TWI449458B - 發光二極體驅動系統 - Google Patents

Description

發光二極體驅動系統

本發明係關於發光二極體之技術領域，尤指一種發光二極體驅動系統。

發光二極體(Light Emitting Diode，LED)是利用電能直接轉化為光能的原理，在半導體內正負極的兩個端子施加電壓，當電流通過，使電子與電洞相結合時，剩餘能量便以光的形式釋放，依其使用的材料的不同，其能階高低使光子能量產生不同波長的光，而為人眼所能接受到各種顏色的光。

圖1係發光二極體的電壓電流特性曲線，如圖1所示，施加於發光二極體的順向電壓Vf大於2.5伏特時，發光二極體導通發光，順向電壓Vf小於0.0伏特時不發光。由圖1可知，順向電壓Vf較佳為2.5~3.5伏特，此時發光二極體的電流為20mA~30mA。同時由圖1可知，當施加於發光二極體的電壓太大時，會導致發光二極體損壞。故在使用發光二極體時，常串接多個發光二極體，使每一個發光二極體的順向電壓Vf介於2.5~3.5伏特之間。由於電壓電流及串接多個發光二極體之限制，故使用時，所施加的外部電壓需大於一所謂的啟動電壓，整個串接發光二極體才會發光。

圖2係一習知交流發光二極體使用的示意圖。其包含一交流電源210、第一組發光二極體220及第二組發光二極體230，且該第一組發光二極體220及第二組發光二極體230的順向導通電壓為90伏特。

當交流電源210的輸出交流電壓等於或是大於90伏特時，開始啟動點亮第一組發光二極體220。當輸出交流電壓繼續上升後並再降回至90伏特時，第一組發光二極體220被關閉。同理，輸出交流電壓等於或是小於-90伏特時，開始啟動點亮第二組發光二極體230。當輸出交流電壓繼續下降後並再上升至-90伏特時，第二組發光二極體230被關閉。

請參閱圖3，係顯示圖2之交流發光二極體的電流波型圖，其中，橫軸為時間，其係以電壓相位顯示，縱軸為電流單位為mA(毫安培)。如圖3所示，在相位約30度時，電壓開始大於90V，而點亮第一組發光二極體220。在相位約90度時，電壓達到最大值，流經第一組發光二極體220的電流約為5.2mA。在相位為150度~210度時，電壓小於90V且大於-90V，此時第一組發光二極體220及第二組發光二極體230被關閉，故電流為0mA。在相位約210度時，電壓開始小於-90V，而點亮第二組發光二極體230。在相位約270度時，電壓達到最小值，流經第二組發光二極體230的電流約為-5.2mA。在相位為330度~360度時，電壓小於90V且大於-90V，此時第一組發光二極體220及第二組發光二極體230被關閉，故電流為0mA。

由圖3可知，第一組發光二極體220及第二組發光二極體230有時被點亮有時被關閉，此會產生閃爍現象，而導致人眼之不舒服，故如圖2的習知技術並不適合使用於照明設施。

圖4係另一習知交流發光二極體使用的示意圖。如圖4所示其係由一交流電源210、一組發光二極體220及一全橋整流器250所組成。其工作原理係將交流市電透過全橋整流器250，將正負的交流弦波整流成只有正半週的波形，再利用此波形直接驅動發光二極體220。但是，此種波形卻會造成發光二極體220閃爍以及利用率低落的問題。其中，在輸入電壓為低壓時，輸入電壓會小於發光二極體220的導通電壓，所以發光二極體220為熄滅狀態。在輸入電壓為高壓時，輸入電壓會大於發光二極體220的導通電壓，發光二極體處於明亮狀態。整體而言，發光二極體220隨著輸入電壓而有明有滅，此結果造成發光二極體的利用率較低且易出現閃爍現象。故習知交流發光二極體驅動電路仍有改善空間。

本發明之主要目的係在提供一種發光二極體驅動系統，其係以一全新架構而提昇整體發光二極體的利用率，同時將發光二極體的閃爍頻率提高，使人眼無法查覺。

依據本發明之一特色，本發明提出一種發光二極體驅動系統，其使用一交流電壓以驅動發光二極體，該驅動系統至少包含一濾波電路、一整流電路、一填谷電路、及一發光二極體發光電路。該濾波電路其接收該交流電壓，並對該交流電壓與電流進行濾波，以濾除該交流電壓與電流的高次諧波成分，並產生一濾波交流電壓。該整流電路連接至該濾波電路，該整流電路具有一第一輸出端及一第二輸出端，以對該濾波電壓與電流進行整流，而產生一整流電壓與電流。該填谷電路連接至該整流電路，該填谷電路改變該整流電路之導通時間，以提升該整流電壓與電流的功率因數及發光二極體的利用率。該發光二極體發光電路連接至該填谷電路，該發光二極體發光電路接收該整流電壓而產生光源。

圖5係本發明一種發光二極體驅動系統500的電路圖。該發光二極體驅動系統500使用一交流電壓以驅動發光二極體，該驅動系統500包含一濾波電路510、一整流電路520、一填谷電路530、一發光二極體發光電路540、及一控制電路550。

該濾波電路510其連接至一交流電源V_ac ，以接收交流電壓與電流，並對該交流電壓與電流進行濾波，以濾除該交流電壓與電流的高次諧波成分，並產生一濾波交流電壓V_ac,filtered 。

該濾波電路510由一濾波電感Li與一濾波電容Ci所組成。該濾波電感Li的第一端503連接至該交流電壓源V_ac 的第一端501，其第二端504連接至該濾波電容Ci之第一端505，該濾波電容Ci的第二端506連接至該交流電壓源V_ac 的第二端502。

該整流電路520連接至該濾波電路510，該整流電路520具有一第一輸出端521及一第二輸出端522，以對該濾波電壓與電流進行整流，而產生一整流電壓。該第二輸出端522並連接至一低電位。

該整流電路520由一第一至第四整流二極體D_R1 、D_R2 、D_R3 、D_R4 所組成。第一整流二極體D_R1 的正極連接至該濾波電感Li之第二端504及該濾波電容Ci之第一端505，其負極連接至該第一輸出端521。第二整流二極體D_R2 的正極連接至該交流電壓源V_ac 的第二端502及該濾波電容Ci的第二端506，其負極連接至該第一輸出端521。第三整流二極體D_R3 的正極連接至該第二輸出端522，其負極連接至該第一整流二極體D_R1 的正極。第四整流二極體D_R4 的正極連接至該第二輸出端522，其負極連接至該第二整流二極體D_R2 的正極。

前述填谷電路530連接至該整流電路520，用以改變該整流電路520之導通時間，以提升該整流電壓與電流的功率因數。該填谷電路包含一第一電容C1、一第一二極體D1、一第二二極體D2、一第三二極體D3、及一第二電容C2。

該第一電容C1之第一端591連接至該整流電路520的第一輸出端521。該第一二極體D1之負極連接至該第一電容C1的第二端592，其正極連接至該整流電路520的第二輸出端522。該第二二極體D2之負極連接至該整流電路520的第一輸出端521。

該第三二極體D3之負極連接至該第二二極體D2的正極，其正極連接至該第一電容C1的第二端592及該第一二極體D1的負極。該第二電容C2之第一端593連接至該第三二極體D3的負極及該第二二極體D2的正極，其第二端594連接至該整流電路520的第二輸出端522。於本實施例中，該第一電容C1的電容值與該第二電容C2的電容值相同。

前述發光二極體發光電路540連接至該填谷電路530，以接收該整流電壓而產生光源。該發光二極體發光電路540包含一第一發光二極體模組D6、一第一開關Q1、一第二發光二極體模組D4、一第二開關Q2、及一二極體D5。

該第一發光二極體模組D6和該第一開關Q1係串聯連接，該第一發光二極體模組D6和該第一開關Q1係電連接於該整流電路520的該第一輸出端521、第二輸出端522之間，該第一開關Q1可受控制於導通與不導通之間切換。

該第二發光二極體模組D4和該第二開關Q2係串聯連接，該第二發光二極體模組D4和該第二開關Q2係電連接於該整流電路520的該第一輸出端521、第二輸出端522之間，該第二開關Q2可受控制於導通與不導通之間切換。

該二極體D5之負極連接於該第一發光二極體模組D6與該第一開關Q1的連接點，其正極接於該第二發光二極體模組D4與該第二開關Q2的連接點之間。

該控制電路550連接至該填谷電路530及該發光二極體發光電路540，依據該整流電壓大小，以控制該發光二極體發光電路540。

圖6係本發明發光二極體驅動系統之控制電路550的電路圖。控制電路550藉由電壓VC及VB控制該第一開關Q1及第二開關Q2於導通與不導通之間切換。

控制電路550包括一第一電阻R1、一第二電阻R2、一第三電阻R3、一第四電阻R4、一第五電阻R5、一第一N型金氧半導體場效電晶體NMOS1、及一第二N型金氧半導體場效電晶體NMOS2。

該第一電阻R1係由電阻R1a及R1b所組成，以避免當第二N型金氧半導體場效電晶體NMOS2導通時，過高的電壓直接跨在該第一開關Q1的閘極與源極之間。該電阻R1a的一端電連接於該第一輸出端521，其另一端連接該電阻R1b的一端及該第一開關Q1的閘極，並藉由電壓VC以控制該第一開關Q1導通或不導通。該電阻R1b的另一端連接該第二N型金氧半導體場效電晶體NMOS2的汲極。

該第二電阻R2的一端電連接於該第一輸出端521，該第三電阻R3的一端電連接於該第二電阻R2，其另一端電連接於該第二輸出端522。

該第四電阻R4的一端電連接於該第一輸出端521，該第五電阻R5的一端電連接於該第四電阻R4，其另一端電連接於該第二輸出端522。

該第一N型金氧半導體場效電晶體NMOS1其汲極連接至該第二開關Q2的閘極及第二N型金氧半導體場效電晶體NMOS2的閘極，並藉由電壓VB以控制該第二開關Q2導通或不導通，其源極連接至該第二輸出端522，其閘極連接至該第四電阻R4及該第五電阻R5的連接端。

該第二N型金氧半導體場效電晶體NMOS2其汲極連接至該電阻R1b，其源極連接至該第二輸出端522，其閘極連接至該第二電限R2及該第三電阻R3的連接端及該第一N型金氧半導體場效電晶體NMOS1的汲極。

其中，當該第二N型金氧半導體場效電晶體NMOS2導通時，該第一電阻R1a的跨壓足以使該第一開關Q1導通，而當該第二N型金氧半導體場效電晶體NMOS2不導通時，該第一電阻R1的跨壓不足，而使該第一開關Q1截止。

該控制電路550在該整流電路520的第一輸出端521的電壓Vo介於第一及第二參考電壓之間時，使該第二開關Q2及該第二N型金氧半導體場效電晶體NMOS2導通，且使該第一開關Q1導通，此會使該第二發光二極體模組D4及該第一發光二極體模組D6為並聯狀態。否則，使該第二開關Q2及該第二N型金氧半導體場效電晶體NMOS2不導通，會導致該第一開關Q1不導通。

其中，該第一參考電壓大於該第二參考電壓，該第一參考電壓由該第二與第三電阻R2、R3的電阻值及該第二開關Q2及該第二N型金氧半導體場效電晶體NMOS2的臨界電壓決定，該第二參考電壓由該第四與第五電阻R4、R5的電阻值及該第一N型金氧半導體場效電晶體NMOS1的臨界電壓決定。

該驅動系統500的工作原理如下列所述：當該濾波交流電壓V_ac,filtered 小於濾波交流電壓V_ac,filtered 的1/2電壓峰值時，該整流電路520為不導通狀態，當該濾波交流電壓V_ac,filtered 大於濾波交流電壓V_ac,filtered 的1/2電壓峰值時，該整流電路520為導通狀態。

當濾波交流電壓V_ac,filtered 由0漸增至該濾波交流電壓V_ac,filtered 之1/2電壓峰值時，該第一二極體D1及該第二二極體D2導通，該第三二極體D3截止，此時該第一電容C1及該第二電容C2為並聯對該發光二極體發光電路540釋放能量，該整流電路520的第一輸出端521的電壓Vo被該第一電容C1及該第二電容C2箝位於1/2的濾波交流電壓V_ac,filtered 的峰值電壓。

此時，該控制電路550控制該第一開關Q1及該第二開關Q2導通，該二極體D5截止，該第二發光二極體模組D4及該第一發光二極體模組D6為並聯狀態。

由於此時的濾波交流電壓V_ac,filtered 小於該濾波交流電壓V_ac,filtered 之1/2電壓峰值，故該第二發光二極體模組D4及該第一發光二極體模組D6為並聯狀態，以降低該第二發光二極體模組D4及該第一發光二極體模組D6的順向導通電壓，以提昇此時整體發光二極體模組的利用率。

當該濾波交流電壓V_ac,filtered 介於濾波交流電壓V_ac,filtered 之1/2電壓峰值與濾波交流電壓V_ac,filtered 之電壓峰值時，該第一二極體D1、該第二二極體D2、及該第三二極體D3截止，該第一電容C1及該第二電容C2停止放電，該整流電路520的第一輸出端521之電壓Vo隨著該濾波交流電壓V_ac,filtered 變動。

此時，該控制電路550控制該第一開關Q1及該第二開關Q2截止，該二極體D5導通，該第二發光二極體模組D4及該第一發光二極體模組D6為串聯狀態。

當該濾波交流電壓V_ac,filtered 為濾波交流電壓V_ac,filtered 之電壓峰值時，該第一二極體D1、該第二二極體D2截止，該第三二極體D3導通，該第一電容C1及該第二電容C2呈串聯狀態且受濾波交流電壓充電，該整流電路520的第一輸出端521之電壓Vo隨著該濾波交流電壓V_ac,filtered 變動。

此時，該控制電路550控制該第一開關Q1及該第二開關Q2截止，該二極體D5導通，該第二發光二極體模組D4及該第一發光二極體模組D6為串聯狀態。

由於此時的濾波交流電壓V_ac,filtered 等於濾波交流電壓V_ac,filtered 之電壓峰值，故該第二發光二極體模組D4及該第一發光二極體模組D6為串聯狀態，有較高的順向導通電壓，以防止因為第一輸出端521之電壓Vo過高，而導致該第二發光二極體模組D4及該第一發光二極體模組D6燒毀。

圖7係本發明第一輸出端521之電壓Vo及電流的模擬示意圖。由圖7可知，在圓圈A處及圓圈B處，由於該第一電容C1及該第二電容C2放電，第一輸出端521之電壓Vo的位準及電流位準均可維持在一定值，而使該第二發光二極體模組D4及該第一發光二極體模組D6導通而產生光源。反觀習知技術，往往在此時段由於電流趨近於0安培或電壓過低，發光二極體無法導通，而使發光二極體產生閃爍現象。

綜上所述，本發明發光二極體驅動系統利用電容與二極體的特性，使得輸入電壓在低壓時，電容並聯對發光二極體放電，維持發光二極體的導通電壓。再搭配後端各式發光二極體驅動電路，以提昇整體發光二極體的利用率。另外，同時將發光二極體的閃爍頻率提高，使人眼無法查覺。

當輸入交流電壓較低時，透過控制訊號使該第一開關Q1及該第二開關Q2導通，該第二發光二極體模組D4及該第一發光二極體模組D6並聯導通，此時第一電容C1與第二電容C2並聯對該第二發光二極體模組D4及該第一發光二極體模組D6放電且使其導通。當輸入交流電壓較高時，透過控制訊號使該第一開關Q1及該第二開關Q2截止，此時該第二發光二極體模組D4及該第一發光二極體模組D6串聯導通，由輸入電源對該第二發光二極體模組D4及該第一發光二極體模組D6提供能量使其導通，而提高發光二極體的利用率，以及將其閃爍頻率提高至人眼不易查覺的程度。透過本發明使該第二發光二極體模組D4及該第一發光二極體模組D6皆處於導通的狀態，亦藉此減緩燈源閃爍對人眼的影響。

由上述可知，本發明無論就目的、手段及功效，在在均顯示其迥異於習知技術之特徵，極具實用價值。惟應注意的是，上述諸多實施例僅係為了便於說明而舉例而已，本發明所主張之權利範圍自應以申請專利範圍所述為準，而非僅限於上述實施例。

210．．．交流電源

220．．．第一組發光二極體

230．．．第二組發光二極體

250．．．全波整流器

500．．．發光二極體驅動系統

510．．．濾波電路

520．．．整流電路

530．．．填谷電路

540．．．發光二極體發光電路

550．．．控制電路

Li．．．濾波電感

Ci．．．濾波電容

D_R1 ．．．第一整流二極體

D_R2 ．．．第二整流二極體

D_R3 ．．．第三整流二極體

D_R4 ．．．第四整流二極體

C1．．．第一電容

D1．．．第一二極體

D2．．．第二二極體

D3．．．第三二極體

C2．．．第二電容

D6．．．第一發光二極體模組

Q1．．．第一開關

D4．．．第二發光二極體模組

Q2．．．第二開關

D5．．．二極體

501-506,591-594．．．端

R1．．．第一電阻

R2．．．第二電阻

R3．．．第三電阻

R4．．．第四電阻

R5．．．第五電阻

NMOS1．．．第一N型金氧半導體場效電晶體

NMOS2．．．第二N型金氧半導體場效電晶體

圖1係發光二極體的電壓電流特性曲線。

圖2係一習知交流發光二極體使用的示意圖。

圖3係圖2之電流波型之示意圖。

圖4係又一習知交流發光二極體使用的示意圖。

圖5係本發明一種發光二極體驅動系統的電路圖。

圖6係本發明發光二極體驅動系統之控制電路的電路圖。

圖7係本發明第一輸出端之電壓及電流的模擬示意圖。

500．．．發光二極體驅動系統

510．．．濾波電路

520．．．整流電路

530．．．填谷電路

540．．．發光二極體發光電路

550．．．控制電路

Li．．．濾波電感

Ci．．．濾波電容

D_R1 ．．．第一整流二極體

D_R2 ．．．第二整流二極體

D_R3 ．．．第三整流二極體

D_R4 ．．．第四整流二極體

C1．．．第一電容

D1．．．第一二極體

D2．．．第二二極體

D3．．．第三二極體

C2．．．第二電容

D6．．．第一發光二極體模組

Q1．．．第一開關

D4．．．第二發光二極體模組

Q2．．．第二開關

D5．．．二極體

501-506,591-594．．．端

Claims (10)

1. 一種發光二極體驅動系統，其使用一交流電源以驅動發光二極體，該驅動系統至少包含：一濾波電路，連接至該交流電源以接收交流電壓與電流，並對該交流電壓與電流進行濾波，以濾除該交流電壓與電流的高次諧波成分，並產生一濾波交流電壓；一整流電路，連接至該濾波電路，該整流電路具有一第一輸出端及一第二輸出端，以對該濾波電壓與電流進行整流，以產生一整流電壓與電流；一填谷電路，連接至該整流電路，該填谷電路改變該整流電路之導通時間，以提升該整流電壓與電流的功率因數且提升發光二極體的利用率；一發光二極體發光電路，連接至該填谷電路，該發光二極體發光電路接收該整流電壓而產生光源；以及一控制電路，連接至該整流電路及該發光二極體發光電路，依據該整流電壓大小，以控制該發光二極體發光電路；其中，該發光二極體發光電路包含：串聯的一第一務光二極體模組和一第一開關，電連接於該整流電路的該第一、二輸出端之間，該第一開關可受控制於導通與不導通之間切換；串聯的一第二發光二極體模組和一第二開關，電連接於該整流電路的該第一、二輸出端之間，該第二開關可受控制於導通與不導通之間切換；以及 一二極體，負極接於該第一發光二極體模組與該第一開關的連接點，正極接於該第二發光二極體模組與該第二開關的連接點之間；其中，該控制電路包含一第一電阻、一第二電阻、一第三電阻、一第四電阻、一第五電阻、一第一N型金氧半導體場效電晶體、及一第二N型金氧半導體場效電晶體；其中，該第一電阻、第二電限及第四電阻連接該第一輸出端，該第三電阻、第五電阻、第二N型金氧半導體場效電晶體的源極及該第一N型金氧半導體場效電晶體的源極連接該第二輸出端，該第一電阻與第二N型金氧半導體場效電晶體的汲極相連接，第二N型金氧半導體場效電晶體的閘極及該第一N型金氧半導體場效電晶體的汲極連接至該第二電阻及第三電阻的連接端，該第一N型金氧半導體場效電晶體的閘極連接至該第四電阻及第五電阻的連接端，當該第二N型金氧半導體場效電晶體導通時，該第一電阻的跨壓足以使該第一開關導通，而當該第二N型金氧半導體場效電晶體不導通時，該第一電阻的跨壓不足，而使該第一開關截止。
2. 如申請範圍第1項所述之發光二極體驅動系統，其中，該填谷電路包含：一第一電容，其一端連接至該整流電路的第一輸出端；一第一二極體，其負極連接至該第一電容的另一端，其正極連接至該整流電路的第二輸出端； 一第二二極體，其負極連接至該整流電路的第一輸出端；一第三二極體，其負極連接至該第二二極體的正極，其正極連接至該第一電容的另一端及該第一二極體的負極；以及一第二電容，其一端連接至該第三二極體的負極及該第二二極體的正極，其另一端連接至該整流電路的第二輸出端。
3. 如申請範圍第2項所述之發光二極體驅動系統，其中，該第一電容的電容值與該第二電容的電容相同。
4. 如申請範圍第3項所述之發光二極體驅動系統，其中，當該濾波交流電壓小於該濾波交流電壓的1/2電壓峰值時，該整流電路為不導通狀態，當該濾波交流電壓大於該濾波交流電壓的1/2電壓峰值時，該整流電路為導通狀態。
5. 如申請範圍第4項所述之發光二極體驅動系統，其中，當濾波交流電壓由0漸增至該濾波交流電壓之1/2電壓峰值時，該第一二極體及該第二二極體導通，該第三二極體截止，該第一電容及該第二電容為並聯對該發光電路釋放能量，該整流電路的第一輸出端之電壓被該第一電容及該第二電容箝位於1/2的濾波交流電壓的峰值電壓。
6. 如申請範圍第5項所述之發光二極體驅動系統，其中，該控制電路控制該第一開關及該第二開關導通，該 二極體截止，該第二發光二極體模組及該第一發光二極體模組為並聯狀態。
7. 如申請範圍第6項所述之發光二極體驅動系統，其中，當該濾波交流電壓介於該濾波交流電壓之1/2電壓峰值與該濾波交流電壓之電壓峰值時，該第一二極體、該第二二極體、及該第三二極體截止，該第一電容及該第二電容停止放電，該整流電路的第一輸出端之電壓隨著該濾波交流電壓變動。
8. 如申請範圍第7項所述之發光二極體驅動系統，其中，該控制電路控制該第一開關及該第二開關截止，該二極體導通，該第二發光二極體模組及該第一發光二極體模組為串聯狀態。
9. 如申請範圍第8項所述之發光二極體驅動系統，其中，當該濾波交流電壓為該濾波交流電壓之電壓峰值時，該第一二極體、該第二二極體截止，該第三二極體導通，該第一電容及該第二電容呈串聯狀態且充電，該整流電路的第一輸出端之電壓隨著該濾波交流電壓變動。
10. 如申請範圍第9項所述之發光二極體驅動系統，其中，該控制電路控制該第一開關及該第二開關截止，該二極體導通，該第二發光二極體模組及該第一發光二極體模組為串聯狀態。