TWI432079B

TWI432079B - 發光二極體的驅動電路與使用其之照明裝置

Info

Publication number: TWI432079B
Application number: TW099100022A
Authority: TW
Inventors: Chingju Li; hao yuan Wang
Original assignee: Cal Comp Electronics & Comm Co
Priority date: 2010-01-04
Filing date: 2010-01-04
Publication date: 2014-03-21
Also published as: TW201125423A; US20110163684A1

Description

發光二極體的驅動電路與使用其之照明裝置

本發明是有關於一種發光二極體的驅動電路，且特別是有關於一種可降低發光二極體閃爍現象的驅動電路。

發光二極體(Light Emitting Diode,LED)的體積小、省電且耐用，而且隨著製程的成熟，價格下降，近來以發光二極體做為光源之產品越來越普遍。而且隨著在節能減碳的科技趨勢下，發光二極體逐漸成為新一代的光源。發光二極體工作電壓低、能主動發光且有一定亮度，亮度可用電壓或電流調節，同時具備耐衝擊、抗振動、壽命長(10萬小時)之特點。所以發光二極體在各種終端設備中被廣泛使用，從汽車前照燈、交通信號燈、文字顯示器、看板及大螢幕視頻顯示器，到普通級建築照明和LCD背光等領域。

傳統的燈具可利用調光器(Triac)來進行調光，在居家內部的調光器可與燈具分開設置，例如設置在牆上，讓使用者可以方便調整燈光強度。由於調光器僅適合用來調整電阻式的燈泡，並不適合直接用於調整LED的亮度。因此利用LED燈具直接取代傳統燈具時會因為傳統燈具與LED燈具的驅動方式不同而產生閃爍的情況。

本發明提供一種發光二極體的驅動電路與照明裝置，其中利用三角波與調光器所輸出波形做比對以推知調光器的導通條件(即延遲角度)，然後選擇對應的脈波調變(pulse width modulation,PWM)信號來驅動電壓轉換電路以驅動發光二極體。藉此，可精準調整LED端電壓，進而控制LED端電流，而LED亮度是由電流所控制，故轉換後的PWM信號可改善傳統類比電路無法精準調整LED電流的問題。

承上述，本發明提出一種發光二極體的驅動電路，適用於接收經由一調光器調整後之一交流電源以驅動一發光二極體單元。驅動電路包括一整流電路、一隔離元件、一處理單元以及一電壓轉換電路。整流電路用以整流交流電源以輸出一第一工作電壓，隔離元件耦接整流電路，用以接收第一工作電壓以輸出一第二工作電壓。處理單元耦接於整流電路，根據第一工作電壓的電壓波形偵測調光器的一導通條件並根據該導通條件輸出一脈波寬度調變信號。電壓轉換電路耦接於隔離元件與處理單元，根據脈波寬度調變信號將第二工作電壓轉換為一驅動電壓以驅動發光二極體單元。

在本發明一實施例中，隔離元件為一二極體，二極體的正極端耦接於整流電路，二極體的負極端耦接於該電壓轉換電路。其中，隔離元件亦可以直流變壓器取代。驅動電路更包括一電容，耦接於隔離元件與電壓轉換電路的共用接點與一接地端之間。

在本發明一實施例中，該處理單元包括一比較、一判斷單元以及一脈波寬度調變器。比較器的正輸入端耦接第一工作電壓，比較器的負輸入端耦接一信號源。判斷單元耦接比較器的輸出，並根據比較器的輸出判斷調光器的一導通條件。脈波寬度調變器耦接於判斷單元，用以輸出脈波寬度調變信號，判斷單元根據導通條件與一查找表調整脈波寬度調變信號的有效週期。其中，查找表具有調光器的導通條件與脈波寬度調變信號的有效週期的對應關係。上述信號源例如為一三角波信號源或一直流參考電壓。

在本發明一實施例中，上述整流單元為一橋式整流器，上述處理單元可以特定應用積體電路實現。上述調光器為一三極交流開關(Tri-electrode AC switch,TRIAC)。上述電壓轉換電路例如為一降壓電路(Buck circuit).

本發明另提出一種照明裝置，適用於接收經由一調光器調整後之一交流電源以進行照明，照明裝置包括一發光二極體單元與一驅動電路。驅動電路耦接於調光器與發光二極體單元，其包括一整流電路、一隔離元件、一處理單元以及一電壓轉換電路。整流電路用以整流交流電源以輸出一第一工作電壓，隔離元件耦接整流電路，用以接收第一工作電壓以輸出一第二工作電壓。處理單元耦接於整流電路，處理單元根據第一工作電壓的電壓波形偵測調光器的一導通條件並根據導通條件輸出一脈波寬度調變信號。電壓轉換電路耦接於隔離元件與處理單元，根據脈波寬度調變信號將第二工作電壓轉換為一驅動電壓以驅動發光二極體單元。

基於上述，本發明利用調光器所輸出的電壓波形來偵測調光器的延遲角度，並據此調整調整LED亮度的脈波寬度調變信號，讓LED可以獲得穩定的脈波寬度調變信號，避免閃爍的問題產生。

為讓本發明之上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

請參照圖1，圖1繪示本發明一實施例之照明裝置之電路示意圖。照明裝置100包括驅動電路102與發光二極體單元150。其中驅動電路102耦接於調光器110與發光二極體單元150，接收經由調光器110調整後之交流電源AC以驅動發光二極體單元150。調光器110例如為一三極交流開關(Tri-electrode AC switch,TRIAC)，可根據使用者所設定的導通條件(conducting condition)來限制交流電源AC的波形以產生交流電源AC1，驅動電路102根據交流電源AC1調整發光二極體單元150的亮度。

驅動電路102主要包括整流單元120、隔離元件122、處理單元130與電壓轉換電路140。整流單元120耦接於調光器110、隔離元件122與處理單元130。電壓轉換電路140耦接於隔離元件122、輸出與處理單元130與發光二極體單元150。整流單元120例如是橋式整流器，用來整流交流電源AC1，然後輸出第一工作電壓FV至隔離元件122與處理單元130。隔離元件122例如是二極體125，其正極端耦接於整流單元120，其負極端耦接於電壓轉換單元140。第一工作電壓FV經過二極體125後會產生第二工作電壓SV至電壓轉換單元140與處理單元130，以作為電壓轉換單元140與處理單元130的工作電源使用。電容C1耦接於隔離元件122的輸出端與接地端GND之間，具有穩壓的效果。在本發明另一實施例中，上述隔離元件122也可以利用直流變壓器取代。

處理單元130根據第一工作電壓FV的電壓波形判斷調光器110所設定的導通條件(即延遲角度，其中延遲角度愈大，表示調光器110關閉時間愈長)以推知使用者所需的光線亮度。然後，處理單元130會根據所偵測到的導通條件來調整脈波寬度調變信號PWM的有效週期(duty cycle)。電壓轉換單元140根據脈波寬度調變信號PWM的有效週期調整驅動電壓DV的電壓與電流以調整發光二極體單元150之亮度。發光二極體單元150可為一個或多個發光二極體串聯或並聯組成，本實施例並不受限。調光器110亦可依據設計需求選擇不同種類的調光元件，例如雙向閘流體或場控閘流體。

處理單元130內部可設置一查找表，用以儲存脈波寬度調變信號PWM的有效週期與不同導通條件之間的對應關係，處理單元130可直接根據調光器120的導通條件調整脈波寬度調變信號PWM的有效週期來控制發光二極體單元150的亮度。查找表的範例如下：

處理單元130可直接經由上表1選取對應的脈波寬度調變信號PWM來輸出給電壓轉換電路140，其中A、B、C...分別表示不同有效週期長度的脈波寬度調變信號PWM。值得注意的是，上表1僅為本發明之查找表之一實施例，本發明並不受限於此。

處理單元130的內部電路結構請參照圖2，圖2繪示處理單元130之內部電路圖。處理單元130包括比較器232、判斷單元234與脈波寬度調變器236。比較器232的正輸入端耦接該第一工作電壓FV，比較器232的負輸入端耦接一信號源210。由於信號源210所輸出的三角波信號TS的頻率會遠大於交流電源AC的頻率且電壓準位大於零(接地準位)。因此，比較器232的輸出端會輸出一有效週期隨第一工作電壓FV的電壓改變之脈波寬度調變信號CS。當脈波寬度調變信號CS失能時，便表示調光器110處於截止狀態(即第一工作電壓FV為低電位)，當脈波寬度調變信號CS致能(產生脈波信號)時，表示調光器110處於導通狀態。因此經由脈波寬度調變信號CS的波形變化便可判斷出調光器110所設定的導通條件，也就是延遲角度。換句話說，也就是可經由脈波寬度調變信號CS的波形變化判斷第一工作電壓FV的電壓波形。

判斷單元234耦接比較器232的輸出，並根據比較器232所輸出的脈波寬度調變信號CS判斷調光器110的導通條件。然後，判斷單元234會根據所偵測到的調光器110的導通條件與查找表調整脈波寬度調變器236所輸出的脈波寬度調變信號PWM。舉例來說，延遲角度愈大，其脈波寬度調變信號PWM的有效週期愈小。

接下來，配合波形圖說明第一工作電壓FV與脈波寬度調變信號CS的對應關係，請參照圖3與圖4，圖3繪示本發明一實施例之第一工作電壓FV與交流電源AC的對應波形圖。第一工作電壓FV是交流電源AC經過調光器232與整流單元120後所輸出的電壓信號。圖3中以調光器110的延遲角度為135度為例說明。如圖3所示，在交流電源AC的相位大於135度後，調光器11會導通使第一工作電壓FV與交流電源AC相同的波形，即信號波形310。在交流電源AC的下半週期中，第一工作電壓FV則對應產生信號波形320。

以區域312中的信號波形320為例，進一步說明脈波寬度調變信號CS與第一工作電壓FV的信號波形對應關係。請參照圖4，圖4繪示脈波寬度調變信號CS與第一工作電壓FV的信號波形。當調光器110尚未導通時，第一工作電壓FV處於低電位，因此比較器232所輸出的脈波寬度調變信號CS同樣會處於低電位(失能)，如信號波形410。當調光器110導通時，第一工作電壓FV的電位會隨交流電源AC而變(即信號波形310)，此時，比較器232比較三角波信號TS與第一工作電壓FV後所輸出的脈波寬度調變信號CS會產生對應的脈波，其脈波的有效週期會隨信號波形310的電位改變，如信號波型420。藉由脈波寬度調變信號CS的波形變化(即產生信號波形420的時間點)，判斷單元234可判斷出調光器110的導通時間，並藉此推算出其導通條件(延遲角度)，然後控制脈波寬度調變器236輸出對應的脈波寬度調變信號PWM至電壓轉換電路140。

由於處理單元130是先經由第一工作電壓FV的波形判斷出調光器110的延遲角度，然後再對應調整脈波寬度調變信號PWM的有效週期。因此，脈波寬度調變信號PWM的信號會相當穩定，不會因為第一工作電壓FV的波形變化而產生漂移或不穩定。也就是說，調整脈波寬度調變信號PWM的有效週期僅會隨調光器110的延遲角度而變。這樣的調整方式可使發光二極體單元150的亮度更為穩定，避免發生閃爍的現象。

此外，值得注意的是，上述處理單元130可利用特定應用積體電路(Application-Specific Integrated Circuit,ASIC)來實現。信號源210可外接或設置於特定應用積體電路中，本實施例並不受限。上述電壓轉換電路則例如為降壓電路(Buck circuit)。在本發明另一實施例中，上述信號源210也可以輸出一直流參考電壓，此時比較器232便會根據第一工作電壓FV的波形變化輸出高電位或低電位的信號。當比較器232的輸出由低電位轉換為高電位時即表示調光器110導通，如此也能偵測出調光器110的延遲角度。而且，藉由直流參考電壓的設定可將電壓過小的第一工作電壓FV濾除，避免發光二極體單元150因工作電壓不穩而發生閃爍的現象。

綜上所述，本發明利用處理單元來偵測調光器的延遲角度，然後再據此輸出穩定的脈波寬度調變信號以調整發光二極體的亮度。因此，發光二極體的亮度會相對穩定，不會因為調光器所輸出的電壓變化而產生閃爍的現象。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，故本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

100‧‧‧照明裝置

102‧‧‧驅動電路

110‧‧‧調光器

120‧‧‧整流單元

122‧‧‧隔離元件

125‧‧‧二極體

130‧‧‧處理單元

140‧‧‧電壓轉換電路

150‧‧‧發光二極體單元

210‧‧‧信號源

232‧‧‧比較器

234‧‧‧判斷單元

236‧‧‧脈波寬度調變器

310、320、410、420‧‧‧信號波形

312‧‧‧區域

FV‧‧‧第一工作電壓

SV‧‧‧第二工作電壓

DV‧‧‧驅動電壓

PWM‧‧‧脈波寬度調變信號

TS‧‧‧三角波信號

GND‧‧‧接地端

C1‧‧‧電容

AC‧‧‧交流電源

AC1‧‧‧交流電源

圖1繪示本發明一實施例之照明裝置之電路示意圖。

圖2繪示處理單元130之內部電路圖。

圖3繪示本發明一實施例之第一工作電壓FV與交流電源AC的對應波形圖。

圖4繪示脈波寬度調變信號CS與第一工作電壓FV的信號波形。

100．．．照明裝置

102．．．驅動電路

110．．．調光器

120．．．整流單元

122．．．隔離元件

125．．．二極體

130．．．處理單元

140．．．電壓轉換電路

150．．．發光二極體單元

FV．．．第一工作電壓

SV．．．第二工作電壓

DV．．．驅動電壓

PWM．．．脈波寬度調變信號

GND．．．接地端

C1．．．電容

AC．．．交流電源

AC1．．．交流電源

Claims

一種發光二極體的驅動電路，適用於接收經由一調光器調整後之一交流電源以驅動一發光二極體單元，該驅動電路包括：一整流電路，用以整流該交流電源以輸出一第一工作電壓；一隔離元件，耦接該整流電路，用以接收該第一工作電壓以輸出一第二工作電壓；一處理單元，耦接於該整流電路，該處理單元根據該第一工作電壓的電壓波形偵測該調光器的一導通條件並根據該導通條件輸出一脈波寬度調變信號；以及一電壓轉換電路，耦接於該隔離元件與該處理單元，根據該脈波寬度調變信號將該第二工作電壓轉換為一驅動電壓以驅動該發光二極體單元；其中該處理單元包括：一比較器，該比較器的正輸入端耦接該第一工作電壓，該比較器的負輸入端耦接一信號源；一判斷單元，耦接該比較器的輸出，並根據該比較器的輸出判斷該調光器的該導通條件；以及一脈波寬度調變器，耦接於該判斷單元，用以輸出該脈波寬度調變信號，該判斷單元根據該導通條件與一查找表調整該脈波寬度調變信號的有效週期；其中，該查找表具有該調光器的該導通條件與該脈波寬度調變信號的有效週期的對應關係。
如申請專利範圍第1項所述之發光二極體的驅動電路，其中該隔離元件為一二極體，該二極體的正極端耦接於該整流電路，該二極體的負極端耦接於該電壓轉換電路。
如申請專利範圍第1項所述之發光二極體的驅動電路，其中該隔離元件為一直流變壓器，該直流變壓器的一端耦接於該整流電路，該直流變壓器的另一端耦接於電壓轉換電路。
如申請專利範圍第1項所述之發光二極體的驅動電路，其中該信號源為一三角波信號源。
如申請專利範圍第1項所述之發光二極體的驅動電路，其中該信號源輸出一直流參考電壓。
如申請專利範圍第1項所述之發光二極體的驅動電路，其中該整流單元為一橋式整流器。
如申請專利範圍第1項所述之發光二極體的驅動電路，更包括：一電容，耦接於該隔離元件與該電壓轉換電路的共用接點與一接地端之間。
如申請專利範圍第1項所述之發光二極體的驅動電路，其中該處理單元為一特定應用積體電路(Application-Specific Integrated Circuit,ASIC)。
如申請專利範圍第1項所述之發光二極體的驅動電路，其中該調光器包括一三極交流開關(Tri-electrode AC switch,TRIAC)。
如申請專利範圍第1項所述之發光二極體的驅動電路，其中該電壓轉換電路為一降壓電路(Buck circuit)。
一種照明裝置，適用於接收經由一調光器調整後之一交流電源以進行照明，該照明裝置包括：一發光二極體單元；以及一驅動電路，耦接於該調光器與該發光二極體單元，該驅動電路包括一整流電路，用以整流該交流電源以輸出一第一工作電壓；一隔離元件，耦接該整流電路，用以接收該第一工作電壓以輸出一第二工作電壓；一處理單元，耦接於該整流電路，該處理單元根據該第一工作電壓的電壓波形偵測該調光器的一導通條件並根據該導通條件輸出一脈波寬度調變信號；以及一電壓轉換電路，耦接於該隔離元件與該處理單元，根據該脈波寬度調變信號將該第二工作電壓轉換為一驅動電壓以驅動該發光二極體單元；其中該處理單元包括：一比較器，該比較器的正輸入端耦接該第一工作電壓，該比較器的負輸入端耦接一信號源；一判斷單元，耦接該比較器的輸出，並根據該比較器的輸出判斷該調光器的該導通條件；以及一脈波寬度調變器，耦接於該判斷單元，用以輸出該脈波寬度調變信號，該判斷單元根據該導通條件與一查找表調整該脈波寬度調變信號的有效週期；其中，該查找表具有該調光器的該導通條件與該脈波寬度調變信號的有效週期的對應關係。
如申請專利範圍第11項所述之照明裝置，其中該隔離元件為一二極體，該二極體的正極端耦接於該整流電路，該二極體的負極端耦接於該電壓轉換電路。
如申請專利範圍第11項所述之照明裝置，其中該隔離元件為一直流變壓器，該直流變壓器的一端耦接於該整流電路，該直流變壓器的另一端耦接於電壓轉換電路。
如申請專利範圍第11項所述之照明裝置，其中該信號源為一三角波信號源。
如申請專利範圍第11項所述之照明裝置，其中該信號源輸出一直流參考電壓。
如申請專利範圍第11項所述之照明裝置，其中該整流單元為一橋式整流器。
如申請專利範圍第11項所述之照明裝置，更包括：一電容，耦接於該隔離元件與該電壓轉換電路的共用接點與一接地端之間。
如申請專利範圍第11項所述之照明裝置，其中該處理單元為一特定應用積體電路。
如申請專利範圍第11項所述之照明裝置，其中該調光器為一三極交流開關。
如申請專利範圍第11項所述之照明裝置，其中該電壓轉換電路為一降壓電路。