TWI599263B - 光源驅動電路 - Google Patents

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TWI599263B
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李勝泰
郭清泉
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凹凸科技國際股份有限公司
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Description

光源驅動電路
本發明係有關光源驅動領域，特別係有關一種光源驅動電路。
第1圖所示為習知技術中的光源驅動電路100的示意圖。光源驅動電路100用於驅動LED光源120。光源驅動電路100包含整流器104、電容106、控制單元108、開關110和電流感應器114。
這種光源驅動電路100的缺點在於：當輸入交流電壓波動時（例如，從85 VAC增加到115VAC），光源驅動電路的轉換效率將會下降。這種驅動電路針對輸入交流電壓為85VAC設計，然而當輸入交流電壓為115 VAC時，經過整流器104和電容106的整理和濾波後，在開關110上的壓降為(115-85)×1.414 ，大約為42.42V。在開關110上的功率損耗為42.42V × ILED，其中ILED為流經LED光源120的電流。換言之，較高的交流輸入電壓將會導致較高的功率損耗。
本發明的目的為提供一種用直流電壓為第一光源和第二光源供電的光源驅動電路，包括耦接第一光源的第一電流調節器，耦接該第二光源的第二電流調節器以及與該第一電流調節器和該第二電流調節器耦接的控制器。第一電流調節器根據第一電流參考信號和指示流經該第一光源的電流的第一感應信號來控制耦接該第一光源的第一開關。第二電流調節器根據第二電流參考信號和指示流經該第一光源和該第二光源的電流的第二感應信號來控制耦接該第二光源的第二開關。控制器控制並調節流經該第一光源的電流或流經該第一光源和第二光源的電流。其中，當該直流電壓在第一預設範圍內時，該控制器和該第一電流調節器只使該第一光源發光；當該直流電壓在第二預設範圍內時，該控制器和該第二電流調節器使該第一光源和該第二光源都發光。
本發明還提供了一種對第一光源和第二光源進行驅動的光源驅動電路，包括整流器、耦接該整流器的電容、耦接該第一光源的第一開關、第一電流感應器、第一電流調節器、耦接該第二光源的第二開關、第二電流感應器、第二電流調節器和控制器。整流器接收交流電壓並對該交流電壓進行整流以得到整流電壓。電容耦接該整流器，對該整流電壓進行濾波並提供直流電壓。第一電流感應器耦接該第一光源，感應流經該第一光源的電流並且產生一第一感應信號。第一電流調節器耦接該第一光源，根據一第一電流參考信號和該第一感應信號來控制該第一開關以調節流經該第一光源的電流。第二電流感應器耦接該第二光源，感應流經該第一光源和該第二光源的電流並且產生一第二感應信號。第二電流調節器耦接該第二光源，根據一第二電流參考信號和該第二感應信號來控制該第二開關以調節流經該第一光源和第二光源的電流。控制器耦接該第一電流感應器和該第二電流感應器，控制該第一電流調節器和該第二電流調節器以調節流經該第一光源的電流或流經該第一光源和該第二光源的電流。其中，當該直流電壓在一第一預設範圍內時，該控制器只使該第一光源發光；當該直流電壓在一第二預設範圍內時，該控制器使該第一光源和該第二光源都發光。
有利地，本發明提供的光源驅動電路能夠提高轉換效率，並使得光源的總功率實質恒定，因而光源的亮度不受輸入電壓變化的影響。
以下將對本發明的實施例給出詳細的說明。儘管本發明透過這些實施方式進行闡述和說明，但需要注意的是本發明並不僅僅只局限於這些實施方式。相反地，本發明涵蓋後附申請專利範圍所定義的發明精神和發明範圍內的所有替代物、變體和等同物。在以下對本發明的詳細描述中，為了提供一個針對本發明的完全的理解，闡明瞭大量的具體細節。然而，本領域技術人員將理解，沒有這些具體細節，本發明同樣可以實施。在另外的一些實例中，對於大家熟知的方案、流程、元件和電路未作詳細描述，以便於凸顯本發明的主旨。
第2圖所示為根據本發明一個實施例的光源驅動電路200的示意圖。驅動電路200用於驅動光源（例如，LED串220A和220B）。LED串220A和LED串220B均具有多個串聯耦接的LED。舉例說明，LED串220A包含15個LED，而LED串220B包含3個LED。此外，也可將LED串220A和220B一起理解為一個LED串，只是由抽頭分為兩部分。在一個實施例中，開關Q1和Q2為金屬氧化物半導體場效應電晶體（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor，MOSFET）。
光源驅動電路200包含整流器204、電容206、第一電流調節器208A和第二電流調節器208B、分別與LED串220A和LED串220B串聯耦接的開關Q1和Q2、第一電流感應器（比如第一電阻R1）和第二電流感應器（比如第二電阻R2）以及控制器210。整流器204接收來自電源202的交流電壓VAC ，並且對交流電壓VAC 進行整流。電容206對整流電壓進行濾波，以提供大致穩定的直流電壓VDC （其波形如第2圖所示）。電容206可以是電解電容。電流感應器R1用於感應流過LED串220A的電流，並為電流調節器208A提供感應信號。電流感應器R2用於感應流過LED串220A和220B的電流，並為電流調節器208B提供感應信號。電流調節器208A、電流調節器208B和控制器210一起構成控制電路，用於控制開關Q1和Q2，從而控制流過LED串220A的電流，或控制同時流經LED串220A和220B的電流。
在操作中，若整流後的直流電壓VDC 大於LED串220A的順向電壓且小於LED串220A和220B的順向電壓之和，則電流調節器208A控制開關Q1，而電流調節器208B斷開開關Q2。此時，流過LED串220A的電流被調節為第一預設值I1，而流過LED串220B的電流為0。隨著直流電壓VDC 增大至LED串220A和220B的順向電壓之和，控制器210和電流調節器208A斷開開關Q1，電流調節器208B接通開關Q2並把流過LED串220A和220B的電流調節為第二預設值I2。如前該，如果電源202的電壓波動造成直流電壓VDC 變化，由電流調節器208A、電流調節器208B和控制器210一起構成的控制電路選擇性的導通開關Q1或Q2。相比第1圖中的傳統電路，當電源電壓波動時，驅動電路200能降低開關上的壓降，從而降低功率損耗並提高電能轉換效率。
根據驅動電路200的工作原理，開關Q1接通且開關Q2斷開時，LED串220A發光；開關Q1斷開且開關Q2接通時，LED串220A和LED串220B均發光。在這兩種狀態（開關Q1接通且開關Q2斷開、開關Q1斷開且開關Q2接通）交替的過程中，期望光源的總功率保持實質不變，從而光源亮度的變化可以不被察覺。也就是說，在保持功率損耗較低的同時，期望光源亮度不受電源波動的影響。在本發明一個實施例中，上述期望可以透過適當選擇第一電阻R1和第二電阻R2的比率得以實現，將結合第3圖進行說明。在本發明另一個實施例中，上述期望可以透過適當選擇電流調節器208A接收的第一電流參考信號與電流調節器208B接收的第二電流參考信號的比率得以實現，將結合第4圖進行說明。
第3圖所示為根據本發明一個實施例的光源驅動電路300的示意圖。第3圖中與第2圖編號相同的元件具有類似的功能。在第3圖的例子中，光源驅動電路300包含整流器204、電容206、運算放大器301A和301B（分別具第2圖中的電流調節器208A和208B的作用）、分別與LED串220A和LED串220B串聯耦接的開關Q1和Q2、電阻R1和R2，以及運算放大器305（起到第2圖中的控制器210的作用）。
運算放大器301A和運算放大器301B的非反相輸入端均接收預設的電流參考信號REF。運算放大器301A的反相輸入端耦接電阻R1，用於接收指示流過LED串220A的電流的感應信號303A。運算放大器301A的輸出端耦接開關Q1，用於根據電流參考信號REF和感應信號303A來控制開關Q1上的壓降以調節流過LED串220A的電流。運算放大器301B的反相輸入端耦接電阻R2，用於接收指示同時流過LED串220A和LED串220B的電流的感應信號303B。運算放大器301B的輸出端耦接開關Q2，用於根據電流參考信號REF和感應信號303B來控制開關Q2上的壓降，以調節同時流過LED串220A和LED串220B的電流。運算放大器305的反相輸入端和輸出端耦接電阻R1和開關Q1，運算放大器305的非反相輸入端耦接電阻R2和開關Q2。運算放大器301A、運算放大器301B、和運算放大器305一起構成控制電路，用於控制開關Q1和Q2，從而控制流過LED串220A的電流或同時流經LED串220A和LED串220B的電流。
在該實施例中，假定LED串220A的順向電壓V1為120V，LED串220B的順向電壓V2為21V。如果使用順向電壓為3V的LED，則LED串220A包含40顆LED，LED串220B包括7顆LED。該實施例用於說明交流電源的電壓在正常情況下為85VAC 並在85VAC 與115VAC 之間波動時，驅動電路300的工作原理。
當直流電壓VDC 小於LED串220A的順向電壓V1，即VDC ＜120V，沒有電流流經LED串220A或LED串220B。當直流電壓VDC 大於或等於LED串220A的順向電壓V1，並且小於LED串220A和220B的順向電壓之和（V1+V2），即120V≤VDC ＜141V，此時沒有電流流經LED串220B，感應信號303B為0，與地的電壓相等，運算放大器305的輸出也為0。運算放大器301A控制開關Q1，將流過LED串220A的電流調節為第一預設值I1。
在此階段中，因為開關Q1接通且開關Q2斷開，光源的總輸出功率等於LED串220A的輸出功率，可以表示為：                    P2= V1×I1 = 120×REF / R1      （1）
當直流電壓VDC 大於或等於LED串220A和220B的順向電壓之和（V1+V2），即VDC ≥141V，此時運算放大器301B控制開關Q2，將流過LED串220A和LED串220B的電流調節為第二預設值I2。感應信號303B被調節至與電流參考信號REF相等。運算放大器305的輸出也與電流參考信號REF相等，因此運算放大器301A斷開開關Q1。在一個實施例中，電阻R1和R2的阻值不同。比如，R2的阻值大於R1。I1=REF / R1而I2=REF / R2，因此第二預設值I2小於第一預設值I1。如前該，根據不同的直流電壓VDC 的值，開關Q1或Q2被選擇性的導通。
在此階段中，因為開關Q1斷開且開關Q2接通，光源的總輸出功率等於LED串220A和LED串220B的輸出功率之和，可以表示為： P3=（V1+V2）×I2 = 141×REF / R2    （2）
如果期望光源的功率實質恒定而不隨電源的電壓波動，則P2應該等於P3，由此可推導出： R1 / R2 = V1 /（V1+V2）= 120/141    （3）
由此可知，只要根據LED串220A和220B的順向電壓來恰當選取電阻R1和R2的阻值，就可保持光源的功率實質恒定，從而使得光源亮度不隨電源電壓波動。
此外，假設交流電壓VAC 為100VAC ，其對應的直流電壓VDC 約為100×1.4142 = 141.42V，則光源驅動電路300的轉換效率為： Efficiency =（V1+V2）/ VDC = 141 / 141.42 = 99.7%   (4)
而對於第1圖中所示的傳統光源驅動電路100，轉換效率只為120 / 141.42 = 84.8%。進一步的，如果交流電壓波動至115VAC ，對應的直流電壓約為115×1.4142 = 162.63V，則光源驅動電路300的轉換效率為(120+21)/162.63 ~= 86.7%。而光源驅動電路100的轉換效率為120/162.63 =73.8%。由此可見，根據本發明實施例的光源驅動電路可顯著提升轉換效率。
第4圖所示為根據本發明一個實施例的光源驅動電路400的示意圖。第4圖中與第2圖和第3圖編號相同的元件具有類似的功能。不同於第3圖的是，第4圖實施例中的電阻R1和R2的阻值相同，而運算放大器301A非反相輸入端接收的第一電流參考信號REF1和運算放大器301B非反相輸入端接收的的第二電流參考信號REF2不同。
類似的，若期望光源的功率實質恒定而不隨電源的電壓變化而波動，可推導出： REF1 / REF2 =（V1+V2）/V1       （5）
由此可知，只要根據LED串220A和220B的順向電壓來恰當選取第一電流參考信號REF1和第二電流參考信號REF2，就可保持光源的功率實質恒定。
有利地，由運算放大器301A、運算放大器301B和運算放大器305一起構成的控制電路選擇性導通開關Q1和Q2，提高了光源驅動電路的轉換效率。
具體而言，當直流電壓VDC 在第一預設範圍內時，例如V1≤VDC ＜（V1+V2），運算放大器301A和305控制開關Q1，從而將流過LED串220A的電流調節至第一預設值I1。此時I2為0，LED串220A發光，LED串220B關斷。當直流電壓VDC 在第二預設範圍內時，例如VDC ≥（V1+V2），運算放大器301B控制開關Q2，從而將流過LED串220A和220B的電流調節至第二預設值I2。此時I1為0，LED串220A和220B都發光。重要的是，由恰當理選取電阻R1和R2的阻值，或恰當選擇預設的第一電流參考信號REF1和第二電流參考信號REF2，以上兩種狀態（僅LED串220A發光或者LED串220A和LED串220B都發光）的交替不會造成對光源亮度的影響，也即電源的電壓波動不會造成光源亮度的實質變化。
在此使用之措辭和表達都是用於說明而非限制，使用這些措辭和表達並不將在此圖示和描述的特性之任何等同物（或部分等同物）排除在發明範圍之外，在權利要求的範圍內可能存在各種修改。其它的修改、變體和替換物也可能存在。因此，權利要求旨在涵蓋所有此類等同物。
100‧‧‧光源驅動電路
104‧‧‧整流器
106‧‧‧電容
108‧‧‧控制單元
110‧‧‧開關
114‧‧‧電流感應器
120‧‧‧光源
200‧‧‧光源驅動電路
202‧‧‧電源
204‧‧‧整流器
206‧‧‧電容
208A‧‧‧電流調節器
208B‧‧‧電流調節器
210‧‧‧控制器
220A‧‧‧LED串
220B‧‧‧LED串
300‧‧‧光源驅動電路
301A‧‧‧運算放大器
301B‧‧‧運算放大器
303A‧‧‧感應信號
303B‧‧‧感應信號
305‧‧‧運算放大器
400‧‧‧光源驅動電路
第1圖係習知技術中的一種光源驅動電路的示意圖。 第2圖係根據本發明一實施例的光源驅動電路的示意圖。 第3圖係根據本發明另一實施例的光源驅動電路的示意圖。 第4圖係根據本發明又一實施例的光源驅動電路的示意圖。
200‧‧‧光源驅動電路
202‧‧‧電源
204‧‧‧整流器
206‧‧‧電容
208A‧‧‧電流調節器
208B‧‧‧電流調節器
210‧‧‧控制器
220A‧‧‧LED串
220B‧‧‧LED串

Claims (10)

  1. 一種用直流電壓為第一光源和第二光源供電的光源驅動電路，包括：一第一電流調節器，耦接該第一光源，根據一第一電流參考信號和指示流經該第一光源的電流的一第一感應信號來控制耦接該第一光源的一第一開關；一第二電流調節器，耦接該第二光源，根據一第二電流參考信號和指示流經該第一光源和該第二光源的電流的一第二感應信號來控制耦接該第二光源的一第二開關；以及一控制器，耦接該第一電流調節器和該第二電流調節器，控制並調節流經該第一光源的電流或流經該第一光源和第二光源的電流，其中，當該直流電壓在一第一預設範圍內時，該控制器和該第一電流調節器只使該第一光源發光；當該直流電壓在一第二預設範圍內時，該控制器和該第二電流調節器使該第一光源和該第二光源都發光，其中，該光源驅動電路還包括：產生該第一感應信號的一第一電阻和產生該第二感應信號的一第二電阻，該第一電阻具有一第一電阻值，該第二電阻具有一第二電阻值，該第一電流參考信號和該第二電流參考信號具有一相同的電壓值，該第一光源包括具有第一順向電壓值的一第一多個發光二極體，該第二光源包括具有第二順向電壓值的一第二多個發光二極體，該第一電阻值與該第二電阻值的比率等於該第一順向電壓值與該第一順向電壓值及該第二順向電壓值的和的比率。
  2. 一種用直流電壓為第一光源和第二光源供電的光源驅動電路，包括： 一第一電流調節器，耦接該第一光源，根據一第一電流參考信號和指示流經該第一光源的電流的一第一感應信號來控制耦接該第一光源的一第一開關；一第二電流調節器，耦接該第二光源，根據一第二電流參考信號和指示流經該第一光源和該第二光源的電流的一第二感應信號來控制耦接該第二光源的一第二開關；以及一控制器，耦接該第一電流調節器和該第二電流調節器，控制並調節流經該第一光源的電流或流經該第一光源和第二光源的電流，其中，當該直流電壓在一第一預設範圍內時，該控制器和該第一電流調節器只使該第一光源發光；當該直流電壓在一第二預設範圍內時，該控制器和該第二電流調節器使該第一光源和該第二光源都發光，其中，該光源驅動電路還包括：產生該第一感應信號的一第一電阻和產生該第二感應信號的一第二電阻，該第一電阻和該第二電阻具有一相同的電阻值，該第一光源包括具有一第一順向電壓值的一第一多個發光二極體，該第二光源包括具有一第二順向電壓值的一第二多個發光二極體，該第一電流參考信號與該第二電流參考信號的比率等於該第一順向電壓值及該第二順向電壓值的和與該第一順向電壓值的比率。
  3. 根據申請專利範圍第1項或第2項之光源驅動電路，其中，該第一光源包括一第一數量的發光二極體，該第二光源包括一第二數量的發光二極體，其中，該第一數量大於該第二數量。
  4. 根據申請專利範圍第1項或第2項之光源驅動電路，其中， 當該直流電壓在該第一預設範圍內時，該直流電壓大於該第一順向電壓值並且小於該第一順向電壓值及該第二順向電壓值的和，該第一電流調節器將流經該第一光源的電流調節至一第一預設值；以及當該直流電壓在該第二預設範圍內時，該直流電壓大於該第一順向電壓值及該第二順向電壓值的和，該第二電流調節器將流經該第一光源和該第二光源的電流調節至一第二預設值，其中，該第二預設值小於該第一預設值。
  5. 根據申請專利範圍第1項或第2項之光源驅動電路，其中，該第一電流調節器為一第一運算放大器，該第一運算放大器的非反相輸入端接收該第一電流參考信號，該第一運算放大器的反相輸入端接收該第一感應信號，該第一運算放大器的輸出端根據該第一電流參考信號和該第一感應信號來控制該第一開關；該第二電流調節器為一第二運算放大器，該第二運算放大器的非反相輸入端接收該第二電流參考信號，該第二運算放大器的反相輸入端接收該第二感應信號，該第二運算放大器的輸出端根據該第二電流參考信號和該第二感應信號來控制該第二開關；以及該控制器為一第三運算放大器，該第三運算放大器的非反相輸入端耦接該第二開關，該第三運算放大器的反相輸入端和輸出端耦接該第一開關。
  6. 一種對第一光源和第二光源進行驅動的光源驅動電路，其中，該光源驅動電路包括：一整流器，接收一交流電壓並對該交流電壓進行整流以得到一整流電壓；一電容，耦接該整流器，對該整流電壓進行濾波並提供一直流電壓； 一第一開關，耦接該第一光源；一第一電流感應器，耦接該第一光源，感應流經該第一光源的電流並且產生一第一感應信號；一第一電流調節器，耦接該第一光源，根據一第一電流參考信號和該第一感應信號來控制該第一開關以調節流經該第一光源的電流；一第二開關，耦接該第二光源；一第二電流感應器，耦接該第二光源，感應流經該第一光源和該第二光源的電流並且產生一第二感應信號；一第二電流調節器，耦接該第二光源，根據一第二電流參考信號和該第二感應信號來控制該第二開關以調節流經該第一光源和第二光源的電流；以及一控制器，耦接該第一電流感應器和該第二電流感應器，控制該第一電流調節器和該第二電流調節器以調節流經該第一光源的電流或流經該第一光源和該第二光源的電流，其中，當該直流電壓在一第一預設範圍內時，該控制器只使該第一光源發光；當該直流電壓在一第二預設範圍內時，該控制器使該第一光源和該第二光源都發光，其中，該第一光源包括具有二第一順向電壓值的一第一多個發光二極體，該第二光源包括具有一第二順向電壓值的一第二多個發光二極體，該第一電流參考信號和該第二電流參考信號具有一相同的電壓值，該第一電流感應器為具有一第一電阻值的一第一電阻，該第二電流感應器為具有一第二 電阻值的一第二電阻，該第一電阻值與該第二電阻值的比率等於該第一順向電壓值與該第一順向電壓值及該第二順向電壓值的和的比率。
  7. 一種對第一光源和第二光源進行驅動的光源驅動電路，其中，該光源驅動電路包括：一整流器，接收一交流電壓並對該交流電壓進行整流以得到一整流電壓；一電容，耦接該整流器，對該整流電壓進行濾波並提供一直流電壓；一第一開關，耦接該第一光源；一第一電流感應器，耦接該第一光源，感應流經該第一光源的電流並且產生一第一感應信號；一第一電流調節器，耦接該第一光源，根據一第一電流參考信號和該第一感應信號來控制該第一開關以調節流經該第一光源的電流；一第二開關，耦接該第二光源；一第二電流感應器，耦接該第二光源，感應流經該第一光源和該第二光源的電流並且產生一第二感應信號；一第二電流調節器，耦接該第二光源，根據一第二電流參考信號和該第二感應信號來控制該第二開關以調節流經該第一光源和第二光源的電流；以及一控制器，耦接該第一電流感應器和該第二電流感應器，控制該第一電流調節器和該第二電流調節器以調節流經該第一光源的電流或流經該第一光源和該第二光源的電流， 其中，當該直流電壓在一第一預設範圍內時，該控制器只使該第一光源發光；當該直流電壓在一第二預設範圍內時，該控制器使該第一光源和該第二光源都發光，其中，該第一光源包括具有一第一順向電壓值的一第一多個發光二極體，該第二光源包括具有一第二順向電壓值的一第二多個發光二極體，該第一電流感應器為一第一電阻，該第二電流感應器為一第二電阻，該第一電阻和該第二電阻具有一相同的電阻值，該第一電流參考信號與該第二電流參考信號的比率等於該第一順向電壓值及該第二順向電壓值的和與該第一順向電壓值的比率。
  8. 根據申請專利範圍第6項或第7項之光源驅動電路，其中，該第一光源包括一第一數量的發光二極體，該第二光源包括一第二數量的發光二極體，其中，該第一數量大於該第二數量。
  9. 根據申請專利範圍第6項或第7項之光源驅動電路，其中，當該直流電壓在該第一預設範圍內時，該直流電壓大於該第一順向電壓值並且小於該第一順向電壓值及該第二順向電壓值的和，該第一電流調節器將流經該第一光源的電流調節至一第一預設值；以及當該直流電壓在該第二預設範圍內時，該直流電壓大於該第一順向電壓值及該第二順向電壓值的和，該第二電流調節器將流經該第一光源和該第二光源的電流調節至一第二預設值，其中，該第二預設值小於該第一預設值。
  10. 根據申請專利範圍第6項或第7項之光源驅動電路，其中， 該第一電流調節器為一第一運算放大器，該第一運算放大器的非反相輸入端接收該第一電流參考信號，該第一運算放大器的反相輸入端接收該第一感應信號，該第一運算放大器的輸出端根據該第一電流參考信號和該第一感應信號來控制該第一開關；該第二電流調節器為一第二運算放大器，該第二運算放大器的非反相輸入端接收該第二電流參考信號，該第二運算放大器的反相輸入端接收該第二感應信號，該第二運算放大器的輸出端根據該第二電流參考信號和該第二感應信號來控制該第二開關；以及該控制器為一第三運算放大器，該第三運算放大器的非反相輸入端耦接該第二電流感應器，該第三運算放大器的反相輸入端和輸出端都耦接該第一電流感應器。
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