TWI455647B

TWI455647B - 發光二極體驅動裝置

Info

Publication number: TWI455647B
Application number: TW099115944A
Authority: TW
Inventors: Tsorng Juu Liang; Wei Ching Tseng; Jiann Fuh Chen
Original assignee: Univ Nat Cheng Kung
Priority date: 2010-05-19
Filing date: 2010-05-19
Publication date: 2014-10-01
Also published as: US20110273099A1; TW201143510A; US8461765B2

Description

發光二極體驅動裝置

本發明是有關於一種驅動裝置，特別是指一種發光二極體驅動裝置。

交流型發光二極體(AC-LED)模組可直接以市電驅動，架構簡單，如圖1所示，但是其缺點為隨著所接受的交流電壓v_ac 增加，使流經AC-LED模組的電流i_ac 變大產生衰退效應(droop effect)將造成發光效率變低，又因為AC-LED模組對電壓變化敏感，交流電壓v_ac 的些微變化即會造成光輸出的大幅變動，當交流電壓不穩定時，容易產生閃爍現象，且AC-LED模組為承受交流電壓的高峰值電壓，而有較高的導通電壓(例和串聯多個LED)，因而造成較低的功率因數及LED利用率。

如圖2所示，在習知美國專利號US 6989807 B2中揭露一種用於市電輸入且具高功因及高LED利用率的LED驅動裝置，其包含一橋式整流電路30、一電流切換電路10、多數個LED，和一電壓偵測電路20。

橋式整流電路30接收來自外部電源供應的交流電壓，且將其轉換成一整流電壓，電壓偵測電路20根據整流電壓的變化以控制電流切換電路10去改變LED的導通數目，而改善功率因數及LED利用率，但是定電流的控制架構複雜，增加控制上的困難度，使得整體電路所使用的元件過多，導致體積龐大且增加製造成本。

因此，本發明之目的，即在提供一種避免控制架構複雜和增加發光二極體利用率的發光二極體驅動裝置。

該發光二極體驅動裝置，包含：一整流電路，包括一對輸入端和第一、二輸出端，且適用於從該對輸入端接收一交流電壓，並對該交流電壓進行整流，以從該第一、二輸出端輸出一脈動的整流電壓；串聯的一第一發光二極體模組和一第一開關，電連接於該整流電路的該第一、二輸出端之間，該第一開關可受控制於導通與不導通之間切換；串聯的一第二發光二極體模組和一第二開關，電連接於該整流電路的該第一、二輸出端之間，該第二開關可受控制於導通與不導通之間切換；及一二極體模組，串接於該第一發光二極體模組與該第一開關的共同點和該第二發光二極體模組與該第二開關的共同點之間。

有關本發明之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之三個較佳實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。

如圖3所示，本發明發光二極體驅動裝置之第一較佳實施例，包含：一整流電路1、一第一發光二極體模組D1、一第一開關Q1、一第二發光二極體模組D2、一第二開關Q2、一二極體模組D，和一控制電路2。

整流電路1包括一對輸入端in1、in2和第一、二輸出端o1、o2，且適用於從該對輸入端接收一交流電壓vin，並對該交流電壓vin進行整流，以從該第一、二輸出端o1、o2輸出一脈動的整流電壓。

串聯的一第一發光二極體模組D1和一第一開關Q1，電連接於該整流電路1的該第一、二輸出端o1、o2之間，該第一開關Q1可受控制於導通與不導通之間切換。

在本實施例中，該第一發光二極體模組D1具有一電連接於該整流電路1之第一輸出端o1的第一端，及一第二端，且可建立從該第一端到該第二端的電流路徑。該第一開關Q1包括一第一N型金氧半導體場效電晶體NMOS1，該電晶體NMOS1具有一電連接於該第一發光二極體模組D1之第二端的汲極、一電連接於該整流電路1之第二輸出端o2的源極，和一電連接於該控制電路2的閘極。

串聯的一第二發光二極體模組D2和一第二開關Q2，電連接於該整流電路1的該第一、二輸出端o1、o2之間，該第二開關Q2可受控制於導通與不導通之間切換。

該第二發光二極體模組D2具有一第一端，及一電連接於該整流電路2之第二輸出端o2的第二端，且可建立從該第一端到該第二端的電流路徑。該第二開關Q2包括一P型金氧半導體場效電晶體PMOS，該電晶體PMOS具有一電連接於該第二發光二極體模組D2之第一端的汲極、一電連接於該整流電路1之第一輸出端o1的源極，和一電連接於該控制電路2的閘極。

二極體模組D，串接於該第一發光二極體模組D1與該第一開關Q1的共同點和該第二發光二極體模組D2與該第二開關Q2的共同點之間。

在本實施例中，該二極體模組D具有一電連接於該第一發光二極體模組D1與該第一開關Q1之共同點的第一端，及一電連接於該第二發光二極體模組D2與該第二開關Q2之共同點的第二端，且可建立從該第一端到該第二端的電流路徑。

控制電路2電連接於該整流電路1之該第一、二輸出端o1、o2和該二開關Q1、Q2之間，且根據該整流電壓控制該第一、二開關Q1、Q2是否導通。

在本實施例中，控制電路2包括一第一電阻R1、一第二N型金氧半導體場效電晶體NMOS2，和一控制單元21。

第一電阻R1，電連接於該整流電路1的第一輸出端o1及該P型金氧半導體場效電晶體PMOS的閘極之間。

第二N型金氧半導體場效電晶體NMOS2，具有一電連接於該P型金氧半導體場效電晶體PMOS之閘極的汲極，一電連接於該整流電路1之第二輸出端o2的源極，及一閘極。

控制單元21電連接在該整流電路1的第一、二輸出端o1、o2及該第一、二N型金氧半導體場效電晶體NMOS1、NMOS2的閘極之間，用以根據該整流電壓控制該第一、二N型金氧半導體場效電晶體NMOS1、NMOS2是否導通，其中，當該第二N型金氧半導體場效電晶體NMOS2導通時，該第一電阻R1的跨壓足以使該P型金氧半導體場效電晶體PMOS導通，而當該第二N型金氧半導體場效電晶體NMOS2不導通時，該第一電阻R1的跨壓不足以使該P型金氧半導體場效電晶體PMOS導通。

該控制單元21具有一第二電阻R2、一第三電阻R3、第四電阻R4、第五電阻R5，及第三N型金氧半導體場效電晶體NMOS3。

串聯的第二及第三電阻R2、R3，電連接於該整流電路1的第一、二輸出端o1、o2之間，且其共同點電連接於該第一、二N型金氧半導體場效電晶體NMOS1、NMOS2的閘極，且由其共同點提供一第一電壓VB。

串聯的第四及第五電阻R4、R5，電連接於該整流電路1的第一、二輸出端o1、o2之間，且其共同點提供一第二電壓VA。

第三N型金氧半導體場效電晶體NMOS3，具有一電連接於該第二及第三電阻R2、R3之共同點的汲極，一電連接於地的源極，以及一電連接到第四及第五電阻R4、R5之共同點的閘極。

該控制單元21在該整流電壓介於第一及第二參考電壓之間時，使該第一、二N型金氧半導體場效電晶體NMOS1、NMOS2導通，否則，使該第一、二N型金氧半導體場效電晶體NMOS1、2不導通。

其中，該第一參考電壓小於該第二參考電壓，該第一參考電壓由該第二與第三電阻R2、R3的電阻值及該第一與第二N型金氧半導體場效電晶體NMOS1、NMOS2的臨界電壓決定，該第二參考電壓由該第四與第五電阻R4、R5的電阻值及該第三N型金氧半導體場效電晶體NMOS3的臨界電壓決定。

如圖4所示，其中，參數I_D1 、I_D2 、I_Q1 、I_Q2 分別代表流經第一發光二極體模組D1、第二發光二極體模組D2、電晶體NMOS1、電晶體PMOS的電流，而參數V_B 、V_A 、V_sg2 分別代表第一電壓(即第一、二開關Q1、Q2的控制信號)、第二電壓(即第三N型金氧半導體場效電晶體的控制信號)、PMOS的源-閘極電壓，以下就交流電壓v_in 為正半週的操作以五個模式討論，又在本實施例中，該第一發光二極體模組D1開始建立電流路徑的電壓實質上等於該第二發光二極體模組D2開始建立電流路徑的電壓。

當交流電壓vin為零時，電晶體NMOS1~NMOS3、PMOS皆不導通，且沒有電流流過第一、二發光二極體模組D1、D2。

模式一：

隨著交流電壓vin由零漸增，當整流電壓大於第一參考電壓時，第一電壓VB上升至超過該二電晶體NMOS1、2的臨界電壓，則該二電晶體NMOS1、NMOS2導通，因該電晶體NMOS2導通，故電晶體PMOS的源-閘極電壓Vsg2上升，致使電晶體PMOS亦為導通狀態，此時第一、二發光二極體模組D1、D2視同並聯於整流電路1的第一、二輸出端o1、o2之間，此時交流電壓vin未達第一、二發光二極體模組D1、D2的初始導通電壓(即開始建立電流路徑的電壓)，故未有電流流過，待交流電壓vin漸增至使第一、二發光二極體模組D1、D2導通則進入模式二。

模式二：

交流電壓vin漸增至使第一、二發光二極體模組D1、D2並聯導通，隨交流電壓vin增加亦使I_D1 、I_D2 漸增，待交流電壓vin增加至使整流電壓大於第二參考電壓，第二電壓VA足夠使電晶體NMOS3導通，則進入模式三。

模式三：

交流電壓vin增加至使第二電壓VA足夠使得電晶體NMOS3導通，則使得第一電壓VB被拉至地準位，而使得該二電晶體NMOS1、2不導通，亦使得電晶體PMOS截止。此時第一、二發光二極體模組D1、D2由並聯瞬間轉為串聯於整流電路1的第一、二輸出端o1、o2之間，因此第一、二發光二極體模組D1、D2之跨壓降為二分之一，故I_D1 、I_D2 會瞬間下降後隨交流電壓vin漸增而再上升，待交流電壓下降至使整流電壓小於第二參考電壓，第二電壓VA電壓不足以導通電晶體NMOS3，則進入模式四。

模式四：

電晶體NMOS3不導通，則該二電晶體NMOS1、NMOS2及電晶體PMOS導通，第一、二發光二極體模組D1、D2由串聯轉為並聯於整流電路1的第一、二輸出端o1、o2之間，所以第一、二發光二極體模組D1、D2上之跨壓瞬間增加為兩倍，使得I_D1 、I_D2 驟升，並隨交流電壓vin下降而下降，待交流電壓vin降至使整流電壓小於第一參考電壓，第一電壓VB低於該二電晶體NMOS1、NMOS2的臨界電壓，則進入模式五。

模式五：

該二電晶體NMOS1、NMOS2及電晶體PMOS不導通，交流電壓vin亦不足以使第一、二發光二極體模組D1、D2導通，待交流電壓vin降至零則正半週動作結束。

當交流電壓vin為負半週時，電路操作原理相同，故不再重述。

如圖5所示，本發明發光二極體驅動裝置之第二較佳實施例，與第一較佳實施例的差別如下所述：該第一發光二極體模組D1開始建立電流路徑的電壓實質上小於該第二發光二極體模組D2開始建立電流路徑的電壓。

該控制單元2在該整流電壓介於第一及第二參考電壓之間時，使該第一、二N型金氧半導體場效電晶體NMOS1、2導通，在該整流電壓介於該第二及一第三參考電壓之間時，使該第一N型金氧半導體場效電晶體NMOS1不導通，該第二N型金氧半導體場效電晶體NMOS2導通，否則，使該第一、二N型金氧半導體場效電晶體NMOS1、NMOS2不導通，該第一參考電壓小於該第二參考電壓，該第二參考電壓小於該第三參考電壓。

又該控制單元21包括：一第二電阻~一第九電阻R2~R9、一第三N型金氧半導體場效電晶體NMOS3、一第四N型金氧半導體場效電晶體NMOS4。

串聯的第二及第三電阻R2、R3，電連接於該整流電路1的第一、二輸出端o1、o2之間，且其共同點電連接於該第一N型金氧半導體場效電晶體NMOS1的閘極，並由共同點輸出一第一電壓VB。

串聯的第四及第五電阻R4、R5，電連接於該整流電路1的第一、二輸出端o1、o2之間，且其共同點電連接於該第二N型金氧半導體場效電晶體NMOS2的閘極，並由共同點輸出一第三電壓VD。

串聯的第六及第七電阻R6、R7，電連接於該整流電路1的第一、二輸出端o1、o2之間，並由其共同點輸出一第二電壓VA。

串聯的第八及第九電阻R8、R9，電連接於該整流電路1的第一、二輸出端o1、o2之間，並由其共同點輸出一第四電壓VC。

第三N型金氧半導體場效電晶體NMOS3，具有一電連接於該第二及第三電阻R2、R3之共同點的汲極，一電連接於地的源極，以及一電連接到第六及第七電阻R6、R7之共同點的閘極。

第四N型金氧半導體場效電晶體NMOS4，具有一電連接於該第四及第五電阻R4、R5之共同點的汲極，一電連接於地的源極，以及一電連接到第八及第九電阻R8、R9之共同點的閘極。

其中，該第一參考電壓由該第二、三、四、五電阻R2~R5的電阻值及該第一與第二N型金氧半導體場效電晶體NMOS1、NMOS2的臨界電壓決定，該第二參考電壓由該第六與第七電阻R6、R7的電阻值及該第三N型金氧半導體場效電晶體NMOS3的臨界電壓決定，該第三參考電壓由該第八與第九電阻R8、R7的電阻值及該第四N型金氧半導體場效電晶體NMOS4的臨界電壓決定。

且於本實施例中，第二、三電阻R2、R3的電阻比值分別等同於第四、五電阻R4、R5的電阻比值，而在電晶體NMOS3、NMOS4不導通時，使第三電壓VD大小等於第一電壓VB的大小。

如圖6所示，其中，第一電壓VB、第二電壓VA、第三電壓VD、第四電壓VC分別代表該等電晶體NMOS1、NMOS3、NMOS2、4的控制信號，以下就交流電壓vin為負半週的操作以九個模式討論。

模式一：

整流電壓由零漸增至大於第一參考電壓時，使第一、三電壓VB、VD電壓上升至超過該二電晶體NMOS1、2的臨界電壓，則該二電晶體NMOS1、NMOS2導通，因電晶體NMOS2導通，故電晶體PMOS的源-閘極電壓Vsg2上升，致使電晶體PMOS亦為導通狀態，此時該二發光二極體模組D1、D2視同並聯於整流電路1的第一、二輸出端o1 、o2之間，此時整流電壓未達該二發光二極體模組D1、D2的初始導通電壓，故未有電流流過，待整流電壓漸增至使第一發光二極體模組D1導通則進入模式二。

模式二：

整流電壓漸增至使第一發光二極體模組D1導通，與實施例一之不同處在於此時整流電壓尚不足使第二發光二極體模組D2導通(在本實施例例中假設D2的導通電壓為D1導通電壓的二倍，但不限於此)，故隨交流電壓vin增加亦使I_D1 漸增，待整流電壓增加至大於第二參考電壓使第二電壓VA足夠使得電晶體NMOS3導通則進入模式三。

模式三：

整流電壓增加至使第二電壓VA足夠使得電晶體NMOS3導通，則使得第一電壓VB被拉至地準位，而使得電晶體NMOS1截止，但此時第四電壓VC因分壓比例之關係，尚未足夠使電晶體NMOS4導通，故此時電晶體NMOS2還是導通狀態。此時I_D1 降至為零，待整流電壓足夠導通第二發光二極體模組D2，則進入模式四。

模式四：

整流電壓上升至使第二發光二極體模組D2足夠導通時，則I_D2 上升，待整流電壓增加至大於第三參考電壓使第四電壓VC足夠使得電晶體NMOS4導通則進入模式五。

模式五：

整流電壓增加至使第四電壓VC足夠使得電晶體NMOS4導通，則使得第三電壓VD被拉至地準位，而使得電晶體NMOS2截止，亦使得電晶體PMOS截止。此時I_D2 降至為零，待交流電壓vin足夠使得該二發光二極體模組D1、D2串聯導通則進入模式六。

模式六：

整流電壓上升至足夠使該二發光二極體模組D1、D2串聯導通，則I_D1 及I_D2 隨整流電壓上升而漸增，待整流電壓漸減則I_D1 及I_D2 慢慢降至為零，待整流電壓降至小於第三參考電壓使第四電壓VC低到無法導通電晶體NMOS4則進入模式七。

模式七：

電晶體NMOS4截止則電晶體NMOS2導通，亦使電晶體PMOS導通，此時整流電壓單獨跨在第二發光二極體模組D2上，因此I_D2 驟升，再隨著整流電壓下降而下降，待整流電壓降至小於第二參考電壓使第二電壓VA電壓低於電晶體NMOS3的臨界電壓時則進入模式八。

模式八：

整流電壓降至使第二電壓VA低於電晶體NMOS3的臨界電壓，則電晶體NMOS3截止並且使得電晶體NMOS1導通，此時整流電壓直接跨在第一發光二極體模組D1兩端，I_D2 驟升，而I_D2 隨整流電壓降低而遞減至零。待整流電壓降至小於第一參考電壓使第一、三電壓VB、VD均低於該二電晶體NMOS1、2的臨界電壓時則進入模式九。

模式九：

整流電壓降至使第一、三電壓VB、VD均低於該二電晶體NMOS1、NMOS2的臨界電壓，該二電晶體NMOS1、NMOS2及電晶體PMOS截止，整流電壓亦不足以使得該二第一發光二極體模組D1、D2導通，待整流電壓降至零則負半週動作結束。

當交流電壓vin為正半週時，電路操作原理相同，故不再重述。

如圖7所示，本發明發光二極體驅動裝置之第三較佳實施例，相較於第一較佳實施例，更包含：一第三發光二極體模組D3。

該第三發光二極體模組D3具有一電連接於該整流電路1之第一輸出端o1的第一端，及一電連接於該整流電路1之第二輸出端o2的第二端，且可建立從該第一端到該第二端的電流路徑。

如圖8所示，其中，參數I_D3 代表流經第三發光二極體模組D3的電流，又在本實施例中，該第三發光二極體模組D3開始建立電流路徑的電壓可實質上等於該第一、二發光二極體模組D1、D2串聯建立電流路徑的電壓，但不限於此，更可視應用情況以改變該第三發光二極體模組D3開始建立電流路徑的電壓。

綜上所述，本發明之較佳實施例應用於驅動發光二極體，具有以下優點：

(一)相較於先前技術的LED驅動裝置之電壓偵測電路20，具有架構簡單及設計容易的優點，能降低設計成本。

(二)可在交流電壓vin較低時即可使發光二極體導通，大幅提升利用率。

惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

1．．．整流電路

2．．．控制電路

21．．．控制單元

R1~R9．．．第一~第九電阻

NMOS3．．．電晶體

D1．．．第一發光二極體模組

D．．．二極體模組

D2．．．第二發光二極體模組

Q1、Q2．．．第一、二開關

NMOS1．．．電晶體

NMOS2．．．電晶體

PMOS．．．電晶體

in1、in2．．．輸入端

o1．．．第一輸出端

o2．．．第二輸出端

NMOS4．．．電晶體

圖1是一種習知的電路圖；

圖2是另一種習知的電路圖；

圖3是本發明第一較佳實施例的電路圖；

圖4是該第一較佳實施例的時序圖；

圖5是本發明第二較佳實施例的電路圖；

圖6是該第二較佳實施例的時序圖；

圖7是本發明第三較佳實施例的電路圖；及

圖8是該第三較佳實施例的時序圖。