CN110505728B

CN110505728B - 降压转换器

Info

Publication number: CN110505728B
Application number: CN201810475547.5A
Authority: CN
Inventors: 林胜叠; 戴永昌
Original assignee: Ledvance GmbH
Current assignee: Ledvance GmbH
Priority date: 2018-05-17
Filing date: 2018-05-17
Publication date: 2022-05-10
Anticipated expiration: 2038-05-17
Also published as: US20190356224A1; CN110505728A; DE102019112794A1; US11043895B2

Abstract

本申请公开了降压转换器，用于将DC输入电压转换为DC输出电压，所述降压转换器包括：具有正输入端子(IN+)和负输入端子(IN‑)的DC输入电路，用于提供DC输入电压(Vi)；用于将DC输入电压(Vi)转换为DC输出电压(Vo)的转换器电路(30)；具有正输出端子(OUT+)、负输出端子(OUT‑)和连接在所述正输出端子(OUT+)与所述负输出端子(OUT‑)之间的输出电容器(C5)的DC输出电路；开关装置(IC)，具有与正输入端子(IN+)连接的第一开关接线端子(D)及经充电二极管(D1)与负输入端子(IN‑)连接的第二开关接线端子(CS)；充电电感器(L1)；及随频率而变的回流电路(33)，其使正输出端子(OUT+)与开关装置(IC)的电源端子(Vcc)连接以支持开关装置(IC)的供电。

Description

降压转换器

技术领域

本申请总体上涉及降压转换器，尤其涉及高输出电压降压转换器。

背景技术

越来越多的LED(发光二极管)产品如LED灯、LED管等要求高发光效率。因此，用于LED产品的驱动器电路也应具有高效率是符合需要的。增加LED产品的效率的一种方法是增大LED驱动器的输出电压。对于未针对高输出电压进行配置的降压转换器，增大输出电压可导致缺陷，恶化降压转换器的性能。

发明内容

本申请的目标在于提供高输出电压降压转换器及高输出电压降压转换器的运行方法。

根据第一方面，提供用于将DC输入电压转换为DC输出电压的降压转换器，具体地，用于以所需或预定的DC电压对DC用电设备供电。该降压转换器包括具有正输入端子和负输入端子的DC输入电路，用于提供DC输入电压。该降压转换器还包括用于将DC输入电压转换为DC输出电压的转换器电路及具有正输出端子、负输出端子和连接在正输出端子与负输出端子之间的输出电容器的DC输出电路，具体地，用于将DC输出电压提供给分别连接到正输出端子和负输出端子的DC用电设备或负载。

降压转换器还包括开关装置，具有与正输入端子连接的第一开关接线端子及经充电二极管与负输入端子连接的第二开关接线端子。此外，降压转换器包括充电电感器，其第一端子经充电电阻器与开关装置的第二开关接线端子连接，及其第二端子与正输出端子连接。开关装置配置成周期性地对充电电感器供电以提供用于输出电容器的充电电流。

降压转换器还包括随频率而变的回流电路，其使正输出端子与开关装置的电源端子连接以支持开关装置的供电。

在高输出电压情形下，尤其在DC输出电压接近DC输入电压时，回流电路可支持和稳定开关装置的供电，使得降压转换器即使在DC输出电压十分接近DC输入电压时仍能以适当的方式运行，否则，开关装置的电源将崩溃或者至少在开关装置的电源中将出现与缺陷相关联的谬误。在本说明书中，降压转换器的高输出电压意为，DC输出电压高达DC输入电压的90％甚至更高，即较接近DC输入电压。因此，该降压转换器使能增大输出电压并使得输出电压更接近输入电压，而不会导致转换器运行的不稳定。

因此，降压转换器的输出DC电压的运行范围可增大，而不会引起不稳定或者闪烁，因而使该降压转换器能用于DC用电设备且DC输出电压接近于DC转换器的输入电压。DC用电设备可以是LED产品如LED灯、LED电灯泡、LED吊灯、LED管等中的LED阵列。

具体地，降压转换器可配置为自供电降压转换器。具体地，降压转换器可按自供电拓扑结构提供。因而，降压转换器可由将被转换的输入DC电压供电。通过使用自供电拓扑结构，可避免另外的电源，导致简单且有成本效益的降压转换器。通过支持开关装置的供电，回流电路可确保自供电降压转换器在升高的输出电压时适当运行，即使没有另外的外部电源。

因而，对于接近DC输入电压的DC输出电压(这可导致DC输出电压的降压扼流或崩溃、由降压转换器供电的LED灯的不稳定或闪烁)，降压转换器的运行的恶化可被有效避免或抑制。

随频率而变的回流电路可配置成使得该随频率而变的回流电路的阻抗对于较快变化的电流较低及对于较慢变化的电流较高。具体地，随频率而变的回流电路可配置为高通滤波器，使得随频率而变的回流电路的阻抗随变化的电流的变化率增大而减小及随变化的电流的变化率减小而增大。因而，流过充电电感器的快速变化的充电电流相较充电电流的相对缓慢变化的部分对用于支持开关装置的供电的回流电流的贡献更大。这样，开关装置的电源的稳定可与降压转换器的高转换效率结合。由于高转换效率，基于这样的降压转换器的LED驱动器的效率也可增加，从而导致LED产品的总效率提高。

回流电路可以是电容性回流电路。具体地，回流电路可包括提供在其中的一个或多个电容器。使用电容性回流电路，可容易地实现该回流电路想要的频率相关性。

开关装置可包括至少一内部开关，配置成以可调节的工作比周期性地或者循环地连接和断开开关装置的第一端子和第二端子。通过闭合和断开开关装置中的开关，充电电感器可被供电以将输出电容器充电到所需输出电压。具体地，通过以可调节的、工作比或者一个周期内开时间段与该周期的整个时间段的比连接和断开开关装置的第一端子和第二端子，输出DC电压可容易地进行调节。

开关装置的电源端子可配备使电源端子与地线连接的外部电源端子电容器。该电源端子电容器可用于保护开关装置免遭瞬变及用于进一步稳定开关装置的电源。

随频率而变的回流电路可包括回流电阻器，其第一端连接到电源端子及第二端与回流二极管的阴极连接，回流二极管的阳极连接到正输出端子，其中回流电路还包括与回流电阻器并联连接的回流电容器。由于与回流电阻器并联连接的回流电容器的积分性质，对于较高频率或者快速变化的电流分量，回流电路的阻抗特别低，使得尤其对于开关周期的每一上升边，较快变化的充电电流相较较慢变化的充电电流对回流电流提供相对更多的贡献。当内部开关的开关状态从开状态变为关状态时，在正向偏压回流二极管的情形下，回流电路的阻抗可特别低，使能高效补偿电源下降。具体地，由于电容性积分特性，开关周期的上升边即使在回流电阻器的电阻率值较高时仍能提供高电流对电源端子电容器充电。

回流电阻器用于限制回流电流，尤其在相对缓慢变化的充电电流情形下，同时回流二极管阻止来自开关装置的电源端子的电流。

回流电容器的电容可小于200pF，尤其可小于150pF，及回流电阻器的电阻率可大于50kOhm，尤其可大于70kOhm。

回流电容器和回流电阻器的电容和电阻率的这些范围可提供开关装置的电源下降的高效补偿，同时提供高水平的转换效率，尤其对于接近DC输入电压的DC输出电压值。

降压转换器可包括连接在正输出端子与充电电感器的第一端子之间的反馈电路，用于在开关装置的反馈端子处提供反馈信号。具体地，反馈电路可包括具有串联连接的第一反馈电阻器和第二反馈电阻器的分压器，第一反馈电阻器和第二反馈电阻器的连接点与开关装置的反馈端子连接。

反馈电路在开关装置的反馈端子处提供标示输出电压的反馈电压，用于DC转换器的自调节，从而确保输出电压对应于输出电压的预定值。

根据另一方面，提供一种DC电源。该DC电源包括根据第一方面的降压转换器及包括用于对降压转换器提供DC输入电压的AC-DC转换器。AC-DC转换器可单独提供或者配置为降压转换器的输入电路的一部分。AC-DC转换器可包括桥式整流器和用于对降压转换器提供DC输入电压的平滑电容器。

AC-DC转换器的特征在于，即使在升高的DC输出电压时，仍具有高转换效率和高可靠性。具体地，由于降压转换器的回流电路配置，尤其在输出电压值接近降压转换器的DC输入电压即AC-DC转换器的DC输出电压时，电源下降可被回流电流补偿同时保持高转换效率，其借助于回流电阻器增大的电阻率，尤其通过提供回流电容器使能。

根据又一方面，提供将DC输入电压转换为DC输出电压的降压转换器的运行方法。该方法包括通过降压转换器的开关装置对充电电感器周期性地供电以对输出电容器提供充电电流。该方法还包括从流过充电电感器的充电电流分流一部分以经随频率而变的回流电路支持开关装置的供电。

由于从流过充电电感器的充电电流分流一部分以经随频率而变的回流电路支持开关装置的供电，可确保降压转换器的适当运行，及可实现高转换效率，尤其在升高的输出电压时。

在所述方法的实施例中，DC输出电压与DC输入电压的比Vo/Vi至少临时位于0.90<Vo/Vi<0.99的范围中，尤其是位于0.95<Vo/Vi<0.98的范围中。

通过增大DC输出电压的值接近DC输入电压的值，可满足DC用电设备对高DC电压供应的需求。

附图说明

在下面的描述中，将提供描述本申请实施方式的细节。然而，对本领域技术人员显而易见的是，这些实施方式可在没有前述细节的情形下实施。

这些实施方式的一些部分具有类似的元件。类似的元件可具有同样的名称或者类似的元件编号。只要适当，一个元件的描述通过引用应用于另一类似元件，从而减少文本的重复，而非限制本发明。

图1示出了根据一实施例的DC电源的电路图。

具体实施方式

图1中所示的DC电源1基于根据本发明第一方面的高输出电压自供电降压转换器，用于将输入直流(DC)电压转换为输出DC电压以对DC用电设备供电，例如LED灯或LED阵列，但不限于此。

DC电源1包括降压转换器2及用于向降压转换器2提供DC输入电压的ACDC转换器3。

降压转换器2包括输入电路20、转换器电路30和输出电路40。

DC输入电路20包括正输入端子IN+和负输入端子IN-，用于向转换器电路30提供DC输入电压。DC输出电路40包括正输出端子OUT+、负输出端子OUT-和连接在正输出端子OUT+与负输出端子OUT-之间的输出电容器C5。在该实施例中，输出电容器为电解液电容器，其正端子与正输出端子OUT+连接及其负端子与负输出端子OUT-连接。

转换器电路30包括开关装置IC。在该实施例中，开关装置IC为集成半导体开关装置。

开关装置IC包括针对开关装置在DC-DC转换器中使用进行配置的内部电开关和内部电路。所述电开关和所述电路未在图1中示出。开关装置IC还包括一对漏端子D、一对源端子CS、电源端子Vcc、反馈端子ZCD、补偿端子COMP和接地端子GND。在该实施例中，开关装置为可通过商业途径获得的Kiwi In-struments Corporation的集成开关装置KP1061。也可使用针对在降压转换器中使用进行配置的类似集成开关装置。

在实施例中，开关装置IC的电开关为内部半导体开关，包括具有栅极、源极和漏极的“常关”MOSFET，其中MOSFET的漏极与所述一对漏端子D连接，MOSFET的源极与所述一对源端子CS连接。所述一对漏端子D与正输入端子IN+连接，及所述一对源端子CS经充电二极管D1与负输入端子IN-连接。MOSFET的栅极可受电路装置的集成电路控制，使得MOSFET可被接通和关断，定期地或者以循环方式。

转换器电路30还包括具有第一端子P1和第二端子P2的充电电感器L1。充电电感器L1的第一端子P1经充电电阻器R2与开关装置IC的源端子CS连接。充电电感器L1的第二端子P2与正输出端子OUT+连接。

转换器电路30还包括使正输出端子OUT+与充电电感器L1的第一端子P1连接的反馈电路31。该反馈电路包括串联连接的第一反馈电阻器R4和第二反馈电阻器R5。第一反馈电阻器R4和第二反馈电阻器R5的连接点与开关装置IC的反馈端子ZCD连接。

转换器电路30还包括具有电源端子电容器C6的电源端子电路32，其使开关装置IC的电源端子Vcc与地线连接。补偿电容器C7连接在补偿端子COMP与接地端子GND之间并用于降压转换器2的功率因数补偿。

转换器电路30还包括具有回流电容器C9的回流电路33。回流电路33使正输出端子OUT+与开关装置IC的电源端子Vcc连接。回流电路33还包括与回流电容器C9并联连接的回流电阻器R1及与回流电容器C9和回流电阻器R1串联连接的回流二极管D2，使得回流二极管D2的阳极与正输出端子OUT+连接。

输入电路20包括具有第一AC输入端子L和第二AC输入端子N的AC输入。输入电路20还包括包含四个二极管D4、D5、D6和D7的桥式整流器BR及包括平滑滤波器C3和熔断器F1。二极管D4和D5的阴极与正输入端子IN+连接，二极管D6和D7的阳极与负输入端子IN-连接。第一AC输入端子L与熔断器F1的第一端连接。二极管D7的阴极与二极管D4的阳极及与熔断器F1的第二端连接。二极管D6的阴极与二极管D5的阳极及与第二AC输入端子N连接。

在运行时，AC功率被施加在第一AC输入端子L和第二AC输入端子N上。AC输入功率通过桥式整流器BR整流，从而对平滑滤波器C3充电进而分别在正输入端子IN+和负输入端子IN-处提供实质上DC输入电压。在该实施例的转换器电路30的自供电拓扑结构中，DC输入电压还用于对开关装置IC供电。

开关装置IC周期性地断开和闭合内部开关，使得所述一对漏端子D周期性地与所述一对源端子CS连接，从而周期性地对充电电感器L1供电，因而产生流过电感器L1的充电电流，从而对输出电容器C5充电以输出DC输出电压。

具体地，在内部开关的开状态下，电流从正输入端子IN+经漏端子D和源端子CS通过充电电阻器R2和电感器L1流到正输出端子OUT+以对输出电容器C5充电。在增大电流的情形下，电感器L1可用作电阻从而相较于DC输入电压(Vi)降低DC输出电压(Vo)，而在内部开关的关状态下，电感器L1用作电流发生器以对输出电容器C5充电，二极管D1被正向偏压，该电流可流过二极管D1和电感器L1以对输出电容器C5充电，因而提供随内部开关的工作比而变的DC输出电压Vo。

反馈电路31在第一反馈电阻器R4和第二反馈电阻器R5与反馈端子ZCD的连接点处提供反馈电压，从而确保DC输出电压Vo对应于DC输出电压的预定值。

流过电感器L1的充电电流的一部分可通过回流电路33流到电源端子电路32。回流电路可补偿电源端子Vcc处的电压降，尤其在输出电压Vo非常接近输入电压Vi时，如果没有回流电路，开关装置IC的自供电将崩溃，或者至少开关装置IC的适当运行将被恶化。

此外，由于与回流电阻器R1并联连接的回流电容器C9的积分特性，对于较高频率或者对于快速变化的电流分量，回流电路的阻抗特别低，使得电流相当快速的变化，尤其在内部开关的开关状态变化时，尤其从开状态变为关状态时，回流电路的阻抗在回流二极管D2正向偏压时特别低，从而通过流过电感器L1的瞬间电流高效补偿电源下降。具体地，由于电容性回流电路的积分特性，开关周期的每一上升边将提供用于电端子电容器C6的电荷，甚至在回流电阻器R1的较高电阻率值时。具体地，回流电阻器R1的电阻率可以高达75kOhm甚至更高。

对于较慢的电流分量，例如在内部开关的关状态下及在正向偏压回流二极管时，回流电路33的阻抗主要通过回流电阻器R1确定。因而，通过增大回流电阻器R1的电阻率，可减少电流损失。

因而，回流电路33展现高通滤波器的性态，从而高效补偿电源端子处的电源下降。具体地，电容性回流电路33确保自供电开关装置的稳定运行，即使在输出电压非常接近输入电压时，否则，开关装置的自供电供应将崩溃，同时，由于回流电阻器R1较高的电阻率，保持较高的转换器效率。

回流电阻器R1的功率损失P_R1可用下面的近似公式进行计算：

P_R1＝(Vo-Vdd-V_D2)^2/R1*(Vo/Vin*1.1414)/Pin*100％

在该公式中，Vo指输出电压，Vdd指电源端子Vcc处的电压，Vin为AC输入端子L和N处施加的AC输入电压。

在实施例中，R1＝75kOhm及C9＝100pF。在Vo＝105V、Vdd＝13.5V、V_D2＝1V和Vin＝230V的情形下，通过上面的公式计算的功率损失约为0.67％。

另一方面，在未提供回流电容器的情形下，或者在回流电容器C9的电容等于0pF时，回流电阻器R1的电阻率应降低以提供同样的电源下降补偿水平，尤其在输出电压Vo接近于输入电压Vi时。在R1＝22kOhm的示例性情形下，上面的公式将得到约2.2％的功率损失P_R1，其为电容性回流电路情形下的功率损失的3倍以上。

因而，基于传统或经典的降压转换器拓扑结构，降压转换器在升高的输出电压时的闪烁可被有效抑制，同时提供降压转换器的高效率。

这样，输出DC电压的运行范围可被增大，而不会经历转换器崩溃或者运行不稳定，要不然其将不利地影响DC功率输出的运行。具体地，在驱动光源如LED阵列的情形下，运行不稳定可能直观地感觉为光源的反复闪烁。

此外，在电容性回流电路情形下功率损失减少在输出电压Vo并不十分接近输入电压Vi时同样维持。

在上面提及的示例性情形下，R1＝75、C9＝100pF，对于输出电压Vo＝105V，在230V的AC输入电压情形下的功率损失约为0.67％。该值远小于非电容性回流电路情形下尤其在R1＝22kOhm和C9＝0F时的功率损失(2.22)。

在至少一示例性实施方式已在前面的详细描述中呈现的同时，应意识到，存在大量变型。还应意识到，示例性的实施方式仅为例子，并不用于以任何方式限制本发明的范围、适用性或配置。而是，前面的详细描述将向本领域技术人员提供方便的用于实施示例性实施方式的路线图。

附图标记说明

1 DC电源

2 降压转换器

3 AC-DC转换器

20 输入电路

30 转换器电路

31 反馈电路

32 电源端子电路

33 回流电路

40 输出电路

BR 桥式整流器

IN+ 正输入端子

IN- 负输入端子

L 第一AC输入端子

N 第二AC输入端子

OUT+ 正输出端子

OUT- 负输出端子

C3 平滑电容器

C5 输出电容器

C6 电源端子电容器

C7 补偿电容器

C9 回流电容器

D1 充电二极管

D2 回流二极管

D4、D5、D6、D7 桥式整流器二极管

F1 熔断器

L1 充电电感器

IC 开关装置

D 漏端子

CS 源端子

Vcc 电源端子

ZCD 反馈端子

COMP 补偿端子

GND 接地端子

P1 充电电感器的第一端子

P2 充电电感器的第二端子

R1 回流电阻器

R2 充电电阻器

R4 第一反馈电阻器

R5 第二反馈电阻器

Claims

1.用于将DC输入电压转换为DC输出电压的降压转换器，所述降压转换器包括：

具有正输入端子(IN+)和负输入端子(IN-)的DC输入电路，用于提供DC输入电压；

用于将DC输入电压转换为DC输出电压的转换器电路(30)；及

具有正输出端子(OUT+)、负输出端子(OUT-)和连接在所述正输出端子(OUT+)与所述负输出端子(OUT-)之间的输出电容器(C5)的DC输出电路；

其中，所述转换器电路(30)包括：

-开关装置(IC)，具有与正输入端子(IN+)连接的第一开关接线端子(D)及经充电二极管(D1)与负输入端子(IN-)连接的第二开关接线端子(CS)；

-充电电感器(L1)，其第一端子(P1)经充电电阻器(R2)与开关装置(IC)的第二开关接线端子(CS)连接，及其第二端子(P2)与正输出端子连接(OUT+)，其中所述开关装置(IC)配置成周期性地对充电电感器(L1)供电；及

-随频率而变的回流电路(33)，其将正输出端子(OUT+)电连接到开关装置(IC)的电源端子(Vcc)以支持开关装置(IC)的供电；

其中所述随频率而变的回流电路(33)的阻抗对于较快变化的电流较低及对于较慢变化的电流较高；及其中所述随频率而变的回流电路(33)配置为高通滤波器，使得所述随频率而变的回流电路(33)的阻抗随变化的电流的变化率增大而减小及随变化的电流的变化率减小而增大。

2.根据权利要求1所述的降压转换器，其中所述降压转换器(2)配置为自供电降压转换器。

3.根据权利要求1所述的降压转换器，其中所述随频率而变的回流电路(33)为电容性回流电路。

4.根据前面任一权利要求所述的降压转换器，其中所述开关装置(IC)包括至少一内部开关，配置成以可调节的工作比周期性地连接和断开开关装置的第一端子(D)和第二端子(CS)。

5.根据权利要求1所述的降压转换器，其中所述开关装置(IC)的电源端子(Vcc)配备使电源端子(Vcc)与地线连接的外部电源端子电容器(C6)。

6.根据权利要求3所述的降压转换器，其中所述随频率而变的回流电路(33)包括回流电阻器(R1)，其第一端连接到电源端子(Vcc)及其第二端与回流二极管(D2)的阴极连接，回流二极管的阳极连接到正输出端子(OUT+)，其中所述随频率而变的回流电路还包括与回流电阻器(R1)并联连接的回流电容器(C9)。

7.根据权利要求6所述的降压转换器，其中所述回流电容器(C9)的电容小于200pF，及所述回流电阻器(R1)的电阻率大于50kOhm。

8.根据权利要求1所述的降压转换器，其中所述降压转换器(2)包括连接在正输出端子(OUT+)与充电电感器(L1)的第一端子(P1)之间的反馈电路(31)，用于在开关装置(IC)的反馈端子(ZCD)处提供反馈信号。

9.一种DC电源，包括：

根据前面任一权利要求所述的降压转换器(2)；及

用于对所述降压转换器(2)提供DC输入电压的AC-DC转换器(3)。

10.将DC输入电压转换为DC输出电压的降压转换器的运行方法，所述方法包括：

通过降压转换器的开关装置对充电电感器周期性地供电以对输出电容器提供充电电流；及

经随频率而变的回流电路从流过充电电感器的充电电流分流一部分，随频率而变的回流电路将正输出端子电连接到开关装置的电源端子以支持开关装置的供电；其中所述随频率而变的回流电路(33)的阻抗对于较快变化的电流较低及对于较慢变化的电流较高；及其中所述随频率而变的回流电路(33)配置为高通滤波器，使得所述随频率而变的回流电路(33)的阻抗随变化的电流的变化率增大而减小及随变化的电流的变化率减小而增大。

11.根据权利要求10所述的方法，其中DC输出电压与DC输入电压的比Vo/Vi至少临时位于0.90<Vo/Vi<0.99的范围中。