发光二极管照明系统、发光二极管控制器及控制方法与流程

本发明涉及一种发光二极管照明系统、一种发光二极管控制器及一种发光二极管控制方法，尤其涉及一种可妥善控制功率因素与电磁干扰的发光二极管照明系统、发光二极管控制器及发光二极管控制方法。

背景技术：
本发明揭露的技术特征是关于发光二极管照明系统及其发光二极管控制方法。发光二极管灯具有多项优点。举例而言，现今的发光二极管的使用寿命可长达五万小时，其约为60瓦白炽灯泡的50倍。此外，发光二极管消耗较少的电力，但其发光效能是白炽灯泡的10倍与日光灯泡的2倍。在节能省电与电力转换效率被高度重视的今日，发光二极管灯将取代许多种发光设备。发光二极管灯是电流驱动的装置。如本领域所习知的，发光二极管灯的亮度实质上是由其驱动电流决定，而当发光二极管发光时，其上的跨压通常是一定值。图1是根据美国专利公开号US20120217887所示的发光二极管照明系统，其中US20120217887全文于此处是作为美国专利引文。图1中的发光二极管照明系统20具有发光二极管串14，且发光二极管串14包括以串联形式(inseries)连接的发光二极管15a、发光二极管15b与发光二极管15c。桥式整流器12耦接于一提供交流电压VAC的分支电路上，用以产生输入电压VIN以作为输入电源并供电给发光二极管串14。开关控制器Ca、开关控制器Cb与开关控制器Cc分别控制路径开关Sa、路径开关Sb与路径开关Sc，每个路径开关是耦接于一发光二极管的阴极。模式决定器32决定运算放大器(也就是开关控制器Ca、开关控制器Cb与开关控制器Cc)的操作模式，并响应于电流感应电压VCSa、电流感应电压VCSb与电流感应电压VCSc。线性波形感应器28是根据目前的输入电压VIN实质上决定电流设定电压VSET。当发光二极管串中的发光二极管发光时，电流设定电压VSET实质上决定了流经发光二极管的电流的目标值。图2A与图2B分别是当分支电路以200V交流电与100V交流电供电给发光二极管照明系统20时，二相异发光强度结果的示意图。其中，门槛电压VTH1，门槛电压VTH2及门槛电压VTH3分别是当发光二极管串只有发光二极管15a，当发光二极管串只有发光二极管15a与发光二极管15b，及当发光二极管串具有发光二极管15a、发光二极管15b与发光二极管15c时在发光二极管串上的顺向电压。图3A与图3B分别为当分支电路以200V交流电与100V交流电供电给发光二极管照明系统20时，从图1中的输入电压VIN流到发光二极管串的输入电流IIN的示意图。当发光二极管串14被驱动以发光时，图3B中的输入电流IIN几乎为定值。图3A中的曲线凹陷处26(其导致图2A中的曲线凹陷处24)会发生是因为输入电压VIN于一时段中其值超过了参考电压VIN-REF。曲线凹陷处24有助于图2A的阴影部份跟图2B的阴影部份一样大，如此一来，发光二极管照明系统20的平均发光强度即可独立于分支电路上的电压强度，而不受分支电路上的电压强度影响。

技术实现要素：
本发明的实施例揭露一种发光二极管控制器，适于控制包括多个发光二极管的发光二极管串，该发光二极管串中的该些发光二极管被分为多个发光二极管组，该些发光二极管组以串联形式电连接于电源与地端之间，该发光二极管控制器包括多个路径开关、管理中心单元及线性波形感应器。其中，该多个路径开关中，每一路径开关是用以将该些发光二极管组中的相对应的发光二极管组耦接于该地端；该管理中心单元用以控制该些路径开关以导通流经该些发光二极管组中的至少一发光二极管组的驱动电流，该驱动电流实质上大约为一目标值；且该线性波形感应器是耦接于该电源且用以于该电源的周期时间内维持响应于该电源的特征值的代表信号，其中该代表信号实质上决定该目标值。本发明的另一实施例揭露一种发光二极管控制方法，适于控制发光二极管串，该发光二极管串包括多个发光二极管组，以串联形式电连接于电源与地端之间，该方法包括：提供多个路径开关，该些路径开关将多个发光二极管组分别耦接于地端；控制该些路径开关以使驱动电流流经该些发光二极管组之中的至少一发光二极管组，其中该驱动电流实质上接近目标值；于电源的周期时间内，维持代表信号，其中该代表信号决定该目标值，并响应该电源的特征值；及当该电源的该特征值上升时，降低该目标值。本发明的另一实施例揭露一种发光二极管照明系统，包括发光二极管串及发光二极管控制器。该发光二极管串，包括多个发光二极管组，且该些发光二极管组是以串联形式耦接于电源与地端之间。该发光二极管控制器包括多个路径开关，管理中心单元及线性波形感应器，其中：该些路径开关，每一路径开关是用以将该些发光二极管组中的相对应的发光二极管组耦接于地端；该管理中心单元，用以控制该些路径开关，以使从该电源流到该发光二极管串的输入电流实质上接近目标值；及该线性波形感应器，耦接于电源且用以于该电源的周期时间内维持代表信号，且该代表信号是响应于该电源的特征值。其中，该代表信号实质上决定该目标值。附图说明图1是背景技术中发光二极管照明系统的示意图。图2A是背景技术中，当分支电路以200V交流电供电于图1所示的发光二极管照明系统时，发光强度结果的示意图。图2B是背景技术中，当分支电路以100V交流电供电于图1所示的发光二极管照明系统时，发光强度结果的示意图。图3A是背景技术中，当分支电路以200V交流电供电于图1所示的发光二极管照明系统时，由输入电压流至发光二极管串的输入电流的示意图。图3B是背景技术中，当分支电路以100V交流电供电于图1所示的发光二极管照明系统时，由输入电压流至发光二极管串的输入电流的示意图。图4是本发明一实施例发光二极管照明系统的示意图。图5A是本发明一实施例发光二极管照明系统中，当分支电路以200V交流电供电于该发光二极管照明系统时，发光强度结果的示意图。图5B是本发明一实施例发光二极管照明系统中，当分支电路以100V交流电供电于该发光二极管照明系统时，发光强度结果的示意图。图6A是本发明一实施例发光二极管照明系统中，当分支电路以200V交流电供电于该发光二极管照明系统时，从输入电压流到发光二极管串的输入电流的示意图。图6B是本发明一实施例发光二极管照明系统中，当分支电路以100V交流电供电于该发光二极管照明系统时，从输入电压流到发光二极管串的输入电流的示意图。图7是本发明一实施例中发光二极管照明系统的模式决定器与线性波形选择器的内部电路的示意图。图8是本发明一实施例中发光二极管照明系统的模式决定器与线性波形选择器的相关波形。图9是本发明另一实施例中发光二极管照明系统的发光二极管控制器的示意图。图10A是本发明实施例中，当发光二极管照明系统采用图9的发光二极管控制器，且分支电路以200V交流电供电时，从输入电压流到发光二极管串的输入电流的示意图。图10B是本发明实施例中，当发光二极管照明系统采用图9的发光二极管控制器，且分支电路以100V交流电供电时，从输入电压流到发光二极管串的输入电流的示意图。图11是本发明另一实施例中发光二极管照明系统的示意图。图12是本发明另一实施例中发光二极管照明系统的示意图。其中，附图标记说明如下：20、60、200、300发光二极管照明系统61、61a发光二极管控制器32、62模式决定器63管理中心单元28、66、66a线性波形感应器14发光二极管串15a、15b、15c发光二极管12桥式整流器VIN输入电压VSET电流设定电压VAC交流电压RSENSE电阻CSENSE电容CPS、Na、Nb、Nc针脚Ca、Cb、Cc开关控制器Sa、Sb、Sc路径开关SFRESH脉冲VCSa、VCSb、VCSc电流感应电压24、26曲线凹陷处VTH1、VTH2、VTH3门槛电压VIN-REF参考电压t1、t2时点t时间70转换电路VOUT转换输出电压VPSTV代表电压VFOLD门槛值72更新电路74波谷侦测器VSET电流设定电压CHOLD电容68峰值维持电路VCC高电压OP放大器90加法器92衰减器k参数VIN-PEAK峰值电压IIN输入电流具体实施方式请参考图3A。图3A为背景技术中，当分支电路以200V交流电供电于图1所示的发光二极管照明系统20时，由输入电压VIN流至发光二极管串14的输入电流IIN的示意图。虽然曲线凹陷处26有助于控制发光二极管照明系统20以提供恒常稳定的亮度，但曲线凹陷处26也会使得功率因素(powerfactor；PF)与电磁干扰(electromagneticinterference；EMI)的情况恶化。为了达到理想的功率因素，流进电器装置的输入电流需要实质上同相于(inphasewith)被供应的输入电压。当图3A曲线凹陷处26发生时，从输入电压VIN流到发光二极管串的输入电流IIN也同时不利地不同相于输入电压VIN，因为于此时段中，当输入电压VIN升高，输入电流IIN反而降低。这可能会导致对应于图3A的功率因素比对应于图3B的功率因素更差。此外，相较于图3B之中的输入电流IIN的波形，图3A的曲线凹陷处26导致曲线图中有两个额外的转折角(也就是时点t1与时点t2)，以频谱(frequencyspectrum)的观点分析后，这会导致更多的能量逸散为辐射信号，并导致更严重的电磁干扰。根据本发明的一实施例，输入电压VIN的峰值电压(peakvoltage)VIN-PEAK会借由感应得到，而代表电压VPSTV则会根据峰值电压VIN-PEAK的值被提供。代表电压VPSTV的值会被维持(hold)住(例如以电容维持)，实质上不改变直到发光二极管照明系统中的发光二极管串的任一发光二极管发光。从另一观点来看，代表电压VPSTV的值会在输入电压VIN的周期时段中大约保持一致，其中输入电压VIN可例如为振幅220V或110V，频率110Hz或120Hz的。代表电压VPSTV可决定一用以让流经一发光的发光二极管的驱动电流被控制以接近的目标值。代表电压VPSTV越高，则驱动电流越低，发光二极管的亮度也越暗。如底下将详述的，在本发明实施例中，驱动电流与代表电压VPSTV之间的相关性，也可实质上控制以提供恒定的发光强度。不同于图3A的背景技术中在一周期时段(cycletime)内会响应于输入电压VIN的强度而改变并造成曲线凹陷处26的驱动电流，本发明一实施例的驱动电流在一周期时段中大约是一常数，因此图3A的曲线凹陷处26就不会发生，功率因素与电磁干扰也因此可被妥善控制。在本发明实施例中，虽然代表电压VPSTV在一周期时段内约为一常数，但是当输入电压VIN大约位于一波谷(valley)时，代表电压VPSTV还是会轻微下降，这是为了追踪可能会在下一个周期时段内波形往下走的峰值电压VIN-PEAK。当代表电压VPSTV轻微下降的同时，也可能是发光二极管串中一最上游(mostupstream)的发光二极管被关闭(off)的时间点，因为此时输入电压VIN的值太过低压。在本发明的实施例中，会利用一耦接到输入电压VIN的电阻直接侦测输入电压VIN的峰值电压VIN-PEAK。另一实施例中，会利用耦接到发光二极管串中的发光二极管的阴极的电阻，间接侦测峰值电压VIN-PEAK。在其他实施例中，可以用电容取代该电阻以侦测输入电压VIN的最大差异值(differentiationvalue)，同理也可用电容侦测峰值电压VIN-PEAK。图4是本发明实施例发光二极管照明系统60的示意图。相似于图1的发光二极管照明系统20，图4的发光二极管照明系统60具有发光二极管串14，其中包括以串联形式耦接的发光二极管15a，发光二极管15b与发光二极管15c。发光二极管串14中每个发光二极管代表一个发光二极管组，该发光二极管组在某些实施例中只包括单颗小型发光二极管(microLED)，但在其他实施例中该发光二极管组也可以包括以串联形式或并联形式耦接的多颗小型发光二极管。在一非用以限制本发明的实施例中，每一发光二极管组中具有相同数量且以串联形式耦接的多颗小型发光二极管。又在另一实施例中，发光二极管串14中的小型发光二极管都具有相同颜色，也就是例如红、绿、蓝或白色。然而，在另些实施例中，发光二极管串14也包括不同颜色的小型发光二极管。本发明的发光二极管串不限于只具有三发光二极管组，根据本发明实施例其可具有任何数量的发光二极管组与发光二极管个数。桥式整流器12耦接于一提供交流电压VAC的分支电路，用以产生输入电压VIN以作为输入电压源供电给发光二极管串14。交流电压VAC可为100V、110V、220V或230V的交流电，频率则可为50Hz或60Hz。以结果论，输入电压VIN的波形会呈现为频率为100Hz或120Hz的M形波形。发光二极管控制器61可使用具有多根针脚(pin)的集成电路(IC)来实现。在本发明一实施例中，发光二极管控制器61的CPS针脚(也就是：constant-powersensepin；恒常电源感应针脚)，是直接通过电阻RSENSE耦接到输入电压VIN以侦测输入电压VIN的波形。针脚Na、针脚Nb与针脚Nc则分别耦接到发光二极管15a、发光二极管15b与发光二极管15c的阴极，用以分别提供传导路径以使电流流到地端。在发光二极管控制器61内部则具有路径开关Sa，路径开关Sb，路径开关Sc，线性波形感应器66及管理中心单元63。路径开关Sa，路径开关Sb与路径开关Sc分别控制了从针脚Na、针脚Nb与针脚Nc到地端的传导路径，且由管理中心单元63所控制，管理中心单元63则包括开关控制器Ca，开关控制器Cb，开关控制器Cc及模式决定器62。控制一路径开关的控制电路相同于控制另一路径开关的控制电路，以下用路径开关Sa的控制作为范例。开关控制器Ca(在本实施例中是一操作放大器)可运作于多种模式，其中包括(但不限于)：全开(full-ON)模式，全关(full-OFF)模式与定电流(constant-current)模式，由模式决定器62输出的信号决定。举例而言，当开关控制器Ca被决定要操作在定电流模式时，开关控制器Ca就会控制路径开关Sa的阻抗，使得电流感应电压VCSa的值接近电流设定电压VSET。电流感应电压VCSa是侦测的结果，用以代表流经路径开关Sa的电流。当开关控制器Ca被决定要操作在全开模式时，路径开关Sa会一直导通以构成一短路(short)的路径，而不被电流感应电压VCSa影响。另一方面，当开关控制器Ca被决定操作于全关模式时，路径开关Sa会保持一直不导通，并造成一开路(open)的路径，而不被电流感应电压VCSa影响。举例来说，当输入电压VIN高到只足以导通发光二极管串中的发光二极管15a与发光二极管15b时，开关控制器Ca，开关控制器Cb与开关控制器Cc可能分别操作在全关模式，定电流模式与全开模式，因此流过发光二极管15a与发光二极管15b的电流是相同且相对应于电流设定电压VSET，而流过发光二极管15c的电流大约为零。若稍后输入电压VIN往下变动且模式决定器62发现电流感应电压VCSb无法增加到可接近电流设定电压VSET，则模式决定器62将开关控制器Ca的操作模式改为定电流模式，并将开关控制器Cb的操作模式改为全开模式。如此一来，流经发光二极管15a的电流会保持在电流设定电压VSET所决定的值，而流经发光二极管15b与发光二极管15c的电流则为零。相反地，若稍后输入电压VIN向上变动，且由电流感应电压VCSc指出流经发光二极管15c的电流转为大于零，则开关控制器Cb与开关控制器Cc被分别切换为运作在全关模式与定电流模式。根据上述教导，可推断得知：当发光二极管发光时，电流设定电压VSET实质上决定了流经发光二极管串的发光二极管的电流目标值。在一实施例中，线性波形感应器66借由电阻RSENSE侦测输入电压VIN的波形，并据以提供电流设定电压VSET。举例来说，线性波形感应器66维持一代表电压VPSTV，该代表电压VPSTV用以代表输入电压VIN的峰值电压VIN-PEAK。当代表电压VPSTV小于输入电压VIN位于针脚CPS的分压时，运算放大器将线性波形感应器66内的一NMOS导通以提高代表电压VPSTV，所以代表电压VPSTV可用以代表峰值电压VIN-PEAK。于输入电压VIN的一周期时段内，代表电压VPSTV实质上保持不动且决定了电流设定电压VSET以及流过发光二极管的电流。举例而言，当交流电压为220V交流电时，代表电压VPSTV相对应地同于220V；当交流电压为110V交流电时，代表电压VPSTV相对应地同于110V。代表电压VPSTV实质上决定了被提供的电流设定电压VSET。根据本发明一实施例，若输入电压VIN的峰值电压VIN-PEAK低于一门槛值VFOLD，则电流设定电压VSET为一常数。若峰值电压VIN-PEAK超过了门槛值VFOLD，当峰值电压VIN-PEAK越高，则电流设定电压VSET越低。图5A与5B中可见到当分支电路分别以200V交流电与100V交流电供电给发光二极管照明系统60时，相对应的两种相异的发光强度结果。其中，门槛电压VH1，门槛电压VH2与门槛电压VH3分别是当发光二极管串中只有发光二极管15a，发光二极管串中有发光二极管15a与发光二极管15b，与发光二极管串中具有发光二极管15a、发光二极管15b及发光二极管15c时，发光二极管串的顺向电压。请搭配图4参考图6A与图6B，图6A与6B中可分别见到当分支电路分别用200V交流电与100V交流电供电发光二极管照明系统60时，在图4中从输入电压VIN流到发光二极管串的输入电流IIN。图5B与图6B分别相似于图2B与图3B，故其相关解释在此就不再赘述。不同于图2A与图3A的波形，图5A与图6A并没有曲线凹陷处。请注意，当至少一发光二极管导通时，图6A中的输入电流IIN小于图6B的中的输入电流IIN，因为峰值电压VIN-PEAK在图5A中是200V，高于图5B。图5A中的瞬间发光强度小于图5B中所示，仅仅因为图6A中的输入电流IIN小于图6B的输入电流IIN。图5A与图5B的阴影部份代表了两种人眼可预期的平均发光强度，其是因发光二极管串14分别由200V交流电与100V交流电供电产生。相较于图5B，图5A中的阴影部位比较低但比较宽，故微调后应可具有相同的强度。换句话说，发光二极管照明系统60的平均发光强度，是有可能独立于分支电路的电压振幅而不受其影响的。不像图3A的波形具有曲线凹陷处26与两个额外的转折角(对应于时点t1与时点t2)，图6A的波形既没曲线凹陷处也没额外的转折角，此意味着更佳的功率因数与更不严重的电磁干扰。图7是根据本发明实施例，描绘出图4的线性波形感应器66与模式决定器62内电路的示意图。如图7所示，线性波形感应器66具有峰值维持电路68，转换电路70与更新电路72；而模式决定器62则具有波谷侦测器74。峰值维持电路68内部耦接至高电压VCC并具有放大器OP，能够产生并维持代表电压VPSTV于电容CHOLD之上，以代表输入电压VIN的峰值电压VIN-PEAK。转换电路70的转换输出电压VOUT是转换电路70基于预定转换功能，所提供的响应于代表电压VPSTV的电流设定电压VSET。根据图7所示的非限制性实施例，转换功能已定义：若代表电压VPSTV低于门槛值VFOLD，则电流设定电压VSET大约为一定值，且若代表电压VPSTV超过门槛值VFOLD越多，则电流设定电压VSET越低。因为代表电压VPSTV与电流设定电压VSET是分别对应于峰值电压VIN-PEAK与输入电流IIN的目标值，当峰值电压VIN-PEAK低于预定门槛，输入电流IIN的目标值大约会是一定值，但当峰值电压VIN-PEAK高于预定门槛，则输入电流IIN的目标值会下降。输入电压VIN的峰值电压VIN-PEAK在后续的周期时段中可能会相异于现在周期时段的峰值电压VIN-PEAK，为了追踪峰值电压VIN-PEAK的变化，代表电压VPSTV可能会被每周期更新一次、或每多个周期更新一次。当输入电压VIN尚低且发光二极管串内没有任何发光二极管发亮时，或者当输入电压VIN位于一波谷(Valley)时，是进行更新的良好时机。在本发明一实施例中，当输入电压VIN进入波谷，位于模式决定器62内的波谷侦测器74产生一脉冲SFRESH。当接收到脉冲SFRESH，更新电路72即更新代表电压VPSTV。本发明一实施例中，当电流感应电压VCSa，电流感应电压VCSb与电流感应电压VCSc中没有任何一项的值可被操控到如同电流设定电压VSET一样高时，波谷侦测器74就会视为输入电压VIN进入波谷的情况已发生。当电流感应电压VCSa，电流感应电压VCSb与电流感应电压VCSc中至少一项的值大约等于电流设定电压VSET时，则输入电压VIN已经离开波谷。通常在每周期中，输入电压VIN进入波谷与离开波谷各一次，而脉冲SFRESH则可能(但不限于)在输入电压VIN进入波谷或离开波谷被提供一次。脉冲SFRESH也有可能在例如经过两个波谷后才被提供一次。如图7所示的实施例，脉冲SFRSH触发一定电流源以将电容CHOLD放电一段很短的时间，如此一来，代表电压VPSTV会在接收到脉冲SFRESH时微幅下降。请参考图8。图8为本发明一实施例中对应于图4的发光二极管照明系统60与图7的发光二极管控制器61的波形图。输入电压VIN作为将正弦波交流电压整流得到的电压源，如图8最上方所示，其具有Μ型波形。代表电压VPSTV则于所有时点皆一直约为一常数，但会在周期时段的中间追踪输入电压VIN的增加。因此，代表电压VPSTV代表了峰值电压VIN-PEAK。输入电流IIN，虽然会在发光二极管串14中任何发光二极管发亮时保持为一定值，但会在周期时段的中间微幅下降以响应于代表电压VPSTV的微幅上升。在图8中，每当输入电流IIN掉落至零，脉冲SFRESH就会被产生，并造成代表电压VPSTV的微幅下降。换句话说，当管理中心单元63关闭(turnoff)最上游的发光二极管(也就是发光二极管15a)时，代表电压VPSTV就会被更新。请参考图9。图9是发光二极管控制器61a的示意图，其是本发明另一实施例中，用以实施如图4的发光二极管照明系统60的发光二极管控制器61的示意图。图9的发光二极管控制器61a包含线性波形感应器66a。与图7相比可见，图9多了加法器90与衰减器92。衰减器92有一参数k。其中，正比于输出电压VIN且由衰减器92输出的k*VIN是造成电流设定电压VSET微幅上升的一个小因数。请看图10A与图10B。图10A与图10B是当图4中的发光二极管照明系统60使用了图9的发光二极管控制器61a电路并由分支电路分别以200V交流电和100V交流电供电时，从输入电压VIN流到发光二极管串14的输入电流IIN的示意图。从图10A与图10B可见，其可达到较低的总谐波失真(totalharmonicdistortion；THD)，经由分支电路产生并传至其他电子装置的放射信号也比较低。前述的本发明实施例具有耦合于针脚CPS与桥式整流器12的电阻RSENSE以直接感应输入电压VIN的波形。然而本发明并不限于此。针脚CPS可被耦合于驱动中的发光二极管串14的任何节点，举例来说，可间接感应输入电压VIN的波形。请参考图11，图11是本发明一实施例发光二极管照明系统200的示意图，发光二极管照明系统200与图4的发光二极管照明系统60几乎相同，但电阻RSENSE改为耦合于针脚CPS与针脚Nc，也就是发光二极管15c的阴极。在另一个实施例中，电阻RSENSE也可以从针脚CPS耦接到针脚Na或者针脚Nb。根据本发明实施例，线性波形感应器是用以(但不限于)感应针脚CPS的电压以决定输入电压VIN的峰值电压VIN-PEAK。在一些实施例中，线性波形感应器可感应流经电阻RSENSE后流入针脚CPS的电流，并据以决定输入电压VIN的峰值电压VIN-PEAK。另一实施例中，线性波形感应器可感应输入电压VIN的变化值(differentiation)以决定峰值电压VIN-PEAK。请看图12。图12是本发明一实施例中发光二极管照明系统300的示意图。发光二极管照明系统300与图4的发光二极管照明系统60几乎相同，但将电阻RSENSE至换为电容CSENSE。输入电压VIN的变化值可以引发一流到针脚CPS的电流。输入电压VIN的最大变化值越大，输入电压VIN的振幅也跟着越大，且峰值电压VIN-PEAK也跟着越大。在其他实施例中，电容CSENSE也可以从针脚CPS耦接到针脚Na、针脚Nb或针脚Nc。以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。