TWI440398B - 具有調光功能之直流發光元件控制電路與相關方法 - Google Patents

Description

具有調光功能之直流發光元件控制電路與相關方法

本發明係有關一種具有調光功能之直流發光元件控制電路與相關方法，特別是指一種不需要使用交流矽控整流器(Tri-electro AC Switch，以下簡稱TRIAC元件)調光，因而具有較佳功率因素(power factor)的直流發光元件控制電路與直流發光元件調光控制方法。

最常見之直流發光元件為發光二極體(LED)，請參閱第1圖，先前技術從交流電源供應電力來驅動LED照明時，通常需要先經過橋式整流電路4整流，再由隔離式電源轉換電路(Isolated power regulator)10來將交流電轉換成直流電壓，之後再透過LED驅動電路20來控制通過LED的電流。隔離式電源轉換電路10中除變壓器13外，尚包含一次側電路11、二次側電路12、及其他獨立元件(discrete device)如電容、二極體等(未示出)。二次側電路12偵測輸出電壓，並以光耦合方式將偵測結果反饋回一次側電路11中的開關控制電路PWM，以控制一次側電路11內功率開關P的操作。

以上先前技術的缺點是，其先由隔離式電源轉換電路10產生調節過的電壓，再由LED驅動電路20根據該電壓來控制LED的電流，因此至少必須使用一次側電路11、二次側電路12、及LED驅動電路20三顆積體電路晶片，在電路上並不經濟。

此外，在使用交流電源的情況下，先前技術如需對發光元件進行調光，通常如第2圖所示係使用TRIAC(Tri-electro AC Switch，交流矽控整流器)元件2來截取交流電輸入之導通角度，以改變輸出能量而達成調光功能，但由於導通角度改變，將造成功率因素(power factor)變差，此為使用TRIAC元件調光的一大缺點。

有鑑於此，本發明即針對上述先前技術之不足，提出一種具有調光功能之直流發光元件控制電路與方法，其中使用新穎之調光控制機制，毋須使用TRIAC元件，因此可獲致較佳之功率因素、並能降低能量耗損。

本發明的目的之一在提供一種具有調光功能之直流發光元件控制電路。

本發明的另一目的之一在提供一種直流發光元件之調光控制方法。

為達成以上目的，本發明提供了一種具有調光功能之直流發光元件控制電路，包含：至少一功率開關；一開關控制電路，控制該功率開關，以將一輸入電壓轉換為輸出電流，供應給至少一直流發光元件；反饋電路，根據與該輸出電流有關的訊號，產生反饋訊號；以及調光電路，與該反饋電路耦接，以調整該反饋訊號，使該開關控制電路接收調整後的反饋訊號、並根據該調整後的反饋訊號控制功率開關，藉此調整供應給直流發光元件的輸出電流，以達成調光功能。

上述直流發光元件控制電路中，所述之調光電路可包括可變電阻，與該反饋電路並聯或串聯；或包括可調增益之放大器，其輸入接收該反饋訊號，輸出供應給該開關控制電路；或包括一個與反饋電路之輸出端耦接的並聯電路，此並聯電 路包括一個開關，藉由該開關的導通與關閉，以調整該反饋訊號。

就另一觀點而言，本發明提供了一種直流發光元件之調光控制方法，包含：控制至少一功率開關，以將一輸入電壓轉換為輸出電流，供應給至少一直流發光元件；根據與該輸出電流有關的訊號，產生反饋訊號；根據該直流發光元件所欲調整之亮度，調整該反饋訊號；以及根據該調整後的反饋訊號控制功率開關，藉此調整供應給直流發光元件的輸出電流，使該直流發光元件的亮度可調整為低於全亮，以達成調光功能。

上述調光控制方法中，該功率開關亦將該輸入電壓轉換為輸出電壓；在一類實施型態中，可藉由調整反饋訊號而改變該輸出電壓的位準，並根據該位準改變，調整供應給直流發光元件的輸出電流，以達成調光功能。其中，如係將與輸出電流有關的訊號，和一參考訊號相比較，以產生反饋訊號，則可根據輸出電壓的位準改變，調整該參考訊號之值。

例如，其中一種實施方式為：令輸出電壓的位準在高低兩位準間週期性地改變，且每週期中的工作比決定該直流發光元件的輸出電流。

又例如，其中一種實施方式為：令輸出電壓的位準在穩定狀態時位於一正常位準，但於調整反饋訊號時令該輸出電壓升高至一高於正常的位準，該高於正常的位準與正常位準間之差距決定該直流發光元件的輸出電流。

再例如，其中一種實施方式為：令輸出電壓的位準在穩定狀態時位於一中位準，但於調整反饋訊號時令該輸出電壓升高至一高位準而產生一正脈波、或令該輸出電壓降低至一 低位準而產生一負脈波，並根據正脈波而上調一階直流發光元件的輸出電流，或根據負脈波而下調一階直流發光元件的輸出電流。

底下藉由對具體實施例詳加說明，當更容易瞭解本發明之目的、技術內容、特點及其所達成之功效。

本發明適用於任何直流控制之發光元件而不限於為LED，但因LED為目前最常見之發光元件，故以下以LED為例來加以說明。

第3圖顯示本發明的第一個實施例，在本實施例中並不需要二次側電路12和LED驅動電路20兩顆積體電路晶片。如圖所示，本實施例之發光元件控制電路30接收經橋式整流電路4整流後的交流電力，並產生輸出電流供應給負載電路50，其中負載電路50例如為LED電路，但也可為任何需要控制電流的電路。發光元件控制電路30中包含：一次側電路11，其接收經整流後的交流電力；與一次側電路耦接的變壓器13，將一次側電壓轉換為二次側電壓，以供應給負載電路50；與變壓器13耦接的二次側電路32，其直接控制負載電路50的電流，並產生反饋訊號，經光耦合方式反饋回一次側電路11；以及調光電路34，與光耦合反饋回一次側電路11的路徑耦接，藉由調整該調光電路34，可控制一次側電路11所接收的反饋訊號，進而達成調光功能。

詳言之，因一次側電路11中的開關控制電路PWM係根據反饋訊號來控制功率開關P的操作，因此若改變反饋訊號，即可調整二次側電路32的輸出電流。舉例而言，假設反饋訊 號與輸出電流Iout成正相關，若調光電路34將反饋訊號調整為原始值的200%，則在真實反饋訊號(調光電路34的輸入值)到達調節目標值的50%時，一次側電路11所接收的反饋訊號(調光電路34的輸出值)已達目標值的100%，因此開關控制電路PWM將減低功率開關P的工作比(或採其它等效方式，視開關控制電路PWM的控制方式而定)，達成調低LED亮度的作用。以上所述僅係其中一種調光方式，在開關控制電路PWM中尚可設計其他機制，來因應反饋訊號的變化而調光(容後詳述)。

以下舉例說明二次側電路32的詳細結構；但需說明的是，電路可做各種等效變化，本發明的範圍不應侷限於圖示的細節。

請參閱第4圖，在本實施例中，二次側電路32包含積體電路320、光耦合二極體322、以及二極體D。當負載電路50為多串LED時，積體電路320中包含多個電流源CS1-CSN，以對應控制各串LED上的電流。為使各串LED上的電流受控制，電流源CS1-CSN之工作電壓必須高於最低正常工作電壓。積體電路320中另包含最小值選擇電路321，自各LED串上對應節點中選擇電壓最低者，輸入誤差放大器EA，與參考電壓Vref相比較；上述對應節點之電壓反映對應電流源的工作狀態。誤差放大器EA的輸出控制電晶體Q1，控制一對應的電流使光耦合二極體322發光。以電晶體Q1控制電流可有多種方式，例如，此電晶體可直接形成可控電流源電路，或與其他元件一起構成可控電流源電路，或輸出一可控電壓經一串聯電阻而控制其電流。就串聯電阻實施方式而言，該串聯電阻可以內建在積體電路320中，或外掛在積體電路320 之外以便由外部進行設定調整；圖中顯示為外掛的實施形式。光耦合二極體322所發的光經光耦合機制反饋到一次側電路中的光電晶體Q2，使開關控制電路PWM根據反饋訊號來控制功率開關P的操作(一般而言，光耦合二極體322和光電晶體Q2整合成一元件，稱為光耦合器)。如此，藉由反饋控制機制，可使電流源CS1-CSN之工作電壓均高於最低正常工作電壓，亦即電流源CS1-CSN可正常工作而使各串LED上的電流受到控制。換言之，本發明的發光元件控制電路30直接控制了負載電路50的電流。如果負載電路50並非並聯電路而僅具有一條路徑(單一串LED)，則積體電路320中僅需設置一個電流源，且不需要設置最小值選擇電路321。

本實施例中，調光電路34可為一個可變電阻，藉由調整節點A處的訊號值，改變一次側電路11所接收的反饋訊號，達成調光功能。需說明的是，可變電阻亦可串聯在光電晶體Q2與開關控制電路PWM之間、或串聯在光電晶體Q2下方，而不必須為並聯。

調光電路34的另一實施例請參考第5圖，本實施例中調光電路34接收數位訊號，控制電晶體開關M1,M2以調整調光電路34的整體電阻值，進而改變節點A處的訊號值。須說明的是，本實施例中調光電路34可以僅包含一條路徑，例如電晶體開關M1與其上方的電阻。此時調光電路34所執行的調光方式例如可參閱後述第8A-8B圖。

第6A圖顯示調光電路34的另一實施例，本實施例中調光電路34為可調增益之放大器，如此亦可藉由調整放大器之增益，來改變節點A處的訊號值。

第6B圖顯示調光電路34的另一實施例，本實施例中光 電晶體Q2的電流可受調光電路34控制，以調整節點A處的訊號值，其方式例如可如圖所示，將光電晶體Q2分割為並聯的若干部份Q2a-Q2c，而調光電路34包含電晶體開關M1-M3，如此，藉由控制電晶體開關M1-M3的導通，亦可改變節點A處的訊號值。

除上述外，還有其他各種調整反饋訊號的方法，當反饋訊號為電壓訊號時，基本上，任何可用以調整電壓的方法，都可用以調整反饋訊號，進而達成調光功能，不一一列舉。

雖然本發明是由「從交流電源供應電力來驅動LED照明」的角度出發，但上述藉由改變反饋訊號來達成調光功能的精神，並不限於應用在隔離式電源轉換電路中，而同樣可應用於非隔離式直流-直流電源轉換電路中，例如但不限於第7A-7H圖所示的非隔離式同步或非同步降壓、升壓、反壓、升反壓直流-直流電源轉換電路。

調光電路34除了直接調整節點A處的訊號值、以進行調光之外，亦可使用所謂的脈寬調變方式來調光。請參閱第8A-8B圖，調光電路34可控制反饋訊號，使其在兩個位階間切換，而輸出電壓Vout也會對應地在高位準與低位準之間切換。藉由調整每週期中的工作比d%，便可調整LED的亮度，如第8B圖所示；其中視輸出電壓Vout的高低位準設定而定，LED的最低亮度不必須為零。

第9A-9B圖示出另一種調光方式。本實例中輸出電壓Vout於正常操作時穩定在一正常值而不是如前一實施例般地在高低位準之間週期性地切換，但當調光電路34進行調光時，其控制反饋訊號，使輸出電壓Vout高於該正常值，而其間的差距Vo決定LED的亮度，如第9B圖所示。與前一實施 例相似地，LED的最低亮度不必須為零。硬體上，請參閱第9C圖並對照第4圖(第9C圖中省略了無關的電路，以簡化圖面)，可在積體電路320中設置Vo位準取樣保持電路323以取樣該差距Vo，並以類比查表電路(analog mapping table)324將該差距Vo轉換為參考電壓Vref輸入誤差放大器EA，以決定誤差放大器EA的參考基準。或是，請參閱第9D圖並對照第4圖，可在積體電路320中設置Vo位準取樣電路325以取樣該差距Vo，以類比數位轉換電路(ADC)326轉換為數位訊號儲存在閂鎖電路327中，並以數位類比轉換電路(DAC)328或查表電路(mapping table)將閂鎖電路327中儲存的數值轉換為參考電壓Vref輸入誤差放大器EA，以決定誤差放大器EA的參考基準。

第10A-10B圖示出另一種調光方式。本實例中採取「脈波設定」的方式，藉由反饋訊號控制輸出電壓Vout使其具有高、中、低三種位準，當輸出電壓Vout由中位準變換至高位準時形成正脈波，當輸出電壓Vout由中位準變換至低位準時形成負脈波，每次正脈波出現時，LED的亮度即往上調整一階，每次負脈波出現時，LED的亮度即往下調整一階，其他時間LED的亮度則維持不變。以上方法的硬體實施方式，舉例而言請參閱第10C圖並對照第4圖，可在積體電路320中設置第一與第二脈波產生電路331與332，分別根據每一正脈波和負脈波而產生單次脈波，輸入上/下計數器333以進行上/下計數，並以數位類比轉換電路(DAC)334或查表電路(mapping table)將上/下計數器333的計數值轉換為參考電壓Vref輸入誤差放大器EA，以決定誤差放大器EA的參考基準。

第11A-11B圖示出另一種調光方式。本實例中輸出電壓Vout於正常操作時穩定在一正常值，但當調光電路34進行調光時，其控制反饋訊號，使輸出電壓Vout高於該正常值，而輸出電壓Vout高於正常值的時間長度決定LED的亮度。此方法的硬體實施方式，舉例而言請參閱第11C圖並對照第4圖，可在積體電路320中設置輸出電壓Vout高位準偵測電路335，當其偵測到高位準時，即令計數器337歸零，並致能方波產生器336根據既定時脈產生方波，計數器337計數該方波的脈波數目，而數位類比轉換電路(DAC)338或查表電路(mapping table)將計數器337的計數值轉換為參考電壓Vref輸入誤差放大器EA，以決定誤差放大器EA的參考基準。

利用反饋訊號進行調光，以上說明了兩類方式，第一類是直接根據原始反饋訊號(反饋電路的原始輸出)和調整後之反饋訊號(開關控制電路PWM所接收的反饋訊號)兩者間的比例，調整目標電流值，第二類是根據反饋訊號調整輸出電壓Vout，並進而調整誤差放大器EA的參考電壓Vref。除此之外，尚可思及其他調光方式，例如在各串LED路徑上設置開關，並根據反饋訊號產生脈寬調變訊號，控制該開關的導通與關閉，以進行脈寬調變調光，等等。

以上已針對較佳實施例來說明本發明，唯以上所述者，僅係為使熟悉本技術者易於了解本發明的內容而已，並非用來限定本發明之權利範圍。在本發明之相同精神下，熟悉本技術者可以思及各種等效變化。例如，各實施例係以LED為例，其不僅包括白光LED，亦包含有色LED或有機LED，且本發明的概念不限於LED，亦可擴及所有需直流控制之發光元件；再例如，二次側電路32有各種實施方式，不限於 第4圖或第5圖所示；又例如，調光電路34可位在反饋迴路上與反饋電路串聯或並聯，或可位在反饋迴路之外而為一個控制反饋電路輸出訊號的電路，以上均屬可行，僅需能夠調整反饋訊號即可。故在本發明之相同精神下的各種等效變化，均應包含在本發明的範圍之內。

2‧‧‧TRIAC元件

4‧‧‧橋式整流電路

10‧‧‧隔離式電源轉換電路

11‧‧‧一次側電路

11a‧‧‧LLC架構之一次側電路

111‧‧‧LLC控制器

12‧‧‧二次側電路

13‧‧‧變壓器

20‧‧‧LED驅動電路

30‧‧‧發光元件控制電路

32‧‧‧二次側電路

320‧‧‧積體電路

321‧‧‧最小值選擇電路

322‧‧‧光耦合二極體

323‧‧‧Vo位準取樣保持電路

324‧‧‧類比查表電路

325‧‧‧Vo位準取樣電路

326‧‧‧類比數位轉換電路

327‧‧‧閂鎖電路

328‧‧‧數位類比轉換電路

331‧‧‧第一脈波產生電路

332‧‧‧第二脈波產生電路

333‧‧‧上/下計數器

334‧‧‧數位類比轉換電路

335‧‧‧輸出電壓Vout高位準偵測電路

336‧‧‧方波產生器

337‧‧‧計數器

338‧‧‧數位類比轉換電路

34‧‧‧調光電路

50‧‧‧負載電路

A‧‧‧節點

CS1,CS2,CSN‧‧‧電流源

D‧‧‧二極體

EA‧‧‧誤差放大器

M1,M2‧‧‧電晶體開關

P,P1,P2‧‧‧功率開關

PWM‧‧‧開關控制電路

Q1,Q2‧‧‧電晶體

第1圖說明先前技術透過隔離式電源轉換電路10將交流電壓轉換為直流電壓，再透過LED驅動電路20提供電力給LED電路。

第2圖顯示使用TRIAC元件2來達成調光的先前技術。

第3圖顯示本發明的一個實施例。

第4圖與第5圖舉例顯示二次側電路32的硬體結構實施例，並也顯示出調光電路34的實施例。

第6A,6B圖顯示調光電路34的另兩實施例。

第7A-7H圖舉例顯示數種直流-直流電源轉換電路。

第8A-8B圖顯示本發明根據反饋訊號進行調光的其中一種方法實施例。

第9A-9B圖顯示本發明根據反饋訊號進行調光的另一種方法實施例。

第9C-9D圖舉例顯示達成第9A-9B圖調光方法的兩種硬體實施例。

第10A-10B圖顯示本發明根據反饋訊號進行調光的另一種方法實施例。

第10C圖舉例顯示達成第10A-10B圖調光方法的硬體實施例。

第11A-11B圖顯示本發明根據反饋訊號進行調光的另一種方 法實施例。

第11C圖舉例顯示達成第11A-11B圖調光方法的兩種硬體實施例。

4‧‧‧橋式整流電路

11‧‧‧一次側電路

13‧‧‧變壓器

30‧‧‧發光元件控制電路

32‧‧‧二次側電路

34‧‧‧調光電路

50‧‧‧負載電路

P‧‧‧功率開關

Claims (12)

1. 一種具有調光功能之直流發光元件控制電路，包含：至少一功率開關；一開關控制電路，控制該功率開關，以將一輸入電壓轉換為輸出電流，供應給至少一直流發光元件；反饋電路，根據與該輸出電流有關的訊號，產生反饋訊號；以及調光電路，與該反饋電路耦接，以調整該反饋訊號，使該開關控制電路接收調整後的反饋訊號、並根據該調整後的反饋訊號控制功率開關，藉此調整供應給直流發光元件的輸出電流，以達成調光功能，其中該調光電路包括可變電阻，與該反饋電路並聯或串聯。
2. 一種具有調光功能之直流發光元件控制電路，包含：至少一功率開關；一開關控制電路，控制該功率開關，以將一輸入電壓轉換為輸出電流，供應給至少一直流發光元件；反饋電路，根據與該輸出電流有關的訊號，產生反饋訊號；以及調光電路，與該反饋電路耦接，以調整該反饋訊號，使該開關控制電路接收調整後的反饋訊號、並根據該調整後的反饋訊號控制功率開關，藉此調整供應給直流發光元件的輸出電流，以達成調光功能，其中該調光電路包括可調增益之放大器，其輸入接收該反饋訊號，輸出供應給該開關控制電路。
3. 一種具有調光功能之直流發光元件控制電路，包含：至少一功率開關；一開關控制電路，控制該功率開關，以將一輸入電壓轉換為輸出電流，供應給至少一直流發光元件；反饋電路，根據與該輸出電流有關的訊號，產生反饋訊號；以及調光電路，與該反饋電路耦接，以調整該反饋訊號，使該開關控制電路接收調整後的反饋訊號、並根據該調整後的反饋訊號控制功率開關，藉此調整供應給直流發光元件的輸出電流，以達成調光功能，其中該調光電路包括一個與反饋電路之輸出端耦接的並聯電路，此並聯電路包括一個開關，藉由該開關的導通與關閉，以調整該反饋訊號。
4. 如申請專利範圍第3項所述之具有調光功能之直流發光元件控制電路，其中該並聯電路包括至少兩條並聯路徑，且至少其中一條並聯路徑上具有開關，以控制該路徑是否導通。
5. 如申請專利範圍第1、2或3項所述之具有調光功能之直流發光元件控制電路，其中該功率開關為一隔離式電源轉換電路中一次側電路的功率開關，且該反饋電路為一光電晶體。
6. 如申請專利範圍第1、2或3項所述之具有調光功能之直流發光元件控制電路，其中該功率開關為一非隔離式直流-直流電源轉換電路中的功率開關。
7. 一種直流發光元件之調光控制方法，包含：控制至少一功率開關，以將一輸入電壓轉換為輸出電 流，供應給至少一直流發光元件；根據與該輸出電流有關的訊號，產生反饋訊號；根據該直流發光元件所欲調整之亮度，調整該反饋訊號；以及根據該調整後的反饋訊號控制功率開關，藉此調整供應給直流發光元件的輸出電流，使該直流發光元件的亮度可調整為低於全亮，以達成調光功能，其中該功率開關亦將該輸入電壓轉換為輸出電壓，且其中該根據調整後的反饋訊號控制功率開關，藉此調整供應給直流發光元件的輸出電流的步驟包含：根據該調整後的反饋訊號控制功率開關，藉此改變該輸出電壓的位準；偵測該輸出電壓的位準改變；以及根據該位準改變，調整供應給直流發光元件的輸出電流，以達成調光功能。
8. 如申請專利範圍第7項所述之直流發光元件之調光控制方法，其中該輸出電壓的位準在高低兩位準間週期性地改變，且每週期中的工作比決定該直流發光元件的輸出電流。
9. 如申請專利範圍第7項所述之直流發光元件之調光控制方法，其中該輸出電壓的位準在穩定狀態時位於一正常位準，但於調整反饋訊號時令該輸出電壓升高至一高於正常的位準，該高於正常的位準與正常位準間之差距決定該直流發光元件的輸出電流。
10. 如申請專利範圍第7項所述之直流發光元件之調光控制方法，其中該輸出電壓的位準在穩定狀態時位於一中位準，但於 調整反饋訊號時令該輸出電壓升高至一高位準而產生一正脈波或令該輸出電壓降低至一低位準而產生一負脈波，且該根據位準改變調整供應給直流發光元件輸出電流的步驟包含：根據正脈波而上調一階直流發光元件的輸出電流，或根據負脈波而下調一階直流發光元件的輸出電流。
11. 如申請專利範圍第7項所述之直流發光元件之調光控制方法，其中該輸出電壓的位準在穩定狀態時位於一正常位準，但於調整反饋訊號時令該輸出電壓升高至一高於正常的位準，該高於正常的位準的時間長度決定該直流發光元件的輸出電流。
12. 如申請專利範圍第7項所述之直流發光元件之調光控制方法，其中該產生反饋訊號的步驟包含：將該與輸出電流有關的訊號，和一參考訊號相比較；且該根據位準改變調整供應給直流發光元件輸出電流的步驟包含：根據位準改變，調整該參考訊號之值。