在發光元件中用於減小熱應力的方法和設備的製作方法
2023-07-05 02:38:51
專利名稱：在發光元件中用於減小熱應力的方法和設備的製作方法
技術領域：
本發明涉及照明領域，具體來說涉及在發光元件中用於控制熱應 力的方法和設備，所述的發光元件經受反覆的或頻繁的熱循環。
背景技術：
由於在開發和改進發光二極體(LED)(如固態發光二極體和某些 有機的或聚合物發光二極體)的光通量方面的進展，已經產生了適合 用於普通照明應用的這樣的設備；普通照明應用例如包括建築的、娛
樂的、和道路照明。因此，與諸如白熾燈、螢光燈和高強度放電燈之 類的光源相比，發光二極體變得越來越具有竟爭力。
發光二極體有許多優點，通常選用發光二極體是因為它們的耐用 性、長壽命、高效率、低電壓要求和獨立控制所發出的光的顏色和強 度的可能性。與精密的(delicate)氣體放電燈、白熾燈、和螢光照 明系統相比，發光二極體提供改進的性能。固態的和改進的有機發光 二極體具有產生類似照明印象的能力，同時與其它的照明技術相比， 通常還能提供較大的靈活性。
當通過發光二極體的電流迅速變化時，設備的傳熱性質可引起超 過每個釐米大約3000°C的瞬時溫度梯度，如在"3 - 5微米平面發光結 構的傳熱映射(Heat Transfer Mapping in 3-5 Micrometer Planar Ligni一n邁i iLingdirui;Lures j 1/義/^*(^攻沐,。、J0urnai ot Applied PHysics)93 ( 11) ， 2003年，第9398 - 9400頁)中Malyutenko等人 所表述的。快速增長的驅動電流在發光二極體內可產生局部空間熱點， 峰值溫度高達約150°C，如Barton等人在"GaN/AlGaN/InGaN發光二 極管的壽命測試和失效機制"(SPIE 3279巻，1998年，第17 - 27頁) 中所表述的，與發光二極體封裝的有效冷卻無關，在一般情況下這種 有效冷卻減小了發光二極體管芯的平均結溫。在大通量發光二極體中 由快速瞬時驅動電流引起的溫度梯度還可能取決於初始電流，如 Farkas等人在"大功率光學設備中的電和熱的瞬時效應，，(第20屆 IEEE半導體熱測量和管理年會的會議錄，2004年，第168 - 176頁)中所表述的。
眾所周知，在發光二極體內過大的熱致機械應力可導致過早的流 明下降。它還能顯著地縮短設備的壽命，因為存在一系列毀滅性的失 效模式，例如包括焊線斷裂或封裝-管芯脫離。
圖1說明在將驅動電流從約400毫安切換到約10毫安之後一個綠 色發光二極體的結溫是如何隨時間變化的。這些變化可以從圖1右側 的縱坐標上表示的所測正向電壓Uf (t)導出。如所看出的，在驅動電流 調節後結溫速率的變化速率可以達到每秒幾千的絕對溫度。眾所周知， 按照傳熱方程並且根據發光二極體的傳熱性質，溫度的變化速率是和 對應的溫度梯度相互關聯的。存在過大的溫度梯度或熱點可能發生的 一系列應用。
例如，發光二極體已經證明可用於在彩色電視和計算機顯示器中 使用的液晶顯示(LCD)板的背光照明，例如由Folkert等人在"利用 大通量發光二極體的發光二極體背光照明構想"(SID04摘要，2004 年，第l"6 - l"9頁)中，或者由Harbers等人在"用於液晶顯示高 清晰度電視的發光二極體背光照明"(信息顯示學會雜誌(Journal of the Society for Information Display) 10 (4) ， 2002年，347 -"0頁)中，或者由Sugiura等人在"寬色域監視器-發光二極體背光 照明液晶顯示器和新的磷光體陰極射線管"(Bellingham的光學工程 學會，WA:液晶材料、器件、和應用X和投影顯示X的會議錄，SPIE-IS&T 5289， 2004年，第151 - 160頁)中、或者由West等人在"用於 液晶顯示電視的高亮度直接發光二極體的背光照明"(SID 2003年摘 要，第1262 - 1265頁)中所討論的。
在本領域中眾所周知的是，通常將顯示系統設計成可以接收信號， 將信號中的信息格式化成一個串行數據流，所述的串行數據流包括一 個幀的系列。每一幀包括用於再現單個靜止畫面所必須的數據。此外， 信息信號可以包括能識別幀的開始或結束並且有助於同步單個靜止畫 面的顯示的數據。例如，每個幀可包括一個垂直回掃信號。足夠快的 幀系列可以產生沒有閃爍的運動畫面的印象。可以按照取決於顯示器 的期望應用場合的速率，產生和再現這些幀。出於多個理由，某些類 型的顯示系統要求背光照明發光二極體例如與垂直回掃信號同步地 截止和導通。垂直回掃信號的時間周期可以等於背光照明發光二極體
5的熱時間常數的幾倍，這個熱時間常數可能導致背光照明發光二極體 內過大的和可能損壞的熱梯度，不利於發光二極體的長壽命。
例如，如圖2所示，液晶顯示板的背光照明可以使用一種技術來 實現，在這種技術中與垂直回掃信號同步地消隱背光照明發光二極體。 在這個圖中，用於液晶顯示板的背光照明的視頻信號20的垂直回掃間 隔IO與發光二極體的截止時間35和導通時間30是同樣的，發光二極 管的截止時間35和導通時間30是由發光二極體的驅動電流ID ( t )控 制的。
例如，Yamada等人在文獻"基於利用發光二極體背光照明的OCB 的時序彩色液晶顯示器"(信息顯示學會雜誌10 (1) ， 2002年，第 81-85頁)中描述了一種彩色視頻顯示器，這種顯示器利用了一個單 色的液晶顯示板，具有用於背光照明的順序啟用的紅、綠、藍(RGB) 發光二極體。這種系統在原理上比傳統的液晶顯示板更簡單，並且制 造可能更經濟，傳統的液晶顯示板利用的是白色背光照明和RGB濾光 器的矩陣，其中要對每一個顯示像素配置彩色濾光器元件。然而，發 光二極體的每種顏色只能加電約1.2毫秒，或者是為傳統的液晶顯示 背光照明分配的時間的大約10%。因此，必須使用用於傳統的發光二 極管的背光照明的電流數量的約IO倍的電流來驅動發光二極體，才能 維持與同樣數目的發光二極體相同的液晶顯示屏幕亮度。如很容易理
解地，這種操作模式因而極大地增加了例如在發光二極體管芯和它的 焊線上的熱應力。
現有技術的用於大通量發光二極體的驅動技術使用了模擬的和數 字的兩種電流控制，如2ukauskas等人在文獻"固態照明引論" (Wiley-Interscience， 2002年)中所描述的。如所討論的，數字控 制的最普通的形式是脈衝寬度調製(PWM)。數字和模擬這兩種控制的 發光二極體背光照明在垂直回掃間隔期間的消隱包括將驅動電流從滿 功率切換到零，等待回掃間隔的持續時間，然後將驅動電流切換回到 滿功率。
美國專利No. 4190836公開了 一種發光二極體驅動電路，其中通過 與每個發光二極體並聯連接的電容器擴大驅動電流脈衝的前沿和後 沿。在圖3中表示的是電容器對於驅動電流的影響效果，其中通過電 容器的充電和放電使得驅動電流的前沿40和後沿50都加長了。然而，對於發光二極體驅動電路的這種配置來說，電容器只抑制了總電流脈 沖中的高次諧波，否則可能產生能干擾射頻信號的高頻電磁輻射。總 電流是發光二極體驅動電流再加上電容器電流之和。因此，電容器減 小了重複脈動的發光二極體系統的驅動電路負荷並且基本上抑制了高 次諧波的電磁輻射的產生和發射。但所公開的電子電路既不能影響通 過每個發光二極體的瞬時電流，也不能減小發光二極體內的熱應力。
因此，需要一種新的方法和設備，來減小在操作期間如在重複的 導通和截止的循環期間加到發光元件上的熱應力。
提供這樣的背景信息是為了揭示本申請人相信的有可能與本發明 有關的信息。不必期望承認也不應該認為，任何在先的信息構成了對 抗本發明的現有技術。
發明內容
本發明的一個目的是提供用於減小發光元件中熱應力的方法和設 備。按照本發明的一個方面，提供一種用於控制在一個或多個發光元 件的第一驅動電流狀態和期望的第二驅動電流狀態之間的過渡周期期
間在一個或多個發光元件中的熱應力的設備，所述的設備包括監測 模塊，配置成估算第一驅動電流狀態；控制系統，配置成根據第一驅 動電流狀態和期望的第二驅動電流狀態確定驅動電流瞬時值，所述的 控制系統進一步還配置成估算驅動電流瞬時值以便維持一個或多個發 光元件兩端的正向電壓變化速率在預定的限值內；和驅動電流控制裝 置，按照驅動電流瞬時值控制在過渡周期期間傳送到一個或多個發光 元件的驅動電流。
按照本發明的另一方面，提供一種用於控制在一個或多個發光元 件的第一驅動電流狀態和期望的第二驅動電流狀態之間的過渡周期期 間在一個或多個發光元件中的熱應力的方法，所述方法包括如下步驟 監測第一驅動電流狀態；根據第一驅動電流狀態和第二驅動電流狀態 確定驅動電流瞬時值，所確定的所述驅動電流瞬時值是為了維持一個 或多個發光元件兩端的正向電壓變化速率在預定的限值內；和按照驅 動電流瞬時值控制在過渡周期期間傳送到一個或多個發光元件的驅動 電流。
圖l表示在將驅動電流從400毫安切換到IO毫安之後綠色發光二 極管的按時間分辨的結溫變化(取自Farkas等人的文獻，M(M年)， 驅動電流是從右側縱坐標表示的正向電壓導出的；
圖2說明背光照明的發光二極體消隱的現有技術，其中與垂直回
掃信號同步地消隱背光照明發光二極體；
圖3表示現有技術的使用與發光二極體並聯連接的電容器的重複
脈衝式發光二極體驅動電流的驅動電流瞬時值；
圖4表示按照本發明的一個實施例的控制系統的示意方塊圖； 圖5表示按照本發明的一個實施例的控制系統的示意方塊圖； 圖6表示按照本發明的實施例的正向電壓瞬時值Uf(t); 圖7說明按照本發明的實施例的一個模擬驅動電流的驅動電流瞬
時值的形狀；
圖8表示按照本發明的實施例的脈衝寬度調製的驅動電流的瞬時 脈衝序列；
圖9表示按照本發明的實施例的脈沖式驅動電流的驅動電流瞬時 值的形狀；
圖IO表示用於按照本發明的一個實施例的驅動電流控制順序的一 個流程圖。
具體實施方式
定義
使用術語"發光元件"(LEE)來定義一種器件，當例如通過在器 件的兩端加上一個電位差時或者一個電流通過器件來激勵所述的器件 時，這個器件在電磁波譜的一個區域中或區域的組合中發射輻射，例 如在可見光區、紅外和/或紫外光區中發射輻射。因此，發光元件可 以有單色的、準單色的、多色的、或寬帶光譜的發射特性。發光元件 的例子包括半導體、有機的或聚合物/聚合的發光二極體、塗敷光 泵磷光體的發光二極體、光泵納米晶體發光二極體、或其它類似的器 件，本領域的普通技術人員對此是容易理解的。而且，使用術語發光 元件來定義發射輻射的特定器件，例如發光二極體管芯，這個術語同 樣可以用來定義特定器件的組合，所述特定器件的組合與放置一個或多個特定器件的外殼或封裝一起發射輻射。
使用術語"控制系統，，來定義能夠接收輸入信號、按照參數處理 輸入信號使其成為輸出信號以及提供輸出信號的系統。控制系統能夠 按可操作方式通過控制系統的輸入和/或輸出接口連接到一個或多個 外圍設備。外圍設備能給控制系統提供輸入信號或者從控制系統接收 輸出信號。控制系統可以包括模擬的或數字的計算裝置，如微控制器、
中央處理單元(CPU)、或輸入/輸出接口設備。接口設備可以包括模
擬/數字轉換器或數字/模擬轉換器，以接收或提供足以用於外圍設備 的形式的輸入和輸出信號。外圍設備可以包括用戶輸入/輸出設備， 用於在用戶和控制系統之間交換期望的用戶請求或控制系統參數。控 制系統可以包括一個或多個存儲設備。存儲設備可以具有易失性和非
易失性存儲特性並且可以包括計算機存儲器，如RAM、 PR0M、 EPR0M、 EEPR0M、軟盤、光碟、光碟、磁帶、或類似物，其中的與控制系統耦 合的用於監視或控制所述的設備的控制程序(如軟體、微型代碼、或 固件)和/或數據例如可由CPU存儲和執行。控制系統提供按照用戶 指定的操作條件控制某些外圍設備的操作條件的裝置。控制系統藉助 用戶接口可以接受用戶指定的指令，用戶接口例如鍵盤、觸摸板、觸 摸屏、控制臺、視覺或聽覺輸入裝置、或本領域的普通技術人員熟知 的其它形式的用戶輸入設備。
使用術語"驅動電流控制裝置"來定義配置成控制提供給一個或 多個發光元件的驅動電流的裝置。驅動電流控制裝置可以包括驅動電 流執行裝置或其它本領域的普通技術人員公知的驅動器。可以將驅動 電流控制裝置集成到控制系統內，或者驅動電流控制裝置可以是從控 制系統接收操作參數的單獨的部件。
如這裡所用的，術語"大約"指的是距標稱值有±10%的偏差。應 該理解，這樣一個偏差總是包括在這裡提供的任何指定的數值之內， 而不管這個數值是否具體地指出。
除非另有規定，這裡所用的所有科技術語都具有與本發明所屬領 域中普通技術人員通常所理解的相同的含義。
本發明提供用於控制熱梯度並且因而控制需要曝露給變化的驅動 電流條件的發光元件中的熱應力的方法和設備。所述的方法和設備通 過自適應地確定第一驅動電流狀態和第二驅動電流狀態之間的驅動電流瞬時值來減小發光元件上的熱應力。可以使用 一個或多個發光元件 兩端的正向電壓作為發光元件的整體溫度的指示值，其中對於一個已 知的驅動電流，從操作條件下的正向電壓可以推斷出發光元件內有關 熱梯度的見識。如果已經過了足夠的時間以便平衡發光元件的溫度分 布，則正向電壓與發光元件的溫度相當對應。根據發光元件的尺寸和 它對環境的熱耦合狀況，在亞微秒到亞秒的時幀內，在發光元件內的 穩定熱條件即可達到。
按照本發明，當驅動電流在第 一驅動電流和第二驅動電流之間變 化時，要確定驅動電流瞬時值以減小在一個或多個發光元件兩端正向 電壓的變化速率。驅動電流控制裝置耦合到一個或多個發光元件和控 制系統，其中驅動電流控制裝置配置成控制按照所確定的驅動電流瞬 時值在過渡周期期間加到一個或多個發光元件上的驅動電流。所述的 設備按照這種方式提供用於控制在過渡周期期間在一個或多個發光元 件中的熱應力的裝置。
在本發明的實施例中，通常可通過不同的機制來控制發光元件驅
動電流，這些機制例如有脈沖寬度調製(PWM)、脈碼調製(PCM)、 或包括模擬形式控制在內的其它機制。因此，例如可以通過脈衝寬度 調製的幅度和脈衝寬度調製的佔空比、脈碼調製的幅度和脈碼密度、 或驅動電流的幅度來描述驅動電流狀態。術語"驅動電流狀態"從根 本上來說描述的是驅動電流相對於時幀的移動平均值(moving average),這個時幀要足夠地短，以便能夠分辨(resolve )發光元 件的熱響應。
通過選擇適當的控制參數，例如對於脈衝寬度調製和脈碼調製的 控制系統的足夠的脈衝頻率或脈衝密度，可以實現基本上穩定的熱操 作條件。超過1千赫茲數量級的脈沖寬度調製驅動頻率通常足以維持 發光元件內的熱梯度在可接受的限值內。然而，當在幾個相繼的工作 循環內發生明顯的佔空因數變化時，熱梯度可能會增加的過多。在一 般情況下，在驅動電流狀態之間以快於發光元件的熱時間常數幾倍的 速率的變化可將所述的器件暴露到過量的熱致應力中。要說明的是， 相同的發光元件的不同耦合可以引起不同的熱梯度，因此可用於本發 明的不同的實施方案，同時仍可使用相同的發光元件，不同的驅動電 流瞬時值都是可以應用的以便減小這些熱梯度。如很容易理解地，驅動電流從初始狀態變化到隨後的穩定狀態的 速率取決於參數，如實施本發明的顯示器、照明或發光系統的特定設 計和性質。例如，發光元件的類型、發光元件粘結或固定的方式、和 /或與系統相關的散熱器類型都可能影響驅動電流變化以維持期望的 熱梯度的最大速率。
在本發明的一個實施例中，在基於LEE的背光照明的顯示系統的 發光元件中，對於熱應力進行控制，以使其中的驅動電流和隨後的發 光元件管芯溫度隨時間的變化在毫秒數量級。要說明的是，本發明可 用在顯示器、發光系統、照明系統、或其它的需要對發光元件的熱應 力進行相應管理的照明系統中。
由於作為例子已經特別關注了顯示系統的背光照明系統，與系統
成可以需要與垂直回掃信號或水平跟蹤信號同步地導通或截止。因此 可以使用具有固定的佔空比的脈衝寬度調製控制器來控制背光照明系 統的亮度。典型的視頻信號的幀速範圍為50 - 100赫茲，具有從亞毫 秒到毫秒長的垂直回掃信號。因此，背光照明的相應的佔空因數可能 接近l。
照明設備包括用於產生光的一個或多個發光元件。將驅動電流控 制裝置耦合到一個或多個發光元件的每一個並且能選擇性地向一個或 多個發光元件中的每一個提供電的驅動電流，其中驅動電流控制裝置 響應於從控制系統接受的驅動信號。對於控制系統進行配置，以便響 應與照明設備的操作條件有關的所收集的信息產生向驅動電流控制裝 置傳送的一個或多個驅動信號。按照本發明對於驅動信號進行配置， 其中在第一驅動電流狀態和第二驅動電流狀態之間的驅動電流過渡期 間，通過估算在第 一驅動電流狀態和第二驅動電流狀態之間的驅動電 流瞬時值，通過自適應地修改驅動電流信號，可以減小一個或多個發 光元件中的熱應力。
設備
本發明提供用於控制在第一驅動電流狀態和期望的第二驅動電流 狀態之間的過渡周期期間在一個或多個發光元件中熱應力的設備。所 述的設備包括 一個監測模塊，用於估算第一驅動電狀態；和一個控 制系統，配置成根據第一驅動電流狀態和期望的第二驅動電流狀態確
ii定驅動電流瞬時值。控制系統進一步還配置成估算驅動電流瞬時值， 以便將一個或多個發光元件兩端的正向電壓變化速率維持在預先確定 的限值之內。所述的設備進一步還包括驅動電流控制裝置，用於按照驅 動電流瞬時值控制在過渡周期傳送到一個或多個發光元件的驅動電 流。
在本發明的 一 個實施例中，用於收集代表第 一驅動電流狀態的信 息的監測模塊是一個驅動電流傳感器。監測模塊的這種配置可以提供 驅動電流狀態的一個基本上是直接的指示。例如，驅動電流傳感器可 以是一個固定電阻器、可變電阻器、電感器、霍爾效應電流傳感器、 或者具有已知的電壓-電流關係並且能提供流過一個或多個發光元件 的電流測量值的其它元件。
在本發明的一個實施例中，監測模塊是一個正向電壓傳感器，用 於估算提供給一個或多個發光元件的正向電壓，並且由此可確定給其 提供的第一驅動電流。
在另一個實施例中，監測模塊配置成檢測某些脈沖寬度調製的或 脈碼調製的參數，或檢測代表瞬時操作狀態(即驅動電流狀態)的其 它裝置。例如，從幅度、佔空因數、或脈衝密度的組合，可以確定或 導出第一驅動電流狀態。
為了進行總體的強度控制，可以實現用於產生恆定的脈沖寬度調 制幅度和變化的脈衝寬度調製佔空因數的一種機制，以便向一個或多 個發光元件提供通常期望的驅動電流。
通過一種才幾制或機制的組合可以實現驅動電流瞬時控制。在一個 實施例中，通過控制脈沖寬度調製的幅度可以配置在一個脈衝寬度調 制脈沖的開始和結束時的驅動電流瞬時值。在另一個實施例中，當脈 衝寬度調製的頻率足夠高時，通過逐漸改變脈沖寬度調製的佔空因數， 可以配置驅動電流瞬時值。在本發明的另一個實施例中並且根據期望 的應用場合，可以在超過一個脈衝寬度調製的佔空比上，可以擴展驅 動電流瞬時值的對應幅度控制。
圖4是具有按照本發明的一個實施例的控制系統的照明系統675 的方塊圖。控制系統654從監測模塊655接收反饋信息，它提供代表 第一驅動電流狀態的信息。根據第一驅動電流狀態和期望的第二驅動 電流狀態，控制系統654估算驅動電流瞬時值，以維持在一個或多個發光元件"6兩端的正向電壓變化速率在預先確定的限值之內。控制 系統654根據估算的驅動電流瞬時值向驅動器652提供控制信號，驅 動器652控制向一個或多個發光元件656供給電流。以此方式，在估 算驅動電流瞬時值時，驅動器652在過渡周期期間能控制驅動電流， 從而可以在過渡周期期間將電壓隨時間的變化減至最小。
圖5是用按照本發明的一個實施例的控制系統配置的照明系統 700的方塊圖，所述的控制系統可用於背光照明設備，因為這個控制系 統此外還要響應於消隱信號。控制系統704監測消隱信號線712，以便 確定什麼時間經過與之連接的驅動器702啟動和控制發光元件的驅動 電流瞬時值。而且5控制系統704從監測模塊接收反饋信息；反饋信
息提供代表第 一驅動電流狀態的信息。根據第 一驅動電流狀態和期望 的第二驅動電流狀態，控制系統704可估算驅動電流瞬時值，以維持 在一個或多個發光元件706兩端的正向電壓的變化速率在預先確定的 限值之內。 一個或多個發光元件706連接到地708並且經過驅動器702 連接到電源710。以此方式，在估算預先確定的驅動電流瞬時值時，驅 動電流控制裝置在過渡周期期間控制驅動電流，以使電壓在過渡周期 期間隨時間的變化最小。
根據以上所述，本領域的普通技術人員容易理解如何修改如圖4 或5所示的方塊圖，以便在操作條件下減小發光元件中的熱應力。
在本發明的一個實施例中，通過例如可控的可變電源、調節來自 恆流源的電流的可控的可變電阻、和/或另外的恆定驅動電流的脈衝 寬度調製或脈碼調製、或者本領域的普通技術人員容易理解的其它方 式，都可以改變提供給一個或多個發光元件的驅動電流。
在本發明的一個實施例中，為了對於提供給一個或多個發光元件 的電流進行數字控制，可以保持有足夠高頻率的脈衝序列的佔空因數 或脈沖密度不變，同時在一個足夠長的時幀內平滑地改變脈沖幅度， 這樣就可以確定啟動在第一驅動電流狀態和第二驅動電流狀態之間轉 變的驅動電流瞬時值。
驅動電流瞬時值的估算
對於在第一驅動電流狀態和第二驅動電流狀態之間的過渡周期， 自適應地確定驅動電流瞬時值，其中確定驅動電流瞬時值是為了在過 渡周期期間維持正向電壓變化速率在預先確定的限值之內。能對於在
13第 一驅動電流狀態和第二驅動電流狀態之間的過渡周期期間的正向電 壓的變化進行充分的控制，可以減小在過渡周期期間在發光元件上產 生的熱應力。
通過起始評估一個或多個發光元件的瞬時值或第一驅動電流狀 態，可以估算驅動電流瞬時值。如以上所述，第一驅動電流狀態可以 直接檢測出來或者例如從幅度、佔空因數、或脈衝密度的組合導出。 隨後，根據所估算的有關發光元件的當前運行特性的信息，並且還要 根據有關照明裝置本身特性的信息，例如熱管理設計、發光元件類型、 等等，所述的控制系統可以估算出在第一驅動電流瞬時值和第二驅動 電流狀態之間的過渡周期的驅動電流瞬時值。
在估算驅動電流瞬時值時，控制系統還要向驅動電流控制裝置提 供驅動電流信號，以便按照所確定的驅動電流瞬時值瞬時地調節驅動 電流或驅動電流的佔空比。才艮據第一驅動電流狀態和第二驅動電流狀 態之間的關係，這種調節可能增加或者可能減小驅動電流。
按照本發明的一個實施例，圖6示意地表示用於期望的正向電壓 瞬時值Uf ( t )的驅動電流瞬時值的例子。正向電壓的變化可以具有S 狀的時間依賴性，例如Uf (t) (l+exp(—t/a))'，或者其它的可減
小發光元件內的熱梯度的基本上平滑的瞬時值，其中可以將參數a適 當地選擇為一個正數，這個正數稱之為瞬時速率常數。
在本發明的一個實施例中，通過對於本發明的一個實施方案求解 傳熱方程可以確定驅動電流瞬時值Uf (t)。根據驅動電流的控制是按 照模擬方式還是按照數字方式來確定估算和應用期望的驅動電流瞬時 值的步驟。
可以使用其它的驅動電流瞬時值配置，它可以具有例如包括線性 的、拋物線的、曲線的、指數的形狀、或者容易理解的其它形狀，條 件只是正向電壓的變化速率要保持在預先確定的範圍之內，由此可以 減小在一個或多個發光元件中的熱應力。
模擬電流的控制
模擬電流的控制指的是對於通過發光元件的連續電流的控制，與 控制的實現是用數字方式還是用模擬方式無關，這裡所述的連續電流 與模擬電流同義。
在本發明的 一個實施例中，模擬發光元件驅動電流控制裝置可以通過明顯減小所加正向電壓的變化速率至最小，並且按照預先確定的
瞬時形狀，例如直線的、指數的、s狀、或者可減小一個或多個發光元
件中由驅動電流引起的熱應力的其它形狀，控制驅動電流瞬時值。用 於控制驅動電流瞬時值的形狀的控制系統例如可以包括一個預先確定 的硬接線的電子驅動器電路或者一個可編程數字控制的模擬驅動電 路。
在本發明的一個實施例中，使用數字控制的模擬驅動電路。數字 控制的模擬驅動電路可提供較大的靈活性和適應性。但這種配置比較 複雜，並且成本有效性較差。
圖7表示的是模擬驅動電流的時間依賴性的例子，模擬驅動電流 提供了按照本發明的一個實施例的各個連續變化的高和低電平驅動電 流之間的基本上平滑的驅動電流瞬時值70。當按照模擬方式控制驅動 電流時，按照本發明的方法和設備可以根據瞬時的或第一驅動電流狀 態和期望的或第二驅動電流狀態確定驅動電流瞬時值。做為選擇，通 過這個控制系統可以擴大顯著突然的驅動電流變化以便按照希望遵照 平滑的驅動電流瞬時值70，從而可以限制在一個或多個發光元件中的 熱梯度和熱應力。然後產生驅動電流控制信號，並將其提供給驅動電 流控制裝置以影響對應的驅動電流瞬時值。
例如，當使用光學傳感器的閉環控制系統還要配備正向電壓傳感 器時，可將這個控制系統配置成能夠維持一個期望的發光元件亮度， 同時還能夠限制正向電壓的變化速率。這樣的配置可以實現用於控制 一個或多個發光元件的控制系統，從而可以迅速而穩定地進行一個或 多個發光元件的運行調節，而不會出現不期望的亮度偏離。
數字電流控制
數字電流控制指的是對通過發光元件的非連續電流的控制，與控 制的實現是通過數字方式還是模擬方式無關，非連續電流在這裡與數 字電流同義。
在本發明的一個實施例中，使用數字發光元件驅動電流控制裝置 來控制驅動電流瞬時值，例如通過分別調節脈沖寬度調製序列或脈碼 調製脈衝的脈衝寬度調製的佔空因數或脈碼調製的脈衝速率來實現這 種控制，以使脈衝寬度調製或脈碼調製的平均電流遵循所確定的驅動 電流瞬時值的形狀，例如是直線的、S形的、指數的、或能夠減小一個或多個發光元件中驅動電流引起的熱應力的其它形狀。應該理解，數
字驅動電流的控制系統除了可以利用脈衝寬度調製或脈碼調製之外，
還可以使用數字控制技術。
在本發明的一個實施例中，當驅動電流的控制是通過數字驅動電 流控制裝置實現的時候，按照本發明的設備例如通過瞬時的佔空因數 或者對其進行直接檢測可以確定第 一驅動電流狀態。控制系統隨後估 算一個驅動電流瞬時值的序列，以便從代表第 一驅動電流狀態的瞬時 佔空因數到代表期望的第二驅動電流狀態的期望的佔空因數轉換按時 間平均的驅動電流。然後將控制信號提供給驅動電流控制裝置，以便 適當地增加或減小在預先確定的時間周期的佔空比或脈衝密度。
例如圖8表示一個脈沖寬度調製驅動脈衝的一個序列，按照本發 明的一個實施例，該序列具有隨時間幀62增加的佔空比。這個序列可 以被認為是一種基本上平滑的驅動電流瞬時值的形式，因為它的配置 通過平滑地轉換平均驅動電流基本上避免了平均驅動電流的突然跳 躍，因而避免了從一個佔空比到下一個佔空比的溫度梯度和熱致應力 的突然變化。
在本發明的一個實施例中，當脈沖頻率足夠高，以致發光元件內 的溫度梯度只是可忽略地上下漲落，而所述的溫度梯度則被這些脈衝 反覆地激活和退激，脈衝的上升肩和下降肩(rising and falling shoulders )的準確形狀通常不太可能引起有效數量的熱致應力。
在一個實施例中，能使驅動電脈沖的上升肩和下降肩配置成，每 當截止時間與發光元件的特徵熱動力行為(characteristic thermal dynamics )相比較長的時候，遵循平滑的瞬時值。 一旦脈衝頻率或脈
衝密度實質上很低，就可能發生相當長的截止時間。在圖9中表示的 是具有平滑的驅動電流瞬時值的驅動電流脈衝的例子，圖9表示平滑
上升的驅動電流瞬時值72和平滑下降的驅動電流瞬時值74。
圖10表示用於按照本發明的一個實施例的驅動電流控制順序600 的一個流程圖。驅動電流控制順序600按照前饋方式控制驅動電流。 要說明的是，例如通過使用光學傳感器和正向電壓傳感器，還可以使 用反饋控制方式控制驅動電流瞬時值。這個程序在步驟602啟動，在 這裡將參數i初始設定為l;在步驟604監測驅動電流變化信號，例如 垂直回掃信號。在步驟606，將驅動電流的當前值與期望的新的驅動電流值進行比較。如果新的驅動電流值和當前驅動電流不同，則在步驟
608按照預先確定的或自適應的驅動電流瞬時值將當前的驅動電流設 定到新的驅動電流值。驅動電流在過渡周期期間的變化，即驅動電流 瞬時值，可以根據預先確定的線性的或非線性的時間函數(temporal function)進行確定，對於所述的時間函數進行選擇，以使正向電壓 的變化速率在這個過渡周期期間仍舊在預定的限值之內，並且驅動電 流可以從第 一驅動電流狀態轉變到第二驅動電流狀態，同時明顯地減 小了在一個或多個發光元件中產生的熱應力。
顯然，本發明的上述實施例都是一些實例，並且能以許多方式改 變上述實施例。這樣一些現在的或將來的變化都不被認為是背離了本 發明的構思和範圍，期望在本領域中的所有的這樣一些改進都包括在 下面的權利要求書的範圍之內。
權利要求
1、一種設備，用於控制在一個或多個發光元件的第一驅動電流狀態和期望的第二驅動電流狀態之間的過渡周期期間在一個或多個發光元件中的熱應力，所述的設備包括a)監測模塊，配置成估算第一驅動電流狀態；b)控制系統，配置成根據第一驅動電流狀態和期望的第二驅動電流狀態確定驅動電流瞬時值，所述的控制系統進一步還配置成估算驅動電流瞬時值以便維持一個或多個發光元件兩端的正向電壓變化速率在預定的限值內；和c)驅動電流控制裝置，按照驅動電流瞬時值控制在過渡周期期間傳送到一個或多個發光元件的驅動電流。
2、 根據權利要求1所述的設備，其中對於驅動電流控制裝置進 行配置，以便使用脈衝寬度調製、脈碼調製、或模擬控制來控制驅動 電流。
3、 根據權利要求1所述的設備，其中監測模塊是驅動電流傳感器。
4、 根據權利要求3所述的設備，其中驅動電流傳感器是從下面 的組中選擇出來的固定電阻器、可變電阻器、電感器、和霍爾效應 電流傳感器。
5、 根據權利要求1所述的設備，其中監測模塊是正向電壓傳感器。
6、 根據權利要求1所述的設備，其中對於驅動電流控制裝置進 行配置，以便使用脈衝寬度調製或脈碼調製來控制驅動電流，並且其 中對於監測模塊進行配置，以便檢測脈衝寬度調製或脈碼調製的參 數。
7、 根據權利要求1所述的設備，其用於背光照明裝置中，其中對 於控制系統進行配置以便響應一個消隱信號，其中對於一個或多個發 光元件的控制與消隱信號同步。
8、 根據權利要求1所述的設備，其中驅動電流瞬時值具有從下 面的組中選擇出來的形狀直線的、拋物線的、曲線的、指數的和S 形的。
9、 一種用於控制在一個或多個發光元件的第一驅動電流狀態和期望的第二驅動電流狀態之間的過渡周期期間在一個或多個發光元件中的熱應力的方法，所述方法包括如下步驟a) 監測第 一驅動電流狀態；b) 根據第 一驅動電流狀態和第二驅動電流狀態確定驅動電流瞬時 值，所確定的所述驅動電流瞬時值是為了維持一個或多個發光元件兩 端的正向電壓變化速率在預定的限制內；和c) 按照驅動電流瞬時值在過渡周期期間控制傳送到一個或多個發 光元件的驅動電流。
10、 根據權利要求9所述的方法，其中驅動電流瞬時值具有從 下面的組中選擇出來的形狀直線的、拋物線的、曲線的、指數的、 和S形的。
11、 根據權利要求9所述的方法，其中監測第一驅動電流狀態 包括收集驅動電流數據。
12、 根據權利要求9所述的方法，其中監測第一驅動電流狀態 包括收集正向電壓數據。
13、 根據權利要求9所述的方法，其中使用脈衝寬度調製或脈 碼調製來實現驅動電流的控制，並且其中監測第一驅動電流狀態包 括檢測脈衝寬度調製或脈碼調製的參數。
14、 根據權利要求9所述的方法，其中使用脈衝寬度調製或脈 碼調製或模擬控制來實現驅動電流的控制。
全文摘要
本發明提供用於控制發光元件中熱梯度並因而可以控制發光元件中的熱應力的方法和設備，其中發光元件暴露到在操作條件下改變驅動電流引起的溫度梯度中。按照本發明的方法和設備通過自適應地確定用於從第一驅動電流狀態到期望的第二驅動電流狀態所需的驅動電流變化的驅動電流瞬時值可以減小發光元件中的熱應力，其中自適應地確定驅動電流瞬時值，以使在轉變周期期間所加電壓隨時間的變化實質上減至最小。
文檔編號H01L23/34GK101507360SQ200780030620
公開日2009年8月12日 申請日期2007年8月10日 優先權日2006年8月17日
發明者I·阿什當 申請人:Tir科技公司