TWI513369B - 高效率低功率電容器充電直流驅動器 - Google Patents

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Description

高效率低功率電容器充電直流驅動器
本揭示內容係關於低功率DC發光裝置及DC驅動器設備。
低功率DC發光裝置變得越來越流行。舉例而言，發光二極體(LED)及有機發光二極體(OLED)在期望單位瓦特的光輸出之應用中越來越流行。迄今為止，用於自AC電源供應器對此等光源供電之驅動器電路通常包含多個功率轉換級，且不能提供良好的功率效率。試圖藉由電容器充電及一受控半波整流改良效率已證實難以控制。因此，隨著低功率DC驅動發光裝置繼續增加，存在對用於將AC輸入功率轉換為DC功率之經改良低成本、低功率、高效率驅動器之一需要。
本發明提供一種用於對一光源供電之高效率低功率DC驅動器設備。該驅動器設備具有用於連接至一AC電源供應器之輸入端子及一電容性驅動器電路，該電容性驅動器電路具有串聯耦合於該等輸入端子之間以在一中間節點處提供一減少的或分壓AC輸出之第一電容及第二電容。一整流器接收並整流該分壓AC輸出以提供小於10瓦特之一功率位準之一DC輸出，且一或多個光源係經由一驅動器輸出端子與該DC輸出耦合。該驅動器包含與該(該等)光源耦合以在該整流器之該等DC輸出節點之間形成一串聯電路之一線性調節器，其中該線性調節器調節流過該串聯電路之一驅動電流。
在一些實施例中，該線性調節器包含一場效電晶體(諸如一金屬氧化物半導體場效電晶體(MOSFET)，其具有耦合於串聯電路中之汲極端子及源極端子與控制驅動電流之一閘極端子)，及耦合於該串聯電路中之一感測電阻以及一運算放大器電路，該運算放大器電路具有經耦合以感測跨該感測電阻之一電壓之一輸入及控制場效電晶體(FET)閘極電壓以調節流過該串聯電路之驅動電流之一輸出。
在其他實施例中，該線性調節器包含一個三端子電壓調節器裝置，該裝置具有與該等DC輸出節點之一者耦合之一輸入端子、與該等驅動器輸出端子之一者耦合之一輸出端子及一調整端子。一第一電阻係耦合於該輸出端子與該調整端子之間，且一第二電阻係耦合於該調整端子與該等驅動器輸出端子之另一者之間，該三端子調節器調節該等驅動器輸出端子之間的電壓以調節提供至光源之驅動電流。
在一些實施例中，該線性調節器係可調整用於調暗發光裝置，及/或可藉由控制驅動電流之上升時間提供軟啟動。在一些實施例中設定電容分壓器之電容比率，使得該線性調節器僅在啟動期間調節及/或調節發光裝置之調暗操作以促進高效率操作。在一些實施例中，進一步言之，該線性調節器係一非切換調節器以在不需要額外組件之情況下避免過多的電磁干擾(EMI)或射頻干擾(RFI)發射。
在下文詳細描述及圖式中陳述一或多個例示性實施例。
現在參考圖式，其中使用相同的參考數字以指代貫穿圖式的相同元件，且其中各種特徵並無需按比例繪製。圖1至圖3繪示用於對一或多個發光裝置108(諸如LED、OLED等等)供電之DC驅動器設備100之一高效率、低功率AC線電壓之實施例。該驅動器100包含具有可耦合至一單相或多相AC電源供應器102(諸如所示實例中之一標準單相120 VAC(RMS)電源連接(可對多相輸入連接提供另外的輸入端子(未顯示)))之第一輸入端子104a及第二輸入端子104b。該輸入104係連接至一電容性分壓器電路110，該電容性分壓器電路110具有耦合於端子104a與端子104b之間的一串聯分支中以形成在一中間節點112a處提供一經減少(分壓)AC輸出之一電容性分壓器之第一電容C1及第二電容C2(圖2)。該第一分壓器電容C1作為具有限制電流進入一整流全橋二極體網路120之一Xc之一充電泵電容器。C2用以消除輸入電流信號，且亦提供一電容器驅動器網路以在不需要額外瞬變抑制電路情況下於瞬變期間降低浪湧電壓突波。在某些實施例中，C1/C2之比率大於2(諸如在圖2之實施例中比率為3)。
該電容性分壓器110提供該經減少的AC輸出至一整流器120，該整流器120整流該經分壓的AC輸出以在一對DC輸出節點122a及122b處提供小於10瓦特的一功率位準之一DC輸出122。該所示整流器120係包含二極體D1至D4之一全波被動式整流器，但是可使用其他AC-DC電路(諸如半波被動式整流器、主動式整流器等等)。C3(圖2)係跨該整流器輸出122耦合之一可選擇DC平滑電容器。該驅動器100提供具有可耦合至一或多個光源108(諸如單一或多個(串聯連接及/或並聯連接)LED、OLED等等)之驅動器輸出端子106a及106b之一輸出106。圖1及圖2之該等實施例中之一第一驅動器輸出端子106a係與該整流器120之該等第一DC輸出節點122a耦合，且其他驅動器輸出端子106b係耦合至一線性調節器130。
在圖2之實施例中，調節器130a係耦合於該光源108與該第二整流器DC輸出節點122b之間的一串聯電路中，其中該調節器130係操作性以調節流過該串聯電路之一驅動電流IDRIVE 。以此方式，藉由該(該等)光源108提供一受控光輸出。其他實施例可包含耦合於該第一整流器輸出端子122a與該(該等)光源108之間的上層電路分支中之一整流器，舉例而言，如圖7之實施例所示。如圖1所示，進一步言之，該調節器130可包含用於調暗發光裝置108之調暗電路132及/或軟啟動電路134以控制流過該串聯電路之該驅動電流IDRIVE 之上升時間以(例如)保護OLED類型的光源108在啟動時避免電流突波。
在圖2之實施例中，該線性調節器130a包含具有耦合於該串聯電路中之一汲極端子D及一源極端子S之一n通道增強型模式MOSFET M1。該電晶體M1具有操作性地控制於該汲極端子D與該源極端子S之間流動的電流量(IDRIVE )之一控制閘極端子G。一感測電阻R1係耦合於M1與該第二DC輸出節點122b(在此實例中為電路接地)之間的串聯電路中，且跨R1之電壓係代表提供至該(該等)光源108之驅動電流IDRIVE 。在此實施例中，該調節器130a亦提供包含一運算放大器U1及兩個參考電壓裝置或電路REF1及REF2之一運算放大器電路。U1之反相運算放大器輸入係與該感測電阻R1耦合以感測跨R1之電壓，且非反相輸入係耦合至REF1(例如，在此實例中為0.55 VDC)，該運算放大器U1藉由REF2(例如，5 VDC)供電。
該運算放大器U1提供控制施加於該場效電晶體M1之閘極端子G之電壓之一輸出，且運算以調節流過該串聯電路之該驅動電流IDRIVE ，藉此調節藉由該(該等)光源108提供的照明位準。進一步言之，一可調整參考REF1之供應可用於調整用於調暗應用之該已調節的驅動電流IDRIVE 。再者，該調節器130a可實施軟啟動功能(諸如藉由包含該運算放大器電路中之一電容C4)以控制該驅動電流IDRIVE 之上升時間
該參考電壓REF1及該參考電壓REF2可藉由任何適當的電路自整流器輸出得到，圖3顯示該等參考電壓之一實例。在此實例中，一調節器裝置U10在端子122a處接收該正整流器輸出，且經由電阻器R10及R11對REF2提供一5 VDC已調節的輸出，一電阻性電壓分壓器電路的R12、R13設定REF1之電壓位準。對於調暗實施方案，R13可為可變(例如，電位計)，且可藉由耦合電容C4於REF1與端子122b處之電路接地之間實施軟啟動。就此而言，發明者瞭解OLED及其他類型的光源108可能對啟動時或啟動後的電流浪湧特別敏感，且軟啟動電路134之供應促進瞬變期間運算之一大體上恆定的dv/dt形式以緩和裝置劣化以延長該光源108之操作壽命。
圖2及圖3之該等例示性實施例係經設計用於一OLED光源108在大約24VDC標稱100%光輸出時驅動一50毫安標稱驅動電流IDRIVE ，從而具有調暗之可能性以降低輸出功率。該例示性實施方案因此係一低功率驅動器100(例如，大約1.2瓦特)，其中整流器輸出匯流排電壓位準係藉由該電路110之C1/C2之驅動器電容比率設定。特定實施例設定此比率為大於2，其中圖2之實例具有一比率3。預期其他實施例提供單位瓦特的輸出功率位準(諸如小於10瓦特)，其中其他電流及電壓位準可基於充電泵電容之選擇而設計。進一步言之，可使用該等驅動器100以對任何低輸出功率DC驅動發光裝置供電，且本揭示內容並不限於LED或OLED應用。88%至92%的效率係以正常操作的該驅動器100之原型及模擬達成，且實際效率有望充分大於此等習知的二級商用供應(典型效率係大約72%或更小)。進一步言之，圖2及圖3之該實施例提供小尺寸、低成本且低組件數同時實施高效率且沒有使用切換組件(即，該線性調節器130a係具有一般以線性模式操作之FET M1之一非切換調節器)之一設計，藉此控制EFI/RFI發射。
參考圖4至圖6，可設定該電容性分壓器110之該第一電容C1與該第二電容C2之比率，使得該線性調節器130僅在啟動期間及/或調暗操作期間調節，藉此在實務中減少該線性調節器130之功率消耗。圖4中之一圖表200顯示一曲線202，該曲線202代表啟動期間用於在50毫安的一標稱驅動電流IDRIVE 操作所示實施例100之輸出驅動電流IDRIVE 之，其中該電容性分壓器電路110及該整流器120在未啟用調暗及沒有軟啟動電路134之情況下提供接近20至24 VDC之標稱值之一DC匯流排值。如此圖表200所示，該電流202上升某120 Hz漣波量(自電源102之一60 Hz輸入的被動式全波整流)，且一旦達到穩定狀態電流位準，該漣波繼續，藉此該調節器電路130無需參與處於該位準之正常操作，藉此減少該調節器130自身中的不必要功率損耗(及效率降級)。圖5係顯示一圖表210，該圖表210繪示作為該驅動器100中之一時間函數之驅動電流212，其中一調暗控制132(例如，圖3中之電阻器R13)經設定用於該光源108之30毫安操作，且其中包含軟啟動電路134(例如，電容C4)。在此情況中，該調節器130在啟動時操作以使電流上升時間變慢，且而後在可能損失該調節器130之一些效率損耗下，將該輸出電流IDRIVE繼續調節為30毫安(調暗位準)(同時消除或衰減該穩定狀態漣波)。然而，應注意的是，習知的調暗驅動器在調暗操作期間亦遭遇效率降低之問題。在圖6中，一圖表220繪示該驅動電路100中之驅動電流222，其中軟啟動電路134針對一非調暗應用減慢該電流上升(或將該調暗電路設定為100%)，其中該調節器130僅在啟動期間操作，啟動以後達成更高效率的操作。
圖7繪示具有另一非切換線性調節器130b之另一驅動器實施例100，該非切換線性調節器130b包含具有經由一可調整電阻R3之可選擇調暗控制及該驅動器輸出106處之可選擇軟啟動電容C4之一個三端子電壓調節器U2(例如，一實施方案中的LM317)。該三端子調節器U2具有與該DC輸出節點122a耦合之一輸入端子IN、與該驅動器輸出端子106a耦合之一輸出端子OUT及提供通過R3之一調整電流之一調整端子ADJ，且一電阻R2係耦合於該輸出端子與該調整端子之間。該三端子調節器U2調節該驅動器輸出端子106a與驅動器輸出端子106b之間的一電壓以調節流過該串聯電路之該驅動電流IDRIVE 。
以上實例純粹闡釋本揭示內容之各種態樣之若干可能的實施例，其中熟習此項技術者在閱讀及瞭解本說明書及附加圖式之後將想到等效替代及/或修改。就由該等以上描述的組件(總成、裝置、系統、電路及類似物)執行的各種功能特定而言，除非另有說明，否則用於描述此等組件之術語(包含對一「構件」之一引用)旨在對應於任何組件(諸如硬體、軟體或其等之組合)，該任何組件即使在結構上不等效於執行本揭示內容之該等所示實施方案中之功能之所揭示結構，但是其執行所描述組件之特定功能(即，功能上等效)。再者，雖然可能已關於若干實施方案之僅一者闡釋及/或描述本揭示內容之一特定特徵，但是此等特徵可與可期望且對任何給定或特定應用有利之其他實施方案之一或多個其他特徵組合。進一步言之，除非另有說明，否則對奇組件或項目的引用旨在包含兩個或更多個此等組件或項目。而且，就該詳細描述及或申請專利範圍中所使用的該等術語「包含(including)」、「包含(includes)」、「具有(having)」、「具有(has)」、「具有(with)」或其等變體之程度而言，此等術語旨在以一類似於術語「包括(comprising)」之方式表示包含。已參考較佳實施例描述本發明。顯而易見，其他人在閱讀及瞭解先前詳細描述之後將想到修改及替代。希望本發明被解釋為包含所有此等修改及替代。
100．．．驅動器
102．．．電源供應器
104．．．輸入
104a．．．輸入端子
104b．．．輸入端子
106a．．．輸出端子
106b．．．輸出端子
108．．．光源
110．．．電容性分壓器
112．．．中間節點
112a．．．中間節點
112b．．．中間節點
120．．．整流器
122．．．整流器輸出
122a．．．直流輸出節點
122b．．．直流輸出節點
130．．．線性調節器
130a．．．線性調節器
130b．．．線性調節器
132．．．調暗電路
134．．．軟啟動電路
200．．．圖表
202．．．曲線
210．．．圖表
212．．．驅動電流
220．．．圖表
222．．．驅動電流
C1．．．第一電容
C2．．．第二電容
C3．．．直流濾波電容
C4．．．軟啟動電容
D1、D2、D3、D4．．．二極體
IDRIVE ．．．驅動電流
M1．．．電晶體
R1．．．感測電阻
R2．．．電阻器
R3．．．可調整電阻
R10．．．電阻器
R11．．．電阻器
R12．．．電阻器
R13．．．可變電阻
REF1．．．參考電壓
REF2．．．參考電壓
U1．．．運算放大器
U2．．．三端子電壓調節器
圖1係繪示一例示性低功率高效率DC光源驅動器之一示意圖，該驅動器具有一電容性分壓器、一整流器及與一驅動光源形成一串聯電路之一線性調節器；
圖2係繪示一驅動器實施例之一示意圖，其中該線性調節器包含一運算放大器電路及用可選調暗電路及軟啟動電路調節該光源驅動電流之一n通道MOSFET；
圖3係繪示圖2之該調節器中之該運算放大器電路參考之一實施方案之一部分示意圖；
圖4係繪示在無軟啟動或調暗下作為圖1之驅動器中之一時間函數之驅動電流的一圖表；
圖5係繪示在具有軟啟動或調暗下作為圖1之驅動器中之一時間函數之驅動電流的一圖表；
圖6係繪示在具有軟啟動下作為圖1之驅動器中之一時間函數之驅動電流的一圖表；及
圖7係繪示另一驅動器實施例之一示意圖，其中該線性調節器包含具有可選擇調暗控制之一個三端子電壓調節器。
100．．．驅動器
102．．．電源供應器
104．．．輸入
104a．．．輸入端子
104b．．．輸入端子
106a．．．輸出端子
106b．．．輸出端子
108．．．光源
110．．．電容性分壓器
112．．．中間節點
112a．．．中間節點
112b．．．中間節點
120．．．整流器
122．．．整流器輸出
122a．．．直流輸出節點
122b．．．直流輸出節點
130．．．線性調節器
132．．．調暗電路
134．．．軟啟動電路
IDRIVE ．．．驅動電流

Claims (16)

  1. 一種用於對一光源供電之高效率低功率DC驅動器設備，該設備包括：一輸入，其包含可耦合至一AC電源供應器之第一輸入端子及第二輸入端子；一電容性分壓器電路，其包含串聯耦合於該等輸入端子之間且在一中間節點處彼此耦合之第一電容與第二電容，該電容性分壓器電路在該等輸入端子處接收一AC輸入，且在該中間節點處提供一分壓AC輸出；一整流器，其係操作性地與該中間節點耦合以接收並整流該分壓AC輸出以在一對DC輸出節點處提供小於10瓦特的一功率位準之一DC輸出；一輸出，其包含可耦合至至少一光源之一對驅動器輸出端子，該等驅動器輸出端子之一第一者係與該等DC輸出節點之一第一者耦合；及一線性調節器，其係耦合於該等驅動器輸出端子之一第二者與該等DC輸出節點之一第二者之間以將一串聯電路中之該光源與該線性調節器耦合於該等DC輸出節點之間，該線性調節器可經操作以調節流過該串聯電路之一驅動電流。
  2. 如請求項1之驅動器設備，其中該線性調節器包括：一場效電晶體，其具有耦合於該串聯電路中之汲極端子及源極端子與具操作性以控制於該汲極端子與該源極端子之間流動的電流之一閘極端子； 一感測電阻，其耦合於該串聯電路中；及一運算放大器電路，其具有與該感測電阻耦合以感測跨該感測電阻之一電壓之一輸入及控制施加於該場效電晶體之該閘極端子之一電壓以調節流過該串聯電路之該驅動電流之一輸出。
  3. 如請求項2之驅動器設備，其中該線性調節器進一步包括該運算放大器電路中之一電容以控制流過該串聯電路用於軟啟動該驅動器設備之驅動電流之一上升時間。
  4. 如請求項2之驅動器設備，其中設定該電容性分壓器之該第一電容與該第二電容之一比率，使得該線性調節器僅在啟動期間調節。
  5. 如請求項1之驅動器設備，其中該線性調節器包括：一個三端子調節器，其具有與該等DC輸出節點之一者耦合之一輸入端子、與該等驅動器輸出端子之一者耦合之一輸出端子及一調整端子；一第一電阻，其耦合於該輸出端子與該調整端子之間；及一第二電阻，其耦合於該調整端子與該等驅動器輸出端子之另一者之間；其中該三端子調節器調節該等驅動器輸出端子之間的一電壓以調節流過該串聯電路之該驅動電流。
  6. 如請求項5之驅動器設備，其中該線性調節器之該第二電阻係可調整用於調暗該光源。
  7. 如請求項5之驅動器設備，其中設定該電容性分壓器之 該第一電容與該第二電容之一比率，使得該線性調節器僅在啟動期間調節。
  8. 如請求項1之驅動器設備，其中該線性調節器係操作性以控制流過該串聯電路用於軟啟動該驅動器設備之驅動電流之一上升時間。
  9. 如請求項1之驅動器設備，其中該線性調節器係可調整用於調暗該光源。
  10. 如請求項9之驅動器設備，其中設定該電容性分壓器之該第一電容與該第二電容之一比率，使得該線性調節器僅在啟動期間調節且調節該光源之調暗操作。
  11. 如請求項1之驅動器設備，其中設定該電容性分壓器之該第一電容與該第二電容之一比率，使得該線性調節器僅在啟動期間調節。
  12. 如請求項11之驅動器設備，其中該電容性分壓器之該第一電容與該第二電容之該比率大於2。
  13. 如請求項12之驅動器設備，其中該電容性分壓器之該第一電容與該第二電容之該比率係3。
  14. 如請求項1之驅動器設備，其中該電容性分壓器之該第一電容與該第二電容之一比率大於2。
  15. 如請求項14之驅動器設備，其中該電容性分壓器之該第一電容與該第二電容之該比率係3。
  16. 如請求項1之驅動器設備，其中該線性調節器係一非切換調節器。
TW099135989A 2009-10-21 2010-10-21 高效率低功率電容器充電直流驅動器 TWI513369B (zh)

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