CN102548129A - 交流led驱动电路 - Google Patents

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Abstract

本发明是一种交流LED驱动电路，是于一LED单元以一整流电路连接至交流电源而构成的电源回路中，进一步串接有一压控晶体管元及一电流检测单元；其中该电流检测单元是通过一低频滤波器将反应通过LED单元的方波电压讯号处理成平均电压讯号，再输出至一稳流控制单元，由该稳流控制单元与一参考电压比较后，依比较结果控制压控晶体管以调整电源回路的平均电流，令该电源回路的平均电流维持在一稳定值，达到LED单元稳定发光的功效。

Description

交流LED驱动电路
技术领域
本发明是一种LED驱动电路，特别是指交流LED驱动电路。
背景技术
因为发光二极管(LED)具有高发光效率及省电的特性，目前许多灯具的发光源已由发光二极管取代。
相较于传统的白帜灯泡，发光二极管为单向导通的元件，加上发光二极管为直流电压所驱动发光，因此若要将发光二极管应用在交流市电，一般直接的思维会如图6所示，在交流市电(AC/IN)与LED单元20之间电连接一整流器21与一直流转换器(DC-DC converter)22；意即，先由整流器21将交流市电转换为全波直流电源之后，由该直流转换器22将全波直流电源的电压讯号转换为稳定直流电压讯号Vo，以定电压方式直接驱动LED单元20发光。
而上述定电压驱动电路所采用的直流转换器又可概分二种，如图7所示为一种线性直流转换器22’，并用以将输入电压Vi予以降压后稳定输出电压Vo，其主要包含一稳压元件220’、一电压检测单元221’及一稳压控制单元222’；其中该稳压元件220’与电压检测单元221’串接于该整流器21与LED单元20之间以构成一电源回路，该稳压控制单元222’是与该稳压元件220’与该电压检测单元221’连接。该电压检测单元221’可将输出电压Vo耦合到稳压控制单元222’，由于该稳压控制单元222’尚连接有一参考电压Vref，故可判断参考电压Vref与输出电压Vo之间的电压高低；当判断输出电压Vo大于参考电压Vref，代表输出电压Vo过大，则控制调高阻值以降低输出电压Vo，反之，若输出电压Vo小于参考电压Vref，则控制提高输出电压Vo，由此控制输出至LED单元20的输出电压Vo维持定值。
此一作法主要利用电阻性的稳压元件220’，实现降压的目的，但却也将部份输入电源的电能转换成热能，由电源转换效率(Efficiency)的计算公式E＝Po/Pi＝(VoIo)/(ViIi)得知，假设Io＝Ii，电源转换效率可直接由输出电压及输入电压的比值得知：E＝Vo/Vi，端视该线性直流转换器22’所欲输出电压的电压Vo值决定电源转换效率的高低；简言之，若驱动LED单元的电压值愈低则电源转换效率愈差；因此，这种线性直流转换器的电源转换效率是不理想的。
为改善电源转换效率，可采用另一种隔离交换式的电源转换器，请参考图8所示，其主要包含有一变压器(T)，其一次侧通过一主动开关(MOSFET)30及一储能电容C连接至整流器21的输出端，其二次侧电连接一输出电感32与一输出电容33；其中该主动开关30的控制端是由一PWM控制器35控制，且该PWM控制器35是通过一隔离回馈电路34连接至该二次侧的输出电容33，以取得输出电压Vo大小，依据输出电压Vo大小及一参考电压Vref差值，调整控制主动开关30讯号的脉冲宽度，而可稳定输出电压Vo为一定值；由于此一电源转换器主要以变压器(T)实现降压目的，再配合PWM控制器35维持输出电压Vo的稳定，而非采用电阻性稳压元件，电源转换效率能有效提升；然而，此电源转换器却必须使用储能电容C、输出电感32、输出电容33等高频电容，当交流电源输入时会产生虚功，导致功率因数(Power factor)低落，故此类电源转换器为提升功率因数，必须在前级电路额外设置一功率因数校正器37以提升功率因数；但是，如此一来，即使得整体电路变得复杂且尺寸更大，无法应用于如小型交流LED灯泡。
虽然通过隔离交换式转换器可有效改善电源转换效率与功率因数，但是其由变压器(T)、输出电感32、输出电容33、储能电容C及功率因数校正器37等电子元件构成，其所使用的电子元件多且杂，导致欲构成一转换器需支出更高的成本，尤其输出电感32与输出电容33是使用大容量，而无法满足转换器体积小型化的需求；此外，输出电感32与变压器(T)动作时会在其附近区域产生磁场，是难以避免电磁干扰(EMI)的情况。
一般LED单元常见驱动电路诚如前揭内容，主要配合LED元件直流电压驱动特性，将交流电源转换为稳定直流电压予LED单元进行点亮；如此即因不同电源电路架构产生上述技术上缺点；因此，另一种定电流驱动方式驱动LED单元亦被提出；请参考图9所示，尚有一种低压降线性稳压(LDO)电路4被应用在直流LED装置，是由一LED单元40、一压控晶体管41及一分压电路42构成一电源回路，再由一比较器43控制该压控晶体管41控制端电压，其中该比较器43是依据分压电路42反应电源回路的直流电流的电压，配合一参考电压Vref进行比较后，调整输出至压控晶体管41控制端的电压大小，从而调整压控晶体管41的导通电流IDS(即电源回路的电流)，同样使得LED单元40稳定发光。
上述低压降线性稳压电路4所采元件均为直流低压元件，因此仅能应用于直流LED装置中，无法适用于交流LED装置，除非在LED单元40前级再串接一整流器44与如前揭示的电源转换器，然而如一来则难以避免如前揭示电源转换器的技术缺陷。
综上所述，目前定电压及定电流驱动应用于交流LED装置均有其技术缺陷，有待提出更佳的解决方案。
发明内容
因此本发明的主要目的是提供一种不采用大电感器、大电容器等电子元件，且能实现高效能交流LED驱动电路，令发光二极管稳定发光。
为达前揭目的，本发明所采用的技术手段是提供一种交流LED驱动电路，其包含有：
一整流单元，其输入端连接一交流电源并将交流电源转换为一直流弦波电源，并由其输出端输出；
一LED单元，是包含多个LED光源，并电连接至该整流单元以构成一电源回路；
一压控晶体管，是串接于该电源回路中且具有一控制端，以调整电源回路的平均电流大小；
一电流检测单元，是串接于该电源回路中，以反应流经该LED单元的直流弦波后所转变成的方波电压讯号；
一低频滤波器，是电连接该电流检测单元，根据方波电压讯号而输出一平均电压讯号；
一稳流控制单元，其一输入端电连接该低频滤波器以接收平均电压讯号，而另一输入端则连接至一参考电压，又其输出端是连接至该压控晶体管的控制端；其中该稳流控制单元经比较该平均电压讯号及参考电压大小，并依据比较结果输出控制讯号予该压控晶体管，令电源回路维持稳定的平均电流。
因本发明中的LED单元是直接接收整流单元输出的直流弦波电压而被驱动发光，并非采用直流电压驱动，无须另外设置直流转换器，且通过低频滤波器的设置，是即时地检测代表电源回路电流的方波电压讯号并对应输出平均电压讯号，再交由稳流控制单元进行判断与控制，使压控晶体管对应调整电源回路的平均电流大小，以供LED单元可稳定发光。
本发明是由交流电源直接驱动，不需使用任何变压器、大电容器与大电感器等电子元件，故不会有功率因数低落的问题，而不须额外设置功率因数校正器，是大幅减少本发明所使用的电子元件及体积，满足交流LED驱动电路小型化的需求。
附图说明
图1为本发明的较佳实施例电路示意图。
图2～图3为发光二极管连接示意图。
图4为金氧半场效晶体管电流波形示意图。
图5A为图1的整流单元输出电压波形示意图。
图5B为图1的电阻端电压波形示意图。
图6为由交流市电驱动LED单元发光的电路方块图。
图7为现有线性直流-直流转换器电路示意图。
图8为现有隔离交换式的转换器电路示意图。
图9为现有低压降线性稳压电路示意图。
附图标记说明：10-整流单元；11-LED单元；12-压控晶体管；13-电流检测单元；14-低频滤波器；15-稳流控制单元；131-电阻；20-LED单元；21-整流器；22-直流转换器；22’-线性直流转换器；220’-稳压元件；221’-电压检测单元；222’-稳压控制单元；T-变压器；C-储能电容；30-主动开关；32-输出电感；33-输出电容；34-回馈电路；35-PWM控制器；37-功率因数校正器；40-LED单元；41-压控晶体管；42-分压电路；420-电阻；43-比较器；44-整流器。
具体实施方式
请参考图1所示，是本发明的较佳实例，本发明包含有一整流单元10、一LED单元11、一压控晶体管12、一电流检测单元13、一低频滤波器14以及一稳流控制单元15。
该整流单元10具有一输入端与一输出端，其输入端连接交流电源，并将交流电源转换为一直流弦波电源后由其输出端输出；该整流单元10可为全波整流器或半波整流器，本实施例中是一全波整流器，用以输出一全波直流电源；亦或可为一半波整流器。
该LED单元11包含多个LED光源，并连接至该直流弦波电源以构成一电源回路；请参考图2与图3所示的LED光源示意图，多个LED光源可串接成多个LED灯串，再相互并联，其中亦可依设计的驱动电压，调整LED灯串的LED光源数量；如图2所示，若以单一LED光源的顺向导通电压为3.3V举例说明，若一LED单元11包含有六个彼此并联的LED灯串，每一LED灯串包含十个LED光源，故须施加驱动电压33V以点亮该LED灯串；请参考图3所示的另一连接方式，是包含两个彼此并联的LED灯串，每一LED灯串包含三十个LED光源，故须施加驱动电压99V以点亮该LED灯串。相较起来，欲达相同的发光亮度，并参照前揭简化的电源转换效率的计算公式E＝Vo/Vi，因后者的驱动电压需要较高，故后者可提升LED驱动电路整体的电源转换效率。
该压控晶体管12是串接于该LED单元11及整流单元10构成的电源回路中，且具一控制端，该压控晶体管12用于调整电源回路的电流大小；压控晶体管12可为金氧半场效晶体管(MOSFET)、结型场效晶体管(JFET)或绝缘栅双极晶体管(IGBT)等；在本实施例中，该压控晶体管12系一金氧半场效晶体管(MOSFET)，其是利用漏极(Drain)及源极(Source)串接在该电源回路中，且由栅极(Gate)作为该控制端。请参考图4所示，将金氧半场效晶体管(MOSFET)操作在饱和区，且通过控制栅极(Gate)与源极(Drain)之间的电压VGS大小，即可调整通过漏极(Drain)与源极(Source)的电流IDS大小。
该电流检测单元13是串接于该LED单元11及整流单元10构成的电源回路中，请参考图1所示，该电流检测单元13可为一电阻131或由电阻构成的分压电路；请对照图5A所示整流单元10输出电压V1波形与图5B所示电阻131端电压V2波形，整流单元10输出的全波电压波形通过LED单元11后形成方波电流讯号，而通过电阻131的端电压V2即可以电压形式反应出此方波电流讯号，即可由电阻131上取得反应电源回路的电流讯号的方波电压讯号。
该低频滤波器14是电连接该电流检测单元13，其中该低频滤波器14可为数字滤波器或为由电容、电感构成的模拟滤波器；该低频滤波器14接收该方波电压讯号，本实施例中该数字低频滤波器14为一降频Sinc滤波器(DownsampledSinc Filter)，是将接收的方波电压讯号经过取样(over sampling)及讯号转换后即时输出一平均电压讯号，以反应电源回路上的平均电流讯号，再由一输出端输出该平均电压讯号。
该稳流控制单元15的一输入端电连接该低频滤波器14以接收平均电压讯号，而另一输入端则连接至一对应电源回路所欲稳定的平均电流值的参考电压Vref，又其一输出端电连接至该压控晶体管12的控制端以对该控制端输出控制讯号。
由此，该稳流控制单元15可进行比较所接收的平均电压讯号及该参考电压Vref的电压差值，对应调整输出到压控晶体管12的控制讯号；若该平均电压讯号大于该参考电压Vref，代表通过LED单元11的平均电流相对较大，则输出一控制讯号至该压控晶体管12以降低栅极与源极间的电压VGS，而令压控晶体管12的输出电流IDS变小，从而降低电源回路的平均电流值；反之，若该平均电压讯号小于该参考电压Vref，代表通过LED单元11的平均电流相对较小，则提高压控晶体管12输出电流。如此即时性地侦测并对应调整电源回路的平均电流大小，令电源回路的平均电流得以维持稳定，而适用于交流LED单元。
以频率为60Hz的交流电源而言，其通过全波整流单元10成为频率120Hz的全波直流电压，利用此全波直流电压驱动LED单元11时，若瞬间的电压小于LED单元11的驱动电压时，会使LED单元11熄灭而导致LED单元11闪烁的情况，但闪烁的频率并非肉眼可以辨识。又，在一电压周期中，若点亮LED单元11的时间越长，即通过LED单元11的平均电流越高，将使LED单元11发出越亮的亮度；反之，若点亮LED单元11的时间越短，即通过LED单元11的平均电流越低，导致LED单元11发出较低的亮度。
因此，本发明通过该低频滤波器14的设置，是可接收在电流检测单元13上反应出的方波电压讯号，并进一步将该方波电压讯号转换为平均电压讯号之后，输出至该稳流控制单元15，由该稳流控制单元15负责比较平均电压讯号与参考电压之间的差异，从而使电源回路维持在一稳定的平均电流，令LED单元亮度稳定。
本发明可直接由交流电源驱动，故不再设置交换式电源供应器，不会有大电容以及大电感或其他电子元件在先前技术的衍生问题。

Claims (7)

1.一种交流LED驱动电路，其特征在于，其包含有：
一整流单元，其输入端连接一交流电源并将交流电源转换为一直流弦波电源，并由其输出端输出；
一LED单元，是包含多个LED光源，并电连接至该整流单元以构成一电源回路；
一压控晶体管，是串接于该电源回路中且具有一控制端，以调整电源回路的平均电流大小；
一电流检测单元，是串接于该电源回路中，以反应流经该LED单元的直流弦波电源后所转变成的方波电流讯号；
一低频滤波器，是电连接该电流检测单元，根据方波电流讯号而输出一平均电流讯号；
一稳流控制单元，其一输入端电连接该低频滤波器以接收平均电流讯号，而另一输入端则连接至一平均电流参考讯号，又其输出端是连接至该压控晶体管的控制端；其中该稳流控制单元经比较该平均电流讯号及平均电流参考讯号大小，并依据比较结果输出控制讯号予该压控晶体管，令电源回路维持稳定的平均电流。
2.根据权利要求1所述的交流LED驱动电路，其特征在于，该电流检测单元包含有一电阻，该电阻是反应该方波电流讯号为一方波电压讯号，经该低频滤波器输出一平均电压讯号，且该平均电流参考讯号为一参考电压讯号，供该稳流控制单元比较平均电压讯号及参考电压讯号，调整该压控晶体管的偏压大小。
3.根据权利要求1或2所述的交流LED驱动电路，其特征在于，该低频滤波器是一数字滤波器。
4.根据权利要求3所述的交流LED驱动电路，其特征在于，该数字滤波器为降频Sinc滤波器。
5.根据权利要求1或2所述的交流LED驱动电路，其特征在于，该低频滤波器是一模拟滤波器。
6.根据权利要求4所述的交流LED驱动电路，其特征在于，该压控晶体管是一金氧半场效晶体管，其漏极与源极串接在该电源回路中，其栅极作为该控制端。
7.根据权利要求1或2所述的交流LED驱动电路，其特征在于，该压控晶体管是一金氧半场效晶体管，其漏极与源极串接在该电源回路中，其栅极作为该控制端。
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