CN109041318A - 发光二极体 - Google Patents

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吕光辉
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    • H05B45/00—Circuit arrangements for operating light-emitting diodes [LED]
    • H05B45/30—Driver circuits
    • H05B45/37—Converter circuits

Abstract

本发明涉及一种系统，用于对一发光二极体单元提供一启动电压，该系统包括：一桥式模块，用于将来自一电源的一交流全波波形整流为一交流半波波形；一降压电路模块，具有一金属氧化物半导体，该降压电路模块用于将该交流半波波形整流为一用于该发光二极体单元的直流电源，其中，该降压电路模块藉由使用一功率因数调整模块以执行功率因数校正以及使用一定流控制发光二极体控制晶片以整流一全电压，以使该直流电源对应至该发光二极体单元的该启动电压的方式，可接收要提供至该发光二极体单元的该全电压。

Description

发光二极体
技术领域
本发明涉及一种用于一发光二极体(Light-Emitting Diode,LED)驱动器的装置。
背景技术
LED驱动器为调整对一LED或多个LED的功率的装置。LED驱动器藉由在其电子特性随着温度改变时对LED提供一固定量的功率，可响应于LED或LED电路的需求改变。
LED驱动器为一独立的电源，其具有对应于LED的电子特性的输出。LED驱动器可藉由脉宽调变电路的方法提供调光，以及可具有多于一个通道，以用于不同LED或LED阵列的分别控制。
借着由LED或多个LED所视的LED驱动器的随着温度的增加及减少的电子特性改变，LED的功率位准是由LED驱动器所固定地维持的。因此，在没有一适当的驱动器或系统，LED可能会过热或不稳，藉此表现不佳或失效。
现有的LED驱动器在对LED提供所需要的电源前，通常经过桥式积体电路(Integrated Circuit,IC)将交流(Alternating Current,AC)全波波形整流为AC半波波形。通常，LED的电流限制器是由金属氧化物半导体(Metal Oxide Semiconductor,MOS)功率电晶体所设定的。然而，这样的设计本身产生了两种问题，分别为功率损耗及输出电压差的问题。
功率损耗的问题是根据于采用AC半波波形的电源。当LED的启动电压为直流(Direct Current,DC)电源时，就会产生功率损耗。
关于输出电压差的问题，既然Vin＝Vf+Vds，在Vin增加而LED的Vf不变时，Vds将承受更大的电压差的功率，因而将造成MOS功率电晶体温度提高而最终烧毁。因此，此电路设计仅适用于单一电压装置的使用。
因此，有必要改善功率的使用效率及全电压(85Vac至305Vac)输入，以克服目前线性LED驱动器的设计缺陷。
发明内容
本发明的一方面涉及一种系统，用于对一发光二极体单元提供一启动电压，该系统包括：一桥式模块，用于将来自一电源的一交流全波波形整流为一交流半波波形；一降压电路模块，具有一金属氧化物半导体，该降压电路模块用于将该交流半波波形整流为一用于该发光二极体单元的直流电源，其中，该降压电路模块藉由使用一功率因数调整模块以执行功率因数校正以及使用一定流控制发光二极体控制晶片以整流一全电压，以使该直流电源对应至该发光二极体单元的该启动电压的方式，可接收要提供至该发光二极体单元的该全电压。
较佳地，该桥式模块为一桥积体电路。
较佳地，该发光二极体单元为具有一积体电路的一发光二极体驱动器。
较佳地，该发光二极体单元具有由一金属氧化物半导体功率电晶体所设定的一电流限制
较佳地，该系统的该电压被调整为邻近于该降压电路模块的电压，以克服一输入电压差。
较佳地，使用在85Vac至305Vac之间的定流发光二极体的全范围降压输出电压，以用于该发光二极体单元。
此外，该系统包括一有源功率因数校正电路，以达成具有低总谐波失真的高功率因数值。
较佳地，该系统工作于连续功率电感临界模式，以及一金属氧化物电晶体工作于零功率开关模式，以降低开关损耗以及增加电感使用。
此外，该系统包括一逐周期电流限制保护特征，以保护一金属氧化物电晶体、电感及续流二极体，以改善系统可靠性。
此外，该系统包括一浮接地晶片，以隔离干扰及防止零电压及零交越的影响，以保护该系统中的一金属氧化物电晶体、续流二极体及所述模块。
本系统所包括的特征及各种组合将在以下以所附图式全部地说明。要理解的是，可在不脱离本发明的范围或牺牲本发明任何的优势的情况下，做出各样细节上的调整。
附图说明
为了进一步阐明本发明的部分实施例的各方面，将参考所附图式，对特定的实施例进行本发明的更特定的说明。这些图式仅代表本发明的一典型实施例，且并不用于限制本发明的范围。本发明可藉由所附图式额外具体地跟详细地进行描述与说明。
图1显示使用DC电压模式以提供LED的一修改电路设计及结构的流程图。
图2显示使用DC电压模式以提供LED的一修改电路设计及结构的方块图。
其中，附图标记说明如下：
101 交流电源
102 降压电压电路模块
103 降压电压设定模块
104 电压感测电路模块
105 降压电压调整模块
106 发光二极体单元
107 发光二极体功率设定模块
108 功率感测电路
109 发光二极体功率调整器
110 功率因数调整模块
111 发光二极体电路保护模块
112 积体电路欠压保护模块
113 晶片热能调节保护
114 电流采样保护模块
115 过压保护模块
116 逐周期功率限制模块
具体实施方式
本发明提出一使用DC电压模式以提供LED更好的电源的的一修改电路设计及结构，其更好地改善功率的使用效率及全电压(85Vac至305Vac)输入，以克服现有的线性LED驱动器IC的设计缺陷。全电压指的是进入的电压是灯泡中实际的电压，但当使用电阻时，举例来说，进入的电压被降低且灯泡中实际的电压约为12V。
如图1所示，全电压LED驱动器会经过桥式IC将AC全波波形整流为AC半波波形，以及，该系统可使用藉由MOS、电杆或电融合所执行的降压电压电路模块102而将AC电源101整流成DC电源，以作为LED的使用。较佳地，该LED电流限制是由MOS功率电晶体或降压电压设定模块103所设定的，因为如此的设计可克服现有电路所面对的初始设计缺陷。关于功率损耗的第一个问题，因为提出的系统具有与LED单元106对应的DC电源，该LED单元106具有使用DC电源的启动电压，功率使用的效率可极大地改善。该功率使用改善可藉由以下方式达成：使用电压感测电路模块104以感测该电路的电压；以及使用降压电压调整模块105以维持一稳定电压，同时维持一固定输出电压且持续地将输出及调整电压之间的差异耗散为废热。这样的电路提供从小于2V到大于100V的输出电压性能、大至4MHz的开关频率及高达96％的高效率工作。
关于第二个问题(即，克服输入电压差)，既然Vin＝Vf+Vds，而Vin可在降压电压电路模块102调整至近于Vf电压，因而Vds将承受一更小的电压差的功率，因而MOS功率电晶体的寿命增长且可适用于全电压装置的使用。
用于LED驱动器的所提出系统被称为JF1606，JF1606为一种高精度降压型LED定流控制晶片，其为包括用于功率因数调整的功率因数调整模块110的降压电压电路模块102。该LED定流控制晶片适用于在85Vac至305Vac的间的具有定流LED的全范围降压输入电压。本系统将有源功率因数校正电路集成，因此可以实现很高的功率因数以及很低的总谐波失真。由于工作在连续功率电感临界模式，MOS功率电晶体处于零功率开关模式，因此开关损耗得以减小，且会有更高的电感的使用率。该功率因数的改善系由将功率因数校正电容增加至分配系统所达成的。当视在功率(kVA)大于工作功率(kW)，该设备必须提供该过多的无效电流加上该工作电流。功率电容作用为无效电流产生器。
该定流控制器(稳定电流、独立于时间的电流、固定电流)为一种DC控制器的类型，其强度并不随着时间改变。如果负载为固定的，一稳定电流可藉由一固定电压源所获得。如果负载为变化的，一稳定电流可藉由一固定电流供应源所获得。
此外，本系统具有多重保护功能以加强系统可靠性，包括：LED电路保护模块111，以用于LED开路保护及/或LED短路保护；IC欠压保护模块112，以用于保护具有供电欠压的IC或晶片；电流采样保护模块114，以用于保护在一开路上的电流采样电阻；逐周期功率限制模块116，以有效地保护该MOS场效电晶体，以及允许定流调整器或精确的电流限制的简单配置等。所有的保护模式都具有自动重启功能。另外，本系统也具有晶片热能调节保护113，以用于在驱动电源过热时减小输出电流，以提高系统的可靠性。
此外，该LED模块包括：LED功率设定模块107，以判定LED单元106所适用的功率；功率感测电路108，以感测LED电路的功率；以及LED功率调整器109，以维持对LED单元106的一稳定电压。
所提出系统的额外特征包括：
-有源功率因数校正，高功率因数值，低总谐波失真
-高达95％的系统效率
-±3％LED输出电流精度
-优异的线电压调整率和负载调整率
-连续功率电感临界模式
-超低(30uA)启动电压
-LED短路/开路保护
-电流采样电阻开路保护
-逐周期电源限制
-晶片电源欠压保护
-自动重启功能
-热能调节功能
所提出的系统中的LED单元106的应用包括：
-LED灯泡
-LED灯管
-LED路灯
-所有LED发光产品的电源
<系统特征描述>
用于LED驱动器的所提出系统被称为JF1606，其方块图如图2所示，其为一有源功率因数校正LED定流控制晶片。该系统工作于连续功率电感临界模式，因此实现极高的功率因数、极低的总谐波失真和高效率。
使用该设备以作为LED驱动器的方法包括以下步骤。
<1.系统启动>
在系统开启后，母线电压通过启动电阻给IC电源引脚(VCC)的电容充电。当VCC电压上升到启动阀值电压后，晶片内部控制电路开始工作，Vref电压被快速上拉到1.5V。
然后该设备或系统开始输出脉冲信号，Vref电压从1.5V开始逐渐上升，电感峰值电流随的上升，从而实现输出LED电流的软启动，有效防止输出电流过冲。当输出电压建立之后，VCC电压由输出电压通过二极体供电，从而降低功耗。
<2.固定输出电流控制设定>
该设备或系统接着对电感电流进行逐周期采样，工作于连续功率电感临界模式，藉此实现高精度输出定流控制。LED输出电流计算方法为：
Iout＝Vref/Rcs
其中，Vref是内部基准参考电压，Rcs是电流采样电阻值
<3.回馈网路>
该设备或系统通过回馈网路來检测输出电压的狀态，回馈网路的降压阀值电压设置在0.2V，迟滞电压设置为0.15V。回馈网路引脚也可以用來探测阀值为1.6V的过压保护(Over Voltage Protection,OVP)。回馈网路的上下分压电阻比例可以设置为：
Rfbl/(Rfbl+Rfbh)＝1.6V/Vovp
其中，Rfbl是回馈网路的下分压电阻，Rfbh是回馈网路的上分压电阻，Vovp是过压保护的设定点，回馈网路下分压电阻建议设置在5KΩ至10KΩ左右。
<4.热能调节功能>
该设备或系统接着被连接至热能调节功能。当在驱动电源过热时，该输出电流被逐渐减少，从而控制及维持输出功率和温度在设定值，以提高系统的可靠性。晶片内部的过热控制点设定为摄氏150度。
<5.保护功能>
该设备或系统设置有多个内建保护功能，以保证系统可靠性。当LED开路时，输出电压逐渐上升，回馈网路引脚可以在功率电晶体关断时检测到输出电压。当回馈网路升高到OVP保护阀值时，会触发保护邏辑并停止开关工作。当LED短路时，由于输出电压很低，无法通过二极体给VCC供电，所以VCC电压会逐渐下降，一直到VCC达到欠压保护阀值。该系统进入保护模式时，VCC电压开始下降，而当VCC到达欠压保护阀值时，系统将重启。系统会持续该检测程序，以及，一旦故障解除，系统会重新开始正常工作。当输出短路或者变压器达到饱和状态时，共源极峰值电压值将会比较高。当共源极电压上升到内部值的限制(1V)时，该开关周期立刻停止。这样的逐周期电流限制功能可以保护功率MOS电晶体、电感以及续流二极体。
<电源的类型>
<使用隔离型电源的实施例>
通常，所有的隔离式降压线路都包含一个或数个变压器。通过调整变压器的匝数比，可获得更高或更低或是负电位的输出电压。在一些隔离式降压线路结构中，可在变压器上绕上多重绕组，以输出多种电压值。一些变换器还会利用变压器作为能量储存装置，但其他的变换器仍需要独立的电感装置。这类型的电源变换模式均为“直流-交流-直流”变换。然而，这会是一个昂贵的方式。
<使用非隔离型电源的另一实施例>
非隔离式电源是最为简单的电源开关模式，其电源变换方式为“直流-直流”变换。根据电压变换类型，分为三种基本类型：升压斩波器(Boost Chopper)(又称为升压变换器(Boost Converter))；降压斩波器(Buck Chopper)(又称为降压变换器(BuckConverter))；以及降压-升压斩波器(Buck-Boost Chopper)(又称为降压-升压变换器(Buck-Boost Converter))。它们的结构都非常相似，输入、输出和接地都会在一点上交汇，都使用电感作为能量储存之用。它们之间的主要区别在于电感的连接方式，若电感器放置于电路的输出端，则为降压斩波器；电感放置于电路的输入端，则是升压斩波器。当电感器接地时，就是降压-升压斩波器。
在脉冲占空比极短时，开关装置的效率会下降。如果需要更高的电压变换，那就需要用到具有变压器的隔离型电源。
<使用全电压降压型LED定流控制晶片的再一实施例>
全电压降压型LED定流控制晶片接收到桥式半波波形功率、将其整流为DC电源，并经LC滤波后，将电源供应给LED使用。LC电路(又称为谐振电路、储能电路、调谐电路)为包括彼此连接的电感(由字母L所表示)及电容(由字母C所表示)。
全电压降压型LED定流控制晶片设计为浮接地(ground landing)，其使用二极体连接控制晶片的浮接地与桥式IC的地，藉此可隔离两个零件之间的干扰并防止零电压及零交越的影响，以保护功率MOS电晶体、续流二极体等零件的寿命。
本发明可以在不脱离其必要特征下，以其他特定方式实施。所描述的实施例的所有方面皆应视为范例性且不具有局限性。因此，本发明的范围应以所附申请专利范围所定义，而非前述的说明。在权利要求范围的意义与等同范围内的变化皆应被接受为权利要求的范围。

Claims (10)

1.一种系统，用于对一发光二极体单元提供一启动电压，其特征在于，该系统包括：
一桥式模块，用于将来自一电源的一交流全波波形整流为一交流半波波形；
一降压电路模块，具有一金属氧化物半导体，该降压电路模块用于将该交流半波波形整流为一用于该发光二极体单元的直流电源，
其中，该降压电路模块藉由使用一功率因数调整模块以执行功率因数校正以及使用一定流控制发光二极体控制晶片以整流一全电压，以使该直流电源对应至该发光二极体单元的该启动电压的方式，可接收要提供至该发光二极体单元的该全电压。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，该桥式模块为一桥积体电路。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，该发光二极体单元为具有一积体电路的一发光二极体驱动器。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，该发光二极体单元具有由一金属氧化物半导体功率电晶体所设定的一电流限制。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，该系统的该电压被调整为邻近于该降压电路模块的电压，以克服一输入电压差。
6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，使用在85Vac至305Vac之间的定流发光二极体的全范围降压输出电压，以用于该发光二极体单元。
7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，该功率因数调整模块具有一有源功率因数校正电路，以达成具有低总谐波失真的高功率因数值。
8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，该系统工作于连续功率电感临界模式，以及一金属氧化物电晶体工作于零功率开关模式，以降低开关损耗以及增加电感使用。
9.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，进一步包括一逐周期电流限制保护特征，以保护一金属氧化物电晶体、电感及续流二极体，以改善系统可靠性。
10.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，进一步包括一浮接地晶片，以隔离干扰及防止零电压及零交越的影响，以保护该系统中的一金属氧化物电晶体、续流二极体及所述模块。
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