Led電路裝置的製作方法

2023-09-16 20:53:15

專利名稱：Led電路裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及LED電路裝置、LED光源和操作LED電路裝置的方法。具體而言，本發明涉及在提供安全且經濟上划算的構造的同時在工作電壓下驅動LED電路裝置。
背景技術：
發光二極體(LED)被用於多種應用，具體包括發信號以及當今更多出現的通用照明應用。取決於所述應用和所使用的LED的類型，用於LED的驅動電路有各種設計。由於工作電流與電壓之間的指數關係，與其它二極體類似，LED通常用恆流電源單元或驅動電路來驅動。最簡單地，驅動電路可以由串聯電阻器構成以在工作電壓變化的情況下限制傳送到發光二極體的最大電流。當然，由於相對高的損耗，這種裝置可能特別不適合於例如結合大功率LED的照明應用。除了上述利用串聯電阻器的簡單驅動電路以外，現有技術中還存在有其它驅動電路。但是，這些電路通常都很精細複雜，因而成本很高。此外，大多數情況下的電路設計需要適配於所使用的LED的類型和數目，具有的可擴展性有限。因而，尤其是對於新興的LED在通用照明應用中的使用而言，這些電路可能是不合適的。
因此，本發明的目的在於提供一種能夠讓LED光源高效工作的LED電路裝置，即具有更少的損耗並且具有成本優化的電路設計。發明內容
本發明的目的通過根據權利要求1的LED電路裝置、根據權利要求13的LED光源和根據權利要求14的操作LED光源的方法來實現。從屬權利要求涉及本發明的優選實施例。
本發明的基本構思在於提供一種LED電路裝置，其中LED光源可根據電流水平工作在低電壓模式和高電壓模式下以提供對流經LED光源的電流的控制。因而，本發明有益地實現了用簡單且經濟的電壓源(例如典型的電源單元)驅動LED光源。
根據本發明的LED電路裝置至少包括被適配為在工作期間提供工作電流的電壓輸入端、與所述電壓輸入端串聯連接的電抗元件和至少一個LED光源。LED光源包括每一個具有至少一個發光二極體(LED)的第一和第二 LED單兀、在低電壓模式和高電壓模式下將所述LED單元與所述電抗元件相連接的可控開關裝置以及控制單元。在所述低電壓模式下，LED光源顯示第一正向電壓。在高電壓模式下，LED光源顯示高於所述第一正向電壓的第二正向電壓。控制單元被配置為當被提供給所述LED光源的工作電流對應於第一電流閾值時將所述開關裝置設置為所述低電壓模式，而當所述被提供的電流對應於第二電流閾值時將所述開關裝置設置為所述高電壓模式。
如上所述，本發明的LED電路裝置包括被適配為在工作期間向所述LED光源提供工作電壓的電壓輸入端。該電壓輸入端因而可以包括合適的電壓控制的電源單元或者可以被適配為被連接到合適的電壓源(例如，合適的外部電源)。內部/外部電源可以被適配為提供例如3.3V、5V、12V、13.8V、24V或48V的標稱輸出電壓，並且可以被充電到規定的最大電流。這樣的電源可以例如是利用整流器或電池的簡單的連接到電源幹線的變壓器。可選地，所述電源可以包括濾波電路。電壓輸入端因而可以例如包括兩個電端子，例如焊盤、接合線盤或者用於連接到電源的任何合適的導體或插頭。
雖然根據本發明，術語「工作電壓」指單極電壓，例如DC電壓，但是本發明的LED電路裝置允許通過典型的非穩壓整流器從電源線提供的電壓有某些變化，例如DC電壓的電壓「波動」。電壓輸入端當然可以包括附加的電或機械組件，例如在電路裝置被設置為從電壓源中被去除的情況下，包括相應的可分離的電連接器。
電抗元件與電壓輸入端串聯連接以為LED單元提供「無功功率」。電抗元件因而可以被布置在電壓輸入端與LED光源之間，但是根據具體應用也可以或者部分地與前述組件中的一個組件相集成。電抗元件可以例如被布置在電壓輸入端的電端子中的一個電端子與LED光源的相應端子之間。
電抗元件可以是諸如磁場能量存儲元件之類的任何適當類型的能量存儲元件，例如電感器、耦合電感器、變壓器、合適的導體或者提供電感特性的任何類型的電組件。但是，優選地，電抗元件為電感器，例如具有適當類型和電感的線圈。
根據本發明的LED電路裝置還包括具有第一和第二 LED單元的所述LED光源。第一和第二 LED單元每一個包括至少一個發光二極體，就本發明而言，所述發光二極體可以包括諸如無機LED、有機LED或固態雷射器之類的任何類型的固態光源，例如雷射二極體。
對於通用照明應用，LED單元可以優選地包括至少一個大功率LED，即具有大於Ilm的光通量的LED。優選地，所述大功率LED提供大於201m的光通量，最優選地是大於501m的光通量。對於改造應用，尤其優選的是LED光源的總光通量在3001m到10，OOOlm的範圍內。
最優選的方式是，所述第一和/或第二 LED單元的發光二極體被整體地形成在單個半導體晶圓或基板上以提供緊湊的構造。
LED單元當然可以包括其它電或電子組件，例如用於設置亮度或顏色的驅動器單元、平滑級或者濾波電容器。每個LED單元可以包括不止一個LED，例如以提高LED光源的光通量或者用在需要對發出光進行顏色控制的應用中，例如使用RGB LED。
根據本發明，LED光源還包括可控開關裝置以在低電壓模式和高電壓模式下將第一和第二 LED單元與電抗元件相連接。該開關裝置因而可以是使LED單元在低電壓模式或高電壓模式下能夠與所述電抗元件相連接的任何類型的開關裝置。當然，附加的電路可以被提供以實現所述低電壓和高電壓模式。但是，開關裝置允許分別控制相應的操作模式，即低電壓和高電壓模式。開關裝置應當優選地適配於針對應用在最大電壓和電流方面以及關於開關頻率的電規範，即應當被反覆設置為低電壓模式和高電壓模式。最優選的是，開關裝置適配為與電抗元件和工作電壓相結合以提供高於20kHz的開關頻率。
開關裝置可以包括一個或多個合適的電或電子開關設備，例如一個或多個電晶體，尤其是一個或多個雙極和/或場效應電晶體。優選地，開關裝置包括就開關電流和頻率範圍而言尤其有優勢的一個或多個M0SFET。
開關裝置通過合適的有線或無線控制連接被所述控制單元控制。控制單元被配置為當被提供給所述LED光源的工作電流對應於所述第一閾值時將所述開關裝置控制為低電壓模式，並且當所述被提供的電流對應於所述第二閾值時將所述開關裝置控制為高電壓模式。控制單元因而被適配為根據工作期間的電流水平控制開關裝置，所述電流水平即例如當工作電壓在電壓輸入端處被提供給電路裝置時流經LED光源的電流。
控制單元可以是能夠實現上述對開關裝置的控制的任何合適類型的控制單元。控制單元因此可以包括例如具有合適的程序設計的分散的和/或集成的電或電子組件、微處理器和/或計算機單元。優選地，控制單元與開關裝置相集成以提供一種非常緊緻的構造。
第一和第二閾值可以是例如根據所述第一和第二 LED單元的LED的類型和電流消耗的固定的設定點的值，例如根據相應應用的出廠設置。或者，第一和第二閾值可以是可變的，例如被存儲在合適的存儲器中。在這種情況下，可以提供用戶接口以允許用戶或安裝者設置閾值。作為選擇或附加，閾值可以被例如測量工作期間LED單元的光通量的反饋單元設置或影響。
根據本發明，第一和第二閾值指規定的電流水平，以使得控制單元可以相應地設置開關裝置的工作模式以提供基於電流的控制。因而，開關裝置的工作模式根據工作電流的水平而設置。控制單元控制開關裝置在工作電流對應於所述第一閾值時工作在低電壓模式下。相應地，當被提供的電流對應於所述第二閾值時，開關裝置被控制為工作在高電壓模式下。
開關裝置的兩種工作模式在LED光源的正向電壓方面不同於彼此。在該上下文中的術語「LED光源的正向電壓」指當電壓例如通過電壓輸入端被施加給LED光源時LED光源兩端的總壓降。
根據第一正向電壓的總壓降(因而在低電壓模式下)低於根據第二正向電壓的壓降(即在高電壓模式下)。
假設相對固定或緩慢變化的工作電壓，LED光源的不同電壓降有利地實現對電流的控制，因為串聯電抗元件在一定程度上將工作電壓與LED單元兩端的電壓分離(decouple)並且根據相應的電壓水平向LED光源提供電流。例如，在低電壓模式下，電抗元件可以被配置為工作在充電模式下，即存儲能量，導致電流的升高。在高電壓模式下，電抗元件可以相應地工作在放電模式下，以使得電流不斷下降。因而，本發明的電路裝置實現了根據第一和第二閾值在控制裕量內對流經第一和第二 LED單元的電流的調整。因而可以用電壓源代替固定電流源或精巧的電流控制電路來操作LED電路裝置。
LED電路裝置和/或LED光源當然可以包括其它的組件，例如外殼、一個或多個插座、平滑級、防閃濾波電路和/或另外的控制電路，例如以在有至少一個RGB LED單元的情況下設置發出光的顏色。此外，通信接口可以優選地被提供以接收例如來自通過0-10V控制信號控制的壁裝式調光器、Dal1、DMX、乙太網、WLAN、Zigbee等的控制命令和/或報告狀態息。
如上所述，第一和第二閾值可以根據應用並且尤其根據LED單元的電流水平被設置。根據本發明的優選實施例，與第一閾值相對應的電流小於與第二閾值相對應的電流。
尤其是在後一種情況下，控制單元被優選地配置為當工作電流小於和/或等於所述第一閾值時控制所述開關裝置工作在低電壓模式下。最優選的是，控制單元還被配置為當工作電流高於和/或等於所述第二閾值時控制所述開關裝置工作在高電壓模式下。
優選地，在低電壓模式下，所述LED光源的正向電壓(即第一正向電壓)小於所述工作電壓。最優選的是，在高電壓模式下所述LED光源的正向電壓(即第二正向電壓)高於工作電壓。
本實施例允許在例如與諸如升壓轉換器之類的開關模式電源的操作相對應的開關模式控制下操作LED電路裝置，提供更高級和靈活的控制。根據本實施例，在低電壓模式下的LED光源的第一正向電壓(例如LED單兀的總正向電壓)低於工作電壓。相應地,在該操作模式下電壓降出現在電抗元件的兩端，導致電流的增加。在高電壓模式下，LED光源的第二正向電壓高於工作電壓，導致電抗元件兩端的負電壓(該電抗元件例如可以是串聯電感，如前所述)。因此，電流減小。因為電抗元件由於有能量存儲的行為而試圖保持電流水平，高電壓模式下被應用於LED光源的電壓高於工作電壓，讓電流能夠流經LED光源。因而，根據本實施例的電路對應於升壓轉換電路。
優選地，開關裝置被適配用於連續操作，以使得LED單元被連續供電，即在兩種開關模式下都與電抗元件相連接。本實施例有利地減少了光閃爍，因為兩個LED單元都被穩定地提供電力並且因而連續發光。此外，開關裝置的開關頻率有利地可以被增大，因為LED單元的本徵電容未被完全放電。
根據本發明的演變，開關裝置被適配以使得在所述低正向電壓模式下，所述第一和第二 LED單元被並聯連接到彼此。優選地，開關裝置還被適配為在高電壓模式下將第一和第二 LED單元彼此串聯連接。本實施例有利地實現了電路裝置的進一步簡化。
LED單元的並聯布置提供了 LED光源的相對低的第一正向電壓，根據本實施例，所述第一正向電壓基本對應於所述第一和第二 LED單兀的並聯連接的正向電壓。在高電壓模式下的LED光源的第二正向電壓(即在LED單元串聯連接時)基本對應於第一和第二 LED單元的正向電壓的和。因而，本實施例利用更簡化的電路設計提供了對所述低電壓和高電壓模式的前述控制，並且還有利地實現了連續操作以減少LED單元的光輸出中的光閃爍。
可以提供開關裝置以根據任何適當的設計在所述並聯和串聯操作之間切換。優選地，開關裝置包括至少兩個開關器件以將LED單元彼此並聯或串聯連接。
例如，在第一開關狀態下這兩個開關器件可以被提供以將LED單元彼此並聯連接。在這種情況下第一和第二 LED單元的整體裝置分別與電抗元件和電壓輸入端串聯連接。在第二種狀態下，第一和第二 LED單元彼此被串聯連接，例如通過包括反向電壓保護二極體和/或諸如MOSFET之類的另外的開關器件的合適的橋式電路串聯連接。此外，這兩個LED單元的串聯連接與電抗元件串聯連接。
如上所述，在第一和第二 LED單元彼此串聯連接的情況下，LED光源的正向電壓對應於第一和第二 LED單元的正向電壓的總和。可以根據應用選擇第一和第二 LED單元的正向電壓。為了獲得用於大多數應用的高質量光輸出，優選所述第一 LED單元的正向電壓基本對應於第二 LED單元的正向電壓，導致特別有利的電壓比，例如接近1:1。當然，可能難以為第一和第二 LED單元提供相等的正向電壓，尤其是由於通常的大批量製造過程存在製造公差。但是，偏差會導致在所述第一和第二 LED單元彼此並聯連接的情況下出現不同的電流分配，導致對LED單元的不同的壓力和不同的發光。因此，所述第一 LED單元的正向電壓優選地在所述第二 LED單元的正向電壓的90-110%的範圍內。
合適的電壓範圍還可能取決於所使用的LED的正向特性。LED(即LED單元)的電流-電壓曲線越陸，對於給定的正向電壓之間的差值，越可能出現電流分配的「不匹配」。因此，作為對正向電壓匹配要求的替代或附加，LED單元可以適配為針對在例如根據具體應用設置的給定電壓處匹配的規定正向電壓匹配。在這種情況下，在給定的正向電壓處，第一 LED單元的電流應當基本對應於第二 LED單元的電流，例如在第二 LED單元的電流的90-110%的範圍內。
根據本發明的演變，開關裝置被控制單元控制為具有400Hz到40MHz的開關頻率，該開關頻率優選16kHz到IOMHz並且最優選的是20kHz到4MHz。本實施例有利地提供了進一步被減小的光閃爍，改進了 LED電路裝置的光輸出。
優選地，控制單元包括電流檢測電路以確定流經LED光源的電流。電流檢測電路可以是能夠在LED電路裝置的操作期間實現可靠的檢測的任何合適類型的電流檢測電路。電流檢測電路應當向控制單元提供與在操作期間流經LED光源和/或LED單元的電流的當前電流水平相對應的信號。電流檢測電路可以與所述控制單元整體地被形成在例如相應的微控制器中，或者可以單獨提供並且通過適當的有線或無線信號連接被連接到控制單元。優選地，電流檢測電路包括與第一和第二 LED單元串聯連接的電流感應電阻器，以向控制單元提供與流經LED單元的電流相對應的電壓信號。
最優選地，控制單元利用輔助電源電壓操作，該輔助電源電壓由操作期間LED光源中存在的電壓(例如LED單元中的任一 LED單元的工作電壓或正向電壓)經由合適的電路(例如解耦二極體、濾波電容器和線性電壓調節器)而生成。由LED光源中已存在的電壓生成輔助電源電壓是有利的，因為這樣LED光源就不需要附加的端子來饋入在外部生成的輔助電源電壓。
如上所述，LED單元的發光二極體優選被形成在共同的半導體晶圓、襯底或模塊上。具體而言，當大功率LED被使用時，若干個LED(即pn結)可以被形成在單個晶圓上以便為光照或通用照明應用提供必要的光通量。因此，(尤其是在後一種情況下)可以將第一和第二 LED單元形成在所述共同晶圓上。
根據本發明的另一演變，LED單元、開關裝置和/或控制單元彼此成整體地被形成在例如單個晶圓上或者共同的封裝或模塊中。本實施例允許進一步減小本發明的電路裝置的大小，提供非常緊緻的構造。
LED單元、開關裝置和/或控制單元可以被提供在單一半導體晶圓上以提供更簡化的製造過程。或者，電基片可以被提供以機械支持和/或電連接LED單元，該基片包括開關裝置和/或控制單元。該基片當然可以包括其它電或機械元件，例如散熱片或熱管以消散LED單元或LED光源的其它電子組件所產生的熱。
還優選電抗元件與LED光源，即與LED單元、開關裝置和/或控制單元整體形成。最優選的是，電抗元件與所述電基片整體形成。
根據本發明的另一優選實施例，LED光源是雙極器件。就這裡的描述而言，雙極或雙接腳器件是具有用於連接到所述LED電路裝置的兩個電端子的電組件。
就將LED光源安裝到印刷電路板而言，本實施例尤其有用。雖然如上所述LED光源包括內部電流控制，但是用戶可以按照與常見現有技術的LED光源相同的方式將設備集成到PCB布局中。LED光源因而可以被認為是具有「準陽極」和「準陰極」。
根據本發明的演變，LED電路裝置包括與電壓輸入端串聯連接的不止一個LED光源。根據該實施例，本發明的電路裝置的光通量通過如上所述的相應的多個LED光源的串聯連接被進一步增大。具體而言，本實施例允許使用具有多個LED光源被連接到的單個電抗元件的LED電路裝置。由於電壓輸入端提供工作電壓並且電流在內部被每個LED光源控制，所以不需要電路的進一步適配。但是，當然在使用標準電源並且標準電源與電壓輸入端相連接的情況下，額定電壓、額定電流和額定功率應當允許相應數目的LED光源的操作。作為附加或選擇，LED電路裝置優選地被提供有與所述一個或多個本發明的LED光源和所述至少一個電抗元件串聯連接的根據現有技術的一個或多個LED。這種組合的電路裝置尤其經濟並且同時提供更大的光通量。此外，多個LED電路裝置可以與所述電源並聯連接以增大光通量。開關模式操作的開關頻率以及佔空比主要取決於工作電壓。由於流經第一和第二LED單元的電流在低電壓和高電壓模式下可能是不同的，所以這兩種模式下的光通量可能不同，導致光通量對工作電壓的依賴關係。雖然這可能是有利的，因為它使得光通量容易被設置在特定範圍內，尤其是在使用非穩壓電源的情況下，但是光輸出的質量可能會受影響。根據本發明的另一優選實施例，控制單元被配置為適配第一和/或第二閾值，以使得流經LED光源的電流對應於預規定的平均燈電流。由於光通量取決於平均燈電流，本實施例允許與輸入電壓水平相獨立地設置光通量，因而提供了更穩定的光輸出。平均燈電流可以例如由用戶利用相應的用戶接口根據應用來設置，並且被存儲在適當的存儲器中或者可以是出廠設置。作為選擇或附加，平均燈電流可以是可變的並且被控制單元適配，例如利用所提供的反饋設備來測量輸出光通量並將平均燈電流設置為給定的設定點通量而適配。因而，本實施例有利地允許例如對老化和溫度效應的補償。優選地，控制單元被配置為例如利用電壓測量電路確定輸入電壓並且相應地適配平均燈電流。在這種情況下，控制單元可以被配置為設置平均燈電流以提供很大程度上獨立於輸入電壓的恆定光通量。作為選擇或附加，控制單元可以被配置為根據與輸入電壓的給定關係設置平均燈電流。因此，可以通過控制輸入電壓設置LED光源的光通量，即不需要另外的控制信號或用戶接口。最優選的是，控制單元被配置為適配第一(例如較低的)電流閾值以提供預先規定的平均燈電流。根據本發明的LED光源被適配用於和LED電路裝置一起工作，如上所述。LED光源包括每一個具有至少一個發光二極體的第一和第二 LED單元，在低電壓模式和高電壓模式下將所述LED單元與電抗元件相連接的可控開關裝置，以及控制單元。在所述低電壓模式下，LED光源顯示第一正向電壓。在高電壓模式下，LED光源顯示高於所述第一正向電壓的第二正向電壓。控制單元被配置為當由所述電壓源提供的電流對應於第一閾值時將所述開關裝置設置為所述低電壓模式，而當所述被提供的電流對應於第二閾值時將所述開關裝置設置為所述高電壓模式。當然，LED光源可以優選地被適配用於以上的優選實施例。根據本發明的利用工作電壓操作LED光源的方法，所述LED光源包括每一個具有至少一個發光二極體的第一和第二 LED單元，以及在低電壓模式和高電壓模式下將所述LED單元與電抗元件相連接的可控開關裝置。在所述低電壓模式下，LED光源顯示第一正向電壓。在高電壓模式下，LED光源顯示高於所述第一正向電壓的第二正向電壓。當被提供給所述LED光源的工作電流對應於第一閾值時開關裝置被設置為所述低電壓模式，當所述被提供的電流對應於第二閾值時開關裝置被設置為所述高電壓模式。當然，LED光源可以優選地利用根據以上實施例的LED電路裝置而操作。


本發明的以上及其它目的、特徵和優點將根據對優選實施例的描述而變得清楚，其中:圖1示出了根據本發明的第一實施例的具有LED光源的LED電路裝置的示意性電路圖，圖2示出了在操作期間根據圖1的LED電路裝置中的電流的時序圖，圖3a示出了根據第二實施例的LED光源的橫截面視圖，圖3b不出了根據第三實施例的LED光源的橫截面視圖，圖3c示出了根據第四實施例的LED光源的橫截面視圖，圖4示出根據本發明的另一實施例的LED電路裝置的示意性電路圖以及圖5示出根據本發明的另一實施例的LED電路裝置的示意性電路圖。
具體實施例方式圖1示出了根據本發明的第一實施例的LED電路裝置I的示意性電路圖。LED電路裝置I包括與LED光源3連接的LED電源電路2。LED光源3作為單一模塊或晶片形成，下面將參考圖2進行說明。LED電源電路2包括電壓輸入端4a和電壓輸入端4b，即，根據本實施例的用於連接到提供15V直流電壓的電壓源5的兩個端子。電源5可以例如是被連接到相應的電源幹線並且包括整流器以提供所述直流電壓的開關模式電源單元。LED電源電路2還包括被串聯連接在電壓輸入端4、電壓源5和LED光源3之間的電抗元件6,即在本示例中為具有100 μ H電感的線圈。LED光源3包括用於與LED電源電路2連接的兩個端子7a和7b。根據本示例的LED光源3因而可以被稱為「雙極」或「雙接腳」器件，使得將LED光源3集成到現有電源電路中是很容易實現的。根據本實施例的端子7a和7b例如被提供為金屬焊盤以連接到印刷電路板。LED光源3還包括第一 LED單元8和第二 LED單元9，根據本示例，這兩個單元每一個包括被串聯布置的三個大功率發光二極體48(在圖1中未示出)，得到大約9V的規定正向電壓。為了將第一和第二 LED單元8、9與電抗元件6並且從而與電壓源5相連接，提供了開關裝置10，根據本實施例，開關裝置10包括兩個可控開關11。開關11通過如圖1中的虛線所示的適當的控制連接被控制單元12操縱。根據本示例，控制單元12包括被適當地編程以用於電流控制的微控制器，下面將進行討論。控制單元12還與電流檢測器13連接以測量流過電路裝置I的電流。提供開關裝置10以在高電壓模式和低電壓模式下操作LED光源3。在高電壓模式下，如圖1中所示，開關11打開。第一和第二 LED單元8、9相應地通過包括反向電壓保護二極體15的橋式電路14與彼此以及電抗元件6串聯連接，得到規定的LED光源3的第一總體正向電壓。在低電壓模式下，兩個開關11都關閉，使得第一和第二 LED單元8，9彼此並聯連接，得到規定的LED光源3的第二正向電壓。在該模式下，反向電壓保護二極體15防止短路。因而，LED光源3可以被設置在兩種模式下。例如在兩個端子7a和7b之間所測量的LED光源3也即LED單元8、9的總正向電壓可以相應地被設置為在低電壓模式下的LED光源的第一正向電壓9V和在高電壓模式下的LED光源3的第二正向電壓18V。因此,低電壓模式下的LED光源3的總正向電壓低於電壓源5的電壓。在高電壓模式下，正向電壓高於所提供的電壓。下文中參考圖2的時序圖說明根據圖1的實施例的本發明的LED電路裝置I的工作原理。在圖2中，示出了流經電抗元件6也即流經LED光源3的端子7a和7b的電流込以及電流隨時間的變化，時間上從LED電路裝置I連接到電源(即到電壓源5)開始。電流Iwc指每個LED單元8，9的LED的有效結電流。取決於LED光源3在低電壓還是高電壓模式33，電流L分別流經並聯或串聯的兩個LED單元8和9。因此，每個LED單元8，9的有效電流1tc對應於高電壓模式33中的電流込和低電壓模式32中的電流込的一半，因為這裡，兩個LED單元8，9被並聯連接，使得電流L被共享。根據本示例，LED單元8，9被假設為顯示對應的電特性，S卩LED單元 8，9的正向電壓的電壓比為1:1。因此，電流^被等分。如上所述，控制單元12被適配為利用電流檢測器13測量流經LED光源3的電流L控制單元12被適配為控制開關裝置11的開關11從所述低電壓模式(即並聯連接)變為所述串聯連接。控制單元12被編程有根據本示例的700mA的第一電流閾值30和1400mA的第二電流閾值31，即比第一電流閾值30高出700mA的「電流波動值」Λ i。當所測得的電流低於或對應於所述第一閾值30時，控制單元12控制開關裝置10工作在低電壓模式32下。即使電流k進一步增大，開關裝置10仍處於低電壓模式下。如果電流達到(即等於或高於)所述第二閾值31，則開關裝置10被控制為工作在高電壓模式33下。同樣，開關裝置10被保持在高電壓模式33下直到電流L等於或低於第一閾值30。因而，可以適當地利用根據本發明的電流控制，該電流控制能夠將工作狀態下(即正常工作條件下)的電流保持在第一與第二閾值之間。本示例導致大約30kHz的開關頻率。開關裝置10的佔空比或開關頻率當然取決於閾值30，31，也就是取決於電流波動值A1、電抗元件6的電感以及LED單元8，9的特性(即尤其是正向電壓)。為了利用前述閾值提供在20kHz到4MHz範圍內的開關頻率，大約150 μ H到750ηΗ的電感是特別優選的。因而，該裝置的操作基本對應升壓轉換器的操作，從而佔空比或開關頻率可以由本領域技術人員利用現有的設計標準和規則根據相應的應用來設定。參考圖2，控制單元12的操作通過將電路I連接到電壓源5而啟動。最初，控制單元12將開關裝置10設置為低電壓模式32。因此，電流I1將為O。因為在低電壓模式32下，LED光源3的有效總正向電壓低於電壓源5的工作電壓，如上所述，電抗元件6兩端存在電壓降。因此，在低電壓模式/階段32期間，電流L增大。當電流込達到第二閾值31時，控制單元12將開關裝置10的開關11設置為打開狀態，即高電壓模式/階段33。由於串聯連接，在該模式下LED單元8，9的總正向電壓高於電壓源5的電壓。但是，由於電抗元件6將試圖抑制L的改變，所以LED光源3的端子7處的電壓升高到使得電流流經第一 LED單元8、第二 LED單元9和反向電壓保護二極體15成為可能的水平。電壓的升高與開關裝置10的關閉過程同時發生，導致連續的電流流動並且進而導致第一和第二 LED單元8，9的LED連續工作。由於根據該高電壓模式33的總正向電壓高於電壓源5的工作電壓，所以電抗元件6兩端的電壓為負值，導致在高電壓模式33下電流L減小，如圖2中所示。當電流L達到第一閾值30時，控制單元12控制開關裝置10的開關11再次工作在低電壓模式32下，即第一和第二 LED單元8，9並聯工作的模式。相應地，在接下來的低電壓模式32下電流込增大並且上述操作被重複。LED光源3的控制單元12的操作因而提供了在兩個閾值30，31內的電流控制，並且從而允許在穩定電流的同時利用電壓源5對LED光源3進行操作。因而，可以有利地省去複雜的電流調節器。另外，由於高開關頻率，LED單元8，9的LED 48被連續地提供工作電流，導致光輸出沒有黑暗時間並且基本上是沒有閃爍的。當電路裝置I用以高於高電壓模式33下LED光源3的總正向電壓的電壓操作時，內部電流調節未激活。相反，LED光源3可以像典型的一串LED 48那樣操作，在這種情況下需要從外部控制電流。相應地，作為自控設備在特定的電源電壓範圍內工作的相同的光源3，當接受高於高電壓模式33下的總正向電壓的電源電壓時，可以作為正常的高電壓LED光源3操作。這裡，應當在外部提供限流器件。因而，LED光源3和電路裝置I是非常通用的。當然，電特性以及電流閾值應當根據相應的應用、尤其是針對所提供的電壓和所使用的特定電子組件而適配。但是這種適配可以由本領域普通技術人員來進行。如上所述，LED光源3可以作為集成模塊形成，從而具有很有利的小外形尺寸。圖3a以橫截面視圖示出了基本與圖1的實施例相對應的的光源3』的實施例。如圖所示，第一和第二 LED單元8，9每一個由本領域中所公知的包括二極體半導體結構的外延半導體層20a,20b形成。為了提供白光輸出，磷層21a,21b被設置在外延半導體層20a,20b頂部。LED光源模塊3』的上述層20a，20b, 21a，21b在標準半導體製造過程中形成，允許成本上划算的構造。半導體層20a，20b通過焊接點22連接到電基片23以提供必要的電連接和機械固定。如圖3a中所示，電基片23包括圖1中所示的LED光源模塊3』的其餘電組件，即開關裝置10、控制單元12、電流檢測器13以及具有反向電壓保護二極體15的橋式電路14。為了清楚起見，不是所有的前述組件都被顯示在圖3a中。電基片23也通過標準的已知的半導體陶瓷或印刷電路板製造過程來形成。整體裝置可通過相應的焊接端子7a和7b連接到LED電源電路2(在圖3a中未示出)。散熱器接口 24被提供以消散LED單元8，9和電基片23所產生的熱。圖3b示出了另一實施例LED光源3」。圖3b的實施例基本對應於圖3a的實施例，只是多了用作電抗元件6』的電感層25。因此，LED光源3」提供了更加集成的構造，使得LED光源3」可以很容易通過電壓輸入端4a和4b連接到電壓源5。圖3c示出了本發明的的另一實施例LED光源3」』。圖3c的實施例基本對應於圖3a的實施例，只是這裡沒有電基片23。因此，第一和第二 LED單元8，9通過焊接點22連接到印刷電路板26，該印刷電路板26包括LED光源3」』的前述其它組件，即可控開關裝置10、控制單元12、電流檢測器13和橋式電路14 (在圖3c中未示出)。圖4示出了根據另一實施例的LED電路裝置I』的示意性電路圖。根據圖4的電路裝置I』的實施例基本對應於以上參考圖1所描述的實施例，只是具有修改的開關裝置10』和控制單元12』。根據本示例的開關裝置10』包括由控制單元12』控制的兩個MOSFET 40a和40b。根據圖4的實施例的控制單元12』包括觸發器裝置46，該觸發器裝置的輸出Q被連接到柵極驅動器47。柵極驅動器47用於將觸發器裝置46的信號放大到適合於驅動MOSFET 40的柵極的水平。根據本示例，MOSFET 40a是N溝道型的，而MOSFET 40b是P溝道型的。根據所使用的MOSFET 40a，40b的具體類型，可能不需要進行電平偏移來驅動P溝道MOSFET 40b，即如果高正向電壓低於P溝道MOSFET 40b的被允許的柵-源極電壓的話。本領域中有多種用於MOSFET柵極驅動的概念和驅動器1C。對於上述集成設備，考慮到MOSFET 40的輸入特性、電壓水平和期望的開關頻率，合適的電路被實現在基片23上。控制單元12』還包括分別被連接到第一電壓基準生成器42和第二電壓基準生成器43的第一比較器44和第二比較器45。比較器44，45比較被傳送到它們的輸入連接的電壓水平。如果在相應的正相輸入端(在圖4中用符號「 + 」標記)處的電壓高於在相應的反相輸入端處的電壓，則去往觸發器裝置46的輸出信號為高。相應地，如果正相輸入端處的電壓低於反相輸入端處的電壓，則輸出信號為低。比較器44，45應當呈現適當的共模電壓範圍以允許所希望的開關操作。為了高效率，感測電阻器41兩端的電壓降應當非常小，例如低於100mV。因而，比較器44，45必需用接近於地電勢的輸入信號進行操作，該輸入信號可以被提供為最負的電源電壓。用於本申請的多種類型的比較器在市面上有售，通常被稱為「單電源」或者甚至是「軌對軌輸入」比較器。最簡單地，合適的差分放大器可以被用作比較器。電壓基準生成器42可以包括獨立偏置齊納二極體、帶隙基準源或者由具有合適的電壓水平和穩定性的共用輔助電源供電的簡單的電壓分壓器。第一和第二比較器44，45與電流檢測器13相連接，根據本示例，該電流檢測器13包括電流感測電阻器41。電阻器41為第一和第二比較器44，45提供與流經燈3」」的當前電流相對應的電壓。比較器44，45將信號與由所述第一和第二電壓基準生成器42，43提供的基準電壓進行比較，所述基準電壓被設置為與第一和第二電流閾值30，31相對應。在啟動階段中，一旦設備啟動，比較器45生成高信號，設置觸發器裝置46。因此，觸發器46的輸出Q為高，使M0SFET40處於關閉狀態。LED光源3」」因而被設置為低電壓模式。當電阻器41兩端的電壓降達到第一閾值30時，比較器45生成低輸出信號，但是由於觸發器裝置46的原因，開關將仍停留在關閉狀態。當電阻器41兩端的電壓降達到第二閾值31 (即由第二電壓基準生成器43設置的電壓)時，比較器44生成高輸出信號，重置觸發器裝置46，使得MOSFET 40被停用，即被設置為打開狀態。LED光源3」」因而被設置為高電壓模式，導致電流込減小，如在上面參考圖2所討論的那樣。根據圖4的實施例提供了一種簡單且經濟的LED光源3」」的構造。如上所述，第一和第二電流閾值30，31由相應的第一和第二電壓基準生成器42，43設置。雖然在兩種模式(即低電壓模式和高電壓模式)下，兩個LED單元8，9 (每個包括單個LED 48)被連續提供有工作電流，但是由於從LED單元8，9的並聯連接到串聯連接的切換，兩種模式下的光通量明顯不同。因此，LED單元8，9的光通量取決於控制的佔空比，並且因而至少一定程度上取決於電壓源5的電壓；雖然能夠通過工作電壓在高正向電壓和低正向電壓之間的變化來控制光通量可能是有利的，但是這種依賴性對於用不夠穩定的電壓源5的操作電路I』來說可能是不希望有的。圖5示出了根據本發明的另一實施例的LED電路裝置I」的示意性電路圖。除了控制單元12」和第一和第二 LED單元8』，9』以外，圖5的實施例基本上對應於以上參考圖4描述的實施例。參考圖5，第一和第二 LED單元8』，9』每一個只包括一個LED 48。控制單元12」包括另一電壓源52，該電壓源確定第一與第二閾值30，31之間的差值並且從而確定流經電抗元件6的電流L的電流波動Λ i。第一 OP-AMP 50設置第一和第二電流閾值30和31。這些閾值不再是固定的，因為第一 OP-AMP 50的輸入端被連接到電容器58、電阻器56，57和觸發器裝置46的反相輸出的布置，使得第一電流閾值30主要取決於佔空比。具有開關操作的熱熔絲55提供過溫保護。第二 OP-AMP 51與電阻器41相連接以提供如上所述的與流經LED光源I」的當前電流相對應的信號。與圖4的實施例相對應，柵極驅動器53(例如0Ρ-ΑΜΡ)用於將觸發器裝置46的信號放大到適合於驅動MOSFET 54a和54b的柵極的水平。觸發器裝置46的反相輸出被連接到第一柵極驅動器53並且觸發器裝置46的輸出Q被連接到第二柵極驅動器53。根據本實施例，第一和第二電流閾值30，31是可變的並且取決於開關操作的佔空t匕，使得輸出光通量線性地依賴於電壓源5的輸入電壓，從而在不需要附加控制裝置的情況下實現調光功能。由電阻器57和電容器58形成的RC電路濾除MOSFET 54a和54b的佔空比的任何高頻成份，使得平均值被用於設置第一和第二電路閾值30，31。當LED電路裝置I」的溫度達到上限時，熱熔絲55將佔空比信號鉗制為低值，使得平均電感器電流込將很低，以利用低功率或零功率水平驅動LED 48。開關54a和54b的佔空比被定義為
權利要求
1.一種LED電路裝置，至少具有 -電壓輸入端(4)，其被適配為提供工作電壓， -電抗元件出)，其與所述電壓輸入端(4)串聯連接，以及 -LED光源(3)包括 -第一 LED單元和第二 LED單元(8，9)，其每一個具有至少一個發光二極體， -可控開關裝置(10)，其在低電壓模式和高電壓模式下將所述LED單元(8，9)與所述電抗元件(6)相連接，所述LED光源(3)在所述低電壓模式下具有第一正向電壓而在所述高電壓模式下具有第二正向電壓，所述第二正向電壓高於所述第一正向電壓，以及 -控制單元(12)，其被配置為 -當被提供至所述LED光源(3)的工作電流對應於第一閾值(30)時將所述開關裝置(10)設置為所述低電壓模式，以及 -當所述被提供的電流對應於第二閾值(31)時將所述開關裝置(10)設置為所述高電壓模式。
2.根據權利要求1所述的LED電路裝置，其中所述LED光源(3)的所述第一正向電壓低於所述工作電壓，並且所述LED光源(3)的所述第二正向電壓高於所述工作電壓。
3.根據前述權利要求中的任一權利要求所述的LED電路裝置，其中所述LED單元(8，9)在所述低電壓模式和所述高電壓模式下都與所述電`抗元件(6)相連接。
4.根據前述權利要求中的任一權利要求所述的LED電路裝置，其中所述開關裝置(10)被適配為使得 -在所述低電壓模式下，所述第一 LED單元和第二 LED單元(8，9)彼此並聯連接，以及 -在所述高電壓模式下，所述第一 LED單元和第二 LED單元(8，9)彼此串聯連接。
5.根據前述權利要求中的任一權利要求所述的LED電路裝置，其中所述第一LED單元(8)的所述正向電壓基本對應於所述第二 LED單元(9)的所述正向電壓。
6.根據前述權利要求中的任一權利要求所述的LED電路裝置，其中所述開關裝置(10)以400Hz到40MHz的開關頻率被所述控制單元(12)控制。
7.根據前述權利要求中的任一權利要求所述的LED電路裝置，其中所述控制單元(12)包括電流檢測電路(13)以確定流經所述LED光源(3)的電流。
8.根據權利要求7所述的LED電路裝置，其中所述控制單元(12)被配置為適配所述第一閾值和/或第二閾值(30，31)，使得流經所述LED光源(3)的電流對應於預定的燈平均電流。
9.根據前述權利要求中的任一權利要求所述的LED電路裝置，其中所述LED單元(8，9)、所述開關裝置(10)和/或所述控制單元(12)彼此整體地形成。
10.根據前述權利要求中的任一權利要求所述的LED電路裝置，其中所述電抗元件(6)與所述LED光源(3)整體地形成。
11.根據前述權利要求中的任一權利要求所述的LED電路裝置，其中所述LED光源(3)是雙極器件。
12.根據前述權利要求中的任一權利要求所述的LED電路裝置，包括與所述電壓輸入端⑷串聯連接的一個以上LED光源(3)。
13.一種用於與根據前述權利要求中的任一權利要求所述的LED電路裝置(I) 一起工作的LED光源，包括 -第一 LED單元和第二 LED單元(8，9)，其每一個具有至少一個發光二極體， -可控開關裝置(10)，其在低電壓模式和高電壓模式下將所述LED單元(8，9)與電抗元件(6)相連接，所述LED光源(3)在所述低電壓模式下具有第一正向電壓而在所述高電壓模式下具有第二正向電壓，所述第二正向電壓高於所述第一正向電壓，以及-控制單元(12)，其配置為 -當所述電壓源所提供的電流對應於第一閾值(30)時將所述開關裝置(10)設置為所述低電壓模式，並且 -當所述被提供的電流對應於第二閾值(31)時將所述開關裝置(10)設置為所述高電壓模式。
14.一種利用工作電壓操縱LED光源(3)的方法，所述LED光源(3)包括每一個具有至少一個發光二極體的第一LED單兀和第二LED單兀(8,9),以及在低電壓模式和高電壓模式下將所述LED單元(8，9)與所述電抗元件(6)相連接的可控開關裝置(10)，所述LED光源(3)在所述低電壓模式下具有第一正向電壓並且在所述高電壓模式下具有第二正向電壓，所述第二正向電壓高於所述第一正向電壓，其中當被提供給所述LED光源(3)的工作電流對應於第一閾值(30)時所述開關裝置(10)被設置為所述低電壓模式，並且當所述被提供的電流對應於第二閾 值(31)時所述開關裝置(10)被設置為所述高電壓模式。
全文摘要
本發明關於一種LED電路裝置(1)，其至少具有被適配為提供工作電壓的電壓輸入端(4)、與所述電壓輸入端(4)串聯連接的電抗元件(6)和LED光源(3)。為了使LED電路裝置能夠在工作電壓下被驅動，LED光源(3)包括每一個具有一個發光二極體的第一和第二LED單元(8，9)、在低電壓模式和高電壓模式下將所述LED單元(8，9)與所述電抗元件(6)相連接的可控開關裝置(10)以及控制單元(12)。LED光源(3)在所述低電壓模式下顯示出第一正向電壓而在所述高電壓模式下顯示出第二正向電壓，所述第二正向電壓高於所述第一正向電壓。控制單元(12)被適配為通過以下方式控制流過LED光源(3)的電流，即，當被提供給LED光源(3)的電流對應於第一閾值(30)時將開關裝置(10)設置為所述低電壓模式，而當所述被提供的電流對應於第二閾值(31)時將開關裝置(10)設置為高電壓模式。
文檔編號H05B33/08GK103168504SQ201180050419
公開日2013年6月19日 申請日期2011年10月13日 優先權日2010年10月19日
發明者H·J·G·拉德馬赫爾, T·洛佩茲, M·文特 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司