CN104902615A - 具备可调式显色指数的发光二极管照明装置 - Google Patents
具备可调式显色指数的发光二极管照明装置 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种具备可调式显色指数的发光二极管照明装置,其包括第一至第三发光组件和第一至第三电流控制器。第一发光组件和第二发光组件由整流交流电压来驱动,用来提供具备一第一颜色的光源。第三发光组件由整流交流电压来驱动,用来提供具备一第二颜色的光源,其中第一颜色相异于第二颜色。第一至第三电流控制器分别根据第一至第三限流值来调节第一至第三电流。因此,本发明能够增加发光二极管照明装置的可操作电压范围和弹性调整发光二极管照明装置的显色指数。
Description
技术领域
本发明涉及一种发光二极管照明装置,尤其涉及一种具备高功率因子和可调式显色指数的发光二极管照明装置。
背景技术
在整流交流(rectified alternative-current,AC)电压直接驱动的照明应用中,由于发光二极管(light emitting diode,LED)为一电流驱动组件,其发光亮度与驱动电流的大小成正比,为了达到高亮度和亮度均匀的要求,往往需要使用许多串接的发光二极管来提供足够光源。串联发光二极管的数量越多,导通发光组件所需的顺向偏压越高,发光二极管照明装置的可操作电压范围越小。若发光二极管数量太少,则会使得发光二极管在整流交流电压具最大值时驱动电流过大,进而影响发光二极管的可靠性。因此,需要一种能够增加可操作电压范围和可靠性的发光二极管照明装置。
此外,显色指数(color rendering index,CRI)是评估照明光源质量好坏的根据,由国际照明协会(International Commission onIllumination,CIE)所定义,将自然界里的太阳光视为最佳的照明质量。也就是说,显色指数愈高,表示物体在所述照明光源下显示的颜色与在太阳光照射下的颜色愈接近;演色性愈低,表示物体在所述照明光源下显示颜色与太阳光照射下的颜色偏离愈远。一般在摄影或照相等应用中会希望使用高显色指数的光源,但现有技术发光二极管照明装置的显色指数仅介于60~70。因此,需要一种能够增加可操作电压范围、可靠性和显色指数的发光二极管照明装置。
发明内容
有鉴于上述现有技术的问题,本发明的目的在于提供一种具备高功率因素和可调式显色指数的发光二极管照明装置。
为达到上述的目的,本发明公开一种发光二极管照明装置,其包括第一至第三发光组件和第一至第三电流控制器。第一发光组件由一整流交流电压来驱动,其根据一第一电流来提供具备一第一颜色的光源。所述第二发光组件串联于所述第一发光组件且由所述整流交流电压来驱动,其根据一第二电流来提供具备所述第一颜色的光源。所述第三发光组件由所述整流交流电压来驱动,其根据一第三电流来提供具备一第二颜色的光源,其中所述第一颜色相异于所述第二颜色。所述第一电流控制器用来根据一第一限流值来调节所述第一电流,其包括一第一管脚,耦接至所述第一发光组件的一第一端﹔一第二管脚﹔以及一第三管脚,耦接至所述第一发光组件的一第二端。所述第二电流控制器用来根据一第二限流值来调节所述第二电流,其包括一第一管脚,耦接至所述第二发光组件﹔一第二管脚,耦接至所述整流交流电压﹔以及一第三管脚。所述第三电流控制器用来根据一第三限流值来调节所述第三电流,其包括一第一管脚,耦接至所述第三发光组件的一第一端﹔以及一第二管脚。
附图说明
图1至图3为本发明实施例中发光二极管照明装置的示意图。
图4至图8为本发明发光二极管照明装置运作时的示意图。
图9为本发明实施例中一电流控制器的示意图。
图10为本发明另一实施例中一电流控制器的示意图。
其中,附图标记说明如下:
20 开关
30 电流侦测电路
40 可调式参考电压产生器
50 比较器
101~103 发光二极管照明装置
110 电源供应电路
112 桥式整流器
101~103 发光二极管照明装置
110 电源供应电路
112 桥式整流器
CC1~CCN+2、CCA、CCB 电流控制器
A1~AN+2 发光组件
具体实施方式
图1至图3为本发明实施例中发光二极管照明装置101~103的示意图。发光二极管照明装置101~103各包括一电源供应电路110、多个发光组件和多个电流控制器。电源供应电路110可接收一具正负周期的交流电压VS,并利用一桥式整流器112来转换交流电压VS在负周期内的输出电压,因此可提供一整流交流电压VAC以驱动发光二极管照明装置101~103,其中整流交流电压VAC的值随着时间而有周期性变化。在其它实施例中,电源供应电路110可接收任何交流电压VS,利用一交流-交流电压转换器来进行电压转换,并利用桥式整流器112来对转换后的交流电压VS进行整流,因此可提供整流交流电压VAC以驱动发光二极管照明装置101~103,其中整流交流电压VAC的值随着时间而有周期性变化。值得注意的是,电源供应电路110的结构并不限定本发明的范畴。
在本发明实施例中,每一发光组件可包括一个发光二极管,或是多个串接、并联或组成数组的发光二极管。图1至图3显示了采用多个串接发光二极管的架构,其可包括多个单接口发光二极管(single-junction LED)、多个多界面高压发光二极管(multi-junctionhigh-voltage LED),或不同类型发光二极管的任意组合。然而,发光组件所采用的发光二极管种类或组态并不限定本发明的范畴。
在图1所示的实施例中,发光二极管照明装置101包括(N+2)个发光组件A1~AN+2和(N+2)个电流控制器CC1~CCN+2,其中N为正整数。发光组件A1~AN+2彼此串联,但串联顺序并不限定本发明的范畴。电流控制器CC1~CCN分别并联于相对应的发光组件A1~AN。电流控制器CCN+1串联于发光组件AN+1。电流控制器CCN+2串联于发光组件AN+2。发光组件AN+2和电流控制器CCN+2并联于发光组件AN+1中一个、多个或所有发光二极管。发光组件A1~AN+1设置成可提供第一颜色的光源,而发光组件AN+2设置成可提供第二颜色的光源。第一颜色和第二颜色彼此相异,例如可呈现不同色温。
在图2所示的实施例中,发光二极管照明装置102包括(N+2)个发光组件A1~AN+2和(N+2)个电流控制器CC1~CCN+2,其中N为正整数。发光组件A1~AN+2彼此串联,但串联顺序并不限定本发明的范畴。电流控制器CC1~CCN分别并联于相对应的发光组件A1~AN。电流控制器CCN+1串联于发光组件AN+1。电流控制器CCN+2串联于发光组件AN+2。发光组件AN+2和电流控制器CCN+2并联于发光组件A1~AN中任一发光组件内一个、多个或所有发光二极管。发光组件A1~AN+1设置成可提供第一颜色的光源,而发光组件AN+2设置成可提供第二颜色的光源。第一颜色和第二颜色彼此相异,例如可呈现不同色温。
在图3所示的实施例中,发光二极管照明装置103包括(N+2)个发光组件A1~AN+2和(N+2)个电流控制器CC1~CCN+2,其中N为正整数。发光组件A1~AN+2彼此串联,但串联顺序并不限定本发明的范畴。电流控制器CC1~CCN分别并联于相对应的发光组件A1~AN。电流控制器CCN+1串联于发光组件AN+1。电流控制器CCN+2并联于发光组件AN+2。发光组件AN+2和电流控制器CCN+2串联于发光组件AN+1。在一实施例中,发光组件AN+2可耦接于电源供应电路110和发光组件AN+1之间。在另一实施例中,发光组件AN+2可耦接于发光组件AN+1和发光组件A1之间。在图3所示的实施例中,发光组件AN+2可耦接于发光组件AN+1中两相邻发光二极管之间。发光组件A1~AN+1设置成可提供第一颜色的光源,而发光组件AN+2设置成可提供第二颜色的光源。第一颜色和第二颜色彼此相异,例如可呈现不同色温。
每一电流控制器CC1~CCN+2可制作成包括一第一管脚A、一第二管脚K、一第三管脚CS,和n个模式选择管脚MS1~MSn的芯片,其中n为符合2n≧(N+1)的正整数。在电流控制器CC1~CCN+2中,模式选择管脚MS1~MSn可耦接于其管脚A、管脚K或浮接。
为了清楚地说明本发明,说明书全文和图标中使用下列符号来表示发光二极管照明装置101~103中相关电流和电压。VAK1~VAK(N+2)分别代表相对应电流控制器CC1~CCN+2的跨压。IAK2~IAK(N+2)分别代表流经相对应电流控制器CC2~CCN+2的电流。ILED1~ILED(N+2)分别代表流经相对应发光组件A1~AN+2的电流。
图4至图8为发光二极管照明装置101~103运作时的示意图,显示了N=3和n=2时的实施例。图4至图8图分别显示了电流控制器CC1~CC5的电流-电压(I-V)特性曲线。VC1~VC5分别代表电流控制器CC1~CC5开始导通时的截止电压(cut-in voltage)。VDROP1~VDROP5分别代表当电流IAK1~IAK5分别达到限流值IMAX1~IMAX5时电流控制器CC1~CC5的压差电压(dropout voltage)。在本发明实施例中,导通电流控制器CC1~CC5所需的截止电压VC1~VC5分别小于导通发光组件A1~A5所需的截止电压。当特定发光组件的跨压超过其截止电压时,特定发光组件会在一导通状态(ON state)﹔当特定发光组件的跨压并未超过其截止电压时,特定发光组件会在一非导通状态(OFF state)。
在图4至图8中,在整流交流电压VAC的上升周期或下降周期当0<VAK1<VDROP1,0<VAK2<VDROP2,0<VAK3<VDROP3,0<VAK4<VDROP4或0<VAK5<VDROP5时,此时电流控制器CC1~CC5尚未完全导通,因此会像压控组件一样在一线性模式下运作,使得电流IAK1~IAK5会分别随着电压VAK1~VAK5呈特定变化。举例来说,若电流控制器CC1以金氧半导体(metal-oxide-semiconductor,MOS)晶体管来制作,电流IAK1和电压VAK1之间的关系1会相关于MOS晶体管在线性区运作时的电流--电压特性。
在图4至图8中,在整流交流电压VAC的上升周期或下降周期当VAK1>VDROP1,VAK2>VDROP2,VAK3>VDROP3,VAK4>VDROP4或VAK5>VDROP5时,电流控制器CC1~CC5会切换至一定电流模式并像限流器一样运作,使得电流IAK1~IAK5会分别被箝制在限流值IMAX1~IMAX5,而非分别随着电压VAK1~VAK5而改变。
在许多应用中,电流控制器CC1~CC5可能需要提供不同限流值。在本发明中,透过设定模式选择管脚MS 1~MS2,电流控制器CC1~CC4能弹性地提供不同限流值。在图4至图8所示的实施例中,电流控制器CC1~CC4可设定成使得IMAX1<IMAX2<IMAX3<IMAX4。然而,电流控制器所提供限流值的大小关系并不限定本发明的范畴。
在许多应用中,发光二极管照明装置101~103可能需要提供特定显色指数。如前所述,在N=3和n=2的实施例中,发光组件A1~A4设置成可提供第一颜色的光源,而发光组件A5设置成可提供第二颜色的光源,其中第一颜色和第二颜色彼此相异。本发明可利用电流控制器CC5来调整发光组件A5的亮度,进而改善发光二极管照明装置101~103的显色指数,并透过弹性调整第二颜色的强度使得发光二极管照明装置101~103能具备不同程度的显色指数。在图8所示的实施例中,电流控制器CC5可设定成使得IMAX5=IMAX3。然而,电流控制器CC5所提供限流值IMAX5的大小关系并不限定本发明的范畴。
图9为本发明实施例中一电流控制器CCA的示意图。图10为本发明另一实施例中一电流控制器CCB的示意图。电流控制器CCA可应用在发光二极管照明装置101~102中的电流控制器CC1~CCN+2和发光二极管照明装置103中的电流控制器CC1~CCN+1。电流控制器CCB可应用在发光二极管照明装置103中的电流控制器CCN+2。
电流控制器CCA和电流控制器CCB各包括一开关20、一电流侦测电路30、一可调式参考电压产生器40,以及一比较器50。
开关20可包括一场效晶体管(Field Effect Transistor,FET)、一双载子接面晶体管(Bipolar Junction Transistor,BJT),或是其它具类似功能的组件,图9~10的实施例以一N型金氧半导体(N-TypeMetal-Oxide-Semiconductor)场效晶体管来做说明,但不限定本发明的范畴。
电流侦测电路30可包括一电阻,耦接于第二管脚K和第三管脚CS之间以提供一回授电压VFB。在发光二极管照明装置101~103中,应用在电流控制器CC1~CCN+2的电流侦测电路30其等效电阻R1~RN+2可为相同值或不同值。然而,电流侦测电路30的结构并不限定本发明的范畴。
在图9所示的实施例中,电流侦测电路30可监控流经开关20的电流和流经相对应发光组件(耦接于第一管脚A和第三管脚CS之间)的电流的加总值。若流经开关20和相对应发光组件的电流加总值过大,电流控制器CCA会关闭开关20或降低流经开关20的电流,进而将电流IAK维持在固定值。
在图10所示的实施例中,电流侦测电路30可监控流经相对应发光组件(耦接于第一管脚A和第三管脚CS之间)的电流。若流经相对应发光组件的电流过大,电流控制器CCA会导通开关20以分流,进而将电流IAK维持在固定值。
可调式参考电压产生器40用来提供分别相关于电压VAK1~VAK(N+2)的多个参考电压VREF1~VREF(N+2),并根据模式选择管脚MS1~MS2的逻辑电位来输出参考电压VREF1~VREF(N+2)其中的一。举例来说,电流控制器CC1的可调式参考电压产生器40可输出参考电压VREF1至比较器50。同理,电流控制器CC2~CC(N+2)的可调式参考电压产生器40可分别提供相对应的参考电压VREF2~VREF(N+2)。
比较器50会根据回授电压VFB和相对应参考电压的大小关系来操作开关20,以使流经每一电流控制器的电流皆不会超过其限流值。举例来说,在N=3和n=2的实施例中,电流控制器CC1的最大限流值IMAX1可由(VREF1/R1)来决定,电流控制器CC2的最大限流值IMAX2可由(VREF2/R2)来决定,电流控制器CC3的最大限流值IMAX3可由(VREF3/R3)来决定,电流控制器CC4的最大限流值IMAX4可由(VREF4/R4)来决定,而电流控制器CC5的最大限流值IMAX5可由(VREF5/R5)来决定。透过设定每一电流控制器的模式选择管脚MS 1~MS2,电流控制器CC1~CC5能弹性地提供不同限流值,如图4~8所示。针对图1~3所示的实施例,电流控制器CC1~CC5所提供的限流值可如下列表1所示,但并不限定本发明的范畴。
表1
在本发明中,一对相对应电流控制器和发光组件可制作在同一积体芯片上。举例来说,积体芯片U1包括电流控制器CC1和发光组件A1,积体芯片U2包括电流控制器CC2和发光组件A2,…,而积体芯片UN+2包括电流控制器CCN+2和发光组件AN+2。积体芯片U1~UN+2可为在同一制程中制作的独立组件。在不同应用中,不同发光二极管照明装置所包括的积体芯片U1~UN+2可采用不同印刷电路板(PCB)布局,以设定电流控制器内模式选择管脚的逻辑电位。因此,本发明的发光二极管照明装置能提供弹性特性,但不会增加制程难度。
本发明的发光二极管照明装置利用电流控制器来控制流经串接发光二极管的电流大小和导通数目,在整流交流电压尚未达到所有发光二极管的整体隔离电压前即能导通部分发光二极管,因此能够增加发光二极管照明装置的功率因素。透过设定模式选择管脚MS1~MS2,本发明的电流控制器能弹性地提供不同限流值以选择每一发光组件的亮度,进而呈现不同程度的显色指数。因此,本发明可提供一种能够增加可操作电压范围、可靠性和显色指数的发光二极管照明装置。
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。
Claims (11)
1.一种具备可调式显色指数的发光二极管照明装置,其特征在于,包括:
一第一发光组件,由一整流交流电压来驱动,其根据一第一电流来提供具备一第一颜色的光源;
一第二发光组件,串联于所述第一发光组件且由所述整流交流电压来驱动,其根据一第二电流来提供具备所述第一颜色的光源;
一第三发光组件,由所述整流交流电压来驱动,其根据一第三电流来提供具备一第二颜色的光源,其中所述第一颜色相异于所述第二颜色;
一第一电流控制器,用来根据一第一限流值来调节所述第一电流,其包括﹕
一第一管脚,耦接至所述第一发光组件的一第一端﹔
一第二管脚﹔以及
一第三管脚,耦接至所述第一发光组件的一第二端﹔
一第二电流控制器,用来根据一第二限流值来调节所述第二电流,其包括﹕
一第一管脚,耦接至所述第二发光组件﹔
一第二管脚,耦接至所述整流交流电压﹔以及
一第三管脚﹔以及
一第三电流控制器,用来根据一第三限流值来调节所述第三电流,其包括﹕
一第一管脚,耦接至所述第三发光组件的一第一端﹔以及
一第二管脚。
2.如权利要求1所述的发光二极管照明装置,其特征在于﹕
所述第三发光组件的一第一端耦接至所述第二发光组件的一第一端﹔
所述第三电流控制器的所述第一管脚耦接至所述第三发光组件的一第二端﹔且
所述第三电流控制器的所述第二管脚耦接至所述第二发光组件的一第二端。
3.如权利要求1所述的发光二极管照明装置,其特征在于﹕
所述第二发光组件包括多个发光二极管﹔
所述第三电流控制器串联于所述第三发光组件﹔且
所述第三电流控制器和所述第三发光组件并联于所述第二发光组件的所述多个发光二极管中至少一个发光二极管。
4.如权利要求1所述的发光二极管照明装置,其特征在于﹕
所述第三发光组件的一第一端耦接至所述第一发光组件的所述第一端﹔
所述第三电流控制器的所述第一管脚耦接至所述第三发光组件的一第二端﹔且
所述第三电流控制器的所述第二管脚耦接至所述第二发光组件的一第二端。
5.如权利要求1所述的发光二极管照明装置,其特征在于﹕
所述第一发光组件包括多个发光二极管﹔
所述第三电流控制器串联于所述第三发光组件﹔且
所述第三电流控制器和所述第三发光组件并联于所述第一发光组件的所述多个发光二极管中至少一个发光二极管。
6.如权利要求1所述的发光二极管照明装置,其特征在于,每一电流控制器包括:
一开关;
一电流侦测电路,用来侦测流经所述开关的电流和流经所述第一至第三发光组件中一相对应发光组件的电流的一电流加总值,并提供一相对应的回授电压﹔
一参考电压产生器,用来提供一参考电压﹔以及
一比较器,用来根据所述回授电压和所述参考电压之间的大小关系来操作所述开关。
7.如权利要求1所述的发光二极管照明装置,其特征在于﹕
所述第二发光组件包括多个发光二极管﹔
所述第三电流控制器的所述第一管脚耦接至所述第三发光组件的一第一端﹔
所述第三电流控制器的一第三管脚耦接至所述第三发光组件的一第二端﹔且
所述第三电流控制器的所述第一管脚和所述第三电流控制器的所述第二管脚耦接于所述第二发光组件的所述多个发光二极管中两個发光二极管之间。
8.如权利要求7所述的发光二极管照明装置,其特征在于,所述第三电流控制器包括:
一开关;
一电流侦测电路,用来侦测流经所述第三发光组件的电流并提供一相对应的回授电压﹔
一参考电压产生器,用来提供一参考电压﹔以及
一比较器,用来根据所述回授电压和所述参考电压之间的大小关系来操作所述开关。
9.如权利要求1所述的发光二极管照明装置,其特征在于,所述第一电流控制器和所述第一发光组件是制作在一第一积体芯片内,所述第二电流控制器和所述第二发光组件是制作在一第二积体芯片内,而所述第三电流控制器和所述第三发光组件是制作在一第三积体芯片内。
10.如权利要求1所述的发光二极管照明装置,其特征在于﹕
所述第一电流控制器另包括多个模式选择管脚,用来设定所述第一限流值﹔
所述第二电流控制器另包括多个模式选择管脚,用来设定所述第二限流值﹔且
所述第三电流控制器另包括多个模式选择管脚,用来设定所述第三限流值。
11.如权利要求10所述的发光二极管照明装置,其特征在于,所述第一电流控制器设置成一第一组态、一第二组态、一第三组态或一第四组态,且:
在所述第一组态下,所述第一电流控制器的一第一模式选择管脚为浮接或连接至所述第一电流控制器的所述第一管脚,而所述第一电流控制器的一第二模式选择管脚连接至所述第一电流控制器的所述第二管脚;
在所述第二组态下,所述第一电流控制器的所述第一模式选择管脚连接至所述第一电流控制器的所述第二管脚,而所述第一电流控制器的所述第二模式选择管脚为浮接或连接至所述第一电流控制器的所述第一管脚;
在所述第三组态下,所述第一电流控制器的所述第一模式选择管脚和所述第二模式选择管脚为浮接或连接至所述第一电流控制器的所述第一管脚;且
在所述第四组态下,所述第一电流控制器的所述第一模式选择管脚和所述第二模式选择管脚连接至所述第一电流控制器的所述第二管脚。
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