TWI425862B - 雙端電流控制器及相關發光二極體照明裝置 - Google Patents

Description

雙端電流控制器及相關發光二極體照明裝置

本發明相關於一種雙端電流控制器及相關發光二極體照明裝置，尤指一種可提高功率因素之雙端電流控制器及相關發光二極體照明裝置。

相較於傳統的白熾燈泡，發光二極體(light emitting diode,LED)具有耗電量低、元件壽命長、體積小、無須暖燈時間和反應速度快等優點，並可配合應用需求而製成極小或陣列式的元件。除了戶外顯示器、交通號誌燈之外、各種可攜式消費性電子產品，例如行動電話、筆記型電腦或個人數位助理(personal digital assistant,PDA)的液晶顯示螢幕背光源之外，發光二極體亦廣泛地被應用於各種室內室外照明裝置，以取代日光燈管、白熾燈泡等等。

請參考第1圖，第1圖為一發光二極體之電壓-電流特性圖。當發光二極體之順向偏壓(forward-bias voltage)小於其隔離電壓(barrier voltage)Vb時，流經發光二極體之電流極小，此時可視為開路；當發光二極體之順向偏壓大於其隔離電壓Vb時，流經發光二極體之電流會隨著其順向偏壓呈指數型的增加，此時可視為短路。隔離電壓Vb之值相關於發光二極體之材料和摻雜濃度，通常介於1.5和3.5伏特之間。由於針對大多數的電流值，發光二極體之亮度和電流呈正比，因此一般會使用電流源來驅動發光二極體，讓不同的發光二極體皆能達到一致的發光亮度。

請參考第2圖，第2圖為先前技術中一發光二極體照明裝置500的示意圖。發光二極體照明裝置500包含一電源供應電路110、一電阻R，和一發光裝置10。電源供應電路110可接收一具正負週期之交流電壓VS，並利用一橋式整流器112來轉換交流電壓VS在負週期內之輸出電壓，因此可提供一整流交流電壓V_AC 以驅動發光裝置10，其中整流交流電壓V_AC 之值隨著時間而有週期性變化。電阻R串聯於發光裝置10，用來限定流經發光裝置10之電流I_LED 。在照明應用中，往往需要使用許多發光二極體來提供足夠光源，由於發光二極體係為一電流驅動元件，其發光亮度與驅動電流之大小成正比，為了達到高亮度和亮度均勻的要求，發光裝置10一般會包含複數個串接之發光二極體D₁ ～D_n 。假設發光二極體D₁ ～D_n 之隔離電壓皆為理想值Vb，而整流交流電壓V_AC 之值隨著時間而在0和V_MAX 之間呈週期性變化，則開啟發光裝置10所需之驅動電壓其值需大於n*Vb，亦即0<V_AC <n*Vb間的能量並無法利用。串聯發光二極體的數量越多，導通發光裝置10所需的順向偏壓越高，若發光二極體數量太少，則會使得發光二極體在V_AC =V_MAX 時驅動電流過大，進而影響發光二極體的可靠度。因此，先前技術之發光二極體照明裝置500僅能在可操作電壓範圍與發光二極體可靠度之間作一取捨。另一方面，具限流作用之電阻R亦會消耗額外能量，進而降低系統效率。

請參考第3圖，第3圖為先前技術中另一發光二極體照明裝置600的示意圖。發光二極體照明裝置600包含一電源供應電路110、一電感L、一電容C、一開關SW，和一發光裝置10。電源供應電路110可接收一具正負週期之交流電壓VS，並利用一橋式整流器112來轉換交流電壓VS在負週期內之輸出電壓，因此可提供一整流交流電壓V_AC 以驅動發光裝置10，其中整流交流電壓V_AC 之值隨著時間而有週期性變化。電感L和開關SW串聯於發光裝置10，用來限定流經發光裝置10之電流I_LED 。電容C並聯於發光裝置10，用來吸收電源供應電路110之電壓漣波(voltage ripple)。相較於發光二極體照明裝置500之電阻R，電感L在限流時消耗的能量較少，但具限流作用之電感L和具穩壓作用之電容C會大幅降低發光二極體照明裝置600之功率因素(power factor)，讓能量利用率變低。同時，在照明應用中，先前技術之發光二極體照明裝置600僅能在可操作電壓範圍與亮度之間作一取捨。

本發明提供一種發光二極體照明裝置，其包含一第一發光元件，其依據一第一電流來提供光源；一第二發光元件，串聯於該第一發光元件且依據一第二電流來提供光源；以及一雙端電流控制器，並聯於該第一發光元件且串聯於該第二發光元件，用來依據該第一發光元件之跨壓來調節該第二電流，其中在一整流交流電壓之一上升週期內當該第一發光元件之跨壓不大於一第一電壓時，該雙端電流控制器呈導通以將該第一電流限定至約莫為零，並依據該第一發光元件之跨壓來調整該第二電流之值，且該整流交流電壓之值隨著時間而有週期性的變化；在該上升週期內當該第一發光元件之跨壓大於該第一電壓且不大於一第二電壓時，該雙端電流控制器呈導通以將該第一電流限定至約莫為零，並將該第二電流之值固定在大於零之一預定值；且在該上升週期內當該第一發光元件之跨壓大於該第二電壓時，該雙端電流控制器呈關閉以使得該第一和該第二電流具相同值。

本發明另提供一種雙端電流控制器，用來控制流經一負載之一第一電流，其中在一整流交流電壓之一上升週期內當該負載之跨壓不大於一第一電壓時，該雙端電流控制器導通相關於該整流交流電壓之一第二電流，進而將該第一電流限定至約莫為零，並依據該負載之跨壓來調整該第二電流之值；在該上升週期內當該負載之跨壓大於該第一電壓且不大於一第二電壓時，該雙端電流控制器導通該第二電流以將該第一電流限定至約莫為零，並將該第二電流之值固定在大於零之一預定值；且當該負載之跨壓大於該第二電壓時，該雙端電流控制器呈關閉以使得該第一和該第二電流具相同值。

請參考第4圖，第4圖為本發明第一實施例中一發光二極體照明裝置100示意圖。發光二極體照明裝置100包含一電源供應電路110、一雙端電流控制器120，和一發光裝置10。電源供應電路110可接收一具正負週期之交流電壓VS，並利用一橋式整流器112來轉換交流電壓VS在負週期內之輸出電壓，因此可提供一整流交流電壓V_AC 以驅動發光裝置10，其中整流交流電壓V_AC 之值隨著時間而有週期性變化。發光裝置10可包含n個串接之發光單元D₁ ～D_n ，每一發光單元可包含一個發光二極體或複數個發光二極體，第4圖僅顯示了採用單一發光二極體之架構，其中流經發光裝置10之電流由I_LED 來表示，而其跨壓由V_AK 來表示。雙端電流控制器120並聯於發光裝置10和電源供應電路110，可依據整流交流電壓V_AC 之值來控制流經發光裝置10之電流I_LED ，流經雙端電流控制器120之電流由I_AK 來表示，而其跨壓由V_AK 來表示。在本發明第一實施例中，雙端電流控制器120之隔離電壓Vb’遠小於發光裝置10之整體隔離電壓n*Vb(假設每一發光單元之隔離電壓皆為Vb)。

第5圖和第6圖說明了本發明發光二極體照明裝置100之運作，其中第5圖顯示了雙端電流控制器120運作時之電流-電壓特性圖，而第6圖顯示了發光二極體照明裝置100運作時相關電流和電壓的變化。在第5圖中，縱軸代表流經雙端電流控制器120之電流I_AK ，橫軸代表雙端電流控制器120之跨壓V_AK 。在本發明第一實施例中，當電壓V_AK 之值介於0和V_DROP 之間時，雙端電流控制器120之作用如同一壓控元件，亦即當電壓V_AK 大於雙端電流控制器120之隔離電壓Vb’時，流經雙端電流控制器120之電流I_AK 會隨著其跨壓V_AK 呈特定變化。當電壓V_AK 之值介於V_DROP 和V_{OFF_TH} 之間時，雙端電流控制器120之作用如同一定電流源，亦即電流I_AK 之值不再隨著電壓V_AK 變化，而是被限定在一最大電流I_MAX 。當電壓V_AK 之值大於V_{OFF_TH} 時，此時雙端電流控制器120會被關閉，其電流I_AK 之值瞬間降至0，因此可視為開路。

第6圖顯示了本發明第一實施例中電壓V_AK 、電流I_AK 和電流I_LED 之波形。如前所述，由於電壓V_AK 之值相關於整流交流電壓V_AC ，其值隨著時間而有週期性變化，因此以包含時間點t₀ ～t₆ 之一個週期來做說明，其中時間點t₀ ～t₃ 之間為整流交流電壓V_AC 之上升週期，而時間點t₃ ～t₆ 之間為整流交流電壓V_AC 之下降週期。在時間點t₀ 和t₁ 之間，電壓V_AK 逐漸上升，雙端電流控制器120首先被導通，電流I_AK 之值會隨著電壓V_AK 以特定方式增加，此時電流I_LED 之值約莫為零。在時間點t₁ 和t₂ 之間，電壓V_AK 大於電壓V_DROP ，雙端電流控制器120會將電流I_AK 之值限定在最大電流I_MAX ，而此時發光裝置10仍未導通，因此電流I_LED 之值依舊約莫為零。在時間點t₂ 和t₄ 之間，電壓V_AK 之值大於電壓V_{OFF_TH} ，雙端電流控制器120會被關閉，而相關於整流交流電壓V_AC 之電流則由發光裝置10來導通，此時電流I_AK 之值降至零，而電流I_LED 之值則隨著電壓V_AK 變化。在時間點t₄ 和t₅ 之間，電壓V_AK 降至介於V_DROP 和V_OFF,TH 之間，雙端電流控制器120會導通，因此電流I_AK 之值會再次被限定在最大電流I_MAX ，而電流I_LED 之值會降至約莫為零。在時間點t₅ 和t₆ 之間，電壓V_AK 降至低於電壓V_DROP ，此時電流I_AK 之值會隨著電壓V_AK 以特定方式減少。

請參考第7圖，第7圖為本發明第二實施例中一發光二極體照明裝置200示意圖。發光二極體照明裝置200包含一電源供應電路110、一雙端電流控制器120，和一發光裝置20。本發明第一和第二實施例結構類似，不同之處在於發光裝置20之結構和與雙端電流控制器120之銜接方式。在本發明第二實施例中，發光裝置20包含兩發光元件21和25：發光元件21並聯於雙端電流控制器120且其包含m個串接之發光單元D₁ ～D_m ，流經發光元件21之電流由I_{LED_AK} 來表示，而其跨壓由V_AK 來表示；發光元件25串聯於雙端電流控制器120且其包含n個串接之發光單元D₁ ～D_n ，流經發光元件25之電流由I_LED 來表示，而其跨壓由V_LED 來表示。每一發光單元可包含一個發光二極體或複數個發光二極體，第7圖僅顯示了採用單一發光二極體之架構。雙端電流控制器120依據整流交流電壓V_AC 之值來控制流經發光裝置20之電流，流經雙端電流控制器120之電流由I_AK 來表示，而其跨壓由V_AK 來表示。在本發明第二實施例中，雙端電流控制器120之隔離電壓Vb’遠小於發光元件21之整體隔離電壓m*Vb(假設每一發光單元之隔離電壓皆為Vb)。

第8圖和第9圖說明了本發明第二實施例中發光二極體照明裝置200之運作，其中第8圖顯示了雙端電流控制器120運作時之電流-電壓特性圖，而第9圖顯示了發光二極體照明裝置200運作時相關電流和電壓的變化。在第8圖中，縱軸代表流經雙端電流控制器120之電流I_AK ，橫軸代表雙端電流控制器120之跨壓V_AK 。在整流交流電壓V_AC 之上升週期，當電壓V_AK 之值介於0和V_DROP 之間時，雙端電流控制器120之作用如同一壓控元件，亦即當電壓V_AK 大於雙端電流控制器120之隔離電壓Vb’時，流經雙端電流控制器120之電流I_AK 會隨著其跨壓V_AK 呈特定變化。當電壓V_AK 之值介於V_DROP 和V_{OFF_TH} 之間時，雙端電流控制器120之作用如同一定電流源，亦即電流I_AK 之值不再隨著電壓V_AK 變化，而是被限定在一最大電流I_MAX 。當電壓V_AK 之值大於V_{OFF_TH} 時，此時雙端電流控制器120會被關閉，其電流I_AK 之值瞬間降至0，因此可視為開路。在整流交流電壓V_AC 之下降週期，當電壓V_AK 之值降至低於V_{ON_TH} 時，此時雙端電流控制器120會被開啟並將電流I_AK 之值限定在最大電流I_MAX 。當電壓V_AK 之值降至介於0和V_DROP 之間時，雙端電流控制器120之作用如同一壓控元件，亦即當電壓V_AK 大於雙端電流控制器120之隔離電壓Vb’時，流經雙端電流控制器120之電流I_AK 會隨著其跨壓V_AK 呈特定變化。

第9圖顯示了本發明第二實施例中電壓V_AC 、V_AK 、V_LED 和電流I_AK 、I_{LED_AK} 、I_LED 之波形。如前所述，由於整流交流電壓V_AC 之值隨著時間而有週期性變化，因此以包含時間點t₀ ～t₆ 之一個週期來做說明，其中時間點t₀ ~t₃ 之間為整流交流電壓V_AC 之上升週期，而時間點t₃ ~t₆ 之間為整流交流電壓V_AC 之下降週期。在時間點t₀ 和t₁ 之間，雙端電流控制器120之跨壓V_AK 和發光元件25中n個串接發光單元之跨壓V_LED 隨著整流交流電壓V_AC 逐漸上升。由於雙端電流控制器120之隔離電壓Vb’遠小於發光元件21中m個串接發光單元之整體隔離電壓m*Vb，因此雙端電流控制器120首先會被導通，此時電流I_AK 和I_LED 之值會隨著電壓V_AK 以特定方式增加，而電流I_{LED_AK} 之值約莫為零。

在時間點t₁ 和t₂ 之間，電壓V_AK 大於電壓V_DROP ，雙端電流控制器120會將電流I_AK 之值限定在最大電流I_MAX ，而並聯於雙端電流控制器120之發光元件21仍未導通，因此電流I_{LED_AK} 之值依舊約莫為零，此時電壓V_LED 之值可由m*V_F 來表示，其中V_F 代表發光元件25中每一發光單元此時之順向偏壓。因此，發光元件21在時間點t₀ ～t₂ 之間並未導通，此時電源供應電路110所提供之整流交流電壓V_AC 係施加於雙端電流控制器120和發光元件25中n個串接發光單元上，亦即：

V_AC =V_AK +V_LED 　(1)

在時間點t₂ 和t₄ 之間，電壓V_AK 之值大於V_{OFF_TH} ，雙端電流控制器120會被關閉，而相關於整流交流電壓V_AC 之電流則由發光元件21和25來導通，此時電流I_AK 之值降至零，而電流I_{LED_AK} 之值隨著電壓V_AK 變化。因此，當發光元件21在時間點t₂ ～t₄ 之間被導通時，雙端電流控制器120兩端之跨壓V_AK 係由發光裝置20分壓整流交流電壓V_AC 來提供，亦即：

在時間點t₄ 和t₅ 之間，電壓V_AK 降至介於V_DROP 和V_{ON_TH} 之間，雙端電流控制器120會導通，因此電流I_AK 之值會再次被限定在最大電流I_MAX ，而電流I_{LED_AK} 之值會降至約莫為零。在時間點t₅ 和t₆ 之間，電壓V_AK 降至低於V_DROP ，此時電流I_AK 之值會隨著電壓V_AK 以特定方式減少。如第7圖和第9圖所示，電流I_LED 之值為電流I_{LED_AK} 和電流I_AK 之加總，本發明第二實施例可透過雙端電流控制器120來增加電源供應電路110之可操作電壓範圍(例如t₁ ～t₂ 和t₄ ～t₅ )，進而提升發光二極體照明裝置200之功率因素。

在本發明第二實施例中，雙端電流控制器120在開啟和關閉時會在雙端電流控制器120之跨壓V_AK 上造成一瞬間壓差ΔV_d ，也會在發光元件25之跨壓V_LED 上造成一瞬間壓差ΔV_d ，進而造成電流變動ΔI_d 。瞬間壓差ΔV_d 之值如下所示：

ΔV_d =V_{ON_TH} -V_{OFF_TH} 　(3)

由公式(1)可知，在時間點t₂ 前當電壓V_AK 剛達到電壓V_{OFF_TH} 的那一瞬間，整流交流電壓V_AC 之值如下所示：

V_AC =V_{OFF_TH} +n*V_F 　(4)

由公式(2)可知，在時間點t₄ 前當電壓V_AK 剛達到電壓V_{ON_TH} 的那瞬間，整流交流電壓V_AC 之值如下所示：

將公式(4)帶入公式(5)可得：

將公式(6)帶入公式(3)可得：

在實際應用中，電壓V_{OFF_TH} 之值可由雙端電流控制器120之最大功率消耗P_{D_MAX} 和最大輸出電流I_MAX 來決定：

P_{D_MAX} =V_{OFF_TH} *I_MAX 　(8)

因此依據公式(7)和(8)，本發明可透過調整m和n之值來改變瞬間壓差ΔV_d 之值。舉例來說，在發光裝置20所包含(m+n)個發光單元數量相同的前提下，只要選擇較大n值即可減少瞬間壓差ΔV_d 之值，進而提供更穩定的驅動電流I_LED 。

請參考第10圖，第10圖為本發明第三實施例中一發光二極體照明裝置300示意圖。發光二極體照明裝置300包含一電源供應電路110、複數個雙端電流控制器，以及一發光裝置30。本發明第二和第三實施例結構類似，不同之處在於發光二極體照明裝置300包含複數個雙端電流控制器(第10圖以4組雙端電流控制器121～124來做說明)，而發光裝置30包含複數個發光元件(第10圖以5組發光元件21～25來做說明)：發光元件21～24分別並聯於相對應之雙端電流控制器121～124，且各包含複數個串接之發光單元，流經發光元件21～24之電流分別由I_{LED_AK1} ～I_{LED_AK4} 來表示，而其跨壓則分別由V_AK1 ~V_AK4 來表示。發光元件25串聯於雙端電流控制器121～124且其包含複數個串接之發光單元，流經發光元件25之電流由I_LED 來表示，而其跨壓由V_LED 來表示。每一發光單元可包含一個發光二極體或複數個發光二極體，第10圖僅顯示了採用單一發光二極體之架構。在第10圖所示之實施例中，雙端電流控制器121～124分別依據其跨壓V_AK1 ~V_AK4 之值來控制流經相對應發光元件21～24之電流，流經雙端電流控制器121～124之電流分別由I_AK1 ～I_AK4 來表示，而其跨壓分別由V_AK1 ～V_AK4 來表示。在本發明第三實施例中，雙端電流控制器121～124之隔離電壓分別遠小於相對應發光元件21～24之整體隔離電壓。

在本發明第三實施例之發光二極體照明裝置300中，每一雙端電流控制器運作時之電流-電壓特性圖亦可如第8圖所示，可依據相對應雙端電流控制器120～124之最大功率消耗、最大輸出電流、串聯發光二極體之特性和數目等來決定其個別V_DROP1 ～V_DROP4 、V_{OFF_TH1} ～V_{OFF_TH4} 和V_{ON_TH1} ～V_{ON_TH4} 之值。第11圖說明了本發明第三實施例之發光二極體照明裝置300的運作，顯示了電壓V_AC 和電流I_LED 之波形。如前所述，由於整流交流電壓V_AC 之值隨著時間而有週期性變化，因此以包含時間點t₀ ～t₁₀ 之一個週期來做說明，其中時間點t₀ ～t₅ 之間為整流交流電壓V_AC 之上升週期，而時間點t₅ ～t₁₀ 之間為整流交流電壓V_AC 之下降週期。

首先說明包含時間點t₀ ～t₅ 之上升週期，在時間點t₀ 和t₁ 之間，雙端電流控制器121～124之跨壓V_AK1 ～V_AK4 隨著整流交流電壓V_AC 而上升。由於雙端電流控制器121～124之隔離電壓遠小於相對應發光元件21～24之整體隔離電壓，因此在時間點t₀ 和t₁ 之間雙端電流控制器121～124較早被導通，此時電流係從電源供應電路110依序透過雙端電流控制器121～124傳送至發光元件25，亦即I_LED =I_AK1 =I_AK2 =I_AK3 =I_AK4 ，而電流I_{LED_AK1} ～I_{LED_AK4} 之值約莫為零。在時間點t₁ 和t₂ 之間，電壓V_AK1 之值大於V_{OFF_TH1} ，雙端電流控制器121首先被關閉，此時電流係從電源供應電路110依序透過發光元件21、雙端電流控制器122～124傳送至發光元件25，亦即I_LED =I_{LED_AK1} =I_AK2 =I_AK3 =I_AK4 ，而電流I_AK1 和I_{LED_AK2} ～I_{LED_AK4} 之值約莫為零。在時間點t₂ 和t₃ 之間，電壓V_AK2 之值大於V_{OFF_TH2} ，雙端電流控制器122接著被關閉，此時電流係從電源供應電路110依序透過發光元件21、發光元件22、雙端電流控制器123～124傳送至發光元件25，亦即I_LED =I_{LED_AK1} =I_{LED_AK2} =I_AK3 =I_AK4 ，而電流I_AK1 、I_AK2 和I_{LED_AK3} ～I_{LED_AK4} 之值約莫為零。在時間點t₃ 和t₄ 之間，電壓V_AK3 之值大於V_{OFF_TH3} ，雙端電流控制器123接著被關閉，此時電流係從電源供應電路110依序透過發光元件21、發光元件22、發光元件23和雙端電流控制器124傳送至發光元件25，亦即I_LED =I_{LED_AK1} =I_{LED_AK2} =I_{LED_AK3} =I_AK4 ，而電流I_AK1 、I_AK2 、I_AK3 和I_{LED_AK4} 之值約莫為零。在時間點t₄ 和t₅ 之間，電壓V_AK4 之值大於V_{OFF_TH4} ，雙端電流控制器124接著被關閉，此時電流係從電源供應電路110依序透過發光元件21～24傳送至發光元件25，亦即I_LED =I_{LED_AK1} =I_{LED_AK2} =I_{LED_AK3} =I_{LED_AK4} ，而電流I_AK1 ～I_AK4 之值約莫為零。針對包含時間點t₅ ～t₁₀ 之下降週期，隨著整流交流電壓V_AC 的下降，當電壓V_AK4 ～V_AK1 之值依序分別低於V_{ON_TH4} ～V_{ON_TH1} 時，雙端電流控制器124～121會在時間點t₆ ～t₉ 依序被開啟，其運作方式和其相對應之上升週期類似，在此不另加贅述。

請參考第12圖，第12圖為本發明第四實施例中一發光二極體照明裝置400示意圖。發光二極體照明裝置400包含一電源供應電路410、一雙端電流控制器120，和一發光裝置10。本發明第一和第四實施例結構類似，不同之處在於電源供應電路410之結構。在本發明第一實施例中，電源供應電路110係利用橋式整流器112來對交流電壓VS(例如市電110～220伏特)進行整流，進而提供隨著時間而有週期性變化之整流交流電壓V_AC 。在本發明第四實施例中，電源供應電路410可接收任意來源之交流電壓VS，再利用一交流-交流變壓器412來進行電壓轉換，最後由橋式整流器112進行整流，進而提供隨著時間而有週期性變化之整流交流電壓V_AC 。發光二極體照明裝置400之運作方式亦可如第5圖和第6圖所示，在此不另加贅述。同理，本發明第二和第三實施例亦可採用電源供應電路410來提供整流交流電壓V_AC 。

第13圖為本發明一實施例中雙端電流控制器120之示意圖。在此實施例中，雙端電流控制器120包含一開關QN、一控制電路50、一電流偵測電路60，以及一電壓偵測電路70。開關QN可為一場效電晶體(Field Effect Transistor,FET)、一雙載子接面電晶體(Bipolar Junction Transistor,BJT)，或是其它具類似功能之元件，第13圖之實施例以一N型金氧半導體(N-Type Metal-Oxide-Semiconductor)場效電晶體來做說明。開關QN之閘極耦接至控制電路50以接收閘極電壓V_g ，其汲極-源極電壓、閘極-源極電壓和臨界電壓分別由V_DS 、V_GS 和V_TH 來表示。當開關QN在線性區運作時，其汲極電流主要由汲極-源極電壓V_DS 來決定；當開關QN在飽和區運作時，其汲極電流只相關於閘極-源極電壓V_GS 。

在整流交流電壓V_AC 之上升週期，開關QN之汲極-源極電壓V_DS 會隨著電壓V_AK 而增加：當電壓V_AK 之值不大於V_DROP 時，汲極-源極電壓V_DS 小於閘極-源極電壓V_GS 和臨界電壓V_TH 之差值(亦即V_DS <V_GS -V_TH )，而控制電路50提供之閘極電壓V_g 會讓V_GS >V_TH ，因此開關QN會在線性區運作，此時其汲極電流主要取決於汲極-源極電壓V_DS ，亦即雙端電流控制器120會讓電流I_AK 和電壓V_AK 之間的關係呈現如同開關QN之線性區特性。

在整流交流電壓V_AC 之上升週期，當電壓V_AK 之值介於V_DROP 和電壓V_{OFF_TH} 之間時，汲極-源極電壓V_DS 大於閘極-源極電壓V_GS 和臨界電壓V_TH 之差值(V_DS >V_GS -V_TH )，而控制電路50提供之閘極電壓V_g 會讓V_GS >V_TH ，因此開關QN會在飽和區運作，此時其汲極電流只相關於閘極-源極電壓V_GS ，亦即電流I_AK 之值不會隨著電壓V_AK 改變。本發明利用電流偵測電路60來偵測流經開關QN之電流大小，並依此判斷此時相對應之電壓V_AK 是否超過V_DROP 之值。在第13圖所示之實施例中，電流偵測電路60包含一電阻R和一比較器CP1，電阻R可依據流經開關QN之電流來提供一回授電壓V_FB ，比較器CP1再依據回授電壓V_FB 和一參考電壓V_REF 之大小關係來輸出一相對應之控制訊號S1至控制電路50。若V_FB >V_REF ，控制電路50會依據控制訊號S1來將閘極-源極電壓V_GS 固定在大於臨界電壓V_TH 之一預定值，進而將電流I_AK 之值限定在I_MAX 。

電壓偵測電路70包含一邏輯電路72、一電壓邊緣偵測電路74，以及兩比較器CP2和CP3。比較器CP2可判斷電壓V_AK 和V_{ON_TH} 之間的大小關係，而比較器CP3可判斷電壓V_AK 和V_{OFF_TH} 之間的大小關係。同時，當電壓V_AK 之值介於V_{OFF_TH} 和V_{ON_TH} 之間時，電壓邊緣偵測電路74可判斷此時是整流交流電壓V_AC 之上升週期或下降週期。依據電壓邊緣偵測電路74和比較器CP2、CP3之判斷結果，邏輯電路72再依此輸出一相對應之控制訊號S2至控制電路50。當電壓V_AK 之值在整流交流電壓V_AC 之上升週期內介於V_{OFF_TH} 和V_{ON_TH} 之間時，控制電路50會依據控制訊號S2將電壓V_g 調降至低於臨界電壓V_TH 之值以關閉開關QN，進而將電流I_AK 之值限定在零；當電壓V_AK 之值在整流交流電壓V_AC 之下降週期內介於V_{ON_TH} 和V_{OFF_TH} 之間時，控制電路50會依據控制訊號S2將電壓V_g 調升至高於臨界電壓V_TH 之值以讓開關QN於飽和區運作，進而將電流I_AK 之值限定在I_MAX 。

在本發明發光二極體照明裝置100、200、300、400中，雙端電流控制器120～124之數目、發光元件21～25之數目和結構，以及電源供應電路110、410之種類可依據不同應用來決定。第4、7、10和12圖所示僅為本發明之實施例，並不限定本發明之範疇。同時，第13圖所示之雙端電流控制器120中僅為本發明之實施例，本發明亦可採用其它具類似功能之元件來達到如第5、6、8、9和11圖所示之特性。

本發明之發光二極體照明裝置利用雙端電流控制器來控制流經串接發光二極體之電流大小和導通數目，在整流交流電壓尚未達到所有發光二極體之整體隔離電壓前即能導通部分發光二極體，因此能夠增加發光二極體照明裝置之功率因素，同時兼顧可操作電壓範圍與亮度。

以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。

R．．．電阻

SW、QN．．．開關

L．．．電感

CP1～CP3．．．比較器

C．．．電容

D₁ ～D_n 、D₁ ～D_m ．．．發光單元

50．．．控制電路

21～25．．．發光元件

60．．．電流偵測電路

120～124．．．雙端電流控制器

70．．．電壓偵測電路

10、20、30．．．發光元件

72．．．邏輯電路

74．．．電壓邊緣偵測電路

110．．．電源供應電路

112．．．橋式整流器

412．．．交流-交流變壓器

110、410．．．電源供應電路

100、200、300、400、500、600．．．發光二極體照明裝置

第1圖為發光二極體之電壓-電流特性圖。

第2圖和第3圖為先前技術中發光二極體照明裝置的示意圖。

第4圖為本發明第一實施例中發光二極體照明裝置之示意圖。

第5圖為本發明第一實施例中雙端電流控制器運作時之電流-電壓特性圖。

第6圖為本發明第一實施例中發光二極體照明裝置運作時相關電流和電壓變化之示意圖。

第7圖為本發明第二實施例中發光二極體照明裝置之示意圖。

第8圖為本發明第二實施例中雙端電流控制器運作時之電流-電壓特性圖。

第9圖為本發明第二實施例中發光二極體照明裝置運作時相關電流和電壓變化之示意圖。

第10圖為本發明第三實施例中發光二極體照明裝置示意圖。

第11圖為本發明第三實施例中發光二極體照明裝置運作時相關電流和電壓變化之示意圖。

第12圖為本發明第四實施例中發光二極體照明裝置之示意圖。

第13圖為本發明實施例中雙端電流控制器之示意圖。

30．．．發光裝置

21～25．．．發光元件

110．．．電源供應電路

121～124．．．雙端電流控制器

112．．．橋式整流器

300．．．發光二極體照明裝置

Claims (17)

1. 一種發光二極體照明裝置，其包含一第一發光元件，其依據一第一電流來提供光源；一第二發光元件，串聯於該第一發光元件且依據一第二電流來提供光源；以及一雙端電流控制器，並聯於該第一發光元件且串聯於該第二發光元件，用來依據該第一發光元件之跨壓來調節該第二電流，其中：在一整流交流電壓之一上升週期內當該第一發光元件之跨壓不大於一第一電壓時，該雙端電流控制器呈導通以將該第一電流限定至約莫為零，並依據該第一發光元件之跨壓來調整該第二電流之值，且該整流交流電壓之值隨著時間而有週期性的變化；在該上升週期內當該第一發光元件之跨壓大於該第一電壓且不大於一第二電壓時，該雙端電流控制器呈導通以將該第一電流限定至約莫為零，並將該第二電流之值固定在大於零之一預定值；且在該上升週期內當該第一發光元件之跨壓大於該第二電壓時，該雙端電流控制器呈關閉以使得該第一和該第二電流具相同值。
2. 如請求項1所述之發光二極體照明裝置，其中在該整流交流電壓之一下降週期內當該第一發光元件之跨壓介於該第一電壓和一第三電壓之間時，該雙端電流控制器呈導通以將該第一電流限定至約莫為零，並將該第二電流之值固定在該預定值，且該第三電壓大於該第二電壓。
3. 如請求項2所述之發光二極體照明裝置，其中該雙端電流控制器係包含：一開關，其依據一閘極電壓來導通該第二電流；一控制電路，其依據一第一控制訊號和一第二控制訊號來提供該閘極電壓；一電流偵測電路，其依據該第二電流之值來判斷該第一發光元件之跨壓是否大於該第一電壓，並依據判斷結果來提供該第一控制訊號；以及一電壓偵測電路，用來比較該第一發光元件之跨壓、該第二電壓和該第三電壓之間的大小關係，並判斷出所對應之該上升週期或該下降週期，再依據判斷結果來提供該第二控制訊號。
4. 如請求項3所述之發光二極體照明裝置，其中：當該電流偵測電路判斷該第一發光元件之跨壓不大於該第一電壓時，該開關係依據該閘極電壓來調整該第 二電流之值；而當該電流偵測電路判斷該第一發光元件之跨壓大於該第一電壓時，該開關係依據該閘極電壓來將該第二電流維持在該預定值。
5. 如請求項3所述之發光二極體照明裝置，其中：當該電壓偵測電路判斷在該上升週期內當該第一發光元件之跨壓大於該第一電壓且不大於該第二電壓時，該開關係依據該閘極電壓來將該第二電流維持在該預定值並將該第一電流之值限定至約莫為零；而當該電壓偵測電路判斷在該下降週期內當該第一發光元件之跨壓大於該第一電壓且不大於該第三電壓時，該開關係依據該閘極電壓來將該第二電流維持在該預定值並將該第一電流之值限定至約莫為零，且該第三電壓大於該第二電壓。
6. 如請求項3所述之發光二極體照明裝置，其中該開關係為一電晶體開關。
7. 如請求項6所述之發光二極體照明裝置，其中該雙端電流控制器依據該第一發光元件之跨壓來調整該第二電流之值以使該第一發光元件之跨壓和該第二電流之間的變化關係符合該開關之一特定運作區域的特性。
8. 如請求項1所述之發光二極體照明裝置，其中導通該雙端電流控制器所需之隔離電壓小於導通該第一發光元件之所需之隔離電壓。
9. 如請求項1所述之發光二極體照明裝置，其中每一發光元件各包含複數個串聯之發光二極體。
10. 如請求項1所述之發光二極體照明裝置，其另包含一電源供應電路，用來提供該整流交流電壓以驅動該第一發光元件和該第二發光元件。
11. 如請求項10所述之發光二極體照明裝置，其中該電源供應電路包含一交流-交流變壓器。
12. 一種雙端電流控制器，用來控制流經一負載之一第一電流，其中：在一整流交流電壓之一上升週期內當該負載之跨壓不大於一第一電壓時，該雙端電流控制器導通相關於該整流交流電壓之一第二電流，進而將該第一電流限定至約莫為零，並依據該負載之跨壓來調整該第二電流之值；在該上升週期內當該負載之跨壓大於該第一電壓且不 大於一第二電壓時，該雙端電流控制器導通該第二電流以將該第一電流限定至約莫為零，並將該第二電流之值固定在大於零之一預定值；且當該負載之跨壓大於該第二電壓時，該雙端電流控制器呈關閉以使得該第一和該第二電流具相同值。
13. 如請求項12所述之雙端電流控制器，其中在該整流交流電壓之一下降週期內當該負載之跨壓介於該第一電壓和一第三電壓之間時，該雙端電流控制器呈導通以將該第一電流限定至約莫為零，並將該第二電流之值固定在該預定值，且該第三電壓大於該第二電壓。
14. 如請求項13所述之雙端電流控制器，其包含：一開關，用來依據一閘極電壓來導通該第二電流；一控制電路，用來依據一第一控制訊號和一第二控制訊號來提供該閘極電壓；一電流偵測電路，用來依據該第二電流之值來判斷在該上升週期內該負載之跨壓是否大於該第一電壓，並依據判斷結果來提供該第一控制訊號；以及一電壓偵測電路，用來比較該負載之跨壓和該第二電壓之間的大小關係，並依據判斷結果來提供該第二控制訊號。
15. 如請求項14所述之雙端電流控制器，其中：當該電流偵測電路判斷該負載之跨壓不大於該第一電壓時，該開關係依據該閘極電壓來調整該第二電流之值；而當該電流偵測電路判斷該負載之跨壓大於該第一電壓時，該開關係依據該閘極電壓來將該第二電流維持在該預定值。
16. 如請求項14所述之雙端電流控制器，其中：當該電壓偵測電路判斷在該上升週期內當該負載之跨壓大於該第一電壓且不大於該第二電壓時，該開關依據該閘極電壓來將該第二電流維持在該預定值並將該第一電流之值限定至約莫為零；而當該電壓偵測電路判斷在該下降週期內當該負載之跨壓大於該第一電壓且不大於該第三電壓時，該開關係依據該閘極電壓來將該第二電流維持在該預定值並將該第一電流之值限定至約莫為零，且該第三電壓大於該第二電壓。
17. 如請求項14所述之雙端電流控制器，其中該開關係為一電晶體開關。