电源电路及照明装置制造方法
【专利摘要】本发明提供一种电源电路及照明装置。根据实施方式，提供一种具备直流电压源、电桥电路、变压器及整流平滑电路的电源电路。电桥电路包含至少1个开关元件，通过开关元件的导通/断开而将从直流电压源供给的直流电压转换成交流电压。变压器包含连接于电桥电路的初级绕组、及与初级绕组磁耦合的次级绕组。整流平滑电路将从次级绕组输出的交流电压转换成直流的输出电压并供给至直流负载。电桥电路包含连接在初级绕组与直流电压源的低电位侧的端子之间的电容器。本发明电力转换效率高。
【专利说明】电源电路及照明装置
【技术领域】
[0001] 本发明的实施方式涉及一种电源电路及照明装置。
【背景技术】
[0002] 有一种电源电路，其将输入电压转换成规定的输出电压并供给至负载。电源电路 例如被用于包含发光二极管（Light-emittingdiode,LED)等发光元件的照明装置。电源 电路例如对发光元件供给电力，以使发光元件点亮。而且，电源电路中，通过使用变压器 (transformer),从而使初级侧与次级侧电绝缘。对于此种电源电路，期望具有高的电力转 换效率。
[0003] 现有技术文献
[0004] 专利文献
[0005] 专利文献1 :日本专利第4797637号
【发明内容】
[0006] 本发明的目的在于提供一种电力转换效率高的电源电路及照明装置。
[0007] 根据本发明的实施方式，提供一种具备直流电压源、电桥电路、变压器及整流平滑 电路的电源电路。所述电桥电路包含至少1个开关元件，通过所述开关元件的导通/断开 而将从所述直流电压源供给的直流电压转换成交流电压。所述变压器包含连接于所述电桥 电路的初级绕组、及与所述初级绕组磁耦合的次级绕组。所述整流平滑电路将从所述次级 绕组输出的交流电压转换成直流的输出电压并供给至直流负载。所述电桥电路包含连接在 所述初级绕组与所述直流电压源的低电位侧的端子之间的电容器。
[0008] 根据本发明的实施方式，提供一种照明装置，所述照明装置包括照明负载；以及所 述电源电路，对所述照明负载供给电力。
[0009] (发明的效果）
[0010] 根据本发明的实施方式，能够提供一种电力转换效率高的电源电路及照明装置。
【专利附图】
【附图说明】
[0011] 图1是示意性地表示第1实施方式的照明装置的框图。
[0012] 图2是示意性地表示第1实施方式的电源电路的特性的一例的图表。
[0013] 图3 (a)及图3 (b)是表示变压器的一部分及特性的示意图。
[0014] 图4 (a)及图4 (b)是示意性地表示第1实施方式的照明装置的一部分的局部剖 面图。
[0015] 图5是示意性地表示第2实施方式的照明装置的框图。
[0016] 图6是示意性地表示第2实施方式的另一照明装置的框图。
[0017] 图7是示意性地表示第3实施方式的照明装置的框图。
[0018] 图8是示意性地表示电源电路的运行的一例的图表。
[0019] 图9是示意性地表示反馈（feedback)电路的框图。
[0020] 图10是示意性地表示第4实施方式的照明装置的框图。
[0021] 图11是示意性地表示第5实施方式的照明装置的框图。
[0022] 附图标记：
[0023] 2:交流电源
[0024] 3:调光器
[0025] 10、100、110、120、130、140:照明装置
[0026] 12:照明负载
[0027] 14、104、114、124、134、144:电源电路
[0028] 14a、14b:电源输入端子
[0029] 14c、14d:电源输出端子
[0030] 14e:信号输入端子
[0031] 16:照明光源
[0032] 18 :操作部
[0033] 21 :滤波器电路
[0034] 22:整流电路
[0035] 22a、22b:输入端子
[0036] 22c:高电位端子
[0037] 22d:低电位端子
[0038] 23:功率因数改善电路
[0039] 24:半桥电路
[0040] 25:变压器
[0041] 26:整流平滑电路
[0042] 27、28:电阻
[0043] 30:PFC驱动器
[0044] 31:HB驱动器
[0045] 32:反馈电路
[0046] 32a:反馈控制部
[0047] 32b:输出电压检测部
[0048] 32c:输出电流检测部
[0049] 33:控制部
[0050] 34:I/F电路
[0051] 35?37:光稱合器
[0052] 41:开关元件
[0053] 41a?41c、51a?51c、52a?52c、84a?84c:电极
[0054] 42:电感器
[0055] 43:二极管
[0056] 44:电容器
[0057] 51、52:开关元件
[0058] 53:电容器
[0059] 55:初级绕组
[0060] 55a:漏电感
[0061] 56、57:次级绕组
[0062] 60 :整流电路
[0063] 60p:封装
[0064] 61、62:整流元件
[0065] 64:平滑电容器
[0066] 70:绕线筒
[0067] 70a:初级侧绕组部
[0068] 70b:次级侧绕组部
[0069] 7〇C:障壁部
[0070] 70d:贯穿孔
[0071] 72:芯材
[0072] 72a:长芯材部
[0073] 72b:短芯材部
[0074] 72c:长芯材部的中央部
[0075] 72d:短芯材部的中央部
[0076] 74 :基板
[0077] 74a:第1面
[0078] 74b:第2面
[0079] 75:框体
[0080] 76 :散热体
[0081] 81:第1电源部
[0082] 82:第2电源部
[0083] 83:降压器
[0084] 84?86:开关元件
[0085] 90:差动放大电路
[0086] 91 :非反转放大电路
[0087] 92、93:电阻
[0088] 94:电容器
[0089] 95、96:保护二极管
[0090] 98:可变电阻
[0091] f、f0、fr:共振频率
[0092] I0UT、If:输出电流
[0093] Vcc:驱动电压
[0094] VDC:直流电压
[0095] VIN:输入电压
[0096] VL :电压
[0097]V0UT:输出电压
【具体实施方式】
[0098] 以下，参照附图来说明各实施方式。
[0099] 另外，附图是示意性或概念性者，各部分的厚度与宽度的关系、部分间的大小的比 率等未必与现实相同。而且，即使在表示相同部分的情况下，也有时会根据附图而以彼此不 同的尺寸或比率来表示。
[0100] 另外，在本申请说明书与各图中，对于与关于已述的图而前述者同样的要素，标注 相同的符号并适当省略详细的说明。
[0101] (第1实施方式）
[0102] 图1示意性地表示第1实施方式的照明装置的框图。
[0103] 如图1所示，照明装置10具备照明负载12(直流负载)及电源电路14。照明负载 12例如具有发光二极管（Light-emittingdiode,LED)等照明光源16。照明光源16例如 也可为有机发光二极管（Organiclight-emittingdiode, 0LED)等。对于照明光源16,例 如使用具有正向压降的发光元件。照明负载12通过来自电源电路14的输出电压的施加及 输出电流的供给，而使照明光源16点亮。输出电压及输出电流的值是对应于照明光源16 而规定。
[0104] 电源电路14具有一对电源输入端子14a、14b及一对电源输出端子14c、14d。交流 电源2连接于各电源输入端子14a、14b。照明负载12连接于各电源输出端子14c、14d。另 夕卜，在本申请说明书中，所谓"连接"，是指电连接，也包括未以物理方式连接的情况或经由 其他要素而连接的情况。
[0105] 交流电源2例如为商用电源。电源电路14将从交流电源2供给的交流的输入电 压VIN转换成直流的输出电压V0UT并输出至照明负载12,从而使照明光源16点亮。
[0106] 电源输出端子14c的电位高于电源输出端子14d的电位。例如，在照明光源16为 LED的情况下，阳极（anode)连接于电源输出端子14c，阴极（cathode)连接于电源输出端子 14d。由此，顺向的电流流至照明光源16,照明光源16点亮。以下，在区别各电源输出端子 14c、14d的情况下，将电源输出端子14c称作高电位输出端子14c，将电源输出端子14d称 作低电位输出端子14d。
[0107] 电源电路14包括滤波器（filter)电路21、整流电路22、功率因数改善电路23、半 桥（halfbridge)电路24(电桥电路)、变压器25及整流平滑电路26。
[0108] 滤波器电路21连接于各电源输入端子14a、14b。滤波器电路21例如包括电感器 (inductor)及电容器（condenser)。滤波器电路21抑制从交流电源2供给的输入电压VIN 中所含的噪声（noise)。
[0109] 整流电路22具有输入端子22a、22b、高电位端子22c及低电位端子22d。各输入 端子22a、22b连接于滤波器电路21。对于整流电路22,输入经滤波器电路21抑制了噪声 的输入电压VIN。滤波器电路21是视需要而设，可省略。例如，也可省略滤波器电路21而 将整流电路22连接于各电源输入端子14a、14b。
[0110] 整流电路22例如为二极管电桥。整流电路22例如对交流的输入电压VIN进行全 波整流，使高电位端子22c与低电位端子22d之间产生全波整流后的整流电压(例如脉动电 压)。高电位端子22c的电位高于低电位端子22d的电位。低电位端子22d的电位例如为 接地电位或电源电路14的基准电位。低电位端子22d的电位可为比高电位端子22c的电 位低的任意电位。整流电路22对输入电压VIN的整流也可为半波整流。
[0111] 功率因数改善电路23连接于整流电路22。功率因数改善电路23在整流电压中， 抑制电源频率的整数倍的高次谐波的产生。由此，功率因数改善电路23改善整流电压的功 率因数。
[0112] 功率因数改善电路23例如包括开关元件41、电感器42、二极管43及电容器44。 开关元件41具有电极41a?电极41c。电感器42的一端连接于高电位端子22c。电感器 42的另一端连接于电极41a。电极41b连接于低电位端子22d。二极管43的阳极连接于电 极41a。二极管43的阴极连接于电容器44的一端。电容器44的另一端连接于低电位端子 22d。即，在本例中，功率因数改善电路23为升压斩波器（chopper)电路。功率因数改善电 路23并不限于此，可为能够改善整流电压的功率因数的任意电路。
[0113] 功率因数改善电路23例如使开关元件41开关，使输入电流接近正弦波，由此来改 善整流电压的功率因数。而且，功率因数改善电路23利用电容器44来对功率因数改善后 的整流电压进行平滑化，从而将整流电压转换成直流电压VDC。功率因数改善电路23例如 将交流100V(有效值)的输入电压VIN转换成约410V的直流电压VDC。直流电压VDC的值 并不限于此，可为任意值。另外，电容器44是视需要而设，可省略。功率因数改善电路23 例如也可输出功率因数改善后的整流电压。
[0114] 半桥电路24包括开关元件51、52及电容器53。开关元件51具有电极51a?电极 51c。电极51a连接于电容器44的高电位侧的端子。电极51b连接于开关兀件52的电极 52a。电极52b连接于低电位端子22d。本例中，由整流电路22与功率因数改善电路23构 成直流电压源。开关元件51、52相对于直流电压源而串联连接。直流电压源并不限于此， 可为能够对半桥电路24供给直流电压的任意电压源。
[0115] 变压器25具有初级绕组55以及次级绕组56、57。初级绕组55连接于半桥电路 24。初级绕组55的一端连接于电极51b及电极52a。即，初级绕组55的一端被连接在2个 开关元件51、52之间。初级绕组55的另一端经由电容器53而连接于低电位端子22d。本 例中，电容器53被连接在初级绕组55与低电位端子22d之间。换言之，电容器53被连接 在初级绕组55与基准电位之间。电容器53例如也可连接在电极51b与初级绕组55之间。
[0116] 半桥电路24通过使开关元件51导通并使开关元件52断开，从而经由初级绕组55 来对电容器53进行充电。并且，半桥电路24通过使开关元件51断开并使开关元件52导 通，从而经由初级绕组55来对电容器53进行放电。这样，半桥电路24通过使各开关元件 51、52交替地导通/断开，从而使初级绕组55的两端产生交流电压。即，半桥电路24将从 功率因数改善电路23供给的直流电压VDC转换成交流电压。
[0117] 各开关元件41、51、52例如为n沟道（channel)型的场效应晶体管（FieldEffect Transistor,FET)。例如，电极 41a、51a、52a为漏极（drain)。电极 41b、51b、52b为源极 (source)。电极41c、51c、52c为栅极（gate)。各开关兀件41、51、52例如也可为p沟道型 的FET，还可为双极晶体管（bipolartransistor)或高电子迁移率晶体管（HighElectron MobilityTransistor,HEMT)等。
[0118] 次级绕组56、57与初级绕组55磁耦合。因而，当交流电流流经初级绕组55时，有 与此相应的交流电流流经次级绕组56、57。由此，变压器25对从半桥电路24供给的交流电 压进行变压。变压器25对从半桥电路24供给的交流电压进行降压。
[0119] 这样，通过设置变压器25,使初级侧与次级侧电绝缘，从而能够提高例如照明装置 10的安全性。
[0120] 次级绕组57串联连接于次级绕组56。次级绕组56、57的连接点通过省略了图示 的配线而连接于低电位端子22d。次级绕组56、57的连接点被设定成与低电位端子22d实 质上相同的电位。即，次级绕组56、57的连接点被设定为基准电位。
[0121] 整流平滑电路26包括整流电路60及平滑电容器64。整流电路60包括整流元件 61、62。整流电路60例如是在1个封装（package)60p内设置有2个整流元件61、62的1 个元件。整流元件61、62为肖特基势鱼二极管（Schottkybarrierdiode)。整流元件61、 62也可为其他二极管。
[0122] 整流元件61的阳极被连接于次级绕组56的与次级绕组57为相反侧的端部。整 流元件61的阴极连接于平滑电容器64的一端。整流元件62的阳极被连接于次级绕组57 的与次级绕组56为相反侧的端部。整流元件62的阴极连接于平滑电容器64的一端。平 滑电容器64的另一端连接于次级绕组56、57的连接点。
[0123] 由此，整流平滑电路26利用整流元件61、62来对经变压器25降压的交流电压进 行整流，以转换成整流电压。并且，整流平滑电路26利用平滑电容器64来对整流电压进行 平滑化，由此将整流电压转换成直流电压。即，整流平滑电路26生成输出电压V0UT。
[0124] 高电位输出端子14c连接于平滑电容器64的高电位侧的端子。低电位输出端子 14d连接于次级绕组56、57的连接点。由此，将输出电压V0UT输出至各电源输出端子14c、 14d之间。
[0125] 电源电路14还包括功率因数修正（PowerFactorCorrection,PFC)驱动器30(第 2驱动器)、半桥（HalfBridge，HB)驱动器31(第1驱动器)、反馈电路32、控制部33及接 口（Interface，I/F)电路34。
[0126]PFC驱动器30连接于功率因数改善电路23的开关元件41的电极41c。PFC驱动 器30例如将规定的脉宽调制（Pulse-WidthModulation，PWM)信号输入至电极41c，由此来 控制开关元件41的导通/断开。即，PFC驱动器30控制利用功率因数改善电路23进行的 直流电压VDC的生成。
[0127]HB驱动器31连接于半桥电路24的开关元件51的电极51c及开关元件52的电 极52c。HB驱动器31例如将规定的PWM信号输入至电极51c、52c，从而控制开关元件51、 52的导通/断开。即，HB驱动器31对利用半桥电路24进行的直流电压VDC向交流电压的 转换进行控制。
[0128] 输入至电极51c、52c的PWM信号的占空（duty)比为50%。输入至电极52c的PWM 信号导通的时机（timing)与输入至电极51c的PWM信号导通的时机相反。由此，各开关兀 件51、52交替地导通/断开。而且，HB驱动器31对输入至电极51c、52c的PWM信号的频 率进行控制。由此，能够对变压器25产生的交流电压的电压值进行控制。
[0129] 反馈电路32连接于低电位输出端子14d。反馈电路32也可连接于高电位输出端 子14c。反馈电路32检测输出电压V0UT与流经照明负载12的输出电流I0UT中的至少一 者。反馈电路32基于输出电压V0UT与输出电流I0UT中的至少一者来对HB驱动器31进 行反馈控制。
[0130] 当在照明光源16中使用LED等发光元件时，照明光源16的电压对应于正向压降 而实质上固定。因而，当在照明光源16中使用LED等发光元件时，通过将反馈电路32连接 于低电位输出端子14d，从而能够适当地检测流经照明光源16的电流。
[0131] 反馈电路32例如具有差动放大电路。对于差动放大电路的一个输入端，输入基准 电压。对于差动放大电路的另一输入端，输入输出电压V0UT或输出电流I0UT的检测电压。 差动放大电路输出与基准电压和检测电压的差值对应的电压。
[0132] 反馈电路32将差动放大电路的输出电压作为反馈信号而输入至HB驱动器31。HB 驱动器31根据来自反馈电路32的反馈信号来改变各开关元件51、52的导通/断开的频率。 由此，HB驱动器31及反馈电路32例如使输出电流I0UT实质上固定。例如，抑制对照明负 载12施加过电压或对照明负载12供给过电流。
[0133] 在HB驱动器31与反馈电路32之间，设置有光耦合器（photocoupler) 35。光耦 合器35具有发光部及受光部。光稱合器35将从反馈电路32输入的电信号暂时转换成光， 且再次恢复成电信号并输入至HB驱动器31。由此，能够使HB驱动器31与反馈电路32电 绝缘。例如，能够使初级侧与次级侧更适当地绝缘。
[0134] 电源电路14具有信号输入端子14e。在信号输入端子14e上连接有调光器3。调 光器3例如具有操作部，将与操作部的操作相应的PWM信号作为调光信号而输入至电源电 路14。调光器3例如安装在室内的墙壁等上使用。
[0135]I/F电路34连接于信号输入端子14e。I/F电路34将从调光器3输入的调光信号 输出至控制部33。在控制部33与I/F电路34之间设置有光耦合器36。由此，控制部33 与I/F电路34被电绝缘。例如，能够使初级侧与次级侧更适当地绝缘。
[0136] 控制部33例如将从I/F电路34输入的调光信号转换成与反馈电路32对应的形 式的调光信号，并将经转换的调光信号输入至反馈电路32。另外，也可将从调光器3输入的 信号直接输入至反馈电路32。PFC驱动器30、HB驱动器31、反馈电路32及控制部33中的 至少任一者包括能够进行软件（software)控制的半导体元件。对于PFC驱动器30、HB驱 动器31、反馈电路32及控制部33,例如使用微处理器（microprocessor)。
[0137] 在反馈电路32与控制部33之间，设置有光耦合器37。由此，反馈电路32与控制 部33被电绝缘。例如，能够使初级侧与次级侧更适当地绝缘。
[0138] 反馈电路32根据从控制部33输入的调光信号来改变输入至差动放大电路的基准 电压。反馈电路32例如将以电容器对作为PWM信号的调光信号进行平滑化所得的直流的 电压作为基准电压而输入至差动放大电路。基准电压的电压电平（level)是对应于检测电 压的电压电平而设定。更详细而言，例如，与所需的调光度对应的调光信号的电压电平被设 定成：与照明光源16以对应于该调光度的亮度发光时的检测电压的电压电平实质上相同。
[0139] 反馈电路32根据调光信号来改变输入至HB驱动器31的反馈信号。HB驱动器31 根据来自反馈电路32的反馈信号来改变各开关元件51、52的导通/断开的频率。这样，HB 驱动器31通过控制开关元件51、52的开关频率，从而从用于获得规定光束的额定输出状态 到大致调光下限状态为止来调整输出电压V0UT。
[0140] 由此，电源电路14以与由调光器3所设定的调光度相应的亮度来使照明负载12 点亮。这样，电源电路14将从交流电源2供给的交流的输入电压VIN转换成直流的输出电 压VOUT并供给至照明负载12,并且将照明负载12调光至与由调光器3所设定的调光度相 应的亮度。照明装置10中，能够使照明负载12以任意的亮度点亮。
[0141] 变压器25包含漏电感（leakageinductance)55a。图1中，为了方便而将漏电感 55a与初级绕组55分离开来图不，但实际上漏电感55a为变压器25的一部分。漏电感55a 如图所示，作为串联连接于初级绕组55的电感器而示出。
[0142] 图2是示意性地表示第1实施方式的电源电路的特性的一例的图表。
[0143] 图2的横轴为共振电路的共振频率f。图2的纵轴为在初级绕组55的两端产生的 电压八。
[0144] 电源电路14由变压器25与电容器53构成共振电路。具体而言，由初级绕组55、 漏电感55a及电容器53构成所谓的LLC共振电路。由初级绕组55、漏电感55a及电容器 53决定共振频率。因此，在变压器25的初级侧产生的电压'如图2所示。因而，通过控制 各开关元件51、52的开关频率，从而能够控制供给至照明负载12的电力。
[0145] 变压器25中，初级绕组55与次级绕组56、57的匝数比被设定为N1 :N2=(VDC/2): Vmin左右。此处，N1为初级绕组55的匝数。N2为次级绕组56、57的匝数。VDC为被供给 至半桥电路24的直流电压。Vmin为输出电压V0UT的下限值（以下称作下限电压Vmin)。例 如，在照明光源16为LED等具有正向压降的发光元件的情况下，下限电压Vmin为正向压降 (发光的最小电压)。
[0146]S卩，变压器25中，以出现在次级侧的交流电压为下限电压Vmin左右的方式，设定 初级绕组55与次级绕组56、57的匝数比。例如，对于Vmin=20V左右的负载，当将VDC=410V 左右的直流电压供给至半桥电路24及变压器25时，设定为N1 :N2=200T:19T左右。
[0147] 更具体而言，使次级绕组56、57的匝数N2满足下述（1)式。
[0148][数 1]
【权利要求】
1. 一种电源电路，其特征在于包括： 直流电压源； 电桥电路，包含至少1个开关元件，通过所述开关元件的导通/断开而将从所述直流电 压源供给的直流电压转换成交流电压； 变压器，包含连接于所述电桥电路的初级绕组、及与所述初级绕组磁耦合的次级绕组； 以及 整流平滑电路，将从所述次级绕组输出的交流电压转换成直流的输出电压并供给至直 流负载，且 所述电桥电路包含连接在所述初级绕组与所述直流电压源的低电位侧的端子之间的 电容器。
2. 根据权利要求1所述的电源电路，其特征在于： 所述电桥电路包含相对于所述直流电压源而串联连接的2个所述开关元件， 所述初级绕组的一端连接于所述2个开关元件之间， 所述初级绕组的另一端连接于所述电容器的一端， 所述电容器的另一端被设定为基准电位。
3. 根据权利要求2所述的电源电路，其特征在于还包括： 驱动器，控制所述开关元件的导通/断开， 所述驱动器具有与所述直流电压源共同的基准电位，对所述电容器的连接于所述初级 绕组的所述一端的电压进行检测。
4. 根据权利要求3所述的电源电路，其特征在于： 所述驱动器基于所述电容器的电压来进行对所述直流负载的过输出和所述直流负载 的短路的检测，当检测出过输出或短路时，停止所述电桥电路的驱动。
5. 根据权利要求3或4所述的电源电路，其特征在于： 所述驱动器以有效值或峰对峰值来检测所述电容器的电压。
6. -种照明装置，其特征在于包括： 照明负载；以及 权利要求1至5中任一所述的电源电路，对所述照明负载供给电力。
【文档编号】H05B37/02GK104519638SQ201410103583
【公开日】2015年4月15日 申请日期:2014年3月19日 优先权日:2013年9月27日
【发明者】加藤刚, 松本晋一郎 申请人:东芝照明技术株式会社