TWI516164B - 調光裝置以及調光方法 - Google Patents

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台達電子企業管理（上海）有限公司
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Description

調光裝置以及調光方法
本發明是關於一種調光裝置及其調光方法，且特別是有關於一種調節負載電流的調光裝置及其調光方法。
近年來由於發光二極體(Light Emitting Diode,LED)製造技術的進步，使得發光二極體的發光亮度及發光效率大幅地增加。因此，發光二極體逐漸取代傳統的白熾燈泡而成為新的照明元件，廣泛地應用於例如家用照明裝置、手持照明裝置、車用照明裝置、液晶面板背光源、交通指示燈等。然而，由於白熾燈泡的運作特性與發光二極體的運作特性並不相同，因此應用於發光二極體的調光電路與用於白熾燈泡的調光電路亦不相同。
現有技術中，要驅動具有多個發光二極體串的負載電路時，通常在負載電路上連接電流或電壓調節器，並且利用電流或電壓調節器的恆流特性來穩定發光二極體串的工作電流。例如，利用變換器將交流或直流的輸入電壓轉換為一恆定的直流電壓，再將所述的直流電壓通過電流或電壓調節器，以提供負載電路工作所需的工作電壓。
為了能快速地調節電流或電壓調節器的輸出的電流/電壓幅值，現有的方式是在電流/電壓調節器的輸出端並聯多個電容C1~Cn，各個電容C1~Cn分別通過一個開關元件T1~Tn連接到電流/電壓調節器的輸出端，如第1圖所示，第1圖係繪示傳統的一種調光裝置。首先，通過電流/電壓調節器的輸出電壓Vo給各個電容C1~Cn充電至預先決定的電壓，然後再通過控制開關元件T1~Tn的開通或關斷來切換各個電容C1~Cn，以輸出額定的工作電壓給負載(如：發光二極體)，實現快速調節發光二極體的電流幅值。
然而，所述方法的缺點是電流幅值的調節不具彈性，通過並聯一個電容對應一個電流幅值的方式，很難實現連續調節發光二極體所需的電流幅值。
另外，現有的另一種調節發光二極體的電流幅值的方式，則是在發光二極體串上串聯線性調節器，通過調整線性調節器調整流過發光二極體串的電流。然而，在這種調節方式中，變換器的轉換效率並不高。
為解決上述的問題，本發明揭示內容提供一種調光裝置，通過前饋補償信號和調節信號調節變換器的工作頻率或是責任週期，除了可以實現快速地調節負載電流，達到快速調光之外，還可以提高變換器的轉換效率。
本揭示內容之一態樣是關於一種調光裝置，包含變換器、負載電路、以及控制器。變換器用以依照控制信號 輸出負載電流信號。負載電路由負載電流信號所驅動。控制器用以產生控制信號。控制器包含誤差計算單元、調節單元、前饋補償單元和加法單元。誤差計算單元用以依照參考電流信號和反饋信號產生第一誤差信號。調節單元用以依照第一誤差信號產生調節信號。前饋補償單元用以依照參考電流信號產生前饋補償信號。加法單元用以依照調節信號和前饋補償信號產生控制信號。
依據本發明一實施例，當所述參考電流信號改變時，所述控制器產生所述控制信號調節所述變換器輸出之所述負載電流信號。
依據本發明一實施例，當所述參考電流信號改變時，所述前饋補償單元和所述調節單元分別產生所述前饋補償信號和所述調節信號。所述加法單元將所述前饋補償信號和所述調節信號相加並且產生所述控制信號。所述控制信號用以調節所述負載電流信號至設定電流值。
依據本發明一實施例，當所述參考電流信號改變時，所述前饋補償單元產生所述前饋補償信號至所述加法單元。所述調節單元停止輸出所述調節信號至所述加法單元。當所述控制器調節所述負載電流至設定電流值時，所述調節單元輸出所述調節信號至所述加法單元。
依據本發明一實施例，所述控制器包含開關單元。開關單元電性耦接於所述調節單元和所述加法單元之間。當所述參考電流信號改變時，所述控制器控制所述開關單元截止，當所述控制器調節所述負載電流信號至所述設定 電流值時，所述控制器控制所述開關單元導通。
依據本發明一實施例，所述控制器更包含切換單元。切換單元包含第一端、第二端和第三端。第一端用以接收所述參考電流信號。第二端用以接收所述反饋信號。 第三端電性耦接於所述誤差計算單元。當所述控制器調節所述負載電流信號至設定電流值時，切換單元切換第一端電性耦接第三端。所述誤差計算單元用以比較所述參考電流信號和所述反饋信號產生所述第一誤差信號。所述調節單元依照所述第一誤差信號產生所述調節信號。當所述參考電流信號改變時，所述前饋補償單元產生所述前饋補償信號，切換單元切換第二端電性耦接第三端，所述誤差計算單元比較所述反饋信號和所述反饋信號產生第二誤差信號。所述調節單元依照第二誤差信號產生所述調節信號。
依據本發明一實施例，所述設定電流值為所述負載電流信號的穩態值。
依據本發明一實施例，所述控制信號用以調節所述變換器的工作頻率或責任週期(duty cycle)。
依據本發明一實施例，所述變換器為半橋變換電路或是全橋變換電路。
依據本發明一實施例，所述變換器包含開關電路、諧振電路、和變壓器。所述諧振電路電性連接於開關電路和變壓器之原邊繞組之間，而變壓器之副邊繞組電性連接於所述負載電路。
依據本發明一實施例，所述諧振電路為LC諧振電 路、LLC諧振電路或LCC諧振電路。
依據本發明一實施例，所述負載電路包含至少一發光元件。所述至少一發光元件為發光二極體或雷射元件。
依據本發明一實施例，所述反饋信號為反應所述負載電流信號之信號。
依據本發明一實施例，所述反饋信號產生的方式是通過檢測所述變換器中的變壓器的原邊電流的有效值、峰值或是整流後的平均值，或是檢測所述變換器中的變壓器的副邊電流的有效值、峰值或是整流後的平均值，或是檢測所述負載電路上的電流信號。
本揭示內容之另一態樣是關於一種調光方法，包含：依照參考電流信號產生前饋補償信號；依照參考電流信號以及反饋信號產生第一誤差信號；依照第一誤差信號產生調節信號；依照前饋補償信號和調節信號產生控制信號用以控制一變換器輸出負載電流信號驅動一負載電路；當參考電流信號改變時，依照控制信號調節負載電流信號。
依據本發明一實施例，當所述參考電流信號改變時，產生所述前饋補償信號以及停止輸出所述調節信號。 當所述負載電流信號達到設定電流值時，輸出所述調節信號。
依據本發明一實施例，當調節所述負載電流信號至設定電流值時，比較所述參考電流信號和所述反饋信號產生之所述第一誤差信號並且依照所述第一誤差信號產生所述調節信號。當所述參考電流信號改變時，產生所述前饋 補償信號，以及比較所述反饋信號和所述反饋信號產生之第二誤差信號並且依照第二誤差信號產生所述調節信號。
依據本發明一實施例，所述控制信號用以調節所述變換器的工作頻率或是責任週期。
200‧‧‧調光裝置
210‧‧‧變換器
220‧‧‧負載電路
230a‧‧‧控制器
231‧‧‧調節單元
232‧‧‧前饋補償單元
233‧‧‧誤差計算單元
234‧‧‧加法單元
220a‧‧‧負載電路
211‧‧‧變壓器
221‧‧‧發光二極體串
220b‧‧‧負載電路
520‧‧‧負載電路
530‧‧‧控制器
S610~S670‧‧‧步驟
S671~S675‧‧‧步驟
S710~S790‧‧‧步驟
300‧‧‧調光裝置
230b‧‧‧控制器
310‧‧‧開關單元
400‧‧‧調光裝置
230c‧‧‧控制器
410‧‧‧切換單元
411‧‧‧第一端
412‧‧‧第二端
413‧‧‧第三端
500‧‧‧調光裝置
510‧‧‧變換器
511‧‧‧開關電路
512‧‧‧諧振電路
513‧‧‧變壓器
520‧‧‧負載電路
為讓本發明之上述和其他目的、特徵、優點與實施例能更明顯易懂，所附圖式之說明如下：第1圖係繪示傳統的一種調光裝置；第2圖係依照本發明一實施例繪示的一種調光裝置的示意圖；第3圖係依照本發明一實施例繪示的一種控制時序圖；第4圖係依照本發明一實施例繪示的另一種控制時序圖；第5圖係依照本發明一實施例繪示的一種調光裝置的示意圖；第6圖係依照本發明另一實施例繪示的一種調光裝置的示意圖；第7圖係依照本發明另一實施例繪示的一種時序控制圖；第8a圖係依照本發明一實施例繪示的變換器的示意圖；第8b圖係依照本發明一實施例繪示的變換器的示意圖；第9a圖係依照本發明一實施例繪示的負載電路的示意 圖；第9b圖係依照本發明一實施例繪示的負載電路的示意圖；第10圖係依照本發明一實施例繪示的一種調光裝置的示意圖；第11圖係依照本發明一實施例繪示的一種調光方法的流程圖；第12圖係依照第11圖中的步驟S670的另一流程圖；以及第13圖係依照本發明一實施例繪示的另一種調光方法的流程圖。
請參照第2圖，第2圖係依照本發明一實施例繪示的一種調光裝置200的示意圖。如第2圖所示，調光裝置200包含變換器210、負載電路220、以及控制器230a。變換器210接收輸入電壓Vin，並且將輸入電壓Vin轉換成輸出電壓Vout提供給負載電路220。所述輸出電壓Vout相應於負載電流信號IL提供給負載電路220，而負載電路220藉由負載電流信號IL驅動以發光，並且依照負載電流信號IL的大小調節發光的亮度。負載電路220可包含至少一個發光元件，例如：發光二極體、發光二極體串、或是雷射元件等。
另外，控制器230a可偵測反應負載電流信號IL的 反饋信號IS。然後，控制器230a依照反饋信號IS和參考電流信號IREF以產生控制信號IC給變換器210，控制信號IC用以調節變換器210輸出之負載電流信號IL至設定電流值，亦即，控制信號IC用以調節負載電路220的發光亮度。值得一提的是，反應負載電流信號IL的反饋信號IS可以是通過檢測變換器210中的變壓器(未繪示於第2圖)的原邊電流的有效值、峰值、或是整流後的平均值，或是檢測變換器210中的變壓器的副邊電流的有效值、峰值、或是整流後的平均值，或是檢測負載電路220的電流信號等方式，本實施例並不以此為限。
控制器230a包含誤差計算單元233、調節單元231、前饋補償單元232以及加法單元234。誤差計算單元233依照反饋信號IS與參考電流信號IREF產生第一誤差信號IE，調節單元231依照第一誤差信號IE產生調節信號IR。前饋補償單元232依照參考電流信號IREF產生前饋補償信號IF，而加法單元234則是依照前饋補償信號IF以及調節信號IR產生控制信號IC。換句話說，控制信號IC是由調節單元231產生的調節信號IR和前饋補償單元232產生的前饋補償信號IF所決定。進一步來說，調節信號IR和前饋補償信號IF可以是脈衝頻率調變信號(Pulse Frequency Modulation,PFM)或是脈衝寬度調變(Pulse Width Modulation,PWM)信號。藉此，控制器230a產生的控制信號IC可以通過調節變換器210的工作頻率或者是責任週期(duty cycle)，來調節變換器210輸出的負載電流信 號IL達到設定的電流幅值，但本實施例並不以此為限。在其它實施例中，控制器可以是數位控制器，接收參考電流信號和反饋信號產生控制信號至變換器210，控制信號用以調節變換器210輸出之負載電流信號IL至設定電流值。
請一併參照第3圖，第3圖係依照本發明一實施例繪示的一種控制時序圖。如第3圖所示，當參考電流信號IREF改變時，如在第3圖的t1時刻或是t3時刻，代表著調光裝置200開始進行調光的動作。而在t2時刻或是t4時刻時，代表調節後的負載電流信號IL達到設定電流值，亦即，負載電流信號的穩態值。在本實施例中，負載電流信號的穩態值為與參考電流信號IREF所對應的負載目標工作電流信號的90%-110%之間的任一值。為了清楚及方便說明，下述是以第2圖所示調光裝置200配合第3圖所示電流信號的變化一併說明，但第2圖所示之操作不以第3圖所示為限。
值得一提的是，在本實施例中，變換器210可為諧振變換器，而調節信號IR和前饋補償信號IF則為頻率調變信號，用以改變變換器210的工作頻率，然本實施例並不以此為限。於其他實施例中，變換器210可為半橋變換器、全橋變換器、返馳變換器等，而調節信號IR和前饋補償信號IF則為脈衝寬度調變(Pulse Width Modulation,PWM)信號，用以改變變換器210的脈衝寬度。誤差計算單元233接收到的參考電流信號IREF大於反饋信號IS，因此誤差計算單元233根據參考電流信號IREF與反饋信號IS 的差異產生第一誤差信號IE，調節單元231接收第一誤差信號IE產生調節信號IR，該調節信號IR可以為對應當前參考電流信號IREF和反饋信號IS的特定的脈衝寬度調變信號。同時，前饋補償單元接收參考電流信號IREF，依據該參考電流信號IREF產生前饋補償信號，前饋補償信號可以為對應當前參考電流信號IREF的特定的脈衝寬度調變信號。通過增加調節信號IR的值和前饋補償信號IF的值，使得加法單元234輸出的控制信號用以逐漸增加變換器210的脈衝寬度；亦即，責任週期(duty cycle)，使得變換器210輸出的負載電流信號IL逐漸增加。
本實施例以諧振變換器為例，其中調節信號IR和前饋補償信號IF則為頻率調變信號，用以改變變換器210的工作頻率。在t1時刻，參考電流信號IREF提高(亦即，參考電流信號IREF改變)時，代表著要增加負載電流信號IL，也就是提高負載電路220的發光亮度。此時誤差計算單元233接收到的參考電流信號IREF大於反饋信號IS，因此誤差計算單元233根據參考電流信號IREF與反饋信號IS的差異產生第一誤差信號IE，調節單元231接收第一誤差信號IE產生調節信號IR，該調節信號IR可以為對應當前參考電流信號IREF和反饋信號IS的特定的工作頻率。同時，前饋補償單元接收參考電流信號IREF，依據該參考電流信號IREF產生前饋補償信號，該前饋補償信號可以為對應當前參考電流信號IREF的特定的工作頻率。通過減小調節信號IR的值和前饋補償信號IF的值，使得加法單元234 輸出的控制信號用以逐漸降低變換器210的工作頻率，使得變換器210輸出的負載電流信號IL逐漸增加，並且在t2時刻達到設定電流值，調光裝置進入穩態。在本實施例中，設定電流值為負載電路220處於目標發光狀態且穩定工作時的電流值。設定電流值可為負載電流信號IL的穩態值，亦即，負載電流信號的穩態值為與參考電流信號IREF所對應的負載目標工作電流信號的90%至110%之間的任一值，本實施例並不以此為限。由於反饋信號IS和負載電流信號IL有關，因此調節信號IR的產生機制為被動控制機制。換句話說，在t1時刻到t2時刻，也就是當負載電流信號IL調節時，調節信號IR會相應於負載電流信號IL改變。
另一方面，當參考電流信號IREF在t1時刻提高時，前饋補償單元232則是依照改變的參考電流信號IREF直接產生前饋補償信號IF。進一步來說，前饋補償信號IF可為對應當前參考電流信號IREF的特定的工作頻率，並且通過前饋補償信號IF直接改變變換器210的工作頻率，使得變換器210增加輸出的負載電流信號IL達到穩態，亦即，負載電流信號IL達到設定電流值(也就是t2時刻)。 由於前饋補償單元232並未依照反饋信號IS(亦即，負載電流信號IL)產生前饋補償信號IF，因此前饋補償信號IF的產生機制為主動控制機制。換句話說，在t1時刻到t2時刻，也就是當負載電流信號IL調節時，前饋補償信號IF維持不變。
類似地，第3圖中，在t3時刻，參考電流信號IREF 降低時，代表著要減少負載電流信號IL，也就是降低負載電路220的發光亮度。此時誤差計算單元233接收到的參考電流信號IREF小於反饋信號IS，因此誤差計算單元233根據參考電流信號IREF與反饋信號IS的差異產生第一誤差信號IE，調節單元231接收第一誤差信號IE產生調節信號IR，同時，前饋補償單元接收參考電流信號IREF，依據該參考電流信號IREF產生前饋補償信號，通過增加加法單元234接收的調節信號IR的值和前饋補償信號IF的值，使得加法單元234輸出的控制信號用以逐漸增加變換器210的工作頻率，使得變換器210輸出的負載電流信號IL減少，並且在t4時刻達到設定電流值，亦即達到負載電流信號IL的穩態值，調光裝置進入穩態。在本實施例中，設定電流值為負載電路220處於目標發光狀態且穩定工作時的電流值。設定電流值可為負載電流信號IL的穩態值(亦即，負載電流信號的穩態值為與參考電流信號IREF所對應的負載目標工作電流信號的90%至110%之間的任一值)，本實施例並不以此為限。另外，前饋補償單元232則是對應當前降低的參考電流信號IREF產生前饋補償信號IF以改變變換器210的工作頻率，使得變換器210減少輸出的負載電流信號IL直到負載電流信號IL達到穩態，亦即，負載電流信號IL達到設定電流值(也就是t4時刻)。
具體來說，調光裝置200是通過前饋補償單元232依照參考電流信號IREF產生的前饋補償信號IF直接調節變換器210(如：改變變換器210的工作頻率)，以及通過誤 差計算單元依照參考電流信號IREF和反饋信號IS的比較結果產生第一誤差信號IE，調節單元231依照第一誤差信號IE產生的調節信號IR逐漸調節變換器210(如：改變變換器210的工作頻率)。藉此調節負載電流信號IL，達到調節負載電路220的發光亮度。
簡單來說，調光裝置200是通過前饋補償信號IF和調節信號IR共同調節負載電流信號IL。由於前饋補償信號IF的產生為前饋控制，因此能事先預測輸出將產生偏移量(如：負載電流信號IL需要的改變量)，並且提早提供補償量(如：改變變換器的工作頻率)作為修正，使輸出信號(如：負載電流信號IL)能直接追隨輸入信號(如：參考電流信號IREF)，而不用等到輸出信號與輸入信號產生誤差後才做修正(如：調節單元231)。如此一來，便可達到快速調節負載電流信號IL(即快速調節負載電路220的發光亮度)的目的。
另外，在本實施例中，誤差計算單元233用以接收反饋信號IS和參考電流信號IREF，並且比較反饋信號IS與參考電流信號IREF，以產生第一誤差信號IE給調節單元231。而調節單元231則是依照第一誤差信號IE產生對應的調節信號IR，以供後續調節變換器210。加法單元234則是將前饋補償信號IF和調節信號IR相加後產生控制信號IC，以調節變換器210的工作頻率或是責任週期。換句話說，在本實施例中，無論是在調光的階段(如t1時刻到t2時刻或是t3時刻到t4時刻)或是負載電流信號IL達到穩態 時(如t2時刻到t3時刻)，控制信號IC皆是由前饋補償信號IF和調節信號IR共同決定的。
在調光的過程，也就是t1時刻到t2時刻，或是t3時刻到t4時刻，變換器210由於受到調節信號IR和前饋補償信號IF共同調節，因此調節中的負載電流信號IL有些許超調的情況，如t1時刻到t2時刻，增加的負載電流信號IL超過設定電流值產生的超調量△I1；或是在t3時刻到t4時刻，減少的負載電流信號IL超過設定電流值產生的超調量△I2的情況。然而，其並不影響電路的操作及可預期的技術功效。
請參照第4圖，第4圖係依照本發明一實施例繪示的另一種控制時序圖。在本實施例應用的情形下，第2圖所示之變換器210可為諧振變換器，而調節信號IR和前饋補償信號IF可為頻率調變信號，用以改變變換器210的工作頻率，然本實施例並不以此為限。
在本實施例中，當參考電流信號IREF改變時，即t1時刻或t3時刻，此時調節單元231可停止輸出調節信號IR，直到負載電流信號IL達到設定電流值時，也就是在t2時刻或是t4時刻，調節單元231才恢復輸出調節信號IR。設定電流值可為負載電流信號的穩態值，亦即該穩態值為與參考電流信號IREF所對應的負載目標工作電流信號的90%至110%之間的任一值，本實施例並不以此為限。 換句話說，在調光的過程中(即t1時刻到t2時刻，或是t3時刻到t4時刻)，控制信號IC僅由前饋補償信號IF決定， 亦即，在調光時，只有前饋補償信號IF用以調節變換器210以改變負載電流信號IL。
由於前饋補償單元232是相應改變的參考電流信號IREF直接產生前饋補償信號IF給變換器210，亦即，前饋補償單元232不需要等到反饋信號IS產生變化才產生前饋補償信號IF。如此一來，在調光的過程中，僅使用前饋補償信號IF做為控制信號IC，可快速地調節負載電流信號IL。另外，當負載電流信號IL達到穩態時，則由前饋補償信號IF和調節信號IR共同調節變換器210。由於調節信號IR的產生方式是負回授控制，因此可以使系統達到穩定。 藉此，透過這樣的控制方式可快速地調節負載電路220的發光亮度，並進一步改善如第3圖所示負載電流信號IL超調的情況。
請參照第5圖，第5圖係依照本發明一實施例繪示的一種調光裝置300的示意圖。第5圖所示調光裝置300為配合第4圖所示電流信號的變化的一實施例，但第4圖所示之操作不以第5圖所示為限。調光裝置300包含變換器210、負載電路220、和控制器230b，其連接和操作皆類似於第2圖實施方式的連接和操作，在此並不贅述。類似地，調節信號IR和前饋補償信號IF可以是脈衝頻率調變信號或是脈衝寬度調變信號。藉此，由調節信號IR和前饋補償信號IF決定的控制信號IC可以藉由調節變換器210的工作頻率或者是責任週期，來調節變換器210輸出的負載電流信號IL達到設定電流值，但本實施例並不以此為限。
在本實施例中，控制器230b除了包含調節單元231、前饋補償單元232、誤差計算單元233和加法單元234之外，還包含開關單元310。開關單元310則是電性耦接於調節單元231和加法單元234之間。
當參考電流信號IREF改變時，控制器230b可控制開關單元310截止，使得調節單元231無法輸出調節信號IR給加法單元234。此時控制信號IC僅由前饋補償信號IF決定。當負載電流信號IL達到設定電流值時，控制器230b則是控制開關單元310導通，使得調節單元231恢復輸出調節信號IR給加法單元234，此時控制信號IC則由前饋補償信號IF和調節信號IR共同決定。藉此，通過控制開關單元310亦可實現第4圖所示的時序控制方式。
請參照第6圖，第6圖係依照本發明另一實施例繪示的一種調光裝置400的示意圖。調光裝置400包含變換器210、負載電路220和控制器230c，其連接和操作皆類似於第2圖或第5圖實施方式的連接和操作，在此並不贅述。類似地，調節信號IR和前饋補償信號IF可以是脈衝頻率調變信號或是脈衝寬度調變信號。藉此，控制信號IC可以通過調節變換器210的工作頻率或者是責任週期，來調節變換器210輸出的負載電流信號IL達到設定電流值，但本實施例並不以此為限。
在本實施例中，控制器230c除了包含調節單元231、前饋補償單元232、誤差計算單元233和加法單元234之外，還包含切換單元410。切換單元410包含第一端411、 第二端412和第三端413。第一端411用以接收參考電流信號IREF。第二端412用以接收反饋信號IS。第三端413則是電性耦接於誤差計算單元233。切換單元410可切換第一端411電性耦接第三端413，或是切換第二端412電性耦接第三端413，用以分別輸出參考電流信號IREF或是反饋信號IS給誤差計算單元233。
請一併參照第7圖，第7圖係依照本發明另一實施例繪示的一種時序控制圖。類似地，在本實施例中，變換器210可為諧振變換器，而調節信號IR和前饋補償信號IF則為頻率調變信號，用以改變變換器210的工作頻率，然本實施例並不以此為限。值得一提的是，在本實施例中，反饋信號IS為透過直接偵測負載電流信號IL的電流值得到的信號，但本實施例並不以此為限。
在t2時刻或是t4時刻，亦即，當負載電流信號IL達到設定電流值時(如：負載電流信號的穩態值為與參考電流信號IREF所對應的負載目標工作電流信號的90%至110%之間的任一值)，切換單元410切換第一端411電性耦接第三端413。亦即，此時切換單元410通過第一端411接收參考電流信號IREF，並且通過第三端413將參考電流信號IREF輸出給誤差計算單元233。誤差計算單元233比較參考電流信號IREF和反饋信號IS並且產生第一誤差信號IE1給調節單元231。調節單元231則是依照第一誤差信號IE1產生調節信號IR給加法單元234。加法單元234接收調節信號IR和前饋補償單元232產生的前饋補償信號IF 並且產生控制信號IC以調節變換器210。
在t1時刻或t3時刻，亦即，當參考電流信號IREF改變時，切換單元410切換第二端412電性耦接第三端413。亦即，此時切換單元410通過第二端412接收反饋信號IS，並且通過第三端413將反饋信號IS輸出給誤差計算單元233。誤差計算單元233比較反饋信號IS和反饋信號IS並且產生第二誤差信號IE2給調節單元231。由於第二誤差信號IE2幾乎為零，使得調節單元231依照第二誤差信號IE2產生的調節信號IR幾乎不會調節到變換器210。 換句話說，此時控制信號IC主要由前饋補償信號IF決定，並且主要由前饋補償信號IF調節變換器210。藉此，通過控制切換單元410切換第三端413電性耦接第一端411或是第二端412以輸出參考電流信號IREF或是反饋信號IS給誤差計算單元233，亦即，通過第一誤差信號IE1或是第二誤差信號IE2產生的調節信號IR，亦可達到快速地調節負載電路220的發光亮度，並且改善如第3圖所示負載電流信號IL超調的情況。在本實施例中，切換單元410可以是硬體開關元件，或者是藉由軟體實現開關切換的功能，本實施例並不以此為限。
請參照第8a圖和第8b圖，第8a圖係依照本發明一實施例繪示的變換器210a的示意圖，第8b圖係依照本發明一實施例繪示的變換器210b的示意圖。如第8a圖所示和第8b圖所示，變換器210a為諧振電容Cs、諧振電感Ls、和變壓器211組成的LLC諧振變換器，而變換器210b 為諧振電容Cs和變壓器211組成的LC諧振變換器。在第2圖、第5圖、第6圖實施例中的變換器210可以是第8a圖中的變換器210a、第8b圖中的變換器210b或是其它諧振變換器，本發明並不以此為限。
請參照第9a圖，第9a圖係依照本發明一實施例繪示的負載電路220a的示意圖。如第9a圖所示，負載電路220a使用一個發光二極體串作為負載。負載電路220a包含發光二極體串221、濾波電容Co、均流電容C、以及二極體D1和D2。發光二極體串221和濾波電容Co並聯。二極體D1的陰極通過端點P1和發光二極體串221的陽極串接。二極體D2的陽極則是通過端點P2和發光二極體串221的陰極串接。另外，二極體D1的陽極和二極體D2的陰極則是電連接於端點P3。藉此，負載電流信號IL會先通過二極體D1整流後，再驅動發光二極體串221。
請參照第9b圖，第9b圖係依照本發明一實施例繪示的負載電路220b的示意圖。如第9b圖所示，負載電路220b使用多組的的發光二極體串作為負載。負載電路220b包含n組發光二極體串221、並聯於各個發光二極體串221的濾波電容Co1~Con、(n+1)個二極體D1~Dn+1以及n個均流電容C1~Cn。發光二極體串221並聯濾波電容Co1~Con後分別串接於二極體D1~Dn，其中發光二極體串221串接於奇數二極體(如：D1、D3、…、Dn)和發光二極體串221串接於偶數二極體(如：D2、D4、…、Dn-1)的串接方向並不相同，其中n為奇數。在本實施例中，奇數二極體的陰 極串接於發光二極體串221的陽極，偶數二極體的陽極串接於發光二極體串221的陰極，但並不以此為限。
另一方面，第一個發光二極體串221的一端與二極體D1串聯連接後經均流電容C1連接至變換器的一端，發光二極體串221的另一端連接變換器的另一端；第n個發光二極體串的一端與二極體Dn串聯連接後經均流電容Cn連接至變換器的一端，第n個發光二極體串的另一端經均流電容Cn-1連接至變換器的另一端；二極體Dn+1一端經均流電容Cn連接至變換器的一端，二極體Dn+1的另一端連接至變換器的另一端，其中n2。換句話說，二極體D1的陽極和二極體D2的陰極電性耦接於均流電容C1，二極體D3的陽極和二極體D4的陰極電性耦接於均流電容C3，以此類推，二極體Dn的陽極和二極體Dn+1的陰極電性耦接於均流電容Cn。另外，並聯於濾波電容Co2的發光二極體串221和並聯於濾波電容Co3的發光二極體串221串接於均流電容C2，並聯於濾波電容Co4的發光二極體串221和並聯於濾波電容Co5的發光二極體串221串接於一個均流電容C4，以此類推，並聯於濾波電容Con-1的發光二極體串221和並聯於濾波電容Con的發光二極體串221串接於均流電容Cn-1。藉此可實現負載電路220b中的所有發光二極體串221皆工作在恆流模式。
在第2圖、第5圖、第6圖實施例中的負載電路220可以是第9a圖中使用單個發光二極體串作為負載的負載電路220a，或是第9b圖中使用多個發光二極體串作為負 載的負載電路220b，本發明並不以此為限。
請參第10圖，第10圖係依照本發明一實施例繪示的一種調光裝置500的示意圖。如第10圖所示，調光裝置500包含變換器510、負載電路520以及控制器530。變換器510包含開關電路511、諧振電路512和變壓器513，諧振電路512電性連接於開關電路511和變壓器513之原邊繞組之間，變壓器之副邊繞組電性連接於負載電路520。在本實施例中，開關電路511包含開關S1和開關S2，其中開關S1和開關S2串接一個輸入電壓Vin形成半橋變換電路，然開關S1和開關S2亦可分別串接不同的電壓輸入源以形成全橋變換電路，本實施例並不以此為限。諧振電路512連接於開關電路511和變壓器513之間。在一實施例中，諧振電路512為LLC諧振電路、LC諧振電路或是LCC諧振電路。在本實施例中，諧振電路512包含諧振電容Cs和諧振電感Ls；亦即，本實施例的變換器510為LLC諧振變換器，然諧振變換器510亦可為LC諧振變換器或是LCC諧振變換器等拓撲，本實施例並不以此為限。
負載電路520可為第9a圖的負載電路220a或是第9b圖的負載電路220b，在本實施例中，負載電路520為使用五組的發光二極體串221作為負載，然本實施例並不以此限，其連接方式可參照第9b圖實施例所示，在此並不贅述。
在本實施例的操作中，開關電路511接收輸入電壓Vin，並且通過諧振電路512上的諧振電容Cs、諧振電感 Ls，儲存在變壓器513的原邊繞組Np上。然後在變壓器513的副邊繞組Ns形成輸出電壓，輸出電壓相應於負載電流信號IL提供給負載電路520。而控制器530則是藉由偵測反應負載電流信號IL的反饋信號IS實現發光二極體的恆流控制。控制器530可以是控制器230a、控制器230b或是控制器230c中任何一實施例，本實施例並不以此為限，其控制方式可參照上述實施例，在此並不贅述。
值得一提的是，反饋信號IS為反應負載電流信號IL產生的電流信號，而產生反饋信號IS的方式可以是通過檢測變換器510中變壓器513的原邊繞組Np上的原邊電流的有效值、峰值、或是整流後的平均值，或是檢測變換器510中變壓器513的副邊繞組Ns的副邊電流的有效值、峰值、或是整流後的平均值，或是檢測流經負載電路520上任一發光二極體串221的電流值。
請參照第11圖，第11圖係依照本發明一實施例繪示的一種調光方法的流程圖。為清楚及方便說明起見，下述是以第2圖所示之調光裝置200配合第3圖所示之電流信號的變化一併說明，但第11圖所示之流程不以第2圖和第3圖所示為限。首先，在步驟S610中，前饋補償單元232接收參考電流信號IREF並且依照參考電流信號IREF產生前饋補償信號IF。誤差計算單元233接收參考電流信號IREF和反饋信號IS並且比較參考電流信號IREF和反饋信號IS產生第一誤差信號IE給調節單元231。調節單元231依照第一誤差信號IE產生調節信號IR。接著，在步驟S630 中，依照前饋補償信號IF和調節信號IR產生控制信號IC，亦即，通過加法單元234將接收的前饋補償信號IF和調節信號IR相加產生控制信號IC。控制信號IC用以控制變換器210產生負載電流信號IL以驅動負載電路220。
在步驟S650中，判斷參考電流信號IREF是否改變，也就是判斷是否要調節負載電路220的發光亮度。當參考電流信號IREF並未改變時，則回到步驟S610。當參考電流信號IREF改變時，則到步驟S670，依照前饋補償信號IF和調節信號IR產生的控制信號IC調節變換器210，其調節的方式可以是改變變換器210的工作頻率或是責任周期。藉此調節變換器210產生的負載電流信號IL，並且依照控制信號IC調節負載電流信號IL達到設定電流值。 設定電流值可為負載電流信號的穩態值，該穩態值為與參考電流信號IREF所對應的負載目標工作電流信號的90%至110%之間的任一值，但本實例並不以此為限。
另外，請一併參照第4圖、第5圖、和第12圖，第12圖係依照第11圖中的步驟S670的另一流程圖。當參考電流信號IREF改變時，其接著的步驟S670可進一步包含步驟S671，停止輸出調節信號IR，也就是控制信號IC僅由前饋補償信號IF決定，並且主要由前饋補償信號IF調節變換器210。接著，在步驟S673，判斷調節的負載電流信號IL是否達到穩態，亦即，負載電流信號IL是否達到設定電流值。當負載電流信號IL還未達到穩態，則回到步驟S671，繼續停止輸出調節信號IR。當負載電流信號IL 達到穩態時，則到步驟S675，恢復輸出調節信號IR，並且回到第11圖中的步驟S610。
請參照第13圖，第13圖係依照本發明一實施例繪示的另一種調光方法的流程圖。為清楚及方便說明起見，下述是以第6圖所示調光裝置400配合第7圖所示電流信號的變化一併說明，但第13圖所示之流程不以第6圖和第7圖所示為限。首先，在步驟S710中，前饋補償單元232接收參考電流信號IREF並且依照參考電流信號IREF產生前饋補償信號IF。誤差計算單元233接收參考電流信號IREF和反饋信號IS並且比較參考電流信號IREF和反饋信號IS產生的第一誤差信號IE1給調節單元231。調節單元231依照第一誤差信號IE1產生調節信號IR。接著，在步驟S730中，依照前饋補償信號IF和調節信號IR產生控制信號IC，亦即，通過加法單元234將接收的前饋補償信號IF和調節信號IR相加產生控制信號IC。控制信號IC用以控制變換器210產生負載電流信號IL以驅動負載電路220。
在步驟S750中，判斷參考電流信號IREF是否改變，也就是判斷是否要調節負載電路220的發光亮度。當參考電流信號IREF並未改變時，則回到步驟S710。當參考電流信號IREF改變時，則到步驟S770，依照比較反饋信號IS和反饋信號IS產生的第二誤差信號IE2產生調節信號IR，並且依照前饋補償信號IF和調節信號IR產生的控制信號IC調節變換器210。由於第二誤差信號IE2幾乎為零，因此控制信號IC幾乎是由前饋補償信號IF決定。另 外，控制信號IC可以是改變變換器210的工作頻率的脈衝頻率調變信號或是改變變換器210的責任周期的脈衝寬度調變信號。藉此調節變換器210產生的負載電流信號IL，並且依照控制信號IC調節負載電流信號IL達到設定電流值。
接著，到步驟S790，判斷調節負載電流信號IL是否達到設定電流值。設定電流值可為負載電流信號的穩態值，該穩態值為與參考電流信號IREF所對應的負載目標工作電流信號的90%至110%之間的任一值，但本實例並不以此為限。當負載電流信號IL達到設定電流值時，回到步驟S710。當負載電流信號IL還未達到設定電流值時，則回到步驟S770。
由上述本發明的實施例可知，通過前饋補償信號和調節信號調節變換器的工作頻率或是責任週期，可以實現快速地調節負載電流。在本發明的實驗中，當調節負載電流從設定電流值的10%到100%時，其切換電流上升/下降的時間約為50微秒(us)。另外透過第4圖或第7圖實施例中的控制方式，可以在調節負載電流的過程中，避免發生超調的情況。另外，本發明除了提供快速地調節負載電流之外，變換器的轉換效率還可達到90%左右。
雖然本發明已以實施方式揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護 範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
200‧‧‧調光裝置
210‧‧‧變換器
220‧‧‧負載電路
230a‧‧‧控制器
231‧‧‧調節單元
232‧‧‧前體補償單元
233‧‧‧誤差計算單元
234‧‧‧加法單元

Claims (18)

  1. 一種調光裝置，包含：一變換器，用以依照一控制信號輸出一負載電流信號；一負載電路，由該負載電流信號所驅動；以及一控制器，用以產生該控制信號，並包含：一誤差計算單元，用以依照一參考電流信號和一反饋信號產生一第一誤差信號；一調節單元，用以依照該第一誤差信號產生一調節信號；一前饋補償單元，用以依照該參考電流信號產生一前饋補償信號；以及一加法單元，用以依照該調節信號和該前饋補償信號產生該控制信號。
  2. 如請求項1所述之調光裝置，其中當該參考電流信號改變時，該控制器產生該控制信號調節該變換器輸出之該負載電流信號。
  3. 如請求項2所述之調光裝置，其中當該參考電流信號改變時，該前饋補償單元和該調節單元分別產生該前饋補償信號和該調節信號，該加法單元將該前饋補償信號和該調節信號相加並且產生該控制信號，該控制信號用以調節該負載電流信號至一設定電流值。
  4. 如請求項2所述之調光裝置，其中當該參考電流信號改變時，該前饋補償單元產生該前饋補償信號至該加法單元，該調節單元停止輸出該調節信號至該加法單元，當該控制器調節該負載電流信號至一設定電流值時，該調節單元輸出該調節信號至該加法單元。
  5. 如請求項4所述之調光裝置，其中該控制器包含一開關單元，電性耦接於該調節單元和該加法單元之間，當該參考電流信號改變時，該控制器控制該開關單元截止，當該控制器調節該負載電流信號至該設定電流值時，該控制器控制該開關單元導通。
  6. 如請求項2所述之調光裝置，該控制器更包含：一切換單元，包含：一第一端，用以接收該參考電流信號；一第二端，用以接收該反饋信號；以及一第三端，電性耦接於該誤差計算單元；其中當該控制器調節該負載電流信號至一設定電流值時，該切換單元切換該第一端電性耦接該第三端，該誤差計算單元用以比較該參考電流信號和該反饋信號產生該第一誤差信號，該調節單元依照該第一誤差信號產生該調節信號，當該參考電流信號改變時，該前饋補償單元產生該前饋補償信號，該切換單元切換該第二端電性耦接該第三端，該誤差計算單元 比較該反饋信號和該反饋信號產生一第二誤差信號，該調節單元依照該第二誤差信號產生該調節信號。
  7. 如請求項4或6所述之調光裝置，其中該設定電流值為該負載電流信號的穩態值。
  8. 如請求項1所述之調光裝置，其中該控制信號用以調節該變換器的工作頻率或責任週期(duty cycle)。
  9. 如請求項1所述之調光裝置，其中該變換器為半橋變換電路或是全橋變換電路。
  10. 如請求項1所述之調光裝置，其中該變換器包含一開關電路、一諧振電路和一變壓器，該諧振電路電性連接於該開關電路和該變壓器之一原邊繞組之間，該變壓器之一副邊繞組電性連接於該負載電路。
  11. 如請求項10所述之調光裝置，其中該諧振電路為LC諧振電路、LLC諧振電路或LCC諧振電路。
  12. 如請求項1所述之調光裝置，其中該負載電路包含至少一發光元件，該至少一發光元件為發光二極體或雷射元件。
  13. 如請求項1所述之調光裝置，其中該反饋信號為反應該負載電流信號之信號。
  14. 如請求項13所述之調光裝置，其中該反饋信號產生的方式係通過檢測該變換器中的一變壓器的一原邊電流的有效值、峰值或是整流後的平均值，或是檢測該變壓器的一副邊電流的有效值、峰值或是整流後的平均值，或是檢測該負載電路上的電流信號。
  15. 一種調光方法，包含：依照一參考電流信號產生一前饋補償信號；依照該參考電流信號以及一反饋信號產生一第一誤差信號；依照該第一誤差信號產生一調節信號；依照該前饋補償信號和該調節信號產生一控制信號用以控制一變換器輸出一負載電流信號驅動一負載電路；以及當該參考電流信號改變時，依照該控制信號調節該負載電流信號。
  16. 如請求項15所述之調光方法，其中當該參考電流信號改變時，產生該前饋補償信號以及停止輸出該調節信號，當調節該負載電流信號至一設定電流值時，輸出該調節信號。
  17. 如請求項15所述之調光方法，其中當調節該負載電流信號至一設定電流值時，比較該參考電流信號和該反饋信號產生之一第一誤差信號並且依照該第一誤差信號產生該調節信號，當該參考電流信號改變時，產生該前饋補償信號，以及比較該反饋信號和該反饋信號產生之一第二誤差信號並且依照該第二誤差信號產生該調節信號。
  18. 如請求項15所述之調光方法，其中該控制信號用以調節該變換器的工作頻率或是責任週期。
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