TW201711356A - 漣波遏止器 - Google Patents

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TW201711356A TW104129275A TW104129275A TW201711356A TW 201711356 A TW201711356 A TW 201711356A TW 104129275 A TW104129275 A TW 104129275A TW 104129275 A TW104129275 A TW 104129275A TW 201711356 A TW201711356 A TW 201711356A
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Abstract

實施例揭露一種漣波遏止器，包含有一功率電晶體、一電流偵測電阻、一運算放大器、一控制信號產生電路、以及一回饋控制電路。該功率電晶體，具有一汲極、一源極以及一閘極。該閘極之一閘極電壓可控制流經該汲級與該源極之一汲源電流。該電流偵測電阻連接於該源極與一接地線之間，用以提供一電流偵測信號。該運算放大器，具有二輸入，分別接收該電流偵測信號與一穩定控制信號。該運算放大器控制該閘極，使該電流偵測信號大約等於該穩定控制信號。該控制信號產生電路連接至該汲極，對該汲極之一汲極電壓提供低通濾波，以產生該穩定控制信號。該回饋控制電路連接至該控制信號產生電路，用以偵測該閘極電壓，透過該控制信號產生電路影響該穩定控制信號，以使該閘極電壓符合一預設條件。。

Description

漣波遏止器
本發明係關於一遏止電流漣波之裝置，尤指可以防止驅動電流之電晶體進入線性區的漣波遏止器。
因為高發光效率以及低電能損耗，發光二極體(light emitting diode，LED)已經廣泛地應用來做為照明光源。習知技術中，LED的驅動電路僅僅使用單一一級的功率校正(power factor correction，PFC)電壓轉換器，來驅動LED。但是，單一級PFC電壓轉換器往往產生很高的輸出漣波(output ripple)。一種降低此漣波的方法，是在輸出端掛上一個電容值非常大的輸出電容，其往往就是一個電解電容(electrolyte capacitor)。如同業界所知的，電解電容體積龐大、壽命短，所以也大幅地縮短整個LED的驅動電路之壽命。
為了可以不用使用電解電容作為輸出電容，習知技術中提出了漣波遏止器，來穩定流經LED的電流。第1圖為習知技術中的一LED電源系統10，包含有一橋式整流器12、一降壓轉換器(buck converter)14、一發光二極體(LED)16、以及一漣波遏止器18，彼此的連接如第1圖所示。降壓轉換器(buck converter)14可以做為一PFC裝置，可提供穩定之平均輸出電流。第2A、2B圖分別顯示習知技術中的漣波遏止器18a與18b。每一個漣波遏止器中都有驅動LED之NMOS電晶體(Mna、Mnb)，其閘極上的閘極電壓大約 是將汲極電壓低通濾坡後而產生的一穩定結果。利用穩定之閘極電壓，使NMOS電晶體所產生的汲源電流IDS大約為定值，達到電流漣波遏止的目的。
實施例揭露一種漣波遏止器，包含有一功率電晶體、一電流偵測電阻、一運算放大器、一控制信號產生電路、以及一回饋控制電路。該功率電晶體，具有一汲極、一源極以及一閘極。該閘極之一閘極電壓可控制流經該汲級與該源極之一汲源電流。該電流偵測電阻連接於該源極與一接地線之間，用以提供一電流偵測信號。該運算放大器，具有二輸入，分別接收該電流偵測信號與一穩定控制信號。該運算放大器控制該閘極，使該電流偵測信號大約等於該穩定控制信號。該控制信號產生電路連接至該汲極，對該汲極之一汲極電壓提供低通濾波，以產生該穩定控制信號。該回饋控制電路連接至該控制信號產生電路，用以偵測該閘極電壓，透過該控制信號產生電路影響該穩定控制信號，以使該閘極電壓符合一預設條件。
10‧‧‧LED電源系統
12‧‧‧橋式整流器
14‧‧‧降壓轉換器
16‧‧‧發光二極體
18、18a、18b、18d、18e、18f、18g、18k、18m、18n‧‧‧漣波遏止器
22‧‧‧低通濾波器
24‧‧‧除法器
26‧‧‧定電流控制器
28‧‧‧轉導器
29‧‧‧陰影區
30‧‧‧回饋控制電路
32‧‧‧除數控制器
34、35、36‧‧‧比較器
40‧‧‧波峰偵測器
42‧‧‧波谷偵測器
43‧‧‧回饋控制電路
44‧‧‧電容
45‧‧‧轉導器
62‧‧‧偏移電路
CF‧‧‧濾波電容
IDS‧‧‧汲源電流
Mna、Mnb、Mnd、Mne、Mnf、Mng、Mnh、Mnk、Mnm、Mnn‧‧‧NMOS電晶體
N‧‧‧除數
OP1‧‧‧運算放大器
RDS‧‧‧導通電阻
Rf‧‧‧電阻
Rs‧‧‧電流偵測電阻
VAVG‧‧‧平均電壓
VD‧‧‧汲極電壓
VDS‧‧‧汲源電壓
VG‧‧‧閘極電壓
VG-PEAK‧‧‧波峰
VG-VLY‧‧‧波谷
VOS‧‧‧偏移電壓
VOUT‧‧‧輸出電壓
VS‧‧‧電流偵測信號
VSET‧‧‧電流設定電壓
VTAR‧‧‧預設值
VTH-HH、VTH-HL、VTH-L‧‧‧預設值
第1圖為習知技術中的一LED電源系統。
第2A、2B圖分別顯示習知技術中的漣波遏止器。
第3圖顯示了另一漣波遏止器。
第4圖顯示了在第1圖中的漣波遏止器18採用第3圖中的漣波遏止器18d時，輸出電壓VOUT、汲極電壓VD以及閘極電壓VG的波形。
第5圖顯示依據本發明所實施的漣波遏止器。
第6圖顯示閘極電壓VG的波形。
第7圖顯示了依據本發明所實施的漣波遏止器。
第8A、8B圖顯示依據本發明所實施的二漣波遏止器。
第9A-9C顯示三個漣波遏止器。
在本說明書中，有一些相同的符號，其表示具有相同或是類似之結構、功能、原理的元件，且為業界具有一般知識能力者可以依據本說明書之教導而推知。為說明書之簡潔度考量，相同之符號的元件將不再重述。
第2A、2B圖中的漣波遏止器18a與18b，其遏止漣波之成效仰賴NMOS電晶體(Mna、Mnb)操作於飽和狀態時，其汲源電流IDS對汲源電壓VDS的相關性。理想的NMOS電晶體，在飽和時，汲源電流IDS是跟汲源電壓VDS無關的。只是，越接近理想的NMOS電晶體，成本當然也就越高。
第3圖顯示了另一漣波遏止器18d，其包含有電阻Rf、低通濾波器22、除法器24、與定電流控制器26，其中電阻Rf並非必要元件，可視應用情況增減，相同之情況於以下各圖之實施例亦相同，不在贅述。漣波遏止器18d中的NMOS電晶體Mnd，其汲源電流IDS對汲源電壓VDS的相關性，大致不會影響漣波遏止之成效。低通濾波器22包含有轉導器(transconductor)28與濾波電容CF。低通濾波器22大約對汲極電壓VD低通濾波，在濾波電容CF上產生平均電壓VAVG，作為一濾波後信號。除法器24對以平均電壓VAVG除以一除數N，產生一穩定控制信號，也就是電流設定電壓VSET。低通濾波器22與除法器24一起可以視為一控制信號產生電路，用來產 生電流設定電壓VSET這樣的一個穩定控制信號。定電流控制器26包含有NMOS電晶體Mnd、運算放大器OP1、與電流偵測電阻Rs。運算放大器OP1產生閘極電壓VG，控制NMOS電晶體Mnd的閘極。運算放大器OP1的二輸入分別接收電流設定電壓VSET與電流偵測信號VS。定電流控制器26提供一負回饋控制，意圖使電流偵測信號VS等於電流設定電壓VSET。當NMOS電晶體Mnd操作於飽和模式時，汲源電流IDS大約會穩定地等於一定電流，其值為電流設定電壓VSET除以偵測電阻Rs之電阻值，並不會受NMOS電晶體Mnd之汲源電流IDS對汲源電壓VDS的相關性所影響。
第4圖顯示了在第1圖中的漣波遏止器18採用第3圖中的漣波遏止器18d時，輸出電壓VOUT、汲極電壓VD以及閘極電壓VG的波形。當第1圖中的輸出電容COUT減少時，輸出電壓VOUT、汲極電壓VD以及閘極電壓VG的波形會從第4圖中的左半部，變成右半部。因為輸出電容COUT減少，所以輸出電壓VOUT上下變化範圍增大了。第4圖的右半部也顯示了陰影區29，其中汲極電壓VD已經太低了，造成定電流控制器26之NMOS電晶體Mnd離開飽和模式而進入線性模式，無法提供一定電流。操作在陰影區29時，意味著LED 16亮度變暗。換言之，第4圖的右半部隱含著閃爍的問題(flickering)。
第5圖顯示依據本發明所實施的漣波遏止器18e。與第3圖之漣波遏止器18d不同的，漣波遏止器18e增加有一回饋控制電路30。回饋控制電路30偵測閘極電壓VG，透過控制除法器24中的除數N，來影響電流設定電壓VSET，以使閘極電壓VG符合一預設條件。在第5圖中，這預設條件是閘極電壓VG的波峰VG-PEAK介於預設值VTH-HH與VTH-HL之間，而閘極電壓VG 的波谷VG-VLY大致不低於預設值VTH-L，如同第6圖所示。舉例來說，預設值VTH-HH、VTH-HL與VTH-L，分別是10V、8V與3V。
回饋控制電路30包含有波峰偵測器40與波谷偵測器42，都用來偵測閘極電壓VG，分別產生波峰VG-PEAK與波谷VG-VLY。當波峰VG-PEAK高於預設值VTH-HH時，比較器36使除數控制器32增加除法器24之除數N，因而降低了電流設定電壓VSET。降低的電流設定電壓VSET會使下次的波峰VG-PEAK變小。舉例來說，除數控制器32可能每隔50ms增加除法器24之除數N一次，直到波峰VG-PEAK低於預設值VTH-HH為止。當波峰VG-PEAK低於預設值VTH-HL時，比較器35使除數控制器32減少除法器24之除數N，使下次的波峰VG-PEAK變大。當波谷VG-VALLEY低於預設值VTH-L時，比較器34使除數控制器32減少除法器24之除數N，因而增加了電流設定電壓VSET，使下次的波谷VG-VLY變大。在一實施例中，除法器24之除數N每隔50ms才被更新一次(可能增加或是減少)。
因此，隨著時間過去，回饋控制電路30可以控制波峰VG-PEAK大約介於預設值VTH-HH與VTH-HL之間，而波谷VG-VLY大致不低於預設值VTH-L。把波峰VG-PEAK限制在大約預設值VTH-H1與VTH-H2之間，有兩個好處。舉例來說，如果閘極電壓VG超過預設值VTH-HH時，NMOS電晶體Mne就可能操作於線性模式，那回饋控制電路30可以預防NMOS電晶體Mne離開飽和模式。另一方面，波峰VG-PEAK維持在不低於預設值VTH-HL，可以享有NMOS電晶體Mne有較低的導通電阻RDS，降低漣波遏止器18e所消耗的電能，也就是增進效率。類似的，波谷VG-VLY大致不低於預設值VTH-L，也是避免NMOS電晶體Mne有過高的導通電阻RDS，可以避免漣波遏止器18e消耗過多的電 能，改善效率。
在第5圖中，在產生電流設定電壓VSET的過程上，除法器24跟在低通濾波器22之後，但本發明不限於此。第7圖顯示了依據本發明所實施的漣波遏止器18f，其中低通濾波器22跟在除法器24之後，而除數控制器32控制了除法器24之除數N。漣波遏止器18f可以享有跟第5圖之漣波遏止器18e一樣的結果與好處。
第8A圖顯示依據本發明所實施的漣波遏止器18g。漣波遏止器18g也有一回饋控制電路43，其偵測閘極電壓VG，透過控制除法器24中的除數N，來影響電流設定電壓VSET，以使閘極電壓VG符合一預設條件。在此實施例中，這個預設條件是閘極電壓VG的平均值大約等於一預設值VTAR(=6V)。回饋控制電路40基本上是一平均電路，包含有一轉導器45以及一電容44。轉導器45比較閘極電壓VG與預設值VTAR，依據他們之間的差，產生輸出電流，對電容44充放電。電容44上的電壓可以當作一輸出信號，來控制除法器24中的除數N。
舉例來說，當閘極電壓VG的平均值大於預設值VTAR時，電容44的電壓會上升，除數N會每隔50ms下降一次，因此調降電流設定電壓VSET，藉此拉低閘極電壓VG的平均值。反之亦然。所以，回饋控制電路40可以使閘極電壓VG的平均值大約等於預設值VTAR。這樣的結果，閘極電壓VG不至於過高使NMOS電晶體Mng失效，也不至於過低而使NMOS電晶體Mng損耗過多電能。
在第8A圖中，在產生電流設定電壓VSET的過程上，除法器24跟在低通濾波器22之後，但本發明不限於此。第8B圖顯示了依據本發明 所實施的漣波遏止器18h，其中低通濾波器22跟在除法器24之後，而回饋控制電路40控制了除法器24之除數N。
第5、7、8A與8B圖中，每個回饋控制電路都是控制一個除法器的除數，但本發明不限於此。第9A-9C顯示三個漣波遏止器18k、18m、18n，其中，回饋控制電路43控制的是一偏移電路所提供的一偏移電壓。以第9A圖之漣波遏止器18k為例，偏移電路62連接於除法器24與定電流控制器26之間，用來提供一偏移電壓VOS。當漣波遏止器18k中閘極電壓VG的平均值大於預設值VTAR時，偏移電壓VOS會緩慢地下降，因此調降電流設定電壓VSET，藉此拉低閘極電壓VG的平均值。反之亦然。所以，漣波遏止器18k可以使閘極電壓VG的平均值大約等於預設值VTAR。
第9B圖中，偏移電路62連接於低通濾波器22與除法器24之間。第9C圖中，偏移電路62連接於電阻Rf與低通濾波器22之間。透過以上的解說可知，第9B與9C圖中的漣波遏止器18m與18n也可以使閘極電壓VG的平均值大約等於預設值VTAR。
類似的，在其他的實施例中，第9A、9B與9C圖中的回饋控制電路43也可以用第5圖中的回饋控制電路30來取代。
在本發明的實施例中，回饋控制電路可以用來偵測閘極電壓VG，據以調整電流設定電壓VSET，以使得閘極電壓VG符合一預設條件，可以使NMOS電晶體不失效或是操作的比較有效率。
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。
18e‧‧‧漣波遏止器
22‧‧‧低通濾波器
24‧‧‧除法器
26‧‧‧定電流控制器
28‧‧‧轉導器
30‧‧‧回饋控制電路
32‧‧‧除數控制器
34、35、36‧‧‧比較器
40‧‧‧波峰偵測器
42‧‧‧波谷偵測器
IDS‧‧‧汲源電流
Mne‧‧‧NMOS電晶體
N‧‧‧除數
OP1‧‧‧運算放大器
Rf‧‧‧電阻
Rs‧‧‧電流偵測電阻
VAVG‧‧‧平均電壓
VD‧‧‧汲極電壓
VG‧‧‧閘極電壓
VS‧‧‧電流偵測信號
VSET‧‧‧電流設定電壓
VTH-HH、VTH-HL、VTH-L‧‧‧預設值

Claims (13)

  1. 一種漣波遏止器(ripple suppressor)，包含有：一功率電晶體，具有一汲極、一源極以及一閘極，該閘極之一閘極電壓可控制流經該汲級與該源極之一汲源電流；一電流偵測電阻，連接於該源極與一接地線之間，用以提供一電流偵測信號；一運算放大器，具有二輸入，分別接收該電流偵測信號與一穩定控制信號，該運算放大器控制該閘極，使該電流偵測信號大約等於該穩定控制信號；一控制信號產生電路，連接至該汲極，對該汲極之一汲極電壓提供低通濾波，以產生該穩定控制信號；以及一回饋控制電路，連接至該控制信號產生電路，用以偵測該閘極電壓，透過該控制信號產生電路影響該穩定控制信號，以使該閘極電壓符合一預設條件。
  2. 如請求項1之該漣波遏止器，其中，該控制信號產生電路包含有：一低通濾波器，將該汲極電壓低通濾波，產生一濾波後信號；以及一除法器，將該濾波後信號除以一除數，以產生該穩定控制信號；其中，該回饋控制電路控制該除數。
  3. 如請求項1之該漣波遏止器，其中，該控制信號產生電路包含有：一除法器，將該汲極電壓除以一除數，以產生一中間信號；以及一低通濾波器，將該中間信號低通濾波，產生該穩定控制信號；其中，該回饋控制電路控制該除數。
  4. 如請求項1之該漣波遏止器，其中，該控制信號產生電路包含有：一偏移電路，用以提供一偏移電壓；其中，該回饋控制電路控制該偏移電壓。
  5. 如請求項4之該漣波遏止器，其中，該控制信號產生電路另包含有一低通濾波器，連接至該運算放大器，該偏移電路連接於該低通濾波器與該汲極之間。
  6. 如請求項4之該漣波遏止器，其中，該控制信號產生電路另包含有一低通濾波器，連接至該汲極，該偏移電路連接於該低通濾波器與該運算放大器之間。
  7. 如請求項1之該漣波遏止器，其中，該回饋控制電路透過該控制信號產生電路影響該穩定控制信號，以使該閘極電壓大約限制於一預設上限值以下。
  8. 如請求項7之該漣波遏止器，其中，該回饋控制電路包含有：一第一比較器，用以比較該閘極電壓與該預設上限值；其中，當該閘極電壓大於該預設上限值時，該回饋控制電路可使該穩定控制信號減少。
  9. 如請求項8之該漣波遏止器，其中，該回饋控制電路另包含有：一第二比較器，用以比較該閘極電壓與一預設下限值；其中，當該閘極電壓小於該預設上限值時，該回饋控制電路可使該穩定控制信號增加。
  10. 如請求項1之該漣波遏止器，其中，該回饋控制電路透過該控制信號產生電路影響該穩定控制信號，以使該閘極電壓之一平均值大約等於一預 設值。
  11. 如請求項10之該漣波遏止器，其中，該回饋控制電路包含有一平均電路，依據該閘極電壓與該預設值之間的差，提供一輸出信號至該控制信號產生電路。
  12. 如請求項11之該漣波遏止器，其中，該平均電路包含有一轉導比較器以及一電容，該轉導比較器比較閘極電壓與該預設值，以產生一輸出電流對該電容充放電。
  13. 如請求項11之該漣波遏止器，其中，該控制信號產生電路包含有一除法器，該平均電路控制該除法器之一除數。
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