TWI442812B - 負載驅動裝置及其方法 - Google Patents

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Description

負載驅動裝置及其方法
本發明是有關於一種負載驅動技術，且特別是有關於一種適於電容性負載(例如發光二極體)的負載驅動裝置及其方法。
圖1為現有發光二極體(light emitting diode,LED)驅動裝置100的示意圖。請參照圖1。發光二極體驅動裝置100包括整流單元(rectification unit)110以及驅動模組(driving module)120與130。其中，整流單元110用以將所接收的交流電壓(AC voltage)AC_IN進行整流。另外，驅動模組120與130反應於整流單元110的輸出而各別提供驅動電壓VBUS1 與VBUS2 以驅動LED負載150與160。一般來說，驅動模組120與130會各別根據關聯於流經LED負載150與160之電流的回授訊號以調整驅動電壓VBUS1 與VBUS2 ，從而使得LED負載150與160得以穩定地提供所預期的光源亮度。
然而，在此驅動架構下，由於流經LED負載150與160之電流的漣波(ripple)擺幅有可能會比較大，以至於LED負載150與160所提供的光源就有可能會產生閃爍。另一方面，發光二極體驅動裝置100中驅動模組的數量會因應LED負載之數量的增加而增加。因此，當LED負載越多時，發光二極體驅動裝置100的成本就會越高。
有鑑於此，本發明提出一種負載驅動裝置及其方法，藉以解決先前技術所述及的問題。
本發明提出一種負載驅動裝置，其包括第一整流單元、第一轉換單元，以及第二轉換單元。第一整流單元用以接收交流電壓，並對交流電壓進行整流以輸出第一直流電壓。第一轉換單元耦接第一整流單元，用以接收第一直流電壓，並對第一直流電壓進行轉換以輸出第二直流電壓，且第一轉換單元更依據關聯於第二直流電壓的回授訊號以調整第二直流電壓。第二轉換單元耦接第一轉換單元，用以接收第二直流電壓，並對第二直流電壓進行轉換以輸出具有恆定電流的第三直流電壓來驅動第一電容性負載。
在本發明的一實施例中，負載驅動裝置可以更包括第三轉換單元。第三轉換單元耦接第一轉換單元，用以接收第二直流電壓，並對第二直流電壓進行轉換以輸出具有恆定電流的第四直流電壓來驅動第二電容性負載。
在本發明的一實施例中，第一電容性負載與第二電容性負載可以各別包括至少一發光二極體。
在本發明的一實施例中，第一轉換單元可以包括功率因素校正轉換器、隔離變壓器、功率開關、第二整流單元、回授單元，以及功率因素及脈寬調變控制器。功率因素校正轉換器耦接第一整流單元，用以反應於一校正訊號而對第一整流單元的輸出進行功率因素校正。隔離變壓器之一次側的第一端耦接功率因素校正轉換器的輸出。
功率開關耦接於隔離變壓器之一次側的第二端與一危險地之間，用以反應於一脈寬調變訊號而進行切換。第二整流單元耦接隔離變壓器的二次側，用以輸出第二直流電壓。回授單元用以反應於第二直流電壓而提供所述回授訊號。功率因素及脈寬調變控制器耦接功率因素校正轉換器、功率開關與回授單元，用以反應於所述回授訊號而提供所述校正訊號給功率因素校正轉換器，並且提供所述脈寬調變訊號給功率開關，藉以切換功率開關，從而調整第二直流電壓。
本發明另提出一種負載驅動方法，其包括：對交流電壓進行整流以輸出第一直流電壓；對第一直流電壓進行轉換以輸出第二直流電壓，並依據關聯於第二直流電壓的回授訊號以調整第二直流電壓；以及對第二直流電壓進行轉換以輸出具有恆定電流的第三直流電壓來驅動電容性負載。
基於上述，本發明因採用電壓回授的方式來調整用以驅動電容性負載的驅動電壓，所以可以有效地解決傳統因採用電流回授以驅動發光二極體所衍生的閃爍問題。另一方面，本發明可以在單一第一轉換單元的架構/條件下擴展至驅動多級電容性負載的應用，所以可以大幅地降低成本。
為讓本發明的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。
現將詳細參考本發明之實施例，並在附圖中說明所述實施例之實例。另外，凡可能之處，在圖式及實施方式中使用相同標號的元件/構件代表相同或類似部分。
圖2是依照本發明一實施例之負載驅動裝置200的示意圖。請參照圖2。負載驅動裝置200可以包括第一整流單元210、第一轉換單元215、第二轉換單元280，以及第三轉換單元290。第一轉換單元215耦接於第一整流單元210以及第二與第三轉換單元280、290之間。於本實施例中，第一整流單元210用以對所接收的交流電壓AC_IN(例如可以是交流市電，但不以此為限)進行整流，藉以輸出第一直流電壓DC1。
更清楚來說，圖3是圖2的第一整流單元210的示意圖。請合併參照圖2與圖3，第一整流單元210可以包括電磁干擾濾波器(electromagnetic interference filter,EMI filter)212與橋式整流器(bridge rectifier)214。其中，電磁干擾濾波器212耦接於交流電壓AC_IN與橋式整流器214的輸入之間，用以抑制交流電壓AC_IN的電磁雜訊(electromagnetic noise)；而橋式整流器214則用以對交流電壓AC_IN進行全波整流，藉以輸出第一直流電壓DC1。
另外，第一轉換單元215用來接收第一直流電壓DC1，並對第一直流電壓DC1進行轉換以輸出第二直流電壓DC2。而且，第一轉換單元215更可以依據關聯於第二直流電壓DC2的回授訊號VFB來調整第二直流電壓DC2。關於第一轉換單元215的架構，將於後文再詳細說明。
此外，第二轉換單元280用來接收第二直流電壓DC2，並對第二直流電壓DC2進行轉換以輸出具有恆定電流的第三直流電壓DC3來驅動第一電容性負載CL1。相似地，第三轉換單元290用來接收第二直流電壓DC2，並對第二直流電壓DC2進行轉換以輸出具有恆定電流的第四直流電壓DC4來驅動第二電容性負載CL2。顯然地，第二與第三轉換單元280、290可以利用直流轉直流轉換器(DC-to-DC converter)來實施，但並不限制於此。
在此值得一提的是，負載驅動裝置200所驅動的第一與第二電容性負載CL1、CL2可以各別包括至少一發光二極體。換言之，第一與第二電容性負載CL1、CL2可以各別包括單一發光二極體(如圖4A所述)，或者可以各別包括多個串接在一起的發光二極體(如圖4B所述)，甚至可以各別包括多組並接在一起的發光二極體串(LED string，如圖4C所述)。一切端視實際設計需求而論。
於本實施例中，第一轉換單元215可以包括功率因素校正轉換器(power factor correction converter,PFC converter)220、隔離變壓器(isolate transformer)250、功率開關(power switch)Q、第二整流單元270、回授單元(feedback unit)240，以及功率因素及脈寬調變控制器(power factor correction and pulse width modulation controller,PFC+PWM controller)230。功率因素校正轉換器230耦接第一整流單元270，用以反應於校正訊號Sc而對第一整流單元270的輸出進行功率因素校正。
隔離變壓器250之一次側(primary side)的第一端耦接功率因素校正轉換器230的輸出。功率開關Q耦接於隔離變壓器250之一次側的第二端與危險地(dangerous ground)DGND之間，用以反應於脈寬調變訊號(pulse width modulation,PWM)SPWM 而進行切換。於本實施例中，功率開關Q可以利用N型電晶體(N-type transistor)實施，例如NMOS功率電晶體，但並不限制於此。
第二整流單元270耦接隔離變壓器250的二次側(secondary side)，用以輸出第二直流電壓DC2。於本實施例中，第二整流單元270可以是由二極體(diode)272與電容(capacitor)274所組成的半波整流電路。其中，二極體272的陽極(anode)耦接隔離變壓器250之二次側的第一端，而二極體272的陰極(cathode)則輸出第二直流電壓DC2。電容274的第一端耦接二極體272的陰極，而電容274的第二端則耦接隔離變壓器250之二次側的第二端與安全地(safety ground)SGND。
回授單元240耦接第二整流單元270，用以反應於第二直流電壓DC2而提供回授訊號VFB。功率因素及脈寬調變控制器230耦接功率因素校正轉換器220、功率開關Q與回授單元240，用以反應於回授訊號VFB而提供校正訊號Sc給功率因素校正轉換器220，藉以致使功率因素校正轉換器220對第一整流單元210的輸出進行功率因素校正，並且提供脈寬調變訊號SPWM 給功率開關Q，藉以切換功率開關Q，從而調整第二直流電壓DC2。
於本實施例中，當第二直流電壓DC2低於設定值時，則回授單元240所提供的回授訊號VFB會致使功率因素及脈寬調變控制器230提供具有較大責任週期(duty cycle)的脈寬調變訊號SPWM 以切換功率開關Q；反之，當第二直流電壓DC2高於設定值時，則回授單元240所提供的回授訊號VFB會致使功率因素及脈寬調變控制器230提供具有較小責任週期的脈寬調變訊號SPWM 以切換功率開關Q。如此一來，即可使得第二直流電壓DC2穩定在設定值。
基於上述，本實施例之負載驅動裝置200主要是藉由電壓回授的方式(亦即關聯於第二直流電壓DC2的回授訊號VFB)來調整用以驅動電容性負載CL1、CL2的驅動電壓(亦即由第二與第三轉換單元280、290所各別產生的第三與第四直流電壓DC3、DC4)。再加上，反應於直流轉換器之特性的緣故(亦即提供穩定的直流電壓與電流)，本實施例之負載驅動裝置200可以有效地解決傳統因採用電流回授以驅動發光二極體所衍生的閃爍問題。
另一方面，本實施例之負載驅動裝置200可以在單一第一轉換單元215的架構/條件下擴展至驅動多級電容性負載的應用。換言之，圖2係以負載驅動裝置200同時驅動兩級電容性負載CL1、CL2為例來進行說明，但若負載驅動裝置200欲同時驅動兩級以上之電容性負載的話，例如3級電容性負載，則僅需再額外增加第四轉換單元以對第二直流電壓DC2進行轉換以用來驅動第三電容性負載即可。基此教示內容，本領域具有通常知識者應當可自行推演/類推出負載驅動裝置200同時驅動三級以上之電容性負載的實施方式，故而在此並不再加以贅述之。顯然地，本實施例之負載驅動裝置200可以在單一第一轉換單元215的架構/條件下擴展至驅動多級電容性負載的應用，所以可以大幅地降低成本。
基於上述實施例所揭示教示的內容，可以彙整出一種通用的負載驅動方法。更清楚來說，圖5繪示為本發明一實施例之負載驅動方法的流程圖。請參照圖5，本實施例之負載驅動方法可以包括以下步驟；對交流電壓進行整流以輸出第一直流電壓(步驟S501)；對第一直流電壓進行轉換以輸出第二直流電壓(步驟S503)；反應於第二直流電壓而提供回授訊號(步驟S505)(亦即採用電壓回授的方式)；反應於回授訊號而透過脈寬調變控制手段以對第二直流電壓進行調整，並對第一直流電壓進行功率因素校正(步驟S507)(亦即PWM+PFC)；以及對第二直流電壓進行轉換以輸出具有恆定電流的第三直流電壓來驅動電容性負載(例如發光二極體)(步驟S509)。
綜上所述，本發明因採用電壓回授的方式來調整用以驅動電容性負載的驅動電壓，所以可以有效地解決傳統因採用電流回授以驅動發光二極體所衍生的閃爍問題。另一方面，本發明可以在單一第一轉換單元的架構/條件下擴展至驅動多級電容性負載的應用，所以可以大幅地降低成本。
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，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。
100．．．發光二極體驅動裝置
110．．．整流單元
120、130．．．驅動模組
150、160．．．LED負載
200．．．負載驅動裝置
210．．．第一整流單元
212．．．電磁干擾濾波器
214．．．橋式整流器
215．．．第一轉換單元
220．．．功率因素校正轉換器
230．．．功率因素及脈寬調變控制器
240．．．回授單元
250．．．隔離變壓器
Q．．．功率開關
270．．．第二整流單元
272．．．二極體
274．．．電容
280．．．第二轉換單元
290．．．第三轉換單元
AC_IN．．．交流電壓
CL1．．．第一電容性負載
CL2．．．第二電容性負載
DC1．．．第一直流電壓
DC2．．．第二直流電壓
DC3．．．第三直流電壓
DC4．．．第四直流電壓
Sc．．．校正訊號
SPWM ．．．脈寬調變訊號
VFB．．．回授訊號
VBUS1 、VBUS2 ．．．驅動電壓
DGND．．．危險地
SGND．．．安全地
S501~S513．．．本發明一實施例之負載驅動方法的各步驟
下面的所附圖式是本發明的說明書的一部分，繪示了本發明的示例實施例，所附圖式與說明書的描述一起說明本發明的原理。
圖1為現有發光二極體驅動裝置的示意圖。
圖2是依照本發明一實施例之負載驅動裝置的示意圖。
圖3是圖2的第一整流單元的示意圖。
圖4A、圖4B與圖4C分別繪示為本發明一實施例之電容性負載的示意圖。
圖5繪示為本發明一實施例之負載驅動方法的流程圖。
200．．．負載驅動裝置
210．．．第一整流單元
215．．．第一轉換單元
220．．．功率因素校正轉換器
230．．．功率因素及脈寬調變控制器
240．．．回授單元
250．．．隔離變壓器
Q．．．功率開關
270．．．第二整流單元
272．．．二極體
274．．．電容
280．．．第二轉換單元
290．．．第三轉換單元
AC_IN．．．交流電壓
CL1．．．第一電容性負載
CL2．．．第二電容性負載
DC1．．．第一直流電壓
DC2．．．第二直流電壓
DC3．．．第三直流電壓
DC4．．．第四直流電壓
Sc．．．校正訊號
SPWM ．．．脈寬調變訊號
VFB．．．回授訊號
DGND．．．危險地
SGND．．．安全地

Claims (10)

  1. 一種負載驅動裝置，包括：一第一整流單元，用以接收一交流電壓，並對該交流電壓進行整流以輸出一第一直流電壓；一第一轉換單元，耦接該第一整流單元，用以接收該第一直流電壓，並對該第一直流電壓進行轉換以輸出一第二直流電壓，且該第一轉換單元更依據關聯於該第二直流電壓的一回授訊號以調整該第二直流電壓；以及一第二轉換單元，耦接該第一轉換單元，用以接收該第二直流電壓，並對該第二直流電壓進行轉換以輸出具有恆定電流的一第三直流電壓來驅動一第一電容性負載；其中該第一轉換單元包括：一功率因素校正轉換器，耦接該第一整流單元，用以反應於一校正訊號而對該第一整流單元的輸出進行功率因素校正；一隔離變壓器，其一次側的第一端耦接該功率因素校正轉換器的輸出；一功率開關，耦接於該隔離變壓器之一次側的第二端與一危險地之間，用以反應於一脈寬調變訊號而進行切換；一第二整流單元，耦接該隔離變壓器的二次側，用以輸出該第二直流電壓；一回授單元，耦接該第二整流單元，用以反應於該第二直流電壓而提供該回授訊號；以及 一功率因素及脈寬調變控制器，耦接該功率因素校正轉換器、該功率開關與該回授單元，用以反應於該回授訊號而提供該校正訊號給該功率因素校正轉換器，並且提供該脈寬調變訊號給該功率開關，藉以切換該功率開關，從而調整該第二直流電壓。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之負載驅動裝置，其中該第二整流單元包括：一二極體，其陽極耦接該隔離變壓器之二次側的第一端，而其陰極則輸出該第二直流電壓；以及一電容，其第一端耦接該二極體的陰極，而其第二端則耦接該隔離變壓器之二次側的第二端與一安全地。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之負載驅動裝置，其中該開關包括一N型電晶體。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之負載驅動裝置，其中該第一整流單元包括：一橋式整流器，用以接收該交流電壓，並對該交流電壓進行全波整流，藉以輸出該第一直流電壓。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之負載驅動裝置，其中該第一整流單元更包括：一電磁干擾濾波器，耦接於該交流電壓與該橋式整流器之間，用以抑制該交流電壓的電磁雜訊。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之負載驅動裝置，其中該第一電容性負載包括至少一發光二極體。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之負載驅動裝置，更包 括：一第三轉換單元，耦接該第一轉換單元，用以接收該第二直流電壓，並對該第二直流電壓進行轉換以輸出具有恆定電流的一第四直流電壓來驅動一第二電容性負載。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之負載驅動裝置，其中該第二電容性負載包括至少一發光二極體。
  9. 一種負載驅動方法，包括：對一交流電壓進行整流以輸出一第一直流電壓；對該第一直流電壓進行轉換以輸出一第二直流電壓，並依據關聯於該第二直流電壓的一回授訊號以調整該第二直流電壓；對該第二直流電壓進行轉換以輸出具有恆定電流的一第三直流電壓來驅動一電容性負載；以及反應於該回授訊號而對該第一直流電壓進行功率因素校正。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之負載驅動方法，其中依據關聯於該第二直流電壓的該回授訊號以調整該第二直流電壓的步驟包括：反應於該第二直流電壓而提供該回授訊號；以及反應於該回授訊號而透過一脈寬調變控制手段以對該第二直流電壓進行調整。
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