專利名稱：自激振蕩同步升壓變換器的制作方法
技術領域：
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，這種應用的白色LED光源中的設置傾向于低成本的實現(xiàn)。例如，它需要發(fā)光系統(tǒng)能夠在諸如兩個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。這個電壓當然不夠操作白色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)濟成本。
當控制單元12被關閉時，儲存在電感14中的能量被加到輸入電壓上，并且電感電流24輔助提供負載電流26，同時也儲存電路電容22釋放的能量。當控制單元12關閉時，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)?？刂茊卧?2的操作通過利用控制器28實現(xiàn)。在這種傳統(tǒng)升壓電路10中，二極管20被看作無源開關，而控制單元12被看作有源開關。
為提高對白色LED供電的電路的效率，本發(fā)明將

圖1的無源開關20替換成有源開關，以提供利用互補開關對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。在此實施例中，圖1的無源開關20被替換為有源開關32。開關32和34的操作由同步開關控制器36控制，它允許向負載42供應電感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。
在最佳實施例中，變換器30向負載42供應足夠的電壓，所述負載可能是白色LED，產(chǎn)生至少80mA。將會理解，通過利用控制器36調(diào)整開關32和34的操作，并選擇適當?shù)脑?guī)格，包括電容40和電感38，可以根據(jù)負載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的缺點在于非常低的電壓應用，從7到1V的任何數(shù)量的二極管壓降對系統(tǒng)引入了不希望有的低效率。這種損耗在低電壓時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的有關開關32。開關32與二極管20相比，具有較低的導通電阻值，即使在將低壓擊穿二極管用作無源開關20的時候也是如此。因此，圖2的電路對提高工作效率、特別是低壓時的工作效率是有益的。
控制有源開關32和34的導通時間，確定加到諸如白色LED42的負載上的電壓。具體地說，由開關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，在一個所需輸出電壓為4V而輸入電壓為2.42V(這是2個AA電池的額定值)的實現(xiàn)中，開關34的導通時間開關率為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，電路在被配置為負輸入配置時可以更加有效地工作，將在下面對該點進行更詳細的討論。
回到圖3，它所示的是本發(fā)明的第二實施例，其中更詳細的陳述了對同步升壓變換器50的元件的描述。在這個電路中，反向偏置的直流源52被用于為諸如白色LED的負載54供電，所述負載上跨接了濾波電容55。兩個互補開關56和58被配置為共源結(jié)構(gòu)，其中開關56和58的源都被連接到節(jié)點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和存儲或升壓電感70被串連在直流源52和節(jié)點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80處與總線64相連，它們也被連接到控制節(jié)點82。開關56和58的柵極或控制極最好在控制節(jié)點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，而不是單獨的電阻。同時，開關56和58將具有內(nèi)在二極管。
開關56和58被用于將供應的輸入電壓轉(zhuǎn)換為升壓信號，從而為LED54供電。當開關包括n溝道和p溝道增強模式MOSFET時，開關的源極最好分別在公共節(jié)點60處直接連接在一起。但是，要注意到，開關可能包括其它具有互補導通模式、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60和控制節(jié)點82之間的電壓鉗位器件。雙向電壓鉗位器件可以被設置為所示的背對背穩(wěn)壓二極管，它們被用于保證對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。啟動電阻86、88和90共同對電路50進行充電，以啟動反饋電路72的再生操作。提供常規(guī)緩沖電容92，以輔助開關56和58的切換。
在通電時，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是一個固定點，因此節(jié)點82的信號開始上下擺動，提供足夠的延遲以便以所需相角驅(qū)動開關56、58。因此，反饋電路72產(chǎn)生的振蕩確定開關56和58的工作頻率，即，反饋電路72確定開關56和58的占空度。反饋電路72的元件的選擇確定各個開關導通的時間量，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是將其信號返回到源52的諧振網(wǎng)絡。
圖4示意了提供給開關56、58的柵極的振蕩或正弦信號波形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。這個直流偏移了一個偏移量，它允許開關以適當?shù)恼伎斩冗M行工作。電路50被設計為當源52在它的額定電壓時，占空度基本上以所需的比率進行。比如，在本實施例中，當額定輸入電壓為大約2.42V時，開關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對地的電壓信號98。電流96的增加發(fā)生在下面的n溝道開關58被導通的時段。當開關58被關閉而開關56被導通時，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94的柵偏移來完成這個工作。
在此實施例中，所需輸出在2.42V的額定輸入時產(chǎn)生到LED54的80mA的電流。盡管本電路不是調(diào)壓器，但是，通過適當選擇元件，可以在整個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?shù)牧炼榷付ǖ?。但是，要理解它是理想的額定值。但是，沒有被指定在這個值的LED仍將正常的工作。
可以理解在其它實現(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的另一個實施例。這個實施例和圖3的實施例的主要差別在于提供的直流電壓源102為正輸出配置。本實施例使用正電壓源是因為P溝道開關104被置于電路100的底部而互補對的n溝道開關106是上面的開關。
同樣，選擇性地提供限制電容108，以可預測性地限制節(jié)點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相同的方式進行編號。
對其他小元件進行了改變，例如電阻86的位置。但是，這僅僅是強調(diào)元件的確切配置可能改變，同時，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)明利用互補開關概念來配置能夠在低電壓下工作的同步升壓變換器。
將n溝道開關用在圖3的底部開關位置，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通電阻值(較低的rds)。在此實施例中，對于預期的開關率，認為n溝道將比上面的p溝道導通的時間長。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，當認為比率將使上面的開關接通較長的時段時，這種配置可能發(fā)生。因此，作為一般陳述，當使用較小的輸入電壓，并且下面的開關將比上面的開關導通更長時間時，將n溝道放在下面的開關位置。
盡管本發(fā)明已經(jīng)參考最佳實施例進行了描述，本領域的技術人員將會理解可以進行各種變化，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，可以進行許多修改，以使本發(fā)明的講授適應特定的情況和材料，并不背離本發(fā)明的基本范圍。因此，本發(fā)明并不限于作為實現(xiàn)本發(fā)明的最佳模式所公開的特定實施例，本發(fā)明將包括落在所附權利要求的范圍內(nèi)的所用實施例。
權利要求
1.一種自激振蕩升壓變換器，其中包括電阻啟動網(wǎng)絡86、88、90，配置成啟動對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網(wǎng)絡啟動所述電路的操作之后產(chǎn)生振蕩信號；互補開關網(wǎng)絡，具有一對互補共源連接的開關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，其特征在于所述振蕩信號確定所述互補對開關的開關率；以及升壓電感70，在操作上與互補對開關56、58相連，其特征在于所述互補開關網(wǎng)絡的開關率確定升壓電壓。
2.如權利要求1所述的發(fā)明，還包括負載43，它在操作上與所述互補開關對56、58中的至少一個相連，以接收所述升壓電壓。
3.如權利要求2所述的發(fā)明，其特征在于所述負載是白色LED。
4.如權利要求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.如權利要求4所述的發(fā)明，其特征在于提供給所述負載的所述升壓電壓大約為4V。
6.如權利要求1所述的發(fā)明，其特征在于所述升壓變換器50配置為利用負電源電壓工作。
7.如權利要求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網(wǎng)絡86、88、90，配置為啟動對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網(wǎng)絡啟動所述電路的操作之后產(chǎn)生振蕩信號；互補開關網(wǎng)絡，具有一對互補共源連接的開關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，其特征在于所述振蕩信號確定所述互補開關對的開關率；升壓電感70，在操作上與互補開關對相連，其特征在于所述互補開關網(wǎng)絡的開關率確定升壓電壓，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為所述白色LED54供電。
9.如權利要求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配置為利用負電源電壓工作。
12.如權利要求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包括電阻啟動網(wǎng)絡86、88、90,配置成啟動對升壓變換器的充電。諧振反饋電路72設計為在由電阻啟動網(wǎng)絡啟動所述電路之后產(chǎn)生振蕩信號?；パa開關網(wǎng)絡具有一對互補共源連接的開關56、58,它們被配置為接收諧振反饋電路產(chǎn)生的振蕩信號。振蕩信號確定互補開關對的開關率、或占空度。升壓電感70在操作上與互補開關對相連?；パa開關網(wǎng)絡的開關率被用來確定向負載54提供的升壓電壓。
文檔編號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