TWM411067U - Non-isolated flyback boost converter - Google Patents

Description

Μ411Ό67 五、新型說明： 【新型所屬之技術領域】 [0001] 本創作是有關於一種用以驅動發光二極體 (Light-Emitting Diode，簡稱LED)光源的升壓轉換 器，且特別是有關於一種用以驅動LED光源的非隔離型反 驰式升壓轉換器。 【先前技術】 [0002] 圖1為一種採用傳統升壓轉換器的LED驅動電路方塊 圖。請參照圖1，LED驅動電路1用以驅動LED光源3，LED 光源3具有輸入端及輸出端。LED驅動電路1包括電磁干擾 (ElectroMagnetic Interference，簡稱EMI)遽波器 11、整流濾波器12、隔離型反驰式轉換器13、升壓轉換 器14及控制器15。EMI濾波器11、整流濾波器12及隔離 型反馳式轉換器1 3組成直流電源供應器以提供具有隔離 特性的直流輸入電壓Vn。EMI濾波器11用以接收交流電 源VAf^並濾除交流電源的電磁雜訊。整流濾波器12耦 接EMI濾波器11，用以將濾除電磁雜訊後的交流電源Va 整流及濾波成直流電源VDe。隔離型反驰式轉換器13耦接 整流濾波器12，用以接收直流電源VDe並將直流電源VDe 轉換成具有隔離特性的直流輸入電壓vu。 [0003] 傳統的升壓轉換器14包括電感器L1、功率開關Q1、 二極體D1及電容器C1。升壓轉換器14耦接隔離型反馳式 轉換器13，用以接收輸入電壓Vn並將輸入電壓Vn升壓 成輸出電壓Vy以提供至LED光源3的輸入端。若忽略二極 體D1的導通壓降，假設功率開關Q1的責任週期（duty 表單編號A0101 第3頁/共17頁 M411067 cycle)為Dd，則傳統的升壓轉換器14的電壓增益為

D

Vn l-D

[0004] 控制器15採用脈寬調變（Pulse-Width Modula-tion，簡稱PWM)控制器，其耦接LED光源3的輸出端及升 壓轉換器14的功率開關Q1，用以接收LED光源3的輸出電 流1^，並根據輸出電流Im在其回饋端產生的回饋電壓輸 出PWM形式的控制信號CTL，以控制功率開關Q1的責任週 期，進而改變輸出電壓Vy。控制器15另接收致能信號EN 及調光信號DIM，其中致能信號EN用以決定LED光源3是 否工作，調光信號DIM用以決定LED光源3的亮度。 [0005] 傳統的升壓轉換器14因受限於功率開關Q1的責任週 期Dd及用於儲能的電感器L1的元件物理特性影響，在實 Ο 際的應用中，無法具有很高的電壓增益。當應用於低電 壓輸入場合下，傳統的升壓轉換器存在著輸出電壓無法 提升的問題。當應用於高電壓輸出場合下，往往需要串 接兩個以上傳統的升壓轉換器來提供高輸出電壓的需求 ，如此將增加設計的成本及電路的複雜度。 【新型内容】 [0006] 有鑑於此，本創作的目的在提出一種非隔離型反驰 式升壓轉換器，與傳統的升壓轉換器相比，可在相同的 功率開關責任週期下獲得更高的電壓增益或輸出電壓。 為達到上述目的或其它目的，本創作提出一種非隔 離型反驰式升壓轉換器，用以驅動LED光源，LED光源具 表單編號A0101 第4頁/共17頁 [0007] M411.067 有輸入端及輸出端。LED光源可應用於顯示裝置的背光源 ，顯示裝置例如為電腦螢幕（monitor)、電視機或一體 機電腦（all-in-one computer)。非隔離型反馳式升壓 轉換器包括具有儲能特性的變壓器、功率開關、二極體 以及電容器，其中功率開關例如為場效電晶體。變壓器 具有初級繞組及次級繞組，初級繞組及次級繞組均具有 打點端及非打點端，初級繞組的打點端接收輸入電壓。 功率開關具有第一端、第二端及控制端，功率開關的第 一端搞接初級繞組的非打點端及次級繞組的打點端，功 率開關的第二端耦接地端，功率開關的控制端接收控制 信號，功率開關根據控制信號進行切換。二極體具有陽 極端及陰極端，二極體的陽極端耦接次級繞組的非打點 端。電容器具有第一端及第二端，電容器的第一端耦接 二極體的陰極端並提供輸出電壓至LED光源的輸入端，電 容器的第二端耦接地端。 [0008] 在一實施例中，輸入電壓由直流電源供應器提供。

直流電源供應器包括EMI濾波器、整流濾波器以及隔離型 直流至直流轉換器，其中隔離型直流至直流轉換器例如 為隔離型反馳式轉換器。EMI濾波器用以接收交流電源並 滤除父流電源的電磁雜訊。整流渡波麵接Ε ΜI渡波* 用以將濾除電磁雜訊後的交流電源整流及濾波成直流電 源。隔離型直流至直流轉換器耦接整流濾波器，用以接 收直流電源並將直流電源轉換成輸入電壓。 [0009] 在一實施例中，控制信號由控制器提供，其中控制 器例如為PWM控制器。控制器耦接LED光源的輸出端及功 表單編號A0101 第5頁/共17頁 [0010] 率開關的控制端，控制器接收輸出電流並根據輸出電流 提供控制信號。 本創作因使用具有儲能特性的變壓H來取代傳統升 壓轉換器中用於儲能的電感器，變壓器在功率開關導通 時^順㈣量’在功率關截止時除了釋放先前健存 卜還兼具匝數比增益效果而有電位提升效果， 再搭配升壓轉換器本身的升壓倍率，因此可在相同的功 率開關責任週期下獲得更高的電壓增益或輸出電壓，適 合應用於低電壓輪人、高電壓輸出的場合。 [0011] 為讓本創作之上述和其他目的、特徵和優點能更明 易隱下文特舉較佳實施例，並配合所附圖式，作詳 細說明如下。 【實施方式】 [0012] 圖2為採用本創作非隔離型反驰式升壓轉換器的㈣ 驅動電路方塊圖。請參照圖2，LED驅動電路2用以驅動 LED光源3，LED光源3具有輸入端及輸出端。led光源_ 如由多個發光二極體組成，這些發光二極趙串聯搞接於 LED光源3的輸人端及輸出端之間。⑽光源3可應用於如 液晶顯示器等顯示裝置中作為背光源，顯示裝置例如為 電腦螢幕、電視機或-趙機電腦等用途的顯示裝置。 [0013] LED驅動電路2包括EMI濾波器n、整流濾波器12、 隔離型反驰式轉換器13、非隔離型反驰式㈣轉換器24 及控制器15，但並非用以限制本創作，例如隔離型反驰 式轉換器13還可為其它隔離型直流至直流轉換器。謝滤 表單编號A0101 # 6貢/共17頁 波器11、整流濾波器12及隔離型反驰式轉換器13組成直 流電源供應器以提供具有隔離特性的直流輸入電壓V ， 各元件耦接關係及功能已於先前技術中描述，在此不再 贅述。非隔離型反驰式升壓轉換器24耦接隔離型反驰式 轉換器13，用以接收輸入電壓v並將輸入電壓v升壓 12 12 成輸出電壓V〇2以提供至LED光源3的輸入端。控制器15例 如為PWM控制器’其耦接LED光源3的輸出端及非隔離型反 驰式升壓轉換器24，用以接收LED光源3的輸出電流I ， 02 並根據輸出電流1〇2在其回饋端產生的回饋電壓輸出 形式的控制信號CTL，以控制非隔離型反驰式升壓轉換器 24改變輸出電壓V〇2。控制器15另接收致能信號EN及調光 信號DIM，其中致能信號EN用以決定LED光源3是否工作 ，調光信號DIM用以決定LED光源3的亮度。 [0014] 本創作非隔離型反驰式升壓轉換器24包括具有儲能 特性的變壓器T1、功率開關Q2、二極體D2及電容器C2， 其中功率開關Q2例如為場效電晶體。變壓器π具有初級 繞組Np及次級繞組%，初級繞組及次級繞組n均具有 打點端及非打點端，初級繞組Np的打點端接收輸入電壓 V! 2。功率開關Q2具有第一端、第二端及控制端，功率開 關Q2的第一端耦接初級繞組Np的非打點端及次級繞組N 的打點端，功率開關Q2的第二端耦接地端，功率開關的 的控制端耦接控制器15以接收控制信號CTL，功率開關Q2 根據控制信號CTL進行切換。二極體D2具有陽極端及陰極 端，二極髅D2的陽極端轉接次級繞組%的非打點端。電 容器C2具有第一端及第二端，電容器㈡的第—端耦接二 表單編號A0101 第7頁/共17頁 [0015]M411067 極體D2的陰極端並提供輸出電壓至LED光源3的輸入端 ，電容器C2的第二端耦接地端。 下面將推導本創作非隔離型反馳式升壓轉換器24的 電壓增益，推導過程中忽略二極體D2的導通壓降。假設 功率開關Q2的切換週期為T，在一個切換週期中的導通時 間為丁训且截止時間為'a，即+ ，則功率開關 Q2的責任週期為DFB=T〇N/T。換言之，T〇N = DFBxT， [0016] 根據能量守怪及伏特-秒平衡（voltage-second b a 1 a n c e)定律，在一個工作週期内存入的能量總和必須 等於釋放的能量總和，如此才能確保輸出不存在變異性 。因此，在一個功率開關Q2的切換週期中，變壓器T1在 導通時的磁通變化量及在截止時的磁通變化量是相等的 ，亦即： φ, =φ, (2) ^ON ^OFT- ^ y [0017] 當功率開關Q2導通時，可在變壓器T1的初級繞組Np 上產生壓降為 VNp =NPx^= VI2 (3) aon [0018] 當功率開關Q2截止時，可在變壓器T1的初級繞組Np 及次級繞組Ns上產生壓降為 VNp + VNs = (NP + Ns)x = V02 - VI2 (4) aoff 將（3)、（4)兩式代入（2)式中，可得到 表單編號A0101 第8頁/共17頁 M411067

Yn^J〇E. = (VQ2 ~ Vt^xT^

Np Np +NS 再將Ton=DfbxT、T〇FF = (1-DFB)xT代入上式，整理可得本 創作非隔離型反驰式升壓轉換器24的電壓增益為 ⑶ [0019] 比較（1)、（5)兩式，可知在相同的功率開關責任週 期（Db = Dfb = D)條件下，本創作非隔離型反馳式升壓轉換 器24的電壓增益為傳統升壓轉換器丨4的電壓增益的（1+D xNs/Np)倍，因此非隔離型反驰式升壓轉換器24可在相同 的功率開關責任週期下獲得更高的電壓增益或輸出電壓 [0020] 從另一個觀點來看，本創作非隔離型反馳式升壓轉 換器24使用具有儲能特性的變壓器T1取代傳統升壓轉換

器14中用於儲能的電感器L1，變壓1T1在功率開關的導 通時儲存順向能量，在功率開關Q2裁止時除了釋放先前 儲存的能量外，還兼具阻數比增益效果（即Dx(Ns/Np))而 有電位提升效果，再搭配升壓轉換器本身的升壓S倍率（即 "(l-D))，因此可在相同的功率開關責任週期下獲得更 高的電壓增益或輸出電屋。 [0021] 12 II 第9頁/共17頁 圖3為圖1所示傳統升麼轉換器14及圖2所示本創作非 隔離型反馳式升㈣換n24在相同輸人電壓下的輸出電 愿特性曲線圖《•請參照圖3，此特性曲線圖為⑴、（5)兩 式在相同的輸入電虔(Vv v & 2 表單編號 M411067 =2)之條件下所繪製而成。從圖3可清楚看出，在相同的 功率開關貴任週期下，本創作非隔離型反驰式升壓轉換 器24的輸出電壓VQ2高於傳統升壓轉換器14的輸出電廢 Voi。 [0022] [0023] [0024] [0025] [0026] 綜上所述，本創作因使用具有儲能特性的變壓器來 取代傳統升壓轉換器中用於儲能的電感器，變壓器在功 率開關導通時儲存順向能量，在功率開關截止時除了釋 放先前儲存的能量外，還兼具匝數比增益效果而有電位 提升效果，再搭配升壓轉換器本身的升壓倍率，因此可 在相同的功率開關責任週期下獲得更高的電壓增益或輸 出電壓，適合應用於低電壓輸入、高電壓輸出的場合。 雖然本創作已以較佳實施例揭露如上，然其並非用 於限定本創作，任何熟習此技藝者，在不脫離本創作之 精神和範圍内，當可作些許之更動與潤飾，因此本創作 之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。 【圖式簡單說明】 圖1為一種採用傳統升壓轉換器的LED驅動電路方塊 圖。 圖2為採用本創作非隔離型反馳式升壓轉換器的led 驅動電路方塊圖。 圖3為圖1所示傳統升壓轉換器及圖2所示本創作非隔 離型反馳式升壓轉換器在相同輸入電壓下的輸出電壓特 性曲線圖。 【主要元件符號說明】 表單編號A0101 第10頁/共17頁 M411067 [0027] [0028] [0029] [0030] [0031] [0032] [0033]

[0034] [0035] [0036] [0037] [0038] [0039]

[0040] [0041] [0042] [0043] [0044] [0045] 1、2 : LED驅動電路 11 : EMI濾波器 12 :整流濾波器 13 :隔離型反驰式轉換器 14 :升壓轉換器 15 :控制器 24 :非隔離型反馳式升壓轉換器 3 : L E D光源 Cl、C2 :電容器 Dl、D2 :二極體 L1 :電感器 Ql、Q2 :功率開關 T1 :變壓器 Np :初級繞組 Ns :次級繞組 k、I‘輸出電流 Va :交流電源 AC vDe :直流電源 νπ、VI2 :輸入電壓 表單編號A0101 第11頁/共17頁 M411067 [0046] V01 [0047] CTL [0048] DIM [0049] ΕΝ : :輸出電壓 :控制信號 :調光信號 致能信號 表單編號A0101 第12頁/共17頁

Claims (1)

1. M411067 六、申請專利範圍： 1 . 一種非隔離型反馳式升壓轉換器，用以驅動一發光二極體 光源，該發光二極體光源具有一輸入端及一輸出端，該非 隔離型反驰式升壓轉換器包括： 一變壓器，具有一初級繞組及一次級繞組，該初級繞組及 該次級繞組均具有一打點端及一非打點端，該初級繞組的 打點端接收一輸入電壓； 一功率開關，具有一第一端'一第二端及一控制端，該功 率開關的第一端耦接該初級繞組的非打點端及該次級繞組 的打點端，該功率開關的第二端耦接一地端，該功率開關 的控制端接收一控制信號，該功率開關根據該控制信號進 行切換； 一二極體，具有一陽極端及一陰極端，該二極體的陽極端 耗接該次級繞組的非打點端；以及 一電容器，具有一第一端及一第二端，該電容器的第一端 耦接該二極體的陰極端並提供一輸出電壓至該發光二極體 光源的輸入端，該電容器的第二端耦接該地端。 2 .如申請專利範圍第1項所述之非隔離型反馳式升壓轉換器 ，其中，該輸入電壓由一直流電源供應器提供，該直流電 源供應器包括： 一電磁干擾濾波器，用以接收一交流電源並濾除該交流電 源的電磁雜訊； 一整流濾波器，耦接該電磁干擾濾波器，用以將濾除電磁 雜訊後的該交流電源整流及濾波成一直流電源；以及 一隔離型直流至直流轉換器，耦接該整流濾波器，用以接 100206875 表單編號A0101 第13頁/共17頁 1002022741-0 M411067 收該直流電源並將該直流電源轉換成該輸入電壓。 3 .如申請專利範圍第2項所述之非隔離型反馳式升壓轉換器 ，其中，該隔離型直流至直流轉換器為一隔離型反驰式轉 換器。 4 .如申請專利範圍第1項所述之非隔離型反驰式升壓轉換器 ，其中，該控制信號由一控制器提供，該控制器耦接該發 光二極體光源的輸出端及該功率開關的控制端，該控制器 接收該輸出電流並根據該輸出電流提供該控制信號。 5 .如申請專利範圍第4項所述之非隔離型反馳式升壓轉換器 ，其中，該控制器為一脈寬調變控制器。 6 .如申請專利範圍第1項所述之非隔離型反驰式升壓轉換器 ，其中，該功率開關為一場效電晶體。 7 .如申請專利範圍第1項所述之非隔離型反驰式升壓轉換器 ，其中，該發光二極體光源應用於一顯示裝置的一背光源 〇 8 .如申請專利範圍第7項所述之非隔離型反馳式升壓轉換器 ，其中，該顯示裝置為一電腦螢幕、一電視機或——體機 電腦。 100206875 表單編號A0101 第14頁/共17頁 1002022741-0