TWI472068B

TWI472068B - 適用於發光二極體的控制器以及相關之發光模組

Info

Publication number: TWI472068B
Application number: TW101121232A
Authority: TW
Inventors: Chien Liang Lin
Original assignee: Shamrock Micro Devices Corp
Priority date: 2012-06-14
Filing date: 2012-06-14
Publication date: 2015-02-01
Also published as: US9018844B2; US20130334975A1; CN103517508A; TW201351728A

Description

適用於發光二極體的控制器以及相關之發光模組

本發明係相關於一種關於發光二極體(light-emitting diode，LED)的控制器以及發光模組。

對於講究節能減碳的這個時代而言，發光二極體已經是廣為使用的一種光源。舉例來說，相較於60瓦的鎢絲燈泡而言，LED的使用壽命大約是50倍。這樣長的使用壽命讓LED燈非常適合使用在更換燈泡非常困難的地方。另一方面，LED燈的發光效率大約是鎢絲燈泡的10倍，螢光燈的兩倍。從LED燈有這些優點來看，LED燈應漸漸地會取代其他種燈具。

要讓消費大眾採用LED燈，有一些條件需要克服。舉例來說，能源之星(energy star)-一種美國環境保護局(U.S.Environmental Protection Agency)與美國能源部(U.S.Department of Energy)所協定的規範-規定燈具之功因(power factor)需要有0.7以上。而且，LED燈也需要夠便宜，才能夠讓消費大眾有動機與能力去替換當下所使用的其他種燈具。

目前傳統LED燈中的驅動電源，是先將交流市電整流成一直流電源，然後再轉換成適合LED的驅動電壓的直流電源。這樣的驅動電源一般至少需要有昂貴的一個電感元件(可能是變壓器)以及一個輸出電解電容。為了避免高溫影響電解電容的品質，LED燈不得不採用複雜昂貴的的機構去解決散熱的問題。因此，傳統LED燈變的相當的昂貴，難以吸引消費者的購買。

本發明之一實施例提供一種用於發光二極體的控制器。該控制器包含有一高電壓源端以及一低電壓源端、一主開關電路、一上連接端以及一下連接端、以及一管理電路。該主開關電路耦接至該高電壓源端與該低電源端之間，具有一二極體控制端，可連接至一發光二極體。該管理電路耦接至該主開關電路，架構來可透過該上連接端跟一上游控制模組之一下連接端溝通，並可透過該下連接端跟一下游控制模組之一上連接端溝通。該管理電路可操作於數個操作狀態其中之一。

本發明之一實施例提供一種發光模組。該發光模組包含有複數個發光裝置，可串接於一高主電壓源與一低主電壓源之間，構成一串列(string)。每一發光裝置包含有至少一發光二極體以及一控制器。該控制器有一高電壓源端、一低電壓源端、一上連接端以及一下連接端。該控制器具有一主開關電路，耦接至該高電壓源端與該低電源端之間。該主開關電路有一二極體控制端，連接至該發光二極體。該控制器具有一管理電路，耦接至該主開關電路，架構來可透過該上連接端跟一上游控制模組之一下連接端溝通，可透過該下連接端跟一下游控制模組之一上連接端溝通。該管理電路可操作於數個操作狀態其中之一。

第1圖顯示依據本發明所實施的一發光模組。發光模組10包含有一橋式整流器(bridge rectifier)12，用以將交流市電AC全橋整流成一直流線電源V_LINE 以及一接地線。直流線電源V_LINE 的電壓大於接地線的電壓。串接於直流線電源V_LINE 與接地線之間的有N個發光裝置16₁ ~16_N ，構成一串列。發光裝置16_n 為發光裝置16_n+1 的上游，因發光裝置16_n 比起發光裝置16_n+1 ，比較靠近直流線電源V_LINE 。相反的，發光裝置16_n+1 為發光裝置16_n 的下游。

在此實施例中，每個發光裝置16_n 具有四個端點：高電壓源端VCC、低電壓源端VG、上連接端OD、以及下連接端ID。從發光裝置16_n 來看，其高電壓源端VCC連接到上游發光裝置16_n-1 的低電壓源端VG；其低電壓源端VG連接到下游發光裝置16_n+1 的高電壓源端VCC；其上連接端OD連接到上游發光裝置16_n-1 的下連接端ID；以及其下連接端ID連接到下游發光裝置16_n+1 的上連接端OD。最上游的發光裝置16₁ 之高電壓源端VCC與上連接端OD都連接到直流線電源V_LINE 。最下游的發光裝置16_N 之低電壓源端VG與下連接端ID都連接到接地線。

第2圖舉例發光裝置16，其可以是第1圖中的發光裝置16₁ ~16_N 的其中之一。發光裝置16具有發光二極體22與控制器24。控制器24具有四個端點分別對應發光裝置16的高電壓源端VCC、低電壓源端VG、上連接端OD、以及下連接端ID。控制器24更具有二極體控制端LED。而發光二極體22連接在高電壓源端VCC與二極體控制端LED之間。在一實施例中，控制器24可以是一積體電路，其只有5個接腳(pin)：VCC、VG、OD、ID與LED。在另一個實施例中，控制器24可以有更多的接腳。

控制器24具有主開關電路18與管理電路20。主開關電路18耦接在高電壓源端VCC與低電壓源端VG之間，且透過二極體控制端LED耦接到發光二極體22。管理電路20耦接至主開關電路18，架構來可透過上連接端OD跟一上游發光裝置之一下連接端ID溝通，且可透過下連接端ID跟一下游發光裝置之一上連接端OD溝通。管理電路20具有記憶體，可以記憶當下控制器24操作於數個操作狀態的其中之一。

在一實施例中，這些操作狀態包含有一開路狀態以及一短路狀態。第3A圖與第3B圖分別顯示在開路狀態以及短路狀態時，主開關電路18的行為。如同第3A圖所示，當下操作狀態是開路狀態時，管理電路20使主開關電路18提供定電流I_LED 於二極體控制端LED與低電壓源端VG之間。定電流I_LED 會流經發光二極體22，使發光二極體22發亮。此時，主開關電路18對於高電壓源端VCC呈現高阻抗，所以大約沒有電流從高電壓源端VCC流入主開關電路18。如同第3B圖所示，當下操作狀態是短路狀態時，管理電路20使主開關電路18提供定電流I_ByPass 於高電壓源端VCC與低電壓源端VG之間，且使主開關電路18的二極體控制端LED為高阻抗。所以，此時因為大致沒有電流流過發光二極體22，所以發光二極體22不發亮。在一實施例中，定電流I_LED 與定電流I_ByPass 的電流值相同。在另一實施例中，兩者的電流值可以不同，視電路設計而定。

第4圖以四個發光裝置16₁ ~16₄ 當成一串列為例，說明當直流線電源V_LINE 電壓變化時，每個發光裝置之操作狀態的改變。在第4圖中，一發光裝置標示為”Short”，表示其操作於短路狀態；標示為”Open”，表示其操作於開路狀態。假定當下的直流線電源VLINE使發光裝置16₁ 與16₂ 操作於短路狀態，而發光裝置16₃ 與16₄ 操作於開路狀態，如同第4圖之中間部分所示。當直流線電源V_LINE 下降到一定程度時，透過發光裝置16₂ 與16₃ 之間的溝通，發光裝置16₃ 的操作狀態，會從開路狀態轉變為短路狀態，如同第4圖之左邊部分所示。此時，只有發光裝置16₄ 中的發光二極體發光。當直流線電源V_LINE 上升到一定程度時，透過發光裝置16₂ 與16₃ 之間的溝通，發光裝置16₂ 的操作狀態，會從短路狀態轉變為開路狀態，如同第4圖之右邊部分所示。此時，發光裝置16₂ 、16₃ 與16₄ 中的發光二極體發光。至於發光裝置之間的溝通方法，將稍後說明。

從第4圖的操作狀態改變可以發現，隨著直流線電源V_LINE 的電壓上升，串聯發光的發光二極體數量也會由串列之下游往上游依序增加。這樣的行為模式可以降低電能損耗，增加發光二極體的發光效率。這樣的行為模式能使整個發光模組也達到高功因。另一方面，由第1圖可以發現，發光模組10並不需要有任何的變壓器或是電源轉換器，所以發光模組10的成本可以相當的便宜。

第5圖舉例了控制器24中的一些信號與裝置。管理電路20具有上連接電路62、下連接電路68、記憶體80_ID 、80_OD 與80_DOWN 。記憶體80_ID 、80_OD 與80_DOWN 分別提供記憶信號S_ID 、S_OD 與S_DOWN ，其邏輯值大致分別代表主開關電路18的開路或關路狀態、呼叫上游管理電路與否、以及呼叫下游管理電路與否。主開關電路18接受信號S_ID ，據以操作於第3A圖的開路狀態或是第3B圖的短路狀態。主開關電路18也提供了信號S_Full ，以告知管理電路20當下高電壓源端VCC與低電壓源端VG所提供的能量是否足夠使發光二極體發光。

管理電路20可以透過上連接端OD跟一上游控制器之管理電路溝通，也可以透過下連接端ID跟一下游控制器之管理電路溝通。第6圖舉例了一下游管理電路20_DownStream 中，驅動上連接端OD的上連接電路62，以及一上游管理電路20_UpStream 中，驅動下連接端ID的下連接電路68。上連接電路62具有電阻64與開關66,串聯於上連接端OD與低電壓源端VG之間。下連接電路68有電阻70與開關72，並聯於高電壓源端VCC與下連接端ID之間。當開關66為短路時，下游管理電路20_DownStream 可以偵測信號S_OutSense 的電壓，來辨認上游管理電路20_UpStream 中開關72為開路或是短路。當開關72為開路時，上游管理電路20_UpStream 可以偵測信號S_InSense 的電壓，來辨認下游管理電路20_DowenStream 中開關66是開路還是短路。因此，上游管理電路20_UpStream 與下游管理電路20_DownStream 可以雙向溝通，傳遞數位信號。

第7圖顯示一種使用於控制器24中的控制方法。請一同參照第5圖與第6圖。控制方法從步驟100開始。步驟102檢查高電壓源端VCC與低電壓源端VG之間的操作電壓V_Drop 是否足夠控制器24的穩定操作。如果操作電壓V_Drop 不足(在第7圖中為小於5V)，則步驟104持續重置(reset)記憶體80_ID 、80_OD 與80_DOWN ，使信號S_ID 、S_OD 與S_DOWN 的邏輯值都為0。步驟106檢查操作電壓V_Drop 是否過高(在第7圖中跟38V作比較)。如果過高，則控制器24將操作電壓V_Drop 箝制在一個安全值內，預防操作電壓V_DROP 過高導致控制器24毀損。步驟110檢查信號S_InSense 的電壓。如果信號S_InSense 的電壓表示了一下游控制器中的開關66是短路。這意味著下游控制器正在呼叫控制器24(步驟112的是)，則步驟114設定記憶體 80_ID ，所以信號S_ID 的邏輯值變成1。此時，控制器24操作於開路狀態，發光二極體應該要發光。透過信號S_Full ，步驟116可以得知當下操作電壓V_Drop 是否已經有足夠能量讓上游發光裝置發光。當操作電壓V_Drop 有足夠能量時(步驟116的是)，步驟118使信號S_OD 的邏輯值變成1，準備呼叫上游控制器。

步驟120檢查信號S_OD 的邏輯值。如果信號S_OD 為1，步驟122透過信號S_Upward ，使開關66短路，來呼叫上游控制器。步驟124檢查三件事。第一件事為控制器24是否為開路狀態的控制器中，最上游的那一個。這可以透過檢查信號S_OutSense 的電壓，來辨識上游控制器是否正在呼叫控制器24而得知。第二件事是操作電壓V_Drop 是否依然有足夠能量，可以透過信號S_Full 而得知。第三件事則是信號S_ID 是否為1，也就是控制器24是否操作在開路狀態。當這三件事都符合時，步驟126將信號S_DOWN 設定為1。

步驟128檢查信號S_DOWN 的邏輯值。如果信號S_DOWN 為1，步驟130使信號S_ID 與S_OD 都轉變成0。步驟130同時透過信號S_Downward ，使第6圖中的開關72短路，用以呼叫下游控制器。步驟102接在步驟130之後，重新檢查操作電壓V_DROP 。

經過電路模擬後可以發現，第4圖中控制器的操作狀態變化確實可以達成。因此，本發明的實施例可以達成增加發光效率、高功因、以及產品便宜的優點。

雖然第6圖以開關66與72的短路或開路，來作為上下兩個控制器的呼叫溝通方法，但是本發明並不限於此。業界具有普通技術之人士能夠依據以上實施例的教導與精神，推知其他種可以適用於兩個控制器的呼叫溝通方法。

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。

10‧‧‧發光模組

12‧‧‧橋式整流器

16、16₁ ~16_N ‧‧‧發光裝置

18‧‧‧主開關電路

20‧‧‧管理電路

22‧‧‧發光二極體

24‧‧‧控制器

62‧‧‧上連接電路

64‧‧‧電阻

66‧‧‧開關

68‧‧‧下連接電路

70‧‧‧電阻

72‧‧‧開關

80_ID 、80_OD 、80_DOWN ‧‧‧記憶體

100~130‧‧‧步驟

AC‧‧‧交流市電

I_ByPass ‧‧‧定電流

ID‧‧‧下連接端

I_LED ‧‧‧定電流

LED‧‧‧二極體控制端

OD‧‧‧上連接端

S_DOWN 、S_Downward 、S_Full 、S_ID 、S_InSense 、S_OD 、S_OutSense 、S_Upward ‧‧‧信號

VCC‧‧‧高電壓源端

V_Drop ‧‧‧操作電壓

VG‧‧‧低電壓源端

V_LINE ‧‧‧直流線電源

第1圖顯示依據本發明所實施的一發光模組；第2圖舉例一發光裝置；第3A圖與第3B圖分別顯示在開路狀態以及短路狀態時，一主開關電路的行為；第4圖說明當直流線電源V_LINE 電壓變化時，每個發光裝置之操作狀態的改變；第5圖舉例了一控制器中的一些信號與裝置；第6圖舉例了一上連接電路以及一下連接電路；以及第7圖顯示一種使用於控制器24中的控制方法。。

16‧‧‧發光裝置