TW201947997A

TW201947997A - 發光元件驅動裝置及其驅動方法

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Publication number: TW201947997A
Application number: TW107115189A
Authority: TW
Inventors: 周清和; 艾祖華
Original assignee: 台達電子工業股份有限公司
Priority date: 2018-05-04
Filing date: 2018-05-04
Publication date: 2019-12-16
Also published as: TWI672975B

Abstract

本揭示內容關於一種發光元件驅動裝置，包含儲能元件、電源及電源轉換電路。電源經由發光元件電性連接至儲能元件，用以提供電流至發光元件，並用以對儲能元件充電。電源轉換電路電性連接電源及儲能元件，且包含電感。在電源轉換電路處於第一操作狀態時，儲能元件對電感充電。在電源轉換電路處於第二操作狀態時，電感放電至電源。

Description

發光元件驅動裝置及其驅動方法

本揭示內容關於一種驅動裝置，特別是一種處理部分負載能量的高效率轉換裝置，以驅動發光元件之發光元件驅動裝置。

發光二極體（Light-emitting diode，LED）為一種以電流驅動的發光器件，其主要是通過控制流過LED的電流來調節發光的亮度。在現有技術中，當LED連接到直流電壓源進行工作時，LED工作電流透過串接電阻器來調節，此電路的優點是電路簡單，缺點是效率低。另一種現有技術，透過電源轉換器做LED電流的調節，優點是相比前述串接電阻器有較高的效率，但由於LED負載完全通過電源轉換器，且如果是連接交流市電的應用，再加上一級功率因數校正電路後，在二級電路架構下，系統整體的效率還是無法進一步提升。

在設計LED的驅動裝置時，需要考量的因素包含電路結構的複雜性、轉換效率及電流的穩定性，而如何兼顧上述多種因素，是當前的一大重要課題。

本揭示內容之一態樣，係關於一種發光元件驅動裝置，包含儲能元件、電源及電源轉換電路，儲能元件之正極端直接連接至發光元件。電源經由發光元件電性連接至儲能元件之正極端，用以提供電流予發光元件，並用以對儲能元件充電。電源轉換電路電性連接電源及儲能元件，其中電源轉換電路包含電感。在電源轉換電路之第一操作狀態下該儲能元件對電感充電，在電源轉換電路之第二操作狀態下，電感放電至電源。

本揭示內容之另一態樣，係關於一種驅動發光元件之方法，包含下列步驟：透過電源，提供電流予發光元件，且對儲能元件充電。其中電源電性連接至發光元件之第一端，且儲能元件之正極端直接連接發光元件之第二端。在電源持續提供該電流予發光元件的情況下，導通第一開關元件，使儲能元件對電感充電，關斷第一開關元件，使電感放電至電源。

本揭示內容之又一態樣，係關於一種發光元件驅動裝置，包含儲能元件、電源、電感、第一開關元件及第二開關元件。電源經由發光元件連接至儲能元件之正極端，電源用以提供電流予發光元件，並用以對儲能元件充電。電感電性連接該儲能元件。第一開關元件電性連接儲能元件及電感，其中在第一開關元件導通時，儲能元件用以對該電感充電。第二開關元件電性連接該電感及該電源，其中在第一開關元件關斷時，電感用以透過第二開關元件放電至電源。

以下將以圖式揭露本揭示內容之複數個實施方式，為明確說明起見，許多實務上的細節將在以下敘述中一併說明。然而，應瞭解到，這些實務上的細節不應用以限制本發明。也就是說，在本發明部分實施方式中，這些實務上的細節是非必要的。此外，為簡化圖式起見，一些習知慣用的結構與元件在圖式中將以簡單示意的方式繪示之。

於本文中，當一元件被稱為「連接」或「耦接」時，可指「電性連接」或「電性耦接」。「連接」或「耦接」亦可用以表示二或多個元件間相互搭配操作或互動。此外，雖然本文中使用「第一」、「第二」、…等用語描述不同元件，該用語僅是用以區別以相同技術用語描述的元件或操作。除非上下文清楚指明，否則該用語並非特別指稱或暗示次序或順位，亦非用以限定本發明。

關於LED的驅動裝置，傳統作法是在LED上串聯一個電阻，以作為電源轉換器，使LED上具有一恆定電流。這種作法的優點是電路簡單，缺點則是效率低，且需要根據LED規格進行電阻調整。為了改善效率問題，許多改良式的電源轉換器被設計出來。常見的電源轉換器類型包含降壓型轉換器(Buck Converter)、升壓型轉換器(Boost Converter)及升壓降壓型轉換器(Buck-Boost Converter)，但在效率上都仍有可改進的空間。

請參閱第1圖所示，為本揭示內容中之發光元件驅動裝置100之部分實施例。發光元件驅動裝置100包含儲能元件C1、電源110及電源轉換電路130。儲能元件C1之正極端直接連接於至少一個發光元件120之負極端。電源110經由發光元件120連接至儲能元件C1，用以提供第一電流I1予發光元件120，並用以對儲能元件C1充電。在部分實施例中，發光元件120及儲能元件C1相互串聯，且發光元件120及儲能元件C1的串聯支路與電源110並聯。特別說明，第1圖的電源110僅為示意圖，本領域人員應可理解任何可以提供電能給發光元件都可稱為電源110。在部分實施例中，儲能元件C1包含電容器，舉例如鋁質電容、金屬化薄膜電容、積層陶瓷電容或其他類型的電容，而發光元件120包含LED，但皆不以此為限。

電源轉換電路130電性連接電源110及儲能元件C1。電源轉換電路130中至少包含電感L1。在電源轉換電路130處於第一操作狀態時，儲能元件C1對電感L1充電。在電源轉換電路130處於第二操作狀態時，電感L1放電至該電源110，以實現放電回灌（energy-recycling）之功能。

本揭示內容之原理透過控制電感L1反覆進行充電、放電，使儲能元件C1之能量透過電感L1，回灌至電源110。據此，即控制儲能元件C1上之跨壓，從而穩定了發光元件120上之跨壓及第一電流I1的大小。

本揭示內容所使用的電路架構，是讓電源110的輸出並聯於發光元件120及儲能元件C1的串聯支路。在此一電路架構下，驅動裝置100上形成「V₁₁₀ ＝V₁₂₀ +V_C1 」的現象。其中，電源110兩端之跨壓（V₁₁₀ ），會等於發光元件120及儲能元件C1之跨壓的總和。在本揭示內容中，由於電源轉換電路130僅需處理部分的負載能量且具放電回灌，因此，相較於傳統的電源轉換器，驅動裝置100具有更佳的轉換效率。尤其是，當電源110為另一級轉換電路的輸出用以供電給發光元件120時，本揭示內容所能改善之整體轉換效率將更為明顯。

在部分實施例中，電源110包含交流電壓源111、調節電路112及輸入電容C2。調節電路112電性連接交流電壓源111，用以接收交流電壓源111產生之一交流電壓，並輸出一調節電壓。在部分實施例中，調節電路112為一功率因素校正電路（Power Factor Correction，PFC）、一高壓直流輸電電路（High Voltage Direct Current，HVDC）或一橋式整流器。在部分實施例中，電源110亦可以是電池。輸入電容C2電性連接於調節電路112的輸出，用以接收調節電壓，並對發光元件120及儲能元件C1供電，以提供第一電流I1給發光元件120。在部分實施例中，輸入電容C2與發光元件120及儲能元件C1的串聯支路相並聯，且用以接收電感L1放電回灌之能量。

在部分實施例中，發光元件驅動裝置100之電源轉換電路130中還包含第一開關元件W1及第二開關元件W2。第一開關元件W1電性連接電感L1及儲能元件C1。第二開關元件W2則電性連接電感L1及電源110。當第一開關元件W1被導通時，儲能元件C1用以對該電感L1充電，此處充電表示使流經電感L1的第二電流I2逐步上升以儲存能量。當第二開關元件W2導通或第一開關元件W1被關斷時，電感L1用以放電至電源110。相較傳統電源轉換器，本揭示內容所使用的電路架構提供電源110一個電流路徑經由發光元件120與儲能元件C1，故可以提升轉換效率。

為方便本領域技術人士理解，茲逐一說明發光元件驅動裝置的運作方式如後。請參閱第1～3圖，其中第2A及2B圖分別為電源轉換電路130處於第一操作狀態及第二操作狀態之示意圖。第3圖則為發光元件驅動裝置100上各電流的波形圖。

首先，如第1圖所示，在電源110開始放電時，電源110提供第一電流I1給發光元件120，且電源110還會透過發光元件120對儲能元件C1充電。

隨著儲能元件C1儲存之電壓上升，提供至發光元件120的第一電流I1逐漸減少（如第3圖所示，第一電流I1的電流變動幅度極小，整體電流約介於0.90毫安培至1.05毫安培之間，故可視為穩定直流），電源轉換電路130將進入第一操作狀態。如第2A圖所示，在第一操作狀態中，電源110仍持續提供第一電流I1給發光元件120。此時，第一開關元件W1將被導通，使得第一開關元件W1、儲能元件C1與電感L1形成一充電路徑P1，且儲能元件C1對電感L1充電。如第2A及3圖所示，在電源轉換電路130處於第一操作狀態時，電感L1上形成有一第二電流I2，且在一充電階段T1中，第二電流I2會逐漸上升。同時，第一開關元件W1上亦會流經一第三電流I3。

請參閱第2B及3圖，當第一開關元件W1關閉時，電源轉換電路130將進入第二操作狀態。在第二操作狀態時，電源110依舊提供第一電流I1給發光元件120，而電感L1所儲存之電能順利通過第二開關元件W2，形成放電路徑。在部分實施例中，第一開關W1為可控開關，第二開關元件W2為二極體或可控開關。可控開關可為金屬氧化物半導體場效電晶體(metal-oxide-semiconductor field effect transistor, MOSFET)、氮化鎵(gallium nitride, GaN)或雙極性電晶體(bipolar transistor, BJT)，但不以此為限。若該第二開關W2為二極體，則二極體之正極端將電性連接該電感L1，當第一開關元件W1被關斷時，由於電感L1的電氣特性是維持該第二電流I2，因此，該第二電流I2即會朝該第二開關元件W2的方向流動。此時，第二開關元件W2即導通，且第二開關元件W2上會流經第四電流I4。第二開關元件W2也可以使用可控開關，即本領域人員熟知之同步整流(synchronous rectification)，藉此進一步降低損耗，在此不再贅述。電感L1、第二開關元件W2、電源110及儲能元件C1形成一放電路徑P2。電感L1會在一回灌階段T2中，將其儲存之電能放電（或回灌）至電源110。

在部分實施例中，第一開關元件W1根據一參考訊號，在導通或關斷之間切換，使電感L1反覆地進行充電、放電過程（即，第3圖所示之充電階段T1及回灌階段T2），據此，即可讓儲能元件C1的跨壓保持在一預定值，從而讓發光元件120工作在恆定電流（如前所述，第一電流I1的變動幅度遠小於第一電流I1的電流量，故可視為恆定電流），並維持發光強度的一致性。

在部分實施例中，電源轉換電路130可被操作於連續導通模式（Continuous Conduction Mode，CCM）。當電源轉換電路130被操作在CCM時，控制電源轉換電路130中的電流平均值（如：第二電流I2之平均值）等於第一電流I1的平均值。

為達前述目的，電源轉換電路130可以使用相應的控制方法，在部分實施例中，當電源轉換電路130進一步被控制在CCM與DCM的邊界條件（Boundary Conduction Mode，BCM）時，驅動裝置100上之電氣特性會符合恆等式：「I₁ ＝（I_2-peak ）/2」，亦即，發光元件120上的第一電流I1，會等於電源轉換電路130中的峰值電流（如：流經電感L1之第二電流I2）的一半。

舉例而言，如果電源110提供之輸入電壓為48伏特、電感L1之電感值為40uH、發光元件120的預期工作狀態為36伏特及1050毫安培、第一開關元件W1工作在100kHz及週期78％。此時，儲能元件C1之跨壓應為12伏特，且電源轉換電路130中的峰值電流為2100毫安培。

透過電源轉換電路130被操作在BCM下時的特性（即，前述恆等式），驅動裝置100將能透過偵測電源轉換電路130之電流值，控制電源轉換電路130進入第一操作狀態或第二操作狀態。在部分實施例中，發光元件驅動裝置100之電源轉換電路130中還包含控制電路131。控制電路131用以依據參考訊號，輸出控制訊號至第一開關元件W1，以控制第一開關元件W1導通或關斷。控制電路131更用以依據流經第一開關元件W1、第二開關元件W2及電感L1中至少一者的檢測電流，改變第一開關元件W1導通或關閉的時間點。

舉例而言，當檢測電流達一預設電流值（如：2100毫安培）時，控制電路131關斷第一開關元件W1，使電源轉換電路130進入第二操作狀態。在部分實施例中，當控制電路131控制第一開關元件W1導通時，第一開關元件W1、儲能元件C1與電感L1形成充電路徑P1。另一方面，當控制電路131控制第一開關元件W1關斷時，導通的第二開關元件W2、電感L1及該電源110將形成放電路徑P2。

請參閱第4圖，係本揭示內容之發光元件驅動裝置100之其他實施例。發光元件驅動裝置100包含儲能元件C1、電源110及電源轉換電路130。其中儲能元件C1、電感L1、電源110、發光元件120、電源轉換電路130、第一開關元件W1、第二開關元件W2及控制電路131之功能均與第1圖所示實施例之元件類似，故於此不再贅述。相較於第1圖所示實施例，電源轉換電路130還包含至少一檢測元件（如：第4圖所示之R1、R2或R3），檢測元件電性連接第一開關元件W1、第二開關元件W2及電感L1中至少一者，以供一檢測電流通過。第一開關元件W1係依據檢測電流之大小，於第一操作狀態下導通、或於該第二操作狀態下關斷。在部分實施例中，檢測元件包含電阻或比流器(current transformer)，但不以此為限。

在部分實施例中，第4圖所示，電源轉換電路130中包含第一檢測元件R1、第二檢測元件R2及第三檢測元件R3。第一檢測元件R1與該電感L1串聯，以供第二電流I2流過。第二檢測元件R2與第一開關元件W1串聯，以供第三電流I3流過。第三檢測元件R3與第二開關元件W2串聯，以供第四電流I4流過。

如前所述，若電源轉換電路130的整體操作屬於BCM，發光元件120上的第一電流I1，會等於電源轉換電路130中的峰值電流（如：流經電感L1之第二電流I2峰值）的一半。因此，在部分實施例中，電源轉換電路130透過偵測流經第一開關元件W1、第二開關元件W2及電感L1中至少一者的一檢測電流（如：第二電流I2、第三電流I3或第四電流I4），再依據檢測電流控制第一開關元件W1導通或關斷。舉例而言，若發光元件120產生理想的光強度時，所需的第一電流I1為1050毫安陪，則發光元件驅動裝置100可將第一電流I1的兩倍（即，2100毫安陪）設定為一預設電流值。在電源轉換電路130檢測出檢測電流達到預設電流值時，控制電路131控制第一開關元件W1關斷，以使電源轉換電路130進入第二操作狀態。

本揭示內容之一目的，係穩定地維持流經發光元件120上之第一電流I1。在其他實施例中，若欲調整發光元件120之發光強度，可透過改變預設電流值之數值，使發光元件120上第一電流I1產生相應變化。請參閱第3圖，預設電流值改變時，電源轉換電路130進入第二操作模式的時間亦將隨之變化。舉例而言，透過增加預設峰值電流（如：增加至2300毫安陪），充電階段T1的時間將會延長，而發光元件120上之第一電流I1亦隨之增加（即，2300毫安陪的一半1150毫安陪），如此，即可精確地改變發光元件120發出的光強度，實現調光功能。

雖然本揭示內容已以實施方式揭露如上，然其並非用以限定本揭示內容，任何熟習此技藝者，在不脫離本揭示內容之精神和範圍內，當可作各種更動與潤飾，因此本揭示內容之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

100‧‧‧發光元件驅動裝置

110‧‧‧電源

111‧‧‧交流電壓源

112‧‧‧調節電路

120‧‧‧發光元件

130‧‧‧電源轉換電路

131‧‧‧控制電路

C1‧‧‧儲能元件

C2‧‧‧輸入電容

L1‧‧‧電感

R1‧‧‧第一檢測元件

R2‧‧‧第二檢測元件

R3‧‧‧第三檢測元件

W1‧‧‧第一開關元件

W2‧‧‧第二開關元件

P1‧‧‧充電路徑

P2‧‧‧放電路徑

I1‧‧‧第一電流

I2‧‧‧第二電流

I3‧‧‧第三電流

I4‧‧‧第四電流

T1‧‧‧充電階段

T2‧‧‧回灌階段

第1圖為根據本揭示內容之部分實施例所繪示的發光元件驅動裝置的示意圖。第2A圖為根據本揭示內容部分實施例所繪示的發光元件驅動裝置之第一操作狀態示意圖。第2B圖為根據本揭示內容部分實施例所繪示的發光元件驅動裝置之第二操作狀態示意圖。第3圖為根據本揭示內容部分實施例所繪示的發光元件驅動裝置之電流波形圖。第4圖為根據本揭示內容之部分實施例所繪示的發光元件驅動裝置的示意圖。

Claims

一種發光元件驅動裝置，包含：一儲能元件；一電源，經由該發光元件連接至該儲能元件之一正極端，用以提供電流予該發光元件，並用以對該儲能元件充電；以及一電源轉換電路，電性連接該電源及該儲能元件，其中該電源轉換電路包含一電感；其中在該電源轉換電路之一第一操作狀態下，該儲能元件對該電感充電，在該電源轉換電路之一第二操作狀態下，該電感放電至該電源。
如請求項1所述之發光元件驅動裝置，該電源轉換電路更包含：一第一開關元件，電性連接該電感及該儲能元件，該第一開關元件被導通時，該儲能元件用以對該電感充電。
如請求項2所述之發光元件驅動裝置，該電源轉換電路更包含：一第二開關元件，電性連接該電感及該電源，該第二開關元件導通時，該電感用以放電至該電源。
如請求項3所述之發光元件驅動裝置，其中該電源轉換電路更包含：至少一檢測元件，電性連接該第一開關元件、該第二開關元件及該電感中至少一者，以供一檢測電流通過；其中該第一開關元件係依據該檢測電流，於該第一操作狀態下導通或於該第二操作狀態下關斷。
如請求項4所述之發光元件驅動裝置，其中該至少一檢測元件包含電阻或比流器。
如請求項4所述之發光元件驅動裝置，其中該至少一檢測元件包含：一第一檢測元件，與該電感串聯；一第二檢測元件，與該第一開關元件串聯；以及一第三檢測元件，與該第二開關元件串聯。
如請求項1所述之發光元件驅動裝置，其中該電源包含：一交流電壓源；一調節電路，電性連接該交流電壓源，用以接收該交流電壓源之一交流電壓，並輸出一調節電壓；及一輸入電容，電性連接於該調節電路，用以接收該調節電壓。
如請求項3所述之發光元件驅動裝置，更包含：一控制電路，用以依據流經該第一開關元件、該第二開關元件及該電感中至少一者的一檢測電流控制該第一開關元件導通或關斷。
如請求項1所述之發光元件驅動裝置，其中，該儲能元件包含電容器。
如請求項3所述之發光元件驅動裝置，其中，該第二開關元件包含二極體。
一種驅動發光元件之方法，包含：透過一電源，提供一電流予一發光元件，且對一儲能元件充電，其中該電源電性連接至該發光元件之第一端，且該儲能元件之一正極端直接連接該發光元件之第二端；在該電源持續提供該電流予該發光元件的情況下，導通一第一開關元件，使該儲能元件對一電感充電；以及關斷該第一開關元件，使該電感放電至該電源。
如請求項11所述之驅動發光元件之方法，其中在關斷該第一開關元件後，該電感透過一第二開關元件，放電至該電源。
如請求項12所述之驅動發光元件之方法，更包含：偵測流經該第一開關元件、該第二開關元件及該電感中至少一者的一檢測電流；以及依據該檢測電流，控制該第一開關元件導通或關斷。
如請求項13所述之驅動發光元件之方法，更包含：在該檢測電流達到一預設電流值時，依據該檢測電流控制該第一開關元件關斷。
一種發光元件驅動裝置，包含：一儲能元件；一電源，經由該發光元件連接至該儲能元件之一正極端，該電源用以提供電流予該發光元件，並用以對該儲能元件充電；一電感，電性連接該儲能元件；一第一開關元件，電性連接該儲能元件及電感，其中在該第一開關元件導通時，該儲能元件用以對該電感充電；以及一第二開關元件，電性連接該電感及該電源，其中在該第一開關元件關斷時，該電感用以透過該第二開關元件放電至該電源。
如請求項15所述之發光元件驅動裝置，其中，該儲能元件包含電容器。
如請求項15所述之發光元件驅動裝置，其中，該電源包含一輸入電容，該輸入電容用以對該發光元件及該儲能元件放電。
如請求項15所述之發光元件驅動裝置，更包含：至少一檢測元件，電性連接該第一開關元件、該第二開關元件及該電感中至少一者，以供一檢測電流通過；其中該第一開關元件係依據該檢測電流關斷。