TWI468076B - LED driver and LED lighting device - Google Patents

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Description

LED驅動裝置及LED照明裝置
本發明係關於一種LED驅動裝置及使用其之LED照明裝置。
LED(Light Emission Diode)元件係作為液晶顯示裝置之背光單元或路燈等照明器具之光源而開始利用。尤其是，作為替代白熱燈炮或螢光燈之照明器具，進行使用白色LED元件之螢光燈型或燈泡型之LED照明裝置之開發。構成此種LED照明裝置之LED驅動裝置，謀求對LED元件高精度供應所欲電力。
圖4係顯示習知LED驅動裝置101及LED照明裝置110之電路構成之電路圖。習知LED驅動裝置101具備整流電路DB100、變壓器TR100、MOSFET(開關元件)Q101、由二極體D101及電容器C101構成之整流平滑電路、控制電路CNT100、電容器C103。LED驅動裝置101與LED負荷102(LED1、…LEDn)構成習知LED照明裝置110。
整流電路DB100為周知之二極體橋式電路，連接於交流輸入電源AC100。變壓器TR100具有一次繞阻W101與二次繞阻W102與三次繞阻W103。一次繞阻W101之一端係連接於整流電路DB100，一次繞阻W101之另一端係連接於MOSFETQ101之汲極端子。二次繞阻W102之兩端係連接於整流平滑電路。三次繞阻W103之兩端係連接於由二極 體D102及電容器C102構成之輔助電源。
MOSFETQ101之源極端子係接地，閘極端子係連接於控制電路CNT100。整流平滑電路之兩端係連接於由串聯之n個LED元件(LED1、…LEDn)構成之LED負荷102與檢測電阻Rs100之串聯電路。此外，n為1以上之自然數。
控制電路CNT100之各端子係連接於MOSFETQ101之源極端子、輔助電源與LED負荷102及檢測電阻Rs100之連接點、電容器C103，透過電阻R101連接於整流電路DB100及一次繞阻W101之連接點。控制電路CNT100具備誤差增幅器AMP101、比較器CMP100。
誤差增幅器AMP101之反轉輸入端子係連接於LED負荷102及檢測電阻Rs100之連接點，非反轉輸入端子係連接於由定電流源REG與曾納二極體ZD101構成之基準電壓。誤差增幅器AMP101之輸出端子係透過由電阻R103及電容器C103構成之積分電路連接於比較器CMP100之第1非反轉輸入端子。誤差增幅器AMP101將以流過LED負荷102之電流與基準值為依據之誤差訊號輸出至比較器CMP100。
比較器CMP100之反轉輸入端子係連接於三角波產生電路，第2非反轉輸入端子係連接於由定電流源REG與電阻R104及R105構成之DUTY限制電路。比較器CMP100之輸出端子係透過驅動器電路連接於MOSFETQ101之閘極端子。比較器CMP100將以從誤差增幅器AMP101輸出之誤差訊號與從三角波產生電路輸出之三角波為依據之PWM 訊號輸出至驅動器電路。
以上述方式構成之習知LED驅動裝置101，控制電路100以流過LED負荷102之電流成為基準值(基準電壓)之方式對MOSFETQ101進行導通/斷開控制，藉此調整施加於LED負荷102之電壓。
專利文獻1：日本特開2004-527138號公報
圖5係顯示習知LED驅動裝置101及LED照明裝置110中各部之電壓及電流之關係的波形圖。習知LED驅動裝置101將交流輸入電力轉換成直流電力並供應至LED負荷102，因此輸入電壓Vin 100之漣波(脈流)容易影響輸出電壓Vout 100(電容器C101之兩端電壓)，輸出電壓Vout 100包含微小之電壓變動。又，LED元件之順向電流(If)具有相對順向電壓(Vf)指數函數增大之特性。是以，流過LED負荷102之LED電流ILED 100(順向電流)因上述微小之電壓變動引起較大之電流變化。其結果，習知LED驅動裝置具有LED電流ILED 100之變化變大、LED負荷102之發光容易變不穩定之問題。在習知LED驅動裝置，雖藉由使電容器C101之電容變大而能降低上述電流變化，但需要大型之電解電容器，電路之小型化不易。
圖6係顯示習知另一LED驅動裝置及使用其之LED照明裝置之電路構成之電路圖。圖6所示之習知LED驅動裝置係由PFC(功率因素改善)電路與連接於PFC電路之電力 轉換電路之2個轉換器構成之LED點燈裝置。
PFC電路係改善功率因素者，具備變壓器TI100、MOSFET(開關元件)Q101、由二極體D101及電容器C101構成之整流平滑電路、控制電路CNT100、電阻R107,108。電力轉換電路具備變壓器TR200、MOSFET(開關元件)Q201、由二極體D201及電容器C201構成之整流平滑電路、控制電路CNT200。
圖6所示之LED驅動裝置，除了電力轉換電路以外另設有PFC電路，因此能進行高效率之電路轉換，且如圖7所示，在來自PFC電路之輸出電壓Vout1與電力轉換電路之輸出電壓Vout2之二個階段，能降低交流輸入電壓波形之漣波。因此，能容易降低流過LED負荷之電流漣波。
然而，由於使用二個轉換器，因此具有高效率化不易且高價及電路大型化之問題。
在專利文獻1記載另一習知LED驅動裝置，該習知LED驅動裝置具備連接於交流輸入電源之交流/直流轉換器、將交流/直流轉換器之直流輸出電力轉換並對LED元件供應所欲直流電力之直流/直流轉換器、用以調整流過LED元件之電流之電流反饋部。
另一習知LED驅動裝置雖能降低流過LED負荷之電流之變化，使LED負荷之發光穩定化，但由於由交流/直流轉換器與直流/直流轉換器之二個電力轉換器構成，因此小型化不易且高價及電力轉換效率變低。
根據本發明，提供一種能使LED負荷之發光穩定化且 能小型化之LED驅動裝置及LED照明裝置。
為了解決上述問題，本發明之LED驅動裝置，係將交流輸入電力轉換成所欲直流輸出電力並供應至LED負荷，其特徵在於，具備：開關元件，被進行導通/斷開控制；漣波電流降低部，串聯於該LED負荷，降低流過該LED負荷之電流漣波；以及控制電路，根據在該LED負荷與該漣波電流降低部之連接點之反饋電壓對該開關元件進行導通/斷開控制，藉此將該直流輸出電力控制成既定值。
根據本發明之LED驅動裝置，可提供一種能使LED負荷之發光穩定化且能小型化之LED驅動裝置及LED照明裝置。
接著，參照圖式說明本發明實施形態之LED驅動裝置及使用其之LED照明裝置。
(第1實施形態)
圖1係顯示本發明實施形態之LED驅動裝置1及使用其之LED照明裝置10之構成之電路圖。本發明實施形態之LED驅動裝置1具備整流電路DB、變壓器TR、第一MOSFET(開關元件)Q1、由二極體D1及電容器C1構成之整流平滑電路、控制電路CNT、電容器C3、漣波電流降低電路3a。LED驅動裝置1與LED負荷2(LED1、…LEDn)構成LED照明裝置10。
整流電路DB為周知之二極體橋式電路，連接於交流輸 入電源AC，將交流輸入電力整流成單方向之脈流，輸出至變壓器TR。交流輸入電源AC與整流電路DB置換成例如電池等直流電源亦可。
變壓器TR具有一次繞阻W1與二次繞阻W2與三次繞阻W3。一次繞阻W1之一端係連接於整流電路DB，一次繞阻W1之另一端係連接於第一MOSFETQ1之汲極端子。在二次繞阻W2之兩端間連接有由二極體D1及電容器C1構成之整流平滑電路。在三次繞阻W3之兩端間連接有由二極體D2及電容器C2構成之輔助電源。
第一MOSFETQ1之源極端子係接地，閘極端子係連接於控制電路CNT。
在由二極體D1及電容器C1構成之整流平滑電路之兩端連接有由串聯之n個LED元件(LED1、…LEDn)構成之LED負荷2與漣波電流降低電路3a之串聯電路。此外，n為1以上之自然數。二極體D1之陰極端子電容器C1之一端係連接於構成LED負荷2之LED元件LED1之陽極端子。電容器C1之另一端係接地。漣波電流降低電路3a係電抗器L1與電流檢測電阻Rs串聯而構成。
控制電路CNT之各端子係連接於第一MOSFETQ1之閘極端子、輔助電源、LED負荷2及漣波電流降低電路3a之連接點、電容器C3，透過電阻R1連接於整流電路DB及一次繞阻W1之連接點。控制電路CNT具備第1誤差增幅器AMP1、比較器CMP。
第1誤差增幅器AMP1之反轉輸入端子係連接於LED 負荷2及漣波電流降低電路3a之連接點，非反轉輸入端子係連接於由定電流源REG與曾納二極體ZD1構成之第1基準電壓。第1誤差增幅器AMP1之輸出端子係透過由電阻R3及電容器C3構成之積分電路連接於比較器CMP之第1非反轉輸入端子。第1誤差增幅器AMP1將以流過LED負荷2之電流ILED 與第1基準值(第1基準電壓)為依據之第1誤差訊號透過積分電路輸出至比較器CMP。
比較器CMP之反轉輸入端子係連接於周知之三角波產生電路，第2非反轉輸入端子係連接於由定電流源REG與電阻R4及R5構成之DUTY限制電路。比較器CMP之輸出端子係透過驅動器電路連接於第一MOSFETQ1之閘極端子。比較器CMP將以從第1誤差增幅器AMP1輸出之第1誤差訊號與DUTY限制電路之輸出訊號之中低位準之訊號、與從三角波產生電路輸出之三角波為依據之PWM(脈寬調變)訊號輸出至驅動器電路。亦即，詳細而言，比較器CMP係以若LED電流ILED 小於第1基準值則使PWM訊號之導通能率變大(導通時間變長)、若LED電流ILED 大於第1基準值則使PWM訊號之導通能率變小(導通時間變短)之方式動作。DUTY限制電路，在第1誤差訊號變過大時限制PWM訊號之導通能率之最大值。
第1誤差訊號係藉由上述積分電路積分，輸入至比較器CMP之第1非反轉輸入端子。是以，控制電路CNT之回應速度(回應頻率)，係根據由電阻R3及電容器C3決定之時間常數，較LED電流ILED 之變化慢。在本實施形態之LED 驅動裝置1，電阻R3及電容器C3之時間常數係設定成第1誤差訊號在交流輸入電源AC之一個週期以上之期間被積分。此情形，PWM訊號之導通能率在交流輸入電源AC之一個週期成為一定，因此可改善LED驅動裝置1之功率因素。
圖2係顯示本發明實施形態之LED驅動裝置及使用其之LED照明裝置中各部之電壓及電流之關係之波形圖。在本發明實施形態之LED驅動裝置1，控制電路CNT係以流過LED負荷2之電流ILED 成為第1基準值之方式對第一MOSFETQ1進行導通/斷開控制。亦即，LED驅動裝置1，與習知LED驅動裝置同樣地將交流輸入電力轉換成直流電力並供應至LED負荷2。因此，輸出電壓Vout (電容器C1之兩端電壓)與習知LED驅動裝置同樣地包含微小之電壓變動。
然而，在本發明實施形態之LED驅動裝置1，若欲藉由輸出電壓漣波產生輸出電流漣波，則在漣波電流降低電路3a之電抗器L1之兩端產生電壓。藉此，由於在LED兩端產生之電壓漣波降低，因此輸出電流之漣波降低。
是以，在習知LED驅動裝置包含大電流變化之LED電流ILED ，在本發明實施形態之LED驅動裝置1，如圖2所示，被控制成降低電流漣波。
又，從LED負荷2與電抗器L1之連接點取出反饋訊號，控制電力轉換，因此能縮小LED負荷2之順向電壓VF之不均或溫度特性導致之影響。是以，無需考慮順向電壓 VF之不均或溫度特性。
(第2實施形態)
圖3係顯示本發明第2實施形態之LED驅動裝置及使用其之LED照明裝置之構成之電路圖。圖3所示之第2實施形態之LED驅動裝置及使用其之LED照明裝置，與圖1所示之第1實施形態之LED驅動裝置及使用其之LED照明裝置，僅漣波電流降低電路3b不同。
漣波電流降低電路3b係連接於由二極體D1及電容器C1構成之整流平滑電路與LED負荷2與控制電路CNT。漣波電流降低電路3b與本發明之反饋型定電流控制電路對應，具備第二MOSFET(可變阻抗元件)Q2與檢測電阻(電流檢測部)Rs與第2誤差增幅器AMP2與曾納二極體ZD2。第二MOSFETQ2之汲極端子係連接於LED元件LEDn之陰極端子，源極端子係透過檢測電阻Rs接地，閘極端子係連接於第2誤差增幅器AMP2之輸出端子。第二MOSFETQ2與第2誤差增幅器AMP2之輸出對應地使汲極/源極間之電阻值連續變化。是以，第二MOSFETQ2能與藉由電氣訊號而使電阻值變化之周知之可變電阻元件置換。漣波電流降低電路3b之回應速度係設定成較控制電路CNT之回應速度快，較佳為設定成較交流輸入電源AC之頻率高。
檢測電阻Rs與第二MOSFETQ2之源極端子之連接點係連接於第2誤差增幅器AMP2之反轉輸入端子。檢測電阻Rs將流過LED負荷2之電流ILED 轉換成電壓訊號並輸出至第2誤差增幅器AMP2。檢測電阻Rs亦可置換成除此以外 之電流檢測手段、例如電流變壓器，將LED電流ILED 置換成可藉由電壓以外之電氣訊號輸出之構成亦可。
曾納二極體ZD2之陰極端子係透過電阻R6連接於二極體D1及電容器C1之連接點，且連接於第2誤差增幅器AMP2之非反轉輸入端子。曾納二極體ZD2之陽極端子係接地。
第2誤差增幅器AMP2之非反轉輸入端子係連接於包含曾納二極體ZD2而構成之第2基準電壓。第2誤差增幅器AMP2之輸出端子係連接於第二MOSFETQ2之閘極端子。第2誤差增幅器AMP2將以流過LED負荷2之電流ILED 與第2基準值(第2基準電壓)為依據之第2誤差訊號輸出至第二MOSFETQ2。詳細而言，第2誤差增幅器AMP2，LED電流ILED 較第2基準值愈小則使第2誤差訊號之電壓位準愈大，降低第二MOSFET之源極/汲極間之電阻值。又，第2誤差增幅器AMP2係以LED電流ILED 較第2基準值愈大則使第2誤差訊號之電壓位準愈小以提高第二MOSFET之源極/汲極間之電阻值之方式動作。
在本發明實施形態之LED驅動裝置1，控制電路CNT係以流過LED負荷2之電流ILED 成為第1基準值(第1基準電壓)之方式對第一MOSFETQ1進行導通/斷開控制。亦即，LED驅動裝置1，與習知LED驅動裝置同樣地將交流輸入電力轉換成直流電力並供應至LED負荷2。因此，輸出電壓Vout(電容器C1之兩端電壓)與習知LED驅動裝置同樣地包含微小之電壓變動。
然而，在本發明實施形態之LED驅動裝置1，漣波電流降低電路3b係以以LED電流ILED 為依據之第2誤差訊號成為第2基準值之方式控制第二MOSFETQ2。是以，在習知LED驅動裝置包含大電流變化之LED電流ILED ，在本發明實施形態之LED驅動裝置1，被控制成降低電流漣波。
是以，本發明實施形態之LED驅動裝置具有以下之作用效果。
(1)由於漣波電流降低電路3b不需進行功率因素改善動作，因此可將控制之回應速度(回應頻率)設定成較控制電路CNT快，能降低流過LED負荷2之LED電流ILED 所含之電流漣波。
(2)又，由於從LED負荷2與電抗器L1之連接點取出反饋訊號並控制電力轉換，因此能降低LED負荷2之順向電壓VF之不均或溫度特性導致之影響。是以，無需考慮順向電壓VF之不均或溫度特性。
(3)由於能降低在流過LED負荷2之電流ILED 產生之漣波，因此能使LED負荷2之發光穩定化。
(4)由於不使用大型之電解電容器或交流/直流轉換器即可使LED負荷2之發光穩定化，因此能以簡單電路小型且低價地構成LED驅動裝置。
(5)由於流過LED負荷2之LED電流ILED 之變化變小，因此可降低從LED照明裝置10放出之雜訊。
(6)由於LED電流ILED 之變化變小，因此大峰值電流不易流過構成LED負荷2之LED元件(LED1、…LEDn)。藉 此，可降低對LED元件(LED1、…LEDn)施加之電氣應力，達成LED負荷2之長壽命化。
(7)由於輸出電壓Vout 之電壓漣波微小，因此第二MOSFET及檢測電阻導致之耗電較小，可達成LED驅動裝置之高效率化。
關於以上實施形態說明之構成、形狀、大小及配置關係，僅概略地例示可理解/實施本發明之程度。是以，本發明並不限於說明之實施形態，只要不脫離申請專利範圍所示之技術思想之範圍，可變更成各種形態。
例如，本發明實施形態之LED驅動裝置雖具有透過變壓器之電路構成，但變壓器之有無或絕緣/非絕緣等電路構成並不限於此。
又，控制電路CNT之回應速度並不限於上述積分電路而能以控制電路CNT所含之構成決定。又，藉由外部訊號等使第1基準值及第2基準值可變亦可。
1‧‧‧LED驅動裝置
2‧‧‧LED負荷
3‧‧‧定電流控制電路
10‧‧‧LED照明裝置
AMP‧‧‧誤差增幅器
CMP‧‧‧比較器
Q1,Q2‧‧‧MOSFET
Rs‧‧‧檢測電阻
ZD‧‧‧曾納二極體
L‧‧‧電抗器
圖1係顯示本發明第1實施形態之LED驅動裝置及使用其之LED照明裝置之構成之電路圖。
圖2係顯示本發明第1實施形態之LED驅動裝置及使用其之LED照明裝置中各部之電壓及電流之關係之波形圖。
圖3係顯示本發明第2實施形態之LED驅動裝置及使用其之LED照明裝置之構成之電路圖。
圖4係顯示習知LED驅動裝置及使用其之LED照明裝置之電路構成之電路圖。
圖5係顯示習知LED驅動裝置及使用其之LED照明裝置中各部之電壓及電流之關係之波形圖。
圖6係顯示習知另一LED驅動裝置及使用其之LED照明裝置之電路構成之電路圖。
圖7係顯示習知另一LED驅動裝置及使用其之LED照明裝置中各部之電壓及電流之關係之波形圖。
1‧‧‧LED驅動裝置
2‧‧‧LED負荷
3a‧‧‧漣波電流降低電路
10‧‧‧LED照明裝置
AC‧‧‧交流輸入電源
AMP1‧‧‧誤差增幅器
C1,C2,C3‧‧‧電容器
CMP‧‧‧比較器
CNT‧‧‧控制電路
D1,D2‧‧‧二極體
DB‧‧‧整流電路
L1‧‧‧電抗器
LED1,LEDn‧‧‧LED元件
Q1‧‧‧MOSFET
R1,R2,R3,R4,R5‧‧‧電阻
REG‧‧‧定電流源
Rs‧‧‧檢測電阻
TR‧‧‧變壓器
W1‧‧‧一次繞阻
W2‧‧‧二次繞阻
W3‧‧‧三次繞阻
ZD1‧‧‧曾納二極體

Claims (6)

  1. 一種LED驅動裝置，係將交流輸入電力轉換成所欲直流輸出電力並供應至LED負荷，其特徵在於，具備：開關元件，被進行導通/斷開控制；漣波電流降低部，串聯於該LED負荷，用以降低流過該LED負荷之電流漣波；以及控制電路，根據在該LED負荷與該漣波電流降低部之連接點之反饋電壓對該開關元件進行導通/斷開控制，藉此將該直流輸出電力控制成既定值；該漣波電流降低部具有控制阻抗可變之反饋型定電流控制電路；該控制電路之回應頻率與該交流輸入電源之頻率相同或較其長。
  2. 如申請專利範圍第1項之LED驅動裝置，其中，該漣波電流降低部具有電抗器。
  3. 如申請專利範圍第1或2項之LED驅動裝置，其中，該控制電路係對該開關元件進行導通/斷開控制以使流至該LED負荷之電流成為第1基準值。
  4. 如申請專利範圍第1項之LED驅動裝置，其中，該反饋型定電流控制電路係對該阻抗連續進行可變控制以使流至該LED負荷之電流接近第2基準值。
  5. 如申請專利範圍第4項之LED驅動裝置，其中，該反饋型定電流控制電路之回應速度較該控制電路之回應速度快。
  6. 一種照明裝置，具備申請專利範圍第1至5項中任一項之LED驅動裝置。
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