可携式照明装置及提供电源至负载电路的方法

专利名称：可携式照明装置及提供电源至负载电路的方法
技术领域：
本发明涉及一种照明装置，尤其涉及一种可携式照明装置及提供电源至负载电路 的方法。
背景技术：
可携式照明装置，如家用手电筒，一般采用白炽灯(incande scent lamp)来照 明。近年来，发光二极管(Light Emitting Diode, LED)逐渐发展为液晶显示器(Liquid Crystal Display，IXD)背光、家用照明灯具及街灯的光源。由于LED相较于白炽灯具有较 佳的发光效率及较长的使用寿命，故使用LED作为手电筒的光源亦逐渐普遍。传统的手电筒需要电池作为供电。然而，在打开(turn on)手电筒的瞬间，施加至 灯的突波(surge power)将会损害灯，进而降低灯的使用寿命。最常见的解决方式是在灯 与电池间加入一限流电阻(current limiting resistor)，以避免瞬间施加至灯的大电流。 然而，在电路中新增电阻所增加的功耗会严重缩短电池寿命。LED在导通发光时，通常会有一介于3. 2伏(Volts，V)至4. OV间的正向电压。一 个家用碱性电池通常提供1. 5V电压。因此，在现有的LED手电筒中，一个家用碱性电池通常 仅提供1. 5V电压，因此需要3个碱性电池才足以对LED供电。图Ia所示为现有手电筒内 的电子电路100的示意图。电子电路100使用以3个串联的碱性电池所形成的电池组110， 作为电子电路100的电源，该电池组110藉由开关120提供能量以驱动一 LED 130，该LED 130具有3. 2V的正向电压且导通电流为100mA。该电子电路100在LED 130与电池组110 之间设置一限流电阻140 (例如，13欧姆(Ohm))。在上述条件下，限流电阻140上的功率消耗为0. 13瓦特(Watt，W)，而LED130上 则消耗0. 32W。由此可知，LED 130的功率仅为全部功率的71%，换言之，限流电阻140吸 收由电池组110所提供的部分能量，因此电池组110需要供应更多能量，以维持LED 130的 亮度，这将造成电池组110的使用寿命随之降低。若LED 130因为制程或其他因素而在导通时具有4. OV的正向电压，则位于LED 130与电池组110间的13欧姆限流电阻140将会限制流经LED 130的电流为约38. 5mA,换 言之，此时LED 130的亮度将仅为原始设计规划亮度(亦即流经LED130的电流为IOOmA) 的38. 5%。另一方面，若将该限流电阻140改为5欧姆，虽然可使正向电压为4. OV的LED 130的亮度达到原始设计的亮度(即流经LED 130的电流为IOOmA)，但对于其他正向电压 较低(例如3.2V)的LED，则可能产生过电流现象，使得流经这些LED的电流增加(例如 260mA)，将对这些LED产生不利影响。请参考图lb，其显示使用图Ia所示的现有电路以两个1. 5V碱性电池配合限流电 阻驱动电流为IOOmA的LED的实验数据。由实验数据可知，使用现有电路的电池寿命仅为 100分钟。更进一步，若使用者更换不同功率规格的LED，则 此种使用限流电阻的电路设计将 面临实际应用上的限制。例如，若使用者希望获得10倍的功率，而将额定电流为IOOmA的LED更换为IA的LED，然而由于限流电阻是预先设计且固定的，故流经LED的电流将不变， 故无法符合使用者的期望。此外，由于电池组的配置需同时考量手电筒的机构设计，故通常 无法任意更换电池数目以改变电源供应量。总而言之，对于以电池驱动的手电筒应用而言， 此种限流电阻既不实用又缺乏效率，对于电路设计与应用的灵活性造成困扰。

发明内容
本发明要解决的技术问题在于提供一种可携式照明装置及提供电源至负载电路 的方法，可以提高电路设计与应用的灵活性，且可延长可携式照明装置的使用寿命。为解决上述技术问题，本发明提供的可携式照明装置包括一种简单的控制电路， 其可以克服现有技术的问题。即使电池电压低至例如1.0V，该控制器仍可以极少数的元件 操作，将电压升高至足以驱动LED。反之，若所提供的电池电压高至例如6. 0V，该控制器也 可以极少数的元件操作，将电压降低至驱动LED所需的电压。该控制电路可包含集成电路 (IC)、功率电感及其他电子元件，以形成升压(boost)、降压(buck)或降升压(buck-boost) 转换器，以提供功率至LED。该升压/降压/升降压转换器的高转换效率可延长电池的使用 寿命，也可降低电池数目，可减轻可携式照明装置的重量。另外，本发明可在不需更改设计 的情况下，应用于不同功率规格的LED，因此大幅降低电路应用的限制，且可延长LED的使 用寿命，从而延长可携式照明装置的使用寿命。根据本发明的一个实施例，提供一种可携式照明装置，该可携式照明装置包括电 源、控制器和负载电路。控制器包含电源输入端，该电源输入端经由第一开关与电源电性连 接。负载电路与控制器的电源输出端电性连接，且可产生反馈信号。控制器至少依据第一 开关的状态及反馈信号，经由电源输出端调节提供给负载电路的电能。根据本发明的另一个实施例，提供一种提供电源至负载电路的方法，该方法包括 以下步骤经由开关将电源施加至控制器；该控制器驱动该负载电路；于该负载电路中提 供感测元件，用以产生反馈信号；将该反馈信号提供至该控制器；以及至少依据该开关的 状态及该反馈信号，调节提供给该负载电路的电能。与现有技术相比，本发明的可携式照明装置利用控制电路调节提供给负载电路的 电能，可延长电池的使用寿命，也可降低电池数目，可减轻携式照明装置的重量。另外，本 发明可在不需更改设计的情况下，应用于不同功率规格的LED，因此大幅降低电路应用的限 制，且可延长LED的使用寿命，从而延长可携式照明装置的使用寿命。以下结合附图和具体实施例对本发明的技术方案进行详细的说明，以使本发明的 特性和优点更为明显。


图Ia所示为现有技术手电筒的电路示意图。 图Ib所示为图Ia的现有电路中驱动一 LED的电池的使用时间的实验数据。图2所示为根据本发明的一个实施例的可携式照明装置的电子电路示例性电路 示意图。图3所示为根据本发明的另一实施例的可携式照明装置的电子电路示例性电路 示意图。
图4a所示为根据图3所示实施例的电子电路内的控制器的电路示意图。图4b是根据图3所示实施例的电子电路的时序图。图5所示为根据本发明的又一实施例的可携式照明装置的电子电路的示例性电 路示意图。 图6所示为根据本发明的再一实施例的可携式照明装置的电子电路的示例性电 路示意图。图7所示为根据图6所示实施例的电子电路内的控制器的电路示意图。图8所示为根据本发明的一个实施例的电子电路中驱动一 LED的电池的使用时间 的实验数据。
具体实施例方式以下将对本发明的实施例给出详细的说明。虽然本发明将结合实施例进行阐述， 但应理解为这并非意指将本发明限定于这些实施例。相反，本发明意在涵盖由后附权利要 求项所界定的本发明精神和范围内所定义的各种可选项、可修改项和等同项。请参考图2，其为根据本发明一个实施例的可携式照明装置的电子电路200的示 例性电路示意图。在一个实施例中，可携式照明装置为手电筒。电子电路200包括电池电 源(VBatt) 210、开关220、发光元件230、感测元件240、控制器250及电感Li。在一个实施 例中，电池电源210是一个或多个碱性电池。在一个实施例中，发光元件230为LED。在一 个实施例中，控制器250为一集成电路(IC)。在一个实施例中，控制器250的电源输入端VIN经由开关220电性连接至电池电 源210。控制器250的电源输出端OUT耦接至发光元件230。感测元件240与发光元件230 串联，藉此感测流经发光元件230的电流，并产生反馈信号。该反馈信号被传送至控制器 250的感测端ISENSE。控制器250还包括切换输出端SW，该切换输出端SW经由电感Ll与 电源输入端VIN耦接。在一个实施例中，电感Ll作为升压(boost)转换器的储能元件。当开关220闭合 (Turn ON)时，控制器250的电源输入端VIN耦接至电池电源210，接收电池电源210所供 应的电源，发光元件230可经由控制器250的电源输出端OUT接收电能。当开关220断开 (Turn OFF)时，电池电源210即停止供电至控制器250与发光元件230。控制器250根据 开关220的闭合与断开以及感测端ISENSE接收到的反馈信号，可调整提供给发光元件230 的电能。请参考图3，其为根据本发明另一个实施例的可携式照明装置的电子电路300的 示例性电路示意图。电子电路300包括电池电源(VBatt) 210、开关220、发光元件230、感测 元件240、控制器350、电感Ll以及电容Cl与C2。图3与图2中具有相同标号的元件具有 相同或类似的功能，为简明起见，在此将不再赘述。在一个实施例中，控制器350为一集成电路(IC)。在一个实施例中，电子电路300 还包括直流滤波电容Cl，其配置于电池电源210与控制器350的电源输入端VIN之间。同 理，在一个实施例中，可在发光元件230与控制器350的电源输出端OUT之间配置直流滤波 电容C2。在一个实施例中，控制器350可藉由一耦接至开关220的调光控制信号DIM，调节提供给发光元件230的电能，进而调节发光元件230的亮度，而具有调光控制功能。在一个 实施例中，当该开关220为闭合状态时，该控制器350调节提供给发光元件230的电能。请同时参考图4a，其为图3所示实施例中的控制器350的部分电路示意图。控制 器350可包括低电压锁定器451、触发电路452、时钟脉冲产生器453、参考开关选择器454、 调节器455、驱动器456、及开关457、458，以对发光元件230进行调光控制。以下将配合图 4b所示的时序，说明一个实施例中控制器350的调光控制。 当开关220闭合时，电池电源210的电能施加至控制器350的电源输入端VIN。此 时发光元件230在其额定电流下被供给电源。这时参考开关选择器454设置低频脉宽调制 (Low Frequency Pulse Width Modulation ；LPWM)信号为一最高参考电压 Vmax，即发光元 件230可达到最大(100% )亮度。当开关220被断开，即电池电源210的电能停止施加至控制器350，则触发电路 452会产生具有第一触发下降缘的触发信号，但是在电源输入端VIN上的电压降低至低于 一低电压锁定(under-voltage lock-out, UVL0)临限值之前的一定时间内(该时间内存贮 于直流滤波电容Cl的能量可维持能量的供给)，若开关220又被闭合，则触发信号具有第一 触发上升缘，此触发信号会使能(enable)时钟脉冲产生器453产生第一时钟脉冲信号。第 一时钟脉冲信号提供给参考开关选择器454，用以选择第一参考电压VI，并将LPWM设置为 VI。在一个实施例中，该第一参考电压Vl为较最高参考电压Vmax低的电压，例如，可驱动 发光元件230亮度为75%的电压。上述参考电压可视应用上的需要而设置。在一个实施例中，开关220可再被断开，则触发电路452会产生具有第二触发下降 缘的触发信号，但在电源输入端VIN上的电压降至低于一低电压锁定临限值之前的一定时 间内，若开关220又被闭合，则该触发信号具有第二触发上升缘，此触发信号会再度使能时 钟脉冲产生器453使之产生第二时钟脉冲信号。该第二时钟脉冲信号提供给参考开关选择 器454，用以选择第二参考电压V2，并将LPWM设置为V2。在一个实施例中，该第二参考电压 V2为较第一参考电压Vl低的电压，例如，可驱动发光元件230亮度为50%的电压。在另一 个实施例中，第二参考电压V2为较第一参考电压Vl高但低于最高参考电压Vmax的电压， 例如，可驱动发光元件230亮度为80%的电压。此等操作可重复进行。第一参考电压VI、第二参考电压V2…等参考电压可视应 用上的需要设置，且可以有各种变化。例如，参考电压的电压位准可由高依序降低，例如， 100%、75%、50%、25%，也可由低依序增高，例如25 % ,50 % ,75 % UOO % 在一个实施 例中，参考电压的改变可使发光元件230的亮度依固定比例变化，例如25%、50%、75%及 100%等。在另一个实施例中，参考电压的改变也可使发光元件230的亮度成非比例的变 化，例如20%、30%、80%及100%。在又一个实施例中，参考电压可设置为使发光元件的亮 度变化为100%、50%、100%表示SOS的求救信号。在一个实施例中，调节器455可根据参考电压及感测元件240所感测的表示发光 元件230电能的反馈信号，调节电源输出端OUT的输出以控制流经发光元件230的电流大 小，以达成调节发光元件230亮度的功能。在一较佳实施例中，感测元件240为一电阻。在 一个实施例中，感测元件240为一电阻与一电容(未示出)的组合。在一个实施例中，调节器455的输出可先经由驱动器456放大信号强度。在一个 实施例中，驱动器456的输出耦接至开关457，将电池电源210上或直流滤波电容Cl上的电能调节后提供至控制器350的电源输出端OUT。在一个实施例中，调节器455是脉宽调 制(pulse width modulation,PWM)电路。在另一个实施例中，调节器455是脉冲频率调制 (pulse frequency modulation, PFM)电路。在一个实施例中，开关457、458与电容C2、电感Ll形成一升压(boost)转换器，可 将电源输出端OUT上的电压提高至足以驱动发光元件230的电压。在一个实施例中，切换 输出端(SW)经由电感Ll与电源输入端VIN耦接、经由开关457与地端(ground)耦接、经 由开关458耦接至电源输出端OUT，且电源输出端与直流滤波电容C2耦接。因此，即使电池 电源210所提供的电压仅为IV，但经由该升压转换器提高电源输出端OUT的电压，控制器 350仍可驱动发光元件230，并调节发光元件230的电能，进而延长本发明一个实施例的电 池电源210的使用寿命。在一个实施例中，开关457及开关458为金属氧化物半导体场效应晶体管(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor，M0SFET)。在一个实施例中，开关 458 与 开关457动作互补。在一个实施例中，开关457为一 N通道(channel)金属氧化物半导体 场效应晶体管。在一个实施例中，开关458为一 P通道(channel)金属氧化物半导体场效 应晶体管。在另一个实施例中，开关458为一二极管(diode)。 当开关220持续断开一段时间，直到电源输入端VIN上的电压低于预定值，如低电 压锁定临限值(UVLO)时，则低电压锁定器451将产生重置(reset)信号。此重置信号会重 置时钟脉冲产生器453，致使发光元件230截止。发光元件230将保持为截止状态，直到开 关220再度被闭合为止。请参考图5，其为根据本发明又一实施例的电子电路500的示例性电路示意图。电 子电路500包括电池电源(VBatt) 510、开关220、发光元件230、感测元件240、控制器550 及电感L2。在一个实施例中，电池电源510是一个或多个碱性电池。在一个实施例中，发光 元件230为LED。在一个实施例中，控制器550为集成电路(IC)。图5与图2标号相同的 元件具有相同或类似的功能，为简明起见，在此将不再赘述。在一个实施例中，电感L2作为一降压(buck)转换器的储能元件。当开关220闭 合时，控制器550的电源输入端VIN耦接至电池电源510，接收电池电源510所供应的电源， 发光元件230可经由控制器550的电源输出端OUT接收电能。当开关220断开时，电池电 源510即停止供电至控制器550与发光元件230。控制器550根据开关220的闭合与断开 状态以及感测端ISENSE所接收到的反馈信号，调节提供给发光元件230的电能。请参考图6，其为根据本发明再一实施例的电子电路600的示例性电路示意图。电 子电路600包括电池电源(VBatt) 510、开关220、发光元件230、感测元件240、控制器650、 电感L2以及电容Cl与C2。图6与图5中标号相同的元件具有相同或类似的功能，为简明 起见，在此将不再赘述。请同时参考图7，其为图6所示实施例中控制器650的部分电路示意图。图7将 结合图6进行说明。控制器650可包括低电压锁定器451、触发电路452、时钟脉冲产生器 453、参考开关选择器454、调节器455、驱动器456及开关757、758，以对发光元件230进行 调光控制。图7与图4a中标号相同的元件具有相同或类似的功能，为简明起见，在此将不 再赘述。控制器650的调光控制与图4b所示的时序类似，在此将不再赘述。 在一个实施例中，开关757、758与电容C2、电感L2形成一降压(buck)转换器，可将电源输出端OUT上的电压降低至足以驱动发光元件230的电压。在一个实施例中，切换 输出端(SW)经由开关757与电源输入端VIN耦接、经由开关758与一地端(ground)耦接， 且切换输出端经由电感L2及直流滤波电容C2耦接至地。电源输出端OUT耦接至电感L2 与电容C2之间。因此，即使电池电源510所提供的电压高于驱动发光元件230所需的电压 (例如，6V)，但经由降压转换器降低电源输出端OUT上的电压，控制器650仍可输出符合该 发光元件230规格的一较低电压以驱动发光元件230，并调节发光元件230的电能，以节省 电池电源510所提供的电能，进而延长电池电源510的使用寿命。在一个实施例中，开关757及开关758为金属氧化物半导体场效应晶体管(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor，M0SFET)。在一个实施例中，开关 758 与 开关757动作互补。在一个实施例中，开关757为一 N通道(channel)金属氧化物半导体 场效应晶体管，开关758为一 P通道金属氧化物半导体场效应晶体管。在另一实施例中，开 关 758 为一二极管(diode)。请参考图8，其显示利用本发明电子电路的两个1. 5V碱性电池驱动IOOmA的LED 的实验结果。图中曲线显示流经LED的电流。比较图8及现有技术图Ib可知，在LED维持 相同的电流(即发光亮度相同)的情况下，使用现有技术的电池寿命仅为100分钟(如图 Ib所示)，而图8显示使用本发明的电子电路则可大幅延长电池使用时间至205分钟。参 考本实验结果，可清楚理解在达成相同亮度的情形下，使用本发明不但可节省电池数量，亦 可延长电池寿命。本领域普通技术人员可以理解，此处的「电池」或「电池组」并不限于干电池，其可 包括可充电电池等等。「电池」也不限于实施例所载的碱性电池，其可包括锂电池等。虽然 本发明的实施例只示出了一个发光元件，可以理解的是，本发明并不限制发光元件的数量，而是可以采用任意数量的发光元件。此处为便于说明是以「发光二极管(LED)」为实施例， 但本发明并不以此为限，可将LED替换为其他类似的发光元件。本发明虽以手电筒为例加 以说明，但并不限于家用或小型手电筒，其亦包括不同尺寸、不同用途的可携式照明装置。 例如但不限于登山、探勘所用的头灯，或自行车的车灯等等。上文具体实施方式
和附图仅为本发明之常用实施例。显然，在不脱离后附权利要 求书所界定的本发明精神和保护范围的前提下可以有各种增补、修改和替换。本领域技术 人员应该理解，本发明在实际应用中可根据具体的环境和工作要求在不背离发明准则的前 提下在形式、结构、布局、比例、材料、元素、组件及其它方面有所变化。因此，在此披露之实 施例仅用于说明而非限制，本发明之范围由后附权利要求及其合法等同物界定，而不限于 此前之描述。
权利要求
一种可携式照明装置，其特征在于，包括电源；控制器，其包含电源输入端，该电源输入端经由第一开关与所述电源电性连接；以及负载电路，其与所述控制器的电源输出端电性连接，且可产生反馈信号，所述控制器至少依据所述第一开关的状态及所述反馈信号，经由所述电源输出端调节提供给所述负载电路的电能。
2.根据权利要求1所述的可携式照明装置，其特征在于，当所述第一开关的所述状态 为闭合时，所述控制器调节提供给所述负载电路的电能。
3.根据权利要求1所述的可携式照明装置，其特征在于，所述负载电路包括至少一个 发光元件。
4.根据权利要求3所述的可携式照明装置，其特征在于，所述至少一个发光元件为发光二极管。
5.根据权利要求3所述的可携式照明装置，其特征在于，所述负载电路包括感测元件， 其感测所述至少一个发光元件的工作参数，并根据该工作参数产生所述反馈信号。
6.根据权利要求5所述的可携式照明装置，其特征在于，所述感测元件至少包括一个 电阻。
7.根据权利要求1所述的可携式照明装置，其特征在于，还包括与所述电源输入端电 性连接的第一电容。
8.根据权利要求1所述的可携式照明装置，其特征在于，还包括与所述电源输出端电 性连接的第二电容。
9.根据权利要求1所述的可携式照明装置，其特征在于，所述控制器包括切换输出端， 该切换输出端经由电感元件与所述电源输入端电性连接。
10.根据权利要求1所述的可携式照明装置，其特征在于，所述电源包括电池组。
11.根据权利要求10所述的可携式照明装置，其特征在于，所述电池组包括至少一个 干电池。
12.根据权利要求10所述的可携式照明装置，其特征在于，所述电池组包括至少一个 可充电电池。
13.根据权利要求10所述的可携式照明装置，其特征在于，所述电池组包括碱性电池。
14.根据权利要求10所述的可携式照明装置，其特征在于，所述电池组包括锂电池。
15.根据权利要求1所述的可携式照明装置，其特征在于，所述控制器为集成电路。
16.根据权利要求1所述的可携式照明装置，其特征在于，所述控制器包括低电压锁 定器，其与所述电源输入端电性连接，并将所述电源输入端的电压与预定值比较而产生低 电压锁定信号；触发电路，其与所述电源输入端电性连接，且产生触发信号；时钟脉冲产生器，其接收所述低电压锁定信号及所述触发信号，并产生时钟脉冲信号；参考开关选择器，其接收所述时钟脉冲信号并根据所述时钟脉冲信号从多个参考电压 信号中选择一个参考电压信号；以及调节器，其根据所选的参考电压信号及所述反馈信号产生调节信号，用以调节提供给 所述负载电路的电能。
17.根据权利要求16所述的可携式照明装置，其特征在于，所述调节器包括脉宽调制 电路或脉冲频率调制电路。
18.根据权利要求16所述的可携式照明装置，其特征在于，所述控制器包括驱动器，用 以接收所述调节信号，以调节提供给所述负载电路的电能。
19.根据权利要求16所述的可携式照明装置，其特征在于，当所述第一开关的所述状 态为断开，且所述电源输入端的所述电压低于所述预定值时，所述时钟脉冲产生器被重置。
20.根据权利要求1所述的可携式照明装置，其特征在于，还包括电力电路，以调节所 述电源输出端的电压。
21.一种提供电源至负载电路的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤 经由开关将电源施加至控制器；所述控制器驱动所述负载电路；于所述负载电路中提供感测元件，用以产生反馈信号；将所述反馈信号提供至所述控制器；以及至少依据所述开关的状态及所述反馈信号，调节提供给所述负载电路的电能。
22.根据权利要求21所述的提供电源至负载电路的方法，其特征在于，当所述开关的 所述状态为闭合时，调节提供给所述负载电路的电能。
23.根据权利要求21所述的提供电源至负载电路的方法，其特征在于，调节提供给所 述负载电路的电能的步骤包括将施加至所述控制器的所述电源与预定值比较，根据比较结果产生低电压锁定信号；根据所述开关的所述状态产生触发信号；根据所述低电压锁定信号及所述触发信号，产生时钟脉冲信号；根据所述时钟脉冲信号，从多个参考电压信号中选择一个参考电压信号；以及根据所选的参考电压信号及所述反馈信号，调节提供给所述负载电路的电能。
24.根据权利要求23所述的提供电源至负载电路的方法，其特征在于，调节提供给所 述负载电路的电能的步骤还包括当所述开关的所述状态为断开时，且施加至所述控制器 的所述电源低于所述预定值时，产生重置信号。
全文摘要
本发明公开了一种可携式照明装置及提供电源至负载电路的方法。该可携式照明装置包括电源、控制器和负载电路。控制器包含电源输入端，该电源输入端经由第一开关与电源电性连接。负载电路与控制器的电源输出端电性连接，且可产生反馈信号。控制器至少依据第一开关的状态及反馈信号，经由电源输出端调节提供给负载电路的电能。本发明可携式照明装置可以提高电路设计与应用的灵活性，且可延长可携式照明装置的使用寿命。
文档编号F21Y101/02GK101839397SQ20091012951
公开日2010年9月22日 申请日期2009年3月20日 优先权日2009年3月20日
发明者李勝泰, 林永霖 申请人:凹凸电子(武汉)有限公司