CN104426396B - 负载驱动电路和包括该负载驱动电路的照明设备 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种负载驱动电路和包括该负载驱动电路的照明设备，该负载驱动电路包括：单端初级电感转换器SEPIC型转换器100，用于将输入的系统电压转换成直流输出电压；以及降压式BUCK转换器200，用于对电流进行调节，并将调节后的电流提供到负载，其中，该负载驱动电路还包括第一二极管D1和第二二极管D2，第一二极管D1和第二二极管D2被连接成使得SEPIC型转换器和BUCK转换器共用一个开关S1。根据本发明，可以以简单的电路结构和低廉的成本获得恒流输出特性和高功率因数。

Description

负载驱动电路和包括该负载驱动电路的照明设备
技术领域
本发明涉及一种负载驱动电路和包括该负载驱动电路的照明设备，更具体地，涉及一种能够以简单和低成本的电路结构为负载提供恒定电流并且具有较高功率因数的负载驱动电路和包括该负载驱动电路的照明设备。
背景技术
在固态照明（SSL）应用中，电路通常是由干线电压来供电的。因此，在作为电源的干线电压与负载之间的电力转换器通常需要满足以下规范：（1）需要进行功率因数校正以确保电路的功率因数接近1，并且使得谐波能够满足本地的标准限制；（2）通过负载（例如，发光二极管（LED）串）的电流应该为稳定的直流（DC）；（3）防止输出被短路，以确保负载的安全工作；以及（4）可选地对输出进行电隔离。
目前，满足恒流输出特性并且包括有源功率因数校正的电力转换器通常被设计为两级结构，其中两级的转换器分别具有不同的功能。然而，在现有技术中，对于这种两级电路布置，由于需要更多的开关器件和开关驱动电路，因而大大增加了电路复杂性和成本。
发明内容
在下文中给出了关于本发明的简要概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本理解。但是，应当理解，这个概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图用来确定本发明的关键性部分或重要部分，也不是意图用来限定本发明的范围。其目的仅仅是以简化的形式给出关于本发明的某些概念，以此作为稍后给出的更详细描述的前序。
因此，鉴于以上情形，本发明的目的是提供一种能够以简单的电路结构实现恒流输出特性和高功率因数以及低谐波的负载驱动电路以及包括该负载驱动电路的照明设备，其以在两级转换器电路之间共享一个开关器件的方式将两个公知的转换器结构结合在一起，大大简化了负载驱动电路的结构并降低了成本。此外，由于两级电路共用一个开关器件，因此还可以减少开关驱动电路的数量，简化开关控制逻辑，从而进一步简化了电路结构。
根据本发明的实施例，提供了一种负载驱动电路，其包括：单端初级电感转换器SEPIC型转换器，用于将输入的系统电压转换成直流输出电压；以及降压式BUCK转换器，用于对电流进行调节，并将调节后的电流提供到负载，其中，该负载驱动电路还包括第一二极管和第二二极管，第一二极管和第二二极管被连接成使得SEPIC型转换器和BUCK转换器共用一个开关。
根据本发明的另一实施例，还提供了一种照明设备，其包括上述的负载驱动电路以及包括一个或多个发光二极管（LED）的LED串。
附图说明
本发明可以通过参考下文中结合附图所给出的详细描述而得到更好的理解，其中在所有附图中使用了相同或相似的附图标记来表示相同或者相似的部件。所述附图连同下面的详细说明一起包含在本说明书中并形成说明书的一部分，用来进一步举例说明本发明的优选实施例和解释本发明的原理和优点。
图1示出了根据本发明实施例的负载驱动电路的示意框图；以及
图2示出了根据本发明实施例的负载驱动电路的示例配置的电路图。
具体实施方式
在下文中将结合附图对本发明的示范性实施例进行描述。为了清楚和简明起见，在说明书中并未描述实际实施方式的所有特征。然而，应该了解，在开发任何这种实际实施例的过程中必须做出很多特定于实施方式的决定，以便实现开发人员的具体目标，例如，符合与系统及业务相关的那些限制条件，并且这些限制条件可能会随着实施方式的不同而有所改变。此外，还应该了解，虽然开发工作有可能是非常复杂和费时的，但对得益于本公开内容的本领域技术人员来说，这种开发工作仅仅是例行的任务。
在此，还需要说明的一点是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的装置结构，而省略了与本发明关系不大的其它细节。
目前，具有两级结构的负载驱动电路已得到了广泛的应用，其中经整流的系统电压被输入第一级，并且经第一级处理后的直流电压被输入到第二级，其中经第一级处理后的直流电压通常被称为中间电路电压。此外，第一级还具有从系统电压得到与系统电压大致成比例的系统电流的功能，即，使电流与电压同相位，从而电路可以具有较高的功率因数。第二级可以为直流/交流（DC/AC）转换电路（即，逆变器）或者直流/直流（DC/DC）转换器（诸如BUCK转换器等），其利用中间电路电压生成适合于不同负载特性的输出。
对于第一级，通常可以使用SEPIC型转换器，其仅包括一个开关器件，并且具有以下优点：可以将输入电压（直流或交流）转换成几乎恒定的直流输出电压，其中可以根据需要而使得输出电压高于或低于输入电压；以及可以通过对开关器件的简单控制逻辑（例如，恒定开关频率以及恒定占空比）而确保电流与电压在一定程度上成比例，从而使电路具有较高的功率因数并且减小了电路谐波。
对于第二级，可以根据实际负载的特性而选择不同的开关电路，诸如逆变器或BUCK转换器等。在负载为发光二极管的情况下，为了防止发光二极管闪烁，需要保证提供给发光二极管的电流为恒定电流，而BUCK转换器能够通过采用调整电路而为负载提供恒定的电流。
以下将参照图1和图2来描述根据本发明实施例的负载驱动电路的示例。
如图1所示，根据本发明的实施例的负载驱动电路可以包括：SEPIC型转换器100，用于将输入的系统电压转换成直流输出电压；以及BUCK转换器200，用于对电流进行调节，并将调节后的电流提供到负载。优选地，输入的系统电压可以为直流电压或交流电压，这是由于SEPIC型转换器100可以通过适当地配置而用作直流/直流转换器或交流/直流转换器。
此外，该负载驱动电路还可以包括第一二极管D1和第二二极管D2，二极管D1和D2被连接成使得可以在SEPIC型转换器100和BUCK转换器200之间共用一个开关S1。开关S1可以为绝缘栅双极型晶体管（IGBT）或金属氧化物半导体场效应管（MOSFET）等，本发明对此不做限制。
接下来，将参照图2详细描述根据本发明实施例的负载驱动电路的配置示例。
首先，将详细描述SEPIC型转换器100的结构。
如图2所示，SEPIC型转换器100可以包括输入端E、输入电感器L1、开关S1、第一电容器C1以及第二电感器L2。
输入端E可以以地电势为基准，用于输入系统电压。优选地，所输入的系统电压可以是整流后的正弦电压。输入电感器L1连接在输入端E与第一节点N1之间。开关S1的第一触点连接到第一二极管D1和第二二极管D2的阴极，并且其第二触点连接到地电势。第一电容器C1连接在第一节点N1与第二节点N2之间，其中电容器C1可以在输入与输出之间提供电隔离，并且还可以为负载提供短路保护。第二电感器L2连接在第二节点N2与地电势之间。如图2中的虚线所示，电感器L1和L2可以耦合在一起，从而可以对输入电流进行纹波电流补偿。
此外，第一二极管D1的阳极连接到第一节点N1，使得电流从输入电感器L1流到开关S1，并且第二二极管D2的阳极连接到负载，使得电流从负载流到开关S1。二极管D1和D2的这种连接方式确保了开关S1可以同时用于前级电路和后级电路，而不会影响两级电路各自的功能。
优选地，该SEPIC型转换器还可以包括第三二极管D3和第二电容器C2。第三二极管D3连接在第二节点N2与SEPIC型转换器的输出端O之间，并且第二电容器C2连接在输出端O与地电势之间。
接下来，将详细描述BUCK转换器的结构。
BUCK转换器可以包括开关S1、第三电感器L3、第四二极管D4以及第二电容器C2。第三电感器L3的一端和第四二极管D4的阴极连接到输出端O，并且负载连接在第三电感器L3的另一端和第四二极管D4的阳极之间。
以下将根据以上参照图2描述的电路配置来对该负载驱动电路的工作过程进行详细描述。
对本领域人员公知的是，电感器具有维持电流不变的特性，电容器具有维持电压不变的特性。因此，当开关S1闭合时，由输入端E、电感器L1、二极管D1和开关S1构成的回路，由电容器C1、二极管D2、开关S1和电感器L2构成的回路以及由电容器C2、电感器L3、发光二极管D5和D6、二极管D2以及开关S1构成的回路同时导电。此时，从输入端E输入的电能通过由电感器L1、二极管D1和开关S1构成的回路，电感器L1储能，而电容器C1储存的能量转移到电感器L2。电容器C2储存的能量转移到电感器L3，并同时为发光二极管D5和D6供电。
当开关S1断开时，由输入端E、电感器L1、电容器C1、二极管D3、电感器L3、发光二极管D5和D6、二极管D4以及电容器C2构成的回路以及由电感器L2、二极管D3、电感器L3、发光二极管D5和D6、二极管D4以及电容器C2构成的回路同时导电。此时，从输入端E输入的电能、电感器L1、L2和L3储存的电能共同向负载供电，同时电容器C1和C2储能。
根据以上工作原理可知，SEPIC型转换器的输出端O的电压（即，施加在负载上的电压）的幅值取决于开关S1的开关频率和占空比，并且可以根据需要而高于或低于输入端E输入的电压。优选地，开关S1的控制方法可以包括恒定开关频率控制和恒定占空比控制。对于SEPIC型转换器，仅通过简单的控制逻辑就可以得到近似恒定的输出电压，并且还可以使得电流与电压大致成比例，从而提高了电路的功率因数并减小了谐波。
此外，后级的BUCK转换器可以对电流进行调节，从而将基本上恒定的电流提供到负载。在照明应用的情况下，这避免了发光装置的闪烁，从而为用户提供更好的照明效果。经BUCK转换器调节后的电流的幅值取决于开关S1的开关频率和占空比。
例如，在开关频率恒定并且占空比变化的控制方案中，当减小开关S1的导通时间（即，减小占空比）时，SEPIC型转换器的输出端O的电压将减小，并且同时，BUCK转换器将使得通过负载的电流减小；而当增加开关S1的导通时间（即，增大占空比）时，SEPIC型转换器的输出端O的电压将增大，并且同时，BUCK转换器使通过负载的电流增大。
此外，对于现有技术中具有恒定输出电压的电路布置，通过调整输出电压通常无法直接地调节负载电流，而对于根据本发明的实施例的SEPIC型转换器和BUCK转换器的组合配置，可以通过切换开关S1的导通和关断状态而直接地调节负载电流。
具体地，当闭合开关S1时，由作为电压源的电容器C2、作为限流部的电感器L3、发光二极管D5和D6、二极管D2以及开关S1构成的回路导电，此时流过负载D5和D6的电流增加；而当断开开关S1时，迫使电流通过由电感器L3、发光二极管D5和D6以及二极管D4构成的续流回路，从而使流过负载D5和D6的电流减小。因此，可以通过控制开关S1的开通和关断而直接地调节负载电流。
由上述可以看出，由于SEPIC型转换器和BUCK转换器具有互补的调节特性，这使得可以在二者之间共用一个开关器件。此外，由于二极管D1连接在开关S1与SEPIC型转换器之间，二极管D2连接在开关S1与BUCK转换器之间，因此能够防止前后级电路相互影响，确保SEPIC型转换器和BUCK转换器各自的功能和优点。
根据以上实施例，通过在SEPIC型转换器和BUCK转换器之间共用一个开关器件，能够以简单的电路结构和低廉的成本实现期望的效果，即，高功率因数、低谐波、稳定的输出电流以及对输出的短路保护和电隔离。
根据本发明的另一实施例，还公开了一种照明设备，其包括如上所述的负载驱动电路和LED串。通过在照明设备中使用上述负载驱动电路，能够提供稳定且高效的照明效果，从而改善了用户体验。
尽管以上结合图2描述了根据本发明的优选实施例的负载驱动电路的具体实现，但是应理解，图2所示的电路结构及所使用的电子部件仅是示例性的而非限制，本领域技术人员可根据本发明所教导的原理而根据实际需要对以上电路结构进行各种变型、替换等。
本领域技术人员应理解，在不背离本发明的范围的情况下，除了这里具体描述的之外，本发明能够进行变化和修改。对于本领域技术人员来说明显的所有这种变化和修改应被视为落入本发明的精神和范围内。应理解，本发明包括所有这样的变化和修改。本发明还单独地或共同包括说明书中引用的或指出的所有步骤和特征、以及所述步骤或特征的任意两个或更多的任意和所有组合。

Claims (9)

1.一种负载驱动电路，包括：
单端初级电感转换器SEPIC型转换器(100)，用于将输入的系统电压转换成直流输出电压；以及
降压式BUCK转换器(200)，用于对电流进行调节，并将调节后的电流提供到负载，
其中，所述负载驱动电路还包括第一二极管(D1)和第二二极管(D2)，所述第一二极管(D1)和所述第二二极管(D2)被连接成使得所述SEPIC型转换器和所述BUCK转换器共用一个开关(S1)，
其中，所述BUCK转换器(200)包括：
所述开关(S1)；
第三电感器(L3)；
第四二极管(D4)；以及
第二电容器(C2)，
其中，所述第三电感器(L3)的一端和所述第四二极管(D4)的一端连接到所述SEPIC型转换器的输出端(O)，并且负载连接在所述第三电感器(L3)的另一端和所述第四二极管(D4)的另一端之间。
2.根据权利要求1所述的负载驱动电路，其中，所述SEPIC型转换器(100)包括：
输入端(E)，以地电势为基准，用于输入所述系统电压；
输入电感器(L1)，连接在所述输入端(E)与第一节点(N1)之间；
所述开关(S1)，所述开关(S1)的第一触点连接到所述第一二极管(D1)和所述第二二极管(D2)的阴极，并且所述开关(S1)的第二触点连接到所述地电势；
第一电容器(C1)，连接在所述第一节点(N1)与第二节点(N2)之间；以及
第二电感器(L2)，连接在所述第二节点(N2)与所述地电势之间，
其中，所述第一二极管(D1)的阳极连接到所述第一节点(N1)，以使得电流从所述输入电感器(L1)流到所述开关(S1)，并且所述第二二极管(D2)的阳极连接到所述负载，以使得电流从所述负载流到所述开关(S1)。
3.根据权利要求2所述的负载驱动电路，其中，所述SEPIC型转换器(100)还包括：
第三二极管(D3)，连接在所述第二节点(N2)与所述输出端(O)之间；以及
所述第二电容器(C2)，连接在所述输出端(O)与所述地电势之间。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的负载驱动电路，其中，所述系统电压是整流后的电压。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的负载驱动电路，其中，所述直流输出电压的幅值取决于所述开关(S1)的开关频率和占空比。
6.根据权利要求1至3中任一项所述的负载驱动电路，其中，所述调节后的电流的幅值取决于所述开关(S1)的开关频率和占空比。
7.根据权利要求1至3中任一项所述的负载驱动电路，其中，所述开关(S1)的控制方法包括恒定开关频率控制和恒定占空比控制。
8.根据权利要求1至3中任一项所述的负载驱动电路，其中，所述负载是发光二极管LED串，所述LED串包括一个或多个LED。
9.一种照明设备，包括：
根据上述权利要求1至8中任一项所述的负载驱动电路；以及
发光二极管LED串，包括一个或多个LED。
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