TW200820558A - Resonant driver with low-voltage secondary side control for high power LED lighting - Google Patents

Description

200820558 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於一種用以將電源供應給一負載的一電源供 應裝置，其中該負載較佳係一發光二極體（LED)。 【先前技術】 * 通常，固態照明正逐漸成長用於居住、汽車與專業應用 • 方面。既然例如LED的固態燈不能直接從電池或AC電源供 應，所以電源驅動器（亦稱為電源供應裝置）需用於電源有 ® 效驅動。為了效率理由，LED驅動器必須以切換模式操 作。驅動器係將可用的DC或AC電壓轉換成供應給LED的 DC電流。電子驅動器必須提供一 DC輸出電流，且其與輸 入電壓源與在LED的電壓降的變化無關。在多數應用中， 電隔離是LED驅動器的另一重要需要。 【發明内容】

供應LED及其他負載的電源供應可例如從US • 2005/0225176 Al、US 2003/0067791 Al、US 2006/0077600 A1 或 WO 2005/036726 獲知。 通常，切換模式電源供應產生一 DC輸出電壓，其中在 ^ 大部份情況，輸出電壓係藉由脈衝寬度調變（PWM)控制。 • 若要在LED照明系統中使用此驅動概念，包括一電流感測 器的一電流控制器單元必須加入。對於電隔離驅動器電路 而言，當PWM控制與電晶體位在一次側時，電流必須在二 次側測量。既然二次側需要辅助電壓，且電隔離必須在回 授路徑中提供，所以此會造成額外的努力。若電流測量係 124443.doc 200820558 基於便宜與簡單的分路電阻器，額外的損失會發生。 此已知概念的另-問題可在典型與刚切換拓撲有關的 EMI(電磁干擾）失真中看出。 鐾於上述’本發明的目的係要提供克服先前技術裝置缺 點的-電源供應裝置。特別是，刪應該最小化，且應該 避免切換損失。此外，_進—步目的係要提供成本效益的 電源供應’而無需放棄負載的電隔離與電源控制。

本發明的此及進-步目的可以藉由用以將電源供應給一 負載的一電源供應裝置而解決，其包含一第一電路，該第 一電路具有調適用以提供一 AC電壓的一反相器單元，較 佳係-矩形、與具有_電容與一電感的一魏電路； 一第二電路，該第二電路具有一整流器單元、一開關與該 負載，該開關係調適用以使該負載導通及關閉，且控制器 單元係調適用以控制該開關，如此可調整提供給負載的電 源’而無需來自該一次電路的任何測量信號；與一變壓 器，其具有一一次側與一二次側，該一次側係連接至該第 一電路，且該二次侧係連接至該第二電路，較佳係該整流 器，所以該等第一與第二電路係電隔離。 本發明電源供應裝置提供一新諧振操作電隔離驅動拓撲 與供應負載的控制方案，較佳係LED。該裝置可藉由一 DC 電壓供應’且其可藉由整流與平滑的電源電壓提供。本發 明裝置包含一反相器（較佳係一高頻反相器）、一變壓器、 一串％電各器與一二次整流器級。變壓器可用於電隔離， 並調適例如從一次300伏特至二次30伏特的電壓位準。讀 124443.doc 200820558 振電路較佳係由變壓器的雜散電感與與串聯電容器形成。 因此，變壓器的寄生洩漏電感係裝置之一部分。相反於例 如正向與返馳拓撲的已知以PWM為主的轉換器，泡漏電感 不需要減少。對於隔離與繞組設計係優點的，且如此可保 持低成本。 供應給負載的電源係在變壓器的二次低電壓侧上控制。 在第二電路的開關的導通狀態與關閉狀態的數量可決定負 ⑩ 載的平均輸出。 本發明裝置的優點之一係電流變成正弦的，且其在切換 實例係零。此可避免切換損失，並減少EMI。此外，供應 給第二電路的標稱輸出電壓可根據所需的負載特性，藉由 變壓器的匝數比加以設定。此外，根據本發明的電源供應 裝置係非常適合電源供應。此外，控制器單元不需要來自 一次電路的任何信號/回授來調整電源，即供應給負載的 電々IL。在必須的一次與二次電路之間沒有”資訊傳送，，。 _ 本發明的電源供應裝置的進一步優點係不需要額外昂貴 DC平滑電容器使負載電壓平滑。因為緩衝電容器時常係 關於哥命最弱的元件，所以此增加預期的壽命。 在較佳具體實施例中，該控制器係調適用以在電流零 ，交又中操作該開關。 此测量的優點係切換損失可減少或避免。 在一進一步較佳具體實施例中，該控制器包含在第二電 路中提供的一電流測量元件。 此’則1的優點是電流控制係在第二電路中達成，且因此 124443.doc 200820558 係在一低電壓位準。 在一進一步較佳具體實施例中，該負載包含在一第一分 支中串聯連接的複數個led，其中該開關係位在該第一分 支’用以切換該複數個LED的導通及關閉。 此測量的優點係複數個LED可藉由一開關控制。 在一較佳具體實施例中，包含至少一 LED、與用於切換 该LED的至少一進一步開關之至少一進一步分支係提供並 聯至該第一分支。 此測量允許增加電源供應裝置的彈性，特別是從led可 控制性的觀點。 在進一步較佳具體實施例中，每一分支包含一電阻器 與該LED與該開關串聯。 此測量的優點是提供過電流保護。 在一較佳具體實施例中，至少一開關係一電晶體開關 (例如一雙極電晶體或一M0SFET)，且較佳係於過電流保 護的線性區域中驅動。更佳地係，該電晶體開關係在不同 分支同步操作LED之間的電流平衡線性區域中驅動。 此測量已實際證明了優點。 在-較佳具體實施例中，該第一電路包含彼此並聯連接 的多重諧振電路，每一諧振電路包含一變壓器的一次側， 其中每、變壓器的二次側係與第二電路的單一分支連接。 換句話說，每-分支包含一或多個[ED的一連串連接與 一開關，並指定一變壓器。 此測Ϊ的優點係提高電湄 丁狄q电你供應的弹性。特別是，藉由使 124443.doc 200820558 用變壓器的不同繞組匝數比，供應給分支的標稱電壓可不 同。 在一進一步較佳具體實施例中，該第一電路包含電流感 測兀件，用以感測電流，並將該感測電流信號傳送給反相 裔。較佳係，該反相器係調適用以提供具有相同符號的 AC電壓與電流。 此測量的優點係可避免切換損失，並減少EMI。結果， _ 諧振頻率可非常高，所以可使用小變壓器。 在較仏具體實施例中，反相器可機械式從變壓器與言皆 振電路分離。 此測量的優點係裝置可用於可移動電源供應照明產品的 裝置。 在一進一步較佳具體實施例中，若過電流係藉由該電流 感ΛΙ元件彳貞測，该反相器單元較佳地可於一些譜振週期係 調適用以關閉輸出。 # 此測量的優點係電路與變壓器可保護防止過載。 根據一進一步具體實施例，該電流測量元件係調適用以 在其導通狀態期間偵測在開關上的電壓。 此測ΐ的優點係可提供用於測量電流的一簡單與成本效 ► 益元件。 進步特彳玫及優點可從下面連同附圖的描述瞭解。 可瞭解，下面說明的上述特徵及這些不僅可使用在指出 、別、、且ΰ，而且可使用在其他組合或隔離，而不致脫離 本發明的範疇。 124443.doc 200820558 【實施方式】 在圖1與2中’ 一電源供應裝置的兩具體實施例係以方塊 圖顯示。電源供應裝置係用於供應一負載，較佳係具電源 的一電燈，其中電源係可調整。燈較佳係一發光二極體 (LED)或例如串聯連接的複數個此Led。然而，注音、，其 他電負載（較佳係其他類型照明糸統）亦具有本發明的電源 供應裝置。在此，術語” LED”亦包含有機LED(0LED)。 φ 此外，注意，圖1或2顯示裝置的變化與修改可實施，而 不致脫離如文後申請專利範圍所定義的本發明之範轉。 在圖1中’其係顯示一電源供應裝置的一般結構，並使 用參考數字10指示。電源供應裝置10包含一第一電路12與 一第二電路14，且其係彼此電隔離。 電隔離係藉由一變壓器18達成，其具有：一 一次側2〇， 其 次繞組係分配給該第一電路；與一二次側22，其一 二次繞組係分配給該第 二電路14 〇 ⑩ 苐電路12包各一反相器單元24，其具有兩個輸入終端 25與兩個輸出終端26。

该反相器單元24係調適用以在輸出終端26提供高頻AC ‘電壓。輸出電壓的頻率可在10〇 kHz或更大的範圍。 該反相器單元24係在輸入終端25接收Dc電壓。然而， 反相器單兀24接收例wAC電壓（例如Ac電源）亦可能。 此高頻AC反相器單元24的一般結構對於熟悉此技術者 係已知且因此未在下面詳細描述。在輸出終端26與一諸 振電路30之間係連接。該諧振電路3〇包含變壓器18的該一 124443.doc -12- 200820558 次側（一次繞組）、一電容器32與一電感器34。這些零件係 串聯連接。 雖然一單獨的電感器34係在圖1顯示，但是此電减号34 可藉由變壓器的雜散電感提供。 第一電路進一步包含一電流偵測器40，其係調適用以偵 測在兩輸出終端26之間流動的電流I〗。電流偵測器4〇的個 別信號係如同一控制信號而供應給反相器單元24。 φ 如圖3a所示，反相器單元24係在雨輸出終端26之間提供 一矩形電壓U!。如亦在圖3 a的顯示，矩形輸出電壓的符號 係與本身疋正弦的輸出電流的符號相同。若要維持與輸出 電流符號相同的輸出電壓符號，電流要藉由電流偵測器4〇 測量。 如上述，反相器24的結構對於熟悉此技術者係已知。其

可經由必須只提到兩個範例的一半橋接或一全橋接反相器 實現。 W • 諳振電路3 0的諧振頻率係藉由諧振電容器與總諳振電感 疋々振電路川的諧振阻抗係充當一串聯電阻，並限制 變壓器18的一次與二次繞組電流。 •第二電路14包含將AC電壓供應給一整流器42的變壓器 的一-人側（二次繞組）22。整流器42包含以全橋接形式連 接的四個二極體44。整流電壓係供應給一或多個分支50、 52、54的一輸入側，其輸出側係與接地耦合。在圖1顯示 的具體實施例中，其係顯示三個分支50、52、54。然而， 〆主思，分支的數目可隨著應用而改變。每一分支50、52、 124443.doc -13- 200820558 54的一般結構係類似，使得相同參考數字可用來表示相同 零件。 一分支50、52、54包含至少一發光二極體 60·η、與一開關64、以及一電阻器62。所有部件，即電阻 器62、LED 60與開關64係串聯連接在分支的輸入側與輸出 側之間。LED 60.1至60·η的數量係取決於應用，且範圍可 從1至10或更多。 開關64係如同一電晶體提供，較佳係一 ηρη雙極電晶 體。然而’其他開關亦可使用，例如閘流體。然而，已使 用的開關64必須藉由一控制信號的控制，其在本具體實施 例中，係供應給電晶體的基極。在本具體實施例中，電晶 體的集極係與LED 60·η的陰極連接，且電晶體的射極係與 分支的輸出側連接，因此連接接地。 LED 60.1至60·η可藉由操作開關64而導通及關閉。開關 64的個別操作係藉由一控制單元丨6達成，其可產生一控制 信號，並將其供應給個別開關64。供應給開關64的控制信 號係基於供應給控制單元16的一般控制信號76、或基於在 控制單元16中儲存的任何其他程式或演算法而產生。 庄思’供應給LED 60.1至60·η的電源，因此這些元件的 光輸出可藉由開關64的導通週期數目與關閉週期數目而調 整。每時間單位的開關64導通週期愈長，LED的光輸出愈 高。 /主思’分支5〇的LED 60·1至60·η不可彼此獨立地導通及 關閉。然而’ LED 60· 1至60·η可同時導通及關閉，所以一 124443.doc -14- 200820558 分支的每一 LED的光輸出係類似。 然而’既然複數個分古ς Λ 克5〇、52、54係在整流器42的輸出 與接地之間並聯連接，％ γ 1 ^ 所Μ分支的led的光輸出可獨立調 開關64的不同導通週 整。此可藉由不同分支50、52、54的 期與關閉週期數目而達成。

如圖1所示，每一分支50、52、54包含一電阻器62，其 可當作過電流保護使用，及用於在並聯連接的lEd強度之 間的電流平衡。或者，分支的開關64可以在保證最大電 流、且電流在分支50至54的串聯連接的LED之間平衡的線 性區域將它們驅動的方式而驅動。 控制器16可基於一電流偵測器7〇提供的一電流偵測信號 而產生開關64的控制信號。此電流偵測器7〇偵測供應給分 支50至54的總電流。控制信號產生使得當電流接近零時， 開關會操作，所以切換損失可減少。 圖1進一步顯示控制器丨6係經由線72而從變壓器丨8之二 次繞組供應電源。在變壓器的二次繞組上的AC電壓係藉 由二極體44整流，並藉由一電容器46平滑化，所以經由線 72供應給控制器的電壓係DC電壓。此電壓供應的進一 + 優點是，即使所有LED關閉，一最小負載可施加給變壓器 的二次繞組。如此，經由在變壓器的二次繞組的諧振影響 所引起的電壓過衝將可避免。 反相器單元24可機械式從變壓器18分離，且諧振電路3〇 的其它部分對於可動電源供應照明產品是报有用。 此外’藉由第一電路的電流偵測器40的電流谓測可用來 124443.doc -15- 200820558 偵測電路的過電流，所以反相器單元24可短時間（例如— 些諧振週期）響應其而關閉電源供應。此後，諧振電路I 再次導通。 如進一步選用的測量，每一分支50、52 ' 54的電流可測 量及供應給控制器16。在圖1中，電流可在導通狀態期間 經由開關64的電壓而由控制器16評估。將此電壓供應給控 制器16的個別線在圖1中係使用參考數字74指示。然而， _ 如另一選擇所示，一串聯分路電阻器可在分支中提出以债 測LED電流值。 電源供應裝置10可例如用於電源信號燈、裝飾燈、壁面 泛光燈、LCD背光與一般照明燈，特別是LED。然而，注 意，此潛在應用並未完全列出。 亦提到，一次與二次繞組匝數之比係根據電源啟動led 的第二電路中所需的電壓而選取。每一分支的led數目愈 大，變壓器的二次側供應的標稱電壓一定會愈高。 _ 在圖2中’其係顯示一電源供應裝置的進一步具體實施 例’並使用參考數字1 0指示。既然此電源供應裝置i 〇的結 構係很類似圖1的結構，所以相同數字可用於類似零件。 •在兩具體實施例之間的主要差別係根據圖2的第二具體實 、施例包含彼此並聯連接的多重諧振電路301至3〇 3。每一 諧振電路30包含一變壓器的二次繞組匝數、一電感34與一 電容器32。 在弟二電路中’每一分支50、52、54係指定一變壓器 18.1、18.2、18.3 的二次側。 124443.doc 16· 200820558 器18.1至18.3提供的不 此具體實施例允許使用不同變虔 同電壓啟動分支50、52、54。 因此，LED控制的彈性可提高。 ’、、、;而母刀支50、52、54之結構與功能係類似圖i詳 細討論的分支，所以不必要再次描述結構與功能。

為了要簡要概述，本發明提供_電源供應裝置，其允許 以可控制方式啟動LED而不必然要將_電流信號資訊從第 二電路饋送回給第一電路。特別是，電源控制可藉由第二 電路的開關達成；然而，第一電路供應具有一固定頻率的 AC電壓，即諧振電路的諧振頻率。既然當電流係接近零 或零時，開關會導通及關閉，所以切換損失可減少。而 且，既然開關係在以低電壓操作的第二電路，所以相較於 在第一電路中使用的開關，此開關的成本可較低。 【圖式簡單說明】 本發明的一具體實施例係在圖式中顯示，且將在下面連 同圖式更詳細說明，其中： 圖1係根據本發明的一第一具體實施例的一電源供應裝 置的方塊圖； 圖2係根據本發明的一第二具體實施例顯示一電源供應 裝置的方塊圖；以及 圖3 a顯示圖1之裝置的電流與電壓包絡圖； 圖3七顯示圖2之裝置的電流與電壓包絡圖。 【主要元件符號說明】 10 電源供應裝置 124443.doc 17- 200820558

12 第一電路 14 第二電路 16 控制器單元 18 變壓器 18.1 變壓器 18.2 變壓器 18.3 變壓器 20 一次側 22 二次側 24 反相器單元 25 輸入終端 26 輸出終端 30 諧振電路 30.1 諧振電路 30.2 諧振電路 30.3 諧振電路 32 電容器 34 電感器 40 電流4貞測器/電流感測元件 42 整流器 44 二極體 46 電容器 50 分支 52 分支 124443.doc -18- 200820558 54 分支 60·1 至 60.n 發光二極體（led) 62 電阻器 64 開關 70 電流偵測器/電流測量元件 72 線 74 線 76 控制信號 124443.doc -19-

Claims (1)

1. 200820558 十、申請專利範圍： 1 · 一種用於將電源供應給一負載之電源供應裝置，較佳係 一 LED，該電源供應裝置包含： -一第一電路（12)，其具有一反相器單元（24)係調適用 以提供一AC電壓，較佳係一矩形電壓；以及一諧振電路 (30)，其具有一電容（32)與一電感（34); -一第二電路（14)，其具有一整流器單元（42)、一開關 (64)與該負載（60)，該開關係調適用以使該負載導通及 關閉； -一變壓器（18)，其具有--次側（20)與一二次侧 (22)，該一次側係連接至該第一電路（12)，且該二次侧 (22)係連接至該第二電路（14)，較佳係該整流器，使得 該等第一與第二電路係電隔離；以及 -一控制器單元（16)，其係調適用以控制該第二電路 (14)之該開關（64)以調整提供給該負載（6〇)的電源，而無 需來自該一次電路（12)的任何測量信號。 2·如請求項1之裝置，其特徵為該控制器單元（16)係調適用 來以電流零交叉操作該開關（64)。 3·如請求項2之裝置，其特徵為該控制器單元（16)包含在第 二電路（14)中提供的一電流測量元件（7〇)。 4·如前述請求項中任一項之裝置，其特徵為該負載（60)包 含在一第一分支（50)中串聯連接的複數個LED(60.1至 60·η)，其中該開關（64)係位在該第一分支，以使該複數 個LED導通及關閉。 124443.doc 200820558 5 ·如前述請求項中任一項之裝置，其特徵為該包含至少一 LED(60.1至6〇·η)、與用於切換該Led的至少一進一步開 關（64)之至少一進一步分支（52、54)係與該第一分支並 聯提供。 6·如請求項4或5之裝置，其特徵為每一分支（5〇、52、54) 包含一電阻器（62)與該（等）LED(60)與該開關（64)串聯。 7·如前述請求項中任一項之裝置，其特徵為該至少一開關 (64)係一電晶體開關，較佳係以用於過電流保護的一線 性區域中驅動。 8·如明求項5與7之裝置，其特徵為該電晶體開關（64)係在 用於不同分支同步操作LED之間電流平衡的線性區域中 驅動。 9·明求項5至8中任一項之裝置，其特徵為該第一電路包 “皮此並聯的多重諧振電路(3〇·1至30.3)，每一諧振電路 ()L έ變壓器（18·1至18.3)的一次側（2〇)，其中每一

   °的二次側（22)係與該第二電路（14)的單一分支 ⑼、52、54)連接。 10.如前述諳、卡@ a 勹人/ 、中任一項之裝置，其特徵為該第一電路 巧 3電流感測元件（40)，用以感測該電流及將該 感=電流信號傳送給該反相器單元（24)。 ^ 、1〇之裝置，其特徵為該反相器單元（24)係調適 用以撻供— /、 電壓與電流’且兩者具有相同符號。 .元二請求項中任何一項之裝置，其特徵為該反相器單 糸機械式從該變壓器（18)與該諧振電路（3〇)分離。 124443.doc 200820558 13·如請求項10之裝置，其特徵為若該電流感測元件（4〇)偵 測到過電流，該反相器單元（24)較佳地於一些諧振週期 係調適用以使輸出（26)關閉。 14·如請求項3之裴置，其特徵為該電流測量元件（7〇)在其導 通狀態期間係調適用以偵測開關（64)的電壓。 124443.doc