電流模式調節器和應用其的調光電路的製作方法

2023-10-19 05:11:52

專利名稱：電流模式調節器和應用其的調光電路的製作方法
技術領域：
本發明涉及調光電路，更具體地說，涉及基於電流控制模式來進行調光。
背景技術：
對室內燈光的強度進行調光(dimming)對於人們的居住舒適性來說很有必要。然而，不管是CFL (Compact Fluorescent Lamps,緊湊型突光燈)照明還是LED (LightEmitting Diode，發光二極體)照明，節能、低成本且可靠的調光模塊都並非易事。因為調光模塊廣泛用於室內燈光的調光，所以其可能需要與當前白熾燈泡的S C R (S i I i c ο ηController Rectifier,可控娃整流器)或TRIAC(Triode AC Semiconductor Switch,三端雙向交流開關)控制器相配。現有技術中的調光電路一般為壓控電路，其感測電壓變化，電壓變化與斬波後的調光電流成比例，然後其感測信號部分以控制與LED模塊串聯的FET (FieId EffectTransistor,場效應電晶體)。FET根據PWM(Pulse Width Modulation,脈寬調製)控制器或線性後級調節器(linear post regulator)的控制而執行導通和截止操作。已經開發出基於現有技術的一些集成電路，並且市場上有售。然而，這些電壓模式控制器存在一些內在缺點。因為在許多國家中電壓突增是不可預期的，所以線路瞬時電壓可能毀壞PWM控制器或FET。因此，在這些照明應用中，可靠性是必須要考慮的問題。此外，當LED電流通過時，FET將引入歐姆損失以提供電壓降，以致溫度升高並影響可靠性。此外，因為需要以IC形式來設計複雜的補償和控制電路，所以成本高且尺寸大，而這在許多應用中由於空間有限而是不可接受的。

發明內容
本發明實施例提供了 一種調光電路，其能夠基於電流控制模式來進行調光。根據本發明的一個方面，提供了一種調光電路，包括:三端雙向交流開關(TRIAC)調光模塊，用於根據交流(AC)電源的信號而輸出相應的線路電流；以及電流模式調節器，用於感測所述線路電流的波形，並將其轉換為矩形電流波並輸出，以調節發光二極體(LED)模塊的光輸出強度。根據本發明的另一個方面，提供了一種用於調光的方法，包括:感測從三端雙向交流開關(TRIAC)調光模塊輸出的線路電流的波形，並將其轉換為矩形電流波並輸出，以調節發光二極體(LED)模塊的光輸出強度。因此，根據本發明實施例，通過基於電流控制模式，與傳統的基於電壓控制模式的調光電路相比，可以提供更精確的信號，從而提高了調光電路的可靠性。


從下面結合附圖進行的詳細描述中將更清楚地理解本發明構思的示例實施例，在附圖中:圖1是示出典型調光電路的配置的示意圖；圖2是示出根據本發明實施例的基於電流控制模式的調光電路的示範性框圖；圖3示出根據本發明實施例的電流模式調節器的示範性框圖；圖4(a)至圖4(c)示出根據本發明實施例的TRIAC調光模塊的輸出電流與電流模式調節器的輸出電流之間的示範性關係的波形圖；圖5(a)和圖5(b)示出根據本發明實施例的電流模式調節器的第一示範性實施例的示範性電路圖及其相應的輸入電流Id與輸出電壓Vds的特性圖；圖6(a)和圖6(b)示出根據本發明實施例的電流模式調節器的第二示範性實施例的示範性電路圖及其相應的輸入電流Id與輸出電壓Vds的特性圖；圖7示出了根據本發明實施例的CMR的簡化框圖；圖8示出根據本發明的第一示範性實施例的調光電路的框圖；圖9示出根據本發明的第二示範性實施例的調光電路的框圖；圖10示出根據本發明的第三示範性實施例的調光電路的框圖；圖11示出根據本發明的第四示範性實施例的調光電路的框圖；圖12示出具有根據本發明實施例的CMR和不具有所述CMR的模擬電流波形；圖13示出具有根據本發明實施例的CMR和不具有所述CMR的調光線性度比較；以及圖14示出根據本發明實施例來進行調光的方法的示範性流程圖。
具體實施例方式提供參考附圖的下面描述以幫助全面理解由權利要求及其等價物限定的本發明的示範性實施例。其包括各種細節以助於理解，而應當將它們認為僅僅是示範性的。因此，本領域普通技術人員應當認識到，可以對這裡描述的實施例做出各種改變和修改，而不會背離本發明的範圍和精神。同樣，為了清楚和簡明，省略了對公知功能和結構的描述。將理解，當一元件被稱為「連接」或「耦接」到另一元件時，其可以直接連接或耦接到另一元件、或者可以存在中間元件。相反，當一元件被稱為「直接連接」或「直接耦接」到另一元件時，不存在中間元件。用來描述元件之間的關係的其他詞語應被以相似方式來解釋(例如，「之間」相對於「直接之間」、「相鄰」相對於「直接相鄰」等)。圖1是示出典型調光電路的配置的示意圖。在圖1示出的典型調光電路中，為了通過傳統的電壓控制模式操作來獲得正確的調光動作，必須具有大量保護和輔助電路功能。在電壓控制模式電路中，必須執行兩類基本功能:防止由於瞬時電壓帶來的破壞或失火(misfire)以及在TRAIC截止期間保持電流。因為在許多國家和地區電壓總是發生變化，所以這些電路的可靠性和有效性是一直在關注的問題。圖2是示出根據本發明實施例的基於電流控制模式的調光電路200的示範性框圖。如同圖2中所示，調光電路200可以包括三端雙向交流開關(TRIAC)調光模塊201和電流模式調節器202。
TRIAC調光模塊201用於根據交流(AC)電源的信號而輸出相應的線路電流。電流模式調節器202用於感測所述線路電流的波形，並將其轉換為矩形電流波並輸出，以調節發光二極體(LED)模塊的光輸出強度。在現有的電壓控制模式中，因為在電壓中存在許多高階諧波，所以可能引起較高的突增電壓而破壞整個電路的可靠性。根據本發明實施例的調光電路200基於電流控制模式，因此與傳統的基於電壓控制模式的調光電路相比，可以提供更精確的信號，從而提高了調光電路的可靠性。因此，可以基於從電流模式調節器202的C、D兩端輸出的電流，通過與調光電路200電連接的LED模塊中的一個或多個LED的導通和截止來調節LED模塊的光輸出強度。優選地，可以基於從電流模式調節器202的C、D兩端中輸出的、流過LED模塊的矩形電流波的幅度、即電流電平來改變LED模塊的光輸出強度。但是，本發明不限於此，本領域技術人員也可以利用電流的其他特性來改變LED模塊的光輸出強度。下面，將參考附圖更詳細地描述根據本發明實施例的電流模式調節器。圖3示出根據本發明實施例的電流模式調節器(regulator) 202的示範性框圖。如圖3中所示，電流模式調節器202可以包括電流感測部件301、第一級驅動器302和第二級驅動器303。電流感測部件301用於感測輸入的線路電流，例如，線路電流可以是從圖2中所示的TRIAC調光模塊201中輸出的電流，且其經由圖3的A、B兩端流入電流感測部件301中。第一級驅動器302用於傳送所述線路電流。第二級驅動器303用於將所述線路電流轉換為矩形電流波並輸出，例如，如圖3中所示第二級驅動器303可以經由C、D兩端輸出矩形電流波。圖4示出根據本發明實施例的TRIAC調光模塊201的輸出電流與電流模式調節器202的輸出電流之間的示範性關係的波形圖。結合圖2-圖4,圖4中的(a)示出交流(Alternating Current, AC)電源輸入到TRICA調光模塊201中的電流的波形圖，AC電源的電流可以為正弦(或餘弦)波形。圖4中的(b)示出從TRIAC調光模塊輸出的、輸入到電流模式調節器202中的線路電流。這裡，(b)中示出的波形為TRIAC模塊對正弦波進行斬波後得到的結果。此外，電流模式調節器202的A、B兩端的波形可以不被斬波而為類似正弦波的形狀。但是，本發明不限於此，並且本領域技術人員可以通過調整TRIAC調光模塊201的相位來控制輸入到電流模式調節器202的A、B兩端的波形。對TRIAC調光模塊201的相位控制為本領域技術人員所熟知，因此這裡省略對其的詳細描述。圖4中的(c)示出從電流模式調節器202的C、D兩端輸出的矩形電流波的波形。可以看出，當AC電源的正弦電流波達到一預設的閾值電平Ith時，C、D兩端之間的輸出電流可以為「高」，否則可以為「低」，反之亦然。例如，對於邏輯輸出，「高電平」可以被表示為「I」，而低電平可以被表示為「O」。優選地，在穩定工作期間，輸入到電流模式調節器的AB兩端的、經斬波後的電流的正弦電流波的RMS(Root Mean Square,方均根)與輸出的矩形電流的RMS相同。此後，將參照附圖詳細描述根據本發明實施例的電流模式調節器的示範性電路配置。
圖5示出根據本發明的電流模式調節器的第一示範性實施例500的示範性電路圖及其相應的輸入電流Id與輸出電壓Vds的特性圖，其中，圖5中的(a)示出電流模式調節器的第一不範性實施例500的不範性電路圖，而圖5中的(b)不出輸入電流Id與輸出電壓Vds的特性圖。如圖5的(a)中所示，電流模式調節器500可以包括一發光二極體作為電流感測部件301、一雙極結型電晶體(BJT)作為第一級驅動器302以及一結型場效應電晶體(Junction Field Effect Transistor, JFET)作為第二級驅動器303。這裡，雖然在圖中將BJT示出為η型，但是顯然其也可以分別為P型。類似地，JFET可以為ρ溝道或η溝道JFET0優選地，發光二極體的正負兩端可以作為電流模式調節器500的兩個輸入端Α、Β，以感測輸入的線路電流。BJT的基極接收來自發光二極體的信號，且BJT的發射極連接到FET的柵極，而其集電極連接到FET的漏級。FET的漏級和源極可以作為電流模式調節器500的兩個輸出端C、D。這裡，作為第一級驅動器302的BJT可以進一步為光敏三極體。發光二極體和光敏三極體可以為分立元件。可替換地，可以將圖5中的(a)中的發光二極體和BJT(具體地，可以是光敏三極體)集成為一個光電耦合器件(Photo coupler)，其中發光二極體作為光電耦合器件的發射端，而光敏三極體作為光電耦合器件的接收端。當利用光電耦合器來作為電流模式調節器500的電流感測部件301和第一級驅動器302時，可以將電流模式調節器500稱為光電耦合型電流模式調節器。

此外，雖然在圖5的(a)中示出利用JFET來作為第二級驅動器303，但是，本發明不限於此，還可以利用常開(normally on)/常閉(normally off)的ρ溝道/n溝道金屬氧化物半導體場效應電晶體(MOSFET)來作為第二級驅動器303。當採用常開MOSFET作為第二級驅動器303時，常開MOSFET可以為耗盡型(cbpletion)。參照圖5中的(b)，Id為電流模式調節器500的A、B兩端之間的輸入線路電流，例如可以為圖4中的(b)所示的對正弦波進行斬波後得到的波形，且Vds為從電流模式調節器500的C、D兩端輸出的矩形電流波。正弦波在一開始的時候具有比較小的電壓，所以產生的電流Id比較小，而常開FET在電壓較小的狀況下，具有較低的電阻。反之，當正弦波達到高峰時電壓變大，電流也變大，而常開FET在電壓較大的狀況下，具有較高的電阻。因此，如圖5的(b)中所示，在ID<Ith(例如，對於光電耦合型電流模式調節器500，該Ith可以為ImA)的情況下，在C、D兩端呈現出的電阻值接近於O。在Id彡Ith的情況下，在C、D兩端呈現出的電阻值顯然大於0，且Id與Vds之間呈線性關係。因此，根據本發明的電流模式調節器的第一示範性實施例可以調節TRIAC調光模塊的輸出電流以使其變得更加平坦，因為平坦的電流有利於LED的使用，並且可以減小外部電阻器的阻抗(impedance),所以可以提高高壓發光二極體(High Voltage LightEmitting Diode, HV LED)電路中的總效率。圖6示出根據本發明的電流模式調節器的第二示範性實施例600的示範性電路圖及其相應的輸入電流Id與輸出電壓Vds的特性圖，其中，圖6中的(a)示出電流模式調節器的第二不範性實施例600的不範性電路圖，而圖6中的(b)不出輸入電流Id與輸出電壓Vds的特性圖。
與圖5中示出的根據本發明的電流模式調節器的第一示範性實施例500不同的是，根據本發明的電流模式調節器的第二示範性實施例600利用電流變換器(currenttransformer)來作為電流感測部件301，且利用BJT來作為第一級驅動器302。優選地，電流變換器的初級線圈的兩端可以作為電流模式調節器600的兩個輸入端A、B，以感測輸入的線路電流，並且電流變換器的次級線圈的同相端(同名端)連接到BJT的基極，而其異相端(異名端)連接到BJT的發射極。BJT的基極接收來自電流變換器的信號，且BJT的發射極連接到FET的柵極，而其集電極連接到FET的漏級。FET的漏級和源極可以作為電流模式調節器600的兩個輸出端C、D。這裡，雖然在圖中將BJT示出為η型，但是顯然其也可以分別為ρ型。類似地，JFET可以為P溝道或η溝道JFET。此外，雖然在圖6的(a)中示出利用JFET來作為第二級驅動器303，但是，本發明不限於此，還可以利用常開/常閉的P溝道/n溝道金屬氧化物半導體場效應電晶體(MOSFET)來作為第二級驅動器303。當採用常開MOSFET作為第二級驅動器303時，常開MOSFET可以為耗盡型。除此以外，根據本發明的電流模式調節器的第二示範性實施例600與根據本發明的電流模式調節器的第一示範性實施例500具有類似的功能和配置，且其Id與Vds之間也呈線性關係，因此其具體內容在此不再贅述。當採用電流變換器來作為電流感測部件301時，可以將電流模式調節器600稱為電流變換器型電流模式調節器。根據實際設計，對於電流變換器型電流模式調節器600的Ith可以與光電耦合型電流模式調節器500的Ith相同或不同。雖然這裡描述了光電耦合型和電流變換器型的電流模式調節器，但是本發明實施例不限於此，本領域技術人員還可以根據設計需求等採用其他合適的器件來具體化電流模式調節器中的各個元件，只要其能實現類似的功能即可。此後，將參照附圖描述採用根據本發明實施例的電流模式調節器(此後，將簡稱為 「CMR」，即 Current Mode Regulator)的調光電路。圖7示出了根據本發明實施例的CMR的簡化框圖。其中，A、B兩端為輸入線路電流的端子，而C、D兩端為輸出矩形電流的端子，且C端和D端與LED模塊串聯連接。此外，
A、B端與C、D端之間是電隔離的。根據本發明實施例的CMR可以用於與LED模塊電連接，且LED模塊可以包括一個或多個LED。例如，LED模塊可以為其內封裝有一個或多個LED的單個晶片，或者可以為多個LED經過封裝之後再串聯在一起形成的模塊。下面，將參照附圖詳細描述包括根據本發明實施例的電流模式調節器的調光電路。圖8示出根據本發明的第一示範性實施例的調光電路800的框圖。如圖8中所示，調光電路800可以包括TRIAC調光模塊801、橋802、LED模塊803以及 CMR 804。CMR 804的C、D兩端與LED模塊803電連接，且其A端和B端感測由TRIAC調光模塊801所輸出的線路電流。對於2-4瓦特的燈泡，TRIAC調光模塊801可以輸出的電流大約為10-20mA。當在CMR 804的A、B兩端之間流動的輸入電流達到一預設的閾值電平Ith時，自輸入電流大於預設的閾值電平Ith的時間點開始，輸出電流為矩形電流波的高電平(或低電平)。因此，可以根據在CMR 804的C、D兩端之間流動的矩形電流波來調節與其電連接的LED模塊803的光輸出強度。因此，可以基於從C、D兩端輸出的矩形電流波，通過LED模塊803中的一個或多個LED的導通和截止來調節LED模塊803的光輸出強度。優選地，可以根據該矩形電流波的電流電平來調節LED模塊803的光輸出強度。但是，本發明不限於此，本領域人員可以根據需要利用該電流波的電流電平、或者任何其他特性或特性的組合來調節光輸出強度。與傳統的調光電路相比，因為根據本發明的第一示範性實施例的調光電路800基於電流控制模式，所以可以執行更為簡單和有效的轉換，並且顯著減小了電路尺寸並節約了成本。圖9示出根據本發明的第二示範性實施例的調光電路900的框圖。如圖9中所示，調光電路900可以包括TRIAC調光模塊901、橋902、LED模塊903、CMR 904 和開啟電阻器(start-up resister) 905。除了在CMR 904的B端與TRIAC調光模塊901之間電連接有一開啟電阻器905外，根據本發明的第二示範性實施例的調光電路900的配置與圖8中根據本發明的第一示範性實施例的調光電路800基本相同 或類似，因此這裡不再贅述。圖9中所示的開啟電阻器905用於在低電流操作期間為整個電路提供保持電流。例如，開啟電容器905可以為1750 Ω。圖10示出根據本發明的第三示範性實施例的調光電路1000的框圖。如圖10中所示，調光電路1000可以包括TRIAC調光模塊1001、橋1002、LED模塊
1003、CMR 1004、分段導通控制電路1005以及多個開關％、Q2、......、QN_」QN。這裡，也可
以將LED模塊1003中的一個或多個LED分為N組，N為大於等於I的整數，且每組中的LED的數量可以相同或不同。第i個開關Qi可以與第i組LED並聯連接，以控制該組LED的導通和截止其中，I < i < N且i為整數。在該調光電路1000中，分段導通控制電路1005被連接在TRIAC調光模塊1001與
CMR 1004之間，並且多個開關或開關組Qp Q2........Qn+ Qn中的每個的控制端連接到分
段導通控制電路1005。根據TRIAC調光模塊1001的線路電壓，分段導通控制電路1005可以以組為單位來分段導通該LED模塊1003中的LED。CMR 1004以與前述類似的方式、基於從其C、D兩端輸出的矩形電流波，通過LED模塊1003中的一個或多個LED的導通和截止來調節LED模塊1003的光輸出強度。也就是說，可以通過導通不同數目的LED來調節光輸出強度。例如，如果一個LED的閾值電壓Vth = 3V，則20個串聯LED的總Vth = 60V。根據傳統技術，在電壓(一般的交流電壓)在0-60V的期間內，LED模塊1003內的任何LED都是不會發亮的。但是，根據本發明的第三示範性實施例的調光電路1000可以使得LED模塊1003內的部分LED在0-60V範圍內也可發光。此外，可以根據對《 =+ /取整來確定在輸入電壓較低的情況下導通的開關
Vmax
或開關組Qn、Qim........Qn，其中，N表示開關或開關組Q的總數量，Vin表示輸入的電壓，Vmax表示輸入峰值電壓的有效值。例如，在一般民用電壓的情況下，
權利要求
1.一種調光電路，其特徵在於，包括: 三端雙向交流開關(TRIAC)調光模塊，用於根據交流(AC)電源的信號而輸出相應的線路電流；以及 電流模式調節器，用於感測所述線路電流的波形，並將其轉換為矩形電流波並輸出，以調節發光二極體(LED)模塊的光輸出強度。
2.根據權利要求1所述的調光電路，其特徵在於:所述LED模塊的光輸出強度基於所述LED模塊中的一個或多個LED的導通和截止來調節。
3.根據權利要求2所述的調光電路，其特徵在於:所述LED模塊的光輸出強度基於從所述電流模式調節器輸出的、流過所述LED模塊的矩形電流波的幅度而改變。
4.根據權利要求2或3所述的調光電路，其特徵在於，所述電流模式調節器包括: 電流感測部件，用於感測從所述TRIAC調光模塊輸出的線路電流； 第一級驅動器，用於傳送所述線路電流；以及 第二級驅動器，用於將所述線路電流轉換為矩形電流波並輸出。
5.根據權利要求4所述的調光電路，其特徵在於: 所述電流感測部件是發光二極體或電流變換器； 所述第一級驅動器是雙極結型電晶體(BJT);並且 所述第二級驅動器是金屬氧化物半導體場效應電晶體(MOSFET)或結型場效應電晶體(JFET)。
6.根據權利要求5所述的調光電路，其特徵在於: 當所述電流感測部件是發光二極體且所述第一級驅動器為光敏電晶體時，該發光二極體和光敏三極體被集成為光電稱合器件。
7.根據權利要求5所述的調光電路，其特徵在於: 當所述電流感測部件是發光二極體且所述第一級驅動器為光敏電晶體時，該發光二極體和光敏三極體為分立元件。
8.根據權利要求5所述的調光電路，其特徵在於，所述調光電路還包括: 分段導通控制器，用於根據從所述TRIAC調光模塊輸出的信號的電壓，來分段導通所述LED模塊中的一個或多個LED。
9.根據權利要求8所述的調光電流，其特徵在於:當所述信號的電壓變高時，所述分段導通控制器導通更多的LED ;而當所述信號的電壓變低時，所述分段導通控制器導通更少的 LED。
10.一種用於調光的方法,其特徵在於,包括: 感測從三端雙向交流開關(TRIAC)調光模塊輸出的線路電流的波形，並將其轉換為矩形電流波並輸出，以調節發光二極體(LED)模塊的光輸出強度。
全文摘要
本發明實施例提供了一種調光電路和用於進行調光的方法。所述調光電路包括TRIAC調光模塊，用於根據AC電源的信號而輸出相應的線路電流；以及電流模式調節器，用於感測所述線路電流的波形，並將其轉換為矩形電流波並輸出，以基於矩形電流波來調節LED模塊的光輸出強度。因此，本發明實施例可以提供更精確的信號，從而提高了調光電路的可靠性。
文檔編號H05B37/02GK103179734SQ201110441118
公開日2013年6月26日 申請日期2011年12月26日 優先權日2011年12月26日
發明者吳仁釗 申請人:晶元光電股份有限公司, 晶宇光電(廈門)有限公司