TWI565356B - 具備可調式演色性指數之發光二極體照明裝置 - Google Patents
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Description
本發明相關於一種發光二極體照明裝置,尤指一種具備高功率因數和可調式演色性指數之發光二極體照明裝置。
在整流交流(rectified alternative-current,AC)電壓直接驅動的照明應用中,由於發光二極體(light emitting diode,LED)為一電流驅動元件,其發光亮度與驅動電流之大小成正比,為了達到高亮度和亮度均勻的要求,往往需要使用許多串接之發光二極體來提供足夠光源。串聯發光二極體的數量越多,導通發光元件所需的順向偏壓越高,發光二極體照明裝置之可操作電壓範圍越小。若發光二極體數量太少,則會使得發光二極體在整流交流電壓具最大值時驅動電流過大,進而影響發光二極體的可靠性。因此,需要一種能夠增加可操作電壓範圍和可靠性之發光二極體照明裝置。
此外,演色性指數(color rendering index,CRI)是評估照明光源品質好壞的依據,由國際照明協會(International Commission on Illumination,CIE)所定義,將自然界裡的太陽光視為最佳的照明品質。也就是說,演色性指數愈高,表示物體在該照明光源下顯示的顏色與在太陽光照射下的顏色愈接近;演色性愈低,表示物體在該照明光源下顯示顏色與太陽光照射下的顏色偏離愈遠。一般在攝
影或照相等應用中會希望使用高演色性指數的光源,但習知發光二極體照明裝置之演色性指數僅介於60~70。因此,需要一種能夠增加可操作電壓範圍、可靠性和演色性指數之發光二極體照明裝置。
本發明提供一種發光二極體照明裝置,其包含第一至第三發光元件和第一至第三電流控制器。第一發光元件由一整流交流電壓來驅動,其依據一第一電流來提供具備一第一顏色之光源。該第二發光元件串聯於該第一發光元件且由該整流交流電壓來驅動,其依據一第二電流來提供具備該第一顏色之光源。該第三發光元件由該整流交流電壓來驅動,其依據一第三電流來提供具備一第二顏色之光源,其中該第一顏色相異於該第二顏色。該第一電流控制器用來依據一第一限流值來調節該第一電流,其包含一第一接腳,耦接至該第一發光元件之一第一端;一第二接腳;以及一第三接腳,耦接至該第一發光元件之一第二端。該第二電流控制器用來依據一第二限流值來調節該第二電流,其包含一第一接腳,耦接至該第二發光元件;一第二接腳,耦接至該整流交流電壓;以及一第三接腳。該第三電流控制器用來依據一第三限流值來調節該第三電流,其包含一第一接腳,耦接至該第三發光元件之一第一端;以及一第二接腳。
20‧‧‧開關
30‧‧‧電流偵測電路
40‧‧‧可調式參考電壓產生器
50‧‧‧比較器
101~103‧‧‧發光二極體照明裝置
110‧‧‧電源供應電路
112‧‧‧橋式整流器
CC1~CCN+2、CCA、CCB‧‧‧電流控制器
A1~AN+2‧‧‧發光元件
第1圖至第3圖為本發明實施例中發光二極體照明裝置之示意圖。
第4圖至第8圖為本發明發光二極體照明裝置運作時之示意圖。
第9圖為本發明實施例中一電流控制器之示意圖。
第10圖為本發明另一實施例中一電流控制器之示意圖。
第1圖至第3圖為本發明實施例中發光二極體照明裝置101~103之示意圖。發光二極體照明裝置101~103各包含一電源供應電路110、複數個發光元件和複數個電流控制器。電源供應電路110可接收一具正負週期之交流電壓VS,並利用一橋式整流器112來轉換交流電壓VS在負週期內之輸出電壓,因此可提供一整流交流電壓VAC以驅動發光二極體照明裝置101~103,其中整流交流電壓VAC之值隨著時間而有週期性變化。在其它實施例中,電源供應電路110可接收任何交流電壓VS,利用一交流-交流電壓轉換器來進行電壓轉換,並利用橋式整流器112來對轉換後之交流電壓VS進行整流,因此可提供整流交流電壓VAC以驅動發光二極體照明裝置101~103,其中整流交流電壓VAC之值隨著時間而有週期性變化。值得注意的是,電源供應電路110之結構並不限定本發明之範疇。
在本發明實施例中,每一發光元件可包含一個發光二極體,或是複數個串接、並聯或組成陣列之發光二極體。第1圖至第3圖顯示了採用複數個串接發光二極體之架構,其可包含複數個單介面發光二極體(single-junction LED)、複數個多介面高壓發光二極體(multi-junction high-voltage LED),或不同類型發光二極體之任意組合。然而,發光元件所採用的發光二極體種類或組態並不限定本發明之範疇。
在第1圖所示之實施例中,發光二極體照明裝置101包含(N+2)個發光元件A1~AN+2和(N+2)個電流控制器CC1~CCN+2,其中N為正整數。電流控制器CC1~CCN分別並聯於相對應之發光元
件A1~AN。電流控制器CCN+1串聯於發光元件AN+1。電流控制器CCN+2串聯於發光元件AN+2。發光元件AN+2和電流控制器CCN+2並聯於發光元件AN+1中一個、多個或所有發光二極體。發光元件A1~AN+1設置成可提供第一顏色的光源,而發光元件AN+2設置成可提供第二顏色的光源。第一顏色和第二顏色彼此相異,例如可呈現不同色溫。
在第2圖所示之實施例中,發光二極體照明裝置102包含(N+2)個發光元件A1~AN+2和(N+2)個電流控制器CC1~CCN+2,其中N為正整數。電流控制器CC1~CCN分別並聯於相對應之發光元件A1~AN。電流控制器CCN+1串聯於發光元件AN+1。電流控制器CCN+2串聯於發光元件AN+2。發光元件AN+2和電流控制器CCN+2並聯於發光元件A1~AN中任一發光元件內一個、多個或所有發光二極體。發光元件A1~AN+1設置成可提供第一顏色的光源,而發光元件AN+2設置成可提供第二顏色的光源。第一顏色和第二顏色彼此相異,例如可呈現不同色溫。
在第3圖所示之實施例中,發光二極體照明裝置103包含(N+2)個發光元件A1~AN+2和(N+2)個電流控制器CC1~CCN+2,其中N為正整數。發光元件A1~AN+2彼此串聯,但串聯順序並不限定本發明之範疇。電流控制器CC1~CCN分別並聯於相對應之發光元件A1~AN。電流控制器CCN+1串聯於發光元件AN+1。電流控制器CCN+2並聯於發光元件AN+2。發光元件AN+2和電流控制器CCN+2串聯於發光元件AN+1。在一實施例中,發光元件AN+2可耦接於電源供應電路110和發光元件AN+1之間。在另一實施例中,發光元件AN+2可耦接於發光元件AN+1和發光元件A1之間。在第3圖所示之實施
例中,發光元件AN+2可耦接於發光元件AN+1中兩相鄰發光二極體之間。發光元件A1~AN+1設置成可提供第一顏色的光源,而發光元件AN+2設置成可提供第二顏色的光源。第一顏色和第二顏色彼此相異,例如可呈現不同色溫。
每一電流控制器CC1~CCN+2可製作成包含一第一接腳A、一第二接腳K、一第三接腳CS,和n個模式選擇接腳MS1~MSn之晶片,其中n為符合2n≧(N+1)之正整數。在電流控制器CC1~CCN+2中,模式選擇接腳MS1~MSn可耦接於其接腳A、接腳K或浮接。
為了清楚地說明本發明,說明書全文和圖示中使用下列符號來表示發光二極體照明裝置101~103中相關電流和電壓。VAK1~VAK(N+2)分別代表相對應電流控制器CC1~CCN+2之跨壓。IAK2~IAK(N+2)分別代表流經相對應電流控制器CC2~CCN+2之電流。ILED1~ILED(N+2)分別代表流經相對應發光元件A1~AN+2之電流。
第4~8圖為發光二極體照明裝置101~103運作時之示意圖,顯示了N=3和n=2時之實施例。第4~8圖分別顯示了電流控制器CC1~CC5之電流-電壓(I-V)特性曲線。VC1~VC5分別代表電流控制器CC1~CC5開始導通時之截止電壓(cut-in voltage)。VDROP1~VDROP5分別代表當電流IAK1~IAK5分別達到限流值IMAX1~IMAX5時電流控制器CC1~CC5之壓差電壓(dropout voltage)。在本發明實施例中,導通電流控制器CC1~CC5所需之截止電壓VC1~VC5分別小於導通發光元件A1~A5所需之截止電壓。當特定發光元件之跨壓超過其截止電壓時,特定發光元件會在一導通狀態(ON state);當特定
發光元件之跨壓並未超過其截止電壓時,特定發光元件會在一非導通狀態(OFF state)。
在第4~8圖中,在整流交流電壓VAC之上升週期或下降週期當0<VAK1<VDROP1,0<VAK2<VDROP2,0<VAK3<VDROP3,0<VAK4<VDROP4或0<VAK5<VDROP5時,此時電流控制器CC1~CC5尚未完全導通,因此會像壓控元件一樣在一線性模式下運作,使得電流IAK1~IAK5會分別隨著電壓VAK1~VAK5呈特定變化。舉例來說,若電流控制器CC1以金氧半導體(metal-oxide-semiconductor,MOS)電晶體來製作,電流IAK1和電壓VAK1之間的關係1會相關於MOS電晶體在線性區運作時之電流-電壓特性。
在第4~8圖中,在整流交流電壓VAC之上升週期或下降週期當VAK1>VDROP1,VAK2>VDROP2,VAK3>VDROP3,VAK4>VDROP4或VAK5>VDROP5時,電流控制器CC1~CC5會切換至一定電流模式並像限流器一樣運作,使得電流IAK1~IAK5會分別被箝制在限流值IMAX1~IMAX5,而非分別隨著電壓VAK1~VAK5而改變。
在許多應用中,電流控制器CC1~CC5可能需要提供不同限流值。在本發明中,透過設定模式選擇接腳MS1~MS2,電流控制器CC1~CC4能彈性地提供不同限流值。在第4~8圖所示之實施例中,電流控制器CC1~CC4可設定成使得IMAX1<IMAX2<IMAX3<IMAX4。然而,電流控制器所提供限流值之大小關係並不限定本發明之範疇。
在許多應用中,發光二極體照明裝置101~103可能需要
提供特定演色性指數。如前所述,在N=3和n=2之實施例中,發光元件A1~A4設置成可提供第一顏色的光源,而發光元件A5設置成可提供第二顏色的光源,其中第一顏色和第二顏色彼此相異。本發明可利用電流控制器CC5來調整發光元件A5之亮度,進而改善發光二極體照明裝置101~103之演色性指數,並透過彈性調整第二顏色的強度使得發光二極體照明裝置101~103能具備不同程度的演色性指數。在第8圖所示之實施例中,電流控制器CC5可設定成使得IMAX5=IMAX3。然而,電流控制器CC5所提供限流值IMAX5之大小關係並不限定本發明之範疇。
第9圖為本發明實施例中一電流控制器CCA之示意圖。第10圖為本發明另一實施例中一電流控制器CCB之示意圖。電流控制器CCA可應用在發光二極體照明裝置101~102中的電流控制器CC1~CCN+2和發光二極體照明裝置103中的電流控制器CC1~CCN+1。電流控制器CCB可應用在發光二極體照明裝置103中的電流控制器CCN+2。
電流控制器CCA和電流控制器CCB各包含一開關20、一電流偵測電路30、一可調式參考電壓產生器40,以及一比較器50。
開關20可包含一場效電晶體(Field Effect Transistor,FET)、一雙載子接面電晶體(Bipolar Junction Transistor,BJT),或是其它具類似功能之元件,第9~10圖之實施例係以一N型金氧半導體(N-Type Metal-Oxide-Semiconductor)場效電晶體來做說明,但不限定本發明之範疇。
電流偵測電路30可包含一電阻,耦接於第二接腳K和第三接腳CS之間以提供一回授電壓VFB。在發光二極體照明裝置101~103中,應用在電流控制器CC1~CCN+2之電流偵測電路30其等效電阻R1~RN+2可為相同值或不同值。然而,電流偵測電路30之結構並不限定本發明之範疇。
在第9圖所示之實施例中,電流偵測電路30可監控流經開關20之電流和流經相對應發光元件(耦接於第一接腳A和第三接腳CS之間)之電流的加總值。若流經開關20和相對應發光元件之電流加總值過大,電流控制器CCA會關閉開關20或降低流經開關20之電流,進而將電流IAK維持在固定值。
在第10圖所示之實施例中,電流偵測電路30可監控流經相對應發光元件(耦接於第一接腳A和第三接腳CS之間)之電流。若流經相對應發光元件之電流過大,電流控制器CCB會導通開關20以分流,進而將電流IAK維持在固定值。
可調式參考電壓產生器40用來提供分別相關於電壓VAK1~VAK(N+2)之複數個參考電壓VREF1~VREF(N+2),並依據模式選擇接腳MS1~MS2之邏輯電位來輸出參考電壓VREF1~VREF(N+2)其中之一。舉例來說,電流控制器CC1之可調式參考電壓產生器40可輸出參考電壓VREF1至比較器50。同理,電流控制器CC2~CC(N+2)之可調式參考電壓產生器40可分別提供相對應之參考電壓VREF2~VREF(N+2)。
比較器50會依據回授電壓VFB和相對應參考電壓之大小關係來操作開關20,以使流經每一電流控制器之電流皆不會超過其限流值。舉例來說,在N=3和n=2的實施例中,電流控制器CC1之最大限流值IMAX1可由(VREF1/R1)來決定,電流控制器CC2之最大限流值IMAX2可由(VREF2/R2)來決定,電流控制器CC3之最大限流值IMAX3可由(VREF3/R3)來決定,電流控制器CC4之最大限流值IMAX4可由(VREF4/R4)來決定,而電流控制器CC5之最大限流值IMAX5可由(VREF5/R5)來決定。透過設定每一電流控制器之模式選擇接腳MS1~MS2,電流控制器CC1~CC5能彈性地提供不同限流值,如第4~8圖所示。針對第1~3圖所示之實施例,電流控制器CC1~CC5所提供之限流值可如下列圖表所示,但並不限定本發明之範疇。
在本發明中,一對相對應電流控制器和發光元件可製作在同一積體晶片上。舉例來說,積體晶片U1包含電流控制器CC1和發光元件A1,積體晶片U2包含電流控制器CC2和發光元件A2,...,而積體晶片UN+2包含電流控制器CCN+2和發光元件AN+2。積體晶片
U1~UN+2可為在同一製程中製作之獨立元件。在不同應用中,不同發光二極體照明裝置所包含之積體晶片U1~UN+2可採用不同印刷電路板(PCB)佈局,以設定電流控制器內模式選擇接腳之邏輯電位。因此,本發明之發光二極體照明裝置能提供彈性特性,但不會增加製程難度。
本發明之發光二極體照明裝置利用電流控制器來控制流經串接發光二極體之電流大小和導通數目,在整流交流電壓尚未達到所有發光二極體之整體隔離電壓前即能導通部分發光二極體,因此能夠增加發光二極體照明裝置之功率因素。透過設定模式選擇接腳MS1~MS2,本發明之電流控制器能彈性地提供不同限流值以選擇每一發光元件之亮度,進而呈現不同程度的演色性指數。因此,本發明可提供一種能夠增加可操作電壓範圍、可靠性和演色性指數之發光二極體照明裝置。
以上所述僅為本發明之較佳實施例,凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾,皆應屬本發明之涵蓋範圍。
101‧‧‧發光二極體照明裝置
110‧‧‧電源供應電路
112‧‧‧橋式整流器
CC1~CCN+2‧‧‧電流控制器
A1~AN+2‧‧‧發光元件
Claims (11)
- 一種發光二極體(light-emitting diode,LED)照明裝置,其包含:一第一發光元件,由一整流交流電壓來驅動,其依據一第一電流來提供具備一第一顏色之光源;一第二發光元件,串聯於該第一發光元件且由該整流交流電壓來驅動,其依據一第二電流來提供具備該第一顏色之光源;一第三發光元件,由該整流交流電壓來驅動,其依據一第三電流來提供具備一第二顏色之光源,其中該第一顏色相異於該第二顏色;一第一電流控制器,用來依據一第一限流值來調節該第一電流,其包含:一第一接腳,耦接至該第一發光元件之一第一端;一第二接腳;以及一第三接腳,耦接至該第一發光元件之一第二端;一第二電流控制器,用來依據一第二限流值來調節該第二電流,其包含:一第一接腳,耦接至該第二發光元件;一第二接腳,耦接至該整流交流電壓;以及一第三接腳;以及一第三電流控制器,用來依據一第三限流值來調節該第三電流,其包含:一第一接腳,耦接至該第三發光元件;以及一第二接腳。
- 如請求項1所述之發光二極體照明裝置,其中: 該第三發光元件之一第一端耦接至該第二發光元件之一第一端;該第三電流控制器之該第一接腳耦接至該第三發光元件之一第二端;且該第三電流控制器之該第二接腳耦接至該第二發光元件之一第二端。
- 如請求項1所述之發光二極體照明裝置,其中:該第二發光元件包含複數個發光二極體;該第三電流控制器串聯於該第三發光元件;且該第三電流控制器和該第三發光元件並聯於該第二發光元件之該複數個發光二極體中一個或多個發光二極體。
- 如請求項1所述之發光二極體照明裝置,其中:該第三發光元件之一第一端耦接至該第一發光元件之該第一端;該第三電流控制器之該第一接腳耦接至該第三發光元件之一第二端;且該第三電流控制器之該第二接腳耦接至該第一發光元件之該第二端。
- 如請求項1所述之發光二極體照明裝置,其中:該第一發光元件包含複數個發光二極體;該第三電流控制器串聯於該第三發光元件;且該第三電流控制器和該第三發光元件並聯於該第一發光元件之該複數個發光二極體中一個或多個發光二極體。
- 如請求項1所述之發光二極體照明裝置,其中每一電流控制器包含:一開關;一電流偵測電路,用來偵測流經該開關之電流和流經該第一至第三發光元件中一相對應發光元件之電流的一電流加總值,並提供一相對應之回授電壓;一參考電壓產生器,用來提供一參考電壓;以及一比較器,用來依據該回授電壓和該參考電壓之間的大小關係來操作該開關。
- 如請求項1所述之發光二極體照明裝置,其中:該第二發光元件包含複數個發光二極體;該第三電流控制器之該第一接腳耦接至該第三發光元件之一第一端;該第三電流控制器之一第三接腳耦接至該第三發光元件之一第二端;且該第三電流控制器之該第一接腳和該第三電流控制器之該第二接腳耦接於該第二發光元件之該複數個發光二極體中兩發光二極體之間。
- 如請求項7所述之發光二極體照明裝置,其中該第三電流控制器包含:一開關;一電流偵測電路,用來偵測流經該第三發光元件之電流並提供一相對應之回授電壓; 一參考電壓產生器,用來提供一參考電壓;以及一比較器,用來依據該回授電壓和該參考電壓之間的大小關係來操作該開關。
- 如請求項1所述之發光二極體照明裝置,其中該第一電流控制器和該第一發光元件是製作在一第一積體晶片內,該第二電流控制器和該第二發光元件是製作在一第二積體晶片內,而該第三電流控制器和該第三發光元件是製作在一第三積體晶片內。
- 如請求項1所述之發光二極體照明裝置,其另包含:一第四發光元件,由該整流交流電壓來驅動,其依據一第四電流來提供具備該第一顏色之光源;以及一第四電流控制器,用來依據一第四限流值來調節該第四電流,其包含:一第一接腳,耦接至該第四發光元件之一第一端;一第二接腳;以及一第三接腳,耦接至該第四發光元件之一第二端;其中:該第一電流控制器另包含複數個模式選擇接腳,用來設定該第一限流值;該第二電流控制器另包含複數個模式選擇接腳,用來設定該第二限流值;該第三電流控制器另包含複數個模式選擇接腳,用來設定該第三限流值;且該第四電流控制器另包含複數個模式選擇接腳,用來設定該第四限流值。
- 如請求項10所述之發光二極體照明裝置,其中該第一電流控制器設置成一第一組態、一第二組態、一第三組態或一第四組態,且:在該第一組態下,該第一電流控制器之一第一模式選擇接腳為浮接或連接至該第一電流控制器之該第一接腳,而該第一電流控制器之一第二模式選擇接腳連接至該第一電流控制器之該第二接腳;在該第二組態下,該第一電流控制器之該第一模式選擇接腳連接至該第一電流控制器之該第二接腳,而該第一電流控制器之該第二模式選擇接腳為浮接或連接至該第一電流控制器之該第一接腳;在該第三組態下,該第一電流控制器之該第一模式選擇接腳和該第二模式選擇接腳為浮接或連接至該第一電流控制器之該第一接腳;且在該第四組態下,該第一電流控制器之該第一模式選擇接腳和該第二模式選擇接腳連接至該第一電流控制器之該第二接腳。
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