TWI451808B - 具有調光功能之驅動系統與調光控制器 - Google Patents

具有調光功能之驅動系統與調光控制器 Download PDF

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TWI451808B TW100143078A TW100143078A TWI451808B TW I451808 B TWI451808 B TW I451808B TW 100143078 A TW100143078 A TW 100143078A TW 100143078 A TW100143078 A TW 100143078A TW I451808 B TWI451808 B TW I451808B
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    • Y02B20/30—Semiconductor lamps, e.g. solid state lamps [SSL] light emitting diodes [LED] or organic LED [OLED]

Description

具有調光功能之驅動系統與調光控制器
本發明係關於針對發光元件的調光控制器與驅動系統，尤指可以接受多種調光控制信號的調光控制器與驅動系統。
具備有調光功能的發光二極體(light-emitting diode，LED)驅動電路至少有三種可能的調光方式：相位截斷(TRIAC)、脈波寬度調變(pulse-width modulation，PWM)、以及類比準位(analog level)。現有控制晶片產品中，往往只有具備其中之一或二種方式。
第1圖顯示一種習知的LED驅動電路，其具有一返馳式結構(flyback topology)。其中的變壓器有相電感耦合的一次側繞組PRM、二次側繞組SEC、以及輔助繞組AUX。如圖所示，變壓器大致隔離了一次側電路與二次側電路，彼此只有透過電感或電容的交流耦合，分別具有不同的一次側接地線22與二次側接地線24。功率因素改善(power factor correction，PFC)控制器26使功率開關34開路或是短路，以使變壓器儲能或釋能。當變壓器釋能時，二次側繞組SEC透過一整流二極體，在輸出電源線VDD上建立輸出電壓VDD 。
數個LED 28串聯於二次側的輸出電源線VDD與二次側接地線24之間。運算放大器30可以透過光耦合器36，提供一定電壓回饋機制，當LED 28為斷路時，可使輸出電壓VDD 大致不超過定電壓參考電壓VREF-CV 所對應的一個值。運算放大器32以及電流偵測電阻RS，一樣透過光耦合器36，提供一個定電流回饋機制。當LED 28發光時，定電流回饋機制使流經LED 28的電流，大約等於定電流參考電壓VREF-CC 除以電流偵測電阻RS之電阻值的結果。
然而，一種相位截斷(TRIAC)調光方法，是從一次側著手。譬如說，用一分壓電路，使PFC控制器26來偵測輸入電源線IN的輸入電壓VIN 。依據輸入電壓VIN 大約為0V跟超過0V的時間比例，來控制流經在二次側之LED的電流。但是，這樣的方法的LED電流控制精準度不高，而且也無法提供PWM以及類比準位調光功能。
本說明書中，具有相同之符號元件或裝置，為具有相同或是類似功能、結構、或特性之元件或是裝置，為業界人士能以具本說明書之教導而得知或推知，但不必然完全的相同。為簡潔緣故，不會重複說明。
本發明之實施例揭示一種具有調光功能之驅動系統，其包含有一變壓器、一發光元件、以及一調光控制器。該變壓器具有相電感耦合之一一次側繞組以及一二次側繞組。該二次側繞組耦接於一輸出電源線與一二次側地端之間。該發光元件，由該輸出電源線與該二次側地端供電。該調光控制器耦接至該二次側繞組，其依據該二次側繞組之一跨壓，控制流經該發光元件之一電流。
本發明之實施例揭示一種調光控制器，形成於一積體電路晶片。調光控制器包含有一相位截斷控制接腳、一調光控制接腳、以及一處理電路。該相位截斷控制接腳可耦接至一變壓器，用以接收一感測信號。該調光控制接腳可用以接收一調光信號。該處理電路，耦接於該相位截斷控制接腳與該調光控制接腳之間，用以提供一電流設定信號。該處理電路被架構成該調光信號對該電流設定信號影響的優先權，高於該感測信號對該電流設定信號影響的優先權。該電流設定信號可影響流經一發光元件之一電流。
第2圖為依據本發明所實施的一LED驅動電路之一二次側電路，可以提供相位截斷(TRIAC)、脈波寬度調變(pulse-width modulation，PWM)、以及類比準位(analog level)三種方式的調光。第2圖中沒有顯示的一次側電路可以以第1圖中的一次側電路實施，或是用其他的一次側電路實施，為業界具有普通技術人士可以得知，不再累述。如同第2圖所示，二次側繞組SEC中的電流透過二極體整流後，在輸出電源線VDD上建立輸出電壓VDD 。輸出電源線VDD與二次側接地線24一起對LED 28供電。
第2圖顯示有調光控制器40。在以下實施例中，調光控制器40是一單晶之積體電路晶片，形成在一單晶的矽晶片上。依據本發明所實施的其他例子中的調光控制器，可以用離散元件所組合而成。
如同第2圖所示，調光控制器40有輸出接腳OUT、電壓回饋接腳VFB、電流回饋接腳IFB、類比調光控制接腳ANADIM、脈波寬度調變調光接腳PWMDIM、以及相位截斷控制接腳TRCDIM。調光控制器40中的運算放大器30與32連接方式類似第1圖中運算放大器30與32，為一種回饋電路，提供類似的定電壓與定電流回饋機制。不同於第1圖中定值的定電流參考電壓VREF-CC ，第2圖中的電流設定信號VI-SET 是由處理電路41，依據接腳TRCDIM、PWMDIM與ANADIM上的信號所產生與提供。在一實施例中，電流設定信號VI-SET 大約為一類比之電壓信號，其值最大值為350mV、最小值為0mV。在另一個實施例中，電流設定信號VI-SET 為一數位信號之電壓信號，當邏輯值為”1”時，其電壓值為350mV，邏輯值為”0”時，其電壓值為0。
第2圖中，調光控制器40之接腳與外在元件的連接，可以實現相位截斷調光。以調光控制器40來實現其他調光方式，將稍後解釋。
處理電路41中具有調光相位偵測電路42與參考信號提供電路 44。在第2圖中，調光相位偵測電路42，透過電阻46，耦接至二次側繞組SEC。調光控制器40之接腳PWMDIM為浮接，不連接到外界元件。接腳ANADIM則連接到電容48。調光相位偵測電路42依據二次側繞組SEC之跨壓，於接腳PWMDIM上，產生數位信號SPWMDIM 。參考信號提供電路44依據數位信號SPWMDIM ，來提供電流設定信號VI-SET 。
第3圖舉例處理電路41中的內部電路。第4圖則顯示第1圖、第2圖與第3圖中的一些信號波形。由上而下，第4圖中的波形分別對應在第1圖中驅動端DRV上的驅動信號VDRV 、第1圖中輸入電源線IN上的輸入電壓VIN 、在第2圖中二次側繞組SEC之一端OS上的電壓VOS 、第3圖中端D1上之信號VD1 、第3圖中端D2上之數位信號VD2 、以及第3圖中的電流設定信號VI-SET 。
第1圖中的PFC控制器26從驅動端DRV，以驅動信號VDRV 開開關關功率開關34。如同第4圖所示，輸入電壓VIN 的電壓值大致沿著被整流後的一正弦波(sinuous wave)變化，但在某個相位，因為相位截斷調光，所以快速的掉落至0V。
當功率開關34被開啟時，電壓VOS (等於二次側繞組SEC的跨壓)會是一個負值之反射電壓，大約比例於第1圖中當時一次側繞組PRM的跨壓，也就是輸入電壓VIN 。當功率開關34被關閉而變壓器放電時，二次側繞組SEC對輸出電源線VDD充電，所以電壓VOS 會被大約箝制在輸出電壓VDD 。因此，如同第4圖所示，電壓VOS 會上下變化，且大致被侷限在輸出電壓VDD 以及比例於輸入電壓VIN 的負電壓之間。
第3圖中的電路50，透過接腳TRCDIM，用以大略地抓取電壓VOS 中為負值的部分，轉換成正值，同時進行些許的低通濾波，而在端D1上產生信號VD1 ，如同第4圖所示。從第4圖中也可以看出，信號VD1 之波形大致重現了輸入電壓VIN 之波形。在第2圖中，連接於二次側繞組SEC與接腳TRCDIM之間的電阻46電 阻值，可以用來決定信號VD1 對輸入電壓VIN 的電壓比例。
既然信號VD1 大致就是輸入電壓VIN ，第3圖中的電路52就可以大致判斷出在當下的相位截斷調光所期望定義出的供電時段TTRC-ON 與不供電時段TTRC-OFF 。舉例來說，電路52可以是一比較器，比較信號VD1 與一臨界值VTH ，據以在端D2上產生數位信號VD2 ，如同第4圖所示。當接腳PWMDIM為浮接時，接腳PWMDIM上的數位信號SPWMDIM 大約等同數位信號VD2 。
在另一個實施例中，調光相位偵測電路42依據電壓VOS 出現負電壓的間隔周期來判斷出在當下的相位截斷調光所期望定義出的供電時段TTRC-ON 與不供電時段TTRC-OFF 。舉例來說，透過接腳TRCDIM，調光相位偵測電路42發現電壓VOS 經歷了一段預設時間(譬如500ns)都沒有出現相當的負值，就大致可以判定當下屬於不供電時段TTRC-OFF ，調光相位偵測電路42就使數位信號VD2 為邏輯上的”0”；否則，當下屬於供電時段TTRC-ON ，調光相位偵測電路42就使數位信號VD2 為邏輯上的”1”。這預設時間，至少是一次側功率開關34的最大開關週期。換言之，當功率開關34經歷一次開關週期後，電壓VOS 都沒有出現相當的負值，就可以代表當時的輸入電壓VIN 大約等於0，所以當下應該是被相位截斷調光所不供電時段TTRC-OFF 。
當接腳ANADIM外接一電容時，如同第2圖之實施例所示，第3圖中的參考信號提供電路44等同一低通濾波器，把數位信號SPWMDIM 進行低通濾波，而提供電流設定信號VI-SET 。在第3圖的實施例中，電流設定信號VI-SET 追尋的穩定值VSTABLE ，大約可以用以下公式I計算出。
VSTABLE =VTOP *TTRC-ON /(TTRC-ON +TTRC-OFF ).........I,其中，VTOP 顯示於第3圖中，有一預設電壓值，譬如說是350mV。如同第4圖所示，電流設定信號VI-SET 最後大約會穩定在穩定值VSTABLE 。公式I表示穩定值VSTABLE 對應數位信號SPWMDIM 之一平 均值。
如同第2圖所顯示與解釋的，電流設定信號VI-SET 透過定電流回饋機制，大約控制了流經LED 28的電流。電流設定信號VI-SET 大致對應了相位截斷調光所大概定義出的供電時段TTRC-ON 與不供電時段TTRC-OFF 之濾波結果，所以調光控制器40實現了相位截斷調光之功能。
第5圖顯示調光控制器40之接腳與外在元件的另一種連接，可以實現PWM調光。在一實施例中，電路56可以選擇性地取代第2圖中的電阻46，其可以禁止相位截斷調光之功能。電路56有一負電壓低通濾波器，隨著輸入電壓VIN 的變化，可以大略的維持在端OSF之電壓VOSF 為一負值，讓調光相位偵測電路42一直判定當下是供電時段TTRC-ON ，所以禁止了相位截斷調光。外界數位的PWM調光信號VPWM 從接腳PWMDIM輸入。PWM調光信號VPWM 的低通濾波結果，產生了電流設定信號VI-SET ，其準位，會大約對應PWM調光信號VPWM 的工作週期(duty cycle)。由第5圖可以看出，電阻58的介入，使得PWM調光信號VPWM 對於電流設定信號VI-SET 的影響，優先於端D2上之數位信號VD2 對於電流設定信號VI-SET 的影響。
第6圖顯示調光控制器40之接腳與外在元件的另一種連接，可以實現類比調光。在此實施例中，接腳TRCDIM與二次側繞組SEC之一端OS中間有電阻46，接腳PWMDIM為浮接，外來的類比調光信號VANA 直接從接腳ANADIM輸入，作為電流設定信號VI-SET 。由第6圖可以看出，所以只要類比調光信號VANA 有出現，電流設定信號VI-SET 就會是等於類比調光信號VANA ，不論接腳TRCDIM與PWMDIM上的信號為何。綜合言之，對於電流設定信號VI-SET 的影響之優先順序排列，由最先開始，分別是類比調光信號VANA 、PWMDIM上的信號、與接腳TRCDIM上的信號。
依據本發明所實施例調光控制器，不一定需要有三隻接腳，來 分別提供相位截斷(TRIAC)、PWM、以及類比準位三種方式的調光功能。第7圖例舉了調光控制器40a ，其以兩隻接腳(TRCDIM與PWM/ANADIM)，來提供一樣的三種調光功能。
第7圖中，調光控制器40a 之接腳與外在元件的連接，可以實現相位截斷調光。以調光控制器40a 來實現其他調光的連接，將稍後解釋。
調光控制器40a 中的處理電路41已經於先前其他的實施例有解釋了，不再累述。調光控制器40a 具有緩衝器60，其輸入連接到接腳PWM/ANADIM，輸出可以產生電流設定信號VI-SET 。在此實施例中，如果接腳PWM/ANADIM的輸入信號，其電壓超過某特定值，則緩衝器60的驅動力為0，電流設定信號VI-SET 完全由處理電路41所決定。如果接腳PWM/ANADIM的輸入信號，其電壓在某特定範圍內，則緩衝器60具有相當大的驅動力，主控電流設定信號VI-SET ，使其幾乎不受處理電路41所影響。舉例來說，在本說明書的實施例中，如果接腳PWM/ANADIM的輸入電壓超過400mV時，緩衝器60的驅動力變為0；當接腳PWM/ANADIM的輸入電壓介於0V到350mV時，電流設定信號VI-SET 的電壓值會大約等於接腳PWM/ANADIM上的電壓值。
在第7圖中，接腳PWM/ANADIM的電壓約等於輸出電源線VDD的電壓，超過400mV，所以緩衝器60等同沒有作用。因此，處理電路41將會如同先前所介紹的，透過接腳TRCDIM以及二次側繞組來偵測輸入電壓VIN 的相位，決定供電時段TTRC-ON 與不供電時段TTRC-OFF ，並施以低通濾波來產生電流設定信號VI-SET ，實現了相位截斷調光之功能。
第8圖中，調光控制器40a 之接腳與外在元件的連接，可以實現PWM與類比準位的調光功能。PWM調光信號VPWM 或類比調光信號VANA 直接灌入接腳PWM/ANADIM。只要PWM調光信號VPWM 或類比調光信號VANA 的電壓值介於介於0V到350mV，電流設定信 號VI-SET 會忠實的反映PWM調光信號VPWM 與類比調光信號VANA 。當接腳PWM/ANADIM接收的是類比調光信號VANA 時，類比調光信號VANA 的準位等同設定了流經LED 28的電流值，達到了類比準位的調光功能。當接腳PWM/ANADIM接收的數位的PWM調光信號VPWM 時，儘管電流設定信號VI-SET 也會呈現相對應的數位信號，但是功率因素改善(power factor correction，PFC)控制器26與周邊電路所架構成的PFC電源供應器，其本身的封閉迴路頻寬大約會是10~16Hz，所以可以對PWM調光信號VPWM 的結果進行低通濾波，使流經LED 28的電流值大約穩定於一個調光後的值，達到了PWM的調光功能。
第9圖中，調光控制器40a 之接腳與外在元件的連接，可以實現PWM與類比準位的調光功能。第9圖中，連接到接腳PWM/ANADIM上的電阻62與電容64，等同一低通濾波器。當數位的PWM調光信號VPWM 輸入到電阻62的一端時，接腳PWM/ANADIM上會出現相對應的類比調光信號，達到一樣的PWM的調光功能。至於電阻62的一端接收類比調光信號VANA 的情形，則與第8圖中的情形類似，不再累述。
第10圖中，調光控制器40a 之接腳與外在元件的連接，也可以實現PWM與類比準位的調光功能。萬一信號源所提供的PWM調光信號VPWM 與類比調光信號VANA 之電壓準位超過了緩衝器60可以接受的範圍時，可能需要把PWM調光信號VPWM 與類比調光信號VANA 降壓之後，才提供給接腳PWM/ANADIM。因此，第10圖中以兩個電阻，用以將PWM調光信號VPWM 或類比調光信號VANA 降壓，以在接腳PWM/ANADIM上提供具有適當準位之相對應的信號。
如同以上實施例所解釋的，透過適當的外在連接，調光控制器40a 可以提供相位截斷(TRIAC)、PWM、以及類比準位三種方式的調光功能。類似的，關於調光控制器40a ，對於電流設定信號VI-SET 的影響之優先順序排列，由最先開始，是接腳PWM/ANADIM上的信號，然後是接腳TRCDIM上的信號。
以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。
18‧‧‧LED電源供應器
22‧‧‧一次側接地線
24‧‧‧二次側接地線
26‧‧‧PFC控制器
28‧‧‧LED
30‧‧‧運算放大器
32‧‧‧運算放大器
34‧‧‧功率開關
36‧‧‧光耦合器
40‧‧‧調光控制器
40a ‧‧‧調光控制器
41‧‧‧處理電路
42‧‧‧調光相位偵測電路
44‧‧‧參考信號提供電路
46‧‧‧電阻
48‧‧‧電容
50‧‧‧電路
52‧‧‧電路
56‧‧‧電路
58‧‧‧電阻
60‧‧‧緩衝器
62‧‧‧電阻
64‧‧‧電容
ANADIM‧‧‧類比調光控制接腳
AUX‧‧‧輔助繞組
D1‧‧‧端
D2‧‧‧端
DRV‧‧‧驅動端
IFB‧‧‧電流回饋接腳
IN‧‧‧輸入電源線
OS‧‧‧端
OUT‧‧‧輸出接腳
OSF‧‧‧端
PRM‧‧‧一次側繞組
PWMDIM‧‧‧脈波寬度調變調光接腳
PWM/ANADIM‧‧‧接腳
RS‧‧‧電流偵測電阻
SEC‧‧‧二次側繞組
SPWMDIM ‧‧‧數位信號
TRCDIM‧‧‧相位截斷控制接腳
TTRC-OFF ‧‧‧不供電時段
TTRC-ON ‧‧‧供電時段
VANA ‧‧‧類比調光信號
VD1 ‧‧‧信號
VD2 ‧‧‧數位信號
VDD ‧‧‧輸出電壓
VDD‧‧‧輸出電源線
VDRV ‧‧‧驅動信號
VFB‧‧‧電壓回饋接腳
VIN ‧‧‧輸入電壓
VI-SET ‧‧‧電流設定信號
VOS ‧‧‧電壓
VOSF ‧‧‧電壓
VPWM ‧‧‧PWM調光信號
VREF-CC ‧‧‧定電流參考電壓
VREF-CV ‧‧‧定電壓參考電壓
VSTABLE ‧‧‧穩定值
VTH ‧‧‧臨界值
VTOP ‧‧‧預設電壓值
第1圖顯示一種習知的LED驅動電路。
第2圖為依據本發明所實施的一LED驅動電路之一二次側電路。
第3圖舉例處理電路41中的內部電路。
第4圖則顯示第1圖、第2圖與第3圖中的一些信號波形。
第5圖顯示調光控制器40之接腳與外在元件的另一種連接，可以實現PWM調光。
第6圖顯示調光控制器40之接腳與外在元件的另一種連接，可以實現類比調光。
第7圖顯示調光控制器40a 之接腳與外在元件的連接，可以實現相位截斷調光。
第8、9、10圖顯示調光控制器40a 之接腳與外在元件的三種連接，可以實現PWM與類比準位的調光功能。
41．．．處理電路
42．．．調光相位偵測電路
44．．．參考信號提供電路
50．．．電路
52．．．電路
58．．．電阻
ANADIM．．．類比調光控制接腳
D1．．．端
D2．．．端
PWMDIM．．．脈波寬度調變調光接腳
TRCDIM．．．相位截斷控制接腳
VI-SET ．．．電流設定信號
VTOP ．．．預設電壓值

Claims (15)

  1. 一種具有調光功能之驅動系統，包含有：一變壓器，具有相電感耦合之一一次側繞組以及一二次側繞組，該二次側繞組耦接於一輸出電源線與一二次側地端之間，該輸出電源線相對於該二次側地端具有一正電壓；一發光元件，由該輸出電源線與該二次側地端供電；以及一調光控制器，耦接至該二次側繞組，其依據該二次側繞組之一跨壓是否為負值，來控制流經該發光元件之一電流。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之驅動系統，另包含有：一電流偵測器，用以偵測流經該發光元件之該電流，以提供一電流回饋信號；該調光控制器包含有：一處理電路，耦接至該二次側繞組，用以提供一電流設定信號；以及一回饋電路，依據該電流回饋信號以及該電流設定信號，來控制該電流。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之驅動系統，該調光控制器包含有：一調光相位偵測電路，透過一電阻，耦接至該二次側繞 組，依據該二次側繞組之該跨壓，產生一數位信號；以及一參考信號提供電路，依據該數位信號，提供一電流設定信號；其中，該電流設定信號大約設定流經該發光元件之該電流。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之驅動系統，其中，該參考信號提供電路低通濾波該數位信號，以產生該電流設定信號。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之驅動系統，其中，該調光控制器係為一積體電路，包含有：一相位截斷控制接腳，透過一電阻，耦接至該二次側繞組；一調光控制接腳，可用以接收一調光信號；以及一處理電路，連接於該相位截斷控制接腳與該調光控制接腳之間，用以提供一電流設定信號；其中，該電流設定信號大約控制流經該發光元件之該電流。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之驅動系統，其中，該相位截斷控制接腳上有一感測信號，其得影響該電流設定信號，以及，該處理電路被架構成該調光信號對該電流設定信號影響的優先權，高 於該感測信號對該電流設定信號影響的優先權。
  7. 如申請專利範圍第5項所述之驅動系統，其中，該調光信號係為一類比調光信號或是一脈波寬度調變調光信號。
  8. 如申請專利範圍第5項所述之驅動系統，其中，該調光信號係為一類比調光信號，該調光控制器另包含有：一脈波寬度調變調光接腳；一調光相位偵測電路，耦接於該相位截斷控制接腳與該脈波寬度調變調光接腳之間，依據該二次側繞組之該跨壓，產生一數位信號；以及一參考信號提供電路，依據該數位信號，提供該電流設定信號。
  9. 如申請專利範圍第5項所述之驅動系統，其中，該調光控制接腳外接一濾波電容。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之驅動系統，其中，該發光元件為數個發光二極體。
  11. 一種調光控制器，形成於一積體電路晶片，包含有：一相位截斷控制接腳，可耦接至一變壓器，用以接收一感 測信號；一調光控制接腳，可用以接收一調光信號；以及一處理電路，耦接於該相位截斷控制接腳與該調光控制接腳之間，用以提供一電流設定信號，其中，該處理電路被架構成該調光信號對該電流設定信號影響的優先權，高於該感測信號對該電流設定信號影響的優先權；其中，該電流設定信號可影響流經一發光元件之一電流。
  12. 如申請專利範圍第11項所述之調光控制器，其中，該調光信號係為一類比調光信號，該變壓器包含有一一次側繞組以及一二次側繞組，該調光控制器另包含有：一脈波寬度調變調光接腳；一調光相位偵測電路，耦接於該相位截斷控制接腳與該脈波寬度調變調光接腳之間，可依據該二次側繞組之該跨壓，產生一數位信號；以及一參考信號提供電路，依據該數位信號，可提供該電流設定信號。
  13. 如申請專利範圍第12項所述之調光控制器，其中，該電流設定信號對應該數位信號之一平均值。
  14. 如申請專利範圍第11項所述之調光控制器，另包含有： 一電流回饋接腳，用以接收一電流回饋信號，其代表流經一發光元件之一電流；以及一回饋電路，依據該電流回饋信號以及該電流設定信號，來控制該電流。
  15. 如申請專利範圍第14項所述之調光控制器，另包含有：一輸出接腳，受該回饋電路所驅動，可外接至一光耦合器。
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