專利名稱：發光二極管的驅動方法及裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種發光二極管的調光驅動方法及裝置，尤其涉及一種透過一交流電壓，驅動發光二極管的方法及裝置。
背景技術：
發光二極管(Light-Emitting Diode, LED)具有省電、壽命長、開關(反應)時間快的優點，已逐漸地取代鎢絲燈、熒光燈，成為主要的照明設備。如同鎢絲燈，發光二極管燈具須具備調整亮度的功能。由于發光二極管具有開關時間快的優點，發光二極管燈具一般透過一脈沖寬度調制(Pulse WidthModulation,PWM)機制，調控輸出的亮度。換句話說，發光二極管燈具透過調制發光二極管為“亮”的工作周期(duty cycle)，控制輸出的亮度。一般來說，如欲實施脈沖寬度調制機制，發光二極管燈具須先將一交流電壓，例如家用插座提供的電壓，轉換為一直流電壓，以進行后續的邏輯驅動操作。為了轉換交流電壓為直流電壓，發光二極管燈具須包含一大電容，作為電荷轉換的媒介。然而，部分燈具的成本、規格不允許設置大電容。因此，若能直接以交流電壓驅動調光發光二極管，可大幅降低發光二極管燈具的制造成本及設計難度。因此，如何直接以交流電壓驅動調光發光二極管，已成為業界的努力目標。
發明內容
因此，本發明的主要目的即在于提供一種用來調光驅動發光二極管的方法、裝置及相關脈沖寬度比例產生器。本發明公開一種發光二極管調光驅動方法，用來利用一交流輸入電壓，驅動一發光二極管，包含有接收及全波整流該交流輸入電壓，以產生一全波整流輸入電壓；根據該全波整流輸入電壓及一亮度信號，產生一脈沖寬度調制信號；根據該脈沖寬度調制信號及該全波整流輸入電壓，產生一驅動電壓；以及輸出該驅動電壓至該發光二極管。本發明還公開一種發光二極管驅動裝置，用來利用一交流輸入電壓，驅動一發光二極管，包含有一整流器，用來接收及全波整流該交流輸入電壓，以產生一全波整流輸入電壓；一輸出模塊，用來根據一脈沖寬度調制信號及該全波整流輸入電壓，產生一驅動電壓； 一輸出端，用來輸出該驅動電壓至該發光二極管；一脈沖寬度比例產生器，用來根據該全波整流輸入電壓及一亮度信號，產生該脈沖寬度調制信號；以及一開關模塊，用來根據該脈沖寬度調制信號，決定該全波整流輸入電壓至該輸出模塊的電連接。本發明還公開一種脈沖寬度比例產生器，用來根據一全波整流輸入電壓及一亮度信號，產生一脈沖寬度調制信號，包含有一比較器，用來比較該全波整流輸入電壓及一臨界電壓，以產生一比較結果；一計數器，用來根據一頻率信號的一標準周期，計算該比較結果于單一周期中顯示該全波整流輸入電壓大于該臨界電壓的一周期數；一微控制器，用來根據該周期數，決定一有效時段；以及根據該比較結果、一休息時段及一發光時段，產生該脈沖寬度調制信號；一換算裝置，用來轉換該亮度信號為一脈沖寬度百分比；以及一時段計
4算裝置，用來根據該有效時段及該脈沖寬度百分比，計算該發光時段及該休息時段。茲配合下列圖示、實施例之詳細說明及申請專利范圍，將上述及本發明之其它目的與優點詳述于后。
圖1為一發光二極管驅動裝置的示意圖。圖2A為圖1的發光二極管驅動裝置的相關信號的時序圖。圖2B為圖1的發光二極管驅動裝置的一全波整流交流輸入電壓及一脈沖寬度調制信號的時序圖。圖3為本發明實施例一發光二二極管驅動裝置的示意圖。
圖4A、圖4B及圖4C為圖3的發光二極管驅動裝置的相關信號的護
圖5為本發明實施例一發光二二極管驅動流程的示意圖。
其中，附圖標記說明如下
C電容nl節點
VINac交流輸入電壓VINfwe全波整流交流輸入電壓
VTH臨界電壓COMP比較結果
CLK頻率信號INT亮度信號
脈沖寬度百分比NUM周期數
k有效時段Tk休息時段
Tl發光時段Ts標準周期
PWM脈沖寬度調制信號VD驅動電壓
10,30發光二極管驅動裝置100橋式整流器
120開關模塊122上橋開關晶體管
124下橋開關晶體管126同相放大器
128反相放大器130輸出模塊
132輸出電感134輸出電容
136輸出端140發光二極管
310脈沖寬度比例產生器311比較器
312臨界電壓產生器313振蕩器
314計數器315換算裝置
316時段計算裝置317微控制器
50發光二極管驅動流程500、502、504、506、508、510、512、
514、516、518、520 步驟
具體實施例方式
請參考圖1，圖1為一發光二極管驅動裝置10的示意圖。發光二極管驅動裝置10 利用一交流輸入電壓VINAe，并采脈沖寬度調制(Pulse WidthModulation, PWM)機制驅動一發光二極管140。發光二極管驅動裝置10包含有一橋式整流器100、一脈沖寬度比例產生器110、一開關模塊120、一輸出模塊130及一輸出端136。橋式整流器100用來將交流輸入電壓VINac轉換為一全波整流輸入電壓VINfwk。脈沖寬度比例產生器110用來根據全波整流輸入電壓VINfwk及使用者輸入的一亮度信號INT，產生對應工作周期(dutycycle)的一脈沖寬度調制信號PWM。開關模塊120用來根據脈沖寬度調制信號PWM，控制全波整流輸入電壓 VINfwe至輸出模塊130的電連接。輸出模塊130用來根據脈沖寬度調制信號PWM及全波整流輸入電壓VINfwe,產生一驅動電壓VD。最后，輸出端136傳送驅動電壓VD至發光二極管 140，以產生使用者所需亮度的光線。舉例來說，假設使用者可透過亮度信號INT，選擇五種亮度，五種亮度分別對應于工作周期為20^30^^60^^80%及100%的脈沖寬度調制信號PWM。也就是說，使用者可選擇發光二極管140于20%、40%、60%、80%或100%的時間中發光。須注意的是，由于全波整流輸入電壓VINfwk須大于發光二極管140的一門坎電壓VTH，發光二極管140始可發光，此處所指的20^^40^^60^^80^^100%脈沖寬度調制信號PWM并未將全波整流輸入電壓VINfwe須小于門坎電壓VTH的時段列入考慮，以方便計算，如圖2A所示。然而，在發光二極管驅動裝置10中，全波整流輸入電壓VINfwe對應的一節點nl必定存在一電容C，如圖1所示。在此情況下，以脈沖寬度調制信號PWM的工作周期為60%為例，當開關模塊120關閉時，發光二極管140不抽載，造成儲存于電容C的電荷無放電路徑， 使得全波整流輸入電壓VINfwe無法如預期般下降，如圖2B所示。簡單來說，由于脈沖寬度比例產生器110須比較全波整流輸入電壓VINfwe及臨界電壓VTH，作為產生脈沖寬度調制信號PWM的依據，如圖2A所示；一旦全波整流輸入電壓VINfwk失真，脈沖寬度調制信號PWM亦隨著失真，如圖2B所示。為了解決發光二極管140不抽載造成全波整流輸入電壓VINfwk失真的問題，請參考圖3，圖3為本發明實施例一發光二極管調光驅動裝置30的示意圖。發光二極管驅動裝置30與發光二極管驅動裝置10相似，故以相同符號表示相同的組件，差別在于發光二極管驅動裝置30以一脈沖寬度比例產生器310取代圖1中的脈沖寬度比例產生器110，以調整發光二極管140的驅動方式。脈沖寬度比例產生器310包含有一比較器311、一臨界電壓產生器312、一振蕩器313、一計數器314、一換算裝置315、一時段計算裝置316及一微控制器 317。臨界電壓產生器312用來根據發光二極管140的組件特性，產生臨界電壓VTH。比較器311用來比較全波整流輸入電壓VINfwk及臨界電壓VTH，以產生一比較結果C0MP。振蕩器313用來產生一頻率信號CLK。計數器314用來根據頻率信號CLK的一標準周期Ts,計算比較結果COMP于單一周期中顯示全波整流輸入電壓VINfwk大于臨界電壓VTH的一周期數 NUM，如圖4A所示。另外，換算裝置315轉換亮度信號INT為一脈沖寬度百分比P%，例如INT P%亮度1 — 20%亮度 2 —40%亮度3 —60%亮度4 —80%亮度5 — 100%。微控制器317用來根據周期數NUM，決定一有效時段k的長短，亦即Tvl = NUMXTS。接著，時段計算裝置316根據有效時段Tvl及脈沖寬度百分比，計算一發光時段IY及一休息時段Τκ。最后，微控制器317根據比較結果C0MP、休息時段Tk及發光時段1\，產生脈沖寬度調制信號PWM。簡單來說，發光二極管驅動裝置30利用全波整流輸入電壓VINfwk的波形具有周期性、對稱性的特質，分配脈沖寬度調制信號PWM為“1”的時間，以避免全波整流輸入電壓 VINfwe因發光二極管140不抽載而失去周期性，進而產生正確的脈沖寬度調制信號PWM。具體來說，微控制器317于比較結果COMP顯示全波整流輸入電壓VINfwe小于臨界電壓VTH時，將脈沖寬度調制信號PWM調整至“0”。相反地，當比較結果COMP顯示全波整流輸入電壓VINfwe大于臨界電壓VTH時，微控制器317先將脈沖寬度調制信號PWM調至“0”， 并持續休息時段Τκ;接著，將脈沖寬度調制信號PWM調至“1”，并持續發光時段IV，如圖4B所示。如此一來，發光二極管140可于有效時段Tvl的后半周期抽載，以于下個有效時段產生正確的比較結果C0MP，進而以正確的脈沖寬度百分比驅動發光二極管140。換句話說，相較于發光二極管驅動裝置10，發光二極管驅動裝置30將發光時段IY移至有效時段 Tvl的后半段，使得儲存于電容C的電荷可透過開關模塊120放電。除了交換發光時段IY及休息時段Tk的順序外，發光二極管驅動裝置30另可于“無效時段”導通開關模塊120，以確保全波整流輸入電壓VINfwe在“無效時段”小于臨界電壓 VTH,以于下個有效時段產生正確的比較結果C0MP。由于比較結果COMP為產生脈沖寬度調制信號PWM的依據，正確的比較結果COMP可保證驅動電壓VD以正確的脈沖寬度百分比驅動發光二極管140。具體來說，微控制器317須于比較結果COMP顯示全波整流輸入電壓VINfwk小于臨界電壓VTH時，將脈沖寬度調制信號調至“ 1 ”。另外，較佳地，微控制器 317于比較結果COMP顯示全波整流輸入電壓VINfwe大于臨界電壓VTH時，將脈沖寬度調制信號PWM調至“ 1 ”，并持續發光時段IV，接著將脈沖寬度調制信號PWM切換至“0”，并持續休息時段Tk，如圖4C所示。比較圖4B及圖4C可知，即使圖4C的脈沖寬度調制信號PWM的工作周期大于圖4B 的脈沖寬度調制信號PWM的工作周期，由于驅動電壓VD須大于臨界電壓VTH始可驅動發光二極管140發光，發光二極管140于圖4B及圖4C中的發光時間均相同。也就是說，只要全波整流輸入電壓VINfwk可于“無效時段”恢復至低于臨界電壓VTH(周期性完整)，比較器 311即可產生有效時段k正確的比較結果C0MP，進而以正確的脈沖寬度百分比驅動發光二極管140，而不限于圖4B及圖4C所示的實施例。詳細來說，時段計算裝置316計算發光時段IY = ^ΧΡ%，及計算休息時段Tk = TvlX (1-P% )，亦即 Tl = NUMXP% XTs,Te = NUMX (1-P% ) XTS。如此一來，微控制器 317 可搭配計數器314的計次功能，以于適當時機切換脈沖寬度調制信號PWM的位準。舉例來說，若根據圖4A的脈沖寬度調制信號PWM產生機制，當比較結果COMP由“0”切換至“1”時， 計數器314開始每隔標準周期Ts計次一次，當次數達到NUMX (1-P% )次時，將脈沖寬度調制信號PWM由“0”切換至“ 1 ”。如此一來，發光時段IY及休息時段Tk的長度可符合脈沖寬度百分比的限制。除了脈沖寬度比例產生器310之外，開關模塊120包含有一前級端 、一上橋開關晶體管122、一下橋開關晶體管124、一同相放大器1 及一反相放大器128。上橋開關晶體管122及下橋開關晶體管IM較佳地為N型金屬氧化物半導體(Metal oxide Semiconductor,M0S)晶體管。開關模塊120的運作非本發明的重點，且為本領域具通常知識者所熟知，在此不贅述。
由圖4B及圖4C可知，全波整流輸入電壓VINFWK、脈沖寬度調制信號PWM及驅動電壓VD的關系可歸納為VD = VINfwe Π PWM。因此，輸出模塊130較佳地包含有一輸出電感 132及一輸出電容134，以透過電感、電容的頻率響應，產生驅動電壓VD。發光二極管驅動裝置30及脈沖寬度比例產生器310的操作可歸納為一發光二極管驅動流程50，如圖5所示。發光二極管驅動流程50包含下列步驟步驟500:開始。步驟502 橋式整流器100全波整流交流輸入電壓VINac,以產生全波整流輸入電壓 VINfwro步驟504 比較器311比較全波整流輸入電壓VINfwk及臨界電壓VTH，以產生比較結果COMP。步驟506 計數器314根據頻率信號CLK的標準周期Ts，計算比較結果COMP于單一周期中顯示全波整流輸入電壓VINfwk大于臨界電壓VTH的周期數NUM。步驟508 微控制器317根據周期數NUM，決定有效時段1^。步驟510 換算裝置315轉換亮度信號INT為脈沖寬度百分比。步驟512 時段計算裝置316根據有效時段IVl及脈沖寬度百分比P%，計算發光時段IY及休息時段τκ。步驟514 微控制器317根據比較結果C0MP、休息時段TR及發光時段TL，產生脈沖寬度調制信號PWM。步驟516 開關模塊120及輸出模塊130根據脈沖寬度調制信號PWM及全波整流輸入電壓VINFWR，產生驅動電壓VD。步驟518 輸出端136輸出驅動電壓VD至發光二極管140。步驟520:結束。發光二極管驅動流程50的細節可參考前述對發光二極管驅動裝置30及脈沖寬度比例產生器310的說明，在此不贅述。在公知技術中，發光二極管系由直流電壓驅動，因此須透過大電容，將家用電源提供的交流電壓轉換為直流電壓。在此情況下，部分的發光二極管燈具將因成本、規格的限制，無法將大電容納入，而無法實現。相較之下，本發明因直接以全波整流交流輸入電壓 VINfwk驅動發光二極管140，毋須使用大電容。除此之外，本發明利用全波整流交流輸入電壓VINfwk的波形的周期性及對稱性，作為脈沖寬度調制信號PWM控制發光二極管140工作周期的依據，以在不使用復雜的控制電路的前提下，驅動發光二極管140于的時間內發光。綜上所述，本發明直接交流電壓驅動發光二極管，以避免使用大電容，并利用交流電壓波形的周期性，控制發光二極管的工作周期，以調整發光二極管至所需的亮度。以上所述僅為本發明的優選實施例，凡依本發明權利要求所做的均等變化與修飾，皆應屬本發明的涵蓋范圍。
權利要求
1.一種發光二極管驅動方法，用來利用一交流輸入電壓，驅動一發光二極管，其特征在于，該發光二極管驅動方法包含有全波整流該交流輸入電壓，以產生一全波整流輸入電壓； 根據該全波整流輸入電壓及一亮度信號，產生一脈沖寬度調制信號； 根據該脈沖寬度調制信號及該全波整流輸入電壓，產生一驅動電壓；以及輸出該驅動電壓至該發光二極管。
2.如權利要求1所述的發光二極管驅動方法，其特征在于，根據該全波整流輸入電壓及該亮度信號，產生該脈沖寬度調制信號的步驟，包含有比較該全波整流輸入電壓及一臨界電壓，以產生一比較結果； 根據一頻率信號的一標準周期，計算該比較結果于單一周期中顯示該全波整流輸入電壓大于該臨界電壓的一周期數；根據該周期數，決定一有效時段； 轉換該亮度信號為一脈沖寬度百分比；根據該有效時段及該脈沖寬度百分比，計算一發光時段及一休息時段；以及根據該比較結果、該休息時段及該發光時段，產生該脈沖寬度調制信號。
3.如權利要求2所述的發光二極管驅動方法，其特征在于，根據該比較結果、該休息時段及該發光時段，產生該脈沖寬度調制信號的步驟，包含有當該微控制器于該比較結果顯示該全波整流輸入電壓小于該臨界電壓時，反使能該脈沖寬度調制信號。
4.如權利要求2所述的發光二極管驅動方法，其特征在于，根據該比較結果、該休息時段及該發光時段，產生該脈沖寬度調制信號的步驟，包含有當該比較結果顯示該全波整流輸入電壓小于該臨界電壓時，使能該脈沖寬度調制信號。
5.一種發光二極管驅動裝置，用來利用一交流輸入電壓，驅動一發光二極管，其特征在于，該發光二極管驅動裝置包含有一整流器，用來全波整流該交流輸入電壓，以產生一全波整流輸入電壓； 一輸出模塊，用來根據一脈沖寬度調制信號及該全波整流輸入電壓，產生并輸出一驅動電壓；一輸出端，用來輸出該驅動電壓至該發光二極管；一脈沖寬度比例產生器，用來根據該全波整流輸入電壓及一亮度信號，產生該脈沖寬度調制信號；以及一開關模塊，用來根據該脈沖寬度調制信號，決定該全波整流輸入電壓至該輸出模塊的電連接。
6.如權利要求5所述的發光二極管驅動裝置，其特征在于，該脈沖寬度比例產生器包含有一比較器，用來比較該全波整流輸入電壓及一臨界電壓，以產生一比較結果； 一計數器，用來根據一頻率信號的一標準周期，計算該比較結果于單一周期中顯示該全波整流輸入電壓大于該臨界電壓的一周期數；一微控制器，用來根據該周期數，決定一有效時段，并根據該比較結果、一休息時段及一發光時段，產生該脈沖寬度調制信號；一換算裝置，用來轉換該亮度信號為一脈沖寬度百分比；以及一時段計算裝置，用來根據該有效時段及該脈沖寬度百分比，計算該發光時段及該休息時段。
7.如權利要求5所述的發光二極管驅動裝置，其特征在于，該輸出模塊包含有一輸出電感，耦接于該開關模塊及該輸出端之間；以及一輸出電容，耦接于該輸出端及一地端之間。
8.—種脈沖寬度比例產生器，用來根據一全波整流輸入電壓及一亮度信號，產生一脈沖寬度調制信號，其特征在于，該脈沖寬度比例產生器包含有一比較器，用來比較該全波整流輸入電壓及一臨界電壓，以產生一比較結果；一計數器，用來根據一頻率信號的一標準周期，計算該比較結果于單一周期中顯示該全波整流輸入電壓大于該臨界電壓的一周期數；一微控制器，用來根據該周期數，決定一有效時段，并根據該比較結果、一休息時段及一發光時段，產生該脈沖寬度調制信號；一換算裝置，用來轉換該亮度信號為一脈沖寬度百分比；以及一時段計算裝置，用來根據該有效時段及該脈沖寬度百分比，計算該發光時段及該休息時段。
9.如權利要求8所述的脈沖寬度比例產生器，其特征在于，另包含有一臨界電壓產生器，用來產生該臨界電壓；以及一振蕩器，用來產生該頻率信號。
10.如權利要求8所述的脈沖寬度比例產生器，其特征在于，該微控制器是于該比較結果顯示該全波整流輸入電壓小于該臨界電壓時，反使能該脈沖寬度調制信號。
11.如權利要求10所述的脈沖寬度比例產生器，其特征在于，該微控制器是于該比較結果顯示該全波整流輸入電壓大于該臨界電壓時，先持續該休息時段反使能該脈沖寬度調制信號，再持續該發光時段使能該脈沖寬度調制信號。
12.如權利要求8所述的脈沖寬度比例產生器，其特征在于，該微控制器是于該比較結果顯示該全波整流輸入電壓小于該臨界電壓時，使能該脈沖寬度調制信號。
13.如權利要求12所述的脈沖寬度比例產生器，其特征在于，該微控制器是于該比較結果顯示該全波整流輸入電壓大于該臨界電壓時，先持續該發光時段使能該脈沖寬度調制信號，再持續該休息時段反使能該脈沖寬度調制信號。
全文摘要
本發明公開了一種發光二極管調光驅動方法，用來利用一交流輸入電壓，驅動一發光二極管。該發光二極管驅動方法包含有接收及全波整流該交流輸入電壓，以產生一全波整流輸入電壓；根據該全波整流輸入電壓及一亮度信號，產生一脈沖寬度調制信號；根據該脈沖寬度調制信號及該全波整流輸入電壓，產生一驅動電壓；以及輸出該驅動電壓至該發光二極管。
文檔編號H05B37/02GK102316626SQ20101022644
公開日2012年1月11日 申請日期2010年7月8日 優先權日2010年7月8日
發明者尹又本, 洪哲民, 謝致遠, 陳易楓 申請人:聯詠科技股份有限公司