TWI620468B - 具高功因及高效率可調光及色溫之led照明驅動系統 - Google Patents
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Abstract
本發明係有關於一種具高功因及高效率可調光及色溫之LED照明驅動系統，其主要係利用高功率之LED研製照明系統，以提升整體性能；且在驅動源電路設計上，於電能供應主要模組之前向返馳式電路加入能量再生緩衝器，以進一步減少損失；在系統控制方面，以數位訊號處理器〔DSP〕為核心，實現一次側偵測法與準諧振切換，提高轉換效率，減小電路體積；在調光方面，則採用序相PWM電路結合感測器，使其具有自動調亮度及色溫功能；藉此，使得於驅動源特性包括最高效率可達89%，功率因數99.9%，滿載總諧波失真因數1.64%，且系統可自動調整亮度，並於色溫範圍由2500K至5500K可進行調整，同時光源演色性在73至91之間，而在其整體施行使用上更增實用功效特性者。
Description
本發明係有關於一種具高功因及高效率可調光及色溫之LED照明驅動系統，尤其是指一種於驅動源特性包括最高效率可達89%，功率因數99.9%，滿載總諧波失真因數1.64%，且系統可自動調整亮度，並於色溫範圍由2500K至5500K可進行調整，同時光源演色性在73至91之間，而在其整體施行使用上更增實用功效特性的具高功因及高效率可調光及色溫之LED照明驅動系統者。
按，為了降低對環境的破壞，以達到永續生存的目的，提高傳輸及轉換效率，有效的利用現有能源，已成為重要的研究議題。從綠色能源角度來看，未來能源發展重心不再是興建電廠或是找尋新能源，而是節省能源消耗與再生利用。在減少設備功率消耗方面，
目前各式轉換設備多為非線性負載，會使市電電流發生畸變，造成功率因數不佳及諧波干擾，而使電能輸配效率降低等問題。因此，須在轉換器系統中加入功因修正之功能，來改善電力轉換與輸配效率，並符合能源之星等規範。
電能在照明上的運用，是人類文明進步的重要指標，隨著生活水平的提高，民眾對於照明品質不再是追求發光效率，而是舒適的光源環境。相關研究指出，色溫會影響人體生理與心理反應。近年來，因為LED生產技術與材料的進步，在各種場合的照明應用，如：室內照明、室外廣告看板及各種景觀裝飾等愈來愈普遍；因此，LED驅動電源的特性及照明品質必須不斷的精進。
另，LED照明系統除了驅動源之外，調光方式也會影響整體性能。脈波調光控制〔PWM〕最常被使用於LED調光，然而高功率LED在消耗功率過程中，轉換成光能僅有15%-25%，其餘能量皆會轉換成熱能，使燈具因溫度上升導致發光效率降低及光衰等問題；因此，降低LED溫度係為相當重要之課題。
緣是，發明人有鑑於此，秉持多年該相關行業之豐富設計開發及實際製作經驗，針對現有之結構及缺失再予以研究改良，提供一種具高功因及高效率可調光及色溫之LED照明驅動系統，以期達到更佳實用價值性之目的者。
本發明之主要目的在於提供一種具高功因及高效率可調光
及色溫之LED照明驅動系統，其主要係於驅動源特性包括最高效率可達89%，功率因數99.9%，滿載總諧波失真因數1.64%，且系統可自動調整亮度，並於色溫範圍由2500K至5500K可進行調整，同時光源演色性在73至91之間，而在其整體施行使用上更增實用功效特性者。
本發明具高功因及高效率可調光及色溫之LED照明驅動系統之主要目的與功效，係由以下具體技術手段所達成：其主要係包括訊號處理器、前向返馳式轉換器、調光電路及LED；其中：該訊號處理器〔DSP〕，其分別與該前向返馳式轉換器及該調光電路電性連結，以能利用該訊號處理器驅動該前向返馳式轉換器及調控該調光電路作動；該前向返馳式轉換器，其係於隔離變壓器之一次側連接有能量再生緩衝器，該隔離變壓器於二次側分別設有前向式繞組NForward及返馳式繞組NFlyback，該前向式繞組NForward之第一端連接有快速二極體D1之正極，該前向式繞組NForward之第二端則與該返馳式繞組NFlyback之第一端及快速二極體D2之正極、輸出電容Co之第二端、輸出負載Ro之第二端一併連接進行接地，該快速二極體D1之負極及該快速二極體D2之負極與輸出電感Lo之第一端連接，該返馳式繞組NFlyback之第二端連接有快速二極體D3之正極，該快速二極體D3之負極則與該輸出電感Lo之第二端、該輸出電容Co之第一端、
該輸出負載Ro之第一端連接；於該隔離變壓器之一次側則設有繞組Np，且於該隔離變壓器之一次側形成有與該繞組Np相併聯之激磁電感Lp及相連接之漏電感Llk，並於該隔離變壓器之一次側所形成的該漏電感Llk與晶體開關Sw之第一端相連接；該能量再生緩衝器係由回收電容Cr、二極體D4、D5及回復繞組Nr所組成，令該回收電容Cr之正極連接於該漏電感Llk與該晶體開關Sw之第一端之間，而該回收電容Cr之負極則與該二極體D4之第二端及該二極體D5之第一端相連接，該二極體D4之第一端與該隔離變壓器之一次側形成的該繞組Np及激磁電感Lp的第一端連接至輸入電源Vin之正極，該二極體D5之第二端與該回復繞組Nr之第一端連接，該回復繞組Nr之第二端則與該晶體開關Sw之第二端一併連接至該輸入電源Vin之負極；該調光電路，其採用數位式序相PWM調光，且利用顏色感測器偵測回授之光源亮度及色溫，達到精準的光源亮度調控，而其調光方式均藉由該訊號處理器配合相關電路來實現，另，由該訊號處理器輸出PWM訊號，再由顏色感測器截取色溫作為比較，利用數該LED加以序相調整各別PWM調控，改變PWM的責任週期，即能進行色溫控制；該LED，其與該前向返馳式轉換器及該調光電路電性連結，以利用該前向返馳式轉換器及該調光電路驅動該LED發光照明。
本發明具高功因及高效率可調光及色溫之LED照明驅動系
統的較佳實施例，其中，該調光電路之調控範圍為2500K至5500K。
本發明具高功因及高效率可調光及色溫之LED照明驅動系統的較佳實施例，其中，該PWM脈波頻率設定在400Hz。
本發明具高功因及高效率可調光及色溫之LED照明驅動系統的較佳實施例，其中，該LED係為高功率LED。
(1)‧‧‧訊號處理器
(2)‧‧‧前向返馳式轉換器
(21)‧‧‧隔離變壓器
(22)‧‧‧能量再生緩衝器
(3)‧‧‧調光電路
(4)‧‧‧LED
第一圖：本發明之架構示意圖
第二圖：本發明之前向返馳式轉換器電路示意圖
第三圖：本發明之偵測一次側輔助繞組示意圖
第四圖：本發明之單級功因校正的電路架構示意圖
第五圖：本發明之VAux在不同工作區間之波形示意圖
第六圖：本發明之ADC取樣時間點示意圖
第七圖：本發明之LED應用於照明燈具架構示意圖
第八圖：本發明之LED應用於照明燈具的自動調光架構示意圖
為令本發明所運用之技術內容、發明目的及其達成之功效有更完整且清楚的揭露，茲於下詳細說明之，並請一併參閱所揭之圖
式及圖號：首先，請參閱第一圖本發明之架構示意圖所示，本發明主要係包括訊號處理器(1)、前向返馳式轉換器(2)、調光電路(3)及LED(4)；其中：該訊號處理器〔DSP〕(1)，其分別與該前向返馳式轉換器(2)及該調光電路(3)電性連結，以能利用該訊號處理器(1)驅動該前向返馳式轉換器(2)及調控該調光電路(3)作動。
該前向返馳式轉換器(2)，請再一併參閱第二圖本發明之前向返馳式轉換器電路示意圖所示，其係於隔離變壓器(21)之一次側連接有能量再生緩衝器(22)，該隔離變壓器(21)於二次側分別設有前向式繞組NForward及返馳式繞組NFlyback，該前向式繞組NForward之第一端連接有快速二極體D1之正極，該前向式繞組NForward之第二端則與該返馳式繞組NFlyback之第一端及快速二極體D2之正極、輸出電容Co之第二端、輸出負載Ro之第二端一併連接進行接地，該快速二極體D1之負極及該快速二極體D2之負極與輸出電感Lo之第一端連接，該返馳式繞組NFlyback之第二端連接有快速二極體D3之正極，該快速二極體D3之負極則與該輸出電感Lo之第二端、該輸出電容Co之第一端、該輸出負載Ro之第一端連接；於該隔離變壓器(21)之一次側則設有繞組Np，且於該隔離變壓器(21)之一次側形成有與該繞組Np相併聯之激磁電感Lp及相連接之漏電感Llk，並於該隔離變壓器(21)之一次側所形成
的該漏電感Llk與晶體開關Sw之第一端相連接；該能量再生緩衝器(22)係由回收電容Cr、二極體D4、D5及回復繞組Nr所組成，令該回收電容Cr之正極連接於該漏電感Llk與該晶體開關Sw之第一端之間，而該回收電容Cr之負極則與該二極體D4之第二端及該二極體D5之第一端相連接，該二極體D4之第一端與該隔離變壓器(21)之一次側形成的該繞組Np及激磁電感Lp的第一端連接至輸入電源Vin之正極，該二極體D5之第二端與該回復繞組Nr之第一端連接，該回復繞組Nr之第二端則與該晶體開關Sw之第二端一併連接至該輸入電源Vin之負極。
請再一併參閱第三圖本發明之偵測一次側輔助繞組示意圖及第四圖本發明之本發明之單級功因校正的電路架構示意圖所示，而假設該前向返馳式轉換器(2)之額定功率50W、輸入電壓範圍110V±20%、輸入電源頻率60Hz、效率89%、切換頻率25~27kHz、輸出電流1.25A、輸出電壓40V、輸出電壓漣波0.5%、電壓調整率1%、輸出脈波頻率400Hz，使得該隔離變壓器(21)及其他主要元件參數決定如下：
1.隔離變壓器峰值電流：由電感電流與電壓關係如(1)式：
可知不連續模式，晶體開關Sw在導通時間(T on )裡，電流會由零上升到峰值(I pp )，故最小輸入電壓(V in(min) )可寫為：
(2)式中Vin為直流輸入電壓，Lp為隔離變壓器激磁電感，Ipp為隔離變壓器一次側峰值電流，
其中Dmax為最大責任週期，fs為切換頻率，將(3)式帶入(2)式可求得最小輸入電壓V in(min) ：
此外，在不連續模式中，輸出功率(P out )等於激磁電感Lp在每一週期平均儲存的能量，其算式如下：
將(5)式除以(4)式可得：
將(6)式改寫，可得到一次側繞組電流峰值Ipp算式如(7)式所示：
其中最小輸入電壓V in(min) 可由(8)式求得，式中減去20V的電壓以增加輸入電壓最小值之裕度：
最大輸入直流電壓為：
設該返馳式繞組NFlyback與該前向式繞組NForward各別輸出負載功率的一半，則該返馳式繞組NFlyback所輸出之功率為25W。假設最大責任週期D max =0.45，可得一次側峰值電流Ipp：
因此晶體開關Sw在導通時，功率電晶體的汲極端必須可以忍受此電流，才可正常運轉。
2.求最小責任週期Dmin：在該前向返馳式轉換器(2)中，藉由調整晶體開關Sw的責任週期來得到穩定的輸出電壓。當輸入電壓範圍由V in(min) 到V in(max) 時，最小與最大責任週期之間的關係如(11)式：
其中K為V in(min) 和V in(max) 比值。將(8)式和(9)式帶入(11)式可得：
假設D max =0.45，並將(12)式的K值代入(11)式可求得：
可見當輸入直流電壓範圍為104V-187V時，該前向返馳式轉換器(2)的責任週期將會操作於0.31到0.45之間。
3.計算隔離變壓器激磁電感值Lp：
4.選擇鐵心：選用HL24D鐵芯，在100℃時，其飽和磁通量Bsat為3600G。若將飽和磁定密度設最大工作磁通密度Bmax為Bsat的半數，則：
5.計算隔離變壓器一次側繞組Np：將(10)式及(14)式之I pp 及L p 代入隔離變壓器一次側磁通鏈算式可得N P ：
取整數則N P =63T。
6.隔離變壓器二次側前向式繞組NForward：當輸入電壓最小，且責任週期最大時，二次側電壓Vs算式如(17)式：
則二次側前向式繞組NForward為：
取整數則NForward=55T。
7.隔離變壓器二次側返馳式繞組NFlyback：當輸入電壓最小，且責任週期最大時，二次側電壓Vs算式如(19)式：
將已知數據代入，可得二次側返馳式繞組NFlyback：
8.計算隔離變壓器輔助繞組NAux〔請再一併參閱第三圖本發明之偵測一次側輔助繞組示意圖所示〕：二次繞組每匝電壓Va算式如下：
輔助繞組輸出電壓設為15V，以提供IC電源電壓VCC，故輔助繞組之匝數NAux算式如(22)式：
9.輸出電感Lo：讓輸出電感Lo在滿載時操作在DCM模式下算式如(23)式：
代入前向式繞組輸出功率為Po,Forward=25W，則
由實際經驗及測試，輸出電感Lo選用0.6mH。
10.回復繞組Nr：該隔離變壓器一次側繞組Np和回復繞組Nr之比值nr(nr=Nr/Np)，nr值必須小於1，當晶體開關Sw為on時，回復繞組電壓VNr小於回收電容電壓Vcr。將NAux整合在Nr裡可節省繞組銅量，nr算式如(25)式：
令nr=0.7則Nr如(26)式計算：
11.回收電容Cr：
由通鏈平衡原理可得(27)式：
其中Llk為漏電感，其值經由測試後為10uH。參考上式及實務經驗，回收電容Cr選用12nF及耐壓275V之電容器。
12.計算空氣間隙長度l g：由於隔離變壓器只用到飽和磁通量的一半，因此磁通只會在第一象限變化。為了使得磁滯迴路較為平坦，在磁通路徑上使用空氣間隙，以防止隔離變壓器飽和。空氣間隙長度如(28)式：
13.升壓/降壓型功因校正器之電感Lb〔請再一併參閱第四圖本發明之本發明之單級功因校正的電路架構示意圖所示〕：為了確保電感電流ILb工作於DCM，則輸入電流波形會自然追隨著輸入電壓波形，根據(29)式可得知升壓/降壓型之Lb電感值：
上式中，η為本發明設計規格之效率。
14.晶體開關(Sw)及快速二極體(D1、D2及D3)：該前向返馳式轉換器之晶體開關Sw在使用上必須能夠承受最大電壓VDS(max)，以避免因過電壓而燒毀。設隔離變壓器二次側反
射到一次側的電壓為VR，其算式如(30)式：
若漏電感Llk所產生的電壓尖波△V為VR+Vin(max)的20%，則該電壓尖波△V為82.7V，VDS(max)可由(31)式計算：VDS(max)=Vin(max)+VR+△V=187+82.7+55=323.7V (31)
基於上式，同時考量暫態突波之隨機性，本發明選擇可耐壓500V的晶體開關Sw，其型號為IRFP450。此外，三個快速二極體(D1、D2、D3)，其最大耐壓算式分別如(32)式至(34)式：
在考量適當裕度下，本發明選擇D2型號為MUR3040，其反向重複峰值電壓VRRM為400V，D1與D3型號為STTH3002CT，其VRRM=200V。
15.輸出電容Co：選擇輸出電容的原則，除了要有穩壓的效果外，還必須能夠承受隔離變壓器二次側電感電流所形成的峰值封包全波整流電壓。當輸出電壓漣波設為0.5V時，其最小的輸出電容值可以由(35)式求得：
上式中fL為60Hz之市電頻率，實際取輸出電容Co(min)=3400uF。
初級側輸出電壓控制：採用初級側調控〔Primary-Side Regulation,PSR〕技術，以提高整體效率。當晶體開關Sw截止時，輸出電壓Vo會反射電壓至輔助繞組NAux上，藉由輔助繞組NAux上的電壓訊號回授至該訊號處理器(1)，以達輸出電壓穩壓之目的，同時利用輔助繞組的輸出電壓，可作為電源供給IC及週邊電路。
該前向返馳式轉換器(2)工作在不連續導通模式〔DCM〕；可分為三種操作狀態：(1)晶體開關Sw導通期間，(2)晶體開關Sw截止期間，(3)當晶體開關Sw截止時激磁電感Lp能量消耗完畢期間。請再一併參閱第五圖本發明之VAux在不同工作區間之波形示意圖所示，當晶體開關Sw在d1T期間，輔助繞組NAux上的電壓VAux_Da如(36)式：
為了使回授訊號符合該訊號處理器(1)的類比數位轉換器輸入的電壓範圍，因此透過ADC〔Analog to Digital Converter,ADC〕
取樣電路將所取樣到之電壓訊號作處理，請再一併參閱第六圖本發明之ADC取樣時間點示意圖所示，採樣的時間點在tn及tn+1。將回授訊號VAux_ADC送入該訊號處理器(1)進行ADC取樣，因為ADC的解析度為12位元，且允許的最大輸入電壓範圍為3.3V，故可得轉換增益(GADC)及VADC算式如(37)式及(38)式所示：
該調光電路(3)，其採用數位式序相PWM調光，且利用顏色感測器偵測回授之光源亮度及色溫，達到精準的光源亮度調控，而其調光方式均藉由該訊號處理器(1)配合相關電路來實現，另，由該訊號處理器(1)輸出PWM訊號，再由顏色感測器截取色溫作為比較，利用多種不同型號〔色溫〕之該LED(4)〔如：三原色LED〕加以序相調整各別PWM調控，改變PWM的責任週期，即能進行色溫控制，其調控範圍為2500K至5500K。為了避免該LED(4)發生閃爍現象，將PWM脈波頻率設定在400Hz。
該LED(4)，其係為高功率LED(4)，令該LED(4)與該前向返馳式轉換器(2)及該調光電路(3)電性連結，以利用該前向返馳式轉換器(2)及該調光電路(3)驅動該LED(4)發光照明，額定電壓2.8V，順向電流700mA，演色性〔CRI〕70以上。
而當本發明應用於照明燈具之驅動時，請再一併參閱第七圖本發明之LED應用於照明燈具架構示意圖所示，令每串該LED(4)與開關元件串聯，並利用電壓隨耦器來限制電流，藉由該訊號處理器(1)傳輸PWM訊號透過該調光電路(3)進行調光。以第一組該LED(4)電路為例，當參考電壓Vpwm1為低電壓準位VL1時，開關元件Q1操作在截止區，此時該LED(4)上沒有電流；反之當參考電壓Vpwm1為高電壓準位VH1時，比較器輸出為高準位，開關元件Q1操作在歐姆區，該LED(4)上有電流流過。此序相PWM調控方式能調控該LED(4)亮度與色溫，並用顏色感測器偵測回授之光源亮度及色溫達到精準的光源控制。
另，本發明欲實現自動調光時，請再一併參閱第八圖本發明之LED應用於照明燈具的自動調光架構示意圖所示，由該前向返馳式轉換器(2)供給該LED(4)陣列電源，再由顏色感測器截取環境亮度作為比較，當外部光源較亮時，由顏色感測器傳送訊號至該訊號處理器(1)，將該前向返馳式轉換器(2)電壓調低；反之，當外部光源較暗時，則調高電壓，使該LED(4)亮度調控在室內照明規定範圍。
藉由以上所述，本發明之使用實施說明可知，本發明與現有技術手段相較之下，本發明主要係於驅動源特性包括最高效率可達89%，功率因數99.9%，滿載總諧波失真因數1.64%，且系統可自動調整亮度，並於色溫範圍由2500K至5500K可進行調整，同時
光源演色性在73至91之間，而在其整體施行使用上更增實用功效特性者。
然而前述之實施例或圖式並非限定本發明之產品結構或使用方式，任何所屬技術領域中具有通常知識者之適當變化或修飾，皆應視為不脫離本發明之專利範疇。
綜上所述，本發明實施例確能達到所預期之使用功效，又其所揭露之具體構造，不僅未曾見諸於同類產品中，亦未曾公開於申請前，誠已完全符合專利法之規定與要求，爰依法提出發明專利之申請，懇請惠予審查，並賜准專利，則實感德便。
Claims (4)
- 一種具高功因及高效率可調光及色溫之LED照明驅動系統，其主要係包括訊號處理器、前向返馳式轉換器、調光電路及LED；其中：該訊號處理器〔DSP〕，其分別與該前向返馳式轉換器及該調光電路電性連結，以能利用該訊號處理器驅動該前向返馳式轉換器及調控該調光電路作動；該前向返馳式轉換器，其係於隔離變壓器之一次側連接有能量再生緩衝器，該隔離變壓器於二次側分別設有前向式繞組NForward及返馳式繞組NFlyback，該前向式繞組NForward之第一端連接有快速二極體D1之正極，該前向式繞組NForward之第二端則與該返馳式繞組NFlyback之第一端及快速二極體D2之正極、輸出電容Co之第二端、輸出負載Ro之第二端一併連接進行接地，該快速二極體D1之負極及該快速二極體D2之負極與輸出電感Lo之第一端連接，該返馳式繞組NFlyback之第二端連接有快速二極體D3之正極，該快速二極體D3之負極則與該輸出電感Lo之第二端、該輸出電容Co之第一端、該輸出負載Ro之第一端連接；於該隔離變壓器之一次側則設有繞組Np，且於該隔離變壓器之一次側形成有與該繞組Np相併聯之激磁電感Lp及相連接之漏電感Llk，並於該隔離變壓器之一次側所形成的該漏電感Llk與晶體開關Sw之第一端相連接；該能量再生緩衝器係由回收電容Cr、二極 體D4、D5及回復繞組Nr所組成，令該回收電容Cr之正極連接於該漏電感Llk與該晶體開關Sw之第一端之間，而該回收電容Cr之負極則與該二極體D4之第二端及該二極體D5之第一端相連接，該二極體D4之第一端與該隔離變壓器之一次側形成的該繞組Np及激磁電感Lp的第一端連接至輸入電源Vin之正極，該二極體D5之第二端與該回復繞組Nr之第一端連接，該回復繞組Nr之第二端則與該晶體開關Sw之第二端一併連接至該輸入電源Vin之負極；該調光電路，其採用數位式序相PWM調光，且利用顏色感測器偵測回授之光源亮度及色溫，達到精準的光源亮度調控，而其調光方式均藉由該訊號處理器配合相關電路來實現，另，由該訊號處理器輸出PWM訊號，再由顏色感測器截取色溫作為比較，利用數該LED加以序相調整各別PWM調控，改變PWM的責任週期，即能進行色溫控制；該LED，其與該前向返馳式轉換器及該調光電路電性連結，以利用該前向返馳式轉換器及該調光電路驅動該LED發光照明。
- 如申請專利範圍第1項所述具高功因及高效率可調光及色溫之LED照明驅動系統，其中，該調光電路之調控範圍為2500K至5500K。
- 如申請專利範圍第1項所述具高功因及高效率可調光及色溫之 LED照明驅動系統，其中，該PWM脈波頻率設定在400Hz。
- 如申請專利範圍第1項所述具高功因及高效率可調光及色溫之LED照明驅動系統，其中，該LED係為高功率LED。
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