TW201607373A - 調光系統及其操作方法 - Google Patents

Abstract

一種調光系統，包括控制器以及交流直流轉換器。控制器係回應調光訊號並輸出控制訊號。控制器包括調頻電路以及責任週期控制電路。調頻電路係回應調光訊號調整控制訊號之頻率。責任週期控制電路係回應調光訊號並調整控制訊號之責任週期。交流直流轉換器係轉換外部電源，並依據控制訊號產生直流訊號，以透過直流訊號驅動光源。其中當控制器在第一模式時，控制訊號之頻率為第一頻率，且控制訊號之責任週期為第一責任週期；當控制器切換至第二模式時，控制訊號之頻率改變為第二頻率，且控制訊號之責任週期改變為第二責任週期。

Description

調光系統及其操作方法

本發明是有關於一種調光系統及其操作方法，且特別是有關於一種採用單級交流直流轉換器之調光系統及其操作方法。

一般調光技術可分為脈波寬度調變(Pulse Width Modulation，PWM)調光以及調幅調變(amplitude-modulation,AM)調光。PWM調光法的光源電流是由高、低位準所組成，其頻率約在1kHz左右，因此對於一些特定場合或產品(如，攝影、螢幕等)會有暗區及閃爍問題。另一方面，AM調光法於負載變動幅度較大時，驅動電路會因責任週期過低而發生光源電流不穩定的問題，造成光輸出閃爍，進而限制了AM調光法的調光範圍。

因此，如何提供一種調光技術，使電路在簡易、低干擾且低成本的架構下也可以擁有較高的調光範圍，乃目前業界所致力的課題之一。

本發明係有關於一種使用單級調光控制電路之調光 系統及其操作方法，可回應於調光訊號而同時調整控制器所輸出之控制訊號之頻率與責任週期，進而改善系統之調光範圍。

根據本發明一方面，提出一種調光系統，包括控制器以及交流直流轉換器。控制器係回應調光訊號並輸出控制訊號。控制器包括調頻電路以及責任週期控制電路。調頻電路係回應調光訊號並調整控制訊號之頻率。責任週期控制電路係回應調光訊號並調整控制訊號之責任週期。交流直流轉換器係轉換外部電源，並依據控制訊號產生直流訊號，以透過直流訊號驅動光源。其中當控制器在第一模式時，控制訊號之頻率為第一頻率，且控制訊號之責任週期為第一責任週期；當控制器切換至第二模式時，控制訊號之頻率改變為第二頻率，且控制訊號之責任週期改變為第二責任週期。

根據本發明另一方面，提出一種調光系統之操作方法。調光系統包括控制器以及交流直流轉換器。此操作方法包括：透過控制器之調頻電路，回應調光訊號並調整控制訊號之頻率；透過控制器之責任週期控制電路，回應調光訊號並調整控制訊號之責任週期；透過控制器輸出控制訊號；以及透過交流直流轉換器轉換外部電源，並依據控制訊號產生直流訊號，以透過直流訊號驅動光源。其中當控制器在第一模式時，控制訊號之頻率為第一頻率，且控制訊號之責任週期為第一責任週期；當控制器切換至第二模式時，控制訊號之頻率改變為第二頻率，且控制訊號之責任週期改變為第二責任週期。

為了對本發明之上述及其他方面有進一步的瞭解，下文特舉實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：

100‧‧‧調光系統

102‧‧‧控制器

104‧‧‧交流直流轉換器

106‧‧‧調頻電路

108‧‧‧責任週期控制電路

110‧‧‧光源

302‧‧‧電流源

304‧‧‧頻率處理電路

306‧‧‧控制IC

308‧‧‧分壓電路

310‧‧‧責任週期處理電路

312‧‧‧雙載子介面電晶體

402、502‧‧‧光耦合器

404、504‧‧‧發光二極體

406、506‧‧‧光電晶體

602‧‧‧運算放大電路

604‧‧‧運算放大器

702‧‧‧二極體

704‧‧‧電阻

PS‧‧‧外部電源

DS‧‧‧調光訊號

CS‧‧‧控制訊號

DL‧‧‧直流訊號

T1、T2‧‧‧時間區間

IL‧‧‧電流

I‧‧‧充電電流

C_T‧‧‧電容

VDD‧‧‧供電參考電壓

R1、R2‧‧‧電阻

FB‧‧‧回饋訊號

B1、B2‧‧‧基極端

C1、C2‧‧‧集極端

E1、E2‧‧‧射極端

IN‧‧‧輸入端

OUT‧‧‧輸出端

DS’‧‧‧訊號

第1圖繪示依據本發明之一實施例之調光系統之簡化方塊圖。

第2圖繪示調光系統之相關訊號之波形圖之一例。

第3圖繪示調光系統之電路圖之一例。

第4圖繪示以光耦合器實現電流源之調光系統之電路圖之一例。

第5圖繪示以光耦合器實現電流源之調光系統之電路圖之一例。

第6圖繪示以運算放大電路實現電流源之調光系統之電路圖之一例。

第7圖繪示以二極體及電阻實現電流源之調光系統之電路圖之一例。

以下係提出實施例進行詳細說明，實施例僅用以作為範例說明，並不會限縮本揭露欲保護之範圍。此外，實施例中之圖式係省略不必要之元件，以清楚顯示本揭露之技術特點。

第1圖繪示依據本發明之一實施例之調光系統100之簡化方塊圖。調光系統100包括控制器102以及交流直流轉換 器104。控制器102係回應調光訊號DS並輸出控制訊號CS。控制器102包括調頻電路106以及責任週期控制電路108。調頻電路106係回應調光訊號DS並調整控制訊號CS之頻率。責任週期控制電路108係回應調光訊號DS並調整控制訊號CS之責任週期。交流直流轉換器104係轉換外部電源PS，並依據控制訊號CS產生直流訊號DL，以透過直流訊號DL驅動光源110。

上述之控制器102可例如以微處理器、控制積體電路(Integrated Circuit,IC)或其他具有調光控制能力的電路來實現。調光訊號DS例如為調變電壓訊號、定電壓訊號或是脈衝寬度調變(Pulse Width Modulation,PWM)訊號，可依據光源110所欲顯示之亮度的不同而具有對應之訊號參數值(例如位準、頻率、責任週期等)。控制訊號CS例如是PWM訊號或其他具有頻率變化及責任週期變化的訊號。外部電源PS例如為市電電源。本實施例中，外部電源PS僅透過單一級之交流直流轉換器104與光源110耦接，故可將調光系統100視為一種採用單級交流直流轉換器之調光系統，不僅系統複雜度低，也可減少實作的成本。

控制器102可依據光源110在不同亮度情境下而操作於不同的模式。在本實施例中，當控制器102在第一模式時，控制訊號CS之頻率為第一頻率，且控制訊號CS之責任週期為第一責任週期；當控制器102切換至第二模式時，控制訊號CS之頻率改變為第二頻率，且控制訊號CS之責任週期改變為第二責任週期。第一模式例如對應至對光源110進行調光前的狀態。此 時控制訊號CS之頻率及責任週期分別固定於第一參數值。接著，當要改變光源110之亮度時，控制器102進入第二模式，此時控制訊號CS之頻率以及責任週期係被調整並維持在第二參數值，使直流訊號DL之位準改變，以達到對光源110進行調光的效果。

調光系統100對光源110之輸出功率係決定光源110之亮度。此輸出功率可例如表示為

當中V表示外部電源PS之電壓峰值，D表示控制訊號CS之責任週期，L表示交流直流轉換器104之內部電感值，f表示控制訊號CS之頻率。在一般應用情境中，外部電源PS之電壓峰值(參數V)與交流直流轉換器104之內部電感值(參數L)可視為定值。故由式(1)可知，對光源110之輸出功率可透過控制訊號CS之責任週期(參數D)與頻率(參數f)而加以調整。藉由同時調整控制器102所輸出之控制訊號CS之頻率與責任週期，可有效提升光源110的整體調光範圍。以僅透過調頻進行調光的系統為例，當對光源的輸出功率需由100W降至1W，控制訊號的頻率需提高100倍，但如此高頻的控制訊號往往超出電路所能負荷。反之，當同時對控制訊號之頻率及責任週期進行調整，例如將責任週期縮短為原本的1/5，此時控制訊號的頻率只需提高4倍即可將原輸出功率由100W降至1W，達到所需之輸出功率。基於上述，在本實施例中，當光源110在第二模式時所產生之亮 度係小於在第一模式時所產生之亮度，可設計第二頻率大於第一頻率，且第二責任週期小於或等於第一責任週期。

承前所述，控制器102可依據調光訊號DS產生具有特定頻率及責任週期的控制訊號CS。由於控制訊號CS之頻率及責任週期並不需隨著市電電源PS的弦波變化而作連續的變動，故可使電磁干擾(Electro Magnetic Interference,EMI)集中於特定頻段，如此不僅便於EMI濾波電路的設計，更可提升調光系統100之EMI濾波效果。

第2圖繪示調光系統100之相關訊號之波形圖之一例。在第2圖的例子中，光源110在時間區間T1及T2的亮度例如分別為80%及10%。在時間區間T1，調光訊號DS為低位準(例如0V)，控制器102操作於第一模式。此時控制器102依據調光訊號DS產生例如具有頻率40KHz、責任週期30%之控制訊號CS，而基於直流訊號DL所產生之流經光源110之電流IL例如為200mA。在時間區間T2，調光訊號DS改變為高位準(例如3V)，控制器102操作於第二模式。此時控制器102依據改變後的調光訊號DS產生例如具有頻率80KHz(相對高頻)、責任週期3.4%(相對短之責任週期)之控制訊號CS，使電流IL係降低至10mA。可理解的是，上述例子僅為方便理解本發明，當中所使用的各項參數值並非用以限制本發明。

第3圖繪示調光系統100之電路圖之一例。在第3圖的例子中，調頻電路106包括電容C_T、電流源302以及頻率處 理電路304。電流源302耦接至電容C_T以及頻率處理電路304，電流源302係回應於調光訊號DS並輸出充電電流I至電容C_T，以透過充電電流I改變電容C_T之充放電速度。頻率處理電路304係依據電容C_T之充放電速度以改變控制訊號CS之頻率。在本實施例中，電容C_T充電至一轉態準位所需之時間係決定控制訊號CS之頻率。也就是說，當電容C_T接收充電電流I，電容C_T充電至轉態準位(例如1.6V)的所需時間係被縮短，如此將使頻率處理電路304提升控制訊號CS之頻率。頻率處理電路304例如是控制IC 306的一部分或是獨立的處理電路，可依據電容C_T的位準切換頻率來決定控制訊號CS的頻率。控制IC 306例如為UC3845BN控制IC，但本發明並不以此為限，控制IC 306亦可以其他可產生PWM訊號之電路來實現。

責任週期控制電路108包括分壓電路308以及責任週期處理電路310。分壓電路308係回應於調光訊號DS並產生回饋訊號FB傳至責任週期處理電路310。責任週期處理電路310係依據回饋訊號FB之大小調整控制訊號CS之責任週期。在本實施例中，分壓電路308可包括多個電阻(例如電阻R1、R2)。當調光訊號DS輸入責任週期控制電路108中的雙載子介面電晶體(bipolar junction transistor，BJT)312的基極端，即可控制定電流源的大小，以調整分壓節點N上的電壓。當調光訊號DS的位準越高，流經BJT 312的電流越大，使得分壓節點N的位準提升，進而拉高回饋訊號FB之位準。當責任週期處理電路310所接收 之回饋訊號FB之位準越大，責任週期處理電路310將縮短控制訊號CS之責任週期，以進行控制訊號CS之責任週期的調整。責任週期處理電路310可例如是控制IC 306的一部分，亦可是獨立的處理電路。

依據上述，透過調頻電路106以及責任週期控制電路108，控制器102可回應於調光訊號DS而同時調整控制訊號CS之頻率與責任週期，進而改善調光系統100之調光範圍。

調光系統100中調頻電路106之電流源302可以不同的電路架構來實現，只要該電路架構可回應於調光訊號DS並產生充電電流I至電容C_T即可，如第4至第7圖所示。

第4圖繪示以光耦合器402實現電流源302之調光系統100之電路圖之一例。如第4圖所示，提供充電電流I之電流源係一光耦合器402。光耦合器402包括發光二極體404以及光電晶體406。發光二極體404係轉換調光訊號DS而產生光能。光電晶體406係回應於發光二極體404所產生之光能而產生充電電流I。詳細來說，光電晶體406包括基極端B1、集極端C1以及射極端E1。基極端B1受控於發光二極體404所產生之光能。集極端C1耦接至供電參考電壓VDD(例如5V之供電電壓)。射極端E1耦接至電容C_T之一端，以提供充電電流I至電容C_T。

第5圖繪示以光耦合器502實現電流源302之調光系統100之電路圖之一例。如第5圖所示，係提供充電電流I之電流源係一光耦合器502。光耦合器502包括發光二極體504以 及光電晶體506。發光二極體504係轉換調光訊號DS而產生光能。光電晶體506包括基極端B2、集極端C2以及射極端E2。基極端B2受控於發光二極體504所產生之光能。與第4圖實施例不同點在於：集極端C2耦接至電容C_T之一端，以提供充電電流I至電容C_T。射極端E2耦接至接地參考電壓(例如接地電壓)。

第6圖繪示以運算放大電路602實現電流源302之調光系統100之電路圖之一例。透過運算放大電路602將調光訊號DS轉換為充電電流I，以提供充電電流I至電容C_T。詳細來說，運算放大電路602包括運算放大器604。運算放大器604包括輸入端IN以及輸出端OUT。輸入端IN係接收調光訊號DS。輸出端OUT耦接至電容C_T之一端，係回應於輸入端IN所接收之調光訊號DS，並提供充電電流I至電容C_T。

第7圖繪示以二極體702及電阻704實現電流源302之調光系統100之電路圖之一例。如第7圖所示，二極體702係接收調光訊號DS並輸出訊號DS’。電阻704耦接於二極體702與電容C_T之間，係依據二極體702所輸出之訊號DS’而提供充電電流I至電容C_T。

本發明更提出一種調光系統100之操作方法。此操作方法包括：透過控制器102之調頻電路106，回應調光訊號DS並調整控制訊號CS之頻率；透過控制器102之責任週期控制電路108，回應調光訊號DS並調整控制訊號CS之責任週期；透過控制器102輸出控制訊號CS；以及透過交流直流轉換器104轉換 外部電源PS，並依據控制訊號CS產生直流訊號DL，以透過直流訊號DL驅動光源110。其中當控制器102在第一模式時，控制訊號CS之頻率係固定於第一頻率，且控制訊號CS之責任週期係固定於第一責任週期；當控制器102切換至第二模式時，控制訊號CS之頻率改變為第二頻率，且控制訊號之責任週期改變為第二責任週期。

綜上所述，本發明實施例之調光系統及其操作方法採用單級交流直流轉換器以簡化電路設計，並可回應於調光訊號而同時調整控制器所輸出之控制訊號之頻率與責任週期，進而改善調光系統之調光範圍。且由於控制訊號之頻率在不同的調光狀態下係具有對應之固定頻率，故有利於系統的EMI處理。此外，本發明實施例之調光系統及其操作方法係以直流訊號來驅動光源，故可避免光源明暗閃爍的問題。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明。本發明所屬技術領域中具有通常知識者，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‧‧‧調光系統

102‧‧‧控制器

104‧‧‧交流直流轉換器

106‧‧‧調頻電路

108‧‧‧責任週期控制電路

110‧‧‧光源

PS‧‧‧外部電源

DS‧‧‧調光訊號

CS‧‧‧控制訊號

DL‧‧‧直流訊號

Claims (20)

1. 一種調光系統，包括：一控制器，係回應一調光訊號並輸出一控制訊號，包括：一調頻電路，係回應該調光訊號並調整該控制訊號之頻率；以及一責任週期控制電路，係回應該調光訊號並調整該控制訊號之責任週期；一交流直流轉換器，係轉換一外部電源，並依據該控制訊號產生一直流訊號，以透過該直流訊號驅動一光源；其中當該控制器在一第一模式時，該控制訊號之頻率為一第一頻率，且該控制訊號之責任週期為一第一責任週期；當該控制器切換至一第二模式時，該控制訊號之頻率改變為一第二頻率，且該控制訊號之責任週期改變為一第二責任週期。
2. 如申請專利範圍第1項所述之調光系統，其中該調頻電路包括：一電容；一電流源，耦接至該電容，該電流源係回應於該調光訊號並輸出一充電電流至該電容，透過該充電電流改變該電容之充放電速度；以及一頻率處理電路，係依據該電容之充放電速度以改變該控制訊號之頻率。
3. 如申請專利範圍第2項所述之調光系統，其中該電流源包 括一光耦合器，該光耦合器包括：一發光二極體，係轉換該調光訊號而產生光能；以及一光電晶體，包括：一基極端，受控於該發光二極體所產生之光能；一集極端，耦接至一供電參考電壓；以及一射極端，耦接至該電容之一端，以提供該充電電流至該電容。
4. 如申請專利範圍第2項所述之調光系統，其中該電流源包括一光耦合器，該光耦合器包括：一發光二極體，係轉換該調光訊號而產生光能；以及一光電晶體，包括：一基極端，受控於該發光二極體所產生之光能；一集極端，耦接至該電容之一端，以提供該充電電流至該電容；以及一射極端，耦接至一接地參考電壓。
5. 如申請專利範圍第2項所述之調光系統，其中該電流源包括一運算放大電路，該運算放大電路包括：一運算放大器，包括：一輸入端，係接收該調光訊號；以及一輸出端，耦接至該電容之一端，係回應於該輸入端所接收之該調光訊號，並提供該充電電流至該電容。
6. 如申請專利範圍第2項所述之調光系統，其中該電流源包 括：一二極體，係接收該調光訊號而輸出一訊號；以及一電阻，耦接於該二極體與該電容之間，係依據該二極體所輸出之該訊號而提供該充電電流至該電容。
7. 如申請專利範圍第2項所述之調光系統，其中該電容充電至一轉態準位之一所需時間係決定該控制訊號之頻率；當該電容接收該充電電流，該電容充電至該轉態準位之該所需時間係被縮短，使該頻率處理電路提升該控制訊號之頻率。
8. 如申請專利範圍第1項所述之調光系統，其中該責任週期控制電路包括：一分壓電路，係回應於該調光訊號產生一回饋訊號；以及一責任週期處理電路，係依據該回饋訊號之大小調整該控制訊號之責任週期。
9. 如申請專利範圍第8項所述之調光系統，其中當該回饋訊號之位準變大，該責任週期處理電路縮短該控制訊號之責任週期。
10. 如申請專利範圍第1項所述之調光系統，其中當該光源在該第二模式時所產生之亮度係小於在該第一模式時所產生之亮度，該第二頻率係大於該第一頻率，且該第二責任週期係小於或等於該第一責任週期。
11. 一種調光系統之操作方法，該調光系統包括一控制器以及一交流直流轉換器，該操作方法包括： 透過該控制器之一調頻電路，回應一調光訊號並調整一控制訊號之頻率；透過該控制器之一責任週期控制電路，回應該調光訊號並調整該控制訊號之責任週期；透過該控制器輸出該控制訊號；以及透過該交流直流轉換器轉換一外部電源，並依據該控制訊號產生一直流訊號，以透過該直流訊號驅動一光源；其中當該控制器在一第一模式時，該控制訊號之頻率為一第一頻率，且該控制訊號之責任週期為一第一責任週期；當該控制器切換至一第二模式時，該控制訊號之頻率改變為一第二頻率，且該控制訊號之責任週期改變為一第二責任週期。
12. 如申請專利範圍第11項所述之操作方法，其中該調頻電路包括一電容、耦接至該電容之一電流源以及一頻率處理電路，該操作方法更包括：透過該電流源，回應於該調光訊號並輸出一充電電流至該電容，透過該充電電流改變該電容之充放電速度；以及透過該頻率處理電路，依據該電容之充放電速度以改變該控制訊號之頻率。
13. 如申請專利範圍第12項所述之操作方法，其中該電流源包括一光耦合器，該光耦合器包括一發光二極體以及一光電晶體，該操作方法更包括：透過該發光二極體，轉換該調光訊號而產生光能； 透過該光電晶體，回應於該發光二極體所產生之光能而產生該充電電流；以及透過該光電晶體之一射極端提供該充電電流至該電容。
14. 如申請專利範圍第12項所述之操作方法，其中該電流源包括一光耦合器，該光耦合器包括一發光二極體以及一光電晶體，該操作方法更包括：透過該發光二極體，轉換該調光訊號而產生光能；透過該光電晶體，回應於該發光二極體所產生之光能而產生該充電電流；以及透過該光電晶體之一集極端提供該充電電流至該電容。
15. 如申請專利範圍第12項所述之操作方法，其中該電流源包括一運算放大電路，該操作方法更包括：透過該運算放大電路將該調光訊號轉換為該充電電流，以提供該充電電流至該電容。
16. 如申請專利範圍第12項所述之操作方法，其中該電流源包括一二極體以及耦接於該二極體與該電容之間之一電阻，該操作方法更包括：透過該二極體接收該調光訊號並輸出一訊號；以及透過該電阻，依據該二極體所輸出之該訊號提供該充電電流至該電容。
17. 如申請專利範圍第12項所述之操作方法，其中該電容充電至一轉態準位之一所需時間係決定該控制訊號之頻率，該操作 方法更包括：透過該電容接收該充電電流，以縮短該電容充電至該轉態準位之該所需時間；以及透過該頻率處理電路提升該控制訊號之頻率。
18. 如申請專利範圍第11項所述之操作方法，其中該責任週期控制電路包括一分壓電路以及一責任週期處理電路，該操作方法更包括：透過該分壓電路，回應於該調光訊號並產生一回饋訊號；透過該責任週期處理電路，依據該回饋訊號之大小調整該控制訊號之責任週期。
19. 如申請利範圍第18項所述之操作方法，其中當該回饋訊號之位準變大，該責任週期處理電路縮短該控制訊號之責任週期。
20. 如申請專利範圍第11項所述之操作方法，其中當該光源在該第二模式時所產生之亮度係小於在該第一模式時所產生之亮度，該第二頻率係大於該第一頻率，且該第二責任週期係小於或等於該第一責任週期。