TW201349728A - 交換式直流電源裝置 - Google Patents

Abstract

一種交換式直流電源裝置，電性連接多數個發光二極體燈串，交換式直流電源裝置包括一PFC前級升壓電路、一具有一第一開關及一第二開關的半橋式開關電源電路、一回饋電路、一隔離驅動變壓器及一電性連接回饋電路及隔離驅動變壓器的控制單元；交換式直流電源裝置通過該隔離驅動變壓器做初次側隔離以及通過隔離驅動變壓器的次級繞組將控制單元輸出的兩組相位差180度的脈波控制信號感應到隔離驅動變壓器的第一初級繞組和隔離驅動變壓器的第二初級繞組，令控制單元通過隔離驅動變壓器控制驅動第一開關及該第二開關，使得半橋式開關電源電路將電能傳送給該等發光二極體燈串。

Description

交換式直流電源裝置

本發明是有關於一種交換式直流電源裝置，特別是指一種降低元件成本、提升電源轉換效能，且更加環保節能的適用於LED顯示設備的交換式直流電源裝置。

參閱圖1，是現有較大尺寸機種的LED顯示設備使用一種交換式直流電源裝置900，主要用於驅動LED顯示設備的多數個發光二極體燈串LED1-LEDn。

交換式直流電源裝置900具有一PFC前級升壓(Boost)電路91、一半橋諧振降壓(Buck)電路92、一後級升壓電路93及一回授控制模組94。

PFC前級升壓電路91輸出約為400伏特左右的直流電供給半橋諧振降壓電路92，半橋諧振降壓電路92將400伏特的直流電轉換為24伏特的直流電後輸出，經過後級升壓電路93將此24伏特的直流電再升壓為發光二極體燈串LED1-LEDn所需的工作電壓，如：100伏特，作為發光二極體燈串LED1-LEDn的供電輸入電壓。

回授控制模組94具有一次級控制單元941及多數個定電流電路1-定電流電路n，該次級控制單元941是接受定電流電路1-定電流電路n之輸出之電壓來控制發光二極體燈串LED1-LEDn之輸入電壓，以便讓所有LED燈串工作時處於電流恒定狀態，通過開關信號(ON/OFF)來控制該次級控制單元941工作與否，並最終控制該後級升壓電路93是否 要工作，通過調光信號來控制發光二極體燈串LED1-LEDn發光或是不發光來調控發光二極體燈串LED1-LEDn的平均亮度大小。

然而，前述的交換式直流電源裝置900的技術缺失如下：

1、元件成本較高：半橋諧振降壓電路92具有一初級控制單元921；後級升壓電路93具有能承受輸出功率較大的一電感L1、一N溝道場效應管Q3、一輸出整流二極管D3；初級控制單元921、電感L1、N溝道場效應管Q3、輸出整流二極管D3相較於一般的被動元件需要較高成本，又加上回授控制模組94的次級控制單元941，無法降低整體元件的成本，現有採用先降壓再升壓的電路設計方式不僅造成設計成本偏高問題，同時因電子零件數較多也增加了整個電路設計的複雜度。

2、轉換效率低：交換式直流電源裝置900將輸入電壓約400伏特先經半橋諧振降壓電路92降壓為如：24伏特再經後級升壓電路93升壓為如：100伏特以作為發光二極體燈串LED1-LEDn所需的工作電壓，此種先降壓再升壓的方式進行兩次能量轉換，使得電源轉換效能差，而損耗的電能通常為轉換為熱能，目前LED顯示設備通常會設計成薄型機種，而薄型機種內部空間小，造成散熱效果差，若電源轉換效率低，則可能造成LED顯示設備內部溫度較高，這不僅造成能源浪費，而且也在一定程度上影響到了液晶顯示產品的使用壽命。未來對於功率較高的LED顯示設備要求電 源的轉換效率日趨嚴格，如何提高轉換效率是一大課題。

因此，本發明之目的，即在提供一種成本低、效率高及簡化設計的LED顯示設備使用的交換式直流電源裝置。

本發明的交換式直流電源裝置電性連接多數個發光二極體燈串，電性連接多數個發光二極體燈串，該交換式直流電源裝置包括一PFC前級升壓電路、一電性連接該PFC前級升壓電路且具有一第一開關及一第二開關的半橋式開關電源電路、一回饋電路、一隔離驅動變壓器及一電性連接該回饋電路及該隔離驅動變壓器的控制單元；其特徵在於：該交換式直流電源裝置通過該隔離驅動變壓器做初次側隔離以及通過該隔離驅動變壓器的次級繞組將該控制單元輸出的兩組相位差180度的脈波控制信號感應到該隔離驅動變壓器的第一初級繞組和該隔離驅動變壓器的第二初級繞組，令該控制單元通過該隔離驅動變壓器控制驅動該第一開關及該第二開關，使得該半橋式開關電源電路將電能傳送給該等發光二極體燈串。

本發明的交換式直流電源裝置的有益效果在於：

1、降低成本：節省傳統半橋諧振降壓電路所需的初級控制單元及後級升壓電路等元件的設置成本，可降低整體元件的成本。

2、轉換效率佳：本發明的架構只需一次降壓轉換，電源轉換效率高，無需如以往先降壓再升壓的方式進行兩次能量轉換，可節能環保。

3、整合控制且設計簡化：本發明的架構僅需一個控制單元，避免以往將前級電路、後級電路分別採用不同的個別控制器的調控方式，電路設計簡潔且易於控制。

有關本發明之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之數個較佳實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。在本發明被詳細描述之前，要注意的是，在以下的說明內容中，類似的元件是以相同的編號來表示。

參閱圖2，本發明之較佳實施例的功能模塊圖中，交換式直流電源裝置電性連接多數個發光二極體燈串LED1-LEDn，該交換式直流電源裝置包括一輸出一直流電壓的PFC前級升壓電路11，其特徵在於：該交換式直流電源裝置還包括一半橋式開關電源電路12、一回饋電路3、一隔離驅動變壓器14及一控制單元10。

該PFC前級升壓電路11的輸出端電性連接該半橋式開關電源電路12且輸出直流電壓供給該半橋式開關電源電路12；該半橋式開關電源電路12電性連各發光二極體燈串LED1-LEDn的輸入端及該隔離驅動變壓器14之間，該隔離驅動變壓器14輸出兩組相位差180度的波寬調變信號(PWM)來驅動該半橋式開關電源電路12進行做電壓及能量轉換，以輸出一發光二極體燈串LED1-LEDn工作所需的直流電壓給該發光二極體燈串LED1-LEDn。

該回饋電路3包括：電流調節器131、132-13n及一偵測單元2，該電流調節器131、132-13n及該偵測單元2電 性連接於各該發光二極體燈串LED1-LEDn的輸出端，並通過偵測單元2偵測各該發光二極體燈串LED1-LEDn的輸出電壓。

該控制單元10，電性連接該回饋電路3及該隔離驅動變壓器14之間，依據該回饋電路3中的偵測單元2來偵測工作時各該發光二極體燈串LED1-LEDn中輸出端電壓最低的那一發光二極體燈串LEDi(1in)的輸出端電壓以產生兩組占空比Duty小於50%且相位差為180度的波寬調變信號(PWM)，透過該隔離驅動變壓器14來驅動該半橋式開關電源電路12，使該半橋式開關電源電路12輸出該發光二極體燈串LED1-LEDn所需的工作電壓；該控制單元10還依據各該電流調節器131、132-13n採樣反饋電壓來與各該電流調節器一起控制各該發光二極體燈串LED1-LEDn工作時的電流處於大小恒定狀態以及還通過調光控制信號來控制各該電流調節器131、132-13n內部電晶體的開與關，從而達到控制各該發光二極體燈串LED1-LEDn工作(發光)與不工作(不發光)的時間比例，最終控制該發光二極體燈串LED1-LEDn的平均亮度。

參閱圖3，本發明之第一較佳實施例中，交換式直流電源裝置100用於驅動多數個發光二極體燈串LED1-LEDn，包括一控制單元10、一PFC前級升壓電路11、一半橋式開關電源電路12、數個電流調節器131-13n、一偵測模組2，及一電性連接於控制單元10及半橋式開關電源電路12之間的隔離驅動變壓器14，各元件的作用及連接關係介紹如下。

半橋式開關電源電路12具有一第一開關Q1(本實施例為N通道電晶體)、一第二開關Q2(本實施例為N通道電晶體)、一降壓變壓器121、一第一電容C1、一濾波電容C3、一第四電容C4、一第一電阻R1、一第二電阻R2、一第三電阻R3、一第四電阻R4、一第一二極體D1及一第二二極體D2。

半橋式開關電源電路12的第四電容C4和第一電容C1與第一開關Q1和第二開關Q2正好組成一個“H”型電橋的兩臂，降壓變壓器121被跨接於該電橋兩臂的中間，故整體架構稱為H型「半橋式」。

半橋式開關電源電路12的第一開關Q1、第二開關Q2的兩端分別並聯一二極體(該二極體為開關本身寄生的二極體，也可為外加的二極體)，二極體的作用是由於變壓器121的初級繞組N1”存在漏感問題，當第一開關Q1、第二開關Q2其中之一開關(如：Q1)由導通變為截止狀態時，為了避免初級繞組N”漏感產生的反電動勢將該開關(如：Q1)的汲極與源極擊穿，故此時另一開關(如：Q2)並聯的二極體將正向導通，以用作如：第一開關Q1截止時，第二開關Q2並聯二極體做續流動作。

電流調節器131-13n電性連接於各發光二極體燈串LED1-LEDn的輸出端，其數量與發光二極體燈串LED1-LEDn數量相符，各電流調節器131-13n具有一均流單元151-15n及一採樣電阻R11-R1n，各發光二極體燈串LED1-LEDn的輸出端與各採樣電阻R11-R1n之間串接各均 流單元151-15n；採樣電阻R11-R1n是用來設置每一發光二極體燈串LED1-LEDn正常工作時的電流大小；控制單元10設有一參考電壓Vref，採樣電阻R11、R12...R1n的電阻值都為R時，則每一發光二極體燈串LED1-LEDn的電流為Vref/R，使各發光二極體燈串LED1-LEDn的電流值都相等。

控制單元10具有一控制晶片101及連接在控制晶片101的數個控制接腳，所述控制接腳包括：一調光接腳111、一開關接腳112、一第一輸出接腳113、一第二輸出接腳114、一控制發光二極體燈串LED1-LEDn的輸出端電壓的偵測接腳115，n個補償接腳COMP1-COMPn，及n個反饋接腳FB1-FBn，分別介紹如下。

調光接腳111用於輸入突發模式(Burst-mode)的調光(DIM)信號以控制發光二極體燈串LED1-LEDn工作(發光)與不工作(不發光)的時間比例(也稱：責任週期duty)，從而控制發光二極體燈串LED1-LEDn的平均亮度；本實施例中，電阻R21-R2n兩端跨接於PNP型電晶體Q11-Q1n的射極(E)與基極(B)之間，為該PNP型電晶體Q11-Q1n提供一基極的偏置電流。當調光接腳111的突發模式(Burst mode)調光信號輸入為低電平信號(Low)時，控制晶片101內部均流的運算放大器(OP)輸出端會呈現為高阻抗狀態，故此時可通過電阻R21-R2n為其PNP型電晶體Q11-Q1n的基極提供一與發光二極體燈串LED1-LEDn輸出端相接近電壓使PNP型電晶體Q11-Q1n由導通變為截止狀態，通過改變調光信號DIM的責任週期來改變發光二極體燈串LED1-LEDn 的平均亮度。

開關接腳112用於控制控制晶片101工作與否，在工作(ON)時，該開關接腳112接收一高電位號信；在待機狀態(OFF)下，開關接腳112將接收一低電位信號，使控制晶片101被關閉，以達到液晶顯示產品在待機時，更加節能省電。

補償接腳COMP1-COMPn的數量與發光二極體燈串LED1-LEDn的數量相符，且電性連接於PNP型電晶體Q11-Q1n的基極(B)。

反饋接腳FB1-FBn的數量與發光二極體燈串LED1-LEDn的數量相符且與各採樣電阻R11-R1n其中一端相電連接，而採樣電阻R11-R1n另一端接次級側地。反饋接腳FB1-FBn接收相對應採樣電阻R11-R1n採樣到的電壓，該採樣到的電壓輸入到控制晶片101內部相對應的運算放大器(OP)的其中一非反相輸入端並與運算放大器(OP)反相輸入端一參考電壓Vref做比較，以便使該運算放大器(OP)輸出一補償電壓給均流單元151-15n的PNP型電晶體Q11-Q1n的基極來控制各發光二極體燈串LED1-LEDn在工作時能將各發光二極體燈串LED1-LEDn之間存在的電壓差跨在各PNP型電晶體Q11-Q1n的射極(E)與集極(C)之間，以達到每一發光二極體燈串LED1-LEDn在工作時的電流均為基本大小值一樣的恆定電流。

偵測接腳115是依據偵測到發光二極體燈串LED1-LEDn中輸出端電壓最低的那一LED燈串LEDi(1in)輸出端的電壓V_LEDi(out)而得到偵測電壓V_det= V_LEDi(out)+V_f(D1i)，(其中：V_f(D1i)為LED燈串LEDi對應的偵測二極體D1i的正嚮導通電壓)來決定第一輸出接腳113和第二輸出接腳114輸出的波寬調變(PWM)信號的責任週期(Duty)大小，確保半橋式開關電源電路12輸出給發光二極體燈串LED1-LEDn的電壓均能在調光信號(DIM)為高電位時讓所有發光二極體燈串LED1-LEDn正常工作。

偵測模組2具有數個二極體D11-D1n，各二極體D11-D1n的陽極連接於偵測接腳115，各二極體D11-D1n的陰極連接於各發光二極體燈串LED1-LEDn的輸出端，各二極體D11-D1n是偵測各發光二極體燈串LED1-LEDn中輸出端電壓最低的那一LED燈串LEDi(1in)輸出端的電壓V_LEDi(out)而得到偵測電壓V_det=V_LEDi(out)+V_f(D1i)，其中：V_f(D1i)為LED燈串LIDi對應的偵測二極體D1i(1in)的正嚮導通電壓，並從偵測接腳115傳輸給控制晶片101進行反饋處理，並由控制晶片101的第一輸出接腳113和第二輸出接腳114輸出兩組波寬調變(PWM)信號通過隔離驅動變壓器14來驅動第一開關Q1及第二開關Q2，從而控制降壓變壓器121輸出電能的大小，以達到控制提供給各該發光二極體燈串的輸入端電壓更加合理，同時確保半橋式開關電源電路12輸出給發光二極體燈串LED1-LEDn的電壓均能在調光信號(DIM)為高電位時讓所有發光二極體燈串LED1-LEDn工作在大小恒定狀態。

降壓變壓器121具有一初級繞組N1”、一第一次級繞組N2”及一第二次級繞組N3”，第一開關Q1及第二開關Q2 為N通道電晶體，具有一控制端、一第一端及一第二端，其中控制端為N通道電晶體的閘極，第一端為N通道電晶體的汲極，第二端為N通道電晶體的源極。

該初級繞組N1”的非打點端與電容C1、C4的一端相電連接，該初級繞組N1”的打點端與第一開關Q1的源極及第二開關Q2的汲極相電連接，電容C1另一端與第二開關Q2的源極接初級側地，電容C4另一端與第一開關Q1的汲極電連接於PFC前級升壓電路11的輸出端，以接收PFC前級升壓電路11輸出的約400V左右的直流電作為半橋式開關電源電路12的輸入電壓，第一開關Q1的閘極與第三電阻R3、第二電阻R2的一端相電連接，第三電阻R3另一端接第一開關Q1(N通道電晶體)的源極；第二開關Q2的閘極與第四電阻R4、第一電阻R1的一端相電連接，第四電阻R4另一端接初級側地。

隔離驅動變壓器14具有一次級繞組N1、一第一初級繞組N2及一第二初級繞組N3；其中，次級繞組N1的打點端電性連接於第一輸出接腳113，次級繞組N1的非打點端電性連接於第二輸出接腳114，且次級繞組N1的非打點端及第二輸出接腳114之間偶接有第二電容C2。

本發明的控制方式為：控制單元10透過隔離驅動變壓器14控制系統操作在一第一模式或一第二模式，分述如下：第一模式是第一開關Q1導通及第二開關Q2截止時，輸入電流經過路徑：第四電容C4正端→第一開關Q1汲極→第一開關Q1源極→降壓變壓器121初級繞組N1”的打點 端→降壓變壓器121初級繞組N1”的非打點端→第四電容C4負端；該第一模式的第四電容C4為放電狀態，同時第一電容C1為充電狀態。

第二模式是第二開關Q2導通及第一開關Q1截止時，輸入電流經過路徑：第一電容C1正端→降壓變壓器121初級繞組N1”的非打點端→降壓變壓器121初級繞組N1”的打點端→第二開關Q2汲極→第二開關Q2源極→第一電容C1負端；該第二模式的第一電容C1為放電狀態，同時第四電容C4為充電狀態。

第四電容C4、第一電容C1在交替的做充放電動作，兩個充有電的第四電容C4、第一電容C1相當於兩個電源串聯，由於第四電容C4、第一電容C1通常會選擇參數完成一樣，當PFC前級升壓電路11輸出400V左右的電壓提供給第四電容C4、第一電容C1做充放電時，其第四電容C4與第一電容C1電容相電連接的那一端電壓平均值約為200V左右即第一電容C1兩端與第四電容C4兩端各分到一平均電壓約為200V左右。

當第一開關Q1導通時，第四電容C4兩端的電壓被加到降壓變壓器121的初級繞組N1”的a、b兩端，第四電容C4將通過降壓變壓器121的初級繞組N1”進行放電；同時，由於互感的作用在降壓變壓器121的第二次級繞組N3”的兩端也會感應一電壓Vec=Vab^＊N3”/N1”=200V^＊ N3”/N1”，該感該電壓所產生一電流從第二二極體D2陽極流入，第二二極體D2陰極流出，經過濾波電容C3濾波後提供給發光二 極體燈串LED1-LEDn工作。

當第一開關Q1由導通轉為截止時，第二開關Q2則由截止轉為導通，第一電容C1兩端的電壓被加到降壓變壓器121的初級繞組N1”的兩端部(b)、(a)，第一電容C1也將通過降壓變壓器121的初級繞組N1”進行放電；同理，由於電磁感應的作用在降壓變壓器121的第一次級繞組N2”的兩端產生一感應電壓Vdc=Vdc^＊N2”/N1”=200V^＊ N2”/N1”，該感應電壓產生一電流從第一二極體D1正端流入，D1負端流出，經過輸出濾波電容C3濾波後提供給發光二極體燈串LED1-LEDn工作。

依據半橋電路的工作特點，在降壓變壓器121的第一次級繞組N2”的兩端輸出電壓是一個脈衝寬度與第二開關Q2導通時間對應的方波；第二次級繞組N3”的兩端輸出電壓是一個脈衝寬度與第一開關Q1導通時間對應的方波。另外，由於輸入電壓直接與第四電容C4和第一電容C1電性連接在一起，因此，在任一時刻，當一個電容器在進行放電的時候，另一個電容器就會進行充電，第一電容C1和第四電容C4充、放電的電荷為相等。

參閱圖4，以燈串LED1為例，其輸出端電性連接PNP型電晶體Q11射極(E)，控制晶片101內部具有一運算放大器(OP1)，其反相輸入端(-)輸入參考電壓Vref，非反相輸入端(+)經FB1接腳與PNP型電晶體Q11集極(C)以及採樣電阻R11電性連接，輸出端則電性連接於補償接腳COMP1；運算放大器(OP1)是比較參考電壓Vref及反饋電壓V_FB1。

正常工作時，運算放大器(OP1)非反相輸入端電壓V_FB1=V_R11=Vref，半橋式開關電源電路12的輸出端電壓Vout提供給發光二極體燈串LED1的輸入端供電，當發光二極體燈串LED1流過電流I_led1=V_R11/R11=Vref/R11時，在發光二極體燈串LED1上的壓降為Vf，則在PNP型電晶體Q11的射極與集電極之間的壓降V_ec=V_out-V_f-Vref。

假設當燈串LED1的輸入端電壓Vout在某一時刻下降△V時，即此時燈串LED1輸入端電壓Vout”=Vout-△V，燈串LED1電流將下減小△I，即：燈串LED1電流降低到I_led1’=Vref/R11-△I，採樣電阻R11所採樣到電壓將降低△I^＊R11，使得運算放大器(OP1)非反相輸入端(+)的電壓比反相輸入端(-)的電壓小△I^＊R11，使得運算放大器(OP1)輸出端(COMP1)的電壓下降△V1，而PNP型電晶體Q11的基極與該運算放大器(OP1)輸出端(COMP1)相電連接，故，PNP型電晶體Q11的射極與基極之間的電壓Veb增加△V1，即：此時該運算放大器(OP1)輸出一被補償過的電壓Veb給PNP型電晶體Q11的基極使得該PNP型電晶體Q11射極與基極之間電流Ieb增加△I/β(β電晶體Q11放大倍數)，從而使得PNP型電晶體Q11射極與集極之間電流增大△I，即：經過運算放大器(OP1)及PNP型電晶體Q11調節之後，燈串LED1的電流I_led1”=I_led1’+△I=Vref/R11仍為Vref/R11不變，同時PNP型電晶體Q11射極與集極之間的電壓將下降△V，即：經過運算放大器(OP1)及PNP型電晶體Q11調節之後，在PNP型電晶體Q11的射極與集電極之間的壓降 V_ec’=V_out-△V-V_f-Vref。

假設當燈串LED1的輸入端電壓Vout在某一時刻上升△V時，即此時燈串LED1輸入端電壓Vout”=Vout+△V，燈串LED1電流將下增大△I，即：燈串LED1電流上升到I_led1’=Vref/R11+△I，採樣電阻R11所採樣到電壓將增大△I^＊R11，使得運算放大器(OP1)非反相輸入端電壓比反相輸入端電壓大△I^＊R11，使得運算放大器(OP1)輸出端電壓上升△V1，而PNP型電晶體Q11的基極與該運算放大器(OP1)輸出端相電連接，故PNP型電晶體Q11射極與基極之間的電壓V_eb減少△V1，即：此時該運算放大器(OP1)輸出一被補償過的電壓Veb給PNP型電晶體Q11的基極使得該PNP型電晶體Q11射極與基極之間電流I_eb減少△I/β(β電晶體Q11放大倍數)，從而使得PNP型電晶體Q11射極與集極之間電流減少△I，即：經過圖4所示OP1及均電晶體Q11調節之後，燈串LED1的電流I_led1”=I_led1’-△I=Vref/R11仍為Vref/R11不變，同時PNP型電晶體Q11射極與集極之間的電壓將上升△V，即：經過圖4所示OP1及均電晶體Q11調節之後，降落在PNP型電晶體Q11的射極與集電極之間的壓降V_ec’=V_out+△V-V_f-Vref。

偵測接腳115(以下簡稱DET接腳)與二極體D11-D1n陽極相電連接，二極體D11-D1n陰極分別對應與燈串LED1~LEDn輸出端相電連接，控制晶片101內部一上拉偏置電源產生一Ibias電流並與DET接腳及內部誤差放大器GM/EA其中之一的輸入端相電連接，內部誤差放大器 GM/EA另一輸入端接一基準電源Vref2，假設DET接腳偵測燈串LED1輸出端電壓最低且為V_led1(out)，DET接腳電壓Vdet=V_led1(out)+V_D11，V_D11為二極體D11正嚮導通電壓，該DET接腳電壓將與誤差放大器GM/EA另一輸入端接一基準電源Vref2比較，比較之後電壓經過誤差放大後再提供給控制晶片101內部的反饋信號處理及輸出脈波控制信號產生電路，並在控制晶片101的第一輸出接腳113和第二輸出接腳114輸出責任週期(Duty)大小相等，相位差180度的脈波控制信號。

參閱圖5，為圖3的半橋式開關電源電路12的工作時序圖，該時序圖中每一波形均為理想狀態，即：不考慮降壓變壓器121漏感的存在，因此就不需要考慮第一開關Q1，第二開關Q2的汲極與源極之間並聯二極體的續流問題。

控制單元10的控制晶片101的第一輸出接腳113是輸出電壓V_{OUT_1}及第二輸出接腳114是輸出電壓V_{OUT_2}，然後透過隔離驅動變壓器14的次級繞組N1將V_{OUT_1}與V_{OUT_2}輸出的脈波控制信號的電壓按所繞的圈數比N2/N1及N3/N1被分別感應到第一初級繞組N2和第二初級繞組N3繞組，然後以電壓V_{Q1_GS}=(V_{OUT_2}-V_{OUT_1})^＊N3/N1及電壓V_{Q2_GS}=(V_{OUT_1}-V_{OUT_2})^＊N2/N1分別控制第一開關Q1、第二開關Q2動作，再驅使降壓變壓器121將工作時落在初級繞組N1”兩端的電壓V_ab的能量轉移到第二次級繞組N3”以產生一感應電壓V_ec，且電壓V_ab的能量轉移到第一次級繞組N2”以產生一感應電壓V_dc，該電壓Vec與電壓Vdc 經過第二二極體D2及第一二極體D1整流，且經過濾波電容C3進行濾波後產生一發光二極體燈串LED1-LEDn所需的直流電供應給該發光二極體燈串LED1-LEDn工作，進一步詳細說明不同期間t1、t2的元件動作原理如下。

期間t1：控制單元10的控制晶片101的第一輸出接腳113是輸出電壓V_{OUT_1}為高電位(Vout)，控制單元10的控制晶片101的第二輸出接腳114是輸出電壓V_{OUT_2}為低電位(0V)時，隔離驅動變壓器14次級繞組N1的打點端電壓為高電位，用”+”表示，非打點端電壓為低電位，用”-”表示。依據變壓器感應原理及特點：同一變壓器每個繞組打點端所感應的電位極性均相同，同一變壓器每個繞組非打點端所感應的電位極性也均相同，此時，隔離驅動變壓器14的第一初級繞組N2的打點端感應到電位為”+”，非打點端感應到電位為”-”；隔離驅動變壓器14的第二初級繞組N3的打點端感應到電位為”+”，非打點端感應到電位為”-”；由於第一開關Q1的閘極通過第二電阻R2與隔離驅動變壓器14的第二初級繞組N3的非打點端相電連接，第一開關Q1的源極與隔離驅動變壓器14的第二初級繞組N3的打點端相電連接，故此時第一開關Q1閘極與源極感應電壓V_{Q1_GS}=(V_{OUT_2}-V_{OUT_1})^＊N3/N1=-Vout^＊N3/N1為低電位，第一開關Q1截止；由於第二開關Q2的閘極通過第一電阻R1與隔離驅動變壓器14的第一初級繞組N2的打點端相電連接，第二開關Q2的源極與隔離驅動變壓器14的第一初級繞組N2的非打點端相電連接，故此時第二開關Q2閘極與源極 感應電壓V_{Q2_GS}=(V_{OUT_1}-V_{OUT_2})^＊N2/N1=Vout^＊N3/N1為高電位，第二開關Q2導通；當第一開關Q1截止，第二開關Q2導通時，第一電容C1開始放電，第四電容C4開始充電，第一電容C1放電路徑：第一電容C1正端→降壓變壓器121初級繞組N1”的非打點端(b)→降壓變壓器121初級繞組N1”的打點端(a)→第二開關Q2汲極→第二開關Q2源極→第一電容C1負端；此時，變壓器121初級繞組N1”的非打點端(b)為高電平且為”+”，打點端(a)為低電平0V，為”-”，故Vab=Va-Vb=-Vb=-200V。

依據變壓器感應原理及特點：同一變壓器每個繞組打點端所感應的電位極性均相同，同一變壓器每個繞組非打點端所感應的電位極性也均相同，故變壓器121第一次級繞組N2”非打點端(d)感應到一個高電平，為”+”，打點端(c)為低電平0V，為”-”，故Vdc=Vd-Vc=Vd=200V^＊ N2”/N1”，該Vdc電壓經過第一二極體D1整流且經過C3電容濾波之後提供給發光二極體燈串做為供電輸入電壓；同時，變壓器121第二次級繞組N3”非打點端感應到一個高電平(0V)，為”+”，打點端(e)為負電平，為”-”，故Vec=Ve-Vc=Ve=-200V^＊ N3”/N1”，故第二二極體D2處於截止狀態。

期間t2：控制單元10的控制晶片101的第一輸出接腳113是輸出電壓V_{OUT_1}為低電位(0V)，控制單元10的控制晶片101的第二輸出接腳114是輸出電壓V_{OUT_2}為高電位(Vout)時，隔離驅動變壓器14次級繞組N1的打點端電壓為低電位，用”-”表示，非打點端電壓為高電位，用”+”表示； 依據變壓器感應原理及特點：同一變壓器每個繞組打點端所感應的電位極性均相同，同一變壓器每個繞組非打點端所感應的電位極性也均相同，此時，隔離驅動變壓器14的第一初級繞組N2的打點端感應到電位極性為”-”，非打點端感應到電位極性為”+”；隔離驅動變壓器14的第二初級繞組N3的打點端感應到電位極性為”-”，非打點端感應到電位極性為”+”。

由於第一開關Q1的閘極通過第二電阻R2與隔離驅動變壓器14的第二初級繞組N3的非打點端相電連接，第一開關Q1的源極與隔離驅動變壓器14的第二初級繞組N3的打點端相電連接，故此時第一開關Q1閘極與源極感應電壓V_{Q1_GS}=(V_{OUT_2}-V_{OUT_1})^＊N3/N1=Vout^＊N3/N1為高電位，第一開關Q1導通；由於第二開關Q2的閘極通過第一電阻R1與隔離驅動變壓器14的第一初級繞組N2的打點端相電連接，第二開關Q2的源極與隔離驅動變壓器14的第一初級繞組N2的非打點端相電連接，故此時第二開關Q2閘極與源極感應電壓V_{Q2_GS}=(V_{OUT_1}-V_{OUT_2})^＊N2/N1=-Vout^＊N3/N1為負電位，第二開關Q2截止；當第一開關Q1導通，第二開關Q2截止時，第一電容C1開始充電，第四電容C4開始放電，第四電容C4放電路徑：第四電容C4正端→第一開關Q1汲極→第一開關Q1源極→降壓變壓器121初級繞組N1”的打點端→降壓變壓器121初級繞組N1”的非打點端→第四電容C4負端；此時，變壓器121初級繞組N1”的非打點端(b)為低電平，為”-”，打點端(a)為高電 平，為”+”，故Vab=Va-Vb=400V-200V=200V。

依據變壓器感應原理及特點：同一變壓器每個繞組打點端所感應的電位極性均相同，同一變壓器每個繞組非打點端所感應的電位極性也均相同，故降壓變壓器121第一次級繞組N2”非打點端(d)感應到一個負電平，為”-”，打點端(c)為高電平0V，為”+”，故Vdc=Vd-Vc=Vd=-200V^＊ N2”/N1”，故第一二極體D1處於截止狀態。

同時，變壓器121第二次級繞組N3”非打點端(c)感應到一個低電平0V，為”-”，打點端(e)為高電平，為”+”，故Vec=Ve-Vc=Ve=200V^＊ N3”/N1”，故D2整流二極體處於導通狀態，Vec電壓經過第二二極體D2整流且經過C3電容濾波之後提供給發光二極體燈串LED1-LEDn做為供電輸入電壓。

本發明的特點在於：通過隔離驅動變壓器14做初次側隔離以及通過其次級繞組N1將控制單元10的控制晶片101的第一輸出接腳113及第二輸出接腳114是輸出的相位差180度的脈波控制信號感應到第一初級繞組N2和第二初級繞組N3，從而實現了次級的控制單元10通過隔離驅動變壓器14控制驅動第一開關Q1、第二開關Q2，使得降壓變壓器121將電能傳送給發光二極體燈串LED1-LEDn供電輸入端，使發光二極體燈串LED1-LEDn得到所需的電能而正常工作。

參閱圖6及圖7，本發明的第二較佳實施例中，將如圖4的各均流單元151-15n分別由N通道電晶體Q11’-Q1n’取 代；其控制晶片101內部各均流運算放大器的非反向輸入端改接Vref，而反向輸入端改接為與相對應採用電連接的反饋接腳FB1-FBn。

在實際應用中為了節省成本，也可省略第四電容C4而只使用一個第一電容C1亦可，因此如圖8及圖9只採用單個第一電容C1的電路架構也屬於本發明的範疇。

圖8為本發明的第三較佳實例，交換式直流電源裝置300也具有類似圖3的控制單元10、PFC前級升壓電路11、半橋式開關電源電路12、回饋電路3及隔離驅動變壓器14，但是與圖3相比，少了第四電阻C4，即採用”h”型架構的半橋驅動電路架構。

圖9為本發明的第四較佳實例，交換式直流電源裝置400也具有類似圖6的控制單元10、PFC前級升壓電路11、半橋式開關電源電路12、回饋電路3’及隔離驅動變壓器14，但是與圖6相比，少了第四電阻C4，即採用”h”型架構的半橋驅動電路架構。

綜上所述，本發明的交換式直流電源裝置100-400的有益效果在於：

1、降低成本：節省傳統半橋諧振降壓電路所需的初級控制單元及後級升壓電路等元件的設置成本，可降低整體元件的成本。

2、轉換效率佳：本發明的架構只需一次降壓轉換，電源轉換效率高，無需如以往先降壓再升壓的方式進行兩次能量轉換，可節能環保。

3、整合控制且設計簡化：本發明的架構僅需一個控制單元10，避免以往將前級電路、後級電路分別採用不同的個別控制器的調控方式，電路設計簡潔且易於控制，故確實能達成本發明之目的。

惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

〔習知〕

900‧‧‧交換式直流電源裝置

91‧‧‧PFC前級升壓電路

92‧‧‧半橋諧振降壓電路

921‧‧‧初級控制單元

922‧‧‧光耦隔離回饋電路

93‧‧‧後級升壓電路

94‧‧‧回授控制模組

941‧‧‧次級控制單元

〔本創作〕

100、200、300、400‧‧‧交換式直流電源裝置

10‧‧‧控制單元

101‧‧‧控制晶片

11‧‧‧PFC前級升壓電路

111‧‧‧調光接腳

112‧‧‧開關接腳

113‧‧‧第一輸出接腳

114‧‧‧第二輸出接腳

115‧‧‧偵測接腳

12‧‧‧半橋式開關電源電路

121‧‧‧降壓變壓器

131-13n、131’‧‧‧電流調節器

14‧‧‧隔離驅動變壓器

151-15n、151’‧‧‧均流單元

2‧‧‧偵測模組

3、3’‧‧‧回饋電路

(a)‧‧‧N1”繞組打點端

(b)‧‧‧N1”繞組非打點端

(c)‧‧‧N2”繞組打點端、 N3”繞組非打點端

(d)‧‧‧N2”繞組非打點端

(e)‧‧‧N3”繞組打點端

(f)‧‧‧N2繞組非打點端

C1-C4‧‧‧電容

COMP1-COMPn‧‧‧補償接腳

D1‧‧‧第一二極體

D2‧‧‧第二二極體

D11-D1n‧‧‧二極體

FB1-FBn‧‧‧反饋接腳

LED1-LEDn‧‧‧發光二極體燈串

N1-N3、N1”-N3”‧‧‧繞組

Q11-Q1n‧‧‧PNP型電晶體

Q1‧‧‧第一開關

Q2‧‧‧第二開關

R1-R4‧‧‧電阻

R11-R1n‧‧‧採樣電阻

R21-R2n‧‧‧偏置電阻

圖1是說明一種現有用於驅動多數個發光二極體燈串的交換式直流電源裝置的電路圖；圖2是說明本發明交換式直流電源裝置的較佳實施例的電路方塊圖；圖3是說明本發明交換式直流電源裝置的第一較佳實施例的電路圖；圖4是說明圖3的其中一發光二極體燈串的輸出端電性連接一PNP型電晶體的部分電路示意圖；圖5是說明本發明交換式直流電源裝置的控制方法的工作時序圖；圖6是說明本發明交換式直流電源裝置的第二較佳實施例，即第一實施例的均流單元是的電路圖；圖7是說明圖6的其中一發光二極體燈串的輸出端電性連接一N通道電晶體的部分電路示意圖；圖8是說明本發明交換式直流電源裝置的第三較佳實 施例，即第一實施例不含第四電容的電路圖；及圖9是說明本發明交換式直流電源裝置的第四較佳實施例，即第二實施例不含第四電容的電路圖。

100‧‧‧交換式直流電源裝置

10‧‧‧控制單元

11‧‧‧PFC前級升壓電路

101‧‧‧控制晶片

111‧‧‧調光接腳

112‧‧‧開關接腳

113‧‧‧第一輸出接腳

114‧‧‧第二輸出接腳

115‧‧‧偵測接腳

12‧‧‧半橋式開關電源電路

121‧‧‧降壓變壓器

131-13n‧‧‧電流調節器

14‧‧‧隔離驅動變壓器

151-15n‧‧‧均流單元

2‧‧‧偵測模組

3‧‧‧回饋電路

(a)‧‧‧N1”繞組打點端

(b)‧‧‧N1”繞組非打點端

(c)‧‧‧N2”繞組打點端、 N3”繞組非打點端

(d)‧‧‧N2”繞組非打點端

(e)‧‧‧N3”繞組打點端

(f)‧‧‧N2繞組非打點端

C1-C4‧‧‧電容

COMP1-COMPn‧‧‧補償接腳

D1‧‧‧第一二極體

D2‧‧‧第二二極體

D11-D1n‧‧‧二極體

FB1-FBn‧‧‧反饋接腳

LED1-LEDn‧‧‧發光二極體燈串

N1-N3、N1”-N3”‧‧‧繞組

Q11-Q1n‧‧‧PNP型電晶體

Q1‧‧‧第一開關

Q2‧‧‧第二開關

R1-R4‧‧‧電阻

R11-R1n‧‧‧採樣電阻

R21-R2n‧‧‧偏置電阻

Claims (10)

1. 一種交換式直流電源裝置，電性連接多數個發光二極體燈串，該交換式直流電源裝置包括一PFC前級升壓電路、一電性連接該PFC前級升壓電路且具有一第一開關及一第二開關的半橋式開關電源電路、一回饋電路、一隔離驅動變壓器及一電性連接該回饋電路及該隔離驅動變壓器的控制單元；其特徵在於：該交換式直流電源裝置通過該隔離驅動變壓器做初次側隔離以及通過該隔離驅動變壓器的次級繞組將該控制單元輸出的兩組相位差180度的脈波控制信號感應到該隔離驅動變壓器的第一初級繞組和該隔離驅動變壓器的第二初級繞組，令該控制單元通過該隔離驅動變壓器控制驅動該第一開關及該第二開關，使得該半橋式開關電源電路將電能傳送給該等發光二極體燈串。
2. 依據申請專利範圍第1項所述之交換式直流電源裝置，其中，該半橋式開關電源電路電性連接於該PFC前級升壓電路及各該發光二極體燈的輸入端之間，具有一第一開關、一第二開關、一降壓變壓器、第一二極體、第二二極體及一濾波電容；該回饋電路電性連接於各該發光二極體燈串的輸出端，並偵測各該發光二極體燈串的輸出電壓及電流；該隔離驅動變壓器電性連接於該半橋式開關電源電路；及該控制單元電性連接該回饋電路及該隔離驅動變壓 器之間，依據該該回饋電路偵測的各該發光二極體燈串的輸出端電壓產生兩組相位差180度的波寬調變信號，透過該隔離驅動變壓器的次級繞組將該兩組波寬調變信號耦合到該隔離驅動變壓器的第一初級繞組及第二初級繞組以分別控制該第一開關、該第二開關動作，並通過該第一開關與該第二開關驅使該降壓變壓器，使能量通過該初級繞組轉移到該降壓變壓器的第一次級繞組及第二次級繞組以產生電壓，藉由該降壓變壓器的第一次級繞組及第二次級繞組所產生之電壓經過整流及該濾波電容濾波之後作為各該發光二極體燈串的所需供電輸入電壓。
3. 依據申請專利範圍第2項所述之交換式直流電源裝置，其中，該半橋式開關電源電路還包括一第一電阻、一第二電阻、一第三電阻、一第四電阻及一第一電容；該第一開關及該第二開關分別具有一控制端、一第一端及一第二端；該控制單元具有一控制晶片及連接在該控制晶片的數個控制接腳，所述控制接腳包括一第一輸出接腳及一第二輸出接腳，該第一輸出接腳及該第二輸出接腳分別透過該隔離驅動變壓器電性連接該第一開關及該第二開關：該隔離驅動變壓器的次級繞組的打點端電性連接於第一輸出接腳，該次級繞組的非打點端電性連接於第二輸出接腳；該隔離驅動變壓器的第一初級繞組的非打點端電性連接於初級側地，且其非打點端與該降壓變壓器的初級繞組的非打點端之間電性連接該第一電容，該第一初級繞 組的打點端電性連接於該第二開關的控制端，且該第一初級繞組及該第二開關的控制端之間橋接有該第一電阻，該第二初級繞組的非打點端電性連接於該第一開關的控制端，且該第二初級繞組的非打點端及該第一開關的控制端之間橋接有該第二電阻；該第二初級繞組的打點端電性連接於該第一開關的第二端及該第二開關的第一端之間，且該第一開關的控制端及該第二開關的第一端之間橋接有該第三電阻，且該第二開關的控制端及該第一初級繞組的非打點端之間連接有該第四電阻。
4. 依據申請專利範圍第3項所述之交換式直流電源裝置，其中，該隔離驅動變壓器的次級繞組的非打點端及該第二輸出接腳之間電連接有一第二電容。
5. 依據申請專利範圍第4項所述之交換式直流電源裝置，其中，該半橋式開關電源電路還包括一第四電容，該第四電容的一端電性連接該PFC前級升壓電路的輸出端及第一開關的第一端，該第四電容的另一端電性連接於第一電容及降壓變壓器的初級繞組的非打點端。
6. 依據申請專利範圍第5項所述之交換式直流電源裝置，其中，該第一開關及該第二開關皆為N通道電晶體，該第一開關及該第二開關的控制端為N通道電晶體的閘極，第一開關及該第二開關的第一端為N通道電晶體的汲極，第一開關及該第二開關的第二端為N通道電晶體的源極；該第一輸出接腳的輸出電壓為低電位及該第二輸出接腳的輸出電壓為高電位時，該隔離驅動變壓器的初級繞 組、第一次級繞組、第二次級繞組的打點端為低電位，該隔離驅動變壓器的初級繞組、第一次級繞組、第二次級繞組的非打點端為高電位，第一開關導通、第二開關截止及該第一電容充電，其電流路徑為：該第一開關的汲極電流流經該第一開關的源極、經該降壓變壓器的初級繞組的打點端、經該降壓變壓器的初級繞組的非打點端及經該第一電容，第二二極體導通，該降壓變壓器的第二次級繞組所產生的電流經第二二極體流經該濾波電容濾波之後供給各該發光二極體燈串；該第一輸出接腳的輸出電壓為高電位及該第二輸出接腳的輸出電壓為低電位時，該隔離驅動變壓器的初級繞組、第一次級繞組、第二次級繞組的打點端為高電位，該隔離驅動變壓器的初級繞組、第一次級繞組、第二次級繞組的非打點端為低電位，第一開關截止、第二開關導通且該第一電容放電，其電流路徑為：該第一電容電流流經該降壓變壓器的初級繞組的非打點端、經該降壓變壓器的初級繞組的打點端、經該第二開關的汲極、經該第二開關的源極接地，第一二極體導通，該降壓變壓器的第一次級繞組所產生的電流經第一二極體流經該濾波電容濾波之後供給各該發光二極體燈串。
7. 依據申請專利範圍第6項所述之交換式直流電源裝置，其中，該回饋電路包括：數個電流調節器，各該電流調節器電性連接於各該發光二極體燈串的輸出端，各該電流調節器具有一均流單元 及一採樣電阻，各該發光二極體燈串的輸出端與各該採樣電阻之間串接各該均流單元；及該控制單元的所述控制接腳還包括數個補償接腳及數個反饋接腳，各該補償接腳電性連接於各該均流單元，各該反饋接腳與各採樣電阻電性連接，且該控制晶片以預定的參考電壓與各該反饋接腳電壓比較後配合各該均流單元調控各發光二極體燈串的工作電流為大小恒定。
8. 依據申請專利範圍第7項所述之交換式直流電源裝置，其中，各該均流單元包括一PNP型電晶體及一電阻，各該電阻兩端跨接於各該PNP型電晶體的射極與基極之間。
9. 依據申請專利範圍第7項所述之交換式直流電源裝置，其中，各該均流單元包括一N通道電晶體。
10. 依據申請專利範圍第1至9項中的任一項所述之交換式直流電源裝置，其中，該回饋電路還包括：一偵測模組，具有數個二極體，各該二極體的陰極連接於各該發光二極體燈串的輸出端並偵測各該發光二極體燈串的輸出電壓；及該控制單元的所述控制接腳還包括一偵測接腳，該偵測模組的各該二極體的陽極連接於該偵測接腳，該控制晶片依據偵測接腳信號進行反饋處理並輸出該第一輸出接腳及該第二輸出接腳的驅動信號以分別驅動該第一開關及該第二開關，以控制各該發光二極體燈串的輸入端電壓。