TWI652967B - 無頻閃發光二極體驅動裝置及線性穩壓方法 - Google Patents

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Abstract

本創作提供一種無頻閃發光二極體驅動裝置及線性穩壓方法。無頻閃發光二極體驅動裝置包含一電源轉換電路、一回授電路及一線性穩壓電路。電源轉換電路接受一交流電力並產生帶有一漣波之一輸出電壓予發光二極體燈串；回授電路電連接於電源轉換電路並依據發光二極體燈串的狀態提供一回授信號作為電源轉換電路中之一控制器切換一開關的根據；線性穩壓電路電連接於電源轉換電路、回授電路及發光二極體燈串並以輸出電壓與發光二極體燈串上的一跨壓的一電壓差調整輸出電壓。

Description

無頻閃發光二極體驅動裝置及線性穩壓方法
本創作是關於發光二極體驅動器，且特別是有關於防止發光二極體(LED)閃爍的發光二極體驅動裝置。
儘管發光二極體在成本與可靠度上不斷地改進，使其能夠更加適用於室內和室外照明領域，但提供適合於發光二極體燈串的驅動電流的驅動器仍是存在著挑戰。眾所皆知地，提供給發光二極體燈串的驅動電流的變動將影響其性能。
特別是，從電源供應器接收驅動電流的發光二極體(其中前述的電源供應器從一主要或類似的電源供應者獲得一單相交流輸入)，會對殘留的電壓漣波的存在敏感，其中前述的電壓漣波係起源於設置或靠近電源供應器的輸入的整流電路的交流元件所發出的波形的不完全抑制，以及具有前述的主要或類似電源供應者的交流電壓的兩倍頻率的正弦曲線電壓的形式的交流元件。
發光二極體是二極體，且在其工作區域係具有低的差分阻抗(差分阻抗的定義是電壓(VLED)與電流(ILED)的改變的比例)。低的差分阻抗會導致在發光二極體內以電壓漣波形式存在的漣波電流的顯著產生，如圖1所示。
由於發光二極體燈串兩端上的壓差必須大於其接面電壓值才能夠發光，若驅動器輸出的脈動直流電源的瞬間電壓小於其接面電壓值時發光二極體燈串便會熄滅，進而導致發光二極體燈有頻閃(Flicker)的現象，以頻率為120赫茲(Hz)的脈動直流電源為例，其頻閃的頻率亦同為120Hz。
雖然人眼對於頻率為120Hz的光源不易感受閃爍現象，但對於以週期性掃描進行感應的影像擷取裝置來說，頻率為120Hz的光源下拍攝而得的影像會因掃描頻率及光源頻率差造成頻閃現象，使得影像上形成有複數個平行條紋，導致該照片失真。
依據本創作提供一種無頻閃發光二極體驅動裝置，應用於驅動一發光二極體燈串並包含一電源轉換電路、一回授電路及一線性穩壓電路。電源轉換電路包含一交流對直流轉換器、一變壓器、一切換開關、一控制器及一輸出級整流器。交流對直流轉換器對一交流電力進行轉換而產生一輸入電壓，變壓器具有相互隔離且彼此電磁耦合之一初級線圈及一次級線圈，初級線圈電連接於交流對直流轉換器；切換開關電連接於該初級線圈，控制器電連接於切換開關並用以調變切換開關的工作週期；輸出級整流器電連接於次級線圈並提供帶有一漣波之一輸出電壓予發光二極體燈串。回授電路電連接於輸出級整流器並依據發光二極體燈串的狀態產生一回授信號以作為控制器調變切換開關的根據；線性穩壓電路電連接於輸出級整流器、回授電路及發光二極體燈串，並依據該輸 出電壓與該發光二極體燈串之一跨壓的一電壓差調整該輸出電壓。
依據本創作另提供一種線性穩壓方法，包含：提供帶有一漣波之一輸出電壓予一負載；於通過該負載後之一谷底電壓小於一參考電壓時提供一回授信號；以及依據該回授信號線性地調整該輸出電壓的準位。
1‧‧‧電源轉換電路
10‧‧‧交流對直流轉換器
12‧‧‧輸入級電容器
14‧‧‧變壓器
140‧‧‧初級線圈
142‧‧‧次級線圈
16‧‧‧輸出級整流器
18‧‧‧輸出級電容器
20‧‧‧切換開關
22‧‧‧控制器
26‧‧‧緩振單元
28‧‧‧電流感測電阻器
3‧‧‧回授電路
30‧‧‧第一分壓電阻器
32‧‧‧第二分壓電阻器
34‧‧‧限流電阻器
36‧‧‧穩壓器
380‧‧‧發光件
382‧‧‧收光線
5‧‧‧線性穩壓電路
50‧‧‧電流源
52‧‧‧運算放大器
54‧‧‧取樣單元
56‧‧‧電晶體
58‧‧‧第一電阻器
60‧‧‧第二電阻器
62‧‧‧電容器
7‧‧‧發光二極體燈串
70‧‧‧發光二極體
A、B、C、D、E、F‧‧‧節點
AC_In‧‧‧交流電源
VA、VB、VC、VD、VE、VF‧‧‧電壓波形
Vin‧‧‧輸入電壓
Vout‧‧‧輸出電壓
Vref‧‧‧參考電壓
圖1繪示現有發光二極體驅動器產生的驅動電壓及驅動電流的波形圖；圖2繪示依照本創作之無頻閃發光二極體驅動裝置的電路方塊圖；以及圖3至圖8繪示依照本創作之無頻閃發光二極體驅動裝置中節點A~F在不同狀態下的電壓波形圖。
圖2繪示依照本創作之無頻閃發光二極體驅動裝置的電路方塊圖。在圖2中，發光二極體驅動裝置(未另標號)包含一電源轉換電路1、一回授電路3及一線性穩壓電路5，並用以對一發光二極體燈串7供電；發光二極體燈串7包含串聯連接的複數發光二極體70。
電源轉換電路1包含一交流對直流整流器10、一輸入級電容器12、一變壓器14、一輸出級整流器16、一輸出級電容器18、一切換開關20及一控制器22。
交流對直流整流器10電連接於交流電源AC_In，輸入級電容器12電連接於交流對直流整流器10及變壓器14之間；交流對直流整流器10與輸入級電容器12配合用以將交流電源AC_In提供的交流電力轉換成直流輸入電壓Vin。交流電源AC_In可為市電交流電；交流對直流整流器10可例如是全橋整流器中的橋式整流器，並用以將交流電源AC_In提供的交流電力轉換為全波整流電力。輸入級電容器12可提供濾波以平滑化由交流對直流整流器10產生之全波整流電力。
變壓器14包含一初級線圈140及一次級線圈142，其等彼此隔離並可相互電磁耦合。初級線圈140位於電源轉換電路1與交流電源AC_In相連接的一側(即輸入級)並接收輸入電壓Vin，次級線圈142位於電源轉換電路1與發光二極體燈串7相連接的一側(即輸出級)；電源轉換電路1通過初級線圈140及次級線圈142將輸入級的輸入電壓Vin傳輸至輸出級。
輸出級整流器16電連接於次級線圈142，用以整流傳輸至輸出級的電壓而生成(直流)輸出電壓Vout；如圖2所示，輸出級整流器16可以二極體實現之。輸出級電容器18電連接於輸出級整流器16，提供濾波以平滑化輸出電壓Vout。
切換開關20電連接於初級線圈140非連接至交流對直流轉換器10及輸入級電容器12以接收輸入電壓Vin的一端，並接受控制器22提供的一控制信號而調變工作週期。在圖2中所展示的例示性實施方式中，切換開關20被繪示成一n通金屬氧化物半導體場效應電晶體 (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor；縮寫為MOSFET)。
電源轉換電路1還可包含一緩振單元26，其藉由吸收源自於變壓器14的漏感的電壓突波來抑制在切換開關20上的電壓應力。更具體言之，緩振單元26包含一二極體260、一電阻器262及一電容器264；切換開關20的汲極經過二極體260及電阻器262而連接返回至交流對直流整流器10以防止切換開關20具有過量電壓並可於切換開關20未導通時提供一電流循環路徑，電容器264與電阻器262並聯連接。切換開關20的源極通過一電流感測電阻器28電連接至接地端GND1，在電流感測電阻器28上的電壓作為感測電壓以提供給控制器22。
電源轉換電路1更可包含一電磁干擾濾波器29，其電連接於交流電源AC_In及交流對直流整流器10之間，用以濾除交流電源AC_In輸出的交流電力中的電磁雜訊。
回授電路3用以取得關聯於發光二極體燈串7狀態的回授信號，控制器22可依據回授信號調變切換開關20的工作週期。在圖2中，回授電路3包含一第一分壓電阻器30、一第二分壓電阻器32、一限流電阻器34、一穩壓器36及一光耦合器(未另標號)。第一分壓電阻器30的一端電連接於實現輸出級整流器16的二極體的陰極及發光二極體燈串7(的電力輸入端)，第二分壓電阻器32的一端電連接於第一分壓電阻器30的另一端；第二分壓電阻器32的另一端連接至地端GND2。限流電阻器34的一端電連接於實現輸出級整流器16的二 極體的陰極，另一端電連接於節點F。穩壓器36跨接於光耦合器的一發光件380及接地端GND2之間，穩壓器36的控制端連接於第一分壓電阻器30及第二分壓電阻器32之間的節點E，並可反應於節點E上的電壓進行穩壓操作。發光件380可為發光二極體，其陽極電連接於節點F，陰極電連接於穩壓器36。
光耦合器中的發光件380會協同於穩壓器36的運作而依據輸出電壓Vout於收光件382上產生關聯於發光二極體燈串7之負載狀態的回授信號給控制器22，以令控制器22根據回授信號控制切換開關20。在圖2中所展示的例示性實施方式中，收光件382被繪示成一光電晶體。
線性穩壓電路5電連接於電源轉換電路1、回授電路3及發光二極體燈串7，並可根據通過發光二極體燈串7的電壓(即節點B的電壓)(線性地)調整進入發光二極體燈串7的電壓(即節點A的電壓)。
在圖2中，線性穩壓電路5包含一電流源50、一運算放大器52、一取樣單元54、一電晶體56、一第一電阻器58、一第二電阻器60及一電容器62。電流源50跨接於發光二極體燈串7的電力輸出端(其連接於節點B)與接地端GND2之間，運算放大器54的反向輸入端(-；連接於節點C)通過取樣單元54電連接於電流源50與發光二極體燈串7相連接的節點B；運算放大器54的非反向輸入端(+)電連接於一參考電壓Vref，運算放大器54的輸出端(連接於節點D)電連接於電晶體56的控制端(即基極)。電晶體56的電流輸入端(即集極)通過第一電阻器58電連接至節點E，電晶體56的電流輸出端(即射極)電 連接至接地端GND2。第二電阻器60與電容器62串聯連接，電容器62非與第二電阻器60相連的一端電連接至節點E，第二電阻器60非與電容器相連的一端電連接至實現發光件380的發光二極體的陰極。
一般來說，在發光二極體驅動裝置處於正常運作下，控制器22會反應於發光二極體燈串7的電源需求而產生相對應的控制信號以調變電源轉換電路1的運作。在此條件下，當切換開關20反應於控制器22所產生的(脈寬調變)控制信號而導通(turned on)時，輸入電壓Vin會跨接於變壓器14的初級線圈140，以至於變壓器14的初級線圈140的電感電流會線性增加而進行儲能。在此同時，在輸出級，由於受到實現輸出級整流器16的二極體的逆向偏壓阻隔，所以變壓器14的次級線圈142無電流通過。
另一方面，當切換開關20反應於控制器22所產生的(脈寬調變)信號而截止(turned off)時，基於楞次定律(Lenz's law)，變壓器14的初級線圈140所儲存的能量會轉移至變壓器14的次級線圈142。在此同時，由於實現輸出級整流器16的二極體處於順向偏壓導通，所以轉移至變壓器14的次級線圈142的能量會對輸出級電容器18進行充電，並且供應輸出電壓Vout。
歸因於電源轉換電路1提供的輸出電壓Vout為具漣波的電壓，故節點A的電壓亦為具漣波的電壓，如圖3所示。其次，因發光二極體燈串7兩端上的壓差必須大於其接面電壓值才能夠發光，故若節點A的電壓的瞬間電壓小於發光二極體燈串7的接面電壓值時變會讓 發光二極體燈串7便會熄滅，進而產生頻閃的現象。因此，穩定節點A的電壓為可有效避免發光二極體燈串7發生頻閃的方法。
在本創作中，第一分壓電阻器30、第二分壓電阻器32及第一電阻器58對輸出電壓Vout進行分壓而在節點A產生給發光二極體燈串7的電壓；其中當節點A的電壓為VA，節點E的電壓為VE，第一分壓電阻器30的電阻值為Rup，第二分壓電阻器32得電阻值為Rdn1，第一電阻器58的電阻值為Rdn2時，滿足下式條件：
由圖4可知，節點B的電壓(在圖4中標示以VB)的波形類似於節點A的電壓(即圖3中的VA)的波形；兩者的差異在於其等具有不同的電壓準位。詳細言知，當節點A的電壓為VA，節點B的電壓為VB，發光二極體燈串7的導通電壓為VLED時，滿足下列條件：V A -V LED =V B 。
承前所述，當節點A的電壓下降時，節點B的電壓會相應地下降；因此，透過監測節點B的電壓時便能夠獲知節點A的電壓。本創作的線性穩壓電路5便是利用監測節點B的電壓作為調整節點A的電壓的依據。
取樣單元54可對節點B的谷底電壓進行取樣並將取樣結果傳遞至運算放大器52的反向輸入端(-)；圖4所示線段VC便是節點B的谷底電壓。
運算放大器52會將前述的取樣結果所得到的節點B的谷底電壓與參考電壓Vref進行比較，並於節點B的谷底電壓小於參考電壓Vref時 輸出高準位信號來提高節點D的電壓(即圖5所示VD)，進而使得節點E的電壓(即圖5所示VE)降低。當節點E的電壓降低時，節點F的電壓即圖5所示VF升高；當節點F的電壓升高時，會讓發光件380的亮度改變而致使控制器22調變提供給切換開關20的工作週期，以逐步地提高節點A的電壓。
當節電A的電壓逐步提高時，節點B的電壓及節點C的電壓亦逐步提高，如圖6所示；線性穩壓電路5中的運算放大器52接著會於節點B的谷底電壓不小於參考電壓Vref時(如圖7所示)輸出低準位電壓來讓節點D保持於一定值，進而讓節點F的電壓同樣成為一定值，如圖8所示。如此一來，可讓發光件380穩定亮度的發光而讓切換開關20以固定的工作週期在導通和截止之間切換來穩定節點A的電壓，同時保持節點B的谷底電壓不小於參考電壓Vref，如圖8所示，進而達到防止發光二極體燈串7發生頻閃的效果。
雖然本創作已以實施方式揭露如上，然其並非用以限定本創作，任何熟習此技藝者，在不脫離本創作的精神和範圍內，當可作各種的更動與潤飾，因此本創作的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。

Claims (10)

  1. 一種無頻閃發光二極體驅動裝置，應用於驅動一發光二極體燈串，該無頻閃發光二極體驅動裝置包含：一電源轉換電路，包含：一交流對直流轉換器，對一交流電力進行轉換而產生一輸入電壓；一變壓器，具有相互隔離且彼此電磁耦合之一初級線圈及一次級線圈，該初級線圈電連接於該交流對直流轉換器；一切換開關，電連接於該初級線圈；一控制器，電連接於該切換開關並用以調變該切換開關的工作週期；以及一輸出級整流器，電連接於該次級線圈並提供帶有一漣波之一輸出電壓予該發光二極體燈串；一回授電路，電連接於該輸出級整流器，該回授電路依據該發光二極體燈串的狀態產生一回授信號以作為該控制器調變該切換開關的根據；以及一線性穩壓電路，電連接於該輸出級整流器、該回授電路及該發光二極體燈串，該線性穩壓電路依據該輸出電壓與該發光二極體燈串之一跨壓的一電壓差調整該輸出電壓。
  2. 如請求項1所述的無頻閃發光二極體驅動裝置，其中該線性穩壓電路包含：一電晶體；一電容器；一第一電阻器，跨接於該電容器及該電晶體的電流輸出端之間；一第二電阻器，電連接於該電容器及該回授電路；一電流源，電連接於該發光二極體燈串；一取樣單元，電連接於該發光二極體燈串及該電流源，並對通過該發光二極體燈串的電壓進行取樣以產生一取樣信號；以及一運算放大器，對該取樣信號和一參考電壓進行比較，並於該取樣信號小於該參考電壓時提供一信號以降低該電晶體的導通電阻值來改變該回授信號。
  3. 如請求項2所述的無頻閃發光二極體驅動裝置，其中該運算放大器於該取樣信號等於該參考電壓時提供另一信號以維持該電晶體的導通電阻值。
  4. 如請求項2所述的無頻閃發光二極體驅動裝置，其中該回授電路包含：一光耦合器，包含：一發光件；以及一收光件，依據該發光件的亮度作為提供該回授信號的根據；一限流電阻器，跨接於該輸出級整流器及該發光件之間；一穩壓器，電連接於該發光件及一接地端之間；一第一穩壓電阻器，跨接於該輸出級整流器及該穩壓器之一控制端之間；以及一第二穩壓電阻器，與該第一穩壓電阻器串聯連接，其中，當該取樣信號小於該參考電壓時，該發光件的亮度提升以改變該回授信號，藉以提升該切換開關的工作週期。
  5. 如請求項1所述的無頻閃發光二極體驅動裝置，其中該電源轉換電路更包含一緩振單元，電連接於該交流對直流轉換器、該初級線圈及該切換開關，該換振單元藉由吸收源自於該變壓器的漏感的電壓突波來抑制在該切換開關上的電壓應力。
  6. 如請求項5所述的無頻閃發光二極體驅動裝置，其中該緩振單元包含：一二極體，電連接於該交流對直流轉換器；一電阻器，與該二極體串聯連接；以及一電容器，與該電阻器並聯連接。
  7. 如請求項1所述的無頻閃發光二極體驅動裝置，其中該電源轉換電路更包含：一電磁干擾濾波器，電連接於該交流對直流轉換器，以濾除該交流電力中的電磁雜訊；一輸入級電容器，電連接於該交流對直流轉換器及該初級線圈之間；以及一輸出級電容器，電連接於該輸出級整流器及該回授電路之間。
  8. 一種線性穩壓方法，包含：提供帶有一漣波之一輸出電壓予一負載；於通過該負載後之一谷底電壓小於一參考電壓時提供一回授信號；以及依據該回授信號調變一切換開關的工作週期以線性地調整該輸出電壓的準位。
  9. 如請求項8所述的線性穩壓方法，更包含：於通過該負載後之該谷底電壓等於該參考電壓時提供該回授信號以維持該輸出電壓的準位。
  10. 如請求項8所述的線性穩壓方法，更包含：接受一交流電力並將該交流電力轉換為該輸出電壓。
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