TWI435654B - 雙端電流控制器及相關發光二極體照明裝置 - Google Patents

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Description

雙端電流控制器及相關發光二極體照明裝置
本發明相關於一種雙端電流控制器及相關發光二極體照明裝置，尤指一種可提高功率因素之雙端電流控制器及相關發光二極體照明裝置。
相較於傳統的白熾燈泡，發光二極體(light emitting diode,LED)具有耗電量低、元件壽命長、體積小、無須暖燈時間和反應速度快等優點，並可配合應用需求而製成極小或陣列式的元件。除了戶外顯示器、交通號誌燈之外、各種消費性電子產品，例如行動電話、筆記型電腦或電視的液晶顯示螢幕背光源之外，發光二極體亦廣泛地被應用於各種室內室外照明裝置，以取代日光燈管或白熾燈泡等。
請參考第1圖，第1圖為一發光二極體之電壓-電流特性圖。當發光二極體之順向偏壓(forward-bias voltage)小於其隔離電壓(barrier voltage)Vb時，流經發光二極體之電流極小，此時可視為開路；當發光二極體之順向偏壓大於其隔離電壓Vb時，流經發光二極體之電流會隨著其順向偏壓呈指數型的增加，此時可視為短路。隔離電壓Vb之值相關於發光二極體之材料和摻雜濃度，通常介於1.5和3.5伏特之間。由於針對大多數的電流值，發光二極體之亮度和電流呈正比，因此一般會使用電流源來驅動發光二極體，讓不同的發光二極體皆能達到一致的發光亮度。
請參考第2圖，第2圖為先前技術中一發光二極體照明裝置600的示意圖。發光二極體照明裝置600包含一電源供應電路110、一電阻R，和一發光裝置10。電源供應電路110可接收一具正負週期之交流電壓VS，並利用一橋式整流器112來轉換交流電壓VS在負週期內之輸出電壓，因此可提供一整流交流電壓VAC 以驅動發光裝置10。電阻R串聯於發光裝置10，用來限定流經發光裝置10之電流ILED 。在照明應用中，往往需要使用許多發光二極體來提供足夠光源，由於發光二極體係為一電流驅動元件，其發光亮度與驅動電流之大小成正比，為了達到高亮度和亮度均勻的要求，發光裝置10一般會包含複數個串接之發光二極體D1 ～Dn 。假設發光二極體D1 ～Dn 之隔離電壓皆為理想值Vb，而整流交流電壓VAC 之值隨著時間而在0和VMAX 之間呈週期性變化，則開啟發光裝置10所需之驅動電壓其值需大於n*Vb，亦即0<VAC <n*Vb間的能量並無法利用。串聯發光二極體的數量越多，導通發光裝置10所需的順向偏壓越高，若發光二極體數量太少，則會使得發光二極體在VAC =VMAX 時驅動電流過大，進而影響發光二極體的可靠度。因此，先前技術之發光二極體照明裝置600僅能在可操作電壓範圍與發光二極體可靠度之間作一取捨。另一方面，具限流作用之電阻R亦會消耗額外能量，進而降低系統效率。
請參考第3圖，第3圖為先前技術中另一發光二極體照明裝置700的示意圖。發光二極體照明裝置700包含一電源供應電路110、一電感L、一電容C、一開關SW，和一發光裝置10。電源供應電路110可接收一具正負週期之交流電壓VS，並利用一橋式整流器112來轉換交流電壓VS在負週期內之輸出電壓，因此可提供一整流交流電壓VAC 以驅動發光裝置10。電感L和開關SW串聯於發光裝置10，用來限定流經發光裝置10之電流ILED 。電容C並聯於發光裝置10，用來吸收電源供應電路110之電壓漣波(voltage ripple)。相較於發光二極體照明裝置600之電阻R，電感L在限流時消耗的能量較少，但具限流作用之電感L和具穩壓作用之電容C會大幅降低發光二極體照明裝置700之功率因素(power factor)，讓能量利用率變低。同時，在照明應用中，先前技術之發光二極體照明裝置700僅能在可操作電壓範圍與亮度之間作一取捨。
本發明提供一種發光二極體照明裝置，其包含一發光元件和一雙端電流控制器。該發光元件依據一第一電流來提供光源。該雙端電流控制器並聯於該發光元件，用來依據該發光元件之跨壓來調節該第一電流，其中在一整流交流電壓之一上升週期內當該發光元件之跨壓不大於一第一電壓時，該雙端電流控制器係在一第一模式下運作；在該上升週期內當該發光元件之跨壓大於該第一電壓且不大於一第二電壓時，該雙端電流控制器係在一第二模式下運作；且在該上升週期內當該發光元件之跨壓大於該第二電壓時，該雙端電流控制器係在一第三模式下運作。該雙端電流控制器係包含一限流單元和一調整單元。當該雙端電流控制器在該第一模式下運作時，該限流單元導通相關於該整流交流電壓之一第二電流並依據該發光元件之跨壓來調整該第二電流之值，且將該第一電流限定至零；當該雙端電流控制器在該第二模式下運作時，該限流單元導通該第二電流並將該第二電流之值固定在大於零之一預定值，且將該第一電流限定至零；當該雙端電流控制器在該第三模式下運作時，該限流單元呈關閉；而該調整單元用來調整該預定值和該第二電壓之值。
本發明另提供一種雙端電流控制器，用來控制流經一負載之一第一電流，其中在一整流交流電壓之一上升週期內當該負載之跨壓不大於一第一電壓時，該雙端電流控制器係在一第一模式下運作；在該上升週期內當該負載之跨壓大於該第一電壓且不大於一第二電壓時，該雙端電流控制器係在一第二模式下運作；而在該上升週期內當該負載之跨壓大於該第二電壓時，該雙端電流控制器係在一第三模式下運作。該雙端電流控制器係包含一限流單元和一調整單元：當該雙端電流控制器在該第一模式下運作時，該限流單元導通相關於該整流交流電壓之一第二電流，進而將該第一電流限定至零，並依據該負載之跨壓來調整該第二電流之值；當該雙端電流控制器在該第二模式下運作時，該限流單元導通以將該第二電流之值固定在大於零之一預定值，並將該第一電流限定至零；而當該雙端電流控制器在該第三模式下運作時，該限流單元呈關閉；而該調整單元用來調整該預定值和該第二電壓之值。
請參考第4圖，第4圖為本發明第一實施例中一發光二極體照明裝置100示意圖。發光二極體照明裝置100包含一電源供應電路110、一雙端電流控制器120，和一發光裝置10。電源供應電路110可接收一具正負週期之交流電壓VS，並利用一橋式整流器112來轉換交流電壓VS在負週期內之輸出電壓，因此可提供一整流交流電壓VAC 以驅動發光裝置10，其中整流交流電壓VAC 之值隨著時間而有週期性變化。發光裝置10可包含n個串接之發光單元D1 ～Dn ，每一發光單元可包含一個發光二極體或複數個發光二極體，第4圖僅顯示了採用單一發光二極體之架構，其中流經發光裝置10之電流由ILED 來表示，而其跨壓由VAK 來表示。雙端電流控制器120並聯於發光裝置10和電源供應電路110，其包含一限流單元120A和一調整單元120B，可依據整流交流電壓VAC 之值來控制流經發光裝置10之電流ILED ，流經限流單元120A之電流由IAK 來表示，而其跨壓由VAK 來表示。在本發明第一實施例中，雙端電流控制器120之隔離電壓Vb’小於發光裝置10之整體隔離電壓n*Vb(假設每一發光單元之隔離電壓皆為Vb)。
第5圖和第6圖說明了本發明第一實施例中發光二極體照明裝置100之運作，其中第5圖顯示了雙端電流控制器120運作時之電流-電壓特性圖，而第6圖顯示了發光二極體照明裝置100運作時相關電流和電壓的變化。在第5圖中，縱軸代表流經限流單元120A之電流IAK ，橫軸代表限流單元120A之跨壓VAK 。在本發明第一實施例之雙端電流控制器120中，當電壓VAK 之值介於0和VDROP 之間時，雙端電流控制器120在第一模式下運作，此時限流單元120A之作用如同一壓控元件，亦即當電壓VAK 大於雙端電流控制器120之隔離電壓Vb’時，流經限流單元120A之電流IAK 會隨著其跨壓VAK 呈特定變化。當電壓VAK 之值介於VDROP 和VOFF_TH ’之間時，雙端電流控制器120在第二模式下運作，此時限流單元120A之作用如同一定電流源，亦即電流IAK 之值不再隨著電壓VAK 變化，而是被限定在一可調整之特定電流值IMAX ’。當電壓VAK 之值大於VOFF_TH ’時，雙端電流控制器120在第三模式下運作，此時限流單元120A會被關閉，其電流IAK 之值瞬間降至0，因此可視為開路。另一方面，調整單元120B可用來調整雙端電流控制器120在第二模式下運作時之限流值IMAX ’，以及調整用來切換第二和第三模式之電壓VOFF_TH ’，因此能提供多種特性以達到彈性設計。
第6圖顯示了本發明第一實施例中電壓VAK 、電流IAK 和電流ILED 之波形。如前所述，由於電壓VAK 之值相關於整流交流電壓VAC ，其值隨著時間而有週期性變化，因此以包含時間點t0 ～t6 之一個週期來做說明，其中時間點t0 ～t3 之間為整流交流電壓VAC 之上升週期，而時間點t3 ～t6 之間為整流交流電壓VAC 之下降週期。在時間點t0 和t1 之間，電壓VAK 逐漸上升，雙端電流控制器120之限流單元120A首先被導通，電流IAK 之值會隨著電壓VAK 以特定方式增加，此時電流ILED 之值為零。在時間點t1 和t2 之間，電壓VAK 大於電壓VDROP ，雙端電流控制器120之限流單元120A會將電流IAK 之值限定在特定電流值IMAX ’，而此時發光裝置10仍未導通，因此電流ILED 之值依舊為零。在時間點t2 和t4 之間，電壓VAK 之值大於電壓VOFF_TH ’，雙端電流控制器120之限流單元120A會被關閉，而相關於整流交流電壓VAC 之電流則由發光裝置10來導通，此時電流IAK 之值降至零，而電流ILED 之值則隨著電壓VAK 變化。在時間點t4 和t5 之間，電壓VAK 降至介於VDROP 和VOFF,TH ’之間，雙端電流控制器120之限流單元120A會導通，因此電流IAK 之值會再次被限定在特定電流值IMAX ’，而電流ILED 之值會降至零。在時間點t5 和t6 之間，電壓VAK 降至低於電壓VDROP ，此時電流IAK 之值會隨著電壓VAK 以特定方式減少。換而言之，在0<VAK <VDROP 的時間區間t0 ～t1 和t5 ～t6 ，雙端電流控制器120係在第一模式下運作；在VDROP <VAK <VOFF,TH ’的時間區間t1 ～t2 和t4 ～t5 ，雙端電流控制器120係在第二模式下運作；在VAK >VOFF,TH ’的時間區間t2 ～t4 ，雙端電流控制器120係在第三模式下運作。
請參考第7圖，第7圖為本發明第二實施例中一發光二極體照明裝置200示意圖。發光二極體照明裝置200包含一電源供應電路110、一雙端電流控制器120，和一發光裝置20。本發明第一和第二實施例結構類似，不同之處在於發光裝置20之結構和與雙端電流控制器120之銜接方式。在本發明第二實施例中，發光裝置20包含兩發光元件21和25：發光元件21並聯於雙端電流控制器120且其包含m個串接之發光單元D1 ～Dm ，流經發光元件21之電流由ILED_AK 來表示，而其跨壓由VAK 來表示；發光元件25串聯於雙端電流控制器120且其包含n個串接之發光單元D1 ～Dn ，流經發光元件25之電流由ILED 來表示，而其跨壓由VLED 來表示。每一發光單元可包含一個發光二極體或複數個發光二極體，第7圖僅顯示了採用單一發光二極體之架構。雙端電流控制器120依據整流交流電壓VAC 之值來控制流經發光裝置20之電流，流經限流單元120A之電流由IAK 來表示，而其跨壓由VAK 來表示。在本發明第二實施例中，雙端電流控制器120之隔離電壓Vb’小於發光元件21之整體隔離電壓m*Vb(假設每一發光單元之隔離電壓皆為Vb)。
第8圖和第9圖說明了本發明第二實施例中發光二極體照明裝置200之運作，其中第8圖顯示了雙端電流控制器120運作時之電流-電壓特性圖，而第9圖顯示了發光二極體照明裝置200運作時相關電流和電壓的變化。在第8圖中，縱軸代表流經限流單元120A之電流IAK ，橫軸代表雙端電流控制器120之跨壓VAK 。在整流交流電壓VAC 之上升週期，當電壓VAK 之值介於0和VDROP 之間時，雙端電流控制器120在第一模式下運作，此時限流單元120A之作用如同一壓控元件，亦即當電壓VAK 大於雙端電流控制器120之隔離電壓Vb’時，流經限流單元120A之電流IAK 會隨著其跨壓VAK 呈特定變化。當電壓VAK 之值介於VDROP 和VOFF_TH ’之間時，雙端電流控制器120在第二模式下運作，此時限流單元120A之作用如同一定電流源，亦即電流IAK 之值不再隨著電壓VAK 變化，而是被限定在一可調整之特定電流值IMAX ’。當電壓VAK 之值大於VOFF_TH ’時，雙端電流控制器120在第三模式下運作，此時限流單元120A會被關閉，其電流IAK 之值瞬間降至0，因此可視為開路。在整流交流電壓VAC 之下降週期，當電壓VAK 之值降至低於VON_TH ’時，雙端電流控制器120在第二模式下運作，此時限流單元120A會被開啟並將電流IAK 之值限定在特定電流值IMAX ’。當電壓VAK 之值降至介於0和VDROP 之間時，雙端電流控制器120在第一模式下運作，此時限流單元120A之作用如同一壓控元件，亦即當電壓VAK 大於雙端電流控制器120之隔離電壓Vb’時，流經限流單元120A之電流IAK 會隨著其跨壓VAK 呈特定變化。另一方面，調整單元120B可用來調整雙端電流控制器120在第二模式下運作時之限流值IMAX ’，以及調整用來切換第二和第三模式之電壓VON_TH ’和VOFF_TH ’，因此能提供多種特性以達到彈性設計。
第9圖顯示了本發明第二實施例中電壓VAC 、VAK 、VLED 和電流IAK 、ILED_AK 、ILED 之波形。如前所述，由於整流交流電壓VAC 之值隨著時間而有週期性變化，因此以包含時間點t0 ~t6 之一個週期來做說明，其中時間點t0 ~t3 之間為整流交流電壓VAC 之上升週期，而時間點t3 ~t6 之間為整流交流電壓VAC 之下降週期。在時間點t0 和t1 之間，雙端電流控制器120之跨壓VAK 和發光元件25中n個串接發光單元之跨壓VLED 隨著整流交流電壓VAC 逐漸上升。由於雙端電流控制器120之隔離電壓Vb’小於發光元件21中m個串接發光單元之整體隔離電壓m*Vb，因此雙端電流控制器120之限流單元120A首先會被導通，此時電流IAK 和ILED 之值會隨著電壓VAK 以特定方式增加，而電流ILED_AK 之值為零。
在時間點t1 和t2 之間，電壓VAK 大於電壓VDROP ，雙端電流控制器120會將電流IAK 之值限定在特定電流值IMAX ’，而並聯於雙端電流控制器120之發光元件21仍未導通，因此電流ILED_AK 之值依舊為零，此時電壓VLED 之值可由n*VF 來表示，其中VF 代表發光元件25中每一發光單元此時之順向偏壓。因此，發光元件21在時間點t0 ~t2 之間並未導通，此時電源供應電路110所提供之整流交流電壓VAC 係施加於雙端電流控制器120和發光元件25中n個串接發光單元上。
在時間點t2 和t4 之間，電壓VAK 之值大於VOFF_TH ’，雙端電流控制器120會被關閉，而相關於整流交流電壓VAC 之電流則由發光元件21和25來導通，此時電流IAK 之值降至零，而電流ILED_AK 之值隨著電壓VAK 變化。因此，當發光元件21在時間點t2 ~t4 之間被導通時，雙端電流控制器120兩端之跨壓VAK 係由發光裝置20分壓整流交流電壓VAC 來提供。
在時間點t4 和t5 之間，電壓VAK 降至介於VDROP 和VON_TH ’之間，雙端電流控制器120會導通，因此電流IAK 之值會再次被限定在特定電流值IMAX ’，而電流ILED_AK 之值會降至為零。在時間點t5 和t6 之間，電壓VAK 降至低於VDROP ，此時電流IAK 之值會隨著電壓VAK 以特定方式減少。如第7圖和第9圖所示，電流ILED 之值為電流ILED_AK 和電流IAK 之加總，本發明第二實施例可透過雙端電流控制器120來增加電源供應電路110之可操作電壓範圍(例如電壓VAC 在t0 ～t2 和t4 ～t6 的輸出)，進而提升發光二極體照明裝置200之功率因素。
請參考第10圖，第10圖為本發明第三實施例中一發光二極體照明裝置300示意圖。發光二極體照明裝置300包含一電源供應電路110、複數個雙端電流控制器，以及一發光裝置30。本發明第二和第三實施例結構類似，不同之處在於發光二極體照明裝置300包含複數個雙端電流控制器(第10圖以4組雙端電流控制器121～124來做說明)，而發光裝置30包含複數個發光元件(第10圖以5組發光元件21～25來做說明)：發光元件21～24分別並聯於相對應之雙端電流控制器121～124，且各包含複數個串接之發光單元，流經發光元件21～24之電流分別由ILED_AK1 ～ILED_AK4 來表示，而其跨壓則分別由VAK1 ~VAK4 來表示。發光元件25串聯於雙端電流控制器121～124且其包含複數個串接之發光單元，流經發光元件25之電流由ILED 來表示，而其跨壓由VLED 來表示。每一發光單元可包含一個發光二極體或複數個發光二極體，第10圖僅顯示了採用單一發光二極體之架構。在第10圖所示之實施例中，雙端電流控制器121～124分別包含相對應之限流單元121A～124A和調整單元121B～124B，可分別依據其跨壓VAK1 ~VAK4 之值來控制流經相對應發光元件21～24之電流，流經限流單元121A～124A之電流分別由IAK1 ～IAK4 來表示，而其跨壓分別由VAK1 ～VAK4 來表示。在本發明第三實施例中，雙端電流控制器121～124之隔離電壓分別小於相對應發光元件21～24之整體隔離電壓。
第11A～11D圖和第12圖說明了本發明第三實施例中發光二極體照明裝置300之運作，其中第11A～11D圖分別顯示了限流單元121A～124A運作時之電流-電壓特性圖，而第12圖顯示了發光二極體照明裝置300運作時相關電流和電壓的變化。本發明可分別利用調整單元121B～124B來分別設定雙端電流控制器121～124在第二模式下運作時之限流值IMAX ’和切換第二和第三模式之電壓VON_TH ’及VOFF_TH ’，因此能提供多種特性以達到彈性設計。在第11A～11D圖所示之實施例中，雙端電流控制器121～124在第二模式下運作時之限流值大小關係為IMAX1 <IMAX2 <IMAX3 <IMAX4 ，用來切換第二和第三模式之電壓大小關係為VON_TH1 <VON_TH2 <VON_TH3 <VON_TH4 和VOFF_TH1 <VOFF_TH2 <VOFF_TH3 <VOFF_TH4 。
第12圖說明了本發明第三實施例之發光二極體照明裝置300的運作，顯示了電壓VAC 和電流ILED 之波形。如前所述，由於整流交流電壓VAC 之值隨著時間而有週期性變化，因此以包含時間點t0 ～t10 之一個週期來做說明，其中時間點t0 ～t5 之間為整流交流電壓VAC 之上升週期，而時間點t5 ～t10 之間為整流交流電壓VAC 之下降週期。
首先說明包含時間點t0 ～t5 之上升週期，在時間點t0 和t1 之間，雙端電流控制器121～124之跨壓VAK1 ～VAK4 隨著整流交流電壓VAC 而上升。由於雙端電流控制器121～124之隔離電壓小於相對應發光元件21～24之整體隔離電壓，因此在時間點t0 和t1 之間雙端電流控制器121～124較早被導通，此時電流係從電源供應電路110依序透過限流單元121A～124A傳送至發光元件25，亦即ILED =IAK1 =IAK2 =IAK3 =IAK4 ，而電流ILED_AK1 ～ILED_AK4 之值為零。在時間點t1 和t2 之間，電壓VAK1 之值大於VOFF_TH1 ’，雙端電流控制器121首先被關閉，此時電流係從電源供應電路110依序透過發光元件21、限流單元122A～124A傳送至發光元件25，亦即ILED =ILED_AK1 =IAK2 =IAK3 =IAK4 ，而電流IAK1 和ILED_AK2 ～ILED_AK4 之值為零。在時間點t2 和t3 之間，電壓VAK2 之值大於VOFF_TH2 ’，雙端電流控制器122接著被關閉，此時電流係從電源供應電路110依序透過發光元件21、發光元件22、限流單元123A～124A傳送至發光元件25，亦即ILED =ILED_AK1 =ILED_AK2 =IAK3 =IAK4 ，而電流IAK1 、IAK2 和ILED_AK3 ～ILED_AK4 之值為零。在時間點t3 和t4 之間，電壓VAK3 之值大於VOFF_TH3 ’，雙端電流控制器123接著被關閉，此時電流係從電源供應電路110依序透過發光元件21、發光元件22、發光元件23和限流單元124A傳送至發光元件25，亦即ILED =ILED_AK1 =ILED_AK2 =ILED_AK3 =IAK4 ，而電流IAK1 、IAK2 、IAK3 和ILED_AK4 之值為零。在時間點t4 和t5 之間，電壓VAK4 之值大於VOFF_TH4 ’，雙端電流控制器124接著被關閉，此時電流係從電源供應電路110依序透過發光元件21～24傳送至發光元件25，亦即ILED =ILED_AK1 =ILED_AK2 =ILED_AK3 =ILED_AK4 ，而電流IAK1 ～IAK4 之值為零。針對包含時間點t5 ～t10 之下降週期，隨著整流交流電壓VAC 的下降，當電壓VAK4 ～VAK1 之值依序分別低於VON_TH4 ’～VON_TH1 ’時，限流單元124A～121A會在時間點t6 ～t9 依序被開啟，其運作方式和其相對應之上升週期類似，在此不另加贅述。換而言之，在同一週期內，發光元件25之導通時間最長，發光元件21之導通時間次之，而發光元件24之導通時間最短。在某些應用中，發光元件21～24可能需要提供不同亮度或在不同時間點開始發光，本發明可利用調整單元121B～124B來提供彈性設計。
請參考第13圖，第13圖為本發明第四實施例中一發光二極體照明裝置400示意圖。發光二極體照明裝置400包含一電源供應電路110、複數個雙端電流控制器，以及一發光裝置40。本發明第三和第四實施例結構類似，發光二極體照明裝置400同樣包含複數個雙端電流控制器(第13圖以5組雙端電流控制器121～125來做說明)和複數個發光元件(第13圖以4組發光元件21～24來做說明)，不同之處在於雙端電流控制器121～124分別並聯於相對應之發光元件21～24，而雙端電流控制器125係串聯於發光元件21～24。
第14圖說明了本發明第四實施例之發光二極體照明裝置400的運作，顯示了電壓VAC 和電流ILED 之波形。如前所述，在時間點t4 ～t5 間，雙端電流控制器121～124為關閉，此時流經發光元件21～24之電流ILED 由電源供應電路110提供之整流交流電壓VAC 來決定。在第10圖和第12圖所示之第三實施例中，若電源供應電路110無法提供穩定輸出，此時電流ILED 之值可能會超過發光元件21~25所能承受之最大額定值，進而損毀發光元件21～25。因此，在本發明第四實施例之發光二極體照明裝置400中，雙端電流控制器125可在時間點t4 ～t6 間將電流ILED 之值限定在一特定限流值IMAX5 。IMAX5 之值可為不同應用場合所需之任意值，第14圖所示IMAX1 ～IMAX5 之間大小關係並非絕對。
請參考第15圖，第15圖為本發明第五實施例中一發光二極體照明裝置500示意圖。發光二極體照明裝置500包含一電源供應電路410、一雙端電流控制器120，和一發光裝置10。本發明第一和第五實施例結構類似，不同之處在於電源供應電路410之結構。在本發明第一實施例中，電源供應電路110係利用橋式整流器112來對交流電壓VS(例如市電110～220伏特)進行整流，進而提供隨著時間而有週期性變化之整流交流電壓VAC 。在本發明第五實施例中，電源供應電路410可接收任意來源之交流電壓VS，再利用一交流-交流變壓器412來進行電壓轉換，最後由橋式整流器112進行整流，進而提供隨著時間而有週期性變化之整流交流電壓VAC 。發光二極體照明裝置500之運作方式亦可如第5圖和第6圖所示，在此不另加贅述。同理，本發明第二至第四實施例亦可採用電源供應電路410來提供整流交流電壓VAC 。
第16圖和第17圖為本發明雙端電流控制器120實施方式之示意圖。在此兩種實施例中，雙端電流控制器120之限流單元120A包含電阻R1～R7、一開關QN、一比較器CP1、一帶隙參考電壓產生器50，以及一電壓偵測電路70。帶隙參考電壓產生器50通常包含正溫度係數和負溫度係數之元件，藉此達到零溫度係數之電壓輸出特性，進而提供一穩定的參考電壓VREF 。
電阻R1能偵測流經開關QN之電流，並提供一相對應之回授電壓VFB 。透過由電阻R2～R4所組成之分壓電路，參考電壓VREF 會被分壓成相對應之一參考電壓VREF1 和一參考電壓VREF2 。透過由電阻R5～R7所組成之分壓電路，電壓VAK 會被分壓成相對應之一電壓VON 和一電壓VOFF 。比較器CP1於其正輸入端接收參考電壓VREF1 ，於其負輸入端接收回授電壓VFB ，並依據參考電壓VREF1 和回授電壓VFB 之間的大小關係來輸出一控制訊號Vg 至開關QN。
開關QN可為一場效電晶體(Field Effect Transistor,FET)、一雙載子接面電晶體(Bipolar Junction Transistor,BJT)，或是其它具類似功能之元件，第14圖和第15圖之實施例係以一N型金氧半導體(N-Type Metal-Oxide-Semiconductor)場效電晶體來做說明。開關QN之閘極耦接至比較器CP1以接收控制訊號Vg ，其汲極-源極電壓、閘極-源極電壓和臨界電壓分別由VDS 、VGS 和VTH 來表示。當開關QN在線性區運作時，其汲極電流主要由汲極-源極電壓VDS 來決定；當開關QN在飽和區運作時，其汲極電流只相關於閘極-源極電壓VGS 。
在整流交流電壓VAC 之上升週期，開關QN之汲極-源極電壓VDS 會隨著電壓VAK 而增加：當電壓VAK 之值不大於VDROP 時，汲極-源極電壓VDS 小於閘極-源極電壓VGS 和臨界電壓VTH 之差值(亦即VDS <VGS -VTH )，而比較器CP1提供之控制訊號Vg 會讓VGS >VTH ，因此開關QN會在線性區運作，此時其汲極電流主要取決於汲極-源極電壓VDS ，亦即雙端電流控制器120會讓電流IAK 和電壓VAK 之間的關係呈現如同開關QN之線性區特性。
在整流交流電壓VAC 之上升週期，當電壓VAK 之值介於VDROP 和電壓VOFF_TH ’之間時，汲極-源極電壓VDS 大於閘極-源極電壓VGS 和臨界電壓VTH 之差值(VDS >VGS -VTH )，而比較器CP1提供之控制訊號Vg 會讓VGS >VTH ，因此開關QN會在飽和區運作，此時其汲極電流只相關於閘極-源極電壓VGS ，亦即電流IAK 之值不會隨著電壓VAK 改變。
電壓偵測電路70包含一邏輯電路72、一電壓邊緣偵測電路74，以及兩比較器CP2和CP3。比較器CP2於其負輸入端接收電壓VON ，於其正輸入端接收參考電壓VREF2 ，並依據電壓VON 和參考電壓VREF2 之間的大小關係來輸出VON_TH ’控制訊號。比較器CP3於其負輸入端接收參考電壓VREF2 ，於其正輸入端接收電壓VOFF 並依據電壓VOFF 和參考電壓VREF2 之間的大小關係來輸出VOFF_TH ’控制訊號。
比較器CP2可判斷電壓VAK 和VON_TH ’之間的大小關係，而比較器CP3可判斷電壓VAK 和VOFF_TH ’之間的大小關係。同時，當電壓VAK 之值介於VOFF_TH ’和VON_TH ’之間時，電壓邊緣偵測電路74可判斷此時是整流交流電壓VAC 之上升週期或下降週期。依據電壓邊緣偵測電路74和比較器CP2、CP3之判斷結果，邏輯電路72再依此輸出一相對應之控制訊號至比較器CP1。當電壓VAK 之值在整流交流電壓VAC 之上升週期內介於VOFF_TH ’和VON_TH ’之間時，比較器CP1會將控制訊號Vg 調降至低於臨界電壓VTH 之值以關閉開關QN，進而將電流IAK 之值限定在零；當電壓VAK 之值在整流交流電壓VAC 之下降週期內介於VON_TH ’和VOFF_TH ’之間時，比較器CP1會將控制訊號Vg 調升至高於臨界電壓VTH 之值以讓開關QN於飽和區運作，進而將電流IAK 之值限定在IMAX ’。
在第16圖所示之實施例中，調整單元120B包含一電阻R8，透過調整電阻R8之值可改變參考電壓VREF 分壓至比較器CP1～CP3之值，亦即可彈性調整參考電壓VREF1 和VREF2 之值。如前所述，比較器CP1會依據參考電壓VREF1 和回授電壓VFB 之差值來輸出控制訊號Vg 至開關QN，比較器CP2會依據電壓VON 和參考電壓VREF2 之差值來輸出VON_TH ’控制訊號，而比較器CP3會依據電壓VOFF 和參考電壓VREF2 之差值來輸出VOFF_TH ’控制訊號。由於開關QN在飽和區運作時(第二模式)其汲極電流只相關於閘極-源極電壓VGS ，本發明可透過調整單元120B來調整雙端電流控制器120在第二模式下運作時之限流值IMAX ’，同時亦能調整用來切換第二和第三模式之電壓VON_TH ’和VOFF_TH ’，因此能提供多種特性以達到彈性設計。
在第17圖所示之實施例中，調整單元120B包含電阻R8～R9和保險絲F1～F3，可透過雷射燒斷方式或是電流燒斷方式來使保險絲F1~F3呈連接狀態或斷開狀態，改變並聯於分壓電阻R3 & R4之等效電阻值。舉例來說，僅燒斷F1可將R8並聯於電阻串R3+R4，僅燒斷F2可將R9並聯於電阻串R3+R4，僅燒斷F1和F2可將電阻串R8+R9並聯於電阻串R3+R4，而燒斷F3則不會並聯任何電阻至電阻串R3+R4。本發明亦可使用更多電阻與保險絲的組合，電阻之間也不一定都是串聯。因此，本發明可改變參考電壓VREF 分壓至比較器CP1～CP3之值，亦即可彈性調整參考電壓VREF1 和VREF2 之值。如前所述，比較器CP1會依據參考電壓VREF1 和回授電壓VFB 之差值來輸出控制訊號Vg 至開關QN，比較器CP2會依據電壓VON 和參考電壓VREF2 之差值來輸出VON_TH ’控制訊號，而比較器CP3會依據電壓VOFF 和參考電壓VREF2 之差值來輸出VOFF_TH ’控制訊號。由於開關QN在飽和區運作時(第二模式)其汲極電流只相關於閘極-源極電壓VGS ，本發明可透過調整單元120B來調整雙端電流控制器120在第二模式下運作時之限流值IMAX ’，同時亦能調整用來切換第二和第三模式之電壓VON_TH ’和VOFF_TH ’，因此能提供多種特性以達到彈性設計。
在第16圖所示之實施例中，使用者可自行調整電流；在第17圖所示之實施例中，雙端電流控制器之製造者可預先幫使用者作調整，以IC來說，就是使調整單元(電阻)內建，如此可以讓使用者省去一個電阻。內建電阻或是雷射/電流燒斷保險絲等都是IC製造流程當中常用手段，第15圖和第16圖僅說明本發明之實施例，並不限定本發明之範疇。
在本發明發光二極體照明裝置100、200、300、400、500中，雙端電流控制器120～125之數目、發光元件21～25之數目和結構，以及電源供應電路110、410之種類可依據不同應用來決定。第4、7、10和12圖所示僅為本發明之實施例，並不限定本發明之範疇。同時，第13圖所示之雙端電流控制器120中僅為本發明之實施例，本發明亦可採用其它具類似功能之元件來達到如第5、6、8、9和11A～11D圖所示之特性。
本發明之發光二極體照明裝置利用雙端電流控制器來控制流經串接發光二極體之電流大小和導通數目，在整流交流電壓尚未達到所有發光二極體之整體隔離電壓前即能導通部分發光二極體，因此能夠增加發光二極體照明裝置之功率因素，同時兼顧可操作電壓範圍與亮度。
以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。
L‧‧‧電感
CP1~CP3‧‧‧比較器
C‧‧‧電容
D1 ~Dn 、D1 ~Dm ‧‧‧發光單元
70‧‧‧電壓偵測電路
SW、QN‧‧‧開關
72‧‧‧邏輯電路
F1~F3‧‧‧保險絲
74‧‧‧電壓邊緣偵測電路
21~25‧‧‧發光元件
112‧‧‧橋式整流器
120~124‧‧‧雙端電流控制器
412‧‧‧交流-交流變壓器
110、410‧‧‧電源供應電路
50‧‧‧帶隙參考電壓產生器
R、R1~R9‧‧‧電阻
10、20、30、40‧‧‧發光裝置
120A~125A‧‧‧限流單元
120B~125B‧‧‧調整單元
100、200、300、400、500、600、700‧‧‧發光二極體照明裝置
第1圖為發光二極體之電壓-電流特性圖。
第2圖和第3圖為先前技術中發光二極體照明裝置的示意圖。
第4圖為本發明第一實施例中發光二極體照明裝置之示意圖。
第5圖為本發明第一實施例中雙端電流控制器運作時之電流-電壓特性圖。
第6圖為本發明第一實施例中發光二極體照明裝置運作時相關電流和電壓變化之示意圖。
第7圖為本發明第二實施例中發光二極體照明裝置之示意圖。
第8圖為本發明第二實施例中雙端電流控制器運作時之電流-電壓特性圖。
第9圖為本發明第二實施例中發光二極體照明裝置運作時相關電流和電壓變化之示意圖。
第10圖為本發明第三實施例中發光二極體照明裝置示意圖。
第11A～11D圖為本發明第三實施例中雙端電流控制器運作時之電流-電壓特性圖。
第12圖為本發明第三實施例中發光二極體照明裝置運作時相關電流和電壓變化之示意圖。
第13圖為本發明第四實施例中發光二極體照明裝置之示意圖。
第14圖為本發明第四實施例中發光二極體照明裝置運作時相關電流和電壓變化之示意圖。
第15圖為本發明第五實施例中發光二極體照明裝置之示意圖。
第16圖和第17圖為本發明實施例中雙端電流控制器之示意圖。
30．．．發光裝置
121～124．．．雙端電流控制器
110．．．電源供應電路
121A～124A．．．限流單元
112．．．橋式整流器
121B～124B．．．調整單元
21～25．．．發光元件
300．．．發光二極體照明裝置

Claims (20)

  1. 一種發光二極體照明裝置，其包含：一發光元件，其依據一第一電流來提供光源；以及一雙端電流控制器，並聯於該發光元件，用來依據該發光元件之跨壓來調節該第一電流，其中：在一整流交流電壓之一上升週期內當該發光元件之跨壓不大於一第一電壓時，該雙端電流控制器係在一第一模式下運作；在該上升週期內當該發光元件之跨壓大於該第一電壓且不大於一第二電壓時，該雙端電流控制器係在一第二模式下運作；且在該上升週期內當該發光元件之跨壓大於該第二電壓時，該雙端電流控制器係在一第三模式下運作；且該雙端電流控制器係包含：一限流單元，其包含：一開關，用來依據一控制訊號來導通一第二電流；一帶隙參考電壓產生器，用來提供一帶隙參考電壓；一第一分壓電路，用來分壓該帶隙參考電壓 以提供一第一參考電壓和一第二參考電壓；一第二分壓電路，用來分壓該整流交流電壓以提供一第四電壓和一第五電壓；一電流偵測電路，串接於該開關，用來偵測該第二電流之值並提供相對應之一回授電壓；一電壓邊緣偵測電路，用來判斷該整流交流電壓係在該上升週期或一下降週期；一第一比較器，用來依據該第一參考電壓和該回授電壓之間的大小關係、該第二電壓、一第三電壓，以及該電壓邊緣偵測電路之判斷結果來提供該控制訊號；以及一第二比較器，用來依據該第二參考電壓和該第四電壓之間的大小關係來提供該第二電壓，其中：當該雙端電流控制器在該第一模式下運作時，該限流單元導通相關於該整流交流電壓之該第二電流並依據該發光元件之跨壓來調整該第二電流之值，且將該第一電流限定至零；當該雙端電流控制器在該第二模式下運 作時，該限流單元導通該第二電流並將該第二電流之值固定在大於零之一第一預定值，且將該第一電流限定至零；而當該雙端電流控制器在該第三模式下運作時，該限流單元呈關閉；以及一調整單元，其包含選擇性地並聯於該第一分壓電路之一電阻，用來調整該第一參考電壓和該第二參考電壓之值。
  2. 如請求項1所述之發光二極體照明裝置，其中在該整流交流電壓之一下降週期內當該發光元件之跨壓介於該第一電壓和該第三電壓之間時，該雙端電流控制器係在該第二模式下運作，且該限流單元導通該第二電流並將該第二電流之值固定在該第一預定值，並將該第一電流限定至零，而該第三電壓大於該第二電壓。
  3. 如請求項2所述之發光二極體照明裝置，其中該限流單元另包含：一第三比較器，用來依據該第二參考電壓和該第五電壓之間的大小關係來提供該第三電壓。
  4. 如請求項1所述之發光二極體照明裝置，其中該調整單 元另包含：一保險絲，並聯於該電阻，用來在燒斷時讓該電阻並聯於該第一分壓電路以調整該第一參考電壓和該第二參考電壓之值，以及在未燒斷時旁路該電阻。
  5. 如請求項1所述之發光二極體照明裝置，其中該調整單元另包含：一保險絲，串聯於該電阻，用來在未燒斷時讓該電阻並聯於該第一分壓電路以調整該第一參考電壓和該第二參考電壓之值。
  6. 如請求項3所述之發光二極體照明裝置，其中：在該下降週期內當該發光元件之跨壓不大於該第一電壓時，該開關係依據該控制訊號來調節該第二電流之值；而在該下降週期內當該發光元件之跨壓大於該第一電壓且不大於該第三電壓時，該開關係依據該控制訊號來將該第二電流維持在該第一預定值並將該第一電流之值限定至零。
  7. 如請求項6所述之發光二極體照明裝置，其中：該開關係為一金氧半導體(Metal-Oxide-Semiconductor)場效電晶體；且 該雙端電流控制器依據該發光元件之跨壓來調節該第二電流之值以使該發光元件之跨壓和該第二電流之間的變化關係符合該開關之一線性區的特性。
  8. 如請求項1所述之發光二極體照明裝置，其中：在該上升週期內當該發光元件之跨壓不大於該第一電壓時，該開關係依據該控制訊號來調節該第二電流之值；而在該上升週期內當該發光元件之跨壓大於該第一電壓時，該開關係依據該控制訊號來將該第二電流維持在該第一預定值。
  9. 如請求項1所述之發光二極體照明裝置，其中導通該雙端電流控制器所需之隔離電壓小於導通該發光元件所需之隔離電壓。
  10. 如請求項1所述之發光二極體照明裝置，其另包含：(n+1)個串接之發光元件，每一發光元件依據一相對應第一電流來提供光源；以及n個雙端電流控制器，每一雙端電流控制器並聯於該n個串接之發光元件中一相對應發光元件，用來依據該相對應發光元件之跨壓來調節該相對應第一電流，其中： 在該上升週期內當該發光元件之跨壓不大於該第一電壓時，該雙端電流控制器係在該第一模式下運作；在該上升週期內當該相對應發光元件之跨壓大於該第一電壓且不大於該第二電壓時，該相對應雙端電流控制器係在該第二模式下運作；且在該上升週期內當該相對應發光元件之跨壓大於該第二電壓時，該相對應雙端電流控制器係在該第三模式下運作。
  11. 如請求項10所述之發光二極體照明裝置，其另包含：一第(n+1)個雙端電流控制器，串聯於該n個串接之發光元件且包含：一第(n+1)個限流單元，用來在該n個雙端電流控制器關閉時將該第一電流固定在大於零之一第二預定值：以及一第(n+1)個調整單元，用來調整該第二預定值之值。
  12. 一種雙端電流控制器，用來控制流經一負載之一第一電流，其中：在一整流交流電壓之一上升週期內當該負載之跨壓不大於一第一電壓時，該雙端電流控制器係在一第一模 式下運作；在該上升週期內當該負載之跨壓大於該第一電壓且不大於一第二電壓時，該雙端電流控制器係在一第二模式下運作；而在該上升週期內當該負載之跨壓大於該第二電壓時，該雙端電流控制器係在一第三模式下運作；且該雙端電流控制器係包含：一限流單元，其包含：一開關，用來依據一控制訊號來導通一第二電流；一帶隙參考電壓產生器，用來提供一帶隙參考電壓；一第一分壓電路，用來分壓該帶隙參考電壓以提供一第一參考電壓和一第二參考電壓；一第二分壓電路，用來分壓該整流交流電壓以提供一第四電壓和一第五電壓；一電流偵測電路，串接於該開關，用來偵測該第二電流之值並提供相對應之一回授電壓；一電壓邊緣偵測電路，用來判斷該整流交流電壓係在該上升週期或一下降週期；一第一比較器，用來依據該第一參考電壓和該回授電壓之間的大小關係、該第二電壓、一第三電壓，以及該電壓邊緣偵測電路之判斷結 果來提供該控制訊號；以及一第二比較器，用來依據該第二參考電壓和該第四電壓之間的大小關係來提供該第二電壓，其中：當該雙端電流控制器在該第一模式下運作時，該限流單元導通相關於該整流交流電壓之該第二電流，進而將該第一電流限定至零，並依據該負載之跨壓來調整該第二電流之值；當該雙端電流控制器在該第二模式下運作時，該限流單元導通以將該第二電流之值固定在大於零之一預定值，並將該第一電流限定至零；而當該雙端電流控制器在該第三模式下運作時，該限流單元呈關閉；以及一調整單元，其包含：一電阻；以及一保險絲，用來選擇性地將該電阻並聯於該第一分壓電路以調整該第一參考電壓和該第二參考電壓之值。
  13. 如請求項12所述之雙端電流控制器，其中在該整流交流電壓之一下降週期內當該負載之跨壓介於該第一電壓和該第三電壓之間時，該雙端電流控制器係在該第二 模式下運作，且該限流單元導通該第二電流並將該第二電流之值固定在該預定值，並將該第一電流限定至零，而該第三電壓大於該第二電壓。
  14. 如請求項13所述之雙端電流控制器，其中該限流單元另包含：一第三比較器，用來依據該第二參考電壓和該第五電壓之間的大小關係來提供該第三電壓。
  15. 如請求項12所述之雙端電流控制器，其中該保險絲係並聯於該電阻，用來在燒斷時讓該電阻並聯於該第一分壓電路以調整該第一參考電壓和該第二參考電壓之值。
  16. 如請求項12所述之雙端電流控制器，其中該保險絲係串聯於該電阻，用來在未燒斷時讓該電阻並聯於該第一分壓電路以調整該第一參考電壓和該第二參考電壓之值。
  17. 如請求項14所述之雙端電流控制器，其中：在該下降週期內當該負載之跨壓不大於該第一電壓時，該開關係依據該控制訊號來調節該第二電流之值；而 在該下降週期內當該負載之跨壓大於該第一電壓且不大於該第三電壓時，該開關係依據該控制訊號來將該第二電流維持在該預定值並將該第一電流之值限定至零。
  18. 如請求項17所述之雙端電流控制器，其中：該開關係為一金氧半導體場效電晶體；且該雙端電流控制器依據該負載之跨壓來調節該第二電流之值以使該負載之跨壓和該第二電流之間的變化關係符合該開關之一線性區的特性。
  19. 如請求項12所述之雙端電流控制器，其中：在該上升週期內當該負載之跨壓不大於該第一電壓時，該開關係依據該控制訊號來調節該第二電流之值；而在該上升週期內當該負載之跨壓大於該第一電壓時，該開關係依據該控制訊號來將該第二電流維持在該預定值。
  20. 如請求項12所述之雙端電流控制器，其中導通該雙端電流控制器所需之隔離電壓小於導通該負載之所需之隔離電壓。
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