TWM445317U - 高效率交流ｌｅｄ驅動電路 - Google Patents

Description

高效率交流LED驅動電路

本創作為一種交流LED驅動電路，尤指一種高效率交流LED驅動電路。

交流電係為目前市面上常見的電力輸配方式，其原因在於透過交流方式傳輸電力遠比透過直流傳輸電力來得更有效率；而目前電力公司送進各個家庭的交流電源之電壓其標準為110伏特或是220伏特，但事實上使用者所接收到的交流電源之電壓並非如上述般地理想，反倒是會有些許誤差範圍；一般來說，上述誤差範圍大致落在±10%的範圍；舉例來說，若交流電源之電壓的有效值為110伏特的話，則99伏特至122伏特的交流電源之電壓皆為可容許的誤差範圍。

發光二極體(LED)係為目前市面上常見的照明用具，相較於傳統白熾燈泡更具有高發光效率及省電的特性；然而由於發光二極體本身僅能單向導通，因此難予使用在目前被廣泛使用的交流電；為此，業界便研發出一種交流LED驅動電路；請參照圖5所示，該交流LED驅動電路係包含有：一整流單元60，其輸入端係電連接一交流電源AC/IN，並將該交流電源AC/IN轉換為一脈動直流電源，且由輸出端輸出； 一LED單元61，係包含有複數個LED光源，並電連接至該整流單元60之輸出端，使其構成一電源迴路；一壓控電晶體62，係串接於該電源迴路中，並控制流經該電源迴路的迴路電流；且包含有一控制端；一電流檢測單元63，係串接於上述電源迴路中；並偵測該電源迴路之迴路電流值；及一控制單元64，係透過一低頻濾波器電連接該電流檢測單元63，以取得該迴路電流值；並又電連接於該壓控電晶體62的控制端；且又內建有一參考電流值；其中該控制單元64係將上述迴路電流值與該參考電流值進行比較，並依據其比較的結果透過該壓控電晶體62進一步回授控制流經該電源迴路的迴路電流。

由上述說明可知，使用者只要透過設定或調整該控制單元64的參考電流值即可控制流經該LED單元61上的迴路電流；且藉由控制流經該LED單元61的迴路電流即可調整該LED單元61的輸出功率以及其亮度。

但是，由於目前電力公司所給予的交流電源AC/IN之電壓並非相當穩定，而為了能讓使用者得到穩定亮度的光源，使其不因為上述交流電源AC/IN之電壓的不穩定或是具有誤差範圍，進而導致相同產品有著不同亮度；因此，既有的交流LED驅動電路大多採用穩定迴路電流的做法；舉例來說，假設該LED單元61其兩端上的切入電壓為80伏特，且需要12.8瓦特的功率才能達到使用者預期的亮度的話，只要設定該參考電流值為160m安培即可使該迴路電流固定為160m安培，進而達到使該LED單元61輸出功率 穩定的維持在12.8瓦特的要求。

請參照圖6所述，然而，目前既有的交流LED驅動電路穩定迴路電流的做法雖可以穩定的將該LED單元61保持在特定功率，但是其效率卻會隨著交流電源AC/IN之電壓的提高而降低；舉上述例子來說，假使該交流電源AC/IN之電壓為99伏特，且迴路電流為160m安培時，則其輸入功率係為15.84瓦特，並且透過與上述LED單元61的輸出功率(12.8瓦特)的比較可以得出其效率為80.81%；又假使該交流電源AC/IN之電壓提高至122伏特時，則其輸入功率係為19.52瓦特，但其效率卻驟降至65.57%；因此，由上述說明可知，既有的交流LED驅動電路其效率會隨著交流電源AC/IN的電壓提高而隨之降低。

深究其原因，且依據功率等式(輸入功率P_in =輸出功率P_out +消耗功率P_lose )以及效率公式(效率η=輸出功率P_out /輸入功率P_in )的推導分析得知，不難發現導致既有的交流LED驅動電路效率降低的主因乃是由於該LED單元62的輸出功率不隨著輸入功率P_in 提升而隨之提升所致；換句話說即代表該壓控電晶體62的耗損功率係隨輸入功率P_in 的提升而隨之提升；因此，有必要針對此種現象進一步提出較佳的改善方案。

有鑑於上述既有的交流LED驅動電路的效率會隨著交流電源之電壓提升而下降的缺失；故本創作主要目的提供一種高效率交流LED驅動電路。

欲達上述目的所使用的主要技術手段係令該高效率交流LED驅動電路包含有：一整流單元，其輸入端係電連接一交流電源，並將該交流電源轉換為一脈動直流電源，且由輸出端輸出；一LED燈串，係電連接至該整流單元，並包含有複數串聯之LED單元；其中各LED單元均具有一陽極端及一陰極端；複數壓控電晶體，係分別電連接至各LED單元之陰極端，並構成複數階層式分流迴路；又各壓控電晶體係具有一控制端；一電流檢測單元，係電連接於上述複數壓控電晶體，並與該整流單元、該LED燈串以及各壓控電晶體構成一電源迴路；其中該電流檢測單元係用以偵測流經該電源迴路的電流；又流經該電源迴路的電流係為流經各分流迴路電流的總合；及一電源效率控制單元，係與該電流檢測單元電連接；並又電連接於複數LED單元之間的串聯節點；且與各壓控電晶體的控制端電連接；其中該電源效率控制單元係自各串聯節點取得各LED單元上的壓降，依各LED單元壓降調整流經其分流迴路中的電流大小。

當上述交流電源之電壓提高時，該電源效率控制單元係透過各壓控電晶體調整各分流迴路的電流，進一步將因交流電源之電壓提高而隨之提高的各壓控電晶體的耗損功率P_loss 轉交由各LED單元分擔，進而使該耗損功率P_loss 轉換為輸出功率P_out ；如此，以降低各壓控電晶體的耗損功 率P_loss 並提高各LED單元的輸出功率P_out ，使得整體的效率能夠達到提升的效果。

請參照圖1所示，係為本創作高效率交流LED驅動電路，其包含有：一整流單元10，其輸入端係電連接一交流電源AC/IN，並將該交流電源AC/IN轉換為一脈動直流電源，且由輸出端輸出；於本實施例中，該整流單元10可為一全波整流電路或一半波整流電路；一LED燈串20，係電連接至該整流單元，並包含有複數串聯之LED單元21；其中各LED單元21均具有一陽極端及一陰極端；於本實施例中，各LED單元係包含有係包含複數LED光源，各複數LED光源係可相互並聯或串聯或並串聯；複數壓控電晶體30，係分別電連接至各LED單元之陰極端，並構成複數階層式分流迴路；又各壓控電晶體30係具有一控制端；於本實施例中，各壓控電晶體30可為金氧半場效電晶體、接面場效電晶體或或雙極結型晶體管；且其閘極係為上述之控制端；一電流檢測單元40，係電連接於上述複數壓控電晶體30，並與該整流單元10、該LED燈串20以及各壓控電晶體30構成一電源迴路；其中該電流檢測單元40係用以偵測流經該電源迴路的電流；又流經該電源迴路的電流係為流經各分流迴路電流的總合；於本實施例中，該電流檢測單元 40係為一檢測電阻；及一電源效率控制單元50，係與該電流檢測單元40電連接；並又電連接於複數LED單元21之間的串聯節點；且與各壓控電晶體30的控制端電連接；其中該電源效率控制單元50係自各串聯節點取得各LED單元上的壓降，依各LED單元壓降調整流經其分流迴路中的電流大小；於本實施例中，該電源效率控制單元50係透過一低頻濾波器51電連接於該電流檢測單元40；且該低頻濾波器可以為一類比濾波器、一數位濾波器；又該數位濾波器可以為一降頻濾波器(Down-sampling Filter)。

本創作於使用時，係先令該電源效率控制單元50最上階的分流迴路導通，且當各LED單元21之間的壓降因交流電源AC/IN的升高而隨之升高時，係逐漸減少流經最上階分流迴路上的電流，且使逐漸增加流經其下一階分流迴路上的電流；接著若該交流電源AC/IN之電壓下降而使各LED單元21之間的壓降的降低時，係逐漸減少流經下一階分流迴路上的電流，且逐漸增加流經其上一階分流迴路的電流。

請合併參照圖2所示，若令該LED燈串係包含有三LED單元，且其切入電壓依其分流迴路的階梯順序分別為80伏特、10伏特及10伏特；且又令該功率控制單元50係令該迴路電流維持在160m安培；則當該交流電源AC/IN低於110伏特以下時，請一併參照圖3A所示，該功率控制單元50係令最上階的分流迴路導通，且令其餘的分流迴路均截止，此時該迴路電流僅流經第一LED單元21；因此當交流電源AC/IN從100伏特上升至109伏特，本創作之效率係 跟著從80%下降至73.39%；又當該交流電源AC/IN係介於110至119伏特時，請一併參照圖3B所示，該功率控制單元50係令流經最上階分流迴路上的電流為0安培，且調整第二階的分流迴路使流經該第二分流迴路上的電流為160m安培；此時該迴路電流係流經該第一LED單元以及第二LED單元；而效率隨著第二LED燈的開啟瞬間提升至81.81%並逐漸下降至75.63%；最後當該交流電源AC/IN係係於120以上時，請一併參照圖3C所示，該功率控制單元50係令流經第二階的分流迴路上的電流為0安培，且調整第三階的分流迴路使流經該第三階分流迴路上的電流為160m安培；此時上述之迴路電流係流經所有的LED單元21；而效率係提升至83.33%並逐漸下降。

因此，當上述交流電源AC/IN之電壓提高時，該電源效率控制單元50係透過各壓控電晶體30調整各分流迴路的電流，進一步將因交流電源AC/IN之電壓提高而隨之提高的各壓控電晶體30的耗損功率P_loss 轉交由各LED單元21分擔，進而使該耗損功率P_loss 轉換為輸出功率P_out ；如此，以降低各壓控電晶體30的耗損功率P_loss 並提高各LED單元21的輸出功率P_out ，使得整體的效率能夠達到提升的效果。

此外，請參照圖4所示，係為本創作第二實施例，其主要電路結構大致與前述實施例相同，惟其不同處在於該第二實施例，係令上述二相鄰LED單元21之間分別串接有一分流檢測單元41，該分流檢測單元41係連接至該電源效率控制單元50，以檢測流經其對應LED單元21的電流， 且由該電源效率控制單元50將各LED單元21壓降與電流相乘，以獲得各LED單元21功率，以依據各LED單元21功率調整流經其分流迴路中的電流大小。

由上述說明可知，當該複數LED單元21的功率隨著交流電源AC/IN之電壓升高而隨之升高時，該電源效率控制單元50係逐漸透過各壓控電晶體30調整各分流迴路之電流大小，進而降低迴路電流，使該輸入功率P_in 保持在與該交流電源AC/IN之電壓尚未升高時相同，亦使該輸出功率P_out 保持相同。

因此，當該交流電源AC/IN提高而導致輸入功率P_in 暫時上升時，本實施例係降低該迴路電流使該輸入功率P_in 保持相同，且透過進一步調整流經各分流迴路的電流使輸出功率P_out 亦保持相同；一但輸出功率P_out 與輸入功率P_in 均固定不變時，其效率必然維持固定。

因此，綜合以上所述，本創作係可有效解決效率下降的缺失，且進一步將效率維持在高點。

10‧‧‧整流單元

20‧‧‧LED燈串

21‧‧‧LED單元

30‧‧‧壓控電晶體

40‧‧‧電流檢測單元

41‧‧‧分流檢測單元

50‧‧‧電源效率控制單元

51‧‧‧低頻濾波器

60‧‧‧整流單元

61‧‧‧LED單元

62‧‧‧壓控電晶體

63‧‧‧電流檢測單元

64‧‧‧控制單元

圖1：本創作高效率交流LED驅動電路之電路圖。

圖2：本創作的效率與電壓之關係曲線圖。

圖3A：本創作較佳實施例第一種之狀態示意圖。

圖3B：本創作較佳實施例第二種之狀態示意圖。

圖3C：本創作較佳實施例第三種之狀態示意圖。

圖4：本創作另一種實施例之電路圖。

圖5：既有的交流LED驅動電路之電路圖。

圖6：既有的交流LED驅動電路效率與電壓之關係曲線圖。

10‧‧‧整流單元

20‧‧‧LED燈串

21‧‧‧LED單元

30‧‧‧壓控電晶體

40‧‧‧電流檢測單元

41‧‧‧分流檢測單元

50‧‧‧電源效率控制單元

51‧‧‧低頻濾波器

Claims (10)

1. 一種高效率交流LED驅動電路，係包含有：一整流單元，其輸入端係電連接一交流電源，並將該交流電源轉換為一脈動直流電源，且由輸出端輸出；一LED燈串，係電連接至該整流單元，並包含有複數串聯之LED單元；其中各LED單元均具有一陽極端及一陰極端；複數壓控電晶體，係分別電連接至各LED單元之陰極端，並構成複數階層式分流迴路；又各壓控電晶體係具有一控制端；一電流檢測單元，係電連接於上述複數壓控電晶體，並與該整流單元、該LED燈串以及各壓控電晶體構成一電源迴路；其中該電流檢測單元係用以偵測流經該電源迴路的電流；又流經該電源迴路的電流係為流經各分流迴路電流的總合；及一電源效率控制單元，係與該電流檢測單元電連接；並又電連接於複數LED單元之間的串聯節點；且與各壓控電晶體的控制端電連接；其中該電源效率控制單元係自各串聯節點取得各LED單元上的壓降，依各LED單元壓降調整流經其分流迴路中的電流大小。
2. 如請求項1所述之高效率交流LED驅動電路，上述二相鄰LED單元之間分別串接有一分流檢測單元，該分流檢測單元係連接至該電源效率控制單元，以檢測流經其對應LED單元的電流，由該電源效率控制單元將各LED單元壓降與電流相乘，獲得各LED單元功率，以依據各LED單 元功率調整流經其分流迴路中的電流大小。
3. 如請求項1或2所述之高效率交流LED驅動電路，該電源效率控制單元係透過一低頻濾波器電連接於該電流檢測單元。
4. 如請求項3所述之高效率交流LED驅動電路，上述低頻濾波器為一類比濾波器。
5. 如請求項3所述之高效率交流LED驅動電路，上述低頻濾波器為一數位濾波器。
6. 如請求項5所述之高效率交流LED驅動電路，上述該數位濾波器為一降頻濾波器(Down-sampling Filter)。
7. 如請求項5所述之高效率交流LED驅動電路，上述該壓控電晶體係一金氧半場效電晶體。
8. 如請求項5所述之高效率交流LED驅動電路，上述該壓控電晶體係一接面場效電晶體。
9. 如請求項5所述之高效率交流LED驅動電路，上述該壓控電晶體係一雙極結型晶體管。
10. 如請求項5所述之高效率交流LED驅動電路，上述該整流單元係為一全波整流器。