专利名称：电源转换器及应用该电源转换器的可调光固态照明装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种具直流输出的电源转换器，特别是涉及一种使用非隔离切换式升压(non-isolated switching boost)电源转换器的固态照明装置。
背景技术：
调光器(dimmer)为一种用以调整照明装置(例如白炽灯泡)亮度的控制电路。图IA显示一种调光系统的功能方框图，其中调光器10与灯泡12经串联后，连接至交流电源14的两端。图IB例示图IA的调光器10的电路图，主要包含有二端交流元件(DIAC)IOO及三端交流元件(TRIAC) 102。当二端交流元件100达到导通(breakover)电压时,所产生的导通电流会触发三端交流元件102使其导通，因而让灯泡12发光。使用者可借由可调电阻·器VR以调整灯泡12的亮度。图2A显示另一种调光系统的功能方框图，其中交流电源14的两端连接至调光器10的两电源端，而调光器10的两负载端则连接至灯泡12。图2B例示图2A的调光器10的电路图，主要也是包含有二端交流元件100及三端交流元件102，其操作类似于图IB的调光器10。图1A/B或图2A/B所示的调光器10可适用于传统照明装置(或电阻式照明装置)，然而固态照明装置是使用固态发光元件(例如发光二极管(LED)、有机发光二极管(OLED)或高分子发光二极管(PLED))作为发光源。和传统照明装置(例如白炽灯泡或卤素灯泡)不同的是，固态照明装置需使用电源转换器(例如切换式电源转换器(switching powerconverter))以得到直流输出电源供给固态发光元件，以产生稳定的照明。上述切换式电源转换器于桥式整流之后，需要使用大电容量的电容器，用以得到接近直流的波形。然而，大电容量使得固态发光元件成为一种非电阻性装置，此有别于电阻式装置为主的传统照明装置(例如白炽灯泡或卤素灯泡)。当切换式电源转换器直接应用于固态照明装置(或非电阻式照明装置)时，其搭配的调光器10调于低准位时，因无法获得足够的电压来驱动电源转换器以及固态发光元件，致使易产生闪烁。再者，为了提供稳定直流电压而使用的大电容量的电容器会造成电压与电流之间产生相位差，使得功率因子(powerfactor)降低。因此，亟需提出一种新颖的调光系统，除了让电源转换器得以正常操作避免闪烁现象，并可提高功率因子达到真正的节能省电功效。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种使用非隔离切换式升压的电源转换器，不但可提高功率效率，且能提供足够操作电压准位，使固态发光元件得以正常操作。本发明的另一目的在于降低非电阻(或电容)效应，用以使固态发光装置提高功率因素且降低闪烁现象。本发明的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。依据本发明提出的非隔离切换式升压电源转换器，其包含切换控制器；能量储存元件，其第一端连接至该电源转换器的输入端，该能量储存元件的第二端连接至该切换控制器的切换端；单向开关元件，连接于该能量储存元件的第二端与该电源转换器的输出端之间；及负载电容器，连接于该输出端与共享节点之间；其中当该切换控制器处于导通状态时，该切换控制器的切换端电性导通至该共享节点，且该整流电压经由该输入端对该能量储存元件进行充电；当该切换控制器处于断开状态时，该切换控制器的切换端与该共享节点电性隔绝，且该能量储存元件经由该单向开关元件对该固态发光元件进行放电。本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。
前述的电源转换器，其中该能量储存元件包含电感器。前述的电源转换器，其中该单向开关元件包含一个二极管。前述的电源转换器，其中该共享节点为地或电源。前述的电源转换器，其中该切换控制器包含定频或变频波形输出的振荡器(OSC)或电源控制器(PMW 1C)。前述的电源转换器，其中该切换控制器还包含电源端，耦接至该输出端，以该输出电压作为该切换控制器的操作电压。本发明的目的及解决其技术问题还采用以下技术方案来实现。依据本发明提出的提供可调光固态照明装置直流电压的方法，其包含利用前述的电源转换器输出直流电压。本发明的目的及解决其技术问题另外再采用以下技术方案来实现。依据本发明提出的可调光固态照明装置，其包含整流器，接收调光器的输出并将其转换为整流电压；至少一个固态发光元件；及前述的电源转换器，接收该整流电压以输出直流电压，用以提供给该固态发光元件。本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。前述的固态照明装置，其还包含电容器，连接于该整流器的输出与共享节点之间。前述的固态照明装置，其还包含限流保护装置，置于该固态发光元件与共享节点之间。前述的固态照明装置，其中该限流保护装置为可变限流保护装置。前述的固态照明装置，其中该限流保护装置为即时限流保护装置或平均式限流保护装置。前述的固态照明装置，其中该共享节点为地或电源。前述的固态照明装置，其中该固态发光元件为发光二极管、有机发光二极管或高分子发光二极管。本发明与现有技术相比具有明显的优点和有益效果。借由上述技术方案，本发明电源转换器及应用该电源转换器的可调光固态照明装置可达到相当的技术进步性及实用性，并具有产业上的广泛利用价值，其至少具有让电源转换器得以正常操作避免闪烁现象，并可提高功率因子达到真正的节能省电功效的优点。上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。
图IA显示一种调光系统的功能方框图。图IB例示图IA的调光器的电路图。图2A显示一种调光系统的功能方框图。图2B例示图2A的调光器的电路图。图3A显示本发明实施例的调光系统的方框图。图3B显示本发明实施例的另一调光系统的方框图。图4显示本发明实施例的固态照明装置的细部方框图。图5A显示本发明实施例的固态照明装置的细部电路图。 图5B显示整流电压、输出电压及侦测端电流的的信号波形。图5C显示侦测端SS的电流及切换端SW的电压、电流的局部放大波形。图6显示本发明另一实施例的固态照明装置的细部电路图。图7A显示本发明又一实施例的固态照明装置的细部电路图。图7B显示本发明再一实施例的固态照明装置的细部电路图。主要元件符号说明10:调光器100 :二端交流元件(DIAC)102 :三端交流元件(TRIAC)12 :灯泡14 :交流电源30 :交流电源32:调光器34:固态照明装置340 :整流器3401 :桥式整流器3403 电容器342 电源转换器3421 :切换控制器3423:电感器3425 :二极管3427 :负载电容器3429 :限流保护装置3430 :可变限流保护装置344:固态发光元件36 :虚线VR :可调电阻器P、Q :节点Vin:输入端/整流电压Vout :输出端/输出电压SW:切换端PW:电源端SS:侦测端Iss:侦测端的电流Vsw:切换端的电压Isw:切换端的电流Vcc:电源Vp :峰值
具体实施例方式为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的电源转换器及应用该电源转换器的可调光固态照明装置，其具体实施方式
、结构、特征及其功效，详细说明如后。图3A显示包含本发明的可调光固态照明装置的调光系统的方框图。在本实施例中，调光系统包含交流电源30、调光器32及固态照明装置34。其中，调光器32与固态照明装置34串联后，连接至交流电源30的两端。于图3A中，连接节点P、Q的虚线36左方可代表一个电性连接至交流电源30的灯具(lamp holder)，其上设置有传统的交流调光器32(如图IB所示的调光器10)，虚线36右方可代表一个固态照明灯泡(亦即固态照明装置34)，其可制作为传统白炽灯泡形状，用以旋置于灯具的灯座(socket)上。图3B显示本发明实施例的另一调光系统的方框图。在本实施例中，调光系统也是包含交流电源30、调光器32及固态照明装置34。其中，调光器32与固态照明装置34并联后，调光器32连接至交流电源30的两端。图4显示本发明实施例的可调光固态照明装置34的细部方框图。在本实施例中，固态照明装置34包含整流器340、非隔离(non-isolated)切换式升压(switching boost)电源转换器342及至少一个固态发光元件344。其中，整流器340接收调光器32的输出并将其转换为整流(rectified)电压Vin，非隔离切换式升压电源转换器(简称电源转换器)342接收整流电压Vin以产生输出电压Vout，用以提供给固态发光元件344。图5A显示本发明实施例的固态照明装置34的细部电路图。在本实施例中，整流器340包含桥式整流器3401，其输出端与地之间还可连接小电容量的电容器3403，用以对 抗电磁干扰(EMI)之用，与整流滤波较无涉。固态发光元件344可为发光二极管(LED)、有机发光二极管(OLED)或高分子发光二极管(PLED)，但不限定于此。本实施例的电源转换器342主要包含切换控制器3421、电感器3423、二极管3425及负载电容器3427。切换控制器3421具有以下节点耦接于输入端Vin的侦测端SS、切换端SW及耦接于输出端Vout的电源端PW ;电感器3423作为能量储存元件，其第一端连接至电源转换器342的输入端Vin，电感器3423的第二端则连接至切换控制器3421的切换端SW，且连接至二极管3425的一端。二极管3425作为单向开关元件，连接于电感器3423第二端与输出端Vout之间。在本实施例中，二极管3425的阳极端连接至电感器3423的第二端，且二极管3425的阴极端连接至电源转换器342的输出端Vout。负载电容器3427连接于输出端Vout与地之间。当切换控制器3421处于导通状态(on state)时，其切换端SW电性导通至地，在此状态下，整流器340所产生的整流电压经由输入端Vin对电感器3423进行充电，因而将能量储存于电感器3423。当切换控制器3421处于断开状态(off state)时，其切换端SW与地电性隔绝，在此状态下，电感器3423经由二极管3425对负载电容器3427及固态发光元件344进行放电，因而将能量转移到负载电容器3427及固态发光元件344。图5B显示输入端整流电压Vin、输出电压Vout及侦测端电流Iss的相关信号波形。如图所示，整流电压Vin可为全波整流波形，其波峰值为Vp。当整流电压Vin达到切换控制器3421的工作电压时，如图式中时间tQ所示的触发点，输出电压Vout将会被输出并维持在高于整流电压Vin的状态。根据本实施例，电源转换器342的输出电压Vout会大于输入端整流电压Vin的峰值Vp，因此，在本实施例中是将输出电压Vout耦接至切换控制器3421的电源端PW，用以提供作为切换控制器3421的工作电压。因此，不会有传统电源转换器因操作电压不足所产生的不正常操作情形。本发明的精神在于电源转换器342的电路设计，通过切换控制器3421的侦测切换以及其它元件的连接关系使电源转换器342得以输出并维持在高于整流电压峰值Vp的输出电压Vout，易言之，切换控制器是可为本技术领域具通常知识者知悉可达此侦测切换的电子电路芯片，包含但不限于定频或变频的振荡器(OSC)或电源控制器(PWM IC)图5C显示当电源转换器342开始输出电压Vout后，其中的切换控制器3421的侦测端SS的电流Iss及切换端SW的电压Vsw、电流Isw的局部放大波形。切换控制器3421借由侦测端SS侦测整流电压Vin或电流Iss的大小，用以决定切换控制器3421推动到固态发光元件344的能量。如图所示，本实施例是使用脉冲波宽度调变(PWM)技术以调节切换端SW的电流Isw，其随着侦测端电流Iss (Vin)的大小输出对应的能量，而达到稳定调光的效果。而当可轻易理解的是，虽然不同的切换控制器会产生不同的切换端电压Vsw及电流Isw的输出波形与频率，但切换端电流Isw仍会根据侦测端Iss (Vin)的大小输出对应的能量。由上可知，当本发明的切换控制器3421的工作电压越低时，即使调光器32的输出电压波形处于低压的低输出状态，切换控制器3421仍可产生足够的电压输出来驱动固态发光元件344，使固态发光元件344维持在微亮的状态，亦即固态发光元件344亮度将对应于调光器32的电压的可调范围而不闪烁。本发明为适用于高压固态发光元件344所开发的电源转换器342，固态发光元件344的承受电压可为整流电压的峰值Vp ;当适当地选择一个相对高于整流电压的峰值Vp的固态发光元件344的电压(Vout)时，可提升切换控制器3421的效率，减低在切换控制器 3421及电感器3423的能量损耗及负载。此外，因本实施例的电源转换器342的输入端整流电压Vin不需要十足稳定直流电压，所以整流器340不再需要传统大电容量的电容器。取而代之的是，本实施例仅需使用小电容量的电容器3403，其是用以对抗电磁干扰(EMI)之用，与整流滤波无关；或者，可以省略电容器3403。而本发明的整体架构趋近于电阻性，电压与电流是在相同相位下，因此可获得较高的功率因素。图6显示本发明另一实施例的固态照明装置34的细部电路图。本实施例(图6)类似于前一实施例(图5A)，不同的地方在于图5A的电路是以地作为共享节点，而图6的电路则以电源Vcc作为共享节点，因此会产生负值的输出。在本实施例中，二极管3425的阴极端连接至电感器3423的第二端，且二极管3425的阳极端连接至电源转换器342的输出端 Vout0图7A显示本发明又一实施例的固态照明装置34的细部电路图。本实施例(图7A)类似于图5A所示的实施例，不同的地方在于，本实施例于固态发光元件344与地之间，额外插入限流保护装置3429。当交流电源30产生不正常大电压(例如突波)时，流过固态发光元件344的电流会被限制于一最高额定值，依据W=VXI (V为固态发光元件344的电压，I为该额定值，W为固态发光元件344的消耗功率)，因此不会让固态发光元件344的功率过高而烧坏。图7B显示本发明又一实施例的固态照明装置34的细部电路图。本实施例(图7B)类似于图7A所示的实施例，不同的地方在于，本实施例于固态发光元件344与地之间，额外插入可变限流保护装置3430，该可变限流保护装置3430除可具有前述实施例中限流保护装置3429的功能外，并可于承受过高电压时回授信号使切换控制器3421调整输出，避免可变限流保护装置3430的毁损致进一步影响固态发光元件344的寿命。在更佳的态样中，切换控制器3421在收到可变限流保护装置3430的回授信号后，可调整可变限流保护装置3430的负载限流值。当可轻易理解的是，过压限流保护态样并无须被限制于特定态样，例如实时过压限流的保护形式或平均式过压限流保护均可应用于本发明。本发明的电源转换器主要是针对固态发光元件344串联形成高压的设计(Vp ( Vout=VLED,VLED为发光二极管的电压)，惟当固态照明装置34采用上述具可变限流保护装置3430的设计时，固态发光元件344将不限于高压亦可为低压态样(即Vm〈Vp)。以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人 员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
权利要求
1.一种非隔离切换式升压电源转换器，其特征在于其包含 切换控制器； 能量储存元件，其第一端连接至该电源转换器的输入端，该能量储存元件的第二端连接至该切换控制器的切换端； 单向开关元件，连接于该能量储存元件的第二端与该电源转换器的输出端之间；及 负载电容器，连接于该输出端与共享节点之间； 其中当该切换控制器处于导通状态时，该切换控制器的切换端电性导通至该共享节点，且该整流电压经由该输入端对该能量储存元件进行充电；当该切换控制器处于断开状态时，该切换控制器的切换端与该共享节点电性隔绝，且该能量储存元件经由该单向开关 元件对该固态发光元件进行放电。
2.根据权利要求I所述的电源转换器，其特征在于该能量储存元件包含电感器。
3.根据权利要求I所述的电源转换器，其特征在于该单向开关元件包含一个二极管。
4.根据权利要求I所述的电源转换器，其特征在于该共享节点为地或电源。
5.根据权利要求I所述的电源转换器，其特征在于该切换控制器包含定频或变频波形输出的振荡器或电源控制器。
6.根据权利要求I所述的电源转换器，其特征在于该切换控制器还包含电源端，耦接至该输出端，以该输出电压作为该切换控制器的操作电压。
7.一种提供可调光固态照明装置直流电压的方法，其特征在于其包含利用权利要求I所述的电源转换器输出直流电压。
8.一种可调光固态照明装置，其特征在于其包含 整流器，接收调光器的输出并将其转换为整流电压； 至少一个固态发光元件；及 如权利要求I所述的电源转换器，接收该整流电压以输出直流电压，用以提供给该固态发光兀件。
9.根据权利要求8所述的固态照明装置，其特征在于其还包含电容器，连接于该整流器的输出与共享节点之间。
10.根据权利要求8所述的固态照明装置，其特征在于其还包含限流保护装置，置于该固态发光元件与共享节点之间。
11.根据权利要求10所述的固态照明装置，其特征在于该限流保护装置为可变限流保护装置。
12.根据权利要求10所述的固态照明装置，其特征在于该限流保护装置为即时限流保护装置或平均式限流保护装置。
13.根据权利要求9或10所述的固态照明装置，其特征在于该共享节点为地或电源。
14.根据权利要求8所述的固态照明装置，其特征在于该固态发光元件为发光二极管、有机发光二极管或高分子发光二极管。
全文摘要
电源转换器及应用该电源转换器的可调光固态照明装置。本发明是有关于一种电源转换器，其可将整流器接收调光器的输出所转换的整流电压以非隔离切换式升压方式产生直流输出电压，用以提供给至少一个固态发光元件。
文档编号H05B37/02GK102958247SQ20121029573
公开日2013年3月6日 申请日期2012年8月17日 优先权日2011年8月19日
发明者蔡文贵 申请人:佶益投资股份有限公司