TWI434616B - 適用於發光二極體照明設備之調光電路與控制方法 - Google Patents

Description

適用於發光二極體照明設備之調光電路與控制方法

本發明係關於調光電路及控制方法，特別關於一種相位調光器使用之調光電路及控制方法。

相位調光器(TRIAC Dimmer)應用於家用傳統鎢絲燈泡由來已久，其可以藉由相位(phase)的調整來控制輸出功率(Power)的大小，因而達到調整燈泡本身的亮度輸出大小，相位調光器之三端雙向可控矽開關元件(Triode for Alternating Current，TRIAC)(以下皆用TRIAC簡稱)的工作特性是當其閘極(Gate)被激發(Triggered)，要讓此元件呈導通(conductive)的情況，則需要一導通電流來使TRIAC維持導通，此電流稱為栓鎖電流I_latch ，接著當TRIAC導通後便需要一保持電流I_hold 來使TRIAC持續導通；以上條件必須滿足，TRIAC才可工作於穩定的條件中。

基於相位調光器之TRIAC應用電路必須隨時使電流的大小維持在栓鎖電流I_latch 和保持電流I_hold 兩種條件電流，所以在做TRIAC系統設計時往往必須設計一種形式之負載系統來提供I_latch 和I_hold ，而已往的傳統鎢絲燈泡因為本身可視為一種線性負載，所以可以滿足I_latch 和I_hold 電流的產生，讓系統處於穩態工作情況。

然而，對於發光二極體(LED)照明設備來講，其LED負載的等效電路並非是線性負載，所以對相位調光器來說並不能直接的有效的提供I_latch 和I_hold 電流，必須藉由其他外部電路來達到I_latch 和I_hold 的產生。

一般來說，使用外部洩放(Bleeder)電路作為上述相位調光器負載的設計是最簡易的一種方式，但是設計外部洩放(Bleeder)電路往往會有下面至少一問題產生：

a.　電源的效率降低，功耗增加

b.　必須依照不同相位(TRIAC)調光器特性來調整I_latch 和I_hold 電流

c.　使用線性負載來提供I_latch 和I_hold 會造成系統熱溫升問題

d.　動態負載線路設計複雜，增加系統成本

另外，在不同相位(TRIAC)調光器之間，其啟始的導通角度也會因不同調光器之間的設計而有所不同，這差異是因為TRIAC調光器內部閘極(Gate)控制電路不同設計所致，此差異會在功率的輸出表現顯現出來，所以設計者在發光二極體(LED)的控制線路上會面臨諸如下面至少一問題：

a.　TRIAC本身正負半波導通角度不同

b.　不同TRIAC相位調光器的起始導通角度不同

c.　閘極控制電路不易線性化，造成LED控制線路不易同步穩態調光

d.　LED端的調光曲線，依照不同需求程式化困難度高

e.　避免因TRIAC調光器不穩定的工作，讓LED不正常閃爍

以上所列問題皆可能是在三端雙向可控矽開關元件(Triode for Alternating Current，TRIAC)調光電路時會面臨到的挑戰，當然本發明並不限於解決上述問題，且不限於解決三端雙向可控矽開關元件之問題，其他可以利用調整相位來達到調整功率輸出的開關元件，亦落於本發明之範疇。

本發明之目的之一係利用可程式之微處理器，以軟體的方式改變微處理器之運作方式，而可配合各種市面現有的洩放電路及/或相位偵測電路及/或LED電流控制電路來運作，達成調整LED元件亮度之功效。

本發明之目的之一係利用一已燒錄程式後之微處理器，配合市面現有的洩放電路及/或相位偵測電路及/或LED電流控制電路運作，達成調整LED元件亮度之功效。

本發明之目的之一係利用預設之微處理器，控制一預設之洩放電路及/或相位偵測電路及/或一預設之LED電流控制電路，達成調整LED元件亮度之功效。

本發明之目的之一係利用一調光電路，根據使用者之需求，調整LED元件之亮度。

本發明之目的之一係利用一頻率調變控制方法，控制一預設之洩放電路達成改善現有洩放電路效率不佳之方法。

本發明之目的之一係利用一同步偵測相位方法，配合洩放電路，控制一預設之相位偵測電路，取得調光器相位角之方法。

本發明之實施例提出有效的調光電路與控制方法。其中，調光電路可包含洩放(Bleeder)電路控制架構、TRIAC調光器之相位角(phase angle)偵測方法和相位角濾波器(phase angle filter)、調光曲線轉換模組(Dimming curve translator)、脈衝寬度調變(PWM)輸出電路架構等方法。

本發明實施例之調光電路與控制方法之工作方法，可以由微處理器產生驅動信號給洩放電路，然後經由相位角偵測電路取得相位角參數，且經由微處理器內部相位角濾波器和調光曲線轉換模組計算輸出參數，再經由PWM輸出模組輸出調變信號給LED電流控制電路。進而達成可以依據使用者之需求正確調整(改變)LED的亮度。

本發明之一實施例提供了一種調光電路，適用於發光二極體照明設備，包含有一洩放電路、一相位調光器、一相位偵測電路、一脈衝寬度調變輸出電路、以及一微控器。該洩放電路用以作為一虛負載。相位調光器係依據使用者之調整相位調光器之調整量，產生相對應該調整量大小之信號波形。相位偵測電路係偵測信號波形之相位角。脈衝寬度調變輸出電路，係用以產生一脈衝寬度信號，以驅動該發光二極體照明設備。而微控器係耦接相位偵測電路，當信號波形之相位角度不變時，維持洩放電路信號波形之開啟頻率，且該脈衝寬度信號之脈衝寬度保持不變，使該發光二極體照明設備之光線保持不變；當相位角改變時，增加或降低該洩放電路信號波形之開啟頻率，並產生一調整信號，且脈衝寬度調變輸出電路依據調整信號，產生相對應調整信號之脈衝寬度，以相對應地改變發光二極體照明設備之光線亮度。

本發明之一實施例提供了一種微控器，包含一相位角偵測單元、一相位角濾波器、一計時器、一洩放電路驅動單元、一調光曲線轉換模組、一脈衝寬度調變輸出電路、以及一控制邏輯。該相位角偵測單元係偵測一相位偵測電路提供之信號波形之相位角。而相位角濾波器係用以過濾相位角之雜訊。計時器係用以產生一與洩放電路和相位偵測電路同步之時脈。洩放電路驅動單元係用以依據一指令產生驅動訊號，以控制洩放電路信號波形之開啟頻率。調光曲線轉換模組係用以提供一調光曲線。脈衝寬度調變輸出電路係用以產生一脈衝寬度調變信號，以控制一發光二極體照明設備之光線亮度。而控制邏輯，係配合該計時器時脈來運作，接收相位角，依據相位角來決定如何產生控制洩放電路驅動單元之指令與如何控制脈衝寬度調變輸出電路產生脈衝寬度調變信號。

本發明之一實施例提供了一種控制洩放電路之頻率調變控制方法，包含有下列步驟：首先，提供一對時信號，依據相位偵測電路之相位角信號，以判斷提高或降低對時信號時間基準，並比較是否上溢，若上溢則觸發洩放電路；令該相位角與一轉換曲線相關，並加以計算，依據該計算結果產生相對應的脈衝寬度調變工作週期，以控制發光二極體照明設備LED之亮度；以及判斷目前相位角是否大於先前相位角，若大於，則降低對時信號時間基準；若小於則提高對時信號時間基準。

本發明之一實施例提供了一種微控器偵測相位角方法，包含有下列步驟：判斷相位角偵測之運作時脈是否與洩放電路之觸發信號同步，若同步則擷取該相位角；判斷目前相位角是否為新進來的相位角，若是，對該新進來的相位角進行濾波動作；判斷接收的相位角是否改變，若是，則依據改變之相位角之相關資訊進行相位角/光線轉換，並提供計算結果產生對應計算結果之脈衝寬度調變信號輸出，以控制一發光二極體照明設備之光線亮度。

以下係以三端雙向可控矽開關元件(Triode for Alternating Current，TRIAC)調光電路來說明本發明之實施例，須注意本發明並不限於三端雙向可控矽開關元件，本發明之技術亦適用於目前現有或未來發展出之其他可以調整電源相位的開關元件。熟悉本領域之技術者，根據本發明之技術適當的改變與調整所獲得的技術，均應落入本發明技術保護之範疇。

第1圖顯示本發明一實施例之調光電路1之示意圖。調光電路1適用於發光二極體照明設備LED。調光電路1包含有一相位調光器10、一整流電路11、一洩放電路(Bleeder)12、一相位偵測電路13、一微控器(Micro controller)14、一定電流電路(constant current circuit)15。其中，該定電流電路15可依據設計者之設計選擇性地設置或省略。

相位調光器10依據使用者之調整量，產生相對應該調整量大小之交流信號波形wa；整流電路11，用以對該交流信號波形整流，以產生一直流信號波形wd。

洩放電路12，耦接整流電路11，用以作為一虛(dummy)負載；相位偵測電路13，耦接洩放電路12，接收直流信號波形wd且偵測直流信號波形wd之相位角ag，並輸出相位角ag；微控器14，耦接相位偵測電路13，接收直流信號波形wd與相位角ag，依據該相位角ag之變化決定如何產生一脈衝寬度調變(Pulse Width Modulation，PWM)輸出信號PWM(以下簡稱PWM輸出信號)。微控器14產生一控制信號c1導通(turn on)洩放電路12使其產生負載消耗，讓調光器可以穩定輸出交流信號波形wa，當微控器14取得相位角ag後會產生一控制信號c1斷路(turn off)洩放電路12，消除洩放電路，當直流信號波形wd之相位角ag之角度不變時，使PWM輸出信號PWM之脈衝寬度保持不變。之後，輸出PWM輸出信號PWM至定電流電路15，產生固定大小之電流以讓發光二極體照明設備LED之光線保持不變。

當該相位角ag之改變時，微控器14藉由產生控制信號c1導通(turn on)洩放電路12使其產生負載消耗，讓調光器可以穩定輸出交流信號波形wa，當微控器14取得相位角ag後會產生一控制信號c1斷路(turn off)洩放電路12，消除洩放電路，微控器14接收直流信號波形wd之相位角ag之角度變化，來調整PWM輸出信號PWM之脈衝寬度，使該脈衝寬度對應該相位角ag之變化量。之後定電流電路15接收該調整後之PWM信號，相對應的調整其輸出電流大小，以改變發光二極體照明設備LED之光線。須注意，光線改變後，若相位角ag保持不變，則定電流電路15的電流亦會固定，使光線的亮度固定至此次改變的亮度。

第2圖顯示本發明一實施例之微控器14之示意圖。微控器14適用於發光二極體照明設備LED。如第2圖所示，微控制器包含有洩放(Bleeder circuit)電路驅動單元14a、相位角偵測單元(phase angle detect unit)14b、相位角濾波器(phase angle filter)14c、計時器14d、控制邏輯14e、調光曲線轉換模組(Dimming curve translator)14f、PWM輸出電路14g。

於運作時，微控器14之控制邏輯14e配合計時器14d之時脈來運作。而計時器之時脈一實施例可設為與驅動單元14a和相位角偵測單元14b同步。而相位角偵測單元14b接收相位輸入之信號，並配合相位角濾波器14c過濾雜訊而取得相位角ag。接著控制邏輯14e接收該相位角ag，依據該相位角ag來決定如何控制驅動單元14a與如何產生PWM輸信號。

一實施例，請參考第1、2圖，驅動單元14a係可依據相位角偵測單元14b所偵測到的目前相位角(phase angel)開啟角度，來提供資訊給控制邏輯14e如何控制驅動單元14a而決定洩放(Bleeder circuit)電路12的動作頻率。

請參考第2、3圖，說明微控器14控制洩放電路12之動作方式之實施例。第3圖顯示微控器14控制洩放電路12之頻率調變控制技術的動作說明圖。

步驟S302：電源開啟初始時間。

步驟S304：控制邏輯14e接收計時器14d提供之對時信號(Tick timer)，當計時器14d產生溢位(overflow)中斷信號時便跳至步驟S306；若否則重新判斷計時器之對時信號是否上溢。

步驟S306：微控器14觸發洩放電路12同時跳至步驟S316與步驟S308。

步驟S308：微控器14之相位角偵測單元14b取得相位角ag且傳送至相位角濾波器14c，並同時跳至步驟S310與S318。

步驟S310：微控器14判斷目前相位角ag是否大於先前相位角，若是，跳至步驟S312，若否跳至步驟S314。

步驟S312：微控器14降低計時器14d之對時信號時間基準(Tick timer base)。

步驟S314：微控器14提高計時器14d之對時信號時間基準。

步驟S316：微控器14控制驅動單元14a驅動外部洩放電路12。須注意，一實施例，依據設計者需求，洩放電路12亦可設置在微控器14中。

步驟S318：微控器14令相位角ag與調光曲線轉換模組14f提供之轉換曲線相關，並加以計算，已將計算結果輸出至PWM輸出電路14g。一實施例，微控器14可將相位角ag...等相關信號狀態資訊提供給調光曲線轉換模組14f，並由調光曲線轉換模組14f依據其調光曲線(Diming curve)轉換該相位角ag，以產生計算結果提供至PWM輸出電路14g。須注意，調光曲線可依據設計者需求而設定，其可為目前現有或未來發展出之各種調光曲線。

步驟S320：PWM輸出電路14g依據計算結果，產生PWM工作週期(duty cycle)。

步驟S322：PWM輸出電路14g產生PWM輸出信號PWM，以控制發光二極體照明設備LED之亮度。

當微控器14驅動單元14a控制洩放電路12，相位角ag開啟角度越小時，會讓洩放電路12之動作頻率越高；反之開啟角度越大時，洩放電路12之動作頻率越小。

須注意者，驅動洩放電路S316步驟之一實施例中，在洩放電路12信號波形開啟的角度為小時，經由相位調光器10所輸入的功(Power)為小，所以不會造成太大功耗，同時因為開啟角度小的關係，洩放電路12的動作頻率高，會讓調光電路1系統處於相對穩定的操作情況，如此也可以提升調光電路1系統的反應速度；反之，當開啟角度越大時，洩放電路12動作頻率則越低，因為此時由相位調光器10所輸入的功(Power)足夠大，電源系統已可以工作在穩定區，並且不會造成太大功耗在洩放電路上。依此方式，微控器藉由不同相位角開啟角度來決定洩放電路12的動作頻率，可以有效的讓相位調光器10適時工作，並因為洩放電路12的負載為一虛(dummy)負載，可適當調整負載大小，即可解決一般線性負載的功耗問題。請參考第2、4圖，相位角偵測電路(phase angle detect circuit) 14b和相位角濾波器(phase angle filter)14c此架構係搭配洩放(Bleeder circuit)電路而所設計

請參考第2、4圖，說明微控器14處理相位角之動作方式之實施例。第4圖顯示微控器14之偵測機機制。

步驟S402：相位角偵測單元14b準備好撷取相位。

步驟S404：控制邏輯14e判斷相位角偵測單元14b是否與洩放電路之觸發信號同步，若是，跳至步驟S406；若否回到步驟S404。

步驟S406：相位偵測單元14b取得相位角ag。

步驟S408：控制邏輯14e判斷目前相位角ag是否為新進來的相位角，若是，跳至步驟S410；若否，跳至步驟S404。

步驟S410：相位角濾波器14c對新進來的相位角進行濾波動作後傳送至控制邏輯14e。

步驟S412：控制邏輯14e判斷其所接收的相位角是否改變，若是，跳至步驟S414；若否，跳至步驟S404。

步驟S414：控制邏輯14e將相位角之相關資訊傳送至調光曲線轉換器14f，進行相位角/光線轉換，並提供計算結果(即調整信號)至PWM輸出電路14g。一實施例，控制邏輯14e係將新進相位角之角度提供給調光曲線轉換器14f轉換；另一實施例，控制邏輯14e係將相位角之改變量提供給調光曲線轉換器14f轉換。

步驟S416：PWM輸出電路14g依據轉換之計算結果，產生對應該計算結果之PWM輸出信號輸出。

須注意，因為洩放電路12採用頻率調變控制，所以前端相位調光器並非一直工作於穩態狀況，若是實時(real-time)的偵測相位角會讓系統得到過多的錯誤相位角數據，所以設計此相位角偵測單元14b可以配合洩放電路12來作同步的偵測動作。當洩放(Bleeder circuit)電路動作時，微控器14才去開啟相位角偵測單元14b，如此可以有效的降低錯誤機率。

另外，相位角濾波器14c所扮演的角色，則是濾除因外部雜訊、相位調光器不穩定、操作溫度和電源干擾等等問題所造成的相位角錯誤值。

而調光曲線轉換模組(Dimming curve translator)14f的設計，可以解決因不同相位調光器10的輸出調光曲線不線性、曲線變化陡峭、不符合人眼舒適度等等所架構，此模組採用數學模組設計，所以可經由數學程式化的權值計算方式、等比例計算或查表法來實現不同的調光區線需求，可以克服硬體電路不易實現諸多調光曲線變化的需求，讓設計者容易的設計出所要調光曲線。

PWM輸出電路14g用以產生一脈衝寬度信號，以驅動該發光二極體照明設備。而PWM輸出電路14g之運作係依據調整信號，產生相對應該調整信號之脈衝寬度，以相對應地改變該發光二極體照明設備之光線亮度。PWM輸出電路14g架構可以精確的做LED功率輸出控制，讓後端定電流(Constant current circuit)電路15可以依附相位調光器10所開啟的相位角度作適當調光，其動作是經由相位角偵測單元14b，取得相位角數值後再經由相位角濾波器14c取得正確的調光數值。然後依照設計者所需要的調光曲線(Dimming curve)來計算PWM的輸出工作週期(duty cycle)。

本發明之實施例可用來改善習知技術所面臨到的難題；本實施例設計方向和創新特點至少如下：

a.　使用線性負載簡化線路設計降低系統成本。

b.　改善傳統線性負載低效率高功耗缺點。

c.　採用之微控器14為微處理器架構設計，其可以程式化系統參數、頻率調變控制、同步取樣、數位濾波器架構、調光曲線轉換、PWM調變輸出等技術，以上優勢可以讓系統相容於不同特性之TRIAC調光器。

d.　洩放電路12的工作方式一實施例中可採用頻率調變控制技術(Frequency modulation)，以降低功耗。

e.　相位調光器10之相位角(phase angle)偵測時，相位偵測電路13係採用同步於洩放電路12之取樣技術。

f.　設置相位角濾波器(phase angle filter)，以本濾波器去除雜訊可有效取得相位調光器之相位角wd來作為調光參數。

g.　調光曲線轉換模組(Dimming curve translator)可以將取得的相位角wd之角度，依比例搭配PWM信號之輸出，來實現不同調光比例值。

h.　PWM輸出電路(PWM circuit)設計，可有效率且輕易地調整發光二極體照明設備LED的亮度。

以上雖以實施例說明本發明，但並不因此限定本發明之範圍，若該行業者進行各種變形或變更，只要不脫離本發明之要旨，亦不脫離本發明之申請專利範圍。

1．．．調光電路

10．．．調光器

11．．．整流電路

12．．．洩放電路

13．．．相位偵測電路

14．．．微控器

15．．．定電流電路

LED．．．發光二極體照明設備

14a．．．驅動單元

14b．．．相位角偵測單元

14c．．．相位角濾波器

14e．．．控制邏輯

14f．．．調光曲線轉換模組

14g．．．PWM輸出電路

圖1係根據本發明一實施例之一調光電路之示意圖。

圖2係根據本發明一實施例之一調光電路之內部控制之功能方塊圖。

圖3係根據本發明一實施例之一調光控制方法之流程圖。

圖4係根據本發明另一實施例之一調光控制方法之流程圖。

1．．．調光電路

10．．．調光器

11．．．整流電路

12．．．洩放電路

13．．．相位偵測電路

14．．．微控器

15．．．定電流電路

LED．．．發光二極體照明設備

Claims (10)

1. 一種調光電路，適用於發光二極體照明設備，包含有：一洩放電路，用以作為一虛負載；一相位調光器，依據使用者之調整相位調光器之調整量，產生相對應該調整量大小之信號波形；一相位偵測電路，偵測該信號波形之相位角；一脈衝寬度調變輸出電路，用以產生一脈衝寬度信號，以驅動該發光二極體照明設備；以及一微控器，耦接該相位偵測電路，當該信號波形之相位角度不變時，維持該洩放電路信號波形之開啟頻率，且該脈衝寬度信號之脈衝寬度保持不變，使該發光二極體照明設備之光線保持不變；當該相位角改變時，增加或降低該洩放電路信號波形之開啟頻率，並產生一調整信號，且該脈衝寬度調變輸出電路依據該調整信號，產生相對應該調整信號之脈衝寬度，以相對應地改變該發光二極體照明設備之光線亮度。
2. 如申請專利範圍第1項所述之調光電路，其中該微控器包含：一相位角濾波器，用以過濾該相位角之雜訊，產生一濾波後信號；以及一調光曲線轉換模組，接收該相位角之相關資訊，依據一調光曲線轉換該相位角之相關資訊，以產生相對應該相位角相關資訊之該脈衝寬度。
3. 如申請專利範圍第1項所述之調光電路，其中該微控器包含：一相位角偵測單元，偵測該信號波形之相位角；一相位角濾波器，用以過濾該相位角之雜訊；一計時器，用以產生一與該洩放電路驅動單元和相位角偵測單元同步之時脈；一洩放電路驅動單元，用以依據一指令產生驅動訊號，以控制該洩放電路信號波形之開啟頻率；一調光曲線轉換模組，用以提供一調光曲線；一脈衝寬度調變輸出電路，用以產生一脈衝寬度調變信號，以控制該發光二極體照明設備之光線亮度；以及一控制邏輯，係配合該計時器時脈來運作，接收該相位角，依據該相位角來決定如何產生控制該洩放電路驅動單元之指令與如何控制該脈衝寬度調變輸出電路產生該脈衝寬度調變信號。
4. 如申請專利範圍第1項所述之調光電路，其中該相位調光器為一三端雙向可控矽開關元件。
5. 如申請專利範圍第1項所述之調光電路，其中該微控器為可程式化之裝置，其運作與控制方式係以軟體、韌體或硬體之方式修改。
6. 如申請專利範圍第1項所述之調光電路，其中該洩放電路與該相位角偵測電路係互為同步。
7. 一種微控器，包含：一相位角偵測單元，偵測一相位偵測電路提供之信號波形之相位角；一相位角濾波器，用以過濾該相位角之雜訊；一計時器，用以產生一與該洩放電路和相位偵測電路同步之時脈；一洩放電路驅動單元，用以依據一指令產生驅動訊號，以控制該洩放電路信號波形之開啟頻率；一調光曲線轉換模組，用以提供一調光曲線；一脈衝寬度調變輸出電路，用以產生一脈衝寬度調變信號，以控制一發光二極體照明設備之光線亮度；以及一控制邏輯，係配合該計時器時脈來運作，接收該相位角，依據該相位角來決定如何產生控制該洩放電路驅動單元之指令與如何控制該脈衝寬度調變輸出電路產生該脈衝寬度調變信號。
8. 一種控制洩放電路之頻率調變控制方法，包含：提供一對時信號，依據相位偵測電路之相位角信號，以判斷該提高或降低對時信號時間基準，並比較是否上溢，若上溢則觸發該洩放電路；令該相位角與一轉換曲線相關，並加以計算，依據該計算結果產生相對應的脈衝寬度調變工作週期，以控制發光二極體照明設備LED之亮度；以及判斷目前相位角是否大於先前相位角，若大於，則降低該對時信號時間基準；若小於則提高該對時信號時間基準。
9. 一種微控器偵測相位角方法，包含：判斷相位角偵測之運作時脈是否與洩放電路之觸發信號同步，若同步則擷取該相位角判斷目前相位角是否為新進來的相位角，若是，對該新進來的相位角進行濾波動作；判斷接收的相位角是否改變，若是，則依據該改變之相位角之相關資訊進行相位角/光線轉換，並提供計算結果產生對應該計算結果之脈衝寬度調變信號輸出，以控制一發光二極體照明設備之光線亮度。
10. 如申請專利範圍第9項之微控器偵測相位角方法，其中該改變之相位角相關資訊係為該新進相位角之角度、或該相位角之改變量。