TWI567445B - 光源裝置 - Google Patents

Description

光源裝置

本發明是有關於一種光源裝置，且特別是有關於一種具有發光二極體的光源裝置。

隨著照明技術的演進，燈具所採用的發光源從白熾燈泡、螢光燈管一直進展至近年來快速蓬勃發展的發光二極體(light emitting diode,LED)。發光二極體具有省電、使用壽命長、環保、啟動快速、體積小…等多種優點，且發光二極體所能達到的功率隨著技術的成熟而逐漸變大，因此發光二極體已有逐漸應用於一般照明以取代螢光燈管的趨勢。

在光源裝置中，發光元件會串接至少一回授電阻，以透過回授電阻提供的回授電壓判斷流經發光元件的電流。為了穩定發光元件的發光亮度，光源裝置會依據流經發光元件的電流調整發光元件所接收的驅動電壓。然而，在發光元件串接回授電阻的情況下，若發光元件所接收的驅動電壓為一高電壓(例如200伏特)，則流經發光元件的電流會變高，並且使回授電阻的跨壓變高。此時，回授電阻的電力消耗會提高，以致於造成電力的浪費，並且過高的跨壓可能造成回授電 阻的燒毀。

本發明提供一種光源裝置，可降低回授電阻的跨壓且不影響發光二極體的回授控制，藉此可減少回授電阻的功率損耗且降低回授電阻燒毀的機率。

本發明的其他目的和優點可以從本發明所揭露的技術特徵中得到進一步的了解。

為達上述之一或部份或全部目的或是其他目的，本發明之一實施例提供一種光源裝置，包括升壓電路、發光元件、回授電阻、回授電路以及控制單元。升壓電路接收一輸入電壓及一升壓控制信號，用以依據升壓控制信號決定輸入電壓的升壓倍數，以提供一驅動電壓。發光元件耦接升壓電路，以接收驅動電壓。回授電阻耦接於發光元件與接地電壓之間，且提供一回授電壓。回授電路耦接回授電阻以接收回授電壓，且依據回授電壓提供一回授參考電壓及一控制參考電壓，其中回授參考電壓大於回授電壓。控制單元具有一參考電壓端、一比較端及一閘控制端，其中閘控制端耦接升壓電路以提供升壓控制信號，參考電壓端及比較端耦接回授電路以分別接收回授參考電壓及控制參考電壓。回授電路依據回授參考電壓調整控制參考電壓，控制單元依據控制參考電壓調整升壓控制信號的一責任週期。

本發明之一實施例的光源裝置，其中回授電路包括第一 電阻，耦接於參考電壓端與比較端之間；第一電容，耦接於參考電壓端與比較端之間；第二電阻，耦接於參考電壓端與一參考電壓之間；第三電阻，第三電阻的一端耦接參考電壓端；第四電阻，耦接於第三電阻的另一端與回授電阻之間；以及第五電阻，耦接於第三電阻的另一端與接地電壓之間。

本發明之一實施例的光源裝置，其中控制單元包括：一運算放大器以及一脈寬調變電路，運算放大器的一第一輸入端耦接參考電壓端，運算放大器的一第二輸入端接收一比較電壓，運算放大器的一輸出端耦接比較端；脈寬調變電路耦接比較端以接收控制參考電壓，並且耦接閘控制端以提供升壓控制信號。

本發明之一實施例的光源裝置，其中升壓電路包括一電感、一二極體、一開關、以及一第二電容，電感的一第一端接收輸入電壓，二極體的一陽極耦接電感的一第二端，二極體的一陰極輸出驅動電壓，開關的一第一端耦接電感的第二端，開關的一控制端接收升壓控制信號，開關的一第二端耦接接地電壓，第二電容耦接於二極體的陰極與接地電壓之間。

本發明之一實施例的光源裝置，其中開關包括一電晶體。

本發明之一實施例的光源裝置，其中發光元件包括至少一發光二極體。

基於上述，本發明實施例的光源裝置，可降低回授電阻的跨壓且不影響發光二極體的回授控制。藉此可減少回授電阻的功率損耗且降低回授電阻燒毀的機率。本發明實施例的光源裝置 的控制單元可以使用定電壓的積體電路，擴展定電壓積體電路的功能，能夠以簡單的方式取代定電流的積體電路。

為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

100、200‧‧‧光源裝置

110、110a‧‧‧升壓電路

120、120a‧‧‧發光元件

130、130a‧‧‧回授電路

140、140a‧‧‧控制單元

141‧‧‧脈寬調變電路

C1、C2、Ca‧‧‧電容

D1‧‧‧二極體

L1‧‧‧電感

LD‧‧‧發光二極體

M1‧‧‧電晶體

OP‧‧‧運算放大器

R1~R5、Ra、Rb‧‧‧電阻

RF‧‧‧回授電阻

SCB‧‧‧升壓控制信號

TC‧‧‧比較端

TG‧‧‧閘控制端

TV‧‧‧參考電壓端

Vcm‧‧‧比較電壓

VCR‧‧‧控制參考電壓

Vdr‧‧‧驅動電壓

VF‧‧‧回授電壓

VFR‧‧‧回授參考電壓

Vin‧‧‧輸入電壓

VR‧‧‧參考電壓

圖1為依據本發明一實施例的光源裝置的系統示意圖。

圖2為依據本發明一實施例的光源裝置的電路示意圖。

圖3為依據本發明一實施例的圖2的控制單元與回授電路的交流等效電路圖。

圖4為依據本發明一實施例的穩定回授的控制單元與回授電路的交流等效電路圖。

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多個實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。以下實施例中所提到的方向用語，例如「上」、「下」、「前」、「後」、「左」、「右」等，僅是參考附加圖式的方向。因此，使用的方向用語是用來說明，而非用來限制本發明。

圖1為依據本發明一實施例的光源裝置的系統示意圖。請參照圖1，在本實施例中，光源裝置100包括升壓電路110、發光 元件120、回授電路130、控制單元140以及回授電阻RF。升壓電路110接收輸入電壓Vin及升壓控制信號SCB，用以依據升壓控制信號SCB決定輸入電壓Vin的升壓倍數(即放大倍數)，以提供驅動電壓Vdr。

發光元件120耦接升壓電路110，以接收驅動電壓Vdr。回授電阻RF耦接於發光元件120與接地電壓之間，且提供一回授電壓VF。回授電路130耦接回授電阻RF以接收回授電壓VF，且依據回授電壓VF提供一回授參考電壓VFR及控制參考電壓VCR，其中回授參考電壓VFR大於回授電壓VF，亦即回授電路130為一升壓模式的回授電路。控制單元140具有參考電壓端TV、比較端TC及閘控制端TG。閘控制端TG耦接升壓電路110以提供升壓控制信號SCB，參考電壓端TV及比較端TC耦接回授電路130以分別接收回授參考電壓VFR及控制參考電壓VCR。其中，回授電路130依據回授參考電壓VFR調整控制參考電壓VCR，控制單元140依據控制參考電壓VCR調整升壓控制信號SCB的一責任週期。

依據上述，由於回授電路130的設計，回授電阻RF可提供較低的回授電壓VF而不影響控制單元140的運作，並且可減少回授電阻的功率損耗且降低回授電阻燒毀的機率。

圖2為依據本發明一實施例的光源裝置的電路示意圖。請參照圖1及圖2，在本實施例中，光源裝置200的電路結構大致相同於光源裝置100，其中相同或相似元件使用相同或相似標號，並 且控制單元140a可以是電流模式控制晶片(例如UC3843)。

升壓電路110a中包括電感L1、二極體(在此以齊納二極體D1為例)、開關(在此以電晶體M1為例)以及電容C1。電感L1的第一端接收輸入電壓Vin，電感L1的第二端耦接至二極體D1的陽極，二極體D1的陰極輸出驅動光源120a的驅動電壓Vdr。電晶體M1的汲極(對應開關的第一端)耦接至電感L1的第二端，電晶體M1的閘極(對應開關的控制端)耦接至控制單元140a的閘控制端TG以接收升壓控制信號SCB，電晶體M1的源極(對應開關的第二端)耦接至接地電壓。電容C1耦接於二極體D1的陰極與接地電壓之間。

在本發明一實施例中，升壓控制信號SCB例如為脈波寬度調變(PWM)信號，以控制電晶體M1的導通期間。當電晶體M1導通時，二極體D1的陽極電壓會小於陰極電壓，此時二極體D1截止，輸入電壓Vin會對電感L1充電，電感L1開始儲存能量。反之，當電晶體M1截止時，此時二極體D1導通，電感L1的電流會持續對電容C1充電並提供能量給發光元件120a，如此一來便可利用電晶體M1的導通期間來調整驅動電壓Vdr的大小。

在本實施例中，發光元件120a是由多個發光二極體(Light emitting diode，LED)LD串聯所組成，第1個發光二極體LD的陽極耦接升壓電壓110a以接收驅動電壓Vdr，最後一個發光二極體LD的陰極耦接回授電阻RF的一端，回授電阻RF的另一端則耦接接地電壓，其中回授電阻RF的一端提供回授電壓VF。在其他實施例中，發光元件120a可以由一個發光二極體LD所組成，但本發明實施例不以 此為限。

回授電路130a包括電阻R1~R5、電容C2。電阻R1與電容C2耦接於控制單元140a的參考電壓端TV以及比較端TC之間。電阻R2耦接於控制單元140a的參考電壓端TV與參考電壓VR(例如5伏特)之間。電阻R3的一端耦接控制單元140a的參考電壓端TV，電阻R3的另一端耦接於電阻R4的一端。電阻R4的另一端則耦接回授電阻RF以接收回授電壓VF。電阻R5耦接於電阻R3的另一端與接地電壓之間。

控制單元140a包括運算放大器OP與脈寬調變電路141。運算放大器OP的負輸入端(對應第一輸入端)耦接至參考電壓端TV以接收回授參考電壓VFR，運算放大器OP的正輸入端(對應第二輸入端)接收比較電壓Vcm(例如2.5伏特)，運算放大器OP的輸出端則耦接至比較端TC。脈寬調變電路141耦接至比較端TC以接收控制參考電壓VCR，並且脈寬調變電路141會耦接至閘控制端TG以提供升壓控制信號SCB。

參照圖2所示，假設比較電壓Vcm為2.5伏特，電阻R3、R4以及R5的公共端的電壓為U，根據克希荷夫電流定律(Kirchoffs Current Law，KCL)，電阻R3、R4以及R5的公共端的總電流為零，如下列方程式所示：(2.5-U)/R3+(VF-U)/R4+(0-U)/R5=0...............(1)

其中，上述R3、R4及R5為分別表示電阻R3、R4及R5的電阻值。再者，假設電阻R4的電阻值很大，並且控制單元140a的 參考電壓端TV輸入阻抗很高，所以進入電阻R4和參考電壓端TV的電流均可被忽略。並且，假設參考電壓VR為5伏特，而流經電阻R2上的電流值I如下列方程式表示：I=2.5/R2=(2.5-U)/R3=(5-U)/(R2+R3)...............(2)

其中，上述R2及R3為分別表示電阻R2及R3的電阻值。結合第(1)式與第(2)式，消去U後可得到回授電壓VF的大小與電阻R2至R5的電阻值的關係，如下列方程式表示：VF=2.5(R2-R3)(R4+R5)/(R2*R5)-2.5R4/R2

根據上述，藉由調整電阻R2、R3以及R5可以改變回授電壓VF與回授參考電壓VFR的電壓關係，也就是調整回授電壓VF與回授參考電壓VFR的電壓倍數。

圖3為依據本發明一實施例的圖2的控制單元與回授電路的交流等效電路圖。圖4為依據本發明一實施例的穩定回授的控制單元與回授電路的交流等效電路圖。圖2所示光源裝置200的電路能否實現，取決於電路的控制系統是否穩定，因此下述對會穩定回授的交流等效電路與本實施例的交流等效電路進行比對分析。

請同時參考圖3與圖4，在本實施例中，設定回授電壓VF對應的系統函數為Uin，控制參考電壓對應的系統函數為Uout。圖4所示交流等效電路的系統函數如下列方程式表示：F(S)=Uout(S)/Uin(S)=-Ra/(Rb*(1+SRaCa))

其中，上述Ra及Rb為分別表示電阻Ra及Rb的電阻值，上述Ca為表示電容Ca的電容值，S為一代數。圖3所示交流等效電 路的系統函數如下列方程式表示：F(S)=Uout(S)/Uin(S)=-R1R5/((1+SR1C2)*(R4(R3+R5)+R3R5)

其中，上述R1、R3及R4為分別表示電阻R1、R3及R4的電阻值，上述C2為表示電容C2的電容值，S為一代數。由於圖4為穩定回授的交流等效電路，若是圖3與圖4所示交流等效電路的系統函數相同，代表圖3所示交流等效電路為穩定回授的電路，而電阻R1、R3及R4及電容C2的設定條件可參考下述：Ra=R1

RaCa=R1C2

Rb=(R4(R3+R5)+R3R5)/R5

在一實施例中，各元件的選用例如為：電阻Ra=100K，電阻Rb=1K，電容Ca=0.1uF。電阻R5=1K，電阻R1=電阻Ra，電容Ca=電容C2，電阻R4=0.5K，電阻R3=1/3K，電阻R2=0.91K，計算得到回授電壓VF=1V，相較於前案的回授電壓一般為2.5V，本實施例確實可降低回授電壓。

依據上述，本發明實施例的光源裝置可減少回授電阻的功率損耗且降低回授電阻燒毀的機率。本發明實施例的光源裝置的控制單元可以使用定電壓的積體電路，擴展定電壓積體電路的功能，能夠以簡單的方式取代定電流的積體電路。

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發明說明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。另外，本發明的任一實施例或申請專利範圍不須達成本發明所揭露之全部目的或優點或特點。此外，摘要部分和標題僅是用來輔助專利文件搜尋之用，並非用來限制本發明之權利範圍。

100‧‧‧光源裝置

110‧‧‧升壓電路

120‧‧‧發光元件

130‧‧‧回授電路

140‧‧‧控制單元

RF‧‧‧回授電阻

SCB‧‧‧升壓控制信號

TC‧‧‧比較端

TG‧‧‧閘控制端

TV‧‧‧參考電壓端

VCR‧‧‧控制參考電壓

Vdr‧‧‧驅動電壓

VF‧‧‧回授電壓

VFR‧‧‧回授參考電壓

Vin‧‧‧輸入電壓

Claims (6)

1. 一種光源裝置，包括：一升壓電路，接收一輸入電壓及一升壓控制信號，用以依據該升壓控制信號決定該輸入電壓的升壓倍數，以提供一驅動電壓；一發光元件，耦接該升壓電路，以接收該驅動電壓；一回授電阻，耦接於該發光元件與一接地電壓之間，且提供一回授電壓；一回授電路，耦接該回授電阻以接收該回授電壓，且依據該回授電壓提供一回授參考電壓及一控制參考電壓，其中該回授參考電壓大於該回授電壓；以及一控制單元，具有一參考電壓端、一比較端及一閘控制端，該閘控制端耦接該升壓電路以提供該升壓控制信號，該參考電壓端及該比較端耦接該回授電路以分別接收該回授參考電壓及該控制參考電壓，其中該回授電路依據該回授參考電壓調整該控制參考電壓，該控制單元依據該控制參考電壓調整該升壓控制信號的一責任週期。
2. 如申請專利範圍第1項所述的光源裝置，其中該回授電路包括：一第一電阻，耦接於該參考電壓端與該比較端之間；一第一電容，耦接於該參考電壓端與該比較端之間；一第二電阻，耦接於該參考電壓端與一參考電壓之間；一第三電阻，該第三電阻的一端耦接該參考電壓端； 一第四電阻，耦接於該第三電阻的另一端與該回授電阻之間；以及一第五電阻，耦接於該第三電阻的該另一端與該接地電壓之間。
3. 如申請專利範圍第1項所述的光源裝置，其中該控制單元包括：一運算放大器，該運算放大器的一第一輸入端耦接該參考電壓端，該運算放大器的一第二輸入端接收一比較電壓，該運算放大器的一輸出端耦接該比較端；以及一脈寬調變電路，耦接該比較端以接收該控制參考電壓，並且耦接該閘控制端以提供該升壓控制信號。
4. 如申請專利範圍第1項所述的光源裝置，其中該升壓電路包括：一電感，該電感的一第一端接收該輸入電壓；一二極體，該二極體的一陽極耦接該電感的一第二端，該二極體的一陰極輸出該驅動電壓；一開關，該開關的一第一端耦接該電感的該第二端，該開關的一控制端接收該升壓控制信號，該開關的一第二端耦接該接地電壓；以及一第二電容，耦接於該二極體的該陰極與該接地電壓之間。
5. 如申請專利範圍第4項所述的光源裝置，其中該開關包括一電晶體。
6. 如申請專利範圍第1項所述的光源裝置，其中該發光元件包括至少一發光二極體。