TWI444099B - 光源裝置及其調光控制電路 - Google Patents

Description

光源裝置及其調光控制電路

本發明是有關於一種光源裝置及其調光控制電路，且特別是有關於一種二極體的光源裝置及其調光控制電路。

發光二極體(Light Emitting Diode,LED)的體積小、省電且耐用，而且隨著製程的成熟，價格下降，近來以發光二極體做為光源之產品越來越普遍。而且隨著在節能減碳的科技趨勢下，發光二極體逐漸成為新一代的光源。發光二極體工作電壓低、能主動發光且有一定亮度，亮度可用電壓或電流調節，同時具備耐衝擊、抗振動、壽命長(10萬小時)之特點。所以發光二極體在各種終端設備中被廣泛使用，從汽車前照燈、交通信號燈、文字顯示器、看板及大螢幕視頻顯示器，到普通級建築照明和LCD背光等領域。

傳統的燈具可利用調光器(Triac)來進行調光，在居家內部的調光器可與燈具分開設置，例如設置在牆上，讓使用者可以方便調整燈光強度。由於調光器僅適合用來調整電阻式的燈泡，並不適合直接用於調整LED的亮度。因此利用LED燈具直接取代傳統燈具時會因為傳統燈具與LED燈具的驅動方式不同而產生閃爍的情況。

如圖1所示之習知的發光二極體的調光電路100，其包括電阻R1~R3以及電容C1~C3。藉由電阻R1~R3以及電容C1~C3所組成的低通濾波器，可將一調光訊號dim_in轉換為驅動訊號dim_out，以對發光二極體進行調光。由於調光電路100具有截止頻率的限制，當調光訊號dim_in的頻率超出截止頻率時，調光電路100所產生的驅動訊號dim_out因此受到影響，而使發光二極體無法發出預期的亮度。此外，調光電路100還具有調光比(dimming ratio)較小的問題(其調光比約為100:1)。

本發明提供一種光源裝置及其調光控制電路，可提供較高的調光比以及較大的調光頻率範圍。

本發明提出一種調光控制電路，包括一三角波產生器以及一比較器。其中三角波產生器用以產生一三角波訊號。比較器之正輸入端接收一調光訊號，比較器之負輸入端耦接三角波產生器，比較器用以比較三角波訊號與調光訊號以產生一驅動訊號。

本發明亦提出一種光源裝置，包括一發光二極體單元、一電感以及一調光模組。其中發光二極體單元之一端耦接一輸入電壓。電感之一端耦接發光二極體單元的另一端。調光模組耦接電感之另一端，調整發光二極體單元的亮度。調光模組包括一開關單元以及一調光控制電路。其中開關單元耦接於電感的另一端與一接地之間。調光控制電路耦接開關單元，依據一調光訊號產生一驅動訊號以控制開關單元的導通狀態，進而調整發光二極體單元的亮度。調光控制電路包括一三角波產生器以及一比較器。其中三角波產生器用以產生一三角波訊號。比較器之正輸入端接收調光訊號，比較器之負輸入端耦接三角波產生器，比較三角波訊號與調光訊號以產生驅動訊號。

在本發明之一實施例中，上述之光源裝置，更包括一電阻，其耦接於輸入電壓與發光二極體單元之間，調光控制電路更依據流經電阻之電流控制開關單元的導通狀態。

在本發明之一實施例中，上述之光源裝置，更包括一緩衝單元，其耦接調光訊號與調光控制電路，用以緩衝調光訊號。

在本發明之一實施例中，上述之光源裝置，更包括一第二比較器，其正輸入端耦接電阻與發光二極體單元的共同接點，第二比較器的負輸入端耦接一參考電壓，依據電阻與發光二極體單元的共同接點上的電壓以及參考電壓輸出一電流偵測訊號。

在本發明之一實施例中，上述之光源裝置，更包括一分壓單元以及一第三比較器。其中分壓單元耦接於輸入電壓與接地之間，分壓輸入電壓以產生一分壓電壓。第三比較器之正輸入端耦接一參考電壓，第三比較器的負輸入端耦接分壓電壓，依據參考電壓與分壓電壓輸出一電壓過低鎖定訊號，以在輸入電壓過低時禁能調光控制電路。

在本發明之一實施例中，上述之調光訊號為一直流訊號，且調光訊號之電壓準位介於三角波訊號之波峰電壓準位與波谷電壓準位之間。

在本發明之一實施例中，上述之調光訊號為一脈衝寬度調變訊號，且脈衝寬度調變訊號之高電壓準位大於三角波訊號之波峰電壓準位，脈衝寬度調變訊號之低電壓準位小於三角波訊號之波谷電壓準位。

基於上述，本發明藉由三角波產生器以及比較器來產生驅動訊號控制開關單元的導通狀態，如此不但可獲得較高的調光比、增加發光二極體單元的調光精準度，且調光訊號頻率不會如習知技術般受到截止頻率的影響。

為讓本發明之上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

圖2繪示為本發明一實施例之光源裝置的示意圖。請參照圖2，光源裝置200包括一發光二極體單元202、一電感L1以及一調光模組204。其中發光二極體單元202耦接於一輸入電壓Vin與電感L1之間，電感L1耦接於發光二極體單元202與調光模組204之間，調光模組204用以調整發光二極體單元202的亮度。進一步來說，調光模組204可包括一開關單元SW1與一調光控制電路206。在本實施例中，開關單元SW1為利用一電晶體M1來實施，然不以此為限。其中電晶體M1的汲極耦接電感L1，電晶體M1的源極耦接至接地，電晶體M1的閘極則耦接調光控制電路206。

調光控制電路206用以依據一調光訊號Vdim產生一驅動訊號SD1以控制開關單元SW1的導通狀態，進而調整發光二極體單元202的亮度。調光控制電路206包括一三角波產生器208以及一比較器OP1。其中比較器OP1的正輸入端接收調光訊號Vdim，比較器OP1的負輸入端耦接三角波產生器208，比較器OP1的輸出端則耦接開關單元SW1。三角波產生器208用以產生一三角波訊號S1，比較器OP1用以比較三角波訊號S1與調光訊號Vdim以產生驅動訊號SD1。其中調光訊號Vdim可例如為直流訊號或是脈衝寬度調變訊號，且三角波訊號S1的波峰電壓準位為Vh，而波谷電壓準位為V1。

值得注意的是，當調光訊號Vdim為直流訊號時，調光訊號Vdim的電壓準位須介於三角波訊號S1之波峰電壓準位Vh與波谷電壓準位V1之間。如圖3A之類比調光的示意圖所示，藉由比較器OP1比較調光訊號Vdim與三角波訊號S1，當調光訊號Vdim的電壓準位高於三角波訊號S1的電壓準位時，比較器OP1輸出高電壓準位的驅動訊號SD1，使開關單元SW1導通。此時從輸入電壓Vin供應的電流便可經由發光二極體單元202、電感L1以及開關單元SW1流向接地，進而使發光二極體單元202發光。此時電感L1同時累積能量。

而當調光訊號Vdim的電壓準位低於三角波訊號S1的電壓準位時，比較器OP1輸出低電壓準位的驅動訊號SD1，使開關單元SW1斷開。此時則藉由電感L1所累積的能量來供應發光二極體單元202進行發光。如此藉由調整調光訊號Vdim的電壓準位即可改變驅動訊號SD1的工作週期，亦即當調光訊號Vdim的電壓準位越高時，驅動訊號SD1的工作週期越高，而當調光訊號Vdim的電壓準位越低時，驅動訊號SD1的工作週期越低。其中驅動訊號SD1的工作週期將會影響流經發光二極體單元202的電流大小，亦即驅動訊號SD1的工作週期越高時，流經發光二極體單元202的電流越大，發光二極體單元202的亮度越強。相反地，若驅動訊號SD1的工作週期越低，流經發光二極體單元202的電流越小，發光二極體單元202的亮度越弱。

此外，藉由調整三角波訊號S1的頻率可調整驅動訊號SD1的頻率。當三角波訊號S1的頻率變高時，將使得驅動訊號SD1的頻率變高，進而使得開關單元SW1的切換頻率升高，而使得發光二極體單元202的調光更為精準。

圖4A與圖4B繪示為本發明實施例之流經發光二極體單元之電流的波形示意圖。在圖4A與圖4B的實施例中，三角波訊號S1的波峰電壓Vh為2.5伏特(V)，波谷電壓V1則為0.6V。其中圖4A為調光訊號Vdim的電壓值為0.6V時，流經發光二極體單元202之電流的波形，而圖4B為調光訊號Vdim的電壓值為2.4V時，流經發光二極體單元202之電流的波形。如圖4A與圖4B所示，當調光訊號Vdim的電壓值為0.6V與2.4V時，流經發光二極體單元202之電流的平均值分別為2.67毫安培(mA)以及1安培(A)，因此本實施例的調光比可達到1A:2.67mA=375:1，顯然大於習知技術之調光電路100所能達到的調光比。

圖3B繪示為發明一實施例之數位調光的示意圖，請參照圖3B。在本實施例中，調光訊號Vdim為脈衝寬度調變訊號，調光訊號Vdim的高電壓準位大於三角波訊號S1的波峰電壓準位Vh，調光訊號Vdim之低電壓準位小於三角波訊號S1之波谷電壓準位V1。類似地，當調光訊號Vdim的電壓準位高於三角波訊號S1的電壓準位時，比較器OP1輸出高電壓準位的驅動訊號SD1，開關單元SW1導通，進而使發光二極體單元202發光。此時電感L1同時累積能量。而當調光訊號Vdim的電壓準位低於三角波訊號S1的電壓準位時，開關單元SW1斷開。此時電感L1所累積的能量供應發光二極體單元202進行發光。

如此一來，驅動訊號SD1的工作週期便可隨著調光訊號Vdim的工作週期而變化，而當調光訊號Vdim的工作週期越高時，驅動訊號SD1的工作週期越高，流經發光二極體單元202的電流越大，發光二極體單元202的亮度越強。相反地，當調光訊號Vdim的工作週期越低時，驅動訊號SD1的工作週期越低，流經發光二極體單元202的電流越小，發光二極體單元202的亮度越弱。

圖5A與圖5B繪示為本發明實施例之流經發光二極體單元之電流的波形示意圖。在圖5A與圖5B的實施例中，調光訊號Vdim的頻率為20K赫茲(Hz)。其中圖5A為調光訊號Vdim的工作周期為4%時，流經發光二極體單元202之電流的波形，而圖5B為調光訊號Vdim的工作周期為100%時，流經發光二極體單元202之電流的波形。如圖5A與圖5B所示，當調光訊號Vdim的工作周期為4%與100%時，流經發光二極體單元202之電流的平均值分別為18.2mA以及1A，因此本實施例的調光比可達到1A:18.2mA=55:1。

圖6A與圖6繪示為本發明實施例之流經發光二極體單元之電流的波形示意圖。在圖6A與圖6B的實施例中，調光訊號Vdim的頻率為100Hz。其中圖6A為調光訊號Vdim的工作周期為0.02%時，流經發光二極體單元202之電流的波形，而圖6B為調光訊號Vdim的工作周期為100%時，流經發光二極體單元202之電流的波形。如圖6A與圖6B所示，當調光訊號Vdim的工作周期為0.02%與100%時，流經發光二極體單元202之電流的平均值分別為55微安培(uA)以及1A，因此本實施例的調光比可達到1A:55uA=18000:1。由此可知，調光控制電路206不論在低頻或高頻皆可準確有效地對發光二極體單元202進行調光。

如上所述，藉由調光控制電路206中的三角波產生器208以及比較器OP1來產生驅動訊號，不但可獲得較高的調光比、增加發光二極體單元202的調光精準度，且調光訊號Vdim的頻率不會如習知技術般受到截止頻率的影響。

圖7繪示為本發明另一實施例之光源裝置的示意圖。請參照圖7，本實施例之光源裝置700與光源裝置200的不同之處在於，本實施例之光源裝置700更包括一電阻Rs、一蕭基特(Shottky)二極體Z1、一緩衝器702、比較器OP2、OP3以及一分壓單元704。其中電阻Rs耦接於發光二極體單元202與輸入電壓Vin之間。蕭基特(Shottky)二極體Z1耦接於電感L1與輸入電壓Vin之間。比較器OP2的正輸入端耦接電阻Rs與發光二極體單元202的共同接點，比較器OP2的負輸入端耦接一參考電壓Vrf，比較器OP2的輸出端則耦接調光控制電路206。比較器OP3的正輸入端耦接參考電壓Vrf，比較器OP3的負輸入端耦接分壓單元704，比較器OP3的輸出端則耦接調光控制電路206。另外，分壓單元704耦接於輸入電壓Vin與接地之間。

緩衝單元702用以緩衝調光訊號Vdim。比較器OP2比較參考電壓Vrf與電阻Rs與發光二極體單元202的共同接點上的電壓，以偵測流經電阻Rs之電流，亦即偵測流經發光二極體單元202之電流，並據以輸出一電流偵測訊號CS1至調光控制電路206。如此一來，調光控制電路206便可依據電流偵測訊號CS1調整驅動訊號SD1的工作周期，以對發光二極體單元202進行調光。其中調光控制電路206對發光二極體單元202進行調光的詳細作動，已揭露於上述實施例中，因而在此不再贅述。

另外，分壓單元704用以對輸入電壓Vin進行分壓以得到一分壓電壓Vd。在本實例中，分壓單元704包括電阻RA與電阻RB，其串接於輸入電壓Vin與接地之間。比較器OP3比較參考電壓Vrf與分壓電壓Vd，以輸出一電壓過低鎖定(UnderVoltage LockOut,UVLO)訊號UVLO1，以在輸入電壓Vin過低時禁能調光控制電路206。

綜上所述，本發明藉由調光控制電路中的三角波產生器以及比較器來產生驅動訊號，如此不但可獲得較高的調光比、增加發光二極體單元的調光精準度，且調光訊號的頻率不會如習知技術般受到截止頻率的影響。使用者可依實際應用情形自由調整調光訊號的頻率，以避免發光二極體單元出現閃爍的情形，抑或是避免調光訊號的頻率落入人耳可辨識的範圍，而使使用者聽到雜訊。另外，由於調光訊號可為直流訊號或是脈衝寬度調變訊號，因此在硬體設計上只需一個外接腳位，可降低生產成本。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，故本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

100．．．調光電路

200、700．．．光源裝置

202‧‧‧發光二極體單元

204‧‧‧調光模組

206‧‧‧調光控制電路

208‧‧‧三角波產生器

702‧‧‧緩衝器

704‧‧‧分壓單元

R1~R3、Rs、RA、RB‧‧‧電阻

C1~C3‧‧‧電容

dim_in‧‧‧調光訊號

dim_out‧‧‧驅動訊號

L1‧‧‧電感

Vin‧‧‧輸入電壓

SW1‧‧‧開關單元

M1‧‧‧電晶體

SD1‧‧‧驅動訊號

OP1、OP2、OP3‧‧‧比較器

S1‧‧‧三角波訊號

Vh‧‧‧波峰電壓準位為

V1‧‧‧波谷電壓準位為

UVLO1‧‧‧電壓過低鎖定訊號

Z1‧‧‧蕭基特(Shottky)二極體

Vrf‧‧‧參考電壓

CS1‧‧‧電流偵測訊號

Vd‧‧‧分壓電壓

圖1繪示為習知的發光二極體調光電路。

圖2繪示為本發明一實施例之光源裝置的示意圖。

圖3A繪示為發明一實施例之類比調光的示意圖。

圖3B繪示為發明一實施例之數位調光的示意圖。

圖4A~圖6B繪示為本發明實施例之流經發光二極體單元之電流的波形示意圖。

圖7繪示為本發明另一實施例之光源裝置的示意圖。

200．．．光源裝置

202．．．發光二極體單元

204．．．調光模組

206．．．調光控制電路

208．．．三角波產生器

L1．．．電感

Vin．．．輸入電壓

SW1．．．開關單元

M1．．．電晶體

SD1．．．驅動訊號

OP1．．．比較器

S1．．．三角波訊號

Claims (6)

1. 一種光源裝置，包括：一發光二極體單元，其一端耦接一輸入電壓；一電感，其一端耦接該發光二極體單元的另一端；一調光模組，耦接該電感之另一端，調整該發光二極體單元的亮度，該調光模組包括：一開關單元，耦接於該電感的另一端與一接地之間；以及一調光控制電路，耦接該開關單元，依據一調光訊號產生一驅動訊號以控制該開關單元的導通狀態，進而調整該發光二極體單元的亮度，該調光控制電路包括：一三角波產生器，產生一三角波訊號；以及一比較器，其正輸入端接收該調光訊號，該比較器之負輸入端耦接該三角波產生器，比較該三角波訊號與該調光訊號以產生該驅動訊號；一分壓單元，耦接於該輸入電壓與該接地之間，分壓該輸入電壓以產生一分壓電壓；以及一第三比較器，其正輸入端耦接一參考電壓，該第三比較器的負輸入端耦接該分壓電壓，依據該參考電壓與該分壓電壓輸出一電壓過低鎖定訊號，以在該輸入電壓過低時禁能該調光控制電路。
2. 如申請專利範圍第1項所述之光源裝置，更包括：一電阻，耦接於該輸入電壓與該發光二極體單元之間，該調光控制電路更依據流經該電阻之電流控制該開關 單元的導通狀態。
3. 如申請專利範圍第2項所述之光源裝置，更包括：一緩衝單元，耦接該調光訊號與該調光控制電路，緩衝該調光訊號。
4. 如申請專利範圍第2項所述之光源裝置，更包括：一第二比較器，其正輸入端耦接該電阻與該發光二極體單元的共同接點，該第二比較器的負輸入端耦接一參考電壓，依據該電阻與該發光二極體單元的共同接點上的電壓以及該參考電壓輸出一電流偵測訊號。
5. 如申請專利範圍第1項所述之光源裝置，其中該調光訊號為一直流訊號，且該調光訊號之電壓準位介於該三角波訊號之波峰電壓準位與波谷電壓準位之間。
6. 如申請專利範圍第1項所述之光源裝置，其中該調光訊號為一脈衝寬度調變訊號，且該脈衝寬度調變訊號之高電壓準位大於該三角波訊號之波峰電壓準位，該脈衝寬度調變訊號之低電壓準位小於該三角波訊號之波谷電壓準位。