高压led的驱动电路的制作方法
【专利摘要】本发明提供一种高压LED的驱动电路。利用积分电路过滤输入电压大幅度变化涟波，且不受浮动噪声干扰。如此可控制输入电压与输出电流的乘积，得到恒定的功率输出。高压LED长串因开关造成的输出功率飘移问题将可大幅改善。
【专利说明】高压LED的驱动电路
【技术领域】
[0001]本发明是利用积分电路(integration circuit),取输入电压经过运算,使LED串的功率接近定值。藉此可改善输入电压飘移的问题，提升人眼舒适度。
【背景技术】
[0002]长串高压LED 因价格低廉，无电磁干扰(electromagnetic interference, EMI),广为大众所采用，但是高压控制仍有许多缺点需要改善。
[0003]美国专利号6，989，807及7，081，722中，驱动电流为恒电流，或者提高功率因子(power factor, PF),使得输入电流随输入电压而线性增加。但是，当输入电源电压异动时，造成输出功率增大的飘移。美国专利号7，439，944则提出限制最大输出电流或箝制最大输出功率，以达到电性保护功效的方法。此法无恒功率输出特性，且于发生过电压保护时，输入电压越高，输出电流将随之大幅降低，影响PF ;如图1所示。
[0004]此外，美国半导体大厂Supertex于2012年6月，发表产品编号(^800与(^8801的文献中，使用Zener作为假负载，在输入电压增高时，Zener被启动将电能转换为热能，降低电-光转换效率。例如，韩国首尔半导体公司于2012年10月发表的Acrich系列，其中产品编号SMJD-3V08W1P3及SMJD-3V16W1P3的输入电压介于200V至260V时，输出功率与流明数正比于输入电压，且差值大于30%。因此，在输入电压异动或干扰噪声过大的工作环境下，亮度容易产生光闪烁跳动，造成人眼不适。
[0005]在实际 应用上，理想的控制高压LED架构，除了最大输出电流与最大功率，亦应降低输入电压噪声的干扰。另外，在较宽广输入电压条件下，应具备恒亮度的舒适性。因此，本发明提出一种控制长串高压LED的装置，具有恒功率输出及抗噪声的特性，能符合LED灯具安全规范中，输出功率对输入电压变化稳定度的要求。
【发明内容】
[0006]本发明的目的在于提供一种高压LED的驱动电路，可提供恒功率输出，具有提高系统可靠度及抗电力网络噪声干扰等特性。
[0007]本发明的驱动电路可包括一个或多个彼此串联的LED小串、一个或多个开关、及一控制电路。
[0008]LED小串是由一个或多个串联或并联的LED组成,具有一电流输入端及一电流输出端；其中电流输入端电性耦合至电源的电压输出端。开关电性耦合至对应的LED小串，可控制该LED小串的启动或关闭。控制电路电性耦合至LED小串，至少包括一积分电路。积分电路可获得LED小串线路上一特定点的平均电压或平均分电压(ratio voltage)。此平均电压或平均分电压于控制电路中经过运算后，其结果可用以修正电源的输入电流或流经LED小串的电流。
[0009]上述驱动电路中若有多个LED小串，则控制电路可电性耦合至任一 LED小串，但较佳为最接近电源的LED小串。而LED小串线路上的特定点较佳为LED小串的电流输入端，但并不以此为限。
[0010]上述电源的输入电流或流经该LED小串的电流修正后，可使LED小串的功率接近一设定值，或为该设定值的90%-110%范围；更佳为95%-105% ;最佳为98%_102%。
[0011 ] 而控制电路由开始运算至得到电源的输入电流或流经LED小串的电流的修正值所需时间(或积分电路的积分时间)较佳为大于半个电源输入电压周期；更佳为大于桥整后电压周期的2倍。这是因为由于电源的输入电流与输入电压相位差小于60度，且输入电流由开关的输出电流决定，容易产生震荡。此外，当周遭环境有大电流电器(例如大马达)运作时，输入电压易染有噪声，则输入电压跳动幅度可能过大，输入电流也会呈现不稳定状态。因此，在实际量测时，积分电路需要有足够长的取样时间，才能过滤输入电压的噪声。最常见的积分电路为数字积分电路，亦可为模拟电路或低通滤波电路。
[0012]控制电路尚可包括一波形追踪器，电性耦合至积分电路，使修正电流的波形与电源输入电压的波形相似。
[0013]上述开关通常具有一电流输入端、一电流输出端，及一信号输入端。电流输入端电性耦合至对应的LED小串的电流输出端；电流输出端电性耦合至电源的电压输出端。对应地，贝1J控制电路亦具有一电压输入端及一电压输出端。电压输入端电性I禹合于LED小串的电流输入端与电源之电压输出端之间；电压输出端电性I禹合至开关的信号输入端。典型的开关是由一高压N型组件及一低压N型组件电性串接组成，但本发明并不限于此。
[0014]当控制电路获得输入电压而启动后，积分电路就接收输入电压(的分压)，不断的进行运算工作。因此，当输入电压发生变化时，通过持续运算的结果可修正输入电流，以达到定功率的目的。
【专利附图】
【附图说明】
[0015]图1显示已知技术于发生过电压保护时，输入电压越高，输出电流将随之大幅降低。
[0016]图2显示本发明控制电路实施例的一的架构。
[0017]图3显示由电阻及电容组成的RC积分电路。
[0018]图4显示达到恒功率时，平均输入电流随平均输入电压增大而变小。
[0019]图5显示另一实施例的架构，其控制电路包括一波形追踪器。
[0020]图6显示通过波形追踪器，输出电流的波形会随输入电压的波形起伏。
[0021 ]图7显示通过半桥取样电路取得输入电力网的半波信号。
[0022]符号说明:
[0023]20积分电路
[0024]30乘法器
[0025]40设定值
[0026]51主仆控制器
[0027]601-612 开关
[0028]70LED 长串
[0029]701-712 LED 小串
[0030]80波形追踪器[0031]901交流电源
[0032]902桥式整流器
[0033]C2电容
[0034]R2、R3、R4 电阻
【具体实施方式】
[0035]本发明的控制电路不限于集成电路，可为整个电路控制架构或是装置。
[0036]图2显示本发明控制电路实施例之一的架构。交流电源901连接至桥式整流器902。在本实施例中，有效电流或电压通常指该电流或电压在一段时间内的均方根值。交流电源901的输入电压具有正弦波形，其均方根值为Va，输入电流亦具有正弦波形，其均方根值为la。桥式整流器902的输出端未连接电容，所以具高功因特性。LED长串70共有12个 LED 小串 701-712,由 12 个开关 601-612 及主仆控制器(master/slave controller) 51控制。每一个开关可由一个高压N型组件(或N-M0S)与一个低压N型组件电性串接而成，如中国申请号201220356114.6或201210500840.5所述。LED长串70的输入电压即桥式整流器902的输出电压。每一 LED的导通电压Vf=3.0V, 一个小串包括10个串接的LED，一小串的Vf约为30V。桥式整流器902的输出端连接至电阻R2及电阻R3。
[0037]图中虚线框代表控制电路，通过适当的运算及修正输入LED长串的电流，可维持LED的功率为一设定值，或在该设定值的特定范围内。控制电路主要包括积分电路20、乘法器30及设定值40。 积分电路20连接至电阻R2及电阻R3之间的接点，可于一定时间内取得LED长串70的输入电压的分电压(ratio voltage),经过积分电路计算求得平均值Vr,再将此平均值送至乘法器30。如图所示，乘法器30的输入端连接至积分电路20及设定值40，进行运算。当控制电路启动时，若电源输入电流的均方根值Ia为Iao，分电压的平均值Vr为Vro ;则当分电压的平均值Vr随电源输入电压变动为Vrl时，电源输入电流的均方根值Ia应修正为Ial(=IaoXVro/Vrl)，使LED功率保持定值。亦即，是将分电压平均值作为修正电源输入电流的参考值，形成定功率架构。设定值40可取功率形式的IaoXVro或电流形式的Iao。在此实施例中，电源输入电流、流经LED的电流或流经开关的电流应相同，因此修正其中任一电流值即可。
[0038]本实施例中，输入220V交流电的频率约50Hz或60Hz，经过桥式整流后两倍频率至IOOHz或120Hz ;此频率仍属低频。在高功因条件下，最低电压=0V，最高电压=310V，电压起伏很大。若以输入电压Vin (220V)为中心值，前10组电流开关会依输入电压轮流点亮，但后两组电流开关因电压过低不会启动。若输出功率设定为10W，则输入电流Iin约为45.4mA (=10W/220V)。当输入电压变低为180V时，只有前8组开关启动，后4组开关无电流通过。通过控制电路的运算及修正，可使输入电流增大为55.5mA (=10W/180V)。若输入电压增加至260V，12组电流开关全数启动。通过控制电路的运算及修正，可使输入电流减少至38mA(=10W/260V)。换言之，即使输入电压在180V~260V范围动态变化，或输入电压变化率由-20%增至+20%，其输出功率仍保持定值。结果显示整体LED恒亮度输出，与输入电压无关。
[0039]本发明不限于使用如实施例所示的开关及主仆控制器，亦可使用其它开关装置，只要能达到本发明恒定功率的目的即可。例如，结合一个高压组件与一个运算放大器可作为定电流开关。
[0040]图3显示一种典型的积分电路，由电阻R4及电容C2组成的RC(resister-capacitor)o 一般来说，积分电路的时间常数(time constant)应大于1/100秒或1/120秒，可通过外挂电容将输入涟波滤除。若积分电路的时间常数越短，则电容越小，反应时间越快，越容易发生震荡。然而，电容增大可能导致反应时间过长，也不适合。
[0041]当输入电压增大或变小时，经一段时间取样及计算后可得分电压的均方根值，与设定值进行运算，可修正输入电流的均方根值，使输入电流变小或增大。图4显示，当输入电压趋近零时，实际输入电流亦趋近零，但其它时间实际输入电流可呈定值。相较于图1的已知技术，本发明的电流在电压峰值或发生突波时不会产生凹陷，使功率保持定值。输入电压的周期通常为1/60、1/120、1/50或1/100秒。
[0042]图5显示另一实施例的架构。与图2不同之处在于，积分电路20、乘法器30及设定值40的输出端与主仆控制器之间连接一波形追踪器80。通过波形追踪器，输入电流的波形经积分及计算时间后，会随输入电压的波形起伏，如图6所示。同样地，电流在电压峰值时不会产生凹陷，使功率保持定值。
[0043]本发明控制电路所取的分电压不局限于全波型，亦可为半波型。如图7所示，可通过半桥取样电路取得输入电力网的半波信号。且针对不同电压输入方式，可利用电位平移(level shift)电路，消除并补偿各不同类型的输入信号，都可得到恒功率相同特性。
[0044]综而言之，本发明的效果及衍生优点包括:
[0045]1.可线性多段控制LED的恒功率输出，具抗噪声干扰特性，且结构简单，不易产生因输入电压浮动的光闪，成本低廉。
[0046]2.在较宽广的输入电压变化环境下工作，仍具高功因特性，及较低的总谐波失真值(Total Harmonic Distortion, THD)。
[0047]3.由于恒功率输出，使LED灯具不致过热，简化散热模块设计，更能延长灯具使用寿命。
[0048]需注意的是，不论有多少开关在LED堆中切换，包括N型高压组件与N型低压组件串接控制，且不论是否有LED接地或不接地，本发明都适用。
[0049]虽然本发明已以实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何所属【技术领域】中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，故本发明的保护范围以权利要求中所界定的内容为准。
【权利要求】
1.一种高压LED的驱动电路，其特征在于，包括: 一 LED小串，是由一个或多个串联或并联的LED组成，具有一电流输入端电性耦合至一电源的电压输出端，及一电流输出端； 一开关，电性耦合至该LED小串，以控制该LED小串的启动或关闭；及 一控制电路，电性耦合至该LED小串，至少包括一积分电路可获得该LED小串线路上一特定点的平均电压或平均分电压，于该控制电路中进行运算，再根据运算结果修正该电源的输入电流或流经该LED小串的电流。
2.如权利要求1所述的驱动电路，其特征在于，该电源的输入电流或流经该LED小串的电流修正后，可使该LED小串的功率接近一设定值。
3.如权利要求2所述的驱动电路，其特征在于，该LED小串的功率修正后的范围为该设定值的90%-110%。
4.如权利要求1所述的驱动电路，其特征在于，该LED小串线路上的特定点是指该LED小串的电流输入端。
5.如权利要求1所述的驱动电路，其特征在于，该控制电路由开始运算至得到该电源之输入电流或流经该LED小串之电流之修正值所需时间大于半个电源输入电压周期。
6.如权利要求1所述的驱动电路，其特征在于，该控制电路尚包括一波形追踪器。
7.如权利要求1所述的驱动电路，其特征在于，该开关具有一电流输入端电性耦合至该LED小串的电流输出端，一电流输出端电性I禹合至该电源的电压输出端，及一信号输入端。
8.如权利要求7所述的驱动电路，其特征在于，该控制电路具有一电压输入端电性耦合于该LED小串的电流输入端与该电源的电压输出端之间,及一电压输出端电性I禹合至该开关的信号输入端。
9.如权利要求1所述的驱动电路，其特征在于，该开关是由一高压N型组件及一低压N型组件电性串接组成。
10.一种高压LED的驱动电路，其特征在于，包括: 多个串联的LED小串，每一个LED小串是由一个或多个串联或并联的LED组成，并具有一电流输入端电性I禹合至一电源的电压输出端，及一电流输出端； 多个开关，每一个开关电性耦合至对应的LED小串，以控制该LED小串的启动或关闭；及 一控制电路，电性耦合至一特定LED小串及对应的开关，至少包括一积分电路可获得该特定LED小串线路上一特定点的平均电压或平均分电压，于该控制电路中进行运算，再根据运算结果修正该电源的输入电流或流经该特定LED小串的电流。
11.如权利要求10所述的驱动电路，其特征在于，该电源的输入电流或该特定LED小串的电流修正后，可使该特定LED小串的功率接近一设定值。
12.如权利要求11所述的驱动电路，其特征在于，该特定LED小串的功率修正后的范围为该设定值的90%-110%。
13.如权利要求10所述的驱动电路，其特征在于，该控制电路由开始运算至得到该电源的输入电流或流经该特定LED小串的电流的修正值所需时间大于半个电源输入电压周期。
14.如权利要求10所述的驱动电路，其特征在于，该控制电路尚包括一波形追踪器。
15.如权利要求10所述的驱动电路，其特征在于，每一开关具有一电流输入端电性耦合至对应LED小串的电流输出端，一电流输出端电性I禹合至该电源的电压输出端，及一信号输入端。
16.如权利要求15所述的驱动电路，其特征在于，该控制电路具有一电压输入端电性率禹合于该特定LED小串的电流输入端与该电源的电压输出端之间，及一电压输出端电性率禹合至每一开关的信号输入端。
17.如权利要求10所述的驱动电路，其特征在于，该特定LED小串是指最接近电源的LED小串。
18.如权利要求10所述的驱动电路，其特征在于，该特定LED小串线路上的特定点是指该特定LED小串的电流输入端。
19.如权利 要求10所述的驱动电路，其特征在于，该开关是由一高压N型组件及一低压N型组件电性串接组成。
【文档编号】H05B37/02GK104010408SQ201310172576
【公开日】2014年8月27日 申请日期:2013年5月10日 优先权日:2013年2月27日
【发明者】王弘宗, 李仲益, 蓝耀辉 申请人:主一科技股份有限公司