CN106304459B - 发光二极管照明装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种发光二极管照明装置，该发光二极管照明装置包括一发光装置、一电荷储存单元，以及一电流控制器，由一整流交流电压来驱动。当整流交流电压的值不足以导通发光装置时，该电荷储存单元将发光装置维持在导通状态。无论整流交流电压的变化，电流控制器可使发光二极管照明装置维持固定亮度，进而改善频闪现象。因此，本发明能改善频闪现象。

Description

发光二极管照明装置
技术领域
本发明涉及一种发光二极管照明装置，尤其涉及一种低频闪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。发光二极管照明装置在运作时会调变光通量(luminous flux)和光强度。频闪(flicker)是一种光源强度随着时间有明暗变化的现象，无论人眼是否能够辨识，频闪会对人体造成不同程度的影响，例如头痛、眼花、眼睛疲劳、心神不安、或引发癫痫等反应。因此，需要一种能够改善频闪现象的发光二极管照明装置。
发明内容
鉴于上述现有技术的问题，本发明的目的在于提供一种能降低频闪的发光二极管照明装置。
为达到上述的目的，本发明公开一种发光二极管照明装置，其包括一第一发光装置、一第一电荷储存单元，以及一电流控制器。所述第一发光装置由一整流交流电压来驱动，用来根据一第一电流来提供光源。所述第一电荷储存单元用来在当所述整流交流电压的值小于一第一电压时提供所述第一电流，以使所述第一发光装置维持导通。所述电流控制器包括一第一电流控制单元，串联于所述第一发光装置，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﹔一第二电流控制单元，串联于所述第一电流控制单元且串联于所述第一电荷储存单元，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，其中所述第二电流为流经所述发光二极管照明装置的一总电流。
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为本发明实施例中发光二极管照明装置的示意图。
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为本发明实施例中发光二极管照明装置的示意图。
图5为本发明实施例中发光二极管照明装置的示意图。
图6为本发明实施例中发光二极管照明装置的示意图。
图7为本发明实施例中发光二极管照明装置的示意图。
图8为本发明实施例中发光二极管照明装置的示意图。
图9为本发明实施例中发光二极管照明装置运作时的电流-电压特性图。
其中，附图标记说明如下：
101～108 发光二极管照明装置
110 电源供应电路
112 桥式整流器
VS 交流电压
12、14 发光装置
20 电流控制器
RS感测电阻
C1、C2 电荷储存单元
CC1、CC2、CC3 电流控制单元
D1 路径控制器
ZV电压箝制单元
N1 正输出端
N2 负输出端
具体实施方式
图1至图8为本发明实施例中发光二极管照明装置101～108的示意图。发光二极管照明装置101～108各包括一电源供应电路110、一第一发光装置12、一电流控制器20，以及一第一电荷储存单元C1。发光二极管照明装置103和107各另包括一第二发光装置14。发光二极管照明装置104和108各另包括一第二电荷储存单元C2、一感测电阻RS，以及一路径控制器D1。发光二极管照明装置105～108各另包括一电压箝制单元ZV。
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101～108，其中整流交流电压VAC的值随着时间而有周期性变化。电源供应电路110的正输出端由N1来表示，而电源供应电路110的负输出端由N2来表示。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101～108，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101～108中，发光装置12和14可各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8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-junction high-voltage LED)，或不同类型发光二极管的任意组合。然而，发光装置12和14所采用的发光二极管种类或组态并不限定本发明的范畴。
在发光二极管照明装置101～108中，电荷储存单元C1和C2可各包括一个电容，或是包括一个或多个具备类似功能的组件。然而，电荷储存单元C1和C2的种类或组态并不限定本发明的范畴。
在发光二极管照明装置101～108中，路径控制器D1和D2可包括一个二极管、一二极管形式(diode-connected)的场效晶体管(field effect transistor,FET)、一二极管形式的双载子接面晶体管(bipolar junction transistor,BJT)，或是一个或多个具备类似功能的组件。然而，路径控制器D1和D2的种类或组态并不限定本发明的范畴。当一路径控制器的跨压大于其导通电压时，此特定路径控制器为顺向偏压(forward-biased)且会像短路组件般运作﹔当一路径控制器的跨压不大于其导通电压时，此特定路径控制器为反向偏压(reverse-biased)且会像开路组件般运作。
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101～108中相关电流和电压。VC1～VC2分别代表相对应电荷储存单元C1和C2的跨压。IC1～IC2分别代表流经相对应电荷储存单元C1和C2的电流。VLED代表发光装置12的跨压。ILED代表流经发光装置12的电流。ITOT代表流经发光二极管照明装置101～108的总电流。
在图1所示的发光二极管照明装置101和在图2所示的发光二极管照明装置102中，电流控制器20包括两个彼此串联的电流控制单元CC1和CC2。电流控制单元CC1可提供一第一限流值ISET1，其串联于发光装置12，其中电荷储存单元C1并联于彼此串联的电流控制单元CC1和发光装置12。电流控制单元CC2可提供一第二限流值ISET2，其串联于电荷储存单元C1。在发光二极管照明装置101中，电流控制单元CC2耦接于电流控制单元CC1和电源供应电路110的负输出端N2之间。在发光二极管照明装置102中，电流控制单元CC2耦接于电源供应电路110的正输出端N1和电流控制单元CC1之间。
在图3所示的发光二极管照明装置103中，电流控制器20包括两个彼此串联的电流控制单元CC1和CC2。电流控制单元CC1可提供一第一限流值ISET1，其串联于发光装置12，其中电荷储存单元C1并联于彼此串联的电流控制单元CC1和发光装置12。电流控制单元CC2可提供一第二限流值ISET2，其串联于电荷储存单元C1。发光装置14的第一端耦接于电源供应电路110的正输出端N1，而发光装置14的第二端耦接于发光装置12和电荷储存单元C1。
在整流交流电压VAC的上升周期或下降周期当电流控制单元CC1的跨压VCC1不超过电流控制单元CC1的切入电压(cut-in voltage)或当电流控制单元CC2的跨压VCC2不超过电流控制单元CC2的切入电压时，此时电流控制单元CC1或CC2维持在截止模式，亦即就像是开路组件一样运作。
在整流交流电压VAC的上升周期或下降周期当电流控制单元CC1的跨压VCC1超过电流控制单元CC1的切入电压但不超过电流控制单元CC1的压差电压(drop-out voltage)时，或当电流控制单元CC2的跨压VCC2超过电流控制单元CC2的切入电压但不超过电流控制单元CC2的压差电压时，此时电流控制单元CC1或CC2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ILED或ITOT会随着电压VAC呈特定变化。举例来说，若电流控制单元CC1或CC2以N型金氧半导体(N-type metal-oxide-semiconductor,NMOS)晶体管来制作，电流ILED和电压VCC1之间的关系或电流ITOT和电压VCC2之间的关系会相关于NMOS晶体管中汲极电流和汲极--源极电压之间的关系。
在整流交流电压VAC的上升周期或下降周期当电流控制单元CC1的跨压VCC1超过电流控制单元CC1的压差电压时，或当电流控制单元CC2的跨压VCC2超过电流控制单元CC2的压差电压时，电流ILED升至电流控制单元CC1的限流值ISET1或电流ITOT升至电流控制单元CC2的限流值ISET2。此时电流控制单元CC1或CC2会切换至一定电流模式并像限流器一样运作，使得电流ILED会被箝制在固定值ISET1而非随着VCC1而改变，或使得电流ITOT会被箝制在固定值ISET2而非随着VCC2而改变。
图9显示了本发明实施例中发光二极管照明装置运作时的电流-电压特性图。由于发光装置12的跨压VLED相关于整流交流电压VAC，而整流交流电压VAC的值随着时间而有周期性变化，因此以包括时间点t0～t6的两个周期来做说明，其中时间点t0～t1和t3～t4之间包括在整流交流电压VAC的上升周期，而时间点t2～t3和t5～t6之间包括在整流交流电压VAC的下降周期。
在整流交流电压VAC的上升周期或下降周期当电压VAC大于发光装置12和电流控制单元CC1～CC2的切入电压加总时(亦即当VAC>(VC1+VCC2)，电压VLED足以导通发光装置12，而电流控制单元CC1～CC2皆在运作中。更精确地说，时间点t1～t2和t4～t5之间，发光装置12由整流交流电压VAC来维持在导通ON状态。电流控制单元CC1可将电流ILED的值箝制在ISET1，而电流控制单元CC2可将电流ITOT的值箝制在ISET2。在时间点t1～t2和t4～t5之间，整流交流电压VAC亦会提供相关于(ISET2-ISET1)的能量以对电荷储存单元C1进行充电，因此使得电压VC1逐渐增加。
在整流交流电压VAC的上升周期或下降周期当电压VAC小于发光装置12和电流控制单元CC1～CC2的切入电压加总时(亦即当VAC<(VC1+VCC2)，电压VLED(此时亦另由电荷储存单元C1来提供)不足以导通发光装置12。在此种情况下，电流控制单元CC1在运作中，而电流控制单元CC2并未运作。更精确地说，时间点t0～t1、t2～t4和t5～t6之间，电流ILED由电荷储存单元C1放电的能量来提供，进而将发光装置12维持在导通ON状态。电流控制单元CC1可将电流ILED的值箝制在ISET1，而电流控制单元CC2并未调节电流(ITOT＝0)。在时间点t0～t1、t2～t4和t5～t6之间，电荷储存单元C1透过发光装置12来放电，因此使得电压VC1逐渐降低。
如图9所示，电荷储存单元C1可加长发光装置12的导通时间，或是使得于发光装置12一直维持在导通状态。无论整流交流电压VAC的变化，本发明电流控制单元CC1～CC2能使发光二极管照明装置维持固定亮度，进而改善频闪现象。
在图4所示的发光二极管照明装置104中，电流控制器20包括三个电流控制单元CC1～CC3。电流控制单元CC1串联于发光装置12，可根据一第一限流值ISET1来调节电流ILED。电流控制单元CC2串联于电流控制单元CC1且串联于电荷储存单元C2，可根据一第二限流值ISET2调节电流ITOT。电流控制单元CC3并联于电荷储存单元C1且串联于电荷储存单元C2，可根据一第三限流值ISET3来调节流经电荷储存单元C2的电流IC2。电荷储存单元C1～C2串联于感测电阻RS，且并联于电流控制单元CC1和发光装置12。感测电阻RS是用来调整电流控制单元CC3的导通时间长短，但在本发明其它实施例中可省略。路径控制单元D1设置成耦接于电流控制单元CC3、电荷储存单元C1和发光装置12，以避免电荷储存单元C1放电至电流控制单元CC3。在本发明中，第二限流值ISET2的值大于第一限流值ISET1的值，且第三限流值ISET3的值小于(ISET2-ISET1)。
发光二极管照明装置104的运作亦可由图9所显示的电流-电压特性图来做说明。在整流交流电压VAC的上升周期或下降周期当VAC>(VC1+VC2+VCC2)，电压VLED足以导通发光装置12，路径控制器D1为正向偏压，电流控制单元CC1～CC2在运作中，而电流控制单元CC3并未运作。更精确地说，时间点t1～t2和t4～t5之间，发光装置12由整流交流电压VAC来维持在导通ON状态。电流控制器CC1可将电流ILED的值箝制在ISET1，而电流控制器CC2可将电流ITOT的值箝制在ISET2。在时间点t1～t2和t4～t5之间，整流交流电压VAC亦会提供相关于(ISET2-ISET1)的能量以对电荷储存单元C1～C2进行充电，因此使得电压VC1和VC2逐渐增加。
在整流交流电压VAC的上升周期或下降周期当(VC2+VCC2)<VAC<(VC1+VC2+VCC2)时，路径控制器D1为反向偏压，电流控制单元CC1和CC3在运作中，而电流控制单元CC2并未运作。更精确地说，时间点t0～t1、t2～t4和t5～t6之间，电流ILED由电荷储存单元C1和C2放电的能量来提供，而电流控制器CC1可将电流ILED的值箝制在ISET1。电流控制器CC3提供电流使得对电荷储存单元C2充电的电流IC2能被箝制在ISET3。在电荷储存单元C1和C2放电至发光装置12的期间，由于只有电荷储存单元C2会被电流IC2来充电，因此电压(VC1+VC2)会逐渐降低。
在整流交流电压VAC的上升周期或下降周期当VAC<(VC2+VCC2)时，电压VLED足以导通发光装置12，但电流控制单元CC2～CC3并未运作。更精确地说，时间点t0～t1、t2～t4和t5～t6之间，电流ILED由电荷储存单元C1和C2放电的能量来提供，进而将发光装置12维持在导通ON状态。电流控制单元CC1可将电流ILED的值箝制在ISET1，而电流控制单元CC2～CC3并未调节电流。在时间点t0～t1、t2～t4和t5～t6之间，电荷储存单元C1和C2透过发光装置12来放电，因此使得电压VC1和VC2都会逐渐降低。
如图9所示，电荷储存单元C1～C2可加长发光装置12的导通时间，或是使得于发光装置12一直维持在导通状态。无论整流交流电压VAC的变化，本发明电流控制单元CC1～CC3能使发光二极管照明装置104维持固定亮度，进而改善频闪现象。
第5～8图所示的发光二极管照明装置105～108和第1～4图所示的发光二极管照明装置101～104结构类似，不同的处在于发光二极管照明装置105～108各另包括并联于电流控制单元CC1的电压箝制单元Zv。电压箝制单元Zv可限制电流控制单元CC1的压降和相对应电压VC1的值。发光二极管照明装置105～108的运作亦可由图9所显示的电流-电压特性图来做说明。在本发明中，电压箝制单元Zv可采用一个或多个发光二极管，齐纳(Zener)二极管，或其他提供类似功能的组件。然而，电压箝制单元Zv的种类并不限定本发明的范畴。
如相关领域具备通常知识者皆知，频闪现象具有周期性变化，可由其波形中振幅、平均准位、周期频率、形状及/或工作周期(dutycycle)的变化量来定义。一般会使用频闪比率(Percent Flicker)和频闪索引(Flicker Index)来量化频闪，如下列公式(1)和公式(2)所示。
在公式(1)中，MAX代表发光二极管照明装置101～108的最大光强度/光通量，而MIN代表发光二极管照明装置101～108的最小光强度/光通量。在公式(2)中，AREA1代表当发光二极管照明装置101～108的光强度/光通量高于平均值时在一段期间内的光强度/光通量累积值，而AREA2代表当发光二极管照明装置101～108的光强度/光通量低于平均值时在一段期间内的光强度/光通量累积值。
如图9所示，本发明的电荷储存单元C1～C2可使公式(1)中的(MAX-MIN)和公式(2)中的AREA2/AREA2变成0，进而降低发光二极管照明装置101～108的频闪比率和频闪索引。
透过上述电荷储存单元，本发明可使发光二极管照明装置的光强度/光通量变化实质上降为0。因此，本发明可改善发光二极管照明装置的频闪现象。
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，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (14)

1.一种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，用来根据一第一电流来提供光源；
一第一电荷储存单元，用来在当所述整流交流电压的值小于一第一电压时提供所述第一电流，以使所述第一发光装置维持导通﹔以及
一电流控制器，其包括﹕
一第一电流控制单元，串联于所述第一发光装置，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
一第二电流控制单元，串联于所述第一电流控制单元且串联于所述第一电荷储存单元，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，其中所述第二电流为流经所述发光二极管照明装置的一总电流。
2.如权利要求1所述的发光二极管照明装置，其特征在于，当所述整流交流电压的值大于所述第一电压时，所述第一电荷储存单元停止提供所述第一电流并开始被所述整流交流电压充电。
3.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以提供所述整流交流电压，其中所述第二电流控制单元耦接于所述第一电流控制单元和所述电源供应电路的一负输出端之间。
4.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以提供所述整流交流电压，其中所述第二电流控制单元耦接于所述电源供应电路的一正输出端和所述第一电流控制单元之间。
5.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﹕
一第二发光装置，串联于所述第一发光装置且串联于所述第一电荷储存单元，用来根据所述第二电流来提供光源。
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﹕
一电压箝制电路，并联于所述第一电流控制单元，用来箝制所述第一电流控制单元的一跨压。
7.如权利要求6所述的发光二极管照明装置，特征在于，所述电压箝制电路包括一发光二极管或一齐纳二极管。
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﹕
一第二电荷储存单元，用来在当所述整流交流电压的值小于所述第一电压和一第二电压的加总时提供所述第一电流，以使所述第一发光装置维持导通，其中所述第二电压为所述第一电荷储存单元和所述第二电荷储存单元上的一跨压﹔
一第三电流控制单元，并联于所述第一电荷储存单元﹔
一路径控制器，用来阻止所述第一电荷储存单元放电至所述第三电流控制单元，其中﹕
所述第二电荷储存单元串联于所述第三电流控制单元且串联于所述第一电荷储存单元﹔以及
所述第一电荷储存单元和所述第二电荷储存单元并联于所述第一发光装置和所述第一电流控制单元。
9.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﹕
一感测电阻，其第一端耦接于所述第三电流控制单元，且其第二端耦接于所述第二电荷储存单元。
10.如权利要求8所述的发光二极管照明装置，其特征在于，当所述整流交流电压的值大于所述第一电压和所述第二电压的加总时，所述第一电荷储存单元和所述第二电荷储存单元停止提供所述第一电流并开始被所述整流交流电压充电。
11.如权利要求8所述的发光二极管照明装置，其特征在于：
当所述整流交流电压的值大于所述第一电压和所述第二电压的加总时，所述第三电流控制单元呈关闭；且
当所述整流交流电压的值不大于所述第一电压和所述第二电压的加总时，所述第三电流控制单元呈开启，进而调节流经所述第二电荷储存单元的一第三电流以使所述第三电流的值不超过一第三限流值。
12.如权利要求11所述的发光二极管照明装置，其特征在于：
所述第二限流值大于所述第一限流值﹔且
所述第三限流值不大于所述第二限流值和所述第一限流值之间的一差值。
13.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﹕
一第二发光装置，串联于所述第一发光装置且串联于所述第一电荷储存单元，用来根据所述第二电流来提供光源。
14.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﹕
一电压箝制电路，并联于所述第一电流控制单元，用来箝制所述第一电流控制单元的一跨压。
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