CN109149930A - 脉宽调制稳压电源 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于向电子部件(LED1、LED2、LED3)供电的装置(102)，包括：能够利用具有高态和低态的脉宽调制来工作的直流‑直流转换器(104)，直流‑直流转换器具有输入端和输出端，所述输出端用于向电气部件(LED1、LED2、LED3)供电；以及连接到直流‑直流转换器(104)的输入端的保护电路(106)，保护电路具有连接到用于防止极性反转的二极管(D1)的存储电容部件(C2)。保护电路(106)还包括用于旁路保护二极管(D1)以便允许存储电容部件(C2)在脉宽调制的低态期间放电的机构(106.1)。

Description

脉宽调制稳压电源
技术领域
本发明涉及向特别是在机动车辆上的诸如半导体光源的部件供电的领域。
背景技术
发光二极管(LED)光源的使用正变得越来越普遍，特别是用于机动车辆上的照明和光信号。像所有电子部件一样，LED具有最大工作温度极限，这部分决定了它们的使用寿命。LED像二极管一样以电工作，这意味着，为了发光，它必须被正向偏置。正向电压是当电流流过LED并且LED发光时，LED两端之间的电压。这个电压随电流而增加，通常在1.5伏到4伏之间。它也是依赖温度的。像任何电气和电子部件一样，LED具有最大允许电流。流经LED的电流不仅决定了发出的发光强度，而且还影响其寿命、效率和其发光的颜色。具体来说，过高强度的电流所流过的LED将使其寿命和其效率随着时间减少并且将使其发光的颜色改变。由于所有这些原因，通过电流调节装置向LED供电是合适的。在一些情况下，特别是当需要遵守精确的色度但是当需要较大地降低发光强度时，通常使用脉宽调制(更通常地使用首字母缩写词PWM来表示)来控制电流调节装置，同时在高态期间保持恒定的电流强度。人眼会有强度降低但颜色是恒定的印象。现在，如果以同样的方式但不断地降低电流，人眼会看到发光强度的期望的相同变化，但也会看到(不期望的)颜色变化。
此外，通常使用直流-直流转换器，例如降压、升压、SEPIC或反激转换器，形成将直流电压转换成另一个有较低值或较高值的直流电压的开关模式电源。
在应用于机动车辆的情况下，这种转换器由车辆的车载电压(即，12V的量级)供电。现在，车辆的车载电压可能承受约100伏到250伏的非常短暂的过电压。这种短暂的过电压具有如下效果，即对连接在直流-直流转换器的输入端子上的电容器进行充电，并且因此产生易于干扰所述转换器的正确操作的供电过电压。
发明内容
本发明的目的是解决上述现有技术中的至少一个问题。更具体地，本发明的目的在于解决在直流-直流转换器的输入端处由短暂的过电压产生的干扰的问题，该直流-直流转换器被交替地激活和停用，并向例如一个或多个LED光源的电子部件供电。
本发明的一个主题是一种用于向电子部件供电的装置，包括：能够使用具有高态和低态的脉宽调制来工作的直流-直流转换器，直流-直流转换器具有输入端和输出端，所述输出端旨在为电气部件供电；连接到直流-直流转换器的输入端的保护电路，保护电路具有连接到用于防止极性反转的二极管的存储电容部件；其特征在于，保护电路还包括用于绕过或旁路保护二极管以便允许存储电容部件在脉宽调制的低态期间放电的机构。
对于保护电路与直流-直流转换器的输入端之间的连接，这被理解为是直接连接，也就是端子到端子的连接，以及间接连接，例如采用部件的连接。
根据本发明的一个有利模式，旁路机构与保护二极管并联连接。
根据本发明的一个有利模式，旁路机构被配置为仅当存储电容部件处的电压大于装置的输入电压时才有效。
根据本发明的一个有利模式，旁路机构被配置为使得当绕过或旁路保护二极管时存储电容部件的放电电流取决于存储电容部件处的电压与该装置的输入电压之间的差值。
根据本发明的一个有利模式，旁路机构包括PNP双极晶体管，其具有连接到保护二极管的阳极的发射极和连接到所述二极管的阴极的集电极。
根据本发明的一个有利模式，旁路机构包括连接在晶体管的集电极和保护二极管的阳极之间的电阻器和/或连接在PNP双极晶体管的发射极和保护二极管的阴极之间的电阻器。
根据本发明的一个有利模式，电阻器具有大于1欧姆和/或小于100欧姆的值。
根据本发明的一个有利模式，PNP双极晶体管包括连接到地的基极。
根据本发明的一个有利模式，旁路机构包括连接在晶体管的基极与地之间的电阻器。
根据本发明的一个有利模式，电阻器具有大于100欧姆和/或小于47000欧姆的值。
根据本发明的一个有利模式，旁路机构包括串联连接的二极管和电阻器，所述二极管以与保护二极管相反的方式定向。
根据本发明的一个有利模式，电阻器具有大于1000欧姆和/或小于20000欧姆的值。
根据本发明的一个有利模式，旁路机构的二极管是单极性二极管(unipolardiode)。
根据本发明的一个有利模式，旁路机构的二极管是基极在集电极中的NPN双极晶体管。
本发明的另一主题是照明装置，特别是用于机动车辆的照明装置，其包括：至少一个半导体光源，特别是发光二极管类型的半导体光源；用于向光源供电的装置；其特征在于，电源装置是根据本发明的电源装置。
本发明的设置的有利之处在于，它们可以避免在关于或相对于电源装置的输入电压的过电压的情况下向部件供电的变化问题。这种过电压在机动车辆的车载网络中特别常见。这些过电压可能达到100伏到250伏的值。但是，它们非常短暂。本发明的设置在激活和停用转换器的PWM信号的占空比越低的情况下越有用，因为它恰好在转换器的低态期间，也就是说在其被停用并且因此不消耗电流时，供电过电压易于干扰转换器在所述过电压之后的激活过程中的正确操作，所述过电压在转换器停用期间出现。
附图说明
借助于描述和附图将更好理解本发明的其它特征和优点，其中：
-图1示出了根据现有技术的电源装置；
-图2示出了存在过电压时图1的电源装置的电压V和V’以及电流I；
-图3示出了根据本发明的第一实施例的电源装置；
-图4示出了根据本发明的第二实施例的电源装置；
-图5示出了根据本发明的第三实施例的电源装置；
-图6示出了存在过电压时图3和图5的电源装置的电压V和V’以及电流I。
具体实施方式
图1和图2示出了已知的电源装置以及短暂的过电压对电源电流的影响。
电源装置2主要包括直流-直流转换器和用于保护转换器的电路6。
直流-直流转换器4可以是降压、升压、SEPIC或反激转换器等，也就是说将直流电压转换成具有较低值或较高值的另一直流电压的开关模式电源。它主要包括电感器(单个电感器，两个电感器，变压器等)、开关和二极管。当开关闭合时，输入电压产生的电流流过电感器并线性增加。在二极管的端子之间的电压为负时，没有电流流过所述二极管。当开关断开时，二极管变为导通状态，以确保电感器中电流的连续性，并且流经电感器的电流减小。这样的转换器本身对于本领域技术人员来说是公知的。
保护电路6包括并联连接的电容器C1和电阻器R1，这使得可以过滤输入电压V中的波动。所述电路包括保护转换器4以防止电源电压反转的保护二极管D1。它还包括用于形成电能存储器以补偿可能的微断供的电容器C2。
当电源电压V恒定时，直流-直流转换器4的输入端子之间的电压V’减去二极管D1的阈值电压同样是恒定的。一旦具有较高值但较短持续时间的过电压8施加到电源电压V，同时转换器4通过脉宽调制的低态而被停用并且因此不向部件LED1、LED2和LED3传送任何电流时，电容器C2将充电且电压V’将呈现跳变10。只要在转换器4处没有消耗，该跳变就保持恒定。只要转换器4开始工作，就是说将电流I引导至部件LED1、LED2和LED3时，将看到高于额定电压的输入电压，并因此会作出反应以调节输出电流。现在，输入电压V’将非常快速地返回到额定电平，使得输出电流I将以稍微较低的中间增量12呈现增加，导致LED的发光强度的闪烁。
图3示出了根据本发明的第一实施例的电源装置。
电源装置102类似于图1的电源装置，不同之处在于保护电路106包括机构106.1，其用于绕过或旁路二极管D1，以用于在转换器104没有消耗的情况下使电容器C2放电。此外对于相同或相似的元件参考对图1的电源装置的描述。
旁路机构106.1包括PNP型双极晶体管Q1，其发射极连接到二极管D1的阳极，并且其集电极(有利地经由电阻器R2)连接到二极管D1的阴极。电阻器R2具有例如大于1欧姆和/或小于100欧姆的低值。此值范围旨在促进电流的流动。在出于特定原因需要限制该电流的情况下，有能力非常容易地增加该电阻器的值，以降低电流的值。晶体管Q1的基极本身(有利地通过电阻器R3)连接到电源电压V的低电位，在这种情况下接地。它可以具有大于1000欧姆和/或小于47000欧姆的值。其值可以根据二极管的阳极或阴极与地之间的阻抗的期望值来选择，同时允许晶体管处于导通状态。
在没有施加到电源电压V的过电压时，直流-直流转换器104的输入端子之间的电压V’减去当直流-直流转换器104工作时且当电源电流流动时二极管D1的阈值电压所获得的差值是恒定的。基本上由于电阻器R3的较高值，晶体管Q1的基极电流较低。在这种情况下，晶体管Q1的集电极和发射极被偏置，并且用于绕过或旁路二极管D1的电流能够流动。但是，如果V’≤V，该电流不流动。
在存在施加到电源电压V的短暂的过电压且转换器104没有引导或吸取电流时，电容器C2将充电并且电压V’将增加到大于电压V的程度，在短暂的过电压之后，电压V已经返回到“稳定”值(例如，额定值)。随后增加的电压V’将引起晶体管Q1的基极电流的增加，并且因此将对应的集电极电流增加到用于绕过或旁路二极管D1的电流，这将使电容器C2放电。
如果存在极性反转，由于晶体管Q1的基极-发射极结然后被反向偏置并因此处于关断状态的事实，则因为旁路装置被停用，所以二极管D1所确保的针对电源电压反转的保护保持有效。由于晶体管Q1的存在，用于绕过或旁路二极管D1的机构表现出潜在的非线性特性，特别地，该特性对电压V’明显大于额定电压的情况作出反应。电容器C2的放电时间会非常短。
如前所述的电容器C2的放电因此使得可以防止关于LED的发光强度的闪烁现象。具体而言，随后在电源电压中出现短暂的过电压且在转换器104没有引导或吸引电流时(即，脉宽调制处于低态)，电容器C2的快速放电防止在转换器104再次开始工作时转换器104的输入端子之间的电压V’的上升，从而防止调节转换器而导致转换器的输入电压快速变化的瞬态现象。
图4示出了根据本发明的第二实施例的电源装置。图3的附图标记用于表示相同或相似的元件，然而这些数字增加100。此外，参考针对图3和图1对这些元件的描述。
电源装置202类似于图3的电源装置，不同之处在于在保护电路206处用于绕过或旁路二极管D1的机构206.1是不同的。具体地，旁路机构包括连接在保护二极管D1的端子之间并且处于相反方向的二极管D2。换句话说，二极管D2的阳极连接到二极管D1的阴极，并且二极管D2的阴极连接到二极管D1的阳极。更具体地，电阻器R2与二极管D2串联连接，以便在电源电压反转的情况下限制绕过或旁路二极管D1的电流。该电阻器R2有利地具有大于1000欧姆和/或小于20000欧姆的值。
在存在施加到电源电压V的短暂的过电压且转换器204没有引导或吸引电流时，电容器C2将充电并且电压V’将增加到大于电压V的程度，在短暂的过电压之后，电压V已经返回到“稳定”值(例如，额定值)。然后电容器能够通过用于绕过或旁路二极管D1的电流经由正向偏置的二极管D2放电，然后二极管D1被反向偏置。放电电流自然受到电阻器R2的限制。电阻器R2的大小可以被确定成便于确保电容器C2充分快速放电，从而一方面避免转换器204再次开始工作时的不稳定操作，另一方面保护转换器204免受由于另一方面电源电压的反转而引起的反向电流。
图5示出了根据本发明的第三实施例的电源装置。图3的附图标记用于表示相同或相似的元件，然而这些数字增加200。此外，参考针对图4、图3和图1对这些元件的描述。
电源装置302类似于图4的电源装置，不同之处在于在保护电路206处用于绕过或旁路二极管D1的机构306.1稍有不同，即二极管D2被替换为由集电极反应偏置的NPN型的双极晶体管Q2。换句话说，基极直接连接到晶体管Q2的发射极，这相当于说晶体管Q2像二极管一样工作。更确切地，晶体管Q2的集电极连接到二极管D1的阴极，并且所述晶体管的发射极连接到所述二极管的阳极。类似于图4的实施例，电阻器R2与晶体管Q2串联连接，以便限制由电源电压的反转引起的反向电流。该电阻器R2有利地具有大于1000欧姆和/或小于20000欧姆的值。
图6示出了图3至图5的实施例的电源装置之一中的电压V和V’以及电流I的演变。
可以看出，由于保护二极管D1的阈值电压，当电源电流流动时，直流-直流转换器的输入端处的电压V’稍微低于电源电压V。还可以看出，电源电压V表现出短暂的过电压108、208或308。该过电压引起电容器C2的充电以及关于或相对于电压V’的过电压110、210或310。因为绕过或旁路保护二极管D1的机构106.1、206.1或306.1允许电容器C2放电，所以该过电压是短暂的。这种放电可以在电源网络中执行，电源网络原则上具有有限的阻抗。仍然在图6中可以看出，在过电压之后，由于在所述脉冲之前已经将电压V’重新限定为“稳定”值(例如在额定值处)，所以第二电流脉冲不会受到干扰。
通常，根据本发明的用于绕过或旁路保护二极管的机构被配置为仅当存储电容部件处的电压大于电源装置的输入电压时才工作。在这种情况下，朝向输入端并且从存储电容部件看到的阻抗有利地尽可能低，另外，根据各种约束或限制条件非常容易地被调节。相比之下，相反的阻抗，也就是说朝向存储电容部件并且从输入端看到的阻抗，有利地尽可能高，并且也可以根据各种约束或限制条件容易地被调节。
在由直流-直流转换器产生的电流脉冲对应于低电平(例如50％或更低)时，也就是说，当转换器的输出端至少有50％的时间处于低态时，如前所提供的本发明也是特别有利的。在图6的情况下，高态电平约为10％。换句话说，低态周期对应90％的时间。这意味着低态周期比高态周期长，并且在供电网络的过电压之后而产生的发光强度中引起闪烁的可能性因此更高。

Claims (15)

1.一种用于向电子部件(LED1、LED2、LED3)供电的装置(102；202；302)，包括：
-直流-直流转换器(104；204；304)，所述直流-直流转换器能够使用具有高态和低态的脉宽调制来工作，并具有输入端和输出端，所述输出端用于向电子部件(LED1、LED2、LED3)供电；
-保护电路(106；206；306)，所述保护电路连接到直流-直流转换器(104；204；304)的输入端，并具有连接到用于防止极性反转的二极管(D1)的存储电容部件(C2)；
其特征在于，所述保护电路(106；206；306)还包括用于旁路所述保护二极管(D1)以允许所述存储电容部件(C2)在脉宽调制的低态期间放电的机构(106.1；206.1；306.1)。
2.根据权利要求1所述的装置(102；202；302)，其特征在于，
所述旁路机构(106.1；206.1；306.1)与所述保护二极管(D1)并联连接。
3.根据权利要求1和2中任一项所述的装置(102；202；302)，其特征在于，
所述旁路机构(106.1；206.1；306.1)被配置为仅当所述存储电容部件(C2)处的电压(V’)大于所述装置的输入电压(V)时工作。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的装置(102；202；302)，其特征在于，
所述旁路机构(106.1；206.1；306.1)被配置为使得当旁路保护二极管(D1)时所述存储电容部件(C2)的放电电流取决于存储电容部件(C2)处的电压(V’)和所述装置的输入电压(V)之间的电压差。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的装置(102)，其特征在于，
所述旁路机构(106.1)包括PNP双极晶体管(Q1)，该PNP双极晶体管具有连接至所述保护二极管(D1)的阳极的发射极和连接至所述二极管(D1)的阴极的集电极。
6.根据权利要求5所述的装置(102)，其特征在于，
所述旁路机构(106.1)包括连接在所述PNP双极晶体管(Q1)的集电极和所述保护二极管(D1)的阳极之间的电阻器(R2)和/或连接在PNP双极晶体管(Q1)的发射极和保护二极管(D1)的阴极之间的电阻器。
7.根据权利要求6所述的装置(102)，其特征在于，
所述电阻器(R2)具有大于1欧姆和/或小于100欧姆的值。
8.根据权利要求5至7中任一项所述的装置(102)，其特征在于，
所述PNP双极晶体管(Q1)包括连接至所述装置的输入端的低电位的基极。
9.根据权利要求8所述的装置(102)，其特征在于，
所述旁路机构(106.1)包括连接在所述PNP双极晶体管(Q1)的基极与所述装置的输入端的低电位之间的电阻器(R3)。
10.根据权利要求9所述的装置(102)，其特征在于，
所述电阻器具有大于1000欧姆和/或小于47000欧姆的值。
11.根据权利要求1至4中任一项所述的装置(202；302)，其特征在于，
所述旁路机构(206.1；306.1)包括串联连接的二极管(D2；Q2)和电阻器(R2)，所述二极管(D2；Q2)与保护二极管(D1)相反地定向。
12.根据权利要求11所述的装置(202；302)，其特征在于，
所述电阻器(R2)具有大于1000欧姆和/或小于20000欧姆的值。
13.根据权利要求11和12中任一项所述的装置(202)，其特征在于，
所述旁路机构(206.1)的二极管是单极性二极管(D2)。
14.根据权利要求11和12中任一项所述的装置(302)，其特征在于，
所述旁路机构(306.1)的所述二极管是基极在集电极中的NPN双极晶体管(Q2)。
15.一种照明装置，该照明装置特别地用于机动车辆，该照明装置包括：
-至少一个半导体光源(LED1、LED2、LED3)，特别是发光二极管型的半导体光源；
-用于向所述光源(LED1、LED2、LED3)供电的装置(102；202；302)；
其特征在于，所述电源装置(102；202；302)是根据权利要求1至14中任一项所述的装置。
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