TWI669982B - 用於發光二極體照明之驅動器及驅動發光二極體照明之方法 - Google Patents

用於發光二極體照明之驅動器及驅動發光二極體照明之方法 Download PDF

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Abstract

本發明提供用於具有複數個發光二極體(LED)之發光二極體照明的驅動器，驅動器從交流電源接收交流輸入功率，且其包含用以供應整流輸出功率至發光二極體以產生光通量的電壓倍增器。亦提供驅動具有複數個發光二極體之發光二極體照明之方法，此方法包含：接收具有輸入電壓的交流輸入功率；倍增輸入電壓以供應倍增之輸出電壓至發光二極體；以及整流交流輸入功率以供應整流之輸出功率至發光二極體以產生光通量。

Description

用於發光二極體照明之驅動器及驅動發光二極體照明之 方法
本發明涉及用於發光二極體照明之驅動器及驅動發光二極體照明之方法。本發明於此主要涉及高功率照明應用之描述，但不以此形式所限。
近期發光二極體驅動器的研究工作顯示，使用如第1圖所示之主動功率電子開關(active power electronic switches)(「主動發光二極體驅動器」)之雙切換模式發光二極體驅動器，及如第2圖所示之不具有主動功率電子開關(active power electronic switches)(「被動發光二極體驅動器」)之被動發光二極體驅動器已經被提出用於發光二極體系統。第1圖顯示來自意法半導體公司(ST Microelectronics)之應用須知之電源供應器與電源管理L6562A TSM1052 AN2711數據表(Application Notes Power Supply And Power Management L6562A TSM1052 AN2711 Datasheet)的「主動(active)」實體(offine)發光二極體系統。對於其中發光二極體系統連接交流主電源(AC mains)之實體(offine)應用中，主動與被動發光二極體驅動器本質上轉換主要頻率之交流電壓源為電流源以驅動通常以串聯連接為發光二極體串(strings)之發光二極體裝置。
對於緊密之發光二極體驅動器的設計而言，主動發光二極體驅動器是很好的解決方案。主動發光二極體驅動器是以切換模式電源供應器的技術 為基礎。因為切換頻率可高達數百千-赫茲(kilo-Hertz)，則可減少能量儲存構件之構件，例如電感器與電容器之尺寸。然而，由於他們對於複雜的電子電路，例如輔助電源供應器、控制積體電路、以及用於電源切換的閘極驅動電路等之需求，因此主動發光二極體驅動器於遭受例如大範圍的溫度與濕度變化和閃電之嚴酷環境條件之戶外應用上不太可靠。
另一方面，被動發光二極體驅動器具有不需要輔助電源供應器、控制積體電路、以及用於電源切換的閘極驅動電路等的簡易電路結構。然而，因為主要頻率的運作，使得這些被動驅動器通常需要較大尺寸的能量儲存構件。這些構件包含具有有限壽命(limited lifetime)且對溫度高度敏感的電解電容器(electrolytic capacitors)。一般而言，通常用於發光二極體照明的電解電容器(electrolytic capacitors)具有15,000小時或1.7年的壽命。假使發光二極體照明的運作溫度下降10℃，則其壽命加倍，而假使溫度是上升10℃，則其壽命減半。儘管如此，由於其電路的簡單性與對抗嚴酷環境的耐用性，使得被動發光二極體驅動器在戶外應用時較為可靠。
美國專利申請號13/129,793係描述無需電解電容器(electrolytic capacitors)使用被動驅動器的方法之用於嚴酷環境中之耐用的發光二極體驅動器。如第2圖所示，此些被動發光二極體驅動器是以全橋式(full-bridge diode rectifier)二極體整流器為基礎。二極體整流器之輸出電壓是由非電解電容器(non-electrolytic capacitors)C3平坦化(smoothed)，而輸出電感器轉換此電容電壓為用於驅動發光二極體負載的電流源。於一些情況下，如第3圖所示，非電解電容器(non-electrolytic capacitors)C3可由各種形式的堆積電路(valley-fill circuit)取代。
對於高功率的發光二極體照明系統，例如那些使用在街道照明中的系統，發光二極體裝置通常是串連形成發光二極體串。假使需要高功率，則某些時候需要使用並聯連接(parallel-connected)串(strings)以達到所需的功率與發光性能。因為即便由相同製造商生產，各發光二極體裝置不是完全地一致，相同模組類型之發光二極體裝置的電壓-電流(VI)特性亦不完全地一致。因此，並聯連接(parallel-connected)發光二極體串(strings)的電壓-電流(VI)特性也不同。這樣的差異可導致電流不平衡的問題，從而可導致光與熱分佈的不均勻，且更重要地係，由於意外過量電流(over-current)的情形，從而使發光二極體模組的壽命減少。
為了處裡並聯連接(parallel-connected)發光二極體串(strings)之電流不平衡的問題，已經提出各種技術，例如電機電子工程師學會電子電力學報(IEEE Transactions on Power Electronics)中由李S.N、鐘W.Z.、陳W.、許S.Y.R.所著之「用於減少並聯發光二極體串中電流不平衡之新型的自配置的電流鏡技術(Novel Self-configurable Current Mirror Techniques for Reducing Current Imbalance in Parallel Light-Emitting Diode(LED)strings)」，冊(Volume)：27，期號(Issue)：4，頁數：2153-2162的回顧。一般而言，電流鏡技術(Current Mirror Techniques)與切換模組電流控制方法常用於減少並聯電流串中電流的不平衡。用於此技術中的電流平衡電路顯示於第4圖中。然而，無論其形式如何，使用這些技術與方法將增加電路的複雜性與成本。
本發明之一個課題係要克服或改善先前技術的至少一缺點或提供有用的替代方案。
本發明於第一態樣中提供用於具有複數個發光二極體之發光二極體照明的驅動器，驅動器從交流電源接收交流輸入功率，且包含用以供應整流輸出功率至發光二極體以產生光通量的電壓倍增器。
更好地係，複數個發光二極體係以串聯連接。
於各種實施例中，電壓倍增器係：電壓二倍器(voltage doubler)、電壓三倍器(voltage tripler)、以及電壓四倍器(voltage quadrupler)之其中之一或其任意組合。於部分實施例中，電壓倍增器係：德龍電壓二倍器(Delon voltage doubler)及格賴納赫電壓二倍器(Greinacher voltage doubler)之其中之一或其組合。
更好地係，驅動器允許對應於對人眼不明顯之光通量變化之整流輸出功率變化。
更好地係，驅動器包含位於交流電源與電壓倍增器之間的輸入電容器。更好地係，驅動器包含位於電壓倍增器與發光二極體之間的輸出電容器。亦為更好地係，驅動器包含位於交流電源與電壓倍增器之間的輸入電感器。更進一步，驅動器較佳地包含位於電壓倍增器與發光二極體之間的輸出電感器。
於部分實施例中，驅動器包含位於電壓倍增器與發光二極體之間的填谷電路(valley-fill circuit)。
於部分實施例中，驅動器包含位於電壓倍增器與發光二極體之間的平滑電容器(smoothing capacitor)。
更好地係，發光二極體串聯連接為串聯連接串(series-connected strings)的形式。更好地係，串聯連接串(series-connected strings)係以並排排列。
本發明於第二態樣中亦提供驅動具有複數個發光二極體之發光二極體照明的方法，此方法包含：接收具有輸入電壓的交流輸入功率；倍增輸入電壓以供應倍增輸出電壓至發光二極體的；以及整流交流輸入功率以供應整流輸出功率至發光二極體以產生光通量。
更好地係，複數個發光二極體係以串聯連接。
於各種實施例中，輸入電壓係二倍(doubler)、三倍(tripler)、或四倍(quadrupler)。於部分實施例中，輸入電壓係使用：德龍電壓二倍器(Delon voltage doubler)及格賴納赫電壓二倍器(Greinacher voltage doubler)之其中之一或其組合而倍增。
更好地係，此方法包含允許對應於對人眼不明顯之光通量變化之整流輸出功率變化。
1‧‧‧驅動器
2‧‧‧發光二極體
3‧‧‧交流電源
4‧‧‧電壓倍增器
5‧‧‧填谷電路
6‧‧‧平滑電容器
7‧‧‧輸入電感器
8‧‧‧輸入電容器
9‧‧‧輸出電感器
10‧‧‧輸出電容器
C3‧‧‧非電解電容器
CD‧‧‧電容器
現將藉僅為範例之方法，參照附隨圖式描述根據本發明最佳模式的較佳實施例，其中：第1圖係使用主動驅動器(active driver)之先前技術之實體(offline)發光二極體系統的示意圖；第2圖係使用被動驅動器(passive driver)之先前技術之實體(offline)發光二極體系統的示意圖；第3圖係使用被動驅動器(passive driver)之另一先前技術之實體(offline)發光二極體系統的示意圖； 第4圖係具有並聯連接(parallel-connected)發光二極體串(strings)且使用被動驅動器(passive driver)和電流平衡電路之又一先前技術之實體(offline)發光二極體系統的示意圖；第5圖係根據本發明之實施例之用於發光二極體照明之驅動器的示意圖；第6圖係根據本發明之另一實施例之用於發光二極體照明之驅動器的示意圖；第7圖係根據本發明之又一實施例之用於發光二極體照明之驅動器的示意圖；第8圖係根據本發明之另一實施例之用於發光二極體照明之驅動器的示意圖；以及第9圖係根據本發明之又另一實施例之用於發光二極體照明之驅動器的示意圖。
參照附圖，本發明之例示性實施例提供用於具有複數個發光二極體(Light-Emitting Diod,LED)2之發光二極體照明之驅動器1。驅動器1由交流電源3接收交流輸入功率(power)，且包含用以供應整流輸出功率至發光二極體2以產生光通量的電壓倍增器4。
取決於特定應用的需求，電壓倍增器係可為電壓二倍器(voltage doubler)、電壓三倍器(voltage tripler)、以及電壓四倍器(voltage quadrupler)之其中之一或其任意的組合。舉例來說，於部分實施例中，電壓倍增器係：德龍電壓 二倍器(Delon voltage doubler)及格賴納赫電壓二倍器(Greinacher voltage doubler)之其中之一或其之組合。
本發明之驅動器特別適合用為用於例如於街道照明與其他戶外照明的應用之高功率應用的被動驅動器(passive driver)。本發明所提供的驅動器減少所需之並聯連接發光二極體串的數量、或完全避免並聯連接發光二極體串的需求。於後者的情況下，所有的發光二極體以串聯連接，而因此防止附加電路，例如電流鏡電路(current mirror circuits)及其他電流平衡電路的需求，用以防止並聯連接(parallel-connected)串之電流不平衡問題(current imbalance problems)的發生。
據悉，然而，在所有的發光二極體串聯連接的情況下，發光二極體可為複數個串聯連接(series-connected)發光二極體串(strings)或組件的形式。此些發光二極體串(strings)是以串聯依序連接，有效地形成以串聯連接所有之發光二極體的單鏈(single chain)。然而，串聯連接(series-connected)發光二極體串(strings)可以平行或以任何其他配置排列。因此，他們可以重複任何並聯連接(parallel-connected)發光二極體串(strings)的排列。
根據本發明之驅動器目前描述之實施例中，驅動器1亦允許對人眼不明顯之對應於光通量之變化之整流輸出功率的變化。實施例允許光通量的變化高達12%，並表明人眼對於此強度(magnitudes)光通量的變化並不敏感。
對應至此光通量之變化的整流輸出功率之變化可不需大尺寸的能量儲存構件，而特別係可不需要使用有限壽命(limited lifetime)的電解電容器(electrolytic capacitors)。允許這樣之整流輸出功率的變化之本發明之驅動器已被 發現意外適合用作為用於像是戶外應用之嚴酷環境之為簡單、堅固、以及可靠的被動發光二極體驅動器。
更進一步，鑑於具有電壓倍增器之上述的優點，當用作為用在例如戶外照明與街道照明的應用之惡劣環境之高功率應用之被動式LED驅動器時，具有允許對應至不明顯之光通量變化之整流輸出功率變化之電壓倍增器的本發明之驅動器亦提供相當驚人且意想不到的優點。特別係，如上述詳細的討論，這些優點克服且改善如上討論之於此些應用中涉及電流不平衡與有限壽命(limited lifetime)之電解電容器(electrolytic capacitors)之問題。
驅動器1允許對應於對人眼不明顯之光通量變化之整流輸出功率變化，舉例來說，如第8圖所示，包含於電壓倍增器4與發光二極體2之間之填谷電路(valley-fill circuit)5。將被理解的是，在具體實施中，填谷電路(valley-fill circuit)5與電壓倍增器4可共用部分的電路構件。參照第5圖，電壓倍增器4採用德龍電壓二倍器(Delon voltage doubler)的形式。在德龍電壓二倍器(Delon voltage doubler)中兩電容器CD各由填谷電路(valley-fill circuit)5所取代而導致第8圖所示的驅動器1，從而包含填谷電路(valley-fill circuit)5於電壓倍增器4與發光二極體2之間。
在另一實施例中，取代填谷電路(valley-fill circuit)5，將平滑電容器6放置橫跨電壓倍增器4與發光二極體2之間電壓倍增器4的輸出端以允許對應於對人眼不明顯之光通量變化之整流功率變化。此於第9圖中顯示。於此實施例中，驅動器1亦包含於交流電源3與電壓倍增器4之間的輸入電感器7(Ls)。輸入電感器7係足夠地大以提供輸入電流濾波(filtering)，而輸入電流主要係正弦波(sinusoidal)且具有低電流諧波含量(harmonic content)。因此，擁有取代填谷電 路(valley-fill circuit)5的平滑電容器6係足以允許所需之整流輸出功率變化以產生不明顯之光通量變化。
驅動器1之其他實施例包含具有或不具有填谷電路(valley-fill circuit)5或平滑電容器6的輸入電感器7(Ls)。
驅動器1亦可包含於交流電源3與電壓倍增器4之間的輸入電容器8(Cs)。驅動器1亦包含於電壓倍增器4與發光二極體2之間的輸出電感器9(L)。輸入電容器8(Cs)與輸出電感器9(L)可包含或不包含填谷電路(valley-fill circuit)5與/或平滑電容器6。當包含平滑電容器6時，其是位於電壓倍增器4與輸出電感器9之間。
本發明亦提供驅動具有複數個發光二極體(Light-Emitting Diod,LED)之發光二極體照明的方法。此方法的實施例將由上述的描述而顯而易見。舉例來說，參照附圖，此方法的實施例包含：接收具有輸入電壓的交流輸入功率；倍增輸入電壓以供應倍增輸出電壓至發光二極體2；以及整流交流輸入功率以供應輸出功率至發光二極體2以產生光通量。
於部分實施例中，此方法包含允許對應於對人眼不明顯之光通量變化之整流輸出功率變化。
更特別詳細考慮附圖，第7圖係顯示根據本發明之被動發光二極體系統的基本實體(offline)結構。輸入電容器8(Cs)可附加作為功率校正電容器(power correction capacitor)。於此下發光二極體2串中有斷路故障(open circuit fault)之情況下，為小電容器的形式之輸出電容器10(Co)可附加橫跨於輸出端子以提供輸出電感電流連續的電流路徑。特別係，輸出電容器10是位於輸出電感器9與發光二極體之間。如上述所述，電壓倍增器可為電壓二倍器(voltage doubler)，而或假使實體(offline)被動發光二極體系統需要更大的功率或光輸出，則電壓倍增器的概念即可擴展至電壓三倍器(voltage tripler)與電壓四倍器(voltage quadrupler)。
如前所解釋，並聯發光二極體串(strings)之使用是用於增加輸出功率，而因此增加發光二極體照明系統的光輸出。對於被動發光二極體驅動器，二極體整流器的整流輸出電壓是與交流主電源(AC mains)的輸入電壓有關。這樣的直流電壓對於各發光二極體串(strings)中串聯連接(series-connected)發光二極體模組可能的數量上設限。舉例來說，假設輸出直流電壓是150V且各串聯連接(series-connected)發光二極體模組的電壓與電流額定(current rating)分別為10V與0.35A，於是各發光二極體串(string)可由15個串聯連接(series-connected)發光二極體模組所組成，而各串(string)的功率為52.5W。因此，對於100W與150W之標稱功率的發光二極體系統，假設採用被動發光二極體驅動器之相同輸出電壓，則將分別需要兩個與三個發光二極體串(string)。第4圖說明並聯發光二極體串(string)的使用以擴展功率的輸出。
排除電流不平衡的最簡單的方法當然是使用單一串(string)。然而，如第2圖與第3圖所描述之以全波二極體整流器與輸入電感器Ls的使用為基礎之被動發光二極體驅動器於輸出電壓方面具有相同的限制。因此，第2圖至第4圖的被動發光二極體驅動器是不適合單一發光二極體串(string)的應用，除非單一發光二極體串(string)的功率可滿足發光二極體照明系統所需的功率與發光特性。
取代使用並聯連接(parallel-connected)串(string)以藉由被動發光二極體驅動器提供相同的直流電壓輸出，本發明使用電壓倍增器以提供用於串 聯連接(series-connected)發光二極體系串(string)之可擴展的直流輸出電壓(用以形成單一發光二極體串)。
第5圖顯示使用德龍電壓二倍器(Delon voltage doubler)(包含在虛線方框中)形式的交流-直流倍壓器(AC-DC voltage doubler)作為電壓倍增器4的特定實施例。第5圖中電壓二倍器的輸出電壓是第4圖之全橋式(full-bridge diode rectifier)二極體整流器之輸出電壓的兩倍。結果是，兩個發光二極體串(string)的功率可藉由具有以串聯連接的兩個發光二極體串(string)而滿足，有效地形成具有兩個原始串(string)之功率的兩倍之單一發光二極體串(string)。例如格賴納赫電壓二倍器(Greinacher voltage doubler)之其他形式的倍增器，亦可用於加倍輸出電壓。第6圖顯示具有格賴納赫電壓二倍器(Greinacher voltage doubler)的驅動器。
如上述所描述，本發明是針對用於僅供電予單一發光二極體串(string)之發光二極體驅動器之電路拓撲(circuit topologies)與操作的方法。儘管高功率的發光二極體系統一般具有以並聯連接(parallel-connected)串(strings)排列的發光二極體，但單一發光二極體串(string)的使用可以排除發生於並聯連接(parallel-connected)發光二極體串(strings)中之電流不平衡的問題。本發明係描述不需要輔助電源供應器、切換主動半導體、以及控制積體電路之被動發光二極體驅動器為何可被設計以處理於單一發光二極體串(strings)排列中之高電壓和低電流需求。單一串(strings)發光二極體排列的使用，可排除平衡並聯發光二極體串(strings)電流的需求。
本發明亦針對允許對應於對人眼不明顯之由發光二極體產生之光通量變化之整流輸出功率變化。此減緩於驅動器中使用有限壽命(limited lifetime)之電解電容器(electrolvtic capacitors)的需要，導致具有更長壽命之耐用且 可靠的驅動器。這樣的驅動器格外地適合在惡劣環境，例如遇到戶外照明與街道照明的應用。
於此，本發明之特徵的組合提供不需要電流平衡技術與其他輔助電路之具有更長壽命之耐用且可靠的發光二極體驅動器。因此本發明特別地適合用於高功率發光二極體照明的應用，例如戶外與街道照明，但不受此限制。
儘管本發明以藉參照特定實施例而描述，但本技術領域之通常知識者應當理解本發明可以各種其他的形式實現。本技術領域之通常知識者亦當理解所描述之各種例子的特徵可併入其他組合中。

Claims (15)

  1. 一種用於具有複數個發光二極體(LED)之發光二極體照明之驅動器，該驅動器從一交流電源接收一交流輸入功率，且其包含用以供應一整流輸出功率至該複數個發光二極體以產生一光通量之一電壓倍增器以及在該電壓倍增器和該複數個發光二極體之間的一平滑電容器，在整個該驅動器中無需填谷電路且無需主動開關。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之驅動器，其中該複數個發光二極體係以串聯連接。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之驅動器，其中該電壓倍增器係：一電壓二倍器(voltage doubler)、一電壓三倍器(voltage tripler)、以及一電壓四倍器(voltage quadrupler)之其中之一或其任意組合。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之驅動器，其中該電壓倍增器係：一德龍電壓二倍器(Delon voltage doubler)、以及一格賴納赫電壓二倍器(Greinacher voltage doubler)之其中之一或其組合。
  5. 如申請專利範圍中第1項所述之驅動器，其中該驅動器允許對應於人眼不明顯之光通量之變化之整流輸出功率的變化。
  6. 如申請專利範圍中第1項所述之驅動器，其包含位於該交流電源與該電壓倍增器之間之一輸入電容器。
  7. 如申請專利範圍中第1項所述之驅動器，其包含位於該電壓倍增器與該複數個發光二極體之間之一輸出電容器。
  8. 如申請專利範圍中第1項所述之驅動器，其包含位於該交流電源與該電壓倍增器之間之一輸入電感器。
  9. 如申請專利範圍中第1項所述之驅動器，其包含位於該電壓倍增器與該複數個發光二極體之間之一輸出電感器。
  10. 如申請專利範圍中第1項所述之驅動器，其中該複數個發光二極體係以串聯連接為複數個串聯連接串(series-connected strings)之形式。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之驅動器，其中該複數個串聯連接串(series-connected strings)係並排排列。
  12. 一種驅動具有複數個發光二極體之發光二極體照明之方法，該方法使用一驅動器以：接收具有一輸入電壓之一交流輸入功率；倍增該輸入電壓以供應一倍增輸出電壓至該複數個發光二極體；整流該交流輸入功率以供應一整流輸出功率至該複數個發光二極體以產生一光通量；以及以一平滑電容器平滑該交流輸入功率，以允許對應於人眼不明顯之光通量變化之該整流輸出功率變化，且在整個該驅動器中無需填谷電路且無需主動開關。
  13. 如申請專利範圍第12項所述之方法，其中該複數個發光二極體係以串聯連接。
  14. 如申請專利範圍第12項所述之方法，其中該輸入電壓係二倍倍增(doubled)、三倍倍增(tripled)、或四倍倍增(quadrupled)為該倍增輸出電壓。
  15. 如申請專利範圍第12項所述之方法，其中該輸入電壓係使用：一德龍電壓二倍器(Delon voltage doubler)、以及一格賴納赫電壓二倍器(Greinacher voltage doubler)之其中之一或其組合而倍增。
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