TWI691235B - 應用在發光二極體照明系統之調光電路 - Google Patents

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Abstract

調光電路應用於包含一電源供應電路和一照明裝置之發光二極體照明系統。電源供應電路可提供一交流電壓，而照明裝置耦接於電源供應電路。調光電路用來在交流電壓之每一週期內依據一調光訊號來調整照明裝置之亮度，其中調光電路之運作並非由照明裝置所導通之一洩流電流來供應。

Description

應用在發光二極體照明系統之調光電路
本發明相關於一種調光電路，尤指一種應用在發光二極體照明系統之調光電路。
可調光發光二極體(light emitting diode,LED)照明系統通常採用包含三端觸發交流(TRIAC)元件之相差調光器(phase-cut dimmer)來調節發光二極體燈具之功率，使其僅會在整流交流電壓(rectified AC voltage)之特定週期發光。不同於雙極性電晶體(bipolar transistor,BJT)和金氧半場效電晶體(metal-oxide-semiconductor field-effect transistor,MOSFET)等開關元件，三端觸發交流元件在被觸發後(當順向電流IF超過栓鎖電流IL時)會被鎖定在導通狀態，直到其順向電流IF小於一最小保持電流IH為止。因此，為了確保三端觸發交流元件維持在導通狀態，至少需要供應最小保持電流IH至三端觸發交流元件。在導通後，LED負載會提供相當大的阻抗，使得輸入電流可能不足以將三端觸發交流元件鎖定在導通狀態。當流經三端觸發交流元件的電流低於最小保持電流IH時，三端觸發交流元件會被重置而過早地關閉相差調光器。因此，LED發光裝置在其發光週期會過早地被關閉，進而造成閃爍(flicker) 或完全故障。
因此，可調光發光二極體照明系統通常會使用洩流(bleeder)電路來提供電壓管理所需的洩流電流，以及避免相差調光器過早地關閉。然而，由於LED燈具需要持續導通以供應洩流電流，如此會增加系統功耗和降低系統效能。此外，LED燈具和相差調光器之運作可能會彼此干擾而造成閃爍，尤其是在調光至低亮度的應用中。目前市面上販售有可調光式LED燈具和不可調光式LED燈具，使用者需挑選正確類型的LED燈具以應用在可調光發光二極體照明系統或不可調光發光二極體照明系統。採用現有技術相差調光器之可調光發光二極體照明系統不應該使用不可調光式LED燈具，因為如此可能會造成明顯閃爍。
本發明提供一種應用於一發光二極體照明系統之調光電路，該發光二極體照明系統包含提供一交流電壓之一電源供應電路和由該交流電壓來驅動之一照明裝置。該調光電路用來在該交流電壓之每一週期內依據一調光訊號來調整該照明裝置之亮度，其中該調光電路之運作並非由該照明裝置所導通之一洩流電流來供應。
10:橋式整流器
20:零交叉偵測電路
30:時序電路
40:閘極驅動器
50:定電流調節器
60:交流/直流轉換器
100:發光二極體照明系統
110:電源供應電路
120:調光電路
130:照明裝置
SW1:開關
SW2:重設開關
R1、R2:電阻
COMP:比較器
Rv:可變電阻
C1:電容
VS:交流電壓
VAC:整流交流電壓
VSENSE:感測電壓
VZC、VPC:參考電壓
V1、V2:電壓
VLED:跨壓
ILED:電流
SDIM:調光訊號
SGATE:致能訊號
SRESET:重設訊號
TON:開啟時段
TPC:相切時段
第1圖為採用本發明實施例中調光電路之發光二極體照明系統之功能方塊圖。
第2圖為本發明實施例中應用在發光二極體照明系統之調光電路實作 方式之示意圖。
第3圖為本發明另一實施例中應用在發光二極體照明系統之調光電路實作方式之示意圖。
第4圖為本發明實施例中第2圖所示調光電路運作時之示意圖。
第5圖為本發明實施例中第3圖所示調光電路運作時之示意圖。
第6圖為本發明另一實施例中應用在發光二極體照明系統之調光電路實作方式之示意圖。
第7圖為本發明另一實施例中應用在發光二極體照明系統之調光電路實作方式之示意圖。
第1圖為採用本發明實施例中一調光電路120之一發光二極體照明系統100之功能方塊圖。發光二極體照明系統100包含一電源供應電路110和一照明裝置130。電源供應電路110可提供一具正負週期之交流電壓VS以驅動調光電路120。然而，電源供應電路110之結構並不限定本發明之範疇。
照明裝置130可包含一個或複數個發光二極體和一驅動器。 照明裝置130可為可調光式LED燈具或不可調光式LED燈具。然而，照明裝置130之結構並不限定本發明之範疇。
調光電路120可依據一調光訊號SDIM來調整照明裝置130之亮度，其中調光訊號SDIM可為一脈衝寬度調變(PWM)訊號、一直流訊號或一積體電路間(I2C)訊號。調光電路120之運作包含將交流電壓VS轉換 成其值隨著時間而有週期性變化之整流交流電壓VAC以驅動照明裝置130、調整照明裝置130上跨壓VLED之相切週期的長度、調整跨壓VLED之準位，或調整流經照明裝置130之電流ILED。在本發明實施例中，由於調光電路120運作所需之電源是由電源供應電路110來供應，照明裝置130並不需要持續導通以供應洩流電流。由於調光電路120之運作和照明裝置130之運作彼此獨立，本發明之調光電路120可應用在所有類型的照明裝置，例如可調光式LED燈具或不可調光式LED燈具，因此具高相容性。
第2圖和第3圖為本發明實施例中應用在發光二極體照明系統100之調光電路120實作方式之示意圖。在此實施例中，調光電路120包含一橋式整流器10、一零交叉(zero-cross)偵測電路20、一時序電路30、一閘極驅動器40，以及一開關SW1。橋式整流器10可將交流電壓AC轉換成其值隨時間變化之一整流交流電壓VAC。零交叉偵測電路20可偵測整流交流電壓VAC之一零交叉電位。時序電路30可依據調光訊號SDIM來決定照明裝置130上跨壓VLED之相切週期長度。閘極驅動器40可依據跨壓VLED之相切週期長度來輸出一致能訊號SGATE。開關SW1可依據致能訊號SGATE來將整流交流電壓VAC供應至照明裝置130，或阻擋整流交流電壓VAC供應至照明裝置130。
在第2圖和第3圖所示之實施例中，零交叉偵測電路20包含電阻R1~R2和一比較器COMP。電阻R1~R2串聯成一分壓電路，用來偵測整流交流電壓VAC之準位並提供相對應之一感測電壓VSENSE。比較器COMP之正輸入端耦接於一預設參考電壓VZC，負輸入端耦接於電阻R1 和R2之間以接收感測電壓VSENSE，而輸出端用來輸出一重設訊號SRESET。在當相關整流交流電壓VAC之感測電壓VSENSE大於由參考電壓VZC所定義之零交叉電位的週期內，比較器COMP會輸出具第一準位之重設訊號SRESET以啟動時序電路30。在當相關整流交流電壓VAC之感測電壓VSENSE不大於由參考電壓VZC所定義之零交叉電位的週期內，比較器COMP會輸出具第二準位之重設訊號SRESET以重設時序電路30。
在第2圖所示之實施例中，時序電路30包含一可變電阻Rv、一電容C1，以及一重設開關SW2，而閘極驅動器40可由比較器來實作。 閘極驅動器40之正輸入端耦接於可變電阻Rv和電容C1，負輸入端耦接於一預設參考電壓VPC，而輸出端用來輸出一致能訊號SGATE。電容C1可透過可變電阻Rv由定電壓V1來充電，進而提供一相對應之電壓V2至閘極驅動器40之正輸入端。當電壓V2不大於相切參考電壓VPC時，閘極驅動器40會輸出具第三準位之致能訊號SGATE，進而關閉開關SW1以阻擋整流交流電壓VAC供應至照明裝置130。當電壓V2大於相切參考電壓VPC時，閘極驅動器40會輸出具第四準位之致能訊號SGATE，進而開啟開關SW1以將整流交流電壓VAC供應至照明裝置130。重設開關SW2之第一端耦接於電容C1之第一端，第二端耦接於電容C1之第二端，而控制端耦接以接收重設訊號SRESET。如前所述，在當相關整流交流電壓VAC之感測電壓VSENSE不大於參考電壓VZC的週期內，重設開關SW2會被具第一準位之重設訊號SRESET所開啟，進而分流電壓V1以使電容C1能放電。在當相關整流交流電壓VAC之感測電壓VSENSE大於參考電壓VZC的週期內，重設開關SW2會被具第二準位之重設訊號SRESET所關閉，進而讓電容C1能被定電壓V1充電。
在第3圖所示之實施例中，時序電路30包含一可變電阻Rv、一電容C1，以及一重設開關SW2，而閘極驅動器40可由比較器來實作。 閘極驅動器40之正輸入端耦接於一預設參考電壓VPC，負輸入端耦接於可變電阻Rv和電容C1，而輸出端用來輸出一致能訊號SGATE。電容C1可透過可變電阻Rv由定電壓V1來充電，進而提供一相對應之電壓V2至閘極驅動器40之負輸入端。當電壓V2不大於相切參考電壓VPC時，閘極驅動器40會輸出具第五準位之致能訊號SGATE，進而開啟開關SW1以將整流交流電壓VAC供應至照明裝置130。當電壓V2大於相切參考電壓VPC時，閘極驅動器40會輸出具第六準位之致能訊號SGATE，進而關閉開關SW1以阻擋整流交流電壓VAC供應至照明裝置130。重設開關SW2之第一端耦接於電容C1之第一端，第二端耦接於電容C1之第二端，而控制端耦接以接收重設訊號SRESET。如前所述，在當相關整流交流電壓VAC之感測電壓VSENSE不大於參考電壓VZC的週期內，重設開關SW2會被具第一準位之重設訊號SRESET所開啟，進而分流電壓V1以使電容C1能放電。在當相關整流交流電壓VAC之感測電壓VSENSE大於參考電壓VZC的週期內，重設開關SW2會被具第二準位之重設訊號SRESET所關閉，進而讓電容C1能被定電壓V1充電。
在第2圖和第3圖所示之實施例中，調光電路120可縮減交流電壓VS的相位以在一週期內的相切時段關閉照明裝置130。更詳細地說，照明裝置130唯有在電壓VLED週期中的開啟時段TON才會被啟動，而在電壓VLED週期中的相切時段TPC則會被關閉。因此，透過調整相切時段TPC的長度即可達成調光運作。
第4圖為本發明實施例中第2圖所示調光電路120運作時之示意圖。第5圖為本發明實施例中第3圖所示調光電路120運作時之示意圖。在第2圖和第4圖所示之實施例中，調光電路120可在整流交流電壓VAC之波形上升邊緣來進行相切調光運作。在第3圖和第5圖所示之實施例中，調光電路120可在整流交流電壓VAC之波形下降邊緣來進行相切調光運作。在發光二極體照明系統100中，相切時段TPC的長度可藉由調整可變電阻Rv之值來加以改變。
第6圖為本發明另一實施例中應用在發光二極體照明系統100之調光電路120實作方式之示意圖。在此實施例中，調光電路120包含一橋式整流器10和一定電流調節器50。橋式整流器10可將交流電壓VS轉換成其值隨時間變化之一整流交流電壓VAC。定電流調節器50可將流經照明裝置130之電流ILED限定在對應調光訊號SDIM之值，其中調光訊號SDIM可為一PWM訊號、一直流訊號或一I2C訊號。因此，透過增加或減少調整流經照明裝置130之電流ILED即可調整照明裝置130之亮度，進而達成調光運作。在另一實施例中，調光電路120另包含一電容，並聯於照明裝置130以更進一步減少閃爍。在另一實施例中，調光電路120另包含一電容，並聯於照明裝置130中之發光裝置(例如一個或複數個發光二極體)以更進一步減少閃爍。
第7圖為本發明另一實施例中應用在發光二極體照明系統100之調光電路120實作方式之示意圖。在此實施例中，調光電路120包含一交流/直流轉換器60。交流/直流轉換器60可將交流電壓VS轉換成 多個直流電壓中對應調光訊號SDIM之一直流電壓，其中調光訊號SDIM可為一PWM訊號、一直流訊號或一I2C訊號。因此，透過調節照明裝置130之跨壓VLED即可調整照明裝置130之亮度，進而達成調光運作。在另一實施例中，調光電路120另包含一電容，並聯於照明裝置130以更進一步減少閃爍。在另一實施例中，調光電路120另包含一電容，並聯於照明裝置130中之發光裝置(例如一個或複數個發光二極體)以更進一步減少閃爍。
綜上所述，本發明提供一種可應用在發光二極體照明系統之調光電路。本發明調光電路之運作和發光二極體照明系統中之照明裝置之運作彼此獨立，所以照明裝置並不需要持續導通以供應洩流電流來維持調光運作。因此，本發明之調光電路可減少系統功耗和改善系統效能，且提供能應用在所有類型照明裝置之高相容性。
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。
100:發光二極體照明系統
110:電源供應電路
120:調光電路
130:照明裝置
VS:交流電壓
VLED:跨壓
ILED:電流
SDIM:調光訊號

Claims (3)

  1. 一種應用於一發光二極體照明系統之調光電路，該發光二極體照明系統包含提供一交流電壓之一電源供應電路和由該交流電壓來驅動之一照明裝置，該調光電路用來在該交流電壓之每一週期內依據一調光訊號來調整該照明裝置之亮度，且包含：一橋式整流器，用來將該交流電壓轉換成一整流交流電壓；一零交叉(zero-cross)偵測電路，用來偵測該整流交流電壓之一零交叉電位；一時序電路，用來依據該調光訊號來決定該照明裝置上一跨壓之一相切週期的長度；一閘極驅動器，用來依據該相切週期之長度來輸出一致能訊號；以及一開關，用來依據該致能訊號來將該整流交流電壓供應至該照明裝置或阻擋該整流交流電壓供應至該照明裝置，其中該調光電路之運作並不需要由該照明裝置所導通之一洩流電流來維持，且該照明裝置在該相切週期內呈關閉。
  2. 如請求項1所述之調光電路，其中：該零交叉偵測電路包含：一第一電阻和一第二電阻，彼此串聯於該整流交流電壓和一偏壓之間；以及一比較器，其包含：一正輸入端，耦接於相關該整流交流電壓之該零交叉電位的一第一參考電壓；一負輸入端，耦接於該第一電阻和該第二電阻之間以接收 一感測電壓；以及一輸出端，用來輸出一重設訊號，該重設訊號之準位相關於該感測電壓和該第一參考電壓之間的關係；該時序電路包含：一可變電阻；一電容，其包含一第一端和一第二端；以及一重設開關，其包含一第一端，耦接於該電容之該第一端；一第二端，耦接於該電容之該第二端；以及一控制端，耦接以接收該重設訊號；且該閘極驅動器包含：一第一輸入端，透過該可變電阻耦接於一第一電壓；一第二輸入端，耦接於一第二參考電壓；以及一輸出端，用來輸出一致能訊號，該致能訊號之準位相關於該第二參考電壓和該閘極驅動器之該第一輸入端上一電壓之間的關係。
  3. 如請求項1所述之調光電路，其另包含一電容，並聯於該照明裝置。
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