TWI454041B - Piezoelectric resonant light emitting diode driving circuit - Google Patents

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Description

壓電諧振式發光二極體驅動電路
本發明係有關一種壓電諧振式發光二極體驅動電路，特別是指一種利用單主動開關搭配薄型壓電諧振器來驅動發光二極體。
現今世界的石油價格節節高升，能源與原物料的供應成為最重要的議題，如何節約電力以及節省耗材，是產業科技的關鍵目標，其中佔能源消耗很大比例的照明設備，成為節能的重要項目。由於發光二極體的光電元件具有高色彩飽和度、無汞、壽命長、快速點滅、高亮度、耗電少與輕薄短小等優點，目前已普遍使用發光二極體作為照明設備。
目前大多使用壓電變壓器來驅動發光二極體電路，係將交流電源經整流為直流電壓後，經全橋或半橋功率放大器來提供產生方波電壓；方波電壓藉由外接電感與壓電變壓器輸入電容的諧振，以得到上下對稱的準弦波電流輸入壓電變壓器進行電壓轉換，最後經整流器將壓電變壓器輸出的交流電流整流為直流電流後，予以驅動發光二極體。然而，使用四開關的全橋設計或使用雙開關的半橋不僅讓增加電路成本及體積，且電路線路設計也相對的較為複雜。因此，如何讓電路簡單化又能達到相同的發光二極體驅動電路效能是亟待解決的問題。
有鑑於此，本發明遂針對上述習知技術之缺失，提出一種壓電諧振式發光二極體驅動電路，以有效克服上述之該等問題。
本發明之主要目的在提供一種壓電諧振式發光二極體驅動電路，其利用單開關取代習知所使用雙開關的半橋設計，不僅於諧振時能達到零電壓切換來有效降低開關損耗，亦能降低電路成本之功效。
為達上述之目的，本發明提供一種壓電諧振式發光二極體驅動電路，包括一整流器、一準諧振開關模組、一壓電諧振器及一發光二極體模組。整流器係接收一交流電壓，如市電，將其整流為一直流電壓；準諧振開關模組，連接整流器，準諧振開關模組包含一電感、一電容及一開關，開關與電容並聯後連接於電感與壓電振盪器之間，係將直流電壓作諧振以產生一電感電流；壓電諧振器係連接準諧振開關模組並接收電感電流，並將其予以諧振濾波後，使其產生一弦波電流；及發光二極體模組係連接壓電諧振器並接收弦波電流，將其經整流為直流電流後並驅動之。
底下藉由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。
請參閱第1圖，為本發明之第一實施例示意圖。壓電諧振式發光二極體驅動電路包括一整流器10、一準諧振開關模組12、一壓電諧振器14、一發光二極體模組16及一整流電路18。準諧振開關模組12連接於整流器10與壓電諧振器14之間，整流電路18是連接於壓電諧振器14連接於發光二極體模組16之間。其中，準諧振開關模組12包含一電感122、一電容124及一開關126，開關126的汲極(drain)和電容124並聯後連接於電感122與壓電諧振器14之間；電感122連接於整流器10與開關126之間；壓電諧振器14連接於電容124與整流電路18之間。
整流器10係接收市電所輸入的交流電壓(VAC )，並將其整流為正半週的直流電壓(VDC )，其中整流器10可為蕭特基障壁二極體(SBD)、快速回復二極體(FRD)、齊納二極體(ZD)等橋式整流器。請同時參閱第2圖及第3圖，第2圖為本發明之準諧振開關模組12在開關截止時之等效電路圖，第3圖為本發明之準諧振開關模組12運作時的波形圖。準諧振開關模組12接收直流電壓，若開關126為導通狀態時，如波形圖所示時間區間為t0-t1，此時直流電壓開始對電感122充電，使電感122上的電流增加，其跨壓為VDC 。開關126為截止狀態時，如波形圖所示時間區間為t1-t2，此時電感122與電容126開始諧振，據此產生一電感電流(iLin )與一電容電壓(VC )；詳言之，諧振時，電感122開始對電容124放電，使電容124開始充電，其上電容電壓由低電壓準位上升為高電壓準位，此時的電容電壓為最大值(例如為兩倍的VDC )。藉由壓電諧振器14諧振濾波特性，可使通過壓電諧振器14的電感電流經濾波後形成弦波電流(即為壓電電流)，並傳送至整流電路18，其將弦波電流整流為一直流電流，即可驅動發光二極體模組16發光。當電容電壓從高電壓準位回復至低電壓準位(VC =0)時，開關126上的一寄生二極體128即導通，並強迫諧振停止。舉例來說，當開關126仍維持截止狀態時，諧振結束後如波形圖所示時間區間為t2-t0，此時寄生二極體128上的二極體電流與壓電諧振器14上的壓電電流(ipiezo )相等。由於電容124上的跨壓為0，使電感上的跨壓為VDC ，電感122即開始充電。在t2-t0區間結束時，開關126再次切換為導通狀態，也就是重複執行區間t0-t1；此時電容124上的跨壓為0，如此一來，即可達到零電壓切換之功效，進而降低開關126損耗。值得注意的是，可利用準諧振開關模組12將直流電壓(VDC )的頻率提升到接近或大於壓電諧振器14的操作頻率，才能確保達到零電壓切換之功效，如下各操作頻率之關係式：
其中，Lin 為電感122之電感值，C為電容124之電容值，fSW 為開關126之切換頻率，fpiezo 為壓電諧振器14之諧振濾波頻率。
電感122及電容124之諧振頻率係大於開關126之切換頻率及壓電諧振器14之諧振濾波頻率(即為操作頻率)，且開關126之切換頻率又大於壓電諧振器14之諧振濾波頻率。
再如第4圖所示，為本發明之第二實施例示意圖，其與第一實施例差異在於：可串聯一濾波電感20於電容124與壓電諧振器14之間。濾波電感20用以過濾準諧振開關模組12於諧振時所產生的雜訊，同時可加強壓電諧振器14之濾波性，例如阻隔壓電諧振器14上的寄生電容產生的雜訊，進而讓壓電電流的弦波特性達到最佳化。
如第5圖所示，為本發明之第三實施例示意圖，其與第二實施例差異在於：將電感122與濾波電感20繞設於同一鐵心22上，形成一自耦合變壓器，用以提升傳輸電壓的能力，也就是說，可以提升電感122及濾波電感20上的電感電壓。
如第6圖所示，為本發明之第四實施例示意圖，其與第一實施例差異在於：發光二極體模組16本身具有整流特性，會將壓電諧振器14所提供的弦波電流整流為可驅動內部發光二極體元件162之直流電流，如此即可減少整流電路之成本，進而讓整體發光二極體驅動電路設計更為簡單化及體積輕薄化，極具市場競爭優勢。
如第7圖所示，為本發明之第五實施例示意圖，其與第一實施例差異在於：增設一變壓器24，其連接於壓電諧振器14與整流電路18之間，變壓器24係用以隔離準諧振開關模組12於諧振時所產生的雜訊，或者變壓器24可增加發光二極體模組16之驅動電壓。
如第8圖所示，為本發明之第六實施例示意圖，其與第一實施例差異在於：增設一間歇震盪電路(blocking oscillator)，達成自諧振效果，且間歇震盪電路與準諧振開關模組12之作動原理相同，由於兩者內部電路設計略有不同，故電路之能量傳遞方式略有不同，容後詳述。間歇震盪電路26包含第一電感28、第二電感30、一電阻32和一BJT開關34。第一電感28與第二電感30反向同繞於一鐵心36上，電阻32連接於第一電感28和BJT開關34基極(base)之間，BJT開關34之射極(collector)與電容38並聯後連接於第二電感30與壓電諧振器14之間。當間歇震盪電路26啟動時，一電流(i2 )經由第一電感28和電阻32導通BJT開關34。當BJT開關34導通後，第二電感30開始充電；同時，因第一電感28和第二電感30反向耦合之故，第二電感30之基極電流(ib )開始減少，如第9圖所示，圖中所示時間區間為t2-t0。當基極電流(ib )相對於射極電流(ic )過小時，BJT開關34截止。其截止關係式為：
i b ＜i c /β
其中i b 為基極電流、i c 為射極電流，而β 為BJT開關34之放大倍數。當開關34截止後，第二電感30與電容38諧振，如圖中所示時間區間為t1-t2。第二電感30與電容38諧振結束後，輸入端電流(i2 )再次經由第一電感28和電阻32導通BJT開關34。值得注意的是，圖中所示t0和t2為同一點，於是，在此實施例中，BJT開關34不需要外接主動的觸發訊號，而僅需要一線圈和一電阻32，可大幅降低電路成本。
由第9圖的波形圖可得知，間歇振盪器在t0(時間軸約1.065處)至t1(時間軸約1.095處)間時，BJT開關34導通，此時第二電感30充電。在t1(1.095處)至t0(這裡指的是1.105)區間時，BJT開關34斷開，此時第二電感30放電，第二電感30和壓電諧振器14一起諧振，此時壓電電壓Vc 波形同第3圖t1至t2區間。需要注意的是，在間歇振盪器的實施例中，BJT開關34在電感30與壓電諧振器14的共振結束後，BJT開關34立即導通。因此，在此實施例中，第3圖中的t0和t2重合。由於間歇振盪電路26的第二電感30可提供第一實施例相同的iLin- (請比較第3圖和第9圖的iLin 波形)，能使壓電諧振器14諧振傳遞能量，因而驅動發光二極體模組16。
綜上所述，本發明利用單開關取代習知所使用雙開關的半橋設計，不僅於諧振時能達到零電壓切換來有效降低開關損耗，亦能達到降低電路成本之功效。
唯以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，並非用來限定本發明實施之範圍。故即凡依本發明申請範圍所述之特徵及精神所為之均等變化或修飾，均應包括於本發明之申請專利範圍內。
10．．．整流器
12．．．準諧振開關模組
122．．．電感
124．．．電容
126．．．開關
128．．．寄生二極體
14．．．壓電諧振器
16．．．發光二極體模組
18．．．整流電路
20．．．濾波電感
22．．．鐵心
24．．．變壓器
26．．．間歇振盪電路
28．．．第一電感
30．．．第二電感
32．．．電阻
34．．．BJT開關
36．．．鐵心
38．．．電容
第1圖為本發明之第一實施例示意圖。
第2圖為本發明之準諧振開關模組在開關截止時之等效電路圖。
第3圖為本發明之準諧振開關模組運作時的波形圖。
第4圖為本發明之第二實施例示意圖。
第5圖為本發明之第三實施例示意圖。
第6圖為本發明之第四實施例示意圖。
第7圖為本發明之第五實施例示意圖。
第8圖為本發明之第六實施例示意圖。
第9圖為本發明之準諧振開關模組運作時的另一波形圖。
10．．．整流器
12．．．準諧振開關模組
122．．．電感
124．．．電容
126．．．開關
128．．．寄生二極體
14．．．壓電諧振器
16．．．發光二極體模組
18．．．整流電路

Claims (6)

  1. 一種壓電諧振式發光二極體驅動電路，包括：一整流器，係接收一交流電壓，將其整流為一直流電壓；一準諧振開關模組，連接該整流器，該準諧振開關模組包含一電感、一電容及一開關，該開關與該電容並聯後連接於該電感與該電容之間，係將該直流電壓作諧振以產生一電感電流；一壓電諧振器，係連接該準諧振開關模組並接收該電感電流，並將其予以諧振濾波後，使其產生一準弦波電流，該電感及該電容之諧振頻率係大於該開關之切換頻率及該壓電諧振器之諧振濾波頻率，且該開關之切換頻率大於該壓電諧振器之諧振濾波頻率；及一發光二極體模組，係連接該壓電諧振器並接收該準弦波電流，將其經整流為直流電流後並驅動之。
  2. 如請求項1所述之壓電諧振式發光二極體驅動電路，其中該開關為導通時，該直流電壓開始對該電感充電，使其該電感電流增加，該開關為截止時，該電感對該電容放電，使該電容開始充電，使該電容之電壓由低電壓準位升為高電壓準位。
  3. 如請求項1所述之壓電諧振式發光二極體驅動電路，更包含一整流電路，連接於該壓電諧振器與該發光二極體模組之間，該整流電路係接收該弦波電流，並將其整流為一直流電流，使其驅動該發光二極體模組發光。
  4. 如請求項3所述之壓電諧振式發光二極體驅動電路，更包含至少一變壓器，連接於該壓電諧振器與該整流電路之間，用以隔離該準諧振開關模組於諧振時所產生的雜訊或增加該發光二極體模組之驅動電壓。
  5. 如請求項1所述之壓電諧振式發光二極體驅動電路，更包含一濾波電感，串聯於該電容與該壓電諧振器之間，係過濾該準諧振開關模組於諧振時所產生的雜訊。
  6. 如請求項5所述之壓電諧振式發光二極體驅動電路，其中該電感與 該濾波電感可繞於同一鐵心上，形成一自耦合變壓器，予以提升該電感之電感電壓。
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