CN103220845A

CN103220845A - 可调整工作电压范围的交流led驱动电路

Info

Publication number: CN103220845A
Application number: CN2013100138750A
Authority: CN
Inventors: 潘政宏
Original assignee: Luxul Technology Inc
Current assignee: Luxul Technology Inc
Priority date: 2012-01-20
Filing date: 2013-01-15
Publication date: 2013-07-24
Also published as: US8847510B2; US20130187549A1

Abstract

本发明是一种可调整工作电压范围的交流LED驱动电路，包含有由一整流单元、一LED单元、一压控晶体管、一电流检测单元及一稳流控制单元所组成的电源回路，以及并联于所述压控晶体管上的一可变电阻值单元，本发明利用所述稳流控制单元检测所述压控晶体管本身所消耗的工作功率，若消耗的工作功率为零则提高所述可变电阻值单元的电阻值，进而增加通过所述压控晶体管的电流；若大于所述压控晶体管本身的最大额定功率，则降低所述可变电阻值单元的电阻值，进而减少流经所述压控晶体管的电流，使其工作功率均保持在零值以上及最大额定功率以下。

Description

可调整工作电压范围的交流LED驱动电路

技术领域

本发明是关于一种交流LED驱动电路，特别是指一种适用在高压电源中的可调整工作电压范围的交流LED驱动电路。

背景技术

发光二极管（LED）为目前市面上常见的照明用具，相较于传统白炽灯泡更具有高发光效率及省电的特性，然而由于发光二极管本身仅能单向导通，故难以使用于传统交流电插座，为此业界便研发出一种交流LED驱动电路，请参照图9所示，该交流LED驱动电路包含有：

一整流单元20，其输入端连接一交流电源，并将交流电源转换为一脉动直流电源，并由输出端输出；

一LED单元21，包含多个LED光源，并电连接至该整流单元20的输出端，使其构成一电源回路；

一压控晶体管22，串接于该电源回路中且具有一控制端，以调整该电源回路的回路电流；

一电流检测单元23，串接于该电源回路中，以将该电源回路的回路电流转换为对应的电压信号；

一低频滤波器24，电连接于该电流检测单元23，并根据该电流检测单元23所转换后的电压信号，输出一平均电压值；及

一稳流控制单元25，其一输入端与该低频滤波器24电连接，另一输入端则电连接一参考电压值，又其输出端则与该压控晶体管22的控制端电连接，该稳流控制单元25比较其输入端所接收的参考电压值与平均电压值的大小，并依据比较结果输出一控制信号至该压控晶体管的控制端，令电源回路的回路电流维持稳定。

由该结构可知，该交流LED驱动电路以该整流单元20将原本不适用于发光二极管的交流电源转换为脉动直流电源，并以该电流检测单元23与该低频滤波器24检测出流经LED单元的回路电流的平均值，并以该稳流控制单元25控制该压控晶体管22所调整的回路电流，使LED单元稳定发光。

此外，由于该压控晶体管22串接于电源回路，该压控晶体管22直接承受过高的功率，而导致该压控晶体管22发生过热的现象，为了避免此现象，又于该压控晶体管22的两端并联一分流电阻26。

如图及10图11所示，虽然加入分流电阻26可分担压控晶体管22的功率而减缓其热累积速度，但该分流电阻26却也限制压控晶体管26两端的最大工作电压。举例说明，假使回路电流为0.16安培，而该压控晶体管22的最大额定功率为1瓦特，如果该分流电阻26的电阻值为150欧姆，则压控晶体管22的最大工作电压即被限制在24伏特。当欲提高压控晶体管22的工作电压使其超过24伏特时，流经分流电阻26的电流将超过0.16安培，使得流经该压控晶体管22上的电流为零，使压控晶体管22进入截止状态而丧失原本的稳流调节作用。此交流LED驱动电路使用在高电压的交流电源时，即无法正常驱动，有待进一步改善。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是现有交流LED驱动电路中的压控晶体管会因为进入截止状态而丧失原本的稳流调节作用，导致交流LED驱动电路无法正常应用在高电压的电路。

本发明的技术方案是提供一种可调整工作电压范围的交流LED驱动电路，其特征在于，包含有：

一整流单元，其输入端连接一交流电源，将交流电源转换为一脉动直流电源，并由输出端输出所述脉动直流电源；

一LED单元，包含多个LED光源并电连接至所述整流单元的输出端以构成一电源回路；

一压控晶体管，串接于所述电源回路中且具有一控制端，以调整所述电源回路的回路电流；

一电流检测单元，连接所述电源回路以将所述电源回路的回路电流转换为一对应的电压信号；

一低频滤波器，连接所述电流检测单元并根据所述电压信号输出一平均电压值；

一可变电阻值单元，并联所述压控晶体管并可切换改变输出一电阻值；及

一稳流控制单元，连接所述电源回路与可变电阻值单元,且稳流控制单元具有:

一输入端与所述低频滤波器电连接以接收所述平均电压值;

一参考输入端电连接一参考电压值;

一输出端与所述压控晶体管的控制端电连接;

所述稳流控制单元比较所接收的参考电压值与平均电压值，依据比较结果输出一控制信号至所述压控晶体管的控制端，维持通过所述电源回路的回路电流稳定；所述稳流控制单元检测所述压控晶体管的消耗功率，再藉此切换改变所述可变电阻值单元输出的电阻值。

通过该电路,本发明可达成的有益效果是稳流控制单元会将平均电压与参考电压进行比较，若平均电压大于参考电压，则所述稳流控制单元输出一控制信号至压控晶体管的控制端，以调低流经所述压控晶体的电流；若平均电压小于参考电压，则所述稳流控制单元输出一控制信号至压控晶体管的控制端，以调高流经所述压控晶体的电流，令电源回路中的回路电流趋于稳定。

当所述稳流控制单元检测所述压控晶体管的消耗功率，当消耗功率为零时则提高所述可变电阻值单元提供的电阻值，使流经所述压控晶体管的电流增加。当消耗功率大于最大额定功率时，则降低所述可变电阻值单元的电阻值，使流经该压控晶体管的电流减少，使压控晶体管的工作功率均保持在零值以上及最大额定功率以下，不会丧失原本的稳流调节作用。

附图说明

图1为本发明第一较佳实施例的电路图。

图2为本发明第二较佳实施例的电路图。

图3为本发明第三较佳实施例的电路图。

图4为本发明压控晶体管与分流电阻的功率分配曲线图。

图5为本发明第四较佳实施例的电路图。

图6A和图6B为本发明第五较佳实施例的部份电路图。

图7为本发明第六较佳实施例的部份电路图。

图8为本发明压控晶体管与分流电阻的功率与温度关系的曲线图。

图9为现有交流LED驱动电路的电路图。

图10为现有交流LED驱动电路压控晶体管与分流电阻功率分配的曲线图。

图11为现有交流LED驱动电路压控晶体管与分流电阻的功率与温度关系的曲线图。

具体实施方式

以下配合图式及本发明的较佳实施例，进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段。

本发明提供一种适用于高压电源的可调整工作电压范围的交流LED驱动电路。

请参照图1所示，本发明可调整工作电压范围的交流LED驱动电路包含有：

一整流单元10，其输入端连接于一交流电源，并将该交流电源转换为一脉动直流电源后，由整流单元10的输出端输出，该整流单元10可为一全波整流电路或一半波整流电路，而于下列各实施例中，以一全波整流电路为例说明；

一LED单元11，连接至该整流单元10的输出端构成一个电源回路，包含有多个LED光源，可相互并联或串联或并串联，如此该整流单元10所输出的脉动直流电源即能推动该LED单元11点亮；

一压控晶体管12，串接于该LED单元11及该整流单元10的电源回路上，压控晶体管12具有一控制端，可用于调整流电源回路上的电流。该压控晶体管12可为金氧半场效晶体管或接面场效晶体管或双级结型晶体管；于下列各实施例中，为一金氧半场效晶体管，其栅极为控制端，其漏极与源极串接于电源回路中，并以栅极与源极两端之间的控制电压来调整漏极与源极两端间的回路电流Imos；

一电流检测单元13，与该压控晶体管12串接，并一同串接于电源回路上，在下列各实施例中，该电流检测单元13为一检测电阻，以将该电源回路上的回路电流检出成一对应回路电流的电压信号；

一低频滤波器14，其输入端连接于该压控晶体管12与该电流检测单元13的串联节点，并接收该电流检测单元13反应该回路电流的电压信号，而低频滤波器14输出端则输出一个反应回路电流的平均值的平均电压。该低频滤波器14可以是电容、电感所构成的类比滤波器或是由数字电路所构成的数字滤波器，而在下列各实施例中，以数字滤波器为例，该数字滤波器是一降频滤波器(Down-sampling Filter)，将所接受的电压信号经取样(Oversampling)及信号转换后即时输出一平均电压，以立即反应电源回路上的回路电流的平均值；

一可变电阻值单元16，并联于该压控晶体管12，并可提供一可改变的电阻值；及

一稳流控制单元15，连接该电源回路，并与可变电阻值单元16电连接，其包含有：

一输入端，连接于该低频滤波器14的输出端；

一参考输入端，连接一参考电压(Vref)；及

一输出端，连接于该压控晶体管12的控制端。

该稳流控制单元15将该低频滤波器14输出的平均电压与参考输入端所接收的参考电压进行比较，若平均电压大于参考电压，则该稳流控制单元15输出一控制信号至压控晶体管12的控制端，以调低流经该压控晶体12的电流；若平均电压小于参考电压，则该稳流控制单元15输出一控制信号至压控晶体管12的控制端，以调高流经该压控晶体12的电流，令电源回路中的回路电流趋于稳定。

该稳流控制单元15检测该压控晶体管12的消耗功率，再藉此调整该可变电阻值单元16的电阻值，当消耗功率为零时则提高该可变电阻值单元16的电阻值，使流经该压控晶体管12的电流增加。当消耗功率大于最大额定功率时，则降低该可变电阻值单元16的电阻值，使流经该压控晶体管12的电流减少。

此外，该可变电阻值单元16于下列各实施例中，包含有多个分流单元160，而各分流单元160又包含有：

一控制晶体管162，包含有一控制端，用以控制该控制晶体管162是否导通，于本实施例中，该晶体管162为一金氧半场效晶体管，其栅极即为该控制端；及

一分流电阻161，串联该控制晶体管162，于本实施例中，该分流电阻一端连接至该控制晶体管162的漏极，而控制晶体管162的源极则连接至该压控晶体管12的源极。

该稳流控制单元15于下列各实施例中，进一步包含有：

一检测端，连接于电源回路上；及

多个选择输出端S1-S3，分别电连接于对应分流单元160中控制晶体管162的控制端，以控制控制晶体管162的启闭。

再者，以下各实施例中均以目前常见的使用情形为例，令电源回路需稳定工作于0.16安培，并设定该压控晶体管12必须承受至35伏特的高电压，且假定该压控晶体管12所能承受的最大额定功率为1瓦特。

请参照图1所示，为本发明第一实施例，其中该可变电阻值单元16的多个分流单元160相互并联，包含有第一分流单元160a、第二分流单元160b及第三分流单元160c。本实施例中第一分流单元160a的分流电阻R1为150Ω，第二分流单元160b的分流电阻R2为180Ω，第三分流单元160c的分流电阻R3为220Ω。各分流电阻R1-R3的第一端连接至各对应的控制晶体管162的漏极，而各分流电阻R1-R3的第二端共同连接至该压控晶体管12的漏极。而各个控制晶体管162的源极则共同连接至该压控晶体管12的源极。

第一实施例中，该稳流控制单元15的检测端连接该LED单元11与该压控晶体管12之间的串联节点。该稳流控制单元15会依据检测端所检测到的该压控晶体管12上的工作电压值，和目前可变电阻值单元16的电阻值去做合并计算，便可得知目前压控晶体管12的工作功率。

请合并参照图4所示，当该可变电阻值单元16的初始电阻值为第一分流单元160a的分流电阻值，控制该第一分流单元160a的控制晶体管162导通，其第二、第三分流单元160b、160c的控制晶体管162均截止。当压控晶体管12工作电压上升至24伏特时，其工作功率会趋近为零，此时该稳流控制单元15便会控制该第一分流单元160a截止，并令该第二分流单元160b导通，并藉此方式提高可变电阻值单元16的电阻值，如此即能确保该压控晶体管12不进入截止而正常工作。当该压控晶体管12的工作电压再上升至28伏特时，控制该第二分流单元160b截止，令该第三分流单元160c导通，再度提高可变电阻值单元16的电阻值。通过改变该可变电阻值单元16的电阻值，可提高该压控晶体管12的工作电压。

另外，由于该压控晶体管12的工作电压与电源回路中各个节点上的节点电压必有相依关系，故可利用其它节点电压推导出该压控晶体管12的工作电压值，该检测端因此可连接于电源回路上的任一个串联节点，而不必然限制在该LED单元11与该压控晶体管12之间的串联节点。

请参照图2所示，为本发明第二实施例，分流电阻R1’-R3’为串联连接，第一个分流电阻R1’的第一端连接压控晶体管12的第一极，且同一分流单元中的控制晶体管162的一极连接到分流电阻R1’-R3’的第二端，所有控制晶体管162的另一极共同连接至压控晶体管12的第二极。

以三个分流单元160a-160c举例说明，第一分流单元160a的分流电阻R1’连接在该压控晶体管12与第一控制晶体管的漏极之间。第二分流单元160b的分流电阻R2’连接在第一分流单元160a、第二分流单元160b中的两个控制晶体管的漏极之间；该第三分流单元160c的分流电阻R3’则连接在第二分流单元160b、第三分流单元160c中的两个控制晶体管162的漏极之间。各控制晶体管162的源极均连接至该压控晶体管12的源极。于本实施例中，第一分流单元160a的分流电阻R1’为150Ω、第二分流单元160b的分流电阻R2’为30Ω、第三分流单元160c的分流电阻R3’为40Ω。

第二实施例中，该稳流控制单元15的检测端即是该稳流控制单元15的输入端。当压控晶体管12的工作电压上升而使流经该压控晶体管12的电流为零时，由于此时该压控晶体管12已经失去了稳定回路电流的功效，故流经该电流检测单元13的电流必定上升，进而使该输入端的电压也跟着上升。且由于该检测端即为输入端，故该稳流控制单元15可依据输入端上的电压得知目前压控晶体管12的工作功率是否为零。

请合并参照图4所示，若该可变电阻值单元16的初始电阻值为第一分流单元160a的分流电阻值，则控制该第一分流单元160a的控制晶体管162导通，其余第一分流单元160b、160c的控制晶体管162均截止；并假设该稳流控制单元15的输入端的电压经常保持在400mV左右。

当该压控晶体管12的工作电压上升至24伏特时，该稳流控制单元15输入端上的电压会因为压控晶体管12截止而大于400mV，此时该稳流控制单元15控制该第一分流单元160a的控制晶体管162截止，并控制该第二分流单元160b的控制晶体管162导通，如此一来该可变电阻值单元16会因为第一分流单元160a与第二分流单元160b中两个分流电阻R1’,R2’的串联，可变电阻值单元16即提供一较高的电阻值，如此即能确保压控晶体管12不会进入截止而正常工作。

而当该压控晶体管12的工作电压再上升至28伏特时，该稳流控制单元15输入端上的电压又会再次大于400mV，此时再控制该第二分流单元160b内的的控制晶体管162为截止，而令该第三分流单元160c内的控制晶体管162为导通，再提高可变电阻值单元16的电阻值。是以，通过改变该可变电阻值单元16输出的电阻值，可以提高该压控晶体管12的工作电压。

另外，由于流经该压控晶体管12的电流是由该稳流控制单元15的输出端所控制，故稳流控制单元15的检测端还可以是该稳流控制单元15的输出端，通过输出端上的电压得知目前压控晶体管12的工作功率是否为零。

以上说明是针对当该压控晶体管12功率为零时，该稳流控制单元15所执行的调整，以下针对当该压控晶体管12功率大于其工作电压时，该稳流控制单元15所执行的调整。

请参照图3所示，为本发明第三实施例，该压控晶体管12与该电流检测单元13之间进一步串联一功率检测电阻17，该稳流控制单元15进一步包含有两检测端；其中第一检测端连接于该压控晶体管12与该功率检测电阻17的串联节点，而第二检测端连接于该LED单元11与该压控晶体管12之间的串联节点。

依据该第三实施例，该稳流控制单元15的两检测端连接于该压控晶体管12的两端，故可得到该压控晶体管12上的电压，且由于该功率检测电阻17串联于该压控晶体管12，故连接该功率检测电阻17的检测端可得出流经该压控晶体管12的电流值。综合以上所述，该稳流控制单元15可依据直接得出该压控晶体管12上的功率值，当该压控晶体12的工作功率上升至最大额定功率时，该稳流控制单元15会降低可变电阻值单元16的电阻值，令压控晶体管12保持在正常的工作状态，不会有过热的现象。

请参照图8所示，假设温度系数为50℃/W，包含有本发明可变电阻值单元16的驱动电路于工作电压上升时，该压控晶体管22本身的温度均能保持在80℃以下，而未包含有该可变电阻值单元16的现有驱动电路则轻易的突破100℃甚至超过150℃。

请参照图5所示，在本发明第四实施例中，驱动电路进一步包含有一状态回复电阻18。该稳流控制单元15预设有一截止电压。该状态回复电阻18并联于该压控晶体管12的二端，因此也同时并联该可变电阻值单元16，以构成一旁路回路。其中流经该状态回复电阻14的旁路电流必须大于该LED单元11的最低驱动电流。

该稳流控制单元15会依据检测端所测到的该压控晶体管12上的工作电压值，和目前可变电阻值单元14的电阻值去做合并计算，便可得知目前压控晶体管12的工作功率；当消耗功率为零时则提高该可变电阻值单元16的电阻值，增加流经该压控晶体管12的电流；当消耗功率大于最大额定功率时，则降低该可变电阻值单元16的电阻值，减少流经该压控晶体管12的电流，使该压控晶体管12无论于电压升高或下降时均能维持动作。

请参照图6A及图6B所示，当稳流控制单元15检测到电源回路电压发生异常状况而高于该预设截止电压时，例如因雷击产生瞬间高压或交流电源突然升高，稳流控制单元15将暂时性地立刻关闭该压控晶体管12及可变电阻值单元16内部的控制晶体管162，但此时仍有一旁路电流通过该状态回复电阻18，该稳流控制单元15的检测端通过此旁路电流仍可维持正常运作并持续检测电源回路所承受的电压；一旦电源回路上的电压回复到可正常工作的状态，即刻恢复该压控晶体管12及可变电阻值单元16内的控制晶体管162的正常动作；藉此达到保护压控晶体管12及可变电阻值单元16的目的，避免元件因异常高压而损毁。

由于流经该状态回复电阻18的电流必须大于该LED单元11的最低驱动电流，故便以该压控晶体管12所能承受的耐压除以该LED单元11的最低驱动电流，决定该状态回复电阻18的范围值。一般市面上LED的最低驱动电流大多介于1μ安培～10μ安培之间，晶体管的耐压值均在100伏特以下，故计算得知该状态回复电阻18的电阻值于实施上仅需小于10Μ即可。此电阻值远远大于可变电阻值单元16中各分流电阻161的电阻值，因此当稳流控制单元15未关闭压控晶体管12及控制晶体管162时，该状态回复电阻18几乎不会影响到电源回路的正常运作。

请参照图7所示，为本发明另一实施例，与图5实施例的不同处在于该可变电阻值单元16的结构及该状态回复电阻18的连接方式；该可变电阻值单元18采用图2的架构，而该状态回复电阻18的两端分别连接该压控晶体管12的两端，也同时连接在串联的分流电阻161的两端，构成一旁路回路。

图7实施例的动作原理同该图5的实施例，当稳流控制单元15关闭该压控晶体管12及控制晶体管162时，此时电源回路就会藉由旁路回路产生旁路电流，并且藉由此旁路电流令该稳流控制单元15的检测端正常运作，持续检测电源回路所承受的电压。

综合该说明得知，本发明能以调整该可变电阻值单元16的方式，控制压控晶体管12的工作功率，并当其工作电压持续上升时，均能保持其工作功率介于零值以上与最大额定功率以下，使本发明能确实应用于高压电源。当进一步加入一状态回复电阻18后，该状态回复电阻18构成一旁路回路，该稳流控制单元15即可透过检测端检知电源回路上的电压变化，并于异常高压消失后，恢复该压控晶体管12及可变电阻值单元16的正常运作，避免元件因异常高压而损毁。

以上所述仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明做任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案的范围内，当可利用该揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims

1.一种可调整工作电压范围的交流LED驱动电路，其特征在于，所述可调整工作电压范围的交流LED驱动电路包含有：

一输入端与所述低频滤波器电连接以接收所述平均电压值;

一参考输入端电连接一参考电压值;

一输出端与所述压控晶体管的控制端电连接;

2.根据权利要求1所述的可调整工作电压范围的交流LED驱动电路，其特征在于，所述可变电阻值单元具有多个分流单元，各个分流单元又包含有：

一控制晶体管，包含有一控制端，用以控制所述控制晶体管是否导通；及

一分流电阻，连接所述控制晶体管；

所述稳流控制单元进一步包含有：

一检测端，连接于电源回路上；及

多个选择输出端，分别连接所述可变电阻值单元中的控制晶体管的控制端，以控制所述控制晶体管的启闭。

3.根据权利要求2所述的可调整工作电压范围的交流LED驱动电路，其特征在于，所述可变电阻值单元的多个分流单元相互并联，其中，各分流电阻的第一端连接至相同分流单元中的所述控制晶体管的第一极，各分流电阻的第二端共同连接至所述压控晶体管的第一极，而各控制晶体管的第二极共同连接至所述压控晶体管的第二极。

4.根据权利要求2所述的可调整工作电压范围的交流LED驱动电路，其特征在于，所述多个分流电阻为串联，其中第一个分流电阻的第一端连接所述压控晶体管的第一极，且同一分流单元内的控制晶体管的第一极连接到分流电阻的第二端，所有控制晶体管的第一极共同连接至压控晶体管的第二极。

5.根据权利要求3或4所述的可调整工作电压范围的交流LED驱动电路，其特征在于，所述压控晶体管的第一极及第二极并联一状态回复电阻；所述稳流控制单元内预设一截止电压。

6.根据权利要求5所述的可调整工作电压范围的交流LED驱动电路，其特征在于，所述稳流控制单元的检测端连接到所述LED单元与所述压控晶体管之间的串联节点。

7.根据权利要求5所述的可调整工作电压范围的交流LED驱动电路，其特征在于，所述稳流控制单元的检测端与输入端是同一端。

8.根据权利要求5所述的可调整工作电压范围的交流LED驱动电路，其特征在于，所述稳流控制单元的检测端与输出端是同一端。

9.根据权利要求5所述的可调整工作电压范围的交流LED驱动电路，其特征在于：

所述压控晶体管与所述电流检测单元之间再串联一功率检测电阻；

所述稳流控制单元进一步包含有一第一检测端及一第二检测端，第一检测端连接到所述压控晶体管与所述功率检测电阻的串联节点，而第二检测端连接到所述LED单元与所述压控晶体管之间的串联节点。

10.根据权利要求1所述的可调整工作电压范围的交流LED驱动电路，其特征在于，所述低频滤波器是一数字滤波器。

11.根据权利要求10所述的可调整工作电压范围的交流LED驱动电路，其特征在于，所述数字滤波器是一降频滤波器。