TWI437923B - Light emitting diode drive device with feedback dimming function - Google Patents

Description

具有回授調光功能的發光二極體驅動裝置

本發明是有關於一種發光二極體驅動裝置，特別是指一種具有不易受干擾之回授調光功能的發光二極體驅動裝置。

近來由於發光二極體(以下簡稱LED)的快速發展，其具有的優勢為：無汞，符合環保要求；體積小，耐震耐壓，符合未來產品輕、薄、短、小的要求；反應快速；因此，不可或缺的是穩定的LED驅動電路架構。已知LED的幾種調光驅動電路介紹如下。

參閱圖1，一種調光電路91是在LED燈串的陽極端連接電源及陰極端連接電阻Rs，雖然具有架構簡單、成本低廉的優點，但因為其穩流能力較差，容易造成LED燈串的LED元件的亮度改變，無法達到穩定調節光輸出量的功能，當電流I_f 改變，亦會造成LED元件的主波長漂移而使LED元件的色溫改變。

參閱圖2，另一種感測調光電路92是具有偵測LED燈串的電流I_f 的功能，並以控制器進行回授控制，最大的優點在於可以能避免LED燈串的LED元件的順向電壓改變而造成電流I_f 的變動，但其缺點是只能控制單一LED燈串之調光，無法應用在多組並聯LED燈串上。

參閱圖3，一種線性電流源調整之驅動電路93是由一運算放大器931、一MOSFET元件932及一限流用的電阻R_S 組成，藉著運算放大器931虛短路的特性，電阻R_S 上之 跨壓等於調光信號，因此可以利用此調光信號來改變電阻R_S 上之電流大小；雖然此驅動電路93可提供多組並聯的LED燈串較佳的穩流能力，但因多組並聯的LED燈串的輸出電壓V_O 都須設定在能讓MOSFET元件932工作在正常情況下以確保各LED燈串的電流穩定，但卻會造成MOSFET元件932的損失大為增加，也將使得整體電路效率降低。

參閱圖4，一種具有感測與調節功能之驅動電路94可使得N組線性電流源調整器941能維持工作在最低的跨壓情況下運作，其原理係利用二極體942並聯而取最大跨壓導通之特性，自動偵測N組線性電流源調整器941中的最低跨壓V_MIN ，但此連接方式會讓回授電壓經過二極體942，如此會先有二極體942壓降V_F 的誤差產生，且在回授電壓值較低的情況下時影響更為顯著，進而造成回授電壓被干擾而使調節的精確度受到影響。

因此，本發明之目的，即在提供一種回授電壓不易被干擾的具有回授調光功能的發光二極體驅動裝置。

於是，本發明具有回授調光功能的發光二極體驅動裝置電性連接數個發光二極體燈串，各該發光二極體燈串具有一輸入端及一輸出端。該發光二極體驅動裝置包括一主功率級電路、數個調光電路、一最大誤差選擇器、一類比數位轉換器及一控制模組。

該主功率級電路具有一受控制訊號調控導通或截止的開關元件、一驅動電路與一儲能器，該驅動電路係控制該開 關元件的導通與否，當該開關元件導通時，輸入電壓供應該儲能器並儲存能量，當該開關元件截止時，儲存在該儲能器的能量可持續提供一輸出電壓加載於該等發光二極體燈串的輸入端；該等調光電路的數量與發光二極體燈串的數量相符，各該調光電路連接於該等發光二極體燈串的輸出端後接地。

該最大誤差選擇器電性連接各該發光二極體燈串的輸出端及各該調光電路之間，自各該調光電路之間取得該等調光電路的回授電壓，具有數量與發光二極體燈串的數量相符的差動放大器及分別與各該差動放大器的輸出以陽極串接的數個二極體，該等二極體的陰極並電性連接於一誤差輸出端以輸出一最大誤差訊號；該類比數位轉換器電性連接該誤差輸出端以將該誤差訊號轉換為一最大誤差資料；該控制模組電性連接於類比數位轉換器及該等調光電路，接收該最大誤差資料經計算後以產生該主功率級電路之開關元件所需的控制訊號，藉此以調控輸出電壓進而影響調光電路的跨壓。

較佳的，該主功率級電路是一KY轉換器，該控制模組電性連接並供給該KY轉換器所需的脈波控制訊號，令該KY轉換器輸出該等發光二極體燈串所需的輸出電壓。

較佳的，該控制模組具有一接收該誤差資料的SPI介面、一電性連接該SPI介面並取得該最大誤差資料計算以產生該調光訊號的主控制器、一比例-積分控制器，及一受該比例-積分控制器控制以產生該KY轉換器所需的脈波控制 訊號的延遲脈波產生器。

較佳的，各該調光電路包括一巴特沃斯濾波器、一運算放大器及一線性電流調整器；各該巴特沃斯濾波器將該脈波調光訊號過濾為直流訊號，再送入各該運算放大器以分別控制各該線性電流調整器。

本發明之功效在於：最大誤差選擇器電性連接各發光二極體燈串的輸出端及各調光電路之間，取得該調光電路之間的回授電壓，具有數量與發光二極體燈串的數量相符的差動放大器及分別與各該差動放大器的輸出以陽極串接的數個二極體，該等二極體的陰極並輸出誤差訊號；控制模組利用誤差資料經計算後產生提供該主功率級開關之控制力，以調控各該調光電路的跨壓，因為採用最大誤差訊號不易被干擾，能達到穩定控制之目的。

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較佳實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。

參閱圖5，本發明具有回授調光功能的發光二極體驅動裝置100的較佳實施例是配合電性連接數個LED燈串6，各LED燈串6具有一輸入端61及一輸出端62。

發光二極體驅動裝置100包括一最大誤差選擇器1、一主功率級電路2、一類比數位轉換器3、一控制模組4及數個調光電路5；該等調光電路5的數量與LED燈串6的數量相符，皆為N個，各調光電路5連接於該等LED燈串6 的輸出端62後接地。

主功率級電路2電連接於一供給一輸入電壓V_i 的電源及該等LED燈串6之間，其具有一受控制訊號調控導通(ON)或截止(OFF)的開關元件S₁ 、S₂ 、一驅動電路(閘極驅動器)與一儲能器(電感L)，閘極驅動器係控制開關元件S₁ 、S₂ 的導通與否，當該開關元件S₁ 、S₂ 導通時，輸入電壓V_i 供應電感L並儲存能量，當該開關元件S₁ 、S₂ 截止時，儲存在電感L的能量可持續提供一輸出電壓V_O 加載於該等LED燈串6的輸入端61；本較佳實施例中，電路主功率級2是一KY轉換器，關於KY轉換器的技術原理可一併參考2009年胡國英(K.I.Hwu)及姚宇桐(Y.T.Yau)在IEEE PE期刊第128-137頁發表的“KY converter and its derivatives”，KY轉換器包含一順向導通元件D、一電感L、一第一開關元件S₁ 、一第二開關元件S₂ 、一電容C_b 及一濾波電容C_o ；其中，第一開關元件S₁ 及第二開關元件S₂ 分別接受脈波控制訊號M₁ 、M₂ 驅動；當第一開關元件S₁ 導通且第二開關元件S₂ 截止時，順向導通元件D截止，而對電感L充電，使流經電感L的電流逐漸上升；當第二開關元件S₂ 導通且第一開關元件S₁ 截止時，順向導通元件D被導通，使電流由該電源流經該順向導通元件D後，該電感L的電流逐漸下降。

控制模組4電性連接並供給該KY轉換器所需的脈波控制訊號M₁ 、M₂ ，令KY轉換器輸出該等LED燈串所需的輸出電壓V_O 。KY轉換器的功能是提供LED燈串6穩定的輸出電壓V_O ，其電路適合應用在低功率場合且電路操作在連 續導通模式(Continuous Conduction Mode,CCM)時效率皆能穩定維持在90%以上，而KY轉換器之輸出電流為非眽動形式，因此不僅可減低輸出電容上的電流漣波應力與延長電容的壽命，亦可減少輸出之漣波電壓。

參閱圖6，最大誤差選擇器1電性連接各LED燈串6的輸出端62及各調光電路5之間，自各LED燈串6的輸出端62取得該等調光電路5的回授電壓V_D1 ~V_DN 。最大誤差選擇器1具有數量與LED燈串6的數量相符的差動放大器11及分別與各差動放大器11的輸出以陽極串接的數個二極體12，該等二極體12的陰極並電性連接於一誤差輸出端131以輸出一最大誤差訊號er_max 。

再參閱圖5，類比數位轉換器3電性連接誤差輸出端131以將最大誤差訊號er_max 轉換為一最大誤差資料；控制模組4電性連接於類比數位轉換器3及該等調光電路1，接收該最大誤差資料經計算後產生一延遲脈寬調節(Delayed Pulse Width Modulation；簡稱DPWM)的脈波控制訊號，配合主功率級電路2以調控於各調光電路5的跨壓。

本實施例中，控制模組4是一型號為EP1C3T100C8N的可程式邏輯閘陣列開發板(簡稱FPGA Development Board)，具有一接收該誤差資料的SPI介面(Serial Peripheral Interface；串列匯流排介面)40、一電性連接該SPI介面40並取得該最大誤差資料計算以產生該調光訊號的主控制器411、一比例-積分控制器42，及一受該比例-積分控制器42控制以產生主功率級電路2(KY轉換器)所需的脈波 控制訊號DPWM(延遲脈波)產生器44。

最大誤差選擇器1的最大誤差值經過類比數位轉換器3把類比資料轉成數位資料經由SPI介面40傳至主控制器411，主控制器411控制DPWM產生器44的脈波控制訊號，配合數位脈寬調節器41可將各LED燈串6之跨壓以程式控制輸出之調光訊號(Dimming Command)加以補償，達到最佳化控制。

參閱圖7，各調光電路5包括一主動低通濾波器51、一運算放大器52及一線性電流調整器53；主動低通濾波器51於本實施例是一巴特沃斯(Butterworth)濾波器，將脈波調光訊號過濾為直流訊號，再送入各運算放大器52以分別控制各線性電流調整器53，線性電流調整器53是由一MOSFET元件及一限流電阻所組成，藉著運算放大器52虛短路的特性，所以限流電阻上之跨壓就會等於調光訊號，因此可利用此特性來改變電流大小，因本發明所提之調光電路5是為了讓各自LED燈串皆能獨立調光，所以在控制策略上使用各自獨立之調光電路5及調光訊號。

本較佳實施例為控制線性電流調整器53之跨壓，故可以改善LED燈串6因調光流過的電流大小不同而造成的LED燈串6跨壓變動所導致的線性電流調整器53過大的損耗的問題；其原理為，最大誤差選擇器1自每個線性電流調整器53取得的回授電壓V_D1 ~V_DN 先經過如圖6的差動放大器11與參考電壓V_ref 做相減，之後再經由該等二極體12組成的比較電路120，經比較電路120後可令後端的類比數 位轉換器3讀到的是最大誤差訊號er_max ，如圖5的主功率級電路2對於類比數位轉換器3傳來的誤差資料運算後(在此，主控制器411經由SPI介面40讀取最大差訊號er_max 後，會與內部設定好的一個參考電壓值V_ref 做相減而得到一適合線性電流調整器53之最小電壓值er_min ，其對應之數學運算為er_min =V’_ref -(V_ref -(V_D1 ~V_DN )))，進而改變主功率級電路2(KY轉換器)之輸出電壓V_O ，如此不僅可達到降低線性電流調整器53上之跨壓，還可以使每個線性電流調整器53工作在正常的範圍。

本較佳實施例的發光二極體驅動裝置100是設計為35W之照明驅動電路：相關參數為(1)輸入電壓為15伏特；(2)切換頻率為100kHz；(3)LED燈串6是採用先5顆串聯後再並聯5列，每一LED燈串6皆為可調光，調光範圍為10%至100%之電流工作範圍，因此各LED燈串6調光之工作電流設定為0.035安培~0.35安培，故輸出之電流範圍為0.175安培~1.75安培；(4)因調光會使得LED順向導通壓降的變動，故最高輸出電壓設為20伏特。

在主功率級電路2的KY轉換器，其所需的相關參數為電感值L及輸出電容值，分別介紹如下。

在設計電感值L時，依規格可以得知責任週期(Duty)為33.33%，且系統頻率fs為100kHz，代入公式1如下。

再根據輸出電流漣波△i 為系統滿載輸出電流的20%， 將公式1及相關參數代入公式2如下。

在此考量電感器會隨著溫度及負載的上升而下降，因此本發明選用1.2倍的計算值即電感器的電感值L為115μH。

在設計輸出電容Co時，係由系統滿載來設計，假設若輸出電壓漣波△v _o 小於等於2%的輸出電壓Vo，即小於等於400mV，輸出電壓漣波△v _o 與輸出電容Co之等效串聯電阻(ESR)有關，其關係可表示如公式3。

其中輸入電流最大值I _{in ,max} 由公式4可知。

由Abraham I.Pressman著作文獻”Switching power supply design”可知，電解電容之經驗公式為公式5。

C _O ×ESR =65μ 公式5

為了使輸出電壓漣波△v _o 小於等於2%的輸出電壓Vo，因此選用等效串聯電阻為171.67mΩ之電解電容為輸出電容，則由公式5所對應之輸出電容Co為378.6μ F，故輸出電容Co選用470μ F之電解電容。

至於線性電流源調整器53之設計，先由數位脈寬調節器41輸出400Hz之脈寬控制訊號，經過40dB衰減之低通 巴特沃斯主動濾波器將此脈寬控制訊號濾成直流準位，其中的第一電容C₁ 、第二電容C₂ 的容值分別為0.01μ F、0.02μ F，電阻R_B1 與電阻R_B2 的阻值分別為280kΩ與560kΩ。

由於脈寬控制訊號之振幅為3.3伏特，且電阻R_S 為1Ω，故調光訊號的振幅大小必須為0伏特~0.35伏特，故必須搭配一增益器將電壓值範圍縮小，如此將可亦使調光靈敏度降低，以便利於調光。

在回授控制電路之設計方面，由於類比數位轉換器3之輸入電壓範圍為0伏特~5.2伏特，故若直接拉回授電壓v_D 的話，可能會因為電壓過大而造成類比數位轉換器3的損壞，故在電路設計之前，需依據傳統調光電路記錄之數據，如表1所示，找到一個適合的參考電壓V_ref ，而v_D 與V_ref 經過相減之後的電壓再傳送至類比數位轉換器3，之後再經由主控制器411以程式執行電壓補償，可提高其輸出電壓之準確度。

參閱表1，傳統回授下，不同負載v_D 之電壓大小，電路V_ref 設計為6.5伏特，選取最大v_D 值5.99伏特且最小v_D 值2.78伏特，在V_ref 與所選取之v_D 相減過後之電壓變動範圍為0.51伏特~3.67伏特，選擇此V_ref 數值還可保留約1.5伏特緩衝空間，以避免類比數位轉換器3損壞。

在差動放大器11的設計上，電路需求為回授電壓v_D 與V_ref 相減過後產生誤差值er，故在電阻的選配上採用R _{D 1} =R _{D 2} =R _{D 3} =R _{D 4} =10kΩ。

以下提出實驗結果，比較傳統調光電路與本發明具有回授調光功能的發光二極體驅動裝置100的相關波形，藉此驗證本發明的效能。

參閱圖8至圖10，分別為傳統調光電路在負載為10%、50%與100%的回授方式之電壓v_gs 、電流i_L 、電壓v_o 及電流i_o 的波形。

參閱圖11至圖13分別為如圖5的發光二極體驅動裝置100在負載為10%、50%與100%所提之回授方式電壓v_gs 、電流i_L 、電壓v_o 及電流i_o 的波形。

如表2為傳統調光電路與本發明的新式發光二極體驅動裝置100的MOSFET上的跨壓，表1則是記錄從輕載到滿載下的MOSFET的跨壓，由此可知，負載越輕，則如本發明發光二極體驅動裝置100的MOSFET上的跨壓越低，而載越重則越不明顯，這是因為所有的設計皆是從滿載下做設計而得的。

比較圖8至圖10與圖11至圖13，可看出在同樣的負載下，本發明發光二極體驅動裝置100相較於傳統調光電路，其主功率開關的開啟週期可以開的比較小，故其輸出電壓v_o 會降低，進而達到降低線性電流源調整器53上的跨壓，進而能提高整體系統之效率。

參閱圖14，由圖中可以更明確的得知，比較傳統調光電路與本發明發光二極體驅動裝置100的效率，本發明發光二極體驅動裝置100與傳統調光電路相比其效率可改善的幅度，亦可驗證本發明發光二極體驅動裝置100具有更佳效率。

綜上所述，本發明具有回授調光功能的發光二極體驅動裝置100因為採用最大誤差訊號不易被干擾，使輸出電壓不易隨負載而變動而有良好的穩定性，也可以提升轉換效率；從實驗結果可以發現，本發明具有回授調光功能的發光二極體驅動裝置100的整體效率皆有所提高，並維持在85%之變動範圍，除了整體效率提高之外，尤其是工作在輕載時，最大改善效率可達到8%，故確實能達成本發明之目的。

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。

〔習知〕

91‧‧‧調光電路

92‧‧‧感測調光電路

93‧‧‧驅動電路

94‧‧‧驅動電路

〔本創作〕

100‧‧‧發光二極體驅動 裝置

1‧‧‧最大誤差選擇器

11‧‧‧差動放大器

12‧‧‧二極體

120‧‧‧比較電路

131‧‧‧誤差輸出端

2‧‧‧主功率級電路

3‧‧‧類比數位轉換器

4‧‧‧控制模組

40‧‧‧SPI介面

41‧‧‧數位脈寬調節器

411‧‧‧主控制器

42‧‧‧比例-積分控制器

44‧‧‧DPWM產生器

5‧‧‧調光電路

51‧‧‧主動低通濾波器

52‧‧‧運算放大器

53‧‧‧線性電流調整器

6‧‧‧LED燈串

61‧‧‧輸入端

62‧‧‧輸出端

圖1是一電路圖，說明現有的一種調光電路；圖2是一電路圖，說明現有的一種感測調光電路；圖3是一電路圖，說明現有的一種線性電流源調整之驅動電路；圖4是一電路圖，說明現有的一種具有感測與調節功能之驅動電路；圖5是一電路方塊圖，說明本發明具有回授調光功能的LED驅動裝置的較佳實施例；圖6是一電路方塊圖，說明圖5的最大誤差選擇器具有的元件組成；圖7是一電路圖，說明圖5的調光電路的元件組成；圖8至圖10是一波形圖，分別說明傳統調光電路在負 載為10%、50%與100%的回授方式之電壓v_gs 、電流i_L 、電壓v_o 及電流i_o 的波形；圖11至圖13是一波形圖，分別說明本發明LED驅動裝置在負載為10%、50%與100%所提之回授方式電壓v_gs 、電流i_L 、電壓v_o 及電流i_o 的波形；及圖14是一曲線圖，說明比較傳統調光電路與本發明LED驅動裝置的效率。

100‧‧‧發光二極體驅動裝置

1‧‧‧最大誤差選擇器

131‧‧‧誤差輸出端

2‧‧‧主功率級電路

3‧‧‧類比數位轉換器

4‧‧‧控制模組

40‧‧‧SPI介面

41‧‧‧數位脈寬調節器

411‧‧‧主控制器

42‧‧‧比例-積分控制器

44‧‧‧DPWM產生器

5‧‧‧調光電路

6‧‧‧LED燈串

61‧‧‧輸入端

62‧‧‧輸出端

Claims (2)

1. 一種具有回授調光功能的發光二極體驅動裝置，電性連接數個發光二極體燈串，各該發光二極體燈串具有一輸入端及一輸出端，該發光二極體驅動裝置包括：一主功率級電路，電連接於一供給一輸入電壓的電源及該等發光二極體燈串之間，該主功率級電路包含一順向導通元件、一電感、一第一開關元件、一第二開關元件、一電容及一濾波電容；當該第一開關元件導通且該第二開關元件截止時，該順向導通元件截止，使流經該電感的電流逐漸上升，該輸入電壓供應該電感並使其儲存能量，當該第二開關元件導通且該第一開關元件截止時，該順向導通元件被導通，儲存在該電感的能量可持續提供一輸出電壓加載於該等發光二極體燈串的輸入端；數個調光電路，其數量與該等發光二極體燈串的數量相符，各該調光電路連接於該等發光二極體燈串的輸出端後接地；一最大誤差選擇器，電性連接各該發光二極體燈串的輸出端及各該調光電路之間，自各該調光電路之間取得該等調光電路的回授電壓，具有數量與該等發光二極體燈串的數量相符的差動放大器及分別與各該差動放大器的輸出以陽極串接的數個二極體，該等二極體的陰極並電性連接於一誤差輸出端以輸出一最大誤差訊號；一類比數位轉換器，電性連接該誤差輸出端以將該誤差訊號轉換為一最大誤差資料；及 一控制模組，電性連接於類比數位轉換器及該等調光電路，接收該最大誤差資料經計算後以產生該主功率級電路之開關元件所需的控制訊號，藉此以調控輸出電壓進而影響調光電路的跨壓，該控制模組具有一接收該誤差資料的串列匯流排介面、一電性連接該串列匯流排介面並取得該最大誤差資料計算以產生該調光訊號的主控制器、一比例-積分控制器，及一受該比例-積分控制器控制以產生該主功率級電路所需的脈波控制訊號的延遲脈波產生器。
2. 依據申請專利範圍第1項所述之具有回授調光功能的發光二極體驅動裝置，其中，各該調光電路包括一巴特沃斯濾波器、一運算放大器及一線性電流調整器；各該巴特沃斯濾波器將該脈波調光訊號過濾為直流訊號，再送入各該運算放大器以分別控制各該線性電流調整器。