TWI220047B - LED driving circuit - Google Patents

Description

1220047 五、發明說明（1) 【發明所屬之技術領域】 本發明係有關於一種 無濾波電容之設計下由供 發光二極體，而能充份利 光二極體驅動電路。 【先前技術】 半導體二極體是目前 件之一，同時，它的特性 用，因此，在電子系統中 它的應用範圍可自簡 家裡的電器用品的整流作 ^我們走在馬路上所看到 極體的作用而完成的。在 免度發光二極體主要應用 專之應用，全彩化發光二 ，二極體所構成之顯示幕 4，諸如美國紐約時代廣 發光二極體最顯著的應用 屏幕，由1，9 0 0萬牧高亮石 式行動電話及其他可攜式 成為不可或缺的發光裝置 電，點燈速度快、壽命長 光源。 從照明市場面來看照 驅動電路，尤其是關於一種能在 應電源之正向部份電麼直接驅動 用電源功率及減少功率損耗之發 各種電子系統中最基本的組成元 類似一般的開關，也有整流的作 也扮演著極重要的角色。 單一直延伸到複雜的範圍。通常 用都是靠二極體的功能，還有， 的廣告看版，也都是利用發光二 可見光發光二極體的應用上，高 交通號誌、車用指示燈、煞車燈 極體係利用紅、綠、藍三原色發 ，廣泛應用於體育場、街頭廣告 場納斯達克大樓外的巨型屏幕是 例子；該屏幕是全球最大的視像 [發光二極體組成。而自從蜂巢 電子產品普及，發光二極體更是 。由於發光二極體之體積小、省 等優點，未來將能取代部份照明 明及發光二極體產業：根據工研 1220047 五、發明說明（2) 院經貿中心的調查資料，全世界照明市場每年約以百分之 四·八的成長率穩定成長，一九九八年世界照明產業光源 市場規模約為一百四十億美元，二〇〇〇年約為一百五十 四億美元；而可見光發光二極體市場約以百分之八的成長 率穩定成長，一九九八年可見光發光二極體市場規模約為 一六·四二億美元，一九九九年為一八·一三億美元，而 至公元二〇〇二年則突破二〇億美元。 由於LED的應用已獲得普及，因此各種驅動電路、驅 動晶片應運而生。請參閱圖一，圖一 A所示係為代表一般 二極體之電壓及電流特性圖。除了某些特定用途外，二極 體一般是在正向電壓下運作，電壓和電流的關係是以指數 e來描繪。當二極體兩極之跨壓超過某個電壓” 啟動電壓或導通電壓，其值約在0.5至〇8伏特之間U 視二極體組成的材質及雜質摻雜濃度而有所不一 極體之電流即迅速增加，而在此啟動電壓之前，二一 通之電流極小。發光二極體的特性和一 -導

如它的名稱…當它受激時可對外發㈡以丄正 極體通常係：石申磷化鎵或磷化鎵所製A B所示，因此在實際應用下，為了/j 關係’ 料不同時，其放射光的波長也不同，顏色自缺石^每的材 由砷磷化鎵發出的為紅色光，而磷化二同。例如 間。發光二極體所發出的光度(流明）和導通^：色之 怂，如圖一 B所示，因每咖士 电々丨L疋成正比 的亮度，驅動電路大都設計為固定^持-定 延長發光二極體使用壽命之目的。如果 ♦也兼具 果以父流電源來驅動

1220047 五、發明說明（3) 發光二極體的話，在交流電源的正向部份的區段T中，由 於交流電源的電壓準位超過發光二極體導通電壓，故於此 區段發光二極體會發光，如圖一c所示。目前，在一般應 用中’為了能更有效利用易取得之交流電源，會利用如圖 二A所示之橋式整流電路Rec將電源反向部份轉置為正向， 再進一步透過濾波電容C穩定電壓波形後才會與二極體及 相關電路相接，此時供應電源之波形如圖二B所示，而相對 應之導通電流則如圖二C所示。為了能讓導通電流值固 定，一般會再加上定電流源電路，以確保發光二極體的亮 度及顏色均能保持一致則導通電流如圖二])所示。在電路 中如果有電容或電感等感抗元件的存在，電壓和電流就不 會同步，兩者會有相位差的存在，如圖二E所示，其係為 電流以相位Θ落後電壓的情形，也就是當電壓E a c為 …

EmSin ωΐ表示時，電流iac則為imsin( ω t-㊀）。此時，由於 電壓和電流並非同步，因此功率會因電壓電流任何時間乘 積不一定為正值而較電壓電流同步時之功率為小，其功率 之數學表示值為VmImCose/2，其中Cos0就是一般所稱之 功率因數。 發光一'極體驅動電路之專利有很多，如美國專利 5, 936, 599 號”AC POWERED LIGHT EMITTING DIODE ARRAY CIRCUITS FOR USE IN TRAFFIC SIGNAL DISPLAYS"，其電 路結構如圖三所示。該專利係藉由一交流供應電源E與電 感L相串接’然後供應電源給多個極性相對的兩發光二極 體並聯組Dpair(Polarized LEDS)所組成的陣列。電感匕是

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五、發明說明（4) 用來取代一般驅動電路中的限流電阻，而能達到於低 ?率的情況下達到限流的目的；此外，為了能再降低功率 才貝耗，該專利設計一與發光二極體陣列並聯之電容^，該 專利中之電容值及電感值係依據交流供應電源E之頻率= 設計（Tuning)。然而，雖然該專利改善了習知限流電阻 所造成的功率損耗，但也同時因電容c及電感L的存在而降 低了功率因數（Power Factor)。此外，該專利同時也存在 了於不同之交流供應電源E之頻率下，電容值及電感值也 而作調整的缺點，而且串聯之發光二極體組之個數也與交 流供應電源V s之電壓準位有關。 另外，同樣是發光二極體驅動電路之美國專利

5,457,450 號1’LED TRAFFIC SIGNAL LIGHT WITH

AUTOMATIC LOW-LINE VOLTAGE COMPENSATING CIRCUITM J 其電路結構如圖四所示，其改良在於低電壓補償電路 8 2，84 (原專利圖式之編號）之設計。在低電源供應下， 為了此讓發光二極體仍能發出足夠亮的光，該專利設計成 在不增加額外的功率損耗下，當電源低時以更大的電流驩 動所導通的部份發光二極體，不過此法則有損發光二極體 的使用壽命。 如上所述因應各種需求之二極體驅動電路應運而生， 且均需藉由濾波電容來維持供應電源的電壓位準，以增加 發光二極體的導通時間，除了因此而導致功率因數因而降 低外’隨著供應電源的頻率改變，電容值也需作調整。再 者’發光二極體所在的惡劣高溫環境下影響電容的壽命及

1220047 五、發明說明（5) 穩定度甚鉅，因而造成驅動電路之穩定性不佳 【發明内容】 有鑑於傳統二極體驅動電路存在有不完善之處，發明 人多年不斷的研究開發，終於研發出此種無需爐波電容， 由供應電源之正向部份電壓直接驅動發光二極體，依電壓 值來點亮最多之發光二極體，而能達到提高功率因數，減 少功率損耗之目的之發光二極體驅動電路。 本發明發光二極體驅動電路係以供應電源之正向部 驅動，而省略了體積大的電源濾波電容，故可功 其他驅動電路高。 因數較 本發明發光二極體驅動電路係所採用之供應 、 為任一型式、任一波型、穩定或不穩定之電源^由源可以 波電容之設計，可依電壓值來點亮最多可點亮的於無濾 體數目，故其點亮的發光二極體較一般驅動電路^ f二極 本發明發光二極體之功率損耗，在不計算漏電卩且夕。 容、雜散電阻的損耗（這些損耗均存在各型驅動’雜散電 下，可以降低到導通電流X電流導向控制電路之_路中） 此值較一般驅動電路為低，而且此值與供應電源電壓降’ 關’此點更是其他驅動電路所無法比擬的D 、 類無 為了能讓審查員能更容易了解本發明之特點，上 以下附圖及本發明之實施方式說明。 清參閱 【實施方式】 請參閱圖五，圖五A係為本發明發光二極體馬區 之第一實施例結構圖。本發明發光二極體驅動φ動電路 電袼其電路 第9頁

IHI I 1220047 五、發明說明（6) 結構係包括供應電源，電流導向 電路。其中，供應電源可以為任 或直流電源，或是為穩定或非穩 路’其係由一至數個共地之電流 偵測電路，其係用來偵測供應電 將一個至數個發光二極體組 數個發光二極體組Dl，D2，DL 為整數’串聯成發光二極體列， 極體列相串聯，而電流導向控制 Ν (負）極相接，並藉由電壓偵測 正向部份之電壓準位，然後依電 同的電流導向控制電路使其導通 向控制電路來點梵適當數目之發 本發明發光二極體驅動電路 電源並無限制，也無需經過濾波 二極體組導通時間，可讓供_ 如橋式整流電路後再供Ϊ供 本發明發光二極體驅動電路中， 控制電路所需之工作電源，可以 極體之供應電源供應。然而，不 向控制電路所需之工作電源是共 源供應，如該電源非為直流源^ 波電路方此做為電流導向控制電 控制電路，以及 一型式，如弦波 定電源；電流導 控制單元組成； 源之電壓準位。 成發光二極體組 …，D(n-1)，Dn 供應電源Vs則與 電路1 0之電流控 序與每個發光二 電路2 0來判定供 壓準位不同來分 ’藉由導通不同 光二極體組。 t發光二極體所 電容，但為了能 源先經過整流電 負向電壓轉置。 電壓偵測電路及 $外提供，或是 論電壓偵測電路 用供應電源或另 式，則必需先經 路及電壓偵測電 電壓偵測 交流電源 向控制電 以及電壓 ，然後將 ’其中η 此發光二 制單元 極體組的 應電源Vs 別驅動不 之電流導 需之供應 增加發光 路3 0，例 電流導向 以發光二 及電流導 由獨立電 由整流滤· 路之供應 U，12，13, I ( η-1 )， I n 依 麵

第10頁 1220047 五、發明說明（7) 電源。 以弦波交流電源為例，在弦波交流電源正向部份時， 電壓彳貞測電路設計成當交流電壓高過發光二極體組之導通 電壓Vthi時（此值正好等於發光二極體組内所有串聯發光 二極體之導通電壓之和，如發光二極體組内之發光二極體 均為同一種類，則Vthl之值為導通電壓Vf乘以發光二極體 之串接級數），電壓偵測電路會使丨丨電流控制單元導通， 而其他電流控制單元仍保持不作用的狀態，此時電流路徑 是由供應電源，發光二極體組!)丨，電流控制單元丨丨，然後 接地’而當電源電壓繼續上升到Vthl+Vth2時（如發光二 極體組D2之發光二極體數目及種類與D1完全相同，則以匕2 -/ = 1 = Vth ’也就是電壓偵測電路在偵測到供應電源之電 壓问於2 V t h時，使I 2電流控制單元導通，同時關掉11，此 時$流路徑是由供應電源，發光二極體組…”？，電流控 制單元I 2，然後接地；當供應電源之電壓繼續上升時，狀 况依此類推，任何時候均保持只有一個電流控制單元導 j。為了維持發光二極體的亮度，一般電流控制單元設 為定電，控，，也就是I Led的值是固定的。 。 I· 值得一提的是，本發明發光二極體驅動電路之電流控 Z早，:ΐ電路架構可為習知任一電流控制電路來達成^ J U没計成定電流控制，或是設計成限電流控制。在 二應用上’為了保持發光二之 ，此 定電流，但可依需要調整。 4固 在實際應用上’為了能產生各種顏色的光，所串接之

第11頁 1220047 五、發明說明（8) --- 發光二極體組並不一定為某一光色之發光二極體，依實際 需要可串接不同光色（種類）及數目的發光二極體，藉由^ 同光色（種類）之發光二極體、數目、以及發光強度來達到 顯=各種顏色的目的。單純為了某一種光色的應用而採取 特定之發光二極體列是可行的，然而為了能適用於各種應 用’則可以在不改變發光二極體的（光色）種類及數目下， 僅需藉由控制電流控制單元之定電流值大小即可達成，此 即為本發明發光二極體驅動電路之第二實施例。

本發明發光二極體驅動電路之第二實施例，如圖五B 所示’為了能達到任何一種顏色的發光顯示，我們將原先 的Dl，D2，D3，…，D(n-l)，Dn發光二極體組所組成之發 光二極體列，更改為多列之發光二極體組陣列，此陣列係 由三組並聯的發光二極體列所組成，其係分別為紅色發光 一極體組Dal，Da2，Da3，…，Da(n-l)，Dan組成的紅色 發光極列；綠色發光二極體組Dbl，Db2，Db3，…，Db (n_l)，Dbn組成的綠色發光極列；以及藍色發光二極體組 β c 1，D c 2，D c 3，…，D c (η -1)，D c η組成的藍色發光極 列，藉由任何顏色都可以分為三原色的混色原理，透過電 流導向控制電路11， 12及13中之電流控制單元Iai， Ia2， …Ia(n-1)，ian ，I b1，Ib2，…Ib(η-1)，I bn ，IC1， Ic2，…lc(n-i )， Icn來控制此三種顏色發光極列所流經 之電流大小，而能達到發出任一顏色光的目的。由於不同 顏色的發光二極體之導通電壓Vf並不一定相同，因此在實 務上Da發光二極體列中發光二極體組内之發光二極體之串

第12頁 IZZUU47 五、發明說明（9) 聯級數和Db，dc發本一 之串聯級數也不杳〜極體列中發光二極體組内之二極體 -樣，二極體I且此和電壓伯測電路之電壓準位 性而定。另外，陣列2 0 3的數目也需視發光二極體之特 紅、綠、藍各_列。的列數也並不—定如上所述固定之 = (交源電源型式）、導通電流 加政1 極體上之總電壓降VLed關係圖。圓> B丨” =發光二極體組為例，由圖可以很清楚的J圖隨= 之導通電流、發光二極體阻之電壓降，二極體 並無濾波電容之存在，因卢 由於本發明 占盎浐紅成 因此在不考慮雜政電阻及電容所造 成力率4貝耗時’供應電源之輪出功率鼻雷 出功半為電溽之電壓波形的 面積采上ILed，而所有導通之發光二極體組之跨壓呈 狀，其功率為階梯形部份之面積乘上ILed，兩者功率之差 即為損耗之功率，該損耗功能等於虛線部份之面積父“以 ，而任一時候電源電壓值和發光二極體組總電壓降之差 Vdrop會落在電流控制單元上。如果供應電源非為穩定之 弦波交流電源，則供應電源Vs(交源電源型式）、導通電流 ILed，發光二極體上之總電壓降VLed關係圖如圖七所示， 而供電電源之輸出功率’發光二極體之發光功率，及驅動 電路之損耗功率與圖六所述相同。功率損失值為ILe(i為 XVdrop，此值與交流電源之供應電源之均方根電壓值無 關，也與非交流電源型式之供應電源之電壓位準無關。 上述是較理想的狀況，而在實際情況下，欲使電流控 第13頁 1220047 五、發明說明（ίο) 制單元於所欲 下電流控制單 為Vd，則於電 要必須較理想 此Vd值相較於 工作電壓差隨 所設計的下一 (一般 V d值會 數個發 同 以依需 種，例 實施方 控制單 上 路並不 及之方 以 對於該 内的發 數目等 由 可達成 在電流 設計小 光二極 樣的， 要作調 如藉由 式，透 元之電 述實施 受限， 法所限 上所述 實施例 光二極 ，皆不 以上詳 前述之 之定電流下工作時，還必需克服在此定電流 元的最低工作電壓差，如果最低工作電壓差 壓偵測電路中使電流控制單元導通之電壓值 情況（也就是前段所述之電壓）稍高才行。 發光二極體組而言小許多，電流控制單元之 著供應電源值繼續上升，直到供應電源超過 個電壓偵測電路之電壓準位而達到最大值 源控制單元之電流值約為1 0OmA時，最小的 於0 · 1 V)時。此外，發光二極體組内之一至 體可採串聯、並聯或串並聯的方式。 電壓偵測電路中所設計的各電壓準位，也可 整。電壓偵測電路的實施電路同樣有許多 比較器及分壓電阻的設計即是其中一種電路 過刀壓電阻的調整即可達到更改驅動各電流 壓準位的目的。 :列中電壓偵測電路，電流控制單元等實施電 2如此類之種種改良並不受上述實施述 制。 2藉由較佳實施例詳細說明本發明，然而 :::任：修改與變化’例如發光二極體組 "N ，本發明所能並聯的發光二極體組的 脫離本發明之精神與範圍。 ::明：使：知本項技藝者明瞭本發明的確 、’貝已符合專利法之規定，爰依法提出

第14頁 1220047 五、發明說明（11) 發明專利申請。 第15頁 11· 1220047 圖式簡單說明 【圖式簡單說明】 圖一A係為代表一般二極體之電壓及電流特性圖 圖一 B係為發光二極體所發出的光度（流明）和導通電流之 關係圖 & 圖一 C係為用父流電源來驅動發光二極體時導通狀態圖 圖二A係為橋式整流電路圖 〜 圖二B係為透過濾波電容之電壓波形圖 圖二C為與圖二B相對應之導通電流圖 圖二D為加設一定電流源電路後之導通電流圖 圖二E為電流落後電壓關係圖 圖三為美國專利5, 936, 599號30 POWERED LIGHT EMITTING DIODE ARRAY CIRCUITS FOR USE IN TRAFFIC SIGNAL DISPLAYS"之電路結構圖 圖四為美國專利 5,457, 450 號” LED TRAFFIC SIGNAL LIGHT WITH AUTOMATIC LOW-LINE VOLTAGE COMPENSATING CIRCUIT”之電路結構圖 圖五A 係為本發明發光二極體驅動電路之第一實施例結構 圖 圖五B係為本發明發光二極體驅動電路之第二實施例結構 圖 圖六係為弦波供應電源、導通電流，及發光二極體上之 電壓降關係圖 圖七係為任一供應電源、導通電流，及發光二極體上之 壓降關係圖

第16頁 1220047 圖式簡單說明 符號簡單說明： T 導通時間 E 供應電源 I a c 交流電流 V s供應電源

Θ 電流及電壓相位差 Vf 發光二極體組導通電壓 Rec橋式整流電路 Vthl 發光二極體組D1之導通電壓 Vth2 發光二極體組D2之導通電壓 Vth3 發光二極體組D3之導通電壓 Vth4 發光二極體組D4之導通電壓 Vth5 發光二極體組D5之導通電壓 IL 6 d 發光二極體之導通電流 V d r ο p 電流控制單元之跨壓

Dpa i r 極性相對的兩發光二極體並聯組 I Led發光二極體組導通電流 ILcdl 紅色發光二極體組導通電流 ILcd2 綠色發光二極體組導通電流 ILcd3 黃色發光二極體組導通電流 L電感 C 電阻 II， 12， "·Ι(η-1)， In 電流控制單元

Ial, I a2, …Ia(n-1)， Ian 電流控制單元

第17頁 1220047 圖式簡單說明 Ibl， Ib2, …Ib(n-1) 5 Ibn 電 流 控 制 單 元 Icl， Ic2, …I c ( n- 1 ) 5 I cn 電 流 控 制 單 元 Da， Db，D c發光二極 體列 Dl, D2， · ••D(n-l)，D η 發光二 極 體 組 Dal, Da2， ··· Da ( n- 1 ) 5 Dan 發 光 二 極 體 組 Dbl， Db2, •••Db (n-l ) 5 Dbn 發 光 二 極 體 組 Del， Dc2, •••Dc (n- 1 ) Den 發 光 二 極 體 組 10 ^ 11 > 1 2、1 3 電流 導向控 制電路 2 0 電壓偵測電路 3 0 整流電路

第18頁

Claims (1)

1220047 六、申請專利範圍 【專利申請範圍 種發光二極體驅動電，立 係用來供應發光二^ 元制電其係由-至數個共地之電;:控制單 “將偵：Γ路’其係用來偵測供應電源之電壓準位. 光二極體組，將一 A串並聯組成發 體列，A胳 至數個卷光一極體組相串聯組發光—極 將一至數個發光二極體列並聯：：f ϋ:然後與供應電源串#，電流導向控制電路 ^兀依序與每個發光二極體組的Ν極 机工1j ㈣測電路來判定供應電源正向部份之電 >壓 ^壓二：不同來分別驅動不同的電流導向控制電路二： J光：極體組，如此之電路設計，能在無據波 # + ^供應電源之正向部份電壓直接驅動發光二極體组， 點亮最多之發光二極體組，達到充份利=源 午 徒向功率因數，減少功率損耗之目的。 2·如申請專利範圍第1項所述之發光二極體驅動電路，其 中、’於供應電源後端可設計一橋式整流電路，藉以將供^ 電源的反向部份轉置成正向。 。 3·如申請專利範圍第1或2項所述之發光二極體驅動電 路’其中，該供應電源可以為任一準位、任一型式之穩定 或非穩定電源。 心

1220047 六、申請專利範圍 4. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體驅動電路，其 中，電流導向控制電路及電壓偵測電路所需之電源可以與 發光二極體陣列共用供應電源，亦可以另由獨立電源供 應。 5. 如申請專利範圍第4項所述之發光二極體驅動電路，其 中，電流導向控制電路及電壓偵測電路所需之電源不論是 共用供應電源或另由獨立電源供應，如該電源非為直流源 型式，則需先經由整流濾波電路。

6. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體驅動電路，其 中，電流控制單元可以由具有控制電流導通與否之電晶體 電路來達成。 7. 如申請專利範圍第1或6項所述之發光二極體驅動電 路，其中，電流控制單元可以設計具有限電流功能。 8. 如申請專利範圍第1或6項所述之發光二極體驅動電 路，其中，電流控制單元可以設計具有定電流功能。 9. 如申請專利範圍第1或6項所述之發光二極體驅動電 路，其中，電流控制單元導通時之電流值可以視需要而改 變大小。

10. 如申請專利範圍第7項所述之發光二極體驅動電路， 其中，電流控制單元導通時之電流值可以依需要而改變大 /J> 〇 11. 如申請專利範圍第8項所述之發光二極體驅動電路， 其t，電流控制單元導通時之電流值可以依需要而改變大 ，J、 〇

第20頁 1220047 六、申請專利範圍 1 2 ·如申請專利範圍第1項所述之發光二極體驅動電路， 其中，電壓偵測電路之各電壓準位值可以依需要而改變大 /J> 〇 1 3.如申請專利範圍第1項所述之發光二極體驅動電路， 其中，發光二極體組所包含之發光二極體之種類可以不 同0

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