TWI465153B - 波谷同步穩壓及功率因數修正之led驅動系統 - Google Patents

波谷同步穩壓及功率因數修正之led驅動系統 Download PDF

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Description

波谷同步穩壓及功率因數修正之LED驅動系統
本發明涉及驅動系統之領域，特別是有關於發光元件之驅動系統之領域。
近年來，用於照明上的發光二極體(Light emitting diode,LED)交直流轉換驅動技術不斷改進，如各種線性(Linear)電源驅動及開關式電源(Switching power)驅動不斷的被設計出來，而開關式電源驅動又分隔離式、非隔離式及它們衍生出來的各種拓樸(topology)架構，這些不同的驅動方式，目標都在希望能在功率因數、效率、控制器供電、光源閃爍、調光、安全規範及成本等主要議題的取捨上，讓消費者選擇較能接受的解決方案。
如傳統的LED驅動電路，在控制器供電的問題上，主要是採取自我回授供電的方式(Self-Powered)，此方法的主問題是變壓器必須繞製額外的線圈、較慢的起動速度、電源開關漏電時造成誤起動等；而非自我回授供電的方式(Non Self-Powered)，則使用線電壓直接降壓供電，因此浪費較多電能，降低了整體的轉換效率。另外，在傳統的功率因數修正(Power factor correction,PFC)方面，都是以類比的方式取得交流電壓的波形來修正參考電壓， 此方法無法根據所採用各種不同的驅動型式調整電流波形進行功率因數及電流諧波的最佳化，並且在控制器方面必須增加額外的接腳進行波形偵測，增加了控制器的成本。
有鑑於上述習知技藝之問題，本發明之目的就是在提供一種波谷同步穩壓及功率因數修正之發光二極體(Light emitting diode,LED)驅動系統，以解決習知之電能轉換效率與LED驅動方式之問題。
根據本發明之目的在於提供一種波谷同步穩壓及功率因數修正之發光二極體(Light emitting diode,LED)驅動系統，用於驅動LED發光元件，其包含波谷偵測穩壓單元以及控制及回授單元。其中，波谷偵測穩壓單元電性連接至整流單元，該整流單元接收交流電壓並全波整流成直流電壓，直流電壓維持交流電壓之波形，波谷偵測穩壓單元使輸入電壓在低於預設波谷電壓時，將電能儲存於儲電容器，再經由系統供電單元轉換成LED驅動系統內各單元所需之電源電壓；控制及回授單元電性連接至LED驅動電路，LED驅動電路接收整流單元之直流電壓，經控制及回授單元提供功率因數修正(Power factor correction,PFC)、調光及調色溫之控制，驅動LED發光元件發光，並偵測LED驅動電路中之回授訊號以控制LED驅動電路之輸出電流或提供保護措施。
較佳地，LED驅動電路進一步包含防止電源開關漏電單元，將指示燈電源開關之漏電電流導向假負載，避免微弱電流使電壓上升造成系統誤啟動。
較佳地，此波谷同步穩壓及功率因數修正之LED驅動系 統在啟動後再以變壓器之二次側或電感自我饋電方式反饋供電。
較佳地，進一步包含功率因數修正單元，電性連接至控制及回授單元，功率因數修正單元具有數位數值表，記錄功率因數最佳化數值，當同步訊號觸發時，數位數值表從起始位置開始逐一輸出。
較佳地，進一步包含波谷同步單元，電性連接於波谷偵測穩壓單元與功率因數修正單元之間，波谷同步單元可分析輸入之儲電控制邏輯以輸出波谷同步信號，作為觸發功率因數修正單元之該同步訊號。
較佳地，進一步包含動態參考電壓產生單元，電性連接於功率因數修正單元與控制及回授單元之間，動態參考電壓產生單元將功率因數最佳化數值經過數位/類比轉換(DAC)產生不斷變換的電壓值，以控制LED驅動電路之電流大小。
較佳地，LED驅動電路包含隔離式、非隔離式及各種衍生之電路拓樸(Topology)。
承上所述，依本發明之波谷同步穩壓及功率因數修正之LED驅動系統，其可具有一或多個下述優點：
(1)此波谷同步穩壓及功率因數修正之LED驅動系統可汲取不大於預設波谷電壓門檻值時之電能，而非全波段之電能，減少能量之耗損。
(2)此波谷同步穩壓及功率因數修正之LED驅動系統可利用功率因數修正單元之數值對LED驅動電路進行修正，提升系統之轉換效率。
茲為使 貴審查委員對本發明之技術特徵及所達到之功效有更進一步之瞭解與認識，謹佐以較佳之實施例及配合圖式與詳細之說明如後。
1‧‧‧波谷同步穩壓及功率因數修正之LED驅動系統
10‧‧‧波谷偵測穩壓單元
10a‧‧‧1.2V比較器
10b‧‧‧12V比較器
11‧‧‧儲電容器
12‧‧‧系統供電單元
13‧‧‧控制及回授單元
14‧‧‧功率因數修正單元
15‧‧‧波谷同步單元
16‧‧‧數位功率因數修正單元
17‧‧‧動態參考電壓產生單元
20‧‧‧整流單元
21‧‧‧LED驅動單元
22‧‧‧LED發光元件
Q1‧‧‧第一電晶體
Q2‧‧‧第二電晶體
Q3‧‧‧第三電晶體
C1‧‧‧充電電容
Z1‧‧‧齊納二極體
R1~R5‧‧‧電阻
第1圖係為本發明之波谷同步穩壓及功率因數修正之LED驅動系統第一實施例之示意圖。
第2圖係為本發明之波谷同步穩壓及功率因數修正之LED驅動系統第二實施例之示意圖。
第3圖係為本發明之波谷同步穩壓及功率因數修正之LED驅動系統第三實施例之示意圖。
第4圖係為本發明之波谷偵測穩壓單元之電路示意圖。
第5圖係為本發明之波谷偵測穩壓單元之波形示意圖。
第6圖係為本發明之功率因數修正單元之波形示意圖。
以下將參照圖式更詳盡地對各實施例加以說明；然此些實施例均可以實施為不同之形式，故不應視為僅限制於此處提出之實施例。更確切言之，此些實施例是用以使本發明之揭示更為周密及完整，並能充分傳達出本發明之範疇予熟習於相關技術之通常知識者。
請參閱第1圖，其係為本發明波谷同步穩壓及功率因數修正之LED驅動系統第一實施例之示意圖。如圖所示，本發明之波谷同步穩壓及功率因數修正之LED驅動系統1可包含波谷偵測穩壓單元10、儲電容器11、系統供電單元12及控制及回授單元 13。其中，波谷偵測穩壓單元10電性耦接至整流單元20，整流單元20可接收外部之交流電源(AC Line Voltage)並整流成弦波變化的直流電壓，波谷偵測穩壓單元10可接收輸入電壓並與定義之波谷電壓門檻值比對，再輸入電壓低於波谷電壓門檻值時，對連接之儲電容器11進行充電，儲電容器11再連接至系統供電單元12，將儲存之電能量轉換成系統所需的各種電源電壓以供波谷偵測穩壓單元10或控制及回授單元13使用。另外，控制及回授單元13電性耦接至LED驅動電路21，LED驅動電路21接收整流單元20輸出之電壓，經由控制及回授單元13提供各種如功率因數修正(PFC)或階段調光(Step Dimming)等控制驅動LED發光元件22進行發光，同時，控制及回授單元13也偵測LED驅動電路21中各種回授訊號以控制LED輸出電流及做各種保護，在此處之LED驅動電路21可設計成各種隔離、非隔離及其不同的拓撲(Topology)型式，而電性耦接至LED驅動電路21之LED發光元件22則可為各種串並聯不同電壓電流之複數個發光二極體(LEDs)。
於波谷同步穩壓及功率因數修正之LED驅動系統1操作過程中，波谷偵測穩壓單元10將對電壓門檻值與電壓準位進行比較。舉例來說，進行數值之絕對大小的比較或是數值之相對比例的比較。應注意的是，為便於描述及說明，後述之實施例係採用數值之大小比較，但不應以此侷限本發明。當波谷偵測穩壓單元10比較出電壓準位不大於波谷電壓門檻值時，波谷偵測穩壓單元10將使輸入線電壓對儲電容器11充電，並透過系統供電單元12，將儲電容器11中的電能轉換成系統所需的各種電源電壓。另一方面，當波谷偵測穩壓單元10比較出電壓準位大於波谷電 壓門檻值或電容器電壓大於所需的設計電壓時，波谷偵測穩壓單元10將不提供輸入線電壓予電容充電以避免高壓供電時的電能浪費，而此時亦是由系統供電單元12從電容器放電中提供系統所需之電能。
此外，整流單元20可以為橋式整流器及二極體的組合。且波谷偵測穩壓單元10用來決定波谷電壓準位的部分，可由複數個分壓電阻、比較器及參考電壓所組成。其中，波谷電壓準位將由系統供電時可接受的功率損耗來調整。
另一方面，波谷偵測穩壓單元10可由複數個電阻、第一電晶體、第二電晶體及比較器所組成，並根據第一電晶體導通第二電晶體截止時，複數個電阻之分壓及比較器之比較電壓設定波谷的電壓門檻準位。例如可包含第一電晶體、第二電晶體以及齊納二極體，於電路邏輯上來說，其中當電壓準位大於波谷電壓門檻值時，第一電晶體導通、第二電晶體不導通、齊納二極體不導通以使儲電元件不被充電；當電壓準位不大於電壓門檻值時，第一電晶體不導通、第二電晶體導通、齊納二極體導通以使儲電元件可被充電。當比較器偵測到電容器充電至預定電壓且線電壓高於波谷電壓時，波谷偵測及充電邏輯可發出控制信號以斷開線電壓對電容器之充電，其中，電容器達到預定電壓之範圍實質上可設計於8伏特至30伏特之間。第一電晶體與第二電晶體可為金氧半場效電晶體(CMOS FET)，此處僅先描述各該電子元件之間的邏輯關係，詳細的電路連接方式將於第4圖進行說明。
請參閱第2圖，其係為本發明之波谷同步穩壓及功率因數修正之LED驅動系統之第二實施例之示意圖。如圖所示，在第二實施例與第一實施例中，相同或相似的元件與元件之間的連結 係代表相同的作動方式，故於此不再贅述。然第二實施例與第一實施例不同的地方在於第二實施例之波谷同步穩壓及功率因數修正之LED驅動系統1進一步包含了功率因數修正單元14，功率因數修正單元14電性連接至控制及回授單元13，控制及回授單元13可經由LED驅動電路21提供之回授訊號，由功率因數修正單元14提供對應於回授訊號修正後的數值來進行輸出電流修正，以控制LED發光元件22的輸出電流，使交流線電壓的電流波形及相位達到最佳化。
請參閱第3圖，其係為本發明之波谷同步穩壓及功率因數修正之LED驅動系統之第三實施例之示意圖。如圖所示，在第三實施例與第一實施例中，相同或相似的元件與元件之間的連結係代表相同的作動方式，故於此不再贅述。然第三實施例與第一實施例不同的地方在於第三實施例之波谷同步穩壓及功率因數修正之LED驅動系統1進一步包含了波谷同步單元15、數位功率因數修正單元16與動態參考電壓產生單元17。波谷同步單元15電性連接至波谷偵測穩壓單元10，波谷同步單元15在波谷偵測穩壓單元10輸出的充電訊號中，找出最佳波谷同步的起始點，讓驅動LED發光元件22的電流相位對齊交流線電壓相位；數位功率因數修正單元16電性連接至波谷同步單元15，數位功率因數修正單元16內部有一個數位的參考電壓數值表，記錄著一串讓功率因數最佳化的數值，每次同步訊號發起時，數值表就會從起始位置開始逐一輸出；動態參考電壓產生單元17電性連接至數位功率因數修正單元16，動態參考電壓產生單元17將輸入的數值經過數位/類比轉換(DAC)產生不斷變換的參考電壓；控制及回授單元13電性連接接至動態參考電壓產生單元17，控制及回 授單元13可驅動各種拓樸(Topology)之LED驅動電路21，也偵測LED驅動電路21中各種回授訊號以控制LED發光元件22輸出電流及做各種保護。
應值得注意的是，波谷同步單元15提供給數位功率因數修正單元16之信號至少包含波谷同步觸發訊號。波谷同步單元15可藉由量測線電壓波形在不大於電壓門檻值時之波段時間之長度，並將波段時間之長度除以二則可得到波谷同步觸發訊號。而數位功率因數修正單元16，則可根據每次的觸發信號使內含數值表從起始位置開始逐一輸出。
請同時參閱第4圖與第5圖，其分別為本發明之波谷同步穩壓及功率因數修正之LED驅動系統實施例之電路示意圖以及此實施例之波形示意圖。如第4圖所示，波谷偵測穩壓單元10可包含有第一電晶體Q1、第二電晶體Q2、第三電晶體Q3、充電電容C1、齊納二極體Z1以及電阻R1~R5。整流單元20接收外部交流線電壓電源，例如AC電源，整流後輸出至波谷偵測穩壓單元10以及LED驅動電路21，波谷偵測穩壓單元10決定波谷的電壓準位，在線電壓高於波谷電壓，第一電晶體Q1導通、第二電晶體Q2及齊納二極體Z1截止是由電阻R2及R4與1.2V比較器10a所決定，此時波谷門檻電壓為(1+R2/R4)*1.2V。此時第二電晶體Q2因不導通而使充電電容C1呈現放電供電狀態；當線電壓低於波谷電壓時，第一電晶體Q1截止、第二電晶體Q2及齊納二極體Z1導通，充電電容C1呈現充電供電狀態，充電電容C1電壓不斷上升並與另一12V比較器10b進行比較，直到電壓上升至所需的電壓12V時即停止充電並等待下一次波谷出現，完成一次充電電容C1的充放電週期。另外這種供電方式可用來避 免因具有指示燈的電源開關漏電，在微弱電流供應下造成系統的誤啟動，在系統未啟動時，第三電晶體Q3閘極的控制訊號為低電壓使第三電晶體Q3導通，此時漏電流經由假負載電阻R3旁路至地，電壓無法上升使系統不致誤啟動，當電源開關導通假負載無法箝住電壓而使電壓上升至系統啟動電壓時，第三電晶體Q3閘極的控制訊號設為高電壓使Q3截止，假負載不導通，系統開始正常運作及供電。
如第5圖所示，AC波形已經被整流單元20整流成全波段直流電，而波谷電壓門檻值經由電阻R2、R4及比較電壓1.2V設定約為60V，當AC波形大於電壓門檻值60V之波段時，第一電晶體Q1之閘極電壓將上升至5V而使第一電晶體Q1導通，此時電容C1則不被充電，且電容C1將會放電以提供系統供電單元12所需之電能，因此VCC所量測到的電壓將會下降。而當AC波形不大於電壓門檻值60V之波段時，第一電晶體Q1之閘極電壓將下降至0V，而第二電晶體Q2將會導通，此時電容C1將會被充電，因此VCC所量測到的電壓將會上升直到比較電壓12V或大於波谷電壓時而停止充電，而此時由不大於電壓門檻值60V時段內，汲取AC電能提供系統供電單元12所需的全時段能量。
如第6圖所示，其係為本發明其中之功率因數修正之示意圖，功率因數修正單元內含可程式邏輯陣列(Programmable logic array,PLA)，記錄著可讓功率因數修正的數值，程式邏輯陣列指標(PLA Index)與其對應之數位PFC值如下表1所示。在一般隔離式或升壓式之LED驅動拓樸(Topology)下，可以記錄著正弦波形的離散數列，每當波谷同步單元15輸入同步觸發訊號時，數位功率因數修正單元16內之程式邏輯陣列指標(PLA Index)將 從零開使計數，並逐一載入對應的數值給動態參考電壓產生單元17，然後PLA index再倒數回0，完成一個180度的正弦週期，如第6圖所示，等下次同步訊號觸發時再開始下一次週期的數值產生。
據上總結，本發明之波谷同步穩壓及功率因數修正之LED驅動系統1具有上述該些實施例之元件架構，本發明之波谷同步穩壓及功率因數修正之LED驅動系統1可僅汲取市電或交流電所具有的之全波段波形之不大於波谷電壓門檻值時的電能，而非汲取全波段波形之各該波動電壓值之電能，因此本發明之波谷同步穩壓及功率因數修正之LED驅動系統1可做為低消耗且有效率的控制或驅動系統，一來可避免系統不必要的電能耗損，二來更可用來做功率因數數位化時的同步訊號。若是僅利用波谷穩壓偵測單元快速啟動後，亦可加以傳統的變壓器二次側或電感的自 我饋電方式供電於波谷同步穩壓及功率因數修正之LED驅動系統1，除可進一步提升效能，又不影響功率因數數位化時所需的同步訊號產生
以上所述僅為舉例性，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‧‧‧波谷同步穩壓及功率因數修正之LED驅動系統
10‧‧‧波谷偵測穩壓單元
11‧‧‧儲電容器
12‧‧‧系統供電單元
13‧‧‧控制及回授單元
20‧‧‧整流單元
21‧‧‧LED驅動單元
22‧‧‧LED發光元件

Claims (8)

  1. 一種波谷同步穩壓及功率因數修正之發光二極體(Light emitting diode,LED)驅動系統，係用於驅動一LED發光元件，其包含：一波谷偵測穩壓單元，係電性連接至一整流單元，該整流單元接收一交流電壓並全波整流成一直流電壓，該直流電壓維持該交流電壓之波形，該波谷偵測穩壓單元使輸入電壓在低於一預設波谷電壓時，將電能儲存於一儲電容器，再經由一系統供電單元轉換成該LED驅動系統內各單元所需之電源電壓；以及一控制及回授單元，係電性連接至一LED驅動電路，該LED驅動電路接收該整流單元之該直流電壓，經該控制及回授單元提供功率因數修正(Power factor correction,PFC)、調光及調色溫之控制，驅動該LED發光元件發光，並偵測該LED驅動電路中之一回授訊號以控制該LED驅動電路之一輸出電流或提供一保護措施。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之波谷同步穩壓及功率因數修正之LED驅動系統，其中該波谷同步穩壓及功率因數修正之LED驅動系統在啟動後再以變壓器之二次側或電感自我饋電方式反饋供電。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之波谷同步穩壓及功率因數修正之LED驅動系統，其中該LED驅動電路進一 步包含一防止電源開關漏電單元，係將指示燈電源開關之漏電電流導向一假負載，避免微弱電流使電壓上升造成系統誤啟動。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之波谷同步穩壓及功率因數修正之LED驅動系統，其中該波谷同步穩壓及功率因數修正之LED驅動系統在啟動後再以變壓器之二次側或電感自我饋電方式反饋供電。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之波谷同步穩壓及功率因數修正之LED驅動系統，進一步包含一功率因數修正單元，係電性連接至該控制及回授單元，該功率因數修正單元具有一數位數值表，記錄一功率因數最佳化數值，當一同步訊號觸發時，該數位數值表從起始位置開始逐一輸出。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之波谷同步穩壓及功率因數修正之LED驅動系統，進一步包含一波谷同步單元，係電性連接於該波谷偵測穩壓單元與該功率因數修正單元之間，該波谷同步單元可分析輸入之一儲電控制邏輯以輸出一波谷同步信號，作為觸發該功率因數修正單元之該同步訊號。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之波谷同步穩壓及功率因數修正之LED驅動系統，進一步包含一動態參考電壓產生單元，係電性連接於該功率因數修正單元與該控制及回授單元之間，該動態參考電壓產生單元將該功率因數最佳化數值經過數位/類比轉換(DAC)產生不斷 變換的電壓值，以控制該LED驅動電路之電流大小。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之波谷同步穩壓及功率因數修正之LED驅動系統，其中該LED驅動電路包含隔離式、非隔離式及各種衍生之電路拓樸(Topology)。
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