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    • 专利摘要:
    一種自動光通量控制電路，包含：一偵測模組，具有：一電流源，電連接於一用於偵測溫度的固態發光元件，並提供一工作電流給該用於偵測溫度的固態發光元件；及一第一儀表放大器，偵測用於偵測溫度的固態發光元件之順向偏壓而據以提供一正比於順向偏壓的第一偵測電壓；一補償電壓轉換模組，根據第一及第二參考電壓與第一偵測電壓進行轉換以得到一反向於順向偏壓增減的補償電壓；及一電功率控制模組，根據該補償電壓、一所控制的固態發光元件之順向偏壓提供一追隨環境溫度上升的驅動電流到該所控制的固態發光元件。
    公开号:TW201314400A
    申请号:TW100134580
    申请日:2011-09-26
    公开日:2013-04-01
    发明作者:Tai-Ping Sun；jia-hong Wang；Li-Wen Mao
    申请人:Univ Nat Chi Nan；
    IPC主号:H05B45-00
    专利说明:
    自動光通量控制系統、裝置、電路及偵測模組
    本發明是有關於一種系統、裝置及電路及模組，特別是指一種自動光通量控制系統、裝置、電路及偵測模組。
    發光二極體之順向偏壓(Forward Voltage)會受環境溫度(Ambient Temperature)之影響。如圖1、圖2所示，分別為發光二極體以連續波、非連續波的固定工作電流驅動時之順向偏壓與光通量的變化情況，當環境溫度上升時將導致該發光二極體之順向偏壓下降，使得光通量(Luminous Flux，正比於發光功率=順向偏壓×工作電流)隨著環境溫度上升而降低，因此單純使用發光二極體而不進行光通量控制時，很容易導致光通量不穩定的情形。
    如圖3所示，於中華民國專利申請第92107029號「自動功率控制器」中揭露一種習知的光通量控制電路1，適用於光碟驅動裝置中以控制一作為光學頭的發光二極體15(或雷射二極體)的發光功率，進而控制光通量，且該光通量控制電路1包含：一偵測模組10、一信號源11、一積分模組12，及一驅動模組13。
    該偵測模組10用於接收來自該發光二極體15的輸出光線以偵測其發光功率，並產生一大小正比於該發光功率的偵測電壓V3，其中，該發光功率P=VF×I，參數VF、I分別是該發光二極體15的一順向偏壓和一工作電流，且該偵測模組10包括一光偵測器101和一前端放大器102，又該光偵測器101和該前端放大器102的詳細操作可參閱中華民國專利申請第92107029號，故不重述。
    該信號源11用於提供一參考電壓V1，且參考電壓V1的大小可隨著不同的期望發光功率動態地調整。
    該積分模組12電連接於該信號源11以接收該參考電壓V1，並電連接於該偵測模組10以接收該偵測電壓V3，且根據該參考電壓V1與該偵測電壓V3之一電壓差進行積分運算以得到一積分電壓V2，其中，當該發光功率減少使偵測電壓V3隨著減少時導致該電壓差增加，該積分電壓V2隨著增加，當該發光功率增加使偵測電壓V3隨著增加時導致該電壓差減少，該積分電壓V2隨著減少。
    驅動模組13電連接於該積分模組12和該發光二極體15之間，並從該積分模組12接收該積分電壓V2，並據以輸出該正比於該積分電壓V2的工作電流I以驅動該發光二極體15，且該驅動模組13包括一可切換增益放大器131和一驅動單元132，又該可切換增益放大器131和該驅動單元132的詳細操作可參閱中華民國專利申請第92107029號，故不重述。
    當該發光二極體15隨著環境溫度上升而使其順向偏壓VF下降進而導致該發光功率降低時，偵測模組10所產生的該偵測電壓V3將隨著變小，又該參考電壓V1不變，所以參考電壓V1與該偵測電壓V3之差值V1-V3將增加，使得該積分電壓V2對應增加，進而該工作電流I也增加，因此能藉由增加的工作電流I來補償減少的偏壓電壓VF，以維持發光功率P固定。
    由上述可知，習知光通量控制電路1主要是採用該偵測模組10的光偵測器101來從該發光二極體15的輸出光線變化以得知發光功率的變化，再依據偵測電壓V3的變化來調整提供到該發光二極體15的工作電流I，藉此設計以達到使發光功率維持穩定的目的，但是習知光通量控制電路1具有以下缺點：由於該發光二極體15的輸出光線指向性不佳，該光偵測器101與該發光二極體15的距離、位置、環境的光害、光偵測器101的敏感度都會對偵測電壓V3產生影響，所以在發光功率的控制上很容易有誤差，因此上述該等原因會使採用光偵測器101的該光通量控制電路1，於環境溫度變化時難以穩定維持該發光二極體15的發光功率及光通量，而具有較差的發光功率及光通量維持效果。
    因此，本發明之第一目的，即在提供一種解決上述問題的自動光通量控制系統。
    該自動光通量控制系統，包含：一所控制固態發光元件，及一自動光通量控制裝置。該所控制固態發光元件於定電流驅動下提供一增減反向於環境溫度變化的順向偏壓，且具有一接收一偏壓電壓的陽極及一陰極。該自動光通量控制裝置包括：一用於偵測溫度的固態發光元件，及一自動光通量控制電路。該用於偵測溫度的固態發光元件於定電流驅動下提供一增減反向於環境溫度變化的順向偏壓，且具有一接收該偏壓電壓的陽極及一陰極。該自動光通量控制電路具有：一偵測模組、一補償電壓運算模組，及一電功率控制模組。該偵測模組具有一電流源，及一第一儀表放大器。該電流源電連接於該用於偵測溫度的固態發光元件之陰極，且提供一呈定值之工作電流以驅動該用於偵測溫度的固態發光元件。該第一儀表放大器具有一電連接於該用於偵測溫度的固態發光元件之陽極的非反相輸入端、一電連接於該用於偵測溫度的固態發光元件之陰極的反相輸入端，及一輸出端，且該第一儀表放大器根據其非反相及反相輸入端之壓差來得到該用於偵測溫度的固態發光元件之該順向偏壓，並據以從該第一儀表放大器之輸出端提供一正比於該順向偏壓的第一偵測電壓。該補償電壓運算模組電連接於該第一儀表放大器的輸出端以接收該正比於該順向偏壓的第一偵測電壓，且接收一第一參考電壓和一第二參考電壓，並根據該第一及第二參考電壓、與該第一偵測電壓進行運算以得到一反向於該順向偏壓增減的補償電壓。該電功率控制模組電連接於該補償電壓運算模組以接收該補償電壓、電連接於該所控制的固態發光元件之陽極與陰極以偵測該所控制的固態發光元件之該順向偏壓，並根據該補償電壓、該所控制的固態發光元件之順向偏壓提供一追隨環境溫度上升的驅動電流到該所控制的固態發光元件之陰極。
    較佳的，該電功率控制模組包括：一電壓至電流轉換單元、一第二儀表放大器、一乘法器，及一驅動電壓產生單元。該電壓至電流轉換單元電連接於該所控制的固態發光元件之陰極，且接收一驅動電壓，並將該驅動電壓轉換成該正比於該驅動電壓的驅動電流，並將該驅動電流提供給該所控制的固態發光元件，且該電壓至電流轉換單元更提供一正比於該驅動電流的回授電壓。該第二儀表放大器具有一電連接於該所控制的固態發光元件之陽極的非反相輸入端、一電連接於該所控制的固態發光元件之陽極的反相輸入端，及一輸出端，且該第一儀表放大器根據其非反相及反相輸入端之壓差來得到該所控制的固態發光元件之順向偏壓，並據以從該第二儀表放大器之輸出端提供一正比於該所控制的固態發光元件之順向偏壓的第二偵測電壓。該乘法器電連接於該第二儀表放大器以接收該第二偵測電壓、電連接於該電壓至電流轉換單元以接收該回授電壓，並根據該第二偵測電壓與該回授電壓進行乘法運算以得到一乘積電壓。該驅動電壓產生單元電連接於該補償電壓運算模組以接收該補償電壓、電連接於該乘法器以接收該乘積電壓，並根據該補償電壓與該乘積電壓之壓差來得到該驅動電壓。
    較佳的，且該電壓至電流轉換單元具有：一電晶體、一運算放大器、一運算放大器，及一電阻。該電晶體具有一電連接於該所控制的固態發光元件之陰極的第一端、一第二端，及一控制端。該運算放大器具有一電連接於該電晶體之第二端的反相輸入端、一接收該驅動電壓的非反相輸入端及一電連接於該電晶體之控制端的輸出端。該電阻具有一電連接於該電晶體之第二端且提供該回授電壓的第一端，和一接地的第二端。
    較佳的，該電壓至電流轉換單元的電晶體是一N型金氧半導體場效電晶體，且該第一端是汲極，該第二端是源極，該控制端是閘極。
    較佳的，且該驅動電壓產生單元具有：一第三儀表放大器、一脈波信號產生器，及一開關。該第三儀表放大器，具有一電連接於該補償電壓運算模組以接收該補償電壓的非反相輸入端、一電連接於該乘法器以接收該乘積電壓的反相輸入端，及一提供該驅動電壓的輸出端。該脈波信號產生器，用於產生一脈波調變信號。該開關具有一電連接於該第三儀表放大器之輸出端以接收該驅動電壓的第一端、一電連接於該電壓至電流轉換單元的第二端，及一電連接於該脈波信號產生器以接收該脈波調變信號的控制端，並根據該脈波調變信號而使其第一及第二端於導通狀態或不導通狀態之間切換，以將該驅動電壓傳遞或不傳遞到該電壓至電流轉換單元。
    較佳的，該驅動電壓產生單元的開關是一N型金氧半導體場效電晶體，且該第一端是汲極，該第二端是源極，該控制端是閘極。
    較佳的，該補償電壓如下所示：
    VC=G1×(Vref1-VF)+Vref2
    其中，該參數VC、VF、Vref1、Vref2、G1分別是該補償電壓、該順向偏壓、該第一參考電壓、第二參考電壓、該補償電壓運算模組提供的增益值。
    較佳的，該所控制的固態發光元件是一發光二極體或一雷射二極體。
    較佳的，該用於偵測溫度的的固態發光元件是一發光二極體或一雷射二極體。
    本發明之第二目的，即在提供一種自動光通量控制裝置。
    該自動光通量控制裝置，適用於電連接於一所控制的固態發光元件，該所控制固態發光元件於定電流驅動下提供一增減反向於環境溫度變化的順向偏壓，且具有一接收一偏壓電壓的陽極及一陰極，且該自動光通量控制裝置包含：一用於偵測溫度的固態發光元件，及一自動光通量控制電路。該用於偵測溫度的固態發光元件於定電流驅動下提供一增減反向於環境溫度變化的順向偏壓，且具有一接收該偏壓電壓的陽極及一陰極。該自動光通量控制電路，具有：一偵測模組、一補償電壓運算模組，及一電功率控制模組。該偵測模組具有：一電流源，及一第一儀表放大器。該電流源電連接於該用於偵測溫度的固態發光元件之陰極，且提供一呈定值之工作電流以驅動該用於偵測溫度的固態發光元件。該第一儀表放大器具有一電連接於該用於偵測溫度的固態發光元件之陽極的非反相輸入端、一電連接於該用於偵測溫度的固態發光元件之陰極的反相輸入端，及一輸出端，且該第一儀表放大器根據其非反相及反相輸入端之壓差來得到該用於偵測溫度的固態發光元件之該順向偏壓，並據以從該第一儀表放大器之輸出端提供一正比於該順向偏壓的第一偵測電壓。該補償電壓運算模組，電連接於該第一儀表放大器的輸出端以接收該正比於該順向偏壓的偵測電壓，且接收一第一參考電壓和一第二參考電壓，並根據該第一及第二參考電壓、與該第一偵測電壓進行運算以得到一反向於該順向偏壓增減的補償電壓。該電功率控制模組電連接於該補償電壓運算模組以接收該補償電壓、電連接於該所控制的固態發光元件之陽極與陰極以偵測該所控制的固態發光元件之該順向偏壓，並根據該補償電壓、該所控制的固態發光元件之順向偏壓提供一追隨環境溫度上升的驅動電流到該所控制的固態發光元件之陰極。
    較佳的，且該電功率控制模組包括：一電壓至電流轉換單元、一第二儀表放大器、一乘法器，及一驅動電壓產生單元。該電壓至電流轉換單元電連接於該所控制的固態發光元件之陰極，且接收一驅動電壓，並將該驅動電壓轉換成該正比於該驅動電壓的驅動電流，並將該驅動電流提供給該所控制的固態發光元件，且該電壓至電流轉換單元更提供一正比於該驅動電流的回授電壓。該第二儀表放大器具有一電連接於該所控制的固態發光元件之陽極的非反相輸入端、一電連接於該所控制的固態發光元件之陽極的反相輸入端，及一輸出端，且該第一儀表放大器根據其非反相及反相輸入端之壓差來得到該所控制的固態發光元件之順向偏壓，並據以從該第二儀表放大器之輸出端提供一正比於該所控制的固態發光元件之順向偏壓的第二偵測電壓。該乘法器電連接於該第二儀表放大器以接收該第二偵測電壓、電連接於該電壓至電流轉換單元以接收該回授電壓，並根據該第二偵測電壓與該回授電壓進行乘法運算以得到一乘積電壓。該驅動電壓產生單元電連接於該補償電壓運算模組以接收該補償電壓、電連接於該乘法器以接收該乘積電壓，並根據該補償電壓與該乘積電壓之壓差來得到該驅動電壓。
    較佳的，且該電壓至電流轉換單元具有：一電晶體、一運算放大器，及一電阻。該電晶體具有一電連接於該所控制的固態發光元件之陰極的第一端、一第二端，及一控制端。該運算放大器具有一電連接於該電晶體之第二端的反相輸入端、一接收該驅動電壓的非反相輸入端及一電連接於該電晶體之控制端的輸出端。該電阻具有一電連接於該電晶體之第二端且提供該回授電壓的第一端，和一接地的第二端。
    較佳的，該電壓至電流轉換單元的電晶體是一N型金氧半導體場效電晶體，且該第一端是汲極，該第二端是源極，該控制端是閘極。
    較佳的，且該驅動電壓產生單元具有：一第三儀表放大器、一脈波信號產生器，及一開關。該第三儀表放大器，具有一電連接於該補償電壓運算模組以接收該補償電壓的非反相輸入端、一電連接於該乘法器以接收該乘積電壓的反相輸入端，及一提供該驅動電壓的輸出端。該脈波信號產生器，用於產生一脈波調變信號。該開關具有一電連接於該第三儀表放大器之輸出端以接收該驅動電壓的第一端、一電連接於該電壓至電流轉換單元的第二端，及一電連接於該脈波信號產生器以接收該脈波調變信號的控制端，並根據該脈波調變信號而使其第一及第二端於導通狀態或不導通狀態之間切換，以將該驅動電壓傳遞或不傳遞到該電壓至電流轉換單元。
    較佳的，該驅動電壓產生單元的開關是一N型金氧半導體場效電晶體，且該第一端是汲極，該第二端是源極，該控制端是閘極。
    較佳的，該補償電壓如下所示：
    VC=G1×(Vref1-VF)+Vref2
    其中，該參數VC、VF、Vref1、Vref2、G1分別是該補償電壓、該順向偏壓、該第一參考電壓、第二參考電壓、該補償電壓運算模組提供的增益值。
    較佳的，該所控制的固態發光元件是一發光二極體，其中，該用於偵測溫度的的固態發光元件是一發光二極體。
    較佳的，該所控制的固態發光元件是一雷射二極體，其中，該用於偵測溫度的的固態發光元件是一雷射二極體。
    本發明之第三目的，即在提供一種自動光通量控制電路。
    該自動光通量控制電路，適用於電連接於一所控制的固態發光元件和一用於偵測溫度的固態發光元件，該所控制固態發光元件與該用於偵測溫度的固態發光元件各自於定電流驅動下提供一增減反向於環境溫度變化的順向偏壓，且具有一接收一偏壓電壓的陽極及一陰極，且該自動光通量控制電路包含：一偵測模組、一補償電壓運算模組，及一電功率控制模組。該偵測模組具有：一電流源，及一第一儀表放大器。該電流源電連接於該用於偵測溫度的固態發光元件之陰極，且提供一呈定值之工作電流以驅動該用於偵測溫度的固態發光元件。該第一儀表放大器具有一電連接於該用於偵測溫度的固態發光元件之陽極的非反相輸入端、一電連接於該用於偵測溫度的固態發光元件之陰極的反相輸入端，及一輸出端，且該第一儀表放大器根據其非反相及反相輸入端之壓差來得到該用於偵測溫度的固態發光元件之該順向偏壓，並據以從該第一儀表放大器之輸出端提供一正比於該順向偏壓的第一偵測電壓。該補償電壓運算模組電連接於該第一儀表放大器的輸出端以接收該正比於該順向偏壓的第一偵測電壓，且接收一第一參考電壓和一第二參考電壓，並根據該第一及第二參考電壓、與該第一偵測電壓進行運算以得到一反向於該順向偏壓增減的補償電壓。該電功率控制模組電連接於該補償電壓運算模組以接收該補償電壓、電連接於該所控制的固態發光元件之陽極與陰極以偵測該所控制的固態發光元件之該順向偏壓，並根據該補償電壓、該所控制的固態發光元件之順向偏壓提供一追隨環境溫度上升的驅動電流到該所控制的固態發光元件之陰極。
    本發明之第四目的，即在提供一種偵測模組。
    該偵測模組，適用於電連接於一用於偵測溫度的固態發光元件，該用於偵測溫度的固態發光元件於定電流驅動下提供一增減反向於環境溫度變化的順向偏壓，且具有一接收一偏壓電壓的陽極及一陰極，且該偵測模組包含：一電流源，及一第一儀表放大器。該電流源電連接於該用於偵測溫度的固態發光元件之陰極，且提供一呈定值之工作電流以驅動該用於偵測溫度的固態發光元件。該第一儀表放大器，具有一電連接於該用於偵測溫度的固態發光元件之陽極的非反相輸入端、一電連接於該用於偵測溫度的固態發光元件之陰極的反相輸入端，及一輸出端，且該第一儀表放大器根據其非反相及反相輸入端之壓差來得到該用於偵測溫度的固態發光元件之該順向偏壓，並據以從該第一儀表放大器之輸出端提供一正比於該順向偏壓的偵測電壓。
    有關本發明之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之一個較佳實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。
    如圖4所示，本發明自動光通量控制系統2之較佳實施例，包含：一所控制的固態發光元件LED1，及一自動光通量控制裝置3。
    該所控制的固態發光元件LED1於定電流驅動下提供一增減反向於環境溫度變化的順向偏壓VF，且具有一接收一偏壓電壓VDD的陽極及一陰極。
    該自動光通量控制裝置3適用於電連接於該所控制的固態發光元件LED1，且補償該所控制的固態發光元件LED1隨環境溫度變化的發光功率及光通量，且該自動光通量控制裝置3包括：一用於偵測溫度的固態發光元件LED2，及一自動光通量控制電路4。
    該用於偵測溫度的固態發光元件LED2於定電流驅動下提供一增減反向於環境溫度變化的順向偏壓VF，且具有一接收該偏壓電壓VDD的陽極及一陰極。且該用於偵測溫度的固態發光元件LED2和該所控制的固態發光元件LED1具有實質上相同的環境溫度對順向偏壓特性。在本實施例中，各該固態發光元件LED1、LED2可以是一發光二極體或一雷射二極體。
    該自動光通量控制電路4適用於電連接於該用於偵測溫度的固態發光元件LED2和該所控制的固態發光元件LED1，且自動光通量控制電路4包括：一偵測模組40、一補償電壓運算模組41，及一電功率控制模組42。
    <偵測模組>
    該偵測模組40具有一電流源IS，及一第一儀表放大器(Instrumentation Amplifier)IA1。
    該電流源IS電連接於該用於偵測溫度的固態發光元件LED2之陰極，且提供一呈定值之工作電流ILED2以驅動該用於偵測溫度的固態發光元件LED2。
    該第一儀表放大器IA1具有一電連接於該用於偵測溫度的固態發光元件LED2之陽極的非反相輸入端(+)、一電連接於該用於偵測溫度的固態發光元件LED2之陰極的反相輸入端(-)，及一輸出端，且該第一儀表放大器IA1根據其非反相及反相輸入端之壓差來得到該用於偵測溫度的固態發光元件LED2之該順向偏壓VF，並據以從該第一儀表放大器IA1之輸出端提供一正比於該順向偏壓VF的第一偵測電壓，在本實施例中，該第一儀表放大器IA1之增益設定為一倍，使該第一偵測電壓相同於該順向偏壓VF。當環境溫度變化時，則該順向偏壓VF可表示為：
    VF=VLED+ΔVLED……式(1)
    其中，參數VLED為環境溫度t℃時，該發光二極體的順向偏壓值，參數ΔVLED為順向偏壓於環境溫度變化Δt℃時所對應的變化量。又在本實施例中，t℃=-40℃。
    該補償電壓運算模組41電連接於該第一儀表放大器IA1的輸出端以接收該正比於該順向偏壓VF的第一偵測電壓，且接收一第一參考電壓Vref1和一第二參考電壓Vref2，並根據該第一及第二參考電壓Vref1、Vref2與該第一偵測電壓進行運算以得到一反向於該順向偏壓增減的補償電壓VC。
    其中，該第一偵測電壓、該第一及第二參考電壓Vref1、Vref2與該補償電壓VC之間的關係如下所示：
    其中，參數G1是該補償電壓運算模組41提供的增益值，且在本實施例中，由於該第一偵測電壓實質上相同於該用於偵測溫度的固態發光元件LED2之順向偏壓VF，因此在式(2)中將該第一偵測電壓以VF來表示。
    且該第一參考電壓Vref1預設為該用於偵測溫度的固態發光元件LED2於t℃時的順向偏壓VLED，也就是Vref1=VLED，因此，可將式(2)化簡如式(3)所示：
    又當推得環境溫度變化Δt℃時，補償電壓變化的差額ΔVC如式(4)所示：
    <電功率控制模組>
    該電功率控制模組42電連接於該補償電壓運算模組41以接收該補償電壓VC、電連接於該所控制的固態發光元件LED1之陽極與陰極以偵測該所控制的固態發光元件LED1之該順向偏壓VF，並根據該補償電壓VC、該所控制的固態發光元件LED1之順向偏壓VF提供一追隨環境溫度上升的驅動電流ILED1到該所控制的固態發光元件LED1之陰極，且該電功率控制模組42包括：一電壓至電流轉換單元43、一第二儀表放大器IA2、一乘法器MUL，及一驅動電壓產生單元45。
    該電壓至電流轉換單元43電連接於該所控制的固態發光元件LED1之陰極，且接收一驅動電壓，並將該驅動電壓轉換成該正比於該驅動電壓的驅動電流ILED1，並將該驅動電流ILED1提供給該所控制的固態發光元件LED1，且該電壓至電流轉換單元43更提供一正比於該驅動電流ILED1的回授電壓，且該電壓至電流轉換單元43具有一電晶體M、一運算放大器OP1，及一電阻RE。
    該電晶體M具有一電連接於該所控制的固態發光元件LED1之陰極的第一端、一第二端，及一控制端。在本實施例中，該電晶體M是一N型金氧半導體場效電晶體，該第一端是汲極，該第二端是源極，該控制端是閘極。
    該運算放大器OP1具有一電連接於該電晶體M之第二端的反相輸入端(-)、一接收該驅動電壓的非反相輸入端(+)及一電連接於該電晶體M之控制端的輸出端。
    該電阻RE具有一電連接於該電晶體M之第二端且提供該回授電壓的第一端，和一接地的第二端，且具有一電阻值RE。其中，該回授電壓VRE=ILED1×RE，且因為運算放大器OP1之反相輸入端(-)與非反相輸入端(+)的虛短路效應可推得驅動電流ILED1會被調整到實質上等於VD/RE，其中，參數VD是該驅動電壓。
    該第二儀表放大器IA2具有一電連接於該所控制的固態發光元件LED1之陽極的非反相輸入端(+)、一電連接於該所控制的固態發光元件LED2之陽極的反相輸入端(-)，及一輸出端，且該第一儀表放大器IA1根據其非反相及反相輸入端之壓差來得到該所控制的固態發光元件LED1之順向偏壓VF，並據以從該第二儀表放大器IA2之輸出端提供一正比於該順向偏壓VF的第二偵測電壓，在本實施例中，該第二儀表放大器IA2之增益設定為一倍，使該第二偵測電壓實質相同於該所控制的固態發光元件LED1之順向偏壓VF。
    乘法器MUL電連接於該第二儀表放大器IA2以接收該第二偵測電壓、電連接於該電壓至電流轉換單元43以接收該回授電壓，並根據該第二偵測電壓與該回授電壓進行乘法運算以得到一乘積電壓VMUX。
    其中，該第二偵測電壓、該回授電壓與該乘積電壓VMUX的關係如式(5)所示：
    其中，在本實施例中，由於該第二偵測電壓實質上相同於該所控制的固態發光元件LED1之順向偏壓VF，因此在式(6)中將該第二偵測電壓以VF來表示。
    該驅動電壓產生單元45電連接於該補償電壓運算模組41以接收該補償電壓VC、電連接於該乘法器MUL以接收該乘積電壓VMUX，並根據該補償電壓VC與該乘積電壓VMUX之壓差來得到該驅動電壓。
    其中，該補償電壓VC、該乘積電壓VMUX與驅動電壓VD的關係如式(6)所示：
    VD=VC-VMUX=(-G1×ΔVLED+Vref2)-(V LED +ΔV LED )×(ILED1×R E )　......式(6)
    將VD=ILED1×RE代入式(6)整理後，可推得：
    且由式(7)可看出當環境溫度上升時，該順向偏壓VF的變化量ΔVLED<0，導致該順向偏壓VF減少，使該驅動電流ILED1增加。當環境溫度下降時，使該順向偏壓VF的變化量ΔVLED>0，導致該順向偏壓VF增加，使該驅動電流ILED1減少。因此，該驅動電流ILED1可追隨溫度變化來維持該所控制的固態發光元件LED1之發光功率，而達到溫度改變時能自動控制光通量的效果。
    該驅動電壓產生單元45具有一第三儀表放大器IA3、一脈波信號產生器PWM，及一開關S。
    第三儀表放大器IA3具有一電連接於該補償電壓運算模組41以接收該補償電壓VC的非反相輸入端(+)、一電連接於該乘法器MUL以接收該乘積電壓VMUX的反相輸入端(-)，及一提供該驅動電壓的輸出端。在本實施例中，該第三儀表放大器IA3之增益設定為一倍。
    脈波信號產生器PWM用於產生一脈波調變信號，在本實施中，該脈波調變信號的責任導通比(duty ratio)是可調的。
    該開關S具有一電連接於該第三儀表放大器IA3之輸出端以接收該驅動電壓的第一端、一電連接於該電壓至電流轉換單元43之運算放大器OP1的非反相輸入端(+)的第二端，及一電連接於該脈波信號產生器PWM以接收該脈波調變信號的控制端，並根據該脈波調變信號而使其第一及第二端於導通狀態或不導通狀態之間切換，以將該驅動電壓傳遞或不傳遞到該電壓至電流轉換單元43，且該傳遞到該電壓至電流轉換單元43的驅動電壓根據該脈波調變信號之責任導通比而呈連續波(即責任導通比為100%)或脈波(也就是不連續波，即責任導通比小於100%，例如為10%)。在本實施例中，該開關S是一N型金氧半導體場效電晶體，該第一端是汲極，該第二端是源極，該控制端是閘極。
    <實驗結果>
    如圖5所示，是當環境溫度由-40℃遞增到80℃時，利用本實施例之自動光通量控制裝置3提供連續波的驅動電流驅動白光發光二極體，與利用連續波的定電流驅動白光發光二極體的光通量實驗量測比較圖。
    如圖6所示，是當環境溫度由-40℃遞增到80℃時，利用本實施例之自動光通量控制裝置3提供脈波的驅動電流驅動白光發光二極體，與利用脈波的定電流驅動白光發光二極體的光通量實驗量測比較圖。
    綜上所述，上述實施例具有以下優點：
    1.利用偵測模組40直接電連接於該用於偵測溫度的固態發光元件LED2，並偵測其順向偏壓VF隨著溫度的變化，相較於習知的光偵測器接收來自該發光二極體的輸出光線，能改善輸出光線指向性不佳、環境光害及光偵測器敏感度等因素所導致的發光功率控制誤差，所得到隨溫度變化的偵測電壓更精確，而提升發光功率與光通量維持效果。
    2.利用該脈波調變信號來調整該驅動電流ILED1之責任導通比，以縮短所控制的固態發光元件LED1的工作時間，致使所控制的固態發光元件LED1休息時間增加，達到減少所控制的固態發光元件LED1發熱之影響。
    惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。
    2．．．自動光通量控制系統
    LED1．．．所控制的固態發光元件
    3．．．自動光通量控制裝置
    LED2．．．用於偵測溫度的固態發光元件
    4．．．自動光通量控制電路
    40．．．偵測模組
    IS．．．電流源
    IA1．．．第一儀表放大器
    41．．．補償電壓運算模組
    42．．．電功率控制模組
    43．．．電壓至電流轉換單元
    OP1．．．運算放大器
    RE．．．電阻
    M．．．電晶體
    IA2．．．第二儀表放大器
    MUL．．．乘法器
    45．．．驅動電壓產生單元
    IA3．．．第三儀表放大器
    S．．．開關
    PWM．．．脈波信號產生器
    圖1是發光二極體以連續波的固定工作電流驅動時，其順向偏壓及光通量隨環境溫度變化之示意圖；
    圖2是發光二極體以脈波的固定工作電流驅動時，其順向偏壓及光通量隨環境溫度變化之示意圖；
    圖3是一種習知的光通量控制電路的電路圖；
    圖4是本發明自動光通量控制控制系統之較佳實施例的電路圖；
    圖5是該較佳實施例提供連續波的驅動電流驅動白光發光二極體，與利用連續波的定電流驅動白光發光二極體的光通量實驗量測比較圖；及
    圖6是該較佳實施例提供脈波的驅動電流驅動白光發光二極體，與利用連續波的定電流驅動白光發光二極體的光通量實驗量測比較圖。
    LED1．．．所控制的固態發光元件
    LED2．．．用於偵測溫度的固態發光元件
    4．．．自動光通量控制電路
    40．．．偵測模組
    IS．．．電流源
    IA1．．．第一儀表放大器
    41．．．補償電壓運算模組
    42．．．電功率控制模組
    43．．．電壓至電流轉換單元
    OP1．．．運算放大器
    RE．．．電阻
    M．．．電晶體
    IA2．．．第二儀表放大器
    MUL．．．乘法器
    45．．．驅動電壓產生單元
    IA3．．．第三儀表放大器
    S．．．開關
    PWM．．．脈波信號產生器
    VDD．．．偏壓電壓
    权利要求:
    Claims (29)
    [1] 一種自動光通量控制系統，包含：一所控制固態發光元件，於定電流驅動下提供一增減反向於環境溫度變化的順向偏壓，且具有一接收一偏壓電壓的陽極及一陰極；及一自動光通量控制裝置，包括：一用於偵測溫度的固態發光元件，於定電流驅動下提供一增減反向於環境溫度變化的順向偏壓，且具有一接收該偏壓電壓的陽極及一陰極；及一自動光通量控制電路，具有：一偵測模組，具有：一電流源，電連接於該用於偵測溫度的固態發光元件之陰極，且提供一呈定值之工作電流以驅動該用於偵測溫度的固態發光元件；及一第一儀表放大器，具有一電連接於該用於偵測溫度的固態發光元件之陽極的非反相輸入端、一電連接於該用於偵測溫度的固態發光元件之陰極的反相輸入端，及一輸出端，且該第一儀表放大器根據其非反相及反相輸入端之壓差來得到該用於偵測溫度的固態發光元件之該順向偏壓，並據以從該第一儀表放大器之輸出端提供一正比於該順向偏壓的第一偵測電壓；一補償電壓運算模組，電連接於該第一儀表放大器的輸出端以接收該正比於該順向偏壓的第一偵測電壓，且接收一第一參考電壓和一第二參考電壓，並根據該第一及第二參考電壓、與該第一偵測電壓進行運算以得到一反向於該順向偏壓增減的補償電壓；及一電功率控制模組，電連接於該補償電壓運算模組以接收該補償電壓、電連接於該所控制的固態發光元件之陽極與陰極以偵測該所控制的固態發光元件之該順向偏壓，並根據該補償電壓、該所控制的固態發光元件之順向偏壓提供一追隨環境溫度上升的驅動電流到該所控制的固態發光元件之陰極。
    [2] 依據申請專利範圍第1項所述之自動光通量控制系統，其中，且該電功率控制模組包括：一電壓至電流轉換單元，電連接於該所控制的固態發光元件之陰極，且接收一驅動電壓，並將該驅動電壓轉換成該正比於該驅動電壓的驅動電流，並將該驅動電流提供給該所控制的固態發光元件，且該電壓至電流轉換單元更提供一正比於該驅動電流的回授電壓；一第二儀表放大器，具有一電連接於該所控制的固態發光元件之陽極的非反相輸入端、一電連接於該所控制的固態發光元件之陽極的反相輸入端，及一輸出端，且該第一儀表放大器根據其非反相及反相輸入端之壓差來得到該所控制的固態發光元件之順向偏壓，並據以從該第二儀表放大器之輸出端提供一正比於該所控制的固態發光元件之順向偏壓的第二偵測電壓；一乘法器，電連接於該第二儀表放大器以接收該第二偵測電壓、電連接於該電壓至電流轉換單元以接收該回授電壓，並根據該第二偵測電壓與該回授電壓進行乘法運算以得到一乘積電壓；及一驅動電壓產生單元，電連接於該補償電壓運算模組以接收該補償電壓、電連接於該乘法器以接收該乘積電壓，並根據該補償電壓與該乘積電壓之壓差來得到該驅動電壓。
    [3] 依據申請專利範圍第2項所述之自動光通量控制系統，其中，且該電壓至電流轉換單元具有：一電晶體，具有一電連接於該所控制的固態發光元件之陰極的第一端、一第二端，及一控制端；一運算放大器，具有一電連接於該電晶體之第二端的反相輸入端、一接收該驅動電壓的非反相輸入端及一電連接於該電晶體之控制端的輸出端；及一電阻，具有一電連接於該電晶體之第二端且提供該回授電壓的第一端，和一接地的第二端。
    [4] 依據申請專利範圍第3項所述之自動光通量控制系統，其中，該電壓至電流轉換單元的電晶體是一N型金氧半導體場效電晶體，且該第一端是汲極，該第二端是源極，該控制端是閘極。
    [5] 依據申請專利範圍第2項所述之自動光通量控制系統，其中，且該驅動電壓產生單元具有：一第三儀表放大器，具有一電連接於該補償電壓運算模組以接收該補償電壓的非反相輸入端、一電連接於該乘法器以接收該乘積電壓的反相輸入端，及一提供該驅動電壓的輸出端；一脈波信號產生器，用於產生一脈波調變信號；及一開關，具有一電連接於該第三儀表放大器之輸出端以接收該驅動電壓的第一端、一電連接於該電壓至電流轉換單元的第二端，及一電連接於該脈波信號產生器以接收該脈波調變信號的控制端，並根據該脈波調變信號而使其第一及第二端於導通狀態或不導通狀態之間切換，以將該驅動電壓傳遞或不傳遞到該電壓至電流轉換單元。
    [6] 依據申請專利範圍第5項所述之自動光通量控制系統，其中，該驅動電壓產生單元的開關是一N型金氧半導體場效電晶體，且該第一端是汲極，該第二端是源極，該控制端是閘極。
    [7] 依據申請專利範圍第1項所述之自動光通量控制系統，其中，該補償電壓如下所示：VC=G1×(Vref1-VF)+Vref2；其中，該參數VC、VF、Vref1、Vref2、G1分別是該補償電壓、該順向偏壓、該第一參考電壓、第二參考電壓、該補償電壓運算模組提供的增益值。
    [8] 依據申請專利範圍第1項所述之自動光通量控制系統，其中，該所控制的固態發光元件是一發光二極體或一雷射二極體。
    [9] 依據申請專利範圍第1項所述之自動光通量控制系統，其中，該用於偵測溫度的的固態發光元件是一發光二極體或一雷射二極體。
    [10] 一種自動光通量控制裝置，適用於電連接於一所控制的固態發光元件，該所控制固態發光元件於定電流驅動下提供一增減反向於環境溫度變化的順向偏壓，且具有一接收一偏壓電壓的陽極及一陰極，且該自動光通量控制裝置包含：一用於偵測溫度的固態發光元件，於定電流驅動下提供一增減反向於環境溫度變化的順向偏壓，且具有一接收該偏壓電壓的陽極及一陰極；及一自動光通量控制電路，具有：一偵測模組，具有：一電流源，電連接於該用於偵測溫度的固態發光元件之陰極，且提供一呈定值之工作電流以驅動該用於偵測溫度的固態發光元件；及一第一儀表放大器，具有一電連接於該用於偵測溫度的固態發光元件之陽極的非反相輸入端、一電連接於該用於偵測溫度的固態發光元件之陰極的反相輸入端，及一輸出端，且該第一儀表放大器根據其非反相及反相輸入端之壓差來得到該用於偵測溫度的固態發光元件之該順向偏壓，並據以從該第一儀表放大器之輸出端提供一正比於該順向偏壓的第一偵測電壓；一補償電壓運算模組，電連接於該第一儀表放大器的輸出端以接收該正比於該順向偏壓的偵測電壓，且接收一第一參考電壓和一第二參考電壓，並根據該第一及第二參考電壓、與該第一偵測電壓進行運算以得到一反向於該順向偏壓增減的補償電壓；及一電功率控制模組，電連接於該補償電壓運算模組以接收該補償電壓、電連接於該所控制的固態發光元件之陽極與陰極以偵測該所控制的固態發光元件之該順向偏壓，並根據該補償電壓、該所控制的固態發光元件之順向偏壓提供一追隨環境溫度上升的驅動電流到該所控制的固態發光元件之陰極。
    [11] 依據申請專利範圍第10項所述之自動光通量控制裝置，其中，且該電功率控制模組包括：一電壓至電流轉換單元，電連接於該所控制的固態發光元件之陰極，且接收一驅動電壓，並將該驅動電壓轉換成該正比於該驅動電壓的驅動電流，並將該驅動電流提供給該所控制的固態發光元件，且該電壓至電流轉換單元更提供一正比於該驅動電流的回授電壓；一第二儀表放大器，具有一電連接於該所控制的固態發光元件之陽極的非反相輸入端、一電連接於該所控制的固態發光元件之陽極的反相輸入端，及一輸出端，且該第一儀表放大器根據其非反相及反相輸入端之壓差來得到該所控制的固態發光元件之順向偏壓，並據以從該第二儀表放大器之輸出端提供一正比於該所控制的固態發光元件之順向偏壓的第二偵測電壓；一乘法器，電連接於該第二儀表放大器以接收該第二偵測電壓、電連接於該電壓至電流轉換單元以接收該回授電壓，並根據該第二偵測電壓與該回授電壓進行乘法運算以得到一乘積電壓；及一驅動電壓產生單元，電連接於該補償電壓運算模組以接收該補償電壓、電連接於該乘法器以接收該乘積電壓，並根據該補償電壓與該乘積電壓之壓差來得到該驅動電壓。
    [12] 依據申請專利範圍第11項所述之自動光通量控制裝置，其中，且該電壓至電流轉換單元具有：一電晶體，具有一電連接於該所控制的固態發光元件之陰極的第一端、一第二端，及一控制端；一運算放大器，具有一電連接於該電晶體之第二端的反相輸入端、一接收該驅動電壓的非反相輸入端及一電連接於該電晶體之控制端的輸出端；及一電阻，具有一電連接於該電晶體之第二端且提供該回授電壓的第一端，和一接地的第二端。
    [13] 依據申請專利範圍第12項所述之自動光通量控制裝置，其中，該電壓至電流轉換單元的電晶體是一N型金氧半導體場效電晶體，且該第一端是汲極，該第二端是源極，該控制端是閘極。
    [14] 依據申請專利範圍第11項所述之自動光通量控制裝置，其中，且該驅動電壓產生單元具有：一第三儀表放大器，具有一電連接於該補償電壓運算模組以接收該補償電壓的非反相輸入端、一電連接於該乘法器以接收該乘積電壓的反相輸入端，及一提供該驅動電壓的輸出端；一脈波信號產生器，用於產生一脈波調變信號；及一開關，具有一電連接於該第三儀表放大器之輸出端以接收該驅動電壓的第一端、一電連接於該電壓至電流轉換單元的第二端，及一電連接於該脈波信號產生器以接收該脈波調變信號的控制端，並根據該脈波調變信號而使其第一及第二端於導通狀態或不導通狀態之間切換，以將該驅動電壓傳遞或不傳遞到該電壓至電流轉換單元。
    [15] 依據申請專利範圍第14項所述之自動光通量控制裝置，其中，該驅動電壓產生單元的開關是一N型金氧半導體場效電晶體，且該第一端是汲極，該第二端是源極，該控制端是閘極。
    [16] 依據申請專利範圍第10項所述之自動光通量控制裝置，其中，該補償電壓如下所示：VC=G1×(Vref1-VF)+Vref2；其中，該參數VC、VF、Vref1、Vref2、G1分別是該補償電壓、該順向偏壓、該第一參考電壓、第二參考電壓、該補償電壓運算模組提供的增益值。
    [17] 依據申請專利範圍第10項所述之自動光通量控制裝置，該所控制的固態發光元件是一發光二極體，其中，該用於偵測溫度的的固態發光元件是一發光二極體。
    [18] 依據申請專利範圍第10項所述之自動光通量控制系統，該所控制的固態發光元件是一雷射二極體，其中，該用於偵測溫度的的固態發光元件是一雷射二極體。
    [19] 一種自動光通量控制電路，適用於電連接於一所控制的固態發光元件和一用於偵測溫度的固態發光元件，該所控制固態發光元件與該用於偵測溫度的固態發光元件各自於定電流驅動下提供一增減反向於環境溫度變化的順向偏壓，且具有一接收一偏壓電壓的陽極及一陰極，且該自動光通量控制電路包含：一偵測模組，具有：一電流源，電連接於該用於偵測溫度的固態發光元件之陰極，且提供一呈定值之工作電流以驅動該用於偵測溫度的固態發光元件；及一第一儀表放大器，具有一電連接於該用於偵測溫度的固態發光元件之陽極的非反相輸入端、一電連接於該用於偵測溫度的固態發光元件之陰極的反相輸入端，及一輸出端，且該第一儀表放大器根據其非反相及反相輸入端之壓差來得到該用於偵測溫度的固態發光元件之該順向偏壓，並據以從該第一儀表放大器之輸出端提供一正比於該順向偏壓的第一偵測電壓；一補償電壓運算模組，電連接於該第一儀表放大器的輸出端以接收該正比於該順向偏壓的第一偵測電壓，且接收一第一參考電壓和一第二參考電壓，並根據該第一及第二參考電壓、與該第一偵測電壓進行運算以得到一反向於該順向偏壓增減的補償電壓；及一電功率控制模組，電連接於該補償電壓運算模組以接收該補償電壓、電連接於該所控制的固態發光元件之陽極與陰極以偵測該所控制的固態發光元件之該順向偏壓，並根據該補償電壓、該所控制的固態發光元件之順向偏壓提供一追隨環境溫度上升的驅動電流到該所控制的固態發光元件之陰極。
    [20] 依據申請專利範圍第19項所述之自動光通量控制電路，其中，且該電功率控制模組包括：一電壓至電流轉換單元，電連接於該所控制的固態發光元件之陰極，且接收一驅動電壓，並將該驅動電壓轉換成該正比於該驅動電壓的驅動電流，並將該驅動電流提供給該所控制的固態發光元件，且該電壓至電流轉換單元更提供一正比於該驅動電流的回授電壓；一第二儀表放大器，具有一電連接於該所控制的固態發光元件之陽極的非反相輸入端、一電連接於該所控制的固態發光元件之陽極的反相輸入端，及一輸出端，且該第一儀表放大器根據其非反相及反相輸入端之壓差來得到該所控制的固態發光元件之順向偏壓，並據以從該第二儀表放大器之輸出端提供一正比於該所控制的固態發光元件之順向偏壓的第二偵測電壓；一乘法器，電連接於該第二儀表放大器以接收該第二偵測電壓、電連接於該電壓至電流轉換單元以接收該回授電壓，並根據該第二偵測電壓與該回授電壓進行乘法運算以得到一乘積電壓；及一驅動電壓產生單元，電連接於該補償電壓運算模組以接收該補償電壓、電連接於該乘法器以接收該乘積電壓，並根據該補償電壓與該乘積電壓之壓差來得到該驅動電壓。
    [21] 依據申請專利範圍第20項所述之自動光通量控制電路，其中，且該電壓至電流轉換單元具有：一電晶體，具有一電連接於該所控制的固態發光元件之陰極的第一端、一第二端，及一控制端；一運算放大器，具有一電連接於該電晶體之第二端的反相輸入端、一接收該驅動電壓的非反相輸入端及一電連接於該電晶體之控制端的輸出端；及一電阻，具有一電連接於該電晶體之第二端且提供該回授電壓的第一端，和一接地的第二端。
    [22] 依據申請專利範圍第21項所述之自動光通量控制電路，其中，該電壓至電流轉換單元的電晶體是一N型金氧半導體場效電晶體，且該第一端是汲極，該第二端是源極，該控制端是閘極。
    [23] 依據申請專利範圍第20項所述之自動光通量控制電路，其中，且該驅動電壓產生單元具有：一第三儀表放大器，具有一電連接於該補償電壓運算模組以接收該補償電壓的非反相輸入端、一電連接於該乘法器以接收該乘積電壓的反相輸入端，及一提供該驅動電壓的輸出端；一脈波信號產生器，用於產生一脈波調變信號；及一開關，具有一電連接於該第三儀表放大器之輸出端以接收該驅動電壓的第一端、一電連接於該電壓至電流轉換單元的第二端，及一電連接於該脈波信號產生器以接收該脈波調變信號的控制端，並根據該脈波調變信號而使其第一及第二端於導通狀態或不導通狀態之間切換，以將該驅動電壓傳遞或不傳遞到該電壓至電流轉換單元。
    [24] 依據申請專利範圍第23項所述之自動光通量控制電路，其中，該驅動電壓產生單元所接收的該驅動電壓根據該脈波調變信號之一責任導通比而呈一連續波或一脈波。
    [25] 依據申請專利範圍第23項所述之自動光通量控制電路，其中，該驅動電壓產生單元的開關是一N型金氧半導體場效電晶體，且該第一端是汲極，該第二端是源極，該控制端是閘極。
    [26] 依據申請專利範圍第19項所述之自動光通量控制電路，其中，該補償電壓如下所示：VC=G1×(Vref1-VF)+Vref2；其中，該參數VC、VF、Vref1、vref2、G1分別是該補償電壓、該順向偏壓、該第一參考電壓、第二參考電壓、該補償電壓運算模組提供的增益值。
    [27] 一種偵測模組，適用於電連接於一用於偵測溫度的固態發光元件，該用於偵測溫度的固態發光元件於定電流驅動下提供一增減反向於環境溫度變化的順向偏壓，且具有一接收一偏壓電壓的陽極及一陰極，且該偵測模組包含：一電流源，電連接於該用於偵測溫度的固態發光元件之陰極，且提供一呈定值之工作電流以驅動該用於偵測溫度的固態發光元件；及一第一儀表放大器，具有一電連接於該用於偵測溫度的固態發光元件之陽極的非反相輸入端、一電連接於該用於偵測溫度的固態發光元件之陰極的反相輸入端，及一輸出端，且該第一儀表放大器根據其非反相及反相輸入端之壓差來得到該用於偵測溫度的固態發光元件之該順向偏壓，並據以從該第一儀表放大器之輸出端提供一正比於該順向偏壓的偵測電壓。
    [28] 依據申請專利範圍第27項所述之偵測模組，該用於偵測溫度的的固態發光元件是一發光二極體，其中，該第一儀表放大器之增益設定為一倍，使該偵測電壓相同於該順向偏壓。
    [29] 依據申請專利範圍第27項所述之偵測模組，該用於偵測溫度的固態發光元件是一雷射二極體，其中，該第一儀表放大器之增益設定為一倍，使該偵測電壓相同於該順向偏壓。
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