TW201440572A

TW201440572A - 發光二極體驅動電路

Info

Publication number: TW201440572A
Application number: TW102112882A
Authority: TW
Inventors: En-Ming Wu
Original assignee: Lextar Electronics Corp
Priority date: 2013-04-11
Filing date: 2013-04-11
Publication date: 2014-10-16
Also published as: US9030128B2; US20140306616A1

Abstract

本發明係為一種發光二極體驅動電路，應用於一發光二極體負載和一交流電源之間，該電路包含：一整流單元，用以將交流電源輸出之交流電壓整流轉換成一直流電壓；一電源轉換模組，用以將直流電壓轉換成一第一驅動電壓和一第二驅動電壓，該第一驅動電壓用以驅動發光二極體負載；一穩壓單元，用以接受第二驅動電壓且對其穩壓處理而產生不超過控制單元之一最大工作電壓的一第三驅動電壓；一光耦合單元，用以根據發光二極體負載之一輸出信號而產生一回授信號；以及一控制單元，用以接受第三驅動電壓，並根據回授信號而產生一控制信號以控制電源轉換模組。

Description

發光二極體驅動電路

本發明係為一種發光二極體驅動電路，尤指一種藉由穩壓處理技術而使其所對應輸出的驅動電壓於所應用的發光二極體負載上可呈現出電壓範圍更加寬廣之發光二極體驅動電路。

發光二極體(Light Emitting Diode，簡稱LED)係為一種以半導體材料所製成的固態發光元件，具有體積小、發熱度低、高照明、耗電量小、適合量產與壽命長等性能，故目前業界於各種照明裝置或背光模組上，普遍多已採用發光二極體作為其發光光源之應用。也由於發光二極體的應用越來越廣泛，如何能提升發光二極體的發光效率或減少生產成本以降低售價，便成為重要的研發目標。

習知的發光二極體照明裝置中的交流轉直流之電源轉換的驅動電路設計，係以交換式電源供應器(Switching Power Supply)之類型為主。而所謂的交換式電源供應器是以半導體單元為切換元件，並以脈衝寬度調變(Pulse Width Modulation，簡稱PWM)的技術來控制半導體單元之開或關(on/off)的工作周期(Duty Cycle)，進而使其電源之輸出能達到穩定的效果。

依應用需求之不同，交換式電源供應器主要可區分為隔離式與非隔離式兩種驅動電路。其中隔離式之電路係為其電源輸入端與所應用的發光二極體元件輸出端之間不具有實體的電路連接，而是以變壓器之電磁感應方式輸出電壓以提供運作，也就是其兩端之間呈現電氣隔離；相對的，非隔離式之電路則為其兩端之間有實體的電路連接，也就是無電氣隔離。而目前隔離式之電路可包含有返馳式(Flyback)、順向式(Forward)、推挽式(Push-Pull)、半橋式(Half Bridge)，和全橋式(Full Bridge)等架構。

就一般中小功率的單級返馳式(Single-stage Flyback)之驅動電路來說，其具有架構簡單、製造成本低、為符合安規要求之隔離式設計及具有功率因數修正(Power Factor Correction，簡稱為PFC)之補償功能而符合國際能源效率要求等特點。如上所述，此類之驅動電路係以脈衝寬度調變(PWM)來控制電源輸出的穩定性；然而，此類之驅動電路於其所應用的發光二極體元件輸出端上的輸出電壓係會受到其半導體單元(也就是PWM的控制單元或控制積體電路)的工作電壓範圍而有所限制，因而無法應用到更大電壓範圍的發光二極體元件輸出。

詳細來說，在目前技術下，變壓器於電源輸入端與所應用的發光二極體元件輸出端之所在位置上可分別定義為一次側繞組和二次側繞組，而變壓器對此兩側所作的直流電壓輸出轉換係設計具有固定的一權數比；例如設計為1比2，當其中一側的電壓為10V時，輸出至另一側的電壓便為20V。而PWM的控制單元係位於變壓器之一次側上。是以，當所應用的發光二極體元件其所需要輸出的電壓愈高時(例如增加發光二極體元件的串數)，於PWM的控制單元上之電壓便會連動地升高。

然而，在PWM的控制單元有最大工作電壓之設計限制下，當輸出至此的電壓高於此一最大工作電壓時，PWM的控制單元便會停止PWM信號之輸出控制，進而造成控制上的誤動作或造成運作異常。因此，為使所應用的發光二極體元件能得到對應且適合的輸出電壓，驅動電路中的變壓器便需針對不同的應用情況作對應的搭配與組裝；例如針對不同的發光二極體元件的連接串數而採用具有對應權數比設計的變壓器。在此情況下，勢必將會增加製造與管理上的不便，同時也會增加生產成本。

本發明之目的在於提供一種發光二極體驅動電路。該發光二極體驅動電路係藉由穩壓處理技術，而使其所對應輸出的驅動電壓於所應用的發光二極體負載上可呈現出電壓範圍更加寬廣之特性。因此，採用單一的本發明之發光二極體驅動電路便可對多種不同運作電壓需求的發光二極體負載作搭配與組裝，進而能增進製造與管理上的便利性，並同時有效減少生產成本。

本發明係為一種發光二極體驅動電路，應用於一發光二極體負載和一交流電源之間，該發光二極體驅動電路包含有：一整流單元，用以將該交流電源輸出之交流電壓整流轉換成一直流電壓；一電源轉換模組，電連接於該整流單元和該發光二極體負載，用以將該直流電壓進行轉換並輸出成一第一驅動電壓和一第二驅動電壓，該第一驅動電壓係用以驅動該發光二極體負載以提供運作；一穩壓單元，電連接於該電源轉換模組，用以接受該第二驅動電壓且對其穩壓處理而產生一第三驅動電壓；一光耦合單元，電連接於該發光二極體負載之一輸入端，用以根據該輸入端上之一輸出信號而產生一回授信號；以及一控制單元，電連接於該穩壓單元和該光耦合單元，用以接受該第三驅動電壓之驅動，並根據該回授信號而產生一控制信號，該控制信號係以脈寬調變(PWM)方式對該電源轉換模組進行控制；其中，該穩壓單元控制該第三驅動電壓不超過該控制單元之一最大工作電壓。

根據上述構想，其中該電源轉換模組包含有：一直流對直流轉換單元，電連接於該整流單元，用以將該直流電壓轉換成一第一直流電壓和一第二直流電壓；一第一濾波器，電連接於該直流對直流轉換單元和該發光二極體負載之間，用以對該第一直流電壓進行濾波而產生該第一驅動電壓；以及一第二濾波器，電連接於該直流對直流轉換單元與該穩壓單元之間，用以對該第二直流電壓進行濾波而產生該第二驅動電壓。

根據上述構想，其中該控制單元電連接於該直流對直流轉換單元，並以脈寬調變方式控制該直流對直流轉換單元所輸出的該第一直流電壓與該第二直流電壓的大小。

根據上述構想，其中該第一驅動電壓和該第二驅動電壓係具有正比關係，且該第一驅動電壓係根據該發光二極體負載之運作負載而產生對應變化。

100‧‧‧發光二極體驅動電路

20‧‧‧交流電源

11‧‧‧整流單元

12‧‧‧電源轉換模組

120‧‧‧直流對直流轉換單元

121‧‧‧第一濾波器

122‧‧‧第二濾波器

13‧‧‧穩壓單元

14‧‧‧光耦合單元

15‧‧‧控制單元

30‧‧‧發光二極體負載

P1‧‧‧輸入端

Va‧‧‧交流電壓

Vd‧‧‧直流電壓

V11‧‧‧第一直流電壓

V12‧‧‧第二直流電壓

V21‧‧‧第一驅動電壓

V22‧‧‧第二驅動電壓

V3‧‧‧第三驅動電壓

S0‧‧‧輸出信號

S1‧‧‧回授信號

S2‧‧‧控制信號

第一圖，係為本發明所提出之一發光二極體驅動電路100的功能方塊示意圖。

第二圖，係為本發明所提出之該發光二極體驅動電路100於應用上的詳細電路圖。

現以一較佳實施例進行本發明之實施說明。請參閱第一圖，係為本發明所提出之一發光二極體驅動電路100的功能方塊示意圖。如第一圖所示，該發光二極體驅動電路100係應用於一發光二極體負載30和一交流電源20之間，該交流電源20係能輸出一交流電壓Va以提供運作，而該發光二極體負載30則可為以某一數量作串接的多個發光二極體元件。於實際之製造上，該發光二極體負載30和本發明所提出之該發光二極體驅動電路100係結合成一發光二極體照明裝置。

如第一圖所示，該發光二極體驅動電路100包含有一整流單元11、一電源轉換模組12、一穩壓單元13、一光耦合單元14和一控制單元15，而圖中亦示出各元件彼此之間的電連接關係。其中該整流單元11能將該交流電源20所輸出之該交流電壓Va進行整流而轉換成一直流電壓Vd；而電連接於該整流單元11、該發光二極體負載30和該穩壓單元13之間的該電源轉換模組12則能將該直流電壓Vd進行轉換並分別輸出成一第一驅動電壓V21和一第二驅動電壓V22。其中該第一驅動電壓V21便是用來驅動該發光二極體負載30以提供其進行運作的電壓輸出，而該第二驅動電壓V22則對應輸出至該穩壓單元13。

由此可知，應用於該交流電源20的該發光二極體驅動電路100是一種交換式電源供應器。而為使其電源之輸出能達到穩定的效果，該發光二極體驅動電路100亦使用脈衝寬度調變(PWM)的方式來進行控制。進一步來說，該電源轉換模組12還包含有一直流對直流轉換單元120、一第一濾波器121和一第二濾波器122；其中該直流對直流轉換單元120係電連接至該整流單元11，而該第一濾波器121係電連接於該直流對直流轉換單元120和該發光二極體負載30之間，該第二濾波器122則電連接於該直流對直流轉換單元120和該穩壓單元13之間。而本發明所提出之該發光二極體驅動電路100於應用上的電路設計係可進一步呈現如第二圖所示的詳細電路圖。

於此實施例中，該直流對直流轉換單元120係為一返馳式轉換(Flyback Converter)電路結構，也就是一種以電磁感應之變壓器作直流電壓輸出的隔離式電路。由先前技術所述可知，返馳式轉換電路結構針對變壓器的輸出轉換可分別定義有一次側繞組和二次側繞組，且此兩者之間係設計具有固定的一權數比。於此實施例中，該直流對直流轉換單元120能先將該直流電壓Vd轉換成一第一直流電壓V11和一第二直流電壓V12以分別進行輸出；並且定義該第一直流電壓V11係由該返馳式轉換電路結構之二次側所輸出，該第二直流電壓V12係由該返馳式轉換電路結構之一次側所輸出。

如第一圖所示，承上所述，該第一濾波器121和該第二濾波器122係用以將對應的直流電壓作更進一步的處理，而分別將該第一直流電壓V11和該第二直流電壓V12進行濾波而對應地產生該第一驅動電壓V21和該第二驅動電壓V22；也就是使分別驅動該發光二極體負載30與該穩壓單元13進行運作的電壓能以更穩定的條件作輸出。

另一方面，由先前技術所述亦可知，除了該第一直流電壓V11與該第二直流電壓V12之間的關係外，還包括經由濾波處理後所對應產生的該第一驅動電壓V21與該第二驅動電壓V22之間的關係亦呈現為正比。舉例來說，因應該發光二極體負載30的負載愈大時(例如發光二極體元件串接數量較多)，該第一驅動電壓V21便升高；或是因應其負載愈小時(例如發光二極體元件串接數量較少)，該第一驅動電壓V21便降低。也就是該第一驅動電壓V21的大小會根據該發光二極體負載30之運作負載而產生對應變化。而位於一次側的該第二驅動電壓V22則以正比於該第一驅動電壓V21的形式(即和對應之權數比、變壓器的繞線圈數有關)作對應、連動地升高或降低。

承上所述，本發明之其一特徵在於，所設置的該穩壓單元13係能接受較寬電壓範圍的驅動電壓以進行運作。是以，因應該第二驅動電壓V22正比於該第一驅動電壓V21所可能產生的大小變化，本發明之該穩壓單元13能在接受到該第二驅動電壓V22之驅動後對其進行一穩壓處理而對應地產生出一第三驅動電壓V3。而電連接於該穩壓單元13的該控制單元15便用以接受該第三驅動電壓V3之驅動以進行相關之控制運作。

此外，該光耦合單元14係電連接於該發光二極體負載30之一輸入端P1和該控制單元15之間，能根據該輸入端P1上之一輸出信號S0而產生一回授信號S1至該控制單元15。於此實施例中，該輸出信號S0係和該電源轉換模組12對該發光二極體負載30所進行的驅動有關。詳細來說，該輸出信號S0係由該發光二極體負載30所產生，其內容可為所呈現的該第一驅動電壓V21及其所對應之電流，或只有該輸入端P1上所對應之電流；或者可為根據該第一驅動電壓V21與流經該發光二極體負載30之電流或電壓的比值。

於此實施例中，該控制單元15便是根據該回授信號S1的內容進行計算而產生一控制信號S2以控制該電源轉換模組12的運作。詳細來說，該控制單元15所發出的該控制信號S2係以脈寬調變(PWM)方式對該電源轉換模組12之運作進行控制；也就是在彼此亦作電連接的情形下控制該直流對直流轉換單元120所輸出的該第一直流電壓V11與該第二直流電壓V12的大小。在該控制單元15之控制下，當開啟(Turn On)該直流對直流轉換單元120之運作時便會進行充電，而當關閉(Turn Off)該直流對直流轉換單元120之運作時便會進行放電。

承上所述，本發明之另一特徵在於，在該穩壓單元13的運作下，所產生的該第三驅動電壓V3將不會隨著該第二驅動電壓V22(正比於該第一驅動電壓V21)的變化而進行連動地改變。就實際之運作而言，也就是所產生的該第三驅動電壓V3係相對地能穩定地控制在一特定值上。於此實施例中，係設計該穩壓單元13包含一穩壓積體電路或一被動元件，而該被動元件係為一稽納二極體，從而能運作出本發明之該穩壓處理的技術。

進一步來說，於此實施例中，該穩壓單元13可經由設計而使其能以特定值之電壓(即該第三驅動電壓V3)來進行對該控制單元15之驅動。其關鍵在於需針對該控制單元15之一最大工作電壓(Maximum Voltage Ratings)進行該穩壓單元13的穩壓處理設計。由先前技術所述可知，一般的PWM控制單元係具有最大工作電壓之設計限制，而若欲使其控制單元進行正常運作，則輸出至此的電壓不能超過其最大工作電壓。是以，本發明係設計由該穩壓單元13來控制該第三驅動電壓V3不超過(即小於等於)該控制單元15之該最大工作電壓。

承上所述，因應該發光二極體負載30於應用上可能的不同負載(例如改變發光二極體元件的串接數量)，該第二驅動電壓V22便會連動地進行改變，並且有可能小於、等於或大於該控制單元15之該最大工作電壓。於此實施例中，當該第二驅動電壓V22小於(或等於)該最大工作電壓時，設計該穩壓單元13不進行其穩壓處理，而能直接以該第二驅動電壓V22的大小通過該穩壓單元13來驅動該控制單元15，以使該控制單元15能進行正常運作。這部份的效果係和先前技術相同。

承上所述，當該第二驅動電壓V22大於該最大工作電壓時，設計該穩壓單元13進行其穩壓處理，以產生出該第三驅動電壓V3來進行對該控制單元15之驅動。也就是說，此時穩壓處理後的該第三驅動電壓V3係會小於該第二驅動電壓V22；或者，就其穩壓處理的結果來說，所產生的該第三驅動電壓V3之最大值便是該最大工作電壓之值。例如：當該最大工作電壓為12V時，便設計所產生的該第三驅動電壓V3可為小於等於12V的電壓值，使得即使此時該第二驅動電壓V22是大於12V，該控制單元15仍能進行正常運作。

或者，一般來說，該控制單元15的最大工作電壓通常為某一電壓範圍而非某一電壓值。因此，針對此一情形係可設計將穩壓處理後的該第三驅動電壓V3取其最大工作電壓之範圍的中間值。例如：當該最大工作電壓為10~15V時，便設計所產生的該第三驅動電壓V3可為12.5V，使得即使此時該第二驅動電壓V22是大於15V，該控制單元15仍能進行正常運作。總而言之，如何決定所產生的該第三驅動電壓V3之值，係需根據該控制單元15之運作條件來對該穩壓單元13加以設定。

由此可知，在確保所產生之驅動該控制單元15進行運作的電壓能不超過該控制單元15本身的最大工作電壓之設計下，該發光二極體驅動電路100於各種負載條件的發光二極體負載30之應用上其對應的輸出電壓範圍便可更加寬廣。也就是根據本發明之設計概念，該發光二極體驅動電路100對於發光二極體負載30可從較少的串接數量(或代表長度較短的發光二極體燈管)到較多的串接數量(或代表長度較長的發光二極體燈管)都能作有效地應用，並能進行正常的運作。

再者，由先前技術所述可知，一般習知的驅動電路中的變壓器為了要適合所應用的發光二極體元件並作對應的電壓輸出時，係需採用不同設計的變壓器(意即設有對應的繞線圈數)來作相應的搭配與組裝。然而，由於本發明所提出之發光二極體驅動電路100於各種負載條件的發光二極體負載30之應用上其輸出電壓範圍較寬廣，使得即使其中的該直流對直流轉換單元120是以多種不同權數比的繞線圈數作設計，只要該穩壓單元13具有適當的穩壓處理功能，單一的發光二極體驅動電路100便可對多種不同運作電壓需求的發光二極體負載30作搭配與組裝。也就是說，藉由本發明所揭露之技術將能增進製造與管理上的便利性，並同時有效減少生產成本。

本發明於此較佳實施例中，係以該第一濾波器121和該第二濾波器122作為構成該電源轉換模組12的舉例說明。然而，在能達到相同濾波功效的條件下，亦可將該等濾波器以其他相關的電容器或電路結構作替換。類似地，於此較佳實施例中，係以該穩壓積體電路或諸如該稽納二極體的被動元件作為構成該穩壓單元13的舉例說明。然而，在能達到相同之穩壓處理技術的條件下，亦可以其他相關的半導體元件或電路結構作替換。

綜上所述，本發明能成功地解決先前技術所提出之相關問題，進而達到產業技術增進與發展的目的。任何熟悉本技術領域的人員，可在運用與本發明相同目的之前提下，使用本發明所揭示的概念和實施例變化來作為設計和改進其他一些方法的基礎。這些變化、替代和改進不能背離申請專利範圍所界定的本發明的保護範圍。