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TWI715387B - 發光裝置驅動電路 - Google Patents

發光裝置驅動電路 Download PDF

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TWI715387B
TWI715387B TW108148365A TW108148365A TWI715387B TW I715387 B TWI715387 B TW I715387B TW 108148365 A TW108148365 A TW 108148365A TW 108148365 A TW108148365 A TW 108148365A TW I715387 B TWI715387 B TW I715387B
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pulsating
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TW108148365A
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Inventor
詹子增
Original Assignee
宏碁股份有限公司
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Publication date
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Priority to US16/865,407 priority patent/US10993299B1/en
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Publication of TW202126111A publication Critical patent/TW202126111A/zh

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    • H05B45/37—Converter circuits
    • H05B45/3725—Switched mode power supply [SMPS]
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Abstract

發光二極體驅動電路包含變壓器電路、電壓供應電路、穩壓電路，以及漣波消除電路。變壓器電路用來將輸入電壓轉換成漣波輸出電壓。電壓供應電路用來提供相關於漣波輸出電壓之最大值的驅動電壓。穩壓電路用來提供相關於漣波輸出電壓之變化量的第一脈動直流電壓。漣波消除電路用來提供相關於輸入電壓之值的第二脈動直流電壓，依據第一脈動直流電壓、第二脈動直流電壓，以及驅動電壓來提供抵銷電壓，以及將抵銷電壓疊加至漣波輸出電壓以提供純直流輸出電壓，其中抵銷電壓和漣波輸出電壓頻率相同，且純直流輸出電壓為0赫茲且具穩定準位。

Description

發光裝置驅動電路
本發明相關於一種發光裝置驅動電路，尤指一種可改善頻閃現象之發光二極體驅動電路。
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，廣泛地被應用於各種室內室外照明裝置及各種可攜式消費性電子產品中。
在整流交流電壓直接驅動的照明應用中，由於發光二極體的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，往往需要使用許多串接之發光二極體來提供足夠光源。頻閃(flicker)是一種光源強度隨著時間有明暗變化的現象，無論人眼是否能夠辨識，頻閃會對人體造成不同程度的影響，例如頭痛、眼花、眼睛疲勞、心神不安、或引發癲癇等反應。因此，需要一種能改善頻閃現象之發光二極體驅動電路。
本發明提供一種發光裝置驅動電路，其包含一變壓器電路，用來將一輸入電壓轉換成一漣波輸出電壓；一電壓供應電路，用來提供相關於該輸入電壓之值的一第一驅動電壓和相關於該漣波輸出電壓之最大值的一第二驅動電壓；一穩壓電路，用來提供相關於該漣波輸出電壓之變化量的一第一脈動直流電壓和一回授電壓；一脈衝寬度調變積體電路，耦接於該變壓器電路、該電壓供應電路和該穩壓電路，用來在被該第一驅動電壓啟動時依據該回授電壓來控制該變壓器電路之運作；以及一漣波消除電路，用來提供相關於該輸入電壓之值的一第二脈動直流電壓，依據該第一脈動直流電壓、該第二脈動直流電壓，以及該第二驅動電壓來提供一抵銷電壓，以及將該抵銷電壓疊加至該漣波輸出電壓以提供一純直流輸出電壓，其中該抵銷電壓和該漣波輸出電壓頻率相同，且該純直流輸出電壓為0赫茲且具一穩定準位。
10:變壓器電路
15:磁芯
20:電壓供應電路
30:脈衝寬度調變積體電路
40:穩壓電路
50:漣波消除電路
52:乘法器
54:反向器
56:位準移位器
58:加法器
60:發光裝置
100:發光裝置驅動電路
VIN:輸入電壓
VOUT1、VOUT2:輸出電壓
VREF:參考電壓
VFB:回授電壓
VCC1、VCC2:驅動電壓
VS:交流電壓
VCP:抵銷電壓
VM1-VM4:脈動直流電壓
IIN:輸入電流
IOUT:輸出電流
IFB:回授電流
GND:接地電位
P1~P3:接腳
TR1:主變壓器
TR2:輔助變壓器
CAUX1、CAUX2:輔助電容
CIN:輸入電容
COUT:輸出電容
CFB:回授電容
CC:補償電容
GD:控制訊號
R1~R4:分壓電阻
RFB:回授電阻
RM:限流電阻
DOUT:輸出二極體
DAUX1、DAUX2:輔助二極體
Q1:功率開關
PC:線性光耦合器
TL:穩壓器
NP1、NS1、NP2、NS2:繞組匝數
第1圖為本發明實施例中一種發光裝置驅動電路之功能方塊圖。
第2圖為本發明實施例發光裝置驅動電路實作方式之示意圖。
第3圖為本發明實施例中漣波消除電路之乘法器運作時相關電壓之波形圖。
第4圖為本發明實施例中漣波消除電路運作時相關電壓之波形圖。
第1圖為本發明實施例中一種發光裝置驅動電路100之功能方塊圖。發光裝置驅動電路100包含一變壓器電路10、一電壓供應電路 20、一脈衝寬度調變積體電路30、一穩壓電路40，以及一漣波消除電路50，因此可將由市電供應之一輸入電壓VIN轉換成一輸出電壓VOUT2以驅動一發光裝置60。IIN代表發光裝置驅動電路100運作時之輸入電流，IOUT代表發光裝置驅動電路100運作時之輸出電流。
第2圖為本發明實施例發光裝置驅動電路100實作方式之示意圖。變壓器電路10包含一橋式整流器12、一主變壓器TR1、一輸入電容CIN、一輸出電容COUT、一輸出二極體DOUT，以及一功率開關Q1。橋式整流器12可從市電接收一具正負週期之交流電壓VS，並轉換交流電壓VS在負週期內之輸出電壓以對輸入電容CIN充電，進而供應直流輸入電壓VIN。主變壓器TR1包含一初級側繞組(由匝數NP1來表示)和一次級側繞組(由匝數NS1來表示)。初級側繞組NP1耦接於輸入電壓VIN，而次級側繞組NS1透過輸出二極體DOUT耦接至漣波消除電路50。主變壓器TR1可利用初級側繞組NP1來將相關於直流輸入電壓VIN之初級側能量感應至次級側繞組NS1，並在輸出電容COUT上建立一漣波輸出電壓VOUT1，其中功率開關Q1依據一控制訊號GD來調整主變壓器TR1中從初級側繞組NP1感應至次級側繞組NS1之能量。在主變壓器TR1之運作中，相關電壓和電流之關係為VIN/VOUT1=IOUT/IIN=NP1/NS1。在升壓應用中，次級側繞組之匝數NS1大於初級側繞組之匝數NP1；在降壓應用中，次級側繞組之匝數NS1小於初級側繞組之匝數NP1。在本發明一實施例中，NP1和NS1、之值的比例可為40：2，然而主變壓器TR1中初級側繞組之匝數NP1和次級側繞組之匝數NS1並不限定本發明之範疇。
電壓供應電路20包含輔助電容CAUX1~CAUX2、輔助二極體 DAUX1~DAUX2以及一輔助變壓器TR2。輔助變壓器TR2包含一初級側繞組(由匝數NP2來表示)和一次級側側繞組(由匝數NP2來表示)。初級側繞組NP2透過輔助二極體DAUX1耦接至輔助電容CAUX1，而次級側繞組NS2透過輔助二極體DAUX2耦接至輔助電容CAUX2。在接收到主變壓器TR1感應來的能量後，發光二極體驅動電路10可在輔助電容CAUX1上建立脈衝寬度調變積體電路30運作所需之驅動電壓VCC1，且在輔助電容CAUX2上建立漣波消除電路50運作所需之驅動電壓VCC2。
在本發明之主變壓器TR1和輔助變壓器TR2中，初級側繞組NP1~NP2和次級側繞組NS1~NS2皆纏繞在同一磁芯15上，其中初級側繞組NP1和次級側繞組NS1形成一電壓感應單元，次級側繞組NS1和初級側繞組NP2形成一電壓感應單元，而初級側繞組NP2和次級側繞組NS2形成一電壓感應單元。在本發明一實施例中，NP1、NS1、NP2和NS2之值的比例可為40：2：2：2，然而主變壓器TR1和輔助變壓器TR2中初級側繞組之匝數NP1~NP2和次級側繞組之匝數NS1~NS2並不限定本發明之範疇。
脈衝寬度調變積體電路30設置在主變壓器TR1之初級側，其包含3個接腳P1~P3，接腳P1耦接至功率開關Q1之控制端以提供控制訊號GD，接腳P2耦接至驅動電壓供應電路20以接收運作所需之驅動電壓VCC1，而接腳P3耦接至穩壓電路40以接收相關於漣波輸出電壓VOUT1之一回授電壓VFB。功率開關Q1之第一端耦接至主變壓器TR1之初級側繞組NP1，第二端耦接至一接地電位GND，而控制端耦接至脈衝寬度調變積體電路30之接腳P1，可依據脈衝寬度調變積體電路30提供之控制訊號 GD來選擇性地導通或截止。脈衝寬度調變積體電路30可依據回授電壓VFB之值來調整控制訊號GD之責任週期(duty cycle)，進而調整主變壓器TR1中從初級側繞組NP1感應至次級側繞組NS1之能量以維持穩定輸出。
穩壓電路40包含一回授電容CFB、一補償電容CC、分壓電阻R1和R2、一回授電阻RFB、一限流電阻RM、一線性光耦合器PC，以及一穩壓器TL。線性光耦合器PC之輸入端包含一發光二極體，輸出端包含一光敏電晶體。發光二極體設置在主變壓器TR1之次級側，而光敏電晶體設置在主變壓器TR1之初級側，可在主變壓器TR1之次級側和初級側之間進行電-光-電轉換。分壓電阻R1和R2串聯於漣波輸出電壓VOUT1和接地電位GND之間，而穩壓器TL之參考端耦接至分壓電阻R1和R2之間以接收相關於漣波輸出電壓VOUT1之一參考電壓VREF，其中VREF=VOUT1＊R2/(R1+R2)。穩壓器TL可依據參考電壓VREF之值來調整其陰極到陽極的分流，進而控制漣波輸出電壓VOUT1之值。若漣波輸出電壓VOUT1增大，參考電壓VREF之值也會增大，穩壓器TL的分流也就增加，進而調降漣波輸出電壓VOUT1之值以維持穩定輸出。線性光耦合器PC包含一發光二極體和一光敏電晶體，其中發光二極體耦接於線性光耦合器PC之第一輸入端和第二輸入端之間，而光敏電晶體耦接於線性光耦合器PC之第一輸出端和第二輸出端之間。線性光耦合器PC可利用輸入側之發光二極體來感應漣波輸出電壓VOUT1之變化量，並將相關漣波輸出電壓VOUT1變化量之電能轉換成光能，再由輸出側之光敏電晶體接收後轉換成電能，進而對回授電容CFB充電以提供相對應之回授電壓VFB。同時，回授電壓VFB之變化會影響光敏電晶體所導通的回授電流IFB，回 授電流IFB會在回授電阻RFB上建立一脈動直流電壓VM1，因此回授電壓VFB和VM1之值皆相關於漣波輸出電壓VOUT1的準位。
漣波消除電路50包含分壓電阻R3和R4、一乘法器52、一反向器54、一位準移位器56，以及一加法器58。輸入電壓VIN在通過由分壓電阻R3和R4所組成之分壓電路後，會在分壓電阻R4上建立一脈動直流電壓VM2。乘法器52之第一輸入端耦接至線性光耦合器PC中輸出端之光敏電晶體以接收脈動直流電壓VM1，第二輸入端耦接至分壓電阻R3和R4之間以接收脈動直流電壓VM2，可將脈動直流電壓VM1和脈動直流電壓VM2相乘之後於輸出端提供一脈動直流電壓VM3。
第3圖為本發明實施例漣波消除電路50中乘法器52運作時相關電壓之波形圖。在輸出端維持固定能量輸出的情況下，當輸入電壓VIN為低壓時，脈動直流電壓VM1之值較大；當輸入電壓VIN為高壓時，脈動直流電壓VM1之值較小。因此，在將脈動直流電壓VM1和脈動直流電壓VM2相乘之後，乘法器52於輸出端提供之脈動直流電壓VM3，其值會隨著輸入電壓VIN之值而進行自適應調整。
反向器54之輸入端耦接至乘法器52之輸出端以接收脈動直流電壓VM3，可對脈動直流電壓VM3進行反向處理，以於輸出端提供一脈動直流電壓VM4。位準移位器56之第一輸入端耦接至電壓供應電路20以接收驅動電壓VCC2，第二輸入端耦接至反向器54之輸出端以接收脈動直流電壓VM4，可依據驅動電壓VCC2來調整脈動直流電壓VM4之準位，再於輸出端提供一抵銷電壓VCP。加法器58之第一輸入端耦接至輸 出電容COUT以接收漣波輸出電壓VOUT1，第二輸入端耦接至位準移位器56之輸出端以接收抵銷電壓VCP，可將抵銷電壓VCP疊加至漣波輸出電壓VOUT1以進而輸出相對應之純直流輸出電壓VOUT2。
第4圖為本發明實施例漣波消除電路50運作時相關電壓之波形圖。由於抵銷電壓VCP和漣波輸出電壓VOUT1具相同頻率，同時抵銷電壓VCP之值反應輸入端和輸出端的變化，本發明發光裝置驅動電路100可提供0赫茲且具穩定準位之純直流輸出電壓VOUT2以驅動發光裝置60，進而改善頻閃現象。
在本發明實施例中，發光裝置60可包含一個發光二極體，或是複數個串接、並聯或組成陣列之發光二極體。第2圖顯示了採用複數個串接發光二極體之架構，其可包含複數個單介面發光二極體(single-junction LED)、複數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之任意組合。然而，發光裝置60所採用的發光二極體種類或組態並不限定本發明之應用範疇。
在本發明中，輸入電容CIN可採用1顆120μF(誤差±20%)之電容器，輸出電容COUT可採用1顆680μF(誤差±20%)之電容器，輔助電容CAUX1和CAUX2可各採用一顆10μF(誤差±10%)之電容器，回授電容CFB可採用一顆100nF(誤差±5%)之電容器，補償電容CC可採用一顆330nF(誤差±5%)之電容器，分壓電阻R1之值可為70KΩ(誤差±1%)，分壓電阻R2之值可為10KΩ(誤差±1%)，分壓電阻R3之值可為100KΩ(誤差±1%)，分壓電阻R4之值可為10KΩ(誤差±1%)，回授電阻RFB之值可為1KΩ(誤差 ±1%)，而限流電阻RM之值可為15KΩ(誤差±1%)。然而，上述元件之實作方式並不限定本發明之範疇。
綜上所述，本發明之發光裝置驅動電路可利用漣波消除電路來提供一抵銷電壓，其中抵銷電壓和漣波輸出電壓具相同頻率，且其準位能反應輸入端和輸出端的變化。在將抵銷電壓疊加至漣波輸出電壓後，本發明之發光裝置驅動電路可提供0赫茲且具穩定準位之純直流輸出電壓以驅動發光裝置，進而改善頻閃現象。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。
10:變壓器電路
15:磁芯
20:電壓供應電路
30:脈衝寬度調變積體電路
40:穩壓電路
50:漣波消除電路
52:乘法器
54:反向器
56:位準移位器
58:加法器
60:發光裝置
100:發光裝置驅動電路
VIN:輸入電壓
VOUT1、VOUT2:輸出電壓
VREF:參考電壓
VFB:回授電壓
VCC1、VCC2:驅動電壓
VS:交流電壓
VCP:抵銷電壓
VM1-VM4:脈動直流電壓
IIN:輸入電流
IOUT:輸出電流
IFB:回授電流
GND:接地電位
P1~P3:接腳
TR1:主變壓器
TR2:輔助變壓器
CAUX1、CAUX2:輔助電容
CIN:輸入電容
COUT:輸出電容
CFB:回授電容
CC:補償電容
GD:控制訊號
R1~R4:分壓電阻
RFB:回授電阻
RM:限流電阻
DOUT:輸出二極體
DAUX1、DAUX2:輔助二極體
Q1:功率開關
PC:線性光耦合器
TL:穩壓器
NP1、NS1、NP2、NS2:繞組匝數

Claims (10)

  1. 一種發光裝置驅動電路，其包含：一變壓器電路，用來將一輸入電壓轉換成一漣波輸出電壓；一電壓供應電路，用來提供相關於該輸入電壓之值的一第一驅動電壓和相關於該漣波輸出電壓之最大值的一第二驅動電壓；一穩壓電路，用來提供相關於該漣波輸出電壓之變化量的一第一脈動直流電壓和一回授電壓；一脈衝寬度調變積體電路，耦接於該變壓器電路、該電壓供應電路和該穩壓電路，用來在被該第一驅動電壓啟動時依據該回授電壓來控制該變壓器電路之運作；以及一漣波消除電路，用來：提供相關於該輸入電壓之值的一第二脈動直流電壓；依據該第一脈動直流電壓、該第二脈動直流電壓，以及該第二驅動電壓來提供一抵銷電壓；以及將該抵銷電壓疊加至該漣波輸出電壓以提供一純直流輸出電壓，其中該抵銷電壓和該漣波輸出電壓頻率相同，且該純直流輸出電壓為0赫茲且具一穩定準位。
  2. 如請求項1所述之發光裝置驅動電路，其中該變壓器電路包含：一第一變壓器，其包含一第一初級側繞組和一第一次級側繞組，用來將相關該輸入電壓之能量從該第一初級側繞組感應至該第一次級側繞組，以在該第一次級側繞組上提供相關該漣波輸出電壓之能量； 一輸入電容，耦接於該第一初級側繞組和一接地端之間，用來儲存相關該輸入電壓之能量；一輸出電容，耦接於該第一次級側繞組和該接地端之間，用來儲存相關該漣波輸出電壓之能量；以及一功率開關，其依據一控制訊號來選擇性地導通或截止，且包含：一第一端，耦接於該第一初級側繞組，以及一第二端；以及一控制端，用來接收該控制訊號。
  3. 如請求項2所述之發光裝置驅動電路，其中該脈衝寬度調變積體電路另用來在被該第一驅動電壓啟動時提供該控制訊號，並依據該回授電壓來調整該控制訊號之責任週期以調節該第一變壓器從該第一初級側繞組感應至該第一次級側繞組之能量。
  4. 如請求項2所述之發光裝置驅動電路，其中該變壓器電路另包含：一橋式整流器，用來將一具正負週期之交流電壓轉換成該輸入電壓；以及一輸出二極體，其陽極耦接於該第一次級側繞組，而其陰極耦接於該輸出電容。
  5. 如請求項2所述之發光裝置驅動電路，其中該電壓供應電路包含：一第二變壓器，其包含一第二初級側繞組和一第二次級側繞組， 且該第一初級側繞組、該第一次級側繞組、該第二初級側繞組和該第二次級側繞組皆纏繞在同一磁芯上；一第一輔助二極體，其包含：一陽極，耦接於該第二初級側繞組，以及一陰極；一第二輔助二極體，其包含：一陽極，耦接於該第二次級側繞組，以及一陰極；一第一輔助電容，用來儲存相關該第一驅動電壓之能量，其包含：一第一端，耦接於該第一輔助二極體之陰極，以及一第二端，耦接於一接地電位；以及一第二輔助電容，用來儲存相關該第二驅動電壓之能量，其包含：一第一端，耦接於該第二輔助二極體之陰極，以及一第二端，耦接於該接地電位。
  6. 如請求項1所述之發光裝置驅動電路，其中該電壓供應電路包含：一第二變壓器，其包含一第二初級側繞組和一第二次級側繞組；一第一輔助二極體，其包含：一陽極，耦接於該第二初級側繞組，以及一陰極；一第二輔助二極體，其包含：一陽極，耦接於該第二次級側繞組，以及一陰極； 一第一輔助電容，用來儲存相關該第一驅動電壓之能量，其包含：一第一端，耦接於該第一輔助二極體之陰極，以及一第二端，耦接於一接地電位；以及一第二輔助電容，用來儲存相關該第二驅動電壓之能量，其包含：一第一端，耦接於該第二輔助二極體之陰極，以及一第二端，耦接於該接地電位。
  7. 如請求項1所述之發光裝置驅動電路，其中該穩壓電路包含：一第一分壓電阻和一第二分壓電阻，串聯於該漣波輸出電壓和一接地電位之間；一穩壓器，其包含：一陽極，耦接於該接地電位；一陰極；一控制端，耦接於該第一分壓電阻和該第二分壓電阻之間；一限流電阻；一線性光耦合器，用來將一第一輸入端和一第二輸入端之間的一第一電能轉換成一光能，再將該光能轉換成一第一輸出端和一第二輸出端之間的一第二電能，其中該第一輸入端透過該限流電阻耦接於該漣波輸出電壓，而該第二輸入端耦接於該穩壓器之該陰極；一回授電容，耦接於該第一輸出端和該接地電位之間，用來儲存該第二電能以提供該回授電壓；以及一回授電阻，耦接於該第二輸出端和該接地電位之間，用來依據 流經該第一輸出端和該第二輸出端之一回授電流以提供該第一脈動直流電壓。
  8. 如請求項7所述之發光裝置驅動電路，其中該線性光耦合器包含：一發光二極體，耦接於該第一輸入端和該第二輸入端之間；以及一光敏電晶體，耦接於該第一輸出端和該第二輸出端之間。
  9. 如請求項1所述之發光裝置驅動電路，其中該漣波消除電路包含：一第三分壓電阻和一第四分壓電阻，串聯於該輸入電壓和一接地電位之間，用來分壓該輸入電壓以在該第四分壓電阻上建立該第二脈動直流電壓；一乘法器，用來將該第一脈動直流電壓和一第二脈動直流電壓相乘以提供一第三脈動直流電壓；一反向器，用來對該第三脈動直流電壓進行反向處理以提供一第四脈動直流電壓；一位準移位器，用來依據該第二驅動電壓來調整該第四脈動直流電壓之準位以提供該抵銷電壓；以及一加法器，用來將該抵銷電壓疊加至該漣波輸出電壓以提供相對應之該純直流輸出電壓。
  10. 如請求項9所述之發光裝置驅動電路，其中：該乘法器包含： 一第一輸入端，耦接至該穩壓電路以接收該第一脈動直流電壓；一第二輸入端，耦接至該第三分壓電阻和該第四分壓電阻之間以接收該第二脈動直流電壓；以及一輸出端，用來輸出該第三脈動直流電壓；該反向器包含：一輸入端，耦接至該乘法器以接收該第三脈動直流電壓；以及一輸出端，用來輸出該第四脈動直流電壓；該位準移位器包含：一第一輸入端，耦接至該電壓供應電路以接收該第二驅動電壓；一第二輸入端，耦接至該反向器之該輸出端以接收該第四脈動直流電壓；以及一輸出端，用來輸出該抵銷電壓；以及該加法器包含：一第一輸入端，耦接至該變壓器電路以接收該漣波輸出電壓電壓；一第二輸入端，耦接至該位準移位器之該輸出端以接收該抵銷電壓；以及一輸出端，用來輸出該純直流輸出電壓。
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