CN104853471A - 回馈控制led驱动电路的控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种用于回馈控制LED驱动电路的控制系统，其包括波谷侦测稳压单元以及控制及回授单元。波谷侦测稳压单元侦测整流单元输入的正弦状直流电压，使输入电压在低于默认波谷电压时，将电能储存于储电容器，储存电能经由系统供电单元转换成系统内所需的电源电压。控制及回授单元电性连接至回馈控制LED驱动电路，提供功率因子修正、调光及调色温以驱动LED发光器件，并侦测LED驱动电路中的回授信号以控制LED驱动电路的输出电流或提供保护措施。
Description
技术领域
本发明涉及发光二极管(Light emitting diode,LED)驱动电路的控制系统的领域，特别是有关于回馈控制LED驱动电路的控制系统的领域。
背景技术
近年来，用于照明上的发光二极管(Light emitting diode,LED)交直流转换驱动技术不断改进，如各种线性(Linear)电源驱动及开关式电源(Switchingpower)驱动不断的被设计出来，而开关式电源驱动又分隔离式、非隔离式及它们衍生出来的各种拓朴(topology)架构，这些不同的驱动方式，目标是希望能在功率因子、效率、控制器供电、光源闪烁、调光、安全规范及成本等主要议题的取舍上，让消费者选择较能接受的解决方案。
如传统的LED驱动电路，在控制器供电的问题上，主要是采取自我回授供电的方式(Self-Powered)，此方法的主要问题是变压器必须绕制额外的线圈、较慢的起动速度、电源开关漏电时造成误起动等；而非自我回授供电的方式(Non Self-Powered)，则使用线电压直接降压供电，因此浪费较多电能，降低了整体的转换效率。另外，在传统的功率因子修正(Power factor correction,PFC)方面，都是以類比的方式取得交流电压的波形来修正参考电压，此方法无法根据所采用各种不同的驱动型式调整电流波形进行功率因子及电流谐波的优化，并且在控制器方面必须增加额外的接脚进行波形侦测，增加了控制器的成本。
发明内容
有鉴于上述现有技术的问题，本发明的目的就是在提供一种用于回馈控制LED驱动电路的控制系统，以解决习知的电能转换效率与LED驱动方式的问题。
根据本发明的目的在于提供一种用于回馈控制LED驱动电路的控制系统，回馈控制LED驱动电路通过全波整流单元将交流电压整流成正弦状直流电压进行供电。所述控制系统包括电性连接至整流单元的波谷侦测稳压单元，波谷侦测稳压单元接收并分析正弦状直流电压；电性连接至所述波谷侦测稳压单元的储电容器，当波谷侦测稳压单元的正弦状直流电压低于默认波谷电压时对储电容器进行充电；电性连接至所述储电容器的系统供电单元，系统供电单元接收储电容器的电能并转换成控制系统内的系统所需电压；以及电性连接至回馈控制LED驱动电路的控制及回授单元，控制及回授单元接收回馈控制LED驱动电路的回馈信号并产生控制信号以控制回馈控制LED驱动电路的输出电流来驱动LED器件或提供保护措施。
较佳地，回馈控制LED驱动电路包括防止电源开关漏电单元，将指示灯电源开关的漏电电流导向假负载，避免微弱电流使电压上升造成系统误启动。
较佳地，此控制系统在启动后再以变压器的二次侧或电感自我馈电方式反馈供电。
较佳地，控制及回授单元也连接至波谷侦测稳压单元并接收来自波谷侦测稳压单元的波谷同步信号，波谷同步信号是在正弦状直流电压的每个波谷产生并开始功率因子修正(Power factor correction,PFC)的数位波形，控制及回授单元根据数位波形控制回馈控制LED驱动电路的输出电流。
较佳地，进一步包括连接于控制及回授单元的数位数值表，数位数值表纪录多个最佳功率因子数值，当控制及回授单元被波谷同步信号触发时，多个最佳功率因子数值被逐一输出。
较佳地，进一步包括动态参考电压产生单元，电性连接于控制及回授单元与数位数值表之间，动态参考电压产生单元将最佳功率因子数值经过数字/模拟转换(DAC)产生不断变换的电压值，以控制回馈控制LED驱动电路的输出电流。
较佳地，LED驱动电路包括隔离式、非隔离式及各种衍生的电路拓朴(Topology)。
承上所述，依本发明用于回馈控制LED驱动电路的控制系统，其可具有一或多个下述优点：
(1)此用于回馈控制LED驱动电路的控制系统可汲取不大于默认波谷电压门坎值时的电能，而非全波段的电能，减少能量的耗损。
(2)此用于回馈控制LED驱动电路的控制系统可利用功率因子修正单元的数值对LED驱动电路进行修正，提升系统的转换效率。
为了为使本领域技术人员对本发明的技术特征及所达到的功效有更进一步的了解与认识，下面以较佳实施例及配合图式进行详细地说明。
附图说明
图1为本发明用于回馈控制LED驱动电路的控制系统第一实施例的示意图。
图2为本发明用于回馈控制LED驱动电路的控制系统第二实施例的示意图。
图3为本发明用于回馈控制LED驱动电路的控制系统第三实施例的示意图。
图4为本发明的波谷侦测稳压单元的电路示意图。
图5为本发明的波谷侦测稳压单元的波形示意图。
图6为本发明的功率因子修正单元的波形示意图。
附图标记说明
1：控制系统
10：波谷侦测稳压单元
10a：1.2V比较器
10b：12V比较器
11：储电容器
12：系统供电单元
13：控制及回授单元
14：功率因子修正单元
15：数位数值表
16：动态参考电压产生单元
20：整流单元
21：回馈控制LED驱动电路
22：LED发光器件
Q1：第一晶体管
Q2：第二晶体管
Q3：第三晶体管
C1：充电电容
Z1：齐纳二极管
R1～R5：电阻
具体实施方式
以下将参照图式更详尽地对各实施例加以说明；然而这些实施例均可以实施为不同的形式，故不应视为仅限制于此处提出的实施例。更确切言之，这些实施例是用以使本发明的揭示更为周密及完整，并能充分传达出本发明的范畴给本领域技术人员。
请参阅图1，图1为本发明用于回馈控制LED驱动电路的控制系统第一实施例的示意图。如图所示，本发明的控制系统1可包括波谷侦测稳压单元10、储电容器11、系统供电单元12及控制及回授单元13。其中，波谷侦测稳压单元10电性耦接至整流单元20，整流单元20可接收外部的交流电源(ACLine Voltage)并整流成正弦状的直流电压，波谷侦测稳压单元10可接收输入电压并与定义的波谷电压门坎值比对，在输入电压低于波谷电压门坎值时，对连接的储电容器11进行充电，储电容器11再连接至系统供电单元12，将储存的电能量转换成系统所需的各种电源电压以供波谷侦测稳压单元10或控制及回授单元13使用。另外，控制及回授单元13电性耦接至回馈控制LED驱动电路21，回馈控制LED驱动电路21接收整流单元20输出的电压，经由控制及回授单元13提供各种如功率因子修正(PFC)或阶段调光(Step Dimming)等控制驱动LED发光器件22进行发光，同时，控制及回授单元13也侦测LED驱动电路21中各种回授信号以控制LED输出电流及做各种保护，在此处的LED驱动电路21可设计成各种隔离、非隔离及其不同的拓扑(Topology)型式，而电性耦接至LED驱动电路21的LED发光器件22则可为各种串并联不同电压电流的多个发光二极管(LEDs)。
在波谷同步稳压的控制系统1操作过程中，波谷侦测稳压单元10将对电压门坎值与电压准位进行比较。举例来说，进行数值的绝对大小的比较或是数值的相对比例的比较。应注意的是，为便于描述及说明，后述的实施例采用数值的大小比较，但不应以此局限本发明。当波谷侦测稳压单元10比较出电压准位不大于波谷电压门坎值时，波谷侦测稳压单元10将使输入线电压对储电容器11充电，并通过系统供电单元12，将储电容器11中的电能转换成系统所需的各种电源电压。另一方面，当波谷侦测稳压单元10比较出电压准位大于波谷电压门坎值或电容器电压大于所需的设计电压时，波谷侦测稳压单元10将不提供输入线电压予电容充电以避免高压供电时的电能浪费，而此时亦是由系统供电单元12从电容器放电中提供系统所需的电能。
此外，整流单元20可以为桥式整流器及二极管的组合。且波谷侦测稳压单元10用来决定波谷电压准位的部分，可由多个分压电阻、比较器及参考电压所组成。其中，波谷电压准位将由系统供电时可接受的功率损耗来调整。
另一方面，波谷侦测稳压单元10可由多个电阻、第一晶体管、第二晶体管及比较器所组成，并根据第一晶体管导通第二晶体管截止时，多个电阻的分压及比较器的比较电压设定波谷的电压门坎准位。例如可包括第一晶体管、第二晶体管以及齐纳二极管，于电路逻辑上来说，其中当电压准位大于波谷电压门坎值时，第一晶体管导通、第二晶体管不导通、齐纳二极管不导通以使储电器件不被充电；当电压准位不大于电压门坎值时，第一晶体管不导通、第二晶体管导通、齐纳二极管导通以使储电器件可被充电。当比较器侦测到电容器充电至预定电压或线电压高于波谷电压门坎值时，波谷侦测及充电逻辑可发出控制信号以断开线电压对电容器的充电，其中，电容器达到预定电压的范围实质上可设计于8伏特至30伏特之间。第一晶体管与第二晶体管可为互补金属氧化物半导体(CMOSFET)，此处仅先描述各该电子器件之间的逻辑关系，详细的电路连接方式将于图4进行说明。
请参阅图2，其为本发明用于回馈控制LED驱动电路的控制系统的第二实施例的示意图。如图所示，在第二实施例与第一实施例中，相同或相似的器件与器件之间的链接代表相同的作动方式，故于此不再赘述。然第二实施例与第一实施例不同的地方在于第二实施例的控制系统1进一步包括了功率因子修正单元14，功率因子修正单元14电性连接至控制及回授单元13，控制及回授单元13可经由回馈控制LED驱动电路21提供的回授信号，由功率因子修正单元14提供对应于回授信号修正后的数值来进行输出电流修正，以控制LED发光器件22的输出电流，使交流线电压的电流波形及相位达到优化。
请参阅图3，其为本发明用于回馈控制LED驱动电路的控制系统的第三实施例的示意图。如图所示，在第三实施例与第一实施例中，相同或相似的器件与器件之间的链接代表相同的作动方式，故于此不再赘述。然第三实施例与第一实施例不同的地方在于第三实施例的控制系统1进一步包括了数位数值表15与动态参考电压产生单元16。波谷侦测稳压单元10在正弦状的直流电压的每个波谷产生波谷同步信号，找出最佳波谷同步的起始点，让驱动LED发光器件22的电流相位对齐交流线电压相位。数位数值表15连接至控制及回授单元13。数位数值表15记录着一串让功率因子最佳化的数值，每次同步波谷同步信号发起时，数位数值表15就会从起始位置开始逐一输出。动态参考电压产生单元16连接至数位数值表15，动态参考电压产生单元16将输入的数值经过数字/模拟转换(DAC)产生不断变换的参考电压。控制及回授单元13电性连接接至动态参考电压产生单元16，控制及回授单元13可驱动各种拓朴(Topology)的回馈控制LED驱动电路21。
应值得注意的是，波谷侦测稳压单元10提供给控制及回授单元13的信号至少包括波谷同步触发信号。波谷侦测稳压单元10可藉由量测线电压波形在不大于电压门坎值时的波段时间的长度，并将波段时间的长度除以二则可得到波谷同步触发信号。而数位数值表15，则可根据每次的触发信号使内含数值表从起始位置开始逐一输出。
请同时参阅图4与图5，其分别为本发明的波谷同步稳压及功率因子修正的LED驱动系统实施例的电路示意图以及此实施例的波形示意图。如图4所示，波谷侦测稳压单元10可包括有第一晶体管Q1、第二晶体管Q2、第三晶体管Q3、充电电容C1、齐纳二极管Z1以及电阻R1～R5。整流单元20接收外部交流线电压电源，例如AC电源，整流后输出至波谷侦测稳压单元10以及LED驱动电路21，波谷侦测稳压单元10决定波谷的电压准位，在线电压高于波谷电压，第一晶体管Q1导通、第二晶体管Q2及齐纳二极管Z1截止是由电阻R2及R4与1.2V比较器10a所决定，此时波谷门坎电压为(1+R2/R4)*1.2V。此时第二晶体管Q2因不导通而使充电电容C1呈现放电供电状态；当线电压低于波谷电压时，第一晶体管Q1截止、第二晶体管Q2及齐纳二极管Z1导通，充电电容C1呈现充电供电状态，充电电容C1电压不断上升并与另一12V比较器10b进行比较，直到电压上升至所需的电压12V时即停止充电并等待下一次波谷出现，完成一次充电电容C1的充放电周期。另外这种供电方式可用来避免因具有指示灯的电源开关漏电，在微弱电流供应下造成系统的误启动，在系统未启动时，第三晶体管Q3闸极的控制信号为低电压使第三晶体管Q3导通，此时漏电流经由假负载电阻R3旁路至地，电压无法上升使系统不致误启动，当电源开关导通假负载无法箝住电压而使电压上升至系统启动电压时，第三晶体管Q3闸极的控制信号设为高电压使Q3截止，假负载不导通，系统开始正常运作及供电。
如图5所示，AC波形已经被整流单元20整流成全波段直流电，而波谷电压门坎值经由电阻R2、R4及比较电压1.2V设定约为60V，当正弦状直流电压大于电压门坎值60V的波段时，第一晶体管Q1的闸极电压将上升至5V而使第一晶体管Q1导通，此时电容C1则不被充电，且电容C1将会放电以提供系统供电单元11所需的电能，因此VCC所量测到的电压将会下降。而当AC波形不大于电压门坎值60V的波段时，第一晶体管Q1的闸极电压将下降至0V，而第二晶体管Q2将会导通，此时电容C1将会被充电，因此VCC所量测到的电压将会上升直到比较电压12V或大于波谷电压时而停止充电，而此时由不大于电压门坎值60V时段内，汲取AC电能提供系统供电单元12所需的全时段能量。同时，波谷侦测稳压单元10在每一个正弦状DC波形之波谷产生波谷同步信号，设定为数位波形的起始点，动态参考电压产生单元以数位数值表内数值转换产生参考电压，并控制回馈控制LED驱动电路之驱动电流。
如图6所示，其为本发明其中的功率因子修正的示意图，功率因子修正单元内含可编辑逻辑阵列(Programmable logic array,PLA)，记录着可让功率因子修正的数值，程序逻辑数组指标(PLA Index)与其对应之数位PFC值如下表1所示。在一般隔离式或升压式的LED驱动拓朴(Topology)下，可以记录着正弦波形的离散数列，每当波谷侦测稳压单元10输入波谷同步信号时，数位数值表15内的可编辑逻辑阵列指标(PLA Index)将从零开使计数，并逐一加载对应的数值给动态参考电压产生单元17，然后PLA index再倒数回0，完成一个180度的正弦周期，如第6图所示，等下次波谷同步信号触发时再开始下一次周期的数值产生。逻辑阵列指标(PLA Index)与数位PFC值的数值可根据设计成本与功率因子修正的表现来改变。
表1
| PLA index | 数位PFC值(12bits) | PLA index | 数位PFC值(12bits) |
| 0 | 201 | 16 | 3035 |
| 1 | 402 | 17 | 3166 |
| 2 | 601 | 18 | 3290 |
| 3 | 799 | 19 | 3406 |
| 4 | 995 | 20 | 3513 |
| 5 | 1189 | 21 | 3613 |
| 6 | 1380 | 22 | 3703 |
| 7 | 1568 | 23 | 3784 |
| 8 | 1751 | 24 | 3857 |
| 9 | 1931 | 25 | 3920 |
| 10 | 2106 | 26 | 3974 |
| 11 | 2276 | 27 | 4018 |
| 12 | 2440 | 28 | 4052 |
| 13 | 2599 | 29 | 4077 |
| 14 | 2751 | 30 | 4090 |
| 15 | 2896 | 31 | 4095 |
据上总结，本发明用于回馈控制LED驱动电路的控制系统1具有上述该些实施例的器件架构，本发明用于回馈控制LED驱动电路的控制系统1可仅汲取市电或交流电所具有的全波段波形的不大于波谷电压门坎值时的电能，而非汲取全波段波形的各该波动电压值的电能，因此本发明用于回馈控制LED驱动电路的控制系统1可做为低消耗且有效率的控制或驱动系统，一来可避免系统不必要的电能耗损，二来更可用来做功率因子数字化时的同步信号。若是仅利用波谷稳压侦测单元快速启动后，亦可加以传统的变压器二次侧或电感的自我馈电方式供电于用于回馈控制LED驱动电路的控制系统1，除可进一步提升效能，又不影响功率因子数字化时所需的同步信号产生
以上所述仅为举例性，而非为限制性者。任何未脱离本发明的精神与范畴，而对其进行的等效修改或变更，均应包括于本发明的权利要求书要求保护的范围中。
Claims (8)
1.一种用于回馈控制LED驱动电路的控制系统，其特征在于，所述回馈控制LED驱动电路通过全波整流单元将交流电压整流成正弦状直流电压进行供电，所述控制系统包括：
波谷侦测稳压单元，电性连接至所述整流单元，所述波谷侦测稳压单元接收并分析所述正弦状直流电压；
储电容器，电性连接至所述波谷侦测稳压单元，当所述波谷侦测稳压单元的所述正弦状直流电压低于默认波谷电压时对所述储电容器进行充电；
系统供电单元，电性连接至所述储电容器，所述系统供电单元接收所述储电容器的电能并转换成所述控制系统内的系统所需电压；以及
控制及回授单元，电性连接至所述回馈控制LED驱动电路，所述控制及回授单元接收所述回馈控制LED驱动电路的回馈信号并产生控制信号以控制所述回馈控制LED驱动电路的输出电流来驱动LED器件或提供保护措施。
2.如权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述控制系统在启动后再以变压器的二次侧或电感自我馈电方式反馈供电。
3.如权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述回馈控制LED驱动电路包括防止电源开关漏电单元，将指示灯电源开关的漏电电流导向假负载，避免微弱电流使电压上升造成系统误启动。
4.如权利要求3所述的控制系统，其特征在于，所述控制系统在启动后再以变压器的二次侧或电感自我馈电方式反馈供电。
5.如权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述控制及回授单元也连接至所述波谷侦测稳压单元并接收来自所述波谷侦测稳压单元的波谷同步信号，所述波谷同步信号是在所述正弦状直流电压的每个波谷产生并开始功率因子修正的数位波形，所述控制及回授单元根据所述数位波形控制所述回馈控制LED驱动电路的所述输出电流。
6.如权利要求5所述的控制系统，进一步包括连接于所述控制及回授单元的数位数值表，所述数位数值表纪录多个最佳功率因子数值，当所述控制及回授单元被所述波谷同步信号触发时，多个最佳功率因子数值被逐一输出。
7.如权利要求6所述的控制系统，进一步包括动态参考电压产生单元，电性连接于所述控制及回授单元与所述数位数值表之间，所述动态参考电压产生单元将所述最佳功率因子数值经过数字/模拟转换(DAC)产生不断变换的电压值，以控制所述回馈控制LED驱动电路的所述输出电流。
8.如权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述回馈控制LED驱动电路包括隔离式、非隔离式及各种衍生的电路拓朴。
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