TWI524813B - 低閃爍和高功率因素的發光二極體之驅動電路 - Google Patents

Description

低閃爍和高功率因素的發光二極體之驅動電路

本發明係有關基於發光二極體(LED)的照明裝置，尤其是一種具有低燈光閃爍及高功率因數的基於發光二極體的照明設備之驅動裝置。

發光二極體(LED)是一種基於半導體的光源，經常被應用在低耗電儀表和家電的指示器，應用發光二極體在各種照明裝置也已越來越普遍。例如，高明亮度的發光二極體已被廣泛用於交通信號燈，車輛指示燈，以及剎車燈。近年來，使用高電壓之發光二極體串的照明設備也被開發來取代傳統的白熱燈泡和螢光燈泡。

為了提高基於發光二極體的照明裝置之亮度，通常是將複數個發光二極體串聯在一起，形成一個基於發光二極體的照明單元，而且複數個基於發光二極體的照明單元可以更進一步串聯在一起，形成一個照明裝置。每個照明裝置所需要的工作電壓，通常是取決於照明單元裡的發光二極體之正向電壓，每個照明單元裡有多少個發光二極體，每個照明單元是如何相互連接的，以及每個照明單元在照明裝置裡，是如何接收來自電源的電壓。

第一圖顯示一傳統之具線性驅動電路102的基於發光二極體 之照明單元。該基於發光二極體之照明單元包含複數個串聯的發光二極體段110、120，受控於該線性驅動電路102。為了簡明，第一圖只顯示兩個發光二極體段110、120。每一發光二極體段包含一或多個串聯的發光二極體103，一整流的交流電源101供給電力給該基於發光二極體之照明單元。

第二圖顯示該基於發光二極體照明單元之輸入交流電壓值以及照明亮度，線性驅動電路102根據輸入的整流之交流電壓，而控制被導通的發光二極體段數。因此，基於發光二極體照明單元的照明亮度係與整流的交流電源輸出之整流電壓值成比例。從第二圖可看出，基於發光二極體照明單元的照明亮度，隨著輸入交流電壓的變化而變動，因為照明亮度從零到最高值間巨大的變化，造成高度的亮度變化和燈光閃爍。因為整流的交流電壓輸出未經調節，線性驅動電路102簡單而且價廉。

為了降低照明亮度的變化，如第三圖所示，基於發光二極體的照明單元可加入一儲存電容器301，來調節整流的交流電壓輸出，以形成變動較少的直流電壓。第三圖也顯示出輸入交流電壓值和調節後的直流電壓值，以及基於發光二極體照明單元的照明亮度。基於發光二極體照明單元的最低亮度顯著的增加，照明亮度的變化也大大的減低了。

在第三圖顯示的傳統基於發光二極體的照明單元，其中最大的交流電流並不是發生在輸入的交流電壓達到最高值的時候。第四圖顯示出輸入交流電壓值和交流電流值，圖中可看出交流電流突然增高以開始儲存電容器的充電階段，然後再線性的降低到儲存電容器的放電階段。

在充電階段中，交流電流驅動發光二極體，也對儲存電容器充電。在放電階段中，儲存電容器則供給發光二極體的電流。從交流電流 的波形可看出，因為交流電流的急劇增加和線性降低，波形中含有高度的諧波失真，也造成發光二極體照明單元的低功率因數。

本發明係提供一低燈光閃爍及高功率因素的基於發光二極體之照明裝置，因此本發明的照明裝置，是由整流的交流電源供給電力，並配合照明裝置中至少一個介於一發光二極體和儲存電容器間的充電路徑，來降低照明亮度的變化以及減少功率耗損。

本發明的一優選實施例中，基於發光二極體之照明裝置，包含一整流的交流電源，其整流輸出經由一開關元件連接到一儲存電容器，一線性驅動電路控制下的複數個發光二極體段，和至少一個介於發光二極體段和儲存電容器間的充電路徑。

為了在降低燈光閃爍和提高功率因素間達成平衡，本發明可在儲存電容器並聯至少一可控制的線性發光二極體驅動單元，來改良上述優選實施例。當以線性驅動電路控制的發光二極體段產生的瞬間亮度不足時，可控制的線性發光二極體驅動單元可被導通來增加照明裝置的亮度和降低燈光閃爍。

根據本發明，每一充電路徑可以連接在發光二極體段裡的一發光二極體之正端或負端。每一充電路徑可以由一可變電流源來形成，也可由一電流控制器串聯一開關來形成。多數個充電路徑可以一共用的電流控制器連接多數個並聯的開關，再各別連接到發光二極體段裡的發光二極體之正端或負端。

101：601‧‧‧整流之交流電源

102：602‧‧‧線性驅動電路

103：603‧‧‧發光二極體

110：120：610：620‧‧‧發光二極體段

301：606‧‧‧儲存電容器

604‧‧‧二極體

605‧‧‧可變電流源

607‧‧‧控制器

706：1006‧‧‧線性發光二極體驅動單元

707：1007‧‧‧開關

801：811‧‧‧發光二極體

802：812‧‧‧開關

803：813‧‧‧電流控制器

905‧‧‧開關

908‧‧‧電流控制器

第一圖顯示一傳統之具線性驅動電路的基於發光二極體之照明單元。

第二圖顯示第一圖中的傳統照明單元之輸入交流電壓值以及照明亮度。

第三圖顯示加入一儲存電容器的傳統式基於發光二極體的照明單元，以及其輸入交流電壓值，調節後的直流電壓值，和照明亮度。

第四圖顯示出第三圖的傳統照明單元之輸入交流電壓值和交流電流值。

第五圖顯示由整流的交流電源供給電力之本發明的基於發光二極體之照明裝置的充電，維持及放電階段。

第六圖顯示根據本發明的一優選實施例，具低燈光閃爍及高功率因素的基於發光二極體之照明裝置的方塊圖。

第七圖顯示將第六圖中的照明裝置之儲存電容器並聯至少一個可控制的線性發光二極體驅動單元，來平衡降低燈光閃爍和增加功率因素。

第八圖(A)、(B)顯示了兩種線性發光二極體驅動單元的實例。

第九圖顯示根據第六圖顯示之本發明的優選實施例而演變，具低燈光閃爍及高功率因素的基於發光二極體之照明裝置的方塊圖。

第十圖顯示將第九圖中的照明裝置之儲存電容器並聯至少一個可控制的線性發光二極體驅動單元，來平衡降低燈光閃爍和增加功率因素。

本說明書提供附圖，使本發明更能進一步的被理解，同時附圖也構成本說明書的一部分。該附圖顯示出了本發明的實施例，並與說明書一起，用來解釋本發明原理。

為了提供基於發光二極體之照明裝置的高功率因素，本發明提出一可在輸入交流電源之電壓接近尖峰值時為儲存電容器充電的電路。第五圖顯示一由整流的交流電源供給電力的基於發光二極體之照明裝置的充電、維持及放電階段。

如第五圖所顯示，充電階段係發生在輸入之交流電壓有較高的電壓時，可以控制儲存電容器的充電電流以減少諧波失真。在充電階段時，交流電流驅動發光二極體並為儲存電容器充電。在放電階段時，儲存電容器供給發光二極體的電流。在維持階段時，儲存電容器既不充電也不放電。維持階段是為了更有效的控制功率因素，也是可有可無的。

第六圖顯示根據本發明的一優選實施例，具低燈光閃爍及高功率因素的基於發光二極體之照明裝置的方塊圖。在此實施例中，本裝置包含以一線性驅動電路602控制之串聯的複數個發光二極體照明段610、620。為了簡明，第六圖只顯示兩個發光二極體段610、620，每一發光二極體段包含串聯的一或多個發光二極體603，一整流的交流電源601供給電力給基於發光二極體之照明裝置。

如第六圖所示，整流的交流電源601之輸出連接到領先的發光二極體段裡領先的一發光二極體603之正端。一開關元件604將整流的交流電源601之輸出連接到儲存電容器606。該基於發光二極體之照明裝置又包含至少一個可變電流源605，連接在一發光二極體與儲存電容器606之 間。每一可變電流源605為儲存電容器606形成一充電路徑。

要注意的是，每一充電路徑可接到發光二極體603的正端或負端，開關元件604可以是被動開關，也可是主動開關。如第六圖所顯示的一個二極體可以用來當開關元件604。當儲存電容器606的電壓高於整流的交流電源601之輸出電壓時，該二極體604被導通而使儲存電容器606可供給電流到發光二極體。

如第六圖所顯示，在此例中有由三個可變電流源605各別形成的三個充電路徑，並有一控制器607控制該三個可變電流源605。這些充電路徑可以用來控制儲存電容器606的充電電流，以延長充電的時間來增加功率因素。因為交流電壓值在充電階段會變動，所以必須選擇最佳的充電路徑來減少因充電所造成的功率耗損。

可以了解到的是，延長放電階段會降低燈光閃爍，而減少交流電流之波形的諧波失真則會增加功率因素。然而在第六圖所顯示的實施例中，要平衡降低燈光閃爍和增加功率因素是困難的。第七圖提出了一改良的實施例，其中將儲存電容器606上並聯至少一個可控制的線性發光二極體驅動單元，來改善降低燈光閃爍和增加功率因素間的平衡。每一可控制的線性發光二極體驅動單元，係由一線性發光二極體驅動單元706串聯一開關707而形成。

在第七圖所顯示的改良實施例裡，當發光二極體603所產生的瞬間亮度不足時，線性發光二極體驅動單元706可被導通。因此可以缩短放電階段，從而增加功率因素。除了在放電階段被導通之外，線性發光二極體驅動單元706也可用來產生多相位的照明亮度。

第八圖顯示了兩種線性發光二極體驅動單元706的實施例，在第八圖(A)裡，線性發光二極體驅動單元包含複數個發光二極體段801與一電流控制器803串聯。每一發光二極體段801包含一或多個發光二極體。為了簡化，發光二極體段801中只顯示一個發光二極體。每一發光二極體段801有一相對應的開關802，從其正端連接到電流控制器803。

第八圖(B)裡的線性發光二極體驅動單元也包含複數個發光二極體段811與一電流控制器813串聯。每一發光二極體段811有一相對應的開關812，與該發光二極體段811並聯。上述之相對應的開關802、812係可有可無的，它們的狀態係決定於圖中正端的電壓Vp與負端的電壓Vn之間的電壓差。

第九圖顯示根據第六圖顯示之本發明的優選實施例而演變，具低燈光閃爍及高功率因素的基於發光二極體之照明裝置的方塊圖。從圖中可看出，第六圖裡由三個可變電流源605所組成的三個充電路徑，被三個開關905和一個電流控制器908所取代。此電流控制器908可以是一可變電流源或是一電阻。為了要平衡降低燈光閃爍和增加功率因素，如第十圖所示，可以在儲存電容器606上並聯至少一個可控制的線性發光二極體驅動單元。每一可控制的線性發光二極體驅動單元，係由一線性發光二極體驅動單元1006串聯一開關1007而形成。

雖然以上只藉由幾個實施範例來描述本發明，然而熟悉本技術領域的人，很明顯的可以了解，仍有許多未描述的變通及修改，都在不偏離以下所定義之本發明的申請專利範圍之內。

601‧‧‧整流之交流電源

602‧‧‧線性驅動電路

603‧‧‧發光二極體

604‧‧‧二極體

605‧‧‧可變電流源

606‧‧‧儲存電容器

607‧‧‧控制器

610：620‧‧‧發光二極體段

Claims (15)

1. 一基於發光二極體之照明裝置，包括：一整流之交流電源包括一整流輸出；一開關元件有第一端連接到上述整流輸出；一儲存電容器有第一端連接到上述開關元件的第二端，以及第二端接地；複數個發光二極體段串聯，其中每一發光二極體段有一或多個發光二極體串聯，上述複數個發光二極體段裡最前端的一第一發光二極體段的一第一發光二極體有一正端連接到上述整流輸出；一線性驅動電路控制上述複數個發光二極體段；至少一充電路徑連接上述複數個發光二極體段裡的一個發光二極體之正端或負端到上述儲存電容器的第一端；和一控制器控制上述至少一充電路徑。
2. 如申請專利範圍第1項所述之照明裝置，其中上述開關元件係一二極體，該二極體有一正端連接到上述儲存電容器的第一端，有一負端連接到上述整流輸出。
3. 如申請專利範圍第1項所述之照明裝置，其中上述開關元件係一被動開關元件。
4. 如申請專利範圍第1項所述之照明裝置，其中上述開關元件係一主動開關元件。
5. 如申請專利範圍第1項所述之照明裝置，又包括至少一可控制線性發光二極體驅動單元與上述儲存電容器並聯，其中每一可控制線性發光二極體驅動單元包含一線性發光二極體驅動單元與一開關串聯。
6. 如申請專利範圍第5項所述之照明裝置，上述線性發光二極體驅動單元包含複數個發光二極體段與一電流控制器串聯，其中線性發光二極體驅動單元裡除了該第一發光二極體段之外，每一上述複數個發光二極體段都有一相對應的開關與其並聯。
7. 如申請專利範圍第5項所述之照明裝置，上述線性發光二極體驅動單元包含複數個發光二極體段與一電流控制器串聯，其中線性發光二極體驅動單元裡除了該第一發光二極體段之外，每一上述複數個發光二極體段都有一相對應的開關連接該發光二極體段的正端到該線性發光二極體驅動單元裡尾端的一發光二極體段之負端。
8. 如申請專利範圍第1項所述之照明裝置，其中上述至少一充電路徑包含一可變電流源。
9. 如申請專利範圍第8項所述之照明裝置，其中上述可變電流源從上述整流輸出連接到上述儲存電容器的第一端或是從上述複數個發光二極體段裡的一個發光二極體之正端或負端連接到上述儲存電容器的第一端。
10. 如申請專利範圍第1項所述之照明裝置，其中有第一可變電流源連接上述第一發光二極體的正端與上述儲存電容器的第一端以形成第一充電路徑，和第二可變電流源連接上述第一發光二極體的負端與上述儲存電容器的第一端以形成第二充電路徑。
11. 如申請專利範圍第1項所述之照明裝置，其中上述至少一充電路徑包含一電流控制器與一開關串聯。
12. 如申請專利範圍第11項所述之照明裝置，其中上述電流控制器係一可變電流源。
13. 如申請專利範圍第11項所述之照明裝置，其中上述電流控制器係一電阻。
14. 如申請專利範圍第11項所述之照明裝置，其中上述開關有一端連接到上述整流輸出或是連接到上述複數個發光二極體段裡的一個發光二極體之正端或負端，而上述電流控制器有一端連接到上述儲存電容器的第一端。
15. 如申請專利範圍第1項所述之照明裝置，其中有第一開關連接上述第一發光二極體的正端與一電流控制器的第一端以形成第一充電路徑，和第二開關連接上述第一發光二極體的負端與該電流控制器的第一端以形成第二充電路徑，該電流控制器的第二端則連接到上述儲存電容器的第一端。