开关电源装置制造方法
【专利摘要】本发明提供开关电源装置，即便负载的电压变动，也能够使负载的电流恒定。通过校正单元（谷底检测电路30）检测负载（LED21、22）的电压变动，根据该检测到的负载（LED21、22）的电压变动，校正控制单元（控制电路1）使开关元件（Q1）导通的时机，由此，即便负载（LED21、22）的电压变动，也能够使负载（LED21、22）的平均电流（平均正向电流ILED（avg））恒定。
【专利说明】开关电源装置【技术领域】
[0001]本发明涉及例如使LED (发光二极管)等光源亮灯的开关电源装置。
【背景技术】
[0002]以往，在使LED (发光二极管)等光源亮灯的情况下，为了高效率化，大多数情况下使用恒流型的开关电源装置。
[0003]作为这样的开关电源装置，例如在专利文献I中提出了以下LED亮灯装置，在该LED亮灯装置中，通过全波整流器对来自商用交流电源的电流进行全波整流，从容量较小的第I电容器对开关电源电路部施加基本为全波整流波形的脉动电压，通过第2电容器使基于开关电源电路部的开关的脉冲电压平滑，施加到LED发光部。
[0004]专利文献1:日本特开2009-134945号公报
[0005]在上述专利文献I中，来自商用交流电源的输入电流成为除去了全波的谷部后得到的几乎在全体区域流过的波形，将通过第2电容器平滑后的电压施加到LED发光部，由此能够在降低输入电流的谐波成分的同时，得到与通过直流平滑电压进行亮灯的情况同等的光输出。
[0006]此外，在这样的LED亮灯装置中，存在当作为负载的LED的电压变动时，LED的亮度也发生变动的情况。
[0007]参照图9和图10对这样的现象进行说明。在此，图9是示出用于使LED亮灯的开关电源装置的一例的图，图10是示出该动作波形的图。
[0008]另外，在图10中，(a)所示的Im是图9的LED中流过的电流。该图的(b)所示的Veef是图9的基准电压VKEF。该图的(c )所示的Vsen是图9的SEN端子的检测电压。该图的Cd)所示的Vmjt示出图9的OUT端子中的电压变动。该图的(e)示出图9的开关元件Q1的
导通/截止。
[0009]首先，在图9中，在通过来自控制电路I的导通信号使开关元件(MOSFET) Ql接通后，在电源电压(直流)Vl — LED —电感器LI —开关元件Ql —电流检测电阻Rl的路径上流过电流Im。
[0010]通过在电流检测电阻Rl中流过电流Im，在SEN端子中产生与电流Im成正比的检测电压VSEN。通过比较器2将检测电压Vsen与外部的基准电压Vkef进行比较，在电压成为Vsen> Veef的时刻，控制电路I使开关元件Ql断开。
[0011]此时，由于在电感器LI中积蓄的能量，在LED中，在电感器LI — 二极管Dl — LED的路径上流过电流1。?。然后，在经过通过控制电路I和电容器Cl的电容所设定的一定的截止时间后，控制电路I再次使开关元件Ql接通。
[0012]在这样的开关电源装置中，可以通过简单的电路结构进行控制，部件个数较少，因此适用于要求较窄的安装面积的用途。
[0013]但是，在这样的开关电源装置中，当LED的电压Vmi变动时，LED的亮度也发生变动。[0014]参照图11对该现象进行说明。S卩，开关元件Ql导通时的电流Im的峰值Ipeak由基准电压Vkef和电流检测电阻Rl决定，因此基本不受到LED电压的变动的影响。此外，开关元件Ql截止时的电流Itjff的斜率di/dt由LED电压和电感器LI的电感决定，截止时间Iff根据控制电路I和电容器Cl的容量被设定为固定。此外，当截止时的电流Itjff的斜率di/dt变化时，到电流Itjff成为0为止的时间发生变化。
[0015]因此，如该图所示，当LED电压变动时，由于截止期间的电流波形的变化，LED的平均正向电流U (avg)发生变化。该情况下，由于LED的光束与正向电流成正比，因此当平均正向电流(avg)变化时，LED的亮度也发生变化。
[0016]另外，已知LED电压的变动是由于温度和制造偏差而产生的。因此，由于这些的主要原因，希望开发出即便作为负载的LED的电压发生变动，LED的正向电流、即LED的平均正向电流Iled (avg)也仍恒定的装置。
【发明内容】
[0017]本发明正是鉴于这样的状况而完成的，其目的在于提供一种即便负载的电压发生变动，也能够使负载的平均电流恒定的开关电源装置。
[0018]本发明的开关电源装置，其对负载提供恒流，该开关电源装置的特征在于具有:电力供给电路，其将来自电源的电力提供给所述负载；开关控制电路，其通过开关动作来控制来自该电力供给电路的电力的供给；以及校正单元，其校正该开关控制电路的开关动作，所述开关控制电路具有:开关元件，其进行所述开关动作；电压检测单元，其根据流过所述负载的电流来检测电压；以及控制单元，其在由该电压检测单元检测到的电压超过基准电压时使所述开关元件截止，在经过一定的截止时间后使所述开关元件导通，所述校正单元检测所述负载的电压变动，根据该检测到的所述负载的电压变动，校正所述控制单元使所述开关元件导通的时机。
[0019]此外，开关电源装置的特征在于，所述电力供给电路具有:电感器，其与所述负载串联连接；以及二极管，其阳极侧与该电感器的另一端侧连接，并且阴极侧与直流电源连接，所述校正单元是谷底检测电路，该谷底检测电路检测在流过所述电感器的电流成为0后的所述二极管与所述电感器之间的电压的振动的谷底点，并以使所述开关元件在该检测到的谷底点处导通的方式进行校正。
[0020]此外，开关电源装置的特征在于，所述控制单元具有电压取入端子，该电压取入端子取入示出用于使所述开关元件导通的时机的电压，所述谷底检测电路具有:对所述电压的振动进行钳位的钳位元件；以及上拉元件，其在由于所述振动的下降沿而使施加到钳位元件的电压下降时导通，对所述电压取入端子以成为用于使所述开关元件导通的电压的方式进行上拉。
[0021]在本发明的开关控制电路中，通过校正单元检测负载的电压变动，根据该检测到的负载的电压变动，校正控制单元使开关元件导通的时机。
[0022]根据本发明的开关电源装置，通过校正单元检测负载的电压变动，根据该检测到的负载的电压变动，校正控制单元使开关元件导通的时机，因此即便负载的电压变动，也能够使负载的平均电流恒定。【专利附图】
【附图说明】
[0023]图1是示出本发明的开关电源装置的一个实施方式的图。
[0024]图2是用于说明图1的开关电源装置的动作的图。
[0025]图3是用于说明图1的开关电源装置的谷底检测电路的动作的图。
[0026]图4是用于说明图1的开关电源装置的谷底检测电路的动作的图，该图的(a)是示出通过谷底检测电路将开关元件的接通的时机与谷底点对齐的情况的动作波形图，该图的(b)是将该图4的(a)的时间尺度放大10倍后得到的动作波形图(其中，箭头e所示的时刻以后的电压波形变化为正弦波状的部分，是示出没有将开关元件Ql的接通的时机与谷底点对齐的情况的动作波形图。)。
[0027]图5是用于说明图1的开关电源装置的谷底检测电路的动作的图，并且是示出LED电流对于LED电压的实验结果(负载调节)的图。
[0028]图6是示出改变了图1的谷底检测电路的结构的情况下的其他的例子的图。
[0029]图7是示出改变了图1的谷底检测电路的结构的情况下的的其他的例子的图。
[0030]图8是示出改变了图1的谷底检测电路的结构的情况下的的其他的例子的图。
[0031]图9是示出以往的用于使LED亮灯的开关电源装置的一例的图。
[0032]图10是示出图9的开关电源装置中的动作波形的图。
[0033]图11是示出图9的开关电源装置中的动作波形的图。
[0034]标号说明
[0035]1:控制电路
[0036]2:比较器
[0037]3:0UT 端子
[0038]4: SEN 端子
[0039]5 =REF 端子
[0040]6: PWM 端子
[0041]10:开关控制电路
[0042]11:施密特反相器
[0043]12:与非门
[0044]13:最小截止时间电路
[0045]14:与门
[0046]15:最大截止时间电路
[0047]16:反相器
[0048]20:电力供给电路
[0049]21、22: LED
[0050]30:谷底检测电路
[0051]C1、C2:电容器
[0052]Dl:二极管
[0053]Ql:开关元件(MOSFET)
[0054]Q2:开关元件(晶体管)
[0055]Q3:开关元件(P型MOS )[0056]Rl:电流检测电阻
[0057]R2 ?R5:电阻
[0058]V1、V3:电源电压
[0059]ZD1、ZD2:齐纳二极管
【具体实施方式】
[0060]以下，说明本发明的开关电源装置的一个实施方式。另外，在以下所示的图中，对与图9共同的部分标注相同的标号，适当地进行重复的说明。
[0061]首先，如图1所示，开关电源装置具有开关控制电路10、电力供给电路20以及谷底检测电路30。
[0062]开关控制电路10具有控制电路1、比较器2以及开关元件(MOSFET)Qp控制电路I进行用于使LED亮灯的PWM (pulse width modulation:脉宽调制)控制。
[0063]在此，控制电路I与开关元件(MOSFET) Ql的栅极、比较器2的输出侧以及PWM端子6连接。
[0064]开关元件Ql的漏极与OUT端子3连接。开关元件Ql的源极连接在与电流检测电阻Rl连接的SEN端子4和比较器2的负端子之间。
[0065]比较器2的正端子与连接有基准电压Vkef的REF端子5连接。PWM端子6与电容器Cl和谷底检测电路30连接。
[0066]电力供给电路20具有电源电压(直流)V1、二极管D1、电感器LI。在此，二极管Dl的阴极侧和LED21的阳极侧与电源电压Vl连接。作为负载的LED21、22被正向连接，LED22的阴极侧与电感器LI的一端侧连接。电感器LI的另一端侧与二极管Dl的阳极侧和上述的OUT端子3连接。因此，串联连接的LED21、22经由电感器LI与二极管Dl并联连接。
[0067]作为本发明的开关控制电路的校正单元的谷底检测电路30具有开关元件(晶体管)Q2。在开关元件Q2的基极侧串联连接有电阻R4、R5、电容器C2。另外，电容器C2的一端与上述的电感器LI的另一端侧和OUT端子3的连接点连接。此外，在电阻R4和电阻R5的连接点上连接有齐纳二极管ZD2。
[0068]开关元件Q2的发射极侧与齐纳二极管ZDl的阳极侧连接，经由齐纳二极管ZDl与电源电压V3连接。此外，齐纳二极管ZDl的阴极侧和电源电压V3的连接点经由电阻R3与开关元件Q2的基极侧连接。开关元件Q2的集电极侧与电阻R2的一端侧连接。另外，电阻R2的另一端侧与上述的PWM端子6和电容器Cl的一端侧连接，电容器Cl的另一端侧被接地。
[0069]接着，参照图2和图3对动作进行说明。另外，图2的(a)所示的ILED是流过图1的LED的电流。图2的(b)所示的Vkef是图1的基准电压VKEF。图2的(c)所示的Vsen是图1的SEN端子4中的检测电压。图2的(d)所示的Vott示出图1的OUT端子3中的电压变动。图2的(e)示出图1的开关元件Ql的导通/截止。
[0070]首先，如图2的(e)所示，在通过来自控制电路I的导通信号使开关元件(MOSFET)Ql接通后，在电源电压Vl — LED21、22 —电感器LI —开关元件Ql —电流检测电阻Rl的路径上流过图2的(a)所示的正向电流Imi (电流ImX
[0071]电流Im流过电流检测电阻Rl，由此，在SEN端子4中产生与电流Im成正比的图2的(c)所示的检测电压Vsen。通过比较器2将检测电压Vsen与图2的(b)所示的外部的基准电压Vkef进行比较，在电压成为Vsen > Veef的时刻，如图2的(e)所示，控制电路I将开关元件Ql断开。
[0072]此时，由于在电感器LI中积蓄的能量，在LED21、22中，在电感器LI — 二极管Dl的路径上流过图2的(a)所示的正向电流Im (电流1。?)。然后，在经过根据控制电路I和电容器Cl的容量而设定的一定的截止时间Iff后，如图2的(e)所示，控制电路I再次使开关元件Ql接通。
[0073]在此，在电感器LI中流过电流的状态下，图2的(d)所示的OUT端子3的电压Vott与电源电压Vl基本相等。此外，如果在经过根据控制电路I和电容器Cl的容量而设定的一定的截止时间以前，电感器LI的能量再生结束，则如图2的(d)的箭头a所示，OUT端子3的电压Votit由于电感器LI的电感和开关元件Ql等的杂散电容而振动。
[0074]此时，在谷底检测电路30中，将OUT端子3的电压Vott的振动的下降沿在电容器C2中微分，通过齐纳二极管ZD2进行钳位后，在齐纳二极管ZD2的阴极侧产生从Vzd2变化到-Vf的波形。另外，Vzd2是齐纳二极管ZD2的反向电压(齐纳电压)，Vf是齐纳二极管ZD2的正向电压。
[0075]当将该波形的信号输入到开关元件Q2的基极后，开关元件Q2在该波形的信号的谷底紧前接通。此时，由于开关元件Q2的接通，PWM端子6经由齐纳二极管ZDl和电阻R2与电源电压V3连接，由此PWM端子6的电压被上拉，通过控制电路I使开关元件Ql接通。
[0076]在此，如图3所示，在接通的时机调整中，通过调整电阻R2的值能够将开关元件Ql的接通的时机与谷底点对齐。另外，此处的谷底点是指，如图2的(d)的箭头a所示，从电感器LI的能量放出完成时机起经过了谐振周期的1/4周期的时刻。
[0077]这样，将开关元件Ql的接通的时机与谷底点对齐，由此根据LED电压的变动来校正开关元件Ql的接通的时机。换言之，虽然开关元件Ql的截止时间Uf根据控制电路I和电容器Cl的容量被设定为恒定，但该截止时间Iff会被校正。
[0078]而且，将开关元件Ql的接通的时机与谷底点对齐，由此即便在LED21、22的电压Vm发生了变化的情况下，截止期间(图2的(a)的Itw)的平均电流基本不变。
[0079]由此，如图3的(a)、(c)所示，即便在LED21、22的电压下降或者升高而发生了变动的情况下，与图3的(b)所示的标准的情况相比可知，平均正向电流Im (avg)也基本被保持为恒定，因此LED21、22的亮度不会发生变动。
[0080]即，如图3的(a)那样，在LED电压下降的情况下，以开关元件Ql的接通的时机延迟的方式进行校正。该情况下，开关元件Ql的截止时间变长。另一方面，如图3的(b)那样，在LED电压上升的情况下，以开关元件Ql的接通的时机提前的方式进行校正。该情况下，开关元件Ql的截止时间Iff变短。
[0081]在此，以下是通过本实施方式中的谷底检测电路30将开关元件Ql的接通的时机与谷底点对齐的情况下的实验结果。
[0082]即，图4的(a)是示出通过谷底检测电路30将开关元件Ql的接通的时机与谷底点对齐的情况的动作波形图，图4的(b)是将图4的(a)的时间尺度放大10倍后的动作波形图。其中，箭头e所示的时刻以后的电压波形变化为正弦波状的部分，是示出没有将开关元件Ql的接通的时机与谷底点对齐的情况的动作波形图。[0083]首先，如图4的(a)的箭头a所示，可知在LED电流成为0，OUT端子3 (开关元件Ql的漏极)的电压成为谷底时，PWM端子6的电压上升，进行开关元件Ql接通的伪谐振动作。此外，如图4的(a)的箭头b所示，可知当PWM端子6的电压下降，开关元件Ql断开时，OUT端子3 (开关元件Ql的漏极)的电压上升。此外，可知在箭头a-b之间，流过作为LED电流的上述电流1。?。
[0084]此外，如箭头c所示，可知在OUT端子3 (开关元件Ql的漏极)的电压成为谷底时，PWM端子6的电压上升，进行与上述同样的伪谐振动作。另外，可知在箭头b-c之间，流过作为LED电流的上述电流1。《。即，可知在图4的(a)中，PWM端子6的电压上升沿时刻与开始流过作为LED电流的电流Im的时刻之间没有产生偏移。此外，可知在PWM端子6的电压下降沿时刻与开始流过作为LED电流的上述电流Itjff的时刻之间没有产生偏移。
[0085]另一方面，观察将图4的(a)进行时间放大后得到的图4的(b)，如箭头d所示，当OUT端子3 (开关元件Ql的漏极)的电压开始下降时，由于图1的电感器LI的电感和开关元件Ql等的杂散电容，OUT端子3 (开关元件Ql的漏极)的电压Vott (漏极电压)进行振动(谐振波形)。此外，可知虽然在箭头e所示的时刻，电压Vott (漏极电压)成为谷底，但在箭头d-e的中间PWM端子6的电压开始上升，在箭头e所示的时刻的谐振波形的谷底(从上述的电感器LI的能量放出完成时机起经过了谐振周期的1/4周期后的时刻)，开关元件Ql接通。此外，可知从箭头e所示的时刻起,流过作为LED电流的上述电流1?。
[0086]此外，图5是示出LED电流对于上述LED电压的实验结果(负载调节)的图。[0087]如该图所示，对通过谷底检测电路30将开关元件Ql的接通的时机与谷底点对齐的情况(伪谐振)与没有通过谷底检测电路30将开关元件Ql的接通的时机与谷底点对齐的情况(通常电路)进行比较，可知相对于LED电压的变动的LED电流的变动得到较大的改善。
[0088]这样，在本实施方式中具备以下结构，具有:电力供给电路(20)，其将来自电源(电源电压VI)的电力提供给负载(LED21、22);开关控制电路(10)，其通过开关动作来控制来自该电力供给电路(20 )的电力的供给；以及校正单元(谷底检测电路30 )，其校正该开关控制电路(10)的开关动作，开关控制电路(10)具有:开关元件(Q1)，其进行开关动作；电压检测单元(SEN端子4和电阻R1)，其根据流过负载(LED21、22)的电流来检测电压；以及控制单元(控制电路I )，其在由该电压检测单元(SEN端子4和电阻Rl)检测到的电压超过基准电压(Vkef)时使开关元件(Ql)截止，在经过一定的截止时间后使开关元件(Ql)导通，校正单元(谷底检测电路30)检测负载(LED21、22)的电压变动，根据该检测到的负载(LED21、22)的电压变动，校正控制单元(控制电路I)使开关元件(Ql)导通的时机。
[0089]具体而言，电力供给电路20具有:电感器LI，其与LED21、22串联连接；以及二极管D1，其阳极侧与该电感器LI的另一端侧连接，并且阴极侧与直流电源(电源电压VI)连接，谷底检测电路30检测开关元件Ql从截止向导通切换时的二极管Dl与电感器LI之间的电压的振动的谷底点，以在该检测到的谷底点使开关元件Ql导通的方式进行校正。
[0090]更具体地讲，控制电路I具有电压取入端子(PWM端子6)，该电压取入端子(PWM端子6)取入示出用于使开关元件Ql导通的时机的电压，谷底检测电路30具有:钳位元件(齐纳二极管ZD2)，其对电压的振动的谷底点的电压进行钳位；以及上拉元件(开关元件Q2)，其在通过该钳位元件(齐纳二极管ZD2)对谷底点的电压进行钳位时导通，对电压取入端子(PWM端子6)以成为用于使开关元件Ql导通的电压的方式进行上拉。[0091]通过这样的结构，通过校正单元(谷底检测电路30)检测负载(LED21、22)的电压变动，根据该检测到的负载(LED21、22)的电压变动，校正控制单元(控制电路I)使开关元件(Ql)导通的时机，因此，即便负载(LED21、22)的电压变动，也能够使负载(LED21、22)的平均电流(平均正向电流Imi (avg))恒定。
[0092]此外，由于将开关元件Ql的导通/截止的切换与二极管Dl和电感器LI之间的电压的振动的谷底点对齐，因而高效地进行开关元件Ql的开关动作，因此还能够期待噪声和开关损害的低减效果。
[0093]另外，谷底检测电路30不限于图1所示的结构，也可以是如下的结构。
[0094]S卩，例如图6所示，设置施密特反相器11、反相器16、开关元件(P型MOS) Q3来代替图1的开关元件Q2，通过施密特反相器11来检测齐纳二极管ZD2的阳极成为负的情况，使开关元件(MOSFET) Q3导通。
[0095]该情况下，也与上述同样，即便LED21、22的电压变动，也能够使LED21、22的平均
正向电流Iled ( avg)恒定。
[0096]此外，也可以是,例如图7所示，采用设置与非门12和固定最小截止时间的最小截止时间电路13来代替图6的开关元件(P型MOS) Q3的结构。
[0097]该情况下，由于在由最小截止时间电路13规定的时间被固定为截止，因此能够防止在图1的OUT端子3在噪声重叠时接通异常地提前。即，当到达由最小截止时间电路13规定的时间时，来自最小截止时间电路13的输出被提供给与非门12。
[0098]此外，也可以是，如图8所示，采用在图7的与非门12的输出侧设置与门14和规定最大截止时间的最大截止时间电路15的结构。
[0099]该情况下，在不能检测OUT端子3中的谐振的微分信号的情况下，开关元件Ql被原样地固定为截止，但在即便经过一定时间Iff (_)也不能检测到微分信号的情况下，当经过由最大截止时间电路15规定的时间后，能够强制地使开关元件Ql导通。S卩，当达到由最大截止时间电路15规定的时间后,来自最大截止时间电路15的输出被提供给与门14。
【权利要求】
1.一种开关电源装置，其对负载提供恒流，该开关电源装置的特征在于具有: 电力供给电路，其将来自电源的电力提供给所述负载； 开关控制电路，其通过开关动作来控制来自该电力供给电路的电力的供给；以及校正单元，其校正该开关控制电路的开关动作， 所述开关控制电路具有: 开关元件，其进行所述开关动作； 电压检测单元，其根据流过所述负载的电流来检测电压；以及控制单元，其在由该电压检测单元检测到的电压超过基准电压时使所述开关元件截止，在经过一定的截止时间后使所述开关元件导通， 所述校正单元检测所述负载的电压变动，根据该检测到的所述负载的电压变动，校正所述控制单元使所述开关元件导通的时机。
2.根据权利要求1所述的开关电源装置，其特征在于， 所述电力供给电路具有: 电感器，其与所述负载串联连接；以及 二极管，其阳极侧与该电感器的另一端侧连接，并且阴极侧与直流电源连接， 所述校正单元是谷底检测电路，该谷底检测电路检测在流过所述电感器的电流成为O后的所述二极管与所述电感器之间的电压的振动的谷底点，并以使所述开关元件在该检测到的谷底点处导通的方式进行校正。
3.根据权利要求2所述的开关电源装置，其特征在于， 所述控制单元具有电压取入端子，该电压取入端子取入示出用于使所述开关元件导通的时机的电压， 所述谷底检测电路具有: 钳位元件，其对所述电压的振动进行钳位；以及 上拉元件，其在由于所述振动的下降沿而使施加到钳位元件的电压下降时导通，对所述电压取入端子以使其电压成为用于使所述开关元件导通的电压的方式进行上拉。
【文档编号】H05B37/02GK103687192SQ201310421850
【公开日】2014年3月26日 申请日期:2013年9月16日 优先权日:2012年9月21日
【发明者】古川直治 申请人:三垦电气株式会社