CN103857144B - 可避免暗区的交流驱动照明系统及其驱动方法 - Google Patents

可避免暗区的交流驱动照明系统及其驱动方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种发光二极管照明系统及其驱动方法。本发明系统包括多个串接的发光二极管，一集成电路，及一储能装置。所述多个串接的发光二极管被分为多个串接的发光二极管群组。所述集成电路包括多个接点分别耦接至所述些发光二极管群组，以选择性地提供一驱动电流流经至少一发光二极管群组。所述储能装置具有两端耦接至一预定发光二极管群组的一预定发光二极管。当所述驱动电流流经所述预定发光二极管群组时，所述储能装置进行充电；及当所述驱动电流不流经所述预定发光二极管群组时，所述储能装置进行放电以点亮所述预定发光二极管。本发明发光二极管照明系统可以缩短或消除现有技术中令人感到晕眩或恶心的暗区。

Description

可避免暗区的交流驱动照明系统及其驱动方法
技术领域
本发明涉及一种交流驱动照明系统及其驱动方法，尤指一种可避免暗区的交流驱动照明系统及其驱动方法。
背景技术
发光二极管(lightemittingdiode,LED)逐渐地被用来做一般照明目的使用。举例来说，一组白光发光二极管可由一交流电源提供电力，而交流驱动发光二极管即用来指上述电路。交流驱动发光二极管较需要注意的课题包括制造成本、电源效率、功率因子、闪烁及使用寿命等。
图1为现有的交流驱动发光二极管电路10的示意图。交流驱动发光二极管电路10包括发光二极管模块12及限流电阻14。发光二极管模块12包括两发光二极管串行以反并联(anti-parallel)方式相耦接。交流驱动发光二极管电路10不需要交流转直流转换器或整流器。即使可供应直流电压，交流电压亦可供应至输入端8，以直接提供电源给交流驱动发光二极管电路10。交流驱动发光二极管电路10于制造上具有结构简单及低成本两项优点。然而，交流驱动发光二极管电路10在每一个交流周期中只能在非常短暂的时间内发光，因此具有低平均亮度或高电流应力等缺点。
图2为现有的交流驱动发光二极管电路15的示意图。交流驱动发光二极管电路15是美国专利号US7,708,172的实施例。交流驱动发光二极管电路15使用一全波(full-wave)整流器18。输入端16可接收直流电压信号或交流电压信号。发光二极管串行可分为多个发光二极管群组201,202,203,204。集成电路22具有接点PIN1、接点PIN2、接点PIN3、接点PIN4分别耦接至发光二极管群组201,202,203,204的阴极。集成电路22内部具有接地开关SG1,SG2,SG3,SG4及控制器24。当输入端16上的电压增加时，控制器24可控制接地开关SG1,SG2,SG3,SG4以点亮更多发光二极管。集成电路22的运作已在美国专利号US7,708,172中说明，因此不再赘述。
图3为现有的交流驱动发光二极管电路30的示意图。交流驱动发光二极管电路30是美国专利号US8,299,724的实施例。相异于图2的集成电路22，图3的集成电路34多具一个接点PIN0。集成电路34还使用旁通开关SP1,SP2,SP3,SP4选择性地提供旁通电流路径以导引电流绕过相对应的发光二极管群组。举例来说，当控制器32开启旁通开关SP1时，接点PIN0和接点PIN1被短路在一起，且发光二极管群组201因没有驱动电流流过而变暗。
图4为图2或图3中当输入端16接收交流电压信号时的相关信号的波形示意图。最上方的波形是整流后的电压VREC的波形，电压VREC是在图2及图3中经全波整流器18整流后输出至发光二极管群组201的电压。第二个波形是主动发光二极管计数(activeLEDcount)波形，表示发光二极管群组被点亮的群组数目。接下来四个波形分别为流经发光二极管群组204,203,202,201的电流IG4,IG3,IG2,IG1的波形。主动发光二极管计数波形是随着整流后的电压VREC的增加或减少以阶梯方式上升或下降。当整流后的电压VREC增加时，发光二极管群组201,202,203,204由前往后依据顺序点亮。当整流后的电压VREC减少时，发光二极管群组201,202,203,204由后往前依据顺序变暗。交流驱动发光二极管电路15及30皆具有简单的架构及良好电源效率。
然而在图4中，当没有发光二极管被启动或点亮时，会有暗区TDARK产生。若整流后的电压VREC的频率为120Hz，则整流后电压VREC的波谷(当整流后电压VREC约为0伏特时)的频率亦为120Hz，亦即暗区TDARK的出现频率也同样为120Hz。即使出现频率为120Hz的暗区TDARK无法被人眼感受到，但根据报告，当人眼长时间在具有频率为120Hz的暗区TDARK的照明下观看物体时，会感到晕眩或恶心。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：为了弥补现有技术的不足，提供一种发光二极管照明系统，所述系统包括多个串接的发光二极管，一集成电路，及一储能装置。所述多个串接的发光二极管被分为多个串接的发光二极管群组。所述集成电路包括多个接点分别耦接至所述些发光二极管群组，以选择性地提供一驱动电流流经至少一发光二极管群组。所述储能装置具有两端耦接至一预定发光二极管群组的一预定发光二极管。当所述驱动电流流经所述预定发光二极管群组时，所述储能装置进行充电；及当所述驱动电流不流经所述预定发光二极管群组时，所述储能装置进行放电以点亮所述预定发光二极管。
本发明还提供一种驱动具有串接发光二极管的系统的方法。其中所述串接发光二极管被分为多个串接的发光二极管群组。所述方法包括提供一驱动电流；选择所述多个发光二极管群组其中之一，以使所述驱动电流流经一预定发光二极管群组；当所述驱动电流流经所述预定发光二极管群组时储存电力；及当所述驱动电流不流经所述预定发光二极管群组时，释放电力以点亮所述预定发光二极管群组的一预定发光二极管。
根据本发明实施例，和发光二极管并联的电容可维持发光二极管发光，且可以缩短或消除现有技术中令人感到晕眩或恶心的暗区。
附图说明
图1为现有的交流驱动发光二极管电路的示意图。
图2为现有的交流驱动发光二极管电路的示意图。
图3为现有的交流驱动发光二极管电路的示意图。
图4为图2或图3中当输入端接收交流电压信号时的相关信号的波形示意图。
图5为本发明实施例具交流驱动发光二极管电路的系统的示意图。
图6为接地开关SG1,SG2,SG3,SG4分别操作在开路模式、定电流模式及短路模式的示意图。
图7为当图6的整流后的电压VREC下降至特定程度而无法一起点亮发光二极管群组461及462时，接地开关SG1,SG2,SG3,SG4的操作模式的示意图。
图8为图5输入端接收交流电压信号时的相关信号的波形示意图。
图9为本发明系统利用额外的整流二极管承受逆向偏压电压的示意图。
图10为集成电路只有一个接地开关操作在定电流模式，而所有其它接地开关操作在开路模式的示意图。
图11为本发明具交流驱动发光二极管电路的另一系统的示意图。
图12为图11充放电控制器的一实施例的示意图。
图13为本发明实施例具另一交流驱动发光二极管电路的系统的示意图。
其中，附图标记说明如下：
8,16输入端
10,15,30交流驱动发光二极管电路
12发光二极管模块
14限流电阻
18全波整流器
201,202,203,204发光二极管群组
22,34集成电路
24,32控制器
40,90,100交流驱动发光二极管电路
42,31控制器
44,49,33集成电路
461,462,463,464发光二极管群组
48全波整流器
50输入端
52,54,56,58,60电容
54A,58A充放电控制器
D1,D2,D3整流二极管
L1,L4,L5,L6,L7,L8,L9,L10,L11,发光二极管
L12
IDRV驱动电流
IDIS放电电流
IG1,IG2,IG3,IG4电流
IL11,IL8,IL4,IL1电流
PIN0,PIN1,PIN2,PIN3,PIN4接点
PD,PU路径
SG1,SG2,SG3,SG4接地开关
SP1,SP2,SP3,SP4旁通开关
TDRAK暗区
VREC整流后电压
具体实施方式
图5为本发明实施例具交流驱动发光二极管电路40的系统的示意图。输入端50接收一直流或交流电压信号。交流电压信号可以是，举例来说，频率为60Hz及振幅为110伏特的交流正弦信号。全波整流器48对输入端50的电压信号进行整流，以提供整流后的电压VREC及接地电压GND至两电源供应线，进而提供电源至图5中的发光二极管及集成电路44。发光二极管可以(但不限定)分为多个发光二极管群组461,462,463,464。在一实施例中，图5的每一发光二极管群组具有3个串联的发光二极管，且所有发光二极管群组相互串联以形成一发光二极管串行。
图5中多个电容52,54,56,58,60分别和某些发光二极管并联。然而，本发明并不限于图5的实施例，本发明其它实施例可包括更多或更少个电容和不同发光二极管并联。电容52和发光二极管L1并联，电容54和发光二极管群组461并联，电容56和发光二极管群组462的发光二极管L4,L5并联，电容58和发光二极管群组463的发光二极管L8,L9并联，且电容60和发光二极管L11并联。上述电容是用来作为储能装置。在某些时段电容会进行充电，之后电容会放电以点亮某些发光二极管。
集成电路44具有四个接点PIN1,PIN2,PIN3,PIN4。集成电路44还具有接地开关SG1,SG2,SG3,SG4，每一群组开关耦接于相对应的接点及接地电压GND之间。集成电路44中的控制器42用以控制接地开关SG1,SG2,SG3,SG4的控制端。在一实施例中，控制器42可以感应流经接点PIN1,PIN2,PIN3,PIN4的电流，以判断每一接地开关的操作模式。举例来说，每一接地开关可个别切换至三种模式其中之一：开路模式、短路模式及定电流模式。例如当接地开关SG1操作在短路模式时会将接点PIN1短路至接地电压GND；而当接地开关SG1操作在定电流模式时会提供固定驱动电流IDRV从接点PIN1流至接地电压GND。
以术语来说，若装置A和装置B具有相似的电路配置，但装置A的工作电压较装置B高，则装置A相对于装置B是处于上游。举例来说，接地开关SG1是位于接地开关SG2的上游，因为接点PIN1的电压不会低于接点PIN2的电压。相对地，接地开关SG2是位于接地开关SG1的下游。相同术语可应用于其它对象上，例如在图5中，发光二极管群组461是最上游的发光二极管群组，而发光二极管群组464是最下游的发光二极管群组。
在一实施例中，控制器42是用以选择单一接地开关操作在定电流模式中，任何在处于定电流模式的接地开关上游的接地开关皆操作在开路模式，而任何在处于定电流模式的接地开关下游的接地开关皆操作在短路模式。图6为接地开关SG1,SG2,SG3,SG4分别操作在开路模式、定电流模式及短路模式的示意图，其中整流后的电压VREC高到足以克服发光二极管串行的发光二极管群组461及462的正向临界电压，但无法克服发光二极管群组463的正向临界电压。从图6可以推导出接地开关SG2提供的驱动电流IDRV在稳定的状态下流经发光二极管群组461及462的发光二极管，以点亮发光二极管群组461及462的发光二极管，而发光二极管群组463及464的发光二极管因没有电流流过而不点亮。在上述稳定状态中，电容56被充电，以使发光二极管L4,L5的驱动电压有电压降。相似地，驱动电流IDRV同时对电容52及54充电，以分别使发光二极管L1及发光二极管群组461的驱动电压有电压降。
当整流后的电压VREC改变时，图5的控制器42可将定电流模式移转到相邻的接地开关。图7为当图6的整流后的电压VREC下降至特定程度而无法一起点亮发光二极管群组461及462时，接地开关SG1,SG2,SG3,SG4的操作模式的示意图。相较于图6的操作模式，控制器42显然将定电流模式从接地开关SG2移转到接地开关SG1，以使接地开关SG1以外的所有接地开关皆操作在短路模式。当定电流模式移转之后，驱动电流IDRV流经发光二极管群组461的发光二极管，但不流经发光二极管群组462,463,464。请注意，在定电流模式移转之后，电容56初期具有电压降以驱动发光二极管L4及L5，并如图7所示开始放电以产生放电电流IDIS流经发光二极管L4及L5。放电电流IDIS可具有一定程度的振幅以维持发光二极管L4及L5点亮一段时间。电容56的电容值越大，则发光二极管L4及L5在定电流模式移转后被持续点亮的时间越长。
图8为图5输入端50接收交流电压信号时的相关信号的波形示意图。第一个波形是整流后的电压VREC的波形，而第二个波形是主动发光二极管计数(activeLEDcount)波形。接下来四个波形分别为流经发光二极管L11,L8,L4,L1的电流IL11,IL8,IL4,IL1的波形。相较于图4的主动发光二极管计数波形在暗区TDARK时下降至零，图8的主动发光二极管计数波形从不下降至零，以消除暗区TDARK。在时间点t1当发光二极管群组L1开始被驱动电流IDRV驱动时，举例来说，部分驱动电流IDRV会作为充电电流对电容52充电，而剩下的驱动电流IDRV流过发光二极管L1(亦即电流IL1)。如图8所示，随着时间从时间点t1到时间点t2，电容52达到或接近饱和状态，以至于充电电流减少而电流IL1随之增加。在时间点t2，驱动电流IDRV不再驱动发光二极管群组L1，而电容52开始放电，进而提供电流IL1以维持发光二极管L1被点亮。电流IL1会随着电容52储存能量的减少而降低。在图8中，电流IL11,IL8,IL4,IL1倾斜部分的波形皆是由图5的并联电容所造成。若并联电容52或54的电容值大到足以在到达整流后电压VREC的波谷(接近0伏特时)时点亮至少一发光二极管群组461，则至少会有一个发光二极管一直被点亮。换句话说，图4中让人感到晕眩或恶心的暗区TDARK可以在本发明图8的实施例中被消除。举例来说，若图5的电容52非常大，发光二极管L1可被接地开关的驱动电流IDRV或电容52的放电电流驱动，以持续发光。在本实施例中，集成电路44被设定为当整流后电压VREC增加时，最优先点亮发光二极管群组461，及当整流后电压VREC减少时，最后关闭发光二极管群组461。
发光二极管被设计来用正向偏压驱动以照明或发光。而这也是为什么发光二极管制造业的半导体制程工程师钻研在发光二极管的正向偏压操作。虽然发光二极管容易在逆向偏压的操作下受损，电路设计者也可将发光二极管做为整流器使用。请再参考图7，当电容56放电以点亮发光二极管L4和L5时，发光二极管L5为逆向偏压。
图9为本发明系统利用额外的整流二极管承受逆向偏压电压的示意图。相异于图5的交流驱动发光二极管电路40，图9的交流驱动发光二极管电路具有整流二极管D1,D2,D3。整流二极管D1是电连接于发光二极管群组462和接点PIN2之间，整流二极管D2是电连接于发光二极管群组463和接点PIN2之间，而整流二极管D3是电连接于发光二极管群组464和接点PIN4之间。在本说明书中，整流二极管是指整流器，而非二极管。举例来说，整流二极管可以是萧基二极管(Schottkybarrierdiode)，其需要低正向偏压电压来开启。当图9的电容56放电以点亮发光二极管L4和L5时，发光二极管L5的正极会具有负电压，而接点PIN2被接地。大部分的负电压跨过整流二极管D1，因整流二极管D1可承受逆向偏压操作。发光二极管L6相对地承受到较小或没有承受到逆向偏压电压，且受到整流二极管D1保护。相似地，整流二极管D2可保护发光二极管L7免于受到逆向偏压电压伤害，而整流二极管D3可保护发光二极管L10和L12。
请再参考图7，逆向偏压电压产生于发光二极管L6的原因是当电容56放电时，接点PIN2被短路至接地电压GND。不像图7的集成电路44，图10的集成电路49只有一个接地开关操作在定电流模式，而所有其它接地开关操作在开路模式。如图10所示，在特定大小的整流后电压VREC下，只有接地开关SG2操作在定电流模式，以提供固定的驱动电流IDRV。除了接地开关SG2以外的所有接地开关皆操作在开路模式。当整流后的电压VREC改变时，图10的集成电路49亦可将定电流模式移转到相邻的接地开关。在另一大小的整流后电压VREC下，接地开关SG1可操作在定电流模式，而其它接地开关皆操作在开路模式。相对应地，当电容56放电以点亮发光二极管L4和L5时，接点PIN2的电位是浮动的，而发光二极管L6不再承受逆向偏压电压。
电容充电和放电的速度有可能不一样。图11为本发明具交流驱动发光二极管电路90的另一系统的示意图。图11中的某些装置已在前面叙述说明过，因此不再赘述。充放电控制器54A是电连接于电容54和接点PIN1之间，而充放电控制器58A是电连接于电容58和发光二极管L8之间。以充放电控制器54A为例，充放电控制器54A串联于电容54，且可提供不同的导通方式以对电容54进行充电和放电。图12为充放电控制器54A的一实施例的示意图，充放电控制器54A包括相互并联的电阻和二极管。若二极管是处于正向偏压的情况下，电流会流过具有较高导电率的路径PD。相反的，若二极管是处于逆向偏压的情况下，电流会流过具有较低导电率的路径PU。为了缩短或消除暗区，和充放电控制器54A串联的电容54最好可以快速充电但慢速放电。然而，本发明并不限于图12的实施例。举例来说，在本发明其它实施例中，充放电控制器可以包括一感应器和一主动组件。主动组件串联于电容54。感应器侦测电容54是否充电或放电，并相对应地控制主动组件的控制端，以使充电和放电的速度不同。主动组件可以是双极性晶体管(bipolarjunctiontransistor,BJT)，或是金属氧化物半导体(metaloxidesemiconductor,MOS)晶体管。
虽然，上述实施例皆使用具有接地开关的集成电路来实现，但本发明并不限于使用上述集成电路。图13为本发明实施例具另一交流驱动发光二极管电路100的系统的示意图。除了图5的集成电路44被图13的集成电路33取代以外，图13几乎相同于图5。控制器31可以个别地开启或关闭旁通开关SP1,SP2,SP3,SP4。在某些时候，控制器31可使旁通开关SP1,SP3,短路，且使旁通开关SP2,SP4开路，进而让驱动电流IDRV只流过发光二极管群组462,464。换句话说，控制器31可通过让相对应的旁通开关开路以点亮发光二极管群组，或者通过让相对应的旁通开关短路以关闭发光二极管群组。若旁通开关SP2是开路，则发光二极管群组462被选择点亮，且电容56被充电。当旁通开关SP2是短路时，则发光二极管群组462不被选择点亮，发光二极管L6被关闭，且电容56进行放电以暂时点亮发光二极管L4和L5。相对地，电容56可维持发光二极管L4和L5发光。
根据本发明实施例，和发光二极管并联的电容可维持发光二极管发光，且可以缩短或消除现有技术中令人感到晕眩或恶心的暗区。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包括在本发明的保护范围之内。

Claims (20)

1.一种发光二极管照明系统，其特征在于，包括：
多个串接的发光二极管，分为多个串接的发光二极管群组；
一集成电路，包括多个接点分别耦接至所述多个发光二极管群组，以提供一驱动电流流经至少一发光二极管群组；及
一储能装置，所述储能装置的两端耦接至一预定发光二极管群组的一预定发光二极管，其中当所述驱动电流流经所述预定发光二极管群组时，所述储能装置进行充电，及当所述驱动电流不流经所述预定发光二极管群组时，所述储能装置进行放电以点亮所述预定发光二极管。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述集成电路被设定为当一电源供应器的电压增加时，最优先点亮所述预定发光二极管群组。
3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述集成电路被设定为当一电源供应器的电压减少时，最后关闭所述预定发光二极管群组。
4.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述储能装置包括一电容。
5.如权利要求4所述的系统，其特征在于，所述储能装置还包括一具有不同导电率的充放电控制器，以分别对所述电容进行充电和放电。
6.如权利要求5所述的系统，其特征在于，所述充放电控制器包括一二极管。
7.如权利要求6所述的系统，其特征在于，所述充放电控制器还包括一电阻并联于所述二极管。
8.如权利要求5所述的系统，其特征在于，所述充放电控制器包括一主动组件串接于所述电容。
9.如权利要求8所述的系统，其特征在于，所述主动组件是一双极性晶体管(bipolarjunctiontransistor,BJT)，或是一金氧半导体(metaloxidesemiconductor,MOS)晶体管。
10.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述集成电路包括多个接地开关，分别选择性地将相对应的发光二极管群组短路至一接地电压。
11.如权利要求10所述的系统，其特征在于，所述多个接地开关分别经由所述多个接点耦接至所述多个发光二极管群组，且当一被选择的接地开关提供所述驱动电流至一被选择的发光二极管群组时，耦接至一上游发光二极管群组的一上游接地开关操作在一开路模式，且耦接至一下游发光二极管群组的一下游接地开关操作在一短路模式。
12.如权利要求10所述的系统，其特征在于，所述多个接地开关分别经由所述多个接点耦接至所述多个发光二极管群组，且当一被选择的接地开关提供所述驱动电流至一被选择的发光二极管群组时，耦接至一上游发光二极管群组的一上游接地开关操作在一开路模式，且耦接至一下游发光二极管群组的一下游接地开关操作在所述开路模式。
13.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述集成电路包括多个旁通开关，分别选择性地将所述驱动电流旁通过一未被选择的发光二极管群组。
14.如权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括：
一整流器，耦接于所述预定发光二极管群组及另一所述发光二极管群组之间；
其中当所述储能装置放电时，所述整流器防止所述预定发光二极管群组的发光二极管接收到逆向偏压电压。
15.一种驱动具有串接发光二极管的系统的方法，其中所述串接发光二极管被分为多个串接的发光二极管群组，所述方法包括：
提供一驱动电流；
选择所述多个发光二极管群组其中之一，以使所述驱动电流流经一预定发光二极管群组；
当所述驱动电流流经所述预定发光二极管群组时储存电力；及
当所述驱动电流不流经所述预定发光二极管群组时，释放电力以点亮所述预定发光二极管群组的一预定发光二极管。
16.如权利要求15所述的方法，其特征在于，还包括：
当一电源供应器的电压增加时，最优先点亮所述预定发光二极管群组。
17.如权利要求15所述的方法，其特征在于，还包括：
当一电源供应器的电压减少时，最后关闭所述预定发光二极管群组。
18.如权利要求15所述的方法，其特征在于，还包括：
提供多个接地开关，分别选择性地将相对应的发光二极管群组短路至一接地电压。
19.如权利要求15所述的方法，其特征在于，还包括：
提供多个旁通开关，分别选择性地将所述驱动电流旁通过一未被选择的发光二极管群组。
20.如权利要求15所述的方法，其特征在于，还包括：
分别在储存电力和释放电力时提供不同导电率。
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