TW201352055A - Ｌｅｄ小串之控制裝置 - Google Patents

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Yuan-Yu Peng
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Abstract

本發明提供一種LED小串之控制裝置。利用高壓N型元件與低壓限流開關單元串接結合，藉由偵測路徑上的電壓或電流，於大於或小於預設值時切換低壓限流元件。則高壓N型元件被間接控制。亦即，當流經低壓限流開關之導通電流增加或減少時，流經對應高壓N型元件之導通電流亦隨之增加或減少。

Description

LED小串之控制裝置
本發明係藉由低壓限流開關與高壓N型元件的組合來控制高壓LED，可簡化佈局過程，並降低生產成本。不僅有效降低傳統高壓LED所產生的120Hz光學閃爍現象，更能提高電效率。
長串高壓LED生產成本愈來愈低廉，已廣為大眾所採用。但是高壓控制的方式仍有缺點有待改善。例如，美國專利USP No.6989807、USP No.7439944或USP No.7081722便暴露了切換時間點及驅動電流為固定電流等的問題。
為解決上述問題，中華民國專利公開號201134293提出一種驅動高壓發光二極體燈泡之積體電路。參見其中第一圖及第二圖，該裝置具有限流單元(NMOS)，藉著開啟或關閉限流單元切換LED堆疊，可提高功因校正及降低總諧波失真。然而，數個高壓NMOS的導通電壓之間有製程上差異性及溫度變化，因此交替時間及電流較難控制。結果，LED導通瞬間電流可能過大或電流消失時間過長，產生光學閃爍(Flicker)。而且，總電流開路會有不連續及瞬間電流過大的現象。
此外，以傳統方式驅動長串LED時，前端LED因平均導通時間較長而亮度較亮，尾端LED則導通時間較短，亮度較暗；即所謂的120Hz光學漣波。而傳統方式驅動高壓LED的效率亦較差。若增加更多控制節點來增進效率，又會增加生產成本的困擾。
為改善上述習知技術的缺失，本發明提出一種LED小串之控制裝置，不僅能有效提升輸出瓦數，更可降低電磁干擾。
本發明之目的在於提供一種LED小串之控制裝置，可降低生產成本，降低切換雜訊干擾，及簡化控制電路佈局。
本發明之LED小串可為接地或不接地；可由複數個串聯的LED單元組成，而LED單元可包括一個或多個，串聯或並聯的LED。
本發明之LED小串之控制裝置主要包括：複數個高壓N型元件，其中每一個高壓N型元件電性連接至對應之LED單元的電流輸出端；及複數個低壓限流開關，電性連接至對應之高壓N型元件，並與對應之LED單元並聯，電流係由高壓N型元件流向對應之低壓限流開關，而所稱之低壓及高壓係依據其相對崩潰電壓(Breakdown Voltage)而言。藉此，當流經低壓限流開關之導通電流增加或減少時，流經對應高壓N型元件之導通電流亦隨之增加或減少。
高壓N型元件可為但不限於金屬氧化物半導體(Metal Oxide Semiconductor，MOS)電晶體或雙載子(Bi-polar)電晶體，其他開關元件亦可適用。
藉由本發明之控制裝置，當低壓限流開關的輸入電流增加時，其中電位最低的低壓限流開關為開啟，而其他電位較高的低壓限流開關的導通電流被減少，且流經該電位較高的對應高壓N型元件之導通電流亦隨之減少。或者，當較高電位的低壓限流開關接收到較低電位的低壓限流開關之「電流變小控制訊號」時，流經該較高電位的低壓限流開關之導通電流減少，使流經對應高壓N型元件之導通電流亦隨之減少。
上述低壓限流開關的開啟或電流變小可經由但不限於一外部或內建的主僕控制器判定或傳送訊號，亦可經由其他適當的線路設計達成。藉此，可使較高電位的低壓限流開關的導通電流受控於較低電位的低壓限流開關
本發明之控制裝置，亦可包括至少一個電壓或電流偵測電路，用以偵測對應之LED單元至對應之低壓限流開關之路徑上之電壓或電流。藉此，當所偵測之電壓或電流大於一預設值時，對應之低壓限流開關被關閉。或者，當所偵測之電壓或電流小於該預設值時，對應之低壓限流開關為開啟。
第1圖顯示本發明高壓LED之控制裝置之較佳實施例之一。LED小串70有5個LED單元701-705，每一個LED單元包括數顆LED。控制裝置由高電位至低電位依序包括5個對應的高壓N型元件(HV NMOS)HV1-HV5、5個低壓限流開關(或恆流開關)21-25及一外部的主-僕控制器51。本說明書之「外部」或「內建」係相對於低壓限流開關而言。
LED小串70的電流輸入端連接至AC交流電源901及橋式整流器902。LED小串70可為一LED長串的一部份，則控制裝置亦可串聯控制對應之LED小串。
在LED小串70中，每一個LED單元的電流輸出端連接至對應之高壓N型元件的汲極。高壓N型元件的源極連接至對應之低壓限流開關21-25，閘極則連接至齊納二極體Z1，提供固定偏壓。齊納二極體Z1經電阻R1連接至橋式整流器902，並與電容C1並聯。控制裝置的電壓源由齊納二極體Z1穩壓提供。
每一低壓限流開關具有一訊號輸入端S1及一訊號輸出端S2，分別連接至主-僕控制器(master-slave)51對應之訊號輸出端及訊號輸入端。每一低壓限流開關亦具有一電壓輸出端及一電流輸出端，分別連接至控制裝置的電壓輸出接點Vout及電流輸出接點Iout，最後連接至齊納二極體Z1。電壓輸出接點Vout經由電阻R2，再連接至電流輸出接點Iout。
第2圖係說明第1圖中高壓N型元件與對應的低壓限流開關的架構，以高壓N型元件HV2及低壓限流開關22為例。低壓限流開關22包括一低壓N型元件(LV NMOS)LV2、一比較器K2及一高阻值電阻R3。比較器K2及高阻值電阻R3形成一電壓偵測電路，而電壓偵測電路、主-僕控制器及運算放大器(OPAMP)K1及電性連接線路則形成一控制架構。低壓N型元件LV2之汲極連接至對應之高壓N型元件HV2的源極、比較器K2的輸入正端及電阻R3；閘極連接至低壓限流開 關的訊號輸入端S1，接受主-僕控制器51輸出訊號控制；源極連接至電壓輸出接點Vout。電流由LED單元的電流輸出端，經高壓N型元件HV2至低壓限流開關21。電阻R3再連接至電流輸出接點Iout。比較器K2的輸入負端連接至參考電位(Vref2)，作為限流轉折點參考電位。低壓限流開關22的訊號輸出端S2連接至主-僕控制器51的訊號輸入端。主-僕控制器51並連接一運算放大器K1，與電阻R2相連結形成主式限流效果。
當LED小串70的輸入電壓增加時，低壓限流開關21-25依序開啟。當低壓限流開關22的電壓大於參考電位Vref2時，其中的比較器K2經訊號輸出端S2傳送「H」訊號至主-僕控制器51。此時，若主-僕控制器51亦傳送「H」訊號至訊號輸入端S1，則低壓N型元件LV2將被開啟。同時，主-僕控制器51將低壓限流開關22的輸出訊號反相後，傳送一訊號至較高電位的低壓限流開關21，令其減少導通電流或關閉。在此過程中，高壓N型元件HV1-HV4及低壓限流開關25的低壓N型元件的閘極都保持恆開狀態。
同樣地，當低壓限流開關23的電壓大於參考電位Vref2時，其中的比較器K2傳送「H」訊號至主-僕控制器51。此時，主-僕控制器51將傳送一訊號至低壓限流開關23，令其開啟；同時傳送一訊號至較高電位的低壓限流開關21及22，令其減少導通電流或關閉。
反之，當LED小串70的輸入電壓減少，低壓限流開關25的電壓小於參考電位Vref2時，其中的比較器K2傳送「L」訊號至主-僕控制器51。此時，主-僕控制器51將低壓限流開關25的輸出訊號反相後，傳送一訊號至低壓限流開關24，令其增加導通電流。
由上述架構可知，本發明裝置的特徵為：較高電位的低壓N型元件或低壓限流開關的導通電流係受控於較低電位者。此外，LED單元的開啟或關閉係藉由低壓限流開關控制，而非高壓N型元件。因啟動及關閉低壓元件速度較快，故切換過程 中，可減少LED串不連續電流的問題。
第3圖顯示本發明高壓LED之控制裝置第二個較佳實施例。本實施例的LED小串80有5個LED單元801-805，每一個LED單元則包括數顆串接的LED。LED單元801-804各自連接對應之高壓N型元件HV1-HV4及低壓限流開關31-34，LED單元805則接地。相較於前一實施例，本實施例無外部的主-僕控制器51之特定主體，而是將分散式主-僕控制器內建於每一個低壓限流開關31-34中。
如第4圖所示，以低壓限流開關32為例，比較器K2及高阻值電阻R3亦形成一電壓偵測電路。而電壓偵測電路、分散式主-僕控制器52、選擇器SE1及運算放大器K1及電性連接線路則形成一控制架構。分散式主-僕控制器52包括反相器(inverter)與邏輯元件AND。運算放大器K1的輸入正端同樣連接至參考電位Vref1，輸入負端連接至低壓N型元件LV2的源極，輸出端則連接至選擇器SE1的「1」輸入端。選擇器SE1受控於較低電位的低壓限流開關內建的分散式主僕邏輯器52，若訊號輸入端S3接收的訊號為「H」，則選擇器SE1切換至運算放大器K1的輸出端；若訊號輸入端S3訊號為「L」，則選擇器SE1將低壓N型元件LV2的閘極連接至電流輸出接點Iout，關閉低壓N型元件LV2。
在此實施例中，當LED小串80的輸入電壓增加時，低壓限流開關31-34依序開啟。以低壓限流開關32為例，當低壓N型元件LV2的汲極電壓大於參考電位Vref2時，其中的比較器K2傳送「H」訊號至分散式主僕邏輯器52。此時，若訊號輸入端S3亦接收到訊號「H」，則低壓N型元件LV2將被開啟。同時，反向器將訊號轉態為「L」，再傳送至邏輯元件AND，使訊號輸出端S4輸出訊號為「L」。於是，較高電位之低壓限流開關31接收到訊號「L」，進而減少導通電流或關閉。而整個開與關程序控制過程中，高壓N型元件HV1-HV4及低壓限流開關34的低壓N型元件的閘極仍保持恆開狀態。
第5圖顯示本發明高壓LED之控制裝置第三個較佳實施 例。相較於第一及二實施例，本實施例無外部的主-僕控制器，低壓限流開關41-44內亦無分散式主-僕控制器。
如第6圖所示，以低壓限流開關42為例，比較器K2及高阻值電阻R3亦形成一電壓偵測電路。而電壓偵測電路、選擇器SE1及運算放大器K1及電性連接線路則形成一控制架構。比較器K2的輸出端由內部線路連接至選擇器SE1。選擇器SE1的「0」輸入端連接至比較器K2的輸出端，「1」輸入端則連接至電流輸出接點Iout。
當LED小串80的輸入電壓增加，使低壓N型元件LV2的汲極電壓大於參考電位Vref2時，比較器K2傳送「H」訊號至選擇器SE1的控制端，SE1輸出端連接至「1」輸入端。於是，低壓N型元件LV2的閘極連接至電流輸出接點Iout，以減少導通電流或將其關閉。反之，若低壓N型元件LV2的汲極電壓小於參考電位Vref2，比較器K2傳送「L」訊號至選擇器SE1，使低壓N型元件LV2的閘極連接運算放大器K3的輸出端，以開啟低壓限流開關42。而整個開與關程序控制過程中，高壓N型元件HV1-HV4及低壓限流開關44的低壓N型元件的閘極都保持恆開狀態。
量測與分析：
以第二個實施例的架構為基礎，測試單一高壓N型元件與簡易的低壓限流開關的組合，如第7圖所示。電阻R1約為200KΩ，齊納二極體Z1的崩潰電壓(Breakdown Voltage)或耐壓為12V。高壓N型元件HV2的汲極的崩潰電壓約600V，汲極設定DC電壓為150V，閘極接至齊納二極體Z1與電阻R1的連接點。簡易的低壓限流開關接至高壓N型元件HV2之源極，恆電流設定I=56mA，且低壓元件的汲極崩潰電壓為30V。簡易的低壓限流開關的訊號輸入端S3輸入固定PWM訊號(方波頻率=20KHz，Duty cycle=50%)。PWM訊號為「H」時，低壓限流開關為開啟狀態；PWM訊號為「L」時，低壓限流開關為關閉狀態。量測結果如第8圖所示，圖下方為PWM輸入訊號，圖上方為高壓N型元件HV2的源極電壓。切換過 程中，因高壓N型元件的汲極電壓與寄生電感會產生雜訊。然而，高壓N型元件的源極雜訊電壓僅限於11.5V，且恆小於閘極電位12V。在高壓N型元件HV2的汲極進行瞬間切換150V電壓時，對於該元件源極串接的低壓限流開關具有保護作用。
第9圖顯示類似第7圖的簡易組合架構，但高壓N型元件HV2的汲極串接一電阻R5約30 Ohm，且接至DC=8V電壓，閘極固定電壓為12V。測試結果如第10圖所示。圖下方為輸入電壓波型，圖上方為高壓N型元件汲極量測到的電位。切換時間約在14us時，即可達到預設的恆電流值(56mA)，並保持恆流狀態。關閉時間約小於2us，故能迅速等效於完成高壓元件切換。
低壓限流開關設定為兩個恆電流值(56mA與156mA)，第11圖顯示高壓N型元件在不同汲極電壓下的汲極電流值。當高壓N型元件的汲極電壓高於轉折電壓(VKnee-Point)0.6V及1.3V時，電流為恆流區，且低壓N型元件的汲極電壓也隨著高壓N型元件的汲極電壓上升而上升，兩者相差僅~0.4V。
另外，使用第3圖實施例的架構，LED單元801有6顆LED，LED單元802-804各自有13顆LED，LED單元805有7顆LED，則總共52顆LED。每一顆LED的Vf約為3V，AC端的輸入電壓為110V，峰值電壓為155V。
將四個高壓N型元件HV1-HV4的閘級都連接至齊納二極體Z1的陰極，產生固定直流電壓24V。每一個N型高壓元件的源極對應一個限流開關。整個控制電路的最低電位接至最後一個LED單元805的電流輸入端，可提升能量利用率。最大輸出電流為250mA，則輸出瓦數約為27.5W(=110V×250mA)。量測結果如第12圖所示，圖上方為輸入電壓波型，圖下方為輸入電流波型，輸入電流呈現連續波形。當輸入電壓峰值約大於21V時，LED單元801的6顆LED與LED單元805的7顆LED「最先」且「同時」被啟動點亮，有助於燈具的整體發光均勻度。由量測數據得知：
功率因數校正(Power Factor Correction，PFC)=0.98
總諧波失真(Total Harmonic Distortion，THD)=12%
光通量=120 lm/W
根據上述實施例架構及測試結果，可證明本發明具有如下的功效：
1.監測高壓N型元件的源極低壓，等效於汲極高壓或LED的輸出電壓，因此不需在高壓環境設立監測點，結構較簡單。
2.利用低壓限流開關的切換功能控制高壓LED電流，可快速開啟與關閉LED，使系統電流更穩定，輸入電流呈現連續，大幅降低EMI干擾，及總諧波失真低。
3.佈局過程簡單；可簡化控制傳統式垂直式高壓N型元件的閘極及源極與控制器積體電路連線，所造成佈局繞線的困擾。
4.利用控制積體電路不接地的方式與長串LED並接，可降低控制電路功耗，更可降低長串時，因LED位置不同所造成120HZ的漣波閃爍。
21-25、31-34、41-44‧‧‧低壓限流開關
51‧‧‧外部的主-僕控制器
52‧‧‧內建的分散式主-僕控制器
70、80‧‧‧LED小串
701-705、801-805‧‧‧LED單元
901‧‧‧AC交流電源
902‧‧‧橋式整流器
C1‧‧‧電容
HV1-HV5‧‧‧高壓N型元件
Iout‧‧‧電流輸出接點
K1‧‧‧運算放大器
K2‧‧‧比較器
LV2‧‧‧低壓N型元件
R1、R2、R4、R5‧‧‧電阻
R3‧‧‧高阻值電阻
S1、S3‧‧‧訊號輸入端
S2、S4‧‧‧訊號輸出端
SE1‧‧‧選擇器
Vout‧‧‧電壓輸出接點
Z1‧‧‧齊納二極體
第1圖顯示本發明第一實施例以低壓限流開關控制高壓N型元件及LED的定電流架構。
第2圖顯示第1圖中高壓N型元件與低壓限流開關的架構。
第3圖顯示本發明第二實施例的架構。
第4圖顯示第3圖中高壓N型元件與低壓限流開關的架構。
第5圖顯示本發明第三實施例的架構。
第6圖顯示第5圖中高壓N型元件與低壓限流開關的架構。
第7圖顯示測試用的簡易架構。
第8圖顯示在高工作電壓下，PWM輸入訊號與高壓N型元件的源極電壓的關係。
第9圖顯示測試用的另一簡易架構。
第10圖顯示在低工作電壓下，輸入電壓波型與高壓N型元件的汲極電壓的關係。
第11圖顯示高壓N型元件在不同汲極電壓下的汲極電流值。
第12圖顯示第二實施例的輸入電壓波型與輸入電流波型。
31-34‧‧‧低壓限流開關
80‧‧‧LED小串
801-805‧‧‧LED單元
901‧‧‧AC交流電源
902‧‧‧橋式整流器
C1‧‧‧電容
HV1-HV4‧‧‧高壓N型元件
Iout‧‧‧電流輸出接點
R1、R2、R4‧‧‧電阻
S3‧‧‧訊號輸入端
S4‧‧‧訊號輸出端
Vout‧‧‧電壓輸出接點
Z1‧‧‧齊納二極體

Claims (15)

  1. 一種LED小串之控制裝置，該LED小串係由複數個串聯的LED單元組成；該裝置包括：複數個高壓N型元件，其中每一個高壓N型元件電性連接至對應之LED單元的電流輸出端；及複數個低壓限流開關，電性連接至對應之高壓N型元件，並與對應之LED單元並聯，電流係由高壓N型元件流向對應之低壓限流開關，而所稱之低壓及高壓係依據其相對崩潰電壓(Breakdown Voltage)而言；
  2. 如請求項1之裝置，其中該LED小串為接地或不接地。
  3. 如請求項1之裝置，其中該高壓N型元件為金屬氧化物半導體(MOS)電晶體或雙載子(Bi-polar)電晶體。
  4. 如請求項1之裝置，當流經低壓限流開關之導通電流增加或減少時，流經對應高壓N型元件之導通電流亦隨之增加或減少。
  5. 一種LED小串之控制裝置，該LED小串係由複數個串聯的LED單元組成；該裝置包括：複數個高壓N型元件，其中每一個高壓N型元件電性連接至對應之LED單元的電流輸出端；及複數個低壓限流開關，電性連接至對應之高壓N型元件，並與對應之LED單元並聯，電流係由高壓N型元件流向對應之低壓限流開關，而所稱之低壓及高壓係依據其相對崩潰電壓(Breakdown Voltage)而言；藉此，當低壓限流開關的輸入電流增加時，其中電位最低的低壓限流開關為開啟，而其他電位較高的低壓限流開關的導通電流被減少，且流經該電位較高的對應高壓N型元件之導通電流亦隨之減少。
  6. 如請求項5之裝置，其中該LED小串為接地或不接地。
  7. 如請求項5之裝置，其中該高壓N型元件為金屬氧化物半導體(MOS)電晶體或雙載子(Bi-polar)電晶體。
  8. 如請求項5之裝置，其中該低壓限流開關的開啟或電流變小係經由一外部或內建的主僕控制器判定。
  9. 一種LED小串之控制裝置，該LED小串係由複數個串聯的LED單元組成；該裝置包括：複數個高壓N型元件，其中每一個電性連接至對應之LED單元的電流輸出端；及複數個低壓限流開關，電性連接至對應之高壓N型元件，並與對應之LED單元並聯，電流係由高壓N型元件流向對應之低壓限流開關，而所稱之低壓及高壓係依據其相對崩潰電壓(Breakdown Voltage)而言；藉此，當較高電位的低壓限流開關接收到較低電位的低壓限流開關之「電流變小控制訊號」時，流經該較高電位的低壓限流開關之導通電流減少，使流經對應高壓N型元件之導通電流亦隨之減少。
  10. 如請求項9之裝置，其中該LED小串為接地或不接地。
  11. 如請求項9之裝置，其中該高壓N型元件為金屬氧化物半導體(MOS)電晶體或雙載子(Bi-polar)電晶體。
  12. 如請求項9之裝置，其中該較高電位的低壓限流開關係經由一主僕控制器，接收到較低電位的低壓限流開關之「電流變小控制訊號」。
  13. 一種LED小串之控制裝置，該LED小串係由複數個串聯的LED單元組成；該裝置包括：至少一個高壓N型元件，電性連接至對應之LED單元的電流輸出端；及至少一個低壓限流開關，電性連接至對應之高壓N型元件，並與對應之LED單元並聯，電流係由高壓N型元件流 向對應之低壓限流開關，而所稱之低壓及高壓係依據其相對崩潰電壓(Breakdown Voltage)而言；至少一個電壓或電流偵測電路，用以偵測對應之LED單元至對應之低壓限流開關之路徑上之電壓或電流；藉此，當所偵測之電壓或電流大於一預設值時，對應之低壓限流開關被關閉，或者，當所偵測之電壓或電流小於該預設值時，對應之低壓限流開關為開啟。
  14. 如請求項13之裝置，其中該LED小串為接地或不接地。
  15. 如請求項13之裝置，其中該高壓N型元件為金屬氧化物半導體(MOS)電晶體或雙載子(Bi-polar)電晶體。
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