TWI533748B - Light - emitting diode circuit system with power factor correction and optimization - Google Patents

Description

具功率因數校正優化的發光二極體電路系統

本發明是有關於一種電路系統，特別是指一種用於驅動發光二極體運作的電路系統。

發光二極體是目前常見的半導體照明元件，由直流電源驅動並具有二極體元件的光電特性，因此其驅動電路的電路元件組成及電路運作模式均不同於現有照明設備的驅動電路。

就現有的發光二極體驅動電路來說，常會將功率因數校正電路(power factor correction，簡稱為PFC)及脈衝寬度調變(pulse width modulation，簡稱為PWM)電路配合使用，以期提升發光二極體驅動電路的功率因數而增進能源使用效率，並藉由脈衝寬度調變技術設定通過發光二極體的電流責任週期(duty cycle)及電流值，以控制發光二極體的亮度。但此種驅動電路的常見問題在於，功率因數校正電路與脈衝寬度調變電路的運作不同，不易諧調兩者之間的協同運作。此外，若上述功率因數校正電路、脈衝寬度調變電路配合一調光電路使用，因調光電路需要的最小運作電流(minimum holding current)及功率相角特性，使 得驅動電路不易維持穩定的電流輸出。

因此，本發明之目的，即在提供一種能穩定維持電源輸出性能及功率因數性能的發光二極體的電路系統，該電路系統包含可調光及非調光的應用。

於是，本發明的電路系統，電連接於一外部電源及一發光二極體組，接收該外部電源提供的電力並於轉換後供給於該發光二極體組，該電路系統包含一功率因數校正電路、一直流轉換電路、一電流脈衝寬度調變電路及一控制電路。

該功率因數校正電路電連接於該外部電源且接收該外部電源提供的一交流電源，並將該交流電源轉換為一直流的轉換電源而輸出於外，並且控制其接收的該交流電源的電流相位與電壓相位趨於一致。

該直流轉換電路電連接於該功率因數校正電路及該發光二極體組，接收該轉換電源後轉換為一直流的輸出電源，且主要依據一特定的責任週期設定值而輸出該輸出電源為一具有特定責任週期及特定電流值的脈衝電源予該發光二極體組。

該電流脈衝寬度調變電路電連接於該直流轉換電路，受控輸出一關於該責任週期設定值的脈衝控制信號至該直流轉換電路，以控制該直流轉換電路依據該責任週期設定值輸出該輸出電源。

該控制電路電連接於該功率因數校正電路與該 電流脈衝寬度調變電路，受控發出一關於該責任週期設定值的第一控制信號至該電流脈衝寬度調變電路，以控制該電流脈衝寬度調變電路依據該第一控制信號發出該脈衝控制信號，該控制電路還受控發出一關於該轉換電源功率之充放電係數設定值的第二控制信號至該功率因數校正電路，以控制該轉換電源的電壓或功率正相關於該輸出電源的責任週期。

在一實施態樣中，該直流轉換電路係一直流對直流轉換器，該功率因數校正電路輸出的該轉換電源具有一特定的電壓輸出值，且該直流轉換電路控制該輸出電源的責任週期或電流值正相關於該轉換電源的電壓輸出值。

在另一實施態樣中，該直流轉換電路係一內含電晶體的電流開關，並於接收該功率因數校正電路輸出的該轉換電源後，依據該責任週期設定值將該轉換電源切換輸出為該具有特定責任週期的輸出電源。

較佳地，該電路系統還包含一調光電路，該調光電路電連接於該功率因數校正電路及該控制電路，其受控設定該功率因數校正電路接收的該交流電源的功率比例，並發出一關於功率比例的功率設定信號至該控制電路，而令該控制電路根據一關於該功率比例的功率設定信號發出該第一控制信號與該第二控制信號，使該交流電源之功率比例、該轉換電源的電壓或功率以及該輸出電源的責任週期成正相關。

進一步來說，該控制電路係一內存至少一查詢 表的處理器，該查詢表具有多筆關於該交流電源的功率比例的功率比例查詢值以及多筆對應於該功率比例查詢值的責任週期設定值及充放電係數設定值，該控制電路係依據該交流電源的功率比例指定該查詢表中的一功率比例查詢值，並根據對應於該被指定的功率比例查詢值的一責任週期設定值而發出該第一控制信號，且根據對應於該被指定的功率比例查詢值的一充放電係數設定值而發出該第二控制信號。

本發明之功效在於：該控制電路控制該交流電源之功率比例、該轉換電源的功率與該輸出電源的責任週期或電流值成正相關，使得調光電路控制外部電源於不同功率比例切換時，均能由控制電路統籌控制功率因數校正電路輸出的電力與直流轉換電路輸出的電力相互對應，而能提升輸出電源的供應穩定性，並保持整體電路的高功率因數。

1‧‧‧電路系統

11‧‧‧功率因數校正電路

12‧‧‧直流轉換電路

13‧‧‧電流脈衝寬度調變電路

14‧‧‧控制電路

15‧‧‧調光電路

2‧‧‧外部電源

3‧‧‧發光二極體組

本發明之其他的特徵及功效，將於參照圖式的較佳實施例詳細說明中清楚地呈現，其中：圖1是一電路方塊圖，說明本發明發光二極體的電路系統的較佳實施例；及圖2是該電路系統提供一輸出電源予一發光二極體組的電流波型圖。

有關本發明之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之一個較佳實施例的詳細說明中，將可清楚地呈現。

在本發明被詳細描述之前，應當注意在以下的說明內容中，類似的元件是以相同的編號來表示。

參閱圖1，為本發明電路系統1的較佳實施例。電路系統1係電連接於一外部電源2及一發光二極體組3，可將外部電源2提供的一交流電源轉換為一輸出電源供發光二極體組3運作使用。此處，交流電源可以是一般的市電(例如110V/60Hz的交流電)，但不以此為限。發光二極體組3可作為照明設備使用，由多個藉由串聯、並聯或串並聯等方式形成電連接的發光二極體(圖中未繪製)組成，且其內含的發光二極體的數量與電連接方式不以特定型態為限。

詳細來說，本發明電路系統1包含一功率因數校正電路11、一直流轉換電路12、一電流脈衝寬度調變電路13、一控制電路14及一調光電路15。

電路系統1的功率因數校正電路11電連接於外部電源2且接收外部電源2提供的交流電源，將該交流電源轉換為一直流的轉換電源而輸出至直流轉換電路12，並控制其接收的該交流電源的電流相位與電壓相位趨於一致，而提供功率因數校正功能。此外，功率因數校正電路11還受控將其輸出的轉換電源的電壓或功率設定為與直流轉換電路12輸出的輸出電源的責任週期(duty cycle)呈正相關 ，以提升電路系統1的功率因數性能並維持輸出電源的穩定輸出，此部分技術內容將說明於後。

電路系統1的直流轉換電路12電連接於功率因數校正電路11及發光二極體組3，其接收功率因數校正電路11輸出的轉換電源，並將該轉換電源轉換為一直流的輸出電源，且依據一特定的責任週期設定值而輸出該輸出電源為一具有特定責任週期及特定電流值的脈衝電源予發光二極體組3。據此，直流轉換電路12可控制發光二極體組3接收之電流的責任週期，以控制發光二極體組3的整體亮度。

電路系統1的電流脈衝寬度調變電路13電連接於直流轉換電路12與控制電路14，其受控於控制電路14而輸出一關於該責任週期設定值的脈衝控制信號至直流轉換電路12，以控制直流轉換電路12依據該脈衝控制信號輸出該輸出電源。舉例而言，本實施例的電流脈衝寬度調變電路13可內含一亮度調變電路及一電流調變電路(未圖示)，其可控制輸出電源的責任週期設定。

參閱圖2，為直流轉換電路12輸出至發光二極體組3之輸出電源的電流波型示意圖。其中，該輸出電源的責任週期可分為亮度調控責任週期與電流調控責任週期兩部分。亮度調控責任週期可由前述的亮度調變電路控制，其為在一調光週期時間(T_d)中具有電流輸出的時間比例，需與人眼視覺暫留的反應時間相對應，具體來說是調光作動時間(active time，T_on)對調光週期時間T_d的比值，亦即 亮度調控責任週期等於T_on/T_d。電流調控責任週期可由前述電流調變電路控制，其為每一組脈衝電流的電流週期時間(T_s)中產生電流輸出的時間比例，具體來說為電流作動時間(T_I)對電流週期時間(T_s)的比值，亦即電流調控責任週期等於T_I/T_s。據此，電流脈衝寬度調變電路13可分別藉由亮度調變電路及電流調變電路對應控制直流轉換電路12輸出之輸出電源的亮度調控責任週期與電流調控責任週期，而達成控制發光二極體組3發光亮度的功效。

電路系統1的控制電路14電連接於功率因數校正電路11與電流脈衝寬度調變電路13，其可以是微控制器(micro control unit，簡稱為MCU)等類型的處理器，並受控發出一關於該責任週期設定值的第一控制信號至電流脈衝寬度調變電路13，以控制電流脈衝寬度調變電路13依據該第一控制信號發出該脈衝控制信號。此外，控制電路14還受控發出一關於該功率因數校正電路11的一充放電係數設定值的第二控制信號至功率因數校正電路11，以控制該功率因數校正電路11根據該第二控制信號設定其充放電係數設定值，而使該功率因數校正電路11輸出的轉換電源的電壓功率正相關於直流轉換電路12輸出的輸出電源的責任週期。因此，根據控制電路14發出的第一控制信號與第二控制信號，可使功率因數校正電路11輸出的轉換電源在不同電壓(或功率)的情況下，維持其輸出的轉換電源與輸出電源的同步性，而保持電路系統1的高功率因數及穩定輸出電源。以輸出端來看，若要使發光二極體組3發出較亮的光 線，則電路系統1必須提供較多的電力予發光二極體組3，此時控制電路14會控制功率因數校正電路11提升其輸出之轉換電源的電壓(或功率)，使功率因數校正電路11供給直流轉換電路12較多電力，同時間電路系統1還會控制電流脈衝寬度調變電路13提升其對直流轉換電路12的責任週期設定值，而使直流轉換電路12提供之輸出電源的責任週期增加。據此，電路系統1須輸出較多電力時，控制電路14可控制直流轉換電路12於同時間接收較多的電力(提升轉換電源的電壓或功率)並輸出較多的電力(提升輸出電源的脈衝電流的責任週期)，以維持直流轉換電路12之接收電力與輸出電力的對等性。

調光電路15可以是包含三極交流開關(tri-electrode AC switch，簡稱為TRIAC)或脈衝寬度調變電路等電路構件的調光電路，但不以此種電路為限，其電連接於控制電路14，可受使用者控制而設定功率因數校正電路11接收的交流電源的功率比例，並發出一關於該功率比例的功率設定信號至控制電路14，而令控制電路14根據該功率設定信號發出該第一控制信號與該第二控制信號，使該交流電源之功率比例、該轉換電源的功率與該輸出電源的責任週期成正相關。據此，本發明的電路系統1可供使用者藉由調光電路15調整輸出電源的責任週期，據以調整發光二極體組3的發光亮度。但在其他實施態樣中，電路系統1也可以不設置調光電路15，此時電路系統1大致僅能產生固定的輸出電流，使用者不能隨意控制發光二極體 組3的亮度。

根據上述電路元件的配置方式，本發明電路系統1係呈現由控制電路14(例如微處理器)整合控制功率因數校正電路11、直流轉換電路12及電流脈衝寬度調變電路13運作的電路架構，且電路系統1可以是一階(single stage)或二階(two stage)的發光二極體驅動電路，以對應控制發光二極體組3的運作狀態。

在一階驅動電路的配置中，功率因數校正電路11為電路系統1的主要驅動、轉換電路。而直流轉換電路12可以是一內含電晶體、電感、電容等電路元件的電流開關，於接收功率因數校正電路11輸出的該轉換電源後，依據該脈衝控制信號的責任週期設定值，將該轉換電源切換輸出為該具有特定責任週期的輸出電源。

而在二階驅動電路的配置中，功率因數校正電路11為電路系統1的第一階(primary stage)電路，而直流轉換電路12則為電路系統1的第二階(secondary stage)電路。具體來說，此處的直流轉換電路12為一直流對直流轉換器，於功率因數校正電路11輸出的該轉換電源處於具有一特定電壓輸出值的狀態下，直流轉換電路12會根據該轉換電源的電壓輸出值與前述責任週期設定值，控制該輸出電源的責任週期正相關於該轉換電源的電壓輸出值，使發光二極體組3所需的電力與功率因數校正電路11輸出的電力相互對應，而提升該輸出電源的利用性及穩定性。

於前述實施態樣中，控制電路14可藉由即時處 理運算的方式，根據交流電源的功率比例而計算、設定功率因數校正電路11的充放電係數設定值，並同步計算、設定直流轉換電路12及電流脈衝寬度調變電路13的責任週期設定值。但在不同的實施態樣中，控制電路14也可以透過查詢表(table)的方式，將對應各種功率比例的充放電係數設定值、責任週期設定值預存於內，而能在接收該功率設定信號後，以較簡便且有效率的查表方式進行運算處理，而對應發出該第一控制信號與該第二控制信號。

舉例來說，該查詢表具有多筆關於該交流電源的功率比例的功率比例查詢值以及多筆對應於該功率比例查詢值的責任週期設定值及充放電係數設定值。控制電路14接收功率設定信號後，係依據該功率設定信號的功率比例指定該查詢表中的一功率比例查詢值，並根據對應於該被指定的功率比例查詢值的一責任週期設定值而發出該第一控制信號，且根據對應於該被指定的功率比例查詢值的一充放電係數設定值而發出該第二控制信號。

也就是說，使用者欲對發光二極體組3進行亮度調整時，可透過調光電路15設定電流脈衝寬度調變電路13接收的交流電源的功率比例，而後控制電路14根據該查詢表，依對應該調整後之功率比例的充放電係數設定值對功率因數校正電路11進行設定，並依對應該調整後之功率比例的責任週期設定值對電流脈衝寬度調變電路13進行設定，以調整輸出電源的責任週期，進而調節發光二極體組3的明暗度。於上述調光過程中，由於控制電路14內存的 查詢表設有對應各種功率比例查詢值的充放電係數設定值及責任週期設定值，因此不管使用者透過調光電路15設定較大的功率比例或較小的功率比例，控制電路14均可根據查詢表迅速擇定對應的充放電係數設定值及責任週期設定值，不需進行額外複雜的運算處理程序，而能在保持高功率因數的狀態下確保功率因數校正電路11、直流轉換電路12與電流脈衝寬度調變電路13輸出電力的同步性與穩定性。

綜合上述內容，本發明電路系統1由控制電路14支配功率因數校正電路11、直流轉換電路12及電流脈衝寬度調變電路13的整體運作，該電路系統1可由一階或二階電路配置實現，並可進一步配合調光電路15協同運作，確保電路系統1的功率因數及電力輸出的穩定性，故本發明電路系統1確實能達成本發明之目的。

惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及專利說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

1‧‧‧電路系統

11‧‧‧功率因數校正電路

12‧‧‧直流轉換電路

13‧‧‧電流脈衝寬度調變電路

14‧‧‧控制電路

15‧‧‧調光電路

2‧‧‧外部電源

3‧‧‧發光二極體組

Claims (4)

1. 一種發光二極體電路系統，電連接於一外部電源及一發光二極體組，接收該外部電源提供的電力並於轉換後供給於該發光二極體組，該電路系統包含：一功率因數校正電路，電連接於該外部電源且接收該外部電源提供的一交流電源，並將該交流電源轉換為一直流的轉換電源而輸出於外，且控制其接收的該交流電源的電流相位與電壓相位趨於一致；一直流轉換電路，電連接於該功率因數校正電路及該發光二極體組，接收該轉換電源後轉換為一直流的輸出電源，且主要依據一特定的責任週期設定值而輸出該輸出電源為一具有特定責任週期及特定電流值的脈衝電源予該發光二極體組；一電流脈衝寬度調變電路，電連接於該直流轉換電路，受控輸出一關於該責任週期設定值的脈衝控制信號至該直流轉換電路，以控制該直流轉換電路依據該責任週期設定值輸出該輸出電源；一控制電路，電連接於該功率因數校正電路與該電流脈衝寬度調變電路，受控發出一關於該責任週期設定值的第一控制信號至該電流脈衝寬度調變電路，以控制該電流脈衝寬度調變電路依據該第一控制信號發出該脈衝控制信號，該控制電路還受控發出一關於該轉換電源功率之充放電係數設定值的第二控制信號至該功率因數校正電路，以控制該轉換電源的電壓或功率正相關於該 輸出電源的責任週期；及一調光電路，該調光電路電連接於該控制電路，其受控設定該功率因數校正電路接收的該交流電源的功率比例，並發出一關於該功率比例的功率設定信號至該控制電路，而令該控制電路根據該功率設定信號發出該第一控制信號與該第二控制信號，使該交流電源之功率比例、該轉換電源的電壓或功率以及該輸出電源的責任週期成正相關。
2. 如請求項1所述之發光二極體電路系統，其中，該直流轉換電路係一直流對直流轉換器，該功率因數校正電路輸出的該轉換電源具有一特定的電壓輸出值，且該直流轉換電路控制該輸出電源的責任週期正相關於該轉換電源的電壓輸出值。
3. 如請求項1所述之發光二極體電路系統，其中，該直流轉換電路係一內含電晶體的電流開關，並於接收該功率因數校正電路輸出的該轉換電源後，依據該責任週期設定值將該轉換電源切換輸出為該具有特定責任週期的輸出電源。
4. 如請求項1所述之發光二極體電路系統，其中，該控制電路係一內存至少一查詢表的處理器，該查詢表具有多筆關於該交流電源的功率比例的功率比例查詢值以及多筆對應於該功率比例查詢值的責任週期設定值及充放電係數設定值，該控制電路係依據該交流電源的功率比例指定該查詢表中的一功率比例查詢值，並根據對應於該 被指定的功率比例查詢值的一責任週期設定值而發出該第一控制信號，且根據對應於該被指定的功率比例查詢值的一充放電係數設定值而發出該第二控制信號。