TW201332396A - 用以驅動發光二極體之電源供應電路 - Google Patents

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Chia-Ying Yeh
Chien-Liang Chen
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Abstract

本發明係揭露一種用以驅動發光二極體之電源供應電路，其包含：一輸入單元、一主動功率因數修正器、一轉換器、一輸出單元及一回饋單元。輸入單元用以接收由一電源所傳輸之電力訊號，以及輸出單元用以接收由轉換器所轉換之電力以驅動至少一發光二極體。回饋單元電性耦接於轉換器與輸出單元之間之一節點，並將轉換器所傳送至輸出單元之電力訊號回傳至主動功率因數修正器，則主動功率修正器基於回饋單元所傳回之電力訊號調整電力訊號，以令輸出單元可以穩定地輸出電力並驅動發光二極體。

Description

用以驅動發光二極體之電源供應電路
本發明係大體上關於電源供應電路，特別係關於用以驅動發光二極體之電源供應電路，以達到高效率並穩定地輸出電壓供應至發光二極體。
隨著電力需求日益高漲，為了達到節約用電及提高效率之目的，世界各國研究學者與電源供應器廠商無不致力於解決效率提高之問題。
傳統上，功率因數修正器(Power Factor Corrector,PFC)，通常由鐵芯與線圈所組成，其主要功能為調整相角、減少虛功、提升實功率，並可減少諧波干擾、改善供電品質。另外，功率因數修正器的主要作用係致使電壓與電流的相位相同且令負載近似於電阻性，因此，在電路設計上有很多種作法，其中依使用的元件來分類，可分為被動式功率因數修正器與主動式功率因數修正器兩種。
在主動式功率因數修正器控制的實現上，可以略分為兩種型式，分別為非連續導通模式(Discontinuous Conduction Mode,DCM)與連續導通模式(Continuous Conduction Mode,CCM)。因此，傳統功率因數修正器解決方案必須在效能(效率與功率密度)與系統成本之間做出取捨，一般而言，高功率系統可選擇連續導通模式，而在低功率系統則適合採用非連續電流模式。
在工業上，小功率的升壓型轉換器大都在非連續導通模式下操作以修正其功率因數，而大功率的升壓型轉換器則在連續導通模式下操作以修正其功率因數。然而，雖然傳統的升壓型轉換器其結構簡單且應用於功率因數修正器中相當容易，但是，由於輸入電感電流為三角波脈衝電流，所以造成相當嚴重的諧波電流。因此，對於傳統的升壓型轉換器而言，若濾波器設計得較大，其輸入電流的相位會落後，且會造成功率因數變小；反之，若濾波器設計得較小，其輸入電流將會有很多雜訊，而導致很高的電磁干擾。
另外，發光二極體之電源供應電路通常使用交換式電源方案來達成，係為基於對功率半導體切換導通時間或頻率的調變方法將交流電源轉換成穩定的直流電壓之方法。然而，因為輸出負載的改變會造成電路路線無法固定於最佳工作點下操作，因而會導致其平均效率無法提升。
本發明之目的在於解決傳統上之發光二極體之電源供應電路無法固定在最佳工作點下操作之問題。
本發明之另一目的在於有效地提高發光二極體之電源供應電路之效率。
為了達到上述之目的，本發明提供一種用以驅動發光二極體之電源供應電路，係包含：一輸入單元、一主動功率因數修正器、一轉換器、一輸出單元及一回饋單元。其中，輸入單元係用以接收由一電源所傳輸之電力訊號，且主動功率因數修正器電性耦接於此輸入單元，以及轉換器電性耦接於主動功率因數修正器。再者，輸出單元電性耦接於轉換器，並用以接收轉換器所轉換之電力以趨動至少一發光二極體。另外，回饋單元之一端電性耦接於轉換器與輸出單元間之一節點，另一端電性耦接於主動功率因數修正器，並用以將轉換器所傳送至輸出單元之電力訊號回傳至主動功率因數修正器，因此，主動功率則會依據回饋單元所傳回之電力訊號調整所輸出之電力訊號，以令輸出單元可以穩定地輸出電力供應至發光二極體。
於本發明之一實施例中，輸入單元係為一整流濾波器，用以整流及過濾由電源所傳送之電力訊號。
並且，於本發明之一實施例中，轉換器係為一隔離式直流-直流轉換器，其中，所述之隔離式直流-直流轉換器之操作頻率與工作週期係固定以使其功率損失維持在最低值。
再者，於本發明之一實施例中，轉換器可進一步包含：一主線圈及一副線圈。其中，主線圈係電性耦接於主動功率因數修正器，且副線圈係電性耦接於輸出單元。
另外，於本發明之一實施例中，回饋單元係為一光耦合器，其中，所述光耦合器係由一發光二極體與一光電晶體所構成。
綜上所述，通過將轉換器(例如：隔離式直流-直流轉換器)之操作頻率與工作週期固定，並使其功率損失維持在最低值，之後，透過調整主動功率因數修正器的輸出電力訊號(例如：電壓)，則可維持轉換器提供穩定的電力訊號至輸出單元，以供應穩定的電力訊號至發光二極體。
下方之詳細說明係包含本發明之實施例等實施方式之範例並搭配圖式來進行說明，這些圖式應理解為範例之說明，而非用以限制本發明。同樣地，使用於此之圖式元件符號於一或多個「實施例」係用以理解包含於本發明中至少一實施方式所描述之特定架構、結構或特徵。因此，如「於一實施例中」或「於另一實施例中」等用語在此係用以描述本發明之各種不同實施例及實施方式，而非必須參照於同一實施例，不過，這些實施例亦不應視為彼此相互排斥。
之後所詳細描述之實施例及細節係包含圖式之說明，其可被描述於下方之一些實施例中或全部實施例中，係如同在此所呈現發明概念之其他潛在之實施例或實施方式。本發明之實施例的概述係提供如下之詳細說明，並請參照圖式來說明。
請參閱第1圖，係顯示本發明之之電源供應電路之架構示意圖。其中，電源供應電路100係電性連接於電源110，用以由電源110接收電力訊號(例如：電壓)，並且，電源供應電路100電性耦接於發光二極體120，供應發光二極體120電力得以驅動發光二極體120。在此需注意的是，雖然為了使圖式簡單化、清楚之目的，僅繪出單一電源110及單一發光二極體120，然而，於實際使用中，係可依據不同之需求而增加電源110及發光二極體120之數量，而不應有所限制。
於本發明之一實施例中，所述之電源110依據不同需求，可包含為：市電所提供之交流(AC)電、或是燃料電池、鋰電池、再生能源等直流(DC)電，而不應有所限制。
再者，電源供應電路100係包含：一輸入單元107、一主動功率因數修正器(Power Factor Corrector,PFC)101、一轉換器103、一回饋單元105及一輸出單元109。其中，輸入單元107電性耦接於電源110，並用以接收由電源110所傳輸之電力訊號(例如：電壓)。主動功率因數修正器101電性耦接於輸入單元107，並且接收由輸入單元107所傳送之電力訊號。轉換器103則電性耦接於主動功率因數修正器101及輸出單元109。另外，回饋單元105之一端電性耦接於主動功率因數修正器101，另一端電性耦接於轉換器103與輸出單元109間之一節點，並將轉換器103所傳送至輸出單元109之電力訊號回傳至主動功率因數修正器101，因此，主動功率因數修正器101則可調整其所輸出之電力訊號，並藉由如此之電力訊號調整以令輸出單元109可以穩定地輸出電力供應至發光二極體120，並驅動發光二極體120。
接著，請參閱第2圖，係顯示對應於本發明之電源供應電路之一實施例之等效電路示意圖。其中，為了使本發明之說明更加清楚、詳細，電源供應電路200係搭配第1圖所示之電源供應電路100之架構示意圖來說明。
於本實施例中，對應於第1圖所示之輸入單元107係使用一整流濾波器207，其中輸入訊號L代表相線、N代表中線，利用整流濾波器207來接收由電源110所傳送之電力訊號，則可通過設定此整流濾波器207之參數，將不必要之雜訊過濾。
於本發明之一些實施例中，當電源110為一交流(AC)電時，此整流濾波器207可設計為具有可將交流(AC)電壓轉換為直流(DC)電壓之功能。另外，本發明之另一些實施例中，當電源110為一直流(DC)電時，若所供應之電壓不符合此電源供應電路之需求的情況下，此整流濾波器207亦可設計為可將所接收之直流(DC)電壓整流為符合需求之直流(DC)電壓之功能。
電源110所傳送之電力訊號通過整流濾波器207進行整流及過濾的動作之後，則可傳送至主動功率因數修正器201。於本實施例中，主動功率因數修正器201係由一積體電路晶片所實施。
再者，對應於第1圖所示之轉換器103，於本實施例中係使用轉換器203，係為一隔離式直流-直流轉換器。其中，隔離式直流-直流轉換器203進一步包含：一主線圈2031，電性耦接於主動功率因數修正器201；以及一副線圈2033，電性耦接於輸出單元。在此，對應於第1圖所示之輸出單元109，於本實施例中，係為輸出電壓Vo及共用電壓COM所表示。
於本發明之一些實施例中，所述之轉換器103,203係可為一升壓轉換器；於本發明之另一些實施例中，所述之轉換器103,203係可為一降壓轉換器；於本發明之其他一些實施例中，所述之轉換器103,203係可為降壓-升壓轉換器。如上所述，轉換器103,203之型式係可依據實際操作之需求進行變更，而不應有所限制。
由隔離式直流-直流轉換器203所傳出之輸出電壓Vo由一節點電性耦接於一光耦合器205。於本實施例中，光耦合器205則為對應於第1圖所示之回饋單元105之一實施例。需注意的是，於本實施例中所使用之特定元件皆用以說明，而非限定，對於本領域中具有通常知識者而言，理應可輕易地依據實際操作之需求而變更為具有等效功能之其他元件以實施，因此，不應將本發明之範疇僅限定於此特定之實施例。
於本實施例中，光耦合器205亦電性耦接於主動功率因數修正器201，以達到回傳輸出電壓Vo之電力訊號至主動功率因數修正器201。另外，於本實施例中，光耦合器205進一步由一發光二極體2051與一光電晶體2053所組成。因此，當輸出電壓Vo傳送至光耦合器205之發光二極體2051時，則會驅動發光二極體2051，使之發出一定波長的光，之後，由光電晶體2053接收並產生光電流，再將此電力訊號回傳至主動功率因數修正器201中。需注意的是，在此所述之發光二極體2051之選用係可依據實際操作設計之需求，而選用發出不同波長之發光二極體元件，而不應有所限制。另外，於本實施例中雖然僅顯示使用光電晶體2053來作為光耦合器205之光探測器，但於實際操作中，亦可利用光電二極體等功能相似之元件來取代，而不應有所限定。
再者，於本實施例中，為了令進入主動功率因數修正器201與隔離式直流-直流轉換器203之電壓或電流符合元件所需之規格，更可於主動功率因數修正器201、隔離式直流-直流轉換器203及光耦合器205之間設置電阻器R1及R2。需注意的是，是否設置電阻器及電阻器之電阻值皆可依據實際操作需求所調整，而不應以此限制本發明之範疇。
綜上所述，本發明所揭露之電源供應電路100,200則可通過將轉換器103(隔離式直流-直流轉換器203)之操作頻率與工作週期固定，以使得其功率損失維持在最低值的狀況下，再藉由回饋單元105(光耦合器205)所回傳電力訊號至主動功率因數修正器101,201，並透過調整主動功率因數修正器101,201的輸出電壓，以維持轉換器103(隔離式直流-直流轉換器203)輸出穩定地輸出電壓Vo至輸出單元109，以維持供應穩定之電壓至發光二極體120，並驅動發光二極體120運作。
接著，依據第1圖及第2圖所示之電源供應電路100,200之架構為基礎，本發明更可包含下列之實施方式：
第一實施例
於本實施例中，對應於上述第2圖所揭露之電源供應電路200之等效電路示意圖，其中，所述之隔離式直流-直流轉換器203中主線圈2031與副線圈2033之線圈比為39：15，則通過其中之電感量為350μH。於此實施例中，搭配降壓式之主動功率因數修正器201，當滿載運作時，效率可達到約90.24%之高效率。然而，於此實施例中，當輕載運作時，則容易造成穩定性較差之現象。
第二實施例
於本實施例中，對應於上述第2圖所揭露之電源供應電路200之等效電路示意圖，其中，所述之隔離式直流-直流轉換器203中主線圈2031與副線圈2033之線圈比為152：61，則通過其中之電感量為2200μH。於此實施例中，同樣地搭配降壓式之主動功率因數修正器201。並且，於此實施例中，為了令輸出電壓Vo於極輕載運作時，可以達到穩定輸出之效果時，因而提高電感量及工作頻率。
於此實施例中，在可能的範圍下，加大了隔離式直流-直流轉換器203之電感量，因此，當輸出電壓Vo為極輕載時，可有效地達到穩定輸出。然而，於此實施例中，於滿載時，則會因為隔離式直流-直流轉換器203產生飽和現象，而導致在滿載運作時效率較低。
綜上所述，於本實施例中，當輸出負載為0.057安培(A)之極輕載時，依然可有效地達到穩定輸出之效果。但，由於滿載效率變差，約為78.72%。
第三實施例
於本實施例中，對應於上述第2圖所揭露之電源供應電路200之等效電路示意圖，其中，所述之隔離式直流-直流轉換器203中主線圈2031與副線圈2033之線圈比為80：31，則通過其中之電感量為1000μH。於此實施例中，同樣地搭配降壓式之主動功率因數修正器201。並且，於本實施例中，令主線圈2031與電感量減半，則可讓滿載運作時的效率提升。只是，於本實施例中，最小輸出負載為0.15安培，才可得到一穩定之輸出電壓Vo。並且，於此實施例中，滿載效率可達到約87.36%。
由上述之三個實施例中可以得知，使用降壓式之主動功率因數修正器201可有效地令耐壓應力降低，進而提高效率。並且，提高隔離式直流-直流轉換器203之工作頻率或提高電感量可使得電源供應電路200提早進入連續模式(CCM)下，則可使得輸出電壓可以在極低的負載下達到穩壓之效果。
因此，本發明所揭露之用以驅動發光二極體之電源供應電路係為一高效率之電源供應電路。特別是，僅需要透過回饋單元(例如：光耦合器)將輸出電壓之電力訊號回傳至主動功率因數修正器中，則通過主動功率因數修正器改變輸入至轉換器(例如：隔離式直流-直流轉換器)之輸入電壓，則不需要變動轉換器之操作頻率與工作週期，即可達到提供高效率之功率並供應穩定之電壓以驅動發光二極體之效果。
除描述於此之外，可藉由敘述於本發明中之實施例及實施方式所達成之不同改良方式，皆應涵蓋於本發明之範疇中。因此，揭露於此之圖式及範例皆用以說明而非用以限制本發明，本發明之保護範疇僅應以列於其後之申請專利範圍為主。
100．．．電源供應電路
101．．．主動功率因數修正器
103．．．轉換器
105．．．回饋單元
107．．．輸入單元
109．．．輸出單元
110．．．電源
120．．．發光二極體
200．．．電源供應電路
201．．．主動功率因數修正器
203．．．隔離式直流-直流轉換器
2031．．．主線圈
2033．．．副線圈
205．．．光耦合器
2051．．．發光二極體
2053．．．光電晶體
207．．．整流濾波器
第1圖係顯示本發明之電源供應電路之架構示意圖。
第2圖係為對應於本發明之電源供應電路之一實施例之等效電路示意圖。
100．．．電源供應電路
101．．．主動功率因數修正器
103．．．轉換器
105．．．回饋單元
107．．．輸入單元
109．．．輸出單元
110．．．電源
120．．．發光二極體

Claims (10)

  1. 一種用以驅動發光二極體之電源供應電路，係包含：一輸入單元，用以接收由一電源所傳輸之電力訊號；一主動功率因數修正器，電性耦接於該輸入單元；一轉換器，電性耦接於該主動功率因數修正器；一輸出單元，電性耦接於該轉換器，用以接收由該轉換器所轉換之電力以驅動至少一發光二極體；及一回饋單元，電性耦接於該轉換器與該輸出單元間之一節點，並將該轉換器所傳送至該輸出單元之電力訊號回傳至該主動功率因數修正器，該主動功率因數修正器則可依據該回饋單元所傳回之該電力訊號調整該電力訊號，以令該輸出單元可以穩定地輸出電力。
  2. 如請求項第1項所述之電源供應電路，其中該輸入單元係為一整流濾波器，用以整流及過濾由該電源所傳送之電力訊號。
  3. 如請求項第1項所述之電源供應電路，其中該轉換器係為一隔離式直流-直流轉換器。
  4. 如請求項第3項所述之電源供應電路，其中該隔離式直流-直流轉換器之操作頻率與工作週期係固定以使其功率損失維持在最低值。
  5. 如請求項第1項所述之電源供應電路，其中該轉換器進一步包含：一主線圈，電性耦接於該主動功率因數修正器；以及一副線圈，電性耦接於該輸出單元。
  6. 如請求項第5項所述之電源供應電路，其中該主線圈與副線圈之線圈比係為39：15。
  7. 如請求項第5項所述之電源供應電路，其中該主線圈與副線圈之線圈比係為152：61。
  8. 如請求項第5項所述之電源供應電路，其中該主線圈與副線圈之線圈比係為80：31。
  9. 如請求項第1項所述之電源供應電路，其中該回饋單元係為一光耦合器。
  10. 如請求項第9項所述之電源供應電路，其中該光耦合器係由一發光二極體與一光電晶體所組成。
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