TW201511610A - Ｌｅｄ負載驅動電路 - Google Patents

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    • Y02B20/30—Semiconductor lamps, e.g. solid state lamps [SSL] light emitting diodes [LED] or organic LED [OLED]

Abstract

一種LED負載驅動電路，此驅動電路包括整流電路、LED驅動積體電路，以及升降壓LED驅動電路，整流電路將交流電源整流成為直流電源。LED驅動積體電路內含穩壓電路、電壓檢測電路、信號產生器以及共同接地端。穩壓電路對直流電源進行穩壓來產生穩壓後電壓。電壓檢測電路檢測穩壓後電壓是否符合電壓標準，當穩壓後電壓符合電壓標準，輸出穩壓後電壓；信號產生器電性連接電壓檢測電路並產生脈波寬度調變信號。共同接地端上的電壓準位與LED負載之負載接地端的電壓準位相同。升降壓LED驅動電路依據LED負載之負端點上的剩餘電壓，將經過檢測之穩壓後電壓轉換為輸出驅動電壓。

Description

LED負載驅動電路
本發明係有關於一種驅動電路，且特別是有關於一種用來驅動發光二極體的驅動電路。
近年來，隨著光電技術發展，業界開發了許多種新穎的照明設備，其中，發光二極體(Light-Emitting Diode,LED)燈管受到廣泛的關注。發光二極體燈管的發光效率和使用壽命均優於傳統的白熾燈管，且在製造上無環保問題，符合節能環保的趨勢。
發光二極體燈管所組成的照明系統最常被人提到的優點即為高效率和較長的使用壽命。在高效率的部份可分成轉換效率和功率因子(Power Factor,PF)二個特性。轉換效率所指的是交流電輸入到發光二極體工作輸出，這個過程中有多少輸入功率實際傳遞至發光二極體。若輸入功率傳達至輸出功率的比例愈高，則轉換效率愈高。
功率因子則與電力訊號的實功率和虛功率有關，電力公司提供市電電壓為110V~220V、頻率為50~60Hz的三相交流電源。一般電阻性負載的瞬時消秏功率為電壓與電 流之乘積(P=VI)。然而，純電感性負載或純電容性負載則會造成電流與電壓之間具有90°的相位差，進而造成實功率損失，瞬時消秏功率之計算如下：P=VI cos θ，其中I代表電流，V代表電壓，θ為電流與電壓之間的相位差角度。此外，功率因子之計算如下：，其中PF代表功率因子，I代表電流，V代表電壓，θ為電流與電壓之間的相位差角度。
如上述算式所示，當電流與電壓之間具有90°的相位差時(例如當負載為純電感性負載或純電容性負載)，將使得功率因子大幅下降至0。
由於發光二極體不是純電阻性負載，且用以驅動發光二極體的驅動電路具有電感與電容之特性，因此，輸入電壓和輸入電流之間存在相位差，使得功率因子下降，這將使得電力公司需要輸出更多的功率，才能讓發光二極體達到預設輸出功率。而相位差所產生的虛功率將轉化為不必要的熱能消耗。因此功率因子的提升，將能有效幫助電力公司降低需要輸出的功率，實質地節省電力，因此，驅動電路需要採用功率因子校正器(Power Factor Corrector)來提升功率因子。然而，採用功率因子校正器的驅動電路，通常會存在電流紋波問題(Current Ripple Problem)與閃爍問題(Flicker Problem)，這些問題將造成LED電流不穩定，導致發光品質降低。
因此，本發明之一方面提供一種LED負載驅動電路，在採用功率因子校正器來提升功率因子的同時，也能夠減少電流紋波(Ripple)與電壓紋波。
依據本發明之一實施例，LED負載驅動電路包括一整流電路(Rectifier circuit)、一LED驅動積體電路(Single LED driver Integrated Circuit)，以及一升降壓LED驅動電路。整流電路將一交流電源整流成為一直流電源。LED驅動積體電路包括一穩壓電路(Regulator Circuit)、一電壓檢測電路、一信號產生器，以及一共同接地端。穩壓電路對直流電源進行穩壓來產生一穩壓後電壓；電壓檢測電路檢測穩壓後電壓是否符合一電壓標準，當穩壓後電壓符合電壓標準，輸出穩壓後電壓。信號產生器電性連接電壓檢測電路並產生一脈波寬度調變信號(Pulse width modulation signal)。共同接地端上的電壓準位與一LED負載之一負載接地端的電壓準位相同。升降壓LED驅動電路依據LED負載之一負端點上的一剩餘電壓，將經過檢測之穩壓後電壓轉換為一輸出驅動電壓。
藉由以上實施例的LED負載驅動電路，LED負載上的電流以及電壓可以穩定而減少紋波，閃爍的現象就可以被減輕，照明品質得以被提升。此外，由於採用了功率因子校正器來改善功率因子(Power Factor)，因此可以減少不必要的功率消耗。
100‧‧‧LED負載驅動電路
103‧‧‧交流電源
105‧‧‧整流電路
107‧‧‧直流電源電路
109‧‧‧穩壓電路
111‧‧‧電壓檢測電路
113‧‧‧信號產生器
115‧‧‧LED負載
117‧‧‧電流控制電路
119‧‧‧錯誤檢測電路
121‧‧‧LED驅動積體電路
200‧‧‧驅動電路
201‧‧‧共同接地端
205‧‧‧信號產生器
207‧‧‧功率電晶體
209‧‧‧第一電感器
211‧‧‧第一二極體
213‧‧‧第二電容器
221‧‧‧LED驅動積體電路
300‧‧‧LED負載驅動電路
305‧‧‧整流電路
307‧‧‧LED驅動積體電路
309‧‧‧升降壓LED驅動電路
311‧‧‧第三電容器
313‧‧‧LED負載
315‧‧‧LED負載負端
319‧‧‧第五電阻
321‧‧‧第四電阻
323‧‧‧第二電阻
325‧‧‧第三電阻
327‧‧‧共同接地端
400‧‧‧LED驅動積體電路
401‧‧‧並聯穩壓電路
405‧‧‧邏輯控制電路
407‧‧‧閘極驅動電路
409‧‧‧積分器
411‧‧‧比較器
第1圖係繪示本發明一實施例LED負載驅動電路之方塊圖。
第2圖係繪示本發明一實施例LED負載驅動電路之部分電路圖。
第3圖係繪示本發明一實施例LED負載驅動電路之電路圖。
第4圖係繪示本發明一實施例LED驅動積體電路之電路圖。
第5圖係繪示本發明一實施例與傳統的LED電壓與LED電流之波形比較示意圖。
以下實施例的LED負載驅動電路，採用整流電路(Rectifier Circuit)以及單顆LED驅動積體電路(Single LED Driver Integrated Circuit)，先將交流(AC)電源轉換為直流(DC)電源，這個直流電源接著會被繼續轉換為定電流源(Constant Current)來驅動LED負載。如此一來，LED負載上的電流以及電壓可以穩定而少紋波，閃爍的現象就可以被減輕，照明品質得以被提升。此外，由於採用了功率因子校正器來改善功率因子(Power Factor)，因此可以減少不必要的功率消耗。
第1圖係繪示本發明一實施例LED負載驅動電路 之方塊圖。LED負載驅動電路100包括整流電路(Rectifier circuit)105、LED驅動積體電路(Single LED driver Integrated Circuit)121，以及升降壓LED驅動電路(Buck-Boost LED Driver)(第2圖當中的元件符號203)。
整流電路105，例如橋式整流電路(Bridge Rectifier)，將交流電源(AC Power Source)103整流成為直流電源(DC Power Source)。一般而言，交流電源103可為110V或是220V的電壓信號，其頻率則介於50HZ至60HZ之間。
LED驅動積體電路121包括穩壓電路(Regulator Circuit)109、電壓檢測電路111、信號產生器113，以及共同接地端(第2圖當中的元件符號201)。穩壓電路109對直流電源進行穩壓來產生穩壓後電壓，其中，直流電源可來自於整流電路105，或是直接來自於直流電源電路107。藉由此穩壓電路109，LED驅動積體電路121就不會被過高的電壓損害，例如被超過電壓值上限的高電壓所損害。
電壓檢測電路111檢測穩壓後電壓是否符合電壓標準，當穩壓後電壓符合電壓標準，則輸出穩壓後電壓。例如，電壓檢測電路111會檢測穩壓後電壓是否穩定且其電壓值是否固定而少變化，例如固定為10V。若穩壓後電壓為穩定的10V信號，此一穩壓後電壓會被傳遞給信號產生器113來進行進一步運作。另一方面，若穩壓後電壓不穩定，則電壓檢測電路111會使穩壓電路109重複地產生穩壓後電壓，直至穩壓後電壓符合電壓標準為止。
信號產生器113電性連接電壓檢測電路111，來產生脈波寬度調變信號(Pulse Width Modulation Signal)。脈波寬度調變信號的工作週期(Duty Cycle)，會與導通LED負載115所需要的驅動電壓的大小成比例。具體來說，如果LED串由數個LED串接組成且需要30V的電壓降才能使其上的LED都導通，則脈波寬度調變信號的工作週期就需要夠長，才能產生30V電壓降來導通LED負載115。
當LED負載115可以被驅動電壓導通時，電流控制電路117會控制流經LED負載115之負載電流的電流量，LED負載115的負端(第3圖當中的元件符號315)上則存在一剩餘電壓。如果剩餘電壓過高，代表信號產生器113產生過多的能量，超過導通LED負載115所需要的，電流控制電路117會促使信號產生器113縮短脈波寬度調變信號的工作週期，使驅動電壓下降，這樣就可以減少不必要的功率消耗，因此整體功率消耗就可以被降低。當LED負載115可以被導通且剩餘電壓不超過預定值，電流控制電路117會鎖定負載電流的電流量。
錯誤檢測電路119監測LED負載115以及電流控制電路117的狀態，並依據監測結果，來決定是否使信號產生器113停止運作。當LED負載115、電流控制電路117開路或是短路時，錯誤檢測電路119會使信號產生器113停止運作。
藉由此種兩階段式電路結構(交流轉換至直流，直流再轉換為固定電流)，電流紋波的數量以及能量都會被減 少，因此照明品質就可以被提升。
第2圖係繪示本發明一實施例LED負載驅動電路之部分電路圖。此一實施例僅繪示出驅動電路200的LED驅動積體電路221以及升降壓LED驅動電路203。信號產生器205被採用來產生脈波寬度調變信號。
升降壓LED驅動電路203，例如靴帶式反向昇降壓電路(Boostrap Inverting Buck-Boost Circuit)，會將經過檢測的穩壓後電壓轉換為輸出驅動電壓VOUT。
升降壓LED驅動電路203包括開關元件，第一電感器209、第二電容器213，以及第一二極體211。開關元件，例如功率電晶體207，受到脈波寬度調變信號的控制來傳遞充電電壓VCC，此功率電晶體207具有閘極電性連接信號產生器205，其源極則電性連接共同接地端201。第一電感器209具有第一端電性連接共同接地端201，當功率電晶體207導通，第一電感器209被充電電壓VCC充電來產生電感電流IL。具體來說，共同接地端201的作用如同LED驅動積體電路221的接地端，這樣的連接形式形成靴帶式架構，可以增加電路的輸入阻抗。藉由在驅動電路的電源供應處形成靴帶式架構，高電壓製程，例如40V製程就可以被實現，高壓電源輸入，例如110V或是220V的交流電輸入也就可以被實現，驅動電路的製造成本就可以被降低。
第二電容器213具有一端電性連接共同接地端201，此第二電容器213由電感電流IL所充電，第二電容器213的兩端(+ -)上提供輸出驅動電壓。事實上，脈波寬度調 變信號的工作週期越長，第二電容器213上所儲存的輸出驅動電壓就越高。第一二極體211的正端(陽極)電性連接第一電感器209，第一二極體211的負端(陰極)電性連接第二電容器213。
第3圖係繪示本發明一實施例LED負載驅動電路之電路圖。LED負載驅動電路300主要含有整流電路305、LED驅動積體電路307，以及升降壓LED驅動電路309。
除了功率電晶體207、第一電感器209、第二電容器213、第一二極體211以外，此一實施例的升降壓LED驅動電路309更進一步含有第三電容器311、第二電阻323，以及第三電阻325。第三電容器311的第一端電性連接共同接地端327，其另一端電性連接第一二極體211之負端，其中LED負載313電性連接第三電容器311之另一端。第二電阻323電性連接於功率電晶體207以及第一電感器209之間。第三電阻325電性連接於LED驅動積體電路307的信號產生器以及功率電晶體207之間。
在此一實施例當中，LED驅動積體電路307至少具有信號產生器(輸出接腳為「Gate」)、電流控制電路(輸出接腳為「LED」)，以及錯誤檢測電路(輸出接腳為「OVP」)。
電流控制電路控制流經LED負載313之負載電流IL之電流量，並將LED負載313之負端點315上之剩餘電壓，提供給LED驅動積體電路307內的信號產生器。如此一來，信號產生器就可以依據LED負載313的狀態來調變脈波寬度調變信號的工作週期長度。舉例來說，如果負端 點315上之剩餘電壓過高，信號產生器會縮短工作週期的長度，來減少不必要的功率消耗。當LED負載可以導通且剩餘電壓已經被減到最小時，電流控制電路會鎖定負載電流IL之電流量，也就是使負載電流IL的電流量保持為常數。
錯誤檢測電路監測LED負載313以及電流控制電路的狀態，並依據監測結果來決定是否使升降壓LED驅動電路停止運作。具體而言，當LED負載313或是電流控制電路開路或是短路時，錯誤檢測電路使升降壓LED驅動電路停止運作。錯誤檢測電路由第四電阻321、第五電阻319，以及一部分的LED驅動積體電路307所組成，此一部份電路的輸入接腳為「OVP」，以接收輸入信號。
第4圖係繪示本發明一實施例LED驅動積體電路之電路圖。LED驅動積體電路400通常含有並聯穩壓電路(Shunt Regulator)401。邏輯控制電路405以及閘極驅動電路407構成信號產生器，比較器411以及邏輯控制電路405則構成錯誤檢測電路。此外，積分器(Integrator)409則用來產生積分電壓(Integral Voltage)。積分電壓會被加入ISNS電壓當中，相加之後的電壓則與來自輸出入埠「COMP」的信號進行比較，促使閘極驅動電路407對整流電路輸出的直流電源的電壓變化作出反應，藉此提升功率因子。
第5圖係繪示本發明一實施例與傳統的LED電壓與LED電流之比較示意圖。如同第5圖所繪示，傳統的電壓信號VLED與傳統的電流信號ILED上都有波紋(Ripple)存在，不能保持為一個固定常數，另一方面，本發明一實 施例的電壓信號VLED與電流信號ILED上的波紋已被大量減少，電壓信號VLED與電流信號ILED可保持為一個固定常數。
以上實施例的LED負載驅動電路，採用一整流電路以及單顆LED驅動積體電路，先將交流電源轉換為直流電源，這個直流電源接著會被繼續轉換為定電流源來驅動LED負載。如此一來，LED負載上的電流以及電壓可以穩定而少紋波，閃爍(Flicker)的現象就可以被減輕，照明品質得以被提升。此外，由於採用了功率因子校正器來改善功率因子(Power Factor)，因此可以減少不必要的功率消耗。
雖然本發明已以實施方式揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何在本發明所屬技術領域當中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
100‧‧‧LED負載驅動電路
103‧‧‧交流電源
105‧‧‧整流電路
107‧‧‧直流電源電路
109‧‧‧穩壓電路
111‧‧‧電壓檢測電路
113‧‧‧信號產生器
115‧‧‧LED負載
117‧‧‧電流控制電路
119‧‧‧錯誤檢測電路
121‧‧‧LED驅動積體電路

Claims (14)

  1. 一種LED負載驅動電路，該驅動電路包含：一整流電路，以將一交流電源整流成為一直流電源；以及一LED驅動積體電路，包含：一穩壓電路，以對該直流電源進行穩壓來產生一穩壓後電壓；一電壓檢測電路，以檢測該穩壓後電壓是否符合一電壓標準，當該穩壓後電壓符合該電壓標準，輸出該穩壓後電壓；一信號產生器，電性連接該電壓檢測電路，該信號產生器用以產生一脈波寬度調變信號；以及一共同接地端，其中該共同接地端上的電壓準位與一LED負載之一負載接地端的電壓準位相同；以及一升降壓LED驅動電路，以依據該LED負載之一負端點上的一剩餘電壓，將經過檢測之該穩壓後電壓轉換為一輸出驅動電壓。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之LED負載驅動電路，其中該LED驅動積體電路更包含：一電流控制電路，以控制一負載電流之電流量，並將該LED負載之該負端點上之該剩餘電壓，提供給該信號產生器，其中該負載電流係流經該LED負載。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之LED負載驅動電路，其中當該LED負載可以導通時，該電流控制電路鎖定該負載電流之電流量。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之LED負載驅動電路，其中該升降壓LED驅動電路為一靴帶式反向昇降壓電路。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之LED負載驅動電路，其中該升降壓LED驅動電路包含：一開關元件，受到該脈波寬度調變信號的控制來傳遞一充電電壓，該開關元件具有：一第一端，電性連接該信號產生器；以及一第二端，電性連接該共同接地端，一第一電感器，具有一第一端電性連接該共同接地端，其中該第一電感器被該充電電壓充電來產生一電感電流；一第二電容器，具有一端電性連接該共同接地端；以及一第一二極體，具有：一正端，電性連接該第一電感器；以及一負端，電性連接該第二電容器。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之LED負載驅動電路，其中該第二電容器由該電感電流所充電，該第二電容器在 其兩端上提供一驅動電壓。
  7. 如申請專利範圍第5項所述之LED負載驅動電路，其中該升降壓LED驅動電路更包含：一第三電容器，其一端電性連接該共同接地端，其另一端電性連接該第一二極體之該負端，該LED負載電性連接該第三電容器之另一端。
  8. 如申請專利範圍第5項所述之LED負載驅動電路，其中該升降壓LED驅動電路更包含：一第二電阻，電性連接於該開關元件以及該第一電感器之間。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之LED負載驅動電路，其中該升降壓LED驅動電路更包含：一第三電阻，電性連接於該信號產生電路以及該開關元件之間。
  10. 如申請專利範圍第5項所述之LED負載驅動電路，其中該開關元件為一功率電晶體。
  11. 如申請專利範圍第5項所述之LED負載驅動電路，其中該LED驅動積體電路更包含：一錯誤檢測電路，以監測該LED負載的狀態，並依據 監測結果，來決定是否使該升降壓LED驅動電路停止運作。
  12. 如申請專利範圍第11項所述之LED負載驅動電路，其中當該LED負載開路或是短路時，該錯誤檢測電路使該升降壓LED驅動電路停止運作。
  13. 如申請專利範圍第11項所述之LED負載驅動電路，其中該錯誤檢測電路包含：一第四電阻，具有一端電性連接該第一二極體之該負端；一第五電阻，具有一端電性連接該第四電阻未與該第一二極體電性連接之一另一端，該第五電阻之一另一端電性連接該共同接地端；以及一導電金屬線，具有一端電性連接該第四電阻未與該第一二極體電性連接之該另一端，該導電金屬線之另一端電性連接該LED驅動積體電路之一過電壓保護接腳。
  14. 如申請專利範圍第1項所述之LED負載驅動電路，其中該整流電路為一橋式整流器。
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