作为降压斩波器的控制方式通常使用的电流临界模式下，在IL成为零的时刻使同步整流元件104关断，使主开关元件103导通。不过，本发明在IL成为零后仍维持同步整流元件104导通（SW2为ON）。由此，如图2所示，IL成为负，即极性（方向）发生反转，电流按照电容器106、线圈105、同步整流元件104、电容器106的路径流动。

通过反转检测单元112检测出IL的极性从第一设定值（Imax）的极性反转或到达第二设定值（图2的Imin）后，驱动电路113使同步整流元件104关断（SW2为OFF）。进一步地，驱动电路113在使同步整流元件104关断（SW2为OFF）并经过死区时间（图2的td）后使主开关元件103导通（SW1为ON）。该死区时间（td）的期间中，通过积蓄于线圈105中的能量，在线圈105、主开关元件103（准确而言应为寄生电容108）、直流电源100、电容器106、线圈105的路径中流通电流。该电流使积蓄于寄生电容108中的电荷放电，Vds1减小。只要Imin或td等被合适地设定，则如图2所示，在死区时间的期间，Vds1大致减小至零。另外，当Vds1减小至零后，主开关元件103的体二极管中流通电流。在寄生电容108的充放电结束，Vds1减小至零后使主开关元件103导通，则主开关元件103的导通成为零电压开关（ZVS），几乎不发生损耗。

现有的电流临界模式下，在寄生电容108的充放电未结束时，即Vds1未减小至零时就使主开关元件103导通。此时，主开关元件103中流通着使充放电结束所必需的电流，因此主开关元件103中会发生损耗。并且，该电流呈尖峰状流动，因此会产生噪声。特别是在应用同步整流的情况下，由于寄生电容的静电电容较大，所以充放电所必需的电流也较大。因而，像本发明这样利用线圈105的能量来使充放电结束，之后再使主开关元件103导通的控制，在装置的高效化和低噪声化方面很有效。

即使利用了本发明的控制，也能够考虑到存在当Vds1未减小至零时使主开关元件103导通的状况，例如Imin的绝对值较小，线圈105中未积蓄足够的能量的情况。不过，在这种情况下，与现有方式相比主开关元件103在Vds1较低的状态下导通，所以与现有方式相比能够抑制损耗和噪声。

图3表示了图1中主电路的电流检测单元107和控制电路110中的电流控制单元111和反转检测单元112的具体例。电流检测单元107由2个电阻即第一电阻114和第二电阻115构成。当主开关元件103导通时（SW1为ON），IL的路径为直流电源100（的正极侧）、主开关元件103、线圈105、电容器106与LED负载102的并联体、第一电阻114、直流电源100（的负极侧），因此能够通过检测第一电阻114的电压而检测出IL。当同步整流元件104导通（SW2为ON）时，能够通过检测第二电阻115的电压而检测出IL，不过此时的电流路径省略了图示。当然，作为实现电流检测单元107的简单的方式，也可以对线圈105串联连接电阻，通过该电阻的电位差来检测出IL。

电流控制单元111利用比较器116对通过第一电阻114检测出的IL与第一设定值Imax进行比较。在IL变得比Imax大的瞬间，比较器116的输出从L电平变化为H电平，因此后级的控制模块117检测出上升，对驱动电路113输出用于使主开关元件103关断的信号。

反转检测单元112也同样地利用比较器118对通过第二电阻115检测出的IL（的绝对值）与第二设定值Imin（的绝对值）进行比较。在IL变得比Imin小的瞬间，比较器118的输出从L电平变化为H电平，因此后级的控制模块119检测出上升，对驱动电路113输出用于使同步整流元件104关断的信号。

通过如图3所示地构成电流检测单元107和控制电路110，能够使控制电路110的地端与直流电源110的负极侧一致，其结果为，能够使控制电路110的结构变得简单。

图4是控制电路110的另一例。与图3相比，电流控制单元111的结构相同，但反转检测单元112的结构与检测IL的反转的原理不同于图3。在此，着眼于图2的动作波形的说明中同步整流元件104导通后IL减小的过程。此时IL减小的斜率能够根据线圈105的自感、直流电源100的电压、LED负载102的电压来计算。即，自同步整流元件104导通（SW2为ON）起，至IL反转而减小至第二设定值为止所需要的时间，也能够根据这些参数计算。图4的反转检测单元112具有SW2导通时间控制单元120，对驱动电路113输出用于获得IL反转前所需的同步整流元件104的导通时间的信号。通过如图4所示地构成反转检测单元112，图3中的电阻115不再需要，点亮装置的结构变得简单。另外，基于同样的想法，电流控制单元111也可采用对主开关元件103的导通时间进行控制的结构。作为控制电路110的实现方法，存在使用市售的LED用控制IC的方法，将比较器等分立元件组合而构成控制电路的方法，以及利用微控制器或数字信号处理器而通过软件实现的方法。

图5是电力转换电路101的另一例，其采用了将主开关元件103连接到直流电源100的负极侧（low侧），将同步整流元件104连接到直流电源100的正极侧（High侧）的方式。此时，线圈105和LED负载102等连接到High侧。另外，动作波形与图2相同。

此外，也可以与主开关元件103的寄生电容108或同步整流元件104的寄生电容109并联地连接电容器。主开关元件103关断（SW1为OFF）时Vds1的增大变得平缓，在关断损耗和噪声降低方式是有效的。

图6所示的结构是，在图1所示的点亮装置中，由整流电路122对交流电源121的电压进行整流而作为直流电源100使用。作为整流电路122，例如可以使用二极管电桥。另外，除了图6所示的结构要素之外，还可以追加熔断器、输入滤波用线圈或电容器等。

本实施例中，作为光源（负载）使用了LED负载，但不限于此。例如，在使用有机EL等光源作为负载的情况下，也能够发挥同样的效果。

Claims

1.一种LED点亮装置，其特征在于，包括：

电力转换电路，其具有主开关元件、同步整流元件、线圈和电容器，对直流电源进行转换而对与所述电容器并联连接的LED负载供电；和

对所述主开关元件和所述同步整流元件进行导通和关断控制的控制电路，

所述控制电路，

在所述线圈中流动的电流达到第一设定值时，使所述主开关元件关断，并在经过规定时间后使所述同步整流元件导通，

在所述线圈中流动的电流的极性从所述第一设定值的极性发生反转后，使所述同步整流元件关断，并在经过规定时间后使所述主开关元件导通。

2.如权利要求1所述的LED点亮装置，其特征在于：

所述控制电路，在所述线圈中流动的电流的极性从所述第一设定值的极性反转并达到第二设定值时，使所述同步整流元件关断。

3.如权利要求1或2所述的LED点亮装置，其特征在于：

所述主开关元件、所述同步整流元件、第一电阻和第二电阻依次串联连接，

所述主开关元件、所述同步整流元件和所述直流电源串联连接，

所述线圈和所述电容器串联连接，

所述线圈和所述电容器，与所述同步整流元件和所述第一电阻并联连接，

所述LED负载和所述电容器并联连接，

所述第一电阻和所述第二电阻用作检测所述线圈中流动的电流的单元。

4.如权利要求1或2所述的LED点亮装置，其特征在于：

所述直流电源由整流电路对交流电源进行整流而生成。

5.如权利要求1至4中任一项所述的LED点亮装置，其特征在于：

所述电力转换电路包括与所述主开关元件和所述同步整流元件中的至少一方并联连接的电容器。

6.一种点亮装置，其特征在于：

包括直流电源、与该直流电源连接的电力转换电路和与该电力转换电路连接的光源，

所述电力转换电路包括与该直流电源串联连接的主开关元件、与该主开关元件串联连接的同步整流元件、与该同步整流元件并联连接的线圈和电容器、与该电容器并联连接的光源和对所述主开关元件和所述同步整流元件的导通和关断进行控制的控制电路，

所述控制电路，在所述线圈中流动的电流达到第一设定值时将所述主开关元件控制为关断，并在经过规定时间后将所述同步整流元件控制为导通，在所述线圈中流动的电流的极性反转并达到第二设定值时将所述同步整流元件控制为关断，并在经过规定的时间后将所述主开关元件控制为导通。