TW200913447A - Self-oscillating switch circuit and a driver circuit comprising such a switch circuit - Google Patents

Description

200913447 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於一種用於一切換式DC_DC轉換器中之自振 盪切換電路。此外，本發明係關於一種用於操作一負載之 驅動器電路，該驅動器電路包括該自振盪切換電路。特定 吕之’該驅動器電路經組態以驅動一 LED。 【先前技術】 在一包括一 LED或一 OLED之已知裝置中，應用一電子 切換驅動器，以提供一適當的負載電流至（O)LED。此種 裝置可為具有一（〇)led背光、一如一後車燈組（RCL)或 任意其他照明裝置之汽車照明總成2LCD顯示器。此種電 子切換驅動器大體上係一低成本的電路為較佳。 一適當的低成本切換驅動器電路可為一已知的自振盪驅 動器電路。此種切換驅動器電路包括一自振盡切換電路。 該已知的自振盪切換電路之一缺點係一有限效率。特定言 之，當一負載電流流經一電源切換電晶體時，該電源切換 ^ 電晶體被逐漸切斷。結果，在被切斷期間，電力被耗散於 該電源切換電晶體中。此電力被損失，其導致一相對較低 之效率。而且，由於該電源切換電晶體中之該電力耗散， 僅可施加一有限之負載電流，以防止對該電源切換電晶體 之破壞。 本發明之目的 本發明之目的係提供一低成本的切換式DC_DC轉換器以 驅動一負载，特別係一 LED。 130926.doc 200913447 【發明内容】 上述目的在根據請求項丨之自振盪切換電路及根據請求 項π之負載驅動器電路中被達成。 根據本發明’一種用於一切換式DC-DC轉換器中之自振 蘯切換電路包括-用於接收來自—電源供應器的電力之輸 入終端及-用於供應電力至一負載之輸出終端。一電源切 ,半導體裝置具有一諸如一電晶體之類的控制終端，其被 提供及配置以控制一在該輸入終端及該輸出終端之間流動 的負載電流。此外，—控制半導體裝置被提供，且被耗合 至及電源切換半導體裝置以供應—控制信號至該電源切換 半導體裝置之控制終端以控制該電源切換半導體裝置之切 換。此外，一增益半導體裝置被提供，且被耦合在該電源 切換半導體裝置與該控制電晶體之間以放大該控制信號。 、在上述先前技術中，該電源切換半導體裝置之切斷的漸 k程係由忒控制半導體裝置所提供的控制信號之逐漸增 加而w成的。根據本發明，一增益半導體裝置被耦合在該 控制裝置與該電源切換裝置之間以放大該控制信號。由於 所放大的控制信號，該電源切換裝置更快地切換，且較 ^的^力破耗散。該降低的電力耗散產生__較高的電力效 ' '句利用—較尚的負载電流而不破壞該電源切換裝 —個或一個以 雙極電晶體或— 半導體裝置。 上的半導體裝置可為一電晶體，特別係一 場效應電晶體（FET)、或任意其他適當的 130926.doc 200913447 該負載電流從-電源切換輸人終端流經該電源切換半導 體裝置至一電力輸出終端。在一杏姑 任只施例中，一電容器被耦 合在該電源切換輸入終端與該電源切換^㈣n 果，當該控制半導體裝置被切換時，一該半導體裝置上之 電壓及/或-經過該半導體裝置之電流被延遲。因此，由 . 於切換而引起的電力損失被進一步減小。 • 在-實施例中，該控制半導體裝置m切換該電源

切換半導體裝置為非傳導的第一控制半導體裝置。此外， {Λ 在此實施例中，該自振盪切搞帝妨‘ L 1 、 盈切換電路包括一被耦合至該電源 切換半導體裝置之控制終端以切換該電源切換半導體裝置 為傳導的第一控制半導體褒置。一脈衝寬度調變電 路被搞合在該電源切換半導體裝置與該第二控制半導體裝 置，間。該PWM電路包括-用於接收一 PWM信號的PWM L號輸u。供應—適當的PWM信號至該PWM信號輸 、、端月t•夠以PWM模式驅動該負載。如此，若該負載係 ( LED之類的照明I置，則可藉由脈衝寬度調變使該 ’ ㈣暗淡。此一實施例特別適用於-後車燈組之使用。舉 例而言，可結合一尾燈及—刹車燈。若該咖被用作一尾 _ 帛貝j PWM模式可被用於獲得—被減低之光輸出，舉例 .而。利用-ιο〇/〇的作用時間循環pwM信號。若該led被 用作W車燈，該作用時間循環可被增加，例如：達 100%’其導致一最大的光輸出。 ，在另-實施例中，該PWM電路包括—串聯連接之pwM 電路電阻器與一並聯連接之pwM電路電容器及一 p職電 130926.doc 200913447 路-極體其中該PWM電路電容器經組態用於在該電源切 換半導體裝置開始傳導時増加一被提供至該第二控制半導 體裝置之控制h號。增加至該第二控制半導體裝置之控制 信號導致一從該第二控制半導體裝置至該電源切換半導體 裝置之所増加的控制信號，且因此達到該電源切換裝置之 更I·夬的切換。更快的切換導致較少的電力耗散及一較短 的切換延遲。 在實施例中 緩衝半導體裝置被辆合在該PWM信號 輸入、端與β亥電路之一共同終端之間，且—信號產生 器被搞合至該緩衝半導體裝置之一控制終端。舉例而言， 該緩衝半導體裝置可為一電晶體。在此實施例中，該緩衝 裝置允許一内部或一外部PWM產生器之使用。 在另實知例中，一可控切換元件被搞合在該緩衝半導 體裝置之控制終端與該共同終端之間。諸如一電晶體之類 的可控切換元件經組態以在該可控切換元件被切換為傳導 時切換該緩衝半導體裝置為非傳導的。如此，該緩衝裝置 不依賴於該PWM信號被切換為非傳導性的，因此停用該 PWM信號。 人 在一實施例巾，一啟動電路被搞纟在該輸入終端與該第 二控制半導體裝置之控制終端之間。該啟動電路包括一被 耦合至一共同終端與該輸入終端之齊納二極體以不會有 DC偏移電流出現於該㈣電流中之方法來提供該啟 流。 本發明it —步提供一負載驅動器電路以操#一負載。該 I30926.doc 200913447 負載驅動器電路包括一切換式DC_DC轉換器電 ^ 琢切換 式DC-DC轉換器包括一根據本發明之自振盪切換電路。在 一實施例中，該切換式DC-DC轉換器被選自_包括一 型轉換器、一升壓型轉換器、一降升壓型轉換器、一返驰 式轉換器及其他轉換器架構之群。在一眚祐也|士 ^ 頁苑例中，該負載 係一發光二極體（LED)。 【實施方式】 在該等圖式中，相同的參考數字係指相同的元件。圖工 顯示一先前技術之包含在一切換式DC-DC降壓型轉換器j 〇 中之自振盪切換電路之電路圖。該自振盪切換電路包括一 第一及一第二輸入終端Tin 1、Tin2。一 DC電源供應器PS i 被柄合至該輸入終端Tinl、Tin2以供應一DC電壓至該降壓 型轉換器10。該DC電源供應器PS1可為任意類型的DC電源 供應器，包含一電池（組一發光二極體LED被耦合至該 降壓型轉換器10之一輪出。該降壓型轉換器1〇進一步包括 一輸出電感器L1、一輸出電容器ci及一飛輪二極體D1。 該輸出電容器Cl被耦合成並行於該LED。該輸出電感器L1 被耗合成串聯於該輸出電容器C1及該LED之該並聯電路。 該飛輪二極體D1被連接成並聯於該串聯連接，且該飛輪二 極體D1被連接在該自振盪切換電路之一第一輸出終端 Toutl與一第二輸出終端T〇ut2之間。 該自振盪切換電路包括一電源切換半導體裝置，特別係 一雙極電源切換電晶體Q1。該電源切換電晶體Q1之一集 極被連接至該第一輸出終端Tout 1，且該電源切換電晶體 130926.doc -10- 200913447 Q1之一射極經由—感測電阻器R1被耦合至該第_輸入終 端Tinl使得該電源切換電晶體^經組態用於控制一在該輸 入終端Tinl與該輸出終端T〇utli間的負載峰值電流。 該自振盪切換電路進一步包括一第一控制半導體裝置， 特別係一第一雙極控制電晶體Q2。該電源切換電晶體⑴ 之一基極終端（亦即一控制終端）被耦合至該第—控制電晶 ' 體Q2之一集極。該第一控制電晶體Q2之一射極被耦合至 該第一輸入終端Tinl。該第一控制電晶體Q2之基極終端被 Ο 耦合至該電源切換電晶體Q1之射極。 該自振盪切換電路進一步包括一第二控制半導體裝置， 特別係一第二雙極控制電晶體⑴。該第二控制電晶體Q3 之一集極被耦合至該電源切換電晶體Q1之基極終端及該第 一控制電晶體Q2之集極。該第二控制電晶體Q3之一射極 經由一限流電阻器R3被耦合至該第二輸入終端Tin2及該第 二輸出終端Tout2，該第二輸入終端Tin2及該第二輪出終端 Tout2都被連接至接地，且因此發揮該電路之一共同終端 之作用。该第二控制電晶體Q3之一基極終端（亦即其控制 終端）經由一啟動電阻器R2被連接至該第一輸入終端

Tlnl，及被連接至該電源切換電晶體Q1之集極及被連接至 該第一輸出終端Toutl。 在操作中，在啟動時，一 DC供應電壓藉由該電源供應 器psi被供應至該第一輸入終端Tinl及該第二輸入終端 Tln2。該所供應的DC電壓經由該啟動電阻器…被施加於 該第二控制電晶體Q3之基極終端。結果，該第二控制電晶 130926.doc 200913447 體Q3被切換為傳導的。結果’一集極電流被產生，且該電 源切換電晶體Q1變成傳導的。然後一負載電流能夠從該第 一輸入終端Tinl流經該感測電阻器R1、該電源切換電晶體 Q1及該輸出電感器L1至該輪出電容器以及該LED。由於 S亥電感器L1，該負載電流逐漸增加。 隨著負載電流之增加，一增加的電壓產生於該感測電阻 器R1上。此增加的電壓導致在該第一控制電晶體Q2上之 一增加的基極-射極電壓。隨著基極_射極電壓之增加，該 第一控制電晶體Q2逐漸變成傳導的，藉此逐漸降低該電源 切換電晶體Q1之一基極-射極電壓。由於該負載電流流經 該電源切換電晶體Q1，所以在該電源切換電晶體qi之基 極-射極電壓變為低於對應於彼時的峰值電流之基極·射極 電壓時，該電力耗散於該電源切換電晶體㈣。最終，該 電源切換電晶體…變成非傳導的，且該負載電流被封鎖。 同時’該電感器U維持其電流，且一電流開始流經該 咖與該飛輪二極體心結果，―負電壓產生於該飛輪二 桎體D1之陰極處’因此切換該第二控制電晶體⑴為非傳 導的田遠電流變得太低，且該飛輪二極體⑴被切換為非 傳導時，移走在該第二控制電晶體Q3之基極終端處的負電 壓▲。隨後’由該第-輸入終端⑽所供應的加電壓被施加 在該第二控制電晶體Q3之基極終端處，且該上述過程被重 複而因此提供自振盪。 + t上所述，由於從該第一控制電晶師之集極至該電源 刀電晶體帆基極終端所供應的相對緩慢增加的控制信 130926.doc •12· 200913447 號，電力耗散於該電源切換電晶體㈣。一更快增加的控 制信號將導致更快的切換’ i因此導致更少的電力耗散。 更少的電力耗散將允許一更強的負載電流。 根據如圖2顯示之本發明之一實施例，可提供一增益半 導體裝置(特別係一增益電晶體价以放大藉由該二控 制電晶體Q 2被施加於該電源切換電晶體Q丨之控制信號。 該增益電晶體Q4其集極係連接至該第—控制電晶體如之 基極終端，其基極終端係連接至該第一控制電晶體Q2之集 極，且其射極係連接至該電源切換電晶體⑴之基極終端。 注意：在另一實施例中，該增益電晶體卩4之集極可被連接 至該電源供應器PS之正極終端。一增益電阻器被引進於該 增益電晶體q4之基極終端（且因此該第一控制電晶體^之之 集極）與該電源切換電晶體Q1之基極終端之間。此外，一 延遲電容器C2被耦合在該電源切換電晶體Q1之射極（電源 切換輸入終端）與該電源切換電晶體Q丨之集極（電源切換輪 出終端）之間。除了上述之該等所增加的組件，顯示於圖1 中之電路與顯示於圖1中之電路相同。 在操作中，圖2之電路操作類似於圖1之電路。然而，去 在感測電阻器R1上之電壓已變得足夠高使得該第一控制電 晶體Q2開始傳導時，在該第一控制電晶體Q2之集極處輸 出的控制信號被該增益電晶體q4放大。如此，一由該第— 控制電晶體Q2輸出之小的控制信號迅速變成一由該增益電 晶體Q4輸出之相對較大的控制信號。結果，由於該迅速增 加的控制信號’該電源切換電晶體Q1相對較快地切換至— 130926.doc -13· 200913447 非傳導狀態。如此，在切換期間的電力耗散相對較低。 該延遲電容器C2亦可操作以降低在該電源切換電晶體 Q1中之電力耗散。特別係當該電源切換電晶體q丨被切換 為傳導時，該延遲電容器C2保持越過該電源切換電晶體 Q1之集極與射極之電壓相對較低。結果，由於該電壓較 低’所以等於由該電壓乘以電流之該電力耗散就低。 ‘ 參考圖3，如圖1與圖2呈現之電路可經組態成被啟動用 於脈衝寬度調變（PWM)操作以使該LED暗淡。因此，注 (β 意.該PWM操作及相應的電路改變亦可應用於圖1之電 路，因此’省略如圖2中所介紹之該等額外的電路組件。 在根據圖3之電路中，一 pWM信號輸入終端pwM_in被耦 合至該第二控制電晶體q3之基極終端。在該pWM信號輸 入終端PWM-in與對應於該電源切換電晶體Q1之集極之該 第一輸出終端Toutl之間，提供一電阻器尺5與一個二極體 D3及岫饋電谷器C3之一並聯電路之一串聯連接。該二 極體D3被提供以防止來自該電源切換電晶體qi之負載電 I 流可能流經該PWM信號輸入終端PWM_in至該共同終端， 因為該PWM信號輸入終端PWM_in可經過一緩衝電晶體被 耦合至該共同終端，如以下之參考圖4之更詳細說明。 考圖3’在操作中’需要一在該飛輪二極體之陰極 與該第二控制電晶體q3之基極終端之間的適當回饋輕合以 糾正如關於圖i所述之電路之操作。此—適當柄合由該電 阻器以及該前館電容器C3提供。特別係當該電源切換電 晶體Q1開始再次傳導時’該回饋電容器C3增加該第二控 130926.doc -14- 200913447 制電晶體Q3之基極電流，而該回饋電阻器R5限制該基極 電流並確保該電路之適當啟動。 仍參考圖3 ’該啟動電阻器現被體現為一第一啟動電阻 器R2A與一第二啟動電阻器R2B之一串聯連接。在一於該 第一啟動電阻器R2A與該第二啟動電阻器R2B之間的節點 處，一齊納二極體D2被耦合。該齊納二極體進一步被 耦&至接地（共同終端）。此啟動電路在—電源電壓範圍内 及在操作溫度範圍内使經過該電源切換電晶體Q 1之一 DC電流之位準保持相對較低。 圖4顯示一已知的PWM信號產生器pwM_gen。該pwM信 號產生器適合與如圖3顯示之自振盪切換電路結合使用。 然而，可採用其他PWM信號產生器。因此，在此省略該 PWM^號產生器PWM_gen之詳細說明。該卩评厘信號產生 益PWM-gen被耦合至一電源供應器pS2，其可與如圖卜3所 呈現之電源供應器（電源供應器psi)相同，或可為任意其 他分開的合適電源供應器PS2。 由"亥PWM仏號產生器PWM_gen所產生的一 pwM信號被 施加於一緩衝半導體裝置之一控制終端，特別施加於一緩 衝電曰曰體Ql 1之一基極終端。該緩衝電晶體Qi丨之集極係 操作為PWMk號輸出終端pwM_〇ut，且可被_合至圖3 ，路之PWML號輸入終端pWM_in。該緩衝電晶體qi 1 之射極被耦合至接地（或一共同終端）。 、此外，一可控切換元件（特別係一雙極切換電晶體Q12) 被耗合在該緩衝電晶體Q11之基極終端與接地之間，使得 130926.doc -15- 200913447 當一 PWM中斷信號被施加於一控制終端（亦即，該切換電 晶體Q12之一基極終端）時，該緩衝電晶體Qu之基極終端 被連接至接地，因此切換該緩衝電晶體為非傳導的，導致 停用該PWM信號。 現參考圖3及圖4,在PWM操作中’該pWM信號產生器 PWM-gen之輸出被施加於該緩衝電晶體QU之基極終端。 ' #該緩衝電晶體QU被切換為傳導時，該自振盈切換電路 之PWM信號輸入終端PWM_in被連接至接地（共同終端 (] 結果，該第二控制電晶體Q3被切換為非傳導的，且該電源 切換電晶體Q1亦被切換為非傳導的。如此，該自振盪電路 之振盪被中斷。若該緩衝電晶體Qu被切換為非傳導的， 該自振盪切換電路如關於圖丨及圖2之所述操作。 當戎PWM中斷信號被施加於該切換電晶體Qi2之基極終 端時，該緩衝電晶體QU被切換為非傳導的，如上所述， 且因此該PWM信號被中斷而無關於該pWM信號產生器 PWM-gen之輸出。此一 PWM中斷信號可用於汽車應用中 〇 之後車燈組（RCL)。舉例而言，該PWM信號產生器PWM_ gen可輸出一具有一 90%的作用時間循環之信號，導 致在該時間之中，該LED發射光線（逆變電路），其可 L於作/又車之一尾燈。當剎車時，可藉由中斷該pwM信 號使用該相同的led，有效地導致一 1〇〇%的作用時間循 環，且如此適於作一刹車燈之該led輸出一更高的光強 度。 雖然在此揭示本發明之詳細的實施例，但應瞭解該等所 130926.doc _ 200913447 =之實施例純粹係本發明之例示性的，其可 被實施。因此，在此揭示之特 形式 理解為限制，但僅作為該等請求項之 ^不應被 教導熟習此項技術者以事實上 1 #為-用於 當的具體結構之-代表性2不採用本發明之任意適 提供本：2所用的該等術語及詞語不意指限制；而係 如供一本發明之可理解的 語另-個被界定為至少一第此所用之術 該等術語1'包含"及/或，，且有°如在此所用之 在、 "* 、被界疋為"包括”（亦即，開放 =接的查此所用之術語，，轉合”被界定為連接，雖然不一定 係直接的連接，且不一定係依靠線連接。 【圖式簡單說明】 發Γ上，參考顯示非限制性實施例之該等所附圖式說明本 發明，且其中： ο ^顯示—先前技術之自振虚切換式DC_DC轉換器之電 裕圓， 二顯示-根據本發明之一自振盈切換式DC_DC轉換器 第—實施例之電路圖； 丁根據本發明之一自振盪切換式DC-DC轉換器 一實施例之電路圖； - 顯不—與根據圖3之切換式DC_DC轉換器一起使用之 產生器電路之實施例。 【主要元件符號說明】 130926.doc •17- 200913447 10 切換式DC-DC降壓型轉換器 Cl 輸出電容器 C2 延遲電容器 C3 回饋電容器/前饋電容器 D1 飛輪二極體 D2 齊納二極體 D3 二極體 LI 輸出電感器 LED 發光二極體 PS1 DC 電源供應益 PS2 電源供應益 PWM-in 脈衝寬度調變信號輸入終端 PWM-out 脈衝寬度調變信號產生器 Qi 電源切換電晶體 Q2 第一控制電晶體 Q3 第二雙極控制電晶體 Q4 增益電晶體 Qll 緩衝電晶體 Q12 雙極切換電晶體 R1 感測電阻器 R2 啟動電阻器 R2A 第一啟動電阻器 R2B 第二啟動電阻器 R3 限流電阻器 130926.doc -18- 200913447 R5 電阻器 Tinl 第一輸入終端 Tin2 第二輸入終端 Tout 1 第一輸出終端 Tout2 第二輸出終端

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Claims (1)

1. 200913447 十、申請專利範圍： 1. 一種用於一切換式DC-DC轉換器中之自振盪切換電路， 該自振盪切換電路包括： 一用於接收來自一電源供應器之電力的輸入終端； 一用於供應電力至一負載之輸出終端； 一電源切換半導體裝置，其具有一控制終端，該電源 切換半導體裝置經組態以控制一在該輸入終端與該輸出 終端之間的負載電流； 、 一控制半導體裝置，其被耦合至該電源切換半導體妒 置以供應一控制信號至該電源切換半導體裝置之控制終 端’以控制該電源切換半導體裝置之切換； 一增益半導體裝置，其被耦合在該電源切換半導體裝 置與該控制半導體裝置之間以放大該控制信號。 2_如請求項1之自振盪切換電路，其中該電源切換半導體 裝置、該控制半導體裝置及該增益半導體裝置之至少一 者係一電晶體。 J 3·如請求項2之自振盪切換電路，其中該電源切換半導體 裝置、該控制半導體裝置及該增益半導體裝置之至少一 者係—雙極電晶體。 4·如叫求項2之自振盪切換電路，其中該電源切換半導體 裝置、該控制半導體裝置及該增益半導體裝置之至少一 者係—場效應電晶體（FET)。 5’如叫求項丨之自振盪切換電路，其中該負载電流從一電 源切換輪入終端流經該電源切換半導體裝置至一電源切 130926.doc 200913447 換輸出終端，且立由 ，、τ —電容器被耦合在該電源切換輸入 、、端與该電源切換輪出終端之間。 6.如請求項1之自振遭切換電路，其中： S亥控制半導體穿 里也u 衣直係一用於切換該電源切換半導體裝 罝馮非傳導的第— ^ 控制半導體裝置； β亥自振盪切換雷 Λ 电路進一步包括一第二控制半導體裝 置’ 5亥苐二控制丰真縣、 體裝置被1¾合至該電源切換半導體 裝置之該控制終端 碼以切換該電源切換半導體裝置為傳 導， 衝寬度調變（pWM)電路被耗合在言亥電源切換半導 、置/、°亥第一控制半導體裝置之間，該PWM電路包括 :於接收-PWM信號之PWM信號輸入終端。 s求項6之自振盈切換電路其中該電路包括一 。'連接之PWM電路電阻器與—並聯連接之pwM電路電 容器及-PWM電路二極體，其中該pwM電路電容器經組 ‘“二在該電源切換半導體裝置開始傳導時增加—被供應 至该苐二控制半導體裝置之控制信號。 8.如請求項6之自振盈切換電路，其中-PWM信號產生器 被輕口至—緩衝半導體裝置之—控制終端，該緩衝半導 體裝置被福合在該PWM信號輸入終端與一共同終端之 9.如請求項8之自振盪切換電路，其中—可控切換元件被 搞合在該緩衝半導體裝置之該控制終端與該共同終端之 間’使得在該可控切換元件切換為傳導的以停用該PWM 130926.doc 200913447 信號時該緩衝半導體裝置被切換為非傳導的。 10.如味求項1之自振盪切換電路，其中一啟動電路被耦合 在孩輸入終端與該第二控制半導體裝置之該控制終端之 間，錢動電4包括—齊納二極體並被輛合至該第二控 制半導體。

   種用於操作-負载之負載驅動器電路，該負載驅動器 電路包括-切換式DC_DC轉換器電路，該切換式DC-DC 轉換包括一如請求項1之自振盪切換電路。 12·^ =項11之負載驅動器電路，其中該切換式DC-DC轉 XT 一包括—降壓型轉換器、-升壓型轉換器、 [尘轉換器及-返馳式轉換器之群。 請求項η之負載驅動器電路，其中 極體（LED)。 發先一 130926.doc