TW201408124A - 高效率ｌｅｄ驅動晶片及其驅動電路 - Google Patents

高效率ｌｅｄ驅動晶片及其驅動電路 Download PDF

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Abstract

一種高效率LED驅動晶片及其驅動電路，係供以檢測並恆定至少一發光二極體之一驅動電流，該驅動晶片包含一檢測單元、一比對單元及一校正單元，該LED檢測單元藉外部之一檢測電阻耦接該LED驅動電路，並藉一電流鏡檢測其工作電流而輸出一設定訊號。該比對單元電性連接該檢測單元，且藉外部之一比對電阻耦接該發光二極體，檢測該驅動電流並輸出一初始化訊號。該校正單元電性連接該檢測單元及該比對單元而接收該設定訊號及該初始化訊號，以輸出一校正訊號校正功率因數。如此，降低電路虛功耗的同時可恆定該驅動電流，使提升LED光照品質及使用壽命。

Description

高效率LED驅動晶片及其驅動電路
本發明係屬於電光源電路裝置之技術領域，特別是關於一種低成本之高效率LED驅動晶片及其驅動電路，以降低整體電路之虛功耗而達高電能轉換效率之功效。
至今，發光二極體(Light Emitting Diode,LED)已憑藉其低耗能、壽命長、體積小、反應快且價格逐漸普及化等特點襲捲整個照明市場而廣泛用於桌燈、天井燈、號誌燈及廣告刊板等照明燈具。並且，據LED電流/電壓(I/V)特性曲線可知，LED並非為一線性元件，亦即，隨著使用時間的累積將使驅動電流亦隨之提增，使LED燈容易因電源供應器輸出電流不足而出現閃爍現象。或者，受限於電源供應器低電壓高電流的輸出，使各並聯之LED燈串形成有不同大小之驅動電流，產生亮度不一致的情況發生而導致各LED燈使用壽命不均，影響燈具品質。為解決上述問題，習知LED燈具之驅動電路可如圖1所示，為定電流式驅動電路1而使至少一LED組2串接一電晶體10及一感測電阻11，該感測電阻11檢測該LED組2之驅動電流I而於兩端形成壓降並反饋至一比較器12。接著，該比較器12比較該感測電阻11所反饋之壓降及一基準電壓，當該基準電壓大於該壓降時，該比較器12輸出一高準位訊號，反之則為一低準位訊號，以導通或截止該電晶體10而調整脈波 寬度調變(Pulse Width Modulation,PWM)訊號之空佔比，使調整輸出之驅動電壓大小，維持該LED組2之驅動電流I於一恆定狀態。
然而，上述該定電流式驅動電路1雖適用於80~260V市電而方便使用，但其零組件佔有一定比例之虛功耗而嚴重影響整體電路之電能轉效率，且於PWM訊號壓頻過低時LED易出現閃爍的問題，或於壓頻過高時因PWM訊號之高低準位電壓變化過快而形成雜訊干擾，造成LED工作異常，降低實用性。
有鑑於習知技藝之問題，本發明之目的在於提供一種低成本之高效率LED驅動晶片及其驅動電路，使藉電感式電能轉換器消除漣波電流(Ripple Current)而降低總諧波失真(Total Harmonic Distortion,THD)，且利用功率因數(Power Factor)校正的調控方式恆定LED電流，使提升電能轉換效率。
根據本發明之目的，該高效率LED驅動晶片係適用於一LED驅動電路中，供以檢測該LED驅動電路之一工作電流及至少一發光二極體之一驅動電流，而校正功率因數並改善電路效率，且其包含一檢測單元、一比對單元及一校正單元。該檢測單元藉外部之一檢測電阻耦接該LED驅動電路而檢測該工作電流，且具有一電流鏡、一第一比較器及一第二比較器。該電流鏡一端設有一第一電晶體，該第一比較器耦接該第一電晶體及該檢測電阻，且該第一比較器藉一參考值比較該工作電流於該檢測電阻兩端所形成之壓降，以導通或截止該第一電 晶體。該第二比較器耦接該電流鏡中相對該第一電晶體之另一端，且該第二比較器於該第一電晶體導通時，藉一設定值比較該工作電流於該檢測電阻兩端所形成之壓降，當小於該設定值時輸出一設定訊號。該比對單元藉外部之一比對電阻耦接該發光二極體而檢測該驅動電流，該比對單元藉一基準值比對該驅動電流而放大形成一差異壓值，當該差異壓值大於一上限值時，輸出一初始化訊號。該校正單元電性連接該檢測單元及該比對單元而接收該設定訊號及該初始化訊號，以輸出一校正訊號。
其中，該該第一電晶體為N型金氧半場效電晶體(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor,MOSFET)，且該電流鏡係設有一第二電晶體、一第三電晶體及一電流電阻，該第二電晶體及該第三電晶體分別為閘極對接之P型金氧半場效電晶體，而該第三電晶體之汲極耦接該電流電阻及該第二比較器之負輸入端，該第二電晶體之閘極耦接其汲極及該第一電晶體之汲極，又該第一電晶體之閘極耦接該第一比較器之輸出端。該比對單元設有一鋸齒波產生器，以輸出一鋸齒波而形成該上限值，且該比對單元比較補償後之該差異壓值與該上限值。該校正單元設有一正反器，其耦接該第二比較器之輸出端及該比對單元之輸出端，供以接收該設定訊號及該初始化訊號。
並且，該高效率LED驅動晶片更包含一調整單元及一保護單元，該調整單元電性連接該校正單元及該LED驅動電路之一感測電阻、該LED驅動電路之一感測電晶 體及一感測電阻，供以感應該驅動電流於該感測電阻兩端所形成之壓降而分析獲得一調整訊號，以截止該感測電晶體；該保護單元電性連接該校正單元及該調整單元，以限制該校正訊號及該調整訊號之電壓大小。
承上所述，根據本發明之次一目的，該高效率LED驅動電路係利用如上述之高效率LED驅動晶片，以驅動並恆定該發光二極體之照明亮度，其包含一整流模組、一轉換模組及一控制模組。該整流模組電性連接一電源，並接收一交流電壓而輸出可變之一直流電壓，該轉換模組電性連接該整流模組及該發光二極體，設有一轉換開關，且該轉換模組於該轉換開關截止時接收並轉換該直流電壓，使形成升壓之該工作電壓以驅動該發光二極體。該控制模組透過該檢測電阻耦接該轉換模組及透過該比對電阻耦接該發光二極體，該控制模組檢測該工作電流於該檢測電阻兩端所形成之壓降，並比對該驅動電流於該比對電阻兩端所形成之壓降，以輸出該校正訊號而導通該轉換開關，使該轉換模組進入暫態而延遲輸出該工作電壓。
其中，該控制模組設有一感測電晶體及一感測電阻，該感測電晶體為N型金氧半場效電晶體電晶體，其汲極耦接該發光二極體及該比對電阻，且源極耦接該感測電阻，且該控制模組感應該驅動電流於該感測電阻兩端所形成之壓降，以截止該感測電晶體而調整該驅動電流之電流大小。該整流模組係為一橋式全波整流器，且設有一雙向三極閘流體(Tri-Electrode AC Switch,TRIAC)，其耦接該電源及該橋式全波整流器間，供以接 收並調整該交流電壓之相位導通角，而調整該直流電壓之導通周期。又，該轉換模組為一單端初級電感轉換器(Single Ended Primary Inductance Converter,SEPIC)或一升壓式(BOOST)電感轉換器。
綜上所述，本發明係於該轉換模組之電感放電時透過該檢測電阻檢測該工作電流，及該比對單元監測該驅動電流，以於該驅動電流產生超出容許範圍之變異時調整該轉換模組，使即時校正功率因數而提升電能轉換效率至95%以上。再者，恆定之電流值可一致該發光二極體之光照強度，改善照明效果且提升使用壽命。
為使 貴審查委員能清楚了解本發明之內容，謹以下列說明搭配圖式，敬請參閱。
請參閱第2~4、7圖，其係分別為本發明較佳實施例之方塊圖、驅動晶片電路圖、一驅動電路電路圖及波形圖。如圖所示，該高效率LED驅動電路3係利用該高效率LED驅動晶片4檢測其工作電流IL及至少一發光二極體5之一驅動電流ILED，以校正功率因數而輸出恆定之電流，使穩定該發光二極體5之光照強度並改善電路效率。該驅動電路3包含一整流模組30、一轉換模組31及一控制模組32，該控制模組32設有一檢測電阻320、一比對電阻321、一感測電晶體322、一感測電阻323、一分壓電阻324及該驅動晶片4，且該驅動晶片4具有一檢測單元40、一比對單元41、一校正單元42、一調整單元43及一保護單元44。又，該感測電晶體322為N-MOSFET，其汲極耦接該發光二極體5及該比對電 阻321，且源極耦接該感測電阻323及該調整單元43之輸入端(CS2)，而閘極耦接該調整單元43之輸出端(OUT2)。
該整流模組30電性連接85~265V之一交流電源(圖未示)及該轉換模組31，為一橋式全波整流器而接收一交流電壓後輸出可變之一直流電壓。該轉換模組31電性連接該發光二極體5，為電感式轉換器並設有一轉換開關310，使於該轉換開關310截止時轉換該直流電壓形成升壓之一工作電壓(Vo)而驅動該發光二極體5。該控制模組32透過該檢測電阻320使該轉換模組31耦接該檢測單元40之輸入端(CS1)而檢測該工作電流IL，且透過該比對電阻321使該發光二極體5耦接該比對單元41之輸入端(FB)而檢測該驅動電流ILED，又透過該分壓電阻324使該轉換模組31耦接該保護單元43之輸入端(OVP)以檢測升壓之該工作電壓。
該檢測單元40具有一電流鏡400、一第一比較器401及一第二比較器402，該電流鏡400由一第一電晶體4000、一第二電晶體4001、一第三電晶體4002及一電流電阻4003所構成。該第一電晶體4000為N-MOSFET，閘極對接之該第二電晶體4001及該第三電晶體4002為P-MOSFET，且該第二電晶體4001之閘極耦接其汲極及該第一電晶體4000之汲極。該第一比較器401之負輸入端耦接及該第一電晶體4000之源極，其正輸入端耦接一壓源而形成一參考值，且其輸出端耦接該第一電晶體4000之閘極。該第二比較器402之負輸入端耦接該第三電晶體4002之汲極及該電流電阻4003，其正輸入端耦 接一壓源而形成一設定值，且其輸出端耦接該校正器42之一RS正反器420之一輸入端。如此，當該控制模組32檢測該工作電流IL流經該檢測電阻320(IRSC1)後於兩端形成之壓降(VRSC1)時，該第一比較器401比較該參考值而導通該第一電晶體4000，如此，透過該電流鏡400兩端具相應電流之特性，該第二比較器402將再比較該設定值，且於VRSC1小於該設定值時輸出一設定訊號，使該校正單元42由輸出端(OUT1)輸出低壓之一校正訊號(VOUT1)，以截止該轉換開關310。
同時，該控制模組32檢測該驅動電流ILED於該比對電阻321兩端所形成之壓降，使該比對單元41藉一基準值比對該驅動電流ILED而放大形成一差異壓值並進行補償。接著，該比對單元41之一鋸齒波產生器410輸出一鋸齒波而形成一上限值，且該比對單元41於補償之該差異壓值大於該上限值時輸出一初始化訊號至該RS正反器420之另一輸入端，使該校正單元42輸出高壓之該校正訊號而導通該轉換開關310，如此，該轉換模組31即進入暫態而延遲輸出該工作電壓。
再者，該校正單元42耦接該調整單元43及該保護單元44，當該調整單元43感應得知該驅動電流ILED於該感測電阻323兩端所形成之壓降大於一數值時，輸出一調整訊號而截止該感測電晶體322，以降低該驅動電流ILED之電流大小。如此，即可恆定該驅動電流ILED而減少虛功耗，進而降低電路溫度而提升使用壽命。為避免該轉換模組31輸出過大電壓而損毀該發光二極體5，當該分壓電阻324兩端之壓降大於一數值時，該保護單 元44即限制該校正訊號及該調整訊號之電壓大小，使強制輸出低壓而截止該轉換開關310及該感測電晶體322，以準確調整功率因數而有效提升效率。
於本實施例中，該轉換模組可為SEPIC拓樸設置型態，或者可如圖5所示，其係為本發明較佳實施例驅動電路之次一電路圖，為BOOST拓樸設置型態。進一步地，為確保高電能轉換效率，該驅動電路更可如圖6所示，其係為本發明較佳實施例之另一驅動電路電路圖，使該整流模組設有一TRIAC 300，以耦接於交流電源及該橋式全波整流器間，如此，TRIAC 300接收該交流電壓後，將調整導通之相位角而改變該直流電壓之導通周期，如此即可線性調控該工作電壓之輸出頻率而避免該發光二極體5出現閃爍或受雜訊干擾而異常工作等問題。
以上所述僅為舉例性之較佳實施例，而非為限制性者。任何未脫離本發明之精神與範疇，而對其進行之等效修改或變更，均應包含於後附之申請專利範圍中。
習知技藝
1‧‧‧定電流式驅動電路
10‧‧‧電晶體
11‧‧‧感測電阻
12‧‧‧比較器
2‧‧‧LED組
本發明
3‧‧‧驅動電路
30‧‧‧整流模組
300‧‧‧TRIAC
31‧‧‧轉換模組
310‧‧‧轉換開關
32‧‧‧控制模組
320‧‧‧檢測電阻
321‧‧‧比對電阻
322‧‧‧感測電晶體
323‧‧‧感測電阻
324‧‧‧分壓電阻
4‧‧‧驅動晶片
40‧‧‧檢測單元
400‧‧‧電流鏡
4000‧‧‧第一電晶體
4001‧‧‧第二電晶體
4002‧‧‧第三電晶體
4003‧‧‧電流電阻
401‧‧‧第一比較器
402‧‧‧第二比較器
41‧‧‧比對單元
42‧‧‧校正單元
420‧‧‧RS正反器
43‧‧‧調整單元
44‧‧‧保護單元
5‧‧‧發光二極體
IL‧‧‧工作電流
ILED‧‧‧驅動電流
第1圖 係為習知定電流式驅動電路之電路圖。
第2圖 係為本發明較佳實施例之方塊圖。
第3圖 係為本發明較佳實施例之驅動晶片電路圖。
第4圖 係為本發明較佳實施例之一驅動電路電路圖。
第5圖 係為本發明較佳實施例之次一驅動電路電路圖。
第6圖 係為本發明較佳實施例之另一驅動電路電路圖。
第7圖 係為本發明較佳實施例之波形圖。
3‧‧‧驅動電路
30‧‧‧整流模組
31‧‧‧轉換模組
310‧‧‧轉換開關
32‧‧‧控制模組
320‧‧‧檢測電阻
321‧‧‧比對電阻
322‧‧‧感測電晶體
323‧‧‧感測電阻
324‧‧‧分壓電阻
4‧‧‧驅動晶片
40‧‧‧檢測單元
400‧‧‧電流鏡
4000‧‧‧第一電晶體
4001‧‧‧第二電晶體
4002‧‧‧第三電晶體
4003‧‧‧電流電阻
401‧‧‧第一比較器
402‧‧‧第二比較器
41‧‧‧比對單元
42‧‧‧校正單元
420‧‧‧RS正反器
43‧‧‧調整單元
44‧‧‧保護單元
5‧‧‧發光二極體
IL‧‧‧工作電流
ILED‧‧‧驅動電流

Claims (10)

  1. 一種高效率LED驅動晶片，係適用於一LED驅動電路中，供以檢測該LED驅動電路之一工作電流及至少一發光二極體之一驅動電流，而校正功率因數並改善電路效率，其包含：一檢測單元，係藉外部之一檢測電阻耦接該LED驅動電路而檢測該工作電流，其具有：一電流鏡，其一端設有一第一電晶體；一第一比較器，耦接該第一電晶體及該檢測電阻，且該第一比較器藉一參考值比較該工作電流於該檢測電阻兩端所形成之壓降，以導通或截止該第一電晶體；及一第二比較器，耦接該電流鏡中相對該第一電晶體之另一端，且該第二比較器於該第一電晶體導通時，藉一設定值比較該工作電流於該檢測電阻兩端所形成之壓降，當小於該設定值時輸出一設定訊號；一比對單元，係藉外部之一比對電阻耦接該發光二極體而檢測該驅動電流，該比對單元藉一基準值比對該驅動電流而放大形成一差異壓值，當該差異壓值大於一上限值時，輸出一初始化訊號；及一校正單元，係電性連接該檢測單元及該比對單元而接收該設定訊號及該初始化訊號，以輸出一校正訊號。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之高效率LED驅動晶片，其中該第一電晶體為N型金氧半場效電晶體， 且該電流鏡係設有一第二電晶體、一第三電晶體及一電流電阻，該第二電晶體及該第三電晶體分別為閘極對接之P型金氧半場效電晶體，而該第三電晶體之汲極耦接該電流電阻及該第二比較器之負輸入端，該第二電晶體之閘極耦接其汲極及該第一電晶體之汲極，又該第一電晶體之閘極耦接該第一比較器之輸出端。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之高效率LED驅動晶片，其中該比對單元係設有一鋸齒波產生器，以輸出一鋸齒波而形成該上限值，且該比對單元比較補償後之該差異壓值與該上限值。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之高效率LED驅動晶片，其中該校正單元係設有一正反器，其耦接該第二比較器之輸出端及該比對單元之輸出端，供以接收該設定訊號及該初始化訊號。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之高效率LED驅動晶片，更包含一調整單元及一保護單元，該調整單元係電性連接該校正單元、該LED驅動電路之一感測電晶體及一感測電阻，供以感應該驅動電流於該感測電阻兩端所形成之壓降而分析獲得一調整訊號，以截止該感測電晶體；該保護單元電性連接該校正單元及該調整單元，以限制該校正訊號及該調整訊號之電壓大小。
  6. 一種高效率LED驅動電路，係利用如申請專利範圍第1項所述之高效率LED驅動晶片，以驅動並恆定該發光二極體之照明亮度，其包含： 一整流模組，係電性連接一電源，並接收一交流電壓而輸出可變之一直流電壓；一轉換模組，係電性連接該整流模組及該發光二極體，設有一轉換開關，且該轉換模組於該轉換開關截止時接收並轉換該直流電壓，使形成升壓之該工作電壓以驅動該發光二極體；一控制模組，係透過該檢測電阻耦接該轉換模組及透過該比對電阻耦接該發光二極體，該控制模組檢測該工作電流於該檢測電阻兩端所形成之壓降，並比對該驅動電流於該比對電阻兩端所形成之壓降，以輸出該校正訊號而導通該轉換開關，使該轉換模組進入暫態而延遲輸出該工作電壓。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之高效率LED驅動電路，其中該控制模組設有一感測電晶體及一感測電阻，該感測電晶體為N型金氧半場效電晶體電晶體，其汲極耦接該發光二極體及該比對電阻，且源極耦接該感測電阻，且該控制模組感應該驅動電流於該感測電阻兩端所形成之壓降，以截止該感測電晶體而調整該驅動電流之電流大小。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之高效率LED驅動電路，其中該轉換模組係為一單端初級電感轉換器或一升壓式電感轉換器。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之高效率LED驅動電路，其中該整流模組係為一橋式全波整流器。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之高效率LED驅動電路，其中該整流模組設有一雙向三極閘流體，其係 耦接該電源及該橋式全波整流器，該雙向三極閘流體接收並調整該交流電壓之相位導通角，以調整該直流電壓之導通周期。
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