CN105307324A - 具备多级驱动阶段的发光二极管照明装置 - Google Patents

具备多级驱动阶段的发光二极管照明装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种具备多级驱动阶段的发光二极管照明装置，包括多个发光装置，由整流交流电压来驱动。在多级驱动阶段架构下，利用多个电流控制器弹性地导通多个发光装置。根据整流交流电压的峰值变化或根据因整流交流电压的峰值变化而造成的发光装置导通工作周期变化，具最大和次大电流准位的两驱动阶段的限流值会依此被调整。当整流交流电压的值因故偏离其额定范围，本发明可改善发光二极管照明装置的整体电压和负载调节率。

Description

具备多级驱动阶段的发光二极管照明装置
技术领域
本发明涉及一种具备多级驱动阶段的发光二极管照明装置，尤其涉及一种具备多级驱动阶段、电压/负载调整率控制、大操作电压范围、高均匀度和低频闪的发光二极管照明装置。
背景技术
在整流交流(rectifiedalternative-current,AC)电压直接驱动的照明应用中，由于发光二极管(lightemittingdiode,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联的发光二极管来提供足够光源，并使用多级阶段驱动的方式来增加发光二极管照明装置的可操作电压范围。电压调整率(lineregulation)是指发光二极管发光装置在整流交流电源有所变动时维持固定亮度的能力。负载调整率(loadregulation)是指在不同负载电压下在不同发光二极管之间维持均匀亮度的能力。由于负载电压降低和整流交流电压升高会造成等效影响，所以电压变化和负载变化彼此相关。在现有的发光二极管照明装置中，流经每一驱动阶段的电流根据其跨压独立地加以调节，发光二极管照明装置的整体电压/负载调整率可能无法达到理想值。因此，需要一种能够增加可操作电压范围和改善电压/负载调整率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多级驱动阶段、电压/负载调整率控制、大操作电压范围、高均匀度和低频闪的发光二极管照明装置。
为达到上述的目的，本发明公开一种具备多级驱动阶段的发光二极管照明装置，其包括一第一发光装置，由一整流交流电压来驱动以根据一第一电流来提供光源；一第二发光装置，串联于所述第一发光装置，由所述整流交流电压来驱动以根据一第二电流来提供光源；一电压侦测器，用来监控所述整流交流电压的一峰值的变化，并依此产生相关于所述峰值的一补偿电压﹔一第一电流控制器，并联于所述第一发光组件﹔以及一第二电流控制器，串联于所述第二发光组件。所述第一电流控制器用来调节所述第一电流以使所述第一电流的值不超过一第一限流值，以及根据所述补偿电压来调整所述第一限流值。所述第二电流控制器用来调节所述第二电流以使所述第二电流的值不超过一第二限流值，以及根据所述补偿电压来调整所述第二限流值。
附图说明
图1为本发明实施例中发光二极管照明装置的示意图。
图2为本发明另一实施例中发光二极管照明装置的示意图。
图3至图6显示了本发明实施例中调整限流值的示意图。
图7至图10显示了本发明实施例中发光二极管照明装置运作时的示意图。
图11为本发明实施例中制作发光二极管照明装置的示意图。
图12为本发明另一实施例中制作发光二极管照明装置的示意图。
其中，附图标记说明如下：
10、11电流侦测器
12电压侦测器
20～22开关
30～32比较器
40～42参考电压产生器
50电压/负载调节率补偿控制单元
60芯片
100、200发光二极管照明装置
110电源供应电路
112桥式整流器
150可调式电流控制单元
VS交流电压
LED1～LEDN+2发光装置
CC1～CCN+2电流控制器
ST1～STN+2驱动阶段
具体实施方式
图1为本发明实施例中发光二极管照明装置100的示意图。图2为本发明另一实施例中发光二极管照明装置200的示意图。发光二极管照明装置100和200各包括一电源供应电路110和(N+2)级驱动阶段ST1～STN+2，其中N为正整数。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100和200，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100和200，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。
在发光二极管照明装置100和200中，第1级至第(N+2)级驱动阶段ST1～STN+2中每一驱动阶段包括一发光装置，由一相对应的电流控制器来加以调节。LED1～LEDN+2分别代表驱动阶段ST1～STN+2中相对应的发光装置。CC1～CCN分别代表驱动阶段ST1～STN中相对应的电流控制器。
第1级至第N级驱动阶段ST1～STN分别由提供固定限流值的电流控制器CC1～CCN来控制。电流控制器CC1～CCN中每一电流控制器包括一电流侦测器10、一开关20、一比较器30和一参考电压产生器40。电流控制器CC1～CCN的电流侦测器10可分别侦测流经相对应开关20和发光装置LED1～LEDN的电流加总，进而分别提供相对应的回授电压VF1～VFN。开关20可为一场效晶体管(fieldeffecttransistor,FET)、一双载子接面晶体管(bipolarjunctiontransistor,BJT)，或是其它具备类似功能的组件。图1至图2显示了N型金氧半导体场效晶体管(N-channelmetal-oxide-semiconductorfieldeffecttransistor,N-MOSFET)的实施例，但不限定本发明的范畴。电流控制器CC1～CCN的参考电压产生器40可分别提供固定值的参考电压VR1～VRN，其分别决定能流经电流控制器CC1～CCN的最大电流准位(限流值)。每一比较器30的正输入端耦接至相对应的固定值参考电压，负输入端耦接至相对应的回授电压，而输出端耦接至相对应开关20的控制端。
每一比较器30可根据相对应参考电压和相对应回授电压的大小关系来输出一控制信号，进而调整流经相对应开关20的电流。接下来以第1级驱动阶段ST1的运作来做说明。当VF1<VR1时，电流控制器CC1的比较器30会拉高其输出的控制信号以增加流经开关20的电流，直到回授电压VF1升至参考电压VR1为止。当VF1>VR1时，比较器30会拉低其输出的控制信号以减少流经开关20的电流，直到回授电压VF1降至参考电压VR1为止。换而言之，电流控制器CC1～CCN分别替驱动阶段ST1～STN提供固定限流值ISET1～ISETN，使得在整流交流电压VAC的一周期内流经发光装置LED1～LEDN+2的电流都不会超过各自的限流值。
在发光二极管照明装置100和200中，第(N+1)级至第(N+2)级驱动阶段STN+1～STN+2由一可调式电流控制单元150来加以调节。可调式电流控制单元150可提供可调式限流值ISET(N+1)～ISET(N+2)，其包括一电流侦测器11、一电压侦测器12、一电压/负载调节率(line/loadregulation)补偿控制单元50、一电流控制器CCN+1和一电流控制器CCN+2。
电流侦测器11可侦测流经开关21和22的电流，进而提供一相对应的回授电压VFB，回授电压VFB的值会随着整流交流电压VAC而改变。
在发光二极管照明装置100中，电压侦测器12耦接至电源供应电路110，用来侦测整流交流电压VAC的峰值，进而提供一相对应的补偿电压VLR。在发光二极管照明装置200中，电压侦测器12耦接至发光装置LEDN+2，用来侦测发光装置LEDN+2的工作周期(dutycycle)，进而提供一相对应的补偿电压VLR。在本发明实施例中，电压侦测器12可包括一个或多个电阻、电容、其它具备类似功能的组件，或上述的任何组合。然而，电压侦测器12的架构并不限定本发明的范畴。
电流控制器CCN+1包括一开关21、一比较器31和一参考电压产生器41。电流控制器CCN+2包括一开关22、一比较器32和一参考电压产生器42。参考电压产生器41可提供一参考电压VREF1，其中参考电压VREF1的值为补偿电压VLR的函数。参考电压产生器42可提供一参考电压VREF2，其中参考电压VREF2的值为补偿电压VLR的函数。比较器31的正输入端耦接至参考电压VREF1，负输入端耦接至回授电压VFB，而输出端耦接至开关21的控制端。比较器32的正输入端耦接至参考电压VREF2，负输入端耦接至回授电压VFB，而输出端耦接至开关22的控制端。根据参考电压VREF1和回授电压VFB的大小关系，比较器31可输出一控制信号至开关21，进而调整流经开关21的电流。根据参考电压VREF2和回授电压VFB的大小关系，比较器32可输出一控制信号至开关22，进而调整流经开关22的电流。
电压/负载调节率补偿控制单元50可根据补偿电压VLR来控制电流控制器CCN+1中参考电压产生器41的运作和控制电流控制器CCN+2中参考电压产生器42的运作。驱动阶段STN+1～STN+2的最大电流准位分别由参考电压VREF1和VREF2的值来决定。在本发明实施例中，当补偿电压VLR的值较大时，参考电压产生器41和42会分别提供较小值的参考电压VREF1和VREF2﹔当补偿电压VLR的值较小时，参考电压产生器41和42会分别提供较大值的参考电压VREF1和VREF2。
图3至图6显示了本发明实施例中利用参考电压产生器41～42和电压/负载调节率补偿控制单元50来调整限流值的示意图。纵轴显示了参考电压VREF1或VREF2的值，而横轴显示了补偿电压VLR的值。为了说明目的，假设当补偿电压VLR的值介于一最小电压值VMIN和一最大电压值VMAX之间时，参考电压产生器41～42和电压/负载调节率补偿控制单元50会在有效运作区间内运作。当整流交流电压VAC的值在一额定范围内时，VT代表此时补偿电压VLR的值。
在图3所示的实施例中，电压/负载调节率补偿控制单元50会操作参考电压产生器41～42，使得参考电压VREF1或VREF2的变化为补偿电压VLR的线性函数。本发明亦可引进一磁滞(hysteresis)区域HYS，进而避免因为补偿电压VLR小幅变动而过于频繁地调整参考电压。
在图4所示的实施例中，电压/负载调节率补偿控制单元50会操作参考电压产生器41～42，使得参考电压VREF1或VREF2的变化为补偿电压VLR的抛物线函数。本发明亦可引进一磁滞区域HYS，进而避免因为补偿电压VLR小幅变动而过于频繁地调整参考电压。
在图5所示的实施例中，电压/负载调节率补偿控制单元50会操作参考电压产生器41～42，使得参考电压VREF1或VREF2的变化和补偿电压VLR的变化呈现不同斜率。本发明亦可引进一磁滞区域HYS，进而避免因为补偿电压VLR小幅变动而过于频繁地调整参考电压。
在图6所示的实施例中，电压/负载调节率补偿控制单元50会操作参考电压产生器41～42，使得只要参考电压VREF1或VREF2的值随着补偿电压VLR的值上升而下降时，参考电压VREF1或VREF2的变化为补偿电压VLR的任意函数。本发明亦可引进一磁滞区域HYS，进而避免因为补偿电压VLR小幅变动而过于频繁地调整参考电压。
在本发明中，电压/负载调节率补偿控制单元50会操作参考电压产生器41～42，以在补偿电压VLR的值上升时调降参考电压VREF1或VREF2的值，或是在补偿电压VLR的值下降时调升参考电压VREF1或VREF2的值。图3至图6所示的电压关系仅说明本发明实施例，并不限定本发明的范畴。
图7至图10显示了本发明实施例中发光二极管照明装置100和200运作时的示意图。接下来以N＝1的实施例来做说明。在图7中，曲线A代表在额定范围内的整流交流电压VAC，曲线B代表低于额定范围时的整流交流电压VAC(原因可能是负载电压增加或交流电压VS降低)，而曲线C代表高于额定范围时的整流交流电压VAC(原因可能是负载电压降低或交流电压VS增加)。DUTYA代表当整流交流电压VAC在额定范围内时发光二极管照明装置的导通工作周期，DUTYB代表当整流交流电压VAC低于额定范围时发光二极管照明装置的导通工作周期，而DUTYC代表当整流交流电压VAC高于额定范围内时发光二极管照明装置的导通工作周期。
在图8中，ILED_A代表当整流交流电压VAC在额定范围内时流经发光二极管照明装置100或200的总电流。电流控制器CC1～CC3可分别替驱动阶段ST1～ST3提供固定限流值ISET1、ISET2A和ISET3A。当由在额定范围内的整流交流电压VAC来驱动时，发光二极管照明装置100或200的电压/负载调节率LR_A相关于电流ILED_A对时间t的积分值。
在图9中，ILED_B代表当整流交流电压VAC低于额定范围时流经发光二极管照明装置100或200的总电流。电流控制器CC1～CC3可分别替驱动阶段ST1～ST3提供限流值ISET1、ISET2B和ISET3B。如前所述，发光二极管照明装置100的电压侦测器12可直接监控整流交流电压VAC的峰值变化，而发光二极管照明装置200的电压侦测器12可直接监控因整流交流电压VAC的峰值变化而造成的发光装置LEDN+2的导通工作周期变化。因此，低于额定范围的整流交流电压VAC会造成较小的补偿电压VLR，使得电压/负载调节率补偿控制单元50依此操作参考电压产生器41～42以增加参考电压VREF1和VREF2的值。更明确地说，可调式限流值ISET2B会被设为大于固定限流值ISET2A，而可调式限流值ISET3B会被设为大于固定限流值ISET3A。当由低于额定范围的整流交流电压VAC来驱动时，发光二极管照明装置100或200的电压/负载调节率LR_B相关于电流ILED_B对时间t的积分值。如图9所示，当低于额定范围的整流交流电压VAC缩短发光二极管照明装置100或200的导通工作周期时，本发明可增加具最大和次大电流准位的两驱动阶段的限流值，进而缩小电压/负载调节率LR_A和电压/负载调节率LR_B之间的差异。
在图10中，ILED_C代表当整流交流电压VAC高于额定范围时流经发光二极管照明装置100或200的总电流。电流控制器CC1～CC3可分别替驱动阶段ST1～ST3提供限流值ISET1、ISET2C和ISET3C。如前所述，发光二极管照明装置100的电压侦测器12可直接监控整流交流电压VAC的峰值变化，而发光二极管照明装置200的电压侦测器12可直接监控因整流交流电压VAC的峰值变化而造成的发光装置LEDN+2的导通工作周期变化。因此，高于额定范围的整流交流电压VAC会造成较大的补偿电压VLR，使得电压/负载调节率补偿控制单元50依此操作参考电压产生器41～42以减少参考电压VREF1和VREF2的值。更明确地说，可调式限流值ISET2C会被设为小于固定限流值ISET2A，而可调式限流值ISET3C会被设为小于固定限流值ISET3A。当由高于额定范围的整流交流电压VAC来驱动时，发光二极管照明装置100或200的电压/负载调节率LR_C相关于电流ILED_C对时间t的积分值。如图10所示，当高于额定范围的整流交流电压VAC增长发光二极管照明装置100或200的导通工作周期时，本发明可降低具最大和次大电流准位的两驱动阶段的限流值，进而缩小电压/负载调节率LR_A和电压/负载调节率LR_C之间的差异。
如图8至图10所示，可调式电流控制单元150可使得电流ILED_A的平均值(或电流ILED_A对时间t的平均积分值)、电流ILED_B的平均值(或电流ILED_B对时间t的平均积分值)，以及电流ILED_C的平均值(或电流ILED_C对时间t的平均积分值)彼此之间的差异降到最小。因此，由在额定范围内的整流交流电压VAC来驱动时的电压/负载调节率LR_A、由低于额定范围的整流交流电压VAC来驱动时的电压/负载调节率LR_B，和由高于额定范围的整流交流电压VAC来驱动时的电压/负载调节率LR_C彼此之间的差异降到最小，进而改善发光二极管照明装置100或200的整体电压/负载调节率。
在本发明中，开关22的电压额定值(voltagerating)需高于开关20和21的电压额定值。亦即，相较于开关20和21，开关22可在承受较高温及/或较大电性应力下正常运作，或在同样环境下维持较长时间的正常运作。举例来说，开关22可采用高压晶体管，而开关20和21可采用低压晶体管。
图11为本发明实施例中制作发光二极管照明装置100的示意图。图12为本发明实施例中制作发光二极管照明装置200的示意图。电流侦测器11、开关21、比较器31～32、参考电压产生器41～42，以及电压/负载调节率补偿控制单元50可被整合至同一芯片60内。由于开关21可采用低压晶体管，芯片60可在一低压制程内制作。
在图1、图2、图11和图12所示的实施例中，第1级至第N级驱动阶段ST1～STN分别由提供固定限流值的电流控制器CC1～CCN来控制。在本发明其它实施例中，电流控制器CC1～CCN亦可省略不用。
本发明可直接监控整流交流电压VAC的峰值变化，或直接监控因整流交流电压VAC的峰值变化而造成的发光装置导通工作周期变化，进而依此降低或升高具最大和次大电流准位的两驱动阶段的限流值。因此，即使整流交流电压VAC的值因故偏离其额定范围，本发明可利用电压/负载调节率补偿控制单元50和参考电压产生器41～42来改善发光二极管照明装置的整体电压/负载调节率。
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 (10)

1.一种具备多级驱动阶段的发光二极管照明装置，其特征在于，包括：
一第一发光装置，由一整流交流电压来驱动以根据一第一电流来提供光源；
一第二发光装置，串联于所述第一发光装置，由所述整流交流电压来驱动以根据一第二电流来提供光源；
一电压侦测器，用来监控所述整流交流电压的一峰值的变化，并依此产生相关于所述峰值的一补偿电压﹔
一第一电流控制器，并联于所述第一发光组件，用来﹕
调节所述第一电流以使所述第一电流的值不超过一第一限流值；以及
根据所述补偿电压来调整所述第一限流值﹔以及
一第二电流控制器，串联于所述第二发光组件，用来﹕
调节所述第二电流以使所述第二电流的值不超过一第二限流值；以及
根据所述补偿电压来调整所述第二限流值。
2.如权利要求1所述的发光二极管照明装置，其特征在于：所述第一电流控制器包括﹕
一第一开关，其根据一第一控制信号来导通一第三电流﹔
一电流侦测器，用来监控所述第一电流和所述第三电流的加总，并依此提供一相对应的回授电压﹔
一第一参考电压产生器，用来提供相关于所述第一限流值的一第一参考电压，且根据所述补偿电压来调整所述第一参考电压﹔以及
一第一比较器，用来根据所述第一参考电压和所述回授电压之间的大小关系来产生所述第一控制信号﹔且
所述第二电流控制器包括﹕
一第二开关，其根据一第二控制信号来导通所述第二电流﹔
一第二参考电压产生器，用来提供相关于所述第二限流值的一第二参考电压，且根据所述补偿电压来调整所述第二参考电压﹔以及
一第二比较器，用来根据所述第二参考电压和所述回授电压之间的关系来产生所述第二控制信号。
3.如权利要求2所述的发光二极管照明装置，其特征在于，所述第二开关的电压额定值高于所述第一开关的电压额定值。
4.如权利要求2所述的发光二极管照明装置，其特征在于，另包括一电压/负载调节率补偿控制单元，其根据所述补偿电压来操作所述第一参考电压产生器和所述第二参考电压产生器，使得当所述补偿电压为一第一值时所述第一参考电压或所述第二参考电压被调整为一第二值，或使得当所述补偿电压为一第三值时所述第一参考电压或所述第二参考电压被调整为一第四值，其中所述第一值小于所述第三值，且所述第二值大于所述第四值。
5.如权利要求4所述的发光二极管照明装置，其特征在于，所述第一开关、所述第一比较器、所述第一参考电压产生器、所述第二比较器、所述第二参考电压产生器，以及所述电压/负载调节率补偿控制单元是被整合在同一芯片内。
6.如权利要求1所述的发光二极管照明装置，其特征在于，另包括一电源供应电路，用来提供所述整流交流电压，其中所述电压侦测器耦接于所述电源供应电路以在每一周期内侦测所述整流交流电压的所述峰值。
7.如权利要求1所述的发光二极管照明装置，其特征在于，所述电压侦测器耦接于所述第二发光装置，用来在所述整流交流电压的值发生变化时侦测所述第二发光装置的一导通工作周期的变化。
8.如权利要求1所述的发光二极管照明装置，其特征在于，另包括﹕
一第三发光装置，串联于所述第一发光装置和所述第二发光装置，由所述整流交流电压来驱动以根据一第四电流来提供光源。
9.如权利要求8所述的发光二极管照明装置，其特征在于，所述第三发光装置耦接于所述整流交流电压和所述第一发光装置之间。
10.如权利要求8所述的发光二极管照明装置，其特征在于，另包括﹕
一第三电流控制器，并联于所述第三发光装置，用来调节所述第四电流以使所述第四电流的值不超过一第三限流值，其中所述第三限流值为一固定值。
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