TWI647974B - 可調光型ｌｅｄ電源供應器及其控制電流的方法 - Google Patents

Abstract

揭示用以可調光式地供應電力的各種裝置、方法及系統。在一些實施例之中，一裝置包含一輸入電力接頭、一連接至該輸入電力接頭之開關、一以串聯形式連接該開關之電感器、一以串聯形式連接該開關及該電感器之負載接頭、以及一可變脈衝產生器，其用以控制該開關以至少部分地根據來自串聯該負載接頭之一節點之一回授信號和至少部分地根據一電壓參考信號調控一通往該負載接頭之電流。

Description

可調光型LED電源供應器及其控制電流的方法

本發明關於電源供應器，特別是有關於用在可調型LED的電源供應器。

電力係以交流電(AC)的形式產生及配送，其中電壓在一正值和一負值之間以正弦波之形式變化。然而，許多電氣裝置需要具有一固定電壓位準的直流(DC)供電，或者即使允許位準在某種程度內變動，但至少維持正值之供電。例如，發光二極體(light emitting diode；LED)以及諸如有機發光二極體(organic light emitting diode；OLED)的類似裝置正日益增加地被考慮做為住宅、商業及市政應用上的光源。然而，一般而言，與白熾光源不同，LED和OLED無法直接由一AC電源供電，除非，舉例而言，該LED是被組構成某種背對背(back to back)結構。電流僅能在一個方向上輕易地通過個別的LED，且若施加一個超過該LED逆向崩潰電壓的負電壓，則該LED可能被損傷或破壞。此外，標準的額定住家電壓位準通常係諸如120V或240V，二者均高於一高效率LED燈具之所需。因此諸如一LED燈具之負載需要或高度期待可用電力的某種轉換。

在諸如LED之負載常用的一種電源供應之中，一輸入之AC電壓僅在正弦波形的特定部分期間被連接至該負載。舉例而言，其可以藉由每一次輸入電壓上升至一預定位準或抵達一預定相位時將輸入之AC電壓連接至負載且在每一次輸入電壓再次回落至零時將輸入之AC電壓自負載分離而使用該波形的每一半周期的一小部分。以此方式，可以將一正值但經過縮減的電壓提供至負載。此種轉換機制通常受到控制，使得即使輸入之AC電壓有所變化，但供應至負載的是一固定之電流。然而，若將此種納入電流控制之供電使用於一LED燈具或燈器之中，傳統型之調光器(dimmer)通常沒有作用。對於許多LED電源，雖然輸入電壓滑落，但該電源將試圖藉由，舉例而言，在輸入AC波形的每一個周期之中增加導通時間以維持通過LED的固定電流。

本發明提出一種用於多種負載的可調光型電源供應器，該等負載包含非呈現一純粹電阻式負載或者呈現一過高電阻式負載的低瓦數光源，諸如LED。其可以利用現有之調光器電路及裝置配合該可調光型電源供應器進行調光。現有之調光器包含諸如一矽控電阻器(silicon controlled resistor；SCR)、一雙向整流器(TRIAC)、以及在對低瓦數光源進行調光有所困難的相關種類裝置等技術，特別是非呈現一純粹電阻式負載者，由於此等光源並未具現出使一SCR或TRIAC正常運作所需之最低負載。

此摘要僅係提供一些特定實施例之基本概述，不應以任何方式或形式將其視為限定。經由以下詳細說明、伴隨之圖式以及後附之申請專利範圍，許多其他目的、特徵、優點和其他實施例將更趨於明顯。

圖式及說明基本上揭示一可調光型LED電源供應器之各種實施例。該電源供應器可配合例如一包含一TRIAC之調光器使用，但不限於此種使用。此系統亦可以被使用以增進一包含一矽控整流器(silicon-controlled rectifier；SCR)之調光器，或者使用，例如，但不限於，一或多個雙向整流器、電晶體、SCR、閘流體(thyristor)…等之任何其他種類之順向或逆向調光器，之效能。該系統亦可以在未使用調光器時運作。

一可調光型LED電源供應器10之一示範性實施例被例示於圖1，其中一諸如一或多個LED之負載12被以一交流(AC)輸入14之形式供電。該AC輸入14被在一諸如二極體電橋(diode bridge)的整流器16之中被整流，且可利用一電容器20進行調控。一電磁干擾(EMI)濾波器22可以連接至AC輸入14以降低干擾，且一保險絲24可被用以保護該可調光型LED電源供應器10和接線以免遭受源於短路或其他故障狀況的過量電流之傷害。在一些實施例之中，除了保險絲防護之外，亦可以使用一短路保護…等等。

通往負載12之電流在一可變脈衝產生器(variable pulse generator)32的控制之下受一諸如電晶體或其他開關的開關30調控或控制。開關30可以包含任何適當形式之電晶體或其他裝置，諸如一雙載子電晶體，包含雙載子接面電晶體(BJT)以及絕緣閘雙載子電晶體(IGBT)，或一場效電晶體(FET)，包含諸如任何種類及材料之接面FET(JFET)、金屬氧化物半導體FET(MOSFET)、金屬絕緣體FET(MISFET)、金屬射極半導體FET(MESFET)之N通道及/或P通道FET，其材料包含但不限於矽、砷化鎵、磷化絪、氮化鎵、碳化矽、矽鍺(silicon germanium)、金剛石(diamond)、單層石墨(graphene)、以及前述和其他材料的其他二階、三階、及更高階化合物。此外尚包含互補式金屬氧化物半導體N及P通道MOSFET(CMOS)、異質接面FET(HFET)及異質接面雙載子電晶體(HBT)、雙載子及CMOS(BiCMOS)、調變摻雜FET(MODFET)…等等，且可以由任何適當之材料製成，包含以矽、砷化鎵、氮化鎵、碳化矽…等製成者，舉例而言，其具有一適當之高額定電壓。

基於通過開關30之電流之一回授迴路使得，做為一實例但不受限於，該可變脈衝產生器32控制開關30以調整通過開關30以及從而通過負載12之電流。可變脈衝產生器32可以使用任何適當之控制機制，諸如工作週期控制、頻率控制、脈衝寬度控制、脈衝寬度調變…等等。任何形式之拓樸結構均可以配合本發明使用，包含但不限於，恆定導通時間、恆定關閉時間、固定頻率、可變頻率、可變持續時間、非連續、連續、臨界導通模式、庫克(uk)轉換器、單端初級電感轉換器(SEPIC)、升-降壓型、降-升壓型、降壓型、升壓型…等等。使用可變脈衝產生器一詞並非意 欲表示任何限定，而僅是試圖描述本發明所執行的部分功能，亦即提供一信號，將功率(亦即，電流及電壓)切換至一個諸如本發明所述之LED的負載。其可以利用多種方式製做、設計、構建、生產、實施該可變脈衝產生器，包含運用數位邏輯、數位電路、狀態機、微電子架構、微控制器、微處理器、現場可程式邏輯閘陣列(FPGA)、複雜邏輯元件(CLD)、類比電路、離散組件、能隙產生器、計時器電路及晶片、斜波產生器、半橋式電路、全橋式電路、位準偏移器、差分放大器、誤差放大器、邏輯電路、比較器、運算放大器、正反器、計數器、AND閘、NOR閘、NAND閘、OR閘、XOR閘…等等，或是前述或其他種類電路之各種組合。

一偏壓供應器40根據輸入34處之電壓提供一適當之電壓位準以對該可變脈衝產生器供電。

一感測電阻器44串聯開關30或被放置於其他任何適當之位置以偵測通過開關30的電流或任何其他用於控制開關30之特定電流。一電感器46串聯開關30，且負載12及一並聯電容器50同時亦串聯開關30和電感器46。一二極體52連接於系統接地端54與一局部接地端56之間。當開關30被導通之時，電流從輸入34流過開關30並流過負載12，而能量被儲存於電感器46之中。當開關30被切斷之時，儲存於電感器46之中的能量被釋出而通過負載12，利用二極體52提供一回返路徑給通過負載12且返回通過感測電阻器44及電感器46之電流。

通過該感測電阻器之電流亦經由例如運算放大器及/或 比較器被用以(舉例而言)回授及控制通過負載之電流，並提供最大輸入電壓及調光期間之一固定電流。在一些實施例之中，可變脈衝產生器之控制具有一固定之參考電壓，其被與來自感測電阻器之信號進行比較並調整脈衝寬度，以在有必要時，在調光期間和當配合一外部調光器使用時，以及當然在無調光動作或外部調光器之時(亦即，輸入電壓係一固定之AC或DC數值，例如120 VAC或240 VAC…等等)，確保通過負載之最大電流不被超過。在其他的實施例以及實施方式之中，舉例而言，該可變脈衝產生器之寬度及/或周期長度(或者，例如，導通及關閉時間)係在調光期間藉由根據外部調光位準改變參考信號而被主動調整及控制。

功率因數(power factor)可以，舉例而言，被可變脈衝產生器32控制成非常高並且極接近一(unity)，而提供一非常高的功率因數及效率，以及例如一穩定之固定輸出電流，或者，若在其他應用及實施例中有必要的話，一穩定之輸出電壓。

如圖2所例示，其可以將一額外之電流感測電阻器80串聯開關30以量測輸入電流。(相對地，位於負載12與局部接地端56之間的感測電阻器44提供一即時及/或平均負載電流量測，包含電感器46所儲存及釋出之能量。)若偵測到過電流狀況，諸如高湧入電流(inrush current)之時段或輸入過電壓之時段期間，來自感測電阻器80之回授可以被提供至可變脈衝產生器32以限制或切斷輸入電流。此外，諸 如過熱、光學回授等其他功能亦可以納入本發明之中。

以下參見圖3，通往可變脈衝產生器32之回授可以是基於來自偏壓供應器40之電壓以及通過感測電阻器44之電流。在此實施例之中，偏壓供應器40同時亦供應電力給回授迴路中任何需要電力之組件，諸如，舉例而言，一運算放大器(op-amp)42；在另一實施例之中，可使用一比較器取代或配合運算放大器42使用。本文件中之所有內容，不應以任何方式或形式，就類比及數位電路、離散或整合電路之選擇加諸限制於本發明。

在此實施例之中，該回授迴路包含，舉例而言，運算放大器42，其一輸入端連接至一根據輸入34提供一電壓參考之電壓分壓電路(諸如電阻器60及62)，而另一輸入端連接至感測電阻器44以根據通過感測電阻器44(並從而通過開關30和負載12)的電流提供一電壓。運算放大器42之輸出被饋回可變脈衝產生器32上之一控制輸入端，使得被參照至偏壓供應器40之電壓的通過開關30之電流得以控制開關30處之脈衝寬度。運算放大器42可以包含一差分放大器、一加總放大器、或任何其他適當之元件、組件、子電路、電路…等等，以根據通過開關30之電流和輸入34處之電壓來控制或者建立可變脈衝產生器32。

以下參見圖4，時間常數70、72、74及76可以被包含於回授迴路中的各個不同位置，或者隨實施不同控制機制或調整可調光型LED電源供應器10之響應所需要的其他位置。時間常數(例如，74和76)可以依據需求連接至局部接地端56，例如，若該時間常數係由一RC電路組成，其中信號通過一串聯電阻器而一分流電容器連接至局部接地端56。

以下參見圖5，其可以將一額外之電流感測電阻器80串聯開關30以量測輸入電流。相對地，位於負載12與局部接地端56之間的感測電阻器44提供有關一即時及/或平均負載電流量測之資訊，包含電感器46所儲存及釋出之能量。於有需要處，其可以隨本發明各種實施例及實施方式之需要加入包含跨感測電阻器44之時間常數。若偵測到過電流狀況，諸如高湧入電流之時段期間，來自感測電阻器80之回授可以被提供至可變脈衝產生器32以限制或切斷輸入電流。在其他的實施例之中，其可以在可調光型LED電源供應器10的其他部分之中處理或處置來自感測電阻器80之回授以根據所量測之輸入電流做出任何所需之改變。

可調光型LED電源供應器10中的各個部分均可以實施於一或多個積體電路(IC)之中。例如，運算放大器42可以實施於一積體電路82之中，或者運算放大器42與可變脈衝產生器32可以一起實施於單一積體電路84之中…等等。其可以將可調光型LED電源供應器10之部分的前述及其他組合加以整合以簡化整體可調光型LED電源供應器10，降低部件數目、尺寸和成本。圖6至圖8顯示一可調光型LED電源供應器10的一些示範性實施例，其中多種組件被納入於一IC之中。舉例而言，如圖6所例示，一積體電路90可以包含運算放大器42、可變脈衝產生器32以及開關30。如圖7所例示，一積體電路92亦可以包含偏壓供應器40。如圖8所例示，一積體電路94亦可以包含前述電阻器中的一或多個(例如，60及62)。其他實施例可以包含一或多個運算放大器及比較器。例示於此的確切組件及組合僅係用以示範可能的實施例及實施方式，不應以任何方式或形式視之為對本發明之限定。

如圖9所例示，感測電阻器44在另一實施例之中可以是連接於局部接地端56之上。通過開關30之電流之感測可以是利用任何適當之裝置或電路，連接於可調光型LED電源供應器10之中的數個適當位置中的任一處，包括位於一IC之內，或藉由利用離散BJT或FET(或二者皆含)。此電流之感測可以在電流過高之時被用以對脈衝進行限制、中止、關閉或降低…等等動作。

在其他的實施例之中，電路之感測亦可被用以對脈衝進行導通、增加…等等動作。此外，本發明之中的任何或所有感測電阻器均可以被置換成，例如，感測變壓器或任何其他形式之電流感測元件或組件…等等。在一些實施例之中，前述之電感器可以被置換成，舉例而言，順向或返馳運作模式或者其他運作模式之變壓器。取決於例如確切的實施方式、規格、應用…等等，此等實施例可以是一種隔離式設計(亦即，輸出與輸入彼此電性隔離)或者是一種非隔離式設計。同樣地，本段落中之內容，不應以任何方式或形式，加諸限制於本發明。

在各種不同的實施例之中，通往運算放大器42的參考電壓可以是以任何適當之特定方式取得，諸如使用一固定電壓參考或使用一正比於輸入34處之電壓的參考電壓。舉例而言，如圖10所例示，運算放大器42之電壓參考可以是由一能隙參考100所提供，若有必要，其亦可以與其他組件一起被納入單一積體電路之中，且可應用於本發明之任一實施例，包含圖1至圖10中之大部分所示之實施例。能隙參考100可以是由輸入34、偏壓供應器40或任何其他電源供應器供電，或者，舉例而言，自一IC內部供電。在其他的實施例及實施方式之中，舉例而言，饋入一電阻器之一固定或可變電流源可被用以做為參考電壓源，且可以是，舉例而言，一固定數值，或者是在調光期間依照調光位準變化。其可以實施其他方法以實現該參考信號，以上僅是略舉數例。同樣地，以上僅是參考信號之範例，不應以任何方式或形式限定本發明。若有必要，可將額外之電力偏壓供應器及功能加入本發明，包含對本發明施加偏壓及供電的其他方式。在另一實施例之中，該參考電壓可以隨調光位準變化，從而將輸出控制為一調光位準之函數。

雖然以上已詳細說明例示性實施例，但其應理解，本文所揭示之概念可以被以各種不同之形式實施及運用。

10．．．可調光型LED電源供應器

12．．．負載

14．．．交流(AC)輸入

16．．．整流器

20‧‧‧電容器

22‧‧‧電磁干擾(EMI)濾波器

24‧‧‧保險絲

30‧‧‧開關

32‧‧‧可變脈衝產生器

34‧‧‧輸入

40‧‧‧偏壓供應器

42‧‧‧運算放大器

44‧‧‧感測電阻器

46‧‧‧電感器

50‧‧‧並聯電容器

52‧‧‧二極體

54‧‧‧系統接地端

56‧‧‧局部接地端

60‧‧‧電阻器

62‧‧‧電阻器

70‧‧‧時間常數

72‧‧‧時間常數

74‧‧‧時間常數

76‧‧‧時間常數

80‧‧‧感測電阻器

82‧‧‧積體電路

84‧‧‧積體電路

90‧‧‧積體電路

92‧‧‧積體電路

94‧‧‧積體電路

100‧‧‧能隙參考

說明書中參照圖式之說明可以實現對各種之實施例的進一步理解。圖式之中，類似的參考編號於各個圖式均用以表示類似之組件。

圖1描繪一可調光型LED電源供應器之一示範性實施例。

圖2描繪一具有輸入電流感測之可調光型LED電源供應器之一示範性實施例。

圖3描繪一具有與可變脈衝產生器無關之回授組件之可調光型LED電源供應器之一示範性實施例。

圖4描繪一具有示範性時間常數之可調光型LED電源供應器，其可以選擇性地或含納性地包含於各種實施例之中。

圖5描繪一可調光型LED電源供應器之一示範性實施例，該電源供應器具有用以監測及控制該LED以及AC(或DC)輸入電流之多個電流感測電阻器。

圖6至圖8描繪各種示範性實施例，其中許多功能已結合入一積體電路之中。

圖9描繪一可調光型LED電源供應器之一示範性實施例，該電源供應器具有可用於特定應用之中的另一電流感測電阻器配置。

圖10描繪具有一能隙電壓參考之一示範性實施例。

Claims (8)

1. 一種可調光型LED電源供應器，該可調光型LED電源供應器包含：一輸入電力接頭；一開關，連接至該輸入電力接頭；一電感器，以串聯形式連接該開關；一負載接頭，以串聯形式連接該開關及該電感器；一可變脈衝產生器，用以控制該開關以至少部分地根據來自串聯該負載接頭之一節點之一回授信號和至少部分地根據一電壓參考信號調控一通往該負載接頭之電流；一偏壓供應器，連接至該輸入電力接頭；一運算放大器，用以放大介於該回授信號與一參考電壓間之一差異以產生該電壓參考信號，其中該參考電壓係導自於該偏壓供應器；以及一感測電阻器，以串聯形式連接於該開關與該電感器之間，其中連接至該回授信號之節點係位於該感測電阻器與該電感器之間。
2. 如申請專利範圍第1項之可調光型LED電源供應器，其中該偏壓供應器係用以調適位於該輸入電力接頭處之一電壓位準並自該輸入電力接頭供應電力至該可變脈衝產生器。
3. 如申請專利範圍第1項之可調光型LED電源供應器，其中該可變脈衝產生器係用以至少部分地根據位於該輸入電力接頭處之該電壓位準控制通往該負載接頭之電流。
4. 如申請專利範圍第1項之可調光型LED電源供應器，其中介於該感測電阻器與該開關間之一上方節點連接至該可變脈衝產生器之一局部接地輸入端。
5. 如申請專利範圍第4項之可調光型LED電源供應器，其中該輸入電力接頭包含一來源節點及一回返節點，且其中該負載接頭包含一第一節點及一第二節點，其中該來源節點連接至該開關，該負載接頭之第一節點連接至該電感器，且該回返節點連接至該負載接頭之第二節點，該可調光型LED電源供應器另包含一二極體，連接於該回返節點與該可變脈衝產生器之局部接地輸入端之間，該二極體用以在該開關切斷之時提供一回返路徑給通過該負載接頭之電流。
6. 如申請專利範圍第1項之可調光型LED電源供應器，另包含至少一時間常數電路，連接至該運算放大器。
7. 一種可調光式地控制電流的方法，該方法包含：利用一可變脈衝產生器至少部分地根據一電壓參考信號來控制介於一電力輸入端與一負載輸出端間之一開關；量測通往該負載輸出端之一電流位準；至少部分地根據該電流位準調整該可變脈衝產生器之一輸出；當該開關導通之時，供給電能予串聯該開關及該負載輸出端之一電感器；當該開關切斷之時，提供一通過該負載輸出端及該電感器之回返路徑；以及放大介於一回授信號與一參考電壓間之一差異以產生該電壓參考信號，其中該回授信號係導自於該負載輸出端且該參考電壓係導自於該電力輸入端。
8. 如申請專利範圍第7項之方法，另包含參照該電流位準至位於該電力輸入端處之一電壓以調整該可變脈衝產生器之輸出。