TW202224494A - 一種驅動電路及使用該驅動電路之發光裝置 - Google Patents

Abstract

本申請案揭露一種驅動電路及使用此驅動電路之發光裝置。驅動電路包含一外部控制單元、一數位控制單元、一觸發單元與一電流源。其中，數位控制單元產生一內部控制訊號，且觸發單元根據內部控制訊號產生一觸發訊號以控制電流源。

Description

一種驅動電路及使用該驅動電路之發光裝置

本發明是有關於一種發光裝置驅動電路，且特別是有關於利用數位控制單元調整發光裝置的光強度的電路。

隨著技術的發展，越來越多的日常生活中的裝置使用發光二極體（light-emitting diode；LED）作為光源。而為了能夠更廣泛的應用在日常生活中，部分光源更搭配了可以調整亮度的調光器，讓使用者可以配合環境需要改變光源的強度。一般常見的調光器可分為數位式的調光方式與類比式的調光方式。與數位式的調光方式相比，雖然類比式的調光方式不需要數位控制器也能調光，但受限於類比式的調光方式所使用的調光器（例如TRIAC調光器）需要維持電流來保持調光器的正常運作，導致在低亮度應用情境下容易發生通過調光器的電流低於調光器的維持電流而造成調光器不正常的關閉使光源出現閃爍的情況。因此，本發明在此提出一種數位式的調光方式，不僅避免低亮度時的閃爍情形，更可以提升調光方式的穩定。

本發明揭露一種發光裝置，包括一數位控制單元、一觸發單元、一電流源、以及一光源。數位控制單元提供一第一電流訊號，其中第一電流訊號為一脈衝寬度調變(PWM)訊號；觸發單元包含一第一電晶體，電性連接數位控制單元，並接收第一電流訊號；電流源，電性連接觸發單元，以及光源電性連接電流源。

本發明揭露一種可連接一電源的發光裝置包括一數位控制單元、觸發單元、一電流源、以及一光源。數位控制單元提供一第一電流訊號，且第一電流訊號為一脈衝寬度調變(PWM)訊號，觸發單元包含一電晶體電性連接數位控制單元，並接收該第一電流訊號； 電流源電性連接觸發單元，以及光源電性連接電流源。

第1A圖為根據本發明一實施例之發光裝置1000的電路圖。發光裝置1000包含有光源18及驅動電路300，驅動電路300具有一外部控制單元10、一數位控制單元12、一觸發單元14與一電流源16。電流源16為一定電流源並包含一電晶體Q1，電晶體Q1可以是高電子遷移率場效電晶體（high electron mobility transistor；HEMT），更具體來說是一空乏型高電子遷移率場效電晶體(Depletion-mode HEMT)。電晶體Q1具有閘極G1、汲極D1和源極S1。汲極D1與光源18電性連接，閘極G1與觸發單元14電性連接。

光源18包含一個或多個發光二極體，發光二極體可以包含有III-Ⅴ族半導體材料所構成的半導體層以發出非同調性光，III-Ⅴ族半導體材料例如是Al _xIn _yGa _{1-x-y ）}N或Al _xIn _yGa _{（ 1-x-y ）}P，其中0≤x≤1；0≤y≤1；（x + y）≤1。並根據材料的不同，發光二極體可以發射峰值波長在610nm和650nm之間的紅色光、峰值波長在495nm和570nm之間的綠色光、峰值波長在450nm和495nm之間的藍色光、峰值波長在400nm和440nm之間的紫色光或峰值波長在200nm和400nm之間的紫外線光。在一實施例中，發光二極體具有一發光層，以及一形成於發光層之上的波長轉換材料，波長轉換材料包含了量子點材料、螢光粉材料或其二者之組合。其中，螢光粉材料可以包含黃綠色螢光粉、紅色螢光粉或藍色螢光粉。黃綠色螢光粉包含YAG、TAG，矽酸鹽，釩酸鹽，鹼土金屬硒化物，及金屬氮化物。紅色螢光粉包括氟化物（例如K ₂TiF ₆：Mn ⁴⁺或 K ₂SiF ₆：Mn ⁴⁺）、矽酸鹽、釩酸鹽、鹼土金屬硫化物、金屬氮氧化物、及鎢酸鹽和鉬酸鹽的混合物。藍色螢光粉包括BaMgAl ₁₀O ₁₇：Eu ²⁺。量子點材料可以是硫化鋅、硒化鋅、碲化鋅、氧化鋅、硫化鎘、硒化鎘、碲化鎘、氮化鎵、磷化鎵、硒化鎵、銻化鎵、砷化鎵、氮化鋁、磷化鋁、砷化鋁、磷化銦、砷化銦、碲、硫化鉛、銻化銦、碲化鉛、硒化鉛、碲化锑、ZnCdSeS、CuInS、CsPbCl ₃、CsPbBr ₃、CsPbI ₃。在一實施例中，包含波長轉換材料的發光二極體可以發出一白光。例如，在顯示器的背光模組中，白光的色溫介於10000K~20000K之間，且在CIE1931色度圖中具有一色點座標（x、y），其中，0.27≦x≦0.285；0.23≦y≦0.26。在另一實施例中，例如，在通用照明的場合中，發光二極體發出的白光具有一色溫介於2200~6500K（例如2200K、2400K、2700K、3000K、5700K、6500K）且在CIE1931色度圖中具有一色點座標（x、 y）位於7階麥克亞當橢圓（MacAdam ellipse）內。

如第1A圖所示，若發光裝置1000中相異元件的操作電壓不同，發光裝置1000可以分別連接適合個別元件需求的電源110、111。在一實施例中，數位控制單元12的操作電壓為5V，電源110可以提供3V~15V的電壓，例如3.3V、5V、7V、12V的電壓；光源18的操作電壓為110V，電源111可以提供70V~230V的電壓，例如80V、96V、115V的電壓。將需要不同的操作電壓的元件分別連接到各自的電源，除了電源供應更有效率外，更可以避免元件之間的交互干擾，影響到元件被操作時的穩定性。在一實施例中，發光裝置1000更包含一交流直流電壓轉換電路（圖未示）連接市電，並分別將市電轉換為電源110及/或電源111，市電例如是110V、220V或240V的交流電。

在發光裝置1000中，數位控制單元12根據一來自外部控制單元10的第一控制訊號Si1產生一第二控制訊號Si2。第二控制訊號Si2被輸入至觸發單元14。觸發單元14便根據第二控制訊號Si2產生第三控制訊號Si3，並利用第三控制訊號Si3控制電流源16的導通或關閉（On or Off）。其中，第一控制訊號Si1為一外部控制訊號，第二控制訊號Si2為一內部控制訊號，以及第三控制訊號Si3為一觸發訊號。由於發光二極體的亮度與流經的電流大小有關，藉由控制電流源16的導通或關閉狀態，可以決定一段時間內通過光源18的電流大小，達到調整發光裝置1000的發光強度的效果。

外部控制單元10可以是有線裝置或無線裝置，用於接受使用者的指令以產生第一控制訊號Si1。在一實施例中，外部控制單元10為一透過實體線路與數位控制單元12相連以傳輸第一控制訊號Si1給數位控制單元12的有線裝置，例如可變電阻或感應器（sensor）。在一實施例中，外部控制單元10為一透過無線傳輸的方式將第一控制訊號Si1傳遞給數位控制單元12的無線裝置，例如一藍芽模組或物聯網裝置。在一實施例中，數位控制單元12為一微處理器單元（Microcontroller Unit ; MCU），用於根據第一控制訊號Si1產生一第二控制訊號Si2，且此第二控制訊號Si2為一脈衝寬度調變（Pulse Width Modulation ; PWM）訊號。更具體而言，數位控制單元12依據第一控制訊號Si1調整第二控制訊號Si2的訊號特性，訊號特性包含責任比（duty ratio）。隨著責任比越低，電流源16的導通時間也越長，使得光源18的發光時間也越長，而發光裝置1000提供的亮度也越高。相關細節請參考第1B圖與相關段落。

整體而言，透過控制電流源16的導通或關閉決定光源18的發光時間以達到調光的效果。其中，透過高於人眼可察覺的開關頻率（例如大於50、60、120Hz的頻率）開啟或關閉電流源16，就能避免人眼感受到發光裝置1000的閃爍而造成不適。換句話說，發光裝置1000根據第一控制訊號Si1依序產生第二控制訊號Si2及第三控制訊號Si3來開啟或關閉電流源16，其中的第二控制訊號Si2及第三控制訊號Si3的頻率高於人眼可察覺的開關頻率。

在發光裝置1000中，電流源16內的電晶體Q1為一空乏型高電子遷移率場效電晶體，因此觸發單元14提供一包含負電壓的第三控制訊號Si3以開啟或關閉電晶體Q1。具體而言，觸發單元14包含一負電壓產生器或一箝位電路（clamping circuit），用於根據第二控制訊號Si2產生一包含負電壓的第三控制訊號Si3。參考第1A圖，觸發單元14包含一電容Ca與數位控制單元電性連接，以及一二極體Di連接電容Ca與電晶體Q1。第三控制訊號Si3和第二控制訊號Si2的電壓範圍不同，例如第二控制訊號Si2的電壓範圍為0V~5V，而第三控制訊號Si3的電壓範圍為-5V~0V，使得包含負電壓的第三控制訊號Si3得以開啟或關閉電晶體Q1。

第1B圖為第1A圖中一實施例之第二控制訊號Si2的波形圖。第1B圖中包含了波形（a）~波形（e）等五個波形，分別代表責任比為0%、25%、50%、75%與100%的第二控制訊號Si2的波形。隨著責任比的不同，第二控制訊號Si2的波形也由代表責任比0%的波形（a）中全部處在低壓（VL）的狀態隨之改變位於高壓（VH）的比例，例如成為代表責任比25%的波形（b）、成為代表責任比50%的波形（c）、成為代表責任比75%的波形（d）或成為代表責任比100%的波形（e）。在發光裝置1000中，觸發單元14根據第二控制訊號Si2產生一第三控制訊號Si3，而第三控制訊號Si3的頻率和第二控制訊號Si2相同或大致相同，但第三控制訊號Si3的責任比和第二控制訊號Si2不同。以頻率而言，第三控制訊號Si3與第二控制訊號Si2的頻率相差小於其中之一頻率的5%。以責任比而言，兩個訊號Si2、Si3的責任比相加大約等於100%。舉例來說，在發光裝置1000中，當第二控制訊號Si2為波形（b）且責任比為25%時，第三控制訊號Si3的責任比大致為75%；當第二控制訊號Si2由波形（b）被調整為波形（d）時，第三控制訊號Si3的責任比同樣也從75%被調整為25%。在一實施例中，兩個訊號Si2、Si3的責任比相加介於90%~110%。第二控制訊號Si2的責任比越高，則第三控制訊號Si3的責任比越低，讓一個週期內光源18發光的時間也越短，使得發光裝置1000的亮度越暗；反之，第二控制訊號Si2的責任比越低，則第三控制訊號Si3的責任比就越高，讓一個週期內光源18發光的時間越長，使得發光裝置1000的亮度越亮。總結來說，發光裝置1000可以從外部控制單元10接受使用者的指令產生對應的第一控制訊號Si1來控制第二控制訊號Si2的責任比，再透過第三控制訊號Si3控制電流源16，以改變發光裝置1000的發光亮度。

在一實施例中，光源18與電源111之間更設置有一電阻（圖未示）以調整流過光源18的電流。在一實施例中，更設置有一電阻及/或電容於電源111與電流源16之間，使得電阻及/或電容與光源18串聯或並聯以調整流過光源18的電流，更能濾除雜訊讓光源18的發光情況更穩定。在一實施例中，電流源16內電晶體Q1的源極S與接地電位之間更設置有一電阻（圖未示）及/或電容（圖未示）以調整流經電晶體Q1的電流。

第2圖為根據本發明一實施例之發光裝置1002。發光裝置1002包含有光源18及驅動電路302，驅動電路302具有一外部控制單元10、一數位控制單元12、一觸發單元14、電阻R與一電流源160。電流源160包含並聯的電晶體Q1與電晶體Q2。電晶體Q1、Q2可以是高電子遷移率場效電晶體，更具體來說是空乏型高電子遷移率場效電晶體。電晶體Q1具有閘極G1、汲極D1和源極S1，電晶體Q2具有閘極G2、汲極D2和源極S2。電晶體Q1與電晶體Q2並聯，使得汲極D1、D2與光源18電性連接，源極S1、S2相連，且閘極G1、G2一同連接到觸發單元14。發光裝置1002與發光裝置1000中具有相同或相似標號與名稱的元件的相關描述請參考前述段落，以及發光裝置1002內如何透過外部控制單元10接受使用者的指令以產生第一控制訊號Si1，再經由數位控制單元12與觸發單元14產生的第二控制訊號Si2與第三控制訊號Si3控制光源18的發光強度的操作流程也請參考前述段落。在發光裝置1002中，包含有電晶體Q1、Q2的電流源160可以提供光源18更多的電流以增加發光強度。於一實施例中，於電源110與觸發單元14之間設置電阻R以提供另一額外的電流（電流訊號）予觸發單元14。電流訊號可以提供更多的電流，使得觸發單元14內的電容Ca可以接收更多電荷，以更穩定的輸出電流給電晶體Q1、Q2。其中，電阻R的一端與電源110相接，另一端同時電性連接數位控制單元12與觸發單元14。透過電阻R的設置，觸發單元14除了接收第二控制訊號Si2外，也接收通過電阻R的電流訊號。如前所述，電流訊號可以提供電容Ca更多電荷，以更穩定的輸出電流給電晶體Q1、Q2。在一實施例中，電流訊號的電流值將大於第二控制訊號Si2的電流值，例如，第二控制訊號Si2為100mA， 電流訊號為1A。換句話說，若第二控制訊號Si2的電流量不能滿足電晶體Q1、Q2的需求，可以透過電流訊號補充需求，在此，電流訊號可以提供電容Ca更多的電荷以輸出更穩定的電流給電晶體Q1、Q2。因此，觸發單元14內的電容Ca可以接收來自數位控制單元12的電流訊號（也就是第二控制訊號Si2）以及來自於電源110的電流訊號，並由於接收複數個電流訊號得以儲存更多電荷，使得電容Ca在電晶體Q1、Q2導通的期間不會因為儲存在電容Ca內的電荷量不夠而成第三控制訊號Si3的異常。例如應該是責任比為75%的第三控制訊號Si3，因為儲存在電容Ca內的電荷量不夠而提前從高壓的狀態轉變為低壓，成為例如是責任比為60%的情況。而這樣責任比異常的情況，會造成電晶體Q1、Q2提前被關閉而呈現發光裝置1002亮度異常的狀況。值得注意的是，當觸發單元14與越多的電晶體相連時，就必須要增加電容Ca的容量以儲存更多的電荷並穩定的輸出電流給相連的電晶體。在這樣的情況下，也更容易發生因為儲存在電容Ca內的電荷量不夠而使得第三控制訊號Si3的異常情況，因而更需要設置如第2圖中的電阻R，以增加輸入至觸發單元14的電流量。其中，電阻R的數值可隨著所需要的電流量而改變，如果要增加輸入至觸發單元14的電流量就設置數值較低的電阻R。相對地，若要避免過多的電流通過電阻而產生多餘的熱，就改為設置數值較大的電阻R，同時在能夠避免第三控制訊號Si3發生異常的情況下並減少電流。在其他實施例中，電阻R可以被設置於第1A圖的發光裝置1000中，用於連接電源110與觸發單元14，讓觸發單元14內的電容Ca可以接收來自數位控制單元12的電流訊號（也就是第二控制訊號Si2）以及通過電阻R的電流訊號以儲存更多電荷，達到避免電晶體Q1提前被關閉的亮度異常現象。

在一實施例中，光源18與電源111之間更設置有一電阻（圖未示）以調整流過光源18的電流。在一實施例中，更設置有一電阻及/或電容於電源111與電流源160之間，使得電阻及/或電容與光源18並聯以調整流過光源18的電流，更能濾除雜訊讓光源18的發光情況更穩定。在一實施例中，電流源160內電晶體Q1、Q2的源極S1、S2與接地電位之間更設置有一電阻（圖未示）及/或電容（圖未示）以調整流經電晶體Q1、Q2的電流。

第3圖為根據本發明一實施例之發光裝置2000。發光裝置2000包含有光源18及驅動電路320，驅動電路320具有一外部控制單元10、一數位控制單元12、一觸發單元15與一電流源160。發光裝置2000與發光裝置1000中具有相同或相似標號與名稱的元件的相關描述請參考前述段落。觸發單元15包含一電晶體Q3，電晶體Q3可以是金氧半導體場效電晶體（metal　oxide　semiconductor field effect transistor；MOSFET），更具體來說是一增強型高電子遷移率場效電晶體（Enhancement-mode MOSFET）。電晶體Q1具有閘極G1、汲極D1和源極S1，電晶體Q3具有閘極G3、汲極D3和源極S3。在發光裝置2000中，電流源160內的電晶體Q1與電晶體Q3串聯，使得電晶體Q1的閘極G1與接地電位相接、汲極D1與光源18電性連接，以及源極S1與電晶體Q3的汲極D3相連，而電晶體Q3的閘極G3與數位控制單元12相接、汲極D3與電晶體Q1的源極S1相接，以及源極S3與接地電位相接。在發光裝置2000中，數位控制單元12根據一來自外部控制單元10的第一控制訊號Si1產生一第二控制訊號Si2，且第二控制訊號Si2被輸入至觸發單元15。在一實施例中，數位控制單元12與觸發單元15更存在一電阻，透過電阻的設置以調整第二控制訊號Si2的電壓值及/或電流值。觸發單元15接收第二控制訊號Si2，並根據第二控制訊號Si2 調整電晶體Q3的導通或關閉，藉此調整光源18在一個週期內的發光時間長度。更具體而言，當電晶體Q3接收第二控制訊號Si2而被導通時，電流依序經過光源18、電流源160（內的電晶體Q1）與觸發單元15（內的電晶體Q3），使得發光裝置2000可以發出光線。相對地，當電晶體Q3接收第二控制訊號Si2而被關閉時，電流無法通過觸發單元15（內的電晶體Q3），使得發光裝置2000無法發出光線。因此，在發光裝置2000中可以直接根據數位控制單元12產生的第二控制訊號Si2，調整觸發單元15（內的電晶體Q3）導通的時間長度，來改變光源18在一個週期中發光時間的長度，達到改變亮度的效果。也就是說，第二控制訊號Si2的責任比越高，一個週期內光源18發光的時間也越長，使得發光裝置1000的亮度越高；反之，第二控制訊號Si2的責任比越低，一個週期內光源18發光的時間越短，使得發光裝置1000的亮度越低。值得注意的是，由於電晶體Q3可以直接由第二控制訊號Si2所控制，因此無須再由其他裝置（例如觸發單元14）轉換第二控制訊號Si2。

以上所述之實施例僅係為說明本發明之技術思想及特點，其目的在使熟習此項技藝之人士能夠瞭解本發明之內容並據以實施，當不能以之限定本發明之專利範圍，即大凡依本發明所揭示之精神所作之均等變化或修飾，仍應涵蓋在本發明之專利範圍。

1000、1002、2000:發光裝置 300、302、320:驅動電路 110、111:電源 10:外部控制單元 12:數位控制單元 14、15:觸發單元 16、160:電流源 18:光源 Ca:電容 Di:二極體 R:電阻 Q1、Q2、Q3:電晶體 Si1:第一控制訊號 Si2:第二控制訊號 Si3:第三控制訊號

第1A圖為根據本發明一實施例之發光裝置的電路圖。

第1B圖為第二控制訊號的波形圖。

第2圖為根據本發明一實施例之發光裝置的電路圖。

第3圖為根據本發明一實施例之發光裝置的電路圖。

無

1000:發光裝置

300:驅動電路

110、111:電源

10:外部控制單元

12:數位控制單元

14:觸發單元

16:電流源

18:光源

Ca:電容

Di:二極體

Q1:電晶體

D1:汲極

G1:閘極

S1:源極

Si1:第一控制訊號

Si2:第二控制訊號

Si3:第三控制訊號

Claims (10)

1. 一種發光裝置，包括: 一數位控制單元，提供一第一電流訊號，其中該第一電流訊號為一脈衝寬度調變(PWM)訊號； 一觸發單元，包含一第一電晶體，電性連接該數位控制單元，並接收該第一電流訊號； 一電流源，電性連接該觸發單元；以及 一光源，電性連接該電流源。
2. 如申請專利範圍第1項之發光裝置，其中該電流源包含一第二電晶體。
3. 如申請專利範圍第1項之發光裝置，其中該第二電晶體包含一空乏型高載子遷移率電晶體。
4. 如申請專利範圍第3項之發光裝置，其中該第一電晶體包含一金氧半導體場效電晶體。
5. 如申請專利範圍第4項之發光裝置，其中該空乏型高載子遷移率電晶體包含一源極，該電流源更包含一電阻及/或電容與該源極電性連接。
6. 如申請專利範圍第1項之發光裝置，其中該發光裝置可連接一電源，且更包含一電阻位於該電源與該光源之間。
7. 如申請專利範圍第1項之發光裝置，其中該發光裝置可連接一電源，且更包含一電阻及/或一電容位於該電源與該電流源之間。
8. 如申請專利範圍第1項之發光裝置，更包含一電阻位於該數位控制單元與該觸發單元之間。
9. 如申請專利範圍第1項之發光裝置，更包含一外部控制單元，其中該外部控制單元產生一外部控制訊號以調整該第一電流訊號的訊號特性。
10. 如申請專利範圍第9項之發光裝置，其中該第一電流訊號的訊號特性包含一責任比（duty ratio）。

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