TW201822586A - 高效能線性ｌｅｄ驅動電路 - Google Patents

高效能線性ｌｅｄ驅動電路 Download PDF

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Abstract

一種高效能線性LED驅動電路，供轉換一外部電源之交流電壓形成直流之一輸出電流後輸出予至少一LED而設有一偵測單元、一控制單元及一電流單元。於該交流電壓之180度相位弦波週期中，該輸出電流之電流總量係由一第一工作段、一節能段與一第二工作段所構成，且該偵測單元偵測該交流電壓之壓值大小與該輸出電流之流值大小之其中至少一者後形成一偵測訊號，以驅使該控制單元分別調整該第一工作段、該節能段與該第二工作段之工作週期與電流值大小，又該第一工作段之電流量與該第二工作段之電流量大於該節能段之電流量。

Description

高效能線性LED驅動電路
本發明係屬於發光二極體(Light Emitting Diode,LED)電源電路之技術領域，特別是關於一種高效能線性LED驅動電路，以透過雙週期區段輸出電流的方式實現恆定的電流輸出總量而達高電路效率之功效。
自LED以其低耗電及高效能等特性襲捲照明市場後，如何控制LED燈具之照明亮度、工作效率或使用壽命等儼然成為各廠商致力研究之目標。目前，LED燈具多採用定電流架構之控制電路，其係使一LED串接一N型金氧半場效電晶體(N Type Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor,N-MOSFET)及一電流電阻，以藉該電流電阻限定流經該LED之輸出電流。該電流電阻承接該輸出電流而於兩端形成反饋予一運算放大器之一壓降值，且該運算放大器利用一基準壓值比較該壓降值後，透過由該運算放大器、該N-MOSFET及該電流電阻所接連形成之負回授電路，將使該電流電阻兩端壓降固定相等於該基準壓值而維持該輸出電流大小於一恆定狀態，以期限制THD(Total Harmonic Distortion，總諧波失真)於一限定範圍而方便產品銷售於各地市場。不過，於一外部電源之交流電壓之180度相位弦波週期中，該輸出電流之電流總量並非恆定，而是會隨該交流電壓之壓值上升而大幅增加，造成該LED的元件規格需求提升。
另外，世界各國的市電電源並不等規，甚或等規，具通常知識者皆知其交流電壓之壓值並不穩定而隨時間週期的變化有所不同，造成輸出之電流或電壓亦隨之改變，影響整體電路效率及THD值。又總體輸出 功率越大，THD越不易控制且無法穩定維持於規範內，造成產品品質不穩定而無法切入部份市場，限縮產業經濟價值。為此，習知有如圖1所示之多段驅動電路1，係設有一偵測部件10、一比較部件11、一調節部件12及一電流電阻13並使串組之該LED區分成複數個小組串，該偵測部件10檢測該等組串間之節點電壓而形成一偵測值，且該電流電阻13承接流經該LED之電流而於其兩端形成一運作壓值。該比較部件11之正輸入端承接一基準值(Vref)，於接收該偵測值時利用該基準值比較該運作壓值而驅動該調節部件12控制該輸出電流之流經範圍後次段驅動該等組串發光，使實現如圖2所示之輸出電流波形：於該交流電壓之180度相位弦波週期中，該輸出電流呈現多週期區段導通，且每一週期區段的電流值隨該交流電壓的弦波變化而變化，藉此提升電能利用率。然而，此種方式除電路架構複雜且成本高外，仍無法解決該輸出電流之電流總量隨該交流電壓的弦波變化而變化的問題，造成燈具需求高承載規格的LED元件。
有感於此，如何改良驅動電路之作動方式，以影響該輸出電流之導通周期而恆定輸出總電流量，使整體電路轉換效率達定值而提升各組件利用率，即為本發明所亟欲探究之課題。
有鑑於習知技藝之問題，本發明之目的在於提供一種高效能線性LED驅動電路，以於市電電源有所變動時，調節二段式導通之輸出電流之工作週期而達穩定總輸出電流與高效率之功效。
根據本發明之目的，該高效能線性LED驅動電路供轉換一外部電源之交流電壓形成直流之一輸出電流後輸出予至少一LED而設有一偵測單元、一控制單元及一電流單元，且該偵測單元電性連接該控制單元與該LED，該電流單元電性連接該控制單元與該LED，其特徵在於：於該交流電壓之180度相位弦波週期中，該輸出電流之電流總量係由一第一工作段、一節能段與一第二工作段所構成，且該偵測單元偵測該交流電壓之壓值大小與該輸出電流之流值大小之其中至少一者後形成一偵測訊號，以 驅使該控制單元分別調整該第一工作段、該節能段與該第二工作段之工作週期與電流值大小，且該第一工作段之電流量與該第二工作段之電流量大於該節能段之電流量。
其中，該控制單元係依據該偵測訊號分別調整該第一工作段與該第二工作段之週期時間與電流值大小，以使該外部電源之總輸入功率Pin與該高效能線性LED驅動電路之總輸出功率Pout之比值呈一定值C，即Eff=Pout/Pin=C，達定效率之效。該節能段之電流總量為百分之二十以下之該第一工作段之電流總量與該第二工作段之電流總量之和。
並且，該控制單元係設有一控制器、一參考電壓調節器、一控制比較器與一開關，該控制器電性連接該偵測單元、該參考電壓調節器與該開關，該控制比較器電性連接該參考電壓調節器、該開關與該電流單元，且該開關電性連接該電流單元。於一實施態樣中，該偵測單元係設有一偵測電阻與一偵測比較器，該偵測比較器之輸出端電性連接該控制器，該偵測電阻電性連接該偵測比較器之輸入端與該LED之陰極而偵測該LED之陰極電壓值並形成一偵測壓值，且該偵測比較器利用一參考電壓比較後形成該偵測訊號，以供該控制器依據該偵測訊號之壓值改變該開關狀態而影響該控制比較器調節該電流單元之工作週期與流經該LED之輸出電流大小，進而達定電流之功效。或者，於次一實施態樣中，該偵測單元係設有一偵測電阻與一偵測比較器，該偵測電阻串接該LED之陰極與該電流單元，且該偵測比較器之輸入端分別耦接該偵測電阻兩端而其輸出端電性連接該控制器，該偵測電阻承接流經該LED之該輸出電流後形成一壓降，以供該偵測比較器利用該壓降驅動該控制器改變該開關狀態而影響該控制比較器調節該電流單元之工作週期與流經該LED之輸出電流大小，進而達定電流之功效。又於另一實施態樣中，該偵測單元係設有一偵測電阻與一偵測比較器，該偵測比較器之輸出端電性連接該控制器，該偵測電阻電性連接該偵測比較器之輸入端與該LED之陽極而偵測該輸出電流並形成一偵測壓值，且該偵測比較器利用一參考電壓比較後形成該偵測訊號，以供該控制器依據該偵測訊號之導通時間改變該開關狀態而影響該控制比較器調節 該電流單元之工作週期與流經該LED之輸出電流大小，進而達定電流之功效。
甚或，該偵測單元係設有一偵測電阻與一偵測比較器，該控制單元設有一控制器、一控制比較器與一開關，且該偵測電阻串接該LED之陽極而承接經整流後之該交流電壓後形成一壓降，該偵測比較器之輸入端分別耦接該偵測電阻兩端，該控制器電性連接該偵測比較器之輸出端與該開關，該控制比較器電性連接該開關與該電流單元，該開關電性連接該電流單元，又該偵測比較器利用該壓降形成該偵測訊號，以供該控制器依據該偵測訊號之導通時間改變該開關狀態而影響該控制比較器調節該電流單元之工作週期。
再者，該偵測單元係設有一齊納二極體與至少一減流電阻，該控制單元具有一控制比較器，且該控制比較器之輸出端耦接該電流單元，該齊納二極體之陰極電性連接該LED之陽極而其陽極則電性連接該減流電阻與該控制比較器，該減流電阻偵測經整流後之該交流電壓而形成該偵測訊號，以供該控制比較器利用一參考電壓比較後改變該電流單元之工作週期。
又，該LED可並聯有大容值之一電容，以提升該輸出電流之電流恆定性而避免該LED出現頻閃問題。
綜上所述，本發明係透過突破性的思維，使該輸出電流於該交流電壓之180度相位弦波週期中呈現主雙波段的作動方式，且該第一工作段與該第二工作段之工作週期與電流值大小係隨該交流電壓的變動而有所變化，使該輸出電流之總電流量保持定值而達恆定輸出功率的功效時，以提升整體電路的電能轉換效率而滿足產業需求。如此，供用於110V的LED燈具可使用承載規格僅80V或90V的LED而無需使用至130V的高規格元件，使大幅少LED元件對於驅動電壓的需求，提升LED利用率並降低燈具成本。
習知技藝
1‧‧‧多段驅動電路
10‧‧‧偵測部件
11‧‧‧比較部件
12‧‧‧調節部件
13‧‧‧電流電阻
本發明
2‧‧‧高效能線性LED驅動電路
20‧‧‧偵測單元
200‧‧‧偵測電阻
201‧‧‧偵測比較器
202‧‧‧齊納二極體
203‧‧‧減流電阻
21‧‧‧控制單元
210‧‧‧控制器
211‧‧‧參考電壓調節器
212‧‧‧控制比較器
213‧‧‧開關
22‧‧‧電流單元
220‧‧‧MOSFET
221‧‧‧電流電阻
3‧‧‧LED
第1圖 係為習知技藝之多段驅動電路之電路圖。
第2圖 係為習知技藝之多段驅動電路之波形圖。
第3圖 係為本發明較佳實施例之方塊圖。
第4圖 係為本發明較佳實施例之波形圖。
第5圖 係為本發明較佳實施例之一實施態樣之電路圖。
第6圖 係為本發明較佳實施例之二實施態樣之電路圖。
第7圖 係為本發明較佳實施例之三實施態樣之電路圖。
第8圖 係為本發明較佳實施例之四實施態樣之電路圖。
第9圖 係為本發明較佳實施例之五實施態樣之電路圖。
為使 貴審查委員能清楚了解本發明之內容，謹以下列說明搭配圖式，敬請參閱。
請參閱第3、4圖，其係分別為本發明較佳實施例之方塊圖及波形圖。如圖所示，該高效能線性LED驅動電路2供轉換一外部電源之交流電壓(Vin)形成直流之一輸出電流(Iout)後輸出予至少一LED 3而設有一偵測單元20、一控制單元21及一電流單元22，且該偵測單元20電性連接該控制單元21與該LED 3，該電流單元22電性連接該控制單元21與該LED 3。並且，於該交流電壓之180度相位弦波週期中，該輸出電流之電流總量係由一第一工作段(A1)、一節能段(Aoff)與一第二工作段(A2)所構成，且該偵測單元20偵測該交流電壓之壓值大小與該輸出電流之流值大小之其中至少一者後形成一偵測訊號，以驅使該控制單元21分別調整該第一工作段、該節能段與該第二工作段之工作週期與電流值大小，使該輸出電流之電流總量維持定值而不會隨該交流電壓的弦波變化而變化。換言之，實現該外部電源之總輸入功率Pin與該高效能線性LED驅動電路2之總輸出功率Pout之比值呈一定值C，即Eff=Pout/Pin=C，達定效率之效。又，該第一工作段之電流量與該第二工作段之電流量大於該節能段之電流量， 且該第一工作段與該第二工作段之電流總量可為相同或不同，該節能段之電流總量為20%以下，甚至可為10%以下之該第一工作段之電流總量與該第二工作段之電流總量之和。當然，該節能段之電流值可呈現垂直下切減少、線性減少、曲線減少或完全無電流值的狀態。
於一實施態樣中，如圖5所示，該偵測單元20可設有一偵測電阻200與一偵測比較器201，該控制單元21則設有一控制器210、一參考電壓調節器211、一控制比較器212與一開關213，且該電流單元22可由一MOSFET 220與一電流電阻221所構成。該偵測電阻200電性連接該LED 3之陰極、該MOSFET 220與該偵測比較器201之正輸入端，該偵測比較器201之負輸入端設有一參考電壓，例如20V，而其輸出端則電性連接該控制器210之輸入端。該控制器210之輸出端電性連接該參考電壓調節器211與該開關213，且該控制比較器212之正輸入端耦接該參考電壓調節器211、負輸入端耦接該MOSFET 220與該電流電阻221而其輸出端則電性連接該開關213，又該開關213電性連接該MOSFET 220之閘極，該MOSFET 220串接該LED 3與該電流電阻221。該偵測電阻200偵測該LED 3之陰極電壓值而形成一偵測壓值，供該偵測比較器201利用該參考電壓比較後形成該偵測訊號，且該控制器210依據該偵測訊號之壓值改變該開關213狀態而影響該控制比較器212調節該MOSFET 220工作週期之作動時間與流經該LED 3之輸出電流大小，以透過Ton*Iout_peak=C的機制達定電流之功效而進一步提升整體電路之轉換效率，其中，Ton為該輸出電流流經該LED 3的時間、Iout_peak為該電流電阻221承接該輸出電流所形成之壓值。
承上所述，於如圖6之二實施態樣所示中，該偵測電阻200亦可串接於該LED 3之陰極與該MOSFET 220兩者間，且該偵測比較器201之正負輸入端分別耦接於該偵測電阻201兩端，該偵測電阻200承接流經該LED 3之該輸出電流後形成一壓降，以供該偵測比較器201利用該壓降驅動該控制器210改變該開關213狀態而影響該控制比較器212調節該MOSFET 220工作週期之作動時間與流經該LED 3之輸出電流大小。
又或，於如圖7所示之三實施態樣中，該偵測單元20亦可 設有該偵測電阻200與該偵測比較器201，唯，該偵測電阻200電性連接該偵測比較器201之正輸入端並耦接該LED 3之陽極而直接偵測經整流後之該交流電壓後形成該偵測壓值，且該偵測比較器201利用該參考電壓比較形成該偵測訊號，以供該控制器210依該偵測訊號之導通時間改變該開關213狀態而影響該控制比較器212調節該MOSFET 220工作週期之作動時間與流經該LED 3之輸出電流大小，以達定電流之功效。順帶一提的是，該控制器亦可依據該偵測訊號之壓值或依據該偵測訊號之導通時間，驅動該參考電壓調節器211調節其提供予該控制比較器212的參考電壓，以進而影響調節該MOSFET工作週期之作動時間與流經該LED 3之輸出電流大小。
如圖8之四實施態樣所示，該偵測單元20設有該偵測電阻200與該偵測比較器201，而該控制單元21則設有該控制器210、該控制比較器212與該開關213。該偵測電阻200串接於該LED 3之陽極前而承接未流經該LED 3之該輸入電流後於兩端形成該壓降。該偵測比較器201之正負輸入端分別耦接該偵測電阻200兩端，而其輸出端則電性連接該控制器210之輸入端。該控制器210之輸出端電性連接該開關213，且該控制比較器212之正輸入端設有該參考電壓、負輸入端耦接該MOSFET 220與該電流電阻221而其輸出端則電性連接該開關213，又該開關213電性連接該MOSFET 220之閘極。該偵測比較器201判斷該壓降後形成該偵測訊號，使該控制器210依據該偵測訊號之導通時間長短改變該開關213狀態而影響該控制比較器212調節該MOSFET 220工作週期之作動時間。換言之，此四實施態樣與前一~三等實施態樣的差異在於，四實施態樣之電路中未設置該參考電壓調節器211，雖依然實現高效率之功效，卻無法實現定電流之功效，由此可知，此等四實施態樣皆可透過該參考電壓調節器211的採用同時達高效率與定電流之雙功效，或捨棄不用而僅實現高效率之單功效。
另外，雖然上述各實施態樣的定電流電路所達成的效率改善成果極佳，不過，本發明亦可由圖9所示之實施態樣實現。該偵測單元20設有一齊納二極體(Zener Diode)202與至少一減流電阻203，該控制單元 212則具有該控制比較器212，且該控制比較器212之輸出端耦接該MOSFET 220之閘極，該齊納二極體202之陰極電性連接該LED 3之陽極而其陽極則電性連接該減流電阻202與該控制比較器212之負輸入端。該減流電阻200偵測整流後之該交流電壓形成該偵測訊號，且於整流後之該交流電壓之壓值超過該該齊納二極體202設定之壓值時，該減流電阻203將破壞原建立之負回授電流機制，亦即，該控制比較器212比較該參考電與該偵測訊號後關閉該MOSFET 220，直至整流後之該交流電壓之壓值小於該齊納二極體202設定之壓值時方恢復該MOSFET 220之作動。
由此可知，本發明係透過偵測輸入之該交流電壓與輸出之該輸出電流之其中至少一者後，當該交流電壓之輸入壓值上升至一定程度，例如該參考電壓時，降低或關閉該輸出電流，且於該交流電壓降低至一定程度時再次恢復輸出的機制，實現效率的改善。當中，係採用偵測電壓：於該交流電壓之輸入壓值或該LED 3承載之壓值達設定值，或計算時間：於每一工作週期內計算一定時間的機制執行關閉或減少該輸出電流的動作。另外，該電流單元22主要係為實現穩定該輸出電流之功效，因此除前等實施態樣中所述之電路架構與組件外，亦可採用電流鏡為基本架構，或該MOSFET 220為BJT(Bipolar junction transistor，雙極性接面型電晶體)等。
以上所述僅為舉例性之較佳實施例，而非為限制性者。任何未脫離本發明之精神與範疇，而對其進行之等效修改或變更，均應包含於後附之申請專利範圍中。

Claims (10)

  1. 一種高效能線性LED驅動電路，係供轉換一外部電源之交流電壓形成直流之一輸出電流後輸出予至少一LED而設有一偵測單元、一控制單元及一電流單元，且該偵測單元電性連接該控制單元與該LED，該電流單元電性連接該控制單元與該LED，其特徵在於：於該交流電壓之180度相位弦波週期中，該輸出電流之電流總量係由一第一工作段、一節能段與一第二工作段所構成，且該偵測單元偵測該交流電壓之壓值大小與該輸出電流之流值大小之其中至少一者後形成一偵測訊號，以驅使該控制單元分別調整該第一工作段、該節能段與該第二工作段之工作週期與電流值大小，且該第一工作段之電流量與該第二工作段之電流量大於該節能段之電流量。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之高效能線性LED驅動電路，其中該控制單元係依據該偵測訊號分別調整該第一工作段與該第二工作段之週期時間與電流值大小，以使該外部電源之總輸入功率P in與該高效能線性LED驅動電路之總輸出功率P out之比值呈一定值C，即E ff=P out/P in=C，達定效率之效。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之高效能線性LED驅動電路，其中該節能段之電流總量為百分之二十以下之該第一工作段之電流總量與該第二工作段之電流總量之和。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之高效能線性LED驅動電路，其中該控制單元係設有一控制器、一參考電壓調節器、一控制比較器與一開關，該控制器電性連接該偵測單元、該參考電壓調節器與該開關，該控制比較器電性連接該參考電壓調節器、該開關與該電流單元，且該開關電性連接該電流單元。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之高效能線性LED驅動電路，其中該偵測單元係設有一偵測電阻與一偵測比較器，該偵測比較器之輸出端電性連接該控制器，該偵測電阻電性連接該偵測比較器之輸入端與該LED之 陰極而偵測該LED之陰極電壓值並形成一偵測壓值，且該偵測比較器利用一參考電壓比較後形成該偵測訊號，以供該控制器依據該偵測訊號之壓值改變該開關狀態而影響該控制比較器調節該電流單元之工作週期與流經該LED之輸出電流大小，進而達定電流之功效。
  6. 如申請專利範圍第4項所述之高效能線性LED驅動電路，其中該偵測單元係設有一偵測電阻與一偵測比較器，該偵測電阻串接該LED之陰極與該電流單元，且該偵測比較器之輸入端分別耦接該偵測電阻兩端而其輸出端電性連接該控制器，該偵測電阻承接流經該LED之該輸出電流後形成一壓降，以供該偵測比較器利用該壓降驅動該控制器改變該開關狀態而影響該控制比較器調節該電流單元之工作週期與流經該LED之輸出電流大小，進而達定電流之功效。
  7. 如申請專利範圍第4項所述之高效能線性LED驅動電路，其中該偵測單元係設有一偵測電阻與一偵測比較器，該偵測比較器之輸出端電性連接該控制器，該偵測電阻電性連接該偵測比較器之輸入端與該LED之陽極而偵測經整流後之該交流電壓並形成一偵測壓值，且該偵測比較器利用一參考電壓比較後形成該偵測訊號，以供該控制器依據該偵測訊號之導通時間改變該開關狀態而影響該控制比較器調節該電流單元之工作週期與流經該LED之輸出電流大小，進而達定電流之功效。
  8. 如申請專利範圍第3項所述之高效能線性LED驅動電路，其中該偵測單元係設有一偵測電阻與一偵測比較器，該控制單元設有一控制器、一控制比較器與一開關，且該偵測電阻串接該LED之陽極而承接經整流後之該交流電壓後形成一壓降，該偵測比較器之輸入端分別耦接該偵測電阻兩端，該控制器電性連接該偵測比較器之輸出端與該開關，該控制比較器電性連接該開關與該電流單元，該開關電性連接該電流單元，又該偵測比較器利用該壓降形成該偵測訊號，以供該控制器依據該偵測訊號之導通時間改變該開關狀態而影響該控制比較器調節該電流單元之工作週期。
  9. 如申請專利範圍第3項所述之高效能線性LED驅動電路，其中該偵測 單元係設有一齊納二極體與至少一減流電阻，該控制單元具有一控制比較器，且該控制比較器之輸出端耦接該電流單元，該齊納二極體之陰極電性連接該LED之陽極而其陽極則電性連接該減流電阻與該控制比較器，該減流電阻偵測經整流後之該交流電壓而形成該偵測訊號，以供該控制比較器利用一參考電壓比較後改變該電流單元之工作週期。
  10. 如申請專利範圍第5至9項中任一項所述之高效能線性LED驅動電路，其中該LED係並聯有大容值之一電容，以提升該輸出電流之電流恆定性而避免該LED出現頻閃問題。
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