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TWI420966B - 離線發光二極體驅動電路 - Google Patents

離線發光二極體驅動電路 Download PDF

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TWI420966B
TWI420966B TW099112115A TW99112115A TWI420966B TW I420966 B TWI420966 B TW I420966B TW 099112115 A TW099112115 A TW 099112115A TW 99112115 A TW99112115 A TW 99112115A TW I420966 B TWI420966 B TW I420966B
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Taiwan
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signal
level
feedback
driving circuit
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TW099112115A
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Inventor
Ta Yung Yang
Chien Yuan Lin
Chien Tung Lan
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System General Corp
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    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B45/00—Circuit arrangements for operating light-emitting diodes [LED]
    • H05B45/10—Controlling the intensity of the light
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B45/00—Circuit arrangements for operating light-emitting diodes [LED]
    • H05B45/30—Driver circuits
    • H05B45/37—Converter circuits
    • H05B45/3725—Switched mode power supply [SMPS]
    • H05B45/382—Switched mode power supply [SMPS] with galvanic isolation between input and output

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  • Circuit Arrangement For Electric Light Sources In General (AREA)
  • Dc-Dc Converters (AREA)

Description

離線發光二極體驅動電路
本發明係關於一種驅動電路，特別是有關於一種發光二極體(Light Emitting Diode，LED)驅動電路。
近來，由於發光二極體(Light Emitting Diode，LED)具有較長的使用壽命、較高的發光效率以及較小的外型，使得LED取代了傳統白熾與螢光發光裝置，已成為許多應用(例如汽車與家用設備)上的發光源。
傳統的LED調光控制通常是藉由調整流經LED的順向電流來實現。以白光LED為例，當流經白光LED的順向電流變為小於其標準順向電流時，其色溫將變為較低。此色溫的差異為製造業者所不樂見。因此，需要提出一種具有穩定色溫性能的LED調光控制技術。
本發明提供一種離線發光二極體(Light Emitting Diode，LED)驅動電路，其包括一控制器、一並聯調節器、一光耦合器、以及一調光電路。控制器用以產生一切換信號來切換一變壓器，以在離線LED驅動電路之輸出端上提供一輸出電壓及一輸出電流。並聯調節器耦接離線LED驅動電路之輸出端，用以透過光耦合器來提供一回授信號至控制器。調光電路耦接並聯調節器以調整回授信號。調光電路根據一調光信號來分別地將回授信號調整為一第一回授準位以及一第二回授準位。切換信號之工作週期根據回授信號而改變。輸出電壓根據回授信號之第一回授準位及第二回授準位而分別地被調整為一第一輸出準位及一第二輸出準位。第一回授準位高於第二回授準位。控制器包括一軟啟動電路及一拴鎖電路。軟啟動電路根據回授信號來改變切換信號之工作週期。當回授信號由第二回授準位變為第一回授準位時，切換信號之工作週期將以軟啟動的方式來變化。當回授信號由第一回授準位變為第二回授準位時，拴鎖電路拴鎖住其輸出狀態。
輸出電壓根據調光信號而在第一輸出準位與第二輸出準位間交替地調整。輸出電流根據調光信號而在零與一固定電流準位間交替地調整。輸出電壓之第一輸出準位高於由離線LED驅動電路所驅動之多個串聯LED的順向電壓總和。輸出電壓之第二輸出準位低於由離線LED驅動電路所驅動之多個串聯LED的順向電壓總和。
為使本發明之上述目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉一較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。
本發明提供一種具有調光控制之離線(offline)發光二極體(Light Emitting Diode，LED)驅動電路。圖1係表示根據本發明一實施例之離線LED驅動電路100a。離線LED驅動電路100a包括一次側調節器、回授電路以及調光電路55a。一次側調節器包括控制器50、變壓器10、電晶體15、整流器13與20、電容器14與25以及電阻器11、12與17。回授電路包括並聯調節器、光耦合器36以及電阻器35。離線LED驅動電路100a用來驅動彼此串聯之LED 27-29。
控制器50產生切換信號VPWM ，以透過電晶體15來切換變壓器10。控制器50控制一次側調節器以在離線LED驅動電路100a之輸出端上提供輸出電壓VO 及輸出電流IO 。更多關於一次側調節器的詳細操作敍述請參見編號為6,977,824且其標題為”Control Circuit for Controlling Output Current at the Primary Side of a Power Converter”的美國專利。誤差放大器30、參考電壓VR 、電容器31以及分壓器形成了並聯調節器。電容器31耦接誤差放大器30之負端與輸出端之間，用以電壓回授補償。並聯調節器之輸入端透過由電阻器32與33所組成的分壓器來耦接離線LED驅動電路100a之輸出端。分壓器耦接於離線LED驅動電路100a之輸出端與二次側參考接地之間。並聯調節器之輸出端透過光耦合器36來耦接控制器50之回授端FB。回授信號VFB 產生於控制器50之回授端FB上。切換信號VPWM 之工作週期係根據回授信號VFB 而變化。調光電路55a包括電阻器34以及電晶體37。電阻器34耦接於電晶體37的汲極與分壓器的接合點之間。電晶體37之源極耦接二次側參考接地。調光信號SDIM 控制電晶體37之閘極。調光電路55a耦接並聯調節器，以調整回授信號VFB 。跨於電阻器33之電壓V33 與參考電壓VR 進行比較，以決定誤差放大器30之輸出端的準位。
圖2係表示根據本發明實施例之控制器50。控制器50包括衰減電路40、比較器46、一次側調節電路60、以及調光控制電路600。衰減電路40包括電晶體41及電阻器42、43與45。電阻器45耦接於電壓源VCC 與電晶體41的閘極之間。電晶體41之閘極耦接控制器50之回授端FB。電晶體41之汲極耦接電壓源VCC 。電阻器42及43串聯於電晶體41的源極與一次側參考接地之間。衰減電路40根據回授信號VFB 來產生控制信號VF 。控制信號VF 可由以下式子來表示：
其中，VTH 係表示電晶體41之臨界電壓。
一次側調節電路60接收檢測信號VDET 、電流偵測信號VIP 、電壓回路信號SV 、以及參考電壓VREF1 ，以產生切換信號VPWM 。一次側調節電路60更產生脈波信號PLS以及斜坡信號RMP。控制信號VF 被提供至比較器46以與斜坡信號RMP進行比較來產生電壓回路信號SV 。控制信號VF 與脈波信號PLS被提供至調光控制電路600，以決定參考電壓VREF1 ，來實現輸出電流IO 的軟啟動操作。
圖3係表示根據本發明實施例之一次側調節電路60。一次側調節電路60的詳細原理與電路操作也可參見編號為6,977,824且標題為”Control Circuit for Controlling Output Current at the Primary Side of a Power Converter”的美國專利。
圖4係表示根據本發明實施例之調光控制電路600。調光控制電路600包括拴鎖電路601以及軟啟動電路602。拴鎖電路601包括比較器610與620、延遲電路615與625、及閘617、反及閘627、以及正反器630。比較器610之負端與比較器620之正端接收控制信號VF 。比較器610之正端及比較器620之負端分別接收臨界值VTA 與VTB 。及閘617之第一輸入端耦接比較器610之輸出端。及閘617之第二輸入端透過延遲電路615耦接比較器610之輸出端。反及閘627之第一輸入端耦接比較器620之輸出端。反及閘627之第二輸入端透過延遲電路625耦接比較器620之輸出端。及閘617之輸出端產生一設置信號，以設定正反器630。反及閘627之輸出端產生一重置信號，以重置正反器630。正反器630之輸出端產生軟啟動信號MOD。拴鎖電路601根據控制信號VF 來產生軟啟動信號MOD。當控制信號VF 低於臨界值VTA 時，將產生設置信號來設置正反器630。一旦控制信號VF 高於臨界值VTB ，將產生重置信號來重置正反器630。延遲電路615及及閘617提供了防止誤動作(de-bounce operation)以產生設置信號。因此，當回授信號VFB 由第一回授準位變為第二回授準位時，拴鎖電路601之輸出狀態將被拴鎖住。
軟啟動電路602包括反及閘640、及閘645、計數器650、以及數位至類比轉換器670。當軟啟動信號MOD為邏輯高準位時，軟啟動信號MOD用來重置計數器650。脈波信號PLS被提供至及閘645之第一輸入端。及閘645之輸出端用來計數計數器650。計數器650根據脈波信號PLS來產生數位信號Nn ...N2 。數位至類比轉換器670具有多個數位輸入端，用以接收數位信號Nn ...N2 。數位至類比轉換器670更具有多個輸入端，用以接收數位信號N1 及N0 ，其中數位信號N1 及N0 耦接電壓源VCC (邏輯高準位)。數位信號Nn 為最高有效位元，而數位信號N0 為最低有效位。由數位至類比轉換器670所產生之參考電壓VREF1 的值係由數位信號Nn ...N0 所轉換獲得的。反及閘640具有多個輸入端，其接收數位信號Nn ...N2 。反及閘640之輸出端耦接及閘645之第二輸入端。當計數器650之輸出被清除時，因而獲得參考電壓VREF1 之最小值，此最小值是由數位信號N1 與N0 所決定。當軟啟動信號MOD被禁能時(邏輯低準位)，計數器650將根據脈波信號PLS而開始向上計數。這使得參考電壓VREF1 逐漸地增加。當計數器650的每一輸出都變成邏輯高準位時，將停止向上計數。因此，軟啟動電路602將根據參考信號VREF1 調整切換信號VPWM 。當回授信號VFB 由第二回授準位變為第一回授準位時，切換信號VPWM 之工作週期將以軟啟動的方式來變化。
圖5係表示根據本發明之延遲電路，例如延遲電路615及625。延遲電路包括電流源840、反相器810、電晶體820、電容器830以及及閘850。延遲電路之輸入端耦接反相器810之輸入端以及及閘850之第一輸入端。反相器810之輸出端耦接電晶體820之閘極。電晶體820之汲極耦接及閘850之第二輸入端。電流源840耦接於電壓源VCC 與電晶體820的汲極之間。電晶體820之源極耦接一次側參考接地。電容器830耦接於電晶體820的汲極與一次側參考接地之間。及閘850之輸出端耦接延遲電路之輸出端，以產生延遲信號。因此，延遲電路接收輸入信號，以在一延遲時間後產生該延遲信號。延遲電路的延遲時間係由電流源840之電流大小與電容器830之電容值來決定。
圖6係表示本發明實施例中主要信號之波形。參閱圖1及圖6，當調光信號SDIM 變為邏輯低準位時，電晶體37將截止，以調整回授信號VFB 使其處於第二回授準位。輸出電壓VO 將根據回授信號VFB 的第二回授準位而調整為第二輸出準位VO2 。輸出電壓VO 的第二輸出準位VO2 為一預設準位，其僅低於串聯LED 27-29的順向電壓總和。當輸出電壓VO 的第二輸出準位VO2 產生於離線LED驅動電路100a之輸出端時，所有的LED 27-29都將熄滅。第二輸出準位VO2 可以下式來表示：
其中，R32 與R33 分別表示電阻器32及33的電阻值，而Vr 係表示參考電壓VR 的值。
當調光信號SDIM 變為邏輯高準位時，電晶體37將導通，以使得電阻器34與電阻器33並聯。這將回授信號VFB 調整為第一回授準位。輸出電壓VO 將根據回授信號VFB 的第一回授準位而調整為第一輸出準位VO1 。當輸出電壓VO 的第一輸出準位VO1 產生於離線LED驅動電路100a之輸出端時，所有的LED 27-29都將點亮。第一輸出準位VO1 可以下式來表示：
其中，RP 係表示電阻器33與電阻器34的並聯等效電阻，其可以下式來表示：
第一回授準位高於第二回授準位，且第一輸出準位VO1 高於第二輸出準位VO2 。輸出電壓VO 根據調光信號SDIM 而在第一輸出準位VO1 與第二輸出準位VO2 間被交替地調整。輸出電流IO 也根據調光信號SDIM 而在零與固定電流準位IK 間被交替地調整。輸出電壓VO 由第二輸出準位VO2 爬升至第一輸出準位VO1 的期間等於輸出電流IO 由零爬升至固定電流準位IK 的期間。根據控制信號VF ，調光控制電路600導致輸出電流IO 在前述期間內(以圖6之標號TSS 來表示)以軟啟動的方式漸增。
圖7係表示根據本發明另一實施例之離線LED驅動電路100b。與圖1之實施例不同之處在於，調光電路55b包括電流源38及反相器39。調光信號SDIM 透過反相器39控制電流源38。電流IDIM 由電流源38提供至電阻器32與33的接合點。調光電路55b耦接並聯調節器以調整回授信號VFB 。輸出電壓VO 的第一輸出準位VO1 與第二輸出準位VO2 分別以下式來表示：
如上述實施例所述，本發明之離線LED驅動電路係利用一PWM調整的調光信號來交替地在兩輸出準位之間調整輸出電壓VO 且在零與固定電流準位IK 之間調整輸出電流IO ，以實現具有穩定色溫性能的LED調光控制。
惟，以上所述，僅為本發明最佳之一的具體實施例之詳細說明與圖式，惟本發明之特徵並不局限於此，並非用以限制本發明，本發明之所有範圍應以下述之申請專利範圍為准，凡合于本發明申請專利範圍之精神與其類似變化之實施例，皆應包含于本發明之範疇中，任何熟悉該項技藝者在本發明之領域內，可輕易思及之變化或修飾皆可涵蓋在以下本案之專利範圍。
 圖1：
10．．．變壓器
11、12．．．電阻器
13．．．整流器
14．．．電容器
15．．．電晶體
17．．．電阻器
20．．．整流器
25．．．電容器
27-29．．．發光二極體
30．．．誤差放大器
31．．．電容器
32、33、34．．．電阻器
35．．．電阻器
36．．．光耦合器
37．．．電晶體
50．．．控制器
55a．．．調光電路
100a．．．離線LED驅動電路
IO ．．．輸出電流
SDIM ．．．調光信號
V33 ．．．電壓
VCC ．．．電壓源
VDET ．．．檢測信號
VFB ．．．回授信號
VIP ．．．電流偵測信號
VO ．．．輸出電壓
VPWM ．．．切換信號
VR ．．．參考電壓
圖2：
40．．．衰減電路
41．．．電晶體
42、43、45．．．電阻器
46．．．比較器
60．．．一次側調節電路
600．．．調光控制電路
PLS．．．脈波信號
RMP．．．斜坡信號
SV ．．．電壓回路信號
VF ．．．控制信號
VREF1 ．．．參考電壓
圖3：
71．．．運算放大器
75．．．比較器
91、92．．．及閘
93．．．反相器
95．．．D型正反器
100．．．放電時間檢測器
200．．．振盪器
300．．．波形檢測器
400．．．PWM電路
500．．．積分器
CLR．．．清除信號
PLS．．．振盪信號
SDS ．．．放電時間信號
SI ．．．電流回路信號
SV ．．．電壓回路信號
VA 、VB ．．．電流波形信號
VCC ．．．供應電壓
VPWM ．．．切換信號
VX ．．．積分信號
圖4：
601．．．拴鎖電路
602．．．軟啟動電路
610、620．．．比較器
615、625．．．延遲電路
617．．．及閘
627．．．反及閘
630．．．正反器
640．．．反及閘
645．．．及閘
650．．．計數器
670．．．數位至類比轉換器
MOD．．．軟啟動信號
Nn ...N0 ．．．數位信號
VTA 、VTB ．．．臨界值
圖5：
810‧‧‧反相器
820‧‧‧電晶體
830‧‧‧電容器
840‧‧‧電流源
850‧‧‧及閘
圖6：
VO1 ‧‧‧第一輸出準位
VO2 ‧‧‧第二輸出準位
IK ‧‧‧固定電流準位
TSS ‧‧‧期間
圖7：
38‧‧‧電流源
39‧‧‧反相器
55b‧‧‧調光電路
IDIM ‧‧‧電流
圖1繪示根據本發明一實施例之離線LED驅動電路；
圖2繪示根據本發明實施例之離線LED驅動電路的控制器；
圖3繪示根據本發明實施例之控制器的一次側調節電路；
圖4繪示根據本發明實施例之控制電路的調光控制電路；
圖5繪示根據本發明之調光控制電路的延遲電路；
圖6繪示本發明實施例中主要信號之波形；以及
圖7繪示根據本發明另一實施例之離線LED驅動電路。
10．．．變壓器
11、12．．．電阻器
13．．．整流器
14．．．電容器
15．．．電晶體
17．．．電阻器
20．．．整流器
25．．．電容器
27-29．．．發光二極體
30．．．誤差放大器
31．．．電容器
32、33、34．．．電阻器
35．．．電阻器
36．．．光耦合器
37．．．電晶體
50．．．控制器
55a．．．調光電路
100a．．．離線LED驅動電路
IO ．．．輸出電流
SDIM ．．．調光信號
V33 ．．．電壓
VCC ．．．電壓源
VDET ．．．偵測信號
VFB ．．．回授信號
VIP ．．．電流偵測信號
VO ．．．輸出電壓
VPWM ．．．切換信號
VR ．．．參考電壓

Claims (9)

  1. 一種離線發光二極體(Light Emitting Diode，LED)驅動電路，包括：一控制器，用以產生一切換信號來切換一變壓器，以在該離線LED驅動電路之一輸出端上提供一輸出電壓及一輸出電流；一並聯調節器，耦接該離線LED驅動電路之該輸出端，用以提供一回授信號至該控制器，其中，該並聯調節器包括：一第一電阻器，耦接於該輸出端以及一節點之間；一第二電阻器，耦接於該節點與一參考接地之間；一誤差放大器，具有耦接一參考電壓之一正端、耦接該節點之一負端、以及耦接該回授信號之一輸出端；以及一電容器，耦接於該誤差放大器之該負端與該輸出端之間；以及一調光電路，耦接該並聯調節器於該節點，以調整該回授信號；其中，該調光電路根據一調光信號來分別地將該回授信號調整為一第一回授準位及一第二回授準位；以及其中，該切換信號之一工作週期根據該回授信號而改變，且該輸出電壓根據該回授信號之該第一回授準位及該第二回授準位而分別地被調整為一第一輸出準位及一第二輸出準位。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之離線LED驅動電路，其中，該第一回授準位高於該第二回授準位。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之離線LED驅動電路，其中，該控制器包括一軟啟動電路，用以根據該回授信號來改變該切換 信號之該工作週期，且當該回授信號由該第二回授準位變為該第一回授準位時，該切換信號之該工作週期將以軟啟動的方式來變化。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之離線LED驅動電路，更包括一光耦合器，耦接於該並聯調節器與該控制器之間。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之離線LED驅動電路，其中，該控制器包括一拴鎖電路，當該回授信號由該第一回授準位變為該第二回授準位時，用以拴鎖住拴鎖電路之輸出狀態。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之離線LED驅動電路，其中，該輸出電壓根據該調光信號而在該第一輸出準位與該第二輸出準位間交替地調整。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之離線LED驅動電路，其中，該輸出電流根據該調光信號而在零與一固定電流準位間交替地調整。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之離線LED驅動電路，其中，該輸出電壓之該第一輸出準位高於由該離線LED驅動電路所驅動之多個串聯LED的順向電壓總和。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之離線LED驅動電路，其中，該輸出電壓之該第二輸出準位低於由該離線LED驅動電路所驅動之多個串聯LED的順向電壓總和。
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