TW201332395A - 可調整工作電壓範圍之交流ｌｅｄ驅動電路 - Google Patents

Abstract

本發明為一種可調整工作電壓範圍之交流LED驅動電路，係包含有由一整流單元、一LED單元、一壓控電晶體、一電流檢測單元及一穩流控制單元所組成的電源迴路，以及並聯於該壓控電晶體上的一可變電阻值單元，本發明係利用上述的穩流控制單元偵測該壓控電晶體本身所消耗的工作功率；若為零則提高該可變電阻值單元的電阻值，進而增加流經該壓控電晶體之電流；若大於最大額定功率則降低該可變電阻值單元的電阻值，進而減少流經該壓控電晶體之電流；使其工作功率的均保持在零值以上及最大額定功率以下。

Description

可調整工作電壓範圍之交流LED驅動電路

本發明係關於一種交流LED驅動電路，尤指一種適用於高壓電源中之可調整工作電壓範圍之交流LED驅動電路。

發光二極體(LED)為目前市面上常見的照明用具，相較於傳統白熾燈泡更具有高發光效率及省電的特性；然而由於發光二極體本身僅能單向導通，故難以使用於傳統交流電插座，為此業界便研發出一種交流LED驅動電路；請參照圖6所示，該交流LED驅動電路係包含有：一整流單元20，其輸入端連接一交流電源，並將交流電源轉換為一脈動直流電源，並由輸出端輸出；一LED單元21，係包含複數個LED光源，並電連接至該整流單元20之輸出端，使其構成一電源迴路；一壓控電晶體22，係串接於該電源迴路中且具有一控制端，以調整電源迴路之迴路電流；一電流檢測單元23，係串接於該電源迴路中，以將該電源迴路之迴路電流轉換為對應的電壓訊號；一低頻濾波器24，係電連接於該電流檢測單元23，並根據該電流檢測單元23所轉換後之電壓訊號，輸出一平均電壓值；及一穩流控制單元25，其一輸入端與該低頻濾波器24電連接，另一輸入端則電連接一參考電壓值，又其輸出端則與該壓控電晶體22之控制端電連接；其中該穩流控制單元25比較其輸入端所接收之參考電壓值與平均電壓值之大小，並依據比較結果輸出控制訊號至該壓控電晶體之控制端，令電源迴路之迴路電流維持穩定。

由上述結構可知，該交流LED驅動電路係以該整流單元20將發光二極體本不適用之交流電源轉換為脈動直流電源，並以該電流檢測單元23與該低頻濾波器24將總體流經LED單元之迴路電流之平均值檢測出來，並以該穩流控制單元25控制該壓控電晶體22所調整之迴路電流，以供LED單元穩定發光。

此外，由於該壓控電晶體22串接於電源迴路，故令該壓控電晶體22直接承受過高的功率，而導致該壓控電晶體22發生過熱的現象；故為了避免此現象，遂又於該壓控電晶體22兩端並聯一分流電阻26；如圖7及圖8所示，雖然加入電阻可分擔壓控電晶體22的功率而減緩其熱累積速度；但該分流電阻26卻也限制壓控電晶體26兩端的最大工作電壓。舉例說明之，假使迴路電流為0.16安培，而該壓控電晶體22最大額定功率為1瓦特時，如果我們設定該分流電阻26的電阻值為150歐姆，則壓控電晶體22的最大工作電壓即被限制在24伏特；當欲提高壓控電晶體22的工作電壓使其超過24伏特時，流經分流電阻26的電流超過0.16安培，使得流經該壓控電晶體22上的電流為零，使其進入截止狀態而喪失原本穩流調節作用；對於此一交流LED驅動電路須使用在高電壓的交流電源時，即無法正常驅動，有待進一步改善。

有鑑於上述既有的交流LED驅動電路，無法再進一步使用在高電壓的交流電源時之缺失；故本發明主要目的係提供一種適用於高壓電源中之可調整工作電壓範圍之交流LED驅動電路。

欲達上述目的所使用的主要技術手段係令該可調整工作電壓範圍之交流LED驅動電路包含有：一整流單元，其輸入端連接一交流電源，並將交流電源轉換為一脈動直流電源，並由輸出端輸出；一LED單元，係包含複數個LED光源，並電連接至該整流單元之輸出端，使其構成一電源迴路；一壓控電晶體，係串接於該電源迴路中且具有一控制端，以調整電源迴路之迴路電流；一電流檢測單元，係串接於該電源迴路中，以將該電源迴路之迴路電流轉換為對應的電壓訊號；一低頻濾波器，係電連接於該電流檢測單元，並根據該電流檢測單元所轉換後之電壓訊號，輸出一平均電壓值；一可變電阻值單元，係並聯於該壓控電晶體，並可改變其電阻值；及一穩流控制單元，係有一輸入端與該低頻濾波器電連接，及一參考輸入端電連接一參考電壓值，並且其輸出端與該壓控電晶體之控制端電連接，此外該穩流控制單元尚還串接於上述電源迴路與可變電阻值單元之間，使其形成回授結構；其中該穩流控制單元係比較其輸入端所接收之參考電壓值與平均電壓值之大小，並依據比較結果輸出控制訊號至該壓控電晶體之控制端，令電源迴路之迴路電流維持穩定；並且該穩流控制單元於所連接的該電源迴路上檢測該壓控電晶體的消耗功率，再藉此調整該可變電阻值單元之電阻值。

由上述結構可知，本發明係利用上述穩流控制單元偵測該壓控電晶體所消耗的功率，再依其消耗功率調整該可變電阻值單元的電阻值；當消耗功率為零時則提高該可變電阻值單元的電阻值，使流經該壓控電晶體之電流增加；當消耗功率大於最大額定功率時則降低該可變電阻值單元的電阻值，使流經該壓控電晶體之電流減少；並藉此保持其工作功率介於零值以上與最大額定功率以下，使本發明能進一步應用於高壓電源中使用。

本發明係提供一種適用於高壓電源中之可調整工作電壓範圍之交流LED驅動電路。

請參照圖1所示，上述可調整工作電壓範圍之交流LED驅動電路係包含有：一整流單元10，其輸入端係連接於一交流電源，並將交流電源轉換為一脈動直流電源後由其輸出端輸出；其中該整流單元10可為一全波整流電路或一半波整流電路，而於下列各實施例中，其為一全波整流電路；一LED單元11，係連接至該整流單元10之輸出端構成一個電源迴路；其包含有複數LED光源，可相互並聯或串聯或並串聯，如此該整流單元10所輸出的脈動直流電源即能推動該LED單元11點亮；一壓控電晶體12，係串接於該LED單元11及該整流單元10的電源迴路上，其具有一控制端用於調整流電源迴路上之電流。該壓控電晶體12可為金氧半場效電晶體或接面場效電晶體或雙級結型晶體管；於下列各實施例中，其為一金氧半場效電晶體，其閘極係為控制端，其汲極與源極串接於電源迴路中，並以閘極與源極兩端之控制電壓調整汲極與源極兩端間的迴路電流I_Mos；一電流檢測單元13，係與該壓控電晶體12串接，並一同串接於該LED單元11及該整流單元10所構成的電源迴路上；在下列各實施例中，該電流檢測單元13係為一檢測電阻，以將該電源迴路上之迴路電流檢出成一反應迴路電流之電壓訊號；一低頻濾波器14，其輸入端係連接於該壓控電晶體12與該電流檢測單元13的串聯節點，並接收該電流檢測單元13反應迴路電流之電壓訊號，而輸出端則輸出一個反應迴路電流的平均值之平均電壓。該低頻濾波器14可由電容、電感所構成之類比濾波器或由數位電路所構成之數位濾波器，而在下列各實施例中，其係為一數位濾波器，該數位濾波器為一降頻濾波器(Down-sampling Filter)，是將其所接受之電壓訊號經取樣(Oversampling)及訊號轉換後即時輸出一平均電壓，用以立即反應電源迴路上之迴路電流的平均值；一可變電阻值單元16，係並聯於該壓控電晶體12，並可改變其電阻值；及一穩流控制單元15，係串接於上述電源迴路，並與可變電阻值單元16電連接之間，其包含有：一輸入端，係連接於該低頻濾波器14之輸出端；一參考輸入端，係連接於一參考電壓(Vref)；及一輸出端，係連接於該壓控電晶體12之控制端；上述穩流控制單元15係以該低頻濾波器14所轉換後之反應電源迴路的迴路電流平均值之平均電壓，與參考輸入端所接收之參考電壓作比較；若平均電壓大於參考電壓則該穩流控制單元15輸出一控制訊號至壓控電晶體12之控制端，藉以將流經該壓控晶體12的電流調低；反之若平均電壓小於參考電壓則該穩流控制單元15亦輸出一控制訊號至壓控電晶體12之控制端，藉以將流經該壓控晶體12的電流調高；以此令電源迴路中之迴路電流趨於穩定；並且該穩流控制單元15於所連接的該電源迴路上檢測該壓控電晶體12的消耗功率，再藉此以調整該可變電阻值單元16之電阻值；當消耗功率為零時則提高該可變電阻值單元16的電阻值，使流經該壓控電晶體12之電流增加；當消耗功率大於最大額定功率時則降低該可變電阻值單元16的電阻值，使流經該壓控電晶體12之電流減少。

此外，該可變電阻值單元16於下列各實施例中，係包含有複數分流單元160，而各分流單元160係又包含有：一控制電晶體162，係包含有一控制端，用以控制該控制電晶體162是否導通；於本實施例中，該電晶體162係為一金氧半場效電晶體，其閘極即為該控制端；及一分流電阻161，係串聯該控制電晶體162；於本實施例中，該分流電阻一端連接至該控制電晶體162的汲極，而控制電晶體162的源極則連接至該壓控電晶體12的源極。

上述穩流控制單元15於下列各實施例中，係進一步包含有：一偵測端，係連接於電源迴路上；及複數選擇輸出端，係分別電連接於對應分流單元160中控制電晶體162的控制端，以控制控制電晶體162的啟閉。

再者，以下各實施例中均以目前常見的使用情形為例，令電源迴路需穩定工作於0.16安培，並設定該壓控電晶體12必須承受至35伏特之高電壓，且假定其所能承受之最大額定功率為1瓦特。

請參照圖1所示，係為本發明第一實施例，其中該可變電阻值單元16的各複數分流單元160相互並聯，藉以形成第一分流單元160a、第二分流單元160b及第三分流單元160c；於本實施例中令第一分流單元160a的分流電阻值為150Ω、第二分流單元160b的分流電阻值為180Ω、第三分流單元160c的分流電阻值為220Ω。又於本實施例中，該分流電阻161一端連接至該控制電晶體162的汲極，而另一端則與其它分流單元160b、160c的電阻161一端連接後，連接至該壓控電晶體12的汲極，而該控制電晶體162的源極則連接於其它分流單元160b、160c的控制電晶體162的源極，再連接至該壓控電晶體12的源極。

於第一實施例中，該穩流控制單元15之偵測端係連接於電源迴路中該LED單元11與該壓控電晶體12之間的串聯節點；其中該穩流控制單元15會依據上述偵測端所偵測到的該壓控電晶體12上的工作電壓值，和目前可變電阻值單元16的電阻值去做合併計算，便可得知目前壓控電晶體12的工作功率。

請合併參照圖4所示，當該可變電阻值單元16之初始電阻值為第一分流單元160a的分流電阻值，控制該第一分流單元160a的控制電晶體162導通，其餘第一分流單元160b、160c的控制電晶體162均截止；當該壓控電晶體12因工作電壓上升至24伏特時，而其工作功率會趨近為零時；此時該穩流控制單元15此時便會控制該第一分流單元160a截止，並令該第二分流單元160b導通，並藉此方式提高可變電阻值單元16的電阻值，如此即能確保該壓控電晶體12不進入截止而正常工作；當該壓控電晶體12的工作電壓再上升至28伏特時，控制該第二分流單元160b截止，令該第三分流單元160c導通，再提高可變電阻值單元16的電阻值；是以，藉此可變電阻值單元16的電阻值的改變令該壓控電晶體12的工作電壓得以提高。

另外，由於上述該壓控電晶體12的工作電壓與電源迴路中各個串聯節點的節點電壓必有相依關係，故可利用節點電壓推導出該壓控電晶體12的工作電壓值；進而令該偵測端係可連接於電源迴路上的任一串聯節點，而不需要限制在該LED單元11與該壓控電晶體12之間的串聯節點。

請參照圖2所示，係為本發明第二實施例，該可變電阻值單元16先由第一個分流單元160a之分流電阻161另一端連接於該壓控電晶體12的汲極，而第二個分流單元160b之分流電阻161的另一端則連接第一個分流單元160a之分流電阻161與控制電晶體162串接節點，該第三個分流單元160c之分流電阻161的另一端則連接第二個分流單元160b之分流電阻161與控制電晶體162的串接節點；是以，三分流電阻即串聯連接；並且各分流單元160a、160b、160c之控制電晶體162的源極均連接至與該壓控電晶體12的源極；於本實施例中，第一分流單元160a的分流電阻值為150Ω、第二分流單元160b的分流電阻值為30Ω、第三分流單元160c的分流電阻值為40Ω。

於第二實施例中，該穩流控制單元15之偵測端係為該穩流控制單元15之輸入端；當壓控電晶體12的工作電壓上升而使流經該壓控電晶體12的電流是為零時，由於此時該壓控電晶體12已經失去了令電源迴路中之迴路電流趨於穩定的功效，故流經該電流檢測單元13的電流必定上升，進而使該輸入端上的電壓也一並上升；且由於該偵測端於本實施例中即為輸入端，故該穩流控制單元15可依據其輸入端上電壓得知目前壓控電晶體12的工作功率是否為零。

請合併參照圖4所示，若該可變電阻值單元16之初始電阻值為第一分流單元160a的分流電阻值，則控制該第一分流單元160a的控制電晶體162導通，其餘第一分流單元160b、160c的控制電晶體162均截止；，並假設該穩流控制單元15的輸入端上電壓經常保持在400mV左右；當該壓控電晶體12的工作電壓上升至24伏特時，該穩流控制單元15輸入端上的電壓會因為壓控電晶體12截止而大於400mV；此時該穩流控制單元15便控制該第一分流單元160a的控制電晶體162截止，並令該第二分流單元160b導通，如此一來該可變電阻值單元16會因為第一分流單元160a與第二分流單元160b中分流電阻161串聯的結構使得可變電阻值單元16的電阻值會提高，如此即能確保壓控電晶體12不會進入截止而正常工作；而當該壓控電晶體12的工作電壓再上升至28伏特時，該穩流控制單元15輸入端上的電壓又會再次大於400mV；此時再控制該第二分流單元160b係設為截止，而令該第三分流單元160c設為導通，再提高可變電阻值單元16的電阻值；是以，藉此可變電阻值單元16的電阻值的改變令該壓控電晶體12的工作電壓得以提高。

另外，由於流經該壓控電晶體12的電流，係由該穩流控制單元15之輸出端所控制；故本發明穩流控制單元15之偵測端還可以是該穩流控制單元15之輸出端，藉由其輸出端上電壓得知目前壓控電晶體12的工作功率是否為零。

以上說明係針對當該壓控電晶體12功率為零該穩流控制單元所做的處置，以下係針對當該壓控電晶體12功率大於其工作電壓時該穩流控制單元15所做的處置。

請參照圖3所示，係為本發明第三實施例，該壓控電晶體12與該電流檢測單元13之間進一步串聯一功率檢測電阻17，並令該穩流控制單元15進一步包含有兩偵測端；其中一偵測端係連接於該壓控電晶體12與該功率檢測電阻17之串聯節點中，而另一個偵測端係連接於該LED單元11與該壓控電晶體12之間的串聯節點；依據上述結構所述，該穩流控制單元15之兩偵測端係並聯於該壓控電晶體12，故可得出該壓控電晶體12上的電壓；且由於該功率檢測電阻17係串聯於該壓控電晶體12，故連接於該功率檢測電阻17之偵測端可得出流經該壓控電晶體12的電流值；綜合以上所述，該穩流控制單元15可依據上述結構可直接得出該壓控電晶體12上的功率值；當該壓控晶體12的工作功率上升至最大額定功率時；該穩流控制單元15會降低可變電阻值單元16的電阻值，令該壓控電晶體12均保持在正常的工作狀態，不會有過熱的現象。

請參照圖5所示，假設溫度係數為50℃/W，包含有可變電阻值單元16的電路係於工作電壓上升時，令該壓控電晶體22本身的溫度均能保持在80℃以下，而未包含有該可變電阻值單元16的電路則輕易的突破100℃甚至超過150℃。

綜合上述說明得知，本發明能以調整該可變電阻值單元的方式，控制壓控電晶體的工作功率；並當其工作電壓持續上升時，均能保持其工作功率介於零值以上與最大額定功率以下，使本發明能確實的應用於高壓電源中。

10．．．整流單元

11．．．LED單元

12．．．壓控電晶體

13．．．電流檢測單元

14．．．低頻濾波器

15．．．穩流控制單元

16．．．可變電阻值單元

160．．．分流單元

160a．．．第一分流單元

160b．．．第二分流單元

160c．．．第三分流單元

161．．．分流電阻

162．．．控制電晶體

17．．．功率檢測電阻

20．．．整流單元

21．．．LED單元

22．．．壓控電晶體

23．．．電流檢測單元

24．．．低頻濾波器

25．．．穩流控制單元

26．．．分流電阻

圖1：本發明可調整工作電壓範圍之交流LED驅動電路之電路圖。

圖2：本發明第二較佳實施例之電路圖。

圖3：本發明第三較佳實施例之電路圖。

圖4：本發明壓控電晶體與分流電阻功率分配之曲線圖。

圖5：本發明壓控電晶體與分流電阻的功率與溫度關係之曲線圖。

圖6：既有交流LED驅動電路之電路圖。

圖7：既有交流LED驅動電路壓控電晶體與分流電阻功率分配之曲線圖。

圖8：既有交流LED驅動電路壓控電晶體與分流電阻的功率與溫度關係之曲線圖。

10．．．整流單元

11．．．LED單元

12．．．壓控電晶體

13．．．電流檢測單元

14．．．低頻濾波器

15．．．穩流控制單元

16．．．可變電阻值單元

160．．．分流單元

160a．．．第一分流單元

160b．．．第二分流單元

160c．．．第三分流單元

161．．．分流電阻

162．．．控制電晶體

Claims (10)

1. 一種可調整工作電壓範圍之交流LED驅動電路，係包含有：一整流單元，其輸入端連接一交流電源，並將交流電源轉換為一脈動直流電源，並由輸出端輸出；一LED單元，係包含複數個LED光源，並電連接至該整流單元之輸出端，使其構成一電源迴路；一壓控電晶體，係串接於該電源迴路中且具有一控制端，以調整電源迴路之迴路電流；一電流檢測單元，係串接於該電源迴路中，以將該電源迴路之迴路電流轉換為對應的電壓訊號；一低頻濾波器，係電連接於該電流檢測單元，並根據該電流檢測單元所轉換後之電壓訊號，輸出一平均電壓值；一可變電阻值單元，係並聯於該壓控電晶體，並可改變其電阻值；及一穩流控制單元，係有一輸入端與該低頻濾波器電連接，及一參考輸入端電連接一參考電壓值，並且其輸出端與該壓控電晶體之控制端電連接，此外該穩流控制單元尚還串接於上述電源迴路與可變電阻值單元之間，使其形成回授結構；其中該穩流控制單元係比較其輸入端所接收之參考電壓值與平均電壓值之大小，並依據比較結果輸出控制訊號至該壓控電晶體之控制端，令電源迴路之迴路電流維持穩定；並且該穩流控制單元於所連接的該電源迴路上檢測該壓控電晶體的消耗功率，再藉此調整該可變電阻值單元之電阻值。
2. 如請求項1所述之可調整工作電壓範圍之交流LED驅動電路，其中上述可變電阻值單元，係包含有複數分流單元，而各分流單元係又包含有：一控制電晶體，係包含有一控制端，用以控制該控制電晶體是否導通；及一分流電阻，係串聯該控制電晶體。上述穩流控制單元，係進一步包含有：一偵測端，係連接於電源迴路上；及複數選擇輸出端，係分別電連接於對應分流單元中控制電晶體的控制端，以控制控制電晶體的啟閉。
3. 如請求項2所述之可調整工作電壓範圍之交流LED驅動電路，該可變電阻值單元的複數分流單元相互並聯，即各分流單元的該分流電阻一端連接至該控制電晶體的其中一極，而另一端則與其它分流單元的電阻一端連接後，再連接至該壓控電晶體的一極，而該控制電晶體的另一極則連接於其它分流單元的控制電晶體的相同一極，再連接至該壓控電晶體的另一極。
4. 如請求項2所述之可調整工作電壓範圍之交流LED驅動電路，該可變電阻值單元的其中一分流單元之分流電阻的另一端係連接於該壓控電晶體的一極，其餘分流單元的分流電阻的另一端係連接至相鄰分流單元之分流電阻與控制電晶體之串聯節點；而各分流單元的控制電晶體相同另一極共同連接該壓控電晶體的另一極連接。
5. 如請求項2至4中任一項所述之可調整工作電壓範圍之交流LED驅動電路，該穩流檢測單元之偵測端係連接於電源迴路中該LED單元與該壓控電晶體之間的串聯節點。
6. 如請求項2至4中任一項所述之可調整工作電壓範圍之交流LED驅動電路，該穩流檢測單元之偵測端係為該穩流檢測單元的輸入端。
7. 如請求項2至4中任一項所述之可調整工作電壓範圍之交流LED驅動電路，該穩流檢測單元之偵測端係為該穩流檢測單元的輸出端。
8. 如請求項2至4中任一項所述之可調整工作電壓範圍之交流LED驅動電路，其中：該壓控電晶體與該電流檢測單元之間係進一步串聯一功率檢測電阻；該穩流控制單元進一步包含有兩偵測端；其中一偵測端係連接於該壓控電晶體與該功率檢測電阻之串聯節點中，而另一個偵測端係連接於該LED單元與該壓控電晶體之間的串聯節點。
9. 如請求項1所述之可調整工作電壓範圍之交流LED驅動電路，上述低頻濾波器為一數位濾波器。
10. 如請求項9所述之可調整工作電壓範圍之交流LED驅動電路，上述該數位濾波器為一降頻濾波器(Down-sampling Filter)。