TWI495392B - High efficiency single stage return light type LED lamp with temperature compensation - Google Patents

High efficiency single stage return light type LED lamp with temperature compensation Download PDF

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Description

具溫度補償之高效率單級返馳式LED點燈器
本發明係有關於一種LED點燈器，特別是一種具溫度補償之高效率單級返馳式LED點燈器。
電能為人類能否繼續邁向文明的首要議題，由於環保觀念與永續發展已成為全球共識，且初級能源價格持續飆漲，如何更有效率的使用現有的能源，並積極開發新替代能源，已是目前工程科技界首要之務。照明與人們生活息息相關，隨著生活水準不斷的提高，家電用品普及，用電量乃不斷攀升，其中照明設備用電量更是不斷的提高。所以如何提升照明效率及減少照明用電量是吾人必須解決的問題。全球照明用電量已佔全年總用電量20%以上，我國照明年用電量約260億度，估計若全面使用發光二極體(LED)照明，每年可節省約107億度用電量，省電達41%左右。目前LED已逐步取代現有白熾燈，之後將取代螢光燈，從而正式進入一般照明應用主流市場。在節能和環保議題持續發酵下，美、英、日及歐盟等各國相繼宣布，將自2014年起全面禁用與禁生產白熾燈，並積極推動使用LED照明計畫，歐盟規劃訂定能源效率標準，逐步淘汰白熾燈，另澳洲宣示從2010年起全面禁用白熾燈，這些都將加速全球固態照明(solid-state lighting,SSL)產業之成長。
LED用於照明系統主要議題在於，散熱問題(發光效率會隨晶片溫度上升而下降)、高效率點燈驅動器、以及LED燈具設計。LED的主要工作參數雖然簡單，但其順向壓降(VFD )為負溫度係數，會隨溫度升高而降低，使得電流增加而加劇散熱與過電流故障問題，因此為了工作在最佳的效率等級和減少光衰量維護光輸出的恆定，吾人亟需一種低成本且有效率的解決方案。
本發明之一目的在於揭露一種具溫度補償之高效率單級返馳式LED點燈器，其可依一LED負載之順向壓降使該LED負載之供電電壓最小化，以減少一線性穩流電路之功耗，從而提高整個驅動系統之效率。
本發明之另一目的在於揭露一種具溫度補償之高效率單級返馳式LED點燈器，其可藉由將一次迴路加入一主迴路中以在不影響功因修正功能及輸出電流之情況下動態調整一LED負載之供電電壓。
為達上述之目的，本發明提出一種具溫度補償之高效率單級返馳式LED點燈器，其具有：一橋式整流器，係用以將一交流電源轉成一全波整流電壓；一返馳式功因修正器，係用以依一回授電壓將該全波整流電壓轉成一直流輸出電壓，及使一輸入電流之波形跟隨該全波整流電壓之波形；一第一電阻，其一端係耦接至該直流輸出電壓，另一端耦接至一共同端；一第二電阻，其一端係耦接至該共同端，另一端耦接至一參考接地；一第三電阻，其一端係耦接至該共同端，另一端耦接至一動態電壓調整信號，該共同端係用以提供所述的回授電壓；一定電流調節電路，係與一LED負載串接及依一閘極控制電壓提供一輸出電流給該LED負載；一動態電壓調控器，係用以依一調光信號產生所述的閘極控制電壓，以及依所述的調光信號和該定電流調節電路之一汲極電壓產生所述的動態電壓調整信號；以及一分壓電路，用以依一直流電壓產生所述的調光信號。
為使 貴審查委員能進一步瞭解本發明之結構、特徵及其目的，茲附以圖式及較佳具體實施例之詳細說明如后。
100‧‧‧橋式整流器
110、510‧‧‧返馳式功因修正器
121、521‧‧‧第一電阻
122、522‧‧‧第二電阻
123、523‧‧‧第三電阻
130、530‧‧‧LED負載
140、540‧‧‧定電流調節電路
150、550‧‧‧動態電壓調控器
161‧‧‧第四電阻
162‧‧‧第五電阻
111‧‧‧CRM模式控制器
1111‧‧‧第一類比數位轉換器
1112‧‧‧第二類比數位轉換器
1113‧‧‧第三類比數位轉換器
1114‧‧‧PID控制器
1115、403‧‧‧乘法器
1116、551‧‧‧比較器
1117‧‧‧正反器
1118、404‧‧‧PWM調變器
112‧‧‧閘極驅動電路
113、541‧‧‧MOSFET電晶體
114‧‧‧第六電阻
115‧‧‧第七電阻
401‧‧‧第一減法單元
402‧‧‧誤差放大及補償模組
405‧‧‧第二減法單元
406‧‧‧電力傳輸單元
407‧‧‧回授單元
542‧‧‧電流感測電阻
552‧‧‧動態電壓調控推論單元
553‧‧‧緩衝器
圖1繪示本發明具溫度補償之高效率單級返馳式LED點燈器一較佳實施例之方塊圖。
圖2繪示圖1返馳式功因修正器110一實施例之方塊圖。
圖3繪示圖2之返馳式功因修正器110於一CRM模式下之開關占空比(duty cycle)、一變壓器之一、二次側電流、以及所述一、二次側電流之峰值封包(envelope)之對應關係。
圖4繪示圖2之返馳式功因修正器110之等效方塊圖。
圖5為本發明單級返馳式LED點燈器之動態調控機制之回授迴路示意圖。
圖6繪示本發明單級返馳式LED點燈器之一動態調控程序。
請參照圖1，其繪示本發明具溫度補償之高效率單級返馳式LED點燈器一較佳實施例之方塊圖。如圖1所示，該點燈器係用以驅動一LED負載130，且其具有一橋式整流器100、一返馳式功因修正器110、第一電阻121、第二電阻122、第三電阻123、一定電流調節電路140、一動態電壓調控器150、一第四電阻161、以及一第五電阻162。
橋式整流器100係用以將一交流電源VAC 轉成一全波整流電壓VIN 。
返馳式功因修正器110係用以將全波整流電壓VIN 轉成一直流電壓VLED ，及使一輸入電流IN 之波形跟隨全波整流電壓VIN 之波形。返馳式功因修正器110會依一回授電壓VFB 與一參考電壓之差值調整一PWM(pulse width modulation；脈波寬度調變)信號之占空比(duty cycle)以使直流電壓VLED 維持在一直流準位。
第一電阻121之一端係耦接至直流電壓VLED ，另一端耦接至一共同端X；第二電阻122之一端係耦接至共同端X，另一端耦接至一參考接地；第三電阻123之一端係耦接至共同端X，另一端耦接至一動態電壓調整信號VDVR 。共同端X係用以提供回授電壓VFB 。
定電流調節電路140係與LED負載130串接及依一閘極控制電壓VGX 提供一輸出電流IO 給LED負載130。定電流調節電路140可與多 組並聯的LED負載130串接，在此情況下，定電流調節電路140會依多個閘極控制電壓VGX 提供多個輸出電流IO 給多組並聯的LED負載130。
動態電壓調控器150係用以依一調光信號VDIM 產生一所述的閘極控制電壓VGX ；以及依所述的調光信號VDIM 和定電流調節電路140之一汲極電壓VDX 及一源極電壓VSX 產生所述的動態電壓調整信號VDVR 。
第四電阻161係和第五電阻162形成一分壓電路以依一直流電壓VCC 產生所述的調光信號VDIM 。第五電阻係一可變電阻，用以供使用者調整LED負載130的亮度。
於操作時，本發明之動態電壓調控器150會依汲極電壓VDX 及源極電壓VSX 動態調整VDVR 以優化(最小化)VLED 之電壓值以減少LED負載130之功耗及降低散熱成本。
傳統LED驅動器在交流輸入情況下，一般係使用兩級式電路配合定電流控制架構，前級為功率因數修正器，後級為直流/直流(DC/DC)轉換器。然而兩級式設計會使電路控制架構變複雜、元件個數變多、效率降低、成本變高及體積變大。為解決此問題，本發明乃藉由使返馳式功因修正器110工作於臨界導通模式(critical conduction mode,CRM)而實現功率因數修正。此作法具有幾個優點：1)輸入電容小：相較於傳統返馳式轉換器，橋式整流後之輸入電容只需使用小的電容值，即可得到非常接近整流後之弦波，以作為矯正線電流波形之參考，而小的輸入電容有助於降低產品的成本與體積。2)效率高：CRM模式操作可減少功率開關導通損失、提升功因，而高功因可減少橋式整流之功耗，使得重載時效率可達90%以上，並可最少化散熱片需求，有利於產品之輕、薄、短、小化。3)低元件數：所需元件數低，可減少製造與組裝成本。
圖2繪示圖1返馳式功因修正器110一實施例之方塊圖。如圖2所示，返馳式功因修正器110具有：一CRM模式控制器111，其具有一第一類比數位轉換器1111、一第二類比數位轉換器1112、一第三類比數位轉換器1113、一PID控制器1114、一乘法器1115、一比較器1116、一正反器1117、及一PWM調變器1118；一閘極驅動電路112；一MOSFET電晶體113；第六電阻114；以及第七電阻115。
於操作時，第六電阻114及第七電阻115係依VIN 產生一分壓電壓vacs 。第一類比數位轉換器1111係依分壓電壓vacs 產生一輸入取樣信號KVIN 。第二類比數位轉換器1112係依一電流感測信號vcs 產生一電流取樣信號ics 。第三類比數位轉換器1113係依VFB 產生一回授取樣信號VFB1 。PID控制器1114係依VFB1 及一參考信號Vref 產生一誤差信號ve 。乘法器1115係用以將PID控制器1114之誤差信號ve 乘上KVIN 以產生與VIN 同相之一電流命令iref 。比較器1116係依iref 與ics 之差產生一比較輸出。正反器1117具有耦接一零電流信號vzc 之一設置輸入S，耦接比較器1116之所述比較輸出之一清除輸入R，及一輸出Q。PWM調變器1118係依正反器1117之所述輸出Q之一輸出信號產生一PWM信號。閘極驅動電路112係依該PWM信號驅動MOSFET電晶體113。於穩態時，VFB1 會逼近Vref ，ics 會逼近iref ，故IIN 之波形會跟隨VIN 之波形，且VLED 會被調控在一直流準位。
由於本發明之返馳式功因修正器110係工作於一臨界導通模式，故其具有一電感電流峰值(VIN ．Ton )/L，其中VIN =|Vm sinωt|，其中Vm 為弦波最大值，Ton 為一開關導通時間，L為一輸入電感值。當輸入電感值L與開關導通時間Ton 為常數時，電感電流峰值(VIN ．Ton ）/L將自然地追隨輸入電壓VIN 之波形，達到高功率因數修正之目的。
圖3繪示圖2之返馳式功因修正器110於一CRM模式下之開關占空比(duty cycle)、一變壓器之一、二次側電流、以及所述一、二次側電流之峰值封包(envelope)之對應關係。其中，所述一、二次側電流可分別表示為 又，根據電感器伏秒平衡(volt-sec balance)概念，主開關之導通與截止時間ton 與toff 可分別表示為 及 ，其中L pri 和L sec 、L pri-pk 和L sec-pk 分別為一、二次側繞組電感與其最大值。
圖4繪示圖2之返馳式功因修正器110之等效方塊圖。如圖4所示，該等效方塊圖包括一第一減法單元401、一誤差放大及補償模組402、一乘法器403、一PWM調變器404、一第二減法單元405、一電力傳輸單元406、以及一回授單元407。
第一減法單元401係用以依參考電壓Vref 及回授單元407之輸出產生誤差電壓Vc 。誤差放大及補償模組402係用以依Ve 進行一PID(比例-積分-微分)運算以產生一控制信號Vc 。乘法器403係用以依Vc 及VIN 之乘積產生電流命令iref 。PWM調變器404係用以依零電流信號vzc 及一電流差值產生一次側電流Ipri 。第二減法單元405係用以依電流命令iref 及電流取樣信號ics 產生所述的電流差值。電力傳輸單元406係用以依VIN 及Ipri 產生一輸出電壓VO 。
所述的PID運算具有一比例增益KP 、一積分增益KI 、及一微分增益KD 。加強比例增益KP 可改善系統的穩態誤差，但亦會降低系統之相對穩定度。由(2)、(3)式可知導通時間為定值而截止時間為可變。由於在CRM模式下之開關切換週期Ts 等於ton +toff ，且開關切換頻率為fs =1/Ts ，故當sinθ=1時fs 會有一最低開關切換頻率fs-min 為
由於toff 不是定值，故CRM模式為變頻操作，且其占空比D會隨著線電壓之瞬時值改變。在一次側電流接近零(輕載)時，D會非常小，特別在高市電電壓下。而在實際PFC電路操作時，必須注意到ton 不可小於一最小值ton-min ，而ton-min 與控制器內部時間延遲和MOSFET開關的截止延遲時間有關。當操作在最小占空比時，表示電路每週期所汲取的能量超過負載所需，則控制迴路必須作跳頻(cycle skipping)控制，跳過一些週期不動作，以保持系統電能平衡。另外，由(3)式中可知，當θ=0時D=1，此時為市電之 零交越點(zero crossing)，此時由於電路寄生效應，使得ton 與toff 無法滿足第(3)和(4)式，但此寄生效應在整個操作過程中是可忽略的，因接近零交越點時，所處理的電能是相當小的。
加強積分增益KI 可改善或消除系統穩態誤差，但卻不利於暫態響應。加強微分增益KD 可改善系統暫態響應。在此需注意到占空比的大小取決於PID每次運算後之結果，而本發明的受控體為單級返馳式功率因數修正器，因此可將經PID運算後之誤差量v e 輸入至PWM模組產生占空比，以達到穩定的輸出電壓。
圖5為本發明單級返馳式LED點燈器之動態調控機制之回授迴路示意圖。如圖5所示，該回授迴路包括一返馳式功因修正器510、第一電阻521、第二電阻522、第三電阻523、一LED負載530、一定電流調節電路540、以及一動態電壓調控器550，其中，定電流調節電路540具有一MOSFET電晶體541及一電流感測電阻542；動態電壓調控器550具有一比較器551、一動態電壓調控推論單元552、以及一緩衝器553；第一電阻521具有一電阻R1 ，第二電阻522具有一電阻R2 ，第三電阻523具有一電阻RDVR ；以及返馳式功因修正器510具有一參考電壓Vref 。
該回授迴路包括以返馳式功因修正器510為主之一主迴路(primary loop)，其係藉由使一回授電壓VFB 逼近參考電壓Vref 產生一輸出電壓VLED ，以及以動態電壓調控器550為主之一次迴路(secondary loop)，其係依MOSFET電晶體541之一汲極電壓VD1 產生一調控電壓VDVR ，以修正回授電壓VFB 之電壓值，其中VLED 可表示為 當汲極電壓VD1 有變化時，動態電壓調控器550會動態調整調控電壓VDVR 以藉由(5)式修正VLED 電壓，以最小化電路功耗。若VDVR 最大與最小值為VDVR,max 和VDVR,min ，則供給LED負載530之最大與最小電壓為
因此只要根據所要求VLED 設計好Vref 、R1 、R2 ，接著選擇適當的RDVR 值，即 可根據輸出的VDVR 大小來動態調整的VLED 電壓範圍，約為VLED ±20%左右。透過所述動態電壓調控器之控制機制，兩控制迴路不會像用於傳統dc-dc轉換器時需要作很精確補償，且不會有主迴路之頻率響應需比次迴路頻率響應快之限制。
圖6繪示本發明單級返馳式LED點燈器之一動態調控程序。如圖6所示，在階段S1及S2中，VDVR 會等於其預設值VDVR,df ，根據(5)式，VLED 預設為VLED,df =Vref (1+R1 /R2 )。在階段S3中，當動態電壓調控器550偵測到VD1 有變動，則開始進入自動調控VLED 程序。當LED負載530之順向壓降變大，則動態電壓調控器550會感測到VD1 減少，此時動態電壓調控器550會使VDVR 減少，又根據(5)式，當VDVR 減少時，VLED 會增加以提供所需的電流要求；另一方面，當LED負載530之順向壓降變小，則動態電壓調控器550會感測到VD1 增加，此時動態電壓調控器550會使VDVR 增加，又根據(5)式，當VDVR 增加時，VLED 會減少以減少電路功耗，提升驅動電路效能。在階段S4中，當VD1 保持固定時表示LED負載530之順向壓降沒變動，則動態電壓調控器550會保持原本操作狀態，且會記住經優化後的最佳LED供電電壓。
由上述可知，本發明之具溫度補償之高效率單級返馳式LED點燈器確可依一LED負載之順向壓降使該LED負載之供電電壓最小化，以減少一線性穩流電路之功耗。另外，本發明藉由將一次迴路加入一主迴路中，確可在不影響功因修正功能及輸出電流之情況下動態調整一LED負載之供電電壓，從而提高整個驅動系統之效率。
本案所揭示者，乃較佳實施例，舉凡局部之變更或修飾而源於本案之技術思想而為熟習該項技藝之人所易於推知者，俱不脫本案之專利權範疇。
綜上所陳，本案無論就目的、手段與功效，在在顯示其迥異於習知之技術特徵，且其首先發明合於實用，亦在在符合發明之專利要件，懇請 貴審查委員明察，並祈早日賜予專利，俾嘉惠社會，實感德便。
100‧‧‧橋式整流器
110‧‧‧返馳式功因修正器
121‧‧‧第一電阻
122‧‧‧第二電阻
123‧‧‧第三電阻
130‧‧‧LED負載
140‧‧‧定電流調節電路
150‧‧‧動態電壓調控器
161‧‧‧第四電阻
162‧‧‧第五電阻

Claims (4)

  1. 一種具溫度補償之高效率單級返馳式LED點燈器，其具有：一橋式整流器，係用以將一交流電源轉成一全波整流電壓；一返馳式功因修正器，係用以依一回授電壓將該全波整流電壓轉成一直流輸出電壓，及使一輸入電流之波形跟隨該全波整流電壓之波形；一第一電阻，其一端係耦接至該直流輸出電壓，另一端耦接至一共同端；一第二電阻，其一端係耦接至該共同端，另一端耦接至一參考接地；一第三電阻，其一端係耦接至該共同端，另一端耦接至一動態電壓調整信號，該共同端係用以提供所述的回授電壓；一定電流調節電路，係與一LED負載串接及依一閘極控制電壓提供一輸出電流給該LED負載；一動態電壓調控器，係用以依一調光信號產生所述的閘極控制電壓，以及依所述的調光信號和該定電流調節電路之一汲極電壓產生所述的動態電壓調整信號；以及一分壓電路，用以依一直流電壓產生所述的調光信號。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之具溫度補償之高效率單級返馳式LED點燈器，其中該返馳式功因修正器具有一PID控制器。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之具溫度補償之高效率單級返馳式LED點燈器，其中該分壓電路具有一可變電阻供使用者調整所述LED負載的亮度。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之具溫度補償之高效率單級返馳式LED點燈器，其中該動態電壓調控器具有一動態電壓調控推論單元以使所述動態電壓調整信號之電壓值隨該汲極電壓上升/下降而增加/減少。
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