TWI662859B

TWI662859B - 可隨調光訊號改變響應的回授電路

Info

Publication number: TWI662859B
Application number: TW106138557A
Authority: TW
Inventors: 王士昕
Original assignee: 大陸商明緯（廣州）電子有限公司
Priority date: 2017-11-08
Filing date: 2017-11-08
Publication date: 2019-06-11
Also published as: TW201919439A

Abstract

習知LED照明系統通常包括LED驅動器、回授補償電路與調光電路等電子電路，然而調光電路的加入同時增加回授補償電路在LED驅動器的負載動態改變時保持其回授響應穩定度的複雜度與困難度。是以，本發明提出一種可隨調光訊號改變響應的回授電路。當LED驅動器與調光器同時運作時，本發明之回授電路的頻寬調節單元會根據調光器所輸出的調光訊號而對應地產生一電性阻抗，以透過該電性阻抗調整誤差放大單元所輸出的回授訊號；並且，經過電性阻抗調整過後的回授訊號係透過光耦合器傳送至PWM控制器，以令PWM控制器對應地輸出一控制訊號至該LED驅動器，藉此方式調節LED驅動器的頻寬。

Description

可隨調光訊號改變響應的回授電路

本發明係關於電子電路之技術領域，尤指一種可隨調光訊號改變響應的回授電路。

發光二極體(Light-Emitting Diode,LED)為眾多發光元件的一種，因具有體積小、使用壽命長等優點，故而被廣泛地應用於人類的日常生活之中。在設計LED照明燈具或系統時，必須考慮作為負載的LED元件的連接方式並同時選用適合的LED驅動器，才能夠保證LED照明燈具或系統的穩定工作。

多個LED元件發光的連接方式包括：串聯式(serial type)、並聯式(parallel type)、以及串並聯混合式(serial-parallel hybrid type)。圖1即顯示串並聯混合式之LED元件組的架構圖，其中，串並聯混合式之LED元件組2’係作為一LED驅動器1’的負載；並且，當LED驅動器1’對所述串並聯混合式之LED元件組2’採取穩壓驅動之時，每一串LED元件組2’所分配的電壓相同，因此通過同一串上的每顆LED元件的電流也基本相同。另一方面，圖1架構中的回授補償電路3’係電性連接至該LED驅動器1’的輸出端，用以監控並穩定LED驅動器1’的輸出電壓。

值得注意的是，除了高亮度、節能等要求外，使用者更加關心LED照明燈具是否具備可調光之功能；有鑑於此，LED驅動器的製造商於是將調光電路4’與調光開關41’增設至如圖1所示的LED驅動器1’的電路架構中。然而，對於LED驅動器的製造商而言，調光電路4’的加入也同時增加回授補償電路3’在負載動態改變時回授響應維持上的複雜度與困難度。簡單地說，回授補償電路3’的動態響應有可能跟不上負載的動態變化。

本案發明人透過實驗發現，在調光電路4’輸出占空比為50%的調光訊號至調光開關41’之後，串並聯混合式之LED元件組2’的驅動電流的改變即對應地產生負載變化於LED驅動器1’的輸出端。同時，透過圖2所顯示的習知的LED驅動器1’的動態響應波德圖，吾人可以發現的是，經過回授補償電路3’對LED驅動器1’的輸出電壓進行動態補償控制以後，LED驅動器1’的動態響應的頻寬(Bandwidth,BW)為1.2KHz。值得注意的是，LED驅動器1’的增益(Gain)在頻率為1.47KHz處為-3dB，使得LED驅動器1’發出人耳聽覺範圍內可感受的音頻噪音。

然而，目前並沒有針對噪音的問題提供任何解決方案，因為LED驅動器1’的使用環境可能存在更多噪音；另一方面，肇因於LED 驅動器1’所搭載的散熱風扇產生的噪音大於所述音頻噪音，導致音頻噪音多被使用者忽略。值得注意的是，目前LED驅動器1’的應用範圍越來越廣，因此，LED驅動器1’也可能被應用在一個安靜的環境之中。此外，瓦數不高的LED驅動器也不需要風扇。基於上述理由，LED驅動器1’所產生的音頻噪音會開始被注意。

然而，目前並不存在改善方案能夠解決LED驅動器1’發出音頻噪音之問題；有鑑於此，本案之發明人係極力加以研究發明，而終於研發完成本發明之一種可隨調光訊號改變響應的回授電路。

本發明提出一種可隨調光訊號改變響應的回授電路。特別地，將本發明之回授電路應用至一LED驅動器之中，該LED驅動器能夠在接收調光之時同時維持其回授響應之穩定度，藉此方式解決音頻噪音問題。本發明之回授電路係由一誤差放大單元、一頻寬調節單元與一光耦合器所組成。當LED驅動器與調光器同時運作時，頻寬調節單元會根據調光器所輸出的調光訊號而對應地產生一電性阻抗，以透過該電性阻抗調整該誤差放大單元所輸出的回授訊號；並且，經過該電性阻抗調整過後的該回授訊號係透過該光耦合器傳送至PWM控制器，以令該PWM控制器對應地輸出一控制訊號至該LED驅動器，藉此方式調節LED驅動器之動態響應的頻寬。

承上述，根據調光器的調光訊號與LED驅動器的輸出電壓之變化，本發明之回授電路能夠適應性地調整LED驅動器的響應，特別是透過調整系統頻寬、增益裕度(Gain margin)、與相位裕度(Phase margin)的方式，達到調降LED驅動器所發出的人耳聽覺範圍內可感受的音頻噪音之目標效果。

為了達成上述本發明之主要目的，本案之發明人係提供所述可隨調光訊號改變響應的回授電路的一實施例，其係應用於一LED照明系統之中，其中該LED照明系統至少包括：一LED驅動器、一LED元件組、一調光器、一調光開關、與一PWM控制器；並且，此回授電路之實施例係包括：一誤差放大單元，係透過至少一訊號檢出單元而電性連接至該LED驅動器的輸出端，用以根據該LED驅動器的一輸出訊號而對應地輸出一回授訊號；一頻寬調節單元，係電性連接至該誤差放大單元與該調光器；以及一光耦合器，係電性連接該頻寬調節單元；其中，該頻寬調節單元係根據該調光器所輸出的調光訊號而對應地產生一電性阻抗，以透過該電性阻抗調整該回授訊號；並且，經過該電性阻抗調整過後的該回授訊號係透過該光耦合器傳送至該PWM控制器，使得該PWM控制器對應地輸出一控制訊號至該LED驅動器，以調節該LED驅動器的頻寬。

並且，為了達成上述本發明之主要目的，本案之發明人係提供所述可隨調光訊號改變響應的回授電路的另一實施例，其係應用於一LED照明系統之中，其中該LED照明系統至少包括：一LED驅動器、一LED元件組、一調光器、一調光開關、與一PWM控制器；並且，此回授電路之另一實施例係包括：一誤差放大單元，係透過至少一訊號檢出單元而電性連接至該LED驅動器的輸出端，用以根據該LED驅動器的一輸出訊號而對應地輸出一回授訊號；一光耦合器，係電性連接該誤差放大單元，用以將該回授訊號傳送至該PWM控制器；以及一頻寬調節單元，係電性連接至該PWM控制器與該光耦合器之間；其中，該頻寬調節單元係根據該調光器所輸出的調光訊號而對應地產生一電性阻抗，以透過該電性阻抗調整該回授訊號；並且，經過該電性阻抗調整過後的該回授訊號被傳送至該PWM控制器，使得該PWM控制器對應地輸出一控制訊號至該LED驅動器，以調節該LED驅動器的頻寬。

<本發明>

1‧‧‧回授電路

2‧‧‧LED驅動器

3‧‧‧LED元件組

4‧‧‧調光器

41‧‧‧調光開關

21‧‧‧PWM控制器

11‧‧‧誤差放大單元

12‧‧‧頻寬調節單元

13‧‧‧光耦合器

10‧‧‧訊號檢出單元

V_REF‧‧‧參考訊號

R6‧‧‧第一分壓電阻

R8‧‧‧第二分壓電阻

R2‧‧‧輸出電阻

R1‧‧‧輸入電阻

C1‧‧‧輸入濾波電容

OP1‧‧‧電壓隨耦器

R7‧‧‧基極電阻

Q1‧‧‧雙極性接面型電晶體

ZD‧‧‧齊納二極體

R3‧‧‧射極電阻

BW‧‧‧動態響應的頻寬

121‧‧‧微控制器

122‧‧‧電位模組

SW₁‧‧‧MOS電晶體

SW₂‧‧‧MOS電晶體

SW_N‧‧‧MOS電晶體

Rvr₁‧‧‧電位調整電阻

Rvr₂‧‧‧電位調整電阻

Rvr_N-1‧‧‧電位調整電阻

14‧‧‧緩衝單元

<習知>

2’‧‧‧LED元件組

1’‧‧‧LED驅動器

3’‧‧‧回授補償電路

4’‧‧‧調光電路

41’‧‧‧調光開關

圖1係顯示串並聯混合式之LED元件組的架構圖；圖2係習知的LED驅動器的動態響應波德圖；圖3係顯示本發明之一種可隨調光訊號改變響應的回授電路之第一實施例的電路方塊圖；圖4係顯示本發明之回授電路的第一實施例的電路架構圖；圖5係顯示LED驅動器的動態響應波德圖；圖6係顯示本發明之回授電路的第二實施例的電路架構圖；圖7係顯示本發明之頻寬調節單元架構圖；圖8係顯示本發明之可隨調光訊號改變響應的回授電路之第三實施例的電路方塊圖；圖9係顯示本發明之回授電路的第三實施例的電路架構圖；以及圖10係顯示本發明之回授電路的第四實施例的電路架構圖。

為了能夠更清楚地描述本發明所提出的一種可隨調光訊號改變響應的回授電路，以下將配合圖式，詳盡說明本發明之較佳實施例。

第一實施例

請參閱圖3，係顯示本發明之一種可隨調光訊號改變響應的回授電路之第一實施例的電路方塊圖。如圖3所示，本發明之可隨調光訊號改變響應的回授電路1(下簡稱“回授電路1”)係應用於一LED照明系統之中，其中該LED照明系統至少包括：一LED驅動器2、一LED元件組3、一調光器4、一調光開關41、與一PWM控制器21。請再同時參閱圖4，係顯示本發明之回授電路的第一實施例的電路架構圖。如圖3與圖4所示，此回授電路1主要包括：一誤差放大單元11、一頻寬調節單元12以及一光耦合器13；其中，誤差放大單元11係透過至少一訊號檢出單元10而電性連接至該LED驅動器2的輸出端，用以根據該LED驅動器2的一輸出訊號以及一參考訊號V_REF而對應地輸出一回授訊號。值得說明的是，輸出給LED元件組3能量中包含了輸出訊號，例如：輸出電壓；並且，誤差放大單元11透過訊號檢出單元10取得輸出訊號，再轉換成回授訊號。於本發明中，訊號檢出單元10為由第一分壓電阻R6與第二分壓電阻R8所組成，且該誤差放大單元11為一電壓誤差放大器；並且，所述電壓誤差放大器的輸出端係連接有一輸出電阻R2。

必須特別說明的是，雖然圖3顯示所述LED元件組3為一串並聯混合式之LED模組，但並非以此限制LED元件組3的實施態樣。於實務的應用中，所述LED元件組3也可以是一並串聯混合式之LED模組。另外，此回授電路1更包括連接於該頻寬調節單元12與該調光器4之間的一緩衝單元14；並且，該緩衝單元14包括一輸入電阻R1、一輸入濾波電容C1、與一電壓隨耦器OP1。另一方面，該頻寬調節單元12係電性連接至該誤差放大單元11與該調光器4，並由一基極電阻R7、一雙極性接面型電晶體Q1、一齊納二極體ZD、與一射極電阻R3所組成。如圖4所示，基極電阻R7的一端係連接至該緩衝單元14。並且，雙極性接面型電晶體Q1的基極、射極與集極則是分別電性連接至該基極電阻R7的另一端、該光耦合器13、與該誤差放大單元11。必須特別說明的是，齊納二極體ZD係連接於該雙極性接面型電晶體Q1的基極與該基極電阻R7之間；並且，射極電阻R3係連接於該雙極性接面型電晶體Q1的射極與該光耦合器13之間，且誤差放大單元11的輸出電阻R2係連接於該雙極性接面型電晶體Q1的集極與射極之間。

藉由圖4的電路設計與規劃，當LED驅動器2與調光器4同時運作時，頻寬調節單元12會根據調光器4所輸出的調光訊號而對應地產生一電性阻抗，以透過該電性阻抗調整該誤差放大單元11所輸出的回授訊號；並且，經過該電性阻抗調整過後的該回授訊號係透過該光耦合器13傳送至PWM控制器21，以令該PWM控制器21對應地輸出一控制訊號至該LED驅動器2，藉此方式調節LED驅動器2的頻寬。

比較圖1與圖3之後，熟悉LED驅動器設計與製造的電子工程師可以發現，圖3所示本發明之回授電路1的電路架構係額外具有一頻寬調節單元12與一緩衝單元14。請重複參閱圖2，並同時參閱圖5所顯示的LED驅動器的動態響應波德圖。比較圖2與圖5之後可以發現，經過本發明之回授電路1對LED驅動器2的輸出電壓進行控制以後，LED驅動器2的響應的頻寬(Bandwidth,BW)自原本的1.2KHz被調降至0.82KHz。並且，值得注意的是，LED驅動器2的增益(Gain)在頻率為1.47KHz處為-8dB。明顯地，當LED驅動器2與調光器4同時運作時，本發明之回授電路1能夠根據調光訊號與輸出電壓而適應性地調整LED驅動器2的響應，特別是調降LED驅動器2所發出的人耳聽覺範圍內可感受的音頻噪音。

第二實施例

請繼續參閱圖6，係顯示本發明之回授電路的第二實施例的電路架構圖。比較圖4與圖6可以得知，於第二實施例之中，所述頻寬調節單元12係包含一微控制器121與一電位模組122，該微控制器121與該電位模組122構成數位電位器(Potentiometer,POT)。如圖6所示，該微控制器121係連接至該緩衝單元14；並且，該電位模組122係電性連接該微控制器121，並與輸出電阻R2並聯。請再同時參閱圖7，係顯示電位模組122的內部架構圖。如圖7所示，電位模組122係包括複數個金屬氧化物半導體(Metal-Oxide-Semiconductor,MOS)電晶體(以下簡稱「MOS電晶體」)(SW₁,SW₂,...,SW_N)與複數個電位調整電阻(Rvr₁,Rvr₂,...,Rvr_N-1)；其中，MOS電晶體的閘極係電性連接至該微控制器121，係受到微控制器121之控制而做為數位開關使用，且每個MOS電晶體相互並聯。另一方面，每個電位調整電阻係電性連接於兩個MOS電晶體之間。此外，從第7圖可以看到，電位模組122有兩個輸出端，一端連接誤差放大器11的輸出端，另一端連接光耦合器13。

第三實施例

請繼續參閱圖8，係顯示本發明之可隨調光訊號改變動態響應穩定度的回授電路之第三實施例的電路方塊圖。比較圖3與圖8可以得知，第三實施例與第一實施例的差異在於頻寬調節單元12之配置位置的不同。請再同時參閱圖9所顯示的本發明之回授電路的第三實施例的電路架構圖。於第三實施例之中，光耦合器13係直接電性連接該誤差放大單元11，且頻寬調節單元12係電性連接於光耦合器13與PWM控制器21之間。如圖9所示，於該頻寬調節單元12的電路架構中，雙極性接面型電晶體Q1的基極、射極與集極分別電性連接至基極電阻R7、PWM控制器21、與光耦合器13。另一方面，齊納二極體ZD係連接於該雙極性接面型電晶體Q1的基極與該基極電阻R7之間，且射極電阻R3係連接於該雙極性接面型電晶體Q1的射極與該PWM控制器21之間。在光耦合器13以及該頻寬調節單元12之間，還具有一電容(未圖示)。另外，考慮到一次側以及二次側的接地不同，一個隔離單元15可設置在該緩衝單元14以及該調光器4之間。

第四實施例

請再參閱圖10，係顯示本發明之回授電路的第四實施例的電路架構圖。比較圖9與圖10可以得知，於第二實施例之中，所述頻寬調節單元12係由一微控制器121與一電位模組122所組成。如圖10所示，微控制器121係連接至緩衝單元14；並且，該電位模組122係電性連接該微控制器121，並同時連接於該光耦合器13與該PWM控制器21之間。圖中可以注意到，輸出電阻R2的位置在二次側，而該頻寬調節單元12則連接有一電阻R4，這兩個電阻對於電路設計者，都可以用來調整回授響應。與第三實施例相同的，第四實施例同樣具有隔離單元15，用來隔離一次側以及二次側。

如此，上述係已完整且清楚地說明本發明所揭示的一種可隨調光訊號改變響應的回授電路；並且，經由上述，吾人可以得知本發明係具有下列之優點：

(1)習知的LED照明系統(如圖1所示)通常包括LED驅動器1’、回授補償電路3’與調光電路4’；然而，調光電路4’的加入也同時增加回授補償電路3’在LED驅動器1’的負載動態改變時保持其回授響應穩定度的複雜度與困難度。有鑑於此，本發明提出一種可隨調光訊號改變響應的回授電路1，其係由一誤差放大單元11、一頻寬調節單元12與一光耦合器13所組成。當LED驅動器2與調光器4同時運作時，頻寬調節單元12會根據調光器4所輸出的調光訊號而對應地產生一電性阻抗，以透過該電性阻抗調整該誤差放大單元11所輸出的回授訊號；並且，經過該電性阻抗調整過後的該回授訊號係透過該光耦合器13傳送至PWM控制器21，以令該PWM控制器21對應地輸出一控制訊號至該LED驅動器2，藉此方式調節LED驅動器2之頻寬。

(2)承上述，根據調光器4的調光訊號與LED驅動器2的輸出電壓之變化，本發明之回授電路1能夠適應性地調整LED驅動器2的響應的穩定度，特別是透過調整系統頻寬、增益裕度(Gain margin)、與相位裕度(Phase margin)的方式，達到調降LED驅動器2所發出的人耳聽覺範圍內可感受的音頻噪音之目標效果。

必須加以強調的是，上述之詳細說明係針對本發明可行實施例之具體說明，惟該實施例並非用以限制本發明之專利範圍，凡未脫離本發明技藝精神所為之等效實施或變更，均應包含於本案之專利範圍中。

Claims

一種可隨調光訊號改變響應的回授電路，係應用於一LED照明系統之中，其中該LED照明系統至少包括：一LED驅動器、一LED元件組、一調光器、一調光開關、與一PWM控制器；並且，所述可隨調光訊號改變響應的回授電路係包括：一誤差放大單元，係透過至少一訊號檢出單元而電性連接至該LED驅動器的輸出端，用以根據該LED驅動器的一輸出訊號而對應地輸出一回授訊號；其中，該誤差放大單元為一電壓誤差放大器，且其輸出端係連接有一輸出電阻；以及一頻寬調節單元，係電性連接該誤差放大單元與該調光器，並包括：一微控制器，係連接至一緩衝單元；及一電位模組，係電性連接該微控制器，並與所述輸出電阻並聯；其中，該緩衝單元係連接於該頻寬調節單元與該調光器之間，並包括一輸入電阻、一輸入濾波電容、與一電壓隨耦器；其中，該頻寬調節單元係根據該調光器所輸出的一調光訊號而對應地產生一電性阻抗，以該電性阻抗調整該回授訊號；並且，經過該電性阻抗調整過後的該回授訊號係傳送至該PWM控制器，該PWM控制器對應地調節該LED驅動器的頻寬。
如申請專利範圍第1項所述之可隨調光訊號改變響應的回授電路，更包括：一光耦合器，係電性連接於該頻寬調節單元以及該PWM控制器之間。
如申請專利範圍第1項所述之可隨調光訊號改變響應的回授電路，其中該訊號檢出單元由一第一分壓電阻與一第二分壓電阻所組成。
如申請專利範圍第2項所述之可隨調光訊號改變響應的回授電路，其中，該頻寬調節單元係包括：一基極電阻，其一端係連接至該緩衝單元；一雙極性接面型電晶體，其基極、射極與集極分別電性連接至該基極電阻的另一端、該光耦合器、與該誤差放大單元；一齊納二極體，係連接於該雙極性接面型電晶體的基極與該基極電阻之間；以及一射極電阻，係連接於該雙極性接面型電晶體的射極與該光耦合器之間；其中，所述輸出電阻係連接於該雙極性接面型電晶體的集極與射極之間。
如申請專利範圍第1項所述之可隨調光訊號改變響應的回授電路，其中，該電位模組係包括：複數個金屬氧化物半導體(Metal-Oxide-Semiconductor,MOS)電晶體，其中，每個MOS電晶體閘極係電性連接至該微控制器，且每個MOS電晶體相互並聯；以及複數個電位調整電阻，其中，每個電位調整電阻係電性連接於兩個MOS電晶體之間。
如申請專利範圍第1項所述之可隨調光訊號改變響應的回授電路，更包括：一光耦合器，係電性連接於該頻寬調節單元以及該誤差放大單元之間。
如申請專利範圍第6項所述之可隨調光訊號改變響應的回授電路，其中，該光耦合器以及該頻寬調節單元之間更包含一電容。
如申請專利範圍第6項所述之可隨調光訊號改變響應的回授電路，其中，該緩衝單元以及該調光器之間更包含一隔離單元。