專利名稱：用于為至少一個led提供電流的方法和降壓變換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及ー種用于為至少ー個LED提供電流的降壓變換器，所述降壓變換器具有帶有第一和第二輸入端子以用于與直流電源耦合的輸入端、帶有第一和第二輸出端子以用干與至少ー個LED耦合的輸出端、降壓ニ極管、降壓扼流圈和具有控制電極、工作電極和參考電極的降壓主開關(guān)、和具有控制電極、工作電極和參考電極的第一輔助開關(guān)，其中第一輔助開關(guān)的控制電極與下述節(jié)點耦合，在電路裝置工作時能夠在所述節(jié)點上提供第一電壓，所述第一電壓與提供到至少ー個LED上的電流相關(guān)，其中降壓主開關(guān)和降壓ニ極管串聯(lián)地耦合到第一和第二輸入端子之間，其中降壓扼流圈耦合到一方面降壓ニ極管和降壓主開關(guān)的連接點和另一方面第一輸出端子之間。此外，本發(fā)明涉及ー種用于為至少ー個LED提供電流的相應(yīng)的方法。
背景技術(shù)：
隨著LED在普通照明的廣闊領(lǐng)域中的推迸，出現(xiàn)對用于所述構(gòu)件的簡單的和低成本的供電電路的大的需求。同時存在針對這種要求設(shè)計的多個特別的集成電路。在此僅示例性地提出松下公司的模塊LM3402和凌カ爾特公司的模塊LT3474。然而，這種集成電路對批量生產(chǎn)中的應(yīng)用而言通常是過于昂貴和過于不靈活的。因此，存在用于至少ー個LED的盡可能低成本的供電電路的需求。用于為至少ー個LED提供電流的低成本的降壓變換器從W02009/089912A1中已知。這種降壓變換器實現(xiàn)極其低的實現(xiàn)成本和空間需求，所述空間需求低于在通過集成電路實現(xiàn)的情況下的相應(yīng)的對比尺寸。從W02008/132658A1中已知自由振蕩的電路裝置，然而所述電路裝置與已提到的W02009/089912相反僅能夠在臨界導通模式中或在轉(zhuǎn)換模式中工作。所述參考文獻教導了放大晶體管在控制半導體和功率開關(guān)半導體之間的應(yīng)用，其中這沒有表示不同于用于斷開功率開關(guān)半導體的雙極型晶閘管仿真。從W02008/001246A1中已知ー種用于使具有恒定電流的負載運行的電路裝置。所述電路裝置包括電壓傳感器，所述電壓傳感器影響控制電路，使得補償輸出電壓的變化對輸出電流的平均值的影響。US2007/0013323A1涉及用于提供到LED上電流的控制電路并且示出用于在連續(xù)模式中使LED運行的降壓變換器的基本結(jié)構(gòu)。關(guān)于其他現(xiàn)有技術(shù)參考Kelvin Ka-Shing Leung, Henry Shu-Hung Chung 的“Dynamic Hysteresis Band Control of the Buck Converter with Fast TransientResponse”，IEEE TRANSACTIONS ON CIRCUITS AND SYSTEMS-1I EXPRESS BRIEFS，卷52，第7期，2005年七月。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的在于改進從W02009/089912A1中已知的降壓變換器和用于為至少ー個LED提供電流的相應(yīng)的方法，使得在提高降壓變換器的效率的同時，更加低成本地實現(xiàn)所述降壓變換器和方法。本發(fā)明基于下述知識，在適當激勵的情況下，由唯一的輔助開關(guān)來替換W02009/089912A1中的第一和第二輔助開關(guān)。這使得更加低成本地實現(xiàn)這種降壓變換器。此外，如同以下更詳細地描述，降壓變換器的效率提高，因為在根據(jù)本發(fā)明的實現(xiàn)方案中兩個電流測量分流器的電阻的總值與從W02009/089912A1中已知的解決方案相比能夠保持
得更小。因此根據(jù)本發(fā)明提出，第一輔助開關(guān)的參考電極與第二節(jié)點耦合，在電流裝置エ作時能夠在所述第二節(jié)點上提供第二電壓，所述第二電壓與提供到至少ー個LED上的電流相關(guān)，其中第一輔助開關(guān)與降壓主開關(guān)耦合，使得通過第一電壓確定降壓主開關(guān)的斷開時間點和通過第一和第二電壓的總和確定降壓主開關(guān)的接通時間點。在一個優(yōu)選的實施形式中，將第一和第二電壓的總和耦合到第一輔助開關(guān)的控制 電極和參考電極之間。一個優(yōu)選的實施形式的特征在于，第一和第二電壓的大小確定為，使得第一輔助開關(guān)在降壓變換器的續(xù)流階段中從導通狀態(tài)轉(zhuǎn)入到截止狀態(tài)中。因此，提供在歐姆電阻處分接出第一電壓和第二電壓的可能性，所述歐姆電阻在降壓變換器的續(xù)流階段中都由相同的電流流過。由此，輔助開關(guān)轉(zhuǎn)入到截止狀態(tài)中的時刻能夠以極其簡單的方式通過確定分接有相應(yīng)的電壓的歐姆電阻的大小來進行調(diào)節(jié)。因此優(yōu)選地，降壓變換器還包括第一分流電阻以及第二分流電阻，其中降在第一分流電阻上的電壓是第一電壓，并且其中降在第二分流電阻上的電壓是第二電壓。如同已經(jīng)提到的，因此能夠通過簡單地確定分流電阻的大小來確定何時接通和斷開降壓主開關(guān)。由此，以簡單的方式確定提供到至少ー個LED上的電流的最大值和最小值。優(yōu)選地，第一分流電阻設(shè)置成，使得其至少在降壓變換器的充電階段中由提供到至少ー個LED上的電流流過。尤其優(yōu)選地，所述第一分流電阻不僅在降壓變換器的充電階段中而且在降壓變換器的續(xù)流階段中由提供到至少ー個LED上的電流流過。在本文中，在一個優(yōu)選的實施例中，第一分流電阻耦合到第二輸出端子和參考電勢之間。因為在降壓變換器的充電階段中還沒有電流在設(shè)置有降壓ニ極管的支路中流動，所以第一分流電阻的這種設(shè)置實現(xiàn)對提供到至少ー個LED上的電流的最大值進行調(diào)節(jié)。通過將第一分流電阻定位到第二輸出端子和參考電勢之間，第一電壓與參考電勢相關(guān)并且實現(xiàn)尤其簡單地耦合到輔助開關(guān)上。優(yōu)選地，第二分流電阻設(shè)置成，使得其在降壓變換器的續(xù)流階段中，然而不在降壓變換器的充電階段中，由提供到至少ー個LED上的電流流過。在本文中尤其有利的是，第二分流電阻耦合到降壓ニ極管和參考電勢之間。在此也得出下述優(yōu)點，當輔助開關(guān)同樣與參考電勢耦合時，能夠?qū)⒌诙妷河绕浜唵蔚伛詈系捷o助開關(guān)上。在一個優(yōu)選的實施例中，第一分流電阻大于第二分流電阻。由此，兩個分流電阻能夠由相同的電流流過并且仍然確保，在降壓變換器的續(xù)流階段中，第一電壓大于第二電壓。因此，第一分流電阻確定提供到LED上的電流的最大值，而第一和第二分流電阻的總和確定提供到LED上的電流的最小值。根據(jù)ー個改進形式，降壓變換器包括第二輔助開關(guān)，所述第二輔助開關(guān)具有控制電極、參考電極和工作電極，其中第二輔助開關(guān)的參考電極與參考電勢耦合，其中第二輔助開關(guān)的工作電極與降壓主開關(guān)的控制電極耦合，其中第二輔助開關(guān)的控制電極與第一輔助開關(guān)的工作電極耦合。通過該措施，第一輔助開關(guān)首先激勵第二輔助開關(guān)，所述第二輔助開關(guān)又控制降壓主開關(guān)。在此優(yōu)選的是，第二輔助開關(guān)的控制電極經(jīng)由歐姆電阻與第一輸出端子耦合。由此確保第二輔助開關(guān)在直流電源電壓被施加到降壓變換器的輸入端上時接通降壓主開關(guān)，以便實現(xiàn)根據(jù)本發(fā)明的降壓變換器的起動。此外優(yōu)選地，降壓主開關(guān)的控制電極經(jīng)由歐姆電阻與第一輸入端子耦合。由此，只要降壓主開關(guān)構(gòu)成為雙極型晶體管，就加速了所述降壓主開關(guān)的基極的耗盡。由此實現(xiàn)更短的開關(guān)時間。其他優(yōu)選的實施形式在從屬權(quán)利要求中得出。參考根據(jù)本發(fā)明的降壓變換器所提出的優(yōu)選的實施形式和其優(yōu)點，只要是可應(yīng)用的，就相應(yīng)地適用于根據(jù)本發(fā)明的方法。


從現(xiàn)在開始，以下參考附圖詳細地描述根據(jù)本發(fā)明的降壓變換器的實施例，所述附圖以示意圖示出根據(jù)本發(fā)明的降壓變換器的實施例。
具體實施例方式圖1以示意圖示出根據(jù)本發(fā)明的降壓變換器的實施例。所述降壓變換器具有輸入端，所述輸入端具有第一輸入端子El和第二輸入端子E2，目前為24V的低壓直流電源Vl耦合在所述第一輸入端子和所述第二輸入端子之間。盡管以下用從例如能夠構(gòu)成為電池的這種低壓直流電源供電的實例來描述本發(fā)明，但能夠容易地通過在上游連接本領(lǐng)域技術(shù)人員長期已知的裝置而由電網(wǎng)電壓(100至230V)進行供電。輸入端子E2與參考電勢耦合。將降壓主開關(guān)Q2、降壓ニ極管Dl以及歐姆電阻R2的串聯(lián)電路耦合到第一輸入端子El和第二輸入端子E2之間。將降壓扼流圈LI耦合到一方面降壓主開關(guān)Q2和降壓ニ極管Dl的連接點和另一方面第一輸出端子Al之間。將多個LED D2至D5耦合到輸出端子Al和第二輸出端子A2之間。將歐姆電阻R3耦合到輸出端子A2和參考電勢之間。降在歐姆電阻R3上的電壓經(jīng)由歐姆電阻R7耦合到輔助開關(guān)Q45的基極上，所述輔助開關(guān)的發(fā)射極經(jīng)由與降壓ニ極管Dl串聯(lián)地耦合的歐姆電阻R2同樣與參考電勢連接。第一輔助開關(guān)Q45的集電極經(jīng)由歐姆電阻R4與第一輸入端子El耦合。歐姆電阻R4與輔助開關(guān)Q45的集電極耦合的節(jié)點與第二輔助開關(guān)Q3的控制電極耦合。輔助開關(guān)Q3的發(fā)射極與參考電勢耦合。與第二輔助開關(guān)Q3的控制電極-參考電極的路徑并聯(lián)地耦合電容器Cl。將歐姆電阻R8連接到降壓主開關(guān)Q2的基極和第一輸入端子El之間。此外，將歐姆電阻Rl和電容器C2的并聯(lián)電路耦合到降壓主開關(guān)Q2的基極和第二輔助開關(guān)Q3的集電極之間。關(guān)于工作原理在將直流電源Vl施加到第一輸入端子El和第二輸入端子E2之間后，第二輔助開關(guān)Q3經(jīng)由歐姆電阻R4切換到導通狀態(tài)下。通過從第二輔助開關(guān)Q3的集電極流到發(fā)射極的電流，經(jīng)由歐姆電阻Rl和電容器C2的并聯(lián)電路將降壓主開關(guān)Q2切換到導通狀態(tài)下。降壓變換器的充電階段開始。在此，電流經(jīng)由降壓主開關(guān)Q2流過降壓扼流圈LULED D2至D5，經(jīng)由歐姆電阻R3和參考電勢流回到輸出端子E2。只要ニ極管Dl截止，第一輔助開關(guān)Q45的發(fā)射極就位于參考電勢上。通過負載電流Im的増加，降在歐姆電阻R3上的電壓Ur3升高直到其超過第一輔助開關(guān)Q45的大約0. 6V的基極-發(fā)射極閾值電壓時引起將第一輔助開關(guān)Q45切換到導通狀態(tài)下。由此，之前經(jīng)由歐姆電阻R4提供到第二輔助開關(guān)Q3上的基極電流經(jīng)由第一輔助開關(guān)Q45導向參考電勢。由此，第二輔助開關(guān)Q3轉(zhuǎn)入到非導通狀態(tài)中，由此因而斷開降壓主開關(guān)Q2。降壓變換器的續(xù)流階段開始。在續(xù)流階段中，電流從參考電勢經(jīng)由歐姆電阻R2、降壓ニ極管D1、降壓扼流圈LI以及LED D2至D5和歐姆電阻R3流回到參考電勢。通過降在歐姆電阻R2上的電壓Uk2，首先第一輔助開關(guān)Q45仍導通。因為現(xiàn)在電流Im由于降壓扼流圈LI的退磁而減小，第一輔助開關(guān)Q45的基極-發(fā)射極電壓Ube降低，所述電壓如下所示Ube (Q45) = (R2+R3) Iled如果Q3的電壓Ube降低到0. 6V的閾值電壓以下，那么第一輔助開關(guān)Q45轉(zhuǎn)入到截止狀態(tài)中。由此，第二輔助開關(guān)Q3能夠經(jīng)由歐姆電阻R4重新接通，由此因而接通降壓主開關(guān)Q2。 因此，電流Imi的上限值確定成lLEDmax_UBEF (Q45) /R3并且LED電流的下限值確定成ILEDmin=UBEF (Q45)/ (R2+R3)三角波形的電流I■的頻率通過輸入電壓V1、降在LED D2至D5上的電壓、降壓扼流圈LI的電感以及最小的I_min和最大的LED電流Imtaax的限值來確定。開關(guān)Q45在基極電路中運行，所述基極電路是ニ個基本電路中最快的。因此，為開關(guān)Q2和Q3選擇快速的類型也是有意義的。在本文中，開關(guān)Q2能夠適當?shù)貥?gòu)成為MOSFET(金屬氧化物半導體場效應(yīng)晶體管)。降壓變換器的開關(guān)的高的連續(xù)切換速度能夠結(jié)合電感器LI的結(jié)構(gòu)尺寸的減小來實現(xiàn)效率的進ー步提高和/或更高的切換頻率。與W02009/089912的降壓變換器相比，本降壓變換器的歐姆電阻R2為R2 (本發(fā)明)=R2 (W02009/089912) -R3 (W02009/089912)因此，歐姆電阻R2的數(shù)值與歐姆電阻R2的從W02009/089912中已知的數(shù)值相比明顯減小。這導致顯著更小的損耗，由此本降壓變換器的效率高于已知的降壓變換器的效率。在本文中能夠特別指出，歐姆電阻由負載電路電流Imi流過，使得電阻值的已最小的下降引起效率的増加。
權(quán)利要求
1.用于為至少一個LED(Dl至D5)提供電流的降壓變換器，具有-輸入端，所述輸入端具有第一輸入端子(El)和第二輸入端子(E2)以用于與直流電源(Vl)耦合；-輸出端，所述輸出端具有第一輸出端子(Al)和第二輸出端子(A2)以用于與所述至少一個LED (D2至D5)耦合；-降壓二極管(D1)、降壓扼流圈(LI)和降壓主開關(guān)(Q2)，所述降壓主開關(guān)具有控制電極、工作電極和參考電極；和-第一輔助開關(guān)(Q45),所述第一輔助開關(guān)具有控制電極、工作電極和參考電極，其中所述第一輔助開關(guān)(Q45)的所述控制電極與下述節(jié)點耦合，在電路裝置工作時在所述節(jié)點上能夠提供第一電壓(UK3)，所述第一電壓與提供到所述至少一個LED (D2至D5)上的電流(Iled)相關(guān)，其中所述降壓主開關(guān)(Q2)和所述降壓二極管(Dl)串聯(lián)地耦合到所述第一輸入端子 (El)和所述第二輸入端子(E2)之間，其中所述降壓扼流圈(LI)耦合到一方面所述降壓二極管(Dl)和所述降壓主開關(guān)(Q2)的連接點和另一方面所述第一輸出端子(Al)之間； 其特征在于，所述第一輔助開關(guān)(Q45)的所述參考電極與第二節(jié)點耦合，在所述電路裝置工作時在所述第二節(jié)點上能夠提供第二電壓(UK2)，所述第二電壓與提供到所述至少一個LED(D2至D5) 上的所述電流(1_)相關(guān)，其中所述第一輔助開關(guān)(Q45)與所述降壓主開關(guān)(Q2)耦合，使得通過所述第一電壓 (Uk3)確定所述降壓主開關(guān)(Q2)的斷開時間點和通過所述第一電壓(Uk3)和所述第二電壓 (Ue2)的總和確定所述降壓主開關(guān)(Q2)的接通時間點。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的降壓變換器，其特征在于，所述第一電壓(Uk3)和所述第二電壓(Uk2)的大小確定為，使得所述第一輔助開關(guān)(Q45) 在所述降壓變換器的續(xù)流階段中從導通狀態(tài)轉(zhuǎn)入到截止狀態(tài)中。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2之一所述的降壓變換器，其特征在于，將所述第一電壓(Uk3)和所述第二電壓(Uk2)的總和耦合到所述第一輔助開關(guān)(Q45)的所述控制電極和所述參考電極之間。
4.根據(jù)上述權(quán)利要求之一所述的降壓變換器，其特征在于，所述降壓變換器還包括-第一分流電阻(R3);以及 -第二分流電阻(R2)，其中降在所述第一分流電阻(R3)上的電壓為所述第一電壓(UK3)，和其中降在所述第二分流電阻(R2)上的電壓為所述第二電壓(UK2)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的降壓變換器，其特征在于，所述第一分流電阻(R3)設(shè)置成，使得至少在所述降壓變換器的充電階段中，提供到所述至少一個LED (D2至D5)上的所述電流(Imi)流過所述第一分流電阻。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的降壓變換器，其特征在于，所述第一分流電阻(R3)耦合到所述第二輸出端子(A2)和參考電勢之間。
7.根據(jù)權(quán)利要求4至6之一所述的降壓變換器，其特征在于，所述第二分流電阻(R2)設(shè)置成，使得在所述降壓變換器的所述續(xù)流階段中，然而不在所述降壓變換器的所述充電階段中，提供到所述至少一個LED (D2至D5)上的所述電流 (Iled)流過所述第二分流電阻。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的降壓變換器，其特征在于，所述第二分流電阻(R2)耦合到所述降壓二極管(Dl)和參考電勢之間。
9.根據(jù)權(quán)利要求4至8之一所述的降壓變換器，其特征在于，所述第一分流電阻(R3)大于所述第二分流電阻(R2)。
10.根據(jù)上述權(quán)利要求之一所述的降壓變換器，其特征在于，所述降壓變換器包括第二輔助開關(guān)(Q3)，所述第二輔助開關(guān)具有控制電極、參考電極和工作電極，其中所述第二輔助開關(guān)(Q3)的所述參考電極與參考電勢耦合，其中所述第二輔助開關(guān)(Q3)的所述工作電極與所述降壓主開關(guān)(Q2)的所述控制電極耦合，其中所述第二輔助開關(guān)(Q3)的所述控制電極與所述第一輔助開關(guān)(Q45)的所述工作電極耦合。
11.根據(jù)上述權(quán)利要求之一所述的降壓變換器，其特征在于，所述第二輔助開關(guān)(Q3)的所述控制電極經(jīng)由歐姆電阻(R4)與所述第一輸入端子(El) 耦合。
12.根據(jù)上述權(quán)利要求之一所述的降壓變換器，其特征在于，所述降壓主開關(guān)(Q2)的所述控制電極經(jīng)由歐姆電阻(R8)與所述第一輸入端子(El)耦口 ο
13.用于借助于降壓變換器為至少一個LED(D2至D5)提供電流的方法，所述降壓變換器包括輸入端，所述輸入端具有第一輸入端子(El)和第二輸入端子(E2)以用于與直流電源(Vl)耦合；輸出端，所述輸出端具有第一輸出端子(Al)和第二輸出端子(A2)以用于與所述至少一個LED (D2至D5)耦合；降壓二極管(D1)、降壓扼流圈(LI)和降壓主開關(guān)(Q2)，所述降壓主開關(guān)具有控制電極、工作電極和參考電極；以及第一輔助開關(guān)(Q45),所述第一輔助開關(guān)具有控制電極、工作電極和參考電極，其中所述第一輔助開關(guān)(Q45)的所述控制電極與下述節(jié)點耦合，電路裝置工作時在所述節(jié)點上能夠提供第一電壓(UK3)，所述第一電壓與提供到所述至少一個LED (D2至D5)上的電流(Imi)相關(guān)，其中所述降壓主開關(guān)(Q2)和所述降壓二極管(Dl)串聯(lián)地耦合到所述第一輸入端子(El)和所述第二輸入端子(E2)之間， 其中所述降壓扼流圈(LI)耦合到一方面所述降壓二極管(Dl)和所述降壓主開關(guān)(Q2)的連接點和另一方面所述第一輸出端子(Al)之間；所述方法包括以下步驟 a)將所述第一輔助開關(guān)(Q45)與所述降壓主開關(guān)(Q2)耦合；b)將所述第一電壓(Uk3)輸送到所述第一輔助開關(guān)(Q45)的所述控制電極上；和c )將第二電壓(Ue2 )輸送到所述第一輔助開關(guān)(Q45)的所述參考電極上，所述第二電壓與提供到所述至少一個LED (D2至D5)上的所述電流(Imi)相關(guān)；其中在步驟a)中所述第一輔助開關(guān)(Q45)與所述主開關(guān)(Q2)耦合，使得通過所述第一電壓(Uk3)確定所述降壓主開關(guān)(Q2)的斷開時間點，和通過所述第一電壓(Uk3)和所述第二電壓(Uk2)的總和確定所述降壓主開關(guān)(Q2)的接通時間點。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于為至少一個LED(D2至D5)提供電流的降壓變換器，在所述降壓變換器中設(shè)有兩個分流電阻(R3，R2)，以便接通和斷開輔助開關(guān)(Q45，Q3)進而隨后接通和斷開降壓主開關(guān)(Q2)。兩個分流電阻(R3，R2)設(shè)置成使得負載電流僅在降壓變換器的續(xù)流階段中流過所述兩個分流電阻中的一個(R2)，而負載電流在充電階段和續(xù)流階段中均流過另一個分流電阻(R3)。此外，本發(fā)明涉及一種用于為至少一個LED(D2至D5)提供電流(ILED)的相應(yīng)的方法。
文檔編號H05B33/08GK103026787SQ201180035902
公開日2013年4月3日 申請日期2011年7月13日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月22日
發(fā)明者貝恩德·魯?shù)婪?申請人:歐司朗股份有限公司