CN110651421A - 具有可选输出电压范围的转换器 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种转换器，该转换器使得可以在能够基于一个相同的输入电压提供不同的输出电压的多种转换器架构之间选择性地进行切换。本发明的特点在于，各种架构彼此共享至少一些电子部件，从而降低了根据本发明的转换器的生产成本。所提出的转换器对于机动车辆的照明模块特别有利，其中，在机动车辆的照明模块中存在很大的空间限制，但是需要较宽的输出电压范围以能够向变化的且大量的电致发光光源(LED)供电。

Description

具有可选输出电压范围的转换器
技术领域
本发明涉及电转换器。具体地，本发明涉及一种能够在较宽取值范围上生成输出电压的转换器，这尤其在包含多个光源(例如，发光二极管(LED))的用于机动车辆的照明模块的情况下是有利的。
背景技术
使用诸如发光二极管(LED)的基于半导体元件的光源来执行机动车辆的各种照明功能变得越来越普遍。这些功能可以包括例如日间行车灯、位置灯、转向指示灯或近光灯。众所周知，需要一种用于驱动电源的设备来向执行给定照明功能的一组LED供电。这样的驱动设备通常包括电压转换器，基于由车辆内部的诸如电池之类的源传送的DC输入电压，该电压转换器能够生成具有适于向一组LED供电的值的输出电压。当至少等于阈值的电压(称为正向电压)施加到其端子时，LED发光。LED发射的光通量的强度通常随着流过其的高于直流电的阈值的电流的平均强度而增加。
已知的转换器类型包括SEPIC(单端初级电感转换器)、反激式、升压式和降压式转换器。这种转换器包括开关元件，例如晶体管，其状态在开路值和闭路值之间周期性地切换。施加到开关的闭合占空比D影响输出电压的值和输出电流的平均值。对于SEPIC的示例，输出电压VOUT等于VIN乘以比率D/(1-D)。
构成封闭的自主系统的机动车辆中的这种转换器的输入电压VIN通常被限制在6V至20V之间。这暗示了关于使用已知转换器架构可实现的输出电压值的固有限制。在SEPIC的示例中，对于输入端的6V的最小电压和0.9的占空比Dmax，为光源供电的最大输出电压的上限为54V。类似地，对于输入端的20V的最大电压和0.2的占空比Dmin，转换器的最小输出电压的下限为5V。
但是，为了产生越来越复杂的照明功能或特定的光学标记，有必要使用相同的驱动装置向大量的LED供电，其中LED的数量可以根据激活的照明功能而变化。为了确保所涉及的LED得到供电，机动车辆的照明模块内所需的正向电压值可能超过使用本领域已知的转换器架构可获得的输出电压的范围。
发明内容
本发明的一个目的是克服现有技术带来的至少一个问题。更具体地，本发明的一个目的是提供一种转换器，其能够选择性地提供超过使用已知转换器架构可获得的输出电压值的输出电压值。
本发明的一个主题是一种转换器，用于选择性地将输入电压转换为不同的至少第一输出电压和第二输出电压。所述转换器的特点在于，其包括选择器组件，该选择器组件使得可以在使用第一电子电路和使用至少第二电子电路之间进行切换，第一电子电路和第二电子电路分别允许提供第一输出电压和第二输出电压。第二电子电路包括第一电子电路的至少一部分。
优选地，第二电子电路可以包括第一电子电路。
选择器组件可以优选地包括至少一个开关。该开关可以优选地包括晶体管，例如场效应晶体管(MOSFET，用于金属氧化物半导体场效应晶体管)。
优选地，第一电子电路可以是SEPIC(单端初级电感转换器)电路，并且第二电子电路可以是升压式SEPIC电路。
优选地，第一电子电路可以包括：输入端子；第一电感器L1，将输入端子连接到第一节点N1；第一电容器C1，其端子将第一节点N1连接到第二节点N2；第一二极管D1，其阳极连接到第二节点N2且其阴极连接到第三节点；以及所述第三节点，连接到转换器的输出端子。第一电子电路可以进一步包括将第一节点N1连接到地的第一开关Q1、将节点N2连接到地的第二电感器L2和将第三节点N3连接到地的第二电容器C2。
第一开关Q1可以优选地是晶体管，特别是场效应晶体管，其闭合占空比影响转换器的输出电压的值。
优选地，第二电子电路可以包括第一电子电路，并且还可以包括：第四节点N4，位于第二电感器L2与地之间；第二二极管D2，其阳极连接到第一节点N1且其阴极连接到第四节点N4；以及第三电容器C3，将节点N4连接到地。
优选地，选择器组件能够选择性地连接和断开第二二极管D2和第三电容器C3。
优选地，选择器组件可以包括：第一选择器开关，其布置在第一节点与第二二极管D2的阳极之间；以及第二选择器开关，其与第三电容器C3并联连接并且将节点N4连接到地。
对于6V至20V之间的输入电压，第一电子电路可以优选地能够生成5V至55V之间的输出电压，并且第二电子电路可以优选地能够生成30V至114V之间的输出电压。
本发明的另一主题是一种驱动用于至少一个基于半导体元件的光源的电源的设备。该驱动设备的特点在于，其包括根据本发明的转换器和控制单元，该控制单元被配置为根据向光源供电所需的电压电平来控制转换器的选择器组件。
优选地，光源可以包括发光二极管(LED)。
该驱动设备的控制单元可以优选地包括微控制器元件。
如果转换器包括其闭合占空比对转换器的输出电压的值有影响的开关，则控制单元可以进一步被配置为在所述开关上施加占空比。
本发明的另一目的是提供一种包括至少一个照明模块的机动车辆，该照明模块包括驱动用于至少一个基于半导体元件的光源的电源的设备。该机动车辆的特点在于，驱动用于光源的电源的驱动设备是根据本发明的驱动设备。
通过使用本发明提出的措施，可以提供一种转换器，该转换器能够选择性地在超过使用已知转换器架构可实现的电压的电压范围内产生输出电压值。根据本发明的设备使得可以在至少两个电子电路之间进行切换，每个电子电路形成转换器电路。电子电路彼此共享它们的构成电子部件中的至少一些。这样，相对于使用多个完全分离的转换器来产生多个输出电压范围，本发明允许降低生产成本。与使用专用转换器实现等效功能相比，这还导致根据本发明的转换器所需的空间的减小。在本发明的一个优选实施例中，转换器包含SEPIC架构和升压式SEPIC架构，其中升压式SEPIC架构包括SEPIC架构的所有电子部件。在升压式SEPIC模式下，转换器尤其能够产生范围从30V至114V的输出电压，该第二值是例如对于6V的输入电压和0.9的闭合占空比产生的。在SEPIC模式下，转换器允许产生5V至54V之间的输出电压。因此，通过使用本发明，可以根据通常在机动车辆内可用的输入电压值获得从5V到114V的值的范围。这增加了用于机动车辆的照明模块的设计的灵活性，特别是借助于多个LED光源执行多种照明功能的照明模块。相对于现有技术中已知的廉价且直接生产的单转换器解决方案，尤其增加了可以由包含根据本发明的转换器的一个相同的驱动设备驱动的LED的数量。
附图说明
借助于示例性描述和附图，将更好地理解本发明的其他特征和优点，其中：
图1示意性地示出了根据本发明的一个优选实施例的转换器；
图2示出了现有技术中已知的SEPIC的电路图；
图3示出了现有技术中已知的升压式SEPIC的电路图；
图4示出了根据本发明的一个优选实施例的包括SEPIC和升压式SEPIC的转换器的电路图；
图5示意性地示出了根据本发明的一个优选实施例的用于向多个LED光源供电的设备。
具体实施方式
除非另有说明，否则针对一个给定实施例详细描述的技术特征可以与在通过非限制性示例描述的其他实施例的上下文中描述的技术特征相结合。在本发明的各个实施例中，相似的附图标记将用于描述相似的概念。例如，附图标记100和200表示根据本发明的转换器的两个实施例。
图1中的图示出了根据本发明的第一实施例的转换器100。该转换器包括第一电子电路110，该第一电子电路110形成能够将输入电压VIN转换为不同于VIN的输出电压VoUT(110)的第一转换器电路。第一电子电路110包括第一组电子部件的组件。转换器100还包括第二组电子部件120和选择器组件130，选择器组件130被示意性地示出为由信号“control(控制)”控制的单个开关。如上文所述，当控制信号等于0时，选择器组件130的开关断开并且转换器100能够提供输出电压VOUT(110)。当控制信号等于1时，选择器组件130的开关闭合。在这种情况下，第一电子电路110与电子部件120的组合操作形成不同于电路110的第二转换器电路，该第二转换器电路能够将输入电压VIN转换为不同于VIN的输出电压VOUT(110、120)。当连接在一起时，第二组电子部件120中的电子部件在功能上并入在第一电路110的电路图中的精确的预定位置处。可选地，当通过选择器开关130激活了将第一电子电路与电子部件120组合的操作时，形成第一电子电路的组件的一部分的一个或多个电子部件可以以预定的方式断开连接。当然，组合电子部件/电路的相同原理可以扩展到更多数量的电子电路而不脱离本发明的范围。以这种方式，选择器组件130将使得可以在能够生成多个输出电压或输出电压范围的更多数量的转换器电路之间进行选择。
图2示出了本领域本身已知的SEPIC型开关模式转换器的电路图。相应的电子电路包括输入端子，输入电压VIN被施加到该输入端子。第一电感器L1将输入端子连接到第一节点N1。第一电容器C1的端子将第一节点N1连接到第二节点N2。该电子电路包括第一二极管D1，该第一二极管的阳极连接到第二节点N2，并且其阴极连接到第三节点，第三节点连接到转换器的输出端子。示例性地示出为晶体管的第一开关Q1将第一节点N1连接到地，第二电感器L2将节点N2连接到地，并且第二电容器C2将第三节点N3连接到地。图2中组件的操作本身在本领域中是已知的，因此在本发明的描述中将不再详细描述。开关Q1的闭合占空比影响输出电压VOUT的值。通过改变用于控制开关Q1的信号的断开/闭合阶段的频率和持续时间，可以改变输出电压的值。通常，输出电压值取决于开关Q1的闭合占空比D：VOUT＝VIN(D/(1-D))。对于D＝0.2和VIN＝20V，VOUT等于5V。对于D＝0.9和VIN＝6V，VOUT等于54V。也可以实现介于这些端值之间的值。
图3示出了本领域本身已知的升压式SEPIC型开关模式转换器的电路图。SEPIC允许降低或增加输入电压，而升压式SEPIC增加输入电压。对应的组件包括图2中的SEPIC组件，并且节点N1′、N2′和N3′对应于图2中的节点N1、N2和N3。组件包括并进一步包括位于第二电感器L2与地之间的第四节点N4′、阳极连接到第一节点N1′且阴极连接到第四节点N4′的第二二极管D2、以及连接到电感器L3且将节点N4′连接到地的第三电容器C3。图3中的组件的操作本身在本领域中是已知的，因此在本发明的描述中将不再详细描述。开关Q1的闭合占空比影响输出电压VOUT的值。通过改变用于控制开关Q1的信号的断开/闭合阶段的频率和持续时间，可以改变输出电压的值。通常，输出电压值取决于开关Q1的闭合占空比D：VOUT＝VIN(1+D)/(1-D)。对于D＝0.2和VIN＝20V，VOUT等于30V。对于D＝0.9和VIN＝6V，VOUT等于114V。也可以实现介于这些端值之间的值。
图4示出了根据本发明的转换器200的第二实施例，其通过非限制性示例的方式分别基于图2和图3介绍的组件。转换器200包括第一电子电路210，该第一电子电路210如上文所述形成能够将输入电压VIN转换为不同于VIN的输出电压VOUT(210)的第一SEPIC电路。电子部件和连接节点N1-N3与图2中的组件类似。输出电压也取决于开关Q1的闭合占空比。转换器200还包括由第二二极管D2和第三电容器C3组成的第二组电子部件220以及包括但不限于两个开关S1和S2的选择器组件230。通过控制选择器组件，使得可以在使用第一SEPIC电子电路210和使用第二升压式SEPIC电子电路之间进行切换，其中该第二升压式SEPIC电子电路是通过将第一电子电路210与电子部件220组合而形成的。具体地，该组合操作导致与上文参考图3介绍的升压式SEPIC组件相对应的第二电子电路210、220。
选择器组件230的开关S1连接在节点N1和二极管D2之间。它允许二极管D2连接到转换器200/与转换器200断开连接。选择器组件230的开关S2连接在节点N4(节点N4本身位于电感器L2和电容器C3之间)与地之间，并与电容器C3并联。它允许电容器C3的端子相对于转换器200短路。
当S1断开且S2闭合时，二极管D2与转换器断开连接，并且电容器C3短路。这样，电子部件220不形成与第一SEPIC电子电路210相对应并且如上文所述操作的转换器200的一部分。当S1闭合同时S2断开时，二极管D2连接在节点N1和节点N4之间，并且电容器C3不再短路。这样，电子部件220形成在这种情况下与第二升压式SEPIC电子电路210、220相对应并且如上文所述操作的转换器200的功能部分。因此，通过控制选择器组件230的状态，所示出的转换器能够将SEPIC操作与升压式SEPIC操作相结合，而不会使得产生这两种架构所需的电子部件的数量增倍。返回到上文使用的非限制性示例性值，转换器200能够基于6V至20V之间的输入电压生成5V至114V之间的输出电压。
图5示出了驱动用于作为负载连接到如上文所述的转换器200的多个光源的电源的驱动设备20。举例来说，光源被示为发光二极管(LED)。根据上文提供的描述，用于驱动设备20的控制单元250被配置为借助于控制信号S1、S2来控制转换器200的选择器组件230，以便分别在第一电子电路210与第二电子电路210、220之间选择性地切换。在所示示例中，该控制单元还被配置为控制斩波开关Q1，该斩波开关Q1是转换器的第一电子电路和第二电子电路共有的。因此，例如可以从机动车辆的中央单元接收LED操作设定点的该控制单元能够控制转换器200，使得其提供满足所述设定点所需的电压电平。有利地，控制单元250还考虑光源的固有值，例如描述LED所需的直流电的BIN信息以及操作参数，诸如对LED的决定其直流电的半导体结温度加以表示的NTC温度值。作为非限制性示例，控制单元250可以由被编程的微控制器元件形成，以便产生控制信号Q1、S1和S2。本领域技术人员将能够通过参考上文提供的功能描述并通过利用他们在该领域的常识来构想出用于控制根据本发明的转换器100、200的程序。

Claims (11)

1.一种转换器(100、200)，用于选择性地将输入电压转换为不同的至少第一输出电压和第二输出电压，其特征在于，所述转换器(100、200)包括能够在使用第一电子电路(110、210)和使用至少第二电子电路(110、120；210、220)之间进行切换的选择器组件(130、230)，所述第一电子电路和所述第二电子电路分别允许提供所述第一输出电压和所述第二输出电压，其中所述第二电子电路(110、120；210、220)包括所述第一电子电路(110、210)的至少一部分。
2.根据权利要求1所述的转换器，其特征在于，所述第二电子电路包括所述第一电子电路。
3.根据权利要求1和2之一所述的转换器，其特征在于，所述选择器组件(130、230)包括至少一个开关。
4.根据权利要求1至3之一所述的转换器(200)，其特征在于，所述第一电子电路(210)是单端初级电感转换器SEPIC电路，并且所述第二电子电路(210、220)是升压式SEPIC电路。
5.根据权利要求1至4之一所述的转换器(200)，其特征在于，所述第一电子电路(210)包括：输入端子；第一电感器L1，将所述输入端子连接到第一节点N1；第一电容器C1，其端子将所述第一节点N1连接到第二节点N2；第一二极管D1，其阳极连接到所述第二节点N2且其阴极连接到第三节点；以及所述第三节点，连接到所述转换器的输出端子，并且第一开关Q1将所述第一节点N1连接到地，第二电感器L2将所述节点N2连接到地，并且第二电容器C2将所述第三节点N3连接到地。
6.根据权利要求5所述的转换器(200)，其特征在于，所述第一开关Q1是晶体管，特别是场效应晶体管，其闭合占空比影响所述转换器的输出电压的值。
7.根据权利要求5和6之一所述的转换器(200)，其特征在于，所述第二电子电路(210、220)包括所述第一电子电路，并且还包括：第四节点N4，位于所述第二电感器L2与地之间；第二二极管D2，其阳极连接到所述第一节点N1且其阴极连接到所述第四节点N4；以及第三电容器C3，将所述节点N4连接到地。
8.根据权利要求7所述的转换器，其特征在于，所述选择器组件(230)能够选择性地连接和断开所述第二二极管D2，并且能够选择性地使所述第三电容器C3的端子短路。
9.根据权利要求7和8之一所述的转换器，其特征在于，所述选择器组件(230)包括：第一选择器开关S1，布置在所述第一节点N1与所述第二二极管D2的阳极之间；以及第二选择器开关S2，与所述第三电容器C3并联连接并且将所述节点N4连接到地。
10.根据权利要求1至9之一所述的转换器，其特征在于，对于6V至20V之间的输入电压，所述第一电子电路能够生成5V至55V之间的输出电压，并且所述第二电子电路能够生成30V至114V之间的输出电压。
11.一种驱动用于至少一个基于半导体元件的光源的电源的设备(20)，其特征在于，所述设备包括根据权利要求1至10之一所述的转换器(100、200)和控制单元(250)，所述控制单元(250)被配置为根据向所述光源供电所需的电压电平来控制所述转换器的选择器组件(130、230)。
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