TWI547210B - 具有調光功能之發光元件控制電路及其控制方法 - Google Patents

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Description

具有調光功能之發光元件控制電路及其控制方法
本發明係有關一種具有調光功能之發光元件控制電路及其控制方法，特別是指一種以調節頂部空間電壓(headroom regulation)防止發光元件電路閃爍之具有調光功能之發光元件控制電路及其控制方法。
第1A圖顯示先前技術一種發光元件控制電路10示意圖。如第1A圖所示，發光元件控制電路10接收交流電壓AC，轉換為輸出電壓Vout，用以供應予發光元件電路1。發光元件控制電路10包含三極交流開關(Tri-electrode AC Switch,TRIAC)調光電路11、整流濾波電路13、與功率轉換電路19，其中，功率轉換電路19包含功率級控制電路191與功率級電路192。TRIAC調光電路11接收交流電壓AC(訊號波形如圖中小圖之弦波訊號所示意)，當交流電壓AC超過預設的觸發相位時，TRIAC調光電路11啟動並導通，而產生交流調光電壓Vdim(訊號波形如圖中小圖之相切(phase-cut)弦波訊號所示意)。整流濾波電路13對相切交流調光電壓Vdim進行整流濾波，而產生輸入電壓Vin(訊號波形如圖中小圖之具有漣波之直流訊號所示意)。交流電壓AC與不同觸發相位之交流調光電壓Vdim1與Vdim2，其訊號波形如第1B圖與1C的訊號波形圖所示意，其中分別以虛線波形表示交流電壓AC，並以實線波形表示經過TRIAC調光電路11 之後的交流調光電壓Vdim1與Vdim2。整流濾波電路13接收此交流調光電壓Vdim1與Vdim2，經整流濾波後，產生輸入電壓Vin，以輸入功率轉換電路19。功率轉換電路19與整流濾波電路13耦接，根據控制訊號ACTL1而將輸入電壓Vin轉換為輸出電壓Vout，以供應予發光元件電路1。以上電路中，設置TRIAC調光電路11的目的是決定交流調光電壓之觸發相位，藉此調整發光元件電路1的亮度。其中，功率轉換電路19包括具有功率開關之功率轉換電路，其可為同步或非同步之降壓型、升壓型、或反壓型功率轉換電路，如第2A-2F圖所示。
以功率轉換電路19為降壓型功率轉換電路為例，當觸發相位不同時，如第1B與1C圖所示意，第1B圖示意觸發相位較前之交流調光電壓Vdim1，第1C圖示意觸發相位較後之交流調光電壓Vdim2，經整流濾波電路13後，觸發相位較前之交流調光電壓Vdim1轉換為位準較高之直流輸入電壓Vin1，而觸發相位較後之交流調光電壓Vdim2轉換為位準較低之直流輸入電壓Vin2。控制訊號ACTL1直接正比於輸入電壓Vin，也就代表調光亮度的高低，因此，功率級控制電路191可根據控制訊號ACTL1來控制功率級電路192，亦即根據輸入電壓Vin的高低，控制功率級電路192中功率開關的導通時間，藉以調整流經發光元件電路1的電流，達成調整發光元件電路1的亮度的目的。
上述先前技術的其中一個問題是，由於此控制訊號ACTL1的調光機制，是根據輸入電壓Vin的分壓而來，當輸入電壓Vin上升或下降時，理想的狀況是，輸出電壓Vout會因控制訊號ACTL1的調升或調降而跟著上升或下降。但是，在實際的電路中，因為各種狀況，例如交流電壓AC頻率的不穩定，或是相切的角度對應不一致時，都會造成功率不匹配的狀況，造成如第1D圖所示的例子，例如在觸發相位由第1B圖調整至第1C圖時，因實際電路 的功率匹配問題，造成輸入電壓Vin2低於輸出電壓Vout的狀況發生，這使降壓型功率轉換電路無法操作或操作錯誤，而致使發光元件1發生閃爍的問題。
有鑑於此，本發明即針對上述先前技術之不足，提出一種具有調光功能之發光元件控制電路及其控制方法。本發明以調節頂部空間電壓(headroom regulation)於預設電壓的機制，防止發光元件電路閃爍。
就其中一個觀點言，本發明提供了一種具有調光功能之發光元件控制電路，包含：一調光電路，用以根據一交流電壓，產生一交流調光電壓；一整流濾波電路，與該調光電路耦接，用以根據該交流調光電壓，產生一輸入電壓；一功率轉換電路，與該整流濾波電路耦接，用以根據一控制訊號以操作其中至少一功率開關，而將該輸入電壓轉換為一輸出電壓，以供應予一發光元件電路；一頂部空間電壓調節電路，用以根據該輸入電壓與該輸出電壓之差值，以及一參考值，產生該控制訊號，並藉由反饋迴路的作用，將輸入電壓與輸出電壓之差值維持對應於該參考值。
在其中一種較佳的實施例中，該頂部空間電壓調節電路包含：一差值取樣電路，用以根據該輸入電壓與該輸出電壓之差值，產生一頂部空間電壓；以及一比較電路，與該差值取樣電路耦接，用以根據該頂部空間電壓與一參考電壓，而產生該控制訊號，其中該參考電壓對應於所述參考值。
在其中一種較佳的實施例中，該差值取樣電路包含一分壓電路，其分壓節點產生該頂部空間電壓。在其中一種較佳的實施例中，該差值取樣電路更包含一電容，與該分壓電路之分壓節點耦接。
在其中一種較佳的實施例中，該頂部空間電壓調節電路包含：一加法或減法電路，用以將該輸入電壓與該輸出電壓之一之的對應相關值，與一參考電壓相加或相減，其中該參考電壓對應於所述參考值；以及一比較電路，與該加法或減法電路耦接，用以根據該輸入電壓與該輸出電壓之另一者之的對應相關值與該加法或減法電路之運算結果，產生該控制訊號。
在其中一種較佳的實施例中，該參考電壓為可調。
在其中一種較佳的實施例中，具有調光功能之發光元件控制電路，更包含一電子變壓器，與該TRIAC調光電路耦接，用以接收該交流調光電壓，產生一高頻交流調光電壓以輸入該整流濾波電路。
就另一個觀點言，本發明提供了一種發光元件控制方法，包含：接收一輸入電壓，此輸入電壓之平均值可受控改變；根據一控制訊號以操作一功率轉換電路中至少一功率開關，而將該輸入電壓轉換為一輸出電壓，以供應予一發光元件電路；以及根據該輸入電壓與該輸出電壓的差值，與一參考值，而產生該控制訊號，並藉由反饋迴路的作用，將輸入電壓與輸出電壓之差值維持對應於該參考值。
底下藉由具體實施例詳加說明，當更容易瞭解本發明之目的、技術內容、特點及其所達成之功效。
1‧‧‧發光元件電路
10,20,30‧‧‧發光元件控制電路
11‧‧‧TRIAC調光電路
13‧‧‧整流濾波電路
15‧‧‧頂部空間電壓調節電路
151‧‧‧差值取樣電路
152‧‧‧比較電路
153‧‧‧減法電路
154‧‧‧低通濾波電路
155‧‧‧比較電路
156‧‧‧加法電路
19‧‧‧功率轉換電路
191‧‧‧功率級控制電路
192‧‧‧功率級電路
32‧‧‧電子變壓器
AC‧‧‧交流電壓
ACTL1,ACTL2‧‧‧控制訊號
HR‧‧‧頂部空間電壓
Vdim,Vdim’,Vdim1,Vdim2‧‧‧交流調光電壓
Vin,Vin1,Vin2‧‧‧輸入電壓
Vout‧‧‧輸出電壓
Vref‧‧‧參考電壓
〔第1A圖〕顯示一種先前技術發光元件控制電路10示意圖；〔第1B與1C圖〕顯示不同相切之交流電壓、交流調光電壓、與輸入電壓之訊號波形示意圖； 〔第1D圖〕顯示輸入電壓Vin因功率不匹配時造成低於輸出電壓問題之示意圖；〔第2A-2F圖〕顯示同步或非同步之降壓型、升壓型、及反壓型功率轉換電路；〔第3A-3B圖〕顯示本發明的第一與第二個實施例；〔第3C圖〕顯示本發明中輸入電壓Vin和輸出電壓Vout的壓差可以保持固定；〔第4圖〕顯示本發明第三個實施例；〔第5A-5B圖〕顯示本發明的第四個實施例；〔第6A-6B圖〕顯示本發明的頂部空間電壓調節電路的另兩個實施例；〔第7A-7B圖〕顯示參考電壓為可調的兩個實施例。
請參閱第3A圖，顯示本發明的第一個實施例。如第3A圖所示，發光元件控制電路20包含三極交流開關(Tri-electrode AC Switch,TRIAC)調光電路11、整流濾波電路13、頂部空間電壓調節電路15、與功率轉換電路19，其中，功率轉換電路19包含功率級控制電路191與功率級電路192。TRIAC調光電路11用以根據交流電壓AC(如第1B圖中虛線波形所示意)，產生交流調光電壓(如第1B圖中實線波形所示意之交流調光電壓Vdim1)。整流濾波電路13與TRIAC調光電路11耦接，用以根據交流調光電壓，產生輸入電壓Vin(例如第1A圖中細實線波形所示意之輸入電壓Vin1)，其例如但不限於橋式整流電路、並可選擇性地搭配低通濾波電路或功率因子校正電路，其為本技術者所熟知，故不予贅述。功率轉換電路19與整流濾波電路13耦接，用以接收輸入電壓Vin，並根據控制訊號ACTL2，以操作其中至少一功率開關(未示出，請參閱第2A-2F圖中所示之開關)，而將輸入電壓Vin轉換為輸出電壓Vout， 以供應予發光元件電路1。發光元件電路1例如但不限於包括單一發光二極體(light emitting diode,LED)或是由複數LED串聯之單一LED串，或是複數個並聯的LED串所組成的LED陣列等。功率轉換電路19包括具有功率開關之功率轉換電路，其可為同步或非同步之降壓型、升壓型、或反壓型功率轉換電路，如第2A-2F圖所示。
與先前技術相較，本發明的發光元件控制電路20更包含頂部空間電壓調節電路15，用以根據輸入電壓Vin與輸出電壓Vout之差值，以及一參考值，產生控制訊號ACTL2，並藉由反饋迴路的作用，將輸入電壓Vin與輸出電壓Vout之差值維持對應於該參考值。在本實施例中，頂部空間電壓調節電路15包含差值取樣電路151與比較電路152。差值取樣電路151根據輸入電壓Vin與輸出電壓Vout，產生頂部空間電壓HR，此頂部空間電壓HR對應並相關於輸入電壓Vin與輸出電壓Vout之差值，例如可為輸入電壓Vin與輸出電壓Vout之差值本身、其比例值、或該差值或比例值經過濾波後之值。(因此，本說明書將任一電壓之本身、其比例值、或其本身或比例值經過濾波後之值，都視為並稱為該電壓的「對應相關值」。)比較電路26，用以將頂部空間電壓HR與一參考電壓Vref比較(此參考電壓Vref對應於前述參考值)，而產生控制訊號ACTL2。依此方式，經由反饋迴路的作用，使得頂部空間電壓HR維持於預設電壓，在本實施例中，也就是參考電壓Vref。由於頂部空間電壓HR維持於參考電壓Vref，這也表示輸入電壓Vin與輸出電壓Vout之差值維持於定值，如第3C圖所示意，此定值對應於參考電壓Vref。
請參閱第3B圖，差值取樣電路151例如可為如圖所示之分壓電路結合RC電路所構成，用以在其分壓節點取得輸入電壓Vin與輸出電壓Vout差值之分壓的直流(DC)平均值，作為頂部空間電壓HR。但差值取樣電路151並不 僅限於本圖所示的實施方式，亦可為其他實施方式，例如可以僅包括分壓電路而不包括電容、或是為取樣保持電路、或是還包括其他濾波電路等。
需說明的是，在本實施例中，所謂輸入電壓Vin與輸出電壓Vout差值是以輸入電壓Vin減去輸出電壓Vout，也就是Vin-Vout為例，這是因為本實施例功率轉換電路19是以降壓型功率轉換電路為例，若是升壓型功率轉換電路，輸入電壓Vin與輸出電壓Vout差值就會是輸出電壓Vout減去輸入電壓Vin。
第4圖顯示本發明第二個實施例，本實施例顯示第一個實施例發光元件控制電路20一種較具體的實施方式。請參閱第4圖，顯示功率轉換電路19為降壓型功率轉換電路，並顯示差值取樣電路151實際的電路連接方式。在本實施例的情況下，輸入電壓Vin與輸出電壓Vout之差值可以直接取自功率級電路192中、功率開關和電感連接的節點。這電路正常運作時，會將輸入電壓Vin維持高於輸出電壓Vout。
第5A-5B圖顯示本發明第三個實施例，本實施例顯示根據本發明之發光元件控制電路30，相較於第一個實施例，可更包含電子變壓器(electronic transformer,ET)32，與TRIAC調光電路11耦接，用以接收交流調光電壓Vdim，產生高頻交流調光電壓Vdim’以輸入整流濾波電路13。交流調光電壓Vdim與高頻交流調光電壓Vdim’之訊號波形示意圖如第5B圖所示。本實施例旨在說明，根據本發明，發光元件控制電路亦可以包含電子變壓器。
以上所述將「輸入電壓Vin與輸出電壓Vout之差值的對應相關值」與參考電壓Vref比較，可以等效改變。在功率轉換電路19是降壓型功率轉換電路的情況下，請參閱第6A圖，可以等效改變為將輸入電壓Vin的對應相關值減去參考電壓Vref後與輸出電壓Vout的對應相關值比較。等效地，請參閱第6B圖，也可以將減法電路153改為加法電路156，並將輸入電壓Vin的對應相關 值與輸出電壓Vout的對應相關值加上參考電壓Vref相比較。如有必要，電路中尚可選擇性地設置低通濾波電路154，例如但不限於用以過濾輸入電壓Vin或其對應相關訊號。比較電路155根據比較結果，產生控制訊號ACTL2。
若功率轉換電路19是升壓型功率轉換電路，則前段所述的輸入電壓Vin與輸出電壓Vout將會對調。
此外，本發明的反饋迴路會將輸入電壓Vin與輸出電壓Vout之差值維持對應於參考電壓Vref，但參考電壓Vref不必須為預設的定值，亦可以為可調。例如請參閱第7A-7B圖，參考電壓Vref例如可以電路內部或外部訊號來設定與改變。
以上已針對較佳實施例來說明本發明，唯以上所述者，僅係為使熟悉本技術者易於了解本發明的內容而已，並非用來限定本發明之權利範圍。在本發明之相同精神下，熟悉本技術者可以思及各種等效變化。例如，各實施例中圖示直接連接的兩電路或元件間，可插置不影響主要功能的其他電路或元件；又如，發光元件不限於發光二極體(LED)，亦可擴及具有順向端與逆向端之發光元件；再如，功率轉換電路不限於為降壓或升壓型功率轉換電路，亦可以為如第2A-2F圖顯示之其他功率轉換電路，僅需對應修改相關電路或是訊號的意義即可。凡此種種，皆可根據本發明的教示類推而得，因此，本發明的範圍應涵蓋上述及其他所有等效變化。
1‧‧‧發光元件電路
11‧‧‧TRIAC調光電路
13‧‧‧整流濾波電路
15‧‧‧差值平均電路
17‧‧‧驅動電路
19‧‧‧功率轉換電路
20‧‧‧發光元件控制電路
26‧‧‧比較電路
AC‧‧‧交流電壓
ACTL2‧‧‧控制訊號
HR‧‧‧頂部空間電壓
OPN‧‧‧操作訊號
Vin‧‧‧輸入電壓
Vout‧‧‧輸出電壓
Vref‧‧‧參考電壓

Claims (9)

  1. 一種具有調光功能之發光元件控制電路，包含：一調光電路，用以根據一交流電壓，產生一交流調光電壓；一整流濾波電路，與該調光電路耦接，用以根據該交流調光電壓，產生一輸入電壓；一功率轉換電路，與該整流濾波電路耦接，用以根據一控制訊號以操作其中至少一功率開關，而將該輸入電壓轉換為一輸出電壓，以供應予一發光元件電路；以及一頂部空間電壓調節電路，用以根據該輸入電壓與該輸出電壓之差值，以及一參考值，產生該控制訊號，並藉由反饋迴路的作用，將輸入電壓與輸出電壓之差值維持對應於該參考值；其中該頂部空間電壓調節電路包含：一差值取樣電路，用以根據該輸入電壓與該輸出電壓之差值，產生一頂部空間電壓；以及一比較電路，與該差值取樣電路耦接，用以根據該頂部空間電壓與一參考電壓，而產生該控制訊號，其中該參考電壓對應於所述參考值。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之具有調光功能之發光元件控制電路，其中該差值取樣電路包含一分壓電路，其分壓節點產生該頂部空間電壓。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之具有調光功能之發光元件控制電路，其中該差值取樣電路更包含一電容，與該分壓電路之分壓節點耦接。
  4. 一種具有調光功能之發光元件控制電路，包含：一調光電路，用以根據一交流電壓，產生一交流調光電壓；一整流濾波電路，與該調光電路耦接，用以根據該交流調光電壓，產生一輸入電壓；一功率轉換電路，與該整流濾波電路耦接，用以根據一控制訊號以操作其中至少一功率開關，而將該輸入電壓轉換為一輸出電壓，以供應予一發光元件電路；以及一頂部空間電壓調節電路，用以根據該輸入電壓與該輸出電壓之差值，以及一參考值，產生該控制訊號，並藉由反饋迴路的作用，將輸入電壓與輸出電壓之差值維持對應於該參考值；其中該頂部空間電壓調節電路包含：一加法或減法電路，用以將該輸入電壓與該輸出電壓之一的對應相關值，與一參考電壓相加或相減，其中該參考電壓對應於所述參考值；以及一比較電路，與該加法或減法電路耦接，用以根據該輸入電壓與該輸出電壓之另一者之的對應相關值與該加法或減法電路之運算結果，產生該控制訊號。
  5. 如申請專利範圍第1或4項所述之具有調光功能之發光元件控制電路，其中該參考電壓為可調。
  6. 一種具有調光功能之發光元件控制電路，包含：一調光電路，用以根據一交流電壓，產生一交流調光電壓； 一整流濾波電路，與該調光電路耦接，用以根據該交流調光電壓，產生一輸入電壓；一功率轉換電路，與該整流濾波電路耦接，用以根據一控制訊號以操作其中至少一功率開關，而將該輸入電壓轉換為一輸出電壓，以供應予一發光元件電路；一頂部空間電壓調節電路，用以根據該輸入電壓與該輸出電壓之差值，以及一參考值，產生該控制訊號，並藉由反饋迴路的作用，將輸入電壓與輸出電壓之差值維持對應於該參考值；以及一電子變壓器，與該調光電路耦接，用以接收該交流調光電壓，產生一高頻交流調光電壓以輸入該整流濾波電路。
  7. 一種發光元件控制方法，包含：接收一輸入電壓，此輸入電壓之平均值可受控改變；根據一控制訊號以操作一功率轉換電路中至少一功率開關，而將該輸入電壓轉換為一輸出電壓，以供應予一發光元件電路；以及根據該輸入電壓與該輸出電壓的差值，與一參考值，而產生該控制訊號，並藉由反饋迴路的作用，將輸入電壓與輸出電壓之差值維持對應於該參考值；其中該將輸入電壓與輸出電壓之差值維持對應於該參考值之步驟包含：根據該輸入電壓與該輸出電壓之差值，產生一頂部空間電壓；以及比較該頂部空間電壓與一參考電壓，而產生該控制訊號，其中該參考電壓對應於所述參考值。
  8. 一種發光元件控制方法，包含： 接收一輸入電壓，此輸入電壓之平均值可受控改變；根據一控制訊號以操作一功率轉換電路中至少一功率開關，而將該輸入電壓轉換為一輸出電壓，以供應予一發光元件電路；以及根據該輸入電壓與該輸出電壓的差值，與一參考值，而產生該控制訊號，並藉由反饋迴路的作用，將輸入電壓與輸出電壓之差值維持對應於該參考值；其中該將輸入電壓與輸出電壓之差值維持對應於該參考值之步驟包含：將該輸入電壓與該輸出電壓之一的對應相關值，與一參考電壓相加或相減，其中該參考電壓對應於所述參考值；以及根據該輸入電壓與該輸出電壓之另一者之的對應相關值與該相加或相減之運算結果，產生該控制訊號。
  9. 如申請專利範圍第7或8項所述之發光元件控制方法，其中該參考電壓為可調。
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