開關電源裝置制造方法
【專利摘要】本發明提供開關電源裝置，即便負載的電壓變動，也能夠使負載的電流恒定。通過校正單元（谷底檢測電路30）檢測負載（LED21、22）的電壓變動，根據該檢測到的負載（LED21、22）的電壓變動，校正控制單元（控制電路1）使開關元件（Q1）導通的時機，由此，即便負載（LED21、22）的電壓變動，也能夠使負載（LED21、22）的平均電流（平均正向電流ILED（avg））恒定。
【專利說明】開關電源裝置【技術領域】
[0001]本發明涉及例如使LED (發光二極管)等光源亮燈的開關電源裝置。
【背景技術】
[0002]以往，在使LED (發光二極管)等光源亮燈的情況下，為了高效率化，大多數情況下使用恒流型的開關電源裝置。
[0003]作為這樣的開關電源裝置，例如在專利文獻I中提出了以下LED亮燈裝置，在該LED亮燈裝置中，通過全波整流器對來自商用交流電源的電流進行全波整流，從容量較小的第I電容器對開關電源電路部施加基本為全波整流波形的脈動電壓，通過第2電容器使基于開關電源電路部的開關的脈沖電壓平滑，施加到LED發光部。
[0004]專利文獻1:日本特開號公報
[0005]在上述專利文獻I中，來自商用交流電源的輸入電流成為除去了全波的谷部后得到的幾乎在全體區域流過的波形，將通過第2電容器平滑后的電壓施加到LED發光部，由此能夠在降低輸入電流的諧波成分的同時，得到與通過直流平滑電壓進行亮燈的情況同等的光輸出。
[0006]此外，在這樣的LED亮燈裝置中，存在當作為負載的LED的電壓變動時，LED的亮度也發生變動的情況。
[0007]參照圖9和圖10對這樣的現象進行說明。在此，圖9是示出用于使LED亮燈的開關電源裝置的一例的圖，圖10是示出該動作波形的圖。
[0008]另外，在圖10中，(a)所示的Im是圖9的LED中流過的電流。該圖的(b)所示的Veef是圖9的基準電壓VKEF。該圖的(c )所示的Vsen是圖9的SEN端子的檢測電壓。該圖的Cd)所示的Vmjt示出圖9的OUT端子中的電壓變動。該圖的(e)示出圖9的開關元件Q1的
導通/截止。
[0009]首先，在圖9中，在通過來自控制電路I的導通信號使開關元件(MOSFET) Ql接通后，在電源電壓(直流)Vl — LED —電感器LI —開關元件Ql —電流檢測電阻Rl的路徑上流過電流Im。
[0010]通過在電流檢測電阻Rl中流過電流Im，在SEN端子中產生與電流Im成正比的檢測電壓VSEN。通過比較器2將檢測電壓Vsen與外部的基準電壓Vkef進行比較，在電壓成為Vsen> Veef的時刻，控制電路I使開關元件Ql斷開。
[0011]此時，由于在電感器LI中積蓄的能量，在LED中，在電感器LI — 二極管Dl — LED的路徑上流過電流1。?。然后，在經過通過控制電路I和電容器Cl的電容所設定的一定的截止時間后，控制電路I再次使開關元件Ql接通。
[0012]在這樣的開關電源裝置中，可以通過簡單的電路結構進行控制，部件個數較少，因此適用于要求較窄的安裝面積的用途。
[0013]但是，在這樣的開關電源裝置中，當LED的電壓Vmi變動時，LED的亮度也發生變動。[0014]參照圖11對該現象進行說明。S卩，開關元件Ql導通時的電流Im的峰值Ipeak由基準電壓Vkef和電流檢測電阻Rl決定，因此基本不受到LED電壓的變動的影響。此外，開關元件Ql截止時的電流Itjff的斜率di/dt由LED電壓和電感器LI的電感決定，截止時間Iff根據控制電路I和電容器Cl的容量被設定為固定。此外，當截止時的電流Itjff的斜率di/dt變化時，到電流Itjff成為0為止的時間發生變化。
[0015]因此，如該圖所示，當LED電壓變動時，由于截止期間的電流波形的變化，LED的平均正向電流U (avg)發生變化。該情況下，由于LED的光束與正向電流成正比，因此當平均正向電流(avg)變化時，LED的亮度也發生變化。
[0016]另外，已知LED電壓的變動是由于溫度和制造偏差而產生的。因此，由于這些的主要原因，希望開發出即便作為負載的LED的電壓發生變動，LED的正向電流、即LED的平均正向電流Iled (avg)也仍恒定的裝置。

【發明內容】

[0017]本發明正是鑒于這樣的狀況而完成的，其目的在于提供一種即便負載的電壓發生變動，也能夠使負載的平均電流恒定的開關電源裝置。
[0018]本發明的開關電源裝置，其對負載提供恒流，該開關電源裝置的特征在于具有:電力供給電路，其將來自電源的電力提供給所述負載；開關控制電路，其通過開關動作來控制來自該電力供給電路的電力的供給；以及校正單元，其校正該開關控制電路的開關動作，所述開關控制電路具有:開關元件，其進行所述開關動作；電壓檢測單元，其根據流過所述負載的電流來檢測電壓；以及控制單元，其在由該電壓檢測單元檢測到的電壓超過基準電壓時使所述開關元件截止，在經過一定的截止時間后使所述開關元件導通，所述校正單元檢測所述負載的電壓變動，根據該檢測到的所述負載的電壓變動，校正所述控制單元使所述開關元件導通的時機。
[0019]此外，開關電源裝置的特征在于，所述電力供給電路具有:電感器，其與所述負載串聯連接；以及二極管，其陽極側與該電感器的另一端側連接，并且陰極側與直流電源連接，所述校正單元是谷底檢測電路，該谷底檢測電路檢測在流過所述電感器的電流成為0后的所述二極管與所述電感器之間的電壓的振動的谷底點，并以使所述開關元件在該檢測到的谷底點處導通的方式進行校正。
[0020]此外，開關電源裝置的特征在于，所述控制單元具有電壓取入端子，該電壓取入端子取入示出用于使所述開關元件導通的時機的電壓，所述谷底檢測電路具有:對所述電壓的振動進行鉗位的鉗位元件；以及上拉元件，其在由于所述振動的下降沿而使施加到鉗位元件的電壓下降時導通，對所述電壓取入端子以成為用于使所述開關元件導通的電壓的方式進行上拉。
[0021]在本發明的開關控制電路中，通過校正單元檢測負載的電壓變動，根據該檢測到的負載的電壓變動，校正控制單元使開關元件導通的時機。
[0022]根據本發明的開關電源裝置，通過校正單元檢測負載的電壓變動，根據該檢測到的負載的電壓變動，校正控制單元使開關元件導通的時機，因此即便負載的電壓變動，也能夠使負載的平均電流恒定。【專利附圖】

【附圖說明】
[0023]圖1是示出本發明的開關電源裝置的一個實施方式的圖。
[0024]圖2是用于說明圖1的開關電源裝置的動作的圖。
[0025]圖3是用于說明圖1的開關電源裝置的谷底檢測電路的動作的圖。
[0026]圖4是用于說明圖1的開關電源裝置的谷底檢測電路的動作的圖，該圖的(a)是示出通過谷底檢測電路將開關元件的接通的時機與谷底點對齊的情況的動作波形圖，該圖的(b)是將該圖4的(a)的時間尺度放大10倍后得到的動作波形圖(其中，箭頭e所示的時刻以后的電壓波形變化為正弦波狀的部分，是示出沒有將開關元件Ql的接通的時機與谷底點對齊的情況的動作波形圖。)。
[0027]圖5是用于說明圖1的開關電源裝置的谷底檢測電路的動作的圖，并且是示出LED電流對于LED電壓的實驗結果(負載調節)的圖。
[0028]圖6是示出改變了圖1的谷底檢測電路的結構的情況下的其他的例子的圖。
[0029]圖7是示出改變了圖1的谷底檢測電路的結構的情況下的的其他的例子的圖。
[0030]圖8是示出改變了圖1的谷底檢測電路的結構的情況下的的其他的例子的圖。
[0031]圖9是示出以往的用于使LED亮燈的開關電源裝置的一例的圖。
[0032]圖10是示出圖9的開關電源裝置中的動作波形的圖。
[0033]圖11是示出圖9的開關電源裝置中的動作波形的圖。
[0034]標號說明
[0035]1:控制電路
[0036]2:比較器
[0037]3:0UT 端子
[0038]4: SEN 端子
[0039]5 =REF 端子
[0040]6: PWM 端子
[0041]10:開關控制電路
[0042]11:施密特反相器
[0043]12:與非門
[0044]13:最小截止時間電路
[0045]14:與門
[0046]15:最大截止時間電路
[0047]16:反相器
[0048]20:電力供給電路
[0049]21、22: LED
[0050]30:谷底檢測電路
[0051]C1、C2:電容器
[0052]Dl:二極管
[0053]Ql:開關元件(MOSFET)
[0054]Q2:開關元件(晶體管)
[0055]Q3:開關元件(P型MOS )[0056]Rl:電流檢測電阻
[0057]R2 ?R5:電阻
[0058]V1、V3:電源電壓
[0059]ZD1、ZD2:齊納二極管
【具體實施方式】
[0060]以下，說明本發明的開關電源裝置的一個實施方式。另外，在以下所示的圖中，對與圖9共同的部分標注相同的標號，適當地進行重復的說明。
[0061]首先，如圖1所示，開關電源裝置具有開關控制電路10、電力供給電路20以及谷底檢測電路30。
[0062]開關控制電路10具有控制電路1、比較器2以及開關元件(MOSFET)Qp控制電路I進行用于使LED亮燈的PWM (pulse width modulation:脈寬調制)控制。
[0063]在此，控制電路I與開關元件(MOSFET) Ql的柵極、比較器2的輸出側以及PWM端子6連接。
[0064]開關元件Ql的漏極與OUT端子3連接。開關元件Ql的源極連接在與電流檢測電阻Rl連接的SEN端子4和比較器2的負端子之間。
[0065]比較器2的正端子與連接有基準電壓Vkef的REF端子5連接。PWM端子6與電容器Cl和谷底檢測電路30連接。
[0066]電力供給電路20具有電源電壓(直流)V1、二極管D1、電感器LI。在此，二極管Dl的陰極側和LED21的陽極側與電源電壓Vl連接。作為負載的LED21、22被正向連接，LED22的陰極側與電感器LI的一端側連接。電感器LI的另一端側與二極管Dl的陽極側和上述的OUT端子3連接。因此，串聯連接的LED21、22經由電感器LI與二極管Dl并聯連接。
[0067]作為本發明的開關控制電路的校正單元的谷底檢測電路30具有開關元件(晶體管)Q2。在開關元件Q2的基極側串聯連接有電阻R4、R5、電容器C2。另外，電容器C2的一端與上述的電感器LI的另一端側和OUT端子3的連接點連接。此外，在電阻R4和電阻R5的連接點上連接有齊納二極管ZD2。
[0068]開關元件Q2的發射極側與齊納二極管ZDl的陽極側連接，經由齊納二極管ZDl與電源電壓V3連接。此外，齊納二極管ZDl的陰極側和電源電壓V3的連接點經由電阻R3與開關元件Q2的基極側連接。開關元件Q2的集電極側與電阻R2的一端側連接。另外，電阻R2的另一端側與上述的PWM端子6和電容器Cl的一端側連接，電容器Cl的另一端側被接地。
[0069]接著，參照圖2和圖3對動作進行說明。另外，圖2的(a)所示的ILED是流過圖1的LED的電流。圖2的(b)所示的Vkef是圖1的基準電壓VKEF。圖2的(c)所示的Vsen是圖1的SEN端子4中的檢測電壓。圖2的(d)所示的Vott示出圖1的OUT端子3中的電壓變動。圖2的(e)示出圖1的開關元件Ql的導通/截止。
[0070]首先，如圖2的(e)所示，在通過來自控制電路I的導通信號使開關元件(MOSFET)Ql接通后，在電源電壓Vl — LED21、22 —電感器LI —開關元件Ql —電流檢測電阻Rl的路徑上流過圖2的(a)所示的正向電流Imi (電流ImX
[0071]電流Im流過電流檢測電阻Rl，由此，在SEN端子4中產生與電流Im成正比的圖2的(c)所示的檢測電壓Vsen。通過比較器2將檢測電壓Vsen與圖2的(b)所示的外部的基準電壓Vkef進行比較，在電壓成為Vsen > Veef的時刻，如圖2的(e)所示，控制電路I將開關元件Ql斷開。
[0072]此時，由于在電感器LI中積蓄的能量，在LED21、22中，在電感器LI — 二極管Dl的路徑上流過圖2的(a)所示的正向電流Im (電流1。?)。然后，在經過根據控制電路I和電容器Cl的容量而設定的一定的截止時間Iff后，如圖2的(e)所示，控制電路I再次使開關元件Ql接通。
[0073]在此，在電感器LI中流過電流的狀態下，圖2的(d)所示的OUT端子3的電壓Vott與電源電壓Vl基本相等。此外，如果在經過根據控制電路I和電容器Cl的容量而設定的一定的截止時間以前，電感器LI的能量再生結束，則如圖2的(d)的箭頭a所示，OUT端子3的電壓Votit由于電感器LI的電感和開關元件Ql等的雜散電容而振動。
[0074]此時，在谷底檢測電路30中，將OUT端子3的電壓Vott的振動的下降沿在電容器C2中微分，通過齊納二極管ZD2進行鉗位后，在齊納二極管ZD2的陰極側產生從Vzd2變化到-Vf的波形。另外，Vzd2是齊納二極管ZD2的反向電壓(齊納電壓)，Vf是齊納二極管ZD2的正向電壓。
[0075]當將該波形的信號輸入到開關元件Q2的基極后，開關元件Q2在該波形的信號的谷底緊前接通。此時，由于開關元件Q2的接通，PWM端子6經由齊納二極管ZDl和電阻R2與電源電壓V3連接，由此PWM端子6的電壓被上拉，通過控制電路I使開關元件Ql接通。
[0076]在此，如圖3所示，在接通的時機調整中，通過調整電阻R2的值能夠將開關元件Ql的接通的時機與谷底點對齊。另外，此處的谷底點是指，如圖2的(d)的箭頭a所示，從電感器LI的能量放出完成時機起經過了諧振周期的1/4周期的時刻。
[0077]這樣，將開關元件Ql的接通的時機與谷底點對齊，由此根據LED電壓的變動來校正開關元件Ql的接通的時機。換言之，雖然開關元件Ql的截止時間Uf根據控制電路I和電容器Cl的容量被設定為恒定，但該截止時間Iff會被校正。
[0078]而且，將開關元件Ql的接通的時機與谷底點對齊，由此即便在LED21、22的電壓Vm發生了變化的情況下，截止期間(圖2的(a)的Itw)的平均電流基本不變。
[0079]由此，如圖3的(a)、(c)所示，即便在LED21、22的電壓下降或者升高而發生了變動的情況下，與圖3的(b)所示的標準的情況相比可知，平均正向電流Im (avg)也基本被保持為恒定，因此LED21、22的亮度不會發生變動。
[0080]即，如圖3的(a)那樣，在LED電壓下降的情況下，以開關元件Ql的接通的時機延遲的方式進行校正。該情況下，開關元件Ql的截止時間變長。另一方面，如圖3的(b)那樣，在LED電壓上升的情況下，以開關元件Ql的接通的時機提前的方式進行校正。該情況下，開關元件Ql的截止時間Iff變短。
[0081]在此，以下是通過本實施方式中的谷底檢測電路30將開關元件Ql的接通的時機與谷底點對齊的情況下的實驗結果。
[0082]即，圖4的(a)是示出通過谷底檢測電路30將開關元件Ql的接通的時機與谷底點對齊的情況的動作波形圖，圖4的(b)是將圖4的(a)的時間尺度放大10倍后的動作波形圖。其中，箭頭e所示的時刻以后的電壓波形變化為正弦波狀的部分，是示出沒有將開關元件Ql的接通的時機與谷底點對齊的情況的動作波形圖。[0083]首先，如圖4的(a)的箭頭a所示，可知在LED電流成為0，OUT端子3 (開關元件Ql的漏極)的電壓成為谷底時，PWM端子6的電壓上升，進行開關元件Ql接通的偽諧振動作。此外，如圖4的(a)的箭頭b所示，可知當PWM端子6的電壓下降，開關元件Ql斷開時，OUT端子3 (開關元件Ql的漏極)的電壓上升。此外，可知在箭頭a-b之間，流過作為LED電流的上述電流1。?。
[0084]此外，如箭頭c所示，可知在OUT端子3 (開關元件Ql的漏極)的電壓成為谷底時，PWM端子6的電壓上升，進行與上述同樣的偽諧振動作。另外，可知在箭頭b-c之間，流過作為LED電流的上述電流1。《。即，可知在圖4的(a)中，PWM端子6的電壓上升沿時刻與開始流過作為LED電流的電流Im的時刻之間沒有產生偏移。此外，可知在PWM端子6的電壓下降沿時刻與開始流過作為LED電流的上述電流Itjff的時刻之間沒有產生偏移。
[0085]另一方面，觀察將圖4的(a)進行時間放大后得到的圖4的(b)，如箭頭d所示，當OUT端子3 (開關元件Ql的漏極)的電壓開始下降時，由于圖1的電感器LI的電感和開關元件Ql等的雜散電容，OUT端子3 (開關元件Ql的漏極)的電壓Vott (漏極電壓)進行振動(諧振波形)。此外，可知雖然在箭頭e所示的時刻，電壓Vott (漏極電壓)成為谷底，但在箭頭d-e的中間PWM端子6的電壓開始上升，在箭頭e所示的時刻的諧振波形的谷底(從上述的電感器LI的能量放出完成時機起經過了諧振周期的1/4周期后的時刻)，開關元件Ql接通。此外，可知從箭頭e所示的時刻起,流過作為LED電流的上述電流1?。
[0086]此外，圖5是示出LED電流對于上述LED電壓的實驗結果(負載調節)的圖。[0087]如該圖所示，對通過谷底檢測電路30將開關元件Ql的接通的時機與谷底點對齊的情況(偽諧振)與沒有通過谷底檢測電路30將開關元件Ql的接通的時機與谷底點對齊的情況(通常電路)進行比較，可知相對于LED電壓的變動的LED電流的變動得到較大的改善。
[0088]這樣，在本實施方式中具備以下結構，具有:電力供給電路(20)，其將來自電源(電源電壓VI)的電力提供給負載(LED21、22);開關控制電路(10)，其通過開關動作來控制來自該電力供給電路(20 )的電力的供給；以及校正單元(谷底檢測電路30 )，其校正該開關控制電路(10)的開關動作，開關控制電路(10)具有:開關元件(Q1)，其進行開關動作；電壓檢測單元(SEN端子4和電阻R1)，其根據流過負載(LED21、22)的電流來檢測電壓；以及控制單元(控制電路I )，其在由該電壓檢測單元(SEN端子4和電阻Rl)檢測到的電壓超過基準電壓(Vkef)時使開關元件(Ql)截止，在經過一定的截止時間后使開關元件(Ql)導通，校正單元(谷底檢測電路30)檢測負載(LED21、22)的電壓變動，根據該檢測到的負載(LED21、22)的電壓變動，校正控制單元(控制電路I)使開關元件(Ql)導通的時機。
[0089]具體而言，電力供給電路20具有:電感器LI，其與LED21、22串聯連接；以及二極管D1，其陽極側與該電感器LI的另一端側連接，并且陰極側與直流電源(電源電壓VI)連接，谷底檢測電路30檢測開關元件Ql從截止向導通切換時的二極管Dl與電感器LI之間的電壓的振動的谷底點，以在該檢測到的谷底點使開關元件Ql導通的方式進行校正。
[0090]更具體地講，控制電路I具有電壓取入端子(PWM端子6)，該電壓取入端子(PWM端子6)取入示出用于使開關元件Ql導通的時機的電壓，谷底檢測電路30具有:鉗位元件(齊納二極管ZD2)，其對電壓的振動的谷底點的電壓進行鉗位；以及上拉元件(開關元件Q2)，其在通過該鉗位元件(齊納二極管ZD2)對谷底點的電壓進行鉗位時導通，對電壓取入端子(PWM端子6)以成為用于使開關元件Ql導通的電壓的方式進行上拉。[0091]通過這樣的結構，通過校正單元(谷底檢測電路30)檢測負載(LED21、22)的電壓變動，根據該檢測到的負載(LED21、22)的電壓變動，校正控制單元(控制電路I)使開關元件(Ql)導通的時機，因此，即便負載(LED21、22)的電壓變動，也能夠使負載(LED21、22)的平均電流(平均正向電流Imi (avg))恒定。
[0092]此外，由于將開關元件Ql的導通/截止的切換與二極管Dl和電感器LI之間的電壓的振動的谷底點對齊，因而高效地進行開關元件Ql的開關動作，因此還能夠期待噪聲和開關損害的低減效果。
[0093]另外，谷底檢測電路30不限于圖1所示的結構，也可以是如下的結構。
[0094]S卩，例如圖6所示，設置施密特反相器11、反相器16、開關元件(P型MOS) Q3來代替圖1的開關元件Q2，通過施密特反相器11來檢測齊納二極管ZD2的陽極成為負的情況，使開關元件(MOSFET) Q3導通。
[0095]該情況下，也與上述同樣，即便LED21、22的電壓變動，也能夠使LED21、22的平均
正向電流Iled ( avg)恒定。
[0096]此外，也可以是,例如圖7所示，采用設置與非門12和固定最小截止時間的最小截止時間電路13來代替圖6的開關元件(P型MOS) Q3的結構。
[0097]該情況下，由于在由最小截止時間電路13規定的時間被固定為截止，因此能夠防止在圖1的OUT端子3在噪聲重疊時接通異常地提前。即，當到達由最小截止時間電路13規定的時間時，來自最小截止時間電路13的輸出被提供給與非門12。
[0098]此外，也可以是，如圖8所示，采用在圖7的與非門12的輸出側設置與門14和規定最大截止時間的最大截止時間電路15的結構。
[0099]該情況下，在不能檢測OUT端子3中的諧振的微分信號的情況下，開關元件Ql被原樣地固定為截止，但在即便經過一定時間Iff (_)也不能檢測到微分信號的情況下，當經過由最大截止時間電路15規定的時間后，能夠強制地使開關元件Ql導通。S卩，當達到由最大截止時間電路15規定的時間后,來自最大截止時間電路15的輸出被提供給與門14。
【權利要求】
1.一種開關電源裝置，其對負載提供恒流，該開關電源裝置的特征在于具有: 電力供給電路，其將來自電源的電力提供給所述負載； 開關控制電路，其通過開關動作來控制來自該電力供給電路的電力的供給；以及校正單元，其校正該開關控制電路的開關動作， 所述開關控制電路具有: 開關元件，其進行所述開關動作； 電壓檢測單元，其根據流過所述負載的電流來檢測電壓；以及控制單元，其在由該電壓檢測單元檢測到的電壓超過基準電壓時使所述開關元件截止，在經過一定的截止時間后使所述開關元件導通， 所述校正單元檢測所述負載的電壓變動，根據該檢測到的所述負載的電壓變動，校正所述控制單元使所述開關元件導通的時機。
2.根據權利要求1所述的開關電源裝置，其特征在于， 所述電力供給電路具有: 電感器，其與所述負載串聯連接；以及 二極管，其陽極側與該電感器的另一端側連接，并且陰極側與直流電源連接， 所述校正單元是谷底檢測電路，該谷底檢測電路檢測在流過所述電感器的電流成為O后的所述二極管與所述電感器之間的電壓的振動的谷底點，并以使所述開關元件在該檢測到的谷底點處導通的方式進行校正。
3.根據權利要求2所述的開關電源裝置，其特征在于， 所述控制單元具有電壓取入端子，該電壓取入端子取入示出用于使所述開關元件導通的時機的電壓， 所述谷底檢測電路具有: 鉗位元件，其對所述電壓的振動進行鉗位；以及 上拉元件，其在由于所述振動的下降沿而使施加到鉗位元件的電壓下降時導通，對所述電壓取入端子以使其電壓成為用于使所述開關元件導通的電壓的方式進行上拉。
【文檔編號】H05B37/02GK103687192SQ201310421850
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2013年9月16日 優先權日:2012年9月21日
【發明者】古川直治 申請人:三墾電氣株式會社