发光二极管驱动电路的制作方法

本发明涉及一种发光二极管驱动电路，尤其涉及一种根据不同的输入电压大小，提供适应驱动控制功能的发光二极管驱动电路。

背景技术：

在发光二极管(light-emitting diode,LED)照明系统中，驱动电路对于整个系统在成本与设计的比重相对较高，因此，若要能够兼顾整体成本与效能，合适的驱动电路设计将是主要的关键。

对于LED驱动电路的设计上，线性式驱动电路(linear driver)架构占有一席之地，其主要原因乃在于线性式驱动具有设计简单与无电磁干扰(EMI)的优势。

由于目前应用于LED的线性式驱动电路存在有输入与输出需要匹配的问题，换言之，当LED总顺向电压高于输入电压时，驱动电路将无法正常动作；反之，当LED总顺向电压低于输入电压太多时，则与LED串联的晶体管开关，通常是金属氧化物半导体场效晶体管(MOSFET)或是双载子接面晶体管(BJT)将必须承受极大的电压应力(voltage stress)。

对于输入与输出匹配的问题更具体来说，当系统应用于高输入交流电压时，例如200～240伏特，唯有让LED总顺向电压固定在略低于输入电压，才能确保电路正常动作，并且降低MOSFET或BJT的电压承受。然而，若该系统应用于低输入交流电压时，例如100～120伏特，这样的输入电压通常会低于LED总顺向电压，将会导致电路无法动作。

请参阅图1为现有驱动发光二极管灯串的线性式驱动架构的电路图。如图所示，当一输入电压Vac经过一桥式整流电路10A整流之后，将该输入电压Vac转换为一输入电压Vin。此外，图上所示多个发光二极管灯串21A,22A分别对应连接一定电流电路31A,32A，并且每一该定电流电路31A,32A通过控制所对应的晶体管开关Q1A,Q2A，进而控制该些发光二极管灯串21A,22A 的驱动电流大小，以类似纯电阻性负载的方式供电驱动，达到发光的目的。

然而，承上所述，一旦该输入电压Vac远高于该些发光二极管灯串21A,22A的驱动电压VLED时，导致两电压之间的电压差VQ将由该些定电流电路31A,32A中的该些晶体管开关Q1A,Q2A所承受。亦即，该电压差VQ所产生的功耗将由所对应的该些晶体管开关Q1A,Q2A所吸收，如此，若该功耗过大，将导致该些晶体管开关Q1A,Q2A无法承受而毁损。反之，若该输入电压Vac低于该些发光二极管灯串21A,22A的驱动电压VLED时，将导致该些发光二极管灯串21A,22A无法导通。

因此，在实际的商业产品上，通常会因应不同国家、地区所提供不同的输入电压，而对于LED照明灯具分类设计，以期符合各种输入电压的使用需求。换言之，单一规格的LED照明灯具将无法通用于世界各地的环球电压(worldwide voltage)。如此，对使用者来说，将造成使用上的不便利性，甚至需要额外花费添购符合当地输入电压的LED照明灯具。对电路设计厂商而言，将需要投资较多的开发设计人力与花费较高的设计成本，才能够设计出满足不同输入电压都能正常使用的LED照明灯具。

因此，如何设计出一种发光二极管驱动电路，维持发光二极管模块为定电流与定电压驱动操作，并且解决线性式驱动电路输入与输出需要匹配的问题，同时满足将LED照明灯具实现通用于世界各地的环球电压的需求，乃为本发明所欲行克服并加以解决的一大课题。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种发光二极管驱动电路，适于驱动由多个发光二极管所组成的一发光二极管模块。该发光二极管驱动电路包括一电源单元，用以提供一输入电压；一电压调节单元，耦接该电源单元及该发光二极管模块，用以构成一增压回路及一降压回路，该电压调节单元包含与该发光二极管模块并联的一储能电容，该储能电容两端界定一中继电压；

一电流控制单元，耦接该电压调节单元与该发光二极管模块，并依据该中继电压对该发光二极管模块产生一驱动电流；以及一切换控制单元，耦接该电源单元、该电压调节单元与该电流控制单元，该切换控制单元依据该输入电压产生一参考电压，用以接收该驱动电流所转换的一回馈电压与该参考电压比 较，其中当该回馈电压低于该参考基准电压时，控制该电压调节单元将该输入电压经由该增压回路提高该中继电压，当该回馈电压高于该参考电压时，控制该电压调节单元将该输入电压经由该降压回路降低该中继电压。

为了能更进一步了解本发明为达成预定目的所采取的技术、手段及功效，请参阅以下有关本发明的详细说明与附图，相信本发明的目的、特征与特点，当可由此得一深入且具体的了解，然而所附的附图仅提供参考与说明用，并非用来对本发明加以限制。

以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。

附图说明

图1为现有驱动发光二极管灯串的线性式驱动架构的电路图；

图2为本发明发光二极管驱动电路的电路方框图；

图3为本发明发光二极管驱动电路第一实施例的电路图；

图4为本发明电压调节单元第一操作模式的电路示意图；

图5为本发明电压调节单元第二操作模式的电路示意图；

图6为本发明电压调节单元第三操作模式的电路示意图；

图7为本发明电压调节单元第四操作模式的电路示意图；及

图8为本发明发光二极管驱动电路第二实施例的电路图。

其中，附图标记

现有技术

Vac 输入电压

10A 桥式整流电路

Vin 输入电压

21A,22A 发光二极管灯串

31A,32A 定电流电路

Q1A,Q2A 晶体管开关

VLED 驱动电压

VQ 开关电压

本发明

10 桥式整流电路

20 滤波电路

30 电压调节单元

40 发光二极管灯串

50 电流控制单元

60 回馈单元

70 切换控制单元

Q1 第一晶体管开关

Q2 第二晶体管开关

Qd 晶体管开关

D1 第一二极管

D2 第二二极管

Ld 电感器

Cd 储能电容

Vac 交流电压

Vin 输入电压

R1 第一分压电阻

R2 第二分压电阻

Rd 电阻

C1 电容器

C2 电容器

ZD 稳压二极管

Rv 稳压电阻

Vref 参考电压

Vfb 回馈电压

VLED 发光二极管电压值

ILED 发光二极管电流值

Id 放电电流

Ic 充电电流

Sc 控制信号

Opv 电压比较器

PA 第一共接点

PB 第二共接点

Lp1 第一路径

Lp2 第二路径

Lp3 第三路径

Lp4 第四路径

具体实施方式

兹有关本发明的技术内容及详细说明，配合附图说明如下：

请参阅图2为本发明发光二极管驱动电路的电路方框图。该发光二极管驱动电路适于驱动由多个发光二极管所组成的一发光二极管模块40。该发光二极管驱动电路主要包括一电源单元10、一电压调节单元30、该发光二极管模块40、一电流控制单元50、以及一切换控制单元70。

该电源单元10用以提供一输入电压Vin。该电压调节单元30耦接该电源单元10及该发光二极管模块40，包括一储能电容Cd。依据该输入电压Vin大小，该电压调节单元30产生一充电电流Ic对该储能电容Cd充电。或者，依据该输入电压Vin大小，该储能电容放电产生一放电电流Id。该电流控制单元50耦接该电压调节单元30与该发光二极管模块40，用以判断该放电电流Id达到一电流阀值时，对该发光二极管模块40产生一驱动电流ILED。再者，该电流控制单元50以控制该发光二极管模块40维持定电流驱动。该切换控制单元70耦接该电源单元10、该电压调节单元30与该电流控制单元50，用以接收该驱动电流ILED所转换成的一回馈电压Vfb，用以判断该回馈电压Vfb达到一参考电压值时，控制该电压调节单元30停止产生该充电电流Ic。

上述该电源单元10所提供的该输入电压Vin，可通过一桥式整流电路接收一外部交流电压，以对该外部交流电压进行整流，并且再通过一滤波电路对该整流后的电压进行滤波，以提供该输入电压Vin，进而驱动该发光二极管模块40。值得一提，在本案中虽然该输入电压Vin通过转换、整流以及滤波该 外部交流电压所得，然而，在实际应用中，该输入电压Vin可为一纯直流输入电源所提供的输入电压，用以驱动该发光二极管模块40。然而，为了解决该发光二极管驱动电路输入与输出需要匹配的问题，因此，该电压调节单元30是以提供对该输入电压Vin，也相当于对该交流电压进行调节，以维持该发光二极管模块40在定电流与定电压驱动下正常操作使用。

此外，该发光二极管驱动电路更包括一回馈单元60。该回馈单元60连接该电流控制单元50与该切换控制单元70，以转换该驱动电流ILED为该回馈电压Vfb，进而提供该切换控制单元70进行电压比较的操作。具体而言，该回馈单元60对流经该发光二极管模块40的该驱动电流ILED大小进行检知，并且转换该驱动电流ILED为该回馈电压Vfb，以提供该回馈电压Vfb为回馈信号至该切换控制单元70，使得该切换控制单元70产生一控制信号Sc对该电压调节单元30进行控制。藉此，通过该电压调节单元30调节该发光二极管模块40的驱动电压，以实现定电流与定电压驱动以及满足输入与输出匹配的要求。至于该发光二极管驱动电路，特别是该电压调节单元30的详细电路及动作原理，将于后文有进一步说明。

请参阅图3为本发明发光二极管驱动电路第一实施例的电路图。图3具体揭露上述该些电路的电路元件与电性连接关系。该电压调节单元30主要包括一第一晶体管开关Q1、一第二晶体管开关Q2、一电感器Ld以及一储能电容Cd；再者﹐电压调节单元30构成一增压回路及一降压回路，其中此增压回路包含一第一增压路径及一第二增压路径，而此降压回路包含一第一降压路径及一第二降压路径，有关于此些增压路径及降压路径细节，将于后文配合图4-7说明。

该第一晶体管开关Q1并联连接一第一二极管D1。该第二晶体管开关Q2并联连接一第二二极管D2，且该第二晶体管开关Q2串联连接该第一晶体管开关Q1于一第一共接点PA。该第二晶体管开关Q2与该第一晶体管开关Q1更通过对应的电容器(该第一晶体管开关Q1对应一电容器C1、该第二晶体管开关Q2对应一电容器C2)连接于一第二共接点PB。

该电感器Ld具有一第一端与一第二端，其中该第一端连接该第一共接点PA。该储能电容Cd具有一第一端与一第二端，其中该第一端连接该电感器Ld的该第二端，再连接该发光二极管模块40的阳极端。该储能电容Cd的该 第二端连接该第二共接点PB与该电流控制单元50，此储能电容Cd的第一端与一第二端之间界定一中继电压。

值得一提，该第一晶体管开关Q1与该第二晶体管开关Q2可使用金属氧化物半导体场效晶体管(MOSFET)或双载子接面晶体管(BJT)实现。以本实施态样为例，该第一晶体管开关Q1与该第二晶体管开关Q2为MOSFET，并且第一晶体管开关Q1与该第二晶体管开关Q2的栅极彼此连接，以接收该切换控制单元70所产生的该控制信号Sc，并受该控制信号Sc控制。然而，上述实施态样仅为方便说明所列，并非用来对本发明加以限制。

该切换控制单元70主要包括一电压比较器Opv与一分压电阻网路，其中该分压电阻网路由一第一分压电阻R1与一第二分压电阻R2组成，其中该第二分压电阻R2串联连接该第一分压电阻R1。该第一分压电阻R1与该第二分压电阻R2对该输入电压Vin分压，使得该输入电压Vin在该第二分压电阻R2两端提供该参考电压Vref。

该电压比较器Opv的反相输入端接收该回馈电压Vfb，该电压比较器Opv的非反相输入端接收该参考电压Vref，且比较该回馈电压Vfb与该参考电压Vref。其中，当该参考电压Vref大于该回馈电压Vfb时，该电压比较器Opv输出高准位的该控制信号Sc；当该参考电压Vref小于或等于该回馈电压Vfb时，该电压比较器Opv输出低准位的该控制信号Sc。因此，该切换控制单元70是以控制该电压调节单元30的该第一晶体管开关Q1与该第二晶体管开关Q2，以调节该输入电压Vin，使得该发光二极管模块40能够因应不同的该输入电压Vin大小，维持定电流与定电压驱动操作。值得一提，该第一晶体管开关Q1可为一NPN型金属氧化物半导体场效晶体管，而对应的该第二晶体管开关Q2则为一PNP型金属氧化物半导体场效晶体管。又或，该第一晶体管开关Q1为一PNP型金属氧化物半导体场效晶体管，而对应的该第二晶体管开关Q2则为一NPN型金属氧化物半导体场效晶体管。若为后者该实施态样者，则该电压比较器Opv的反相输入端则接收该参考电压Vref，该电压比较器Opv的非反相输入端则接收该回馈电压Vfb。

如图3所示的实施例中，该切换控制单元70可由一LED驱动集成电路(LED driver IC)所实现。此外，该回馈单元60可为一光耦合器回馈电路，是利用一光耦合器(optical coupler,OC)接收流经该发光二极管模块40的该驱动电 流ILED，且转换该驱动电流ILED为该回馈电压Vfb，进而回馈该回馈电压Vfb至该电压比较器Opv与该参考电压Vref比较。此外，该电流控制单元50提供一稳压二极管ZD与一稳压电阻Rv。其中该稳压二极管ZD可为一稽纳二极管(Zener diode)，以提供该晶体管开关Qd的该源极侧稳压作用，例如可提供2.5伏特的直流稳压值。此外，此电流控制单元50通过电阻Rd而耦接到中继电压，因此驱动电流ILED和中继电压大小相关。更具体而言，该稳压二极管ZD与该稳压电阻Rv配合，可提供当该些发光二极管模块40正常驱动发光时，该驱动电流ILED维持定值，亦即维持该驱动电流ILED为该直流稳压值与该稳压电阻Rv电阻值的比值。

请参阅图4至图7分别本发明电压调节单元不同操作模式的电路示意图。为了方便说明，该第一晶体管开关Q1采用NPN型MOSFET，而该第二晶体管开关Q2则采用PNP型MOSFET。此外，由于图4至图7的重点在于该电压调节单元30不同操作模式的表示，因此电源侧仅以该输入电压Vin表示该交流电压Vac经过整流与滤波处理后的等效电压；并且该切换控制单元70所输出的该控制信号Sc以直接控制该些晶体管开关Q1,Q2的栅极。

图4以表示该电压调节单元30操作于一第一操作模式。更具体而言，当该发光二极管驱动电路经由该交流电压Vac供电启动时，由于该发光二极管模块40尚未导通，因此无该驱动电流ILED流经该发光二极管模块40。此时，该输入电压Vin除了对该电感器Ld与该储能电容Cd充电外，也同时对一电阻Rd供电，使得流经该电阻Rd的一放电电流Id逐渐增大。

由于流经该发光二极管模块40的该驱动电流ILED为零，因此，该回馈单元60所回馈至该电压比较器Opv的该回馈电压Vfb小于该输入电压Vin经由该第一分压电阻R1与该第二分压电阻R2分压所得的该参考电压Vref，使得该电压比较器Opv输出高准位的该控制信号Sc。因此，该控制信号Sc导通该第一晶体管开关Q1并且同时截止该第二晶体管开关Q2。

如图4所示，在该操作模式下，该系统所提供一第一增压路径Lp1，其路径依序为该输入电压Vin、该第一晶体管开关Q1、该电感器Ld、该储能电容Cd、该电容器C2以及再回到该输入电压Vin所构成。因此，该电感器Ld与该储能电容Cd为储能操作，通过对该电感器Ld与该储能电容Cd持续充电，因此使得该发光二极管模块40的该发光二极管电压值VLED逐渐增加。

此外，若该电压比较器Opv检测该回馈电压Vfb持续小于该参考电压Vref时，所输出的该控制信号Sc则持续导通该第一晶体管开关Q1并且同时截止该第二晶体管开关Q2，以控制该放电电流Id持续增大。

图5以表示该电压调节单元30操作于一第二操作模式。更具体而言，当该放电电流Id逐渐增大，使得该放电电流Id流经该电阻Rd所产生的一驱动电压大小，亦即为该放电电流Id与该电阻Rd的乘积所得电压值，足以驱动与该发光二极管模块40串联连接的一晶体管开关Qd导通时，该发光二极管模块40导通，且开始流经该驱动电流ILED。

此时，由于该发光二极管模块40已维持正常电压驱动发光，因此，该控制信号Sc以控制该第一晶体管开关Q1与该第二晶体管开关Q2皆为截止状态，因此，该电感器Ld与该储能电容Cd为释能操作。如图5所示，在该操作模式下，该系统所提供一第二增压路径Lp2，其路径依序为该电感器Ld、该储能电容Cd、该电容器C2、该第二二极管D2以及再回到该电感器Ld所构成。

图6以表示该电压调节单元30操作于一第三操作模式。更具体而言，假设在该发光二极管模块40驱动发光的过程，当该回馈单元60检测到流经该发光二极管模块40的该发光二极管电流值ILED过大，使得该发光二极管模块40的该发光二极管电压值VLED过大。此时，该回馈单元60所回馈至该电压比较器Opv的该回馈电压Vfb大于该参考电压Vref，使得该电压比较器Opv输出低准位的该控制信号Sc。因此，该控制信号Sc截止该第一晶体管开关Q1并且同时导通该第二晶体管开关Q2。由于该发光二极管模块40的该发光二极管电压值VLED过大，因此，在该操作模式下，该发光二极管模块40并未导通。

如图6所示，在该操作模式下，该系统所提供一第一降压路径Lp3，其路径依序为该输入电压Vin、该电容器C1、该储能电容Cd、该电感器Ld、该第二晶体管开关Q2以及再回到该输入电压Vin所构成，藉此，该电压调节单元30使以控制该输入电压Vin减小，使得调整驱动该发光二极管模块40的该发光二极管电压值VLED逐渐减小，而达到正常驱动该发光二极管模块40的定电压值。

图7以表示该电压调节单元30操作于一第四操作模式。更具体而言，当 该发光二极管电压值VLED减小至足以正常驱动该发光二极管模块40发光时，该控制信号Sc以控制该第一晶体管开关Q1与该第二晶体管开关Q2皆为截止状态，因此，该电感器Ld与该储能电容Cd为释能操作。如图7所示，在该操作模式下，该系统所提供一第二降压路径Lp4，其路径依序为该储能电容Cd、该电感器Ld、该第一二极管D1、该电容器C1以及再回到该储能电容Cd所构成。

值得一提，在图4至图7该切换控制单元70用以控制该电压调节单元30的方案，不限定为前述该些实施例所表示。更具体而言，亦可通过其他可行的方案达成，如下所述：

(1)该第一晶体管开关Q1与该第二晶体管开关Q2一者为NPN型MOSFET，另一者为PNP型MOSFET，由该切换控制单元70所产生该控制信号Sc同时控制(为前述的实施例态)；

(2)该第一晶体管开关Q1与该第二晶体管开关Q2可同时使用相同类型的MOSFET，亦即同为NPN型MOSFET或同为PNP型MOSFET，且通过该切换控制单元70产生准位相反的两个控制信号，分别对应控制该第一晶体管开关Q1与该第二晶体管开关Q2；

(3)该第一晶体管开关Q1与该第二晶体管开关Q2可同时使用相同类型的MOSFET，且通过该切换控制单元70产生该控制信号Sc，再搭配一准位反相电路，转换该控制信号Sc的准位，使得该两控制信号分别对应控制该第一晶体管开关Q1与该第二晶体管开关Q2。

请参阅图8为本发明发光二极管驱动电路第二实施例的电路图。该第二实施例与前述图3该第一实施例最大差异在于前者具有多个发光二极管模块40。换言之，本案该线性式驱动系统能以提供驱动多个发光二极管模块40，并且同时达到维持该发光二极管灯串为定电流与定电压驱动操作的功效。值得一提，该电流控制单元50所使用的晶体管开关Qd可改变为使用双载子接面晶体管，并且通过该稳压二极管ZD所提供的稳压电压值，例如2.5伏特，与该稳压电阻Rv配合，可提供当该些发光二极管模块40正常驱动发光时，该驱动电流ILED维持定值。至于该线性式驱动系统的详细电路及动作原理，可对应参阅图3及其说明记载，在此不再赘述。

综上所述，本发明具有以下的特征与优点：

1、该切换控制单元通过控制该电压调节单元30调节该输入电压Vin，进而维持该发光二极管灯串为定电流与定电压驱动操作，解决线性式驱动电路输入与输出需要匹配的问题；

2、仅需使用该电压调节单元30，配合对应的控制方式，即可因应不同国家、地区所提供不同的输入电压大小，将LED照明灯具实现通用于世界各地的环球电压；及

3、对使用者来说，可提高使用的便利性，甚至不需要额外花费添购LED照明灯具的费用；对电路设计厂商而言，可节省开发设计人力与设计成本的支出。

当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。