具备多级驱动阶段的发光二极管照明装置制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种具备多级驱动阶段的发光二极管照明装置，其包含从属驱动阶段和主要驱动阶段。从属驱动阶段包含发光组件和第一电流控制器以在开启时期内提供固定限流值。主要驱动阶段包含发光组件和电流控制单元。电流控制单元包含可提供电流波封的第二电流控制器和电流波封控制器。电流波封控制器依据整流交流电压来设定电流波封的电平。当固定限流值小于电流波封的电平时，发光组件的驱动电流由第一电流控制器依据固定限流值来加以调节。或者，当电流波封的电平小于固定限流值时，发光组件的驱动电流由第二电流控制器依据第一时期内的电流波封来加以调节。
【专利说明】具备多级驱动阶段的发光二极管照明装置
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种具备多级驱动阶段的发光二极管照明装置，特别是一种具备多级 驱动阶段以提供大操作电压范围和改善电压/负载调整率的发光二极管照明装置。
【背景技术】
[0002] 相较于传统的白炽灯泡，发光二极管（light emitting diode, LED)具有耗电量 低、组件寿命长、体积小、无须暖灯时间和反应速度快等优点，并可配合应用需求而制成极 小或数组式的组件。除了户外显示器、交通号志灯之外、各种消费性电子产品，例如移动电 话、笔记本电脑或电视的液晶显示屏幕背光源之外，发光二极管亦广泛地被应用于各种室 内室外照明装置，以取代日光灯管或白炽灯泡等。
[0003] 在交流电源直接驱动的照明应用中，由于发光二极管是为电流驱动组件，其发光 亮度与驱动电流的大小成正比，为了达到高亮度和亮度均匀的要求，往往需要使用许多串 接的发光二极管来提供足够光源。在现有的发光二极管照明装置的驱动方法中，串接的发 光二极管会以多级驱动以增加可操作电压范围。电压调整率（line regulation)是指发 光二极管发光装置在整流交流电源有所变动时维持固定亮度的能力。负载调整率（load regulation)是指在不同负载电压下在不同发光二极管之间维持均匀亮度的能力。由于负 载电压降低和整流交流电压升高会造成等效影响，所以电压变化和负载变化彼此相关。在 现有的发光二极管照明装置中，流经每一驱动阶段的电流是依据其跨压独立地加以调节， 发光二极管照明装置的整体电压/负载调整率可能无法达到理想值。因此，需要一种能够 增加可操作电压范围和改善电压/负载调整率的发光二极管照明装置。
【发明内容】
[0004] 本发明提供一种具备多级驱动阶段的发光二极管照明装置，其包含从属驱动阶段 和主要驱动阶段。该从属驱动阶段包含第一发光组件；以及第一电流控制器，并联于该第一 发光组件，用来在第一时期内提供固定限流值，以及在第二时期内呈关闭。该主要驱动阶段 包含第二发光组件，串联于该第一发光组件，其依据驱动电流来提供光源；以及电流控制单 元，串联于该第一发光组件和该第二发光组件，其包含第二电流控制器，用来在该第一时期 内提供电流波封，以及在该第二时期内呈关闭；以及电流波封控制器，用来设定该电流波 封的电平。在整流交流电压的一周期内的特定时间点当该固定限流值小于该电流波封的电 平时，该驱动电流是由该第一电流控制器依据该固定限流值来加以调节；或在该特定时间 点当该电流波封的电平小于该固定限流值时，该驱动电流是由该第二电流控制器依据该第 一时期内的该电流波封来加以调节。
[0005] 本发明另提供一种具备多级驱动阶段的发光二极管照明装置，其包含第一至第 (N+1)发光组件，其依据一驱动电流来提供光源；第一至第N电流控制器，分别并联于该第 一至第N发光组件，分别用来在第一时期内提供第一至第N固定限流值，以及在第二时期内 呈关闭；以及第（N+1)电流控制单元，串联于该第一至第（N+1)发光组件。该第（N+1)电流 控制单元包含第（N+1)电流控制器，用来在该第一时期内提供包含（N+1)个限流值的电流 波封，以及在该第二时期内呈关闭；以及电流波封控制器，用来设定该电流波封的该（N+1) 个限流值。N为大于1的正整数。在整流交流电压的一周期内的特定时间点，该驱动电流是 由特定电流控制器来加以调节。在该第一至该第（N+1)电流控制器中所有在该第一时期内 运作的电流控制器中，该特定电流控制器提供的限流值为最小。
【专利附图】
【附图说明】
[0006] 图1为本发明实施例中发光二极管照明装置的示意图。
[0007] 图2和图3为本发明实施例发光二极管照明装置中从属驱动阶段运作时的示意 图。
[0008] 图4至图6为本发明实施例发光二极管照明装置中主要驱动阶段中电流控制单元 运作时的示意图。
[0009] 图7为本发明实施例发光二极管照明装置中主要驱动阶段中电流控制单元运作 时的特性图。
[0010] 图8至图11为本发明实施例发光二极管照明装置运作时的示意图。
[0011] 其中，附图标记说明如下：
[0012] 10 电流侦测器
[0013] 15、45 切换单元
[0014] 20 开关
[0015] 30 比较器
[0016] 40 参考电压产生器
[0017] 50 电流波封控制器
[0018] 52 震荡器
[0019] 54 零点交越侦测电路
[0020] 56 控制逻辑单元
[0021] 100 发光二极管照明装置
[0022] 110 电源供应电路
[0023] 112 桥式整流器
[0024] LED。?LEDn 发光装置
[0025] CCU 电流控制单元
[0026] CC。?CCN 电流控制器
[0027] Rsq 电阻
[0028] ST〇 主要驱动阶段
[0029] SI\?STN 从属驱动阶段
【具体实施方式】
[0030] 图1为本发明实施例中发光二极管照明装置100的示意图。发光二极管照明装置 100包含电源供应电路110、主要驱动阶段SI，和N个从属驱动阶段SI\?ST N，其中N为正 整数。电源供应电路110可接收具正负周期的交流电压VS，并利用桥式整流器112来转换 交流电压vs在负周期内的输出电压，因此可提供整流交流电压VAC以驱动发光二极管照明 装置100,其中整流交流电压vA。的值随着时间而有周期性变化。在其它实施例中，电源供 应电路110可接收任何交流电压VS，利用交流-交流电压转换器来进行电压转换，并利用桥 式整流器112来对转换后的交流电压VS进行整流，因此可提供整流交流电压V A。以驱动发 光二极管照明装置100,其中整流交流电压vAC的值随着时间而有周期性变化。值得注意的 是，电源供应电路110的结构并不限定本发明的范畴。
[0031] 主要驱动阶段SI；包含彼此串联的发光装置LE%和电流控制单元(XU。％代表电 流控制单元CCU的跨压。代表流经主要驱动阶段SI；的电流，同时代表流经发光二极管 照明装置100的总电流。
[0032] 每一从属驱动阶段SI\?STN包含彼此并联的发光装置和电流控制器。LEDi?LED n 分别代表相对应从属驱动阶段SI\?STN中的发光装置。CCi?CCN分别代表相对应从属驱 动阶段SI\?ST N中的电流控制器。Vi?VN分别代表电流控制器CCi?CCN的跨压。I sm? 分别代表流经从属驱动阶段SI\?STN的电流。Ira?分别代表流经电流控制器 CCi?CCN的电流。IuD1?I_N分别代表流经发光装置LEDi?LED N的电流。
[0033] 在本发明实施例中，每一发光装置LED。?LEDN可包含个发光二极管或复数个串接 或并联的发光二极管。图1显示了采用复数个串接发光二极管的架构，其可包含复数个单 接口发光二极管（single-junction LED)、复数个多界面高压发光二极管（multi-junction high-voltage LED),或不同类型发光二极管的任意组合。然而，发光装置LED^ - LEDm所采 用的发光二极管种类或组态并不限定本发明的范畴。在特定从属驱动阶段中，导通相对应 电流控制器所需的压差电压（dropout voltage) V_P小于导通相对应发光装置所需的切入 电压（cut-in voltage) VCUT。
[0034] 图2和图3为本发明实施例发光二极管照明装置100中从属驱动阶段SI\?STN 运作时的示意图。由于N个从属驱动阶段STi-Sl运作方式相同，接下来以第一级从属驱 动阶段SI\来做说明。当(KV'Vd^时，电流控制器CQ尚未完全导通，而发光装置LEDi依旧 呈关闭。此时，电流控制器CQ会像压控组件一样在线性模式下运作，使得电流I ra和Ism 会随着其跨压L呈特定变化，而电流led1为〇。举例来说，若电流控制器cq是以金氧半导 体（metal-oxide-semiconductor, M0S)晶体管来制作，电流Ira/ISUM1和电压之间的关系 会相关于M0S晶体管在线性区运作时的电流一电压特性。
[0035] 当VPVd^时，电流Ira达到第一级从属驱动阶段SI\的最大限流值I SET1，此时电 流控制器Cq会切换至定电流模式并像限流器一样运作。在图2所示的实施例中，电流Ira 在定电流模式下会被箝制在固定值ISET1，而不会随着电压 ' 而改变。在图3所示的实施例 中当时，发光装置LEDi依旧关闭，电流控制器CQ会将电流Ira箝制在固定值 ISET1。在图3所示的实施例中当时，发光装置LEDi会被开启，使得电流1_开始增 力口。因此，电流控制器CQ会相对应地降低电流I ra，使得流经第一级驱动阶段SI\的总电流 ISUM1在定电流模式下能维持在固定值ISET1，而不会随着电压 ' 而改变。
[0036] 当电压％达到关闭电压时，电流控制器CQ会切换至截止模式。换而言之，电 流控制器CQ就像是开路组件，能让电流Iu D1和电流ISUM1随着电压％而变化。
[0037] 在本发明中，每一从属驱动阶段SI\?STN的电流控制器的运作包含两个时期。在 开启时期（线性模式或定电流模式），从属驱动阶段SI\?ST N分别提供相对应的限流值 ISET1?ISETN，而电流ISUM1?1選主要流经相对应的电流控制器CCi?CC N。在关闭时期（截 止模式），电流控制器CCi?CCN会呈关闭，而电流Ism?Isuw主要流经相对应的发光装置 LEDi?LEDN。在本发明实施例中，从属驱动阶段SI\?STN可采用任何能达成前述双时期运 作的组件，例如采用电流-电压（I-V)特性如图2和图3所示的组件。然而，从属驱动阶段 SI\?STN的组态和图2至图3所示的电流-电压特性并不限定本发明的范畴。
[0038] 图4至图6为本发明实施例中主要驱动阶段SI；中电流控制单元C⑶运作时的示 意图。电流控制单元CCU包含电流控制器CQ和电流波封（current envelope)控制器50， 用来提供复数个限流值，亦即电流波封ISET(t)的电平会随时间改变。
[0039] 电流控制器0^包含电流侦测器10、开关20、比较器30和参考电压产生器40。电 流侦测器10的等效电阻R s (t)可为固定值RS(I，或为由电流波封控制器50控制的可调值。 电流侦测器10可侦测流经开关20的电流，进而提供相对应的回授电压V FB(t)。回授电压 VFB(t)可为固定值VFB(I，或为由电流波封控制器50控制的可调值。开关20可为场效晶体管 (field effect transistor, FET)、双极结型晶体管（bipolar junction transistor, BJT)， 或是其它具备类似功能的组件。图4至图6显示了 N型金氧半导体场效晶体管（N-channel metal-oxide-semiconductor field effect transistor, N-M0SFET)的实施例，但不限定本 发明的范畴。参考电压产生器40可提供参考电压VKEF(t)，其值可为固定值V KEF(I，或为由电 流波封控制器50控制的可调值。比较器30的正输入端耦接至参考电压VKEF(t)，负输入端 耦接至回授电压V FB(t)，而输出端耦接至开关20的控制端。
[0040] 比较器30可依据参考电压VKEF(t)和回授电压VFB(t)的大小关系来调整流经开 关20的电流。当V FB(t)〈VKEF(t)时，比较器30会拉高其输出电压以增加流经开关20的电 流，直到回授电压V FB(t)升至参考电压VKEF(t)为止。当VFB(t)>VKEF(t)时，比较器30会拉 低其输出电压以减少流经开关20的电流，直到回授电压V FB(t)降至参考电压VKEF(t)为止。 换而言之，在整流交流电压VAC的一周期内的特定时间点t，电流波封I SET(t)的限流值等于 VEEF(t)/Rs(t)。
[0041] 电流波封控制器50包含震荡器52、零点交越（zero-cross)侦测电路54和控制 逻辑单元56。震荡器52可提供电流波封控制器50运作所需的内部频率讯号。零点交越 侦测电路54可侦测电流的上升边缘和下降边缘，以决定整流交流电压V AC的零点交越 点。控制逻辑单元56可调整参考电压VKEF(t)及/或等效电阻Rs(t)的值，进而设定电流波 封I SET(t)的电平。
[0042] 在图4所示的实施例中，电流侦测器10可包含复数个电阻和切换单元15。切换单 元15包含复数个开关，电流波封控制器50可利用开启或关闭复数个开关中特定开关以调 整电流侦测器10的等效电阻R s(t)。当电流波封控制器50并未启动时，电流侦测器10的 等效电阻为Rs〇,而电流波封I SET (t)的限流值为固定值(1"? = VKEF(I/RS(I)。当电流波封 控制器50被启动时，电流侦测器10的等效电阻R s(t)为可调，使得电流波封ISET(t)的限流 值可随时间改变，其中ISET(t) = VKEFQ/Rs(t)。
[0043] 在图5所示的实施例中，参考电压产生器40包含复数个电阻和切换单元45,可组 成可调式分压电路。切换单元45包含复数个开关，电流波封控制器50可利用开启或关闭 复数个开关中特定开关以调整分压率。当电流波封控制器50并未启动时，参考电压产生 器40输出固定值的参考电压V KEra，而电流波封ISET(t)的限流值为固定值IMXCI(IMXCI = VKEF(I/ Rs。）。当电流波封控制器50被启动时，参考电压VKEF(t)为可调，使得电流波封I SET(t)的限 流值可随时间改变，其中ISET(t) = VKEF(t)/RSQ。
[0044] 在图6所示的实施例中，电流侦测器10可包含复数个电阻和切换单元15。切换 单元15包含复数个第一开关，电流波封控制器50可利用开启或关闭复数个第一开关中特 定第一开关以调整电流侦测器10的等效电阻R s (t)。参考电压产生器40包含复数个电阻 和切换单元45,可组成可调式分压电路。切换单元45包含复数个第二开关，电流波封控制 器50可利用开启或关闭复数个第二开关中特定第二开关以调整分压率。当电流波封控制 器50并未启动时，电流侦测器10的等效电阻为R S(I，参考电压产生器40输出固定值的参考 电压V_，而电流波封ISET⑴的限流值为固定值I MXQ (1翻=VKEFQ/RSQ)。当电流波封控制 器50被启动时，电流侦测器10的等效电阻R s (t)和参考电压VKEF(t)为可调，使得电流波封 ISET(t)的限流值可随时间改变，其中ISET(t) =VKEF(t)/Rs(t)。
[0045] 图7为本发明实施例中主要驱动阶段SI；中电流控制单元CCU运作时的特性图。 当电流波封控制器50并未启动时，电流控制单元CCU提供的电流波封I SET(t)其限流值为 固定值ΙΜΧ(Ι，而不会随着整流交流电压VAC而改变，如图7中间所示。当电流波封控制器50 被启动时，电流控制单元CCU提供的电流波封I SET(t)包含复数个介于和IMXN之间的限 流值，如图7下方所示。在本发明实施例中，电流控制器CQ?CC N的限流值可有著下列关 ^ ' ImAX〇〉IsETN〉ImAXN〉···〉IsET2〉ImAX2〉IsET1〉ImAX1。
[0046] 图8至图11为本发明实施例发光二极管照明装置100运作时的示意图。为了说 明目的，图8至图11显示了 N = 2的实施例。主要驱动阶段SI；中电流控制器CQ提供的 电流波封 ISET(t)包含 3 个限流值 IMX(I ?Imx2,其中 IMX(l>ISET2>IMX2>ISET1>I mxi。
[0047] 在图8和图10所示的实施例中，驱动发光二极管照明装置100的整流交流电压VAC 在其工作范围内之上限值，原因可能是由负载电压下降或交流电压VS上升所造成。在图9 和图11所示的实施例中，驱动发光二极管照明装置100的整流交流电压V A。在其工作范围 内的下限值，原因可能是由负载电压上升或交流电压VS下降所造成。如图8至图11所示， 上限值的整流交流电压V AC会造成较大的功率因素 （power factor)。
[0048] 在图8和图9中，代表当电流波封控制器50未启动时流经发光二极管照明装 置100的整体电流。电流控制器(^可在开启时期运作以提供固定限流值I SET1。电流控制 器CC2可在开启时期运作以提供固定限流值ISET2。电流控制器CQ可在开启时期运作以提 供包含固定限流值Ι ΜΧ(Ι的电流波封，如图7中间所示。发光二极管照明装置100的整体电 流1_'是由所有主动电流控制器（在开启时期运作）中提供最小限流值的电流控制器来 调节。
[0049] 在图8中，在具上限值的整流交流电压VAC的一周期内，整体电流被箝制的值 如下列表一所不。在图8和表一中，h?t n代表整流交流电压VA。的一周期内不同时间点， 0N代表开启时期，而OFF代表关闭时期。
[0050]
【权利要求】
1. 一种具备多级驱动阶段的发光二极管照明装置，其特征在于包含： 从属驱动阶段，其包含： 第一发光组件；以及 第一电流控制器，并联于该第一发光组件，用来在第一时期内提供固定限流值，以及在 第二时期内呈关闭；以及 主要驱动阶段，其包含： 第二发光组件，串联于该第一发光组件，其依据驱动电流来提供光源；以及 电流控制单元，串联于该第一发光组件和该第二发光组件，其包含： 第二电流控制器，用来在该第一时期内提供电流波封，以及在该第二时期内呈关闭； 以及 电流波封控制器，用来设定该电流波封的电平，其中： 在整流交流电压的一周期内的特定时间点当该固定限流值小于该电流波封的电平时， 该驱动电流是由该第一电流控制器依据该固定限流值来加以调节；或 在该特定时间点当该电流波封的电平小于该固定限流值时，该驱动电流是由该第二电 流控制器依据该第一时期内的该电流波封来加以调节。
2. 如权利要求1所述的发光二极管照明装置，其特征在于，该电流波封控制器包含： 震荡器，用来提供该电流波封控制器运作所需的内部频率讯号； 零点交越侦测电路，用来侦测该驱动电流的上升边缘和下降边缘，以决定该整流交流 电压的零点交越点；以及 控制逻辑单元，用来依据该整流交流电压的零点交越点调整该电流波封的电平。
3. 如权利要求1所述的发光二极管照明装置，其特征在于，该电流波封控制器包含： 开关，其依据第一控制讯号来运作； 电流侦测器，串联于该开关，用来提供回授电压，该回授电压的值相关于该电流侦测器 的等效电阻和流经该开关的电流； 参考电压产生器，用来提供参考电压，该参考电压的值相关于从该电流波封控制器接 收到的第二控制讯号；以及 比较器，用来依据该回授电压的值和该参考电压的值提供该第一控制讯号。
4. 如权利要求3所述的发光二极管照明装置，其特征在于，该电流侦测器包含： 复数个电阻；以及 切换电路，其依据该第二控制讯号来使得该复数个电阻中一个或多个电阻有作用或无 作用，以相对应地调整该电流侦测器的等效电阻。
5. 如权利要求3所述的发光二极管照明装置，其特征在于，该参考电压产生器包含： 分压电路，包含复数个电阻，用来依据分压率来提供该参考电压；以及 切换电路，其依据该第二控制讯号来使得该复数个电阻中一个或多个电阻有作用或无 作用以调整该分压率，进而相对应地调整该参考电压的值。
6. 如权利要求3所述的发光二极管照明装置，其特征在于： 该电流侦测器包含： 复数个第一电阻；以及 第一切换电路，其依据该第二控制讯号来使得该复数个第一电阻中一个或多个第一电 阻有作用或无作用，以相对应地调整该电流侦测器的等效电阻；而 该参考电压产生器包含： 分压电路，包含复数个第二电阻，用来依据分压率来提供该参考电压；以及 第二切换电路，其依据该第二控制讯号来使得该复数个第二电阻中一个或多个第二电 阻有作用或无作用以调整该分压率，进而相对应地调整该参考电压的值。
7. 如权利要求1所述的发光二极管照明装置，其特征在于，该第二电流控制器在该第 一时期内所提供的该电流波封包含第一限流值和第二限流值，该第一限流值大于该固定限 流值，而该第二限流值小于该固定限流值。
8. 如权利要求1所述的发光二极管照明装置，其特征在于，另包含电源供应电路，用来 提供该整流交流电压。
9. 如权利要求8所述的发光二极管照明装置，其特征在于，该电源供应电路包含交 流-交流电压转换器。
10. -种具备多级驱动阶段的发光二极管照明装置，其特征在于，包含： 第一至第（N+1)发光组件，其依据驱动电流来提供光源； 第一至第N电流控制器，分别并联于该第一至第N发光组件，分别用来在第一时期内提 供第一至第N固定限流值，以及在第二时期内呈关闭；以及 第（N+1)电流控制单元，串联于该第一至第（N+1)发光组件，其包含： 第（N+1)电流控制器，用来在该第一时期内提供包含（N+1)个限流值的电流波封，以及 在该第二时期内呈关闭；以及 电流波封控制器，用来设定该电流波封的该（N+1)个限流值，其中： N为大于1的正整数； 在整流交流电压的一周期内的特定时间点，该驱动电流是由特定电流控制器来加以调 节；且 在该第一至该第（N+1)电流控制器中所有在该第一时期内运作的电流控制器中，该特 定电流控制器提供的限流值为最小。
11. 如权利要求10所述的发光二极管照明装置，其特征在于，该第（N+1)电流控制器 所提供的该（N+1)个限流值&?AN+1和该第一至第N电流控制器所提供的该第一至该第N 固定限流值&?BN的值有△1〈81〈4〈820"乂^乂 +1的关系。
【文档编号】H05B37/02GK104219831SQ201410242461
【公开日】2014年12月17日 申请日期:2014年6月3日 优先权日:2013年6月3日
【发明者】许宏彬, 李怡玫, 江永欣 申请人:安恩科技股份有限公司