TW201543961A - 具備多級驅動階段和低頻閃之發光二極體照明裝置 - Google Patents

Abstract

發光二極體照明裝置包含複數個發光裝置，由一整流交流電壓來驅動。複數個電流控制單元以多級驅動階段來彈性地導通複數個發光裝置。至少一電荷儲存單元並聯至至少一發光裝置。當整流交流電壓之值尚不足以導通至少一發光裝置時，至少一電荷儲存單元可放電至至少一發光裝置以導通至少一發光裝置。

Description

具備多級驅動階段和低頻閃之發光二極體照明裝置

本發明相關於一種具備多級驅動階段之發光二極體照明裝置，尤指一種具備多級驅動階段、大操作電壓範圍、高均勻度和低頻閃之發光二極體照明裝置。

在整流交流(rectified alternative-current,AC)電壓直接驅動的照明應用中，由於發光二極體(light emitting diode,LED)係為一電流驅動元件，其發光亮度與驅動電流之大小成正比，為了達到高亮度和亮度均勻的要求，往往需要使用許多串接之發光二極體來提供足夠光源。串聯發光二極體的數量越多，導通發光裝置所需的順向偏壓越高，發光二極體照明裝置之可操作電壓範圍越小。若發光二極體數量太少，則會使得發光二極體在整流交流電壓具最大值時驅動電流過大，進而影響發光二極體的可靠性。

發光二極體照明裝置在運作時會調變光通量(luminous flux)和光強度。頻閃(flicker)是一種光源強度隨著時間有明暗變化的不均勻現象，無論人眼是否能夠辨識，頻閃會對人體造成不同程度的影 響，例如頭痛、眼花、眼睛疲勞、心神不安、或引發癲癇等反應。因此，需要一種能夠增加可操作電壓範圍、高可靠性，且能降低頻閃之發光二極體照明裝置。

本發明提供一種具備多級驅動階段之發光二極體照明裝置，其包含一第一級驅動階段和一第二級驅動階段。該第一級驅動階段包含一第一發光裝置，由一整流交流電壓來驅動，其依據一第一電流來提供光源；一第二發光裝置，由該整流交流電壓來驅動，其依據一第二電流來提供光源；一第一電流控制器，串聯於該第一發光元件，用來調節該第一電流以使該第一電流之值不超過一第一值；一第二電流控制器，串聯於該第二發光元件，用來調節該第二電流以使該第二電流之值不超過一第二值；一第一電荷儲存單元，並聯於至少該第一發光裝置，用來在該整流交流電壓之值尚不足以導通該第一發光裝置時放電至該第一發光裝置以使該第一發光裝置維持導通；以及一第一路徑控制器，用來導通一第三電流，其一第一端耦接於該第一發光元件和該第一電流控制器之間，且其第二端耦接於該第二電流控制器。該第二級驅動階段包含一第三電流控制器，串聯於該第一級驅動階段，用來導通和調節一第四電流以使該第四電流之值不超過一第三值。

101~108‧‧‧發光二極體照明裝置

110‧‧‧電源供應電路

112‧‧‧橋式整流器

A₁~A₂、B₁~B₂‧‧‧發光裝置

CCA₁~CCA₂、CCA₁’~CCA₂’‧‧‧第一類型電流控制器

CCB₁~CCB₂‧‧‧第二類型電流控制器

CC₃‧‧‧第三類型電流控制器

CH₁~CH₄‧‧‧電荷儲存單元

UNA₁~UNA₂、UNA₁’~UNA₂’‧‧‧電流偵測和控制單元

UNB₁~UNB₂‧‧‧電壓偵測和控制單元

UN₃‧‧‧偵測和控制單元

D₁~D₂‧‧‧路徑控制器

ST₁~ST₃‧‧‧驅動階段

ISA₁~ISA₂、ISA₁’~ISA₂’、ISB₁~ISB₂、IS₃‧‧‧可調式電流源

第1圖至第4圖為本發明實施例中發光二極體照明裝置之示意圖。

第5圖至第9圖為本發明實施例中發光二極體照明裝置內複數個驅動階 段運作時之示意圖。

第10圖為本發明實施例中發光二極體照明裝置內發光裝置電流-時間特性之示意圖。

第11圖為本發明實施例中發光二極體照明裝置整體運作之示意圖。

第12圖為一發光二極體照明裝置整體運作之示意圖。

第13圖至第16圖為本發明其它實施例中發光二極體照明裝置之示意圖。

第1圖至第4圖為本發明實施例中發光二極體照明裝置101~104之示意圖。每一發光二極體照明裝置101~104各包含一電源供應電路110和(N+1)級驅動階段ST₁~ST_N+1。電源供應電路110可接收一具正負週期之交流電壓VS，並利用一橋式整流器112來轉換交流電壓VS在負週期內之輸出電壓，因此可提供一整流交流電壓V_AC以驅動(N+1)級驅動階段ST₁~ST_N+1，其中整流交流電壓V_AC之值隨著時間而有週期性變化。在其它實施例中，電源供應電路110可接收任何交流電壓VS，利用一交流-交流電壓轉換器來進行電壓轉換，並利用橋式整流器112來對轉換後之交流電壓VS進行整流，因此可提供整流交流電壓V_AC以驅動(N+1)級驅動階段ST₁~ST_N+1，其中整流交流電壓V_AC之值隨著時間而有週期性變化。值得注意的是，電源供應電路110之結構並不限定本發明之範疇。

在發光二極體照明裝置101~103中，第1級至第N級驅動階段ST₁~ST_N中每一驅動階段包含複數個發光裝置、一路徑控制器、一 第一類型電流控制器、一第二類型電流控制器，以及M個電荷儲存單元CH₁~CH_M，其中N為大於1之整數，而M為不大於2N之正整數。第(N+1)級驅動階段ST_N+1包含一第三類型電流控制器。

在發光二極體照明裝置104中，第1級驅動階段ST₁包含複數 個發光裝置，而第2級至第N級驅動階段ST₂~ST_N中每一驅動階段包含複數個發光裝置、一路徑控制器、一第一類型電流控制器、一第二類型電流控制器，以及M個電荷儲存單元CH₁~CH_M，其中N為大於1之整數，而M為不大於2N之正整數。第(N+1)級驅動階段ST_N+1包含一第三類型電流控制器。

每一第一類型電流控制器包含一可調式電流源和一電流偵 測和控制單元，每一第二類型電流控制器包含一可調式電流源和一電壓偵測和控制單元，而每一第三類型電流控制器包含一可調式電流源和一偵測和控制單元。

為了清楚地說明本發明，說明書全文和圖示中使用下列符號 來表示發光二極體照明裝置101~104中各元件。A₁~A_N和B₁~B_N分別代表驅動階段ST₁~ST_N中相對應之發光裝置。D₁~D_N分別代表驅動階段ST₁~ST_N中相對應之路徑控制器。CCA₁~CCA_N分別代表驅動階段ST₁~ST_N中相對應之第一類型電流控制器。CCB₁~CCB_N分別代表驅動階段ST₁~ST_N中相對應之第二類型電流控制器。CC_N+1代表驅動階段ST_N+1中的第三類型電流控制器。ISA₁~ISA_N分別代表第一類型電流控制器CCA₁~CCA_N中相對應之可調式電流源。ISB₁~ISB_N分別代表第 二類型電流控制器CCB₁~CCB_N中相對應之可調式電流源。IS_N+1代表第三類型電流控制器CC_N+1中的可調式電流源。UNA₁~UNA_N分別代表第一類型電流控制器CCA₁~CCA_N中相對應之電流偵測和控制單元。 UNB₁~UNB_N分別代表第二類型電流控制器CCB₁~CCB_N中相對應之電壓偵測和控制單元。UN_N+1代表第(N+1)級驅動階段ST_N+1中的偵測和控制單元。

為了清楚地說明本發明，說明書全文和圖示中使用下列符號 來表示發光二極體照明裝置101~104中相關電流和電壓。V_IN1~V_INN分別代表第1級至第N級驅動階段ST₁~ST_N之跨壓。V_AK1~V_AKN分別代表相對應第一類型電流控制器CCA₁~CCA_N之跨壓。V_BK1~V_BKN分別代表相對應第二類型電流控制器CCB₁~CCB_N之跨壓。V_CK代表第三類型電流控制器CC_N+1之跨壓。I_AK1~I_AKN分別代表流經相對應第一類型電流控制器CCA₁~CCA_N之電流。I_BK1~I_BKN分別代表流經相對應第二類型電流控制器CCB₁~CCB_N之電流。I_A1~I_AN分別代表流經相對應發光裝置A₁~A_N之電流。I_B1~I_BN分別代表流經相對應發光裝置B₁~B_N之電流。I_D1~I_DN分別代表流經相對應路徑控制器D₁~D_N之電流。I_SUM1~I_SUMN分別代表流經相對應驅動階段ST₁~ST_N之電流。流經發光二極體照明裝置101~104之總電流可由I_SUM(N+1)來表示。

在發光二極體照明裝置101~103之第一級至第N級驅動階 段ST₁~ST_N中，電流偵測和控制單元UNA₁~UNA_N分別串聯至相對應發光裝置A₁~A_N和相對應可調式電流源ISA₁~ISA_N，而電壓偵測和控制單元UNB₁~UNB_N分別串聯至相對應發光裝置B₁~B_N和分別並聯於 相對應可調式電流源ISB₁~ISB_N。電流偵測和控制單元UNA₁~UNA_N可分別依據電流I_AK1~I_AKN來分別調節可調式電流源ISA₁~ISA_N之值。電壓偵測和控制單元UNB₁~UNB_N可分別依據電壓V_BK1~V_BKN來分別調節可調式電流源ISB₁~ISB_N之值。

在發光二極體照明裝置104之第二級至第N級驅動階段ST₂ ~ST_N中，電流偵測和控制單元UNA₂~UNA_N分別串聯至相對應發光裝置A₂~A_N和相對應可調式電流源ISA₂~ISA_N，而電壓偵測和控制單元UNB₂~UNB_N分別串聯至相對應發光裝置B₂~B_N和分別並聯於相對應可調式電流源ISB₂~ISB_N。電流偵測和控制單元UNA₂~UNA_N可分別依據電流I_AK2~I_AKN來分別調節可調式電流源ISA₂~ISA_N之值。電壓偵測和控制單元UNB₂~UNB_N可分別依據電壓V_BK2~V_BKN來分別調節可調式電流源ISB₂~ISB_N之值。

在發光二極體照明裝置101~104之第(N+1)級驅動階段 ST_N+1中，可調式電流源IS_N+1串聯於第1級至第N級驅動階段ST₁~ST_N。在一第一組態中，第三類型電流控制器CC_N+1之偵測和控制單元UN_N+1可串聯於可調式電流源IS_N+1，用來依據電流I_SUMN來調節可調式電流源IS_N+1之值。在一第二組態中，第三類型電流控制器CC_N+1之偵測和控制單元UN_N+1可並聯於可調式電流源IS_N+1，用來依據電壓V_CK來調節可調式電流源IS_N+1之值。第1圖至第4圖所示之實施例採用第一組態，但不限定本發明之範疇。

在本發明實施例中，每一發光裝置A₁~A_N和B₁~B_N可包含 一個發光二極體，或是複數個串接、並聯或組成陣列之發光二極體。 第1圖至第4圖顯示了採用複數個串接發光二極體之架構，其可包含複數個單介面發光二極體(single-junction LED)、複數個多介面高壓發光二極體(multi-junction high-voltage LED)，或不同類型發光二極體之任意組合。然而，發光裝置A₁~A_N和B₁~B_N所採用的發光二極體種類或組態並不限定本發明之範疇。在一特定驅動階段中，導通一特定電流控制器所需之壓差電壓(dropout voltage)V_DROP小於導通相對應發光裝置所需之切入電壓(cut-in voltage)V_CUT。當一特定發光裝置之跨壓大於其切入電壓V_CUT時，此特定發光裝置會在導通的ON狀態；當一特定發光裝置之跨壓小於其切入電壓V_CUT時，此特定發光裝置會在非導通的OFF狀態。切入電壓V_CUT之值相關於相對應發光裝置所採用發光二極體之數目和類型，在不同應用中可具不同值，但不限定本發明之範疇。

在本發明實施例中，M個電荷儲存單元CH₁~CH_M中每一電 荷儲存單元可採用一電容，或是其它具備類似功能之一個或多個元件。然而，電荷儲存單元CH₁~CH_M的種類和組態並不限定本發明之範疇。

在本發明實施例中，路徑控制器D₁~D_N中每一路徑控制器可包含一個二極體、一二極體形式(diode-connected)之場效電晶體(field effect transistor,FET)、一二極體形式之雙載子接面電晶體(bipolar junction transistor,BJT)，或是一個或多個具備類似功能之元件。然而，路徑控制器D₁~D_M之種類或組態並不限定本發明之範疇。當一路徑控制器之跨壓大於其導通電壓時，此特定路徑控制器為順向 偏壓(forward-biased)且會像短路元件般運作；當一路徑控制器之跨壓不大於其導通電壓時，此特定路徑控制器為反向偏壓(reverse-biased)且會像開路元件般運作。

第5圖至第8圖顯示發光二極體照明裝置101~103中第一級 至第N級驅動階段ST₁~ST_N運作時之示意圖。由於第一級至第N級驅動階段ST₁~ST_N運作方式相同，第5圖至第8圖中以第一級驅動階段ST₁來做說明，其中第5圖說明了第一類型電流控制器CCA₁之電流-電壓(I-V)特性，第6圖說明了第二類型電流控制器CCB₁之電流-電壓特性，第7圖說明了第一級驅動階段ST₁在不同時期內運作時之等效電路，而第8圖說明了第一級驅動階段ST₁之電流-電壓特性。第9圖顯示第(N+1)級驅動階段ST_N+1中電流控制器CC_N+1運作時之示意圖。V_DROPA、V_DROPB和V_DROPC分別代表導通第一類型電流控制器CCA₁、第二類型電流控制器CCB₁和第三類型電流控制器CC_N+1所需之壓差電壓。V_OFFA、V_OFFB和V_ONB代表第一類型電流控制器CCA₁或第二類型電流控制器CCB₁用來判斷是否切換運作模式之臨界電壓。I_SETA1、V_SETB1和V_SETC為常數，分別代表第一類型電流控制器CCA₁、第二類型電流控制器CCB₁和第三類型電流控制器CC_N+1之限流值。箭號R標示電壓V_AK1、V_BK1或V_CK之上升週期，而箭號F標示電壓V_AK1、V_BK1或V_CK之下降週期。

如第5圖所示，在電壓V_AK1之上升週期和下降週期當 0<V_AK1<V_DROPA時，第一類型電流控制器CCA₁尚未完全導通，此時會像壓控元件一樣在一線性模式下運作，使得電流I_AK1會隨著電壓V_AK1呈特定變化。舉例來說，若第一類型電流控制器CCA₁以金氧半導體 (metal-oxide-semiconductor,MOS)電晶體來製作，電流I_AK1和電壓V_AK1之間的關係會相關於MOS電晶體在線性區運作時之電流-電壓特性。

在電壓V_AK1之上升週期和下降週期當V_AK1>V_DROPA時，電流 I_AK1升至第一級驅動階段ST₁之限流值I_SETA1，此時第一類型電流控制器CCA₁會切換至一定電流模式並像限流器一樣運作，而電流偵測和控制單元UNA₁可將電流I_AK1之值箝制在I_SETA1。舉例來說，若電流I_D1變大，電流偵測和控制單元UNA₁會相對應地降低可調式電流源ISA₁之值；同理，若電流I_D1變小，電流偵測和控制單元UNA₁會相對應地增加可調式電流源ISA₁之值。因此，流經第一級驅動階段ST₁之總電流I_AK1(=I_D1+ISA₁)能維持在固定值I_SETA1，而非隨著電壓V_AK1而改變。

在電壓V_AK1之上升週期在電流I_D1升至I_SETA1之前，電流偵測 和控制單元UNA₁會開啟可調式電流源ISA₁，此時第一類型電流控制器CCA₁會在定電流模式下運作，使得電流I_AK1(=I_D1+ISA₁)能維持在固定值I_SETA1。當電流I_D1升至I_SETA1時，電流偵測和控制單元UNA₁會關閉可調式電流源ISA₁，此時第一類型電流控制器CCA₁會切換至一截止模式，使得電流I_AK1隨著電流I_D1而增加。

在電壓V_AK1之下降週期在電流I_D1降至I_SETA1之前，電流偵測 和控制單元UNA₁會關閉可調式電流源ISA₁，此時第一類型電流控制器CCA₁會在截止模式下運作，使得電流I_AK1隨著電流I_D1而降低。當電流I_D1降至I_SETA1時，電流偵測和控制單元UNA₁會開啟可調式電流源ISA₁，此時第一類型電流控制器CCA₁會在定電流模式下運作，使得電 流I_AK1能維持在固定值I_SETA1。

如第6圖所示，在電壓V_BK1之上升週期和下降週期當 0<V_BK1<V_DROPB時，第二類型電流控制器CCB₁尚未完全導通，此時會像壓控元件一樣在線性模式下運作，使得電流I_BK1會隨著電壓V_BK1呈特定變化。舉例來說，若第二類型電流控制器CCB₁以MOS電晶體來製作，電流I_BK1和電壓V_BK1之間的關係會相關於MOS電晶體在線性區運作時之電流-電壓特性。

在電壓V_BK1之上升週期當V_BK1>V_DROPB時，電流I_BK1升至 I_SETB1，此時第二類型電流控制器CCB₁會切換至定電流模式並像限流器一樣運作，而電壓偵測和控制單元UNB₁可將電流I_BK1之值箝制在I_SETB1。

在電壓V_BK1之上升週期當V_BK1>V_OFFB時，電壓偵測和控制單 元UNB₁會關閉可調式電流源ISB₁，此時第二類型電流控制器CCB₁會切換至截止模式，亦即就像是開路元件。在電壓V_BK1之下降週期當V_BK1<V_ONB時，電壓偵測和控制單元UNB₁會開啟可調式電流源ISB₁，此時第二類型電流控制器CCB₁會切換至定電流模式下運作，使得電流I_BK1能維持在固定值I_SETB1。臨界電壓V_ONB之值可大於或等於臨界電壓V_OFFB之值。在一實施例中，本發明可提供一磁滯帶(hysteresis band)，其帶寬(V_ONB-V_OFFB)不為零，如此可避免第二類型電流控制器CCB₁因電壓V_BK1波動而過於頻繁地切換運作模式。

如第7圖左方所示，當第一級驅動階段ST₁在V1<V_IN1<V2之 一第一時期內運作時，發光裝置A₁會並聯於發光裝置B₁。如第7圖右方所示，當第一級驅動階段ST₁在V_IN1>V3之一第二時期內運作時，發光裝置A₁會串聯於發光裝置B₁。

如第8圖所示，在上升週期當電壓V_IN1尚低時，發光裝置A₁、 發光裝置B₁和路徑控制器D₁仍呈關閉。在上升週期當電壓V_IN1之值升至一開啟電壓V_A1，且開啟電壓V_A1之值為導通發光裝置A₁所需之切入電壓和導通第一類型電流控制器CCA₁所需之切入電壓的加總時，第一類型電流控制器CCA₁和發光裝置A₁會被開啟，使得電流I_A1會隨著電壓V_IN1逐漸增加，直到升至I_SETA1為止。在上升週期當電壓V_IN1之值升至一開啟電壓V_B1，且開啟電壓V_B1之值為導通發光裝置B₁所需之切入電壓和導通第二類型電流控制器CCB₁所需之切入電壓的加總時，第二類型電流控制器CCB₁和發光裝置B₁會被開啟，使得電流I_B1會隨著電壓V_IN1逐漸增加，直到升至I_SETB1為止。由於路徑控制器D₁仍呈關閉，電流I_SUM1之值為電流I_A1和電流I_B1之加總，其中電流I_A1由第一類型電流控制器CCA₁來調節，而電流I_B1由第二類型電流控制器CCB₁來調節。開啟電壓V_A1和開啟電壓V_B1可為相同值或不同值。換而言之，當電壓V_IN1之值升至電壓V1後，電流I_SUM1開始增加，其中電壓V1為開啟電壓V_A1和開啟電壓V_B1之中較小者。

在上升週期當電壓V_IN1之值升至V2使得V_BK1=V_OFFB時，第二 類型電流控制器CCB₁會切換至截止模式，因此電流I_B1會被導向路徑控制器D₁，進而開啟路徑控制器D₁。此時，電流I_SUM1和電流I_A1、電流I_B1 之值相同，其中電流I_A1和電流I_B1皆由第一類型電流控制器CCA₁來調節。隨著電流I_B1流經路徑控制器D₁，電流I_D1會隨著電壓V_IN1逐漸增加，此時第一類型電流控制器CCA₁會相對應地降低可調式電流源ISA₁之值，使得總電流I_SUM1依舊維持在固定值I_SETA1。當V_IN1=V3時，可調式電流源ISA₁之值降至0，而第一類型電流控制器CCA₁會切換至截止模式，此時電流I_SUM1會由下一級驅動階段來調節。

如第9圖所示，在電壓V_CK之上升週期和下降週期當 0<V_CK1<V_DROPC時，第三類型電流控制器CC_N+1尚未完全導通，此時會像壓控元件一樣在線性模式下運作，使得電流I_CK會隨著電壓V_CK1呈特定變化。舉例來說，若第三類型電流控制器CC_N+1以MOS電晶體來製作，電流I_CK1和電壓V_CK1之間的關係會相關於MOS電晶體在線性區運作時之電流-電壓特性。在電壓V_CK之上升週期當V_CK>V_DROPC時，電流I_CK1升至I_SETC1，此時第三類型電流控制器CC_N+1會切換至定電流模式並像限流器一樣運作。

同理，發光二極體照明裝置104中第二級至第N級驅動階段 ST₂~ST_N之運作亦可由第5圖至第8圖來說明，而第(N+1)級驅動階段ST_N+1中電流控制器CC_N+1之運作亦可由第9圖來說明。

在本發明實施例中，電荷儲存單元CH₁~CH_M可分別並聯於 發光裝置A₁~A_N和B₁~B_N中一個或多個發光裝置。電荷儲存單元CH₁~CH_M能改善發光二極體照明裝置101~104之頻閃，其中M可小於或等於2N。

在M=2N的實施例中，發光裝置A₁~A_N和B₁~B_N中每一發光 裝置皆並聯至一相對應之電荷儲存單元。為了說明目的，第1圖顯示了N=2和M=4時之實施例，其中發光二極體照明裝置101包含4個發光裝置A₁~A₂和B₁~B₂，且分別並聯至電荷儲存單元CH₁~CH₄。然而，電荷儲存單元之數目或組態並不限定本發明之範疇。

在M<2N的實施例中，發光裝置B₁~B_N中每一發光裝置皆並 聯至一相對應之電荷儲存單元。為了說明目的，第2圖顯示了N=2和M=2時之實施例，其中發光二極體照明裝置102包含4個發光裝置A₁~A₂和B₁~B₂，其中發光裝置B₁~B分別並聯至電荷儲存單元CH₁~CH₂。然而，電荷儲存單元之數目或組態並不限定本發明之範疇。

在M<2N的實施例中，M個電荷儲存單元CH₁~CH_M可並聯至 發光裝置A₁~A_N和B₁~B_N中導通時間最長的發光裝置。為了說明目的，第3圖顯示了N=2和M=2時之實施例，其中發光二極體照明裝置103包含4個發光裝置A₁~A₂和B₁~B₂，其中發光裝置A₁和B₁分別並聯至電荷儲存單元CH₁~CH₂。然而，電荷儲存單元之數目或組態並不限定本發明之範疇。

在M=1<2N的實施例中，電荷儲存單元CH₁可並聯至發光裝 置A₁~A_N和B₁~B_N中導通時間最長的多個發光裝置。為了說明目的，第4圖顯示了N=2和M=1時之實施例，其中發光二極體照明裝置104包含3個發光裝置A₂和B₁~B₂，其中發光裝置B₁~B₂並聯至電荷儲存單元 CH₁。然而，電荷儲存單元之數目或組態並不限定本發明之範疇。

第10圖之示意圖說明了本發明實施例中發光二極體照明裝 置101~104中發光裝置之電流-時間特性。第10圖上方顯示了整流交流電壓V_AC所輸出電流I_AC和時間的關係，第10圖中間顯示了採用第一組態時發光裝置之電流-時間特性，而第10圖下方顯示了採用第二組態時發光裝置之電流-時間特性。在第10圖中，I_LED代表採用第一組態時流經發光裝置之電流，而I_LED’代表採用第二組態時流經發光裝置之電流。在採用第一組態時，一發光裝置並聯至一相對應之電荷儲存單元，例如發光二極體照明裝置101中的發光裝置A₁、A₂、B₁或B₂、發光二極體照明裝置102中的發光裝置B₁或B₂、發光二極體照明裝置103中的發光裝置A₁或B₁，或是發光二極體照明裝置104中的發光裝置B₁或B₂。在採用第二組態時，一發光裝置並未並聯至任何電荷儲存單元，例如發光二極體照明裝置102中的發光裝置A₁或A₂、發光二極體照明裝置103中的發光裝置A₂或B₂，或是發光二極體照明裝置104中的發光裝置A₂。

在上升週期剛開始時，整流交流電壓V_AC之值尚不足以導通 發光裝置，此時採用第二組態之發光裝置維持在OFF狀態，而採用第一組態之發光裝置可由相對應電荷儲存單元放電之電荷維持在ON狀態。相對應之路徑控制單元可避免電荷儲存單元放電至相對應之電流控制單元。

在上升週期和下降週期當整流交流電壓V_AC之值足以導通發 光裝置時，採用第一組態和第二組態之發光裝置皆由整流交流電壓V_AC 來維持在ON狀態，此時整流交流電壓V_AC亦會對相對應電荷儲存單元進行充電。

在下降週期快結束時，整流交流電壓V_AC之值降至不足以導 通發光裝置，此時採用第二組態之發光裝置維持在OFF狀態，而採用第一組態之發光裝置可由相對應電荷儲存單元放電之電荷維持在ON狀態。相對應之路徑控制單元可避免電荷儲存單元放電至相對應之電流控制單元。

如第10圖所示，本發明之發光二極體照明裝置使用電荷儲存 單元，使得採用第二組態之發光裝置的導通時間長於採用第一組態之發光裝置的導通時間。

第11圖顯示了本發明實施例中發光二極體照明裝置103整體 運作之示意圖，其中所有4個發光裝置A₁~A₄中的2個發光裝置(N=M=2)分別並聯於相對應電荷儲存單元CH₁~CH₂或是同樣並聯於一電荷儲存單元CH₁。第12圖顯示了在未使用電荷儲存單元時發光二極體照明裝置103整體運作之示意圖。E₁~E₃代表本發明發光二極體照明裝置103之整體光強度/光通量。值得注意的是，第12圖僅為了說明本發明在第11圖如何使用電荷儲存單元來改善頻閃，並非本發明發光二極體照明裝置之實施方式。

由於電壓V_AK1~V_AK2和V_BK1~V_BK2相關於整流交流電壓 V_AC，而整流交流電壓V_AC之值隨著時間而有週期性變化，因此以包含 時間點t0~t7之一個週期來做說明，其中時間點t0~t3之間包含在整流交流電壓V_AC之上升週期，而時間點t4~t7之間包含在整流交流電壓V_AC之下降週期。下列圖表一顯示了本發明發光裝置A₁~A₂和B₁~B₂在第11圖所示之架構下的運作模式，而下列圖表二顯示了本發明發光裝置A₁~A₂和B₁~B₂在第12圖所示之架構下的運作模式。

在第12圖和圖表二中，在上升週期剛開始時整流交流電壓 V_AC之值尚不足以導通發光裝置A₁~A₂和B₁~B₂。在未使用電荷儲存單元的情況下，發光裝置A₁~A₂和B₁~B₂在時間點t0~t1和t6~t7之間維持在OFF狀態。在時間點t1~t6之間，發光裝置A₁~A₂和B₁~B₂會被整流交流電壓V_AC導通，使得第一級驅動階段ST₁和第二級驅動階段ST₂能在第一時期或第二時期內運作。如先前針對第7圖左方所做的說明，當特定驅動階段在第一時期內運作時，兩導通之發光裝置彼此並聯(在圖表一和圖表二以”P”來標示)；如先前針對第7圖右方所做的說明，當特定驅動階段在第二時期內運作時，兩導通之發光裝置彼此串聯(在圖表一和圖表二以”S”來標示)。更明確地說，發光二極體照明裝置103之整體光強度/光通量階段式增加，並在時間點t3和t4之間當發光裝置A₁~A₃皆進入ON狀態後達到E₃。

在第11圖和圖表一中，在上升週期剛開始時整流交流電壓 V_AC之值尚不足以導通發光裝置A₁~A₂和B₁~B₂。透過本發明之電荷儲存單元，無論整流交流電壓V_AC之大小，發光裝置A₁和B₁在時間點t0和t7之間都能維持在ON狀態。更明確地說，在時間點t0~t1和t6~t7之間整流交流電壓V_AC之值還小時，發光二極體照明裝置103之整體光強度/光通量亦能維持在E₁。

如相關領域具備通常知識者皆知，頻閃現象具有週期性變 化，可由其波形中振幅、平均準位、週期頻率、形狀及/或工作週期(duty cycle)的變化量來定義。一般會使用頻閃比率(Percent Flicker)和頻閃索引(Flicker Index)來量化頻閃，如下列公式(1)和公式(2)所示。

在公式(1)中，MAX代表發光二極體照明裝置101~104之最 大光強度/光通量，而MIN代表發光二極體照明裝置101~104之最小光強度/光通量。在公式(2)中，AREA1代表當發光二極體照明裝置101~104之光強度/光通量高於平均值時在一段期間內的光強度/光通量累積值，而AREA2代表當發光二極體照明裝置101~104之光強度/光通量低於平均值時在一段期間內的光強度/光通量累積值。

如第11圖所示，本發明之電荷儲存單元可增加公式(1)中的 MIN和公式(2)中的AREA2，進而降低發光二極體照明裝置101~104之 頻閃比率和頻閃索引。

第13圖至第16圖為本發明其它實施例中發光二極體照明裝 置105~108之示意圖。相較於第1圖至第4圖所示之發光二極體照明裝置101~104，發光二極體照明裝置105~108同樣各包含一電源供應電路110和(N+1)級驅動階段ST₁~ST_N+1，其中N為正整數。不同之處在於，發光二極體照明裝置105~107之第1級至第N級驅動階段ST₁~ST_N中每一驅動階段包含複數個發光裝置、一路徑控制器，和兩個第一類型電流控制器，而發光二極體照明裝置108之第2級至第N級驅動階段ST₂~ST_N中每一驅動階段包含複數個發光裝置、一路徑控制器，和兩個第一類型電流控制器。

發光二極體照明裝置105~108中每一第一類型電流控制器 包含一可調式電流源和一電流偵測和控制單元，其運作時之電流-電壓特性亦如第5圖所示。在由CCA₁~CCA_N代表之第一類型電流控制器中，電流偵測和控制單元UNA₁~UNA_N分別串聯至相對應發光裝置A₁~A_N和相對應可調式電流源ISA₁~ISA_N，可分別依據電流I_AK1~I_AKN來分別調節可調式電流源ISA₁~ISA_N之值。在由CCA₁’~CCA_N’代表之第一類型電流控制器中，電流偵測和控制單元UNA₁’~UNA_N’分別串聯至相對應發光裝置B₁~B_N和相對應可調式電流源ISA₁’~ISA_N’，可分別依據電流I_BK1~I_BKN來分別調節可調式電流源ISA₁’~ISA_N’之值。

透過上述多級驅動階段之架構，本發明可同時開啟發光二極 體照明裝置內所有發光裝置，並利用一個或多個相對應電流控制器來 彈性地調節整體電流。透過上述電荷儲存單元，本發明降低發光二極體照明裝置的光強度/光通量變化。因此，本發明可增加發光二極體照明裝置之可操作電壓範圍，且不會造成閃爍或光線不均勻的現象。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。

105‧‧‧發光二極體照明裝置

110‧‧‧電源供應電路

112‧‧‧橋式整流器

A₁~A₂、B₁~B₂‧‧‧發光裝置

CCA₁~CCA₂、CCA₁’~CCA₂’‧‧‧第一類型電流控制器

CC₃‧‧‧第三類型電流控制器

CH₁~CH₄‧‧‧電荷儲存單元

UNA₁~UNA₂、UNA₁’~UNA₂’‧‧‧電流偵測和控制單元

UN₃‧‧‧偵測和控制單元

D₁~D₂‧‧‧路徑控制器

ST₁~ST₃‧‧‧驅動階段

ISA₁~ISA₂、ISA₁’~ISA₂’、IS₃‧‧‧可調式電流源

Claims (18)

1. 一種具備多級驅動階段之發光二極體照明裝置，其包含：一第一級驅動階段，其包含：一第一發光裝置，由一整流交流電壓來驅動，其依據一第一電流來提供光源；一第二發光裝置，由該整流交流電壓來驅動，其依據一第二電流來提供光源；一第一電流控制器，串聯於該第一發光元件，用來調節該第一電流以使該第一電流之值不超過一第一值；一第二電流控制器，串聯於該第二發光元件，用來調節該第二電流以使該第二電流之值不超過一第二值；一第一電荷儲存單元，並聯於至少該第一發光裝置，用來在該整流交流電壓之值尚不足以導通該第一發光裝置時放電至該第一發光裝置以使該第一發光裝置維持導通；以及一第一路徑控制器，用來導通一第三電流，其包含：一第一端，耦接於該第一發光元件和該第一電流控制器之間；以及一第二端，耦接於該第二電流控制器；以及一第二級驅動階段，其包含：一第三電流控制器，串聯於該第一級驅動階段，用來導通和調節一第四電流以使該第四電流之值不超過一第三值。
2. 如請求項1所述之發光二極體照明裝置，其中當該整流交 流電壓之值足以導通該第一發光裝置時，該第一電荷儲存單元停止放電至該第一發光裝置並開始被該整流交流電壓充電。
3. 如請求項1所述之發光二極體照明裝置，其另包含：一第二電荷儲存單元，並聯於該第二發光裝置，用來在該整流交流電壓之值尚不足以導通該第二發光裝置時放電至該第二發光裝置以使該第二發光裝置維持導通。
4. 如請求項1所述之發光二極體照明裝置，其另包含：一第三級驅動階段，耦接於該整流交流電壓和該第一級驅動階段之間，其包含：一第三發光裝置，由該整流交流電壓來驅動來提供光源，其中該第一電荷儲存單元並聯於該第一發光裝置和該第三發光裝置，且用來在該整流交流電壓之值尚不足以導通該第一發光裝置和該第三發光裝置時放電至該第一發光裝置和該第三發光裝置以使該第一發光裝置和該第三發光裝置維持導通。
5. 如請求項4所述之發光二極體照明裝置，其中當該整流交流電壓之值足以導通該第一發光裝置和該第三發光裝置時，該第一電荷儲存單元停止放電至該第一發光裝置和該第三發光裝置並開始被該整流交流電壓充電。
6. 如請求項1所述之發光二極體照明裝置，其中： 在該整流交流電壓之一上升週期或一下降週期內當該第一電流控制器之跨壓不大於一第一電壓時，該第一電流控制器係在一第一模式下運作以使該第一電流隨著該第一電流控制器之跨壓而改變；在該上升週期內當該第一電流控制器之跨壓大於該第一電壓但不大於一第二電壓時時，該第一電流控制器係在一第二模式下運作以使該第一電流維持在該第一值；且在該上升週期內當該第一電流控制器之跨壓大於該第二電壓時時，該第一電流控制器係在一第三模式下運作以呈關閉。
7. 如請求項6所述之發光二極體照明裝置，其中：在該下降週期內當該第一電流控制器之跨壓大於該第二電壓但不大於一第三電壓時時，該第一電流控制器係在該第二模式下運作以使該第一電流維持在該第一值；且該第三電壓大於或等於該第二電壓。
8. 如請求項1所述之發光二極體照明裝置，其中：在該整流交流電壓之一上升週期或一下降週期內當該第二電流控制器之跨壓不大於一第四電壓時，該第二電流控制器係在一第一模式下運作以使該第二電流隨著該第二電流控制器之跨壓而改變；在該上升週期或該下降周期內當該第三電流不大於該第二值時，該第二電流控制器係在一第二模式下運作以使該第二電流維持在該第二值；且 在該上升週期或該下降周期內當該第三電流大於該第二值時，該第二電流控制器係在一第三模式下運作以呈關閉。
9. 如請求項1所述之發光二極體照明裝置，其中：在該整流交流電壓之一上升週期或一下降週期內當該第三電流控制器之跨壓不大於一第六電壓時，該第三電流控制器係在一第一模式下運作以使該第四電流隨著該第三電流控制器之跨壓而改變；且在該上升週期或該下降週期內當該第三電流控制器之跨壓大於該第六電壓時，該第三電流控制器係在一第二模式下運作以使該第四電流維持在該第三值。
10. 如請求項1所述之發光二極體照明裝置，其中該第一電流控制器包含：一第一可調式電流源，用來導通一第五電流；以及一第一偵測和控制單元，並聯於該第一可調式電流源，用來依據該第一電流控制器之跨壓來調節該第五電流之值。
11. 如請求項1所述之發光二極體照明裝置，其中該第一電流控制器包含：一第一可調式電流源，用來導通一第五電流，其包含：一第一端，耦接於第一發光元件；以及一第二端，耦接於第二發光元件；一第一偵測和控制單元，串聯於該第一可調式電流源，用來依據 該第一電流和該第二電流來調節該第五電流之值。
12. 如請求項1所述之發光二極體照明裝置，其中該第二電流控制器包含：一第二可調式電流源，用來導通一第六電流；以及一第二偵測和控制單元，用來依據該第二電流或該第三電流來調節該第六電流之值，其包含：一第一端，耦接於該第一路徑控制器之該第二端和該第二可調式電流源；以及一第二端，耦接於第二發光元件。
13. 如請求項1所述之發光二極體照明裝置，其中：該第一電流控制器包含：一第一可調式電流源，用來導通一第五電流；以及一第一偵測和控制單元，並聯於該第一可調式電流源，用來依據該第一電流控制器之跨壓來調節該第五電流之值；且該第二電流控制器包含：一第二可調式電流源，用來導通一第六電流；以及一第二偵測和控制單元，用來依據該第二電流或該第三電流來調節該第六電流之值。
14. 如請求項1所述之發光二極體照明裝置，其中：該第一電流控制器包含： 一第一可調式電流源，用來導通一第五電流，其包含：一第一端，耦接於第一發光元件；以及一第二端，耦接於第二發光元件；以及一第一偵測和控制單元，串聯於該第一可調式電流源，用來依據該第一電流和該第二電流來調節該第五電流之值；且該第二電流控制器包含：一第二可調式電流源，用來導通一第六電流；以及一第二偵測和控制單元，用來依據該第二電流或該第三電流來調節該第六電流之值，其包含：一第一端，耦接於該第一路徑控制器之該第二端和該第二可調式電流源；以及一第二端，耦接於第二發光元件。
15. 如請求項1所述之發光二極體照明裝置，其中該第三電流控制器包含：一第三可調式電流源，用來導通該第四電流；以及一第三偵測和控制單元，串聯於該第三可調式電流源，用來依據該第四電流來控制該第三可調式電流源。
16. 如請求項1所述之發光二極體照明裝置，其中該路徑控制器包含一二極體、一二極體形式(diode-connected)之場效電晶體(field effect transistor,FET)，或一二極體形式之雙載子接面電晶體(bipolar junction transistor,BJT)。
17. 如請求項1所述之發光二極體照明裝置，其中：當該第一路徑控制器呈關閉時，該第一發光元件係並聯於該第二發光元件；且當該第一路徑控制器呈開啟時，該第一發光元件係串聯於該第二發光元件。
18. 如請求項1所述之發光二極體照明裝置，其中：當該第一路徑控制器呈關閉時，該第三電流之值為0，且該第四電流之值為該第一電流和該第二電流之值的總和；且當該第一路徑控制器呈開啟時，該第一電流、該第二電流、該第三電流和該第四電流具相同值。