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CN106576413B - 低成本自振荡驱动器电路 - Google Patents

低成本自振荡驱动器电路 Download PDF

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CN106576413B CN201580028752.1A CN201580028752A CN106576413B CN 106576413 B CN106576413 B CN 106576413B CN 201580028752 A CN201580028752 A CN 201580028752A CN 106576413 B CN106576413 B CN 106576413B
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Abstract

公开了用于为负载供电的驱动器电路。该驱动器电路包括自振荡半桥电路、与自振荡半桥电路电通信的谐振驱动器以及与该谐振驱动器电通信的DC电压源。自振荡半桥电路被配置成生成高频AC信号。谐振驱动器被配置成限制高频AC信号的电流并基于该高频AC信号产生受限制的输出电压。DC电压源被配置成将受限制的输出电压整流成包括用于为负载供电的基本恒定的电流的DC输出电压。

Description

低成本自振荡驱动器电路
相关申请
本申请要求2014年5月29日提交的美国临时申请No.62/004615的权益。
技术领域
本公开一般地涉及用于为负载供电的驱动器电路，更具体地涉及包括谐振驱动器和DC电压源的驱动器电路，其中DC电压源将受限制的输出电压整流成用于为负载供电的基本恒定的电流。
背景技术
基于发光二极管(LED)的照明系统可以提供超越其它类型的照明系统(诸如例如，白炽照明或荧光照明)的若干能量和可靠性优势。因此，基于LED的照明系统可用于取代其它现有的照明技术。一些类型的LED驱动电路可以包括与金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)相结合的用于驱动一个或多个LED的控制器集成电路(IC)。然而，诸如控制器IC和MOSFET的部件通常昂贵，并给LED灯增加了成本和复杂性。因此，本领域中存在对具有成本效益的用于LED灯的驱动电路的持续需求。
发明内容
在一个实施例中，公开了用于为负载供电的驱动器电路。该驱动器电路包括自振荡半桥电路、与该自振荡半桥电路电通信的谐振驱动器以及与该谐振驱动器电通信的DC电压源。自振荡半桥电路被配置成生成高频AC信号。谐振驱动器被配置成限制高频AC信号的电流，并基于所述高频AC信号产生受限制的输出电压。DC电压源被配置成将受限制的输出电压整流成包括用于为负载供电的基本恒定的电流的DC输出电压。
在另一个实施例中，公开了用于为非调光(non-dimming)应用中的至少一个发光二极管(LED)供电的驱动器电路。该驱动器电路包括自振荡半桥电路、与该自振荡半桥电路电通信的谐振驱动器以及与该谐振驱动器电通信的DC电压源。自振荡半桥电路被配置成生成高频AC信号，并包括以级联布置连接的上部开关元件和下部开关元件。谐振驱动器被配置成限制高频AC信号的电流，并基于该高频AC信号产生受限制的输出电压。DC电压源被配置成将受限制的输出电压整流成包括用于为LED供电的基本恒定的电流的DC输出电压。
附图说明
图1是用于为负载提供DC电流的电路的示例性框图；
图2是图1中所示电路的示例性电路图，其中DC电压源是高频倍压器。
图3是图2中所示的电路图的替代实施例，其中所述DC电压源是全波整流器。
图4是图2中所示电路图的另一实施例，其中DC电压源是全波整流器，并且谐振驱动电路包括降压绕组；
图5是图2中所示电路图的又一实施例，其中所述DC电压源是全波整流器。
图6是图2中所示电路图的再一实施例，其中所述DC电压源是高频倍压器；以及
图7是图2中所例示的谐振驱动器的操作点和谐振曲线的例示。
具体实施方式
以下的详细洗明将例示本发明的一般原理，本发明的示例在附图中附加地例示。在附图中，相同的参考数字标示相同或者功能相似的元件。
图1是为负载18提供DC电流的电路10的示例性框图。驱动器电路10可以包括用于连接到AC电源(诸如例如，标称为120伏AC的主电源线路)(未示出)的一对电源输入线路20。驱动器电路10也可包括电阻器R1(图2)、电磁干扰(EMI)滤波器24、整流器26、DC滤波器27、启动电路28、开关30、变压器32、开关34、谐振驱动器电路36以及DC电压源40。该DC电压源40可以是高频倍压器(高频压倍器例示在图2和6中)或者是全波整流器(例示在图3-5中)两者之一，以下将更详细的做出解释。EMI滤波器24、整流器26、DC滤波器27、启动电路28、开关30、变压器32以及开关34可以定义为自振荡半桥电路。
参考图1-2，自振荡半桥电路通常包括以级联布置连接的上部和下部开关。如图2所示的实施例中，开关30是下部开关Q2，开关34是上部开关Q1。自振荡半桥电路被配置成生成高频AC信号VIN(图1中示出)。在一个实施例中，高频AC信号VIN可以是具有至少约40千赫兹(kHz)的频率的AC信号。自振荡半桥电路的输出42可以与谐振驱动器电路36电通信。谐振驱动器电路36可以与DC电压源40电通信。DC电压源40用于为负载18提供整流后的DC电力。特别是，DC电压源40可用于为负载18提供基本恒定的电流。
在一个实施例中，负载18可以是一个或多个发光明二极管(LED)。例如，在如图2-6示出的实施例中，电路10可包括连接到LED(未示出)的一对输出端子44。在如图中所描述并例示的实施例中，驱动器电路10被用在非可调光LED应用中。尽管描述了LED，但应理解的是，负载18可以是在操作期间需要基本恒定的电流的任何类型的设备。例如，在替代实施例中，负载18可以是加热元件。
参考图1和图2两者，驱动器电路10的输入线路20可以与EMI滤波器24电通信。在一个非限制性实施例中，EMI滤波器24可以包括电感器L1和电容器C1(图2中示出)。整流器26可以与EMI滤波器26电通信，并被配置成将来自EMI滤波器24的进入AC电力转换成脉冲DC电力。尽管整流器26被示出为全波二极管桥整流器，但本领域提术人员将容易地理解的是也可以使用任意类型的全波整流器。整流器26的输出可与DC滤波器27电通信。在如图2中示出的示例性实施例中，DC滤波器27可以包括电容器C3。
DC滤波器27可与启动电路28电通信。在实施例中，启动电路28可包括电阻器R3、二极管D6、双向触发二极管(diac)D7和电容器C6。双向触发二极管D7是仅在已达到转折(breakover)电压VBO后传导电流的二极管。在电路10的初始启动期间，电容器C6可被充电直到双向触发二极管D7达到转折电压VBO。一旦达到转折电压VBO，则双向触发二极管D7可开始传导电流。具体地，双向触发二极管D7可以连接到开关30并将电流输送到开关30。一旦双向触发二极管D7到达转折电压VBO，二极管D6就可用来给电容器C6放电，并防止双向触发二极管D7再次激发。
继续参考图1和图2两者，电阻器R2可以用于为下部开关元件Q2提供偏置。在如图2中示出的实施例中，开关元件Q2是双极结型晶体管(BJT)。尽管BJT可以是用于开关的相对经济和具有成本效益的部件，但所属领域技术人员将理解的是也可以使用其它类型的开关元件。如图2中所见，可设置二极管D10以限制开关元件Q2的基极B和发射极E之间的负电压，这进而提高效率。
开关30可以被连接到变压器32。如图2中所见，在实施例中变压器32包括三个绕组，T1A、T1B和T1C。绕组T1A可以包括与绕组T1B相比相反的极性。这保证如果开关元件Q2被开启，则另一个开关元件Q1将不会同时开启。
继续参考图2，上部开关元件Q1也可以是BJT。可设置二极管D9以限制上部开关元件Q1的基极B和发射极E之间的负电压，进而提高效率。开关34将自振荡半桥电路电连接到谐振驱动电路36。在如图2中示出的实施例中，谐振驱动电路36可以包括与变压器32的绕组T1C串联连接的电容器C7。谐振驱动电路36还可以包括电感器L2。谐振驱动电路36可以用于限制从自振荡半桥电路接收的电流，并基于来自该自振荡半桥电路的高频AC信号VIN产生受限制的输出电压VLIMITED(图1中示出)。该受限制的输出电压VLIMITED可以被整流成为供给给负载18的DC输出电压VDC(图1中示出)。该DC输出电压VDC包括基本恒定的电流。
图7是图2中示出的谐振驱动电路36的示例性谐振曲线的例示。该谐振曲线可包括操作点O和谐振临界频率fo。临界频率fo位于谐振曲线的波峰处，操作点O位于临界频率fo的左侧。参考图2和图7两者，增加电容器C7的电容或者电感器L2的电感，可以将临界频率fo向左移动，降低电容器C7的电容或者电感器L2的电感，可以将临界频率fo向右移动。谐振曲线的振荡频率可以由变压器32的绕组T1C、电阻器R5和R6、上部开关元件Q1以及下部开关元件Q2来确定。特别是，谐振曲线的振荡频率可基于变压器32的绕组T1C的匝数以及上部开关元件Q1和下部开关元件Q2的存储时间(storage time)。
电感器L2的电感以及电容器C7和电容器C4的电容是保持电路10的线路调节可接受的关键因素。特别地，随着线路电压增加，电路10的操作频率降低。此外，电感器L2的阻抗会随着操作频率降低而降低，由此导致递送给负载18(图1)的电流的增加。因此，可以选择电感器L2的电感值以及电容器C7和电容器C4的电容值以使得电路10的整体增益随着操作频率降低而降低。这进而会本质上降低成者最小化随着线路电压增加而导致的递送到负载18的电流的任何增加。
转回到图1-2，谐振驱动电路36可以与负载18并联连接以增强电路10的整体效率。尽管图2例示了包括与变压器32的绕组T1C串联连接的电容器C7的谐振驱动电路36，但应理解的是，谐振驱动电路36也可以包括其它配置。例如，在如图4中示出的实施例中，谐振驱动电路36可以包括与桥整流器(以下更详细的描述该桥整流器)串联连接的降压绕组T1D或者第四绕组。该降压绕组T1D可用于降压或者逐步降低通过变压器32的绕组T1C的电流。在如图5示出的实施例中，变压器32的绕组T1C可以与电感器L2串联连接。此外，在如图6示出的实施例中，变压器32的绕组T1C也串联连接到电感器L2。
参考图1，谐振驱动电路36可以与DC电压源40电通信。DC电压源40可以将来自谐振驱动电路36的受限制的输出电压VLIMITED整流成DC输出电压VDC。在如图2和图6两者示出的实施例中，DC电压源40是高频倍压器。该高频倍压器可以包括布置在倍压器中的两个电容器C8和C10以及两个二极管D11和D12。在实施例中，两个二极管D11和D12可以是具有范围可从大约200伏到大约400伏的击穿电压的低电压二极管。这意味着在相对低的电压(例如在200伏与400伏之间)两个二极管D11和D12的击穿可能发生，这进而增强了电路10的安全性。具体地，如果两个二极管D11和D12中的一个二极管开路，或者如果电路10正在驱动的LED(未例示)开路以创建开路电路条件，则为了安全原因，具有相对低的电流是有益的。
高频倍压器可用于将谐振驱动电路36的高频输出(例如，受限制的输出电压VLIMITED)转变成DC输出电压VDC。DC输出电压VDC可等于从谐振驱动电路36接收的受限制的输出电压VLIMITED的正弦曲线波形的峰峰(peak-to-peak)值。换句话说，两个二极管D11和D12以及两个电容器C8和C10共同工作以有效地将来自谐振电路36的受限制的输出电压VLIMITED加倍。
在如图3-5示出的实施例中，DC电压源40是全波整流器。全波整流器可以包括四个二极管D11-D14。DC电压源40也可以包括滤波器电容器C8。全波整流器可与滤波器电容器C8并联连接。与如图2和图6中示出的实施例类似，二极管D11-D14可以是低电压二极管。应理解的是，全波整流器40将来自谐振电路36的受限制的输出电压VLIMITED的频率加倍，因此，滤波器电容器C8的尺寸可相对地小。例如，在一个实施例中，滤波器电容器C8可小于1微法。
如图1-6中所例示的和上文所描述的所公开的电路10提供了相对低成本且有效率的驱动负载的方式。当前可用的一些类型的LED灯能够利用控制器IC或者一个或多个MOSFETS来为负载提供基本恒定的电流。这些类型的部件会相对昂贵，并增加整体电路的成本。相反，所公开的电路10未利用控制器IC。在一些实施例中，所公开的电路还可以利用相对便宜的BJT而非MOSFET来驱动LED，这也降低了所公开电路10的整体成本。此外，与当前可用的某些类型的LED驱动器电路相比，所公开的电路10会需要更少的部件。这是有益的，因为更少的部件会进而提供增强的可靠性，。
尽管本文所描述的装置和方法的形式构成了本发明的优选实施例，但应理解的是，本发明不限于这些装置和方法的确切形式，并且可以在不偏离本发明的范围的情况下在其中做出改变。

Claims (24)

1.一种用于为负载供电的驱动器电路，所述驱动器电路包括
自振荡半桥电路，所述自振荡半桥电路生成高频AC信号，其中所述自振荡半桥电路包括包含第一绕组、第二绕组和第三绕组的变压器，其中所述第一绕组操作连接到所述自振荡半桥电路的上部开关元件并且所述第二绕组操作连接到所述自振荡半桥电路的下部开关元件，以及其中所述第一绕组和所述第二绕组包括相反的极性；
谐振驱动器，所述谐振驱动器与所述自振荡半桥电路电通信，谐振驱动器电路限制所述高频AC信号的电流，并基于所述高频AC信号产生受限制的输出电压，所述谐振驱动器包含与所述变压器的第三绕组直接串联连接的电容器，其中所述电容器和所述变压器的第三绕组的串联电路与所述负载并联连接；以及
DC电压源，所述DC电压源与所述谐振驱动器电通信并且将受限制的输出电压整流成DC输出电压，所述DC输出电压提供用于为负载供电的基本恒定的电流。
2.根据权利要求1所述的驱动器电路，其中所述DC电压源是倍压器，所述倍压器包括两个二极管和两个电容器，以及其中所述倍压器将来自谐振驱动器的受限制的输出电压加倍。
3.根据权利要求2所述的驱动器电路，其中所述两个二极管是击穿电压的范围为从大约200伏到大约400伏的低电压二极管。
4.根据权利要求1所述的驱动器电路，其中所述DC电压源包括全波整流器和滤波器电容器。
5.根据权利要求4所述的驱动器电路，其中所述滤波器电容器小于一微法。
6.根据权利要求5所述的驱动器电路，其中所述全波整流器将来自所述谐振驱动器的受限制的输出电压的频率加倍。
7.根据权利要求1所述的驱动器电路，其中所述自振荡半桥电路包括以级联布置连接的上部开关元件和下部开关元件。
8.根据权利要求7所述的驱动器电路，其中所述上部开关元件和下部开关元件两者都是双极结型晶体管(BJT)。
9.根据权利要求1所述的驱动器电路，其中所述自振荡半桥电路具有由电阻器、二极管、双向触发二极管和电容器组成的启动电路。
10.根据权利要求9所述的驱动器电路，其中所述启动电路的所述电容器在所述驱动器电路的初始启动期间被充电，直到所述双向触发二极管达到转折电压。
11.根据权利要求1所述的驱动器电路，所述谐振驱动器包括电感器，并且其中所述电感器的电感和所述电容器的电容被选择以使得随着所述谐振驱动器的整体增益下降，操作频率也下降。
12.根据权利要求11所述的驱动器电路，其中所述谐振驱动器还包括降压绕组，所述降压绕组将流经所述变压器的第三绕组的第二电流逐步降低。
13.一种用于为非调光应用中的至少一个发光二极管(LED)供电的驱动器电路，所述驱动器电路包括：
自振荡半桥电路，所述自振荡半桥电路生成高频AC信号，所述自振荡半桥电路包括被以级联布置连接的上部开关元件和下部开关元件以及包含第一绕组、第二绕组和第三绕组的变压器，其中所述第一绕组操作连接到所述上部开关元件并且所述第二绕组操作连接到所述下部开关元件，并且其中所述第一绕组和所述第二绕组包括相反的极性；
谐振驱动器，所述谐振驱动器与所述自振荡半桥电路电通信，谐振驱动器电路限制高频AC信号的电流，并基于所述高频AC信号产生受限制的输出电压，所述谐振驱动器包含与所述变压器的第三绕组直接串联连接的电容器，其中所述电容器和所述变压器的第三绕组的串联电路与至少一个LED并联连接；以及
DC电压源，所述DC电压源与所述谐振驱动器电通信并且将受限制的输出电压整流成DC输出电压，所述DC输出电压提供用于为至少一个LED供电的基本恒定的电流。
14.根据权利要求13所述的驱动器电路，其中所述DC电压源是包括两个二极管和两个电容器的倍压器。
15.根据权利要求14所述的驱动器电路，其中所述两个二极管是击穿电压的范围为从大约200伏到大约400伏的低电压二极管。
16.根据权利要求14所述的驱动器电路，其中所述倍压器将来自所述谐振驱动器的受限制的输出电压加倍。
17.根据权利要求13所述的驱动器电路，其中所述DC电压源包括全波整流器和滤波器电容器。
18.根据权利要求17所述的驱动器电路，其中所述滤波器电容器小于一微法。
19.根据权利要求17所述的驱动器电路，其中所述全波整流器将来自所述谐振驱动器的受限制的输出电压的频率加倍。
20.根据权利要求13所述的驱动器电路，其中所述上部开关元件和下部开关元件两者都是双极结型晶体管(BJT)。
21.根据权利要求13所述的驱动器电路，所述谐振驱动器包括电感器，并且其中所述电感器的电感和所述电容器的电容被选择以使得随着所述谐振驱动器的整体增益下降，操作频率也下降。
22.根据权利要求21所述的驱动器电路，其中所述谐振驱动器还包括降压绕组，所述降压绕组将流经所述变压器的第三绕组的第二电流逐步降低。
23.一种用于为负载供电的驱动器电路，所述驱动器电路包括
自振荡半桥电路，所述自振荡半桥电路生成高频AC信号，其中所述自振荡半桥电路具有由电阻器、二极管、双向触发二极管和电容器的串联电路组成的启动电路，所述二极管与所述双向触发二极管在所述串联电路内并行布置，其中所述双向触发二极管操作连接到开关元件并且所述二极管被配置为在所述双向触发二极管到达使得所述双向触发二极管向开关元件发送电流的转折电压之后对所述电容器放电；
谐振驱动器，所述谐振驱动器与所述自振荡半桥电路电通信，谐振驱动器电路限制所述高频AC信号的电流，并基于所述高频AC信号产生受限制的输出电压；以及
DC电压源，所述DC电压源与所述谐振驱动器电通信并且将受限制的输出电压整流成DC输出电压，所述DC输出电压提供用于为负载供电的基本恒定的电流。
24.根据权利要求23所述的驱动器电路，其中所述启动电路的所述电容器在所述驱动器电路的初始启动期间被充电，直到所述双向触发二极管达到转折电压。
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