WO2015192266A1 - 低闪烁和高功率因素的发光二极管的驱动电路 - Google Patents

低闪烁和高功率因素的发光二极管的驱动电路 Download PDF

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朱弘琦
沈毓仁
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钰瀚科技股份有限公司
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    • H05B45/50—Circuit arrangements for operating light-emitting diodes [LED] responsive to malfunctions or undesirable behaviour of LEDs; responsive to LED life; Protective circuits
    • H05B45/59—Circuit arrangements for operating light-emitting diodes [LED] responsive to malfunctions or undesirable behaviour of LEDs; responsive to LED life; Protective circuits for reducing or suppressing flicker or glow effects

Definitions

  • the present invention relates to light-emitting diode (LED)-based lighting devices, and more particularly to a light-emitting diode-based lighting device having low light flicker and high power factor. Background technique
  • LEDs Light-emitting diodes
  • LEDs are semiconductor-based light sources that are often used in low-energy meters and appliances, and the use of light-emitting diodes in various lighting devices is becoming more common.
  • high brightness LEDs have been widely used in traffic lights, vehicle lights, and brake lights.
  • lighting devices using high voltage LED strings have also been developed to replace conventional white heat bulbs and fluorescent bulbs.
  • a plurality of LEDs are usually connected in series to form an LED-based illumination unit, and a plurality of LED-based illumination units can be further connected in series to form an illumination.
  • the operating voltage required for each illuminator is usually determined by the forward voltage of the LEDs in the lighting unit, how many LEDs are in each lighting unit, how each lighting unit is connected to each other, and each lighting How the unit receives voltage from the power supply in the lighting unit.
  • Figure 1 shows a conventional LED-based illumination unit having a linear drive circuit 102.
  • the LED-based illumination unit includes a plurality of series-connected LED segments 110, 120 that are controlled by the linear drive circuit 102.
  • Figure 1 shows only two LED segments 110, 120.
  • Each of the LED segments includes one or more LEDs 103 connected in series, and a rectified AC power source 101 supplies power to the LED-based lighting unit.
  • the linear driving circuit 102 controls the number of LED segments that are turned on according to the input rectified AC voltage. Therefore, the illumination brightness based on the LED lighting unit is proportional to the rectified voltage value of the rectified AC power output.
  • the illumination brightness based on the illumination unit of the LED varies with the change of the input AC voltage, because the illumination brightness changes greatly from zero to the highest value, resulting in a high brightness change and flashing of the light. Since the rectified AC voltage output is unregulated, the linear drive circuit 102 is simple and inexpensive. In order to reduce the change in illumination brightness, as shown in FIG.
  • the LED-based illumination unit may be coupled to a storage capacitor 301 to regulate the rectified AC voltage output to form a DC voltage that is less variable.
  • Figure 3 also shows the input AC voltage value and the adjusted DC voltage value, as well as the illumination brightness based on the LED lighting unit. Based on the significant increase in the minimum brightness of the LED lighting unit, the change in illumination brightness is also greatly reduced.
  • the alternating current drives the LED and also charges the storage capacitor.
  • the storage capacitor supplies the LED current. It can be seen from the waveform of the current flowing. Because of the sharp increase and linear decrease of the alternating current, the waveform contains a high degree of harmonic distortion, which also causes a low power factor of the LED lighting unit. Summary of the invention
  • the invention provides a light-emitting diode-based lighting device with low-light flicker and high power factor. Therefore, the lighting device of the present invention supplies power from a rectified AC power source, and cooperates with at least one of the light-emitting diode and the storage capacitor in the lighting device. The charging path between them to reduce the change in illumination brightness and reduce power consumption.
  • the LED-based illumination device includes a rectified AC power source, the rectified output of which is coupled to a storage capacitor via a switching element, and a plurality of LED segments under control of the linear drive circuit. And at least one charging path between the LED segment and the storage capacitor.
  • the present invention can improve the preferred embodiment described above by connecting at least one controllable linear LED drive unit in parallel with the storage capacitor.
  • the controllable linear LED driving unit can be turned on to increase the brightness of the illumination device and reduce the flicker of the light.
  • each charging path can be connected to the positive or negative end of a light emitting diode in the LED segment.
  • Each charging path can be formed by a variable current source or by a current controller in series with a switch.
  • Multiple charging paths can be connected to a shared current controller A parallel switch, which is connected to the positive or negative end of the LED in the LED segment
  • FIG. 1 shows a conventional LED-based illumination unit with a linear drive circuit
  • FIG. 2 shows the input AC voltage value and illumination brightness of the conventional illumination unit of FIG. 1
  • FIG. 3 shows a conventional LED-based LED with a storage capacitor.
  • the lighting unit as well as its input AC voltage value, the adjusted DC voltage value, and the illumination housing degree;
  • Figure 4 shows the input AC voltage value and the AC current value of the conventional lighting unit of Figure 3;
  • Figure 5 shows the charging, maintaining and discharging phases of the LED-based lighting device of the present invention powered by a rectified AC power source;
  • FIG. 6 shows a block diagram of an LED-based illumination device having low light flicker and high power factor in accordance with a preferred embodiment of the present invention
  • Figure 7 shows that the storage capacitor of the lighting device of Figure 6 is connected in parallel with at least one controllable linear LED driving unit to balance the reduction of light flicker and increase power factor;
  • Figures 8(A) and 8(B) show examples of two linear light-emitting diode drive units;
  • Figure 9 shows an evolution based on the preferred embodiment of the present invention shown in Figure 6, with low light flicker and high power factor based a block diagram of a lighting device of a light emitting diode;
  • Figure 10 shows the parallel connection of the storage capacitor of the illumination device of Figure 9 to at least one controllable linear LED drive unit to balance light reduction and power increase.
  • the present invention provides a circuit for charging a storage capacitor when the voltage of the input AC power source approaches a sharp peak.
  • Figure 5 shows the charging, maintaining and discharging phases of an LED-based lighting device powered by a rectified AC power source.
  • the charging phase occurs when the input AC voltage has a higher voltage, and the charging current of the storage capacitor can be controlled to reduce harmonic distortion.
  • the AC current drives the LED and charges the storage capacitor.
  • the storage capacitor supplies the LED current.
  • the sustain phase the storage capacitor is neither charged nor discharged.
  • the maintenance phase is for the more effective control of the power factor and is also optional.
  • Figure 6 shows a block diagram of an LED-based illumination device having low light blinking and high power factor in accordance with a preferred embodiment of the present invention.
  • the apparatus includes a plurality of LED illumination segments 610, 620 in series controlled by a linear drive circuit 602.
  • Figure 6 shows only two LED segments 610, 620, each of which includes one or more LEDs 603 in series, and a rectified AC power source 601 supplies power to the LED-based illumination device.
  • the output of the rectified AC power source 601 is coupled to the positive terminal of a leading LED 603 in the leading LED segment.
  • a switching element 604 connects the output of the rectified AC power source 601 to the storage capacitor 606.
  • the LED-based illumination device in turn includes at least one variable current source 605 coupled between a light emitting diode and a storage capacitor 606.
  • Each variable current source 605 forms a charging path for the storage capacitor 606. It should be noted that each charging path can be connected to the positive or negative end of the LED 603, and the switching element 604 can be a passive switch or an active switch.
  • a diode as shown in FIG. 6 can be used as the switching element 604. When the voltage of the storage capacitor 606 is higher than the output voltage of the rectified AC power source 601, the diode 604 is turned on to allow the storage capacitor 606 to supply current to the light emitting diode.
  • a controller 607 controls the three variable current sources 605.
  • These charging paths can be used to control the charging current of the storage capacitor 606 to extend the charging time to increase the power factor. Since the AC voltage value varies during the charging phase, the optimum charging path must be selected to reduce the power consumption due to charging.
  • FIG. 7 presents a modified embodiment in which at least one controllable linear LED drive unit is coupled in parallel with storage capacitor 606 to improve the balance between reduced light flicker and increased power factor.
  • Each of the controllable linear LED driving units is formed by a linear LED driving unit 706 connected in series with a switch 707.
  • the linear LED driving unit 706 can be turned on when the instantaneous brightness of the LED 603 is insufficient. Therefore, the discharge phase can be shortened, thereby increasing the power factor. In addition to being turned on during the discharge phase, the linear LED drive unit 706 can also be used to produce multi-phase illumination brightness.
  • the linear light emitting diode drive unit includes a plurality of light emitting diode segments 801 in series with a current controller 803.
  • Each of the LED segments 801 includes one or more light emitting diodes. For simplicity, only one light emitting diode is shown in the LED segment 801.
  • Each of the LED segments 801 has a corresponding switch 802 connected from its positive terminal to a current controller 803.
  • the linear LED drive unit of Figure 8 (B) also includes a plurality of LED segments 811 in series with a current controller 813. Each of the LED segments 811 has a corresponding switch 812 in parallel with the LED segment 811.
  • the corresponding switches 802, 812 described above are optional, and their states are determined by the voltage difference between the voltage Vp at the positive terminal and the voltage Vn at the negative terminal.

Abstract

一基于发光二极管的照明装置，包含：一整流的交流电源（601），其将一整流输出经由一开关元件（604）连接到一储存电容器（606）；受控于一线性驱动电路（602）的多个发光二极管段（610、620）；以及连接在该多个发光二极管段（610，620）与该储存电容器（606）间的至少一充电路径。一或多个可控制线性发光二极管驱动单元（706、707）与该储存电容器（606）并联，以提供降低灯光闪烁和增加功率因素之间的平衡。

Description

低闪烁和髙功率因素的发光二极管的驱动电路 技术领域
本发明是有关基于发光二极管 （LED) 的照明装置， 尤其是一种具有低 灯光闪烁及高功率因子的基于发光二极管的照明设备的驱动装置。 背景技术
发光二极管 （LED) 是一种基于半导体的光源， 经常被应用在低耗电仪 表和家电的指示器，应用发光二极管在各种照明装置也己越来越普遍。例如， 高明亮度的发光二极管已被广泛用于交通信号灯、车辆指示灯、以及剎车灯。 近年来， 使用高电压的发光二极管串的照明设备也被开发来取代传统的白热 灯泡和荧光灯泡。
为了提高基于发光二极管的照明装置的亮度， 通常是将多个发光二极管 串联在一起， 形成一个基于发光二极管的照明单元， 而且多个基于发光二极 管的照明单元可以更进一步串联在一起， 形成一个照明装置。 每个照明装置 所需要的工作电压， 通常是取决于照明单元里的发光二极管的正向电压， 每 个照明单元里有多少个发光二极管， 每个照明单元是如何相互连接的， 以及 每个照明单元在照明装置里是如何接收来自电源的电压。
图 1 显示一传统的具有线性驱动电路 102 的基于发光二极管的照明单 元。 该基于发光二极管的照明单元包含多个串联的发光二极管段 110、 120， 受控于该线性驱动电路 102。 为了简明， 图 1只显示两个发光二极管段 110、 120。每一个发光二极管段包含一或多个串联的发光二极管 103， 一整流的交 流电源 101供给电力给该基于发光二极管的照明单元。
图 2显示该基于发光二极管照明单元的输入交流电压值以及照明亮度， 线性驱动电路 102根据输入的整流的交流电压， 而控制被导通的发光二极管 段数。 因此， 基于发光二极管照明单元的照明亮度与整流的交流电源输出的 整流电压值成比例。 从图 2可看出， 基于发光二极管照明单元的照明亮度， 随着输入交流电压的变化而变动， 因为照明亮度从零到最高值间巨大的变 化， 造成高度的亮度变化和灯光闪烁。 因为整流的交流电压输出未经调节， 线性驱动电路 102简单而且价廉。 为了降低照明亮度的变化， 如图 3所示， 基于发光二极管的照明单元可 加入一储存电容器 301， 来调节整流的交流电压输出， 以形成变动较少的直 流电压。 图 3也显示出输入交流电压值和调节后的直流电压值， 以及基于发 光二极管照明单元的照明亮度。基于发光二极管照明单元的最低亮度显著的 增加， 照明亮度的变化也大大的减低了。
在图 3显示的传统基于发光二极管的照明单元， 其中最大的交流电流并 不是发生在输入的交流电压达到最高值的时候。 图 4显示出输入交流电压值 和交流电流值， 图中可看出， 交流电流突然增高以开始储存电容器的充电阶 段， 然后再线性的降低到储存电容器的放电阶段。
在充电阶段中， 交流电流驱动发光二极管， 也对储存电容器充电。 在放 电阶段中， 储存电容器则供给发光二极管电流。 从 ^流电流的波形可看出，. 因为交流电流的急剧增加和线性降低， 波形中含有高度的谐波失真， 也造成 发光二极管照明单元的低功率因子。 发明内容
本发明提供一低灯光闪烁及高功率因素的基于发光二极管的照明装置， 因此本发明的照明装置， 是由整流的交流电源供给电力， 并配合照明装置中 至少一个介于一发光二极管和储存电容器间的充电路径， 来降低照明亮度的 变化以及减少功率耗损。
本发明的一优选实施例中， 基于发光二极管的照明装置， 包含一整流的 交流电源， 其整流输出经由一幵关元件连接到一储存电容器， 一线性驱动电 路控制下的多个发光二极管段， 和至少一个介于发光二极管段和储存电容器 间的充电路径。
为了在降低灯光闪烁和提高功率因素间达成平衡， 本发明可在储存电容 器并联至少一可控制的线性发光二极管驱动单元， 来改良上述优选实施例。 当以线性驱动电路控制的发光二极管段产生的瞬间亮度不足时， 可控制的线 性发光二极管驱动单元可被导通来增加照明装置的亮度和降低灯光闪烁。
根据本发明， 每一个充电路径可以连接在发光二极管段里的一发光二极 管的正端或负端。 每一个充电路径可以由一可变电流源来形成， 也可由一电 流控制器串联一开关来形成。 多个充电路径可以一共享的电流控制器连接多 个并联的开关， 再各别连接到发光二极管段里的发光二极管的正端或负端 附图说明
图 1显示一传统的具有线性驱动电路的基于发光二极管的照明单元； 图 2显示图 1中的传统照明单元的输入交流电压值以及照明亮度； 图 3显示加入一储存电容器的传统式基于发光二极管的照明单元， 以及 其输入交流电压值， 调节后的直流电压值， 和照明壳度；
图 4显示出图 3的传统照明单元的输入交流电压值和交流电流值； 图 5显示由整流的交流电源供给电力的本发明的基于发光二极管的照明 装置的充电， 维持及放电阶段；
图 6显示根据本发明的一优选实施例， 具有低灯光闪烁及高功率因素的 基于发光二极管的照明装置的方块图；
图 7显示将图 6中的照明装置的储存电容器并联至少一个可控制的线性 发光二极管驱动单元， 来平衡降低灯光闪烁和增加功率因素；
图 8(A)、 图 8(B)显示了两种线性发光二极管驱动单元的实例； 图 9显示根据图 6显示的本发明的优选实施例而演变， 具有低灯光闪烁 及高功率因素的基于发光二极管的照明装置的方块图；
图 10显示将图 9中的照明装置的储存电容器并联至少一个可控制的线 性发光二极管驱动单元， 来平衡降低灯光闪烁和增加功率因素。
其中， 附图标记说明如下：
101、 601整流的交流电源
102、 602线性驱动电路
103、 603发光二极管
110、 120、 610、 620发光二极管段
301、 606储存电容器
604二极管
605可变电流源
607控制器
706、 1006线性发光二极管驱动单元
707、 1007开关 801、 811发光二极管
802、 812开关
803、 813电流控制器
905开关
908电流控制器 具体实施方式
本说明书提供附图， 使本发明更能进一步的被理解， 同时附图也构成本 说明书的一部分。 该附图显示出了本发明的实施例， 并与说明书一起， 用来 解释本发明的原理。
为了提供基于发光二极管的照明装置的高功率因素， 本发明提出一可在 输入交流电源的电压接近尖峰值时为储存电容器充¾的电路。 图 5显示一由 整流的交流电源供给电力的基于发光二极管的照明装置的充电、 维持及放电 阶段。
如图 5所显示， 充电阶段发生在输入的交流电压有较高的电压时， 可以 控制储存电容器的充电电流以减少谐波失真。 在充电阶段时， 交流电流驱动 发光二极管并为储存电容器充电。 在放电阶段时， 储存电容器供给发光二极 管电流。 在维持阶段时， 储存电容器既不充电也不放电。 维持阶段是为了更 有效的控制功率因素， 也是可有可无的。
图 6显示根据本发明的一优选实施例， 具有低灯光闪烁及高功率因素的 基于发光二极管的照明装置的方块图。 在此实施例中， 本装置包含以一线性 驱动电路 602控制的串联的多个发光二极管照明段 610、 620。 为了简明， 图 6只显示两个发光二极管段 610、 620, 每一个发光二极管段包含串联的一或 多个发光二极管 603， 一整流的交流电源 601供给电力给基于发光二极管的 照明装置。
如图 6所示， 整流的交流电源 601的输出连接到领先的发光二极管段里 领先的一发光二极管 603的正端。一开关元件 604将整流的交流电源 601的 输出连接到储存电容器 606。 该基于发光二极管的照明装置又包含至少一个 可变电流源 605， 连接在一发光二极管与储存电容器 606之间。 每一个可变 电流源 605为储存电容器 606形成一充电路径。 要注意的是， 每一个充电路径可接到发光二极管 603的正端或负端， 开 关元件 604可以是被动开关， 也可是主动开关。 如图 6所显示的一个二极管 可以用来当作开关元件 604。 当储存电容器 606的电压高于整流的交流电源 601的输出电压时， 该二极管 604被导通而使储存电容器 606可供给电流到 发光二极管。
如图 6所显示， 在此例中有由三个可变电流源 605各别形成的三个充电 路径， 并有一控制器 607控制该三个可变电流源 605。 这些充电路径可以用 来控制储存电容器 606的充电电流， 以延长充电的时间来增加功率因素。 因 为交流电压值在充电阶段会变动， 所以必须选择最佳的充电路径来减少因充 电所造成的功率耗损。
可以了解到的是， 延长放电阶段会降低灯光闪烁， 而减少交流电流的波 形的谐波失真则会增加功率因素。 然而在图 6所显示的实施例中， 要平衡降 低灯光闪烁和增加功率因素是困难的。 图 7提出了一改良的实施例， 其中将 储存电容器 606上并联至少一个可控制的线性发光二极管驱动单元， 来改善 降低灯光闪烁和增加功率因素间的平衡。 每一个可控制的线性发光二极管驱 动单元， 是由一线性发光二极管驱动单元 706串联一开关 707而形成。
在图 7所显示的改良实施例里， 当发光二极管 603所产生的瞬间亮度不 足时， 线性发光二极管驱动单元 706可被导通。 因此可以縮短放电阶段， 从 而增加功率因素。除了在放电阶段被导通之外，线性发光二极管驱动单元 706 也可用来产生多相位的照明亮度。
图 8显示了两种线性发光二极管驱动单元 706的实施例， 在图 8 (A) 里， 线性发光二极管驱动单元包含多个发光二极管段 801， 与一电流控制器 803串联。 每一个发光二极管段 801包含一或多个发光二极管。 为了简化， 发光二极管段 801中只显示一个发光二极管。每一个发光二极管段 801有一 相对应的开关 802， 从其正端连接到电流控制器 803。
图 8 (B ) 里的线性发光二极管驱动单元也包含多个发光二极管段 811， 与一电流控制器 813串联。每一个发光二极管段 811:有一相对应的开关 812， 与该发光二极管段 811并联。 上述相对应的开关 802、 812是可有可无的， 它们的状态决定于图中正端的电压 Vp与负端的电压 Vn之间的电压差。
图 9显示根据图 6显示的本发明的优选实施例而演变， 具有低灯光闪烁 及高功率因素的基于发光二极管的照明装置的方块图。 从图中可看出， 图 6 里由三个可变电流源 605所组成的三个充电路径， 被三个开关 905和一个电 流控制器 908所取代。 此电流控制器 908可以是一可变电流源或是一电阻。 为了要平衡降低灯光闪烁和增加功率因素， 如图 10所示， 可以在储存电容 器 606上并联至少一个可控制的线性发光二极管驱动单元。 每一个可控制的 线性发光二极管驱动单元， 是由一线性发光二极管驱动单元 1006 串联一开 关 1007而形成。
虽然以上只藉由几个实施范例来描述本发明， 然而熟悉本领域的技术人 员， 很明显的可以了解， 仍有许多未描述的变通及修改， 都在不偏离以下所 定义的本发明的权利要求范围之内。

Claims

权利要求
1.一基于发光二极管的照明装置， 其特征在于， 包括：
一整流的交流电源， 包括一整流输出；
一开关元件， 有第一端连接到上述整流输出；
一储存电容器， 有第一端连接到上述开关元件的第二端， 以及第二端接 地；
串联的多个发光二极管段， 其中每一个发光二极管段有串联的一或多个 发光二极管， 领先的一发光二极管段里领先的发光二极管有一正端连接到上 述整流输出；
一线性驱动电路， 控制上述多个发光二极管段；
至少一充电路径， 连接上述多个发光二极管段里的一个发光二极管的正 端或负端到上述储存电容器的第一端； 以及
一控制器， 控制上述至少一充电路径。
2.如权利要求 1所述的照明装置， 其特征在于， 上述开关元件是一二极 管， 该二极管有一正端连接到上述储存电容器的第一端， 有一负端连接到上 述整流输出。
3.如权利要求 1所述的照明装置， 其特征在于， 上述开关元件是一被动 开关元件。
4.如权利要求 1所述的照明装置， 其特征在于， 上述开关元件是一主动 开关元件。
5.如权利要求 1所述的照明装置， 其特征在于， 又包括至少一可控制线 性发光二极管驱动单元， 与上述储存电容器并联， 其中每一个可控制线性发 光二极管驱动单元包含一线性发光二极管驱动单元， 与一开关串联。
6.如权利要求 5所述的照明装置， 其特征在于， 上述线性发光二极管驱 动单元包含多个发光二极管段， 与一电流控制器串联， 其中线性发光二极管 驱动单元里除了领先的一发光二极管段之外， 每一个发光二极管段都有一相 对应的开关与其并联。
7.如权利要求 5所述的照明装置， 其特征在于， 上述线性发光二极管驱 动单元包含多个发光二极管段， 与一电流控制器串联， 其中线性发光二极管 驱动单元里除了领先的一发光二极管段之外， 每一个发光二极管段都有一相 对应的开关连接该发光二极管段的正端到该线性发光二极管驱动单元里尾 端的一发光二极管段的负端。
8.如权利要求 1所述的照明装置， 其特征在于， 上述至少一充电路径包 含一可变电流源。
9.如权利要求 8所述的照明装置， 其特征在于， 上述可变电流源从上述 整流输出连接到上述储存电容器的第一端。
10.如权利要求 1所述的照明装置， 其特征在于， 有第一可变电流源， 连 接上述领先的发光二极管的正端与上述储存电容器的第一端以形成第一充 电路径； 以及第二可变电流源， 连接上述领先的发光二极管的负端与上述储 存电容器的第一端以形成第二充电路径。
11.如权利要求 1所述的照明装置，其特征在于， 上述至少一充电路径包 含一电流控制器， 与一开关串联。
12.如权利要求 11所述的照明装置， 其特征在于， 上述电流控制器是一 可变电流源。
13.如权利要求 11所述的照明装置， 其特征在于， 上述电流控制器是一 电阻。
14.如权利要求 11所述的照明装置， 其特征在于， 上述开关有一端连接 到上述整流输出， 而上述电流控制器有一端连接到上述储存电容器的第一 端。
15.如权利要求 1所述的照明装置， 其特征在于， 有第一开关， 连接上述 领先的发光二极管的正端与一电流控制器的第一端以形成第一充电路径； 以 及第二开关， 连接上述领先的发光二极管的负端与该电流控制器的第一端以 形成第二充电路径， 该电流控制器的第二端则连接到上述储存电容器的第一 端。
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