CN101932156A - 发光二极管的驱动电路及照明装置 - Google Patents

Abstract

揭示一种发光二极管的驱动电路及照明装置。此驱动电路包括整流单元、分压电路、控制单元、电压转换器、电阻以及电容。整流单元整流交流电源以输出第一工作电压。分压电路接收第一工作电压以产生分压信号。控制单元包括稳压单元与脉冲宽度调制(PWM)单元。稳压单元的输出端耦接于PWM单元。PWM单元输出PWM信号。电压转换器依据PWM信号调整发光二极管的驱动电压与驱动电流。电阻耦接于整流单元的输出端p与二极管间。电容耦接于稳压单元的电源输入端与接地端之间。PWM单元根据分压信号与电压转换器所输出的反馈信号调整PWM信号。

Description

发光二极管的驱动电路及照明装置

技术领域

本发明是有关于一种驱动电路与照明装置，且特别是有关于一种用于驱动发光二极管(light emitting diode，LED)的驱动电路与使用此驱动电路的照明装置。

背景技术

在照明装置的相关技术部分，通常具有调光器，用以控制电源以使得发光装置(例如灯泡)的发光除了开与关之外，亦可具有微调发光的效果。图1绘示已知的照明装置。请参照图1，照明装置100具有电源102、调光器104与灯泡106。电源102提供输入电压，其中输入电压可为交流电。当使用者透过调光器104控制灯泡106的发光效果时，调光器104会根据导通条件提供电压以微调灯泡106的发光效果。另外，已知照明装置100所配置的发光装置，以电路结构来讲通常呈现电阻特性，例如传统的钨丝灯泡。

然而，随着在节能减碳的科技趋势下，发光二极管(light emitting diode，LED)灯逐渐成为发光装置的选项之一。因此基于节省成本的考量，相关技术在不更动电源102与调光器104的情况下会以LED灯来替代灯泡106。只是LED灯以电路结构来讲通常呈现电容特性，于是当使用者透过调光器104控制LED灯的亮度时，电源102所输出的交流电经调光器104导通后，调光器104所提供的电压会使得LED灯呈现闪烁现象。

因此，一种适用于LED灯的调光技术也被提出。借由LED dimmable ASIC(application specific integrated circuit)将调光器104所调整的输出电压解调(demodulate)为内部的对应电压，并比较对应电压与三角波(triangular wave)以得到一脉波(pulse)。接着，再借由此脉波驱动功率晶体管(power transistor)并控制通过LED的电流量，以达到LED灯调光的目的。然而，上述技术会增加周边电路的复杂度，且由于驱动芯片(driver IC)单价较高也会增加制作成本。

发明内容

本发明提供一种发光二极管的驱动电路，可接收调光器所提供的交流电源以提供发光二极管稳定的驱动电压与驱动电流。

本发明提供一种照明装置，可接收调光器所提供的交流电源以提供稳定的驱动电压与驱动电流，使发光二极管依据驱动电压与驱动电流以提供相对应的稳定亮度。

本发明提出一种发光二极管的驱动电路，其适用于接收一交流电源以驱动一发光二极管。驱动电路包括一整流单元、一分压电路、一控制单元、一电压转换器、一电阻以及一第一电容。整流单元用以整流交流电源以输出一第一工作电压。分压电路耦接于整流单元，并接收第一工作电压以产生对应于第一工作电压的一分压信号。控制单元包括一稳压单元与一脉冲宽度调制(PWM)单元。稳压单元的输出端耦接于PWM单元。PWM单元输出一PWM信号。电压转换器耦接于控制单元与发光二极管之间，用以驱动发光二极管，并依据PWM信号调整发光二极管的一驱动电压与一驱动电流。电阻耦接于整流单元的输出端与一二极管之间。二极管的另一端耦接于稳压单元的一电源输入端。一第一电容耦接于稳压单元的该电源输入端与一接地端之间。PWM单元根据分压信号与电压转换器所输出的一反馈信号调整PWM信号。

在本发明的一实施例中，驱动电路更包括一第二电容，耦接于稳压单元的输出端与接地端之间。

在本发明的一实施例中，上述的电压转换器耦接至整流单元的输出端。

在本发明的一实施例中，上述的整流单元包括一整流器，用以整流交流电源以产生一整流电压。

在本发明的一实施例中，上述的整流单元更包括一滤波器耦接于整流器的输出端，接收整流电压以输出该第一工作电压至电压转换器。

在本发明的一实施例中，上述的整流电压实质上等于第一工作电压。

在本发明的一实施例中，上述的稳压单元接收第一工作电压以输出一第二工作电压至脉冲宽度调制(PWM)单元。

在本发明的一实施例中，上述的电压转换器为一降压电路。

在本发明的一实施例中，上述的交流电源为经由一调光器调整后的交流电源。

本发明提出照明装置，其适用于接收一交流电源以进行照明。照明装置包括一发光二极管与一驱动电路。驱动电路耦接发光二极管。驱动电路包括一整流单元、一分压电路、一控制单元、一电压转换器、一电阻以及一第一电容。整流单元用以整流交流电源以输出一第一工作电压。分压电路耦接于整流单元，并接收第一工作电压以产生对应于第一工作电压的一分压信号。控制单元包括一稳压单元与一脉冲宽度调制(PWM)单元。稳压单元的输出端耦接于PWM单元。PWM单元输出一PWM信号。电压转换器耦接于控制单元与发光二极管之间，用以驱动发光二极管，并依据PWM信号调整发光二极管的一驱动电压与一驱动电流。电阻耦接于整流单元的输出端与一二极管之间。二极管的另一端耦接于稳压单元的一电源输入端。一第一电容耦接于稳压单元的该电源输入端与一接地端之间。PWM单元根据分压信号与电压转换器所输出的一反馈信号调整PWM信号。

基于上述，本发明所提供的照明装置包括发光二极管的驱动电路与发光二极管。因此具有发光二极管的照明装置可直接安装在传统的灯座上，并可以传统的调光器来进行调光。驱动电路可接收调光器所提供的交流电源，根据脉波信号的工作期间与脉冲宽度调制信号，并借由电阻、二极管与电容的旁路元件持续提供稳定的驱动电压与驱动电流。因此，本发明的照明装置不仅可以调整发光二极管的亮度，同时可以避免发光二极管因交流电源的波形改变而产生闪烁的情况。

附图说明

为让本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，以下结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明，其中：

图1绘示已知的照明装置。

图2绘示依照本发明的一实施例的照明装置。

图3A绘示为交流电源Vin的波形图。

图3B绘示为整流电压Vm的波形图。

图3C绘示为第一工作电压Vf的波形图。

图4A绘示为本发明另一实施例的照明装置的局部电路示意图。

图4B绘示为图4A控制单元的详细电路图。

图5绘示为本发明另一实施例的照明系统示意图。

图6绘示为第一工作电压与驱动电流的波形图。

图7A至图7C绘示为第一工作电压与第二工作电压的波形图。

主要元件符号说明：

100、200、300、400：照明装置

102、230：电源

104、240：调光器

106：灯泡

210：发光二极管

220：驱动电路

222：整流单元

222a：整流器

222b：滤波器

224：分压电路

226、310：控制单元

226a、312：稳压单元

226b、314：脉冲宽度调制(PWM)单元

228：电压转换器

314a：第一比较器

314b：第二比较器

314c：逻辑或门

314d：处理器

R₁～R₇：电阻

C₁～C₃：电容

D₁：二极管

Vs：输入电压

Vin：交流电源

Vm：整流电压

Vf：第一工作电压

V_DD：第二工作电压

Vd：分压信号

iL：反馈信号

PWMS：脉冲宽度调制信号

Vdr：驱动电压

Idr：驱动电流

Vss：接地端

T1、T2、T3、T4：工作期间

V_IN：电源输入端口

LD：线性调光端口

Vdd：电压输出端口

PWMD：参考信号输入端口

CS：反馈信号输入端口

GND：接地端口

RT：频率设置端口

GATE：信号输出端口

S_REF：参考信号

SC1：第一比较信号

SC2：第二比较信号

S_CRL：控制信号

具体实施方式

图2绘示依照本发明的一实施例的照明装置。请参照图2，照明装置200包括发光二极管(light emitting diode，LED)210以及驱动电路220。驱动电路220包括整流单元222、分压电路224、控制单元226、电压转换器228、电阻R₁、电容C₂以及二极管D₁。在本实施例中，照明装置200更可包括电源230与调光器240，其中调光器240接收电源230所提供的输入电压Vs，并根据导通条件以输出交流电源Vin。在本实施例中，调光器240可采用三极交流开关(Tri-electrode AC switch，TRIAC)以实施其功能，但不限制于此。另外，TRIAC调光器对应调整光源的照度值依序可分为最大(MAX)、第一段至第七段以及最小(MIN)的九个等级，其中每一等级对应不同的延迟角(delay angle)α。延迟角α越大则导通角越小，代表调光器240关闭的时间越长。除此之外，电源230可为市用的交流电源或电源供应器所提供的电源，但不限制于此。

另外，本实施例的整流单元222更可包括整流器222a与滤波器222b，其中滤波器222b耦接于整流器222a的输出端。整流器222a针对交流电源Vin进行整流，借以产生整流电压Vm并传输至滤波器222b，而滤波器222b进一步输出第一工作电压Vf到分压电路224、控制单元226与电压转换器228。除此之外，本实施例的控制单元226还包括稳压单元226a与脉冲宽度调制(pulsewidth modulation，PWM)单元226b。稳压单元226a接收第一工作电压Vf以输出稳定的第二工作电压V_DD至PWM单元226b。另一方面，PWM单元226b根据分压电路224的分压信号Vd，以及电压转换器228所提供的反馈信号iL，据以产生脉冲宽度调制信号PWMS给电压转换器228。接着，电压转换器228便可驱动发光二极管210，并依据脉冲宽度调制信号PWMS调整发光二极管210的驱动电压Vdr与驱动电流Idr。

如图2所示，本实施例的分压电路224可包括电阻R₂和R₃。分压电路224透过电阻R₃耦接于接地端Vss，以将第一工作电压Vf降压转为分压信号Vd，其中分压信号Vd于电阻R₂与R₃的共同节点输出至PWM单元226b。另外，分压电路224的加入可改善已知LED照明装置的电容特性，进而提升照明装置200的整体功率因数(power factor，PF)至大约0.962。

值得注意的是，图2的电容C₂是用以储存控制单元226所需的驱动电压，即整流单元222所提供的第一工作电压Vf。如此，即使调光器240被调整到最小位置(即TRIAC延迟角α很大时)，控制单元226也有足够的驱动电压可被驱动，进而避免发光二极管210因电压不稳的闪烁现象。另一方面，图2的电阻R₁为限流电阻，其耦接于整流单元222的输出端与二极管D₁之间，可影响电容C₂的充电时间。详言之，若电容C₂的充电时间要快，则电阻R₁就要小，其中电容C₂耦接于稳压单元226a的电源输入端与接地端Vss之间。另外，本实施例的二极管D₁的另一端耦接于稳压单元226a的电源输入端，其可限制电流的流向。也就是说，流经二极管D₁的电流只能由整流单元222流往控制单元226的方向。如此一来，便可避免储存在电容C₂的能量从原先的充电路径流失，导致原本电容C₂的充电路径变为放电路径。同理，本实施例的照明装置200更可包括电容C₁。电容C₁耦接在稳压单元226a的输出端与接地端Vss之间，以稳定PWM单元226b的第二工作电压V_DD。

为了说明本实施的照明装置200的运作，图3A至图3C绘示照明装置200运作时的相关信号或电压的波形图。图3A绘示为交流电源Vin的波形图。请同时参照图2与图3A，调光器240利用调整三极交流开关TRAIC的导通条件，借以调整交流电源Vin的工作期间与波形。换句话说，调光器240可调整交流电源Vin于半周的工作期间T1与T2。接着，整流器222a可针对交流电源Vin进行整流，据以提供整流电压Vm，其中整流电压Vm的波形图如图3B所示。

请参照图2至图3B，进一步而言，当交流电源Vin的工作期间与波形改变时，整流电压Vm的工作期间与波形亦会随之而改变。例如T3随着T1而改变，而T4则随着T2而改变。据此，整流单元222提供至发光二极管210的驱动电压Vdr与驱动电流Idr亦会随之改变，进而控制发光二极管210的亮度。在本实施示中，整流器222a可采用桥式整流器(bridge rectifier)，但不限制于此。

除此之外，滤波器222b用以接收整流电压Vm，并进行滤波以提供第一工作电压Vf至控制单元226，其中第一工作电压Vf的波形图如图3C所示。接着，稳压器226a接收第一工作电压Vf，并提供PWM单元226b运作时的第二工作电压V_DD，以利PWM单元226b运作。

根据上述，由于第二工作电压V_DD提供PWM单元226b运作时的电源，因此PWM单元226b可利用分压信号Vd与电压转换器228所反馈的反馈信号iL来调整脉冲宽度调制(pulse width modulation，PWM)信号PWMS。另一方面，电压转换器228可依据脉冲宽度调制信号PWMS调整驱动电压Vdr与驱动电流Idr以调整发光二极管204的亮度。此外，透过电压转换器228所提供的驱动电压Vdr与驱动电流Idr较为稳定，可以使发光二极管204提供稳定亮度，并减少闪烁现象。

在本实施示范例中，电压转换器228可为降压电路，亦可采用降压式转换器(buck converter)以实施其功能，但不限制于此。除此之外，电压转换器228可输出反馈信号iL至PWMS单元226b，PWMS单元226b可参考反馈信号iL进而调整脉冲宽度调制信号PWMS。此反馈信号iL中包括电压转换器228所输出的驱动电压Vdr与驱动电流Idr的状态。

另一方面，本实施例的控制单元226可采用特定应用集成电路(application-specific integrated circuit，ASIC)来实现实施控制单元226，但不限制于此。图4A为本发明另一实施例的照明装置300的局部电路示意图。请同时参照图2与图4A，图2与图4A相似，二者主要差异之处在于：图4A的控制单元310为特定应用集成电路。详言之，控制单元310是将图2的稳压单元226a与PWM单元226b整合在一起。另一方面，照明装置300更多了如电容C₃、电阻R₅～R₇的旁路元件，其可使电路的电压更为稳定。

图4B为图4A控制单元310的详细电路图。请同时参照图4A与图4B，控制单元310为特定应用集成电路，其可包括稳压单元312与PWM单元314。另外，控制单元310还包括多个输入/输出端口(I/O port)，分别为电源输入端口V_IN、线性调光端口LD、电压输出端口Vdd、参考信号输入端口PWMD、反馈信号输入端口CS、接地端口GND、频率设置端口RT以及信号输出端口GATE，其中频率设置端口RT用以设置特定应用集成电路的震荡频率。稳压单元312耦接于电源输入端口V_IN和电压输出端口Vdd之间，并透过电源输入端口V_IN接收来自整流单元222(绘示于图2)的第一工作电压Vf，并于电压输出端口Vdd输出第二工作电压V_DD作为PWM单元314的工作电压。

如图4B所示，PWM单元314包括第一比较器314a、第二比较器314b、逻辑或门314c以及处理器314d。第一比较器314a由线性调光端口LD接收分压信号Vd，且由反馈信号输入端口CS接收反馈信号iL，并据以输出第一比较信号SC1。第二比较器314b由反馈信号输入端口CS接收反馈信号iL及参考信号S_REF，并据以输出第二比较信号SC2。

接着，逻辑或门314c依据第一比较信号SC1及第二比较信号SC2输出控制信号S_CRL。处理器314d与逻辑或门314c电性连接。在本实施例中，处理器314d依据控制信号S_CRL于信号输出端口GATE输出脉冲宽度调制信号PWMS。另外，如图4A所示，电压输出端口Vdd透过电阻R₄与参考信号输入端口PWMD电性连接，并电性连接至电容C₁。此外，关于电阻R₁、电容C₁～C₂以及二极管D₁的作用可参考前述说明，在此便不加以赘述。

图5为本发明另一实施例的照明系统400示意图。照明系统400与照明系统200类似，二者主要差别之处在于：照明系统400的整流单元不包括滤波器222b。也就是说，照明系统400的整流单元222等于照明系统200的整流器222a。因此，本实施例的第一工作电压Vf实质上等于图2的整流电压Vm。

请参考图3A～3B与图5，根据上述说明，使用者可透过调光器240与照明装置220控制发光二极管210的亮度。详言之，使用者可透过调光器240调整交流电源Vin，使得交流电源Vin具有工作期间T1与T2。整流器222a针对交流电源Vin进行整流，并输出具有工作期间T3与T4的第一工作电压Vf，其中T3随着T1而改变，而T4则随着T2而改变。接着，控制单元226可依据分压信号Vd与反馈信号iL提供脉冲宽度调制信号PWMS至电压转换器228。

最后，电压转换器228提供稳定的驱动电压Vdr与驱动电流Idr，使得发光二极管210提供稳定的亮度，并减少闪烁现象。据此，当整流器212所接收的交流电源Vin改变时，电压转换器228所提供的驱动电压Vdr与驱动电流Idr将会相对应地改变。于是，发光二极管210提供的亮度亦会随之改变，进而达到调整发光二极管210亮度的功能。值得注意的是，本实例的电压转换器228直接耦接整流单元222，其等于图2的整流器222a。也就是说，本实施例的第一工作电压Vf未经滤波器222b(绘示于图2)的作用。因此，发光二极管210的驱动电流Idr与整流单元222所输出的第一工作电压Vf会具有相同的相位，其中第一工作电压Vf与驱动电流Idr的波形图绘示如图6。

图6为当TRIAC调光器调整至第三段位置(即延迟角α＝64度)时，第一工作电压Vf与驱动电流Idr波形图，其中波宽度调变信号PWMS为驱动电流Idr上的子载波(sub-carrier)。电压转换器228依据波宽度调变信号PWMS来控制发光二极管210的开关。如图6所示，由于第一工作电压Vf与驱动电流Idr具有相同相位，因此本实施例的照明装置400可达到约0.962的高功率因数。另一方面，利用此种相同相位、具有硬件线性的调光功能也可大幅提升照明装置400的可调光范围。

图7A至图7C绘示为照明装置400在不同延迟角α下，第一工作电压Vf与第二工作电压V_DD的波形图。详言之，图7A、图7B与图7C分别为延迟角α＝26度(对应调光器的最大位置)、α＝64度(对应调光器的第三段位置)以及α＝155度(对应调光器的最小位置)的情况。如图7A与图7B所示，当延迟角α＝26度以及64度时，第二工作电压V_DD皆维持在电压值7.5V的稳定电压，而当延迟角α＝155度时，第二工作电压V_DD也可维持在7.4V的稳定电压。因此，不管调光器240的导通条件为何，控制单元226皆可因电容C₂(绘示于图5)的存在而有足够的电压可被驱动，进而提供稳定的驱动电压Vdr和驱动电流Idr给发光二极管210。另外，关于电容C₂的作用已于前述说明过，在此便不加赘述。

综上所述，本发明所提供的照明装置包括发光二极管的驱动电路与发光二极管，使具有发光二极管的照明装置可直接安装在传统的灯座上，并可以传统的调光器来进行调光。照明装置针对调光器所提供的交流电源进行整流并且依据第一工作电压与反馈信号输出脉冲宽度调制信号以调整电压转换器，让电压转换器可以提供稳定的驱动电压与驱动电流给发光二极管。借此，不仅可以调整发光二极管的亮度，同时可以避免发光二极管因交流电源的波形改变而产生闪烁的情况。另一方面，由于本发明所提供的照明系统采用的第一工作电压与驱动电流具有相同相位，因此可达到高功率因数且提升可调光的范围。

虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的修改和完善，因此本发明的保护范围当以权利要求书所界定的为准。

Claims (18)

1.一种发光二极管的驱动电路，适用于接收一交流电源以驱动一发光二极管，该驱动电路包括：

一整流单元，用以整流该交流电源以输出一第一工作电压；

一分压电路，耦接于该整流单元，接收该第一工作电压以产生对应于该第一工作电压的一分压信号；

一控制单元，包括一稳压单元与一脉冲宽度调制单元，其中该稳压单元的输出端耦接于该脉冲宽度调制单元，该脉冲宽度调制单元输出一脉冲宽度调制信号；

一电压转换器，耦接于该控制单元与该发光二极管之间，用以驱动该发光二极管，并依据该脉冲宽度调制信号调整该发光二极管的一驱动电压与一驱动电流；

一电阻，耦接于该整流单元的输出端与一二极管之间，该二极管的另一端耦接于该稳压单元的一电源输入端；以及

一第一电容，耦接于该稳压单元的该电源输入端与一接地端之间；

其中，该脉冲宽度调制单元根据该分压信号与该电压转换器所输出的一反馈信号调整该脉冲宽度调制信号。

2.如权利要求1所述的驱动电路，其特征在于，更包括一第二电容，耦接于该稳压单元的输出端与该接地端之间。

3.如权利要求1所述的驱动电路，其特征在于，该电压转换器耦接至该整流单元的输出端。

4.如权利要求1所述的驱动电路，其特征在于，该整流单元包括一整流器，整流该交流电源以产生一整流电压。

5.如权利要求4所述的驱动电路，其特征在于，该整流单元更包括一滤波器，耦接于该整流器的输出端，接收该整流电压以输出该第一工作电压至该电压转换器。

6.如权利要求4所述的驱动电路，其特征在于，该整流电压实质上等于该第一工作电压。

7.如权利要求1所述的驱动电路，其特征在于，该稳压单元接收该第一工作电压以输出一第二工作电压至该脉冲宽度调制单元。

8.如权利要求1所述的驱动电路，其特征在于，该电压转换器为一降压电路。

9.如权利要求1所述的驱动电路，其特征在于，该交流电源为经由一调光器调整后的交流电源。

10.一种照明装置，适用于接收一交流电源以进行照明，该照明装置包括：

一发光二极管；以及

一驱动电路，耦接该发光二极管，该驱动电路包括：

一整流单元，用以整流该交流电源以输出一第一工作电压；

一分压电路，耦接于该整流单元，接收该第一工作电压以产生对应于该第一工作电压的一分压信号；

一控制单元，包括一稳压单元与一脉冲宽度调制单元，其中该稳压单元的输出端耦接于该脉冲宽度调制单元，该脉冲宽度调制单元输出一脉冲宽度调制信号；

一电压转换器，耦接于该控制器与该发光二极管之间以驱动该发光二极管，并依据该脉冲宽度调制信号调整该发光二极管的一驱动电压与一驱动电流；

一电阻，耦接于该整流单元的输出端与一二极管之间，该二极管的另一端耦接于该稳压单元的一电源输入端；以及

一第一电容，耦接于该稳压单元的该电源输入端与一接地端之间；

其中，该脉冲宽度调制单元根据该分压信号与该电压转换器所输出的一反馈信号调整该脉冲宽度调制信号。

11.如权利要求10所述的照明装置，其特征在于，更包括一第二电容，耦接于该稳压单元的输出端与该接地端之间。

12.如权利要求10所述的照明装置，其特征在于，该电压转换器耦接该整流单元的输出端。

13.如权利要求10所述的照明装置，其特征在于，该整流单元包括一整流器，整流该交流电源以产生一整流电压。

14.如权利要求13所述的照明装置，其特征在于，该整流单元更包括一滤波器，耦接于该整流器的输出端，接收该整流电压以输出该第一工作电压至该电压转换器。

15.如权利要求13所述的照明装置，其特征在于，该整流电压实质上等于该第一工作电压。

16.如权利要求13所述的照明装置，其特征在于，该稳压单元接收该第一工作电压以输出一第二工作电压至该脉冲宽度调制单元。

17.如权利要求13所述的照明装置，其特征在于，该电压转换器为一降压电路。

18.如权利要求13所述的照明装置，其特征在于，该交流电源为经由一调光器调整后的交流电源。

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