TWI418238B - 驅動高壓發光二極體燈泡之積體電路 - Google Patents

Description

驅動高壓發光二極體燈泡之積體電路

本發明係有關於一種積體電路，特別是一種驅動高壓發光二極體燈泡之積體電路。

目前發光二極體的應用已經非常廣泛，例如製造成發光二極體燈泡；然而，習知發光二極體燈泡的控制電路普遍存在著一個缺點，那就是無法同時達成積體化且又能符合照明法規。茲舉例如下：下列專利文件：US 2006/0038542 A1、US 2008/0129220 A1、US 2003/0122502 A1、US 6,798,152 B2、US 7,135,825 B2、US 7,489,086 B2、US 7,528,551 B2、US 7,592,755 B2、US 6,441,558 B1、US 7,288,900 B2、US 2002/0140379 A1及US 7,642,725 B2均為有關於發光二極體照明之專利；皆使用到變壓器、直流電源供應器、大電感、大電容或光感測器中的任一元件；因此都不可能以現有之半導體製程進行積體化。

專利文件WO 2007/001116 A1需要適用於不同電位的高壓開關，但在現有的耐高壓之半導體製程中，沒有可對應之適用元件可供使用；因此，無法進行積體化，生產成本無法有效降低。再者， 電壓在做切換時係採用開路方式，電流瞬間開路或短路，容易造成電磁波干擾(EMI)。且導通電流是一個固定電流，總諧波失真(THD)大於42%，無法滿足現有照明規範需小於33%的要求。

專利文件US 6,989,807係偵測輸入電源的電壓準位，順序開關電流驅動電路；然而卻忽略了發光二極體在使用過程中其順向電壓會隨溫度升高而降低，很容易使原本的驅動電流源所承受的跨壓過高，造成使用效率低。且其沒有掌握最佳切換時間點，容易造成電磁波干擾和諧波失真。再者，驅動電流為一個固定電流，雖然功率因數可以滿足90%以上，但是總諧波失真仍然大於42%，無法滿足現有照明規範需小於33%的要求。

為改善上述習知技術之缺點，本發明之目的在於提供一種驅動高壓發光二極體燈泡之積體電路，使得發光二極體燈泡的控制電路能達成積體化且又符合照明法規。

為達成本發明之上述目的，本發明之驅動高壓發光二極體燈泡之積體電路係應用於一整流電源及複數之發光二極體堆疊。該驅動高壓發光二極體燈泡之積體電路包含：一控制單元；一控制端限流單元，電連接至該控制單元及該發光二極體堆疊；至少一受控端限流單元，電連接至該控制單元及該發光二極體堆疊；及至少一電流偵測單元，電連接至該受控端限流單元及該控制單元。當該整流電源驅動該發光二極體堆疊時，該電流偵測單元偵測到該受控端限流單元有電流流過並通知該控制單元；該控制單元控制有電流流過之該受控端限流單元前級之該控制端限流單元及該受控端限流單元關閉。

10‧‧‧交流電源

20‧‧‧橋式整流器

25‧‧‧整流電源

30_1~30_6‧‧‧發光二極體堆疊

40‧‧‧驅動高壓發光二極體燈泡之積體電路

42‧‧‧控制單元

44a‧‧‧控制端限流單元

44b~44f‧‧‧受控端限流單元

46b~46f‧‧‧電流偵測單元

G1~G6‧‧‧電連接線路

S2~S6‧‧‧電連接線路

I1~I6‧‧‧導通電流

442‧‧‧N型金氧半導體

444‧‧‧回饋電阻

469‧‧‧NPN電晶體

464‧‧‧反向器

462‧‧‧緩衝器

466‧‧‧上拉電阻

468‧‧‧基極電阻

第一圖為本發明之驅動高壓發光二極體燈泡之積體電路之一實施例方塊圖。

第二圖為發光二極體堆疊之一實施例電路圖。

第三圖為發光二極體堆疊之一實施例電流電壓曲線圖。

第四圖為本發明之受控端限流單元及電流偵測單元之一實施例方塊圖。

第五圖為本發明之控制單元之一實施例邏輯閘方塊圖。

第六圖為本發明之控制單元之時序圖。

第七圖為該些導通電流與該整流電源曲線圖。

第八圖為總耗電流與該整流電源曲線圖。

請參考第一圖，其係為本發明之驅動高壓發光二極體燈泡之積體電路之一實施例方塊圖。本發明之驅動高壓發光二極體燈泡之積體電路40係應用於一交流電源10、一橋式整流器20及複數之發光二極體堆疊30_1~30_6(圖示為六個，然本發明並不以此為限)。該驅動高壓發光二極體燈泡之積體電路40包含一控制單元42、一控制端限流單元44a、至少一受控端限流單元44b~44f(圖示為五個，然本發明並不以此為限)及至少一電流偵測單元46b~46f(圖示為五個，然本發明並不以此為限)。

為方便解說，該控制單元42與該控制端限流單元44a之間的電連接線路稱為G1，該控制單元42與該受控端限流單元44b之間的電 連接線路稱為G2，於此類推電連接線路G3~G6；該控制單元42與該電流偵測單元46b之間的電連接線路稱為S2，於此類推電連接線路S3~S6；流經該控制端限流單元44a之電流稱為導通電流I1，流經該受控端限流單元44b之電流稱為導通電流I2，於此類推導通電流I3~I6。

該控制單元42係電連接至該橋式整流器20、該發光二極體堆疊30_1、該控制端限流單元44a、該些受控端限流單元44b~44f及該些電流偵測單元46b~46f；該控制端限流單元44a尚且電連接至該些發光二極體堆疊30_1、30_2；該受控端限流單元44b尚且電連接至該些發光二極體堆疊30_2、30_3及該電流偵測單元46b；該受控端限流單元44c尚且電連接至該些發光二極體堆疊30_3、30_4及該電流偵測單元46c；該受控端限流單元44d尚且電連接至該些發光二極體堆疊30_4、30_5及該電流偵測單元46d；該受控端限流單元44e尚且電連接至該些發光二極體堆疊30_5、30_6及該電流偵測單元46e；該受控端限流單元44f尚且電連接至該發光二極體堆疊30_6及該電流偵測單元46f；該橋式整流器20係電連接至該交流電源10、該控制單元42及該發光二極體堆疊30_1。

該橋式整流器20係用以將該交流電源10做全波整流(full wave rectification)，將負半週之電壓轉為正半週電壓。該交流電源10若為220伏特之交流電源，全波整流後之電壓峰值為311伏特。該橋式整流器20將該交流電源10做全波整流後輸出一整流電源25；該整流電源25由於未經過濾波與穩壓，因此電源的電壓變動範圍很大；該整流電源25係提供該驅動高壓發光二極體燈泡之積體電路40及該些發光二極體堆疊30_1~30_6驅動電源。

請參考第二圖，其係為發光二極體堆疊之一實施例電路圖。該發光二極體堆疊30_1包含複數之發光二極體彼此串聯；每一個發光二極體尚且電連接至一齊納二極體(Zener diode)以作為開路保護(open circuit protection)。其餘該些發光二極體堆疊30_2~30_6與該發光二極體堆疊30_1相同，故於此不再贅述。

一顆發光二極體在典型順向電流(typical forward current)20毫安培驅動下，順向電壓約3.6伏特。若以12顆發光二極體串接作為該發光二極體堆疊30_1，那麼在20毫安培的順向電流驅動下，順向電壓約為43.2伏特。請參考第三圖，其係為發光二極體堆疊之一實施例電流電壓曲線圖；圖示係以12顆發光二極體組成該發光二極體堆疊30_1；橫軸表示跨過該發光二極體堆疊30_1之順向電壓，縱軸表示通過該發光二極體堆疊30_1之順向電流。

該些發光二極體堆疊30_1~30_6串聯起來即可形成耐高電壓的發光二極體串列(發光二極體燈泡)。在220伏特交流電源的應用中，可以例如串連六個發光二極體堆疊，使得在20毫安培驅動下的順向電壓接近全波整流後的電壓峰值311伏特。

請參考第四圖，其係為本發明之受控端限流單元及電流偵測單元之一實施例方塊圖。該受控端限流單元44b包含一N型金氧半導體442及一回饋電阻444。該回饋電阻444電連接至該N型金氧半導體442之源極；該N型金氧半導體442之閘極經由該電連接線路G2電連接至該控制單元42(未圖示)；該N型金氧半導體442之汲極電連接至該些發光二極體堆疊30_2、30_3。

當該電連接線路G2經由該控制單元42設定在固定之高電壓準位時 (以邏輯狀態1表示)，該N型金氧半導體442處於導通狀態。而流經該N型金氧半導體442之電流(即該導通電流I2)係由該N型金氧半導體442之閘極與源極之間的電壓與該回饋電阻444之主值(nominal value)所控制；該導通電流I2亦通過該回饋電阻444，當該導通電流I2升高時，該回饋電阻444的跨壓也會升高，該N型金氧半導體442之閘極與源極之間的電壓就會減少，從而限定了該導通電流I2的最大值；而該導通電流I2的最大值係由該回饋電阻444與該N型金氧半導體442之閘極之電壓準位決定。

該控制端限流單元44a及該些受控端限流單元44c~44f與該受控端限流單元44b類似，於此不再贅述；惟該回饋電阻444之限電流值(阻值)並不相同(例如該控制端限流單元44a的該回饋電阻444之阻值為750歐姆；其餘該些受控端限流單元44b~44f的該回饋電阻444之阻值依序為550、400、300、200及180歐姆)，其目的在調整功率因數(power factor)使其接近100%和總諧波失真(total harmonic distortion，THD)接近於0%。

該電流偵測單元46b包含一NPN電晶體469；一反向器464，該反向器464之輸入端電連接至該NPN電晶體469之集極；一緩衝器462，該緩衝器462之輸入端電連接至該反向器464之輸出端，輸出端經由該電連接線路S2電連接至該控制單元42(未圖示)；一上拉電阻466，電連接至該NPN電晶體469之集極；一基極電阻468，一端電連接至該NPN電晶體469之基極，另一端電連接至該回饋電阻444及該N型金氧半導體442之源極。

該電流偵測單元46b偵測電流的方式為偵測流過該回饋電阻444之跨壓；當該導通電流I2大於一預設電流值時，回饋電阻444之跨 壓就會啟動該NPN電晶體469。該上拉電阻466係用以放大電壓信號，該NPN電晶體469之集極電壓信號通過具有遲滯輸入之該反向器464當作是簡易比較器。因此，當有足夠大的該導通電流I2通過該回饋電阻444時，該電流偵測單元46b會輸出高邏輯準位1至該控制單元42；該導通電流I2不夠大時該電流偵測單元46b會輸出低邏輯準位0至該控制單元42。其餘該些電流偵測單元46c~46f與該電流偵測單元46b類似，故於此不再贅述。

請參考第五圖，其係為本發明之控制單元之一實施例邏輯閘方塊圖。該控制單元42包含至少一第一反閘424_1~424_5(圖示為五個)；至少一第二反閘426_1~426_5(圖示為五個)，該些第二反閘426_1~426_5之輸入端分別電連接至該些第一反閘424_1~424_5之輸出端及該些電連接線路G1~G5；至少一或閘422_1~422_4(圖示為四個)，該些或閘422_1~422_4之輸出端分別電連接至該些第一反閘424_1~424_4之輸入端。該些或閘422_1~422_4之輸入端之一端分別電連接至該電連接線路S2~S5；另一端分別電連接至該些第二反閘426_2~426_5之輸出端。該第一反閘424_5的輸入端電連接至該電連接線路S6。

該控制單元42接受該些電流偵測單元46b~46f的邏輯信號，經過邏輯運算後輸出固定電壓之邏輯信號以控制該控制端限流單元44a及該些受控端限流單元44b~44f。其中該導通電流I1不需偵測，而該受控端限流單元44f固定在高邏輯準位。邏輯運算之真值表如下(邏輯閘運算為習知技術，故於此不再贅述，僅列表如下)：

請參考第六圖，其係為本發明之控制單元之時序圖。請參考第七圖，其係為該些導通電流與該整流電源曲線圖。請參考第八圖，其係為總耗電流與該整流電源曲線圖。當該整流電源25驅動該些發光二極體堆疊30_1~30_6時，該些電流偵測單元46b~46f偵測到該些受控端限流單元44b~44f有電流流過並通知該控制單元42；該控制單元42控制有電流流過之該些受控端限流單元44b~44f前級之該控制端限流單元44a及該些受控端限流單元44b~44e關閉。

舉例來說：本發明之驅動高壓發光二極體燈泡之積體電路不但可積體化且又符合照明法規，其測試結果如下：

1.功率因子(power factor)：96%

2.總諧波失真(total harmonic distortion，THD)：11.5%

3.效率(efficiency)：90.5%

4.光電功效(efficacy)：104(lm/W)

其中發光二極體之發光效率為115(lm/W)。

綜上所述，當知本發明已具有產業利用性、新穎性與進步性，又本發明之構造亦未曾見於同類產品及公開使用，完全符合發明專利申請要件，爰依專利法提出申請。

10‧‧‧交流電源

20‧‧‧橋式整流器

25‧‧‧整流電源

30_1~30_6‧‧‧發光二極體堆疊

40‧‧‧驅動高壓發光二極體燈泡之積體電路

42‧‧‧控制單元

44a‧‧‧控制端限流單元

44b~44f‧‧‧受控端限流單元

46b~46f‧‧‧電流偵測單元

G1~G6‧‧‧電連接線路

S2~S6‧‧‧電連接線路

I1~I6‧‧‧導通電流

Claims (9)

1. 一種驅動高壓發光二極體燈泡之積體電路，係應用於一整流電源，該驅動高壓發光二極體燈泡之積體電路包含：複數之串聯之發光二極體堆疊，每一該發光二極體堆疊包含一第一端及一第二端，該發光二極體堆疊之該第二端電性連接至下一個該發光二極體堆疊之該第一端；複數之限流單元，電連接至該控制單元及該發光二極體堆疊；一控制單元，電連接至該限流單元及第一個該發光二極體堆疊之該第一端；及至少一電流偵測單元，電連接至該限流單元及該控制單元，其中第一個限流單元電連接至第一個發光二極體堆疊的第二端及第二個發光二極體堆疊的第一端；最後一個限流單元電連接至最後一個發光二極體堆疊的第二端；當流過該限流單元的電流大於一預設電流時，相對應的電流偵測單元輸出一高邏輯信號至該控制單元；當流過該限流單元的電流不大於該預設電流時，相對應的電流偵測單元輸出一低邏輯信號至該控制單元；其中，當該控制單元藉由高邏輯信號及低邏輯信號被通知該整流電源足以驅動前N個發光二極體堆疊時，該控制單元關閉前N-1個限流單元，其中N為大於1的整數。
2. 如申請專利範圍第1項之驅動高壓發光二極體燈泡之積體電路，其中該限流單元包含： 一N型金氧半導體；及一回饋電阻，電連接至該N型金氧半導體之源極。
3. 如申請專利範圍第1項之驅動高壓發光二極體燈泡之積體電路，其中該電流偵測單元包含一NPN電晶體。
4. 一種驅動高壓發光二極體燈泡之積體電路，包含：一控制單元；複數之限流單元，電連接至該控制單元及複數之發光二極體堆疊；及至少一電流偵測單元，電連接至該些限流單元及該控制單元，其中，該電流偵測單元偵測相對應之該限流單元的電流並以邏輯信號通知該控制單元；藉由該些邏輯信號，該控制單元啟動或關閉該些限流單元；其中，該電流偵測單元包含一NPN電晶體；該電流偵測單元更包含一反向器，該反向器之輸入端電連接至該NPN電晶體之集極。
5. 如申請專利範圍第4項之驅動高壓發光二極體燈泡之積體電路，其中該電流偵測單元更包含一緩衝器，該緩衝器之輸入端電連接至該反向器之輸出端。
6. 如申請專利範圍第5項之驅動高壓發光二極體燈泡之積體電路，其中該電流偵測單元更包含一上拉電阻，電連接至該NPN電晶體之集極。
7. 如申請專利範圍第6項之驅動高壓發光二極體燈泡之積體電路，其中該電流偵測單元更包含一基極電阻，電連接至該NPN電晶體之基極。
8. 一種驅動高壓發光二極體燈泡之積體電路，包含：一控制單元； 複數之限流單元，電連接至該控制單元及複數之發光二極體堆疊；及至少一電流偵測單元，電連接至該些限流單元及該控制單元，其中，該電流偵測單元偵測相對應之該限流單元的電流並以邏輯信號通知該控制單元；藉由該些邏輯信號，該控制單元啟動或關閉該些限流單元；其中，該控制單元包含：至少一第一反閘；及至少一第二反閘，該第二反閘之輸入端電連接至該第一反閘之輸出端。
9. 如申請專利範圍第8項之驅動高壓發光二極體燈泡之積體電路，其中該控制單元更包含至少一或閘，該或閘之輸出端電連接至該第一反閘之輸入端。