TWI494024B - 照明驅動電路 - Google Patents

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Description

照明驅動電路
本揭示內容是有關於一種照明設備，且特別是有關於一種照明設備上的照明驅動電路。
近年來隨著光電技術發展，業界開發了許多種新穎的照明設備，其中，發光二極體(Light-Emitting Diode,LED)燈管受到廣泛的關注。發光二極體燈管的發光效率和使用壽命均優於傳統的白熾燈管，且在製造上無環保問題，符合節能環保的趨勢。
發光二極體燈管所組成的照明系統最常被人提到的優點即為高效率和較長的使用壽命。在高效率的部份可分成轉換效率和功率因子(Power Factor,PF)二個特性。
轉換效率所指的是交流電輸入到發光二極體工作輸出，這個過程中有多少輸入功率實際傳遞至發光二極體。若輸入功率傳達至輸出功率的比例愈高，則轉換效率愈高。
功率因子則是與電力訊號的實功率和虛功率有關，電力公司提供市電電壓為100V~110V或200V~240V，頻率為50~60Hz的三相交流電。一般電阻性負載的瞬時消秏功率為電壓與電流之乘積(P=VI)。然而，純電感性負載或純電容性負載則會造成電流與電壓之間具有90°的相位差，進而造成實功率損失，瞬時消秏功率之計算如下：P =VI cosθ ，其中I代表電流，V代表電壓，θ為電流與電壓之間的相位差角度。
此外，功率因子之計算如下：，其中PF代表功率因子，I代表電流，V代 表電壓，θ為電流與電壓之間的相位差角度。
如上述算式所示，當電流與電壓之間具有90°的相位差時(例如當負載為純電感性負載或純電容性負載)，將使得功率因子大幅下降至0。
由於發光二極體不是純電阻性負載，且用以驅動發光二極體的驅動電路具有電感與電容之特性，因此將造成輸入電壓和輸入電流的相位差並使得功率因子下降，這將使得電力公司需要輸出更多的功率，才能讓發光二極體達到預設輸出功率。而相位差所產生的虛功率將轉化為不必要的熱能消耗。因此功率因子的提升，將能有效幫助電力公司降低輸出功率，達到實質的節省電力。
因此，在於實現真正節能的趨勢需求，開發擁有高功率因子之發光二極體照明設備實有必要。
在現今發光二極體照明系統中，驅動電路多半採用降壓式(Buck)的架構，先將交流電整流後提供給驅動電路，一般發光二極體的照明驅動電路分為恆定電壓與恆定電流二種，恆定電壓在設計上較為簡單，但輸出容易受發光二極體的使用特性影響(例如當長時間使用時發光二極體的阻抗將逐步提升，導致操作電流下降)。恆定電壓的操作方式之穩定性不如恆定電流。因此，本揭示文件提出一種恆定電流的驅動架構設計。
為解決上述問題，本揭示文件提出一種照明驅動電路，其採用靴帶式的電感電流監控架構，可透過高壓側降壓式的架構實現，於本案的照明驅動電路中加入感測電阻元件於電感元件的前方，利用電感元件與感測電阻元件之間的節點當作控制模組的虛擬接地端，以控制模組偵測感測電阻元件與開關元件間的節點電壓，便可實現電感電流的監測，藉以精確控制流過電感元件以及後續發光負載的電感電流。
本揭示內容之一態樣是在提供一種照明驅動電路用以驅動發光負載，照明驅動電路包含系統電壓源、開關元件、電感元件、電感電流感測模組以及控制模組。開關元件耦接於該系統電壓源與該發光負載之間。電感元件串連在該開關元件與該發光負載之間。電感電流感測模組包含感測電阻元件串連在該開關元件與該電感元件之間。控制模組耦接至該開關元件之控制端並用以控制開關元件之導通狀態，控制模組之虛擬接地端耦接至感測電阻元件與電感元件之間，控制模組之電感電流感測端耦接至感測電阻元件與開關元件之間，控制模組由電感電流感測端之電壓準位計算流經電感元件之電感電流。
根據本揭示內容之一實施例，系統電壓源包含交流電壓輸入以及整流電路。整流電路耦接於交流電壓輸入與開關元件之間。
根據本揭示內容之一實施例，其中照明驅動電路更包含輸入電壓感測模組耦接至控制模組之輸入電壓感測端，輸入電壓感測模組包含第一分壓電阻元件、第二分壓電阻 元件以及電容元件。第一分壓電阻元件耦接於該系統電壓源與該輸入電壓感測端之間。第二分壓電阻元件耦接於該虛擬接地端與該輸入電壓感測端之間。電容元件耦接於該虛擬接地端與該輸入電壓感測端之間。
根據本揭示內容之一實施例，輸入電壓感測模組用以感測來自該系統電壓源之一輸入電壓並傳送至該控制模組之該輸入電壓感測端，該控制模組據以使該電感電流之相位與該輸入電壓同步。
根據本揭示內容之一實施例，電感電流依序流經該開關元件、該感測電阻元件、該電感元件以及該發光負載。
根據本揭示內容之一實施例，控制模組根據該電感電流感測端與該虛擬接地端之間的一電壓差以及該感測電阻元件之一電阻值進而感測該電感電流。
根據本揭示內容之一實施例，照明驅動電路更包含電壓啟動模組耦接至該控制模組之啟動感測端，電壓啟動模組包含電阻元件、二極體以及電容元件。電阻元件耦接於該系統電壓源與該啟動感測端之間。二極體耦接於該發光負載與該啟動感測端之間。電容元件耦接於該虛擬接地端與該啟動感測端之間。
根據本揭示內容之一實施例，開關元件初始為關閉時，該系統電壓源之輸入電壓經由該電壓啟動模組之該電阻元件對該電容元件充電，使該啟動感測端之電壓準位提高，直到該啟動感測端之電壓準位滿足該控制模組之一啟動電壓門檻，隨後該控制模組將該關關元件導通。
根據本揭示內容之一實施例，照明驅動電路更包含一 輸出電容元件與該發光負載並連，當該開關元件導通後，該系統電壓源之輸入電壓經由該開關元件對該電感元件及該輸出電容元件進行儲能，直到該電感電流感測端之電壓準位到達該控制模組之一鎖定電壓門檻，隨後該控制模組將該關關元件關閉。
根據本揭示內容之一實施例，當控制模組關閉該關關元件之後，該電感元件對該發光負載釋能並產生該電感電流，該控制模組由該電感電流感測端之電壓準位監控該電感電流，當該電感電流低於一電感電流門檻時該控制模組重新導通該關關元件。
請參閱第1圖，其繪示根據本發明之一實施例中一種照明驅動電路100的操作示意圖，照明驅動電路100用以驅動發光負載110，於此實施例中，發光負載110可為發光二極體負載，或其他具相等性的非純電阻性發光負載。
照明驅動電路100包含系統電壓源120、開關元件Q1、電感元件L1、電感電流感測模組140以及控制模組160。
開關元件Q1的輸入端與輸出端耦接於系統電壓源120與發光負載110之間，於此實施例中，開關元件Q1可為一半導體開關。控制模組160耦接至開關元件Q1之控制端(如半導體開關之閘極)並用以控制開關元件Q1之導通狀態。
電感元件L1串連在開關元件Q1與發光負載110之間。
於此實施例中，照明驅動電路100包含電感電流感測模組140，其目的在於直接或間接感測流過電感元件L1的電感電流IL 。如第1圖中所示，電感電流感測模組140包含感測電阻元件RS 串連在開關元件Q1與電感元件L1之間。
其中，控制模組160之電感電流感測端CS耦接至感測電阻元件RS 與開關元件Q1之間的第一節點N1。而控制模組160之虛擬接地端GND耦接至感測電阻元件RS 與電感元件L1之間的第二節點N2。上述連接方式即為本揭示文件所提出的靴帶式的電感電流監控架構。
控制模組可得知電感電流感測端CS之電壓準位(即第一節點N1的電壓)與虛擬接地端GND之電壓準位(即第二節點N2的電壓)其間的電壓差。由於感測電阻元件RS 在設計中具有已知的固定電阻值，控制模組可由N1與N2的電壓差計算流經電感元件L1之電感電流IL 。
於此例中，控制模組160係將感測電阻元件RS 與電感元件L1之間的第二節點N2之電壓準位作為控制模組160所採用的接地電位。也就是說，控制模組160藉由偵測電感電流感測端CS之電壓準位，便可得知流經電感元件L1之電感電流IL 。須補充的是，於此例中，電感電流IL 依序流經開關元件Q1、感測電阻元件RS 、電感元件L1以及發光負載110。因此，控制模組160可由電感電流IL 大致感測得知流經發光負載110的操作電流。在實際應用中，照明驅動電路100可進一步包含其他元件。
請一併參閱第2圖以及第3圖，第2圖根據繪示根據 本發明之一實施例中一種照明驅動電路100的功能方塊示意圖，第3圖繪示根據第2圖之實施例中照明驅動電路100其電路架構圖。第3圖係照明驅動電路100的其中一種電路實施架構，但本揭示文件並不以僅限於此種電路實施方式。
如第2圖所示之實施例中，照明驅動電路100更包含輸入電壓感測模組180以及電壓啟動模組190。輸入電壓感測模組180與電壓啟動模組190分別電性連接至系統電壓源120與開關元件Q1之間的輸入節點，用以感測系統電壓源120產生的輸入訊號。如第3圖所示，照明驅動電路100更包含輸出電容元件COUT 與發光負載110並連。
如第3圖所示，系統電壓源120可包含交流電壓輸入VAC以及整流電路(於此實施例中為橋式整流器BD)。橋式整流器BD耦接於交流電壓輸入VAC與開關元件Q1之間。於部份實施例中，交流電壓輸入VAC可為外部的市電插座。
輸入電壓感測模組180耦接至控制模組160之輸入電壓感測端VS。如第3圖所示，輸入電壓感測模組180包含第一分壓電阻元件RP1 、第二分壓電阻元件RP2 以及電容元件CP1 。第一分壓電阻元件RP1 耦接於系統電壓源120與輸入電壓感測端VS之間。第二分壓電阻元件RP2 耦接於虛擬接地端GND與輸入電壓感測端VS之間。電容元件CP1 耦接於虛擬接地端GND與輸入電壓感測端VS之間。
輸入電壓感測模組180用以感測來自系統電壓源120之輸入電壓並傳送至控制模組160之輸入電壓感測端VS。 控制模組160根據輸入電壓感測端VS之電壓準位(代表系統電壓源120的輸入電壓)與電感電流感測端CS之電壓準位(代表系統電壓源120的輸入電流)得知來自系統電壓源120的輸入電壓與電流之間的關係。控制模組160可根述上述關係調整開關元件Q1之導通狀態(如導通頻率、頻寬、相位等)使電感電流IL 之相位與輸入電壓同步。
請一併參閱第4圖，其繪示於一實施例中照明驅動電路100之訊號時序示意圖。如第4圖所示，上方的波形為輸入電壓感測端VS上的電壓準位(即系統電壓源120經過橋式整流器BD後之輸入電壓)。控制模組160調整開關元件Q1之導通狀態使電感電流IL 之相位與輸入電壓(參見第4圖中的VS波形)同步。
此外，如第3圖所示，照明驅動電路100之電壓啟動模組190耦接至控制模組160之啟動感測端VIN，電壓啟動模組190包含電阻元件RIN 、二極體D2 以及電容元件CIN 。電阻元件RIN 耦接於系統電壓源120與啟動感測端VIN之間。二極體D2 耦接於發光負載110與啟動感測端VIN之間。電容元件CIN 耦接於虛擬接地端GND與啟動感測端VIN之間。電壓啟動模組190用以在初始啟動時驅動控制模組160進入正常工作狀態。
以下段落以一操作實施例簡單說明本揭示文件中照明驅動電路100的作動方式，但本發明並不以此為限。於一初始狀態(如發光負載110尚未點亮時)下，開關元件Q1初始為關閉。系統電壓源120啟動並開始提供輸入電壓。系統電壓源120之輸入電壓經由電壓啟動模組190之電阻元 件RIN 對電容元件CIN 充電，使啟動感測端VIN之電壓準位提高，直到啟動感測端VIN之電壓準位滿足控制模組160之啟動電壓門檻。當啟動感測端VIN之電壓準位滿足控制模組160之啟動電壓門檻，控制模組160將關關元件Q1導通。藉此，完成照明驅動電路100的初始啟動。
當開關元件Q1導通之後，系統電壓源120之輸入電壓經由開關元件Q1對電感元件L1及輸出電容元件COUT 進行儲能，使電感電流感測端CS之電壓準位逐漸升高，直到電感電流感測端CS之電壓準位到達控制模組160之鎖定電壓門檻。當電感電流感測端CS之電壓準位到達控制模組160之鎖定電壓門檻，控制模組160便將關關元件Q1關閉。
當控制模組160關閉關關元件Q1之後，電感元件L1對發光負載110釋能並產生電感電流IL ，控制模組160由電感電流感測端CS之電壓準位(即感測電阻元件RS 與開關元件Q1之間的第一節點N1電位)監控電感電流IL 。於此同時，輸入電壓感測模組180可進一步將其所得到電壓準位(代表輸入電壓)提供給控制模組160的輸入電壓感測端VS，由控制模組160對電感電流IL 與輸入電壓進行相位同步(如第4圖所示)。
當電感電流IL 低於電感電流門檻時(例如電感電流感測端CS之電壓準位低於一門檻電壓值時)，控制模組160重新導通關關元件Q1，藉此循環操作，以提供穩定驅動訊號至發光負載110，其中流過發光負載110的平均電流趨近於正電平之弦波波形(如第4圖中的平均電流Iavg)。
綜上所述，本揭示文件提出一種照明驅動電路，其採用靴帶式的電感電流監控架構，可透過高壓側降壓式的架構實現，於本案的照明驅動電路中加入感測電阻元件於電感元件的前方，利用電感元件與感測電阻元件之間的節點當作控制模組的虛擬接地端，以控制模組偵測感測電阻元件與開關元件間的節點電壓，便可實現電感電流的監測，藉以精確控制流過電感元件以及後續發光負載的電感電流。
雖然本揭示內容已以實施方式揭露如上，然其並非用以限定本揭示內容，任何熟習此技藝者，在不脫離本揭示內容之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本揭示內容之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
100‧‧‧照明驅動電路
110‧‧‧發光負載
120‧‧‧系統電壓源
140‧‧‧電感電流感測模組
160‧‧‧控制模組
180‧‧‧輸入電壓感測模組
190‧‧‧電壓啟動模組
Q1‧‧‧開關元件
L1‧‧‧電感元件
RS ‧‧‧感測電阻元件
為讓本揭示內容之上述和其他目的、特徵、優點與實施例能更明顯易懂，所附圖式之說明如下：第1圖繪示根據本發明之一實施例中一種照明驅動電路的操作示意圖；第2圖根據繪示根據本發明之一實施例中一種照明驅動電路的功能方塊示意圖；第3圖繪示根據第2圖之實施例中照明驅動電路之電路架構圖；以及第4圖繪示根據本發明之一實施例中照明驅動電路之 訊號時序示意圖。
100‧‧‧照明驅動電路
110‧‧‧發光負載
120‧‧‧系統電壓源
140‧‧‧電感電流感測模組
160‧‧‧控制模組
180‧‧‧輸入電壓感測模組
190‧‧‧電壓啟動模組
Q1‧‧‧開關元件
L1‧‧‧電感元件

Claims (10)

  1. 一種照明驅動電路，用以驅動一發光負載，該照明驅動電路包含：一系統電壓源；一開關元件，耦接於該系統電壓源與該發光負載之間；一電感元件，串連在該開關元件與該發光負載之間；一電感電流感測模組，包含一感測電阻元件串連在該開關元件與該電感元件之間；以及一控制模組，耦接至該開關元件之一控制端並用以控制該開關元件之導通狀態，該控制模組之一虛擬接地端耦接至該感測電阻元件與該電感元件之間，該控制模組之一電感電流感測端耦接至該感測電阻元件與該開關元件之間，該控制模組由該電感電流感測端之電壓準位計算流經該電感元件之一電感電流，其中該控制模組之一輸入電壓感測端接收來自該系統電壓源之一輸入電壓，該控制模組根據該輸入電壓使該電感電流之相位與該輸入電壓的相位同步。
  2. 如請求項1所述之照明驅動電路，其中該系統電壓源包含：一交流電壓輸入；以及一整流電路，耦接於該交流電壓輸入與該開關元件之間。
  3. 如請求項1所述之照明驅動電路，其中該照明驅動電路更包含一輸入電壓感測模組，耦接至該控制模組之該輸入電壓感測端，該輸入電壓感測模組包含：一第一分壓電阻元件，耦接於該系統電壓源與該輸入電壓感測端之間；一第二分壓電阻元件，耦接於該虛擬接地端與該輸入電壓感測端之間；以及一電容元件，耦接於該虛擬接地端與該輸入電壓感測端之間。
  4. 如請求項3所述之照明驅動電路，其中該輸入電壓感測模組用以感測來自該系統電壓源之該輸入電壓並傳送至該控制模組之該輸入電壓感測端，該控制模組根據該輸入電壓感測端上的電壓準位與該電感電流感測端的電壓準位調整該開關元件之該導通狀態，使該電感電流之相位與該輸入電壓的相位同步，其中該導通狀態包括導通頻率。
  5. 如請求項1所述之照明驅動電路，其中該電感電流依序流經該開關元件、該感測電阻元件、該電感元件以及該發光負載。
  6. 如請求項5所述之照明驅動電路，其中該控制模組根據該電感電流感測端與該虛擬接地端之間的一電壓差以及該感測電阻元件之一電阻值進而感測該電感電流。
  7. 如請求項1所述之照明驅動電路，其中該照明驅動電路更包含一電壓啟動模組，耦接至該控制模組之一啟動感測端，該電壓啟動模組包含：一電阻元件，耦接於該系統電壓源與該啟動感測端之間；一二極體，耦接於該發光負載與該啟動感測端之間；以及一電容元件，耦接於該虛擬接地端與該啟動感測端之間。
  8. 如請求項7所述之照明驅動電路，其中當該開關元件初始為關閉時，該系統電壓源之輸入電壓經由該電壓啟動模組之該電阻元件對該電容元件充電，使該啟動感測端之電壓準位提高，直到該啟動感測端之電壓準位滿足該控制模組之一啟動電壓門檻，隨後該控制模組將該關關元件導通。
  9. 如請求項8所述之照明驅動電路，其中該照明驅動電路更包含一輸出電容元件與該發光負載並連，當該開關元件導通後，該系統電壓源之輸入電壓經由該開關元件對該電感元件及該輸出電容元件進行儲能，直到該電感電流感測端之電壓準位到達該控制模組之一鎖定電壓門檻，隨後該控制模組將該關關元件關閉。
  10. 如請求項9所述之照明驅動電路，其中該控制模 組關閉該關關元件之後，該電感元件對該發光負載釋能並產生該電感電流，該控制模組由該電感電流感測端之電壓準位監控該電感電流，當該電感電流低於一電感電流門檻時該控制模組重新導通該關關元件。
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