CN102118902A - 电源供应系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

一种适用于发光二极管的电源供应系统及其控制方法。上述电源供应系统通过微控制器调整发光驱动电路的直流驱动电压，以使发光驱动电路的开关元件的两端的压降被控制在适当值。

Description

电源供应系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种电源供应系统及其控制方法，且特别涉及一种适用于发光二极管的电源供应系统及其控制方法。

背景技术

发光二极管由于具有耗电量低、发光效率高以及使用寿命长等优点，加上近来制造技术的进步，发光二极管的发光亮度更甚于以往，且生产成本亦逐渐降低，有着逐步取代传统灯泡或日光灯的态势。

参考图1和图2，图1为现有低电压电源供应器(Low Voltage PowerSupply；LVPS)100的功能框图，图2为现有电源供应系统200的功能框图。低电压电源供应器100用以产生并提供直流驱动电压V_LED至发光二极管240，以使发光二极管240发光。低电压电源供应器100包括交流电源(AC)110、功率因素校正器(Power Factor Corrector；PFC)120、变压器130以及直流转换器140。交流电源110提供交流电压至功率因素校正器120。其中，交流电源110所提供的交流电压的范围例如是90～260伏特。功率因素校正器120将交流电源110所提供的交流电压提升至380伏特，再输出至变压器130。变压器130将380伏特的交流电压转换成15伏特的直流电压，并将15伏特的直流电压的输出至直流转换器140。直流转换器140将15伏特的直流电压转换成多个直流电压，且直流转换器140所输出的直流电压包括4伏特、6伏特、12伏特以及5伏特的直流电压。在先前技术中，直流转换器140所输出的4伏特和6伏特的电压可用来作为电源供应系统200的发光二极管240的直流驱动电压V_LED。

电源供应系统200包括逻辑控制单元210、数字模拟转换器(Digital-to-Analog Converter；DAC)220、电压控制器230、电阻R1、电阻R2、发光二极管240以及晶体管250。逻辑控制单元210耦接数字模拟转换器220，以使数字模拟转换器220依据逻辑控制单元210的控制信号控制电压控制器230的输出电压，进而控制晶体管250的开启和关闭。藉由控制晶体管250的开启和关闭，电压控制器230可控制通过晶体管250的电流，进而控制电阻R2两端的压降V_S。发光二极管240的正极耦接直流驱动电压V_LED，发光二极管240的负极耦接晶体管250的漏极和源极的其中一极，晶体管250的漏极和源极的其中另一极耦接电阻R2的一端，且电阻R2的另一端耦接至接地端GND。

为方便说明，在此定义发光二极管240两端的压降为第一压降V_f，晶体管250两端的压降为第二压降V_line，且电阻R2两端的压降为第三压降V_S。电阻R2的一端耦接至电压控制器230，且使第三压降V_S反馈至电压控制器230，以使电压控制器230得以判断第三压降V_S与数字模拟转换器220所设定的电压之间的差距，并藉此将第三压降V_S调整至数字模拟转换器220所设定的电压。当第三压降V_S小于数字模拟转换器220所设定的电压时，电压控制器230控制晶体管250开启；然而，当第三压降V_S大于数字模拟转换器220所设定的电压时，电压控制器230控制晶体管250暂时地关闭，以使第三压降V_S大致维持在数字模拟转换器220所设定的电压。第三压降V_S大致维持在固定电压的结果，会使流经电阻R2的电流大致固定，进而使得发光二极管240的亮度也被固定。

当发光二极管240发光时，直流驱动电压V_LED等于第一压降V_f、第二压降V_line和第三压降V_S的总和，其中第一压降V_f等于发光二极管240的正向偏压(forward voltage)。然而，因工艺上的误差和漂移，发光二极管的正向偏压并非每一个都相同，且对正向偏压较低的发光二极管而言，正向偏压较低的发光二极管将导致所耦接的晶体管250的消耗功率较大。以红光的发光二极管为例，红光的发光二极管的正向偏压的范围为2.2伏特～3.8伏特。假设直流驱动电压V_LED等于4.6伏特，且第三压降V_S等于0.3伏特时，倘若发光二极管240的正向偏压(即V_f)等于3.8伏特，晶体管250两端的第二压降V_line会等于0.5伏特；然而，倘若发光二极管240的正向偏压(即V_f)等于2.8伏特，晶体管250两端的第二压降V_line会等于1.5伏特。当流经电阻R2的电流被设计为30安培时，在上述两种不同的发光二极管240的正向偏压的条件下，晶体管250的消耗功率会相差30瓦特(注：ΔP＝I×ΔV＝30安培×1伏特)。因晶体管250所多出来的消耗功率会被转换成热能，故不但会造成能源的浪费，亦会使电源供应系统200的散热设计徒增许多困难。

在相关技术领域的其它先前技术中，中国台湾专利公开号200629967揭露一种LED数组驱动装置以及使用所述LED数组驱动装置的背光驱动装置。中国台湾专利公开号200822803揭露一种LED驱动器，LED驱动器的PWM产生/控制逻辑可对电子元件进行反馈控制。此外，中国台湾专利公开号200849781揭露一种可减缓突波的电源供应器的反馈控制电路。

发明内容

本发明提出一种电源供应系统，适用于发光二极管。藉由检测发光驱动电路的至少一元件的两端压降，调整其直流驱动电压，以避免电能无谓的消耗。

本发明提出一种电源供应系统的控制方法。上述电源供应系统适用于驱动发光二极管。上述控制方法藉由检测发光驱动电路的至少一元件的两端压降，调整用以驱动上述发光二极管发光的直流驱动电压，以避免电能无谓的消耗。

本发明的其它目的和优点可以从本发明所揭露的技术特征中得到进一步的了解。

为达上述的一或部分或全部目的或是其它目的，本发明的一实施例提供一种适用于发光二极管的电源供应系统。电源供应系统包括直流转换器、微控制器以及发光驱动电路。直流转换器适于将直流输入电压转换成直流驱动电压，且直流输入电压的电压值不同于直流驱动电压的电压值。微控制器耦接直流转换器和发光驱动电路。发光驱动电路包括发光二极管、开关元件以及电阻。发光二极管的两端的压降为第一压降，开关元件的两端的压降为第二压降，且电阻的两端的压降为第三压降。微控制器适于检测第一压降、第二压降以及第三压降当中的至少之一，并适于依据所检测的压降控制直流转换器，以调整直流驱动电压，进而使第二压降等于默认值。

本发明的一实施例提供一种电源供应系统的控制方法。电源供应系统适用于发光二极管。控制方法包括藉由电源供应系统的直流转换器，将直流输入电压转换成直流驱动电压。其中，直流输入电压的电压值不同于直流驱动电压的电压值。控制方法还包括将直流驱动电压施加在电源供应系统的发光驱动电路。其中，发光驱动电路包括发光二极管、开关元件以及电阻。发光二极管的两端的压降为第一压降，开关元件的两端的压降为第二压降，且电阻的两端的压降为第三压降。控制方法还包括藉由电源供应系统的微控制器检测第一压降、第二压降以及第三压降当中的至少之一。控制方法还包括藉由微控制器，依据所检测的压降控制直流转换器，调整直流驱动电压，进而使第二压降等于默认值。

在本发明的一实施例中，发光二极管、开关元件以及电阻彼此串联。

在本发明的一实施例中，开关元件耦接于发光二极管与电阻之间。

在本发明的一实施例中，发光二极管耦接于开关元件与电阻之间。

在本发明的一实施例中，微控制器包括逻辑控制单元、数字模拟转换器以及电压控制器。逻辑控制单元耦接发光驱动电路以及直流转换器，适于检测第一压降、第二压降以及第三压降当中的至少之一，并适于依据所检测的压降产生数字控制信号以及调控信号。直流转换器适于依据调控信号调整直流驱动电压。数字模拟转换器耦接于逻辑控制单元，适于将数字控制信号转换为模拟控制信号。电压控制器耦接于数字模拟转换器，适于依据模拟控制信号，控制第三压降等于一固定压降。

在本发明的一实施例中，电压控制器为脉宽调制器。

在本发明的一实施例中，开关元件为晶体管。

本发明的实施例至少具有以下其中一个优点，本发明的上述实施例的电源供应系统通过微控制器设定发光驱动电路的直流驱动电压，以使发光驱动电路的开关元件的两端的压降被控制在适当值。如此，当发光驱动电路的发光二极管工作时，开关元件的消耗功率即可被控制，而不致有多余且不必要的能源耗损因过大的开关元件的两端压降而产生。

为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举多个实施例，并结合，作详细说明如下。

附图说明

图1为现有低电压电源供应器的功能框图；

图2为现有电源供应系统的功能框图；

图3为本发明一实施例的电源供应系统的功能框图；

图4至图6分别为本发明不同实施例的电源供应系统的功能框图；

图7为本发明一实施例的调整及设定直流驱动电压的流程图；

图8为直流驱动电压与第三压降的关系图。

具体实施方式

有关本发明的前述及其它技术内容、特点与功效，在以下结合附图的一优选实施例的详细说明中，将可清楚的呈现。以下实施例中所提到的方向用语，例如：上、下、左、右、前或后等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明。此外，附图中以相同标号所标示的元件，指同样或相似的元件。

参考图3，图3为本发明一实施例的电源供应系统300的功能框图。电源供应系统300，适用于发光二极管332，并具有直流转换器310、微控制器320以及发光驱动电路330。

直流转换器310类似于图1中的直流转换器140，且适于将直流输入电压V_in转换成直流驱动电压V_LED，其中直流输入电压V_in的电压值不同于直流驱动电压V_LED的电压值。举例来说，在本发明一实施例中，直流输入电压V_in的电压值为15伏特，且直流驱动电压V_LED的电压值范围可为3伏特～8伏特，然本发明并不以此为限。直流转换器310与直流转换器140的不同处在于，直流转换器310受微控制器320的控制，以使得直流转换器310所输出的直流驱动电压V_LED得以在预定范围内被调整，以使发光驱动电路330得以被适当的直流驱动电压V_LED所驱动。

发光驱动电路330耦接直流转换器310和微控制器320，且发光驱动电路330具有发光二极管332、开关元件334以及电阻Rb。发光二极管332、开关元件334以及电阻Rb彼此串联。在本实施例中，开关元件334耦接于发光二极管332与电阻Rb之间；且在本发明一实施例中，发光二极管332可耦接于开关元件334与电阻Rb之间。此外，在本发明的一实施例中，开关元件334为一个晶体管。

以下为方便说明，同样地定义发光二极管332两端的压降为第一压降V_f，晶体管334两端的压降为第二压降V_line，且电阻Rb两端的压降为第三压降V_S。

未避免因发光二极管332的正向偏压的不同，因此造成有些电源供应系统300的消耗功率过大，所以在每个电源供应系统300出厂前，可通过电源供应系统300的微控制器320将直流驱动电压V_LED设定在一最佳值。如图3所示，微控制器320耦接直流转换器310和发光驱动电路330，适于依据发光驱动电路330的反馈信号V_R，产生用以控制直流转换器310的调控信号S_C，以调整直流驱动电压V_LED至最佳值。其中，当所述直流驱动电压V_LED被调整至最佳值时，意即当发光驱动电路330以上述直流驱动电压V_LED的最佳值驱动时，晶体管334的第二压降V_line会等于默认值，上述默认值小于使发光二极管332以正常亮度发光的情况下的其它数值的第二压降V_line，意即当第二压降V_line等于默认值时，相较于在使发光二极管332以正常亮度发光的情况下的其它数值的第二压降V_line，开关元件334的消耗功率会是最小，进而节省发光驱动电路330整体的能源消耗。

详言之，微控制器320适于检测第一压降V_f、第二压降V_line以及第三压降V_S当中的至少之一，并适于依据所检测的压降控制直流转换器310，以调整直流驱动电压V_LED至上述的最佳值，进而使第二压降V_line等于上述的默认值。

在本发明一实施例中，微控制器320包括逻辑控制单元322、数字模拟转换器324和电压控制器326。逻辑控制单元322耦接发光驱动电路330以及直流转换器310，并适于检测第一压降V_f、第二压降V_line以及第三压降V_S当中的至少之一。之后，逻辑控制单元322适于依据所检测的压降，产生数字控制信号S_D以及调控信号S_C。直流转换器310适于依据调控信号S_C，将直流驱动电压V_LED调整至上述的最佳值。数字模拟转换器324耦接于逻辑控制单元322，数字模拟转换器324适于将数字控制信号S_D转换成模拟控制信号S_A。电压控制器326耦接于数字模拟转换器324，并通过电阻Ra耦接于开关元件334。电压控制器326适于依据模拟控制信号S_A，控制第三压降V_S等于固定压降。其中，当第三压降V_S经控制而等于固定压降时，因电阻Rb的电阻值是固定的，故流经电阻Rb的电流会被固定。此时，因流经发光二极管332和电阻Rb的电流大致相等，故当流经电阻Rb的电流被固定后，发光二极管332的亮度可被固定。

在本发明一实施例中，电压控制器326为脉宽调制器(Pulse WidthModulator；PWM)，用以控制开关元件334的开启和关闭的时间，以使电阻Rb的第三压降V_S可以经控制而等于固定压降。电阻Rb的一端耦接至电压控制器326，且使第三压降V_S反馈至电压控制器326，进而使电压控制器326得以判断第三压降V_S与固定压降之间的差距，并藉此将第三压降V_S调整至固定压降。当第三压降V_S小于固定压降时，电压控制器326控制开关元件334开启；且当第三压降V_S大于固定压降时，电压控制器326控制开关元件334暂时地关闭，以使第三压降V_S可维持在固定压降。

参考图4至图6，图4为本发明一实施例电源供应系统400的功能框图，图5为本发明一实施例电源供应系统500的功能框图，且图6为本发明一实施例电源供应系统600的功能框图。每一个电源供应系统400、500和600皆与电源供应系统300一样，具有直流转换器310、微控制器320以及发光驱动电路330。其中，微控制器320包括逻辑控制单元322、数字模拟转换器324和电压控制器326。上述各元件的功能在上述说明中已经阐述过，故此不再赘述。

在图4的实施例中，逻辑控制单元322耦接于开关元件334和电阻Rb之间的节点，以检测第三压降V_S，并依据所检测的第三压降V_S控制直流转换器310，以调整直流驱动电压V_LED。

在图5的实施例中，逻辑控制单元322耦接于发光二极管332和开关元件334之间的节点，并耦接于开关元件334和电阻Rb之间的节点，以检测电压V_A和第三压降V_S。之后，逻辑控制单元322再依据所检测到的电压V_A和第三压降V_S，判断第二压降V_line的值，并依据第二压降V_line控制直流转换器310，以调整直流驱动电压V_LED。

在图6的实施例中，逻辑控制单元322耦接于发光二极管332的正极，并耦接于发光二极管332和开关元件334之间的节点，以检测直流驱动电压V_LED和电压V_A。之后，逻辑控制单元322再依据所检测到的直流驱动电压V_LED和电压V_A，判断第一压降V_f的值，并依据第一压降V_f控制直流转换器310，以调整直流驱动电压V_LED。

请参考图7和图8，图7为本发明一实施例的调整及设定直流驱动电压V_LED的流程图，图8为直流驱动电压V_LED与第三压降V_S的关系图。其中，曲线810用以表示直流驱动电压V_LED，且曲线820用以表示第三压降V_S。在步骤S702中，微控制器320会将直流驱动电压V_LED设定在系统最大值V_MAX，以使发光驱动电路330由系统最大值V_MAX所驱动。其中，上述的系统最大值V_MAX为直流转换器310所能提供的输出直流电压的上限。

之后，微控制器320在步骤S704中，检测第一压降V_f、第二压降V_line和第三压降V_S当中的至少之一，并在步骤S706中，判断所检测的压降是否等于对应的设计值。以微控制器320所检测的压降为第三压降V_S为例，微控制器320在步骤S706中会判断所检测到的第三压降V_S是否等于电压V_DAC。在本实施例中，第三压降V_S对应的设计值为电压V_DAC，且电压V_DAC为上述的固定压降。一方面，在步骤S706中，当微控制器320判断出所检测到的第三压降V_S等于固定压降V_DAC后，会进行步骤S708，以调降直流驱动电压V_LED，并重复步骤S706。另一方面，倘若在步骤S706中，微控制器320判断出所检测到的第三压降V_S不等于固定压降V_DAC，即表示调降后的第三压降V_S开始偏离固定压降V_DAC，亦表示此时的直流驱动电压V_LED等于上述的最佳值(即图中的V_SET)，可使开关元件334不致消耗不必要的电能，进而节省发光驱动电路的能源消耗。在步骤S708中，每次调整直流驱动电压V_LED的比例不大，例如在本发明一实施例的步骤S708中，直流驱动电压V_LED每次会被调降1毫伏特(mV)。

由图7、图8以及上述说明可知，上述流程的目的在于找出直流驱动电压V_LED的最佳值V_SET。其中，在本发明一实施例中，上述的最佳值V_SET会对应至第三压降V_S开始从固定压降V_DAC往下降的转折点。因此，在本发明一实施例中，即可藉由判断第三压降V_S开始从固定压降V_DAC往下降的转折点，来将直流驱动电压V_LED设定在最佳值V_SET。此外，在图7的流程中，虽然直流驱动电压V_LED一开始即被设定为系统最大值V_MAX，之后再于步骤S708中逐次地调降至最佳值V_SET，但本发明并不以此为限。例如，在本发明的一实施例中，可一开始将直流驱动电压V_LED设定为小于最佳值V_SET的值(例如：零伏特)，之后再逐次地将直流驱动电压V_LED调升至最佳值V_SET。

综上所述，本发明的实施例至少具有以下其中一个优点，本发明的上述实施例的电源供应系统通过微控制器设定发光驱动电路的直流驱动电压，以使发光驱动电路的开关元件的两端的压降被控制在适当值。如此，当发光驱动电路的发光二极管工作时，上述的开关元件的消耗功率可被控制，而不致有多余且不必要的能源耗损因过大的开关元件的两端压降而产生。

以上所述，仅为本发明的优选实施例而已，当不能以此限定本发明实施的范围，即大凡依本发明权利要求书及说明书所作的简单的等效变化与修饰，皆仍属本发明专利涵盖的范围内。另外本发明的任一实施例或权利要求不须达成本发明所揭露的全部目的或优点或特点。此外，摘要部分和标题仅是用来辅助专利文件搜寻之用，并非用来限制本发明的权利范围。

Claims (14)

1.一种电源供应系统，适用于发光二极管，所述电源供应系统包括：

直流转换器，适于将直流输入电压转换成直流驱动电压，所述直流输入电压的电压值不同于所述直流驱动电压的电压值；

微控制器，耦接所述直流转换器；以及

发光驱动电路，耦接所述微控制器，所述发光驱动电路包括所述发光二极管、开关元件以及电阻；

其中所述发光二极管的两端的压降为第一压降，所述开关元件的两端的压降为第二压降，所述电阻的两端的压降为第三压降，所述微控制器适于检测所述第一压降、所述第二压降以及所述第三压降当中的至少之一，并适于依据所检测的压降控制所述直流转换器，以调整所述直流驱动电压，进而使所述第二压降等于默认值。

2.如权利要求1所述的电源供应系统，其中所述发光二极管、所述开关元件以及所述电阻彼此串联。

3.如权利要求2所述的电源供应系统，其中所述开关元件耦接于所述发光二极管与所述电阻之间。

4.如权利要求2所述的电源供应系统，其中所述发光二极管耦接于所述开关元件与所述电阻之间。

5.如权利要求1所述的电源供应系统，其中所述微控制器包括：

逻辑控制单元，耦接所述发光驱动电路以及所述直流转换器，所述逻辑控制单元适于检测所述第一压降、所述第二压降以及所述第三压降当中的至少之一，并适于依据所检测的压降产生数字控制信号以及调控信号，所述直流转换器适于依据所述调控信号调整所述直流驱动电压；

数字模拟转换器，耦接于所述逻辑控制单元，且适于将所述数字控制信号转换为模拟控制信号；以及

电压控制器，耦接于所述数字模拟转换器，且适于依据所述模拟控制信号，控制所述第三压降等于固定压降。

6.如权利要求5所述的电源供应系统，其中所述电压控制器为脉宽调制器。

7.如权利要求1所述的电源供应系统，其中所述开关元件为晶体管。

8.一种电源供应系统的控制方法，所述电源供应系统适用于发光二极管，所述控制方法包括：

藉由所述电源供应系统的直流转换器，将直流输入电压转换成直流驱动电压，其中所述直流输入电压的电压值不同于所述直流驱动电压的电压值；

将所述直流驱动电压施加于所述电源供应系统的发光驱动电路，其中所述发光驱动电路包括所述发光二极管、开关元件以及电阻，所述发光二极管的两端的压降为第一压降，所述开关元件的两端的压降为第二压降，所述电阻的两端的压降为第三压降；

藉由所述电源供应系统的微控制器，检测所述第一压降、所述第二压降以及所述第三压降当中的至少之一；以及

藉由所述微控制器，依据所检测的压降控制所述直流转换器，调整所述直流驱动电压，进而使所述第二压降等于默认值。

9.如权利要求8所述的控制方法，其中所述发光二极管、所述开关元件以及所述电阻彼此串联。

10.如权利要求9所述的控制方法，其中所述开关元件耦接于所述发光二极管与所述电阻之间。

11.如权利要求9所述的控制方法，其中所述发光二极管耦接于所述开关元件与所述电阻之间。

12.如权利要求8所述的控制方法，其中所述微控制器包括：

逻辑控制单元，耦接所述发光驱动电路以及所述直流转换器，所述逻辑控制单元适于检测所述第一压降、所述第二压降以及所述第三压降当中的至少之一，并适于依据所检测的压降产生数字控制信号以及调控信号，所述直流转换器适于依据所述调控信号调整所述直流驱动电压；

数字模拟转换器，耦接于所述逻辑控制单元，且适于将所述数字控制信号转换为模拟控制信号；以及

电压控制器，耦接于所述数字模拟转换器，且适于依据所述模拟控制信号，控制所述第三压降等于固定压降。

13.如权利要求12所述的控制方法，其中所述电压控制器为脉宽调制器。

14.如权利要求8所述的控制方法，其中所述开关元件为晶体管。

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