TWI508622B

TWI508622B - 控制發光二極體負載的方法與電路

Info

Publication number: TWI508622B
Application number: TW098128974A
Authority: TW
Inventors: Antonius Everardus Theodorus Ramaker
Original assignee: Koninkl Philips Nv
Priority date: 2008-08-28
Filing date: 2009-08-28
Publication date: 2015-11-11
Also published as: WO2010023280A1; US9706612B2; TW201023685A; US20110148313A1

Description

控制發光二極體負載的方法與電路

本發明係關於用於控制LED負載的方法與電路。

發光二極體(LED)越來越常使用在廣泛的應用上。LED需要電流調節而非電壓調節。LED驅動電路也指稱為LED驅動器，可以視為一種型式的電力轉換電路，該電路傳送經調節電流。然而，假如LED或是一串列的LED需要12伏特的電壓並且連接至12VAC電源，已知的LED驅動器會變得高度無效率，因為他們必須能夠在經整流的12伏特AC電源提供的電壓小於12伏特時提高電壓，並且同時必須能夠在經整流的12伏特AC電源提供的電壓大於12伏特時降低電壓，以確保恆定電流的傳送。

美國專利第7276861說明了用於驅動LED的系統與方法，其中該系統包括切換電力轉換器，該轉換器可以是升壓型切換轉換器，也稱作升壓轉換器；或可以是降壓型切換轉換器，也稱作降壓轉換器。在應該增加來源電壓時會使用升壓轉換器。在應該減少來源電壓時會使用降壓轉換器。或者使用降壓-升壓結構，也就是將升壓轉換器和降壓轉換器組合在單一電路裡。該切換電力轉換器包括電感器與切換器。在切換器關閉時，該轉換器以開啟時間(on-time)相位操作，在切換器打開時，該轉換器以關閉時間(off-time)相位操作。能量在切換器的開啟時間期間儲存在電感器中，而在切換器的關閉時間中，能量放電到LED中。假如需要電壓的上升與減少，也就是使用降壓-升壓結構時，該切換電力轉換器包含比正規的升壓或降壓轉換器(也就是典型地至少一個額外的切換器與額外的二極體)更多的元件。

進一步而言，該切換電力轉換器包含電流比較器以賦能切換時間長度的調節。藉由測量在切換器關閉時間期間通過電感器的電流，可以決定合適的切換器開啟時間與關閉時間。但是對於電流比較器的需求使得電路比所需求的更加複雜並且花費更高成本。

因此，在美國專利第7276861號中說明的電路的製造是相當複雜而且耗成本的。進一步而言，很需要小型電路，特別是在LED取代了不需要驅動電路之傳統發光的應用中。因此需要具有最小數目元件的簡單低成本驅動器電路。

本發明的目標在於提供用於控制LED負載的方法與電路，該電路克服並減少了上述問題的影響。藉由提供用於控制LED負載的方法來達成這個目標，該方法包括供應輸入電壓給電感性元件的步驟，在第一預定時段經由該電感性元件汲取電流，在第二時段期間從電感性元件供應電流至LED負載的第一終端，其中該第一預定時段被控制以維持通過LED負載的預定平均電流。

在本發明一個方面茲提供用於控制LED負載的電路，該電路包含經串聯連接而跨越輸入電壓的電感性元件與連接控制元件，該連接控制元件具有在經由電感性元件汲取電流時的開啟狀態以及關閉狀態。該電路也包括LED負載，該LED負載具有電氣連接在電感性元件與連接控制元件之間的第一終端，用於接收在連接控制元件位於關閉狀態時由電感性元件所供應的電流；控制單元，用於控制該連接控制元件以在預定開啟時段期間具有開啟狀態及在預定關閉時段期間具有關閉狀態以維持通過LED負載的預定平均電流。

在本發明另一個方面茲提供用於控制LED負載的方法，該方法包含供應輸入電壓至電感性元件，在第一預定時段經由該電感性元件汲取電流，並且在第二時段期間從電感性元件供應電流至LED負載的第一終端。該第一預定時段對應至預定的控制週期之第一部分，及該第二時段對應至該控制週期的第二部分，且該第一預定時段或該控制週期被控制以維持通過LED負載的預定平均電流。

在本發明另一方面茲提供用於控制LED負載的方法，該方法包含供應輸入電壓至電感性元件，在第一預定時段經由該電感性元件汲取電流，並且在第二時段期間從電感性元件供應電流至LED負載的第一終端。其中第一預定時段被控制以在輸入電壓與第一終端上的電壓之間維持一大致上固定電壓差。

本發明另一方面被定義在申請專利範圍附屬項中。

以下是本發明特定實施例的說明且僅給定作為例子。

圖1顯示用在本發明實施例中的用於控制LED負載之電路的方塊圖。該電路包含調節單元1、轉換器3、穩定化單元5與控制單元，例如微控制器7。該電路配置以提供橫跨LED負載9的大致上固定電壓。

調節單元1連接至輸入電源11，例如經由終端12A與12B。該輸入電源可以是在合適範圍之電壓的交流電流(AC)或是直流電流(DC)。舉例來說，可以使用由來自240伏特50赫茲或是120伏特60赫茲AC供應的變壓器或是未調節12伏特直流供應產生的具有17伏特峰值電壓的未調節AC電源。可以使用「變電器」，截波進來的主電壓(例如230伏特50赫茲的交流電)並且接著使用小型高頻電力轉換器將所得結果轉換成低位準。該變電器的輸出電壓是弦波，該弦波具有根據使用的截波頻率(典型地在25千赫茲到150千赫茲的範圍)之輸入主電壓乘上+1或-1的形狀，與舉例來說為12伏特的有效值。用於控制LED負載的電路可以用這種類型的輸入電力(舉例來說藉由使用具有本質上非常快速之Schottky二極體的輸入整流器)操作。該轉換器3連接至調節單元1並經配置以接收經調節輸入參數，也就是輸入電壓與輸入電流。該轉換器由微控制器7控制。

該微控制器7由經調節輸入電壓供給電力，該經調節輸入電壓由穩定化單元5來加以穩定化。該轉換器3根據從微控制器7所接收的控制訊號將輸入參數轉換成輸出參數，也就是LED電流。該微控制器7的控制使得通過LED負載9的電流維持在預定值。該微控制器7可以執行預定序列的指令，而且可以經由具有電腦程式產品13的外部鏈路加以程式化。

圖2顯示根據如同概略顯示於圖1中之本發明實施例之用於控制LED負載之更詳細的電路佈局圖。在所顯示實施例中，該調節單元1包含整流二極體橋21，但也可以使用其他型式的調節電路。假如輸入電源是AC，該整流二極體橋21會整流該AC輸入以產生脈動式DC電壓。假如該輸入電源是DC，該整流二極體橋21僅轉換DC電壓。這使得該電路可被用於AC與DC電源而不用改變該電路系統。

該轉換器3包含連接在輸入電壓與LED負載9的第一終端25的電感性元件23。在一個實施例中，該電感性元件23係線圈。該線圈可由磁性屏蔽外殼環繞以藉由磁性屏蔽限制磁通量來減少在該電路中其他元件的互相影響。

該轉換器3進一步包含連接控制元件27，例如切換器，該連接控制元件27串聯連接至電感性元件23。在所顯示的實施例中，該連接控制元件是場效電晶體(FET)切換器，但也可使用其他型式的控制或切換元件。假如關閉切換器，該FET會連接電感性元件23的一個終端至共用端(也就是接地或是電路的共用終端)，電流經由電感性元件23被汲取而能量儲存在電感性元件23中。假如打開切換器，該電感性元件23從共用端分開，在電感性元件23的儲存能量將會放電而流經電感性元件23的電流將會供應至LED負載的第一終端25。合適切換器包括40伏特的SI2318 MOSFET。該連接控制元件27可由微控制器7控制，使得電流可在第一預定時段經由電感性元件汲取，而在第二時段電流可經由電感性元件供應至LED負載9的第一終端25。

該穩定化元件5包含穩定器29與電容器31。該穩定器29提供輸入電壓的調節以賦能微控制器7的穩定操作。合適穩定器29包括例如78L05型調節器之正電壓調節器。合適的微控制器7包括Atmel Tiny 45型微控制器，由位於95131加州聖荷西2325 Orchard Parkway的Atmel公司所製造，而且可以藉由經編譯的C語言程式之快閃可程式規劃以最佳化機器碼。

該LED負載9連接在第一終端25與第二終端33之間。在所顯示實施例中，該LED負載9包含二或更多個串聯連接的LED 35，但也可使用其他電路配置。該驅動器電路可經調適以驅動任何型式的LED。該等LED 35可經配置以大致上相同的波長發射光或以不同的波長發射光。

在所顯示實施例中，該微控制器7因此控制了控制元件27以控制切換器開啟時的時段與切換器關閉時的時段。該微控制器7經配置以控制連接控制元件27，使得第一預定時段被控制以維持通過LED負載9的預定平均電流。跨越LED負載之大致上固定電壓係被維持(也就是在圖2中概略說明的實施例中)相等於在第一終端25上電壓與輸入電壓(LED負載9的第二終端33)之間的電壓差。這控制系統使得該電路非常有變化性，因為在輸入電壓的變動可以有效地從LED負載9的跨越電壓分離。

在一個實施例中，該轉換器3進一步包含單向性元件37，該單向性元件37連接在電感性元件23與LED負載9的第一終端25之間。該單向性元件37允許從電感性元件23到LED負載9的電流流動，也防止相反方向的電流流動。該單向性元件37可是二極體，較佳是Schottky二極體。合適Schottky二極體包括B340 Schottky阻障整流器。當該切換器位於開啟狀態時，該單向性元件37防止該LED負載9的第一終端25連接到共用端。Schottky二極體因為具有較小正向壓降而比通常矽PN接面具更好優點，也就是0.1伏特到0.4伏特而非典型的0.6伏特到0.7伏特。

在一個實施例中，該轉換器3進一步包含連接在LED負載9的第一終端25與LED負載9的第二終端33之間的電容器39。該電容器39可以用來緩和電流變動以改善傳送到LED負載9大致上恆定的電流。

在一個實施例中，該微控制器7可以根據藉由測量決定輸入電壓與在第一終端25上的電壓來控制連接控制元件27的連接。可以藉由使用分壓器配置來實行電壓測量。分壓器配置包含可用來測量在第一終端25上之電壓的電阻器R1與R2。同樣地，分壓器配置包含可以用來測量輸入電壓的電阻器R3與R4。R1、R2、R3與R4之典型數值分別為47千歐姆、4.7千歐姆、47千歐姆、4.7千歐姆。

在一個實施例中，提供在微控制器7與連接控制元件27之間的緩衝器41。該緩衝器41可以藉由提供較大的驅動電流以賦能連接控制元件27的短切換開關時間來改進該電路的效率。當連接控制元件27切換到關閉狀態時，大電壓形成跨越於切換器，而且在短時段內電流會持續以經升高的電壓流經該切換器。為了最小化在這個時段期間所散溢電力，藉由經由緩衝器41來提供較大的驅動電流給該切換器的控制終端(例如閘極或基極終端)來較佳地最小化在這個過程發生期間的時段。該緩衝器41可以包含一電路，該電路包含二個互補的雙極電晶體，或是其他習於此技術者熟知的合適電路。

在一個實施例中，可以選擇性地連接一個額外電容器43在接地與LED負載9的第二終端33之間。該額外電容器43可作為用於由電感性元件23所汲取之大電流的電源儲藏器。要注意的是，電容器43相當小而且可以完全被忽略，而且圖1與圖2的電路可以在沒有大型能量儲存電容器的情況下操作。所得到的是與具有更大儲存電容器的電路相比具有更佳電力因數的更小電路。

經由調節單元1所提供的輸入電壓可用來提供微控制器7電力。在此一個實施例中可以連接一個額外的非等向性元件45在調節單元1與穩定化元件5之間。假如該輸入電壓超過所需驅動微控制器7的供應電壓(典型地超過7伏特)，能量可以儲存在穩定化元件5的電容器31內。當輸入電壓小於驅動微控制器7所需的最小供應電壓時，藉由賦能電容器31以在該等時段期間供應電力給微控制器7，該額外的非等向性元件45會賦能微控制器7的驅動。因為輸入電壓(無論是AC或DC)的變動，低輸入電壓可能發生而且將也會發生在AC輸入電壓的零交越期間的正常時間間隔(例如50赫茲AC輸入電壓的每10毫秒)。

在另一個實施例中，除了在調節單元1與穩定化元件5之間放置非等向性元件45之外，也可以在LED負載9的第一終端25與穩定化元件5之間放置非等向性元件45’(該連接以虛線概略地顯示在圖2中)。這種配置允許當輸入電壓太低時，藉由從在終端25處的經控制電壓提供電力給微控制器7讓該微控制器7長時間操作，但缺點在於效率稍微減少，而電感性元件23必須馬上供應足夠的額外電流給微控制器7。

圖3顯示當電感器電流I _L 根據本發明之實施例控制時，流經電感性元件23的I _L 作為時間函數的圖。LED負載需要控制流經LED的電流以維持一穩定光輸出。該控制單元(例如概略性畫在圖1與圖2中的微控制器7)如此配置以控制流經該LED負載的電流，該電流進一步指稱為I _LED 。該控制單元可以經由連接控制元件(例如切換器)來控制I _LED 。假如切換器配置在第一位置，進一步指稱為開啟狀態，經由電路中的電感性元件汲取電流。當切換器配置在第二位置時，進一步指稱為關閉狀態，電流從電感性元件供應至LED負載的第一終端。藉由調整開啟狀態與關閉狀態的時段，可以提供合適的I _LED 。

圖3概略地顯示重覆控制週期以產生合適的I _LED 的時段。該控制週期較佳地具有比輸入電壓(使用AC輸入電壓)之頻率更高的頻率。對於AC輸入具有50或60赫茲供應頻率的典型應用而言，該控制週期可以具有千赫茲數量級的頻率，例如200千赫茲。

在由控制單元定義的第一預定時段T _on 期間，該切換器位在開啟狀態。在T _on 期間，跨越電感性元件27的電壓本質上相等於輸入電壓。當輸入電力是AC時，該經整流AC輸入電壓將持續改變。但該控制週期頻率遠高於輸入電壓頻率，因此該經整流輸入在T _on 期間大致上恆定，而在流過電感性元件27之電流上升在T _on 期間大致上是一致。

因為跨越電感性元件27之大致上恆定的電壓，該電感器電流I _L 以大致上線性的趨勢增加。假如使用理想元件，且I _L 從零電流開始，T _on 可以定義成：

其中L是電感性元件的電感值，而VI_N 是輸入電壓。

在所計算時段T _on 的終點，當已抵達峰值電流I _pk 時，該控制單元指示該切換器以切換至關閉狀態。該電感器在第二時段馬上供應電流給LED負載，釋放儲存在電感器中的能量。流經電感性元件I _L 的電流也以大致上線性的趨勢減少。該第二時段(也指稱為回退時間T _fb )相等於I _L 從I _pk 減少到零電流所採取的時間，在假設使用理想的條件下，給定方程式如下：

其中V _LED 是跨越LED負載的電壓。

該第一預定時段T _on 可以對應到控制週期的第一部分，而第二時段T _fb 可以對應到控制週期的第二部分。該組合時段T _on +T _fb 可以少於整個控制週期時段，因此有一段額外的時段T _zero ，直到該控制單元指示該連接控制元件再次切換到開啟狀態。時段T _zero 接著對應至控制週期的第三部分。對應至T _fb +T _zero 的時段被表示成T _off 。因此，單一控制週期時段相等於T _on +T _off 。

該時段T _on 可被控制以達成特定的峰值電流I _pk 以形成流通LED負載之長時間的所希平均電流I _LED 。在完整的控制週期T _on +T _fb +T _zero 期間，電流在時段T _fb 期間被供應到LED負載。在時段T _fb 期間被供應到LED負載的電流數量為下列各者的函數：時段開始時的流動電流(I _pk )、時段結束時流動的電流、與時段T _fb 的持續時間。根據方程式(1)，電流I _pk 是L 、T _on 與V _IN 的函數；根據方程式2，時段T _fb 是L 、I _pk 與V _LED 的函數。因此，對於V _IN 與V _LED 的給定值，時段T _fb 期間供應的電流可以由控制時段T _on 控制。

在包括介於LED負載(圖2中的電容器39)之第一終端與第二終端之間之電容器的電路的實施例中，在時段T _fb 期間供應的電流將在每個控制時段期間被緩和。對於經由12伏特LED負載的350毫安培LED電流，假設電感性元件的值是4.7μH時，合適的電容值可以是10μF。

上述控制系統假設固定的總週期時段(T _on +T _fb +T _zero )與經控制的T _on 時段。一個替代例是控制總控制週期的長度而維持T _on 恆定。例如在此系統中，該時段T _zero 可被增加以減少整個控制週期中供應至LED負載的平均流，或T _zero 可被減少以增加所供應的平均電流。另一個替代例是控制T _on 與總控制週期長度兩者，因此平均電流會在所希位準供應。

如上文提及，完整的控制週期時段相當短，而經由LED負載之電流I _LED 的所希平均值較佳地為較大控制週數目期的所希平均值。當輸入電力是AC時，會有控制週期發生在AC輸入電壓每一個零交越周圍的時段，在該時段期間沒有電流被供應至LED負載。電流I _LED 的所希長期平均值因此可被計算以使得在剩下的控制週期期間供應更多電流以負責在沒有電流流動期間的控制週期。

要注意：在時段T _fb 期間供應的電流可用上述方式控制，因為時段T _fb 足夠長使得流經電感性元件的電流在時段T _fb 結束時大致上掉到零。因此，在使用方程式(1)與(2)控制的實施例中，T _off 相等或大於T _fb 。這確保了電流在T _fb 結束時大致上為零，而每一個控制時段以流經電感性元件之大致上為零的電流開始。這是一個「非連續模式」控制系統，而且具有不需要電流量測的優點；該控制單獨根據輸入電壓與輸出電壓的量測來實行。這消除了電流量測電路系統的需求，該電流量測電路系統比可用在電壓量測之簡單分壓器電路更為複雜與龐大。但是在只使用電壓量測時，需要更複雜的控制演算法，以下會更詳細解釋。

為了得到與輸入電壓和跨越LED負載之電壓相關的資訊，可使用合適地放置在電路中的分壓器配置來量測電壓。該控制單元可接著根據經量測電壓與用在個別分壓器配置中的電阻器的資訊來決定在電路中所需節點的電壓。在一個實施例中，在AC輸入電壓週期期間，該控制單元可在各種時點重複進行輸入電壓的量測以決定各種電壓，像是峰值電壓、最小值電壓、平均電壓等等。該控制單元可接著使用該等值以計算特定的推導值。舉例來說，該控制單元可配置以計算峰值輸入電壓與平均輸入電壓之間的比例。峰值輸入電壓與平均輸入電壓之間的比例舉例來說可以用來辨識在輸入處的電壓變動是否與調光狀態相關，如同將進一步參照圖7a、圖7b與圖8來說明。該控制單元可包含記憶體以至少暫時儲存量測資料與計算的中間結果。

如同習於此技術者將了解的是，為了計算T _on ，該控制單元進一步需要知道在轉換器中該電感性元件的電感值，用於得到經由12伏特LED負載的350mA LED電流，合適的電感值可以是4.7μH。

在一個實施例中，該控制單元包含定時器。時段T _on 可接著以定時器的分離控制增量為基礎。如同習於此技術者將了解：T _on 之交替長度可被供應到連接控制元件以獲得具有不等於定時器之增量的一長度之平均T _on 。定時器可施行為包含控制單元之微控制器中的計數器與比較電路。在該微控制器中施行此一定時器函數具有以下優點：減少在每個控制週期期間微控制器中所需的計算。

上述系統使得控制單元可以控制經由LED負載的LED電流I _LED ，而沒有使用到電流量測。接著，在電路中需要與此技術目前已知電路相比為更少的元件。該電路需要較小空間，使得該電路適合用在正規燈泡適配的LED發光，例如用LED替換用於設計來容納鹵素燈炮之MR16適配。

在本發明實施例中，控制時段f _cc 的頻率是恆定的，

如同稍早所提，為了確保每一個控制週期以通過該電感性元件大致上為零的電流開始，該減少時間T _fb 可以不必大於T _off 。但由方程式(1)可知，假如特定的I _pk 需要被達到以得到LED電流I _LED 所希的平均值，更小的輸入電壓V _IN 會導致T _on 更大的值。由方程式(2)可知在這樣一個情況下，需要給定跨越LED負載的固定電壓，也就是V _LED 。因此，在特定臨限電壓以下得到經由電感性元件之電流的所希峰值將導致T _on +T _fb 超過控制週期的時段，也就是T _cc =T _on +T _off ，這並不是希望看到的現象。

為避免在將控制元件切換成開啟狀態時流經電感性元件的電流不為零的狀況，當輸入電壓在一特定臨限值下時，該控制單元可設定一允許最大目標電流(I _pk )。這可藉由依習於此技術者已知方式將在臨限電壓下之一系列輸入電壓的最大目標電流儲存在控制單元的查找表中來達成。

在開啟狀態期間，流經電感性元件的電流I _L 會增加，直到達到相關的最大目標電流。接著，該連接控制元件切換至關閉狀態，而流經電感性元件的電流I _L 會在連接控制元件切換回開啟狀態之前掉回零。

假如輸入電壓V _IN 比臨限電壓更高，可以藉由使用下列的方程式來計算T _on ：

其中I _O,AVG 中是在單一控制週期時段T _cc 期間提供至LED負載的平均電流。該控制時段平均電流I _O,AVG 可以不同於流I _LED 的長期間平均值。這通常會是AC輸入電源的狀況，因為電流I _LED 的長期間平均值需要考慮到沒有電流供應至LED負載的控制時段，如同以上解釋。該所希I _O,AVG 可根據不同的演算法視LED電流作為時間函數的所希行為而定來加以決定。

控制單元的控制可針對不同參數最佳化，如同將參照圖4a、圖4b、圖5a、圖5b、圖6a與圖6b進一步說明。

圖4a到圖4b顯示了經整流AC輸入電壓V _IN 與LED電壓V _LED 作為時間函數的圖。在這個例子中，AC輸入被供應至具有頻率為50赫茲之供應工作週期的電路，該電路提供具有頻率為100赫茲的經整流輸入電壓。作為如同參照圖3所說明之電路中該控制單元之操作的結果，該LED電壓大致上維持恆定(看圖4b)，而該輸入電壓會變動(看圖4a)。也就是說，該LED電壓在零交越周圍經歷例如大約15%-20%的壓降的小幅減少。

圖5a到圖5b顯示輸入電流I _IN 與LED電流I _LED 分別對應顯示在圖4a中的輸入電壓與顯示在圖4b中的LED電壓作為時間函數的圖。該LED電流根據第一演算法加以控制。

該第一演算法以這樣的方式設計，因此I _LED 維持一段最大時段的恆定。如同稍早所提，在該輸入電壓的臨限值以下，流經該LED的電流會因為每個控制週期需要以流經該導電性元件的零電流開始而被限制。進一步而言，假如該控制單元由該經整流輸入電壓提供電力，一旦輸入電壓掉太多(接近AC電源的零交越點)則會停止運作。但是假如該輸入電壓超過該臨限值，該第一演算法控制T _on 以維持在每個控制週期期間所供應的平均電流等於控制週期平均電流I _O,AVG ，即使假T _on 為固定時可達到一較高電流亦如此。接著從方程式(4)可知T _on 會減少。因為T _fb 維持一樣，所以假如T _cc 恆定則此代表T _zero 。

一般而言，控制週期平均電流I _O,AVG 稍微高於LED電流的所希長期平均值。舉例來說，假如希望350毫安培的平均LED電流I _LED ，該控制單元可用如此方式指示該連接控制元件，使得400毫安培的LED電流I _LED 被提供一段最大時段。在這個時段期間，該電流在每個控制週期被控制以供應該400毫安培的控制週期平均電流I _O,AVG 。當輸入電壓太低以致於控制單元無法在每個控制週期期間供應這種電流時，I _LED 將會少於所希平均值。該控制週期平均電流I _O,AVG 經計算使得在該經整流輸入電壓(在圖5b以虛線表示)每0.01秒週期供應的平均電流將會對應到所希的350毫安培的LED電流。這個計算可在控制單元中實行或可事先進行計算而將推導值儲存在控制單元的查找表中。

圖5a顯示控制如圖5b所示的LED所得進入該電路的輸入電流。當輸入電壓很低時的控制週期期間，產生輸入電流的峰值作為電路供應電流I _O,AVG 。當輸入電壓上升時，所供應的電流大致上維持恆定，而結果該輸入電流會下降。該輸入電流再一次開始上升，並且展示正好在輸入電壓下降到零之前的另一個峰值。在該輸入電流的該等峰值造成具有非零功率因數的電路。該控制單元的控制演算法可以用來改變輸入電流的形狀以改善功率因數。

圖6a到圖6b顯示輸入電流與LED電流分別對應於顯示在圖4a中的輸入電壓與顯示在圖4b中的LED電壓作為時間函數的圖。該LED電流根據第二演算法來控制。該第二演算法以如此方式設計使得V _LED 之後的I _LED 變動提供了具有改善功率因數的電路，該功率因數較佳地高於0.7，而在某些情況下可接近大約0.95。電力網路提供者希望有高功率因數以確保有效產生與電氣運輸，而且可以影響電氣稅，這是習於此技術者將會了解的。

如同圖6a和圖6b中可以看到的，I _IN 與I _LED 跟隨該輸入電壓每個週期的一相似變動而對應V _IN 的變動，如同概略地繪於圖4a中的。在一個變動中，該控制週期平均電流I _O,AVG 跟輸入電壓成比例上升(在當輸入電壓高到足以賦能電路操作時的時段期間)，因此該輸入電路展示一相似變動。在輸入電壓與電流上的相似變動會導致功率因數的改善。為產生功率因數為1的狀況，進入轉換器的輸入電流(如同AC電源所「看到」)與供應電壓(也就是電阻性特性)成比例。在這樣狀況下，該控制週期平均電流I _O,AVG 與V _IN 具有一二次關係，因為在任何時間點上I _O,AVG =V _IN xI _IN /V _LED (A)。要注意此方程式指的是輸入和輸出功相等，忽略轉換器的損耗以求簡化。V _LED (V)在操作期間或多或少可被視為恆定，而且V _IN (V)和I _IN (V)一樣具有相同的波形，被設計成彼此成比例。因此I _O,AvG (A)的波形是I _IN (A)(或是V _IN (V))的形狀平方。具有正弦波形的輸入電壓接著將產生對應於正弦平方波形之控制週期平均電流的波形。

應該要了解：在平均LED電流I _LED 350毫安培為所希時，這個控制系統導致例如是700毫安培(看圖6b中的虛線)之一更高峰值LED電流I _LED 。在電路中該等LED與其他元件將會需要被指定成可容納這種較大的峰值電流。

參照圖1與圖2所說明的電路與參照圖3所說明的控制方法也致使可有效控制經修改的輸入電壓訊號，例如以外部調光電路修改輸入電壓。

圖7a到圖7b概略顯示說明調光觀念。調光係關於控制提供至發光負載的電力額度，該發光負載例如像是如圖2所示的LED負載9。施加至負載的電力越大，產生的照明強度越強，反之亦然。藉由在將AC週期內的特定時間處的TRIAC開啟時打開AC波形，使用所謂雙向三極閘流體(TRIAC)型調光器之傳統調光係達成。在零交越之後關閉該TRIAC。在AC週期內該TRIAC打開得越遲，施加至該負載的電力越少。

圖7a概略顯示AC 50赫茲輸入電壓作為時間函數的圖。圖7a係關於只將原始波形的一個非常有限部分(由虛線繪出)施加至負載時的調光狀況。圖7b概略性描繪作為時間函數之一對應經整流輸入電壓V _IN 。圖8a顯示在輸入電壓如同概略顯示在圖7b中被供應的情況下LED電流作為時間函數的圖。在所示實施例中使用第一個演算法，也就是該演算法已經參照圖5a與圖5b作討論。當電壓V _IN 的輸入只供應一段有限時段時，流經該LED負載的電流也只出現一段有限時段。接著會產生少量的光且該光將會顯現出被調光的樣子。但是在有限時段期間的光強度將會近似於非調光狀態。假如在電流流經該LED負載期間的有限時段夠小，則人眼只會注意到該差異，調光將反倒是個劇烈過程且可能難以讓消費者轉動調光器旋鈕等等來加以掌控。

在一個實施例中，該控制單元經配置以辨識出輸入電壓的電壓變動與經調光狀態相關。對於經調光狀態此類辨識可藉由計算在輸入電壓的週期中(例如50赫茲的AC輸入為0.02秒)輸入電壓的峰值與輸入電壓的平均值之間的比例來加以建立。根據峰值與平均值之間經計算的比例，該控制單元可以決定是否施行調光狀況。另或者，該控制單元係經配置為測量該輸入電壓大約為0期間之一時間間隔以決定「調光角度」。基於所測量時間間隔，該控制單元係可決定是否施行調光狀況。假如該控制單元決定要施行調光狀況，它會修改連接控制元件的控制系統而有效地在有限時段期間造成所提供給LED負載的電流較少。這種配置形成了可藉由對應地對該LED負載調光來反應傳統調光電路所產生的電壓波形的電路，因此該電路與傳統的外部調光電路相容。

此一生成有限LED電流I _LED 的例子被顯示在圖8a中，分別以長虛線與點虛線表示。

在一個實施例中，該控制單元具有額外的輸入，例如包括自動或手動之可變電阻器的分壓器，這代表了所希的調光程度。該控制單元可以接著藉由舉例來說像是先前討論方式提供一有限LED電流I _LED 。

在這個實施例中，修改該控制系統可以包括假如希望I _O,AVG 不應該受限於調光目的時使用等於1的調光係數與LED強度下降時使用少於1的調光係數。該調光係數可以視跨越該LED負載的平均電流而定。圖8b概略性地顯示調光係數C _d 作為跨越一LED負載的一平均電壓V_avg 函數，其中在正常操作下一LED負載需要12伏特。要注意：12伏特以上，該I _O,AVG 也可被限制。這一類的限制確保經由該電感器的峰值電流隨著電壓增加而以受限方式增加來保護該電路元件免於過量峰值電流。

本發明藉由參照以AC輸入進行操作的實施例來說明。將了解到：本發明實施例也可與直流(DC)輸入一起使用。在此一個狀況下，該微控制器可經配置以供應一特定LED電流I _LED (例如350毫安培)給在一特定輸入電壓以上的LED負載，如同圖9所顯示的。藉由如此配置控制使得LED電流逐漸增加到所欲電流，而使得調光成為可能。圖9b顯示LED電流作為輸入電壓V _IN 函數的例示圖，其中I _LED 在電壓為7伏特時開始流動。所供應的電流I _LED 隨著輸入電壓增加而逐漸增加，直到達成LED負載的全部操作的所希I _LED ，也就是在顯示於圖9b的例子中，在11伏特時所提供的所希I _LED 350毫安培。

在一個實施例中，該控制單元可決定該輸入電壓與AC輸入有關或與DC輸入有關。例如：輸入電壓的峰值電壓與平均電壓可例如以先前所討論量測方式決定。該控制單元可以接著將該峰值電壓與平均電壓相比較。假如該平均電壓位在峰值電壓的特定百分比(例如20%)內，該輸入電壓係與DC輸入有關。否則，該輸入電壓係與AC輸入有關。

本發明的實施例已被說明具有50赫茲AC電源輸入，但是該電路也可以使用60赫茲電源，只是其他頻率的電源。在一個實施例中，該控制單元也可決定該輸入電壓是與50赫茲AC輸入有關或是與60赫茲AC輸入有關。舉例來說，這可以藉由量測在50毫秒預定時段的平均輸入電壓來完成。在50毫秒中，經整流50赫茲輸入電壓將具有數目為5個半週期(half cycle)，而經整流60赫茲輸入電壓將具有6個半週期。因此50赫茲與60赫茲輸入在50毫秒中皆具有離散的半週期數，而在這個時段中的平均計算將正確地決定一平均值。優點在於相同的控制單元可以用於50赫茲與60赫茲的電源中。

因此，本發明已經由參照上面討論的特定實施例來加以說明。要認知到的是該等實施例容易經受習於此技術者所習知的修改與替代形式，但不會偏離本發明的精神與範疇。因此雖然說明了特定的實施例，但該等實施例僅作為例子，而不欲限制由隨附圖式所定義之本發明的範疇。

1‧‧‧調節單元

3‧‧‧轉換器

5‧‧‧穩定單元

7‧‧‧微控制器

9‧‧‧LED負載

11‧‧‧輸入電源

12A,12B‧‧‧終端

13‧‧‧電腦程式產品

21‧‧‧整流二極體橋接器

23‧‧‧電感性元件

24‧‧‧磁性屏蔽外殼

25‧‧‧第一終端

27‧‧‧連接控制單元

29‧‧‧穩定器

31‧‧‧電容器

33‧‧‧第二終端

35‧‧‧LED

37‧‧‧單向性元件

39‧‧‧電容器

41‧‧‧緩衝器

43‧‧‧電容器

45,45’‧‧‧單向性元件

C_d ‧‧‧調光係數

I_IN ‧‧‧輸入電流

I_LED ‧‧‧LED電流

I_L ‧‧‧通過電感性元件的電流

I_pk ‧‧‧峰值電流

R1-R4‧‧‧電阻器

T_fb ,T_off ,T_on ,T_zero ‧‧‧時段

V_avg ‧‧‧跨越LED負載的平均電壓

V_IN ‧‧‧輸入電壓

V_LED ‧‧‧跨越LED負載的電壓

本發明的各種方面藉由參照顯示在圖式中的實施例已進一步被解釋，其中：

圖1顯示用在本發明實施例中用於控制LED負載之電路的方塊圖；

圖2顯示根據如同概略顯示於圖1中之本發明實施例之用於控制LED負載之更詳細的電路佈局圖；

圖3顯示假如根據本發明之實施例控制之電感性電流作為時間函數的圖；

圖4a到圖4b顯示輸入電壓與LED電壓分別作為時間函數的圖；

圖5a到5b顯示假如使用第一演算法時輸入電流與LED電流分別作為時間函數的圖；

圖6a到6b顯示假如使用第二演算法時輸入電流與LED電流分別作為時間函數的圖；

圖7a到圖7b概略顯示說明調光的觀念；

圖8a顯示在輸入電壓如同概略顯示在圖7b中被供應的情況下LED電流作為時間函數的圖；

圖8b概略顯示調光係數作為橫跨LED負載之平均電壓函數的圖；及

圖9a到圖9b顯示在DC-輸入的狀況下LED電流作為輸入電壓函數的圖。