TWI400990B - 具溫度補償之發光二極體驅動電路及其控制器 - Google Patents
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Description
本發明係有關於一種發光二極體驅動電路及其控制器，特別是有關於一種具溫度補償之發光二極體驅動電路及其控制器。
請參考第一圖，為一習知之發光二極體驅動裝置。該發光二極體驅動裝置包含一電流平衡器10、一電壓轉換電路20、一發光二極體模組30以及一電壓偵測器40。電壓轉換電路20連接一輸入電壓源Vin，並轉換成一輸出電壓Vout輸出。發光二極體模組30之一側連接電壓轉換電路20以接收輸出電壓Vout，另一側連接電流平衡器10。電流平衡器10具有複數個端點以分別連接發光二極體模組30中的各串發光二極體，使發光二極體模組30中的各發光二極體流經大致相等之電流，達到均勻發光之目的。另外，電流平衡器10可透過一電流設定電阻R(一端耦接至一定電壓源Vcc)來設定流經發光二極體的電流大小，使發光二極體模組30能穩定發光而不受輸出電壓Vout變化之影響。電壓偵測器40為一分壓器，根據輸出電壓Vout之大小產生一電壓回授訊號Vf。電壓轉換電路20根據電壓回授訊號Vf調整輸出電壓Vout，使輸出電壓Vout穩定在一預定電壓附近。
輸出電壓Vout會設計為略高於發光二極體模組30所需之驅動電壓，其電壓差部分會落在電流平衡器10之上。因此，發光二極體驅動裝置之效率高低由電壓差之大小所決定，電壓差大則效率差，電壓差小則效率好。
接著，請參見第二圖，為發光二極體的臨界電壓Vth與溫度之關係圖。發光二極體的臨界電壓隨著操作溫度之上升而逐漸下降。因此，隨著溫度升高發光二極體模組30所需之驅動電壓會下降。然而，由於電壓轉換電路20為定電壓控制，故輸出電壓Vout並不會隨著溫度變化，這造成輸出電壓Vout與驅動電壓間的電壓差變大而使得發光二極體驅動裝置的效率下降。
鑑於習知技術之問題，本發明之發光二極體驅動裝置及其控制器具有溫度補償之效果，所輸出電壓隨著溫度上升而下降，因此在任何操作溫度下，本發明之發光二極體驅動裝置均可以維持在較高的效率而避免習知因溫度而效率下降之問題。
為達到上述之優點，本發明提供了一種具有溫度補償之發光二極體驅動電路，包含一轉換電路、一發光二極體模組以及一控制器。上述轉換電路接收一輸入電壓之電力並根據一控制訊號轉換成一輸出電壓輸出。上述發光二極體模組耦接該轉換電路。上述控制器根據代表該輸出電壓大小之一電壓回授訊號及一操作溫度輸出該控制訊號，使該輸出電壓隨該操作溫度上升而下降。
本發明也提供了一種具有溫度補償之控制器，包含一回授電路以及一脈寬調變器。上述回授電路根據一電壓回授訊號及一參
考電壓產生一誤差放大訊號，其中該參考電壓在操作溫度範圍內具有具有一正溫度係數或一負溫度係數。上述脈寬調變器根據該誤差放大訊號產生一控制訊號。
相較於習知技藝，本發明之發光二極體驅動電路及其控制器具有溫度補償效果，隨著操作溫度之上升控制轉換電路之輸出電壓下降，以補償發光二極體模組隨溫度下將之驅動電壓。因此，發光二極體驅動裝置均可以維持在較高的效率而避免習知因溫度而效率下降之問題。
以上的概述與接下來的詳細說明皆為示範性質，是為了進一步說明本發明的申請專利範圍。而有關本發明的其他目的與優點，將在後續的說明與圖示加以闡述。
請參考第三圖，為根據本發明之發光二極體驅動裝置之電路方塊圖。發光二極體驅動裝置包含一電流平衡電路110、一電源轉換電路120、一發光二極體模組130。電源轉換電路120包含一回授電路122、一脈寬調變器124、一轉換電路126，其中轉換電路126可以為一交流轉直流轉換電路或一直流轉直流轉換電路，接收一輸入電壓Vin之電力並根據一控制訊號轉換成一輸出電壓Vout輸出。回授電路122及脈寬調變器124組成一控制器。回授電路122接收代表該輸出電壓Vout大小之一電壓回授訊號Vfb並據此產生一誤差放大訊號，而回授電路122具有負溫度補償作用會根據一操作溫度同時調整該誤差放大訊號之準位。例如：一般而言，電壓回授訊號Vfb係由一電阻作為電壓偵測器(未繪出)耦接輸出電壓Vout以產生一輸出電壓偵測訊號，當該電壓偵測器具有負溫度係數時即可使回授電路122具有負溫度補償作用。脈寬調變器124則根據該誤差放大訊號以產生該控制訊號以控制轉換電路126之電壓轉換操作。發光二極體模組130耦接該轉換電路以接收該輸出電壓Vout而發光。電流平衡電路110耦接發光二極體模組130，使發光二極體模組130中的各發光二極體串流經大致相同的電流而均勻發光。電流平衡電路110一般可由電流鏡所構成，透過連接定電壓源Vcc之電流設定電阻來設定流經發光二極體模組130之電流大小。若發光二極體模組130中僅有單一發光二極體串時，則本發明之發光二極體驅動裝置可省略電流平衡電路110。由於控制器中的回授電路122具有負溫度補償作用，故可控制輸出電壓Vout具有負溫度係數，也就是說該輸出電壓Vout會隨操作溫度上升而下降，如此可補償發光二極體模組130隨溫度上升而下降的驅動電壓。由於不同的發光二極體組的驅動電壓的溫度係數不一定相同，故回授電路122亦可根據一模式選擇訊號MODE來選擇不同之負溫度係數，以配合不同應用環境所需。
請參考第四圖，為根據本發明之一較佳實施例之發光二極體驅動裝置之電路圖。發光二極體驅動裝置包含一電流平衡電路110、一發光二極體模組130、一控制器(包含回授電路222、一脈寬調變器224)以及一轉換電路226。轉換電路226為一直流升壓轉換電路，包含一電感L、一整流二極體D、一輸出電容C及一電晶體開關S，根據控制器所產生的一控制訊號將一直流之輸入電壓Vin轉換成一直流之輸出電壓Vout，以驅動發光二極體模組130發光。回授電路222包含一誤差放大器EA、一參考電壓產生器228以及一模式選擇器232。參考電壓產生器228產生一參考電壓並經一分壓器分壓輸入誤差放大器EA的非反向輸入端，而誤差放大器EA的反向輸入端接收代表輸出電壓Vout大小之電壓回授訊號Vfb，以據此產生一誤差放大訊號。分壓器由電阻R1及電阻R2a、R2b所組成，其中電阻R2a、R2b具有不同之負溫度係數，如此電阻R1、R2a組成的分壓器及電阻R1、R2b組成的分壓器具有不同的負溫度係數。模式選擇器232接收一模式選擇訊號MODE以控制電阻R1及電阻R2a、R2b之間的開關導通或截止，以提供不同的負溫度補償。脈寬調變器224為一比較器，其非反向輸入端接收誤差放大訊號而反相輸入端接收一斜坡訊號，並據此產生控制訊號以控制轉換電路226中的電晶體開關S。
如此，當本發明之控制器的操作溫度穩定於一溫度時，本發明之發光二極體驅動裝置如同習知之發光二極體驅動裝置輸出一穩定的輸出電壓。然而當操作溫度變化時，本發明之發光二極體驅動裝置的輸出電壓會隨著操作溫度上升而下降以補償發光二極體模組驅動電壓隨溫度下降之影響。故相較於習知之發光二極體驅動裝置，本發明之發光二極體驅動裝置在任何操作溫度下均可以維持一較高效率。
本發明除了可以利用具有負溫度係數的參考電壓達到溫度補償效果外，亦可利用具有正溫度係數的電壓偵測電路達到相同效果。另外，轉換電路除直流直流轉換電路外，亦可使用交流直流轉換電路而不影響發光二極體驅動裝置之操作。請參考第五圖，為根據本發明之一第二較佳實施例之發光二極體驅動裝置之電路圖。相較於第四圖之發光二極體驅動裝置，轉換電路326以交流直流轉換電路取代原先的直流直流轉換電路，而且溫度補償效果由回授電路322中的電壓偵測電路所提供。轉換電路326為一反馳式交流直流轉換器，包含一變壓器T、一電晶體開關S及一輸出電容C。在實際應用上，轉換電路326也可以是半橋式、全橋式、順向式等交流直流轉換器。轉換電路326接收一交流的輸入訊號Vac，並根據脈寬調變器324會產生的一控制訊號轉換輸入訊號Vac的電力為一輸出電壓Vout。回授電路322包含一誤差放大器EA及一參考電壓產生器328。回授電路322之非反向端接收參考電壓產生器328所產生的一參考電壓訊號，反向端接收代表輸出電壓Vout大小之電壓回授訊號Vfb，並據此產生一誤差放大訊號。電壓回授訊號Vfb係透過一由電阻R3、R4所組成的電壓偵測電路耦接輸出電壓Vout而產生。脈寬調變器324的非反向輸入端接收誤差放大訊號而反相輸入端接收一斜坡訊號，並據此產生控制訊號以控制轉換電路326中的電晶體開關S。其中，電壓偵測電路中的電阻R3具有負溫度係數或電阻R4具有正溫度係數，如此電壓偵測電路具有一正溫度係數，透過負回授回路而達到負溫度
補償之效果。
上述實施例中的電流平衡電路110可以由電流鏡所構成而達到平衡電流之效果。然而，電流鏡中的電晶體開關其閘極與汲極電位相同(即在飽和區)，其他鏡像的電晶體，為了確保其工作亦在飽和區(如此各鏡像電流才會一致)，故其汲極及源極間的電位差較大，造成較高的效率損失。請參考第六圖，為根據本發明之一第三較佳實施例之發光二極體驅動裝置之電路圖，其中最大的差異點為電流平衡電路410改以複數個定電流單元412來取代原來的電流鏡架構。電流平衡電路410中的每一定電流單元412包含一電晶體開關、一電阻及一誤差放大器EA，該電晶體開關之一第一端耦接發光二極體模組130中對應之發光二極體串，一第二端耦接該電阻以產生一電流偵測訊號，該誤差放大器EA之反相輸入端接收該電流偵測訊號，非反相端接收一參考訊號Vr，一輸出端產生一定電流控制訊號至該電晶體開關之一控制端以控制流經該電晶體開關之電流大小。由於各定電流單元412接收的參考訊號Vr為相同，故各定電流單元412流過的電流大小大致相同。而因為定電流單元412中電晶體開關的汲極電壓不需與閘極等電位，汲極源極間的電壓差較電流鏡架構的汲極源極間電壓差為低，因此本實施例中的電流平衡電路410的功率損耗低於習知的電流平衡電路。另外，習知的參考電壓產生器會設計成不受溫度影響，以產生與溫度無關的參考電壓訊號；或者參考電壓產生器產生的參考電壓訊號在可操作溫度範圍內在某些範圍內為正溫度
係數，而其他範圍為負溫度係數，使其電位均在一預定電位附近。在本實施例，回授電路422中的參考電壓產生器428則本身在全部可操作溫度範圍內均為負溫度係數。回授電路422接收具負溫度係數之一參考電壓訊號及代表輸出電壓Vout大小之電壓回授訊號Vfb，並據此產生一誤差放大訊號。脈寬調變器424的接收誤差放大訊號及斜坡訊號，並據此產生控制訊號以控制轉換電路426中的電晶體開關S。如此，本實施例之控制器具有負溫度補償效果，亦可補償發光二極體模組130的驅動電壓受溫度變化的影響。
此外，上述實施例中的操作溫度係指控制器的操作溫度，控制器的操作溫度與發光二極體模組的操作溫度成正相關，故可以控制器的操作溫度來取代發光二極體模組的操作溫度來進行補償。當然，實際應用上也可以直接偵測發光二極體模組的操作溫度來進行輸出電壓之調整以提供更精確的補償效果。請參考第七圖，為根據本發明之一第四較佳實施例之發光二極體驅動裝置之電路圖，相較於第六圖所示之實施例，本實施例增加一溫度偵測器534，參考電壓產生器528根據一溫度偵測器534產生的一溫度回授訊號Tfb來調整參考電壓訊號之準位，使參考電壓訊號具有一負溫度係數。回授電路522接收具負溫度係數之參考電壓訊號及代表輸出電壓Vout大小之電壓回授訊號Vfb，並據此產生一誤差放大訊號。脈寬調變器524的接收誤差放大訊號及斜坡訊號，並據此產生控制訊號以控制轉換電路526中的電晶體開關S。
雖然上述實施例係以具負溫度係數的電壓產生器或具正溫度
係數的電壓偵測電路為例說明，然而實際應用上則需視電路設計而定，故也可以是以具正溫度係數的電壓產生器或具負溫度係數的電壓偵測電路來達到補償發光二極體驅動電壓受溫度變化之影響。
如上所述，本發明完全符合專利三要件：新穎性、進步性和產業上的利用性。本發明在上文中已以較佳實施例揭露，然熟習本項技術者應理解的是，該實施例僅用於描繪本發明，而不應解讀為限制本發明之範圍。應注意的是，舉凡與該實施例等效之變化與置換，均應設為涵蓋於本發明之範疇內。因此，本發明之保護範圍當以下文之申請專利範圍所界定者為準。
先前技術：
10‧‧‧電流平衡器
20‧‧‧電壓轉換電路
30‧‧‧發光二極體模組
40‧‧‧電壓偵測器
R‧‧‧電流設定電阻
Vin‧‧‧輸入電壓源
Vout‧‧‧輸出電壓
Vf‧‧‧電壓回授訊號
Vcc‧‧‧定電壓源
Vth‧‧‧臨界電壓
本發明：
110、410‧‧‧電流平衡電路
120‧‧‧電源轉換電路
122、222、322、422、522‧‧‧回授電路
124、224、324、424、524‧‧‧脈寬調變器
126、226、326、426、526‧‧‧轉換電路
130‧‧‧發光二極體模組
228、328、428、528‧‧‧參考電壓產生器
232‧‧‧模式選擇器
412‧‧‧定電流單元
534‧‧‧溫度偵測器
C‧‧‧輸出電容
D‧‧‧二極體
EA‧‧‧誤差放大器
L‧‧‧電感
MODE‧‧‧模式選擇訊號
R‧‧‧電流設定電阻
R1、R2a、R2b、R3、R4‧‧‧電阻
S‧‧‧電晶體開關
T‧‧‧變壓器
Tfb‧‧‧溫度回授訊號
Vin‧‧‧輸入電壓
Vout‧‧‧輸出電壓
Vcc‧‧‧定電壓源
Vfb‧‧‧電壓回授訊號
Vr‧‧‧參考訊號
第一圖為一習知之發光二極體驅動裝置。
第二圖為發光二極體的臨界電壓與溫定之關係圖。
第三圖為根據本發明之發光二極體驅動裝置之電路方塊圖。
第四圖為根據本發明之一第一較佳實施例之發光二極體驅動裝置之電路圖。
第五圖為根據本發明之一第二較佳實施例之發光二極體驅動裝置之電路圖。
第六圖為根據本發明之一第三較佳實施例之發光二極體驅動裝置之電路圖。
第七圖為根據本發明之一第四較佳實施例之發光二極體驅動
裝置之電路圖。
110．．．電流平衡電路
120．．．電源轉換電路
122．．．回授電路
124．．．脈寬調變器
126．．．轉換電路
130．．．發光二極體模組
MODE．．．模式選擇訊號
R．．．電流設定電阻
Vin．．．輸入電壓
Vout．．．輸出電壓
Vcc．．．定電壓源
Vfb．．．電壓回授訊號
Claims (14)
- 一種具有溫度補償之發光二極體驅動電路，包含：一轉換電路，接收一輸入電壓之電力並根據一控制訊號轉換成一輸出電壓輸出；一發光二極體模組，耦接該轉換電路，以接收該輸出電壓而發光；以及一控制器，根據代表該輸出電壓大小之一電壓回授訊號，輸出該控制訊號至該轉換電路，使該輸出電壓穩定輸出，其中該控制器更根據一操作溫度調整該控制訊號，使該轉換電路所輸出之該輸出電壓隨該操作溫度上升而下降。
- 如申請專利範圍第1項所述之具有溫度補償之發光二極體驅動電路，其中該控制器包含一回授電路及一脈寬調變器，該回授電路根據該電壓回授訊號及一參考電壓產生一誤差放大訊號，該脈寬調變器根據該誤差放大訊號產生該控制訊號，其中該參考電壓具有一溫度係數，會隨該操作溫度上升或下降。
- 如申請專利範圍第2項所述之具有溫度補償之發光二極體驅動電路，其中該溫度係數為負值。
- 如申請專利範圍第3項所述之具有溫度補償之發光二極體驅動電路，其中該參考電壓係由一參考電壓產生器透過具有負溫 度係數之一分壓器產生。
- 如申請專利範圍第4項所述之具有溫度補償之發光二極體驅動電路，其中該分壓器根據一模式選擇訊號提供不同之溫度係數。
- 如申請專利範圍第1項所述之具有溫度補償之發光二極體驅動電路，其中該控制器包含一回授電路及一脈寬調變器，該回授電路根據該電壓回授訊號及一參考電壓產生一誤差放大訊號，該脈寬調變器根據該誤差放大訊號產生該控制訊號，其中該電壓回授訊號係由具有溫度係數之一電壓偵測器根據該輸出電壓而產生。
- 如申請專利範圍第1項、第2項或第6項所述之具有溫度補償之發光二極體驅動電路，更包含一電流平衡電路耦接該發光二極體模組，使該發光二極體模組中之各發光二極體串流過之電流大致相同。
- 如申請專利範圍第7項所述之具有溫度補償之發光二極體驅動電路，其中該電流平衡電路包含複數個定電流單元，每一定電流單元包含一電晶體開關、一電阻及一誤差放大器，該電晶體開關之一第一端耦接對應之發光二極體串，一第二端耦接該電阻 以產生一電流偵測訊號，該誤差放大器之一第一輸入端接收該電流偵測訊號，一第二端接收一參考訊號，一輸出端產生一定電流控制訊號至該電晶體開關之一控制端以控制流經該電晶體開關之電流大小。
- 如申請專利範圍第6項所述之具有溫度補償之發光二極體驅動電路，其中該溫度係數為正值。
- 如申請專利範圍第1項、第2項或第6項所述之具有溫度補償之發光二極體驅動電路，其中該轉換電路為一交流轉直流轉換電路或一直流轉直流轉換電路。
- 一種具有溫度補償之控制器，包含：一回授電路，根據一電壓回授訊號及一參考電壓產生一誤差放大訊號，其中該參考電壓在操作溫度範圍內具有一正溫度係數或一負溫度係數；以及一脈寬調變器，根據該誤差放大訊號產生一控制訊號。
- 如申請專利範圍第11項所述之具有溫度補償之控制器，其中該參考電壓係由一參考電壓產生器透過具有溫度係數之一分壓器產生。
- 如申請專利範圍第12項所述之具有溫度補償之控制器，其中該分壓器包含一第一電阻及一第二電阻，該第一電阻之一端連接該參考電壓產生器，其另一端連接該第二電阻之一端，該第二電阻之另一端連接一參考電位，而該第一電阻具有一正溫度係數或該第二電阻具有一負溫度係數。
- 如申請專利範圍第12項所述之具有溫度補償之控制器，其中該分壓器根據一模式選擇訊號提供不同之負溫度係數。
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