TWI509963B - 不具電流感測之恆定電流控制器及用於控制電源供應器之電流的方法 - Google Patents

不具電流感測之恆定電流控制器及用於控制電源供應器之電流的方法 Download PDF

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TWI509963B
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Description

不具電流感測之恆定電流控制器及用於控制電源供應器之電流的方法 相關申請案的交叉參考
本申請案主張2012年5月17日所申請之美國臨時申請案第61/648,444號之權利，該案之內容以引用之方式併入本文中。
相關申請案的交叉參考
本申請案主張2012年5月17日所申請之美國臨時申請案第61/648,444號之權利，該案之內容以引用之方式併入本文中。
本發明係關於驅動LED(發光二極體)燈，且更明確言之係關於控制供應至LED燈之電流。
LED在一廣泛範圍電子應用中被採用，例如，建築照明、車頭燈及車尾燈、用於液晶顯示裝置之背光燈、手電筒等。LED較習知光源(諸如白熾燈及螢光燈)具有顯著優點，包含高功率效率、良好方向性、色穩定性、高可靠性、長壽命、小尺寸及環境安全。因為勝於白熾燈之優點，尤其功率效率(流明每瓦特)及光譜品質，預期增加LED燈而非白熾燈之使用。另外，LED燈具有低於螢光照明系統(結合螢光燈之螢光鎮流器)之環境影響，螢光燈可在其處置期間引起汞污染。
然而，習知白熾照明系統為電壓驅動裝置，而LED燈為電流驅動裝置。因此，習知LED燈在沒有修改電流配線及組件基礎結構之情況下不可直接替代白熾燈及螢光燈系統。因為LED燈由電流驅動，所以需要用於控制其等之不同技術。
用於調節用以驅動LED燈之電流之習知技術使用一輸出電流感測電阻器或一變流器。然而，一輸出電流感測電阻器之使用引起功率損耗，而一變流器之使用增加總系統成本。另外，習知技術監測驅動一LED燈之電流及輸出電壓以防止電壓過衝且藉由使用一個別組件組保護LED燈，進一步增加系統複雜性。
一發光二極體(LED)控制器針對提供電流至一LED之一轉換電路提供恆定電流調節。LED控制器感測一電感器電壓且自所感測電感器電壓判定一電感器重設時間。基於判定的電感器重設時間、一開關接通時間及一開關週期，LED控制器產生調整將轉換電路耦合至一輸入電壓之一開關之狀態之一控制信號。
在說明書中描述之特徵及優點並非皆包含在內，且特定言之，一般技術者根據圖式及說明書將清楚許多額外特徵及優點。然而，應注意在說明書中使用之用語原則上已針對易讀性及指導目的而經選擇，且非經選擇用以劃界或限制本發明標的。
100‧‧‧LED燈驅動電路/LED驅動電路
110‧‧‧LED控制器
120‧‧‧轉換電路
210‧‧‧調節電壓產生器
220‧‧‧數位至類比轉換器(DAC)
230‧‧‧比較器
240‧‧‧脈寬調變(PWM)單元
250‧‧‧開關
C6‧‧‧電容器
C9‧‧‧電容器
D1‧‧‧橋式整流器/二極體電橋
D2‧‧‧二極體
D4‧‧‧二極體
Ipk ‧‧‧電感器電流之最大值
L1‧‧‧電感器
Q1‧‧‧開關
R2‧‧‧電阻器
R5‧‧‧電阻器
R6‧‧‧電阻器
Ris ‧‧‧電阻器/輸入感測電阻器/電流感測電阻器
Td ‧‧‧死區時間
Trst ‧‧‧重設時間
Ton ‧‧‧開關接通期間之時間長度
Ton_cc ‧‧‧控制信號
Tp ‧‧‧開關週期
Vo ‧‧‧輸出電壓
VL ‧‧‧感測電感器電壓
Vreg ‧‧‧類比調節電壓
VRis ‧‧‧感測輸入電壓
Vin ‧‧‧輸入電壓
可藉由結合隨附圖式考量下文詳細描述而易於理解本發明之教示。
圖1圖解說明根據本發明之一實施例之一發光二極體(LED)燈驅動電路。
圖2圖解說明根據本發明之一實施例在不使用輸出電流感測電阻器或變流器之情況下提供恆定電流之一LED控制器之一方塊圖。
圖3圖解說明根據一實施例藉由圖2中所圖解說明之LED控制器產生之例示性波形。
圖式及下文描述係關於僅以說明性方式呈現之本發明之較佳實 施例。應注意自下文論述，本文中揭示之結構及方法之替代實施例將易於認知為可在不脫離本發明之原理之情況下採用之可行替代。
現將詳細參考本發明之若干實施例，其等之實例在隨附圖式中經圖解說明。應注意，只要可行，類似或相同的參考數字可在圖式中使用且可指示類似或相同功能性。圖式僅針對圖解之目的描繪本發明之實施例。熟習此項技術者將自下文描述易於認知可在不脫離本文中描述之本發明之原理之情況下採用本文中所圖解說明之結構及方法之替代實施例。
圖1圖解說明包含一橋式整流器D1、一LED控制器110及一轉換電路120之一LED燈驅動電路100。在其他實施例中，LED燈驅動電路可包含較圖1中展示之該等組件之不同及/或額外組件。
橋式整流器D1自一輸入電壓Vin 產生一整流輸入電壓。轉換電路120自整流輸入電壓產生一直流(DC)電壓且藉由來自LED控制器110之一控制信號加以控制。在一實施例中，轉換電路120為產生大於其輸入電壓之一DC升壓電壓輸出之一升壓轉換器。在另一實施例中，轉換電路120為產生小於輸入電壓之一DC電壓之一降壓轉換器。或者，轉換電路120為能夠產生可大於或小於其輸入電壓之一輸出電壓之一升降壓轉換器。轉換電路120亦將一所感測電感器電壓提供至LED控制器110，其中LED控制器110使用該所感測電感器電壓以針對一開關Q1產生調節對轉換電路120之輸入電壓之控制信號。不同於感測及提供一電流及一電壓兩者至LED控制器110之習知轉換電路，轉換電路120感測及提供一電壓至LED控制器110。使用感測電壓控制轉換電路120之操作減少轉換電路120之成本及複雜性同時減輕因電流感測引起之功率損耗。
在一實施例中，轉換電路120包括電阻器R2、R5及R6、電感器L1、二極體D2及D4及電容器C6及C9。另外，開關Q1耦合至二極體電 橋D1之輸出且耦合至轉換電路120。開關Q1相應地自LED控制器110接收一控制信號且調節轉換電路120至二極體電橋D1之輸出之一連接。例如，當控制信號具有一高值時，開關Q1處於一接通狀態，其中來自二極體電橋D1之輸出之整流輸入電壓耦合至轉換電路120；相反，當控制信號具有一低值時，開關Q1處於一關斷狀態，其中來自二極體電橋D1之輸出之整流輸入電壓並不耦合至轉換電路120。在多種實施例中，開關Q1可為一雙極接面電晶體(BJT)或一金屬氧化物半導體場效應電晶體(MOSFET)。
當開關Q1處於接通狀態時電感器L1儲存來自整流輸入電壓之電力且當開關Q1處於一關斷狀態時電感器L1釋放儲存的電力。電阻器R5及R6形成將跨電感器L1之一感測電壓(「感測電感器電壓」)提供至LED控制器110之一分壓器。如在下文進一步描述，LED控制器110自感測電感器電壓產生用以產生用於操作開關Q1之控制信號之一調節電壓。在一實施例中，LED控制器110控制轉換電路120以達成恆定電流操作，其中保持實質上恆定電流通過耦合至LED驅動電路100之LED燈。如在下文進一步描述，在一實施例中，LED控制器110藉由自獲得自感測電感器電壓之一電感器重設時間、開關Q1處於一接通狀態之時間長度及開關Q1處於接通狀態之間之時間長度估計轉換電路120之輸出電流而保持恆定電流操作。
LED控制器
LED控制器110接收對轉換電路120之感測電壓輸入(跨一感測電阻器量測(圖2中電阻器Ris ))及自轉換電路120接收感測電感器電壓VL 。LED控制器110基於感測電感器電壓VL 及感測輸入電壓VRis 產生調整提供輸入電壓至轉換電路120之一開關狀態之一控制信號。因此，LED控制器110藉由轉換電路120調節電流輸出。另外，藉由控制對轉換電路120之輸入電壓供應，LED控制器110防止轉換電路120之 輸出過衝，進而保護耦合至LED驅動電路100之LED燈。
圖2圖解說明包含一調節電壓產生器210、一數位至類比轉換器(DAC)220、一比較器230及一脈寬調變(PWM)單元240之一LED控制器110之一例示性實施例。LED控制器110之一輸出耦合至一開關250，該開關250耦合至一輸入電壓Vin 及耦合至一輸入感測電阻器Ris 。圖2亦針對圖解目的圖解說明耦合至輸入感測電阻器Ris 之轉換電路之組件。
調節電壓產生器210基於來自在轉換電路中與電感器L1並聯之一分壓器(由R5及R6形成)之一電感器電壓VL 產生一調節電壓、指明開關250接通期間之時間長度Ton 之資料及開關250之開關週期Tp 。開關週期Tp 為開關進入一接通狀態與再次進入一接通狀態之間之時間長度。例如，Tp 為施加至開關250之一控制信號之上升邊緣之間之時間長度。調節電壓產生器210使用電感器電壓VL 、Ton 及Tp 產生用以產生針對開關250之一或多個控制信號之調節電壓。在一實施例中，藉由調節電壓產生器210產生之調節電壓為傳遞至DAC 220之一數位值，其產生一類比調節電壓Vreg 。
為產生調節電壓，調節電壓產生器210使用電感器電壓VL 判定電感器L1之一重設時間Trst 。例如，調節電壓產生器210在操作期間接收電感器電壓VL 且將重設時間Trst 判定為電感器電壓VL 自一第一電壓位準至一第二電壓位準之轉變所需之時間。例如，調節電壓產生器210將Trst 判定為電感器電壓VL 自Vo -Vin 之一電壓至一Vo 電壓之轉變之時間，其中Vin 為對轉換電路之一輸入電壓且Vo 為轉換電路之一輸出電壓。在一實施例中，調節電壓產生器210計算調節電壓如下所示：
其中Kcc 為下文進一步描述之一常數，Tp 為開關250之開關週期， Ton 為開關250處於一接通狀態之時間且Trst 為電感器L1之重設時間。在一實施例中，電壓調節產生器210計算Kcc 如下所示：K cc =2I out _nom R is _nom (2)
其中Ris_nom 為輸入感測電阻器Ris 之電阻，其可經指定或預定，且Iout_nom (亦被識別為Iout )為轉換電路之指定或所要輸出電流。Kcc 可基於Ris_nom 及Iout_nom 自恆定輸出電流調節理論而加以判定，其提供：
峰值電流ipk 可根據跨輸入感測電阻器Ris 之電壓而被表示為ipk =Vreg /Ris 。在方程式(3)中代入此且對Vreg 求解得到：
相應地，自開關250之儲存常數Kcc 、開關250之開關接通時間TON 及開關250之開關週期Tp 及電感器重設時間Trst ，Kcc 可被判定為指定輸出電流Iout 及電流感測電阻器Ris 之電阻之二重積。
DAC 220將調節電壓Vreg 之一類比版本輸出作為比較器230之一輸入，其亦將跨輸入感測電阻器之電壓VRis 接收作為輸入。比較器230判定跨電流感測電阻器之電壓VRis 是否超過調節電壓Vreg 且基於判定產生一控制信號Ton_cc 。若跨輸入感測電阻器之電壓VRis 超過調節電壓Vreg ，則控制信號Ton_cc 具有終止開關250之接通狀態之一第一值。控制信號Ton_cc 被傳遞至PWM單元240，其相應地調整開關250之狀態。例如，若控制信號Ton_cc 具有第一值，則PWM單元將開關250調整至終止接通狀態。因此，LED控制器110自電感器電壓VL 判定一調節電壓Vreg 且使用調節電壓Vreg 以產生調整開關250之狀態之一控制信號。
圖3圖解說明藉由圖2中圖解說明之LED控制器110產生之例示性波形。圖3展示藉由LED控制器110施加至開關250用以在一接通狀態 與一關斷狀態之間轉變開關250之控制信號。在圖3中，當控制信號為高時開關處於一接通狀態且當控制信號為低時開關處於一關斷狀態。因此，在圖3中，開關250在控制信號為高之時間期間處於接通狀態，在圖3中識別為Ton 。在控制信號為低之時間Toff 期間開關250處於一關斷狀態。圖3亦將控制信號升至一高位準與控制信號再次升至高位準之間之時間識別為開關週期，表示為Tp 。
在圖3之實例中，在Ton 期間，當開關250處於一接通狀態時，電感器電壓VL 為輸入電壓Vin 與輸出電壓Vo 之間之差，在圖3中表示為Vo -Vin 。然而，當開關250處於一關斷狀態時，電感器電壓VL 為Vo 。
圖3亦展示電感器電流，圖解說明電感器電流在開關250處於接通狀態時具有自零增加至一最大值Imax 之一三角波形。因此，電感器電流在控制信號為高時在間隔末端處為最大值。當控制信號自一高位準轉變至一低位準時，開關250進入一關斷狀態，且電感器電流在一時間間隔期間自最大值Imax 降低回至零，該時間間隔為重設時間Trst 。如在圖3中展示，重設時間Trst 亦對應於電感器電壓達到輸出電壓Vo 所經過之時間。因此，LED控制器110可藉由監控電感器電壓VL 及計算電感器電壓VL 達到輸出電壓Vo 之時間判定當開關250自接通狀態轉變至關斷狀態之重設時間Trst 。圖3亦展示在控制信號為低之時間期間死區時間Td 之存在。在死區時間Td 期間，電感器電壓VL 持續自輸出電壓Vo降低且電感器電流為零。
當控制信號轉變至一高狀態時，開關250再次轉變至一接通狀態，電感器電壓VL 轉變為輸出電壓減去輸入電壓Vo -Vin 且電感器電流開始自零線性上升至其最大值Ipk 。當開關250轉變至關斷狀態時電感器電流達到其最大值Ipk 。當開關250轉變至關斷狀態時，電感器電流在重設時間Trst 期間開始自其最大值Ipk 線性降低至零。亦在重設時間Trst 期間，當電感器電流返回至具有一零值時，電感器電壓VL 轉變至 輸出電壓Vo ，在重設時間Trst 之末端處達到輸出電壓Vo 。
在閱讀本發明之後，熟習此項技術者將瞭解在沒有電流感測之情況下針對LED控制器提供恆定電流控制之額外替代設計。因此，儘管本發明之特定實施例及應用已經圖解說明及描述，然應瞭解本發明並不限於本文中揭示之精確構造及組件且在不脫離本發明之精神及範疇之情況下可在本文中揭示之本發明之方法及設備之配置、操作及細節中進行熟習此項技術者將清楚之多種修改、改變及變動。
100‧‧‧LED燈驅動電路/LED驅動電路
110‧‧‧LED控制器
120‧‧‧轉換電路
C6‧‧‧電容器
C9‧‧‧電容器
D1‧‧‧橋式整流器/二極體電橋
D2‧‧‧二極體
D4‧‧‧二極體
L1‧‧‧電感器
Q1‧‧‧開關
R2‧‧‧電阻器
R5‧‧‧電阻器
R6‧‧‧電阻器
Vin ‧‧‧輸入電壓

Claims (19)

  1. 一種控制一電源供應器之一輸出電流之方法，該電源供應器之一輸出耦合至一電感器，該方法包括：當一開關處於接通時，儲存來自該電源供應器之電力至該電感器中及當該開關處於關斷時，從該電感器傳遞電力至一負載；感測跨該電感器之一電壓；感測跨串聯耦合至一該開關且串聯耦合至該電感器之一開關電流感測電阻器之一電壓；使用跨該電感器之該電壓判定該電感器之一重設時間，該重設時間表示跨該電感器之一電流自一峰值降低至一最小值之一持續時間；自該重設時間、該開關之一開關週期及該開關處於一接通狀態之一時間長度判定一調節電壓；回應於跨該開關電流感測電阻器之該電壓與該調節電壓之間之一比較產生一控制信號，該控制信號回應於跨該開關電流感測電阻器之該電壓超過該調節電壓而將該開關轉變至一關斷狀態。
  2. 如請求項1之方法，其中該調節電壓與該開關之該開關週期成正比且與該重設時間與該開關處於一接通狀態之該時間長度之總和成反比。
  3. 如請求項2之方法，其中該調節電壓與一標稱輸出電流值及該開關電流感測電阻器之一電阻成正比。
  4. 如請求項1之方法，其中產生該控制信號包括基於跨該開關電流感測電阻器之該電壓與該調節電壓之間之該比較判定該控制信 號之工作循環。
  5. 如請求項4之方法，其中該電感器透過一發光二極體(LED)放電。
  6. 如請求項1之方法，其中該開關為一雙極接面電晶體(BJT)。
  7. 如請求項1之方法，其中該開關為一場效應電晶體(FET)。
  8. 一種恆定電流控制器，其包括：一轉換電路，其包括：一開關，其經組態以回應於一控制信號呈作用或非作用而接通或關斷，一電感器，其耦合至該開關，該電感器經組態以在該開關接通時自一供應電壓儲存電力且在該開關關斷時將電力傳遞至一負載，及一開關電流感測電阻器，該開關電流感測電阻器串聯耦合至該開關及該電感器；一電壓感測電路，其耦合至該轉換電路之該電感器，該電壓感測電路經組態以感測跨該電感器之一電感器電壓；及一控制器，其包括耦合至該電壓感測電路之一第一輸入、耦合至該電壓感測電路之一第二輸入及耦合至該轉換電路之該開關之一輸出，該控制器經組態以：感測跨該開關電流感測電阻器之一電壓，使用自該電壓感測電路接收之該感測電感器電壓以判定該電感器之一重設時間，自經判定之該重設時間、該開關之一開關週期及該開關處於一接通狀態之一時間長度判定一調節電壓，及回應於跨該開關電流感測電阻器之該電壓與該調節電壓之間之一比較產生一控制信號，該控制信號回應於跨該開關電流感 測電阻器之該電壓超過該調節電壓而將該開關轉變至一關斷狀態。
  9. 如請求項8之恆定電流控制器，其進一步包括：一開關電流感測電阻器，其耦合至該轉換電路之該開關且耦合至該轉換電路之該電感器，該開關電流感測電阻器經組態以在該開關接通時間期間感測通過該開關之電流。
  10. 如請求項9之恆定電流控制器，其中該控制器包括：一調節電壓產生器，其耦合至該控制器之該第一輸入，該調節電壓產生器經組態以基於該感測電感器電壓、該轉換電路之該開關接通之一時間長度及該開關之一開關週期產生一調節電壓；一比較器，其接收來自該調節電壓產生器之該調節電壓及跨該開關電流感測電阻器之電壓，該比較器經組態以回應於該調節電壓與跨該開關電流感測電阻器之電壓之間之一比較而產生一比較器輸出信號；一脈寬調變器(PWM)，其經組態以接收該比較器輸出信號且回應於跨該開關電流感測電阻器之電壓超過該調節電壓而產生將該開關轉變至一關斷狀態之該控制信號。
  11. 如請求項10之恆定電流控制器，其中該調節電壓與該開關之該開關週期成正比且與一重設時間與該轉換電路之該開關接通之該時間長度之總和成反比，該重設時間表示跨該轉換電路之該電感器之一電流自一峰值降低至一最小值之一持續時間。
  12. 如請求項11之恆定電流控制器，其中該調節電壓與一標稱輸出電流值及該開關電流感測電阻器之一電阻成正比。
  13. 如請求項9之恆定電流控制器，其中該控制器進一步包括：一數位至類比轉換器(DAC)，該DAC之一輸入耦合至該調節電 壓產生器之輸出且該DAC之一輸出耦合至該比較器，該DAC經組態以將該調節電壓之一數位表示轉換為該調節電壓之一類比表示。
  14. 如請求項8之恆定電流控制器，其中產生該控制信號包括基於跨該開關電流感測電阻器之電壓與該調節電壓之間之該比較判定該控制信號之工作循環。
  15. 如請求項8之恆定電流控制器，其進一步包括：一橋式整流器，其耦合至該開關，該橋式整流器經組態以整流一交流電(AC)供應電壓且產生一直流電(DC)供應電壓。
  16. 如請求項8之恆定電流控制器，其中該開關為一雙極接面電晶體。
  17. 如請求項8之恆定電流控制器，其中該開關為一場效應電晶體(FET)。
  18. 如請求項17之恆定電流控制器，其中該FET為一金屬氧化物半導體FET(MOSFET)。
  19. 如請求項8之恆定電流控制器，其中該負載為一發光二極體(LED)。
TW102117622A 2012-05-17 2013-05-17 不具電流感測之恆定電流控制器及用於控制電源供應器之電流的方法 TWI509963B (zh)

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