CN1361651A - 发光二极管电源 - Google Patents

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Abstract

一种用以给LED阵列供电的节省空间的发光二极管的电源电路装置,该电源电路(100)设有:整流器(105)、与整流器(105)连接的起动电路、与上述起动电路连接的栅驱动装置以及连接于整流器(105)与谐振负载电路(135)之间的谐振变换器电路(120、125)。所述谐振负载电路包括:谐振电感(150)、跟谐振电感(150)连接的谐振电容(155)以及跟谐振电容(155)并联的负载。所述负载,至少其一部分,由多个发光元件(170、175)与一个电容器(160)确定。所有电路部件可跟发光元件(170、175)设置于同一块电路板上,只需占用交通信号灯壳体内较小的空间,对传统的白炽灯交通信号灯具的改造由此变得较为容易。

Description

发光二极管电源
技术领域
本发明涉及一种电子线路，具体涉及一种用于驱动光源、特别是用于驱动发光二极管(LED)阵列的电源电路。
背景技术
白炽灯被广泛用于多种不同的环境，在满足各种各样的需要方面已经取得了相当大的商业成就。然而，最近业界在寻求一种更为有效、具有更长寿命并能耐受(如连续暴露于外界并频繁地接通/断开等)恶劣使用环境的替代光源。交通信号灯就是使用于这类环境的白炽灯中的一例。尽管白炽灯一直用作传统的交通信号的光源，但是由于持续暴露于外界环境，其使用寿命相对较短，一般只有8000小时左右，如果考虑频繁通断的因素，寿命会更短。此外，由于其产生的光能中有相当部分因滤光而耗费，白炽灯的发光效率比较低。因而，采用白炽灯作为交通信号的光源需经常维护，一般每年要更换一至二次。
有人提出用发光二极管(LED)作为白炽灯的替代光源，其理由是发光二极管具有能耐受外界环境的牢固结构，并且能长期高效地工作。据知，以LED阵列取代白炽灯的好处包括：提高效率，减少或无需维护，更强的环境耐受性，以及更久的机械耐用性。而且，LED阵列消耗的功率要低于输出相同光能的白炽灯。其他的优点包括：LED阵列工作20年以后才需要更换，不需要反光镜，即使LED阵列中出现故障也不一定要更换整个LED阵列。除了具备跟白炽灯相同的功能外，LED阵列只要单独一个就能显示不同的发光信号，例如：“不能左转”、“只能转弯”与“禁止进入”等。
尽管具有上述各项优点，人们仍然存有若干疑虑，这妨碍了LED阵列的广泛采用，比如用于交通信号系统。最大的担心是LED阵列不容易改型。在交通信号系统的环境中，白炽灯一般采用120伏特60赫兹的AC电源，而LED一般要求约5至20毫安、正向工作电压为1.5-2.5伏的DC电源。其次，“标准的”白炽灯交通信号灯具的外壳设计只适合安装“标准的”白炽灯。
尽管该领域先有技术中已有人试图解决上述问题，但是现在已知的一些解决方案又引出了一些其他的问题。例如，在只用连接于串联的成对LED的电感器或L-C电路对一种现有的白炽灯交通信号灯具进行改造的场合，就会出现较大的问题，因为对于一个约20个LED组成的阵列所要求的电感为6亨利。一个这种规格的电感器会很重，这就使LED灯具要比传统的白炽灯灯具更为沉重。因此，安装交通信号灯具的电线杆或电线必须能够足以长期支持所增加的重量。在灯具壳体内还需装入大规格的电感器，此外，在标准的白炽灯交通信号灯具的有限的空间安装、维护或翻新LED阵列时还会有一些难题随之出现。在其设计方案中还必须考虑技工升高施工时所需的护桶式梯子。
因此，需要一种给LED阵列(尤其是那些用于交通信号灯具的LED阵列)供电的替代方式。
发明内容
本发明提供了一种成本效率更高的用于给LED阵列供电的电子线路。
LED阵列的电源电路包括：用以将AC电流转换为DC电流的整流器；与该整流器连接的用以提供AC电流通路的起动电路；与该起动电路连接的栅驱动装置；由该栅驱动装置再生控制的谐振变换器电路；以及与该谐振变换器电路连接的谐振负载电路，用以在该谐振负载电路中感应出AC电流。所述谐振负载电路包括谐振电感、与该谐振电感连接的谐振电容以及跟该谐振电容并联的负载。
所述负载，至少其中一部分，由多个发光元件与一个电容器确定。
在其他的最佳实施例中，所述负载至少包括一对并联的极性相反的发光元件或至少一对极性相反的发光元件支路。
跟先有技术相比，该电路具有许多优点。其电源电路采用较小的元件，使交通信号灯具的电路部分占用的空间比任何已知的先有技术电路小。
另一项优点在于采用了集成电路，重量轻，可以方便交通信号灯具的更换。
再一项优点就是，集成电路将可跟LED阵列装在同一块电路板上。
附图的简单说明
图1为依据本发明的电源电路的示范性实施例的原理图；
图2为依据本发明的电源电路的第二最佳实施例的原理图；
图3为依据本发明的电源电路的第三最佳实施例的原理图；
图4为依据本发明的电源电路的另一最佳实施例的原理图。
最佳实施例的详细说明
图1描述了依据本发明的第一最佳实施例的LED交通信号灯的电源电路100。跟AC电源110连接的整流装置即全波桥式整流器105将AC电流转换成DC电流。平滑电容器115跟桥式整流器105连接维持一平均电压电平。包括第一与第二开关元件120与125的DC/AC变换器跟平滑电容器115相连。电磁干扰(EMI)滤波器130(图示为电感器)连接在桥式整流器105与DC/AC变换器之间。
第一与第二开关元件120与125分别由栅驱动电路控制，以将桥式整流器105输出的DC电流转换成AC电流，进入谐振负载电路135。DC总线电压VBUS存在于总线导体140与基准导体145(为了方便图中以地线表示)之间。
谐振负载电路135包括谐振电感器150与谐振电容器155。谐振负载电路135还包括一个负载。该负载包含一个匹配电容器160与至少一个由LED 170、175构成的发光二极管组165，各组之间串联连接。LED 170、175最好以一种本技术领域周知的极性相反的方式连接。LED 170、175以并联方式布置，使得各LED 170、175处于相同的电位，并且每个二极管在每半个周期内发光。LED 170、175构成的发光二极管组165可并联在谐振电容器155上。匹配电容器160连接于节点N1与LED 170、175的发光二极管组165之间，它对由谐振电感器150与谐振电容器155构成的网路如何感受LED 170、175的阻抗产生影响。匹配电容器160可限制通过LED的电流。
电容器180、185为标准的桥接电容器，用以将它们的连接节点N1保持在大约一半的总线电压VBUS上。众所周知，在本技术领域存在一些可替代桥接电容器180、185的装置。谐振负载电路135中互连LED 170、175的其他方式将在下文中讨论。
在电源电路100中，第一与第二开关元件120与125为互补开关元件。例如，第一开关元件120可为图示的n沟道增强型器件，而第二开关元件125则为p沟道增强型器件，也称为MOSFET开关元件。但是，也可采用其他的n沟道、p沟道或双极结型晶体管开关元件。第一与第二开关元件120与125具有各自的栅极(控制端)G1、G2。第一开关元件120的栅极G1至源极(基准端)S1的电压控制该开关元件的导电状态。同样地，第二开关元件125的栅极G2至源极(基准端)S2的电压控制该开关元件的导电状态。如图示，源极S1与S2在共用节点N2处相互连接。第一与第二开关元件120与125的漏极D1与D2分别跟总线导体140和基准导体145相连。
所述栅驱动电路连接于共用控制节点N3与共用节点N2之间。所述栅驱动电路包括驱动电感器190，该电感器跟谐振电感器150互相耦合，使得在谐振电感器中感应产生的电压跟AC负载电流的瞬时变化率成正比。驱动电感器190进而跟共用节点N2的一端连接。连接于共用节点N2的谐振电感器150的一端可为构成驱动电感器190与谐振电感器150的变压器绕组上的抽头。驱动电感器190提供用以使栅驱动电路工作的驱动能量。第二电感器195跟第一电感器190在隔直流电容器200与驱动电感器190之间串联。该第二电感器195用以调节出现在共用控制节点N3与共用节点N2之间的栅-源电压的相角。
双向电压箝位电路205(最好由背对背齐纳管构成)位于共用控制节点N3与共用节点N2之间。该双向电压箝位电路205的好处在于：能将第一与第二开关元件120与125的栅-源电压额定值的正、负偏移箝位，不使它们超出栅-源电压的最高额定值。当所述栅驱动电路处于足够低的电压值时，可以从电源电路100中去掉该双向电压箝位电路205。
最好在控制节点N3与共用节点N2之间设置电容器210，以可预知地限制共用控制节点N3与共用节点N2之间的栅-源电压的变化率。这就有利地保证了例如在第一与第二开关元件120与125的开关方式中的空载时间间隔，在此间隔内，第一与第二开关元件120与125在或者第一开关元件120或者第二开关元件125接通的时段之间是断开的。电容器210还形成一个由电容器210与第二电感器195构成的第二谐振电路。
隔直流电容器200与三个电阻器R1、R2与R3形成起动电路，它们跟所述栅驱动电路连接。所述起动电路可为来自AC电源110的输入提供通路，以起动电感器。所述起动电路的工作过程如下。在AC电源110被加电后随即经由电阻器R1、R2与R3开始对隔直流电容器200充电。在此瞬时，隔直流电容器200两端的电压为0。在此起动过程中，驱动电感器190与谐振电感器150实质上被短接，这是由于隔直流电容器200的充电时间常数较大。如电阻器R1、R2与R3的阻值相等，在初始总线激励时，共用节点N2处的电压约为1/3的总线电压VBUS。位于电阻器R1、R2与R3之间的共用控制节点N3处的电压为1/2的总线电压VBUS。这样，隔直流电容器200便被从左端向右端充电，直至其电压达到第一开关元件120栅-源电压的阈值(例如，2-3伏)。此时，第一开关元件120转入其导电状态，该状态然后导致由第一开关元件120向谐振负载电路135提供电流。谐振负载电路135中最终获得的电流导致以如上描述的方式对第一与第二开关元件120与125进行再生控制。
在电源电路100的稳态工作期间，位于第一与第二开关元件120与125之间的共用节点N2的电压将接近1/2总线电压VBUS。共用控制节点N3处的电压也接近1/2总线电压VBUS，这时隔直流电容器200就不再处于被充电状态，从而为第一开关元件120的接通产生又一个起动脉冲。隔直流电容器200的容抗要远小于驱动电感器190与第二电感器195的感抗，所以隔直流电容器200不会干扰驱动电感器190与第二电感器195的工作。
因此，电源电路100的起动电路不需要传统上用于起动电路的二端交流开关元件等触发装置。此外，电阻器R1、R2与R3为非严格值元件，例如，它们的阻值可以为100K欧姆或1M欧姆。电阻器R1、R2与R3的阻值最好接近相等。
可用任选的缓冲电容器215来消耗谐振电感器150中的能量。缓冲电容器215跟电阻器R3并联。尽管按图示电阻器R3形成第二开关元件125的分路，但是电阻器R3也可形成第一开关元件120的分路。
图2描述了依据本发明的第二最佳实施例的LED交通信号灯的电源电路250。除了谐振负载电路135中的LED 170、175的布置以外，电源电路250跟图1所示的电源电路100相同。因此，电源电路250可提供跟电源电路100相同的优点与好处。
在电源电路250中，谐振负载电路255包括谐振电感器150、谐振电容器155与匹配电容器160。发光二极管LED 170、175被这样布置：并联地连接至少一个由LED 170与175极性相反地组成的发光二极管对260。
图3描述了依据本发明的第三最佳实施例的LED交通信号灯的电源电路300。除了LED 170、175的布置以外，电源电路300跟图1所示的电源电路100相同。因此，电源电路300可提供跟上述的电源电路100与250相同的优点与好处。但是，电源电路300不需要相同数量的LED 170、175。
在电源电路300中，谐振负载电路305包括谐振电感器150、谐振电容器155与匹配电容器160。发光二极管LED 170、175被这样布置：极性相反地并联连接至少一个分别由LED 170、175组成的支路315、320构成的支路对310。每个支路315或320可包含无限多个以相同极性排列的LED 170或175。尽管极性相反的支路315与320最好包含相同数量的发光二极管(LED 170或175)，但是只要跨接在由LED 170或175组成的每个极性相反的支路315或320上的电压基本相同，可以允许LED 170与175的数量不相同。匹配电容器160就是针对支路315与320之间出现的任何电压不平衡而设置的。但是，支路315与320之间的LED 170与175的不均匀分配受LED 170或175所允许的反向电压的限制。
图4描述了用于LED交通信号灯的另一种电源电路400。除了谐振负载电路405以外，电源电路400跟图1所示的电源电路100相同。跟上述的谐振负载电路135相同，谐振负载电路405也包括谐振电感器150、谐振电容器155与匹配电容器160。该谐振电路包括至少一个发光二极管管组410、它由各LED 415极性相同地并联而成。由LED 415构成的各个发光二极管管组410以串联方式连接。由于LED 415极性相同地布置，谐振负载电路405需要三个附加部件，即第二全波桥式整流器420、二极管425与限流电感器430。
跟谐振电容器155并联的第二桥式整流器420，用以将AC电流重新变换成DC电流。电感器430连接在第二桥式整流器420与LED415之间。LED 415可以并联在谐振电容器155上。二极管425并联在第二桥式整流器420上。二极管425可让电流连续流过限流电感器430，该电感器用以限制供给LED 410的电流。
总之，本发明提供一种用集成电路元件构成的AC电源给LED有效供电的方式。本发明把从标准白炽灯交通信号灯改型为LED交通信号灯所需占用的空间最小化。本发明的应用涉及LED阵列，然而大家都会明白，在一个具体阵列中LED的数量可以有所不同。
再者，由于本领域的技术人员很容易想到对于本发明的为数众多的修改与变更，申请人无意将本发明局限于文中具体描述与说明的结构与操作，可采用的所有适当的改型与等效装置均将归入本发明权利要求书的范围。

Claims (19)

1.一种电源电路，它包括：
(a)将AC电流变换成DC电流的第一整流器；
(b)给所述AC电流提供通路的与所述整流器连接的起动电路；
(c)跟所述起动电路连接的栅驱动装置；
(d)由所述栅驱动电路再生控制的谐振变换器；以及
(e)跟用以在负载电路中感应产生AC电流的谐振变换器电路连接的负载电路，该负载电路包括：
(1)谐振电感；
(2)跟所述谐振电感连接的谐振电容；以及
(3)并联于所述谐振电容的负载。
2.如权利要求1所述的电路，其特征在于所述负载包括：
(a)一组发光元件；以及
(b)连接于所述谐振电容与所述发光元件组之间的电容器。
3.如权利要求2所述的电路，其特征在于所述发光元件为发光二极管。
4.如权利要求2所述的电路，其特征在于所述发光元件以并联方式连接。
5.如权利要求2所述的电路，其特征在于所述发光元件极性相反地布置。
6.如权利要求2所述的电路，其特征在于所述发光元件极性相同地布置。
7.如权利要求2所述的电路，其特征在于所述负载进一步包括：
(a)用以将AC电流变换成DC电流的第二整流器，该第二整流器跟所述谐振电容并联；
(b)连接于所述整流器与所述发光元件组之间的限流电感；以及
(c)并联于所述第二整流器的二极管，所述第二整流器让所述DC电流连续通过所述限流电感。
8.如权利要求2所述的电路，其特征在于所述发光元件组为一对极性相反地布置的并联连接的所述发光元件。
9.如权利要求2所述的电路，其特征在于所述发光元件组为一对并联连接的极性相反的由所述发光元件构成的支路，每个支路中所述发光元件以极性相同的方式布置。
10.如权利要求1所述的电路，其特征在于所述谐振变换器电路包括通过其中流过AC电流的共用节点串联连接于总线导体与基准导体之间的第一与第二开关元件，所述第一与第二开关元件各自包含控制节点与基准节点、在每一个所述控制节点与所述共用节点之间的第一电压决定所述开关元件的导电状态。
11.如权利要求10所述的电路，其特征在于所述电路进一步包括连接于所述总线导体与所述基准导体之间的分压器网路。
12.如权利要求10所述的电路，其特征在于进一步包括连接于所述控制节点与所述共用节点之间的双向电压箝位电路，该电路用以限制所述第一电压的正向与反向偏移。
13.如权利要求10所述的电路，其特征在于所述栅驱动装置包括可预知地限制所述第一电压的变化率的电容器。
14.如权利要求10所述的电路，其特征在于所述栅驱动装置包括驱动电感器，该电感器跟所述谐振电感器互相耦合，使得在所述谐振电感器中感应产生跟所述AC负载电流的瞬时变化率成正比的第二电压。
15.如权利要求14所述的电路，其特征在于所述栅驱动装置包括跟所述驱动电感器串联的第二电感器，该第二电感器与所述驱动电感器连接于所述共用节点与所述控制节点之间。
16.如权利要求10所述的电路，其特征在于所述起动电路包括：
(a)三个电阻器，其第一与第二电阻器跟所述第一整流器并联，所述第三电阻器跟所述第一与第二开关元件中的一个并联；以及
(b)连接于每个所述控制节点与所述共用节点之间的隔直流电容器。
17.如权利要求10所述的电路，其特征在于还包括缓冲电容器，该缓冲电容器跟所述第一开关元件并联。
18.如权利要求10所述的电路，其特征在于还包括缓冲电容器，该缓冲电容器跟所述第二开关元件并联。
19.一种发光元件的电源电路，它包括：
(a)设有所述发光元件并且包括谐振电感、谐振电容与电容器的谐振负载电路；
(b)跟所述谐振负载电路连接的DC/AC变换器电路，用以在所述谐振负载电路中感应产生AC电流，所述变换器电路包括：
(1)串联连接在基准导体与处于DC电压的总线导体之间并共同连接于其中流过所述AC电流的共用节点的第一与第二开关元件；
(2)所述第一与第二开关元件各自包括基准节点与控制节点，这些节点之间的电压确定所关联的开关元件的导电状态；
(3)互连于所述共用节点的所述第一与第二开关元件各自的基准节点；以及
(4)直接互连的所述第一与第二开关元件各自的控制节点；
(c)连接于所述控制节点与所述共用节点之间的电感；
(d)位于所述控制节点与所述共用节点之间、跟所述电感串联的起动脉冲供给电容；
(e)跟所述控制节点连接的网路，用以给所述起动脉冲供给电容充电以产生起动脉冲；以及
(f)在所述共用节点和所述总线导体与所述基准导体中的一个之间连接的极性确定阻抗，用以设定由起动脉冲供给电容产生的所述脉冲的初始极性。
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