双端电流控制器及相关发光二极管照明装置的制作方法

专利名称：双端电流控制器及相关发光二极管照明装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种双端电流控制器及相关发光二极管照明装置，尤指一种可提高功率因素的双端电流控制器及相关发光二极管照明装置。
背景技术：
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、交通标志灯之外、各种消费性电子产品，例如行动电话、笔记型计算机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。请参考图1，图1为一发光二极管的电压-电流特性图。当发光二极管的顺向偏压 (forward-bias voltage)小于其隔离电压(barrier voltage)Vb时，流经发光二极管的电流极小，此时可视为开路；当发光二极管的顺向偏压大于其隔离电压Vb时，流经发光二极管的电流会随着其顺向偏压呈指数型的增加，此时可视为短路。隔离电压Vb的值相关于发光二极管的材料和掺杂浓度，通常介于1. 5和3. 5伏特之间。由于针对大多数的电流值，发光二极管的亮度和电流呈正比，因此一般会使用电流源来驱动发光二极管，让不同的发光二极管皆能达到一致的发光亮度。请参考图2，图2为现有技术中一发光二极管照明装置600的示意图。发光二极管照明装置600包含一电源供应电路110，一电阻R，和一发光装置10。电源供应电路110可接收一具正负周期的交流电压VS，并利用一桥式整流器112来转换交流电压VS在负周期内的输出电压，因此可提供一整流交流电压\c以驱动发光装置10。电阻R串联于发光装置10，用来限定流经发光装置10的电流I·。在照明应用中，往往需要使用许多发光二极管来提供足够光源，由于发光二极管为一电流驱动组件，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勻的要求，发光装置10—般会包含复数个串联的发光二极管D1-Dntl假设发光二极管D1-Dn的隔离电压皆为理想值Vb，而整流交流电压Vac的值随着时间而在0和Vmax之间呈周期性变化，则开启发光装置10所需的驱动电压其值需大于n*Vb， 亦即0 < Vac < n*Vb间的能量并无法利用。串联发光二极管的数量越多，导通发光装置10 所需的顺向偏压越高，若发光二极管数量太少，则会使得发光二极管在AV = Vmax时驱动电流过大，进而影响发光二极管的可靠度。因此，现有技术的发光二极管照明装置600仅能在可操作电压范围与发光二极管可靠度之间作一取舍。另一方面，具限流作用的电阻R亦会消耗额外能量，进而降低系统效率。请参考图3，图3为现有技术中另一发光二极管照明装置700的示意图。发光二极管照明装置700包含一电源供应电路110，一电感L，一电容C，一开关SW，和一发光装置10。 电源供应电路110可接收一具正负周期的交流电压VS，并利用一桥式整流器112来转换交流电压VS在负周期内的输出电压，因此可提供一整流交流电压Vac以驱动发光装置10。电感L和开关SW串联于发光装置10，用来限定流经发光装置10的电流1_。电容C并联于发光装置10，用来吸收电源供应电路110的电压涟波(voltage ripple)。相较于发光二极管照明装置600的电阻R，电感L在限流时消耗的能量较少，但具限流作用的电感L和具稳压作用的电容C会大幅降低发光二极管照明装置700的功率因素(power factor)，让能量利用率变低。同时，在照明应用中，现有技术的发光二极管照明装置700仅能在可操作电压范围与亮度之间作一取舍。

发明内容
本发明的一实施例提供一种发光二极管照明装置，其包含一发光组件和一双端电流控制器。该发光组件依据一第一电流来提供光源。该双端电流控制器并联于该发光组件， 用来依据该发光组件的跨压来调节该第一电流，其中在一整流交流电压的一上升周期内当该发光组件的跨压不大于一第一电压时，该双端电流控制器在一第一模式下运作；在该上升周期内当该发光组件的跨压大于该第一电压且不大于一第二电压时，该双端电流控制器在一第二模式下运作；且在该上升周期内当该发光组件的跨压大于该第二电压时，该双端电流控制器是在一第三模式下运作。该双端电流控制器包含一限流单元和一调整单元。当该双端电流控制器在该第一模式下运作时，该限流单元导通相关于该整流交流电压的一第二电流并依据该发光组件的跨压来调整该第二电流的值，且将该第一电流限定至零；当该双端电流控制器在该第二模式下运作时，该限流单元导通该第二电流并将该第二电流的值固定在大于零的一预定值，且将该第一电流限定至零；当该双端电流控制器在该第三模式下运作时，该限流单元呈关闭；而该调整单元用来调整该预定值和该第二电压的值。本发明的还一实施例提供一种双端电流控制器，用来控制流经一负载的一第一电流，其中在一整流交流电压的一上升周期内当该负载的跨压不大于一第一电压时，该双端电流控制器在一第一模式下运作；在该上升周期内当该负载的跨压大于该第一电压且不大于一第二电压时，该双端电流控制器在一第二模式下运作；而在该上升周期内当该负载的跨压大于该第二电压时，该双端电流控制器是在一第三模式下运作。该双端电流控制器包含一限流单元和一调整单元当该双端电流控制器在该第一模式下运作时，该限流单元导通相关于该整流交流电压的一第二电流，进而将该第一电流限定至零，并依据该负载的跨压来调整该第二电流的值；当该双端电流控制器在该第二模式下运作时，该限流单元导通以将该第二电流的值固定在大于零的一预定值，并将该第一电流限定至零；而当该双端电流控制器在该第三模式下运作时，该限流单元呈关闭；而该调整单元用来调整该预定值和该第二电压的值。


图1为发光二极管的电压-电流特性图。图2和图3为现有技术中发光二极管照明装置的示意图。图4为本发明第一实施例中发光二极管照明装置的示意图。图5为本发明第一实施例中双端电流控制器运作时的电流-电压特性图。图6为本发明第一实施例中发光二极管照明装置运作时相关电流和电压变化的示意图。图7为本发明第二实施例中发光二极管照明装置的示意图。
图8为本发明第二实施例中双端电流控制器运作时的电流-电压特性图。
图9为本发明第二实施例中发光二极管照明装置运作时相关电流和电压变化的示意图。
图10为本发明第JΞ实施例中发光二二极管照明装置示意图。
图11A-11D为本发明第三实施例中双端电流控制器运作时的电流-电压特性图。
图12为本发明第J三实施例中发光二二极管照明装置运作时相关电流和电压变化的示意图。
图13为本发明第四实施例中发光二二极管照明装置的示意图。
图14为本发明第四实施例中发光二二极管照明装置运作时相关电流和电压变化的示意图。
图15为本发明第五实施例中发光二二极管照明装置的示意图。
图16和图17为本发明实施例中双端电流控制器的示意图。
其中，附图标记说明如下
L电感
C电容
CPl CP3比较器
D1-DpDrDm发光单元
Sff, QN开关
F1-F3保险丝
R, Rl R9电阻
10,20,30,40发光装置
21-25发光组件
50带隙参考电压产生器
70电压侦测电路
72逻辑电路
74电压边缘侦测电路
100，200，300，400，500，600，700 发光二极管照明装置
110,410电源供应电路
112桥式整流器
120-124双端电流控制器
120A-125A限流单元
120BA-125B调整单元
412交流-交流变压器
具体实施例方式
请参考图4，图4为本发明第一实施例中一发光二极管照明装置100的示意图。发光二极管照明装置100包含一电源供应电路110，一双端电流控制器120，和一发光装置10。 电源供应电路110可接收一具正负周期的交流电压VS，并利用一桥式整流器112来转换交流电压VS在负周期内的输出电压，因此可提供一整流交流电压Vac以驱动发光装置10，其中整流交流电压\c的值随着时间而有周期性变化。发光装置10可包含η个串联的发光单元D1-Dn,每一发光单元可包含一个发光二极管或复数个发光二极管，图4仅显示了采用单一发光二极管的架构，其中流经发光装置10的电流由Imi来表示，而其跨压由Vak来表示。 双端电流控制器120并联于发光装置10和电源供应电路110，其包含一限流单元120Α和一调整单元120Β，可依据整流交流电压Vac的值来控制流经发光装置10的电流1_，流经限流单元120Α的电流由Iak来表示，而其跨压由Vak来表示。在本发明第一实施例中，双端电流控制器120的隔离电压Vb’小于发光装置10的整体隔离电压n*Vb(假设每一发光单元的隔离电压皆为Vb)。图5和图6说明了本发明第一实施例中发光二极管照明装置100的运作，其中图5 显示了双端电流控制器120运作时的电流-电压特性图，而图6显示了发光二极管照明装置100运作时相关电流和电压的变化。在图5中，纵轴代表流经限流单元120A的电流IAK， 横轴代表限流单元120A的跨压Vffi。在本发明第一实施例的双端电流控制器120中，当电压 Vak的值介于0和V_P之间时，双端电流控制器120在第一模式下运作，此时限流单元120A 的作用如同一压控组件，亦即当电压Vak大于双端电流控制器120的隔离电压Vb’时，流经限流单元120A的电流Iffi会随着其跨压Vffi呈特定变化。当电压Vffi的值介于Vmaff和Vtw TH'之间时，双端电流控制器120在第二模式下运作，此时限流单元120Α的作用如同一定电流源，亦即电流Iffi的值不再随着电压Vak变化，而是被限定在一可调整的特定电流值Imx’。 当电压Vffi的值大于Vqff TH’时，双端电流控制器120在第三模式下运作，此时限流单元120A 会被关闭，其电流Iffi的值瞬间降至0，因此可视为开路。另一方面，调整单元120B可用来调整双端电流控制器120在第二模式下运作时的限流值IMX’，以及调整用来切换第二和第三模式的电压Vtw TH’，因此能提供多种特性以达到弹性设计。图6显示了本发明第一实施例中电压Vffi，电流Iak和电流Imi的波形。如前所述， 由于电压Vak的值相关于整流交流电压Vac，其值随着时间而有周期性变化，因此以包含时间点的一个周期来做说明，其中时间点之间为整流交流电压\c的上升周期，而时间点t3-t6之间为整流交流电压Vac的下降周期。在时间点、和、之间，电压Vffi逐渐上升， 双端电流控制器120的限流单元120A首先被导通，电流Iffi的值会随着电压Vak以特定方式增加，此时电流的值为零。在时间点、和t2之间，电压Vak大于电压V_P，双端电流控制器120的限流单元120A会将电流Iffi的值限定在特定电流值IMX’，而此时发光装置10 仍未导通，因此电流的值依旧为零。在时间点t2和t4之间，电压Vak的值大于电压Vqff TH'，双端电流控制器120的限流单元120A会被关闭，而相关于整流交流电压Vac的电流则由发光装置10来导通，此时电流Iak的值降至零，而电流Imi的值则随着电压Vak变化。在时间点t4和t5之间，电压Vak降至介于Vdeop和Voff, th，之间，双端电流控制器120的限流单元 120A会导通，因此电流Iak的值会再次被限定在特定电流值Imax'，而电流I·的值会降至零。 在时间点t5和t6之间，电压Vak降至低于电压V_P，此时电流Iak的值会随着电压Vffi以特定方式减少。换而言的，在0 < Vak < Vdeop的时间区间和t5-t6，双端电流控制器120在第一模式下运作；在V_P < Vak < VQFF,TH’的时间区间tft2和t4-t5，双端电流控制器120在第二模式下运作；在Vffi > V0FF, TH'的时间区间t2-t4，双端电流控制器120在第三模式下运作。请参考图7，图7为本发明第二实施例中一发光二极管照明装置200示意图。发光二极管照明装置200包含一电源供应电路110，一双端电流控制器120，和一发光装置20。 本发明第一和第二实施例结构类似，不同的处在于发光装置20的结构和与双端电流控制器120的衔接方式。在本发明第二实施例中，发光装置20包含两发光组件21和25 发光组件21并联于双端电流控制器120且其包含m个串联的发光单元D1-Dm,流经发光组件21的电流由AK来表示，而其跨压由Vffi来表示；发光组件25串联于双端电流控制器120且其包含η个串联的发光单元D1-Dn,流经发光组件25的电流由I·来表示，而其跨压由Vmi来表示。每一发光单元可包含一个发光二极管或复数个发光二极管，图7仅显示了采用单一发光二极管的架构。双端电流控制器120依据整流交流电压Vac的值来控制流经发光装置 20的电流，流经限流单元120Α的电流由Iffi来表示，而其跨压由Vak来表示。在本发明第二实施例中，双端电流控制器120的隔离电压Vb’小于发光组件21的整体隔离电压m*Vb (假设每一发光单元的隔离电压皆为Vb)。图8和图9说明了本发明第二实施例中发光二极管照明装置200的运作，其中图8 显示了双端电流控制器120运作时的电流-电压特性图，而图9显示了发光二极管照明装置200运作时相关电流和电压的变化。在图8中，纵轴代表流经限流单元120A的电流IAK， 横轴代表双端电流控制器120的跨压VAK。在整流交流电压\c的上升周期，当电压Vffi的值介于0和V_P之间时，双端电流控制器120在第一模式下运作，此时限流单元120A的作用如同一压控组件，亦即当电压Vak大于双端电流控制器120的隔离电压Vb’时，流经限流单元120A的电流Iffi会随着其跨压Vak呈特定变化。当电压Vffi的值介于V_P和Vtw TH’之间时，双端电流控制器120在第二模式下运作，此时，限流单元120A的作用如同一定电流源， 亦即电流Iak的值不再随着电压Vffi变化，而是被限定在一可调整的特定电流值Imax’。当电压Vffi的值大于Vtw TH’时，双端电流控制器120在第三模式下运作，此时限流单元120A会被关闭，其电流Iffi的值瞬间降至0，因此可视为开路。在整流交流电压Vac的下降周期，当电压 Vak的值降至低于Vm TH’时，双端电流控制器120在第二模式下运作，此时限流单元120A会被开启并将电流Iak的值限定在特定电流值Ima/。当电压Vak的值降至介于0和V_P之间时，双端电流控制器120在第一模式下运作，此时限流单元120A的作用如同一压控组件，亦即当电压Vak大于双端电流控制器120的隔离电压Vb’时，流经限流单元120A的电流^会随着其跨压Vak呈特定变化。另一方面，调整单元120B可用来调整双端电流控制器120在第二模式下运作时的限流值Ima/，以及调整用来切换第二和第三模式的电压TH’和V,— TH'，因此能提供多种特性以达到弹性设计。图9显示了本发明第二实施例中电压Vac，Vak，Vled和电流IAK，Iled ak, Iled的波形。 如前所述，由于整流交流电压Vac的值随着时间而有周期性变化，因此以包含时间点Vt6的一个周期来做说明，其中时间点之间为整流交流电压Vac的上升周期，而时间点t3-t6 之间为整流交流电压\c的下降周期。在时间点、和、之间，双端电流控制器120的跨压 Vak和发光组件25中η个串联发光单元的跨压\ED随着整流交流电压Vac逐渐上升。由于双端电流控制器120的隔离电压Vb’小于发光组件21中m个串联发光单元的整体隔离电压 m*Vb，因此双端电流控制器120的限流单元120A首先会被导通，此时电流Iffi和I·的值会随着电压Vak以特定方式增加，而电流Ι· ΑΚ的值为零。在时间点、和t2之间，电压Vak大于电压V·，双端电流控制器120会将电流Iak 的值限定在特定电流值IMX’，而并联于双端电流控制器120的发光组件21仍未导通，因此电流ILED—AK的值依旧为零，此时电压V·的值可由m*VF来表示，其中Vf代表发光组件25中每一发光单元此时的顺向偏压。因此，发光组件21在时间点、-、之间并未导通，此时电源供应电路110所提供的整流交流电压Vac施加于双端电流控制器120和发光组件25中η个串联发光单元上。在时间点t2和t4之间，电压Vffi的值大于Vtw TH’，双端电流控制器120会被关闭， 而相关于整流交流电压\c的电流则由发光组件21和25来导通，此时电流Iak的值降至零， 而电流I·—AK的值随着电压Vffi变化。因此，当发光组件21在时间点t2-t4之间被导通时， 双端电流控制器120两端的跨压Vak由发光装置20分压整流交流电压\c来提供。在时间点t4和t5之间，电压Vak降至介于V·和Vm TH’之间，双端电流控制器120 会导通，因此电流Iak的值会再次被限定在特定电流值IMX’，而电流Μ的值会降至为零。 在时间点t5和t6之间，电压Vak降至低于V_P，此时电流Iak的值会随着电压Vffi以特定方式减少。如图7和图9所示，电流Imi的值为电流I· AK和电流Iak的加总，本发明第二实施例可透过双端电流控制器120来增加电源供应电路110的可操作电压范围(例如电压Vac在 t0-t2和t4-t6的输出)，进而提升发光二极管照明装置200的功率因素。请参考图10，图10为本发明第三实施例中一发光二极管照明装置300示意图。发光二极管照明装置300包含一电源供应电路110，复数个双端电流控制器，以及一发光装置 30。本发明第二和第三实施例结构类似，不同的处在于发光二极管照明装置300包含复数个双端电流控制器(图10以4组双端电流控制器121-1 来做说明)，而发光装置30包含复数个发光组件(图10以5组发光组件21-25来做说明)发光组件21-M分别并联于相对应的双端电流控制器121-124，且各包含复数个串联的发光单元，流经发光组件21-24的电流分别由I·—ΑΚ1-Ι_—AK4来表示，而其跨压则分别由Vaki-Vak4来表示。发光组件25串联于双端电流控制器121-1M且其包含复数个串联的发光单元，流经发光组件25的电流由I· 来表示，而其跨压由来表示。每一发光单元可包含一个发光二极管或复数个发光二极管，图10仅显示了采用单一发光二极管的架构。在图10所示的实施例中，双端电流控制器 121-1M分别包含相对应的限流单元121A-124A和调整单元121B-1MB，可分别依据其跨压 Vaki-Vak4的值来控制流经相对应发光组件21-M的电流，流经限流单元121A-124A的电流分别由Iaki-Iak4来表示，而其跨压分别由Vaki-Vak4来表示。在本发明第三实施例中，双端电流控制器121-124的隔离电压分别小于相对应发光组件21-M的整体隔离电压。图11A-11D和图12说明了本发明第三实施例中发光二极管照明装置300的运作， 其中第11A-11D图分别显示了限流单元121A-124A运作时的电流-电压特性图，而图12显示了发光二极管照明装置300运作时相关电流和电压的变化。本发明可分别利用调整单元121B-124B来分别设定双端电流控制器121 IM在第二模式下运作时的限流值Imax’ 和切换第二和第三模式的电压Vm th’及Vwf th’，因此能提供多种特性以达到弹性设计。图 11A-11D所示的实施例中，双端电流控制器121-124在第二模式下运作时的限流值大小关系为Imax1 < Imax2 < IMAX3 < Imax4,用来切换第二和第三模式的电压大小关系为VQN—TH1 < Von th2
〈V〇N—TH3〈 V〇N—TH4 禾口 ^0FF_TH1〈 ^OFF_TH2〈 ^OFF_TH3〈 V〇FF—TH4。图12说明了本发明第三实施例的发光二极管照明装置300的运作，显示了电压Vac 和电流U的波形。如前所述，由于整流交流电压\c的值随着时间而有周期性变化，因此以包含时间点tftm的一个周期来做说明，其中时间点、、之间为整流交流电压Vac的上
12升周期，而时间点t5_t1(l之间为整流交流电压Vac的下降周期。首先说明包含时间点的上升周期，在时间点、和、之间，双端电流控制器 121-124的跨SVaki-Vak4随着整流交流电压Vac而上升。由于双端电流控制器121-124的隔离电压小于相对应发光组件21-24的整体隔离电压，因此，在时间点、和、之间双端电流控制器121-1 较早被导通，此时电流从电源供应电路110依序透过限流单元121A-124A 传送至发光组件25，亦即Iled = Iaki = Iak2 = Iak3 = Iffi4,而电流Iled_AKI"Iledm4的值为零。在时间点、和t2之间，电压Vaki的值大于Vtw TH1 ’，双端电流控制器121首先被关闭，此时电流从电源供应电路110依序透过发光组件21、限流单元122A-124A传送至发光组件25，亦即 ILED = ILED—Mi = Iffi2 =工船=IAK4，而电流Iaki和WAK2_WAK4的值为零。在时间点t2和t3 之间，电压Vffi2的值大于Vtw TH2’，双端电流控制器122接着被关闭，此时电流从电源供应电路110依序透过发光组件21，发光组件22，限流单元123A 124A传送至发光组件25，亦艮口 ILED = ILED—AKI = ILED—AK2 = IAO = Iffi4，而电流 IAKI' Iffi2 禾口 ILED—AK3_ILED—AM 的值为零。在时间点t3和t4之间，电压Vffi3的值大于Vtw TH3’，双端电流控制器123接着被关闭，此时电流从电源供应电路110依序透过发光组件21，发光组件22，发光组件23和限流单元124A传送至发光组件 25，亦艮口 Iled — ILED_AK1 — ILED—AK2 — !LED—AK3 —工舰4，而电流 IAKI‘ IAK2，IAK3 禾口 ！LED—AK4 的值为零。在时间点、和t5之间，电压Vak4的值大于Vcw th/,双端电流控制器IM接着被关闭，此时电流从电源供应电路110依序透过发光组件21- 传送至发光组件25，亦即I· =Iledmi = Iledm2 = Iledm3 = Ακ4，而电流 IAK1-IAK4 的值为零。针对包含时间点 t5_t1(1 的下降周期，随着整流交流电压\c的下降，当电压Vak4-Vaki的值依序分别低于Vm th4’ -Von thi' 时，限流单元124A-121A会在时间点t6-t9依序被开启，其运作方式和其相对应的上升周期类似，在此不另加赘述。换而言的，在同一周期内，发光组件25的导通时间最长，发光组件 21的导通时间次的，而发光组件M的导通时间最短。在某些应用中，发光组件21-M可能需要提供不同亮度或在不同时间点开始发光，本发明可利用调整单元121B-124B来提供弹性设计。请参考图13，图13为本发明第四实施例中一发光二极管照明装置400示意图。发光二极管照明装置400包含一电源供应电路110，复数个双端电流控制器，以及一发光装置 40。本发明第三和第四实施例结构类似，发光二极管照明装置400同样包含复数个双端电流控制器(图13以5组双端电流控制器121-125来做说明)和复数个发光组件(图13以 4组发光组件21-M来做说明)，不同的处在于双端电流控制器121-1M分别并联于相对应的发光组件21-24，而双端电流控制器125串联于发光组件21-24。图14说明了本发明第四实施例的发光二极管照明装置400的运作，显示了电压Vac 和电流的波形。如前所述，在时间点t4-t5间，双端电流控制器121-1 为关闭，此时流经发光组件21-M的电流Imi由电源供应电路110提供的整流交流电压Vac来决定。在图 10和图12所示的第三实施例中，若电源供应电路110无法提供稳定输出，此时电流Imi的值可能会超过发光组件21-25所能承受的最大额定值，进而损毁发光组件21-25。因此，在本发明第四实施例的发光二极管照明装置400中，双端电流控制器125可在时间点t4-t6间将电流‘的值限定在一特定限流值IMX5。Imxs的值可为不同应用场合所需的任意值，图 14所示Imaxi-Imax5之间大小关系并非绝对。请参考图15，图15为本发明第五实施例中一发光二极管照明装置500示意图。发光二极管照明装置500包含一电源供应电路410、一双端电流控制器120，和一发光装置10。 本发明第一和第五实施例结构类似，不同的处在于电源供应电路410的结构。在本发明第一实施例中，电源供应电路110利用桥式整流器112来对交流电压VS (例如市电110 220 伏特)进行整流，进而提供随着时间而有周期性变化的整流交流电压VAC。在本发明第五实施例中，电源供应电路410可接收任意来源的交流电压VS，再利用一交流-交流变压器412 来进行电压转换，最后由桥式整流器112进行整流，进而提供随着时间而有周期性变化的整流交流电压\c。发光二极管照明装置500的运作方式亦可如图5和图6所示，在此不另加赘述。同理，本发明第二至第四实施例亦可采用电源供应电路410来提供整流交流电压
Vaco图16和图17为本发明双端电流控制器120实施方式的示意图。在此两种实施例中，双端电流控制器120的限流单元120A包含电阻R1-R7、一开关QN、一比较器CP1、一带隙参考电压产生器50，以及一电压侦测电路70。带隙参考电压产生器50通常包含正温度系数和负温度系数的组件，藉此达到零温度系数的电压输出特性，进而提供一稳定的参考电压 Vref °电阻Rl能侦测流经开关QN的电流，并提供一相对应的反馈电压VFB。透过由电阻 R2-R4所组成的分压电路，参考电压Vkef会被分压成相对应的一参考电压Vkefi和一参考电压VKEF2。透过由电阻R5-R7所组成的分压电路，电压Vffi会被分压成相对应的一电压Vw和一电压V,。比较器CPl于其正输入端接收参考电压VKEF1，于其负输入端接收反馈电压Vfb， 并依据参考电压Vkefi和反馈电压Vfb之间的大小关系来输出一控制信号Vg至开关QN。开关QN可为一场效晶体管(Field Effect ^Transistor，FET)，一双载子接面晶体管(Bipolar Junction Transistor，BJT)，或是其它具类似功能的组件，图14和图15的实施例是以一 N型金氧半导体(N-Type Metal-Oxide-Semiconductor)场效晶体管来做说明。 开关QN的栅极耦接至比较器CPl以接收控制信号Vg，其漏极-源极电压、栅极-源极电压和临界电压分别由Vds，Ves和Vth来表示。当开关QN在线性区运作时，其漏极电流主要由漏极-源极电压Vds来决定；当开关QN在饱和区运作时，其漏极电流只相关于栅极-源极电压 Vgs。在整流交流电压Vac的上升周期，开关QN的漏极-源极电压Vds会随着电压Vffi而增加当电压Vak的值不大于V·时，漏极-源极电压Vds小于栅极-源极电压Ves和临界电压Vth的差值(亦即Vds < Vgs-Vth)，而比较器CPl提供的控制信号Vg会让Ves > Vth，因此开关QN会在线性区运作，此时其漏极电流主要取决于漏极-源极电压Vds，亦即双端电流控制器120会让电流Iak和电压Vffi之间的关系呈现如同开关QN的线性区特性。在整流交流电压VAe的上升周期，当电压Vak的值介于Vmaff和电压Vtw ΤΗ’之间时， 漏极-源极电压Vds大于栅极-源极电压Ves和临界电压Vth的差值(Vds > Vgs-Vth)，而比较器CPl提供的控制信号Vg会让Ves > Vth，因此开关QN会在饱和区运作，此时其漏极电流只相关于栅极-源极电压Ves，亦即电流Iak的值不会随着电压Vak改变。电压侦测电路70包含一逻辑电路72，一电压边缘侦测电路74，以及两比较器CP2 和CP3。比较器CP2于其负输入端接收电压Vm，于其正输入端接收参考电压VKEF2，并依据电压Vm和参考电压Vkef2之间的大小关系来输出Vw TH’控制信号。比较器CP3于其负输入端接收参考电压VKEF2，于其正输入端接收电压Vtw并依据电压Vtw和参考电压Vkef2之间的大小关系来输出Vtw TH’控制信号。比较器CP2可判断电压Vak和Vw TH’之间的大小关系，而比较器CP3可判断电压Vak 和Vtw TH’之间的大小关系。同时，当电压Vak的值介于Vtw TH’和Vw TH’之间时，电压边缘侦测电路74可判断此时是整流交流电压Vac的上升周期或下降周期。依据电压边缘侦测电路 74和比较器CP2、CP3的判断结果，逻辑电路72再依此输出一相对应的控制信号至比较器 CP1。当电压Vffi的值在整流交流电压VAe的上升周期内介于Vwf th'和TH’之间时，比较器CPl会将控制信号Vg调降至低于临界电压Vth的值以关闭开关QN，进而将电流Iak的值限定在零；当电压Vak的值在整流交流电压Vac的下降周期内介于Vw—TH’和V,—TH’之间时，比较器CPl会将控制信号Vg调升至高于临界电压Vth的值以让开关QN于饱和区运作，进而将电流Iak的值限定在Imax'。在图16所示的实施例中，调整单元120B包含一电阻R8，透过调整电阻R8的值可改变参考电压Vkef分压至比较器CP1-CP3的值，亦即可弹性调整参考电压Vkefi和Vkef2的值。 如前所述，比较器CPl会依据参考电压Vkefi和反馈电压Vfb的差值来输出控制信号Vg至开关QN，比较器CP2会依据电压Vw和参考电压Vkff2的差值来输出Vw TH’控制信号，而比较器 CP3会依据电压Vqff和参考电压Vkef2的差值来输出Vqff TH’控制信号。由于开关QN在饱和区运作时(第二模式)其漏极电流只相关于栅极-源极电压Ves，本发明可透过调整单元120B 来调整双端电流控制器120在第二模式下运作时的限流值IMX’，同时亦能调整用来切换第二和第三模式的电压Vm TH’和Vtw TH’，因此能提供多种特性以达到弹性设计。在图17所示的实施例中，调整单元120B包含电阻R8-R9和保险丝F1-F3，可透过激光烧断方式或是电流烧断方式来使保险丝F1-F3呈连接状态或断开状态，改变并联于分压电阻R3&R4的等效电阻值。举例来说，仅烧断Fl可将R8并联于电阻串R3+R4，仅烧断F2 可将R9并联于电阻串R3+R4，仅烧断Fl和F2可将电阻串R8+R9并联于电阻串R3+R4，而烧断F3则不会并联任何电阻至电阻串R3+R4。本发明亦可使用更多电阻与保险丝的组合，电阻之间也不一定都是串联。因此，本发明可改变参考电压Vkef分压至比较器CP1-CP3的值， 亦即可弹性调整参考电压Vkefi和Vkef2的值。如前所述，比较器CPl会依据参考电压Vkefi和反馈电压Vfb的差值来输出控制信号Vg至开关QN，比较器CP2会依据电压Von和参考电压 Veef2的差值来输出Vw TH’控制信号，而比较器CP3会依据电压Vtw和参考电压Vkef2的差值来输出Vtw TH’控制信号。由于开关QN在饱和区运作时(第二模式)其漏极电流只相关于栅极-源极电压Ves，本发明可透过调整单元120B来调整双端电流控制器120在第二模式下运作时的限流值Ima/，同时亦能调整用来切换第二和第三模式的电压Vw th’和Vwf th'，因此能提供多种特性以达到弹性设计。在图16所示的实施例中，使用者可自行调整电流；在图17所示的实施例中，双端电流控制器的制造者可预先帮使用者作调整，以IC来说，就是使调整单元(电阻)内建，如此可以让使用者省去一个电阻。内建电阻或是激光/电流烧断保险丝等都是IC制造流程当中常用手段，图15和图16仅说明本发明的实施例，并不限定本发明的范畴。在本发明发光二极管照明装置100，200，300,400, 500中，双端电流控制器 120-125的数目、发光组件21-25的数目和结构，以及电源供应电路110，410的种类可依据不同应用来决定。第4，7，10和12图所示仅为本发明的实施例，并不限定本发明的范畴。同时，图13所示的双端电流控制器120中仅为本发明的实施例，本发明亦可采用其它具类似功能的组件来达到如第5，6，8，9和11A-11D图所示的特性。本发明的发光二极管照明装置利用双端电流控制器来控制流经串联发光二极管的电流大小和导通数目，在整流交流电压尚未达到所有发光二极管的整体隔离电压前即能导通部分发光二极管，因此能够增加发光二极管照明装置的功率因素，同时兼顾可操作电压范围与亮度。以上所述仅为本发明的优选实施例，凡依本发明权利要求所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。
权利要求
1.一种发光二极管照明装置，其特征在于，包括 一发光组件，其依据一第一电流来提供光源；及一双端电流控制器，并联于该发光组件，用来依据该发光组件的跨压来调节该第一电流，其中在一整流交流电压的一上升周期内当该发光组件的跨压不大于一第一电压时，该双端电流控制器在一第一模式下运作；在该上升周期内当该发光组件的跨压大于该第一电压且不大于一第二电压时，该双端电流控制器在一第二模式下运作；且在该上升周期内当该发光组件的跨压大于该第二电压时， 该双端电流控制器在一第三模式下运作；且该双端电流控制器包括 一限流单元，其中当该双端电流控制器在该第一模式下运作时，该限流单元导通相关于该整流交流电压的一第二电流并依据该发光组件的跨压来调整该第二电流的值，且将该第一电流限定至零；当该双端电流控制器在该第二模式下运作时，该限流单元导通该第二电流并将该第二电流的值固定在大于零的一第一预定值，且将该第一电流限定至零；而当该双端电流控制器在该第三模式下运作时，该限流单元呈关闭；以及一调整单元，用来调整该第一预定值和该第二电压的值。
2.如权利要求1所述的发光二极管照明装置，其特征在于，在该整流交流电压的一下降周期内，当该发光组件的跨压介于该第一电压和一第三电压之间时，该双端电流控制器在该第二模式下运作，且该限流单元导通该第二电流并将该第二电流的值固定在该第一预定值，并将该第一电流限定至零，而该第三电压大于该第二电压。
3.如权利要求2所述的发光二极管照明装置，其特征在于，该限流单元包含 一开关，用来依据一控制信号来导通该第二电流；一带隙参考电压产生器，用来提供一带隙参考电压；一第一分压电路，用来分压该带隙参考电压以提供一第一参考电压和一第二参考电压；一第二分压电路，用来分压该整流交流电压以提供一第四电压和一第五电压； 一电流侦测电路，串联于该开关，用来侦测该第二电流的值并提供一相对应的反馈电压；一电压边缘侦测电路，用来判断该整流交流电压是在该上升周期或该下降周期； 一第一比较器，用来依据该第一参考电压和该反馈电压之间的大小关系、该第二电压、 该第三电压，以及该电压边缘侦测电路的判断结果来提供该控制信号；一第二比较器，用来依据该第二参考电压和该第四电压之间的大小关系来提供该第二电压；以及一第三比较器，用来依据该第二参考电压和该第五电压之间的大小关系来提供该第三电压。
4.如权利要求3所述的发光二极管照明装置，其特征在于，该调整单元包含一电阻，并联于该第一分压电路，用来调整该第一参考电压和该第二参考电压的值。
5.如权利要求3所述的发光二极管照明装置，其特征在于，该调整单元包含 一电阻；以及一保险丝，并联于该电阻，用来在烧断时让该电阻并联于该第一分压电路以调整该第一参考电压和该第二参考电压的值。
6.如权利要求3所述的发光二极管照明装置，其特征在于，该调整单元包含 一电阻；以及一保险丝，串联于该电阻，用来在未烧断时让该电阻并联于该第一分压电路以调整该第一参考电压和该第二参考电压的值。
7.如权利要求3所述的发光二极管照明装置，其特征在于 在该下降周期内，当该发光组件的跨压不大于该第一电压时， 该开关依据该控制信号来调节该第二电流的值；而在该下降周期内，当该发光组件的跨压大于该第一电压且不大于该第三电压时，该开关依据该控制信号来将该第二电流维持在该第一预定值并将该第一电流的值限定至零。
8.如权利要求7所述的发光二极管照明装置，其特征在于，该双端电流控制器依据该发光组件的跨压来调节该第二电流的值以使该发光组件的跨压和该第二电流之间的变化关系符合该开关的一特定运作区域的特性。
9.如权利要求1所述的发光二极管照明装置，其特征在于，该限流单元包含 一开关，用来依据一控制信号来导通该第二电流；一带隙参考电压产生器，用来提供一带隙参考电压；一第一分压电路，用来分压该带隙参考电压以提供一第一参考电压和一第二参考电压；一第二分压电路，用来分压该整流交流电压以提供一第四电压和一第五电压； 一电流侦测电路，串联于该开关，用来侦测该第二电流的值并提供相对应的一反馈电压；一电压边缘侦测电路，用来判断该整流交流电压是在该上升周期或一下降周期； 一第一比较器，用来依据该第一参考电压和该反馈电压之间的大小关系、该第二电压、 该第三电压，以及该电压边缘侦测电路的判断结果来提供该控制信号；以及一第二比较器，用来依据该第二参考电压和该第四电压之间的大小关系来提供该第二电压。
10.如权利要求9所述的发光二极管照明装置，其特征在于，该调整单元包含一电阻，并联于该第一分压电路，用来调整该第一参考电压和该第二参考电压的值。
11.如权利要求9所述的发光二极管照明装置，其特征在于，该调整单元包含 一电阻；以及一保险丝，并联于该电阻，用来在烧断时让该电阻并联于该第一分压电路以调整该第一参考电压和该第二参考电压的值，以及在未烧断时旁路该电阻。
12.如权利要求9所述的发光二极管照明装置，其特征在于，该调整单元包含 一电阻；以及一保险丝，串联于该电阻，用来在未烧断时让该电阻并联于该第一分压电路以调整该第一参考电压和该第二参考电压的值。
13.如权利要求9所述的发光二极管照明装置，其特征在于在该上升周期内当该发光组件的跨压不大于该第一电压时，该开关依据该控制信号来调节该第二电流的值；而在该上升周期内当该发光组件的跨压大于该第一电压时，该开关依据该控制信号来将该第二电流维持在该第一预定值。
14.如权利要求1所述的发光二极管照明装置，其特征在于，导通该双端电流控制器所需的隔离电压小于导通该发光组件所需的隔离电压。
15.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(n+1)个串联的发光组件，每一发光组件依据一相对应第一电流来提供光源；及 η个双端电流控制器，每一双端电流控制器并联于该η个串联的发光组件中一相对应发光组件，用来依据该相对应发光组件的跨压来调节该相对应第一电流，且在该上升周期内当该发光组件的跨压不大于该第一电压时，该双端电流控制器在该第一模式下运作；在该上升周期内当该相对应发光组件的跨压大于该第一电压且不大于该第二电压时， 该相对应双端电流控制器在该第二模式下运作；且在该上升周期内当该相对应发光组件的跨压大于该第二电压时，该相对应双端电流控制器在该第三模式下运作。
16.如权利要求15所述的发光二极管照明装置，其特征在于，另包含 一第(n+1)个双端电流控制器，串联于该η个串联的发光组件且包含一第(n+1)个限流单元，用来在该η个双端电流控制器关闭时将该第一电流固定在大于零的一第二预定值及一第(n+1)个调整单元，用来调整该第二预定值的值。
17.—种双端电流控制器，用来控制流经一负载的一第一电流，其特征在于在一整流交流电压的一上升周期内，当该负载的跨压不大于一第一电压时，该双端电流控制器在一第一模式下运作；在该上升周期内，当该负载的跨压大于该第一电压且不大于一第二电压时，该双端电流控制器在一第二模式下运作；而在该上升周期内，当该负载的跨压大于该第二电压时，该双端电流控制器在一第三模式下运作；且该双端电流控制器包含 一限流单元，其中当该双端电流控制器在该第一模式下运作时，该限流单元导通相关于该整流交流电压的一第二电流，进而将该第一电流限定至零，并依据该负载的跨压来调整该第二电流的值；当该双端电流控制器在该第二模式下运作时，该限流单元导通以将该第二电流的值固定在大于零的一预定值，并将该第一电流限定至零；而当该双端电流控制器在该第三模式下运作时，该限流单元呈关闭；及一调整单元，用来调整该预定值和该第二电压的值。
18.如权利要求17所述的双端电流控制器，其特征在于，在该整流交流电压的一下降周期内，当该负载的跨压介于该第一电压和一第三电压之间时，该双端电流控制器在该第二模式下运作，且该限流单元导通该第二电流并将该第二电流的值固定在该预定值，并将该第一电流限定至零，而该第三电压大于该第二电压。
19.如权利要求18所述的双端电流控制器，其特征在于，该限流单元包含 一开关，用来依据一控制信号来导通该第二电流；一带隙参考电压产生器，用来提供一带隙参考电压；一第一分压电路，用来分压该带隙参考电压以提供一第一参考电压和一第二参考电压；一第二分压电路，用来分压该整流交流电压以提供一第四电压和一第五电压； 一电流侦测电路，串联于该开关，用来侦测该第二电流的值并提供一相对应的反馈电压；一电压边缘侦测电路，用来判断该整流交流电压是在该上升周期或该下降周期； 一第一比较器，用来依据该第一参考电压和该反馈电压之间的大小关系、该第二电压、 该第三电压，以及该电压边缘侦测电路的判断结果来提供该控制信号；一第二比较器，用来依据该第二参考电压和该第四电压之间的大小关系来提供该第二电压；及一第三比较器，用来依据该第二参考电压和该第五电压之间的大小关系来提供该第三电压。
20.如权利要求19所述的双端电流控制器，其特征在于，该调整单元包含 一电阻；以及一保险丝，并联于该电阻，用来在烧断时让该电阻并联于该第一分压电路以调整该第一参考电压和该第二参考电压的值。
21.如权利要求19所述的双端电流控制器，其特征在于，该调整单元包含 一电阻；以及一保险丝，串联于该电阻，用来在未烧断时让该电阻并联于该第一分压电路以调整该第一参考电压和该第二参考电压的值。
22.如权利要求19所述的双端电流控制器，其特征在于在该下降周期内当该负载的跨压不大于该第一电压时，该开关依据该控制信号来调节该第二电流的值；而在该下降周期内当该负载的跨压大于该第一电压且不大于该第三电压时，该开关依据该控制信号来将该第二电流维持在该预定值并将该第一电流的值限定至零。
23.如权利要求22所述的双端电流控制器，其特征在于，该双端电流控制器依据该负载的跨压来调节该第二电流的值以使该负载的跨压和该第二电流之间的变化关系符合该开关的一特定运作区域的特性。
24.如权利要求17所述的双端电流控制器，其特征在于，该限流单元包含 一开关，用来依据一控制信号来导通该第二电流；一带隙参考电压产生器，用来提供一带隙参考电压；一第一分压电路，用来分压该带隙参考电压以提供一第一参考电压和一第二参考电压；一第二分压电路，用来分压该整流交流电压以提供一第四电压和一第五电压； 一电流侦测电路，串联于该开关，用来侦测该第二电流的值并提供相对应的一反馈电压；一电压边缘侦测电路，用来判断该整流交流电压在该上升周期或一下降周期； 一第一比较器，用来依据该第一参考电压和该反馈电压之间的大小关系、该第二电压、 该第三电压，以及该电压边缘侦测电路的判断结果来提供该控制信号；及一第二比较器，用来依据该第二参考电压和该第四电压之间的大小关系来提供该第二电压。
25.如权利要求M所述的双端电流控制器，其特征在于，该调整单元包含 一电阻；以及一保险丝，并联于该电阻，用来在烧断时让该电阻并联于该第一分压电路以调整该第一参考电压和该第二参考电压的值，以及在未烧断时旁路该电阻。
26.如权利要求M所述的双端电流控制器，其特征在于，该调整单元包含 一电阻；以及一保险丝，串联于该电阻，用来在未烧断时让该电阻并联于该第一分压电路以调整该第一参考电压和该第二参考电压的值。
27.如权利要求M所述的双端电流控制器，其特征在于在该上升周期内当该负载的跨压不大于该第一电压时，该开关依据该控制信号来调节该第二电流的值；而在该上升周期内当该负载的跨压大于该第一电压时，该开关依据该控制信号来将该第二电流维持在该预定值。
28.如权利要求17所述的双端电流控制器，其特征在于，导通该双端电流控制器所需的隔离电压小于导通该负载的所需的隔离电压。
全文摘要
本发明公开了一种双端电流控制器及相关发光二极管照明装置。该双端电流控制器包含一限流单元和一调整单元，用来依据负载跨压来控制流经负载的第一电流。当负载跨压不大于第一电压时，双端电流控制器在第一模式下运作，限流单元导通相关于整流交流电压的第二电流以将第一电流限定至零，并依据负载跨压来调整第二电流。当负载跨压大于第一电压且不大于第二电压时，双端电流控制器在第二模式下运作，限流单元导通第二电流以将第一电流限定至零，并将第二电流固定在大于零的一预定值。当负载跨压大于第二电压时，双端电流控制器在第三模式下运作，限流单元呈关闭。调整单元用来调整预定值和第二电压的值。因此，本发明能提供多种特性以达到弹性设计。
文档编号F21V23/02GK102563400SQ20101062286
公开日2012年7月11日 申请日期2010年12月28日 优先权日2010年12月7日
发明者李怡玫, 江永欣 申请人:安恩国际公司