TWI586211B - 具同步脈衝寬度調變調光控制之二極體照明裝置 - Google Patents

具同步脈衝寬度調變調光控制之二極體照明裝置 Download PDF

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Description

具同步脈衝寬度調變調光控制之二極體照明裝置
本發明相關於一種發光二極體照明裝置，尤指一種具同步脈衝寬度調變調光控制之二極體照明裝置。
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。調光(dimming)是一種將光源發出的光調節為所需亮度的技術，可針對不同發光二極體照明應用提供不同的亮度級別，亦能節省耗電。傳統發光二極體調光採用類比調光和脈衝寬度調變(pulse width modulation, PWM)調光兩種技術。在類比調光架構下，發光二極體的亮度可通過直接控制其順向電流來調節。在脈衝寬度調變調光架構下，發光二極體的順向電流會改變工作週期以定期地開啟和關閉，進而達到等效亮度控制。使用者可透過不同方式來控制調光量。
在先前技術中，脈衝寬度調變調光會依據一脈衝寬度調變訊號來定期地開啟和關閉發光二極體電流，進而調整發光二極體電流之工作週期以改變發光二極體照明裝置之整體亮度。然而，當脈衝寬度調變訊號之頻率和整流交流電壓訊號之頻率未同步時，在整流交流電壓訊號之不同週期內，發光二極體電流可能會具相異波型，因此會造成頻閃(flicker)或閃爍(shimmer)現象。無論人眼是否能夠辨識，發光二極體頻閃或閃爍會對人體造成不同程度的影響，例如頭痛、眼花、眼睛疲勞、心神不安、或引發癲癇等反應。因此，需要一種具同步脈衝寬度調變調光控制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，其包含一發光電路，由一整流交流電壓來驅動，用來依據一發光二極體電流來提供光源；一可調式電流源，用來依據一脈衝寬度調變訊號來變更該發光二極體電流之一工作週期；一偵測電路，用來偵測該發光二極體電流之一上升邊緣或一下降邊緣，其中該上升邊緣和該下降邊緣相關於該整流交流電壓之一頻率；以及一調光控制電路，用來產生該脈衝寬度調變訊號﹔以及在偵測到之該上升邊緣或該下降邊緣同步該脈衝寬度調變訊號之一頻率和該整流交流電壓之該頻率。
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、一發光電路120、一可調式電流源130、一調節控制電路140、一調光控制電路150，以及一偵測電路160。發光二極體照明裝置102和103各另包含一驅動電路170。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。
在本發明中，發光電路120可包含複數個發光裝置A0 〜AN (N為正整數)，每一發光裝置可各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(N=2)，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，發光電路120之種類或組態並不限定本發明之範疇。
在本發明中，驅動電路170可利用多階段方式來調節流經發光電路120之發光二極體電流ILED 。在第2圖所示之發光二極體照明裝置102中，驅動電路170包含M個電流控制器CC1 〜CCM ，每一電流控制器分別並聯於發光裝置A1 〜AN 中一相對應之發光裝置。在第3圖所示之發光二極體照明裝置103中，驅動電路170包含M個電流控制器CC1 〜CCM ，每一電流控制器之第一端耦接於發光裝置A1 〜AN 中一相對應發光裝置之第一端，第二端耦接於相對應發光裝置之第二端，而第三端耦接於發光裝置A1 〜AN 中另一發光裝置之第一端。在本發明中，M為不大於N之整數，第2圖和第3圖顯示了M=N=2時之實施例。然而，驅動電路170之組態並不限定本發明之範疇。
由於流經發光電路120之發光二極體電流ILED 相關於週期性的整流交流電壓VAC ，發光二極體電流ILED 之上升邊緣和下降邊緣相關於整流交流電壓VAC 的頻率，而發光二極體電流ILED 之值相關於整流交流電壓VAC 之值。在本發明一實施例中，偵測電路160可包含之一電阻R，串聯至可調式電流源130以提供一回授電壓VFB 。回授電壓VFB 之值相關於發光二極體電流ILED 之上升邊緣或下降邊緣，以及相關於整流交流電壓VAC 之值。
在本發明中，可調式電流源130串聯至發光電路120，其依據一調節訊號SREG 和一脈衝寬度調變訊號SPWM 來運作。在一實施例中，可調式電流源130可由N型金氧半導體(N-type metal-oxide-semiconductor, NMOS)電晶體，及/或一個或多個具類似功能之元件來實作。然而，可調式電流源130之組態並不限定本發明之範疇。可調式電流源130可由脈衝寬度調變訊號SPWM 來開啟或關閉，進而變更發光二極體電流ILED 之工作週期。可調式電流源130之值可依據調節訊號SREG 來加以調整。
在本發明中，調節控制電路140包含一比較器44，用來比較回授電壓VFB 和一參考電壓VREF1 之值，進而輸出相對應之調節訊號SREG 。當調節訊號SREG 對應至VFB ＜VREF1 時，可調式電流源130會增加其值﹔當調節訊號SREG 對應至VFB ＞VREF1 時，可調式電流源130會降低其值。因此，當整流交流電壓VAC 之值因故發生波動(非自身週期性變化)時，發光二極體電流ILED 可維持在固定值。
在本發明中，脈衝寬度調變訊號SPWM 之值相關於使用者選擇的調光量。使用者可透過不同的調光器開關(dimmer switch)來調整發光二極體照明裝置101〜103的亮度，例如透過旋轉式開關、翹板式開關、滑動式開關和無線開關等。然而，使用者選擇調光量之方式並不限定本發明之範疇。
在本發明中，調光控制電路150包含一比較器54和一脈衝寬度調變訊號產生器56。脈衝寬度調變訊號產生器56可依據一調光訊號SDIM 和一同步訊號SYN來提供脈衝寬度調變訊號SPWM 。
第4圖至第6圖為本發明實施例中調光控制電路150運作時之示意圖。第4圖說明了脈衝寬度調變訊號SPWM 和調光訊號SDIM 之間的關係。第5、6圖說明了脈衝寬度調變訊號SPWM 和同步訊號SYN之間的關係。第5圖以多階段驅動(N=2)之發光二極體照明裝置102來做說明，而第6圖以多階段驅動(N=2)之發光二極體照明裝置103來做說明。發光二極體電流ILED 之開啟區間由斜線區域來表示。
一般來說，當發光二極體照明裝置101〜103被要求提供最大亮度時，調光訊號SDIM 之值會維持在一初始電位VNOM 。當使用者指示發光二極體照明裝置101〜103降低亮度時，調光訊號SDIM 之值會降低。脈衝寬度調變訊號產生器56可比較調光訊號SDIM 和一震盪訊號SOSC 之值，進而輸出相對應之脈衝寬度調變訊號SPWM 。在第4圖所示之實施例中，當SDIM ＞SOSC 時，脈衝寬度調變訊號SPWM 會被設定在一高電位VH ﹔當SDIM ＜SOSC 時，脈衝寬度調變訊號SPWM 會被設定在一低電位VL 。更詳細地說，當調光訊號SDIM 之值維持在初始電位VNOM 時，脈衝寬度調變訊號SPWM 會在維持100%工作週期，進而完全開啟發光二極體電流ILED 以提供最大亮度﹔當調光訊號SDIM 之值降至V40 時，脈衝寬度調變訊號SPWM 會在維持40%工作週期，進而只會在40%的週期內開啟發光二極體電流ILED 以降低亮度。
在整流交流電壓VAC 的上升週期當VAC 之值超過發光電路120和可調式電流源130之位障電壓(barrier voltage)或切入電壓(cut-in voltage)時，發光二極體電流ILED 開始流通，而橫跨偵測電路160之回授電壓VFB 開始增加。比較器54可比較回授電壓VFB 和一參考電壓VREF2 之值，進而輸出相對應之同步訊號SYN。當收到同步訊號SYN時，脈衝寬度調變訊號產生器56會重新啟動或重設脈衝寬度調變訊號SPWM ，進而使脈衝寬度調變訊號SPWM 之頻率和整流交流電壓VAC 之頻率彼此能同步。
在第5圖所示之實施例中，當相關於整流交流電壓VAC 之頻率的回授電壓VFB 升至超過參考電壓VREF2 之值時，比較器54會輸出同步訊號SYN。在收到同步訊號SYN後，脈衝寬度調變訊號產生器56會重新啟動脈衝寬度調變訊號SPWM 。因此，在每一週期內發光二極體電流ILED 之開啟區間皆能在上升邊緣被同步，進而改善頻閃或閃爍現象。
在第6圖所示之實施例中，當相關於整流交流電壓VAC 之頻率的回授電壓VFB 降至低於參考電壓VREF2 之值時，比較器54會輸出同步訊號SYN。在收到同步訊號SYN後，脈衝寬度調變訊號產生器56會重設脈衝寬度調變訊號SPWM 。因此，在每一週期內發光二極體電流ILED 之開啟區間皆能在下降邊緣被同步，進而改善頻閃或閃爍現象。
透過上述調光控制電路，本發明能同步脈衝寬度調變訊號SPWM 之頻率和整流交流電壓VAC 之頻率，使得在每一週期內發光二極體電流ILED 之開啟區間皆能在上升邊緣或下降邊緣被同步。因此，本發明能提供一種具同步脈衝寬度調變調光控制之二極體照明裝置，以改善頻閃或閃爍現象。   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。
44、54‧‧‧比較器
56‧‧‧脈衝寬度調變訊號產生器
101~103‧‧‧發光二極體照明裝置
110‧‧‧電源供應電路
112‧‧‧橋式整流器
120‧‧‧發光電路
130‧‧‧可調式電流源
140‧‧‧調節控制電路
150‧‧‧調光控制電路
160‧‧‧偵測電路
170‧‧‧驅動電路
CC1~CC2‧‧‧電流控制器
A0~A2‧‧‧發光裝置
R‧‧‧電阻
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6圖為本發明實施例中調光控制電路運作時之示意圖。
44、54‧‧‧比較器
56‧‧‧脈衝寬度調變訊號產生器
101~103‧‧‧發光二極體照明裝置
110‧‧‧電源供應電路
112‧‧‧橋式整流器
120‧‧‧發光電路
130‧‧‧可調式電流源
140‧‧‧調節控制電路
150‧‧‧調光控制電路
160‧‧‧偵測電路
170‧‧‧驅動電路
CC1~CC2‧‧‧電流控制器
A0~A2‧‧‧發光裝置
R‧‧‧電阻

Claims (7)

  1. 一種發光二極體照明裝置，其包含：一發光電路，其包含串接之複數個發光裝置且由一整流交流電壓來驅動，用來依據一發光二極體電流來提供光源；一驅動電路，用來以多階段方式調節流經該發光電路之該發光二極體電流，該驅動電路包含複數個電流控制器，其中該複數個電流控制器中一第一電流控制器包含：一第一端，耦接至該複數個發光裝置中一第一發光裝置之一第一端；一第二端，耦接至該第一發光裝置之一第二端；以及一第三端，耦接至該複數個發光裝置中一第二發光裝置之一第一端和該複數個電流控制器中一第二電流控制器之一第一端；一可調式電流源，用來依據一脈衝寬度調變訊號來變更該發光二極體電流之一工作週期；一偵測電路，用來偵測該發光二極體電流之一上升邊緣或一下降邊緣，其中該上升邊緣和該下降邊緣相關於該整流交流電壓之一頻率；以及一調光控制電路，用來：產生該脈衝寬度調變訊號；以及在偵測到之該上升邊緣或該下降邊緣時同步該脈衝寬度調變訊號之一頻率和該整流交流電壓之該頻率。
  2. 如請求項1所述之發光二極體照明裝置，其中該調光控制電 路另用來依據一調光訊號來變更該脈衝寬度調變訊號之一工作週期。
  3. 如請求項1所述之發光二極體照明裝置，其中：該偵測電路另用來提供相關於該上升邊緣或該下降邊緣之一回授電壓；且該調光控制電路包含：一比較器，用來在該回授電壓升至超過一參考電壓時輸出對應於該上升邊緣之一同步訊號，或在該回授電壓降至低於該參考電壓時輸出對應於該下降邊緣之該同步訊號；以及一脈衝寬度調變訊號產生器，用來在接收到該同步訊號時重新啟動或重設該脈衝寬度調變訊號，進而同步該脈衝寬度調變訊號之該頻率和該整流交流電壓之該頻率。
  4. 如請求項1所述之發光二極體照明裝置，其中：該第二電流控制器之一第二端耦接至該第二發光裝置之一第二端；且該第二電流控制器之一第三端耦接至該可調式電流源。
  5. 如請求項1所述之發光二極體照明裝置，其中該可調式電流源包含一電晶體開關，用來依據該脈衝寬度調變訊號之一工作週期來開啟或關閉該發光二極體電流。
  6. 如請求項1所述之發光二極體照明裝置，其另包含一調節控 制電路，用來產生一調節訊號，其中：該調節訊號相關於該整流交流電壓之一變化；該偵測電路另用來偵測該整流交流電壓之該變化；且該可調式電流源另用來依據該調節訊號來調整該發光二極體電流之值。
  7. 如請求項6所述之發光二極體照明裝置，其中：該偵測電路另用來提供相關於該整流交流電壓之該變化之一回授電壓；且該可調式電流源依據該調節訊號來調整該發光二極體電流之值包含：在該調節訊號對應於該回授電壓超過該參考電壓時，降低該發光二極體電流之值；以及在該調節訊號對應於該回授電壓不過該參考電壓時，增加該發光二極體電流之值。
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