专利名称：超低电压操作的主动式能量控制装置及其操作方法
技术领域：
本发明涉及ー种能量控制装置及其操作方法，尤其涉及ー种超低电压操作的主动式能量控制装置及其操作方法。
背景技术：
自从1968年第一批发光二极管(light emitting diode, LED)开始进入市场以来，至今已有数十多年。随着新材料的开发和技术的改进，LED趋于高亮度化和彩色化。目前LED应用于可携式电子产品的背光源的地位已经不可动摇。由于LED具有许多的优点，如节能、环保、长寿命、免维护…等等，因此，在照明领域中，LED更是成为半导体照明最关键的部件之一。LED是由超导发光晶体产生超高強度的灯光，它发出的热量很少，不像白炽灯那样 地浪费太多热量，不像荧光灯那样因消耗高能量而产生有毒气体，此外，也不像霓虹灯那样要求高电压而容易损坏。因此，LED已被全球公认为新一代的环保型高科技光源。LED光源的应用非常灵活，可以做成点、线、面各种形式的轻薄短小产品。并且，LED的控制极为方便，只要调整电流，就可以随意调光。由于LED是电流驱动的元件，其亮度与顺向电流呈正比关系，因此，常用以调整LED顺向电流的方法是采用定电流源以驱动LED。由于定电流源可消除顺向电压变化所导致的电流变化，因此，无论顺向电流如何变化，可产生固定的LED亮度。请參见图I为现有定电流控制的ー发光二极管灯串的电路示意图。该发光二极管灯串IOA是由多个发光二极管(未标示)串联组成。该定电流控制的发光二极管灯串IOA还包含一定电流源単元20A与一开关单元30A。该发光二极管灯串IOA是通过ー驱动电压Vd提供所需电源。当该发光二极管灯串IOA的该开关単元30A导通(turned on)时，该发光二极管灯串IOA会通过该驱动电压Vd来驱动内部该些发光二极管发光，并且通过该定电流源単元20A来调整该些发光二极管的亮度。如图I所示，该开关単元30A —端标示为a (称之为a点)，另一端标示为b (称之为b点)。配合參见图2A、图2B为现有该开关単元的电压与电流曲线示意图。当该开关单元30A截止(turned off)时,该开关单元30A的一 a点电压Va大小接近于该额定驱动电 压Vd，并且，流经该开关单元30A的一 a点电流Ia为零。当该开关単元30A导通吋，该开关単元30A的该a点电压Va则由初始的该额定驱动电压Vd逐渐降低，并且，流经该开关单元30A的该a点电流Ia则由零逐渐增カロ。由于该发光二极管灯串IOA是为定电流控制，因此，最终该a点电流Ia将到达所控制的一固定电流Ic，而该a点电压Va将对应地到达ー临界导通电压Vc。LED驱动器如果要达到实用性，就必须具备高效率性。因此，若利用该开关単元30A的瞬时特性，将该开关单元30A的操作电压(即该a点电压Va)与电流(即该a点电流Ia)所产生的能量予以储存，再将所储存的能量提供定电流回路控制或其它内部电路使用，将能够维持该开关单元30A在超低电压操作，而能够减少该开关单元30A在切換使用中，因为在较大的电压操作下所产生的较大能量损耗。如此，将能够大大地提高该定电流控制发光二极管灯串的发光效率。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，提供ー种超低电压操作的主动式能量控制装置及其操作方法，使该开关单元绝大部分时间为超低电压操作，以减少能量损耗，而提高定电流控制发光二极管灯串的发光效率。为了达到上述的目的，本发明提供ー种超低电压操作的主动式能量控制装置，应用于ー发光二极管灯串的定电流源控制。该超低电压操作的能量控制装置包含一主动开关单元、ー检测控制单元、一能量储存单元以及一升压单元。该主动开关单元电性串联连接该发光二极管灯串。该检测控制单元电性连接该主动开关単元与该发光二极管灯串，用以检测该发光二极管灯串与该主动开关单元间的ー第一电压与一第一电流，以控制该主动开关单元。该能量储存单元电性连接该主动开关单元与该发光二极管灯串；其中，当该主动开关单元导通时，该能量储存单元储存由该第一电压与该第一电流所产生的能量。该升压单元电性连接该能量储存单元，通过该能量储存单元所储存的能量所启动，以提供一升压输出电压。藉此，通过该主动开关单元维持在超低电压操作，以减低该主动开关单元的耗能，并提高该定电流控制发光二极管灯串的发光效率。为了达到上述的目的，本发明还提供ー种超低电压操作的主动式能量控制装置的操作方法，应用于ー发光二极管灯串的定电流控制。该主动式能量控制装置操作方法的步骤包含首先，启动ー主动开关单元为ー截止状态。接着，启动该主动开关单元为一导通状态，并通过一能量储存单元提供能量储存。接着，利用该能量储存单元所储存的能量启动ー升压单元，以提升输出电压。最后，利用升压后所提高的输出能量，以维持该主动开关单元在超低电压操作。以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。
图I为现有定电流控制的ー发光二极管灯串的电路示意图；图2A、图2B为现有一开关单元的电压与电流曲线示意图；图3为本发明超低电压操作的一主动式能量控制装置的方框图；及图4为本发明超低电压操作的主动式能量控制装置的操作方法的流程图。其中，附图标记现有技术IOA 发光二极管灯串20A 定电流源单元30A 开关单元Va a点电压Vd 驱动电压Vc 临界导通电压
Iaa点电流Ic固定电流toff截止期间tes储能期间
tl第一时间t2第二时间本发明10发光二极管灯串20定电流源单元30主动式能量控制装置302主动开关单元304检测控制单元306能量储存单元308升压单元Vd驱动电压Va第一电压Ia第一电流Vo输出电压SlOO S500 步骤
具体实施例方式兹有关本发明的技术内容及详细说明，配合
如下请參见图3为本发明超低电压操作的一主动式能量控制装置的方框图。该超低电压操作的主动式能量控制装置30，是应用于ー发光二极管灯串10的定电流源控制。该发光ニ极管灯串10是由多个发光二极管(未标示)串联组成。该定电流控制的发光二极管灯串10还包含一定电流源単元20，用以调整该些发光二极管的亮度。如图3所示，该超低电压操作的主动式能量控制装置30是包含一主动开关単元302、一检测控制单元304、一能量储存单元306以及一升压单元308。该主动开关单元302电性串联连接该发光二极管灯串10。其中，该主动开关单元302是为ー金属氧化物半导体场效应晶体管(metal-oxide-semiconductorfield-effect transistor, MOSFET)或一双载子接面晶体管(bipolar junctiontransistor, BJT),但不以此为限,其它可达到相等功效的均等元件皆应包含于本发明的范畴中。该检测控制单元304电性连接该主动开关单元302与该发光二极管灯串10，用以检测该发光二极管灯串10与该主动开关单元302间的ー第一电压Va与一第一电流Ia，以控制该主动开关单元302。该能量储存单元306电性连接该主动开关单元302与该发光二极管灯串10 ;其中，当该主动开关单元302导通(turnedon)时，该能量储存单元306储存由该第一电压Va与该第一电流Ia所产生的能量。该升压单元308电性连接该能量储存单元306,通过该能量储存单元306所储存的能量所启动，以提供一升压输出电压Vo。该升压单元308可为ー电荷泵(charge pump),但不以此为限,其它可达到相等功效的均等元件皆应包含于本发明的范畴中。
为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附的附图，作详细说明如下。该超低电压操作的主动式能量控制装置30的详细操作，请再配合參见图2。配合先前技术所述，该主动开关单元302在一第一时间tl之前是为截止(turned off)状态,也即ー截止期间toff表示该主动开关单元302为截止的状态,此时,该第一电压Va是为ー额定驱动电压Vd,而该第一电流Ia是为零。在该第一时间tl时,该主动开关单元302导通(turnedon),因此,该第一电压Va与该第一电流Ia的变化曲线可比对图2A、图2B所示。该主动开关单元302的该第一电压Va则由初始的该额定驱动电压Vd逐渐降低，并且，流经该主动开关単元302的该第一电流Ia则由零逐渐增加。由于该发光二极管灯串10是为定电流控制，因此，在一第二时间t2时，该第一电流Ia到达所控制的一固定电流Ic，而该第一电压Va将对应地到达ー临界导通电压Vc。因此，在该第一时间tl与该第二时间t2之间(称为ー储能期间tes)，即在该储能期间tes中，该第一电压Va与该第ー电流Ia乘积非为零，因此，可利用该主动开关单元302的瞬时特性，将该第一电压Va与该第一电流Ia所产生的能量加以储存，之后，能再将所储存的能量提供定电流回路控制或其它内部电路使用。根据该主动开关単元302的瞬时特性以及上述该超低电压操作的主动式能量控 制装置30与该发光二极管灯串10的电性连接架构，对该超低电压操作的主动式能量控制装置30作详细说明如下。当该主动开关单元302导通(turnedon)吋，该检测控制单元304是检测该发光二极管灯串10与该主动开关单元302间的该第一电压Va与该第一电流Ia的大小，以控制该主动开关单元302。值得ー提，在实际应用上，多以检测该第一电压Va做为判断而控制该主动开关单元302 (详见后述)。当该主动开关单元302导通吋，该能量储存単元306是储存由该第一电压Va与该第一电流Ia所产生的能量(也即所储存的能量为该第一电压Va与该第一电流Ia的乘积)。此时,该升压单元308是通过该能量储存单元306所储存的能量所启动，以提供该升压输出电压Vo。通过该升压单元308所提供的该升压输出电压Vo (视实际的需要，提供倍压或三倍压的输出)，以维持该主动开关单元302在超低电压操作，也即，利用该升压単元308放大该主动开关単元302的该第一电压Va (典型值是为0. 5伏特或其它更低的电压)，用以提供定电流回路控制或其它内部电路(例如温度保护电路)所需的能量，使得该发光二极管灯串10的定电流控制能以正常操作。如此ー来，能够大大地減少该主动开关单元302在切換使用时所产生的较大能量损耗。然而，若当该检测控制单元304检测该第一电压Va(或该第一电流Ia)的大小，已经不足以使该升压单元308所提供的该升压输出电压Vo所产生的能量，提供定电流回路控制或其它内部电路(例如温度保护电路)所需的能量吋，该检测控制单元304则截止(turned off)该主动开关单元302,此时,该第一电压Va将再达到该额定驱动电压Vd的大小(參见图2A、图2B)，并且，接着再导通该主动开关単元302，使该第一电压Va再次逐渐减少，而该第一电流Ia则逐渐増加，如此，该第一电压Va与该第一电流Ia也可再提供该能量储存单元306进行能量的储存，进而通过该升压单元308所提供的该升压输出电压Vo以提高输出能量，用以提供定电流回路控制或其它内部电路(例如温度保护电路)所需的能量。
简而言之，当该升压単元308所提供的该升压输出电压Vo所产生的能量足够提供定电流回路控制所需的能量时，仅需通过该能量储存单元306所储存的能量供应给该升压単元308，以持续地提供定电流回路控制或其它内部电路(例如温度保护电路)所需的能量，此时，该主动开关单元302可维持在超低电压操作；然而，若当能量不够时，则需要利用先截止后再导通该主动开关单元302，使再一次提高该主动开关单元302的操作电压，以产生足够的能量。在实际应用上，绝大部分时间，仅需通过该升压单元308所提供倍压或三倍压的输出，就足够用以提供定电流回路控制或其它内部电路(例如温度保护电路)所需的能量。也因此，绝大部分时间，该主动开关单元302是维持在超低电压操作，如此一来，将大大地减少该主动开关单元302在切换使用时所产生的较大能量损耗。请参见图4为本发明超低电压操作的主动式能量控制装置的操作方法的流程图。该超低电压操作的主动式能量控制装置的操作方法，是应用于一发光二极管灯串的定电流控制。该主动式能量控制装置操作方法的步骤包含首先，启动一主动开关单元为一截止(turned off)状态(S100)。其中，该主动开关单元是为一金属氧化物半导体场效应晶体管(metal-oxide-semiconductor field_effecttransistor,MOSFET)或一双载子接面晶体管(bipolar junction transistor, BJT),但不以此为限,其它可达到相等功效的均等元件皆应包含于本发明的范畴中。此时，该主动开关单元所操作的一第一电压是为初始的一额定驱动电压，而所操作的一第一电流是为零。接着，启动该主动开关单元为一导通(turned on)状态，并通过一能量储存单元提供能量储存(S200)。在此步骤的操作，该主动开关单元的该第一电压则由初始的该额定驱动电压逐渐降低，并且，流经该主动开关单元的该第一电流则由零逐渐增加。因此，利用该主动开关单元的瞬时特性，通过该能量储存单元对该第一电压与该第一电流所产生的能量(也即该第一电压与该第一电流乘积非为零)加以储存。接着，利用该能量储存单元所储存的能量启动一升压单元，以提升输出电压(S300)。该升压单元电性连接该能量储存单元,通过该能量储存单元所储存的能量所启动，以提供一升压输出电压。该升压单元可为一电荷泵(charge pump)，但不以此为限，其它可达到相等功效的均等元件皆应包含于本发明的范畴中。接着，利用升压后所增加的能量，以维持该主动开关单元在超低电压操作，使得该发光二极管灯串的定电流控制能以正常操作(S400)。在此步骤的操作，通过该升压单元所提供的该升压输出电压(视实际的需要，提供倍压或三倍压的输出)，以维持该主动开关单元在超低电压操作，也即，利用该升压单元放大该主动开关单元的该第一电压(典型值是为0. 5伏特或其它更低的电压)，用以提供定电流回路控制或其它内部电路(例如温度保护电路)所需的能量，使得该发光二极管灯串的定电流控制能以正常操作。此时，该主动开关单元仍维持在超低电压操作。最后，判断所产生的能量是否足以提供定电流控制或其它内部电路(例如温度保护电路)所需的能量(S500)。在此步骤的操作，若当该升压单元所提供的该升压输出电压所产生的能量足够提供定电流回路控制所需的能量时，仅需通过该能量储存单元所储存的能量供应给该升压单元，以持续地提供定电流回路控制或其它内部电路(例如温度保护电路)所需的能量，此时，该主动开关单元可维持在超低电压操作。在步骤(S500)中，若无法维持该主动开关单元在超低电压操作，则重新执行步骤(S100)，也即，再次启动该主动开关单元为一截止状态，使该第一电压将再达到该额定驱动电压的大小(参见图2)，并且，接着再导通该主动开关单元，使该第一电压再次逐渐减少，而该第一电流则逐渐增加，如此，该第一电压与该第一电流也可再提供该能量储存单元进行能量的储存，进而通过该升压单元所提供的该升压输出电压，用以提供定电流回路控制或其它内部电路(例如温度保护电路)所需的能量。藉此，通过该主动开关单元维持在超低电压操作，以减低该主动开关单元的耗能，并提高该定电流控制发光二极管灯串的发光效率。综合以上所述，本发明具有以下的优点I、可利用该主动开关单元的瞬时特性，将该第一电压与该第一电流所产生的能量加以储存，以启动该升压单元提供较高的输出电压以提高输出能量，进而提供定电流回路控制或其它内部电路使用。2、通过该升压单元提高输出能量的操作，使得在绝大部分时间，该主动开关单元维持在超低电压操作，如此，将大大地减少该主动开关单元在切换使用时所产生的较大能量损耗，而提高该定电流控制发光二极管灯串的发光效率。当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟 悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
权利要求
1.一种超低电压操作的主动式能量控制装置，应用于一发光二极管灯串的定电流源控制，其特征在于，该超低电压操作的能量控制装置包含 一主动开关单元，电性串联连接该发光二极管灯串； 一检测控制单元，电性连接该主动开关单元与该发光二极管灯串，用以检测该发光二极管灯串与该主动开关单元间的一第一电压与一第一电流，以控制该主动开关单元； 一能量储存单元，电性连接该主动开关单元与该发光二极管灯串；其中，当该主动开关单元导通时，该能量储存单元储存由该第一电压与该第一电流所产生的能量；及 一升压单元，电性连接该能量储存单元，通过该能量储存单元所储存的能量所启动，以提供一升压输出电压； 藉此，通过该主动开关单元维持在超低电压操作，以减低该主动开关单元的耗能，并提高该定电流控制发光二极管灯串的发光效率。
2.根据权利要求I所述的超低电压操作的主动式能量控制装置，其特征在于，该主动开关单元为一金属氧化物半导体场效应晶体管或一双载子接面晶体管。
3.根据权利要求I所述的超低电压操作的主动式能量控制装置，其特征在于，该主动开关单元为一双载子接面晶体管。
4.根据权利要求I所述的超低电压操作的主动式能量控制装置，其特征在于，该升压单元为一电荷泵。
5.一种超低电压操作的主动式能量控制装置的操作方法，应用于一发光二极管灯串的定电流控制，其特征在于，该主动式能量控制装置操作方法的步骤包含 (a)启动一主动开关单元为一截止状态； (b)启动该主动开关单元为一导通状态，并通过一能量储存单元提供能量储存； (C)利用该能量储存单元所储存的能量启动一升压单元，以提升输出电压 '及 (d)利用升压后所增加的能量，以维持该主动开关单元在超低电压操作。
6.根据权利要求5所述的主动开关装置操作方法，其特征在于，在该步骤(d)之后，还包含一步骤 (e)若无法维持该主动开关单元在超低电压操作，则执行步骤(a)。
7.根据权利要求5所述的主动式能量控制装置的操作方法，其特征在于，该主动开关单元为一金属氧化物半导体场效应晶体管或一双载子接面晶体管。
8.根据权利要求5所述的主动式能量控制装置的操作方法，其特征在于，该主动开关单元为一双载子接面晶体管。
9.根据权利要求5所述的主动式能量控制装置的操作方法，其特征在于，该升压单元为一电荷泵。
全文摘要
一种超低电压操作的主动式能量控制装置及其操作方法，应用于一发光二极管灯串的定电流控制。该操作方法的步骤包含首先，启动一主动开关单元为一截止状态。接着，启动该主动开关单元为一导通状态，并通过一能量储存单元提供能量储存。接着，利用该能量储存单元所储存的能量启动一升压单元，以提升输出电压。最后，利用升压后所提高的输出能量，以维持该主动开关单元在超低电压操作。藉此，通过该主动开关单元维持在超低电压操作，以减低该主动开关单元的耗能，并提高该定电流控制发光二极管灯串的发光效率。
文档编号H05B37/02GK102685965SQ201110057170
公开日2012年9月19日 申请日期2011年3月10日 优先权日2011年3月10日
发明者吴泰峰 申请人:晶宏半导体股份有限公司