TW201424450A - 照明系統以及照明系統之控制方法 - Google Patents

Abstract

一種照明系統包括一整流器，用以對一交流電進行一全波整流，並產生一輸出電壓；第一、第二發光二極體群組，串聯地連接，其中第一發光二極體群組之一輸入端耦接至輸出電壓；一第一開關，具有一第一端耦接至第一發光二極體群組的一輸出端；一第二開關，具有一第一端耦接至第二發光二極體群組的一輸出端；一第一電阻，具有一第一端耦接至第一開關與第二開關之第二端，以及一第二端耦接至一接地電壓；一第一運算放大器，用以控制流經第一開關的電流；以及一第二運算放大器，用以控制流經第二開關的電流。

Description

照明系統以及照明系統之控制方法

本發明係關於一種照明系統，特別係關於一種照明系統之控制方法。

近來，隨著發光二極體(LED)大量的使用於照明系統上，愈來愈多的發光二極體照明系統使用交流電源作為發光二極體照明系統的電源。傳統上，使用交流電源作為複數個發光二極體之照明系統的電源，會將輸入之交流電經由橋式整流器將交流電作全波整流，再輸出給發光二極體使用。

為了提高電源的轉換效率，一般會將使用交流電源作為電源的發光二極體電路設計成多段導通，使得在不同的輸入電壓下可以開啟不同數量的發光二極體，並且可以控制流過發光二極體的電流。一般藉由開關來切換不同數量的發光二極體，然而開關的切換瞬間會造成電流瞬間的變化，造成電流上三階諧波(THD)的量增加，並且瞬間變動的電流也會造成電磁干擾(EMI)的問題。

本發明的目的在於使得發光二極體群組逐級導通或關閉過程中，電流平穩的變化，避免電流突變的問題產生。

本發明係提供一種照明系統包括一整流器，用以對一交流電進行一全波整流，並產生一輸出電壓；第一、第二發光二極體群組，串聯地連接，其中第一發光二極體群組 之一輸入端耦接至輸出電壓；一第一開關，具有一第一端耦接至第一發光二極體群組的一輸出端；一第二開關，具有一第一端耦接至第二發光二極體群組的一輸出端；一第一電阻，具有一第一端耦接至第一開關與第二開關之第二端，以及一第二端耦接至一接地電壓；一第一運算放大器，具有一輸出端耦接至第一開關之一控制端、一反相輸入端耦接於第一電阻之第一端，以及一非反相輸入端耦接一第一參考電壓；以及一第二運算放大器，具有一輸出端耦接至第二開關之一控制端、一反相輸入端耦接至第一電阻之第一端，以及一非反相輸入端耦接一第二參考電壓，其中第一參考電壓大於接地電壓，第二參考電壓大於第一參考電壓。

本發明亦提供一種照明系統之控制方法，照明系統包括一整流器、第一、第二發光二極體群組、第一、第二開關以及第一、第二運算放大器，控制方法包括藉由整流器對一交流電進行一全波整流，並產生一輸出電壓；將輸出電壓輸出至串聯連接之第一發光二極體群組與第二發光二極體群組，其中第一發光二極體群組具有一第一等效導通電壓，並由N個串聯連接的發光二極體所構成，而第二發光二極體群組具有一第二等效導通電壓，並由M個串聯連接的發光二極體所構成，N與M為大於零之整數；當一第一電阻上之一回授電壓小於一第一參考電壓時，導通第一開關與第二開關；當輸出電壓大於第一等效導通電壓時，導通第一發光二極體群組，並產生經由第一開關流至第一電阻之一第一電流，並且藉由第一運算放大器根據第一參 考電壓控制第一開關，使得回授電壓小於或等於第一參考電壓；以及當輸出電壓大於第一等效導通電壓與第二等效導通電壓之加總時，導通第一發光二極體群組與第二發光二極體群組，並產生經由第二開關流至第一電阻之一第二電流，並且藉由第二運算放大器根據一第二參考電壓控制第二開關，使得回授電壓小於或等於第二參考電壓，其中第二參考電壓大於第一參考電壓，第一參考電壓大於零。

為了讓本發明之上述和其他目的、特徵、和優點能更明顯易懂，下文特舉一較佳實施例，並配合所附圖示，作詳細說明如下：

以下將詳細討論本發明各種實施例之裝置及使用方法。然而值得注意的是，本發明所提供之許多可行的發明概念可實施在各種特定範圍中。這些特定實施例僅用於舉例說明本發明之裝置及使用方法，但非用於限定本發明之範圍。

第1圖為本發明所提供之照明系統的示意圖。如第1圖所示，照明系統40包括一整流器49、一第一發光二極體群組50、一第一運算放大器51、一第一電晶體52、一第二發光二極體群組53、一第二運算放大器54、一第二電晶體55以及一電阻60。整流器49用以將所接收之交流電進行全波整流，產生半正弦波的輸出電壓V0。舉例而言，整流器49可以為半波整流器、全波整流器或是橋式整流器，但不以此為限。

第一發光二極體群組50為N個發光二極體串接而成， 並具有一第一等效導通電壓，第二發光二極體群組53為M個發光二極體串接而成，並具有一第二等效導通電壓，N與M為大於零之整數。在一實施例中，N等於M，並且第一等效導通電壓等於第二等效導通電壓。在一實施例中，N不等於M，並且第一等效導通電壓不等於第二等效導通電壓。在一實施例中，第一發光二極體群組50以及第二發光二極體群組53串接相同數量的發光二極體，具有相同的等效導通電壓，且該等效導通電壓為90伏特。當第一發光二極體群組50輸入端的輸出電壓Vo與輸出端的電壓V1之電壓差大於90伏特時，第一發光二極體群組50將會導通。同理，當第二發光二極體群組53之輸入端上的電壓V1與其輸出端上的電壓V2間之電壓差大於90伏特時，第二發光二極體群組53將會導通。發光二極體群組50與53的等效導通電壓可以根據交流電源的電壓，或是所串接之發光二極體的個數去做調整，並不以此為限。

第一運算放大器51具有一非反相輸入端耦接至一第一參考電壓Vref1，以及一反相輸入端耦接至電阻60，電阻60根據流過其上的電流產生一回授電壓Vfb。第一運算放大器51、第一電晶體52以及電阻60形成一負回授迴路(negative feed back loop)P1。第一運算放大器51根據第一參考電壓Vref1與回授電壓Vfb控制流過第一電晶體52的電流I1。同理，第二運算放大器54具有一非反相輸入端耦接至一第二參考電壓Vref2，以及一反相輸入端耦接至電阻60。第二運算放大器54、第二電晶體55以及電阻60形成一負回授迴路(negative feed back loop)P2。第二運算放大 器54根據第二參考電壓Vref2與回授電壓Vfb控制流過第二電晶體55的電流I2。在本實施例中，第二參考電壓Vref2大於第一參考電壓Vref1，第一參考電壓Vref1大於零伏特(例如接地電壓)。在本實施例中，第一、第二電晶體52與55係作為開關之用，並且第一、第二電晶體52與55亦可為金氧半(MOS)電晶體、雙載子接面電晶體(BJT)、場效電晶體(FET)以及接面場效電晶體(JFET)，但不限定於此。在某些實施例中，第一、第二運算放大器51與54亦可由比較單元所取代。

第2(a)圖至第2(c)圖係為用以說明第1圖之照明系統的操作時序圖。第2(a)圖用以說明交流電經過橋式整流器整流之輸出電壓Vo的波形。舉例而言，220伏特之交流電經過整流器49的全波整流之後，轉換成具有半正弦波之輸出電壓Vo，並且輸出電壓Vo的電壓峰值為311伏特。第2(b)圖及第2(c)圖用以分別說明流經第一電晶體52之電流I1及流經第二電晶體55之電流I2相對於第2(a)圖之輸出電壓Vo的時序圖。

在一實施例中，第一發光二極體群組50與第二發光二極體群組53的等效導通電壓皆為90伏特。當時間於t0~t1時，輸出電壓Vo小於90伏特。此時，輸出電壓Vo小於第一發光二極體群組50的第一等效導通電壓，第一發光二極體群組50關閉，流經電阻60的電流為零，電阻60上的回授電壓Vfb為零。此外，由於第一參考電壓Vref1與第二參考電壓Vref2皆大於回授電壓Vfb，所以第一運算放大器51以及第二運算放大器54的輸出電壓Vc1及Vc2皆為 第一準位(例如高準位)，使得第一電晶體52以及第二電晶體55皆為導通狀態。

當時間於t1至t1’時，輸出電壓Vo大於90伏特。此時，第一發光二極體群組50輸入端的輸出電壓Vo與輸出端的電壓V1之電壓差大於90伏特，第一發光二極體群組50將會導通，流經第一發光二極體群組50的電流I1將會經過第一電晶體52流到電阻60，並且在電阻60上產生回授電壓Vfb。隨著輸出電壓Vo逐漸增加，通過第一發光二極體群組50到第一電晶體52以及電阻60的電流I1也會隨著輸出電壓Vo而增加，因此回授電壓Vfb也隨著流過電阻60之電流而增加。當時間到達t1’時，由第一運算放大器51、第一電晶體52以及電阻60所構成的負回授迴路P1會將第一運算放大器51的反相輸入端所耦接的回授電壓Vfb鎖在一第一電壓。此時，流經電阻60的電流為一第一負載電流Io1，其中第一負載電流Io1為第一電壓除以電阻60之阻值。在實施例中，第一電壓小於或等於第一參考電壓Vref1。舉例而言，當第一運算放大器51為理想放大器具有無限大之增益(gain)時，則第一電壓等於第一參考電壓Vref1。

當時間於t2至t2’時，輸出電壓Vo大於180伏特。此時，輸出電壓Vo大於第一發光二極體群組50與第二發光二極體群組53的第一等效導通電壓與第二等效導通電壓之加總。因此，第一發光二極體群組50與第二發光二極體群組53將會同時導通，流經第二發光二極體群組53之電流I2將經由第二電晶體55流到電阻60。隨著輸出電壓Vo 逐漸增大，此時流經第一電晶體52的電流I1將由第一負載電流Io1逐漸變小，直到電流I1為零，第一電晶體52關閉。相反地，流經第二電晶體55的電流I2將逐漸增加，直到流經第二電晶體55的電流I2為一第二負載電流Io2。

當時間於t2’至t3’時，第二運算放大器54、第二電晶體55以及電阻60所構成的負回授迴路P2，會將第二運算放大器54的反相輸入端所耦接的回授電壓Vfb鎖在一第二電壓。此時，流經電阻60的電流為第二負載電流Io2，其中第二負載電流Io2為該第二電壓除以電阻60之阻值。在實施例中，第二電壓小於或等於第二參考電壓Vref2。舉例而言，當第二運算放大器54為理想放大器具有無限大之增益(gain)時，則第二電壓等於第二參考電壓VVref2。

當時間於t3’至t3時，隨著輸出電壓Vo繼續往下降至180伏特，流過第二電晶體54的電流I2將由第二負載電流Io2逐漸往下減少，直到電流I2為零。然而，當流經第二電晶體54的電流I2往下降至小於第一負載電流Io1時，電阻60上之回授電壓Vfb會降至第一電壓。此時，第一運算放大器51導通第一電晶體52。隨著電流I2的減少流經第一電晶體52的電流I1將逐漸增加，直到流經第一電晶體52的電流I1為第一負載電流Io1。

當時間於t3至t4’時，由於輸出電壓Vo小於180伏特，輸出電壓Vo小於第一發光二極體群組50與第二發光二極體群組53的第一等效導通電壓與第二等效導通電壓之加總，但大於第一發光二極體群組50的第一等效導通電壓。因此，第一發光二極體群組50會維持導通，而第二發光二 極體群組53則會關閉，由第一運算放大器51、第一電晶體52以及電阻60所構成的負回授迴路P1，將流經電阻60的電流鎖定在第一負載電流Io1。

當時間於t4’至t4時，隨著輸出電壓Vo繼續往下降至90伏特，使得流經第一電晶體52的電流I1將由第一負載電流Io1逐漸往下減少，直到電流I1為零。由於回授電壓Vfb小於第一參考電壓Vref1，所以第一運算放大器51會持續地導通第一電晶體52。

當時間於t4至t5時，由於輸出電壓Vo小於90伏特，第一發光二極體群組50與第二發光二極體群組53皆無法導通電流為零。此時，第一電晶體52與第二電晶體55皆為導通。由於輸出電壓Vo為週期性半正弦波，照明系統40週期性地重覆前述的操作過程，於此不再贅述。在本實施例中，由於回授電壓Vfb不會大於第二參考電壓Vref2，所以第二運算放大器54於時間t0~t5都會導通第二電晶體55。

由第2圖之操作時序圖可以得知，電晶體在導通或關閉時，流過電晶體之電流是逐漸增加或是逐漸減少不會有瞬間之變化。舉例而言，如第2(b)圖的操作時序圖所示，第一電晶體52於t1~t1’時的導通過程中，流過第一電晶體52的電流I1係隨著輸出電壓Vo的增加由零逐漸往上增加至第一負載電流Io1。同理，第一電晶體52於t2~t2’時的關閉過程中，流過第一電晶體52的電流I1係隨著輸出電壓Vo的增加由第一負載電流Io1逐漸往下降直到零。

第3圖為根據本發明之另一實施例。如第3圖所示， 照明系統80與第1圖所示的照明系統類似，差別在於照明系統80更包括第三發光二極體群組56、第三運算放大器57以及第三電晶體58。第三發光二極體群組56具有一第三等效導通電壓，第三運算放大器57的非反相輸入端耦接至一第三參考電壓Vref3，並且第三參考電壓Vref3大於第二參考電壓Vref2。

第4(a)圖與第4(b)圖用以說明第3圖之照明系統80的操作時序圖。第4(a)圖為整流器49之輸出電壓Vo的波形。第4(b)圖係為根據第3圖之照明系統80中流過電阻60的電流I與輸出電壓Vo的操作時序圖。另外，於第4(b)圖之操作時序圖中為便於說明，因此將第3圖的第一運算放大器51、第二運算放大器54以及第三運算放大器57皆視為理想放大器具有無限大之增益，以及第一發光二極體群組50、第二發光二極體群組53、第三發光二極體群組56的等效導通電壓皆為90伏特。同時，第一、第二以及第三電晶體的開始導通或關閉的暫態過程，如第2圖所示之週期t1~t1’、t2~t2’、t3’~t3以及t4’~t4如相關說明所述，於此不再贅述。

如第4(b)圖所示，當輸出電壓Vo小於90伏特時，第一發光二極體群組50將關閉，流過電阻60之電流I等於零。

當輸出電壓Vo於90~180伏特時，第一發光二極體群組50將導通，並且由第一運算放大器51、第一電晶體52以及電阻60構成負回授迴路P1，使得回授電壓Vfb等於第一參考電壓Vref1，流過電阻60之電流I等於第一參考 電壓Vref1除以電阻60之電阻值Ro。

當輸出電壓Vo於180~270伏特時，第二發光二極體群組53與第二電晶體55將會導通，第一電晶體52則將關閉。並且由第二運算放大器54、第二電晶體55以及電阻60構成負回授迴路P2，使得回授電壓Vfb等於第二參考電壓Vref2，流過電阻60之電流I等於第二參考電壓Vref2除以電阻60之電阻值Ro。

當輸出電壓Vo於270~311伏特時，第三發光二極體群組56與第三電晶體58將會導通，第二電晶體55則將關閉。並且由第三運算放大器57、第三電晶體58以及電阻60構成負回授迴路P3，使得回授電壓Vfb等於第三參考電壓Vref3，流過電阻60之電流I等於第三參考電壓Vref3除以電阻60之電阻值Ro。

在本發明之實施例中，一發光二極體群組、一運算放大器與一電晶體可視為一發光二極體控制電路。在某些實施例中，為了提高電源的轉換效率，照明系統可串接多組的發光二極體控制電路，用以提高能源轉換效率。舉例而言，照明系統可串接四組發光二極體控制電路或5組發光二極體控制電路，但不以此為限。

本發明之照明系統在電晶體開關時不會有電流瞬間變化的情形產生，使得使用交流電源之發光二極體群組，於發光二極體群組逐級導通或關閉的過程中，流過發光二極體的電流可以平穩變化而不是瞬間變化，因此可以降低三階諧波的效應以及具有較低的電磁干擾。

40、80‧‧‧照明系統

49‧‧‧整流器

50、53、56‧‧‧發光二極體群組

51、54、57‧‧‧運算放大器

52、55、58‧‧‧電晶體

60‧‧‧電阻

Vo‧‧‧輸出電壓

Vfb‧‧‧回授電壓

V1、V2、V3‧‧‧電壓

Vref1、Vref2、Vref3‧‧‧參考電壓

I、I1、I2、I3‧‧‧電流

Io1、Io2‧‧‧負載電流

P1、P2、P3‧‧‧負回授迴路

第1圖係為本發明的照明系統之一示意圖；第2a圖係為本發明的照明系統之時序圖；第2b圖係為本發明的照明系統之另一時序圖；第2c圖係為本發明的照明系統之另一時序圖；第3圖係為本發明的照明系統之另一示意圖；以及第4圖係為本發明的照明系統之時序圖。

40‧‧‧照明系統

49‧‧‧整流器

50、53‧‧‧發光二極體群組

51、54‧‧‧運算放大器

52、55‧‧‧電晶體

60‧‧‧電阻

Vo‧‧‧輸出電壓

Vfb‧‧‧回授電壓

V1、V2‧‧‧電壓

Vref1、Vref2‧‧‧參考電壓

I1、I2‧‧‧電流

P1、P2‧‧‧負回授迴路

Claims (15)

1. 一種照明系統，包括：一整流器，用以對一交流電進行一全波整流，並產生一輸出電壓；第一、第二發光二極體群組，串聯地連接，其中該第一發光二極體群組之一輸入端耦接至該輸出電壓；一第一開關，具有一第一端耦接至該第一發光二極體群組的一輸出端；一第二開關，具有一第一端耦接至該第二發光二極體群組的一輸出端；一第一電阻，具有一第一端耦接至該第一開關與該第二開關之第二端，以及一第二端耦接至一接地電壓；一第一運算放大器，具有一輸出端耦接至該第一開關之一控制端、一反相輸入端耦接於該第一電阻之該第一端，以及一非反相輸入端耦接一第一參考電壓；以及一第二運算放大器，具有一輸出端耦接至該第二開關之一控制端、一反相輸入端耦接至該第一電阻之該第一端，以及一非反相輸入端耦接一第二參考電壓，其中該第一參考電壓大於該接地電壓，該第二參考電壓大於該第一參考電壓。
2. 如申請專利範圍第1項所述之照明系統，其中當該第一電阻之該第一端上所形成的一回授電壓小於該第一參考電壓時，該第一運算放大器與該第二運算放大器分別將該第一開關及該第二開關導通，並且當該回授電壓大於該第一參考電壓並且小於該第二參考電壓時，則該第一運算 放大器將該第一開關關閉，而該第二運算放大器將該第二開關導通。
3. 如申請專利範圍第1項所述之照明系統，更包括：一第三發光二極體群組，具有一輸入端耦接至該第二發光二極體群組的該輸出端；一第三開關，具有一第一端耦接至該第三發光二極體群組的一輸出端，以及一第二端耦接於該第一電阻之該第一端；以及一第三運算放大器，具有一輸出端耦接至該第三開關之一控制端、一反相輸入端耦接至該第一電阻之該第一端，以及一非反相輸入端耦接一第三參考電壓，其中該第三參考電壓大於該第二參考電壓。
4. 如申請專利範圍第3項所述之照明系統，其中當該回授電壓小於該第一參考電壓時，該第一運算放大器、該第二運算放大器與該第三運算放大器將該第一開關、該第二開關及該第三開關導通；當該回授電壓大於該第一參考電壓並且小於該第二參考電壓時，則該第一運算放大器將該第一開關關閉，而該第二運算放大器與該第三運算放大器分別將該第二開關及該第三開關導通；當該回授電壓大於該第二參考電壓並且小於該第三參考電壓時，則該第一運算放大器與該第二運算放大器分別將該第一開關與該第二開關關閉，而該第三運算放大器將該第三開關導通。
5. 如申請專利範圍第1項所述之照明系統，其中該整 流器為橋式整流器。
6. 如申請專利範圍第1項所述之照明系統，其中該第一發光二極體群組為N個發光二極體串接，並且具有一第一等效導通電壓，而該第二發光二極體群組為M個發光二極體串接，並且具有一第二等效導通電壓，其中N、M為大於零之整數。
7. 如申請專利範圍第6項所述之照明系統，其中N不等於M，並且該第一等效導通電壓不等於該第二等效導通電壓。
8. 如申請專利範圍第6項所述之照明系統，其中N等於M，並且該第一等效導通電壓等於該第二等效導通電壓。
9. 如申請專利範圍第6項所述之照明系統，其中當該輸出電壓大於該第一等效導通電壓並且小於該第一等效導通電壓與該第二等效導通電壓之加總時，該第一發光二極體群組導通，其中該第一開關、該第一運算放大器以及該第一電阻所形成一第一回授迴路，使得該回授電壓小於或等於該第一參考電壓。
10. 如申請專利範圍第9項所述之照明系統，其中當該輸出電壓大於該第一等效導通電壓與該第二等效導通電壓之加總時，該第一發光二極體群組與該第一發光二極體群組皆導通，該第二開關、該第二運算放大器以及該第一電阻所形成一第二回授迴路，使得該回授電壓小於或等於該第二參考電壓。
11. 一種照明系統之控制方法，該照明系統包括一整流器、第一、第二發光二極體群組、第一、第二開關以及 第一、第二運算放大器，該控制方法包括：藉由該整流器對一交流電進行一全波整流，並產生一輸出電壓；將該輸出電壓輸出至串聯連接之該第一發光二極體群組與該第二發光二極體群組，其中該第一發光二極體群組具有一第一等效導通電壓，並由N個串聯連接的發光二極體所構成，而該第二發光二極體群組具有一第二等效導通電壓，並由M個串聯連接的發光二極體所構成，N與M為大於零之整數；當一第一電阻上之一回授電壓小於一第一參考電壓時，導通該第一開關與該第二開關；當該輸出電壓大於該第一等效導通電壓時，導通該第一發光二極體群組，並產生經由該第一開關流至該第一電阻之一第一電流，並且藉由該第一運算放大器根據該第一參考電壓控制該第一開關，使得該回授電壓小於或等於該第一參考電壓；以及當該輸出電壓大於該第一等效導通電壓與該第二等效導通電壓之加總時，導通該第一發光二極體群組與該第二發光二極體群組，並產生經由該第二開關流至該第一電阻之一第二電流，並且藉由該第二運算放大器根據一第二參考電壓控制該第二開關，使得該回授電壓小於或等於該第二參考電壓，其中該第二參考電壓大於該第一參考電壓，該第一參考電壓大於零。
12. 如申請專利範圍第11項所述之照明系統之控制方法，其中當該第一發光二極體群組與該第二發光二極體群 組導通時，該第一運算放大器係隨著該第二電流的增加，漸進式地關閉該第一開關。
13. 如申請專利範圍第11項所述之照明系統之控制方法，其中該照明系統更包括一第三發光二極體群組、一第三開關以及一第三運算放大器，該第三發光二極體群組具有一第三等效導通電壓，並由X個串聯連接的發光二極體所構成，X為大於零之整數，並且該控制方法更包括：該回授電壓小於該第一參考電壓時，導通該第一開關、該第二開關與該第三開關；當該輸出電壓大於該第一等效導通電壓、該第二等效導通電壓與該第三等效導通電壓之加總時，導通該第一發光二極體群組、該第二發光二極體群組與該第三發光二極體群組，並產生經由該第三開關流至該第一電阻之一第三電流，藉由該第三運算放大器根據一第三參考電壓控制該第三開關，使得該回授電壓小於或等於該第三參考電壓，其中該第三參考電壓大於該第二參考電壓。
14. 如申請專利範圍第13項所述之照明系統之控制方法，其中當該第一發光二極體群組、該第二發光二極體群組與該第三發光二極體群組導通時，該第二運算放大器係隨著該第三電流的增加，漸進式地關閉該第二開關。
15. 如申請專利範圍第11項所述之照明系統之控制方法，其中該整流器為橋式整流器。