WO2015100805A1 - 反激式升压电路、led背光驱动电路及液晶显示器 - Google Patents

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Abstract

一种反激式升压电路（20），包括变压器（21）、开关模块（22）、驱动模块（23）以及输出二极管（Do），变压器（21）具有n个初级线圈（Pl、P2）和1个次级线圈（S），开关模块（22）具有n个开关元件（Ql、Q2）；n个初级线圈（P1、P2）的同名端分别与n个开关元件（Ql、Q2）一一对应连接，初级线圈（Pl、P2）的另一端连接输入电压（Vin）；次级线圈（S）的同名端连接到输出二极管（Do）的正端，另一端与地连接；输出二极管（Do）的负端与地之间连接有一输出电容（Co）；驱动模块（23）分别向n个开关元件（Ql、Q2）提供控制信号（DRV1、DRV2），以控制n个开关元件（Q1、Q2）在占空比为D的时间内依次开启其中的一个，n个开关元件（Ql、Q2）的占空比之和为D，其中，n为大于或等于2的整数。该反激式升压电路（20）能够有效地降低开关模块（22）发热量大的问题，并且能够提高输出电压的范围。

Description

反激式升压电路、 LED背光驱动电路及液晶显示器 技术领域 本发明涉及一种反激式升压电路、 包括所述反激式升压电路的 LED背光驱动 电路， 以及具备该 LED背光驱动电路的液晶显示器。
说
背景技术 随着技术的不断进步， 液晶显示设备的书背光技术不断得到发展。 传统的液 晶显示设备的背光源采用冷阴极荧光灯 （CCFL)。 但是由于 CCFL背光源存在色 彩还原能力较差、 发光效率低、 放电电压高、 低温下放电特性差、 加热达到稳 定灰度时间长等缺点， 当前已经开发出使用 LED背光源的背光源技术； 在液晶 显示设备中， LED背光源与液晶显示面板相对设置， 以使 LED背光源提供显示光 源给液晶显示面板。
LED背光源的驱动电路一般都包含有一升压电路， 该升压电路将电源模块提 供的电压转换成所需要的输出电压提供给 LED单元。 其中一种较为广泛应用的升 压电路为反激式变换器 (Flyback Converter) , 反激式变压器又称电感储能式变 压器， 它是一种在主开关管导通期间， 电路只储存而不传递能量， 在主开关管 关断期间， 才向负载传递能量的电路架构。 反激式变换器具有如下的特点： （1 ) 电路具有最少元件； （2 ) 电路具有高的可靠度； （3 ) 电路成本最低。
如图 1所示的一种现有的反激式升压电路， 包括变压器、 M0S开关管 Q以及 输出二极管 Do, 变压器包括初级线圈 P和次级线圈 S, 次级线圈 P与初级线圈 S 的匝数比为 K; 初级线圈 P的同名端连接到 M0S开关管 Q的漏极， 初级线圈 P的 另一端连接到输入电压 Vin, M0S开关管 Q源极与地连接，栅极由一脉冲信号 DRV 控制， 输入电压 Vin还通过一滤波电容 C与地连接； 次级线圈 S的同名端连接 到输出二极管 Do的正端， 另一端与地连接； 输出二极管 Do的负端与地之间还 连接有一输出电容 Co, 并且， 输出二极管 Do的负端向负载提供输出电压 Vout。
当 M0S开关管 Q被脉冲信号 DRV激励而开启时， 直流输入电压 Vin施加到变 压器的初级线圈 P上， 在变压器的次级线圈 S上感应出的电压使输出二极管 Do反 向偏置而阻断， 此时电源能量以磁能形式存储在初级线圈 P中； 当 MOS开关管 Q 关闭时， 初级线圈 P两端电压极性反向， 次级线圈 S上的电压极性颠倒， 使输出 二极管 Do导通， 储存在变压器中的能量释放给负载。 图 2是如上所述的反激式升 压电路的电流波形图。其中 DRV为控制 MOS晶体管 Q开启或关闭的控制信号； Ip 为初级线圈 P中的电流信号； Is为次级线圈 S中的电流信号。 在如图 1所示的电路 中， 输入电压和输出电压的关系为 V。ut = ^^，其中 K为次级线圈 S与初级线
1 - D
圈 P的匝数比， D为 MOS开关管 Q的占空比， D = Τοη ,Τοη是指 MOS开关管 Q
Ton + Toff
的开启时间， Toff是指 MOS开关管 Q的关闭时间， 在设计升压电路时需要考虑参 数 K和 D， 当 K的取值确定之后， D的取值需要设计为大于 50%才能实现升压的目 的。在现有的电路中， 采用单一初级线圈以及单一开关元件， 当将 D的取值设计 大于 50%， 开关元件的开启过程中产生大量热量， 因此 D的取值一般限制在 50% 以下， 这就限制了输出电压 Vout的范围。 发明内容 鉴于现有技术存在的不足， 本发明提供了一种能够有效地降低开关模块发 热量大的问题， 并且能够提高输出电压范围的反激式升压电路。 为了实现上述目的， 本发明采用了如下的技术方案： 一种反激式升压电路， 包括变压器、 开关模块、 驱动模块以及输出二极管， 所述开关模块的占空比为 D, 其中， 所述变压器包括 n个初级线圈和 1个次级线 圈， 所述开关模块包括 n个开关元件， 所述 n个初级线圈的同名端分别与所述 n 个开关元件一一对应连接， 所述 n个初级线圈的另一端分别连接到输入电压， 所述次级线圈与每一个初级线圈的匝数比均为 K;所述驱动模块分别向所述 n个 开关元件提供控制信号， 以控制所述 n个开关元件在占空比为 D的时间内依次 开启其中的一个， 所述 n个开关元件的占空比之和为 D; 所述次级线圈的同名端 连接到所述输出二极管的正端， 另一端与地连接； 所述输出二极管的负端与地 之间还连接有一输出电容， 并且， 所述输出二极管的负端向负载提供输出电； 其中， n为大于或等于 2的整数。 其中， n的取值为 2~5。 其中， n的取值为 2 其中， 所述 n个开关元件的占空比相等。 其中， 所述开关元件为 M0S晶体管， 所述 M0S晶体管的漏极与初级线圈的 同名端连接， 源极与地连接， 栅极与所述控制信号连接。 其中， 所述输入电压通过一滤波电容与地连接。 本发明的另一方面是提供了一种 LED背光驱动电路， 包括电源模块以及升 压电路， 所述升压电路将所述电源模块提供的电压转换成所需要的输出电压提 供给 LED单元， 其中， 所述升压电路为如上所述的反激式升压电路。 其中， 所述 LED单元为并联的多个 LED串， 其中， 每个 LED串包括串联的 多个 LED; 每个 LED串分别通过一电阻电性接地， 其中， 每个 LED串的负端与电 阻连接， 电阻的另一端电性接地。 本发明的另一方面是提供一种液晶显示器， 所述液晶显示器包括 LED背光 源， 其中， 所述 LED背光源采用如上所述的 LED背光驱动电路。 本发明提供的反激式升压电路中， 其中的变压器采用了多个初级线圈以及 多个开关元件， 在变压器进行能量转换时， 突破了目前采用单一开关元件的占 空比的限制， 有效地降低开关模块发热量大的问题， 并且能够提高输出电压范 围。 附图说明 图 1是现有的一种反激式升压电路的电路图。 图 2是如图 1所示的反激式升压电路的电流波形图。 图 3是本发明一具体实施例提供的反激式升压电路的电路图。 图 4是如图 3所示的反激式升压电路的电流波形图。 图 5是本发明一具体实施例提供的 LED背光驱动电路的连接模块图。 具体实施方式 为了解决现有技术存在的问题， 本发明的构思是在变压器中采用多个初级 线圈进行能量转换， 多个初级线圈由多个开关元件分别控制， 以突破现有的单 一开关元件的占空比限制在 50%以下的问题， 提高输出电压范围。 基于以上构思， 本发明提供的技术方案为， 一种反激式升压电路， 包括变 压器、 开关模块、 驱动模块以及输出二极管， 所述变压器包括初级线圈和次级 线圈， 次级线圈与初级线圈的匝数比为 K; 所述初级线圈的同名端连接到所述开 关模块， 由所述开关模块控制所述初级线圈导通或断开， 所述初级线圈的另一 端连接到输入电压； 所述驱动模块提供一控制信号用于开启或关闭所述开关模 块， 所述开关模块的占空比为 D; 所述次级线圈的同名端连接到所述输出二极管 的正端， 另一端与地连接； 所述输出二极管的负端与地之间还连接有一输出电 容， 并且， 所述输出二极管的负端向负载提供输出电压； 其中， 所述变压器具有 n 个初级线圈 Pl~Pn， 所述开关模块具有 n 个开关元件 Ql~Qn， 所述 n个初级线圈的同名端分别与所述 n个开关元件一一对应连接， 所 述 n个初级线圈的另一端分别连接到所述输入电压 Vin,所述次级线圈与每一个 初级线圈的匝数比均为 K;所述驱动模块分别向所述 n个开关元件提供控制信号 DRVl-DRVn, 以控制所述 n个开关元件在占空比为 D的时间内依次开启其中的一 个， 所述 n个开关元件的占空比分别为 Dl~Dn， 并且 Dl+D2+〜+Dn=D; 其中， n 为大于或等于 2的整数。 在进行能量转换时， 通过将单一初级线圈的导通时间分为多个初级线圈的 导通时间之和， 即减少了每一个开关元件的开启时间， 有效地降低开关模块发 热量大的问题； 同时， 开关模块的占空比 D可以设计到 50%以上， 提高了输出电 压的范围。 比较优选的方案是，所述 n个开关元件的占空比相等，即 Dl=D2=〜=Dn=D/n。 比较优选的方案是， n的取值为 2~5。 更为优选的方案是， n的取值为 2。 更为优选的方案是， 所述开关元件为 M0S晶体管， 所述 M0S晶体管的漏极 与初级线圈的同名端连接， 源极与地连接， 栅极与所述控制信号连接。 下面将对结合附图用实施例对本发明做进一步说明。 图 3是本实施例提供的反激式升压电路的电路图， 本实施例是以 n的取值 为 2作为具体例子对本发明进行具体说明的。 如图 3所示， 该反激式升压电路 20包括包括变压器 21、 开关模块 22、 驱 动模块 23以及输出二极管 Do; 其中， 变压器 21具有 2个初级线圈 Pl、 P2以及 一个次级线圈 S， 开关模块 22包括 2个 MOS晶体管 Ql、 Q2; 2个初级线圈 Pl、 P2的绕线方向相反， 即 2个初级线圈 Pl、 P2的同名端分别连接到 2个 M0S晶体 管 Ql、 Q2的漏极， 2个初级线圈 Pl、 P2的另一端分别连接到输入电压 Vin, 次 级线圈 S的同名端连接到输出二极管 Do的正端， 另一端与地连接， 并且， 次级 线圈 S与每一个初级线圈的 Pl、 P2匝数比均为 1 ; 输出二极管 Do的负端与地之 间还连接有一输出电容 Co, 并且， 输出二极管 Do 的负端向负载提供输出电压 Vout; MOS晶体管 Ql、 Q2的源极分别与地连接， 栅极分别连接收驱动模块 23提 供的控制信号 DRV1、 DRV2; 驱动模块 23提供的控制信号 DRV1、 DRV2用于开启 或关闭 M0S晶体管 Ql、 Q2， 从而控制初级线圈 Pl、 P2导通或断开。 在本实施例中， 输入电压 Vin还通过一滤波电容 C与地连接。 在本实施例中， 开关模块 22的占空比为 D, 在占空比为 D的开启时间 Ton 内， 驱动模块 23提供的控制信号 DRV1和 DRV2分别控制 M0S晶体管 Ql、 Q2， 依 次开启 M0S晶体管 Ql、 Q2的时间为 Tonl、 Τοη2， 使得 MOS晶体管 Ql、 Q2的占 空比分别为 Dl、 D2， 本实施例中 Dl=D2=D/2; 在另外的一些实施例中， D1和 D2 也可以是不相等的， 只要满足 D1+D2=D即可。 下面介绍如上所述的的反激式升压电路的工作过禾 '王: 根据反激式升压电路电路原理， 初级线圈和次级线圈不会同时有电流流过， 所以在如图 3所示的反激式升压电路中， 当 M0S晶体管 Ql、 Q2的其中一个开启 时， 初级线圈 P1或 P2中有电流流过， 并且 P1或 P2的同名端为低电位， 此时 次级线圈 S的同名端为低电位， 输出二极管 Do截止； 当 M0S晶体管 Q1和 Q2同 时关闭时， 次级线圈 S的同名端为高电位， 输出二极管 Do导通， 向负载提供输 出电压 Vout并对输出电容 Co充电， 在下一个周期的输出二极管 Do截止时， 由 输出电容 Co向负载提供电压。 图 4是本实施例提供的反激式升压电路的电流波形图。其中 DRV1为控制 M0S 晶体管 Q1开启或关闭的控制信号； DRV2为控制 M0S晶体管 Q2开启或关闭的控 制信号； Ipl为初级线圈 P1 中的电流信号； IP2为初级线圈 P2中的电流信号； Is为次级线圈 S中的电流信号。 在本实施例提供的反激式升压电路中， 输入电压和输出电压的关系为
Vout = in * g = Vin * (Z)l+Z)2) > D的取值越大， 则输出电压 Vout的范围越大； 由于
1 - D \ - (D\ + D2) 开关模块的占空比 D可以拆分成多个开关元件的占空比 Dl、 D2 之和， 因此在单 个开关元件的占空比受限于 50%以下的情况下， 开关模块的占空比 D可以突破 50%的限制， 例如， 开关模块的占空比 D设计为 70%时， 可以设计 D1为 30%、 D2 为 40%; 或者是 D1和 D2均为 35%; 基于以上， 这种电路结构可以减小单个开关 元件的开启时间， 有效地降低开关模块发热量大的问题； 同时， 提高了输出电 压的范围。 图 5是本实施例提供的 LED背光驱动电路的连接模块图。 如图 5所示， 该 LED背光驱动电路包括电源模块 1以及升压电路 2， 所述升压电路 2将所述电源 模块 1提供的输入电压 Vin转换成所需要的输出电压 Vout提供给 LED单元 3， 其中， 所述升压电路 2为本发明提供的反激式升压电路 20。 其中的 LED单元可以为一个或并联的多个 LED串， 每个 LED串包括串联的 多个 LED; 并且， 每个 LED串分别通过一电阻电性接地， 其中， 每个 LED串的负 端与电阻连接， 电阻的另一端电性接地。 综上所述， 本发明提供的反激式升压电路中， 其中的变压器采用了多个初 级线圈以及多个开关元件， 在变压器进行能量转换时， 突破了目前采用单一初 级线圈的峰值电流的限制以及单一开关元件的占空比的限制， 有效地降低开关 模块发热量大的问题， 并且能够提高输出电压范围； 该电路能够有效的应用于 LED背光驱动电路中。 需要说明的是， 在本文中， 术语 "包括"、 "包含"或者其任何其他变体意 在涵盖非排他性的包含， 从而使得包括一系列要素的过程、 方法、 物品或者设 备不仅包括那些要素， 而且还包括没有明确列出的其他要素， 或者是还包括为 这种过程、 方法、 物品或者设备所固有的要素。 在没有更多限制的情况下， 由 语句 "包括一个…… " 限定的要素， 并不排除在包括所述要素的过程、 方法、 物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上所述仅是本申请的具体实施方式， 应当指出， 对于本技术领域的普通 技术人员来说， 在不脱离本申请原理的前提下， 还可以做出若干改进和润饰， 这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。

Claims

权 利 要 求 书
1、 一种反激式升压电路， 包括变压器、 开关模块、 驱动模块以及输出二极 管， 所述开关模块的占空比为 D, 其中， 所述变压器包括 n个初级线圈和 1个次级线圈， 所述开关模块包括 n个开 关元件， 所述 n个初级线圈的同名端分别与所述 n个开关元件一一对应连接， 所述 n个初级线圈的另一端分别连接到输入电压， 所述次级线圈与每一个初级 线圈的匝数比均为 K; 所述驱动模块分别向所述 n个开关元件提供控制信号， 以控制所述 n个开 关元件在占空比为 D的时间内依次开启其中的一个， 所述 n个开关元件的占空 比之和为 D; 所述次级线圈的同名端连接到所述输出二极管的正端， 另一端与地连接； 所述输出二极管的负端与地之间还连接有一输出电容， 并且， 所述输出二极管 的负端向负载提供输出电； 其中， n为大于或等于 2的整数。
2、 根据权利要求 1所述的反激式升压电路， 其中， n的取值为 2~5。
3、 根据权利要求 1所述的反激式升压电路， 其中， n的取值为 2。
4、 根据权利要求 1所述的反激式升压电路， 其中， 所述 n个开关元件的占 空比相等。
5、 根据权利要求 4所述的反激式升压电路， 其中， 所述开关元件为 M0S晶 体管， 所述 M0S 晶体管的漏极与初级线圈的同名端连接， 源极与地连接， 栅极 与所述控制信号连接。
6、 根据权利要求 3所述的反激式升压电路， 其中， 所述 2个开关元件的占 空比相等； 所述开关元件为 M0S晶体管， 所述 M0S晶体管的漏极与初级线圈的 同名端连接， 源极与地连接， 栅极与所述控制信号连接。
7、 根据权利要求 5所述的反激式升压电路， 其中， 所述输入电压通过一滤 波电容与地连接。
8、 一种 LED背光驱动电路， 包括电源模块以及升压电路， 所述升压电路将 所述电源模块提供的电压转换成所需要的输出电压提供给 LED单元， 其中， 所 述升压电路包括变压器、 开关模块、 驱动模块以及输出二极管， 所述开关模块 的占空比为 D, 其中， 所述变压器包括 n个初级线圈和 1个次级线圈， 所述开关模块包括 n个开 关元件， 所述 n个初级线圈的同名端分别与所述 n个开关元件一一对应连接， 所述 n个初级线圈的另一端分别连接到输入电压， 所述次级线圈与每一个初级 线圈的匝数比均为 K; 所述驱动模块分别向所述 n个开关元件提供控制信号， 以控制所述 n个开 关元件在占空比为 D的时间内依次开启其中的一个， 所述 n个开关元件的占空 比之和为 D; 所述次级线圈的同名端连接到所述输出二极管的正端， 另一端与地连接； 所述输出二极管的负端与地之间还连接有一输出电容， 并且， 所述输出二极管 的负端向负载提供输出电； 其中， n为大于或等于 2的整数。
9、 根据权利要求 8所述的 LED背光驱动电路， 其中， n的取值为 2~5。
10、 根据权利要求 8所述的 LED背光驱动电路， 其中， n的取值为 2。
11、 根据权利要求 8所述的 LED背光驱动电路， 其中， 所述 n个开关元件 的占空比相等。
12、根据权利要求 1 1所述的 LED背光驱动电路，其中，所述开关元件为 M0S 晶体管， 所述 M0S 晶体管的漏极与初级线圈的同名端连接， 源极与地连接， 栅 极与所述控制信号连接。
13、 根据权利要求 10所述的 LED背光驱动电路， 其中， 所述 2个开关元件 的占空比相等； 所述开关元件为 M0S晶体管， 所述 M0S晶体管的漏极与初级线 圈的同名端连接， 源极与地连接， 栅极与所述控制信号连接。
14、 根据权利要求 12所述的 LED背光驱动电路， 其中， 所述输入电压通过 一滤波电容与地连接。
15、 根据权利要求 8所述的 LED背光驱动电路， 其中， 所述 LED单元为并 联的多个 LED串， 其中， 每个 LED串包括串联的多个 LED; 每个 LED串分别通过 一电阻电性接地， 其中， 每个 LED 串的负端与电阻连接， 电阻的另一端电性接 地。
16、 一种液晶显示器， 包括 LED背光源， 其中， 所述 LED背光源的驱动电 路包括电源模块以及升压电路， 所述升压电路将所述电源模块提供的电压转换 成所需要的输出电压提供给 LED单元， 其中， 所述升压电路包括变压器、 开关 模块、 驱动模块以及输出二极管， 所述开关模块的占空比为 D, 其中， 所述变压器包括 n个初级线圈和 1个次级线圈， 所述开关模块包括 n个开 关元件， 所述 n个初级线圈的同名端分别与所述 n个开关元件一一对应连接， 所述 n个初级线圈的另一端分别连接到输入电压， 所述次级线圈与每一个初级 线圈的匝数比均为 K; 所述驱动模块分别向所述 n个开关元件提供控制信号， 以控制所述 n个开 关元件在占空比为 D的时间内依次开启其中的一个， 所述 n个开关元件的占空 比之和为 D; 所述次级线圈的同名端连接到所述输出二极管的正端， 另一端与地连接； 所述输出二极管的负端与地之间还连接有一输出电容， 并且， 所述输出二极管 的负端向负载提供输出电； 其中， n为大于或等于 2的整数。
17、 根据权利要求 16所述的液晶显示器， 其中， n的取值为 2。
18、 根据权利要求 16所述的液晶显示器， 其中， 所述 n个开关元件的占空 比相等； 所述开关元件为 M0S晶体管， 所述 M0S晶体管的漏极与初级线圈的同 名端连接， 源极与地连接， 栅极与所述控制信号连接。
19、 根据权利要求 17所述的液晶显示器， 其中， 所述 2个开关元件的占空 比相等； 所述开关元件为 M0S晶体管， 所述 M0S晶体管的漏极与初级线圈的同 名端连接， 源极与地连接， 栅极与所述控制信号连接。
20、 根据权利要求 18所述的液晶显示器， 其中， 所述输入电压通过一滤波 电容与地连接。
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