TWI565358B - 具備多級驅動階段和電壓/負載調整率控制之發光二極體照明裝置 - Google Patents

具備多級驅動階段和電壓/負載調整率控制之發光二極體照明裝置 Download PDF

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Description

具備多級驅動階段和電壓/負載調整率控制之發光二極體照明裝置
本發明相關於一種具備多級驅動階段之發光二極體照明裝置，尤指一種具備多級驅動階段、電壓/負載調整率控制、大操作電壓範圍、高均勻度和低頻閃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)係為一電流驅動元件，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，並使用多級階段驅動的方式來增加發光二極體照明裝置之可操作電壓範圍。電壓調整率(line regulation)是指發光二極體發光裝置在整流交流電源有所變動時維持固定亮度的能力。負載調整率(load regulation)是指在不同負載電壓下在不同發光二極體之間維持均勻亮度的能力。由於負載電壓降低和整流交流電壓升高會造成等效影響，所以電壓變化和負載變化彼此相關。在習知發光二極體照明裝置中，流經每一驅動階段之電流係依據其跨壓獨立地加以調節，發光二極體照明裝置之整體電壓/負載調整率可能無法達到理想值。因此，需要一種能夠增加可操作電壓範圍和改善電壓/負載調整率之發光二極體照明裝置。
本發明提供一種具備多級驅動階段之發光二極體照明裝置，其包含一第一發光裝置，由一整流交流電壓來驅動以依據一第一電流來提供光源；一第二發光裝置，串聯於該第一發光裝置，由該整流交流電壓來驅動以依據一第二電流來提供光源；一電壓偵測器，用來監控該整流交流電壓之一峰值的變化，並依此產生相關於該峰值之一補償電壓﹔一第一電流控制器，並聯於該第一發光元件﹔以及一第二電流控制器，串聯於該第二發光元件。該第一電流控制器用來調節該第一電流以使該第一電流之值不超過一第一限流值，以及依據該補償電壓來調整該第一限流值。該第二電流控制器用來調節該第二電流以使該第二電流之值不超過一第二限流值，以及依據該補償電壓來調整該第二限流值。
第1圖為本發明實施例中發光二極體照明裝置100之示意圖。第2圖為本發明另一實施例中發光二極體照明裝置200之示意圖。發光二極體照明裝置100和200各包含一電源供應電路110和(N+2)級驅動階段ST1 〜STN+2 ，其中N為正整數。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100和200，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100和200，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。
在發光二極體照明裝置100和200中，第1級至第(N+2)級驅動階段ST1 〜STN+2 中每一驅動階段包含一發光裝置，由一相對應之電流控制器來加以調節。LED1 〜LEDN+2 分別代表驅動階段ST1 〜STN+2 中相對應之發光裝置。CC1 〜CCN 分別代表驅動階段ST1 〜STN 中相對應之電流控制器。
第1級至第N級驅動階段ST1~STN分別由提供固定限流值的電流控制器CC1~CCN來控制。電流控制器CC1~CCN中每一電流控制器包含一電流偵測器10、一開關20、一比較器30和一參考電壓產生器40。電流控制器CC1~CCN之電流偵測器10可分別偵測流經相對應開關20和發光裝置LED1~LEDN之電流加總，進而分別提供相對應之回授電壓VF1~VFN。開關20可為一場效電晶體(field effect transistor,FET)、一雙載子接面電晶體(bipolar junction transistor,BJT)，或是其它具備類似功能之元件。第1圖至第2圖顯示了N型金氧半導體場效電晶體(N-channel metal-oxide-semiconductor field effect transistor,N-MOSFET)之實施例，但不限定本發明之範疇。電流控制器CC1~CCN之參考電壓產生器40可分別提供固定值之參考電壓VR1~VRN，其分別決定能流經電流控制器CC1~CCN之最大電流準位(限流值)。每一比較器30之正輸入端耦接至相對應之固定值參考電壓，負輸入端耦接至相對應之回授電壓，而輸出端耦接至相對應開關20之控制端。
每一比較器30可依據相對應參考電壓和相對應回授電壓之大小關係來輸出一控制訊號，進而調整流經相對應開關20之電流。接下來以第1級驅動階段ST1之運作來做說明。當VF1<VR1時，電流控制器CC1之比較器30會拉高其輸出之控制訊號以增加流經開關20之電流，直到回授電壓VF1升至參考電壓VR1為止。當VF1>VR1時，比較器30會拉低其輸出之控制訊號以減少流經開關20之電流，直到回授電壓VF1降至參考電壓VR1為止。換而言之，電流控制器CC1~CCN分別替驅動階段ST1~STN提供固定限流值ISET1~ISETN，使得在整流交流電壓VAC 之一週期內流經發光裝置LED1~LEDN之電流皆不會超過各自的限流值。
在發光二極體照明裝置100和200中，第(N+1)級至第(N+2)級驅動階段STN+1~STN+2由一可調式電流控制單元150來加以調節。可調式電流控制單元150可提供可調式限流值ISET(N+1)~ISET(N+2)，其包含一電流偵測器11、一電壓偵測器12、一電壓/負載調節率(line/load regulation)補償控制單元50、一電流控制器CCN+1和一電流控制器CCN+2。
電流偵測器11可偵測流經開關21和22之電流，進而提供一相對應之回授電壓VFB，回授電壓VFB之值會隨著整流交流電壓VAC而改變。
在發光二極體照明裝置100中，電壓偵測器12耦接至電源供應電路110，用來偵測整流交流電壓VAC之峰值，進而提供一相對應之補償電壓VLR。在發光二極體照明裝置200中，電壓偵測器12耦接至發光裝置LEDN+2，用來偵測發光裝置LEDN+2之工作週期(duty cycle)，進而提供一相對應之補償電壓VLR。在本發明實施例中，電壓偵測器12可包含一個或多個電阻、電容、其它具備類似功能的元件，或上述的任何組合。然而，電壓偵測器12之架構並不限定本發明之範疇。
電流控制器CCN+1包含一開關21、一比較器31和一參考電壓產生器41。電流控制器CCN+2包含一開關22、一比較器32和一參考電壓產生器42。參考電壓產生器41可提供一參考電壓VREF1 ，其中參考電壓VREF1 之值為補償電壓VLR 的函數。參考電壓產生器42可提供一參考電壓VREF2 ，其中參考電壓VREF2 之值為補償電壓VLR 的函數。比較器31之正輸入端耦接至參考電壓VREF1 ，負輸入端耦接至回授電壓VFB ，而輸出端耦接至開關21之控制端。比較器32之正輸入端耦接至參考電壓VREF2 ，負輸入端耦接至回授電壓VFB ，而輸出端耦接至開關22之控制端。依據參考電壓VREF1 和回授電壓VFB 之大小關係，比較器31可輸出一控制訊號至開關21，進而調整流經開關21之電流。依據參考電壓VREF2 和回授電壓VFB 之大小關係，比較器32可輸出一控制訊號至開關22，進而調整流經開關22之電流。
電壓/負載調節率補償控制單元50可依據補償電壓VLR 來控制電流控制器CCN+1 中參考電壓產生器41之運作和控制電流控制器CCN+2 中參考電壓產生器42之運作。驅動階段STN+1 〜STN+2 之最大電流準位分別由參考電壓VREF1 和VREF2 之值來決定。在本發明實施例中，當補償電壓VLR 之值較大時，參考電壓產生器41和42會分別提供較小值的參考電壓VREF1 和VREF2 ﹔當補償電壓VLR 之值較小時，參考電壓產生器41和42會分別提供較大值的參考電壓VREF1 和VREF2 。
第3圖至第6圖顯示了本發明實施例中利用參考電壓產生器41〜42和電壓/負載調節率補償控制單元50來調整限流值之示意圖。縱軸顯示了參考電壓VREF1 或VREF2 之值，而橫軸顯示了補償電壓VLR 之值。為了說明目的，假設當補償電壓VLR 之值介於一最小電壓值VMIN 和一最大電壓值VMAX 之間時，參考電壓產生器41〜42和電壓/負載調節率補償控制單元50會在有效運作區間內運作。當整流交流電壓VAC 之值在一額定範圍內時，VT 代表此時補償電壓VLR 之值。
在第3圖所示之實施例中，電壓/負載調節率補償控制單元50會操作參考電壓產生器41〜42，使得參考電壓VREF1 或VREF2 之變化為補償電壓VLR 之線性函數。本發明亦可引進一磁滯(hysteresis)區域HYS，進而避免因為補償電壓VLR 小幅變動而過於頻繁地調整參考電壓。
在第4圖所示之實施例中，電壓/負載調節率補償控制單元50會操作參考電壓產生器41〜42，使得參考電壓VREF1 或VREF2 之變化為補償電壓VLR 之拋物線函數。本發明亦可引進一磁滯區域HYS，進而避免因為補償電壓VLR 小幅變動而過於頻繁地調整參考電壓。
在第5圖所示之實施例中，電壓/負載調節率補償控制單元50會操作參考電壓產生器41〜42，使得參考電壓VREF1 或VREF2 之變化和補償電壓VLR 之變化呈現不同斜率。本發明亦可引進一磁滯區域HYS，進而避免因為補償電壓VLR 小幅變動而過於頻繁地調整參考電壓。
在第6圖所示之實施例中，電壓/負載調節率補償控制單元50會操作參考電壓產生器41〜42，使得只要參考電壓VREF1 或VREF2 之值隨著補償電壓VLR 之值上升而下降時，參考電壓VREF1 或VREF2 之變化為補償電壓VLR 之任意函數。本發明亦可引進一磁滯區域HYS，進而避免因為補償電壓VLR 小幅變動而過於頻繁地調整參考電壓。
在本發明中，電壓/負載調節率補償控制單元50會操作參考電壓產生器41〜42，以在補償電壓VLR 之值上升時調降參考電壓VREF1 或VREF2 之值，或是在補償電壓VLR 之值下降時調升參考電壓VREF1 或VREF2 之值。第3圖至第6圖所示之電壓關係僅說明本發明實施例，並不限定本發明之範疇。
第7圖至第10圖顯示了本發明實施例中發光二極體照明裝置100和200運作時之示意圖。接下來以N=1之實施例來做說明。在第7圖中，曲線A代表在額定範圍內之整流交流電壓VAC ，曲線B代表低於額定範圍時之整流交流電壓VAC (原因可能是負載電壓增加或交流電壓VS降低)，而曲線C代表高於額定範圍時之整流交流電壓VAC (原因可能是負載電壓降低或交流電壓VS增加)。DUTYA代表當整流交流電壓VAC 在額定範圍內時發光二極體照明裝置之導通工作週期，DUTYB代表當整流交流電壓VAC 低於額定範圍時發光二極體照明裝置之導通工作週期，而DUTYC代表當整流交流電壓VAC 高於額定範圍內時發光二極體照明裝置之導通工作週期。
在第8圖中， ILED_A 代表當整流交流電壓VAC 在額定範圍內時流經發光二極體照明裝置100或200之總電流。電流控制器CC1 〜CC3 可分別替驅動階段ST1 〜ST3 提供固定限流值ISET1 、ISET2A 和ISET3A 。當由在額定範圍內之整流交流電壓VAC 來驅動時，發光二極體照明裝置100或200之電壓/負載調節率LR_A相關於電流ILED_A 對時間t的積分值。
在第9圖中， ILED_B 代表當整流交流電壓VAC 低於額定範圍時流經發光二極體照明裝置100或200之總電流。電流控制器CC1 〜CC3 可分別替驅動階段ST1 〜ST3 提供限流值ISET1 、ISET2B 和ISET3B 。如前所述，發光二極體照明裝置100之電壓偵測器12可直接監控整流交流電壓VAC 之峰值變化，而發光二極體照明裝置200之電壓偵測器12可直接監控因整流交流電壓VAC 之峰值變化而造成的發光裝置LEDN+2 之導通工作週期變化。因此，低於額定範圍之整流交流電壓VAC 會造成較小的補償電壓VLR ，使得電壓/負載調節率補償控制單元50依此操作參考電壓產生器41〜42以增加參考電壓VREF1 和VREF2 之值。更明確地說，可調式限流值ISET2B 會被設為大於固定限流值ISET2A ，而可調式限流值ISET3B 會被設為大於固定限流值ISET3A 。當由低於額定範圍之整流交流電壓VAC 來驅動時，發光二極體照明裝置100或200之電壓/負載調節率LR_B相關於電流ILED_B 對時間t的積分值。如第9圖所示，當低於額定範圍之整流交流電壓VAC 縮短發光二極體照明裝置100或200之導通工作週期時，本發明可增加具最大和次大電流準位的兩驅動階段之限流值，進而縮小電壓/負載調節率LR_A和電壓/負載調節率LR_B之間的差異。
在第10圖中， ILED_C 代表當整流交流電壓VAC 高於額定範圍時流經發光二極體照明裝置100或200之總電流。電流控制器CC1 〜CC3 可分別替驅動階段ST1 〜ST3 提供限流值ISET1 、ISET2C 和ISET3C 。如前所述，發光二極體照明裝置100之電壓偵測器12可直接監控整流交流電壓VAC 之峰值變化，而發光二極體照明裝置200之電壓偵測器12可直接監控因整流交流電壓VAC 之峰值變化而造成的發光裝置LEDN+2 之導通工作週期變化。因此，高於額定範圍之整流交流電壓VAC 會造成較大的補償電壓VLR ，使得電壓/負載調節率補償控制單元50依此操作參考電壓產生器41〜42以減少參考電壓VREF1 和VREF2 之值。更明確地說，可調式限流值ISET2C 會被設為小於固定限流值ISET2A ，而可調式限流值ISET3C 會被設為小於固定限流值ISET3A 。當由高於額定範圍之整流交流電壓VAC 來驅動時，發光二極體照明裝置100或200之電壓/負載調節率LR_C相關於電流ILED_C 對時間t的積分值。如第10圖所示，當高於額定範圍之整流交流電壓VAC 增長發光二極體照明裝置100或200之導通工作週期時，本發明可降低具最大和次大電流準位的兩驅動階段之限流值，進而縮小電壓/負載調節率LR_A和電壓/負載調節率LR_C之間的差異。
如第8圖至第10圖所示，可調式電流控制單元150可使得電流ILED_A 之平均值(或電流ILED_A 對時間t的平均積分值)、電流ILED_B 之平均值(或電流ILED_B 對時間t的平均積分值)，以及電流ILED_C 之平均值(或電流ILED_C 對時間t的平均積分值)彼此之間的差異降到最小。因此，由在額定範圍內之整流交流電壓VAC 來驅動時之電壓/負載調節率LR_A、由低於額定範圍之整流交流電壓VAC 來驅動時之電壓/負載調節率LR_B，和由高於額定範圍之整流交流電壓VAC 來驅動時之電壓/負載調節率LR_C彼此之間的差異降到最小，進而改善發光二極體照明裝置100或200之整體電壓/負載調節率。
在本發明中，開關22之電壓額定值(voltage rating)需高於開關20和21之電壓額定值。亦即，相較於開關20和21，開關22可在承受較高溫及/或較大電性應力下正常運作，或在同樣環境下維持較長時間的正常運作。舉例來說，開關22可採用高壓電晶體，而開關20和21可採用低壓電晶體。
第11圖為本發明實施例中製作發光二極體照明裝置100之示意圖。第12圖為本發明實施例中製作發光二極體照明裝置200之示意圖。電流偵測器11、開關21、比較器31〜32、參考電壓產生器41〜42，以及電壓/負載調節率補償控制單元50可被整合至同一晶片60內。由於開關21可採用低壓電晶體，晶片60可在一低壓製程內製作。
在第1〜2圖和第11〜12圖所示之實施例中，第1級至第N級驅動階段ST1 〜STN 分別由提供固定限流值的電流控制器CC1 〜CCN 來控制。在本發明其它實施例中，電流控制器CC1 〜CCN 亦可省略不用。
本發明可直接監控整流交流電壓VAC 之峰值變化，或直接監控因整流交流電壓VAC 之峰值變化而造成的發光裝置導通工作週期變化，進而依此降低或升高具最大和次大電流準位的兩驅動階段之限流值。因此，即使整流交流電壓VAC 之值因故偏離其額定範圍，本發明可利用電壓/負載調節率補償控制單元50和參考電壓產生器41〜42來改善發光二極體照明裝置之整體電壓/負載調節率。   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。
10、11‧‧‧電流偵測器
12‧‧‧電壓偵測器
20~22‧‧‧開關
30~32‧‧‧比較器
40~42‧‧‧參考電壓產生器
50‧‧‧電壓/負載調節率補償控制單元
60‧‧‧晶片
100、200‧‧‧發光二極體照明裝置
110‧‧‧電源供應電路
112‧‧‧橋式整流器
150‧‧‧可調式電流控制單元
VS‧‧‧交流電壓
LED1~LEDN+2‧‧‧發光裝置
CC1~CCN+2‧‧‧電流控制器
ST1~STN+2‧‧‧驅動階段
第1圖為本發明實施例中發光二極體照明裝置之示意圖。 第2圖為本發明另一實施例中發光二極體照明裝置之示意圖。 第3圖至第6圖顯示了本發明實施例中調整限流值之示意圖。 第7圖至第10圖顯示了本發明實施例中發光二極體照明裝置運作時之示意圖。 第11圖為本發明實施例中製作發光二極體照明裝置之示意圖。 第12圖為本發明另一實施例中製作發光二極體照明裝置之示意圖。
10、11‧‧‧電流偵測器
12‧‧‧電壓偵測器
20~22‧‧‧開關
30~32‧‧‧比較器
40~42‧‧‧參考電壓產生器
50‧‧‧電壓/負載調節率補償控制單元
100‧‧‧發光二極體照明裝置
110‧‧‧電源供應電路
112‧‧‧橋式整流器
150‧‧‧可調式電流控制單元
VS‧‧‧交流電壓
LED1~LEDN+2‧‧‧發光裝置
CC1~CCN+2‧‧‧電流控制器
ST1~STN+2‧‧‧驅動階段

Claims (10)

  1. 一種具備多級驅動階段之發光二極體照明裝置，其包含：一第一發光裝置，由一整流交流電壓來驅動以依據一第一電流來提供光源；一第二發光裝置，串聯於該第一發光裝置，由該整流交流電壓來驅動以依據一第二電流來提供光源；一電壓偵測器，用來監控該整流交流電壓之一峰值的變化，並依此產生相關於該峰值之一補償電壓，其中該電壓偵測器耦接於該第二發光裝置，用來在該整流交流電壓之值發生變化時偵測該第二發光裝置之一導通工作週期(conducting duty cycle)的變化；一第一電流控制器，並聯於該第一發光元件，用來：調節該第一電流以使該第一電流之值不超過一第一限流值；以及依據該補償電壓來調整該第一限流值；以及一第二電流控制器，串聯於該第二發光元件，用來：調節該第二電流以使該第二電流之值不超過一第二限流值；以及依據該補償電壓來調整該第二限流值。
  2. 如請求項1所述之發光二極體照明裝置，其另包含一電流偵測器，用來監控該第一電流和一第三電流之加總，並依此提供一相對應之回授電壓，其中：該第一電流控制器包含： 一第一開關，其依據一第一控制訊號來導通該第三電流；一第一參考電壓產生器，用來提供相關於該第一限流值之一第一參考電壓，且依據該補償電壓來調整該第一參考電壓；以及一第一比較器，用來依據該第一參考電壓和該回授電壓之間的大小關係來產生該第一控制訊號；且該第二電流控制器包含：一第二開關，其依據一第二控制訊號來導通該第二電流；一第二參考電壓產生器，用來提供相關於該第二限流值之一第二參考電壓，且依據該補償電壓來調整該第二參考電壓；以及一第二比較器，用來依據該第二參考電壓和該回授電壓之間的關係來產生該第二控制訊號。
  3. 如請求項2所述之發光二極體照明裝置，其中該第二開關之電壓額定值(voltage rating)高於該第一開關之電壓額定值。
  4. 如請求項2所述之發光二極體照明裝置，其另包含一電壓/負載調節率(line/load regulation)補償控制單元，其依據該補償電壓來操作該第一參考電壓產生器和該第二參考電壓產生器，使得當該補償電壓為一第一值時該第一參考電壓或該第二參考電壓被調整為一第二值，或使得當該補償電壓為一第三值時該第一參考電壓或該第二參考電壓被調整為一第四值，其中該第一值小於該第三值，且該第二值大於該第四值。
  5. 如請求項4所述之發光二極體照明裝置，其中該第一開關、該第一比較器、該第一參考電壓產生器、該第二比較器、該第二參考電壓產生器，以及該電壓/負載調節率補償控制單元是被整合在同一晶片內。
  6. 如請求項1所述之發光二極體照明裝置，其另包含一電源供應電路，用來提供該整流交流電壓。
  7. 如請求項1所述之發光二極體照明裝置，其另包含：一第三發光裝置，串聯於該第一發光裝置和該第二發光裝置，由該整流交流電壓來驅動以依據一第四電流來提供光源。
  8. 如請求項7所述之發光二極體照明裝置，其中該第三發光裝置耦接於該整流交流電壓和該第一發光裝置之間。
  9. 如請求項8所述之發光二極體照明裝置，其另包含：一第三電流控制器，並聯於該第三發光裝置，用來調節該第四電流以使該第四電流之值不超過一第三限流值，其中該第三限流值為一固定值。
  10. 一種具備多級驅動階段之發光二極體照明裝置，其包含：一第一發光裝置，由一整流交流電壓來驅動以依據一第一電流來提供光源； 一第二發光裝置，串聯於該第一發光裝置，由該整流交流電壓來驅動以依據一第二電流來提供光源；一電壓偵測器，用來監控該整流交流電壓之一峰值的變化，並依此產生相關於該峰值之一補償電壓；一第一電流控制器，並聯於該第一發光元件，用來調節該第一電流以使該第一電流之值不超過一第一限流值以及依據該補償電壓來調整該第一限流值，該第一電流控制器包含：一第一開關，其依據一第一控制訊號來導通一第三電流；一第一參考電壓產生器，用來提供相關於該第一限流值之一第一參考電壓，且依據該補償電壓來調整該第一參考電壓；以及一第一比較器，用來依據該第一參考電壓和一回授電壓之間的大小關係來產生該第一控制訊號；一第二電流控制器，串聯於該第二發光元件，用來調節該第二電流以使該第二電流之值不超過一第二限流值以及依據該補償電壓來調整該第二限流值，該第二電流控制器包含：一第二開關，其依據一第二控制訊號來導通該第二電流；一第二參考電壓產生器，用來提供相關於該第二限流值之一第二參考電壓，且依據該補償電壓來調整該第二參考電壓；以及一第二比較器，用來依據該第二參考電壓和該回授電壓之間的關係來產生該第二控制訊號；一電流偵測器，用來監控該第一電流和該第三電流之加總，並依此提供相對應之該回授電壓；以及一電壓/負載調節率(line/load regulation)補償控制單元，用來依據該補償電壓來操作該第一參考電壓產生器和該第二參考電壓 產生器，使得當該補償電壓為一第一值時該第一參考電壓或該第二參考電壓被調整為一第二值，或使得當該補償電壓為一第三值時該第一參考電壓或該第二參考電壓被調整為一第四值，其中該第一值小於該第三值，且該第二值大於該第四值。
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