降壓轉換器、驅動器電路和發光二極管燈的制作方法

專利名稱:降壓轉換器、驅動器電路和發光二極管燈的制作方法
【專利摘要】本實用新型提供了一種包括加速關斷電路的降壓轉換器、包括所述降壓轉換器的驅動器電路和發光二極管燈。所述加速關斷電路包括第一電容器，所述第一電容器連接在儲能元件的電流流出端與控制電路之間，用于在功率開關開始關斷時向所述控制電路提供突發電流以加速所述功率開關的關斷。
【專利說明】
降壓轉換器、驅動器電路和發光二極管燈
技術領域
[0001]本實用新型涉及一種降壓轉換器、包括這種降壓轉換器的驅動器電路以及一種發光二極管燈。
【背景技術】
[0002]在現有的照明領域中，發光二極管(Light Emitting D1de , LED)照明器由于其節能、響應時間快等優點而已然成為了照明領域的生力軍。但是，由于LED照明成本高等因素，其發展也在一定程度上受到了制約。因此，如何降低LED照明的成本受到越來越多的關注。目前來看，LED總體價格呈下降趨勢，但是用于LED照明的驅動器電路的成本所占LED照明設備的比重卻越來越重。在這種情況下，降低用于LED照明的驅動器電路的成本就成為了一項艱巨的任務。在這種背景下，振蕩阻塞變換器(Ringing Choke Converter，RCC)電路由于其成本低廉、尺寸緊湊等優點而逐漸被應用到LED照明領域，充當LED照明器的驅動器電路。相比于復雜的集成電路(Integrated Circuit，IC)控制而言，RCC電路用最少的分離元件來搭建電路，因而能夠顯著地降低成本。
[0003]通常從LED照明器的成本方面考慮，RCC電路一般使用三極管來作為主開關元件。三極管的開關速度對于RCC電路的設計是至關重要的，其將影響系統的頻率和效率。因而，在本領域中存在對加速RCC電路中的三極管的關斷的持續不間斷的需求。
【實用新型內容】
[0004]根據本實用新型的一個方面，提供了一種降壓轉換器，包括:輸入端，用于接入輸入功率;負載端、儲能元件和功率開關，當所述功率開關導通時，所述負載端、儲能元件和功率開關串聯于所述輸入端;續流回路，在所述功率開關關斷時，與所述負載端和所述儲能元件串聯以便為所述負載端提供續流;控制電路，用于控制所述功率開關的導通和關斷。所述降壓轉換器還包括加速關斷電路，包括第一電容器，所述第一電容器連接在所述儲能元件的電流流出端與所述控制電路之間，用于在所述功率開關開始關斷時向所述控制電路提供突發電流以加速所述功率開關的關斷。
[0005]該方面的優點在于，利用儲能元件在功率開關關斷時產生的電勢來加速功率開關的關斷，從而提高了降壓轉換器的關斷速度和工作頻率。
[0006]可選地，所述加速關斷電路還可以包括第一二極管，所述第一二極管從輸入端的參考接地端向控制電路正向偏置。
[0007]可選地，所述控制電路可以包括功率開關驅動器電路，所述加速關斷電路還包括連接在第一電容器與所述功率開關驅動器電路之間的第一電阻器，用于限制所述功率開關驅動器電路上的電壓電平。
[0008]可選地，所述加速關斷電路還可以包括第二二極管，所述第二二極管從第一電容器向所述功率開關驅動器電路正向偏置。
[0009]可選地，所述功率開關是NPN型三極管，所述NPN型三極管的基極與控制電路連接，所述NPN型三極管的集電極與續流回路連接，所述NPN型三極管的發射極通過第二電阻器(R5)連接到參考接地端。
[0010]可選地，所述儲能元件可以是主電感，所述控制電路還包括輔助電感，所述輔助電感連接到所述功率開關并且與所述主電感正向磁耦合。
[0011]根據本實用新型的另一方面，提供了一種驅動器電路，包括上述降壓轉換器。
[0012]可選地，所述驅動器電路可以用于驅動發光二極管。
[0013]根據本實用新型的又一方面，提供了一種發光二極管燈，包括發光二極管，以及上述驅動器電路，所述發光二極管連接到所述驅動器電路的所述負載端，并且由所述驅動器電路所驅動。
[0014]在本實用新型所提供的降壓轉換器、驅動器電路和發光二極管燈中，通過加速關斷電路提供的突發電流，功率開關可以更加快速地關斷，從而有助于提高驅動器電路的效率。這意味著驅動器電路的開關頻率可以增加而同時減小驅動器電路的大小。此外，所提供的加速關斷電路的結構簡單，并且可以容易地適配于各種現有電路。因而，本實用新型所提出的加速關斷電路實際上可以應用于提高任何功率開關的關斷速度，進而改進包括功率開關的任何系統的效率。
[0015]根據下文描述的實施例，本實用新型的這些和其它方面將是清楚的，并將參照這些實施例而得以闡述。
【附圖說明】

[0016]下面通過參考附圖來示例性地說明本實用新型的【具體實施方式】，該說明并不以任何方式對本實用新型進行限制。在不同的附圖中，相同的附圖標記指代相同或類似的組件。在這些附圖中:
[0017]圖1圖示了根據現有技術的典型降壓式(BUCK)拓撲的RCC驅動器電路的電路圖；
[0018]圖2圖示了如圖1所示的現有技術RCC驅動器電路的信號波形圖；
[0019]圖3圖示了根據本實用新型的一個實施例的降壓轉換器的結構示意圖；
[0020]圖4圖示了根據本實用新型的一個實施例的RCC驅動器電路的電路圖；
[0021]圖5圖示了如圖4所示的RCC驅動器電路的信號波形圖；以及
[0022]圖6圖示了根據本實用新型的另一實施例的RCC驅動器電路的電路圖。
【具體實施方式】
[0023]現在將詳細參考本實用新型的示例性實施例，其示例在附圖中進行闡述。
[0024]本領域的技術人員應當理解:提供下述說明是為了舉例說明的目的而非限制。本領域的技術人員應當明白本實用新型可以以脫離這些具體細節的其它實現方式來實現。而且為了不模糊本實用新型，在當前的說明中省略了已知的功能和結構的并非必要的細節。
[0025]圖1圖示了根據現有技術的典型降壓式(BUCK)拓撲的RCC驅動器電路的電路圖。如圖1所示，該電路的工作過程如下。上電后，輸入的交流電經過橋式整流器的整流之后，在電容器C5兩端成為直流電。該直流電依次流經電阻器R9、R4、電容器C3、電阻器R2，并且經由電感L2以及二極管D3、電阻器Rl和電容器Cl的串聯到地，在這個過程中對電容器C3進行充電。隨著電容器C3電壓的上升，節點a處的電壓上升，使得功率開關Q3的基極電壓達到閾值電壓，功率開關Q3導通。此時主功率電路開始工作，直流電依次流經LED負載LEDl、主電感L1、功率開關Q3和電阻器R5到地，LED負載LEDl發光。此時，流過主電感LI的電流線性上升，從而在輔助電感L2上產生感應電流。該感應電流流經電阻器R2和電容器C3，從而加速功率開關Q3的導通。
[0026]與此同時，由于電容器C3的充電，節點VCC的電壓逐漸上升，從而使三極管Ql的基極電壓逐漸上升。當三極管Ql的基極電壓上升至三極管Ql和Q5的閾值電壓之和后，三極管Ql和Q5導通，從而將功率開關Q3的基極電壓拉低至其閾值電壓以下，功率開關Q3關斷。當功率開關Q3關斷后，流過主電感LI的電流開始流向二極管D5和LED負載LEDl，從而形成續流回路，LED負載LEDl繼續發光，但是流經LED負載LEDl的電流開始線性下降。
[0027]另一方面，三極管Ql和Q5在導通后將節點VCC處的電壓拉低，三極管Ql和Q5關斷。當三極管Ql和Q5關斷后，電感LI與三級管Q3的寄生電容產生諧振。在諧振過程中電感LI上的電壓會反轉，與電感LI電磁耦合的電感L2上會感生出電壓，該電壓將節點a處的電壓再次被拉高，從而使功率開關Q3再次導通，這時主功率電路再次開始工作，周而復始，以此循環。圖2圖示了如圖1所示的現有技術RCC驅動器電路的主要信號波形圖。
[0028]在如圖1所示的典型RCC驅動器電路中，存在以下問題。由于充當功率開關的三極管(S卩，圖1中所示的Q3)—般工作在深飽和區，因而當三極管Q3的基極電壓降至其閾值電壓以下時，三極管Q3并非立即關斷，而是存在三極管從深飽和區轉變到關斷狀態的關斷延遲。關斷延遲的時間越長，電路的功率損失越高并且操作頻率越低。因此，如果能夠縮短三極管的關斷延遲，則可以顯著提高RCC驅動器電路的性能。
[0029]為此目的，本實用新型提出了一種改進的RCC驅動器電路。圖3圖示了根據本實用新型的一個實施例的降壓轉換器的結構示意圖。該降壓轉換器包括輸入端，用于接入輸入功率;負載端、儲能元件和功率開關，當所述功率開關導通時，所述負載端、儲能元件和功率開關串聯于所述輸入端;續流回路，在所述功率開關關斷時，與所述負載端和所述儲能元件串聯以便為所述負載端提供續流;控制電路，用于控制所述功率開關的導通和關斷。降壓轉換器還包括加速關斷電路，用于在所述功率開關開始關斷時向所述控制電路提供突發電流以加速所述功率開關的關斷。
[0030]具體地，圖4圖示了包括所提出的降壓轉換電器的根據本實用新型的一個實施例的RCC驅動器電路。與圖1所示的RCC驅動器電路類似地，圖4所示的降壓轉換器的功率開關是NPN型三極管Q3，其基極與控制電路連接，集電極與續流回路連接，并且發射極通過電阻器R5連接到參考接地端。降壓轉換器的儲能元件包括主電感LI，以及可選地，連接到功率開關Q3并且與主電感LI正向地磁耦合的輔助電感L2。降壓轉換器的控制電路包括由三極管Ql和Q5組成的功率開關驅動器電路。
[0031]相比于圖1，該RCC驅動器電路還額外地包括串聯在功率開關Q3的集電極與地之間的電容器C6和二極管D10，以及可選地，連接在電容器C6與二極管DlO之間的節點b和三極管Ql的基極之間的電阻器R12。二極管DlO作為整流二極管而與電容器C6—起形成“電荷栗”，而電阻器R12用于限制三極管Ql基極上的電壓。電容器C6充當電荷栗的充電電容，當電路中的功率開關Q3在作高頻切換時，功率開關Q3的集電極上的電壓為高頻方波，特別是當功率開關Q3關斷時，LI的下端會感應上升沿及高電位，該高頻方波的上升沿(dv/dt)與電容器C6的電容形成恒流源(i=C*dv/dt)。所述恒流源的電流流入三極管Ql的基極，相對于如圖1所示的典型RCC驅動器電路而言，該額外加入的電流會將三極管Ql的基極電壓瞬間抬高，即向三極管Ql的基極添加額外的偏置電壓(如圖5中的圓圈部分所示)，或者說向三級管Ql的基極注入額外的驅動電流，從而加速三極管Ql的導通，由于三級管Ql具有一定增益，使得三級管Ql的發射極向三級管Q5提供成倍增大的額外的驅動電流，三級管Q5的增益使得三級管Q5更加從功率開關Q3的基極抽取電流到地，進而加快功率開關Q3的關斷。
[0032]在如圖4所示的RCC驅動器電路中，提出使用由電容器C6和二極管DlO形成的電荷栗來向功率開關Q3的控制電路提供額外的能量以便加速關斷功率開關Q3。
[0033]圖6圖示了根據本實用新型的另一實施例的RCC驅動器電路的電路圖。與圖4相比，圖6所示的RCC驅動器電路還附加地包括與電阻器R12串聯在節點b與三極管Ql的基極之間的二極管Dl I。二極管Dl I的加入使得電容器C6、二極管DlO和二極管Dl I構成了全周期的電荷栗，相比于如圖4所示的電荷栗僅僅工作在功率開關Q3的集電極上的方波的上升沿，該電荷栗在功率開關Q3的集電極上的方波的上升沿和下降沿均工作，從而可以利用整個周期的能量。相對于單一二極管而言，二極管Dll的加入使得能量的利用率得到提高。
[0034]應當指出的是，盡管以作為功率開關的NPN型三極管為例說明了本實用新型，但是功率開關還可以是其它類型的功率開關，例如PNP型三極管、晶體管等。另外，本實用新型所提出的驅動器電路可以用于驅動除發光二極管以外的其它照明器，并且本實用新型所提出的降壓轉換器可以用于任何包括功率開關的裝置中，例如手機充電器、電源適配器等。
[0035]本實用新型還提供了一種發光二極管燈，其包括發光二極管，以及上述驅動器電路，所述發光二極管連接到所述驅動器電路的所述負載端，并且由所述驅動器電路所驅動。
[0036]最后，需要說明的是，應當理解，本實用新型權利要求書中的措辭“一”或“一個”不排除復數，其僅僅旨在敘述的方便，不應當理解為對本實用新型保護范圍的限制。
[0037]除非另有限定，用在本說明書中的所有技術和科學術語具有與本實用新型所屬的領域中熟練的技術人員所通常理解的意義相同的意義。
[0038]應當理解，本實用新型并不局限于上述實施例所述。任何本領域技術人員在閱讀了本實用新型后，結合現有技術不經過創造性思考所構思出的變形或等同均涵蓋在本實用新型所主張的權利要求書中。
【主權項】
1.一種降壓轉換器，其特征在于，包括 -輸入端，用于接入輸入功率； -負載端(a、k)、儲能元件(LI)和功率開關(Q3)，當所述功率開關導通時，所述負載端、儲能元件和功率開關串聯于所述輸入端； -續流回路(D5)，在所述功率開關關斷時，與所述負載端和所述儲能元件串聯以便為所述負載端提供續流； -控制電路，用于控制所述功率開關的導通和關斷； 其特征在于，還包括 -加速關斷電路，包括第一電容器(C6)，所述第一電容器連接在所述儲能元件的電流流出端與所述控制電路之間，用于在所述功率開關開始關斷時向所述控制電路提供突發電流以加速所述功率開關的關斷。2.根據權利要求1所述的降壓轉換器，其特征在于，所述加速關斷電路還包括第一二極管(DlO)，所述第一二極管從輸入端的參考接地端向控制電路正向偏置。3.根據權利要求2所述的降壓轉換器，其特征在于，所述控制電路包括功率開關驅動器電路(Q1，Q5)，所述加速關斷電路還包括連接在第一電容器(C6)與所述功率開關驅動器電路(Q1，Q5)之間的第一電阻器(R12)，用于限制所述功率開關驅動器電路上的電壓電平。4.根據權利要求3所述的降壓轉換器，其特征在于，所述加速關斷電路還包括第二二極管(Dll)，所述第二二極管從第一電容器(C6)向所述功率開關驅動器電路(Q1，Q5)正向偏置。5.根據權利要求1至4中任一項所述的降壓轉換器，其特征在于，所述功率開關是NPN型三極管(Q3)，所述NPN型三極管的基極與控制電路連接，所述NPN型三極管的集電極與續流回路連接，所述NPN型三極管的發射極通過第二電阻器(R5)連接到參考接地端。6.根據權利要求1至4中任一項所述的降壓轉換器，其特征在于，所述儲能元件(LI)是主電感，所述控制電路還包括輔助電感(L2)，所述輔助電感連接到所述功率開關并且與所述主電感正向磁親合。7.—種驅動器電路，其特征在于，包括根據權利要求1至6中任一項所述的降壓轉換器。8.根據權利要求7所述的驅動器電路，其特征在于，所述驅動器電路用于驅動發光二極管。9.一種發光二極管燈，包括發光二極管，其特征在于，所述發光二極管燈還包括根據權利要求7或8所述的驅動器電路，所述發光二極管連接到所述驅動器電路的所述負載端，由根據權利要求7或8所述的驅動器電路所驅動。
【文檔編號】H02M7/217GK205725490SQ201620162091
【公開日】2016年11月23日
【申請日】2016年3月3日
【發明人】龍火軍, 文天祥
【申請人】飛利浦照明（中國）投資有限公司