CN110446293A - 发光元件驱动装置及其驱动方法 - Google Patents

Abstract

本公开内容关于一种发光元件驱动装置，包含储能元件、电源及电源转换电路。电源经由发光元件电性连接至储能元件，用以提供电流至发光元件，并用以对储能元件充电。电源转换电路电性连接电源及储能元件，且包含电感。在电源转换电路处于第一操作状态时，储能元件对电感充电。在电源转换电路处于第二操作状态时，电感放电至电源。本公开内容还关于一种驱动发光元件的方法。

Description

发光元件驱动装置及其驱动方法

技术领域

本公开内容关于一种驱动装置，特别是一种处理部分负载能量的高效率转换装置，以驱动发光元件的发光元件驱动装置。

背景技术

发光二极管(Light-emitting diode，LED)为一种以电流驱动的发光器件，其主要是通过控制流过LED的电流来调节发光的亮度。在现有技术中，当LED连接到直流电压源进行工作时，LED工作电流通过串接电阻器来调节，此电路的优点是电路简单，缺点是效率低。另一种现有技术，通过电源转换器做LED电流的调节，优点是相比前述串接电阻器有较高的效率，但由于LED负载完全通过电源转换器，且如果是连接交流市电的应用，再加上一级功率因数校正电路后，在二级电路架构下，***整体的效率还是无法进一步提升。

在设计LED的驱动装置时，需要考量的因素包含电路结构的复杂性、转换效率及电流的稳定性，而如何兼顾上述多种因素，是当前的一大重要课题。

发明内容

本公开内容的一实施方式，涉及一种发光元件驱动装置，包含储能元件、电源及电源转换电路，储能元件的正极端直接连接至发光元件。电源经由发光元件电性连接至储能元件的正极端，用以提供电流给发光元件，并用以对储能元件充电。电源转换电路电性连接电源及储能元件，其中电源转换电路包含电感。在电源转换电路的第一操作状态下该储能元件对电感充电，在电源转换电路的第二操作状态下，电感放电至电源。

本公开内容的另一实施方式，涉及一种驱动发光元件的方法，包含下列步骤：通过电源，提供电流给发光元件，且对储能元件充电。其中电源电性连接至发光元件的第一端，且储能元件的正极端直接连接发光元件的第二端。在电源持续提供该电流给发光元件的情况下，导通第一开关元件，使储能元件对电感充电，关断第一开关元件，使电感放电至电源。

本公开内容的又一实施方式，涉及一种发光元件驱动装置，包含储能元件、电源、电感、第一开关元件及第二开关元件。电源经由发光元件连接至储能元件的正极端，电源用以提供电流给发光元件，并用以对储能元件充电。电感电性连接该储能元件。第一开关元件电性连接储能元件及电感，其中在第一开关元件导通时，储能元件用以对该电感充电。第二开关元件电性连接该电感及该电源，其中在第一开关元件关断时，电感用以通过第二开关元件放电至电源。

附图说明

图1为根据本公开内容的部分实施例所示出的发光元件驱动装置的示意图。

图2A为根据本公开内容部分实施例所示出的发光元件驱动装置的第一操作状态示意图。

图2B为根据本公开内容部分实施例所示出的发光元件驱动装置的第二操作状态示意图。

图3为根据本公开内容部分实施例所示出的发光元件驱动装置的电流波形图。

图4为根据本公开内容的部分实施例所示出的发光元件驱动装置的示意图。

符号说明

100 发光元件驱动装置

110 电源

111 交流电压源

112 调节电路

120 发光元件

130 电源转换电路

131 控制电路

C1 储能元件

C2 输入电容

L1 电感

R1 第一检测元件

R2 第二检测元件

R3 第三检测元件

W1 第一开关元件

W2 第二开关元件

P1 充电路径

P2 放电路径

I1 第一电流

I2 第二电流

I3 第三电流

I4 第四电流

T1 充电阶段

T2 回灌阶段

具体实施方式

以下将以附图公开本公开内容的多个实施方式，为明确说明起见，许多实务上的细节将在以下叙述中一并说明。然而，应了解到，这些实务上的细节不应用以限制本发明。也就是说，在本发明部分实施方式中，这些实务上的细节是非必要的。此外，为简化附图起见，一些现有惯用的结构与元件在附图中将以简单示意的方式示出之。

于本文中，当一元件被称为“连接”或“耦接”时，可指“电性连接”或“电性耦接”。“连接”或“耦接”亦可用以表示两个或更多个元件间相互搭配操作或互动。此外，虽然本文中使用“第一”、“第二”、…等用语描述不同元件，该用语仅是用以区别以相同技术用语描述的元件或操作。除非上下文清楚指明，否则该用语并非特别指称或暗示次序或顺位，亦非用以限定本发明。

关于LED的驱动装置，传统作法是在LED上串联一个电阻，以作为电源转换器，使LED上具有一恒定电流。这种作法的优点是电路简单，缺点则是效率低，且需要根据LED规格进行电阻调整。为了改善效率问题，许多改良式的电源转换器被设计出来。常见的电源转换器类型包含降压型转换器(Buck Converter)、升压型转换器(Boost Converter)及升压降压型转换器(Buck-Boost Converter)，但在效率上都仍有可改进的空间。

请参阅图1所示，为本公开内容中的发光元件驱动装置100的部分实施例。发光元件驱动装置100包含储能元件C1、电源110及电源转换电路130。储能元件C1的正极端直接连接于至少一个发光元件120的负极端。电源110经由发光元件120连接至储能元件C1，用以提供第一电流I1给发光元件120，并用以对储能元件C1充电。在部分实施例中，发光元件120及储能元件C1相互串联，且发光元件120及储能元件C1的串联支路与电源110并联。特别说明，图1的电源110仅为示意图，本领域人员应可理解任何可以提供电能给发光元件都可称为电源110。在部分实施例中，储能元件C1包含电容器，举例如铝质电容、金属化薄膜电容、积层陶瓷电容或其他类型的电容，而发光元件120包含LED，但皆不以此为限。

电源转换电路130电性连接电源110及储能元件C1。电源转换电路130中至少包含电感L1。在电源转换电路130处于第一操作状态时，储能元件C1对电感L1充电。在电源转换电路130处于第二操作状态时，电感L1放电至该电源110，以实现放电回灌(energy-recycling，能量回收)的功能。

本公开内容的原理通过控制电感L1反复进行充电、放电，使储能元件C1之能量通过电感L1，回灌(recycle，回收)至电源110。据此，即控制储能元件C1上的跨压，从而稳定了发光元件120上的跨压及第一电流I1的大小。

本公开内容所使用的电路架构，是让电源110的输出并联于发光元件120及储能元件C1的串联支路。在此一电路架构下，驱动装置100上形成“V₁₁₀＝V₁₂₀+V_C1”的现象。其中，电源110两端的跨压(V₁₁₀)，会等于发光元件120及储能元件C1的跨压的总和。在本公开内容中，由于电源转换电路130仅需处理部分的负载能量且具放电回灌，因此，相较于传统的电源转换器，驱动装置100具有更佳的转换效率。尤其是，当电源110为另一级转换电路的输出用以供电给发光元件120时，本公开内容所能改善的整体转换效率将更为明显。

在部分实施例中，电源110包含交流电压源111、调节电路112及输入电容C2。调节电路112电性连接交流电压源111，用以接收交流电压源111产生的一交流电压，并输出一调节电压。在部分实施例中，调节电路112为一功率因素校正电路(Power FactorCorrection，PFC)、一高压直流输电电路(High Voltage Direct Current，HVDC)或一桥式整流器。在部分实施例中，电源110亦可以是电池。输入电容C2电性连接于调节电路112的输出，用以接收调节电压，并对发光元件120及储能元件C1供电，以提供第一电流I1给发光元件120。在部分实施例中，输入电容C2与发光元件120及储能元件C1的串联支路相并联，且用以接收电感L1放电回灌的能量。

在部分实施例中，发光元件驱动装置100之电源转换电路130中还包含第一开关元件W1及第二开关元件W2。第一开关元件W1电性连接电感L1及储能元件C1。第二开关元件W2则电性连接电感L1及电源110。当第一开关元件W1被导通时，储能元件C1用以对该电感L1充电，此处充电表示使流经电感L1的第二电流I2逐步上升以存储能量。当第二开关元件W2导通或第一开关元件W1被关断时，电感L1用以放电至电源110。相较传统电源转换器，本公开内容所使用的电路架构给电源110提供经由发光元件120与储能元件C1的一个电流路径，故可以提升转换效率。

为方便本领域技术人士理解，兹逐一说明发光元件驱动装置的运行方式如后。请参阅图1至图3，其中图2A及图2B分别为电源转换电路130处于第一操作状态及第二操作状态的示意图。图3则为发光元件驱动装置100上各电流的波形图。

首先，如图1所示，在电源110开始放电时，电源110提供第一电流I1给发光元件120，且电源110还会通过发光元件120对储能元件C1充电。

随着储能元件C1存储的电压上升，提供至发光元件120的第一电流I1逐渐减少(如图3所示，第一电流I1的电流变动幅度极小，整体电流约介于0.90毫安培至1.05毫安培之间，故可视为稳定直流)，电源转换电路130将进入第一操作状态。如图2所示，在第一操作状态中，电源110仍持续提供第一电流I1给发光元件120。此时，第一开关元件W1将被导通，使得第一开关元件W1、储能元件C1与电感L1形成一充电路径P1，且储能元件C1对电感L1充电。如图2A及图3所示，在电源转换电路130处于第一操作状态时，电感L1上形成有一第二电流I2，且在一充电阶段T1中，第二电流I2会逐渐上升。同时，第一开关元件W1上亦会流经一第三电流I3。

请参阅图2B及图3，当第一开关元件W1关闭时，电源转换电路130将进入第二操作状态。在第二操作状态时，电源110依旧提供第一电流I1给发光元件120，而电感L1所存储的电能顺利通过第二开关元件W2，形成放电路径。在部分实施例中，第一开关W1为可控开关，第二开关元件W2为二极管或可控开关。可控开关可为金属氧化物半导体场效晶体管(metal-oxide-semiconductor field effect transistor,MOSFET)、氮化镓(galliumnitride,GaN)或双极性晶体管(bipolar transistor,BJT)，但不以此为限。若该第二开关W2为二极管，则二极管的正极端将电性连接该电感L1，当第一开关元件W1被关断时，由于电感L1的电气特性是维持该第二电流I2，因此，该第二电流I2即会朝该第二开关元件W2的方向流动。此时，第二开关元件W2即导通，且第二开关元件W2上会流经第四电流I4。第二开关元件W2也可以使用可控开关，即本领域人员熟知的同步整流(synchronousrectification)，借此进一步降低损耗，在此不再赘述。电感L1、第二开关元件W2、电源110及储能元件C1形成一放电路径P2。电感L1会在一回灌阶段T2中，将其存储的电能放电(或回灌)至电源110。

在部分实施例中，第一开关元件W1根据一参考信号，在导通或关断之间切换，使电感L1反复地进行充电、放电过程(即，图3所示的充电阶段T1及回灌阶段T2)，据此，即可让储能元件C1的跨压保持在一预定值，从而让发光元件120工作在恒定电流(如前所述，第一电流I1的变动幅度远小于第一电流I1的电流量，故可视为恒定电流)，并维持发光强度的一致性。

在部分实施例中，电源转换电路130可***作于连续导通模式(ContinuousConduction Mode，CCM)。当电源转换电路130***作在CCM时，控制电源转换电路130中的电流平均值(如：第二电流I2的平均值)等于第一电流I1的平均值。

为达前述目的，电源转换电路130可以使用相应的控制方法，在部分实施例中，当电源转换电路130进一步被控制在CCM与DCM的边界条件模式(Boundary Conduction Mode，BCM)时，驱动装置100上的电气特性会符合恒等式：“I₁＝(I_2-peak)/2”，亦即，发光元件120上的第一电流I1，会等于电源转换电路130中的峰值电流(如：流经电感L1的第二电流I2)的一半。

举例而言，如果电源110提供的输入电压为48伏特、电感L1的电感值为40uH、发光元件120的预期工作状态为36伏特及1050毫安培、第一开关元件W1工作在100kHz及周期78％。此时，储能元件C1的跨压应为12伏特，且电源转换电路130中的峰值电流为2100毫安培。

通过电源转换电路130***作在BCM下时的特性(即，前述恒等式)，驱动装置100将能通过检测电源转换电路130的电流值，控制电源转换电路130进入第一操作状态或第二操作状态。在部分实施例中，发光元件驱动装置100的电源转换电路130中还包含控制电路131。控制电路131用以依据参考信号，输出控制信号至第一开关元件W1，以控制第一开关元件W1导通或关断。控制电路131还用以依据流经第一开关元件W1、第二开关元件W2及电感L1中至少一者的检测电流，改变第一开关元件W1导通或关闭的时间点。

举例而言，当检测电流达一预设电流值(如：2100毫安培)时，控制电路131关断第一开关元件W1，使电源转换电路130进入第二操作状态。在部分实施例中，当控制电路131控制第一开关元件W1导通时，第一开关元件W1、储能元件C1与电感L1形成充电路径P1。另一方面，当控制电路131控制第一开关元件W1关断时，导通的第二开关元件W2、电感L1及该电源110将形成放电路径P2。

请参阅图4，是本公开内容的发光元件驱动装置100的其他实施例。发光元件驱动装置100包含储能元件C1、电源110及电源转换电路130。其中储能元件C1、电感L1、电源110、发光元件120、电源转换电路130、第一开关元件W1、第二开关元件W2及控制电路131的功能均与图1所示实施例的元件类似，故于此不再赘述。相较于图1所示实施例，电源转换电路130还包含至少一检测元件(如：图4所示的R1、R2或R3)，检测元件电性连接第一开关元件W1、第二开关元件W2及电感L1中至少一者，以供一检测电流通过。第一开关元件W1依据检测电流的大小，于第一操作状态下导通、或于该第二操作状态下关断。在部分实施例中，检测元件包含电阻或比流器(current transformer，变流器)，但不以此为限。

在部分实施例中，图4所示，电源转换电路130中包含第一检测元件R1、第二检测元件R2及第三检测元件R3。第一检测元件R1与该电感L1串联，以供第二电流I2流过。第二检测元件R2与第一开关元件W1串联，以供第三电流I3流过。第三检测元件R3与第二开关元件W2串联，以供第四电流I4流过。

如前所述，若电源转换电路130的整体操作属于BCM，发光元件120上的第一电流I1，会等于电源转换电路130中的峰值电流(如：流经电感L1的第二电流I2峰值)的一半。因此，在部分实施例中，电源转换电路130通过检测流经第一开关元件W1、第二开关元件W2及电感L1中至少一者的一检测电流(如：第二电流I2、第三电流I3或第四电流I4)，再依据检测电流控制第一开关元件W1导通或关断。举例而言，若发光元件120产生理想的光强度时，所需的第一电流I1为1050毫安培，则发光元件驱动装置100可将第一电流I1的两倍(即，2100毫安培)设定为一预设电流值。在电源转换电路130检测出检测电流达到预设电流值时，控制电路131控制第一开关元件W1关断，以使电源转换电路130进入第二操作状态。

本公开内容的一目的，是稳定地维持流经发光元件120上的第一电流I1。在其他实施例中，若欲调整发光元件120的发光强度，可通过改变预设电流值的数值，使发光元件120上第一电流I1产生相应变化。请参阅图3，预设电流值改变时，电源转换电路130进入第二操作模式的时间亦将随之变化。举例而言，通过增加预设峰值电流(如：增加至2300毫安培)，充电阶段T1的时间将会延长，而发光元件120上的第一电流I1亦随之增加(即，2300毫安培的一半1150毫安培)，如此，即可精确地改变发光元件120发出的光强度，实现调光功能。

虽然本公开内容已以实施方式公开如上，然其并非用以限定本公开内容，任何本领域技术人员，在不脱离本公开内容的构思和范围内，当可作各种变动与润饰，因此本公开内容的保护范围当视后附的权利要求所界定者为准。

Claims (18)

1.一种发光元件驱动装置，包含：

一储能元件；

一电源，经由该发光元件连接至该储能元件的一正极端，用以提供电流给该发光元件，并用以对该储能元件充电；以及

一电源转换电路，电性连接该电源及该储能元件，其中该电源转换电路包含一电感；

其中在该电源转换电路的一第一操作状态下，该储能元件对该电感充电，在该电源转换电路的一第二操作状态下，该电感放电至该电源。

2.如权利要求1所述的发光元件驱动装置，该电源转换电路还包含：

一第一开关元件，电性连接该电感及该储能元件，该第一开关元件被导通时，该储能元件用以对该电感充电。

3.如权利要求2所述的发光元件驱动装置，该电源转换电路还包含：

一第二开关元件，电性连接该电感及该电源，该第二开关元件导通时，该电感用以放电至该电源。

4.如权利要求3所述的发光元件驱动装置，其中该电源转换电路还包含：

至少一检测元件，电性连接该第一开关元件、该第二开关元件及该电感中至少一者，以供一检测电流通过；

其中该第一开关元件依据该检测电流，于该第一操作状态下导通或于该第二操作状态下关断。

5.如权利要求4所述的发光元件驱动装置，其中该至少一检测元件包含电阻或比流器。

6.如权利要求4所述的发光元件驱动装置，其中该至少一检测元件包含：

一第一检测元件，与该电感串联；

一第二检测元件，与该第一开关元件串联；以及

一第三检测元件，与该第二开关元件串联。

7.如权利要求1所述的发光元件驱动装置，其中该电源包含：

一交流电压源；

一调节电路，电性连接该交流电压源，用以接收该交流电压源的一交流电压，并输出一调节电压；及

一输入电容，电性连接于该调节电路，用以接收该调节电压。

8.如权利要求3所述的发光元件驱动装置，还包含：

一控制电路，用以依据流经该第一开关元件、该第二开关元件及该电感中至少一者的一检测电流控制该第一开关元件导通或关断。

9.如权利要求1所述的发光元件驱动装置，其中，该储能元件包含电容器。

10.如权利要求3所述的发光元件驱动装置，其中，该第二开关元件包含二极管。

11.一种驱动发光元件的方法，包含：

通过一电源，提供一电流给一发光元件，且对一储能元件充电，其中该电源电性连接至该发光元件的第一端，且该储能元件的一正极端直接连接该发光元件的第二端；

在该电源持续提供该电流给该发光元件的情况下，导通一第一开关元件，使该储能元件对一电感充电；以及

关断该第一开关元件，使该电感放电至该电源。

12.如权利要求11所述的驱动发光元件的方法，其中在关断该第一开关元件后，该电感通过一第二开关元件，放电至该电源。

13.如权利要求12所述的驱动发光元件的方法，还包含：

检测流经该第一开关元件、该第二开关元件及该电感中至少一者的一检测电流；以及

依据该检测电流，控制该第一开关元件导通或关断。

14.如权利要求13所述的驱动发光元件的方法，还包含：

在该检测电流达到一预设电流值时，依据该检测电流控制该第一开关元件关断。

15.一种发光元件驱动装置，包含：

一储能元件；

一电源，经由该发光元件连接至该储能元件的一正极端，该电源用以提供电流给该发光元件，并用以对该储能元件充电；

一电感，电性连接该储能元件；

一第一开关元件，电性连接该储能元件及电感，其中在该第一开关元件导通时，该储能元件用以对该电感充电；以及

一第二开关元件，电性连接该电感及该电源，其中在该第一开关元件关断时，该电感用以通过该第二开关元件放电至该电源。

16.如权利要求15所述的发光元件驱动装置，其中，该储能元件包含电容器。

17.如权利要求15所述的发光元件驱动装置，其中，该电源包含一输入电容，该输入电容用以对该发光元件及该储能元件放电。

18.如权利要求15所述的发光元件驱动装置，还包含：

至少一检测元件，电性连接该第一开关元件、该第二开关元件及该电感中至少一者，以供一检测电流通过；

其中该第一开关元件依据该检测电流关断。