TWM486008U - 節能式發光照明裝置 - Google Patents

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TWM486008U
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Ying-Ting Huang
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Description

節能式發光照明裝置
本創作係公開一種高效率省電式半無橋單端初級電感轉換器之發光二極體照明裝置，採用半無橋單端初級電感轉換器架構與控制器，以達到高效率及高功率因數的特性。
發光二極體(Light-Emitting Diode,LED)照明光源比傳統照明光源具有更多優點，例如：省電、無汞汙染、體積較小及反應速度快等，因此，LED的使用越來越廣泛，也表示其發展性指日可待。傳統的LED驅動電路若操作在交流輸入條件下，普遍使用兩級串接架構，前級為功率因數修正電路(Power Factor Corrector,PFC)，後級為直流對直流轉換器，設計上需要兩組獨立的控制器，造成整機電路架構較為複雜，且元件數多、成本較高、轉換效率也較差。
本創作係一種高效率省電式半無橋單端初級電感轉換器之發光二極體照明裝置，包括半無橋單端初級電感轉換器(Half-Bridgeless Single-Ended Primary Inductor Converter,Half-Bridgeless SEPIC)、發光二極體(Light Emitting Diode,LED)光源和控制器。半無橋單端初級電感轉換器將輸入電壓轉換為一穩定電壓，以驅動發光二極體光源，並提供一電流感測信號，此架構可以達到高效率的特性。控制器耦接至半無橋單端初級電感轉換器，根據電流感測信號，使輸入電流波形追隨輸入電壓波形，以達到高功率因數的特性。
100‧‧‧照明裝置
102‧‧‧交流電源(AC)
104‧‧‧半無橋單端初級電感轉換器
106‧‧‧發光二極體光源
106-1、106-2‧‧‧發光二極體串
108‧‧‧控制器
110‧‧‧控制信號
112‧‧‧電流感測信號
114‧‧‧端點
116‧‧‧端點
118‧‧‧輸入電感(L1 )
120‧‧‧橋式整流器
122‧‧‧上橋開關(Q1 )
124‧‧‧下橋開關(Q2 )
126‧‧‧電容(Cbus )
128‧‧‧輸出電感(L2 )
130‧‧‧輸出二極體(D)
132‧‧‧輸出電容(CO )
134‧‧‧端點
136‧‧‧端點
138‧‧‧第一二極體(D1 )
140‧‧‧第二二極體(D2 )
142‧‧‧第三二極體(D3 )
144‧‧‧第四二極體(D4 )
第1圖 依據本創作構想之照明裝置架構示意圖
第2圖 依據本創作構想之一較佳實施例之半無橋單端初級電感轉換器架構示意圖
第3圖 輸入交流電源為正且功率開關元件導通之電路工作狀態示意圖
第4圖 輸入交流電源為正且功率開關元件截止之電路工作狀態示意圖
第5圖 輸入交流電源為負且功率開關元件導通之電路工作狀態示意圖
第6圖 輸入交流電源為負且功率開關元件截止之電路工作狀態示意圖
第1圖係一依據本創作構想之照明裝置架構示意圖。如圖所 示，照明裝置100包括一交流電源102、半無橋單端初級電感轉換器104、發光二極體光源106以及一控制器108。交流電源102產生具有正弦電壓波形的輸入交流電壓。在一實施例中，控制器108可以整合在一積體電路(IC)晶片上，並透過引腳耦接至半無橋單端初級電感轉換器104，該引腳包括DRV及SEN，藉以控制半無橋單端初級電感轉換器104。
半無橋單端初級電感轉換器104接收一輸入交流電源102，並轉換為一穩定電壓，以驅動發光二極體光源106，其提供一電流感測信號112，使控制器108可基於該電流感測信號112，控制輸入電流波形追隨輸入電壓波形，而達到功率因數修正的效果。半無橋單端初級電感轉換器104所接收的交流電源102可為120~277VAC(美國規格)、220~240VAC(歐盟或中國規格)或100VAC(日本規格)，但不限定於此。控制器108透過引腳SEN接收一電流感測信號112，並在引腳DRV上產生一控制信號110。半無橋單端初級電感轉換器104可透過引腳DRV接收控制信號110，並可相應調節輸入電流，以保持輸入電流與輸入電壓同相，因此，照明裝置100具有高功率因數，符合IEC6100-3-2 Class C對輸入電流諧波失真的要求，例如總電流諧波失真小於33%，並且功率因數大於0.9。
發光二極體光源106可包括多個發光二極體串，例如：發光二極體串106-1和106-2，每一個發光二極體串可包括多個串接耦合的發光二極體。在第1圖中僅顯示二個發光二極體串，但某些應用中(例如戶外招牌或戶外背光照明)，照明裝置100亦可包括多個發光二極體串。每個發光二極體串係獨立工作，不受到其它發光二極體串的影響。
第2圖係顯示依據本創作構想之一較佳實施例之半無橋單端 初級電感轉換器架構示意圖，其中，半無橋單端初級電感轉換器104包括輸入電感118、輸出電感128、橋式整流器120、上橋開關122、下橋開關124、電容126、輸出電容132和輸出二極體130，此外，橋式整流器120係由四個二極體組成，所述四個二極體分別為第一二極體D1 138、第二二極體D2 140、第三二極體D3 142、第四二極體D4 144。半無橋單端初級電感轉換器104採用上橋開關122取代第二二極體D2 140，下橋開關124取代第三二極體D3 142，所述上橋開關122與下橋開關124皆為功率開關元件，其取代橋式整流器120上的兩個二極體，以減少橋式整流二極體上的導通損失，提高電路整體效率。半無橋單端初級電感轉換器104耦接至交流電源102之端點134及端點136，端點134端點136耦接至輸入交流電源102，端點116耦接至發光二極體光源106的正端，端點116耦接至發光二極體光源106的負端。
半無橋單端初級電感轉換器104之輸入電感118耦接至交流電源102與橋式整流器120之間，上述橋式整流器120係由四個二極體組成，其三個相異端點分別耦接至輸入電感118、上橋開關122與下橋開關124，可將輸入交流電源102之交流成份轉換為直流成份。上橋開關122之三個端點分別耦接至橋式整流器120、輸入交流電源102與控制器108，其可取代橋式整流器120中之一個二極體，相對的，下橋開關124之三個端點也分別耦接至橋式整流器120、輸入交流電源102與控制器108，並可取代橋式整流器120中之另一個二極體。半無橋單端初級電感轉換器104所包括之電容126耦接至上橋開關122與輸出電感128，輸出電感128耦接至電容126與下橋開關124，輸出二極體130耦接至輸出電感128與輸出電容132，輸出電容132耦接至輸出二極體130與輸出電感128，其中，輸入電感118、電容126、輸出電 感128及輸出電容132皆可儲存與釋放能量。
在一電路工作狀態中，輸入交流電源102為正且上橋開關122與下橋開關124導通，如第3圖所示，在此狀態下，橋式整流器120中的第一二極體D1 138導通，輸入電感118和輸出電感128儲能，輸出二極體130截止，發光二極體光源106所需的能量由輸出電容132提供。
在一電路工作狀態中，輸入交流電源102為正且上橋開關122與下橋開關124截止，如第4圖所示，在此狀態下，橋式整流器120中的第一二極體D1 138導通，輸出二極體130導通，輸入電感118和輸出電感128釋能至輸出電容132與發光二極體光源106。
在一電路工作狀態中，輸入交流電源102為負且上橋開關122與下橋開關124導通，如第5圖所示，在此狀態下，橋式整流器120中的第四二極體D4 144導通，輸入電感118和輸出電感128儲能，輸出二極體130截止，發光二極體光源106所需的能量由輸出電容132提供。
在一電路工作狀態中，輸入交流電源102為負且上橋開關122與下橋開關124截止，如第6圖所示，在此狀態下，橋式整流器120中的第四二極體D4 144導通，輸出二極體130導通，輸入電感118和輸出電感128釋能至輸出電容132與發光二極體光源106。
100‧‧‧照明裝置
102‧‧‧交流電源(AC)
104‧‧‧半無橋單端初級電感轉換器
106‧‧‧發光二極體光源
106-1、106-2‧‧‧發光二極體串
108‧‧‧控制器
110‧‧‧控制信號
112‧‧‧電流感測信號
114‧‧‧端點
116‧‧‧端點

Claims (10)

  1. 一種照明裝置，包括：一交流電源，提供一輸入電壓與輸入電流；一半無橋單端初級電感轉換器，其耦接至該交流電源之端點，可將該輸入電壓轉換為一穩定電壓以驅動一發光二極體光源，並提供一電流感測信號；及一控制器，其耦接至該半無橋單端初級電感轉換器，可基於該電流感測信號使該輸入電流波形追隨輸入電壓波形，以進行功率因數修正；其中，該發光二極體光源至少包括一發光二極體串，每一發光二極體串至少包括一個發光二極體。
  2. 如請求項1所述之照明裝置，其中該半無橋單端初級電感轉換器，採用兩個功率開關元件取代一橋式整流器上的兩個二極體。
  3. 如請求項2所述之照明裝置，其中，於輸入交流電源為正且一上橋開關與一下橋開關導通之電路工作狀態下，該橋式整流器中的一第一二極體導通，一輸入電感和一輸出電感儲能，一輸出二極體截止，該發光二極體光源所需的能量由一輸出電容提供。
  4. 如請求項2所述之照明裝置，其中，於輸入交流電源為正且一上橋開關與一下橋開關截止之電路工作狀態下，該橋式整流器中的一第一二極體導通，一輸出二極體導通，一輸入電感和一輸出電感釋能至一輸出電容與該發光二極體光源。
  5. 如請求項2所述之照明裝置，其中，於輸入交流電源為負且一上橋開關與一下橋開關導通之電路工作狀態下，該橋式整流器中的一第四二極體導通，一輸入電感和一輸出電感儲能，一輸出二極體截止，該發光二極體光源所需的能量由一輸出電容提供。
  6. 如請求項2所述之照明裝置，其中，於輸入交流電源為負且一上橋開關與一下橋開關截止之電路工作狀態下，該橋式整流器中的一第四二極體導通，一輸出二極體導通，一輸入電感和一輸出電感釋能至一輸出電容與該發光二極體光源。
  7. 如請求項1所述之照明裝置，其中該半無橋單端初級電感轉換器包括：一輸入電感，其耦接至該交流電源，可儲存與釋放能量；一橋式整流器，係由四個二極體組成，其耦接至該輸入電感，可將輸入交流電源之交流成份轉換為直流成份；一上橋開關，其耦接至該橋式整流器，可取代該橋式整流器中之一個二極體；一下橋開關，其耦接至該橋式整流器，可取代該橋式整流器中之另一個二極體；一電容，其耦接至該上橋開關，可儲存與釋放能量；一輸出電感，其耦接至該電容與該下橋開關，可儲存與釋放能量；一輸出二極體，其耦接至該輸出電感；及一輸出電容，其耦接至該輸出二極體與該輸出電感，可儲存與釋放能量。
  8. 如請求項7所述之照明裝置，其中該橋式整流器之三個相異端點係分別耦接至該輸入電感、該上橋開關與該下橋開關，且該輸入電感係耦接至該交流電源與該橋式整流器之間。
  9. 如請求項1所述之照明裝置，其中，於輸入交流電源為正且一上橋開關與一下橋開關導通之電路工作狀態下，一橋式整流器中的一第一二極體導通，一輸入電感和一輸出電感儲能，一輸出二極體截止，該發光二極體光源所需的能量由一輸出電容提供；於輸入交流電源為正且該 上橋開關與該下橋開關截止之電路工作狀態下，該橋式整流器中的該第一二極體及該輸出二極體皆導通，該輸入電感和該輸出電感釋能至該輸出電容與該發光二極體光源。
  10. 如請求項9所述之照明裝置，其中，於輸入交流電源為負且該上橋開關與該下橋開關導通之電路工作狀態下，該橋式整流器中的一第四二極體導通，該輸入電感和該輸出電感儲能，該輸出二極體截止，該發光二極體光源所需的能量由該輸出電容提供；於輸入交流電源為負且該上橋開關與該下橋開關截止之電路工作狀態下，該橋式整流器中的該第四二極體導通，該輸出二極體導通，該輸入電感和該輸出電感釋能至該輸出電容與該發光二極體光源。
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