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TWI776568B - 改善電壓調整率的發光二極體照明裝置 - Google Patents

改善電壓調整率的發光二極體照明裝置 Download PDF

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TWI776568B
TWI776568B TW110123702A TW110123702A TWI776568B TW I776568 B TWI776568 B TW I776568B TW 110123702 A TW110123702 A TW 110123702A TW 110123702 A TW110123702 A TW 110123702A TW I776568 B TWI776568 B TW I776568B
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light
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許宏彬
李怡玫
周本立
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大陸商芯源創科技(深圳)有限公司
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Abstract

發光二極體照明裝置包含發光裝置、電流偵測電路、電流調節電路，以及工作週期偵測電路。發光裝置由整流交流電壓來驅動，電流調節電路可提供調節電流以使流經發光裝置的電流不超過調節電流，電流偵測電路可監控調節電流之值，而工作週期偵測電路可偵測調節電流的工作週期。當整流交流電壓因故偏離其額定範圍時，本發明可調整調節電流之值，進而改善發光二極管照明裝置的整體電壓調節率。

Description

改善電壓調整率的發光二極體照明裝置
本發明相關於一種發光二極體照明裝置，尤指一種可改善電壓調整率之發光二極體照明裝置。
在整流交流(rectified alternative-current,AC)電壓直接驅動的照明應用中，由於發光二極體(light emitting diode,LED)為電流驅動元件，其發光亮度與驅動電流的大小成正比，為了達到高亮度和亮度均勻的要求，往往需要使用許多串接的發光二極體來提供足夠光源。
流經發光二極體的電流會隨著整流交流電源的不同而改變，電壓調整率(line regulation)是指發光二極體照明裝置在整流交流電源有所變動時維持固定亮度的能力。當由市電供應的交流電壓之值變大時，發光二極體電流也會隨之變大，因而導致發光二極體電流在不同輸入電壓下的電流不準確問題，也會因消耗功率過大而導致過熱的現象。因此，需要一種能夠改善電壓調整率的發光二極體照明裝置。
本發明提供一種提升電壓調整率的發光二極體照明裝置，其包含一電流偵測電路、一工作週期偵測電路，以及一電流調節電路。該電流偵測電路用來監控一第一電流的變化以提供相對應的一回授電壓。該工作週期偵測電路根據該回授電壓來偵測該第一電流的工作週期，並提供相對應的一控制訊號。該電流調節電路用來提供該第一電流以調節一第二電流，以使該第二電流之值不超過該第一電流之值，其中該第二電流流經由一整流交流電壓所驅動的一發光裝置；以及根據該回授電壓和該控制訊號來調整該第一電流之值。
10:發光裝置
20:電流偵測電路
30:電流調節電路
32:參考電壓產生器
40:工作週期偵測電路
50:晶片
100、200、300、400:發光二極管照明裝置
110:電源供應電路
112:橋式整流器
VS:交流電壓
VAC:整流交流電壓
ILED:電流
IT:調節電流
IA、IB、IC:導通電流
VLED:發光裝置的跨壓
VREF:參考電壓
VFB:回授電壓
VTH:臨界電壓
Rs:偵測電阻
VDD:偏壓
GND:接地電位
VG1、VG2:開關訊號
Vc:控制訊號
SW1、SW2、SW3:開關
CP1、CP2:比較器
R1:電阻
CS:電荷儲存單元
A、B、C:曲線
第1圖為本發明實施例中發光二極體照明裝置的示意圖。
第2圖為本發明實施例中發光二極體照明裝置的示意圖。
第3圖為本發明實施例中發光二極體照明裝置的示意圖。
第4圖為本發明實施例中發光二極體照明裝置的示意圖。
第5A圖為本發明實施例中發光二極體照明裝置運作時相關訊號的波形圖。
第5B圖為本發明實施例中發光二極體照明裝置運作時相關訊號的波形圖。
第6A圖為本發明實施例中發光二極體照明裝置運作時相關訊號的波形圖。
第6B圖為本發明實施例中發光二極體照明裝置運作時相關訊號的波形圖。
第7圖為本發明實施例中發光二極體照明裝置運作時相關訊號的波形圖。
第1圖為本發明實施例中發光二極體照明裝置100的示意圖。第2圖為本發明實施例中發光二極體照明裝置200的示意圖。第3圖為本發明實施例中發光二極體照明裝置300的示意圖。第4圖為本發明實施例中發光二極體照明裝置400的示意圖。發光二極體照明裝置100、200、300和400各包含一電源供應電路110、一發光裝置10、一電流偵測電路20，一電流調節電路30，以及一工作週期(duty cycle)偵測電路40。
在第1圖至第4圖所示的發光二極體照明裝置100、200、300和400中，電源供應電路110可接收一具正負周期的交流電壓VS，並利用一橋式整流器112來轉換交流電壓VS在負周期內的輸出電壓，因此可提供一整流交流電壓VAC以驅動發光二極體照明裝置100、200、300和400，其中整流交流電壓VAC之值隨著時間而有週期性變化。在其它實施例中，電源供應電路110可接收任何交流電壓VS，利用一交流-交流電壓轉換器來進行電壓轉換，並利用橋式整流器112來對轉換後的交流電壓VS進行整流，因此可提供整流交流電壓VAC以驅動發光二極體照明裝置100、200、300和400，其中整流交流電壓VAC之值隨著時間而有週期性變化。值得注意的是，電源供應電路110之實施方式並不限定本發 明之範疇。
在第1圖至第4圖所示的發光二極體照明裝置100、200、300和400中，發光裝置10可包含一個發光二極體，或是多個串接的發光二極體。第1圖至第4圖顯示了採用多個串接發光二極體的架構，其可包含多個單介面發光二極體(single-junction LED)、多個多介面高壓發光二極體(multi-junction high-voltage LED)，或不同類型發光二極體的任意組合。然而，發光裝置10所採用的發光二極體種類或組態並不限定本發明之範疇。
為了清楚地說明本發明，說明書全文和圖示中使用下列符號來表示發光二極體照明裝置100、200、300和400中相關電流和電壓。VLED代表發光裝置10的跨壓。ILED代表流經發光裝置10的電流。IT代表電流調節電路30提供的調節電流。
在第1圖至第4圖所示的發光二極體照明裝置100、200、300和400中，電流偵測電路20可包含一偵測電阻Rs，串聯於電流調節電路30和一接地電位GND之間。偵測電阻Rs可根據電流調節電路30所提供的調節電流IT來提供一回授電壓VFB，其中VFB=IT*Rs。然而，電流偵測電路20的實施方式並不限定本發明之範疇。
在第1圖至第4圖所示的發光二極體照明裝置100、200、300和400中，電流調節電路30包含一開關SW1、一比較器CP1，以及一參 考電壓產生器32。參考電壓產生器32可根據工作週期偵測電路40提供的一控制訊號Vc來提供一參考電壓VREF。開關SW1的第一端耦接至發光裝置10，第二端透過電流偵測電路20耦接至接地電位GND，而控制端耦接至比較器CP1的輸出端以接收一開關訊號VG1，可根據開關訊號VG1來提供調節電流IT，進而使電流ILED之值不超過調節電流IT之值。比較器CP1的正輸入端耦接至參考電壓產生器32以接收參考電壓VREF，負輸入端耦接至電流偵測電路20以接收回授電壓VFB，而輸出端用來輸出開關訊號VG1。根據回授電壓VFB和參考電壓VREF的大小關係，比較器CP1可調整驅動開關SW1的開關訊號VG1之值，進而相對應地調整調節電流IT的大小。當VFB<VREF時，比較器CP1會輸出較高電位的開關訊號VG1以增加開關SW1的調節電流；當VFB>VREF時，比較器CP1會輸出較低電位的開關訊號VG1以降低開關SW1的調節電流。因此，當電流ILED之值變小時，電流調節電路30會增加開關SW1的調節電流IT，直到回授電壓VFB升至參考電壓VREF為止；當電流ILED之值變大時，電流調節電路30會降低開關SW1的調節電流IT，直到回授電壓VFB降至參考電壓VREF為止。
在本發明實施例中，電流調節電路30中的開關SW1可為一金氧半場效電晶體(metal-oxide-semiconductor field-effect transistor,MOSFET)、一雙極性接面電晶體(bipolar junction transistor,BJT)或其他具備類似功能的元件。在第1圖至第4圖所示的實施例中，開關SW1為一N型電晶體。然而，開關SW1的實施方式並不限定本發明之範疇。
以開關SW1為金氧半場效電晶體的實施例來做說明，當電流 調節電路30開啟時開關SW1是在飽和區(saturation region)內運作，其所提供的調節電流IT正比於(VGS-VTH)2，其中VGS為開關SW1的閘極-源極電壓(控制端和第二端的壓差)，而VTH為開關SW1的臨界電壓。因此，當比較器CP1輸出不同電位的開關訊號VG1時，即可調整調節電流IT之值。
在第1圖至第4圖所示的發光二極體照明裝置100、200、300和400中，工作週期偵測電路40包含開關SW2-SW3、一比較器CP2，以及一電阻R1，可根據回授電壓VFB來偵測調節電流IT的工作週期，並提供相對應的控制訊號Vc。開關SW2的第一端耦接至一偏壓VDD，第二端透過電阻R1耦接至電流調節電路30，而控制端耦接至比較器CP2的輸出端以接收開關訊號VG2。開關SW3的第一端耦接至接地電位GND，第二端透過電阻R1耦接至電流調節電路30，而控制端耦接至比較器CP2的輸出端以接收開關訊號VG2。開關SW2和SW3為極性相反的元件，亦即在同一時間點接收到具特定電位的開關訊號VG2時，開關SW2和SW3中其中一開關會被開啟，而另一開關會被截止。在本發明中，開關SW2和開關SW3可為金氧半場效電晶體、雙極性接面電晶體或其他具備類似功能的元件。在第1圖至第4圖所示的實施例中，開關SW2為一P型電晶體，而開關SW3為一N型電晶體。然而，開關SW2和SW3的實施方式並不限定本發明之範疇。
在第1圖所示的發光二極體照明裝置100和第2圖所示的發光二極體照明裝置200中，比較器CP2的正輸入端耦接至一臨界電壓VTH，負輸入端耦接至電流偵測電路20以接收回授電壓VFB，而輸出端用來輸出開關訊號VG2。根據回授電壓VFB和臨界電壓VTH的大小關係，比較器 CP2可輸出相對應的開關訊號VG2以控制開關SW2-SW3的運作。以開關SW2為P型電晶體而開關SW3為N型電晶體的實施例來做說明：當VFB>VTH時，比較器CP2會輸出低電位的開關訊號VG2以開啟開關SW2並截止開關SW3，此時控制訊號Vc會透過電阻R1被拉至偏壓VDD；當VFB<VTH時，比較器CP2會輸出高電位的開關訊號VG2以開啟開關SW3並截止開關SW2，此時控制訊號Vc會透過電阻R1被拉至接地電位GND。
第5A和5B圖顯示了本發明實施例中發光二極體照明裝置100和200運作時相關訊號的波形圖。在第5A圖中，縱軸代表控制訊號Vc之值，而橫軸代表調節電流IT的工作週期。在第5B圖中，縱軸代表調節電流IT之值，而橫軸代表控制訊號Vc之值。當整流交流電壓VAC之值低於額定範圍時，調節電流IT的工作週期和控制訊號Vc之值較小，此時參考電壓產生器32會根據控制訊號Vc來增加參考電壓VREF之值以調高調節電流IT之值，進而穩定輸出電流；當整流交流電壓VAC之值高於額定範圍時，調節電流IT的工作週期和控制訊號Vc之值較大，此時參考電壓產生器32會根據控制訊號Vc來降低參考電壓VREF之值以降低調節電流IT之值，進而穩定輸出。
在第3圖所示的發光二極體照明裝置300和第4圖所示的發光二極體照明裝置400中，比較器CP2的正輸入端耦接至開關SW1的第二端和偵測電阻Rs之間以接收回授電壓VFB，負輸入端耦接至一臨界電壓VTH，而輸出端用來輸出開關訊號VG2。根據回授電壓VFB和臨界電壓VTH的大小關係，比較器CP2可輸出相對應的開關訊號VG2以控制開關SW2-SW3的運作。以開關SW2為P型電晶體而開關SW3為N型電晶體的 實施例來做說明：當VFB>VTH時，比較器CP2會輸出高電位的開關訊號VG2以關閉開關SW2並開啟開關SW3，此時控制訊號Vc會透過電阻R1被拉至接地電位GND；當VFB<VTH時，比較器CP2會輸出低電位的開關訊號VG2以關閉開關SW3並開啟開關SW2，此時控制訊號Vc會透過電阻R1被拉至偏壓VDD。
第6A和6B圖顯示了本發明實施例中發光二極體照明裝置300和400運作時相關訊號的波形圖。在第6A圖中，縱軸代表控制訊號Vc之值，而橫軸代表調節電流IT的工作週期。在第6B圖中，縱軸代表調節電流IT之值，而橫軸代表控制訊號Vc之值。當整流交流電壓VAC之值低於額定範圍時，調節電流IT的工作週期之值較小而控制訊號Vc之值較大，此時參考電壓產生器32會根據控制訊號Vc來增加參考電壓VREF之值以調高調節電流IT之值，進而穩定輸出電壓；當整流交流電壓VAC之值高於額定範圍時，調節電流IT的工作週期之值較大而控制訊號Vc之值較小，此時參考電壓產生器32會根據控制訊號Vc來降低參考電壓VREF之值以降低調節電流IT之值，進而穩定輸出。
在第5B和6B圖所示之實施例中，當控制訊號Vc之值介於特定區間時(例如介於0.2VDD和0.8VDD)，調節電流IT之值會以線性增加或降低。在其它實施例中，當控制訊號Vc之值介於特定區間時，調節電流IT之值可以非線性增加或降低。然而，特定區間的範圍或調整調節電流IT的方式並不限定本發明範疇。
第7圖顯示了本發明實施例中發光二極體照明裝置100、 200、300和400運作時相關訊號的波形圖。在第7圖中，曲線A代表在額定範圍內之整流交流電壓VAC，曲線B代表高於額定範圍時之整流交流電壓VAC，而曲線C代表低於額定範圍時之整流交流電壓VAC。IA代表當整流交流電壓VAC在額定範圍內時發光二極體照明裝置的導通電流，IB代表當整流交流電壓VAC高於額定範圍時發光二極體照明裝置的導通電流，而IC代表當整流交流電壓VAC低於額定範圍內時發光二極體照明裝置的導通電流。
發光二極體照明裝置100、200、300和400的電壓調節率相關於電流ILED對時間的積分值。如第7圖所示，當整流交流電壓VAC高於額定範圍時，本發明可因應調節電流IT的工作週期增加而降低調節電流IT之值；當整流交流電壓VAC低於額定範圍時，本發明可因應增加調節電流IT的工作週期降低而增加調節電流IT之值。因此，在整流交流電壓VAC有所變動時，本發明可使得電流IA之平均值(或電流IA對時間的平均積分值)、電流IB的平均值(或電流IB對時間t的平均積分值)，以及電流IC的平均值(或電流IC對時間t的平均積分值)彼此之間的差異降到最小，進而改善發光二極體照明裝置100、200、300和400的整體電壓調節率。
在第2圖和第4圖所示的實施例中，發光二極體照明裝置200和400各另包含一電荷儲存單元Cs，耦接於工作週期偵測電路40和接地電位GND之間。電荷儲存單元Cs和工作週期偵測電路40中的開關SW2-SW3可達成數位至類比的轉換。當VFB>VTH時，偏壓VDD經由開關SW2和電阻R1對電荷儲存單元Cs充電；當VFB<VTH時，電荷儲存單元Cs經由開關電阻R1和開關SW3來放電。因此，調節電流IT的工作週期可被 轉換成一直流值，進而得到圖5A所示的關係。
在第1圖所示的發光二極體照明裝置100和第3圖所示的發光二極體照明裝置300中，電流調節電路30和工作週期偵測電路40可為製作在同一晶片50上的四端裝置，其中脚位P1為耦接至發光裝置10的輸入脚位，脚位P2為耦接至接地電位GND的接地脚位，脚位P3為耦接至電流偵測電路20的偵測脚位，而脚位P4為耦接於電源供應電路110的電源脚位。然而，電流調節電路30和工作週期偵測電路40的實作方式並不限定本發明範疇。
在第2圖所示的發光二極體照明裝置200和第4圖所示的發光二極體照明裝置400中，電流調節電路30和工作週期偵測電路40可為製作在同一晶片50上的五端裝置，其中脚位P1為耦接至發光裝置10的輸入脚位，脚位P2為耦接至接地電位GND的接地脚位，脚位P3為耦接至電流偵測電路20的偵測脚位，脚位P4為耦接於電源供應電路110的電源脚位，而脚位P5為耦接於電荷儲存單元Cs的控制脚位。然而，電流調節電路30和工作週期偵測電路40的實作方式並不限定本發明範疇。
在第1圖至第4圖所示的發光二極體照明裝置100、200、300和400中，脚位P4為耦接於電源供應電路110的電源脚位。在其它實施例中，晶片50可直接由脚位P1取電，因此不需要脚位P4。
本發明可監控因整流交流電壓VAC的峰值變化而造成的發光 裝置導通工作週期變化，進而依此調整調節電流IT之值和工作週期以調節流經發光裝置的電流。因此，當整流交流電壓VAC之值因故偏離其額定範圍時，本發明可改善發光二極體照明裝置的整體電壓調節率。
以上該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。
VAC:整流交流電壓
ILED:電流
IA、IB、IC:導通電流
A、B、C:曲線

Claims (12)

  1. 一種提升電壓調整率的發光二極體照明裝置，其包含：一電流偵測電路，用來監控一第一電流的變化以提供相對應的一回授電壓；一工作週期偵測電路，其根據該回授電壓來偵測該第一電流的工作週期，並提供相對應的一控制訊號；以及一電流調節電路，用來：提供該第一電流以調節一第二電流，以使該第二電流之值不超過該第一電流之值，其中該第二電流流經由一整流交流電壓所驅動的一發光裝置；以及根據該回授電壓和該控制訊號來調整該第一電流之值。
  2. 如請求項1所述之發光二極體照明裝置，其中該電流調節電路包含：一第一開關，其包含：一第一端，耦接至該發光裝置；一第二端，耦接至該電流偵測電路；以及一控制端，耦接至一第一開關訊號；以及一第一比較器，其包含：一第一輸入端，耦接至一參考電壓；一第二輸入端，耦接至該電流偵測電路以接收該回授電壓；以及一輸出端，耦接至該第一開關的該控制端，用來根據該參考電壓和該回授電壓的大小關係來輸出該第一開關訊號。
  3. 如請求項2所述之發光二極體照明裝置，其中該電流調節電路另包含一參考電壓產生器，其根據該控制訊號來提供該參考電壓。
  4. 如請求項1所述之發光二極體照明裝置，其中該工作週期偵測電路包含：一第二開關，其包含：一第一端，耦接至一偏壓；一第二端，用來提供該控制訊號；以及一控制端，耦接至一第二開關訊號；一第三開關，其包含：一第一端，耦接至一接地電位；一第二端，耦接至該第二開關的該第二端；以及一控制端，耦接至該第二開關訊號；以及一第二比較器，其包含：一第一輸入端，耦接至一臨界電壓；一第二輸入端，耦接至該電流偵測電路以接收該回授電壓；以及一輸出端，耦接至該第二開關的該控制端和該第三開關的該控制端，用來根據該臨界電壓和該回授電壓的大小關係來輸出該第二開關訊號。
  5. 如請求項4所述之發光二極體照明裝置，其中該工作週期 偵測電路另包含一電阻，其包含：一第一端，耦接至該第二開關的該第二端和該第三開關的該第二端；以及一第二端，耦接至該電流調節電路。
  6. 如請求項1所述之發光二極體照明裝置，其中該電流偵測電路包含一偵測電阻，耦接於該電流調節電路和一接地電位之間。
  7. 如請求項1所述之發光二極體照明裝置，其中該電流調節電路和該工作週期偵測電路製作在一晶片上，且該晶片包含：一第一脚位，耦接至該發光裝置；一第二脚位，耦接至一接地電位；以及一第三脚位，耦接至該電流偵測電路。
  8. 如請求項7所述之發光二極體照明裝置，其中該晶片另包含一第四脚位，耦接至該整流交流電壓。
  9. 如請求項1所述之發光二極體照明裝置，其另包含一電荷儲存單元，耦接於該工作週期偵測電路和一接地電位之間。
  10. 如請求項9所述之發光二極體照明裝置，其中該電流調節電路和該工作週期偵測電路製作在一晶片上，且該晶片包含：一第一脚位，耦接至該發光裝置；一第二脚位，耦接至該接地電位； 一第三脚位，耦接至該電流偵測電路；以及一第四脚位，耦接至該電荷儲存單元。
  11. 如請求項10所述之發光二極體照明裝置，其中該晶片另包含一第五脚位，耦接至該整流交流電壓。
  12. 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。
TW110123702A 2021-05-21 2021-06-29 改善電壓調整率的發光二極體照明裝置 TWI776568B (zh)

Applications Claiming Priority (2)

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