CN103828209B - 开关电源及照明装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种开关电源及照明装置。该开关电源具备第1电感器、第2电感器、开关元件、恒流元件、整流元件、控制电路。所述开关元件在导通时向所述第1电感器供给电源电压而使电流流通。所述恒流元件具有第1主端子、第2主端子、控制端子，所述第2主端子连接于所述开关元件，检测流经所述开关元件的电流。所述控制电路在所述恒流元件的所述第2主端子和所述第1主端子之间的电压为规定值以上时，使所述恒流元件断开，切断流经所述开关元件的电流。所述整流元件与所述开关元件及所述恒流元件中的任一个串联连接，在所述开关元件断开时，使所述第1电感器的电流流通。所述第2电感器与所述第1电感器磁耦合，在所述第1电感器的电流增加时，感应出使所述开关元件导通的电位，而在所述开关元件的电流减少时，感应出使所述开关元件断开的电位，并将感应出的电位供给至所述开关元件的控制端子。

Description

开关电源及照明装置
技术领域
本发明的实施方式涉及一种开关电源及照明装置。
背景技术
利用开关元件的开关电源作为直流或交流的电源广泛应用于各种用途。作为其一例，应用于照明的电源。即，近年来，在照明装置中，照明光源从白炽灯或荧光灯逐步替换成节能、寿命长的光源，例如发光二极管（Light-emitting diode：LED）。而且，例如，还正在研发EL（Electro-Luminescence）或有机发光二极管（Organic Light-emitting diode：OLED）等新的照明光源。这些照明光源的亮度依赖于流通的电流值，因此在使照明点灯时，需要供给恒定电流的电源电路。而且，为了使输入的电源电压与LED等照明光源的额定电压匹配，需要转换电压。作为高效、节能、小型化的电源，已知有DC-DC转换器等开关电源。而且，提议有使用自激式DC-DC转换器的LED点灯装置（例如，参照专利文献1）。
专利文献1：日本特开2004-119078号公报
然而，自激式DC-DC转换器检测开关元件的电流而将开关元件切换成导通或断开。若减少开关元件的电流而使所检测的元件的两端的电压降低，则存在无法使开关元件充分导通而损失增大的可能性。而且，若电压过高，则切断电流时的开关损失增加。
发明内容
本发明的实施方式的目的在于提供一种电力损失较小的开关电源及照明装置。
本发明的一实施方式所涉及的开关电源具备第1电感器、第2电感器、开关元件、恒流元件、整流元件、控制电路。所述开关元件在导通状态时向所述第1电感器供给电源电压而使电流流通。所述恒流元件具有第1主端子、第2主端子、控制端子，所述第2主端子连接于所述开关元件，检测流经所述开关元件的电流。所述控制电路在所述恒流元件的所述第2主端子和所述第1主端子之间的电压为规定值以上时，使所述恒流元件断开，切断流经所述开关元件的电流。所述整流元件与所述开关元件及所述恒流元件中的任一个串联连接，在所述开关元件断开时，使所述第1电感器的电流流通。所述第2电感器与所述第1电感器磁耦合，在所述第1电感器的电流增加时，感应出使所述开关元件导通的电位，而在所述开关元件的电流减少时，感应出使所述开关元件断开的电位，并将感应出的电位供给至所述开关元件的控制端子。
而且，本发明的另一实施方式所涉及的照明装置具备上述开关电源、作为所述开关电源的负载电路连接的照明负载。
附图说明
图1是例示包括第1实施例所涉及的开关电源的照明装置的电路图。
图2是表示恒流元件的电流相对于控制端子的电位的依赖性的特性图。
图3是例示包括第2实施例所涉及的开关电源的照明装置的电路图。
具体实施方式
（第1实施方式）第1实施方式的开关电源具备：第1电感器；开关元件，在导通时向所述第1电感器供给电源电压而使电流流通；恒流元件，具有第1主端子、第2主端子、控制端子，所述第2主端子连接于所述开关元件，检测流经所述开关元件的电流；控制电路，在所述恒流元件的所述第2主端子和所述第1主端子之间的电压为规定值以上时，使所述恒流元件断开，切断流经所述开关元件的电流；整流元件，与所述开关元件及所述恒流元件中的任一个串联连接，在所述开关元件断开时，使所述第1电感器的电流流通；第2电感器，与所述第1电感器磁耦合，在所述第1电感器的电流增加时，感应使所述开关元件导通的电位，在所述开关元件的电流减少时，感应使所述开关元件断开的电位，并将感应出的电位供给于所述开关元件的控制端子。
（第2实施方式）第2实施方式的开关电源的特征在于，在第1实施方式的开关电源中，所述开关元件为常通型元件。
（第3实施方式）第3实施方式的开关电源的特征在于，在第1实施方式的开关电源中，所述控制电路在所述第1主端子和所述第2主端子之间的电压为所述规定值以上时，向所述恒流元件的所述控制端子输出负电位。
（第4实施方式）第4实施方式的开关电源的特征在于，在第1实施方式的开关电源中，所述控制电路具有第1晶体管，该第1晶体管连接在所述第1主端子和所述第2主端子之间，在所述第1主端子和所述第2主端子之间的电压为所述规定值以上时导通。
（第5实施方式）第5实施方式的开关电源的特征在于，在第4实施方式的开关电源中，所述控制电路还具有第1电阻，一端与所述第1主端子连接；第2电阻，一端与所述第1电阻的另一端连接，在另一端供给有比所述第1主端子的电位低的电位；第2晶体管，连接于所述第2电阻的两端，在所述第1晶体管导通时导通而使所述第2电阻的两端短路。
（第6实施方式）第6实施方式的照明装置具有第1实施方式的开关电源；及作为所述开关电源的负载电路连接的照明负载。
下面，参照附图，对实施例进行详细说明。另外，在本说明书的各个附图中，对与前图相同的因素标上相同的符号，适当省略其详细说明。
首先，对第1实施例进行说明。
图1是例示包括第1实施例所涉及的开关电源的照明装置的电路图。
如图1所示，照明装置1具备开关电源2，将输入的直流电源电压VIN降压至电压VOUT；照明负载3，成为开关电源2的负载电路。照明负载3具有照明光源16。照明光源16例如由LED构成，通过从开关电源2供给电压VOUT而点灯。
在开关电源2中，开关元件8和恒流元件9串联连接在高电位电源端子4和高电位输出端子6之间。即，开关元件8的漏极连接于高电位电源端子4，开关元件8的源极连接于恒流元件9的漏极（第2主端子），恒流元件9的源极（第1主端子）连接于整流元件10的负极。开关元件8和恒流元件9例如为场效应晶体管（FET），例如高电子迁移率晶体管（High Electron Mobility Transistor：HEMT），是常通型元件。
而且，整流元件10的正极连接于低电位电源端子5。整流元件10以从低电位电源端子5朝向恒流元件9的方向作为正向而连接在恒流元件9和低电位电源端子5之间。整流元件10例如为二极管，例如肖特基势垒二极管。
控制电路11连接在恒流元件9的漏极和源极之间，是在恒流元件9的漏极/源极之间的电压为规定值以上时，向恒流元件9的栅极（恒流元件的控制端子）输出负电位的电路。在此，规定值是指比达到恒流元件9显示恒流特性的电流值、即上限值时的第2主端子和第1主端子之间的电压低的电压值，电流朝向上限值增加的中途使恒流元件9断开的电压值。
第1晶体管17的发射极连接于恒流元件9的漏极，基极经由电阻18连接于恒流元件9的源极，集电极经由电阻19连接于第2晶体管20的栅极。另外，电阻19保护第2晶体管20的栅极。而且，第1晶体管17是PNP型双极晶体管，第2晶体管20是N沟道型MOSFET。
而且，第1电阻21、第2电阻22及电阻23串联连接在恒流元件9的源极和低电位电源端子5之间。第2晶体管20的漏极与第1电阻21和第2电阻22的连接点及恒流元件9的栅极连接。而且，二极管24连接在恒流元件9的栅极和源极之间。第2晶体管20的源极与第2电阻22和电阻23的连接点连接。而且，电容器26连接于第2电阻22和电阻23的连接点、与恒流元件9的源极之间。另外，二极管24保护恒流元件9的栅极。
第1电感器13连接在恒流元件9的源极和整流元件10的负极的连接点与高电位输出端子6之间。
第2电感器14与第1电感器13磁耦合，一端与恒流元件9的源极和整流元件10的负极的连接点连接，另一端经由电容器12连接于开关元件8的栅极（开关元件的控制端子）。而且，二极管25连接在开关元件8的栅极和恒流元件9的源极之间。二极管25保护开关元件8的栅极。
而且，平滑电容器15连接在高电位输出端子6和低电位输出端子7之间。低电位输出端子7连接在低电位电源端子5。
接着，对开关电源2的动作进行说明。
当电源电压VIN供给到高电位电源端子4和低电位电源端子5之间时，由于开关元件8及恒流元件9为常通型元件，因此均为导通。而且，电流顺着高电位电源端子4、开关元件8、恒流元件9、第1电感器13、平滑电容器15、低电位电源端子5的路径流通，平滑电容器15得到充电。平滑电容器15两端的电压，即高电位输出端子6和低电位输出端子7之间的电压作为开关电源2的输出电压VOUT供给到照明负载3的照明光源16。
另外，由于开关元件8和恒流元件9为导通状态，因此在整流元件10的两端大致施加有电源电压VIN。整流元件10成为反向偏压，整流元件10中没有电流流通。
如果输出电压VOUT达到预定电压，则照明光源16中流有电流，照明光源16点灯。此时，电流顺着高位电源端子4、开关元件8、恒流元件9、第1电感器13、平滑电容器15及照明光源16、低电位电源端子5的路径流通。例如，当照明光源16为LED时，该预定电压为LED的正向电压，并根据照明光源16而规定。
当恒流元件9的漏极/源极间的电压低于规定值，即控制电路11的第1晶体管17的基极/发射极间的电压低于规定值时，第1晶体管17断开，第2晶体管20也断开。其结果，连接在第2电阻22两端的第2晶体管20成为开路状态，恒流元件9的栅极电位VG成为将恒流元件9的源极和低电位电源端子5之间的电压用第1电阻21、第2电阻22、电阻23分割的电压。另外，第1电阻21、第2电阻22、电阻23的各个电阻值设定为此时的栅极电位VG能够使恒流元件9维持导通状态。
由于电源电压VIN经由开关元件8、恒流元件9供给到第1电感器13，因此流经第1电感器13的电流增加。第2电感器14由于与第1电感器13磁耦合，因此在第2电感器14感应出使电容器12侧成为高电位的极性的电动势。其结果，在开关元件8的栅极，经由电容器12供给相对于源极正的电位，开关元件8维持导通状态。
如果流经恒流元件9的电流增加，则恒流元件9的漏极/源极间的电压上升。当恒流元件9的漏极/源极间的电压成为规定值以上时，控制电路11的第1晶体管17变成导通。第1晶体管17的集电极电压上升，第2晶体管20成为导通。其结果，第2电阻22的两端之间变成短路状态，恒流元件9的栅极电位VG下降，恒流元件9断开，开关元件8的电流被切断。另外，第1电阻21、第2电阻22、电阻23的各个电阻值设定为此时的栅极电位VG使恒流元件9断开。
如果开关元件8的电流被切断，第1电感器13使电流继续顺着平滑电容器15及照明负载3、整流元件10、第1电感器13的路径流通。因此，照明光源16继续点灯。由于第1电感器13放出能量，因此第1电感器13的电流减少。其结果，在第2电感器14感应出使电容器12侧成为低电位的极性的电动势。在开关元件8的栅极，经由电容器12供给相对于源极负的电位，开关元件8维持断开状态。
如果蓄积在第1电感器13的能量变成零，则流经第1电感器13的电流变成零。此时，输出电压VOUT下降至预定电压。被第2电感器14感应的电动势的方向再次反转，感应出使电容器12侧成为高电位的电动势。由此，比源极更高的电位供给到开关元件8的栅极，开关元件8成为导通。由此，返回到上述平滑电容器15充电为预定电压的状态。
之后，重复上述动作。自动地反复进行开关元件8的导通及断开的切换，照明光源16上供给有将电源电压VIN降压的输出电压VOUT。而且，供给到照明光源16的电流成为通过控制电路11被限制成比上限值小的电流值的恒定电流。因此，能够稳定地使照明光源16点灯。
接着，对本实施例的效果进行说明。
在本实施例中，恒流元件9检测开关元件8的电流。其结果，与使用电流检测用电阻时相比，能够降低电力损失。
而且，在本实施例中，控制电路11检测恒流元件9的第2主端子和第1主端子之间的电压，即漏极/源极间的电压VDS，在规定值以上时向恒流元件9的控制端子、即栅极输出负电位而使恒流元件9断开。其结果，能够以低电压切断电流，能够降低开关损失。而且，能够高速切断电流，因此高频动作变得可能，能够进一步降低开关损失。
如果假想不用控制电路11的结构，则上述效果变得明确。
例如，如果不用控制电路11而通过恒流元件9的恒流特性而使开关元件8断开时，以第2主端子和第1主端子之间的电压高的状态切断电流，开关损失变大。
图2是表示恒流元件的电流相对于控制端子的电位的依赖性的特性图。
图2中，将栅极电位VG作为参数表示作为恒流元件的FET的漏极/源极间的电压VDS与栅极电流ID之间的关系。
如果FET的漏极电流ID增加而变为恒流特性，则伴随漏极电流ID的增加，漏极/源极间的电压VDS急剧上升。但是，FET要想成为恒流特性，漏极/源极间的电压VDS必须成为|VGS-Vth|以上。在此，VGS是栅极/源极间的电压，Vth是阈值电压。
因此，在开关元件8的电流达到上限值时，在通过基于恒流特性的漏极/源极间电压的急剧上升使开关元件8断开的情况，漏极/源极间电压VDS以|VGS-Vth|以上的电压被切断。
如果为了降低该切断时的漏极/源极间电压VDS而减少开关元件8的电流的上限值，则蓄积在第1电感器13的能量减少。其结果，会出现无法使开关元件8充分导通的可能性。而且，如果取足够大的上限值，并加大切断时的漏极/源极间电压VDS，则以高电压且比较低的速度进行切断，开关损失会增加。
对此，在本实施例中，控制电路11检测恒流元件9的第2主端子和第1主端子之间的电压，在规定值以上时向恒流元件9的控制端子输出负电位使恒流元件9断开。其结果，能够以低电压切断电流，能够降低开关损失。而且，能够高速切断电流，因此高频动作变得可能，能够进一步降低开关损失。
而且，当作为开关元件8、恒流元件9等的各元件使用HEMT时，高频动作变得可能。例如，兆赫级动作变得可能。尤其，在使用GaN系HEMT时，更高的高频动作变得可能，并且由于元件耐压高，因此设为同一耐压时能够实现芯片尺寸的小型化。
图3是例示包括第2实施例所涉及的开关电源的照明装置的电路图。
如图3所示，开关电源2a与上述第1实施例所涉及的开关电源2相比，恒流元件9a、控制电路11a的结构不同。即，在本实施例中，替代上述第1实施例中的恒流元件9、控制电路11，设置恒流元件9a、控制电路11a。而且，照明装置1a具备作为开关电源2a的负载电路的照明负载3。照明负载3具有照明光源16。照明光源16例如由LED构成，通过从开关电源2a供给电压VOUT而点灯。本实施例所涉及的开关电源及照明装置的恒流元件及控制电路以外的结构，与图1所示的结构相同。
恒流元件9a是由晶体管27、28构成的电流反射镜。
晶体管28为电流反射镜的基准测，基极和集电极连接，成为二极管连接。晶体管28的发射极经由恒压源电路29与恒流元件9a的第1主端子、即电阻27的另一端连接，发射极电压比恒流元件9a的第1主端子的电位高恒定电压的量。在晶体管28的基极及集电极上，从恒流源电路30供给有与上限值相等的恒定电流。
晶体管27为电流反射镜的输出侧。晶体管27的基极是恒流元件9a的控制端子，连接于晶体管28的基极及集电极。晶体管27的集电极是恒流元件9a的第2主端子，连接于开关元件8的源极。而且，晶体管27的发射极与电阻31的一端连接。电阻31的另一端为恒流元件9a的第1主端子，并连接于整流元件10的负极。供给到晶体管28的恒定电流作为晶体管27的集电极电流折回。另外，晶体管27、28是NPN型双极晶体管。
恒流元件9a的电流（集电极电流）相对于第2主端子和第1主端子之间的电压的依赖性与图2所示的特性图相同。即，成为分别将图2中的漏极电流ID替换成集电极电流，将漏极/源极间电压VDS替换成第2主端子与第1主端子之间的电压后的特性。而且，图2中的控制端子的电位VG对应于本实施例中的恒流源电路30的恒定电流的电流值，即上限值。
恒流元件9a在电流为上限值时成为恒流特性。而且，在电流到达上限值为止的中途，伴随恒流元件9a的第2主端子和第1主端子之间的电压的增加，成为电流增加的特性。第2主端子和第1主端子之间的电压比晶体管27的集电极/发射极间电压高电阻31的电压降低量。另外，电流为上限值时电阻31的电压下降与恒压源电路29的电压相等，恒压源电路29也可以替换成与电阻31相同电阻值的电阻。
控制电路11a具有第1晶体管32，该第1晶体管32经由电阻33连接在恒流元件9a的第2主端子即晶体管27的集电极与第1主端子即电阻31的另一端之间。
电阻33的一端连接在晶体管27的集电极，另一端连接在第1晶体管32的基极。第1晶体管32的发射极连接在恒流元件9a的第1主端子即电阻31的另一端，第1晶体管32的集电极连接在晶体管27的基极、晶体管28的基极及集电极。另外，第1晶体管32是NPN型双极晶体管。
控制电路11a的第1晶体管32在恒流元件9a的第2主端子与第1主端子之间的电压低于规定值时断开。其结果，控制电路11a不影响恒流元件9a的动作，恒流元件9a的电流增加。当恒流元件9a的第2主端子与第1主端子之间的电压为规定值以上时，第1晶体管32导通。其结果，控制电路11a作为恒流元件9a的控制端子的晶体管27的基极与第1主端子之间的电压输出OV，使恒流元件9a断开。
如此，控制电路11a在恒流元件9a的电流增加至上限值的中途，当恒流元件9a的第2主端子与第1主端子之间的电压为规定值以上时，使恒流元件9a断开。其结果，与第1实施例同样，能够以低电压切断电流，能够减少开关损失。而且，能够高速切断电流，因此高频动作变得可能，能够进一步降低开关损失。另外，上述以外的本实施例的结构、动作、效果与上述第1实施例相同。
以上，参照具体例对本发明的实施例进行了说明。但是，本发明不只限于这些，能够进行各种变形。
例如，在上述第1及第2实施例中，例示了开关元件8及恒流元件9为常通型元件的情况，但是本发明不只限于此，也可以是常闭型元件。此时，在开始电源电压VIN的供给时需要用于使开关电源2、2a启动的启动电路。
而且，开关电源的结构不只限于图1及图2所示的结构。例如，第1电感器13既可位于高电位电源端子4、开关元件8、恒流元件9或9a、平滑电容器15、低电位电源端子5的路径上，也可以连接在低电位电源端子5和低电位输出端子7之间。
而且，开关元件8、恒流元件9不只限于GaN系HEMT。例如，也可以是半导体基板使用碳化硅（SiC）或氮化镓（GaN）或金刚石等具有宽禁带的半导体（宽禁带半导体）而形成的半导体元件。在此，宽禁带半导体是指禁带宽度比禁带宽度约为1.4eV的砷化镓（GaAs）宽的半导体。例如，包括：禁带宽度为1.5eV以上的半导体、磷化镓（GaP、禁带宽度约为2.3eV）、氮化镓（GaN、禁带宽度约为3.4eV）、金刚石（C、禁带宽度约为5.27eV）、氮化铝（AlN、禁带宽度约为5.9eV）、碳化硅（SiC）等。由于这些宽禁带半导体的寄生容量小且能够高速动作，因此能够使开关电源进一步小型化，能够降低开关损失。
另外，照明光源16不只限于LED，也可以是EL或OLED等，照明负载3中多个照明光源16可以串联连接也可以并联连接。
而且，在上述第1及第2实施例中，例示了作为开关电源的负载使用了照明光源的情况，但是所例示的开关电源不仅能够使用照明光源，只要是直流驱动的负载均可使用。
以上，对本发明的若干实施方式及实施例进行了说明，但是这些实施方式或实施例只是举例说明，并没有限制发明范围的意图。这些新实施方式或实施例能够以其他各种方式实施，在不脱离本发明宗旨的范围内，可以进行各种省略、置换、变更。这些实施方式或实施例或其变形均包含在本发明的范围或宗旨内，并且也包含在权利要求书所记载的发明及其等同的范围内。

Claims (5)

1.一种开关电源，其特征在于，具备：
第1电感器，连接于高电位输出端子；
开关元件，该开关元件的漏极连接于输入端子，在导通时向所述第1电感器供给电源电压而使电流流通；
恒流元件，具有第1主端子、第2主端子和控制端子，所述第2主端子与所述开关元件的源极连接，检测流经所述开关元件的电流；
控制电路，当所述恒流元件的所述第2主端子与所述第1主端子之间的电压为规定值以上时，使所述恒流元件断开，切断流经所述开关元件的电流；
整流元件，该整流元件的正极与低电位输出端子连接，负极连接于所述恒流元件的第1主端子与所述第1电感器的连接点，在所述开关元件断开时，使所述第1电感器的电流流过；
第2电感器，与所述第1电感器磁耦合，当所述第1电感器的电流增加时，感应出使所述开关元件导通的电位，当所述开关元件的电流减少时，感应出使所述开关元件断开的电位，并将感应出的电位供给至所述开关元件的控制端子。
2.根据权利要求1所述的开关电源，其特征在于，
所述开关元件为常通型元件。
3.根据权利要求1所述的开关电源，其特征在于，
当所述第1主端子和所述第2主端子之间的电压为所述规定值以上时，所述控制电路向所述恒流元件的所述控制端子输出负电位。
4.根据权利要求1所述的开关电源，其特征在于，
所述控制电路具有第1晶体管，该第1晶体管的基极连接于所述第1主端子，发射极连接于所述第2主端子，当所述第1主端子和所述第2主端子之间的电压为所述规定值以上时，所述第1晶体管导通；
其中，所述控制电路还具有：
第1电阻，一端与所述第1主端子连接；
第2电阻，一端与所述第1电阻的另一端连接，另一端上供给有比所述第1主端子的电位低的电位；
第2晶体管，所述第2晶体管的漏极连接在所述第2电阻的一端，源极连接在所述第2电阻的另一端，栅极与所述第1晶体管的集电极连接，且所述第2晶体管在所述第1晶体管导通时导通，使所述第2电阻的两端短路。
5.一种照明装置，其特征在于，具备：
权利要求1所述的开关电源；
照明负载，作为所述开关电源的负载电路连接。
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