專利名稱：用于電源的節(jié)能啟動電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于驅(qū)動低電壓器件、例如發(fā)光二級管(LED)的啟動電路。
背景技術(shù)：
需要低電壓DC的電氣器件通常由干線啟動的電源(mainsoperated power supplies)來提供電壓。

圖1示意性地顯示了在典型的低電壓電源中的常規(guī)啟動電路1，其中干線電壓2通常由橋式整流器3來整流，然后經(jīng)由電阻器4供應(yīng)給電源中的控制電路(未顯示)。通過與電容器6并聯(lián)連接的齊納二極管5將控制電路的輸入電壓維持在所需電平。
在操作期間，貫穿全文被稱為“啟動電阻器”的電阻器4把電流供應(yīng)給電容器6，該電容器6因此充電到由齊納二極管5決定的值，從而確保輸入到控制電路的恒定電壓。通常，干線電壓在美國是110VAC或在歐洲是220VAC，然而器件靠較低的電壓、例如30伏或更小的電壓來工作。在首先以受控方式接通啟動電路1后，該啟動電路1用于直接從干線電源對電源供能。然而，一旦電源工作并且已達(dá)到穩(wěn)態(tài)電壓，就不再需要提供能量給啟動電路，現(xiàn)在該啟動電路是多余的。
圖1所示的裝置的缺點(diǎn)是即使在穩(wěn)態(tài)條件下，當(dāng)不再需要啟動電路時，通過啟動電阻器4的電流的恒定流量自身表現(xiàn)為恒定能量損失，因而降低了電源的整體效率。耗散在啟動電阻器4中的功率量是輸入電壓和輸出電壓之差的函數(shù)，由于輸出電壓越接近穩(wěn)態(tài)時的輸入電壓，啟動電阻器上的電壓降就越少，因此由于其而引起的能量損失就越低。在被設(shè)計用于僅從單個電壓源啟動的電源中，可以優(yōu)化電路元件以便減少由于啟動電阻器引起的恒定能量損失。然而，在用于在電源電壓的范圍、例如85-277VAC上工作以便適合美國和歐洲市場的所謂的通用電源中，這樣的優(yōu)化難以實(shí)現(xiàn)并且不可能針對所有電源電壓最小化由于啟動電阻器引起的能量損失。
因此期望的是，一旦電壓正常工作并且達(dá)到穩(wěn)態(tài)，就無需啟動電阻器?，F(xiàn)有技術(shù)已經(jīng)認(rèn)識到這種需要，盡管顯然不是需要通用電源。因而，參照圖2，其顯示了2001年10月5日公開的并且被轉(zhuǎn)讓給東芝照明技術(shù)公司的JP 2001275347所揭露的現(xiàn)有技術(shù)電源10。圖中所顯示的附圖標(biāo)記是在這個公開文件的摘要中出現(xiàn)的附圖標(biāo)記，現(xiàn)在將僅描述相關(guān)的元件。
電源單元10包含啟動電阻器17，在啟動時該啟動電阻器17經(jīng)由第一晶體管18將來自橋式整流器13的輸出供應(yīng)給控制電路16。啟動電路將來自橋式整流器13的輸出供應(yīng)給第一晶體管18，因而在啟動期間維持第一晶體管18導(dǎo)通以及將功率供應(yīng)給控制電路。第二晶體管21由電壓調(diào)整器22的輸入和輸出之間的電勢差驅(qū)動并且在啟動后維持在輸出變壓器15的初級輔助繞組15b中所產(chǎn)生的恒定電壓。第二晶體管21提供所得到的電壓給控制電路，因而該控制電路被驅(qū)動，并且將第一晶體管從導(dǎo)通轉(zhuǎn)換為截止，從而有效地斷開啟動電阻器17。
因而，電源單元通過在(開關(guān)電路)啟動后分離啟動電阻并且僅僅由輸出電壓器中所產(chǎn)生的功率來驅(qū)動主開關(guān)元件的控制電路而在等待期間省電。
從圖2可以看到，在橋式整流器13之后立即在輸入端上連接電解電容器23。該電解電容器23的目的是存儲來自干線的能量以及在瞬時斷電或干線電壓波動的情況下充當(dāng)輔助電源。為了適合這個功能，電容器23必須有高電容，而這真是使用電解電容器的原因。然而，在電路輸入端上的高電容的連接妨礙具有接近整功率因數(shù)的電源。當(dāng)電源將與計算機(jī)等一起使用時，這可能沒有太大關(guān)系。然而，有許多需要接近整功率因數(shù)的應(yīng)用，在這種情況下在JP 2001275347所示的電路是不適合的。
為了實(shí)現(xiàn)接近整功率因數(shù)，數(shù)量級為200nF的高電容通常被布置在電源的輸出端附近。這增加了達(dá)到穩(wěn)態(tài)所花費(fèi)的時間并且這又增加了在啟動之前電路必須被禁止的時間。在JP 2001275347中，在第一開關(guān)18打開和第二開關(guān)14閉合之間所花費(fèi)的時間太快以致不允許這種電容的完全充電。這也表明了在JP 2001275347中所公開的電路不適合與具有接近整功率因數(shù)的電源一起使用。
因此期望的是，提供一種用于電源、特別是具有接近整功率因數(shù)的通用電源的啟動電路，其中在電源已經(jīng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)之后啟動電阻器被斷開，由此防止能量損失并提高效率。
發(fā)明概述因此，本發(fā)明的目的是提供一種用于具有接近整功率因數(shù)的電源的啟動電路，其具有一個啟動電阻器，在電源已經(jīng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)之后該啟動電阻器被斷開，由此防止能量損失并提高效率。
為此，依據(jù)本發(fā)明提供一種用于電源的啟動電路，所述啟動電路包含輸入端，用于將高壓源連接到啟動電路上，輸出干線(rail)，用于將整流電壓供應(yīng)給電源，與輸出干線耦合的第一能量存儲器件，干線，用于在電壓最初被施加到輸入端上時存儲能量，與電源的輸出端耦合的第二能量存儲器件，用于在電源的輸出端上出現(xiàn)的電壓基本上達(dá)到穩(wěn)態(tài)時存儲能量，以及開關(guān)電路，該開關(guān)電路與第一能量存儲器件和第二能量存儲器件耦合，響應(yīng)于具有足夠能量的第一能量存儲器件而將所述能量傳遞給第二能量存儲器件，并且使第一能量存儲器件從輸出干線斷開。
附圖簡述為了理解本發(fā)明以及了解本發(fā)明在實(shí)踐中可以如何來實(shí)現(xiàn)，現(xiàn)在將參考附圖僅通過非限制性的例子來描述優(yōu)選實(shí)施例。
圖1是示意性顯示典型的低壓電源中的常規(guī)啟動電路的部分電路圖；圖2是示意性顯示現(xiàn)有技術(shù)電源的部分電路圖；圖3是功能性顯示根據(jù)本發(fā)明的改良的啟動電路的方塊圖；以及圖4是示意性顯示圖3中所示的啟動電路的實(shí)際實(shí)施例的部分電路圖。
發(fā)明詳述圖3是功能性顯示根據(jù)本發(fā)明的改良的啟動電路30的方塊圖，該電路具有輸入端31，用于將干線電源的電壓連接到啟動電路上(構(gòu)成高壓源)。通常，這樣的電源在美國具有110VAC的電壓或在歐洲具有220VAC的電壓。輸入端31連接到具有輸出端33的橋式整流器32上，輸出端33將整流電壓供應(yīng)給電流源34，該電流源34與電容器35的一端耦合(該電容器35構(gòu)成第一能量存儲器件)，該電容器的另一端連接到GND。
通常打開的開關(guān)電路36與第一電容器和第二電容器37耦合(該第二電容器37構(gòu)成第二能量儲存器件)并且響應(yīng)于第一比較器38的輸出，該第一比較器具有連接到第一電容器35的正電壓端的第一輸入端39和連接到第一參考電壓(VR1)的第二輸入端40。電流源34響應(yīng)地與第二比較器41的輸出端耦合，該第二比較器具有連接到第二電容器37的正電壓端的第一輸入端42和連接到第二參考電壓(VR2)的第二輸入端43。橋式整流器32的整流輸出33被供應(yīng)給電源44，該電源44被設(shè)計成接近整功率因數(shù)工作并且具有供應(yīng)給整流二極管46的陰極的輸出45，該整流二極管46的陽極與第二電容器37的正電壓端連接。
啟動電路30的工作如下。一旦加電，恒流源34將電流輸送到第一電容器35中并且將其充電到全負(fù)荷。在這段時間期間，整流器輸出33給電源44饋電并且對其中的輸出電容器(未示出)充電，該輸出電容器確保電源以或接近整功率因數(shù)工作。開關(guān)36被打開，以致第一電容器35與第二電容器37電隔離。在圖3中沒有顯示電源本身，但是一旦對電源加電并且電源運(yùn)行，它就經(jīng)由整流器二極管46對第二電容器37充電。因而，當(dāng)電路達(dá)到穩(wěn)態(tài)時，如果電源電壓瞬間降低，則第二電容器37充當(dāng)電源的儲存器。
當(dāng)?shù)谝浑娙萜?5上的電壓超過第一參考電壓(VR1)時，第一比較器38產(chǎn)生一個開關(guān)信號，該開關(guān)信號導(dǎo)致通常打開的開關(guān)電路36閉合，由此使第一電容器35與第二電容器37并聯(lián)連接并且將存儲在第一電容器中的能量傳遞給第二電容器。同樣，當(dāng)?shù)诙娙萜?7上的電壓超過第二參考電壓(VR2)時，第二比較器41產(chǎn)生一個斷開電流源34的開關(guān)信號，由此防止進(jìn)一步對第一電容器35充電。電壓閾值VR1和VR2被選擇成分別接近第一和第二電容器全負(fù)荷時的電壓。因此，當(dāng)?shù)谝浑娙萜骰旧媳煌耆潆姇r，開關(guān)36閉合并且第一電容器35中所存儲的能量被傳遞到第二電容器37。這有助于增加第二電容器37上的電荷，該電荷達(dá)到電壓閾值VR2。當(dāng)這發(fā)生時，電流源34從第一電容器35斷開，因而防止第一電容器35在電源穩(wěn)態(tài)工作期間被充電并且節(jié)能。如下面將參考附圖中的圖4所解釋的，電流源34包含一個電阻器，經(jīng)由該電阻器對第一電容器35充電。因此，禁止電源34可防止電流流過這個電阻器，否則該電流將作為歐姆損耗被耗散。
現(xiàn)在參考圖4，其中示意性顯示了如上參考圖3所述那樣工作的啟動電路40的實(shí)際實(shí)施方案的部分電路圖。這兩個圖共同的特征將用相同的附圖標(biāo)記來引用。因而，將輸入電源電壓31供應(yīng)給橋式整流器32，它的正輸出端充當(dāng)輸出干線33，該輸出干線33經(jīng)由包含串聯(lián)連接的電阻器R1和R2的第一分壓器供應(yīng)給NPN雙極型晶體管Q1的集電極，Q1的發(fā)射極與GND連接。第二分壓器通過以下方式來形成，即電阻器R3的一端與輸出干線33連接并且電阻器R3以其另一端與電阻器R4的一端串聯(lián)連接，該電阻器R4的另一端與GND連接。
PNP雙極型晶體管Q2的發(fā)射極與輸出干線33連接，其基極與電阻器R1和R2的連接點(diǎn)連接，并且其集電極經(jīng)由電阻器R5與第一電容器C1的第一端連接，該第一電容器C1的第二端與GND連接，并且該第一電容器對應(yīng)于圖3中的第一電容器35。電阻器R3和R4的連接點(diǎn)與NPN雙極型晶體管Q3的集電極連接，該NPN雙極型晶體管Q3的發(fā)射極與GND連接。電阻器R6連接在晶體管Q3的基極和發(fā)射極之間并且該晶體管Q3的基極經(jīng)由電阻器R7與第一齊納二極管D1的正極連接，該第一齊納二極管D1的負(fù)極與第二電容器C2的第一端連接，該第二電容器C2的第二端與GND連接，并且該第二電容器對應(yīng)于圖3中的第二電容器37。第一齊納二極管D1的負(fù)極與整流二極管D2的負(fù)極連接，該整流二極管D2的正極與電源44的正電源干線連接。
第二電容器C2的第一端也與PNP雙極型晶體管Q4的集電極連接，該P(yáng)NP雙極型晶體管Q4的發(fā)射極與第一電容器C1的第一端連接，并且其基極經(jīng)由電阻器R8與NPN雙極型晶體管Q5的集電極連接。在PNP雙極型晶體管Q4的基極和發(fā)射極之間連接有電阻器R9。晶體管Q5的發(fā)射板與GND連接，并且其基極與分壓器的連接點(diǎn)連接，該分壓器包含連接在GND和齊納二極管D3的正極之間的串聯(lián)連接的電阻器R10和R11，該齊納二極管D3的負(fù)極與第一電容器C1的第一端連接。
在減少用于實(shí)踐的實(shí)際電路中，使用下面的電路元件，其中重要的是
啟動電路40等效于圖3中所示的功能性示意圖并且啟動電路40的操作因此也是相同的。因而，PNP雙極型晶體管Q2結(jié)合電阻器R5構(gòu)成圖4中所示的電流源34。電阻器R1、R2、R3、R4結(jié)合晶體管Q1構(gòu)成第一開關(guān)50，用于控制電流源34。電阻器R10、R11結(jié)合齊納二極管D3和晶體管Q5構(gòu)成第一比較器38，齊納二極管D3的擊穿電壓確定第一電壓閾值VR1。同樣，電阻器R6、R7結(jié)合齊納二極D1和晶體管Q3構(gòu)成第二比較器41，齊納二極管D1的擊穿電壓確定第一電壓閾值VR2。電阻器R8和R9結(jié)合晶體管Q4構(gòu)成對應(yīng)于圖3中所示的開關(guān)36的第二開關(guān)，用于耦合第一和第二電容器C1和C2。第一開關(guān)50和第二開關(guān)36在功能上可被看作開關(guān)電路，該開關(guān)電路響應(yīng)具有足夠能量的第一電容器C1，以便將能量傳遞給第二電容器C2并且斷開第一電容器C1。
一旦加電，Q1截止，因此晶體管Q2的基極電勢基本上為零。由于Q2是PNP雙極型晶體管，因此它通過電阻器R5傳導(dǎo)來自輸出干線33的電流，由此對第一電容器C1充電。由于只要第一電容器C1上的電壓小于齊納二極管D3的擊穿電壓，晶體管Q5的基極電勢就小于擊穿電壓VBE，作為NPN器件的Q5因此截止。電流從電流源34流入晶體管Q4的基極。由于Q4是PNP器件，因此其截止并且第一和第二電容器C1和C2去耦。當(dāng)?shù)谝浑娙萜鰿1上的電壓達(dá)到齊納二極管D3的擊穿電壓時，Q5的基極電壓超過擊穿電壓VBE，因此晶體管Q5導(dǎo)通。這將晶體管Q4的基極電壓下拉到GND，作為PNP器件的Q4也開始導(dǎo)通，從而使第一和第二電容器C1和C2耦合，借此C1中所存儲的能量流入C2。
當(dāng)?shù)诙娙萜鰿2上的電壓達(dá)到齊納二極管D1的擊穿電壓時，R6上的電壓超過晶體管Q3的擊穿電壓VBE，因此作為NPN器件的Q5導(dǎo)通。這將晶體Q1的基極電壓下拉到GND，作為NPN器件的Q1截止。因此，晶體管Q2的基極上的電壓升高，作為PNP器件的Q2也截止，從而防止電流流過電阻器R5，否則這將不必要地繼續(xù)浪費(fèi)能量。
第二電容器C2上的電壓現(xiàn)在由電源44所輸出的電壓來維持，因此在啟動電路不繼續(xù)工作的情況下電源的穩(wěn)態(tài)操作也被維持。
應(yīng)當(dāng)理解的是，圖3中所示的電路的功能可以使用與圖4中所示那些電路元件不同的電路元件來實(shí)現(xiàn)。
也應(yīng)當(dāng)理解的是，本發(fā)明在它的范圍之內(nèi)不僅考慮啟動電路而且還考慮包含這種啟動電路的電源，該啟動電路或者集成在該電源中或者從外部連接到該電源上。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)這樣的電源在驅(qū)動發(fā)光二極管(LED)的使用中特別有效率。此外，這樣的電源適合于連接具有變化的電壓、例如85-277VAC的供電電源，并且在該范圍中的所有電壓上都同樣有效率，因?yàn)橹灰娫催_(dá)到穩(wěn)態(tài)就斷開啟動電路。如果情況不是如此，電阻器R5上的壓降將依賴于輸出干線33上的電壓，并且在電源線電壓較高時將浪費(fèi)更多的能量。因而，避免了在電源線電壓不同時效率變動的缺點(diǎn)。
正如已經(jīng)指出的，重要的是這樣的電源幾乎具有整功率因數(shù)。為此，必須避免如在JP 2001275347中所使用的啟動電路的輸入端上的高電容，并且借助電源中或連接到電源輸出端上的合適的功率因數(shù)校正電路來減小功率因數(shù)。這種功率因數(shù)校正電路本身是已知的，并且不是本發(fā)明的特征。然而，在電源中提供功率因數(shù)校正目的在于數(shù)量級為數(shù)百瓦特而不是數(shù)千瓦特的低功率輸出，，這防礙在啟動電路的輸入端上連接高電容，因此本發(fā)明包含具有功率因數(shù)校正的電源和如上所述的啟動電路。
權(quán)利要求
1.用于電源(44)的啟動電路(30)，所述啟動電路包括輸入端(31)，用于將高壓源連接到所述啟動電路上，輸出干線(33)，用于將整流電壓供應(yīng)給所述電源，第一能量存儲器件(35)，該第一能量存儲器件(35)與所述輸出干線耦合，用于在電壓最初被施加到所述輸入端上時存儲能量，第二能量存儲器件(37)，該第二能量存儲器件(37)與所述電源的輸出端耦合，用于在出現(xiàn)在所述電源的輸出端上的電壓基本上達(dá)到穩(wěn)態(tài)時存儲能量，以及開關(guān)電路(36，50)，該開關(guān)電路(36，50)與所述第一能量存儲器件和第二能量存儲器件耦合，并且響應(yīng)于具有足夠能量的所述第一能量存儲器件而將所述能量傳遞給所述第二能量存儲器件并且將所述第一能量存儲器件從所述輸出干線斷開。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的啟動電路，其中所述第一能量存儲器件是第一電容器(35)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的啟動電路，其中所述第二能量存儲器件是第二電容器(37)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的啟動電路，包括電流源(34)，與所述輸入端連接，用于對所述第一電容器充電，以及第一比較器(38)，該第一比較器(38)具有與所述第一電容器(35)的輸出端耦合的第一輸入端(39)并且具有與第一參考電壓(VR1)連接的第二輸入端(40)，用于在所述第一電容器的輸出超過所述第一參考電壓時產(chǎn)生第一開關(guān)信號；第二比較器(41)，該第二比較器(41)具有與所述第二電容器(37)的輸出端耦合的第一輸入端(42)并且具有與第二參考電壓(VR2)連接的第二輸入端(43)，用于在所述第二電容器的輸出超過所述第二參考電壓時產(chǎn)生第二開關(guān)信號；所述開關(guān)電路(36，50)響應(yīng)于所述第一開關(guān)信號而從最初所述第一電容器與所述第二電容器隔離的斷路變化為所述第一電容器與所述第二電容器并聯(lián)連接的閉合電路；以及響應(yīng)于所述第二開關(guān)信號而禁止電荷流向所述第一電容器。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的啟動電路，其中所述開關(guān)電路(36，50)包括第一開關(guān)(50)，與所述電流源耦合并且具有所述電流源與所述第一電容器耦合的初始狀態(tài)以及所述電流源與所述第一電容器去耦的第二狀態(tài)，以及通常打開的第二開關(guān)(36)，被耦合在所述第一和第二電容器的相應(yīng)輸出端之間。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的啟動電路，其中所述第一和第二開關(guān)包含半導(dǎo)體器件(Q1，Q4)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的啟動電路，其中所述第一和第二開關(guān)是雙極型晶體管(Q1，Q4)。
8.根據(jù)權(quán)利要求4到7中任何一個所述的啟動電路，其中所述第一比較器(38)包含齊納二極管(D3)。
9.根據(jù)權(quán)利要求4到8中任何一個所述的啟動電路，其中所述第二比較器(41)包含齊納二極管(D1)。
10.根據(jù)權(quán)利要求4到9中任何一個所述的啟動電路，其中所述電流源(34)包含晶體管(Q2)，用于供給通過電阻器(R5)的電流。
11.根據(jù)權(quán)利要求4到10中任何一個所述的啟動電路，其中所述開關(guān)電路(36)包含第一開關(guān)(50)，該第一開關(guān)(50)包括電阻器(R1，R2，R3，R4)以及晶體管(Q1)，用于控制所述電流源(34)。
12.根據(jù)權(quán)利要求4到11中任何一個所述的啟動電路，其中所述開關(guān)電路包含第二開關(guān)(36)，該第二開關(guān)(36)包括電阻器(R8，R9)和晶體管(Q4)。
13.一種電源，包括根據(jù)權(quán)利要求1到12中任何一個所述的啟動電路。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的電源，是集成單元。
15.根據(jù)權(quán)利要求13或14所述的電源，是LED照明系統(tǒng)的一部分。
16.根據(jù)權(quán)利要求13到15中任何一個所述的電源，包含功率因數(shù)校正電路。
全文摘要
一種用于電源(44)的啟動電路(30)具有用于將高壓源連接到啟動電路上的輸入端(31)，以及用于把整流電壓輸送給電源的輸出干線(33)。第一能量儲存器件(35)與輸出干線耦合，用于在最初把電壓施加到輸入端上時存儲能量，以及第二能量存儲器件(37)與電源的輸出端耦合，用于在出現(xiàn)在電源的輸出端上的電壓基本上達(dá)到穩(wěn)態(tài)時存儲能量。開關(guān)電路(36，50)與第一能量存儲器件和第二能量存儲器件耦合，并且響應(yīng)于具有足夠能量的第一能量存儲器件而將能量傳遞到第二能量存儲器件并且從輸出干線斷開第一能量存儲器件。
文檔編號H02M1/12GK1717858SQ03825720
公開日2006年1月4日 申請日期2003年7月24日 優(yōu)先權(quán)日2002年12月24日
發(fā)明者J·帕特喬尼克 申請人:照明技術(shù)電子工業(yè)有限公司