TWI426823B - 發光二極體串端電壓控制電路以及發光二極體照明裝置 - Google Patents

發光二極體串端電壓控制電路以及發光二極體照明裝置 Download PDF

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Description

發光二極體串端電壓控制電路以及發光二極體照明裝置
本發明是有關於發光二極體控制技術領域，且特別是有關於一種發光二極體串端電壓控制電路以及發光二極體照明裝置。
發光二極體為特殊材質製成的的p-n二極體，在正向偏壓下，電子在接合面流動時會在再結合而消滅的過程中發光，為電致發光效應的一種。發光二極體會因為二極晶圓製造過程中所添加的金屬元素不同，化學成分比例不同而發出不同波長的光。初期的發光二極體只能發出藍綠黃紅四種顏色，應用於指示燈、顯示板等；隨著白光發光二極體的出現，也被應用於照明。發光二極體具有能量轉換效率高、反應速度快、元件壽命長、體積小、易於聚焦與耗電量低等優點。
實際應用過程中，由於每顆發光二極體之負載特性不同，造成在相同電壓下會有不同之電流，因此產生不同的亮度，於是使用數顆發光二極體串聯架構以確保同一串的發光二極體皆具有相同之電流以及相同之亮度。先前技術中藉由脈寬調變控制器(PWM IC)擷取接收輸入電壓VIN 的電源轉換器(Power Converter)之輸出電壓VO 值來控制電源轉換器的輸出電流之技術方案，其電路架構如圖1所示。
隨著發光二極體之應用不同，例如液晶電視或照明中，對於發光二極體的需求數量增加，因此必須使用多個發光二極體串；由於每個發光二極體串間的誤差值，使得流過每個發光二極體串的電流值並非相同，因此影響發光二極體輸出亮度之均 勻度，圖2所示電路中為了使流過每個發光二極體串的電流值相同，在電路中有增設電流調整電路(如圖2中虛線框所示)，藉由控制開關S1 、S2 及S3 動作來調整各個發光二極體串的低電位端電壓，讓流過每個發光二極體串的電流值相同；然而，由於開關S1 、S2 及S3 處於導通狀態係呈電阻性狀態，因此無法降低每個發光二極體串及電阻間誤差值，使得每個發光二極體串仍處於輸入電流不平衡情況，讓輸入電流無法較精確均流，並影響發光二極體輸出亮度之均勻度。電流調整電路處於電阻性狀態，能量損失較大。
因此，本發明的目的之一是提供一種發光二極體串端電壓控制電路，以克服先前技術存在的技術缺陷。
本發明的再一目的是提供一種發光二極體照明裝置。
具體地，本發明實施例提出的一種發光二極體串端電壓控制電路適用於電性耦接於高電位端與低電位端之間的發光二極體串。本實施例中，發光二極體串端電壓控制電路包括電容、電感、二極體、開關以及偵測電路。其中，電容具有第一端與第二端，電容的第一端電性耦接於低電位端，電容的第二端電性耦接於預設電位；電感具有第一端與第二端，電感的第一端電性耦接於低電位端；二極體具有正端與負端，二極體的正端電性耦接至電感的第二端，二極體的負端電性耦接至高電位端；開關具有第一端與第二端，開關的第一端電性耦接至電感的第二端，開關的第二端電性耦接至預設電位；偵測電路偵測低電位端的電位，並在低電位端的電位高於參考電位時控制導通開關，在低電位端的電位低於參考電位時控制不導通開 關。
在本發明的實施例中，上述之偵測電路可包括低通濾波器、比較器以及控制單元；其中，低通濾波器電性耦接至低電位端以取得低電位端的電位，並將所取得的低電位端的電位通過低通濾波器而得穩定電位；比較器比較穩定電位與參考電位以產生相對應的電位差異訊號；控制單元根據電位差異訊號而產生相對應的控制訊號以控制開關是否導通。
本發明實施例提出的一種發光二極體照明裝置，包括多個發光二極體串以及多個發光二極體串端電壓控制電路；每一發光二極體串分別電性耦接於高電位端與低電位端之間，每一發光二極體串端電壓控制電路電性耦接至上述發光二極體串中之對應者所電性耦接的低電位端；任一發光二極體串端電壓控制電路包括電容、電感、二極體、開關以及偵測電路。電容具有第一端與第二端，電容的第一端電性耦接於對應的發光二極體串所電性耦接的低電位端，電容的第二端電性耦接於預設電位；電感具有第一端與第二端，電感的第一端電性耦接於對應的發光二極體串所電性耦接的低電位端；二極體具有正端與負端，二極體的正端電性耦接至電感的第二端，二極體的負端電性耦接至對應的發光二極體串所電性耦接的高電位端；開關具有第一端與第二端，開關的第一端電性耦接至電感的第二端，開關的第二端電性耦接至預設電位；偵測電路偵測對應的發光二極體串所電性耦接的低電位端的電位，並在對應的發光二極體串所電性耦接的低電位端的電位高於參考電位時控制導通開關，在對應的發光二極體串所電性耦接的低電位端的電位低於參考電位時控制不導通開關。
在本發明的實施例中，上述之發光二極體照明裝置中發光 二極體串所電性耦接的高電位端係可具有同一電位。
在本發明的實施例中，上述之發光二極體串所電性耦接的高電位端係可具有同一電位且相電性導通。
在本發明的實施例中，上述之偵測電路可包括低通濾波器、比較器以及控制單元；低通濾波器電性耦接至對應的發光二極體串所電性耦接的低電位端，並將所取得的電位通過低通濾波器而得穩定電位；比較器比較穩定電位與參考電位以產生相對應的電位差異訊號；控制單元根據電位差異訊號而產生相對應的控制訊號以控制開關是否導通。
在本發明的實施例中，上述之每一發光二極體串所對應的參考電位係可設置為彼此不同，且參考電位之選定使流過每一發光二極體串的電流為相同值。
本發明實施例藉由對發光二極體串端電壓控制電路的架構進行新穎設計，透過偵測控制端電壓來使流過發光二極體串的電流趨於相同，故可有效改善發光二極體輸入電流不平衡之現象且解決發光二極體亮度不均勻的問題。此外，因使用電容與電感之儲能和釋能特性並搭配開關控制，讓能量循環利用，使流過每串發光二極體的電流達精確均流效果，並而改善能量損失。
為讓本發明之上述和其他目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。
請參閱圖3，其繪示採用本發明實施例的發光二極體串端電壓控制電路的發光二極體電路。如圖3所示，發光二極體串10電性耦接於高電位端P1與低電位端P2之間，電源轉換器 11接收輸入電壓VIN 進行電壓轉換以提供輸出電壓VO 至發光二極體串10的高電位端P1，脈寬調變控制器13電性耦接至高電位端P1以獲取輸出電壓VO 的大小並根據所獲取的輸出電壓VO 的大小控制電源轉換器11來對輸出電壓VO 進行適當調節。
承上述，發光二極體串端電壓控制電路15電性耦接至低電位端P2以對低電位端P2的電壓進行偵測控制，藉此控制流過發光二極體串10的電流值以控制發光二極體輸出亮度。於本實施例中，發光二極體串端電壓控制電路15包括電容C、電感L、二極體D、開關SW以及偵測電路150。電容C的一端電性耦接至低電位端P2，電容C的另一端電性耦接至預設電位(例如接地電位VSS)；電感L的一端電性耦接至低電位端P2；二極體D的正端電性耦接至電感L的另一端，二極體D的負端電性耦接至高電位端P1；開關SW的一端電性耦接至電感L的另一端，開關SW的另一端電性耦接至接地電位VSS。偵測電路150可包括低通濾波器151、比較器CMP以及控制單元153，但本發明並不以此為限，只要其能達成適時控制開關SW的導通/不導通動作即可。低通濾波器151電性耦接至低電位端P2以取得低電位端P2處的電位(亦即電容電壓VC )並將所取得的低電位端P2的電位VC 通過低通濾波器151而得穩定電位，比較器CMP比較穩定電位與參考電位Vref 以產生相對應的電位差異訊號，控制單元153根據電位差異訊號而產生相對應的控制訊號以適時控制開關SW切換(亦即控制開關SW的責任週期)，讓流過發光二極體串10的電流值經由開關SW切換能適時作調整，使流過發光二極體串10的電流值維持均流狀態，並讓發光二極體輸出亮度維持相同。
下面將結合圖4A及圖4B詳細說明本發明實施例的開關SW切換的控制過程。如圖4A所示，當電容電壓VC 變大時，發光二極體串10的高電位端P1與低電位端P2之間的電壓值相對應地變小，且流過發光二極體串10的電流值變小，當偵測電路150偵測到電容電壓VC 高於參考電位Vref 則會控制開關SW為導通狀態，讓電流由短路路徑至地，而使二極體D呈現不導通狀態，因此電源轉換器11的輸出電流及電容C釋能對電感L進行儲能動作至電感電壓VL 。如圖4B所示，當電容電壓VC 變小時，發光二極體串10的高電位端P1與低電位端P2之間的電壓值相對應地變大，且流過發光二極體串10的電流值變大，當偵測電路150偵測到電容電壓VC 低於參考電位Vref 則會控制開關SW為不導通狀態，而電感L進行釋能動作，使得二極體D呈現導通狀態，因此電源轉換器11的輸出電流及電感L釋能對電容C進行儲能動作。
簡而言之，本發明實施例提出的發光二極體串端電壓控制電路15藉由偵測電容電壓VC ，適時控制開關SW的導通/不導通動作，讓流過發光二極體串10的電流值維持均流狀態，並維持發光二極體輸出亮度相同。線路上利用電容C與電感L之儲能和釋能特性，讓控制電路15上的能量循環再利用，故可有效降低整控制電路15上的能量損失。
圖5A示出在輸入電壓VIN =64.5V，發光二極體串的正向偏壓Vf =59.4V，電容C=20μF，電感L=13.6μH且開關SW的切換頻率為200KHz的條件下發光二極體串輸入電流及電容電壓VC 與開關SW的責任週期(Duty)的關係曲線實驗結果，從圖5A可以得知：發光二極體串輸入電流會隨著電容電壓VC 的上升而下降，電容電壓VC 會隨著開關SW的責任週期下降 而增加，所以控制開關SW的責任週期可以控制發光二極體串輸入電流。
圖5B示出將圖5A中的正向偏壓Vf 變更為57V而其他條件不變時發光二極體串輸入電流及電容電壓VC 與開關SW的責任週期(Duty)的關係曲線實驗結果，從圖5B可以得知：控制開關SW的責任週期亦可以控制發光二極體串輸入電流。
圖5C示出將圖5A中的輸入電壓VIN 變更為68V而其他條件不變時發光二極體串輸入電流及電容電壓VC 與開關SW的責任週期(Duty)的關係曲線實驗結果，從圖5C可以得知：控制開關SW的責任週期亦可以控制發光二極體串輸入電流。
從圖5A至圖5C所示的關係曲線實驗結果可以得出結論：不論輸入電壓VIN 或正向偏壓Vf 改變皆能藉由發光二極體串端電壓控制電路15改變開關SW的責任週期來控制發光二極體串輸入電流。
請參閱圖6，其繪示相關本發明實施例的發光二極體照明裝置的電路架構示意圖。如圖6所示，發光二極體照明裝置100包括電源轉換器11、脈寬調變控制器13、多個發光二極體串10a、10b及10c、以及多個發光二極體串端電壓控制電路15a、15b及15c；電源轉換器11接收輸入電壓VIN 進行電壓轉換以提供輸出電壓VO 至發光二極體串10a、10b及10c的高電位端，脈寬調變控制器13電性耦接至高電位端以獲取輸出電壓VO 的大小並根據所獲取的輸出電壓VO 的大小控制電源轉換器11來對輸出電壓VO 進行適當調節。本實施例僅示出三個發光二極體串以及相對應的三個發光二極體串端電壓控制電路作為舉例，並非用來限制本發明，任何熟習此技藝者可根據實際應用的需要適當增加或減少發光二極體串的數量以及 相對應的發光二極體串端電壓控制電路的數量。
承上述，發光二極體串10a、10b及10c的高電位端接收電源轉換器11提供的輸出電壓VO ，而發光二極體串端電壓控制電路15a、15b及15c分別電性耦接至相對應的發光二極體串10a、10b及10c的低電位端。發光二極體串端電壓控制電路15a包括電容C1 、電感L1 、二極體D1 、開關SW1 及偵測電路150a，且偵測電路150a可包括低通濾波器151a、比較器CMP與控制單元153a；類似地，發光二極體串端電壓控制電路15b包括電容C2 、電感L2 、二極體D2 、開關SW2 及偵測電路150b，且偵測電路150b可包括低通濾波器151b、比較器CMP與控制單元153b；發光二極體串端電壓控制電路15c包括電容C3 、電感L3 、二極體D3 、開關SW3 及偵測電路150c，且偵測電路150c可包括低通濾波器151c、比較器CMP與控制單元153c。本實施例中各個發光二極體串端電壓控制電路15a、15b及15c中的電路元件之電連接關係與圖3所示的發光二極體串端電壓控制電路15中的電路元件之電連接關係相同，故在此不再贅述。
需要說明的是，實際應用時，由於多個發光二極體串10a、10b及10c之負載特性不同，為使流過各個發光二極體串10a、10b及10c的電流趨於相同，在各個發光二極體串10a、10b及10c的高電位端皆連接至同一電位VO 且相電性導通的情形下，各個比較器CMP所採用的參考電位Vref1 、Vref2 及Vref3 通常需設置為彼此不同。當然，各個發光二極體串10a、10b及10c的高電位端亦可分別接收不同的輸入電壓，及/或各個發光二極體串10a、10b及10c的高電位端可設置為相互獨立。
此外，對於圖6所示的發光二極體照明裝置100的操作過 程可概述為：當流過發光二極體串10a、10b及10c的電流不相同時，各個偵測電路150a、150b及150c分別偵測相對應的電容C1 、C2 及C3 上的電壓並與參考電位Vref1 、Vref2 及Vref3 分別進行比較，再根據比較結果適時控制開關SW1 、SW2 及SW3 的導通/不導通動作，並有效搭配電容C1 、C2 及C3 與電感L1 、L2 及L3 之儲能和釋能特性，讓流過每個發光二極體串10a、10b及10c的電流達精確均流效果，並改善發光二極體串端電壓控制電路15a、15b及15c上的能量損失，讓控制電路15a、15b及15c上的能量循環再利用，並維持每個發光二極體串10a、10b及10c的輸出亮度相同。
綜上所述，本發明實施例藉由對發光二極體串端電壓控制電路的架構進行新穎設計，透過偵測控制端電壓來使流過發光二極體串的電流趨於相同，故可有效改善發光二極體輸入電流不平衡之現象且解決發光二極體亮度不均勻的問題。此外，因使用電容與電感之儲能和釋能特性並搭配開關控制，讓能量循環利用，使流過每串發光二極體的電流達精確均流效果，並而改善能量損失。
雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
S1 、S2 、S3 ‧‧‧開關
10、10a、10b、10c‧‧‧發光二極體串
100‧‧‧發光二極體照明裝置
11‧‧‧電源轉換器
13‧‧‧脈寬調變控制器
VIN ‧‧‧輸入電壓
VO ‧‧‧輸出電壓
15、15a、15b、15c‧‧‧發光二極體串端電壓控制電路
150、150a、150b、150c‧‧‧偵測電路
151、151a、151b、151c‧‧‧低通濾波器
153、153a、153b、153c‧‧‧控制單元
CMP‧‧‧比較器
Vref 、Vref1 、Vref2 、Vref3 ‧‧‧參考電位
P1‧‧‧高電位端
P2‧‧‧低電位端
C、C1 、C2 、C3 ‧‧‧電容
VC‧‧‧電容電壓
VL‧‧‧電感電壓
L、L1 、L2 、L3 ‧‧‧電感
D、D1 、D2 、D3 ‧‧‧二極體
SW、SW1 、SW2 、SW3 ‧‧‧開關
VSS‧‧‧接地電位
圖1繪示出先前技術的一種發光二極體電路的電路架構示意圖。
圖2繪示出先前技術的一種發光二極體照明裝置的電路 架構示意圖。
圖3繪示採用本發明實施例的發光二極體串端電壓控制電路的發光二極體電路。
圖4A及圖4B繪示出圖3中的開關切換的控制過程。
圖5A、5B及5C分別繪示出不同條件下發光二極體串輸入電流及電容電壓與開關的責任週期的關係曲線實驗結果。
圖6繪示出本發明實施例的發光二極體照明裝置的電路架構示意圖。
10‧‧‧發光二極體串
11‧‧‧電源轉換器
13‧‧‧脈寬調變控制器
VIN ‧‧‧輸入電壓
VO ‧‧‧輸出電壓
15‧‧‧發光二極體串端電壓控制電路
150‧‧‧偵測電路
151‧‧‧低通濾波器
153‧‧‧控制單元
CMP‧‧‧比較器
Vref ‧‧‧參考電位
P1‧‧‧高電位端
P2‧‧‧低電位端
C‧‧‧電容
VC ‧‧‧電容電壓
L‧‧‧電感
D‧‧‧二極體
SW‧‧‧開關
VSS‧‧‧接地電位

Claims (9)

  1. 一種發光二極體串端電壓控制電路，適用於電性耦接於一高電位端與一低電位端之間的一發光二極體串，該發光二極體串端電壓控制電路包括：一電容，具有第一端與第二端，該電容的第一端電性耦接於該低電位端，該電容的第二端電性耦接於一預設電位；一電感，具有第一端與第二端，該電感的第一端電性耦接於該低電位端；一二極體，具有正端與負端，該二極體的正端電性耦接至該電感的第二端，該二極體的負端電性耦接至該高電位端；一開關，具有第一端與第二端，該開關的第一端電性耦接至該電感的第二端，該開關的第二端電性耦接至該預設電位；以及一偵測電路，偵測該低電位端的電位，並在該低電位端的電位高於一參考電位時控制導通該開關，在該低電位端的電位低於該參考電位時控制不導通該開關。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的二極體串端電壓控制電路，其中該偵測電路包括：一低通濾波器，電性耦接至該低電位端以取得該低電位端的電位，並將所取得的該低電位端的電位通過該低通濾波器而得一穩定電位；一比較器，比較該穩定電位與該參考電位以產生相對應的一電位差異訊號；以及一控制單元，根據該電位差異訊號而產生相對應的一控制訊號以控制該開關是否導通。
  3. 一種發光二極體照明裝置，包括：多個發光二極體串，每一該些發光二極體串分別電性耦接於一高電位端與一低電位端之間；以及多個發光二極體串端電壓控制電路，每一該些發光二極體串端電壓控制電路電性耦接至該些發光二極體串中之對應的一者所電性耦接的該低電位端，任一該些發光二極體串端電壓控制電路包括：一電容，具有第一端與第二端，該電容的第一端電性耦接於對應的該發光二極體串所電性耦接的該低電位端，該電容的第二端電性耦接於一預設電位；一電感，具有第一端與第二端，該電感的第一端電性耦接於對應的該發光二極體串所電性耦接的該低電位端；一二極體，具有正端與負端，該二極體的正端電性耦接至該電感的第二端，該二極體的負端電性耦接至對應的該發光二極體串所電性耦接的該高電位端；一開關，具有第一端與第二端，該開關的第一端電性耦接至該電感的第二端，該開關的第二端電性耦接至該預設電位；以及一偵測電路，偵測對應的該發光二極體串所電性耦接的該低電位端的電位，並在對應的該發光二極體串所電性耦接的該低電位端的電位高於一參考電位時控制導通該開關，在對應的該發光二極體串所電性耦接的該低電位端的電位低於該參考電位時控制不導通該開關。
  4. 如申請專利範圍第3項所述的發光二極體照明裝置，其中該些發光二極體串所電性耦接的該些高電位端具備同一電位。
  5. 如申請專利範圍第3項所述的發光二極體照明裝置，其中該些發光二極體串所電性耦接的該些高電位端具備同一電位且相電性導通。
  6. 如申請專利範圍第3項所述的發光二極體照明裝置，其中該偵測電路包括：一低通濾波器，電性耦接至對應的該發光二極體串所電性耦接的該低電位端，並將所取得的電位通過該低通濾波器而得一穩定電位；一比較器，比較該穩定電位與該參考電位以產生相對應的一電位差異訊號；以及一控制單元，根據該電位差異訊號而產生相對應的一控制訊號以控制該開關是否導通。
  7. 如申請專利範圍第6項所述的發光二極體照明裝置，其中該些發光二極體串所電性耦接的該些高電位端具備同一電位。
  8. 如申請專利範圍第6項所述的發光二極體照明裝置，其中該些發光二極體串所電性耦接的該些高電位端具備同一電位且相電性導通。
  9. 如申請專利範圍第3項所述的發光二極體照明裝置，其中每一該些發光二極體串所對應的該參考電位彼此不同，且該參考電位之選定使流過每一該些發光二極體串的電流為相同值。
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