專利名稱：自激振蕩同步升壓變換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及升壓變換器，更具體地說，涉及有效地將低電壓轉(zhuǎn)換為電流、從而為發(fā)光二極管(LED)供電的電路。
白色LED的缺點(diǎn)在于它們比其他的LED類型具有更大的帶隙。這種更大的帶隙需要大大高于其他LED的工作電壓，大約為4伏特。
已經(jīng)使用了向白色LED提供所需電壓電平的方法，包括調(diào)節(jié)輸出電壓的直流-直流轉(zhuǎn)換器。但是，這種方法成本高，并且在低輸入電壓時(shí)效率低。所用的另一種方法利用鋰電池直接匹配LED電壓。同樣這是一種成本高并且效率低的方法。此外，這種應(yīng)用的白色LED光源中的設(shè)置傾向于低成本的實(shí)現(xiàn)。例如，它需要發(fā)光系統(tǒng)能夠在諸如兩個(gè)AA規(guī)格電池的低功率輸入下使用。但是，已知這種電池組合只能產(chǎn)生大約1.5-3.1伏特。這個(gè)電壓當(dāng)然不夠操作白色LED。
所以，已經(jīng)確定存在一種能夠?qū)⒌碗姵仉妷恨D(zhuǎn)換為足夠操作白色LED的LED電流的有效電路。這樣一種電路也必須具有少的元件數(shù)量以及小的經(jīng)濟(jì)成本。
當(dāng)控制單元12被關(guān)閉時(shí)，儲(chǔ)存在電感14中的能量被加到輸入電壓上，并且電感電流24輔助提供負(fù)載電流26，同時(shí)也儲(chǔ)存電路電容22釋放的能量。當(dāng)控制單元12關(guān)閉時(shí)，電感中的電壓(V1)等于輸出電壓(V0)減去輸入電壓(Vin)(即，V1＝V0-Vin)。控制單元12的操作通過利用控制器28實(shí)現(xiàn)。在這種傳統(tǒng)升壓電路10中，二極管20被看作無源開關(guān)，而控制單元12被看作有源開關(guān)。
為提高對(duì)白色LED供電的電路的效率，本發(fā)明將

圖1的無源開關(guān)20替換成有源開關(guān)，以提供利用互補(bǔ)開關(guān)對(duì)的自激振蕩同步升壓變換器。圖2示意了這樣一種自激振蕩同步升壓變換器30。在此實(shí)施例中，圖1的無源開關(guān)20被替換為有源開關(guān)32。開關(guān)32和34的操作由同步開關(guān)控制器36控制，它允許向負(fù)載42供應(yīng)電感38的能量以及輸入源44的能量。這種能量使得能夠向負(fù)載42提供與僅僅由輸入電壓源44提供的電壓相比更高的電壓或升高了的電壓。
在最佳實(shí)施例中，變換器30向負(fù)載42供應(yīng)足夠的電壓，所述負(fù)載可能是白色LED，產(chǎn)生至少80mA。將會(huì)理解，通過利用控制器36調(diào)整開關(guān)32和34的操作，并選擇適當(dāng)?shù)脑?guī)格，包括電容40和電感38，可以根據(jù)負(fù)載42的需要得到各種電壓值和電流。
繼續(xù)參考圖1和2，注意到傳統(tǒng)變換器10的缺點(diǎn)在于非常低的電壓應(yīng)用，從7到1V的任何數(shù)量的二極管壓降對(duì)系統(tǒng)引入了不希望有的低效率。這種損耗在低電壓時(shí)占了總量的重要部分。因此，為提高效率，圖1的二極管20被替換為了圖2的有關(guān)開關(guān)32。開關(guān)32與二極管20相比，具有較低的導(dǎo)通電阻值，即使在將低壓擊穿二極管用作無源開關(guān)20的時(shí)候也是如此。因此，圖2的電路對(duì)提高工作效率、特別是低壓時(shí)的工作效率是有益的。
控制有源開關(guān)32和34的導(dǎo)通時(shí)間，確定加到諸如白色LED42的負(fù)載上的電壓。具體地說，由開關(guān)頻率的占空率控制輸出電壓(Vout)，其中所述占空度被定義為D=Vout-VinVout,]]>因此，在一個(gè)所需輸出電壓為4V而輸入電壓為2.42V(這是2個(gè)AA電池的額定值)的實(shí)現(xiàn)中，開關(guān)34的導(dǎo)通時(shí)間開關(guān)率為D=4v-2.42v4v=.395]]>注意到在圖2中，輸入源的配置以正配置連接。在某些情況下，電路在被配置為負(fù)輸入配置時(shí)可以更加有效地工作，將在下面對(duì)該點(diǎn)進(jìn)行更詳細(xì)的討論。
回到圖3，它所示的是本發(fā)明的第二實(shí)施例，其中更詳細(xì)的陳述了對(duì)同步升壓變換器50的元件的描述。在這個(gè)電路中，反向偏置的直流源52被用于為諸如白色LED的負(fù)載54供電，所述負(fù)載上跨接了濾波電容55。兩個(gè)互補(bǔ)開關(guān)56和58被配置為共源結(jié)構(gòu)，其中開關(guān)56和58的源都被連接到節(jié)點(diǎn)60。電壓源52的一端被連接到總線64，而源52的第二端被連接到參考線66。電阻68和存儲(chǔ)或升壓電感70被串連在直流源52和節(jié)點(diǎn)60之間。反饋電路72包括串連連接的電阻74、電感76、以及電容78，它們在節(jié)點(diǎn)80處與總線64相連，它們也被連接到控制節(jié)點(diǎn)82。開關(guān)56和58的柵極或控制極最好在控制節(jié)點(diǎn)82處直接連接到一起。注意到電阻68和74可能是元件的內(nèi)阻，而不是單獨(dú)的電阻。同時(shí)，開關(guān)56和58將具有內(nèi)在二極管。
開關(guān)56和58被用于將供應(yīng)的輸入電壓轉(zhuǎn)換為升壓信號(hào)，從而為LED54供電。當(dāng)開關(guān)包括n溝道和p溝道增強(qiáng)模式MOSFET時(shí)，開關(guān)的源極最好分別在公共節(jié)點(diǎn)60處直接連接在一起。但是，要注意到，開關(guān)可能包括其它具有互補(bǔ)導(dǎo)通模式、諸如PNP和NPN雙極性面結(jié)型晶體管。
選擇性地提供連接在公共節(jié)點(diǎn)60和控制節(jié)點(diǎn)82之間的電壓鉗位器件。雙向電壓鉗位器件可以被設(shè)置為所示的背對(duì)背穩(wěn)壓二極管，它們被用于保證對(duì)LED54提供的電壓的控制。鉗位器件84是可選元件，并且在低壓環(huán)境下可能不那么有用。啟動(dòng)電阻86、88和90共同對(duì)電路50進(jìn)行充電，以啟動(dòng)反饋電路72的再生操作。提供常規(guī)緩沖電容92，以輔助開關(guān)56和58的切換。
在通電時(shí)，反饋電路72向電路50提供足夠的增益，以產(chǎn)生自激振蕩。具體地說，由于輸入電壓源52是一個(gè)固定點(diǎn)，因此節(jié)點(diǎn)82的信號(hào)開始上下擺動(dòng)，提供足夠的延遲以便以所需相角驅(qū)動(dòng)開關(guān)56、58。因此，反饋電路72產(chǎn)生的振蕩確定開關(guān)56和58的工作頻率，即，反饋電路72確定開關(guān)56和58的占空度。反饋電路72的元件的選擇確定各個(gè)開關(guān)導(dǎo)通的時(shí)間量，并因此確定升壓變換器電路50提供多少電壓升壓。具體地說，由于電流在電感70中增加，電感70兩端將產(chǎn)生傳遞到LED54的較大電壓。反饋電路72是將其信號(hào)返回到源52的諧振網(wǎng)絡(luò)。
圖4示意了提供給開關(guān)56、58的柵極的振蕩或正弦信號(hào)波形94。要注意圖4的柵極電壓具有加在其上的直流偏置，即變化不是在零伏。這個(gè)直流偏移了一個(gè)偏移量，它允許開關(guān)以適當(dāng)?shù)恼伎斩冗M(jìn)行工作。電路50被設(shè)計(jì)為當(dāng)源52在它的額定電壓時(shí)，占空度基本上以所需的比率進(jìn)行。比如，在本實(shí)施例中，當(dāng)額定輸入電壓為大約2.42V時(shí)，開關(guān)58大約為.4的占空度將得到大約4V的輸出電壓。
圖4還示意了電感70兩端的電感電流96和電感70對(duì)地的電壓信號(hào)98。電流96的增加發(fā)生在下面的n溝道開關(guān)58被導(dǎo)通的時(shí)段。當(dāng)開關(guān)58被關(guān)閉而開關(guān)56被導(dǎo)通時(shí)，電感電流96下降并且向LED54提供電壓98。從而在源52的額定電壓下得到相當(dāng)穩(wěn)定狀態(tài)的到LED54的80mA的電流99。
反饋電流72的元件(即電阻74、電感74和電容78)被用于改變開關(guān)56和58的占空度，使其不等于50/50的占空度。反饋電路72通過產(chǎn)生到源信號(hào)94的柵偏移來完成這個(gè)工作。
在此實(shí)施例中，所需輸出在2.42V的額定輸入時(shí)產(chǎn)生到LED54的80mA的電流。盡管本電路不是調(diào)壓器，但是，通過適當(dāng)選擇元件，可以在整個(gè)LED和電池的使用壽命上得到有用的光輸出。要注意80mA是為白色LED得到適當(dāng)?shù)牧炼榷付ǖ?。但是，要理解它是理想的額定值。但是，沒有被指定在這個(gè)值的LED仍將正常的工作。
可以理解在其它實(shí)現(xiàn)中，可能需要不同的電流值。本電路可能通過選擇不同的元件值來適應(yīng)這些情況。具體地說，通過調(diào)整反饋電路建立的偏移，可以得到開關(guān)率的調(diào)整，以得到不同的輸出。
回到圖5，它示意了根據(jù)本發(fā)明的概念的同步升壓轉(zhuǎn)換器電路100的另一個(gè)實(shí)施例。這個(gè)實(shí)施例和圖3的實(shí)施例的主要差別在于提供的直流電壓源102為正輸出配置。本實(shí)施例使用正電壓源是因?yàn)镻溝道開關(guān)104被置于電路100的底部而互補(bǔ)對(duì)的n溝道開關(guān)106是上面的開關(guān)。
同樣，選擇性地提供限制電容108，以可預(yù)測性地限制節(jié)點(diǎn)60和80之間控制電壓的變化速度。此外，相同的元件用與圖3相同的方式進(jìn)行編號(hào)。
對(duì)其他小元件進(jìn)行了改變，例如電阻86的位置。但是，這僅僅是強(qiáng)調(diào)元件的確切配置可能改變，同時(shí)，變換器仍將維持在本發(fā)明的精神和范圍之內(nèi)。具體地說，本發(fā)明利用互補(bǔ)開關(guān)概念來配置能夠在低電壓下工作的同步升壓變換器。
將n溝道開關(guān)用在圖3的底部開關(guān)位置，其理由是，與同樣規(guī)格和類型的p溝道器件相比，n溝道器件具有較低的導(dǎo)通電阻值(較低的rds)。在此實(shí)施例中，對(duì)于預(yù)期的開關(guān)率，認(rèn)為n溝道將比上面的p溝道導(dǎo)通的時(shí)間長。因此，圖3中，將n溝道放在下部提供了更有效的電路。同樣，在圖5中，當(dāng)認(rèn)為比率將使上面的開關(guān)接通較長的時(shí)段時(shí)，這種配置可能發(fā)生。因此，作為一般陳述，當(dāng)使用較小的輸入電壓，并且下面的開關(guān)將比上面的開關(guān)導(dǎo)通更長時(shí)間時(shí)，將n溝道放在下面的開關(guān)位置。
盡管本發(fā)明已經(jīng)參考最佳實(shí)施例進(jìn)行了描述，本領(lǐng)域的技術(shù)人員將會(huì)理解可以進(jìn)行各種變化，并且可用等效物代替其中的元件，并不背離本發(fā)明的范圍。另外，可以進(jìn)行許多修改，以使本發(fā)明的講授適應(yīng)特定的情況和材料，并不背離本發(fā)明的基本范圍。因此，本發(fā)明并不限于作為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的最佳模式所公開的特定實(shí)施例，本發(fā)明將包括落在所附權(quán)利要求的范圍內(nèi)的所用實(shí)施例。
權(quán)利要求
1.一種自激振蕩升壓變換器，其中包括電阻啟動(dòng)網(wǎng)絡(luò)86、88、90，配置成啟動(dòng)對(duì)所述升壓變換器的充電；諧振反饋電路72，配置為在由所述電阻啟動(dòng)網(wǎng)絡(luò)啟動(dòng)所述電路的操作之后產(chǎn)生振蕩信號(hào)；互補(bǔ)開關(guān)網(wǎng)絡(luò)，具有一對(duì)互補(bǔ)共源連接的開關(guān)56、58，配置為接收所述諧振反饋電路72產(chǎn)生的所述振蕩信號(hào)，其特征在于所述振蕩信號(hào)確定所述互補(bǔ)對(duì)開關(guān)的開關(guān)率；以及升壓電感70，在操作上與互補(bǔ)對(duì)開關(guān)56、58相連，其特征在于所述互補(bǔ)開關(guān)網(wǎng)絡(luò)的開關(guān)率確定升壓電壓。
2.如權(quán)利要求1所述的發(fā)明，還包括負(fù)載43，它在操作上與所述互補(bǔ)開關(guān)對(duì)56、58中的至少一個(gè)相連，以接收所述升壓電壓。
3.如權(quán)利要求2所述的發(fā)明，其特征在于所述負(fù)載是白色LED。
4.如權(quán)利要求3所述的發(fā)明，其特征在于提供給所述升壓變換器的輸入電壓在大約2V和3.1V之間。
5.如權(quán)利要求4所述的發(fā)明，其特征在于提供給所述負(fù)載的所述升壓電壓大約為4V。
6.如權(quán)利要求1所述的發(fā)明，其特征在于所述升壓變換器50配置為利用負(fù)電源電壓工作。
7.如權(quán)利要求1所述的發(fā)明，其特征在于所述升壓變換器50配置為利用正電源電壓工作。
8.一種自激振蕩升壓變換器50，它用于將由輸入源供應(yīng)的輸入電壓轉(zhuǎn)換為足夠操作白色LED54的電平，所述升壓變換器包括電阻啟動(dòng)網(wǎng)絡(luò)86、88、90，配置為啟動(dòng)對(duì)所述升壓變換器的充電；包括諧振電容、電感和電阻的諧振反饋電路72，配置為在由所述電阻啟動(dòng)網(wǎng)絡(luò)啟動(dòng)所述電路的操作之后產(chǎn)生振蕩信號(hào)；互補(bǔ)開關(guān)網(wǎng)絡(luò)，具有一對(duì)互補(bǔ)共源連接的開關(guān)56、58，配置為接收所述諧振反饋電路產(chǎn)生的所述振蕩信號(hào)，其特征在于所述振蕩信號(hào)確定所述互補(bǔ)開關(guān)對(duì)的開關(guān)率；升壓電感70，在操作上與互補(bǔ)開關(guān)對(duì)相連，其特征在于所述互補(bǔ)開關(guān)網(wǎng)絡(luò)的開關(guān)率確定升壓電壓，其特征在于由所述升壓電壓和所述輸入源提供的電壓足夠?yàn)樗霭咨獿ED54供電。
9.如權(quán)利要求8所述的發(fā)明，其特征在于提供給所述升壓變換器50的輸入電壓在大約2V和3.1V之間。
10.如權(quán)利要求8所述的發(fā)明，其特征在于提供給所述白色LED的所述升壓電壓大約為4V。
11.如權(quán)利要求8所述的發(fā)明，其特征在于所述升壓變換器50配置為利用負(fù)電源電壓工作。
12.如權(quán)利要求8所述的發(fā)明，其特征在于所述升壓變換器50配置為利用正電源電壓工作。
全文摘要
自激振蕩升壓變換器50包括電阻啟動(dòng)網(wǎng)絡(luò)86、88、90,配置成啟動(dòng)對(duì)升壓變換器的充電。諧振反饋電路72設(shè)計(jì)為在由電阻啟動(dòng)網(wǎng)絡(luò)啟動(dòng)所述電路之后產(chǎn)生振蕩信號(hào)。互補(bǔ)開關(guān)網(wǎng)絡(luò)具有一對(duì)互補(bǔ)共源連接的開關(guān)56、58,它們被配置為接收諧振反饋電路產(chǎn)生的振蕩信號(hào)。振蕩信號(hào)確定互補(bǔ)開關(guān)對(duì)的開關(guān)率、或占空度。升壓電感70在操作上與互補(bǔ)開關(guān)對(duì)相連?；パa(bǔ)開關(guān)網(wǎng)絡(luò)的開關(guān)率被用來確定向負(fù)載54提供的升壓電壓。
文檔編號(hào)H02M3/24GK1387307SQ0212044
公開日2002年12月25日 申請日期2002年5月20日 優(yōu)先權(quán)日2001年5月18日
發(fā)明者L·R·內(nèi)羅尼, D·J·卡赫馬里克 申請人:通用電氣公司