CN104780643A - 具功率因数校正优化的发光二极管电路系统 - Google Patents
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Abstract
一种具功率因数校正优化的发光二极管电路系统，包含：一功率因数校正电路，将交流电源转换为直流的转换电源，并使其接收的该交流电源的电流相位与电压相位趋于一致；一直流转换电路，将功率因数校正电路输出的转换电源转换为具有特定责任周期的输出电源予一发光二极管组；一电流脉冲宽度调变电路，控制直流转换电路依据一责任周期设定值输出该输出电源；及一控制电路，发出一第一控制信号至电流脉冲宽度调变电路，并发出一第二控制信号至功率因数校正电路，以同步控制功率因数校正电路输出的转换电源的功率正相关于该输出电源的电流调控责任周期与亮度调控责任周期。
Description
技术领域
本发明是有关于一种电路系统，特别是指一种用于驱动发光二极管运作的电路系统。
背景技术
发光二极管是目前常见的半导体照明组件，由直流电源驱动并具有二极管组件的光电特性，因此其驱动电路的电路组件组成及电路运作模式均不同于现有照明设备的驱动电路。
就现有的发光二极管驱动电路来说，常会将功率因数校正电路(power factor correction，简称为PFC)及脉冲宽度调变(pulse widthmodulation，简称为PWM)电路配合使用，以期提升发光二极管驱动电路的功率因数而增进能源使用效率，并通过脉冲宽度调变技术设定通过发光二极管的电流责任周期(duty cycle)及电流值，以控制发光二极管的亮度。但此种驱动电路的常见问题在于，功率因数校正电路与脉冲宽度调变电路的运作不同，不易谐调两者之间的协同运作。此外，若上述功率因数校正电路、脉冲宽度调变电路配合一调光电路使用，因调光电路需要的最小运作电流(minimum holding current)及功率相角特性，使得驱动电路不易维持稳定的电流输出。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能稳定维持电源输出性能及功率因数性能的发光二极管的电路系统，该电路系统包含可调光及非调光的应用。
本发明电路系统，电连接于一外部电源及一发光二极管组，接收该外部电源提供的电力并于转换后供给于该发光二极管组，该电路系统包含一功率因数校正电路、一直流转换电路、一电流脉冲宽度调变电路及一控制电路。该功率因数校正电路电连接于该外部电源且接收该外部电源提供的一交流电源，并将该交流电源转换为一直流的转换电源而输出于外，并且控制其接收的该交流电源的电流相位与电压相位趋于一致。该直流转换电路电连接于该功率因数校正电路及该发光二极管组，接收该转换电源后转换为一直流的输出电源，且主要依据一特定的责任周期设定值而输出该输出电源为一具有特定责任周期及特定电流值的脉冲电源予该发光二极管组。该电流脉冲宽度调变电路电连接于该直流转换电路，受控输出一关于该责任周期设定值的脉冲控制信号至该直流转换电路，以控制该直流转换电路依据该责任周期设定值输出该输出电源。该控制电路电连接于该功率因数校正电路与该电流脉冲宽度调变电路，受控发出一关于该责任周期设定值的第一控制信号至该电流脉冲宽度调变电路，以控制该电流脉冲宽度调变电路依据该第一控制信号发出该脉冲控制信号，该控制电路还受控发出一关于该转换电源功率的充放电系数设定值的第二控制信号至该功率因数校正电路，以控制该转换电源的电压或功率正相关于该输出电源的责任周期。
较佳地，该直流转换电路是一直流对直流转换器，该功率因数校正电路输出的该转换电源具有一特定的电压输出值，且该直流转换电路控制该输出电源的责任周期或电流值正相关于该转换电源的电压输出值。
较佳地，该直流转换电路是一内含晶体管的电流开关，并于接收该功率因数校正电路输出的该转换电源后，依据该责任周期设定值将该转换电源切换输出为该具有特定责任周期的输出电源。
较佳地，该电路系统还包含一调光电路，该调光电路电连接于该功率因数校正电路及该控制电路，其受控设定该功率因数校正电路接收的该交流电源的功率比例，并发出一关于功率比例的功率设定信号至该控制电路，而令该控制电路根据一关于该功率比例的功率设定信号发出该第一控制信号与该第二控制信号，使该交流电源的功率比例、该转换电源的电压或功率以及该输出电源的责任周期成正相关。
更佳地，该控制电路是一内存至少一查询表的处理器，该查询表具有多笔关于该交流电源的功率比例的功率比例查询值以及多笔对应于该功率比例查询值的责任周期设定值及充放电系数设定值，该控制电路依据该交流电源的功率比例指定该查询表中的一功率比例查询值，并根据对应于该被指定的功率比例查询值的一责任周期设定值而发出该第一控制信号，且根据对应于该被指定的功率比例查询值的一充放电系数设定值而发出该第二控制信号。
本发明的有益效果在于：该控制电路控制该交流电源的功率比例、该转换电源的功率与该输出电源的责任周期或电流值成正相关，使得调光电路控制外部电源于不同功率比例切换时，均能由控制电路统筹控制功率因数校正电路输出的电力与直流转换电路输出的电力相互对应，而能提升输出电源的供应稳定性，并保持整体电路的高功率因数。
附图说明
图1是电路方块图，说明本发明发光二极管的电路系统的较佳实施例；及
图2是该电路系统提供一输出电源予一发光二极管组的电流波型图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明进行详细说明。
参阅图1，为本发明电路系统1的较佳实施例。电路系统1电连接于一外部电源2及一发光二极管组3，可将外部电源2提供的一交流电源转换为一输出电源供发光二极管组3运作使用。此处，交流电源可以是一般的市电(例如110V/60Hz的交流电)，但不以此为限。发光二极管组3可作为照明设备使用，由多个通过串联、并联或串并联等方式形成电连接的发光二极管(图中未绘制)组成，且其内含的发光二极管的数量与电连接方式不以特定型态为限。
详细来说，本发明电路系统1包含一功率因数校正电路11、一直流转换电路12、一电流脉冲宽度调变电路13、一控制电路14及一调光电路15。
电路系统1的功率因数校正电路11电连接于外部电源2且接收外部电源2提供的交流电源，将该交流电源转换为一直流的转换电源而输出至直流转换电路12，并控制其接收的该交流电源的电流相位与电压相位趋于一致，而提供功率因数校正功能。此外，功率因数校正电路11还受控将其输出的转换电源的电压或功率设定为与直流转换电路12输出的输出电源的责任周期(duty cycle)呈正相关，以提升电路系统1的功率因数性能并维持输出电源的稳定输出，此部分技术内容将说明于后。
电路系统1的直流转换电路12电连接于功率因数校正电路11及发光二极管组3，其接收功率因数校正电路11输出的转换电源，并将该转换电源转换为一直流的输出电源，且依据一特定的责任周期设定值而输出该输出电源为一具有特定责任周期及特定电流值的脉冲电源予发光二极管组3。据此，直流转换电路12可控制发光二极管组3接收的电流的责任周期，以控制发光二极管组3的整体亮度。
电路系统1的电流脉冲宽度调变电路13电连接于直流转换电路12与控制电路14，其受控于控制电路14而输出一关于该责任周期设定值的脉冲控制信号至直流转换电路12，以控制直流转换电路12依据该脉冲控制信号输出该输出电源。举例来说，本实施例的电流脉冲宽度调变电路13可内含一亮度调变电路及一电流调变电路(未图标)，其可控制输出电源的责任周期设定。
参阅图2，为直流转换电路12输出至发光二极管组3的输出电源的电流波型示意图。其中，该输出电源的责任周期可分为亮度调控责任周期与电流调控责任周期两部分。亮度调控责任周期可由前述的亮度调变电路控制，其为在一调光周期时间(Td)中具有电流输出的时间比例，需与人眼视觉暂留的反应时间相对应，具体来说是调光作动时间(active time，Ton)对调光周期时间Td的比值，也就是说亮度调控责任周期等于Ton/Td。电流调控责任周期可由前述电流调变电路控制，其为每一组脉冲电流的电流周期时间(Ts)中产生电流输出的时间比例，具体来说为电流作动时间(TI)对电流周期时间(Ts)的比值，也就是说电流调控责任周期等于TI/Ts。据此，电流脉冲宽度调变电路13可分别通过亮度调变电路及电流调变电路对应控制直流转换电路12输出的输出电源的亮度调控责任周期与电流调控责任周期，而达成控制发光二极管组3发光亮度的功效。
电路系统1的控制电路14电连接于功率因数校正电路11与电流脉冲宽度调变电路13，其可以是微控制器(micro control unit，简称为MCU)等类型的处理器，并受控发出一关于该责任周期设定值的第一控制信号至电流脉冲宽度调变电路13，以控制电流脉冲宽度调变电路13依据该第一控制信号发出该脉冲控制信号。此外，控制电路14还受控发出一关于该功率因数校正电路11的一充放电系数设定值的第二控制信号至功率因数校正电路11，以控制该功率因数校正电路11根据该第二控制信号设定其充放电系数设定值，而使该功率因数校正电路11输出的转换电源的电压功率正相关于直流转换电路12输出的输出电源的责任周期。因此，根据控制电路14发出的第一控制信号与第二控制信号，可使功率因数校正电路11输出的转换电源在不同电压(或功率)的情况下，维持其输出的转换电源与输出电源的同步性，而保持电路系统1的高功率因数及稳定输出电源。以输出端来看，若要使发光二极管组3发出较亮的光线，则电路系统1必须提供较多的电力予发光二极管组3，此时控制电路14会控制功率因数校正电路11提升其输出的转换电源的电压(或功率)，使功率因数校正电路11供给直流转换电路12较多电力，同时间电路系统1还会控制电流脉冲宽度调变电路13提升其对直流转换电路12的责任周期设定值，而使直流转换电路12提供的输出电源的责任周期增加。据此，电路系统1须输出较多电力时，控制电路14可控制直流转换电路12于同时间接收较多的电力(提升转换电源的电压或功率)并输出较多的电力(提升输出电源的脉冲电流的责任周期)，以维持直流转换电路12的接收电力与输出电力的对等性。
调光电路15可以是包含三极交流开关(tri-electrode AC switch，简称为TRIAC)或脉冲宽度调变电路等电路构件的调光电路，但不以此种电路为限，其电连接于功率因数校正电路11及控制电路14，可受用户控制而设定功率因数校正电路11接收的交流电源的功率比例，并发出一关于该功率比例的功率设定信号至控制电路14，而令控制电路14根据该功率设定信号发出该第一控制信号与该第二控制信号，使该交流电源的功率比例、该转换电源的功率与该输出电源的责任周期成正相关。据此，本发明的电路系统1可供用户通过调光电路15调整输出电源的责任周期，据以调整发光二极管组3的发光亮度。但在其他实施态样中，电路系统1也可以不设置调光电路15，此时电路系统1大致仅能产生固定的输出电流，使用者不能随意控制发光二极管组3的亮度。
根据上述电路组件的配置方式，本发明电路系统1呈现由控制电路14(例如微处理器)整合控制功率因数校正电路11、直流转换电路12及电流脉冲宽度调变电路13运作的电路架构，且电路系统1可以是一阶(single stage)或二阶(two stage)的发光二极管驱动电路，以对应控制发光二极管组3的运作状态。
在一阶驱动电路的配置中，功率因数校正电路11为电路系统1的主要驱动、转换电路。而直流转换电路12可以是一内含晶体管、电感、电容等电路组件的电流开关，于接收功率因数校正电路11输出的该转换电源后，依据该脉冲控制信号的责任周期设定值，将该转换电源切换输出为该具有特定责任周期的输出电源。
而在二阶驱动电路的配置中，功率因数校正电路11为电路系统1的第一阶(primary stage)电路，而直流转换电路12则为电路系统1的第二阶(secondary stage)电路。具体来说，此处的直流转换电路12为一直流对直流转换器，于功率因数校正电路11输出的该转换电源处于具有一特定电压输出值的状态下，直流转换电路12会根据该转换电源的电压输出值与前述责任周期设定值，控制该输出电源的责任周期正相关于该转换电源的电压输出值，使发光二极管组3所需的电力与功率因数校正电路11输出的电力相互对应，而提升该输出电源的利用性及稳定性。
于前述实施态样中，控制电路14可通过实时处理运算的方式，根据交流电源的功率比例而计算、设定功率因数校正电路11的充放电系数设定值，并同步计算、设定直流转换电路12及电流脉冲宽度调变电路13的责任周期设定值。但在不同的实施态样中，控制电路14也可以透过查询表(table)的方式，将对应各种功率比例的充放电系数设定值、责任周期设定值预存于内，而能在接收该功率设定信号后，以较简便且有效率的查表方式进行运算处理，而对应发出该第一控制信号与该第二控制信号。
举例来说，该查询表具有多笔关于该交流电源的功率比例的功率比例查询值以及多笔对应于该功率比例查询值的责任周期设定值及充放电系数设定值。控制电路14接收功率设定信号后，是依据该功率设定信号的功率比例指定该查询表中的一功率比例查询值，并根据对应于该被指定的功率比例查询值的一责任周期设定值而发出该第一控制信号，且根据对应于该被指定的功率比例查询值的一充放电系数设定值而发出该第二控制信号。
也就是说，使用者欲对发光二极管组3进行亮度调整时，可透过调光电路15设定电流脉冲宽度调变电路13接收的交流电源的功率比例，而后控制电路14根据该查询表，依对应该调整后的功率比例的充放电系数设定值对功率因数校正电路11进行设定，并依对应该调整后的功率比例的责任周期设定值对电流脉冲宽度调变电路13进行设定，以调整输出电源的责任周期，进而调节发光二极管组3的明暗度。于上述调光过程中，由于控制电路14内存的查询表设有对应各种功率比例查询值的充放电系数设定值及责任周期设定值，因此不管用户透过调光电路15设定较大的功率比例或较小的功率比例，控制电路14均可根据查询表迅速择定对应的充放电系数设定值及责任周期设定值，不需进行额外复杂的运算处理程序，而能在保持高功率因数的状态下确保功率因数校正电路11、直流转换电路12与电流脉冲宽度调变电路13输出电力的同步性与稳定性。
综合上述内容，本发明电路系统1由控制电路14支配功率因数校正电路11、直流转换电路12及电流脉冲宽度调变电路13的整体运作，该电路系统1可由一阶或二阶电路配置实现，并可进一步配合调光电路15协同运作，确保电路系统1的功率因数及电力输出的稳定性，因此本发明电路系统1确实能达成本发明的目的。
以上所述者，仅为本发明的较佳实施例而已，当不能以此限定本发明实施的范围，即凡依本发明权利要求书及说明书内容所作的简单的等效变化与修饰，皆仍属本发明的范围。
Claims (5)
1.一种具功率因数校正优化的发光二极管电路系统，电连接于一外部电源及一发光二极管组，接收该外部电源提供的电力并于转换后供给于该发光二极管组，其特征在于：该电路系统包含：
一功率因数校正电路，电连接于该外部电源且接收该外部电源提供的一交流电源，并将该交流电源转换为一直流的转换电源而输出于外，且控制其接收的该交流电源的电流相位与电压相位趋于一致；
一直流转换电路，电连接于该功率因数校正电路及该发光二极管组，接收该转换电源后转换为一直流的输出电源，且主要依据一特定的责任周期设定值而输出该输出电源为一具有特定责任周期及特定电流值的脉冲电源予该发光二极管组；
一电流脉冲宽度调变电路，电连接于该直流转换电路，受控输出一关于该责任周期设定值的脉冲控制信号至该直流转换电路，以控制该直流转换电路依据该责任周期设定值输出该输出电源；及
一控制电路，电连接于该功率因数校正电路与该电流脉冲宽度调变电路，受控发出一关于该责任周期设定值的第一控制信号至该电流脉冲宽度调变电路，以控制该电流脉冲宽度调变电路依据该第一控制信号发出该脉冲控制信号，该控制电路还受控发出一关于该转换电源功率的充放电系数设定值的第二控制信号至该功率因数校正电路，以控制该转换电源的电压或功率正相关于该输出电源的责任周期。
2.根据权利要求1所述的电路系统，其特征在于：该直流转换电路是一直流对直流转换器，该功率因数校正电路输出的该转换电源具有一特定的电压输出值，且该直流转换电路控制该输出电源的责任周期正相关于该转换电源的电压输出值。
3.根据权利要求1所述的电路系统，其特征在于：该直流转换电路是一内含晶体管的电流开关，并于接收该功率因数校正电路输出的该转换电源后，依据该责任周期设定值将该转换电源切换输出为该具有特定责任周期的输出电源。
4.根据权利要求1所述的电路系统，其特征在于：该电路系统还包含一调光电路，该调光电路电连接于该功率因数校正电路及该控制电路，其受控设定该功率因数校正电路接收的该交流电源的功率比例，并发出一关于该功率比例的功率设定信号至该控制电路，而令该控制电路根据该功率设定信号发出该第一控制信号与该第二控制信号，使该交流电源的功率比例、该转换电源的电压或功率以及该输出电源的责任周期成正相关。
5.根据权利要求4所述的电路系统，其特征在于：该控制电路是一内存至少一查询表的处理器，该查询表具有多笔关于该交流电源的功率比例的功率比例查询值以及多笔对应于该功率比例查询值的责任周期设定值及充放电系数设定值，该控制电路依据该交流电源的功率比例指定该查询表中的一功率比例查询值，并根据对应于该被指定的功率比例查询值的一责任周期设定值而发出该第一控制信号，且根据对应于该被指定的功率比例查询值的一充放电系数设定值而发出该第二控制信号。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| EXSB | Decision made by sipo to initiate substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20170426 |