TWI422277B - 發光二極體驅動裝置 - Google Patents

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發光二極體驅動裝置
本發明是有關於一種驅動裝置，特別是指一種發光二極體驅動裝置。
發光二極體(LED)的順向電流公式為I=(VO -VT )/R，其中參數VO 為其兩端的跨壓、VT 為導通臨界電壓、R為內阻，又操作溫度升高將造成導通臨界電壓VT 下降，使流經LED的電流I變大而會造成發光的主波長產生漂移而形成色偏的現象，因此需要於LED的電流I隨著溫度改變時，能動態地調整其兩端跨壓VO 以解決此問題。
如圖1所示，為解決上述問題的一種發光二極體驅動裝置，適用於將一直流電壓Vin轉換成一交流的輸出電壓VO 以驅動LED，當LED的電流I過大或不足時，利用調整電源轉換器之開關的操作頻率fs以減少或增加輸出電壓VO ，藉由改變輸出電壓VO 來將LED的電流I拉回至正常情況，如圖2所示。
如圖3所示，為美國專利‘US6826059’所提出的一種發光二極體驅動裝置，但是其缺點為只能根據該二發光二極體D1、D2的其中一方向的電流作為平均電流來調整輸出電壓VO 的振福，因為製程變異的問題會造成該二發光二極體D1、D2的導通臨界電壓VT 和內阻R皆不相同，因此若其電流特性如圖4所示，於相同的溫度下，流經發光二極體D1的電流i1較低而流經發光二極體D2的電流i2較高，假設控制電路2是偵測到電流i1的情況，將其視為如圖5的電流取一週期的平均電流iavg ，與控制電路中的預設參考值iref 比較，便會改變開關S1、S2的操作頻率fs以增加輸出電壓VO 進而使電流i1的平均電流iavg 變大，又輸出電壓VO 的負半週振幅也增加而導致電流i2的負增量又更高甚至電流發散而燒毀LED，如圖6所示。
因此，本發明之目的，即在提供一種避免上述缺失和改善功率的一種發光二極體驅動裝置。
該發光二極體驅動裝置，包含：一半橋開關電路，電連接於一直流電源與地之間而接受一來自該直流電源且呈直流的該輸入電壓，且根據二互補且具有相同操作頻率的控制信號，將該輸入電壓轉換成一呈方波的轉換電壓，並包括串聯於該直流電源與地之間的一第一開關和一第二開關，且該二開關分別根據該二控制信號於導通與不導通之間切換；一諧振濾波電路，與該半橋開關電路電連接以接收該轉換電壓且濾除該轉換電壓的諧波成分以產生一交流且呈弦波的輸出電壓和輸出電流；一發光二極體電路，與該諧振濾波電路電連接並具有多個呈全橋式連接的發光二極體，且接收交流的該輸出電流且進行整流以輸出一脈動的直流整流電流；一偵測電路，與該發光二極體電路電連接並偵測該整流電流的大小以提供一偵測信號；及一控制電路，電連接於該二開關與該偵測電路之間，並接受該偵測信號且將該偵測信號於一段期間內的平均值與一預設參考值比較，以基於比較的結果控制該二控制信號之操作頻率，且該段期間至少包含該偵測信號的兩次脈動。
有關本發明之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之二個較佳實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。
<第一較佳實施例>
如圖7所示，本發明發光二極體驅動裝置之第一較佳實施例，適用於將來自直流電源的一直流輸入電壓Vin轉換成一交流輸出電壓Vo以驅動交流發光二極體，且包含一半橋開關電路3、一諧振濾波電路4、一個發光二極體電路5、一偵測電路6和一控制電路7。
半橋開關電路3電連接於該直流電源與地之間而接受一來自該直流電源且呈直流的該輸入電壓Vin，且根據二互補且具有相同操作頻率的控制信號，將該輸入電壓Vin轉換成一呈方波的轉換電壓，並包括串聯於該直流電源與地之間的一第一開關S1和一第二開關S2。
第一開關S1具有一電連接於該直流電源的第一端、一第二端和一接受一第一控制信號的控制端，且根據該第一控制信號以使該第一開關S1於導通與不導通之間切換。
第二開關S2具有一電連接於該第一開關之第二端的第一端、一接地的第二端和一接受一第二控制信號的控制端，且根據該第二控制信號以使該第二開關S2於導通與不導通之間切換且與第一開關S1互補。
諧振濾波電路4與半橋開關電路3電連接並接收該轉換電壓，且濾除該轉換電壓的諧波成分以產生一交流且呈弦波的輸出電壓Vo和輸出電流io，且包括一電感L和一電容C，串聯的該電感L和該電容C電連接於該第一開關S1的第二端和發光二極體電路5之間，而形成一共振頻率fc。且電容C之第一端與電感L電連接而其第二端與發光二極體電路5電連接。
如圖8所示，發光二極體電路5與該諧振濾波電路4電連接並接收該輸出電壓Vo和輸出電流io且進行整流以得到一脈動的(pulsating)直流整流電流iRE ，又該整流電流iRE 的大小隨著輸出電壓Vo的振幅增加而變大，且發光二極體電路5包括以全橋連接架構的一第一~一第四二極體單元D1~D4。
第一二極體單元D1與第四二極體單元D4同向串聯，且第二二極體單元D2與第三二極體單元D3同向串聯，且串聯的第一二極體單元D1與第四二極體單元D4與串聯的第二二極體單元D2與第三二極體單元D3並聯。而電容C的第二端電連接於第一二極體單元D1與第四二極體單元D4之電連接處，且第二開關S2之第二端電連接於第二二極體單元D2與第三二極體單元D3之電連接處。
每一二極體單元D1~D4具有一個發光二極體，或多個同向串聯的發光二極體，且第一二極體單元D1之其中一個發光二極體之陽極與該電容C之第二端電連接，而第二二極體單元D2之其中一個發光二極體之陽極與第二開關S2之第二端電連接。
偵測電路6與該發光二極體電路5電連接並偵測該整流電流iRE 的大小以提供一呈電流形式的偵測信號，又於本實施例中不限於此，偵測電路6也可具有一電阻，藉由該整流電流iRE 流經該電阻所產生的跨壓將所接受的該整流電流iRE 轉換成一呈電壓形式的偵測信號，且該偵測信號的脈動對應於該整流電流iRE ，以反映出該整流電流iRE 的變化情形。
控制電路7電連接於該二開關S1、S2與該偵測電路6之間並接受該偵測信號，且將該偵測信號於一段期間內的平均值與一預設參考值比較，以基於比較的結果控制該二控制信號之操作頻率fs，且該段期間至少包含該偵測信號的兩次脈動，且較佳的，該段期間應該包含偶數個脈動。且該二開關S1、S2的操作頻率fs在大於共振頻率fc的範圍間進行調整。
當該偵測信號的平均值iavg 小於該預設參考值iref ，則減少該操作頻率以增加輸出電壓Vo使流經該等發光二極體的電流振幅拉升至相同於該預設參考值iref 以穩定發光的顏色，反之，則增加該操作頻率fs。
因此若該輸出電流io的正負半週振幅不一致，在經過整流為脈動的直流整流電流iRE 後能使控制電路7以二個脈動的偵測信號估算平均值，因此能兼顧到輸出電流io另一半週的負增量特性，不會造成另一半週所導通的輸出電流io發散而導致LED燒毀。
在此舉一例子說明，如圖9所示，當輸出電流io的的正半週平均值iavg+ 小於預設參考值iref+ 一個ΔI，而負半週平均值iavg- 大於預設參考值iref- 一個ΔI，因此控制器7所估算出的二個脈動的平均值等於預設參考值iref ，則不調整該二開關S1、S2的操作頻率，而使於輸出電流io負半週導通的LED所承受的平均電流量不會再增加而超過負荷。
而若如圖10所示，當輸出電流io的的正半週平均值等於預設參考值iref ，而負半週平均值大於預設參考值iref 一個ΔI，因此控制器7所估算出二個脈動的平均值大於預設參考值iref 差值為ΔI/2，則調整該二開關S1、S2的操作頻率fs，以減少輸出電壓Vo而使於輸出電流io正、負半週導通的LED所承受的平均電流量皆減少ΔI/2不僅達到穩定發光顏色，也省功率。
<第二較佳實施例>
如圖11所示，與第一較佳實施例的差別為該發光二極體電路5還多了一個亮度調整器8，該亮度調整器8與串聯的第二二極體單元D2和第三二極體單元D3並聯，並包括一接收一操作於低頻的脈波調變信號的控制端，且根據該脈波調變信號於高、低電位之間變化使該亮度調整器8於導通或不導通之間切換，且藉由增加或減少該脈波調變信號之責任導通週期，使整流電流iRE 於該低頻週期中的平均值增加或減少以改變LED的亮度，又因人眼無法察覺頻率高於100Hz以上的閃爍，因此低頻脈波之頻率只要操作於100Hz以上，則人眼無法察覺其閃爍及顏色的變化，但可感覺亮度的增減。
該亮度調整器8包括一個由電晶體實現的開關，且該控制端就是電晶體的閘極。
<第三較佳實施例>
如圖12所示，與第一較佳實施例的差別為該發光二極體電路5還多了一個第五二極體單元D5，而第五二極體單元D5與串聯的第一二極體單元D1和第四二極體單元D4並聯，且該偵測電路6偵測流經該第五二極體單元D5的電流(也就是該整流電流iRE )以產生該偵測信號。
第五二極體單元D5可包括至少一發光二極體或多個串聯的發光二極體，且第五二極體單元D5的其中一個發光二極體之陽極與第一二極體單元D1的其中一發光二極體之陰極電連接，而該第五二極體單元D5的其中一個發光二極體之陰極與該第四二極體單元D4的其中一發光二極體之陽極電連接。當發光二極體電路5中的第一~第四二極體單元D1~D4實際上是分別包括多數個串聯的LED時，可減少第一~第四二極體單元D1~D4的LED數目而根據所減少的數目增加第五二極體單元D5的LED數目，以提高LED的使用率。
綜上所述，將本發明之較佳實施例具有以下優點：利用發光二極體電路5的全橋架構將具有正負半週的輸出電流io整流成一脈動的直流整流電流iRE ，再藉由偵測電路6轉成一偵測信號提供給控制電路7，而使控制電路7能根據偵測信號於二個脈動的平均值對流經發光二極體的電流進行調整且避免其電流負荷太大而燒毀。
惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。
3．．．半橋開關電路
S1．．．第一開關
S2．．．第二開關
4．．．諧振濾波電路
L．．．電感
C．．．電容
5．．．發光二極體電路
D1．．．第一二極體單元
D2．．．第二二極體單元
D3．．．第三二極體單元
D4．．．第四二極體單元
6．．．偵測電路
7．．．控制電路
8．．．亮度調整器
D5．．．第五二極體單元
圖1是第一種習知的發光二極體驅動裝置的電路圖；
圖2是第一種流經發光二極體的電流波形圖；
圖3是第二種習知的發光二極體驅動裝置的電路圖；
圖4是第二種流經發光二極體的電流波形圖；
圖5是流經發光二極體的正向電流波形圖；
圖6是流經發光二極體的電流波形圖，說明調整後的情況；
圖7是本發明之第一較佳實施例的電路圖；
圖8是該第一較佳實施例的整流電流之第一種波形圖；
圖9是該第一較佳實施例的整流電流之第二種波形圖；
圖10是是該第一較佳實施例的整流電流之第三種波形圖；
圖11是第二較佳實施例的電路圖；及
圖12是第三較佳實施例的電路圖。
3．．．半橋開關電路
S1．．．第一開關
S2．．．第二開關
4．．．諧振濾波電路
L．．．電感
C．．．電容
5．．．發光二極體電路
D1．．．第一二極體單元
D2．．．第二二極體單元
D3．．．第三二極體單元
D4．．．第四二極體單元
6．．．偵測電路
7．．．控制電路

Claims (16)

  1. 一種發光二極體驅動裝置，包含：一半橋開關電路，電連接於一直流電源與地之間而接受一來自該直流電源且呈直流的該輸入電壓，且根據二互補且具有相同操作頻率的控制信號，將該輸入電壓轉換成一呈方波的轉換電壓，並包括串聯於該直流電源與地之間的一第一開關和一第二開關，且該二開關分別根據該二控制信號於導通與不導通之間切換；一諧振濾波電路，與該半橋開關電路電連接以接收該轉換電壓且濾除該轉換電壓的諧波成分以產生一交流且呈弦波的輸出電壓和輸出電流；一發光二極體電路，與該諧振濾波電路電連接並具有多個呈全橋式連接的發光二極體，且接收交流的該輸出電流且進行整流以輸出一脈動的直流整流電流；一偵測電路，與該發光二極體電路電連接並偵測該整流電流的大小以提供一偵測信號；及一控制電路，電連接於該二開關與該偵測電路之間，並接受該偵測信號且將該偵測信號於一段期間內的平均值與一預設參考值比較，以基於比較的結果控制該二控制信號之操作頻率，且該段期間至少包含該偵測信號的兩次脈動。
  2. 依據申請專利範圍第1項所述之發光二極體驅動裝置，其中，該諧振濾波電路包含串聯於該半橋開關電路與該發光二極體電路之間的一電感與一電容，且該電容之第一端與該電感電連接而其第二端與該發光二極體電路電連接。
  3. 依據申請專利範圍第2項所述之發光二極體驅動裝置，其中，該發光二極體電路包括一第一~一第四二極體單元，而該第一二極體單元與該第四二極體單元同向串聯，且該第二二極體單元與該第三二極體單元同向串聯，且串聯的該第一二極體單元與該第四二極體單元與串聯的該第二二極體單元與該第三二極體單元並聯，而該電容的第二端電連接於該第一二極體單元與該第四二極體單元之電連接處，且該第二開關之第二端電連接於該第二二極體單元與該第三二極體單元之電連接處。
  4. 依據申請專利範圍第3項所述之發光二極體驅動裝置，其中，每一二極體單元具有一個發光二極體。
  5. 依據申請專利範圍第3項所述之發光二極體驅動裝置，其中，每一二極體單元具有多個同向串聯的發光二極體，且該第一二極體單元之其中一個發光二極體之陽極與該電容之第二端電連接，而該第二二極體單元之其中一個發光二極體之陽極與該第二開關之第二端電連接。
  6. 依據申請專利範圍第5項所述之發光二極體驅動裝置，，其中，該發光二極體電路更包含一亮度調整器，該亮度調整器與串聯的該第二二極體單元和該第三二極體單元並聯，並包括一接收一操作於低頻的脈波調變信號的控制端，且根據該脈波調變信號於高、低電位之間變化使該亮度調整器於導通或不導通之間切換，且藉由增加或減少該脈波調變信號之責任導通週期，使該整流電流於該低頻週期中的平均值增加或減少以改變該等發光二極體的亮度。。
  7. 依據申請專利範圍第6項所述之發光二極體驅動裝置，其中，該亮度調整器包括一開關。
  8. 依據申請專利範圍第7項所述之發光二極體驅動裝置，其中，該開關由一電晶體實現，且該亮度調整器的控制端就是該電晶體的閘極。
  9. 依據申請專利範圍第1項所述之發光二極體驅動裝置，其中，該偵測電路具有一電阻，且藉由該整流電流流經該電阻所產生的跨壓將所接受的該整流電流轉換成該呈電壓形式的偵測信號。
  10. 依據申請專利範圍第1項所述之發光二極體驅動裝置，其中，該發光二極體電路包括呈全橋連接的一第一~一第四二極體單元。
  11. 依據申請專利範圍第10項所述之發光二極體驅動裝置，其中，每一個二極體單元具有一個發光二極體。
  12. 依據申請專利範圍第11項所述之發光二極體驅動裝置，其中，該發光二極體電路更包含一亮度調整器，該亮度調整器與串聯的該第二二極體單元和該第三二極體單元並聯，並包括一接收一操作於低頻的脈波調變信號的控制端，且根據該脈波調變信號於高、低電位之間變化使該亮度調整器於導通或不導通之間切換，且藉由增加或減少該脈波調變信號之責任導通週期，使該整流電流於該低頻週期中的平均值增加或減少以改變該等發光二極體的亮度。
  13. 依據申請專利範圍第12項所述之發光二極體驅動裝置，其中，該亮度調整器包括一開關。
  14. 依據申請專利範圍第10項所述之發光二極體驅動裝置，其中，該發光二極體電路更包括一個第五二極體單元，而該第五二極體單元與串聯的該第一二極體單元和該第四二極體單元並聯，且流經該第五二極體單元的電流就是該整流電流。
  15. 依據申請專利範圍第14項所述之發光二極體驅動裝置，其中，每一二極體單元具有多個同向串聯的發光二極體。
  16. 依據申請專利範圍第15項所述之發光二極體驅動裝置，其中，該第五二極體單元的其中一個發光二極體之陽極與該第一二極體單元的其中一發光二極體之陰極電連接，而該第五二極體單元的其中一個發光二極體之陰極與該第四二極體單元的其中一發光二極體之陽極電連接。
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