TWI654826B - 發光二極體驅動器及其控制方法 - Google Patents

發光二極體驅動器及其控制方法

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Abstract

一種返馳式轉換器，包括一變壓器，具一一次側線圈，以及一飛輪開關，並聯於該一次側線圈，用以控制該返馳式轉換器之一輸出電流值保持於一預定值之一側。

Description

發光二極體驅動器及其控制方法
本發明涉及一種發光二極體驅動器及其控制方法、返馳式轉換器及控制返馳式轉換器之一輸出電流值的方法，尤指包括一飛輪開關之返馳式轉換器。
第一圖是顯示一傳統應用於三極體流開關調光之發光二極體驅動器之電路圖。該傳統應用於三極體流開關(TRIAC)調光之發光二極體(LED)驅動器1包含一交流電源11、一調光電路12、一橋式整流器13、一濾波電路14、一用於維持電流之洩放電阻Rbleeder、一傳統返馳式轉換器15與一負載16。其中該調光電路12包括一調光電阻Rdim、一調光電容Cdim、一閘流管DIAC與一三極體流開關TRIAC。該濾波電路14包括一濾波電容Cf與一濾波電感Lf。該傳統返馳式轉換器15包括一變壓器151、一主開關S、一輸出二極體DO與一輸出電容CO。該變壓器151包括一一次側線圈1511、一二次側線圈1512與一變壓器等效激磁電感Lm，且該一次側與二次側之匝數比(turns ratio)為：n：1。該負載16為一發光二極體(LED)，當然在一不同之實施例中該負載16亦可為彼此串聯之複數個發光二極體。如第一圖中所示之傳統返馳式轉換器15只可以透過調控主開關S之責任週期來控制該傳統應 用於TRIAC調光之LED驅動器1之輸出電流與調整LED亮度。在第一圖中亦標註了該傳統應用於TRIAC調光之LED驅動器1之輸入電壓V in 和輸入電流i ac、一次側開關電流i p、該主開關S之一閘極的控制訊號v gs與該二次側開關電流i s。
現今有許多研究著眼於開發一LED驅動器可相容於傳統的TRIAC調光系統。但是傳統TRIAC調光器原本是應用到大功率的照明系統(相對於LED)，由於LED所需之功率遠小於傳統照明光源，所以會導致輸入電流i ac(如第一圖所示)小於TRIAC之保持電流Ih(如第二圖(a)所示)，進而使得TRIAC調光器不正常關斷，LED燈泡會因此而閃爍。
第二圖(a)-(b)顯示TRIAC調光電路熄火現象示意圖。第二圖(a)顯示LED驅動器的輸入電壓V in 、輸入電流i ac與TRIAC之保持電流Ih之波形圖，其中PO為該驅動器之輸出功率，且當PO下降時，則i ac成比率下降。第二圖(b)則是顯示對應於V in 波形之TRIAC調光器之工作波形。在第二圖(b)中對應於第二圖(a)中i ac小於Ih的部分，其並無TRIAC工作波形，表示在該部分，TRIAC調光器不正常關斷。亦即，如第二圖(a)-(b)所示，當i ac小於Ih時TRIAC會發生熄火的現象。
如何避免上述因輸入電流i ac小於TRIAC之保持電流Ih，進而使得TRIAC調光器不正常關斷，造成LED燈泡因此而閃爍的現象，是一個值得深思之問題。
職是之故，發明人鑒於習知技術之缺失，乃思及改良發明之意念，終能發明出本案之「發光二極體驅動器及其控制方法、返馳式轉換器及控制返馳式轉換器之一輸出電流值的方法」。
本案之主要目的在於提供一種發光二極體驅動器及其控制方法、返馳式轉換器及控制返馳式轉換器之一輸出電流值的方法，具有能避免「因驅動器之輸入電流小於TRIAC之保持電流，進而使得TRIAC調光器不正常關斷，造成LED燈泡因此而閃爍」的現象之優點。
本案之又一主要目的在於提供一種發光二極體驅動器，包含一返馳式轉換器，包括一變壓器，包括一一次側線圈，以及一變壓器等效激磁電感，以及一飛輪開關，並聯電連接於該一次側線圈，以及一三極體流開關(TRIAC)，接收一輸入電流，且耦合於該返馳式轉換器。
本案之另一主要目的在於提供一種返馳式轉換器，包括一變壓器，包括一一次側線圈，以及一變壓器等效激磁電感，以及一飛輪開關，並聯電連接於該一次側線圈。
本案之下一主要目的在於提供一種返馳式轉換器，包括一變壓器，具一一次側線圈，以及一飛輪開關，並聯於該一次側線圈，用以控制該返馳式轉換器之一輸出電流值保持於一預定值之一側。
本案之再一主要目的在於提供一種用於一發 光二極體驅動器之控制方法，其中該發光二極體驅動器具有一返馳式轉換器，該返馳式轉換器包括一具有一一次側線圈、一變壓器等效激磁電感與一二次側線圈之變壓器、一電連接於該二次側線圈之輸出二極體、一並聯電連接於該一次側線圈之飛輪開關以及電連接於該一次側線圈與一接地間之一主開關，包含：使該主開關導通，且當該主開關之一輸入電流之峰值達到一預定值時，使其截止；當該主開關截止時，使該飛輪開關截止，且使該輸出二極體導通；以及當該主開關截止一預定時間後，使該飛輪開關導通，且使該輸出二極體截止。
本案之次一主要目的在於提供一種控制返馳式轉換器之一輸出電流值的方法，包括：提供一變壓器，其中該變壓器具一一次側線圈；以及提供一飛輪開關，使之並聯於該一次側線圈，用以控制該返馳式轉換器之該輸出電流值保持於一預定值之一側。
為了讓本發明之上述目的、特徵、和優點能更明顯易懂，下文特舉較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：
1‧‧‧傳統應用於TRIAC調光之LED驅動器
11‧‧‧交流電源
12‧‧‧調光電路
13‧‧‧橋式整流器
14‧‧‧濾波電路
15‧‧‧傳統返馳式轉換器
151‧‧‧變壓器
1511‧‧‧一次側線圈
1512‧‧‧二次側線圈
16‧‧‧負載
2‧‧‧本發明第一較佳實施例之發光二極體驅動器
21‧‧‧本發明第一較佳實施例之返馳式轉換器
3‧‧‧本發明第二較佳實施例之發光二極體驅動器
31‧‧‧直流電源
Cdim‧‧‧調光電容
C f‧‧‧濾波電容
C O‧‧‧輸出電容
DIAC‧‧‧閘流管
D f‧‧‧飛輪二極體
D O‧‧‧輸出二極體
L f‧‧‧濾波電感
L m‧‧‧變壓器等效激磁電感
R bleeder‧‧‧洩放電阻
R dim‧‧‧調光電阻
S‧‧‧主開關
S f‧‧‧飛輪開關
TRIAC‧‧‧三極體流開關
第一圖：其係顯示一傳統應用於三極體流開關調光之發光二極體驅動器之電路圖。
第二圖(a)-(b)：其係顯示TRIAC調光電路熄火現象示 意圖。。
第三圖：其係顯示一依據本發明構想之第一較佳實施例的LED驅動器之電路圖。
第四圖(a)-(c)：其係分別顯示如第三圖所示LED驅動
器之等效電路及其運作模式的電路示意圖。
第五圖：其係顯示如第三圖所示LED驅動器之關鍵波形圖。
第六圖：其係顯示一依據本發明構想之第一較佳實施例的磁化電感電流之波形示意圖。
第三圖是顯示一依據本發明構想之第一較佳實施例的LED驅動器之電路圖。在第三圖中，本發明第一較佳實施例之發光二極體驅動器2與第一圖所示之傳統應用於三極體流開關(TRIAC)調光之發光二極體(LED)驅動器1的不同之處在於，第一圖中之該傳統返馳式轉換器15被第三圖中所示之本發明第一較佳實施例之返馳式轉換器21所取代，且第一圖中所示之該濾波電路14，在第三圖中被移至該調光電路12與該橋式整流器13之間。該本發明第一較佳實施例之返馳式轉換器21與該傳統返馳式轉換器15之主要不同處在於該變壓器151的一次側並聯了彼此串聯的一個飛輪開關Sf與一個飛輪二極體Df。在第三圖中亦標註了該本發明第一較佳實施例之發光二極體驅動器2之輸入電壓V ac (取代第一圖中之V in )、該 橋式整流器13之一輸入電流i in與一輸入電壓v in、該本發明第一較佳實施例之返馳式轉換器21之一經整流後之輸入電壓v in,rec、該飛輪開關Sf之一閘極的控制訊號v gsf、該主開關S之該閘極的控制訊號v gs與輸出電壓值V o。本發明的重點是：由主開關S的導通時間可控制輸入電流i ac之一峰值，再透過控制飛輪開關Sf來控制輸出電流i s。
第四圖(a)-(c)分別顯示如第三圖所示LED驅動器之等效電路及其運作模式的電路示意圖。其中依據本發明構想之第二較佳實施例之發光二極體驅動器3包括：直流電源31、本發明第一較佳實施例之返馳式轉換器21與負載16。在第四圖(a)-(c)中該直流電源31提供一經整流後之電壓V in,rec 。該本發明第二較佳實施例之發光二極體驅動器3之操作模式分析如下：
模式一：在時間t0~t1時，其等效電路如第四圖(a)所示，主開關S導通，飛輪開關S f截止，輸出二極體D o截止。此時輸入電壓V in,rec 對變壓器等效激磁電感L m儲能。負載16由輸出電容C O提供能量。當一次側開關電流i p到達控制峰值I pk(見第五圖)時，主開關S截止，本模式結束。
模式二：在時間t1~t2時，其等效電路如第四圖(b)所示，主開關S截止，飛輪開關S f截止，輸出二極體D o導通。此時，變壓器等效激磁電感L m對二次側釋能。 當飛輪開關S f導通時，本模式結束。
模式三：在時間t2~t3時，等效電路如第四圖(c)所示，主開關S截止，飛輪開關S f導通，輸出二極體D o截止。此時變壓器等效激磁電感L m進入飛輪狀態。待主開關S再次導通時，則進入下一個操作週期(t=t 3，亦即t=t0)。
第五圖是顯示如第三圖所示LED驅動器之關鍵波形圖。在第五圖中i Lm是流經變壓器等效激磁電感L m的電流，T dis為變壓器等效激磁電感L m對二次側釋能的時間。主開關S之該閘極的控制訊號v gs用以控制流經該主開關S之一峰值電流值I pk，飛輪開關S f之該閘極的控制訊號v gsf用以控制該二次側開關電流i s不續下降。在i in之該波形圖中，I ac是在一個切換週期下之平均輸入電流。
輸入電流及輸出功率控制：
第六圖為依據本發明構想之第一較佳實施例的磁化電感電流之波形示意圖，用以解說主開關及飛輪開關之控制原理。其中，T on為一主開關之導通時間，T dis為一變壓器等效激磁電感L m對二次側釋能的時間，且T fw為一飛輪開關S f之導通時間。其中T on具有一斜率v in,rec/L m，且T dis具有一斜率nV o/L m，其中，V o為輸出電壓值。以下分別推導輸入電流控制之方法及輸出功率之控制方法。
如第三圖所示之該輸入交流電壓源v ac經整流後之該輸入電壓v in,rec (t)可以用公式(1)表示，其中ω=2 π f line，f line為市電頻率，V m是輸入市電之一電壓峰值。
v in,rec(t)=|V m sin(ωt)| (1)
當主開關S導通時，變壓器等效激磁電感電流i Lm(t)可以用公式(2)表示
其中，I f是流經該飛輪開關之一電流值，L m 是一變壓器等效激磁電感值，T on(t)是主開關S之導通時間。為解得在各個切換週期下電感電流峰值的公式，假設開關切換頻率遠高於交流市電頻率，公式(2)可改寫為公式(3)，其中I pk(kT S)為流經該主開關S之一峰值電流值，v in,rec(kT s)與T on(kT s)分別為當個切換週期下之輸入電壓及導通時間，k是一大於0的整數，且Ts是一切換週期值。
在一個切換週期下之平均輸入電流I ac可以用公式(4)表示
將公式(3)代入公式(4)得到公式(5)
由公式(5)可解得當個切換週期之導通時間
透過公式(6)控制主開關S導通的時間，即可讓I ac>I h，如此控制，TRIAC調光器就可以正常工作不至於熄火。
在輸出功率調節方面，在每一個切換週期下傳送到輸出端的能量可以用公式(7)描述
由公式(7)，每個市電頻率週期下之平均功率可用公式(8)描述
其中f sw 是主開關之一切換頻率，且f line 是市電之一頻率。
由公式(8)及(7)可以得知，可透過控制飛輪開關S f導通時間去調整飛輪電流I f即可調節輸出功率P o。
實施例：
1.一種發光二極體驅動器，包含：一返馳式轉換器，包括：一變壓器，包括：一一次側線圈；以及 一變壓器等效激磁電感；以及一飛輪開關，並聯電連接於該一次側線圈；以及一三極體流開關(TRIAC)，接收一輸入電流，且耦合於該返馳式轉換器。
2.根據實施例1所述之發光二極體驅動器，更包括一提供該輸入電流之交流電源、一調光電路、一濾波電路、一橋式整流器與一具一第一端與一第二端之負載，其中該橋式整流器並聯電連接該一次側線圈，該濾波電路並聯電連接該橋式整流器，該調光電路包括該三極體流開關且電連接於該交流電源與該濾波電路間，且該濾波電路電連接於該交流電源。
3.根據實施例1或2所述之發光二極體驅動器，其中該變壓器更包括一具一第一端與一第二端之二次側線圈，該返馳轉換器更包括一具一陽極與一陰極之輸出二極體與一具一第一端與一第二端之輸出電容，該陽極電連接該二次側線圈之該第一端，該陰極電連接該輸出電容之該第一端與該負載之該第一端，該二次側線圈之該第二端電連接該輸出電容之該第二端與該負載之該第二端，其中該負載為複數個串聯電連接之發光二極體。
4.一種返馳式轉換器，包括：一變壓器，包括：一一次側線圈；以及 一變壓器等效激磁電感；以及一飛輪開關，並聯電連接於該一次側線圈。
5.一種返馳式轉換器，包括：一變壓器，具一一次側線圈；以及一飛輪開關，並聯於該一次側線圈，用以控制該返馳式轉換器之一輸出電流值保持於一預定值之一側。
6.一種用於一發光二極體驅動器之控制方法，其中該發光二極體驅動器具有一返馳式轉換器，該返馳式轉換器包括一具有一一次側線圈、一變壓器等效激磁電感與一二次側線圈之變壓器、一電連接於該二次側線圈之輸出二極體、一並聯電連接於該一次側線圈之飛輪開關以及電連接於該一次側線圈與一接地間之一主開關，包含：使該主開關導通，且當該主開關之一輸入電流之峰值達到一預定值時，使其截止；當該主開關截止時，使該飛輪開關截止，且使該輸出二極體導通；以及當該主開關截止一預定時間後，使該飛輪開關導通，且使該輸出二極體截止。
7.根據實施例6所述之發光二極體驅動器之控制方法，其中該發光二極體驅動器更包括具有一三極體流開關之調光器，該方法更包括：控制該主開關之一導通 時間以使該發光二極體驅動器之一輸入電流大於該三極體流開關之一保持電流，俾使該調光器正常工作，其中該導通時間是：，其中I f 是流經該飛輪開關之一電流值，L m 是一變壓器等效激磁電感值，I ac 是一平均輸入電流，v in,rec(kT s)是當個切換週期下之一經整流後之輸入電壓，Ts是一切換週期值，且k是一大於0的整數。
8.根據實施例6或7所述之發光二極體驅動器之控制方法，其中該發光二極體驅動器更包括一輸出端，且該發光二極體驅動器在每一個切換週期下傳送到該輸出端的一能量為：，其中I pk 是流經該主開關之一峰值電流值，且。
9.根據實施例8所述之發光二極體驅動器之控制方法，其中該發光二極體驅動器在每個市電頻率週期下之一平均功率為：，其中f sw 是主開關之一切換頻率，且f line 是市電之一頻率。
10.一種控制返馳式轉換器之一輸出電流值 的方法，包括：提供一變壓器，其中該變壓器具一一次側線圈；以及提供一飛輪開關，使之並聯於該一次側線圈，用以控制該返馳式轉換器之該輸出電流值保持於一預定值之一側。
綜上所述，本發明提供一種發光二極體驅動器及其控制方法、返馳式轉換器及控制返馳式轉換器之一輸出電流值的方法，具有能避免「因驅動器之輸入電流小於TRIAC之保持電流，進而使得TRIAC調光器不正常關斷，造成LED燈泡因此而閃爍」的現象之優點，故具有新穎性與進步性。
是以，縱使本案已由上述之實施例所詳細敘述而可由熟悉本技藝之人士任施匠思而為諸般修飾，然皆不脫如附申請專利範圍所欲保護者。

Claims (10)

  1. 一種發光二極體驅動器，包含：一返馳式轉換器，包括：一變壓器，包括：一一次側線圈；以及一變壓器等效激磁電感；以及一飛輪開關，並聯電連接於該一次側線圈；一調光電路，包括一三極體流開關(TRIAC)，其中該三極體流開關接收一輸入電流，且耦合於該返馳式轉換器；一交流電源，提供該輸入電流；一橋式整流器，並聯電連接於該一次側線圈；以及一濾波電路，並聯電連接於該橋式整流器，其中該調光電路電連接於該交流電源與該濾波電路間。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體驅動器，更包括一負載。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之發光二極體驅動器，其中該負載為複數個串聯電連接之發光二極體。
  4. 一種發光二極體驅動器，包括：一負載，具一第一端與一第二端；以及一返馳式轉換器，包括：一變壓器，包括： 一一次側線圈；一二次側線圈，具一第一端與一第二端；以及一變壓器等效激磁電感；一輸出二極體，具一陽極與一陰極；一輸出電容，具一第一端與一第二端，其中該陽極電連接於該二次側線圈之該第一端，該陰極電連接於該輸出電容之該第一端與該負載之該第一端，該二次側線圈之該第二端電連接於該輸出電容之該第二端與該負載之該第二端；以及一飛輪開關，並聯電連接於該一次側線圈。
  5. 一種發光二極體驅動器，包括：一負載，具一第一端與一第二端；以及一返馳式轉換器，包括：一變壓器，具一一次側線圈與一具一第一端與一第二端之二次側線圈；一輸出二極體，具一陽極與一陰極；一輸出電容，具一第一端與一第二端，其中該陽極電連接於該二次側線圈之該第一端，該陰極電連接於該輸出電容之該第一端與該負載之該第一端，該二次側線圈之該第二端電連接於該輸出電容之該第二端與該負載之該第二端；以及一飛輪開關，並聯於該一次側線圈，用以控制該返 馳式轉換器之一輸出電流值保持於一預定值之一側。
  6. 一種用於一發光二極體驅動器之控制方法，其中該發光二極體驅動器具有一返馳式轉換器，該返馳式轉換器包括一具有一一次側線圈、一變壓器等效激磁電感與一二次側線圈之變壓器、一電連接於該二次側線圈之輸出二極體、一並聯電連接於該一次側線圈之飛輪開關以及電連接於該一次側線圈與一接地間之一主開關，包含：使該主開關導通，且當該主開關之一輸入電流之峰值達到一預定值時，使其截止；當該主開關截止時，使該飛輪開關截止，且使該輸出二極體導通；以及當該主開關截止一預定時間後，使該飛輪開關導通，且使該輸出二極體截止。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之發光二極體驅動器之控制方法，其中該發光二極體驅動器更包括具有一三極體流開關之調光器，該方法更包括：控制該主開關之一導通時間以使該發光二極體驅動器之一輸入電流大於該三極體流開關之一保持電流，俾使該調光器正常工作，其中該導通時間是：，其中I f 是流經該飛輪開關之一電流值，L m 是一變壓器等效激磁電感值，I ac 是一平 均輸入電流，v in,rec(kT s)是當個切換週期下之一經整流後之輸入電壓，Ts是一切換週期值，且k是一大於0的整數。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之發光二極體驅動器之控制方法，其中該發光二極體驅動器更包括一輸出端，且該發光二極體驅動器在每一個切換週期下傳送到該輸出端的一能量為：，其中I pk 是流經該主開關之一峰值電流值，且。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之發光二極體驅動器之控制方法，其中該發光二極體驅動器在每個市電頻率週期下之一平均功率為：，其中f sw 是主開關之一切換頻率，且f line 是市電之一頻率。
  10. 一種用於一發光二極體驅動器之控制方法，包括：提供包括一具一第一端與一第二端之負載和一返馳式驅動器之該發光二極體驅動器，其中該返馳式驅動器包括一具一一次側線圈與一具一第一端與一第二端之二次側線圈之變壓器、一具一陽極與一陰極之輸出二極體、一具一第一端與一第二端之輸出電容和一飛輪開關； 使該陽極電連接於該二次側線圈之該第一端、該陰極電連接於該輸出電容之該第一端與該負載之該第一端、且該二次側線圈之該第二端電連接於該輸出電容之該第二端與該負載之該第二端；以及使該飛輪開關並聯於該一次側線圈，用以控制該返馳式轉換器之一輸出電流值保持於一預定值之一側。
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