TWI462640B - Adaptive LED dimming drive circuit - Google Patents

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TWI462640B TW101149726A TW101149726A TWI462640B TW I462640 B TWI462640 B TW I462640B TW 101149726 A TW101149726 A TW 101149726A TW 101149726 A TW101149726 A TW 101149726A TW I462640 B TWI462640 B TW I462640B
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Description

適應性LED調光驅動電路
本發明係屬於發光二極體(Light Emitting Diode,LED)電源設備之技術領域，特別是關於一種支援雙向三極閘流體(TRI-electrode AC switch,TRIAC)線性調光之適應性LED調光驅動電路，以透過即時檢測輸入電能漣波壓差的方式彈性補償輸出之驅動電能，使改善整體電路之工作效率並避免LED頻閃問題的產生。
目前，LED燈具之驅動電路為線性調整LED光亮度係多採用TRIAC切換一輸入電壓導通角的方式實現，且為維持穩定功率而改善照明品質則多採用定電流設計架構，其使LED串接一電晶體及一感測電阻，以藉該感測電阻感測流經LED之一驅動電流而於兩端形成一壓降，再利用一比較器比較該壓降後輸出高準位或低準位切換訊號至該電晶體，以導通或截止該電晶體而適時調整脈波寬度調變(Pulse Width Modulation,PWM)訊號之空佔比。如此，透過PWM訊號導通周期之長短即可控制輸出之驅動電壓大小而影響驅動電流大小及LED發光亮度。
如圖1所示，於輸入電壓120V時，實際量測上述習知線性調光之驅動電路可獲LED 7.3瓦(W)功率、整體電路效率69.1%及功率因數(PF)0.908，由此可知， 此驅動電路架構簡單且可獲高PF，然而，此圖亦可發現，即使LED亮度已調至最強光亮，LED耗電瓦數仍隨輸入電壓的上升而增加，嚴重損害能源轉換效率。另一方面，LED受製程影響係具有不同物理特性而呈現不同阻值，致使各組串LED之流入電流或兩端跨壓並不完全相同，如此，前述調光方法將因電壓與電流之改變量不一致而影響整體電路效率並出現調光效果不精確的問題。並且，利用變壓器或電感實現PWM訊號空佔比切換的電路架構係具有電磁干擾(Electromagnetic Interference,EMI)及頻閃等問題，此時，若增加安規元件則造成整體電路之工作效率降低而不利於實用，而若增設額外電路提供TRIAC基準工作電流即因保持電流於LED調至最大發光亮度時仍持續工作而形成高虛功耗。
有鑑於此，如何改善現行線性調光之電路架構，以透過簡單的檢測電路適時調整TRIAC保持電流而使驅動電流維持於定值狀態的同時有效減少虛功耗，再者，因應LED物理特性，利用簡單的電路架構實現輸入電壓之高壓補償而切實提升整體電路工作品質並有效改善LED發光功率，即為本發明所探究之課題。
有鑑於習知技藝之問題，本發明之目的在於提供一種高效率之適應性LED調光驅動電路，以透過線性調節的方式控制輸出之驅動壓能大小而避免LED閃爍並保 持TRIAC調光特性。
根據本發明之目的，該適應性LED調光驅動電路係裝設於一燈板上，供以驅動並線性調整至少一發光二極體之照明亮度，設有一調光模組、一整流模組及一控制模組，該整流模組透過該調光模組電訊連接一外部電源，該控制模組電訊連接該整流模組及該發光二極體，且該控制模組具有一控制晶片、一調節器及一感測電阻，該發光二極體透過串接之該調節器及該感測電阻耦接該控制晶片，使該感測電阻感測流經該發光二極體之一驅動電流ILED 後形成一感測值反饋予該控制晶片，以利用一參考值比較該感測值而控制該調節器調節該驅動電流，其特徵在於：該整流模組透過並接之一穩壓電容耦接該調光模組；該控制模組設有一第一電阻、一第二電阻、一保持器、一第三電阻及一第四電阻，該保持器電訊連接該整流模組、該第一電阻、該第二電阻及該控制晶片，且該第一電阻耦接該第二電阻及該控制晶片；該第三電阻電訊連接該整流模組及該控制晶片，該第四電阻一端耦接該發光二極體及該控制晶片，而另一端耦接該調節器及該感測電阻；當該整流模組輸出一輸入電壓而形成一輸入電流Iin 時，該控制晶片驅動該保持器輸出一保持電流Ihold 予該第二電阻，以藉該第二電阻消耗該輸入電壓而維持該調光模組正常工作；該第一電阻分壓該輸入電壓而供該控制晶片即時檢測該調光模組之調光強度，以於該輸入電流滿足Iin =Ihold +ILED 關係式的條件下，使該保持電流於該發光二極體調至最大光亮度時具有最小流值而提升工作效率；當該輸入電壓上升時， 該第四電阻兩端跨壓增加而補償該感測電阻兩端跨壓，以降低該驅動電流而達恆定功率狀態，且該第三電阻分壓並檢測該輸入電壓之漣波值，當該輸入電壓降低且該漣波值小於一基準值時，該控制晶片降低該參考值，以避免該發光二極體出現閃爍現象。
由此可知，本發明之電路架構並非利用變壓器或電感進行PWM訊號的切換，故無EMI干擾問題而可無需安規元件的設置，有利減少成本，且適時檢測輸入壓能而調節TRIAC保持電流的大小，以避免LED調節至最強光亮度時仍輸出有保持電流而導致功率虛耗及釋放過多熱能等問題的發生，使達改善整體電路效率而保有0.9以上之高功率因數、穩定照明品質及提升產品壽命之功效。再者，透過該第三電阻即時檢測該輸入電壓之漣波值，可於調低LED亮度而減小該輸入電流時適時降低該控制晶片判斷是否驅動該調節器之參考電壓位準，以避免LED出現頻閃現象。
為使 貴審查委員能清楚了解本發明之內容，謹以下列說明搭配圖式，敬請參閱。
請參閱第2~4圖，其係為本發明較佳實施例之一實施態樣方塊圖及之二實施態樣方塊圖、電路圖。如圖所示，該適應性LED調光驅動電路1一般可裝設於一燈具之燈板上，供以轉換一外部電源2之壓能而驅動並線性調整至少一發光二極體3之照明亮度，其設有一調光模組10、一整流模組11及一控制模組12。該調光模組10為TRIAC線性調光電路，而該整流模組11為橋式全波 整流電路，其兩端並接一穩壓電容110後透過該調光模組10耦接該外部電源2，以整流該外部電源2之交流電壓形成可變直流之一輸入電壓。此時，藉該調光模組10調整該交流電壓之相位導通角即可改變該整流模組11輸出之該輸入電壓總壓值，使影響輸出予該發光二極體3之一驅動電壓而調節發光亮度，且該穩壓電容110為電解電容，可供降低電流漣波而避免TRIAC調光瞬間產生突波電壓損壞電子元件，形成電路保護之功效。
該控制模組12電訊連接該整流模組11及該發光二極體3，具有一保持器120、一第一電阻121、一第二電阻122、一第三電阻123、一控制晶片124、一第四電阻125、一調節器126及一感測電阻127，且該控制晶片124至少具有HV、VDD、GATE、CS及GND等五腳位並設有一穩壓器1240、一運算放大器1241、一過溫保護器1242及一電壓產生器1243。該保持器120為電晶體而一端電訊連接該橋式全波整流電路之輸出端，一端耦接該第一電阻121及該第二電阻122，且閘極耦接該控制晶片124。該第一電阻121兩端分別耦接該第二電阻122及該控制晶片124。該第三電阻123耦接該整流模組11之輸出端及該控制晶片124。該第四電阻125一端電訊連接該發光二極體3且透過該控制晶片124之CS腳位耦接該運算放大器1241之負輸入端，其另一端耦接該感測電阻127。該調節器136為電晶體而一端耦接該發光二極體3，一端耦接該感測電阻127，且閘極透過該控制晶片124之GATE腳位耦接該運算放大器1241之輸出端，又該調節器136可置於該燈板之表面上而提升散熱 效率。
並且，高壓線性之該穩壓器1240透過一限流電阻128耦接該整流模組11之輸出端，該運算放大器1241之正輸入端耦接該電壓產生器1243而輸出端耦接該過溫保護器1242，以避免過溫損壞整體電路。該整流模組11輸出該輸入電壓而形成一輸入電流Iin 時，該穩壓器1240降壓形成驅動該控制晶片134工作之穩定壓能而驅動該保持器120輸出一保持電流Ihold 予該第二電阻122，以藉該第二電阻122消耗該輸入電壓即可維持該調光模組10正常工作。如此，調整該第二電阻122之阻值即可改變該保持電流之流值大小，使可廣泛適用於不同規格之各式TRIAC調光模組10，且該限流電阻128限制該穩壓器1240輸出之壓能大小而形成保護作用。同時，該第一電阻121即時檢測該輸入電壓而於兩端分壓形成跨壓，以供該控制晶片124利用一比較值進行比較而驅動該保持器120調節該保持電流之大小。又，該輸入電流滿足Iin =Ihold +ILED 關係式，故該控制晶片1240係對應該輸入電流的變化而調節該保持器120，以使該保持電流於該發光二極體3調至最大光亮度時具有最小流值而提升工作效率。
該感測電阻127感測流經該發光二極體3之一驅動電流ILED 後形成一感測值反饋予該控制晶片124，以供該控制晶片124利用一參考值比較該感測值而控制該調節器126調節該驅動電流。當該輸入電壓上升而使該發光二極體3所承接之該驅動電壓上升時，該調節器126兩端跨壓增加，同樣地，該第四電阻125兩端跨壓亦增 加而供補償該感測電阻127兩端跨壓。然，若該電壓產生器1243提供固定之0.5V予該運算放大器1241時，該第四電阻125與該感測電阻127兩端壓降應固定為0.5V，如此，受該第四電阻125形成之補償功效，流經該感測電阻127之電流將減少而有效降低該驅動電流，穩定發光效率的同時避免LED因過壓而損壞。反之，當該輸入電壓下降時，該第四電阻125與該感測電阻127兩端跨壓隨之降低，使該控制晶片124驅動該調節器126而增加該驅動電流，以於該驅動電壓因各LED物理特性的不同而有所變動時即適時進行高低壓補償。如此，如圖5之實際量測結果所示，該輸入電流呈現近似弦波之波形且當該輸入電壓120V時，LED功率6W、整體電路效率66.9%、PF 0.926，且即使該輸入電壓再往上增壓，LED之耗電功率仍維持於一範圍內而不隨之增加，達恆定功率狀態。
特別注意的是，該第三電阻123係分壓並檢測該輸入電壓之漣波值，當該輸入電壓降低而使該漣波值小於一基準值，例如該輸入電壓低於40V而使該漣波值小於0.5V時，該控制晶片124可利用額外的放大器降低該參考值，以避免該控制晶片124不斷調節該調節器126而導致該發光二極體3出現閃爍現象或工作異常等問題發生。
本實施例中，該發光二極體3並接大容值之一驅動電容129，以充放該驅動電流而增強電路抗雜訊能力，形成穩壓及保護LED之功效。
以上所述僅為舉例性之較佳實施例，而非為限制性 者。任何未脫離本發明之精神與範疇，而對其進行之等效修改或變更，均應包含於後附之申請專利範圍中。
1‧‧‧適應性LED調光驅動電路
10‧‧‧調光模組
11‧‧‧整流模組
110‧‧‧穩壓電容
12‧‧‧控制模組
120‧‧‧保持器
121‧‧‧第一電阻
122‧‧‧第二電阻
123‧‧‧第三電阻
124‧‧‧控制晶片
1240‧‧‧穩壓器
1241‧‧‧運算放大器
1242‧‧‧過溫保護器
1243‧‧‧電壓產生器
125‧‧‧第四電阻
126‧‧‧調節器
127‧‧‧感測電阻
128‧‧‧限流電阻
129‧‧‧驅動電容
2‧‧‧外部電源
3‧‧‧發光二極體
Iin ‧‧‧輸入電流
Ihold ‧‧‧保持電流
ILED ‧‧‧驅動電流
第1圖 係為習知無高壓回授補償之LED功率變化量測圖。
第2圖 係為本發明較佳實施例之一實施態樣方塊圖。
第3圖 係為本發明較佳實施例之二實施態樣方塊圖。
第4圖 係為本發明較佳實施例之二實施態樣電路圖。
第5圖 係為本發明較佳實施例之二實施態樣之LED功率變化量測圖。
1‧‧‧適應性LED調光驅動電路
10‧‧‧調光模組
11‧‧‧整流模組
110‧‧‧穩壓電容
12‧‧‧控制模組
120‧‧‧保持器
121‧‧‧第一電阻
122‧‧‧第二電阻
123‧‧‧第三電阻
124‧‧‧控制晶片
125‧‧‧第四電阻
126‧‧‧調節器
127‧‧‧感測電阻
128‧‧‧限流電阻
129‧‧‧驅動電容
2‧‧‧外部電源
3‧‧‧發光二極體
Iin ‧‧‧輸入電流
Ihold ‧‧‧保持電流
ILED ‧‧‧驅動電流

Claims (5)

  1. 一種適應性LED調光驅動電路，係裝設於一燈板上，供以驅動並線性調整至少一發光二極體之照明亮度，設有一調光模組、一整流模組及一控制模組，該整流模組透過該調光模組電訊連接一外部電源，該控制模組電訊連接該整流模組及該發光二極體，且該控制模組具有一控制晶片、一調節器及一感測電阻，該發光二極體透過串接之該調節器及該感測電阻耦接該控制晶片，使該感測電阻感測流經該發光二極體之一驅動電流ILED 後形成一感測值反饋予該控制晶片，以利用一參考值比較該感測值而控制該調節器調節該驅動電流，其特徵在於：該整流模組透過並接之一穩壓電容耦接該調光模組；該控制模組係設有一第一電阻、一第二電阻、一保持器、一第三電阻及一第四電阻，該保持器電訊連接該整流模組、該第一電阻、該第二電阻及該控制晶片，且該第一電阻耦接該第二電阻及該控制晶片；該第三電阻電訊連接該整流模組及該控制晶片，該第四電阻一端耦接該發光二極體及該控制晶片，而另一端耦接該調節器及該感測電阻；當該整流模組輸出一輸入電壓而形成一輸入電流Iin 時，該控制晶片驅動該保持器輸出一保持電流Ihold 予該第二電阻，以藉該第二電阻消耗該輸入電壓而維持該調光模組正常工作；該第一電阻分壓該輸入 電壓而供該控制晶片即時檢測該調光模組之調光強度，以於該輸入電流滿足Iin =Ihold +ILED 關係式的條件下，使該保持電流於該發光二極體調至最大光亮度時具有最小流值而提升工作效率；當該輸入電壓上升時，該第四電阻兩端跨壓增加而補償該感測電阻兩端跨壓，以降低該驅動電流而達恆定功率狀態，且該第三電阻分壓並檢測該輸入電壓之漣波值，當該輸入電壓降低且該漣波值小於一基準值時，該控制晶片降低該參考值，以避免該發光二極體出現閃爍現象。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之適應性LED調光驅動電路，其中該調光模組係為雙向三極閘流體線性調光電路，供接收並調整該外部電源之相位導通角而改變該輸入電壓，使影響輸出予該發光二極體之一驅動電壓而調節發光亮度，且該整流模組為橋式全波整流電路，又該穩壓電容為電解電容，以供降低電流漣波而形成電路保護。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之適應性LED調光驅動電路，其中該第一電阻分壓該輸入電壓而於兩端形成一跨壓，且該控制晶片比較該跨壓及一比較值，以對應該輸入電流而驅動該保持器調節該保持電流之大小。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之適應性LED調光驅動電路，其中該控制晶片設有一穩壓器及一運算放大器，該運算放大器之正輸入端耦接該第三電阻， 負輸入端耦接該第四電阻，輸出端耦接該調節器，且該穩壓器透過一限流電阻耦接該整流模組之輸出端，以藉該限流電阻限制啟動該控制晶片工作之壓能。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之適應性LED調光驅動電路，其中該調節器係為電晶體，置於該燈板之表面上而提升散熱效率，且該發光二極體並接一驅動電容，以充放該驅動電流而增強電路抗雜訊能力。
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