TW201422054A - 可避免暗區的交流驅動照明系統 - Google Patents

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Abstract

本發明揭露一種發光二極體照明系統及其方法。本發明系統包含複數個串接的發光二極體，一積體電路，及一儲能裝置。該複數個串接的發光二極體被分為複數個串接的發光二極體群組。該積體電路包含複數個接點分別耦接至該些發光二極體群組，以選擇性地提供一驅動電流流經至少一發光二極體群組。該儲能裝置具有兩端耦接至一預定發光二極體群組的一預定發光二極體。當該驅動電流流經該預定發光二極體群組時，該儲能裝置進行充電；及當該驅動電流不流經該預定發光二極體群組時，該儲能裝置進行放電以點亮該預定發光二極體。

Description

可避免暗區的交流驅動照明系統
本發明係相關於一種發光二極體照明系統，尤指一種交流驅動的發光二極體照明系統及其控制。
發光二極體(light emitting diode,LED)逐漸地被用來做一般照明目的使用。舉例來說，一組白光發光二極體可由一交流電源提供電力，而交流驅動發光二極體即用來指上述電路。交流驅動發光二極體較需要注意的課題包括製造成本、電源效率、功率因數、閃爍及使用壽命等。
第1圖為習知交流驅動發光二極體電路10的示意圖。交流驅動發光二極體電路10包含發光二極體模組12及限流電阻14。發光二極體模組12包含兩發光二極體串列以反並聯(anti-parallel)方式相耦接。交流驅動發光二極體電路10不需要交流轉直流轉換器或整流器。即使可供應直流電壓，交流電壓亦可供應至輸入端8，以直接提供電源給交流驅動發光二極體電路10。交流驅動發光二極體電路10於製造上具有結構簡單及低成本兩項優點。然而，交流驅動發光二極體電路10在每一個交流週期中只能在非常短暫之時間內發光，因此具有低平均亮度或高電流應力等缺點。
第2A圖為習知交流驅動發光二極體電路15的示意圖。交流 驅動發光二極體電路15是美國專利號US 7,708,172的實施例。交流驅動發光二極體電路15使用一全波(full-wave)整流器18。輸入端16可接收直流電壓訊號或交流電壓訊號。發光二極體串列可分為複數個發光二極體群組201,202,203,204。積體電路22具有接點PIN1、接點PIN2、接點PIN3、接點PIN4分別耦接至發光二極體群組201,202,203,204的陰極。積體電路22內部具有接地開關SG1,SG2,SG3,SG4及控制器24。當輸入端16上的電壓增加時，控制器24可控制接地開關SG1,SG2,SG3,SG4以點亮更多發光二極體。積體電路22的運作已在美國專利號US 7,708,172中說明，因此不再贅述。
第2B圖為習知交流驅動發光二極體電路30的示意圖。交流驅動發光二極體電路30是美國專利號US 8,299,724的實施例。相異於第2A圖的積體電路22，第2B圖的積體電路34多具一個接點PIN0。積體電路34另使用旁通開關SP1,SP2,SP3,SP4選擇性地提供旁通電流路徑以導引電流繞過相對應的發光二極體群組。舉例來說，當控制器32開啟旁通開關SP1時，接點PIN0和接點PIN1被短路在一起，且發光二極體群組201因沒有驅動電流流過而變暗。
第3圖為第2A圖或第2B圖中當輸入端16接收交流電壓訊號時的相關訊號的波形示意圖。最上方的波形是整流後的電壓VREC的波形，電壓VREC是在第2A圖及第2B圖中經全波整流器18整流後輸出至發光二極體群組201的電壓。第二個波形是主動發光二極體計數(active LED count)波形，表示發光二極體群組被點亮的群組數目。接下來四個波形分別為流經發光二極體群組204,203,202,201的電流IG4,IG3,IG2,IG1的波形。主動發光二極體計數波形是隨著整流後的電壓VREC的增加或減少以階梯方式上升或下降。當整流後的電壓VREC增加時，發光二極體群組201, 202,203,204由前往後依據順序點亮。當整流後的電壓VREC減少時，發光二極體群組201,202,203,204由後往前依據順序變暗。交流驅動發光二極體電路15及30皆具有簡單的架構及良好電源效率。
然而在第3圖中，當沒有發光二極體被啟動或點亮時，會有暗區TDARK產生。若整流後的電壓VREC的頻率為120Hz，則整流後電壓VREC的波谷(當整流後電壓VREC約為0伏特時)的頻率亦為120Hz，亦即暗區TDARK的出現頻率也同樣為120Hz。即使出現頻率為120Hz的暗區TDARK無法被人眼感受到，但根據報告，當人眼長時間在具有頻率為120Hz的暗區TDARK的照明下觀看物體時，會感到暈眩或噁心。
本發明之目的在於提供一種可避免暗區的交流驅動照明系統，以解決先前技術的問題。
根據本發明一實施例，本發明系統包含複數個串接的發光二極體，一積體電路，及一儲能裝置。該複數個串接的發光二極體被分為複數個串接的發光二極體群組。該積體電路包含複數個接點分別耦接至該些發光二極體群組，以選擇性地提供一驅動電流流經至少一發光二極體群組。該儲能裝置具有兩端耦接至一預定發光二極體群組的一預定發光二極體。當該驅動電流流經該預定發光二極體群組時，該儲能裝置進行充電；及當該驅動電流不流經該預定發光二極體群組時，該儲能裝置進行放電以點亮該預定發光二極體。
根據本發明一實施例，本發明提供一種驅動具有串接發光二極體的系統的方法。其中該串接發光二極體被分為複數個串接的發光二極體群組。該方法包含提供一驅動電流；選擇該複數個發光二極體群組 其中之一，以使該驅動電流流經一預定發光二極體群組；當該驅動電流流經該預定發光二極體群組時儲存電力；及當該驅動電流不流經該預定發光二極體群組時，釋放電力以點亮該預定發光二極體群組的一預定發光二極體。
根據本發明實施例，和發光二極體並聯的電容可維持發光二極體發光，且可以縮短或消除先前技術中令人感到暈眩或噁心的暗區。
8,16‧‧‧輸入端
10,15,30‧‧‧交流驅動發光二極體電路
12‧‧‧發光二極體模組
14‧‧‧限流電阻
18‧‧‧全波整流器
201,202,203,204‧‧‧發光二極體群組
22,34‧‧‧積體電路
24,32‧‧‧控制器
40,90,100‧‧‧交流驅動發光二極體電路
42,31‧‧‧控制器
44,49,33‧‧‧積體電路
461,462,463,464‧‧‧發光二極體群組
48‧‧‧全波整流器
50‧‧‧輸入端
52,54,56,58,60‧‧‧電容
54A,58A‧‧‧充放電控制器
D1,D2,D3‧‧‧整流二極體
L1,L4,L5,L8,L9,L11‧‧‧發光二極體
IDRV‧‧‧驅動電流
IDIS‧‧‧放電電流
IG1,IG2,IG3,IG4‧‧‧電流
IL11,IL8,IL4,IL14‧‧‧電流
PIN0,PIN1,PIN2,PIN3,PIN4‧‧‧接點
PD,PU‧‧‧路徑
SG1,SG2,SG3,SG4‧‧‧接地開關
SP1,SP2,SP3,SP4‧‧‧旁通開關
TDRAK‧‧‧暗區
VREC‧‧‧整流後電壓
第1圖為習知交流驅動發光二極體電路的示意圖。
第2A圖為習知交流驅動發光二極體電路的示意圖。
第2B圖為習知交流驅動發光二極體電路的示意圖。
第3圖為第2A圖或第2B圖中當輸入端接收交流電壓訊號時的相關訊號的波形示意圖。
第4圖為本發明實施例具交流驅動發光二極體電路的系統的示意圖。
第5A圖為接地開關SG1,SG2,SG3,SG4分別操作在開路模式、定電流模式及短路模式的示意圖。
第5B圖為當第5A圖的整流後的電壓VREC下降至特定程度而無法一起點亮發光二極體群組461及462時，接地開關SG1,SG2,SG3,SG4的操作模式的示意圖。
第6圖為第4圖輸入端接收交流電壓訊號時的相關訊號的波形示意圖。
第7圖為本發明系統利用額外的整流二極體承受逆向偏壓電壓的示意圖。
第8圖為積體電路只有一個接地開關操作在定電流模式，而所有其他接地開關操作在開路模式的示意圖。
第9A圖為本發明具交流驅動發光二極體電路的另一系統的示意圖。
第9B圖為第9A圖充放電控制器的一實施例的示意圖。
第10圖為本發明實施例具另一交流驅動發光二極體電路的系統的示意圖。
第4圖為本發明實施例具交流驅動發光二極體電路40的系統的示意圖。輸入端50接收一直流或交流電壓訊號。交流電壓訊號可以是，舉例來說，頻率為60Hz及振幅為110伏特的交流正弦訊號。全波整流器48對輸入端50的電壓訊號進行整流，以提供整流後的電壓VREC及接地電壓GND至兩電源供應線，進而提供電源至第4圖中的發光二極體及積體電路44。發光二極體可以(但不限定)分為複數個發光二極體群組461,462,463,464。在一實施例中，第4圖的每一發光二極體群組具有3個串聯之發光二極體，且所有發光二極體群組相互串聯以形成一發光二極體串列。
第4圖中複數個電容52,54,56,58,60分別和某些發光二極體並聯。然而，本發明並不限於第4圖之實施例，本發明其他實施例可包含更多或更少個電容和不同發光二極體並聯。電容52和發光二極體L1並聯，電容54和發光二極體群組461並聯，電容56和發光二極體群組462的發光二極體L4,L5並聯，電容58和發光二極體群組463的發光二極體L8,L9並聯，且電容60和發光二極體L11並聯。上述電容是用來作為儲能裝置。在某些時段電容會進行充電，之後電容會放電以點亮某些發光二極體。
積體電路44具有四個接點PIN1,PIN2,PIN3,PIN4。積體電路44另具有接地開關SG1,SG2,SG3,SG4，每一群組開關耦接於相對應之接點及接地電壓GND之間。積體電路44中的控制器42用以控制接地開關SG1,SG2,SG3,SG4的控制端。在一實施例中，控制器42可以感應流經接點PIN1,PIN2,PIN3,PIN4的電流，以判斷每一接地開關的操作模式。舉例 來說，每一接地開關可個別切換至三種模式其中之一：開路模式、短路模式及定電流模式。例如當接地開關SG1操作在短路模式時會將接點PIN1短路至接地電壓GND；而當接地開關SG1操作在定電流模式時會提供固定驅動電流IDRV從接點PIN1流至接地電壓GND。
以術語來說，若裝置A和裝置B具有相似的電路配置，但裝置A的工作電壓較裝置B高，則裝置A相對於裝置B是處於上游。舉例來說，接地開關SG1是位於接地開關SG2的上游，因為接點PIN1的電壓不會低於接點PIN2的電壓。相對地，接地開關SG2是位於接地開關SG1的下游。相同術語可應用於其他物件上，例如在第4圖中，發光二極體群組461是最上游的發光二極體群組，而發光二極體群組464是最下游的發光二極體群組。
在一實施例中，控制器42是用以選擇單一接地開關操作在定電流模式中，任何在處於定電流模式之接地開關上游的接地開關皆操作在開路模式，而任何在處於定電流模式之接地開關下游的接地開關皆操作在短路模式。第5A圖為接地開關SG1,SG2,SG3,SG4分別操作在開路模式、定電流模式及短路模式的示意圖，其中整流後的電壓VREC高到足以克服發光二極體串列之發光二極體群組461及462的正向臨界電壓，但無法克服發光二極體群組463的正向臨界電壓。從第5A圖可以推導出接地開關SG2提供之驅動電流IDRV在穩定的狀態下流經發光二極體群組461及462的發光二極體，以點亮發光二極體群組461及462的發光二極體，而發光二極體群組463及464的發光二極體因沒有電流流過而不點亮。在上述穩定狀態中，電容56被充電，以使發光二極體L4,L5的驅動電壓有電壓降。相似地，驅動電流IDRV同時對電容52及54充電，以分別使發光二極體L1及發光二極體群組461的驅動電壓有電壓降。
當整流後的電壓VREC改變時，第4圖的控制器42可將定電流模式移轉到相鄰的接地開關。第5B圖為當第5A圖的整流後的電壓VREC下降至特定程度而無法一起點亮發光二極體群組461及462時，接地開關SG1,SG2,SG3,SG4的操作模式的示意圖。相較於第5A圖的操作模式，控制器42顯然將定電流模式從接地開關SG2移轉到接地開關SG1，以使接地開關SG1以外的所有接地開關皆操作在短路模式。當定電流模式移轉之後，驅動電流IDRV流經發光二極體群組461的發光二極體，但不流經發光二極體群組462,463,464。請注意，在定電流模式移轉之後，電容56初期具有電壓降以驅動發光二極體L4及L5，並如第5B圖所示開始放電以產生放電電流IDIS流經發光二極體L4及L5。放電電流IDIS可具有一定程度之振幅以維持發光二極體L4及L5點亮一段時間。電容56的電容值越大，則發光二極體L4及L5在定電流模式移轉後被持續點亮的時間越長。
第6圖為第4圖輸入端50接收交流電壓訊號時的相關訊號的波形示意圖。
第一個波形是整流後的電壓VREC的波形，而第二個波形是主動發光二極體計數(active LED count)波形。接下來四個波形分別為流經發光二極體L11,L8,L4,L1的電流IL11,IL8,IL4,IL1的波形。相較於第3圖的主動發光二極體計數波形在暗區TDARK時下降至零，第6圖的主動發光二極體計數波形從不下降至零，以消除暗區TDARK。在時間點t1當發光二極體群組L1開始被驅動電流IDRV驅動時，舉例來說，部分驅動電流IDRV，例如充電電流IC52會對電容52充電，而剩下的驅動電流IDRV流過發光二極體L1(亦即電流IL1)。如第6圖所示，隨著時間從時間點t1到時間點t2，電容52達到或接近飽和狀態，以致於充電電流IC52減少而電流IL1隨之增加。在時間點t2，驅動電流IDRV不再驅動發光二極體群組L1，而電容52開始放電，進而提供電流IL1以維持發光二極體L1被點亮。電流IL1會隨 著電容52儲存能量的減少而降低。在第6圖中，電流IL11,IL8,IL4,IL1傾斜部分的波形皆是由第4圖的並聯電容所造成。若並聯電容52或54的電容值大到足以在到達整流後電壓VREC的波谷(接近0伏特時)時點亮至少一發光二極體群組461，則至少會有一個發光二極體一直被點亮。換句話說，第3圖中讓人感到暈眩或噁心的暗區TDARK可以在本發明第6圖的實施例中被消除。舉例來說，若第4圖的電容52非常大，發光二極體L1可被接地開關的驅動電流IDRV或電容52的放電電流驅動，以持續發光。在本實施例中，積體電路44被設定為當整流後電壓VREC增加時，最優先點亮發光二極體群組461，及當整流後電壓VREC減少時，最後關閉發光二極體群組461。
發光二極體被設計來用正向偏壓驅動以照明或發光。而這也是為什麼發光二極體製造業的半導體製程工程師鑽研在發光二極體的正向偏壓操作。雖然發光二極體容易在逆向偏壓的操作下受損，電路設計者也可將發光二極體做為整流器使用。請再參考第5B圖，當電容56放電以點亮發光二極體L4和L5時，發光二極體L5為逆向偏壓。
第7圖為本發明系統利用額外的整流二極體承受逆向偏壓電壓的示意圖。相異於第4圖的交流驅動發光二極體電路40，第7圖的交流驅動發光二極體電路具有整流二極體D1,D2,D3。整流二極體D1是電連接於發光二極體群組462和接點PIN2之間，整流二極體D2是電連接於發光二極體群組463和接點PIN2之間，而整流二極體D3是電連接於發光二極體群組464和接點PIN4之間。在本說明書中，整流二極體是指整流器，而非二極體。舉例來說，整流二極體可以是蕭基二極體(Schottky barrier diode)，其需要低正向偏壓電壓來開啟。當第7圖的電容56放電以點亮發光二極體L4和L5時，發光二極體L5的正極會具有負電壓，而接點PIN2 被接地。大部分的負電壓跨過整流二極體D1，因整流二極體D1可承受逆向偏壓操作。發光二極體L6相對地承受到較小或沒有承受到逆向偏壓電壓，且受到整流二極體D1保護。相似地，整流二極體D2可保護發光二極體L7免於受到逆向偏壓電壓傷害，而整流二極體D3可保護發光二極體L10和L12。
請再參考第5B圖，逆向偏壓電壓產生於發光二極體L6的原因是當電容56放電時，接點PIN2被短路至接地電壓GND。不像第5B圖的積體電路44，第8圖的積體電路49只有一個接地開關操作在定電流模式，而所有其他接地開關操作在開路模式。如第8圖所示，在特定大小的整流後電壓VREC下，只有接地開關SG2操作在定電流模式，以提供固定的驅動電流IDRV。除了接地開關SG2以外的所有接地開關皆操作在開路模式。當整流後的電壓VREC改變時，第8圖的積體電路49亦可將定電流模式移轉到相鄰的接地開關。在另一大小的整流後電壓VREC下，接地開關SG1可操作在定電流模式，而其他接地開關皆操作在開路模式。相對應地，當電容56放電以點亮發光二極體L4和L5時，接點PIN2的電位是浮動的，而發光二極體L6不再承受逆向偏壓電壓。
電容充電和放電的速度有可能不一樣。第9A圖為本發明具交流驅動發光二極體電路90的另一系統的示意圖。第9A圖中的某些裝置已在前面敘述說明過，因此不再贅述。充放電控制器54A是電連接於電容54和接點PIN1之間，而充放電控制器58A是電連接於電容58和發光二極體L8之間。以充放電控制器54A為例，充放電控制器54A串聯於電容54，且可提供不同的導通方式以對電容54進行充電和放電。第9B圖為充放電控制器54A的一實施例的示意圖，充放電控制器54A包含相互並聯的電阻和二極體。若二極體是處於正向偏壓的情況下，電流會流過具有較高 導電率的路徑PD。相反的，若二極體是處於逆向偏壓的情況下，電流會流過具有較低導電率的路徑PU。為了縮短或消除暗區，和充放電控制器54A串聯的電容54最好可以快速充電但慢速放電。然而，本發明並不限於第9B圖的實施例。舉例來說，在本發明其他實施例中，充放電控制器可以包含一感應器和一主動元件。主動元件串聯於電容54。感應器偵測電容54是否充電或放電，並相對應地控制主動元件的控制端，以使充電和放電的速度不同。主動元件可以是雙極性電晶體(bipolar junction transistor,BJT)，或是金氧半導體(metal oxide semiconductor,MOS)電晶體。
雖然，上述實施例皆使用具有接地開關的積體電路來實現，但本發明並不限於使用上述積體電路。第10圖為本發明實施例具另一交流驅動發光二極體電路100的系統的示意圖。除了第4圖的積體電路44被第10圖的積體電路33取代以外，第10圖幾乎相同於第4圖。控制器31可以個別地開啟或關閉旁通開關SP1,SP2,SP3,SP4。在某些時候，控制器31可使旁通開關SP1,SP3，短路，且使旁通開關SP2,SP4開路，進而讓驅動電流IDRV只流過發光二極體群組462,464。換句話說，控制器31可藉由讓相對應的旁通開關開路以點亮發光二極體群組，或者藉由讓相對應的旁通開關短路以關閉發光二極體群組。若旁通開關SP2是開路，則發光二極體群組462被選擇點亮，且電容56被充電。當旁通開關SP2是短路時，則發光二極體群組462不被選擇點亮，發光二極體L6被關閉，且電容56進行放電以暫時點亮發光二極體L4和L5。相對地，電容56可維持發光二極體L4和L5發光。
根據本發明實施例，和發光二極體並聯的電容可維持發光二極體發光，且可以縮短或消除先前技術中令人感到暈眩或噁心的暗區。
以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。
40‧‧‧交流驅動發光二極體電路
42‧‧‧控制器
44‧‧‧積體電路
461,462,463,464‧‧‧發光二極體群組
48‧‧‧全波整流器
50‧‧‧輸人端
52,54,56,58,60‧‧‧電容
L1,L4,L5,L8,L9,L11‧‧‧發光二極體
PIN1,PIN2,PIN3,PIN4‧‧‧接點
SG1,SG2,SG3,SG4‧‧‧接地開關
VREC‧‧‧整流後電壓

Claims (20)

  1. 一種系統，包含：複數個串接的發光二極體，分為複數個串接的發光二極體群組；一積體電路，包含複數個接點分別耦接至該複數個發光二極體群組，以提供一驅動電流流經至少一發光二極體群組；及一儲能裝置，具有兩端耦接至一預定發光二極體群組的一預定發光二極體，其中當該驅動電流流經該預定發光二極體群組時，該儲能裝置進行充電，及當該驅動電流不流經該預定發光二極體群組時，該儲能裝置進行放電以點亮該預定發光二極體。
  2. 如請求項1所述之系統，其中該積體電路被設定為當一電源供應器的電壓增加時，最優先點亮該預定發光二極體群組。
  3. 如請求項1所述之系統，其中該積體電路被設定為當一電源供應器的電壓減少時，最後關閉該預定發光二極體群組。
  4. 如請求項1所述之系統，其中該儲能裝置包含一電容。
  5. 如請求項4所述之系統，其中該儲能裝置另包含一具有不同導電率的充放電控制器，以分別對該電容進行充電和放電。
  6. 如請求項5所述之系統，其中該充放電控制器包含一二極體。
  7. 如請求項6所述之系統，其中該充放電控制器另包含一電阻並聯於該二極體。
  8. 如請求項5所述之系統，其中該充放電控制器包含一主動元件串接於該電容。
  9. 如請求項8所述之系統，其中該主動元件是一雙極性電晶體(bipolar junction transistor,BJT)，或是一金氧半導體(metal oxide semiconductor,MOS)電晶體。
  10. 如請求項1所述之系統，其中該積體電路包含複數個接地開關，分別選擇性地將相對應的發光二極體群組短路至一接地電壓。
  11. 如請求項10所述之系統，其中該複數個接地開關分別經由該複數個接點耦接至該複數個發光二極體群組，且當一被選擇的接地開關提供該驅動電流至一被選擇的發光二極體群組時，耦接至一上游發光二極體群組的一上游接地開關操作在一開路模式，且耦接至一下游發光二極體群組的一下游接地開關操作在一短路模式。
  12. 如請求項10所述之系統，其中該複數個接地開關分別經由該複數個接點耦接至該複數個發光二極體群組，且當一被選擇的接地開關提供該驅動電流至一被選擇的發光二極體群組時，耦接至一上游發光二極體群組的一上游接地開關操作在一開路模式，且耦接至一下游發光二極體群組的一下游接地開關操作在該開路模式。
  13. 如請求項1所述之系統，其中該積體電路包含複數個旁通開關，分別選擇性地將該驅動電流旁通過一未被選擇的發光二極體群組。
  14. 如請求項1所述之系統，另包含： 一整流器，耦接於該預定發光二極體群組及另一該發光二極體群組之間；其中當該儲能裝置放電時，該整流器防止該預定發光二極體群組的發光二極體接收到逆向偏壓電壓。
  15. 一種驅動具有串接發光二極體的系統的方法，其中該串接發光二極體被分為複數個串接的發光二極體群組，該方法包含：提供一驅動電流；選擇該複數個發光二極體群組其中之一，以使該驅動電流流經一預定發光二極體群組；當該驅動電流流經該預定發光二極體群組時儲存電力；及當該驅動電流不流經該預定發光二極體群組時，釋放電力以點亮該預定發光二極體群組的一預定發光二極體。
  16. 如請求項15所述之方法，另包含：當一電源供應器的電壓增加時，最優先點亮該預定發光二極體群組。
  17. 如請求項15所述之方法，另包含：當一電源供應器的電壓減少時，最後關閉該預定發光二極體群組。
  18. 如請求項15所述之方法，另包含：提供複數個接地開關，分別選擇性地將相對應的發光二極體群組短路至一接地電壓。
  19. 如請求項15所述之方法，另包含：提供複數個旁通開關，分別選擇性地將該驅動電流旁通過一未被選擇的發光二極體群組。
  20. 如請求項15所述之方法，另包含：分別在儲存電力和釋放電力時提供不同導電率。
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