包含有由多個短串連成長串的led燈串電路的製作方法

2023-05-21 07:21:06 2

專利名稱：包含有由多個短串連成長串的led燈串電路的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種發光二極體(LED)光源、控制和保護電路；特別涉及一種由 交流電流驅動的LED光源、控制和保護電流。
背景技術：
發光二極體燈串(即LEDs)逐步成為了常用的發光源，舉一個例子，如由交流供 電的被稱之為白色LEDs的短串。交流LED有時專指某些電路。如專利號為5，495，147、 6，830，358,7, 045，965,7, 138，770,7, 264，381 和 7，344，275 的各美國專利文獻中涉及 到的交流LED電路，這些交流LED電路包含有平行反串型LED燈串。再如在專利號為 5，463，280和7，276，85的美國專利文獻中，涉及一種橋式整流LED燈串，還有在申請號為 2007/0008721的美國專利文獻中公開了一種各交流LED燈並聯連接形成的燈串網，該燈串 網可採用多方式形成。圖1是現有交流LED燈串電路示意圖，該交流LED燈串電路既沒有交直流轉換器 也沒有整流器。雖然電路也可接入直流電壓，但在輸入端1和2之間通常還是接入交流電 源，例如，接入IlOV的交流電壓。如果輸入端1的電位高於輸入端2的電位，電流就由輸入 端1經限流電阻3、節點4、第一串串連的LED燈串5、節點6和限流電阻7，流入輸入端2 ； 而如果輸入端1的電位低於輸入端2的電位，電流的流向就反向，既由輸入端2依次經過限 流電阻7、節點6、第二串串連的LED燈串8、節點4後，流入輸入端1。圖2是現有另一種交流LED電路示意圖。電路中採用了全波整流器9，在輸入端10 和11之間接入交流或直流電源，例如為IlOV交流電壓，在交流電壓的任意半周內兩個LED 燈串12和13都會發光，但此電路需要額外增設全波整流器9。和圖1所示的電路一樣，此 電路也設有限流電阻14和15來限制電流。圖1和圖2所示的交流LED電路在應用時，為保證電路的穩定性，需要對電路進行 控制，使輸入的交流電源和LED燈串上的電壓降能夠匹配，同時電路中也可能需要增設圖 中所示的限流電阻，以便當輸入電壓或者LED燈串兩端的電壓降變化時限制電路電流。設 置限流電阻的弊端在於會有功率損耗，導致LED燈串電路的效率較低，而且會發熱嚴重。在圖2所示的電路，接入IlOV交流電壓，如果限流電阻為625歐姆，IlOV電壓在 LED燈串上產生40毫安的電流，這樣LED燈串輸出4瓦功率，限流電阻消耗1瓦的功率，電 路總計會有26%的功率損失。如果電路工作在220V電壓、20毫安電流情形下，限流電阻為 2. 5千歐姆，結果，LED燈串的功率也為4瓦，限流電阻的功率也是1瓦，電路總計也有26% 的功率損失。由於限流電阻上的RMS電壓降近似為交流RMS電壓的26%，如果接入的交流 電壓增加10%，會導致LED燈串電流增加近40% (即10%/26%)，進而會導致限流電阻的 功率消耗增加70%以上，使電路發熱增加，功率損失增加近50%。同樣，如果交流電壓減少 10 %，可以看到LED燈串電路的電流下降36 %。為了避免限流電阻上的功率損失，一種連接有電容的交流LEDs燈串電路被提出。 如在專利號為6，972，528和7，489，086的美國專利文獻中，公開了在平行反串型LED燈串電路中採用了用作高頻退耦的電容。這個電路的一個弊端就在於需要高精度的電容，另一 個弊端在於電路要依賴電壓變化率(即dV/dt)的穩定性，而且此電路一般也不能兼容可控 矽調光器件。雖然這種電路能由高頻交流電壓源控制器所驅動，但如此又需要有用作高頻 驅動器的複雜電路。在專利號為6，577，072的美國專利文獻中，闡述了另一種實施方式，即採用包含 開關的非單片集成電路，其開關和並接有儲能電容的LED燈串相連。當輸入電壓低於某一 水平時，開關閉合，以便LED燈串由電容供電。由於放電後的電容需要通過開關進行再充 電，因此這個電路也不是無功率損耗的。而且，LED燈串的光輸出也不能隨輸入電壓的變化 而調節。

實用新型內容一交流LED燈串電路包括整流器、集成電路和連續串接的LED構成的燈串。這個 電路接入交流電源，通過整流後提供給LED燈串。所述集成電路包含多個驅動開關，每個驅 動開關的連接方式使得各自能獨立地且有選擇性地短路多串LED短串中相應的一串，多串 LED短串都是LED燈串的一部分。當LED燈串上的電壓增加，集成電路就控制這些驅動開 關，以使有電流流過的LED數目增加；而當LED燈串上的電壓減少時，集成電路就控制這些 驅動開關，以使有電流流過的LED數目減少。在交流LED燈串電路中，對有電流流過的LED數目和LED燈串電流進行控制和調 節，可以保證電路的高效、可靠、避免閃爍感，還能實現對電壓波動的調節、電源因素的校 正、電路過壓保護、過流保護和過熱保護。本實用新型的電路架構不需要電解電容而僅僅需 要幾個簡單的相關構件，就可構成高功率的電晶體式的交流LED燈電路。不採用電解電容， 就可避免電解電容的故障、以及因電解電容的故障而帶來的相關電路可靠性降低的問題。 而且，電路構件簡單，也可提高電路的可靠性，延長電路的平均壽命。和許多採用交直流轉 換器的LED燈串電路相比較，本實用新型的交流LED燈串電路由於不需要高頻電壓轉換，故 其電磁幹擾(EMI)較小。以下將對本實用新型的一些電路結構和方法進行詳細描述。本部分的內容並不用 於限制本實用新型，本實用新型的保護範圍由權利要求書所確定。

各附圖用於闡述本實用新型的具體實施例，其中，附圖中相同的數字標號表示相 同的部件。圖1是現有不包含交直流轉換器或整流器的交流LED燈串電路的示意圖。圖2是現有包含整流器的交流LED燈串電路的示意圖。圖3是本實用新型的交流LED燈串電路的第一個實施例示意圖。圖4是圖3的交流LED燈串電路的詳細結構示意圖。圖5是圖4中的集成電路52包含的控制器92的詳細結構示意圖。圖6是圖3和圖4所示的LED燈串電路在接入交流電源的電壓為IlOV時的運行 波形圖。圖7是圖3和圖4所示的LED燈串電路接入的交流電源的電壓比IlOV高10%時的電路運行示意圖。圖8是圖3和圖4所示的LED燈串電路接入的交流電源的電壓比1IOV低30 %時 的電路運行示意圖。圖9是當輸入電壓改變時圖3和圖4所示的交流LED燈串電路50的LED燈串功 率、輸入功率、效率和輸入功率因子的波形圖。圖10中的一組波形圖表明了圖3和4中的交流LED燈串電路50的反閃爍感。圖11是包含圖4和5中的集成電路52的LED燈串電路模塊200的俯視圖。圖12是由多個圖11所示的LED燈串模塊構成的交流LED燈串電路示意圖。圖13是本實用新型的交流LED燈串電路的第二個實施例示意圖。圖14是圖13所示的交流LED燈串電路的詳細結構示意圖。圖15是採用圖13和14的電路形成的一交流LED燈串架構示意圖。圖16是本實用新型的交流LED燈串電路的第三個實施例示意圖。圖17是圖16所示第三個實施例電路中的解碼器616的電路示意圖。圖18是圖17所示的可查詢R0M617運行圖表。圖19是採用圖16-18所示的電路形成的交流LED燈串架構700示意圖。圖20是本實用新型的方法800的簡單流程圖。
具體實施方式
圖3是實施例一的交流LED燈串電路50的電路示意圖。交流LED燈串電路50包 括全波整流器51、LED燈電路電壓自動調整集成電路(也被稱之為集成控制電路)52、和由 連續串接的LED構成的LED燈串。全波整流器51和圖示的電源輸入端53和54相連接。電 源輸入端53和54可接交流或直流電壓。LED長串具有第一端點55和第二端點56，兩端點之間依次包括57_62這7個LED 燈部分，這裡所述的每一 LED燈部分都是一個LED短串。圖示各兩LED短串間的節點從技 術意義上說都是指互連節點。圖3所示，LED長串的第二端點56經由連接線63連接到集成 控制電路52的CSP引腳64 ；LED長串中的互接節點65經由連接線66連接到集成控制電路 52的LO引腳67 ；LED長串中的互接節點68經由連接線69連接到集成控制電路52的Ll引 腳70 ；LED長串中的互接節點71經由連接線72連接到集成控制電路52的L2引腳73 ；LED 長串中的互接節點74經由連接線75連接到集成控制電路52的L3引腳76 ；LED長串中的 互接節點77經由連接線78連接到集成控制電路52的L4引腳79 ；LED長串的第一端點55 經由連接線80連接到集成控制電路52的L5引腳81。交流LED燈串電路50由電源輸入端53和54之間接入的交流或直流電源供電，所 接入的交流電源例如可以是幅度為Iiov的60赫茲的正弦波。這個交流正弦波被全波整流 器51整流後加載在集成控制電路52的L5引腳81和VSS引腳82。標號80表示從整流器 51到L5引腳81和LED長串第一端點55間的連接線。正常運行時，集成電路52控制電流 流過LED長串中被選擇出的LED短串，然後再從集成電路52的VSS引腳82輸出後，回至 整流器51。集成電路52選擇性地短路部分被選擇出的LED短串而連通另一些被選擇出的 LED短串，通過改變有電流流過的LED長串中的LED數目，來調節LED燈串的電流和電壓。 例如，在電源輸入端53和54之間接入的IlOV正弦交流電源，其電壓幅度在一個周期內有0到360度的相位變化。在波形零點時刻，連接線80上的被整流的交流電壓由最小值開始 正向增加或負向減小。連接線80上的電壓在相位為0到90度的範圍內是增加的。在第一 個90度相位範圍，有電流流過的LED數目增加，以便LED燈串的電壓降能與整流後的瞬時 電壓匹配。接下來，在相位為90度到180度的範圍，有電流流過的LED數目減少，以便LED 燈串上的電壓降能與整流後的逐漸減小的瞬時電壓匹配。將LED燈串上的電壓降變化(通 過將第一端點55至第二端點56之間的任意LED短串短路來調節)跟隨連接線80上加載 的經整流後的電壓的增加或減少的變化，可以獲得很好的電路效率。交流LED燈串電路50 的平均功率近似等於流過最小的LED短串的電壓降和輸入電壓比值的一半。圖4是圖3中的交流LED燈串電路50包含的集成電路52的進一步細節示意圖。 除了引腳64，67，70，73，76，79和81外，集成電路52還包括驅動開關83-88、電源保護開關 89、電流感應電阻90、內部電源供應電路91、控制電路92和解碼器93。驅動開關83受控 使CSP引腳64和LO引腳67連通，從而使LED短串57短路；驅動開關84受控使LO引腳67 和Ll引腳70連通，從而使LED短串58短路；驅動開關85受控使Ll引腳70和L2引腳73 連通，從而使LED短串59短路；驅動開關86受控使L2引腳73和L3引腳76連通，從而使 LED短串60短路；驅動開關87受控使L3引腳76和L4引腳79連通，從而使LED短串61短 路；驅動開關88受控使L4引腳79和L5引腳81連通，從而使LED短串62短路；驅動開關 83-88各自都由控制器92和解碼器93控制。內部電源供應電路91產生一內部VCC電壓 (圖中未示出)，並把這個內部電壓提供給控制器92和解碼器93以驅動這些電路模塊中的 電路。控制器92提供一個6位的數字LED計數信號(LEDC0UNT) 94至6位的總線95，LED 計數信號表示LED長串中有電流流過的LED燈的最佳數目，以便在預期的LED燈電路平均 電流水平下，使LED長串的總的前向電壓降能跟隨連接線80上加載的經整流的電壓變化。 流經LED燈串的電流可由電流傳感電阻檢測出。解碼器93將LED計數信號轉換為合適的 門驅動信號以驅動驅動開關83-88，進而能使LED長串中所需數目的LED有電流流過。正常情況下，保護開關89開啟時阻值最小，使LED燈串的電流能流回整流器51。 但是在大電流下，保護開關89的門電壓被調整以將電流限制在預先確定的水平。以下將進 一步詳細描述各種不正常的運行狀況下，保護開關89受控開啟使得LED燈串無電流流過， 從而避免LED燈串被損壞。應用於1IOV交流電源的LED燈串電路大約包括40_50個連續串接的白色LED燈， 應用於220V交流電源的LED長串大約包括80-100個連續串接的白色LED燈。如圖所示， 這些LED先以N 2N 4N 8N 16N的比例被分成5個短串，最後一短串62包含剩餘 的P個LED燈，31N+P等於LED長串中總的LED數目。圖5是圖4所示的控制器92的詳細結構示意圖。LED計數信號(LEDC0UNT)94由 可逆計數器122輸出。當連接線80上加載的經整流後的瞬時電壓低於重置門限電壓(即 PORT)，重置電壓電路96發出一重置信號97，重置信號97重置可逆計數器122至最大計數 狀態。被重置至最大計數狀態的重置計數器122可以保證輸入電壓階越式變化(例如因可 控矽調光器件的開啟所造成的輸入電壓階越式變化)時流經LED燈串的電流被限制在一初 始值。計數增加信號(UP) 98被設置為低電平。當經過整流的瞬時電壓高於PORT門限電壓， 集成電路52進行第一次調整以找到與被整流後的電壓相匹配的LED計數初始值。為了實 現這一點，可逆計數器122遞減式計數，直到電流傳感信號99表明流過LED燈串是合適的
7才停止計數。電流傳感信號99是電流傳感電阻90上的電壓降。此外，計數增加信號98被設置為高電平時，電路就開始跟蹤輸入電壓的幅度包 絡。可逆計數器122由片上時鐘發生器100產生的時鐘信號CLK控制，以確定的速率增加 或減少計數。如果相位控制電路101檢測到整流後的輸入電壓在增加，則計數增加信號98 被置高電平，而如果相位控制電路檢測到整流後的輸入電壓在減少，計數增加信號98被置 低電平。如果計數增加信號98為高電平(即整流後的輸入電壓在逐步增加)，而且一使能 信號接入了可逆計數器122的使能輸入端(EN) 102，則可逆計數器122在時鐘信號CLK的下 一個上升沿來臨開始遞增式計數。當比較器103檢測到電流傳感信號99超過電流傳感門限 電壓104(CSTS)，輸出一使能信號，直到這個狀態不再存在，才終止輸出使能信號。當計數增 加信號98為高電平，且有使能信號時，則在時鐘信號上升沿來臨，可逆計數器遞增式計數。 增加的計數值使得更多的LED短串有電流流過。另一方面，在比較器103檢測到電流傳感信號99比CSTS信號104與VHYST滯後 電壓之差低的情況下，如果計數增加信號98為低電平，可逆計數器122在時鐘信號CLK的 下一個上升沿來臨時遞減式計數，直到這個狀態不存在才停止計數。遞減計數使LED長串 中的一些LED短串被短路。一集成放大電路106包括一放大器107和一電容108。集成放大電路106線性地 放大被分頻器109分頻的瞬時電壓信號99與由參考源110提供的VPAVG參考電壓之差。被 放大的差信號在電容108上產生一誤差信號111。如果LED燈串平均電壓低於目標電壓，誤 差信號111緩慢增大，如果LED燈串平均電壓高於目標電壓，誤差信號111減小。因而LED 燈串平均電壓被調整至=SCALE · VF · VPAVG/R90，其中，SCALE是個常數，由分頻器109和 LED短串中的LED燈數目來確定，R90是電流傳感電阻90的阻值。為了調控電路，電路可包含一個標準的可控矽調光器件，VPAVG由可察知的調光器 相位角來調節。在標準的可控矽調光電路中，可控矽可斷路交流輸入信號的一部分或經整 流的電壓信號的一部分，以便減小提供給發光負載的能量供應。圖5所示的電路中，相位控 制電路101檢測斷路持續信號的相位，斷路持續信號的相位在這裡是指調光器的調光相位 角度。相位控制電路101調節VPAVG，以便調光相位角度越大，LED平均電壓越低。輸入至比較器103的電流傳感門限信號104是被分頻器112分頻後的誤差信號 111，誤差信號111來自電容108。分頻器112由LED計數信號94控制。分頻器109和112 可採用階梯式電阻來實現，在被選出的階梯電阻上信號由模擬多路輸出裝置輸出，而模擬 多路輸出裝置由分頻器控制信號控制。如果LED計數數值小，分頻器112以較小的值對誤 差信號進行分頻，而如果LED計數數值大，分頻器112以較大的值對誤差信號111進行分 頻。通過調整LED燈串瞬時電流，以便電流幅度能隨LED長串中的LED數目成一定比例變 化。在交流信號的周期內，LED燈串電路電流的相位根據LED燈串上的電壓降的相位來調 整。因此，LED燈串電路的功率因子可調整至近似為1。控制器92也會產生一保護門信號113 (NPROT)，用於控制保護開關89。在正常工 作時，限流放大器114的輸出經過緩衝器115後成為保護門信號113。當電流傳感信號99 比電壓源116設置的VILIM門限電壓低，限流放大器114驅動NPROT 113為高電平，進而開 啟保護開關89。當電流傳感信號99接近VILIM門限值，那麼NPROT信號113幅度減小以限 制流經保護開關89的電流，由此使電流傳感信號99被調整近似至VILIM。結果，流過LED
8燈串的電流被限制。LED燈串電流的限制幅度由VILIM的值/R90來確定。而且，保護開關 89也用作過熱保護。當過熱保護電路117感測到與之相連的連接點的溫度達到預設的溫度 門限，過熱保護電路117通過二極體119拉低節點118的電壓。節點118的電壓被拉低，使 得LED電流減小。過壓保護時，當被整流後的瞬時電壓超過最大門限值時，內部電源供應電 路91發出過壓保護信號(OVP) 120。當有OVP信號後，限流放大器114不運行，保護門信號 113為低電平，保護開關89斷開。重置電路電源供應模塊96可以偵測到經整流後的瞬時輸入電壓比重置電路電源 門限電壓(PORTV)低的情況。如果偵測到連接線80上經整流後的瞬時輸入電壓比PORTV 低，電路96使重置信號97為高電平，進而重置可逆計數器122至最大計數值，同時，使LED 計數值置為0。此外，重置信號97為低電平，也會使限流放大器114的參考門限值變為更低 的VITRIAC電壓。VITRIAC由參考電壓源121設置。這會使得驅動開關83-89都閉合，保 護開關89也閉合，由此，調節LED燈串電流至較低的限流值，作為可控矽調光觸發電流和重 置電流。可控矽調光電流由VITRIAC/R90確定。可控矽元件需要一小的啟動電流。因此， 當被重置電路電源供應單元96偵測到被整流後的瞬時輸入電壓低於PORTV門限值，集成電 路52使一小電流流過LED燈串，此小電流超過維持可控矽元件工作所需電流。可控矽元件 的所需的維持電流的典型值為15微安。即使在瞬時輸入電壓較低時，保持的小電流會消除 LED燈電路的光輸出。如果開關燈的頻率足夠低時，人眼常會感知到不太舒服的燈源閃爍感。為了避免 交流LED燈50出現閃爍感，LED開關電流頻率被調整至100赫茲或以上。為了實現這一點， LED設計成在輸入電壓大半周期內發光。當輸入電壓到達峰值時，LED電流被縮減至0或近 似為0。這樣，LED發光頻率被調整為輸入電壓頻率的4倍，即輸入電壓頻率為50赫茲，LED 發光頻率就為200赫茲，若輸入電壓頻率為60赫茲，LED發光頻率就為240赫茲。舉一個 例子，使OVP門限值低於經整流後的輸入電壓峰值，如此可以使LED燈的開關頻率達到輸入 電壓頻率的4倍，從而可以防止閃爍感。圖6、7和8是分別是當輸入的交流電壓在110V、比1IOV高10%、及比1IOV低30% 時圖3和4的交流LED燈串電路50運行波形圖。在一個例示性電路中，LED短串57，58，59， 60，61，和62分別包含1個、2個、4個、8個、16個和18個LED燈(即N = 1)。電流傳感電 阻90的電阻約為43. 3歐姆，電阻90的電壓降較小(例如，低於1伏特)，電阻90上的功率 損耗也較小。在LED功率被調節到5瓦後，即使輸入電壓從77V變化到143V，這個功率值也 不會改變。圖6中上方標記有「整流輸入(V)(即RECTIFIED INPUT)，，的波形圖表示圖3中 的連接線80上經整流後的輸入電壓。接下來標記有「有電流的LED數目(即ACTIVE LED COUNT) 」的波形圖表示LED長串中的LED燈的數目怎樣跟隨LED燈串電流的變化而變化。 雖然CLK信號在圖6中未示出，但LED計數僅僅在CLK的上升沿來臨時才開始計數。此外， 圖中經整流的輸入電壓變化緩慢時，例如，在圖6所示的整流後正弦波形的頂點，LED計數 的速率比整流後的輸入電壓快速變化時的計數速率要低。在標記有有電流的LED燈數目的 波形圖中，顯示了在輸入電壓非常低的時間段內，LED計數值為0(或非常小的值以確保可 控矽的重置電流)。在這些時間段內，電路被前述的重置信號97重置。圖6中的第3個標 記了 「輸入電流(mA)(即INPUT⑶RRENT) 」的波形圖顯示，在整流電壓逐步增加的時間段內，輸入電流為一系列鋸齒波。每一鋸齒波緩慢上升段部分表示加載在固定數目的LED燈 上的整流後電壓逐步增加時LED長串電流相應增加。當電流傳感器90感測到LED燈串電 流超過了電流傳感門限信號104，比較器103使能可逆計數器122，使可逆計數器122在CLK 下一個上升沿來臨時增加式計數。計數的增加使LED長串中更多的LED燈有電流流過，如 此會導致LED燈串電流急劇減小。急劇減小的電流顯示在圖中為急劇下降的波形。在整流後輸入電壓減小的時間段內的鋸齒波形和整流後輸入電壓增加的時間段 內的鋸齒波形是反轉的。這個反轉的鋸齒波在整流後輸入電壓減小的時間段內包含一個輸 入電流更為緩慢的減小部分。輸入電流的減小是由於加載在LED長串中固定數目LED上的 整流電壓在逐步下降而引起的。當電流低於電流傳感門限信號104，比較器103使能計數 器122，使計數器122減小式計數，進而導致LED長串中有電流流過的LED燈數目減少。如 此，LED燈串電流幾乎垂直式急劇增加，這個急劇增加的電流在反轉的鋸齒波形的尾端表現 為急劇上升部分。圖9是輸入的交流電壓(AC LINE VOLTAGE)從80變化至140V時LED功率(LED POWER)、燈串電路輸入功率(INPUT POWER)、效率(EFFICIENCY)禾Π圖3禾Π 4中所示的交流 LED燈電路50的輸入功率因子(POWER FACTOR)示意圖。由圖可見，光輸出(即LED效率) 在電壓變化範圍內得到很好地調節。由圖還可看出效率高達96% (包括由於整流器51引 起的的功率損失)，優於採用開關轉換或限流電阻的拓撲結構。最後，由圖還可看到功 率因子接近0. 97。圖10是運行了反閃爍的交流LED燈串電路50的一系列波形圖。當啟動反閃爍後， 在OVP水平即剛剛低於整流後電壓峰值時，LED電流被切斷。例如，圖中顯示當整流後的 輸入電壓(RECTIFIED INPUT)處于波峰時，標記有「輸入電流(INPUT⑶RRENT)」的圖中第 3段波形表明LED電流為0或接近0。但是在整流後輸入電壓最小時，有很小的LED電流。 在這組圖中，即使由電源輸入端53和54輸入的交流電源頻率是60赫茲，全部結果也表明 LED燈發光頻率為240赫茲。圖11是LED燈串電路模塊200示意性俯視圖。LED燈串電路模塊200包括印刷 電路板或基板(如具有金屬芯子印刷電路板201)、圖3和4所示的集成電路52、光學透鏡 202、包含多個LED的裸片203。在裸片203上可設置49或98個LED，由於受到圖11尺寸 的限制，全部的LED燈並未在圖11中全部示出，但是圖11中示出的各LED和圖4所示的各 LED是一樣的。光學透鏡202使發出的光朝向預期的方向。金屬芯印刷電路板201具有熱 傳導性和絕緣性。在圖11所示的示例中，集成電路52是半導體裸片，其按照圖示與印刷 電路板201和裸片203金屬連接。可選擇的，集成電路52可由片上微型塊來實現，由此可 使集成電路直接和印刷電路板201相連。模塊提供了一用於接入VIN(其為經過整流器51 整流後的輸入電壓)的焊墊204，焊墊204通過連接線205、節點焊墊、和金屬連接線，連接 到集成電路52的L5引腳81。模塊還設置了和地(即整流器51的VSS)相連的焊墊206。 焊墊206通過連接線207、節點焊墊、和金屬連接線連接到集成電路VSS引腳82。對於採用 110V的交流電源的實施例，裸片203上示出的每一個LED符號表示一個單個的LED燈，而 對於採用220V交流電源的實施例，裸片203上示出的每一個LED符號表示兩個串聯的LED 燈。雖然示例中的各LED都設置在一個裸片上，但並不僅限於此。可以提供單個的LED，各 單個LED的位置根據相鄰LED的位置和圖示的透鏡203位置來確定。[0054]圖12是交流LED燈串電路300的示意圖。燈串電路300包括輸入端301和302、 二極體整流橋303和多個圖11所示的同樣模塊304-306。這些模塊如圖所示並聯連接。並 聯連接的模塊數目不受限制。這種結構能適用於多個光源中各自所包含的LED燈串電路模 塊間距不同的情形。這種靈活結構還能適用於多個光源中各自包含不同數目LED燈串模塊 的情形。這種模塊化設計非常便利，可以減化燈具生產商的庫存清單，因為生產商只需要存 儲一種類型的LED燈串模塊，就可以製作出不同的發光源。圖13是第二個實施例的交流LED燈串電路400的示意圖。和圖3及4的電路結 構相比，這個實施例中的驅動開關數目有所減少，僅僅LED短串401，402，403，和404由驅 動開關控制，剩餘的LED燈形成LED短串405，LED短串405始終有電流流過。這個實施例 結構簡單，但效率稍微偏低。若電路採用IlOV的交流電源，LED短串401，402，403，和404 分別包含2、4、8和16個LED燈(即N = 2)，而LED短串405大約有18個LED等(即M = 18)。若採用220V的交流電源，LED短串401，402，403，和404分別包括4、8、16和32個LED 燈(即N = 4)，而LED短串405大約有36個LED燈(即M = 36)。為了降低閃爍感，電路 採用了一個拉升電容406。電容406連接在節點407和集成電路409的CAP引腳408之間， 這個拉升電容406充電後使節點407的電壓達到整流後的輸入電壓的峰值，然後當瞬時輸 入電壓下降時，電容406斷開與節點407的連接，直到瞬時輸入電壓下降至電壓門限值，此 時，電容406重新與節點407連接向其供電。如此，當瞬時電壓在谷底時，能拉升節點407 的電壓。圖14是圖13所示的集成電路409的詳細結構示意圖。集成電路409包括驅動開 關410，411，412和413，分別用於控制LED短串401，402，403，和404以便使相應短串被短 路。這些驅動開關由控制器414和解碼器415控制，電源來自內部電源供應電路416提供 的電壓VCC。控制器414的運行與圖4所示的控制器92類似。解碼器415將來自控制器 414的LED計數信號轉換為合適的驅動門信號驅動驅動開關410-413，以使得電流從相應數 目的LED燈流過。除了驅動開關410-413外，還有一保護開關(即保護電晶體)417連接在 CSN引腳418和VSS引腳419之間，使LED電流在正常情況下能流通。拉升開關420用於控 制拉升電容406充電至整流電壓的峰值、及在瞬時輸入電壓很低時控制電容406放電。當 整流後的瞬時輸入電壓增加時，拉升開關420閉合，並在電壓達到峰值時斷開，而當LED計 數值達到預設值，其會再次閉合。採用這種穀底拉升技術，燈發光頻率為電壓頻率的4倍 (即50赫茲的電壓頻率，發光頻率就為200赫茲，若60赫茲的電壓頻率，發光頻率就為240 赫茲)，因而可以降低閃爍感。圖15是採用圖13和14所示電路的交流LED燈串結構500示意圖。4個2x8的 LED燈串電路501-504在印刷電路板505的邊角，都和中央的一個lxl6LED燈串電路506相 連接。每個2x8LED燈串電路包括16個發光二極體，16個發光二極體分成相連的兩串，每串 包括8個串接的LED燈，兩串中LED的走向相同。所有這些LED都放在光學透鏡的下方以形 成聚焦光。圓環507-511表示光學透鏡。lxl6LED燈串506有16個串接的LED，也都放置在 光學透鏡511下方以形成聚焦光線。2x8LED燈串群一起成為圖14所示的LED短串405(18 個LED燈)和圖14中的LED短串404(16個串接的LED)。lxl6LED燈串506按2進位被分 成包含2、4、和8個LED的3個短串。lxl6LED燈串506分別成為LED短串405 (lxl6LED燈 串剩餘的2個LED)、LED短串401、LED短串402、LED短串403。由於瞬時電壓周期性變化，LED短串401、LED短串402、和LED短串403中的各LED在一個工作周期內，僅約半周內發 光，處於中央的lxl6LED燈串506的功率消耗與處於邊角的4個LED短串各自的功率消耗相 同.因此，所有的LED短串(即501-504 and 506)都可採用相同或類似的LED裸片。集成 電路409、電流傳感電阻421、整流器422、拉升電容406可由圖15中的數字標號來區分。圖 13中的電源輸入端423和424在圖15中也用相同的數字標記。圖13中的連接線425-431 在圖15中也用相同的數字標記。集成電路409可能是已封裝集成電路、片上微凸矽裸片、 或者是通過金屬連線連接到印刷電路板505的矽裸片。在另一個實施例中，各LED短串中的LED燈數目相同，驅動開關均衡地啟動LED短 串，以便所有的LED短串的平均發光功率相同，這就可以使一個光源中LED燈被放置在不同 的位置後，一個LED燈滅，而另一 LED亮時，也不會察覺到光亮度的變化。LED短串的數目可 以在2至16之間，要在電路簡單和效率之間取得平衡，4、5和6是較佳選擇。圖16是第三個實施例示意圖。交流LED燈串電路600包括電源輸入端601和 602、整流器603、集成電路604、五個LED短串605-609。集成電路604包含5個驅動開關 610-614，分別用於控制5個LED短串。每一 LED短串有相同數目(即N個)的LED燈，N 是整數。在這個實施例中，控制器615以和圖5所示的控制器92相同的方式運行。另一方 面，解碼器616均衡控制所有LED短串各自的功率消耗。圖17是圖16所示的解碼器616的詳細結構示意圖。可查詢只讀存儲器(ROM)電 路617接收3位的LED計數值，同時也接收3位SCATER信號618作為輸入信號。根據輸入 的6位數值，可查詢只讀存儲器電路617輸出信號經電平轉換電路619進行電平轉換成為 5位編碼NG0-NG4。電平轉換電路619按照5位編碼驅動驅動開關605-609。SCATTE信號 618由根據CLK信號計數的計數器620產生。計數器620在輸入電源電壓半周開始時根據 重置信號加載第二個計數器621的計數值。兩個計數器620和621在計數到4後清0，如此 循環。計數器621也根據重置信號計數。如此，SCATTER信號618有3位，其值範圍為0-4， 這個值在每一個CLK周期後就增加，每5個連續的電壓半周期有一個不同的起始值。圖18是可查詢R0M617的運行圖表。對於每一個LED計數值，解碼器616會使相應 數目的LED燈有電流流過，但改變有電流流過LED數目實際是發生在CLK的時鐘周期。因 此，在多個CLK時鐘周期內，每一 LED短串的平均工作周期相同。為了保證在工作周期LED 的最大匹配，計數器621每5個連續的輸入電壓半周期提供一個不同的計數起始值，如此， 在整個5個連續的輸入電壓半周期不同LED短串之間的任何小的不匹配都可以消除。同樣， 由於最佳匹配，LED限制電流VILIM被設置後，在瞬時整流電壓高於N*VF時，LED電路的電 流都保持不變。在這個實施例中，保護開關(即保護電晶體)622在電路正常時作為一電流 源，控制器615偵測保護開關622的電壓，以便啟動可逆計數器計數。為了反閃爍感，保護 開關622在整流後的瞬時輸入電壓峰值斷開，使LED燈串的發光頻率加倍。圖19是交流LED燈串電路700的示意圖。交流LED燈串電路700包括圖16所 示的集成電路604。在這個電路中，採用5串LED短串，每串有相同數目的LED燈。應用在 IlOV交流電源下時，每串LED短串約有10個串接的LED(即N = 10)，而對於220V交流電 源，每串LED短串約有20個串接的LED(即N = 20)。應用於12V交流電源、5瓦功率下， 則每一 LED短串有1個1瓦的LED。應用於24V交流電源、5瓦功率下，則每一 LED短串有 2個1瓦且串接的LED。在燈串電路700中也設有集成電路604、電流傳感電阻623和整流
12器603，集成電路604可以是已封裝集成電路、片上微凸矽裸片、或是由金屬連接線連接至 印刷電路板701上的矽裸片。圓環702-706表示透鏡。圖16所示的連接線624-631也在 圖19中也以相同的標號示出。圖20是本實用新型的方法800的流程圖。第一步(即步驟801)，輸入交流電源信 號，以致在第一節點和第二節點之間出現不斷變化的電壓。在一個實施例中，60赫茲、IlOV 的交流電壓信號輸入到圖3和4所示的交流LED燈串電路50的電源輸入端53和54之間。 在LED長串第一端點55和第二端點56之間會有相應變化的電壓(即全波整流後的輸入電 壓)。第二步(即步驟802)，在第一端點和第二端點之間有電流流過的LED燈數目受 到控制，使得不斷變化的電壓幅度增加時，有電流流過的LED燈數目相應增加，電壓幅度降 低時，有電流流過的LED燈數目相應減少。電壓幅度改變時，LED燈數目的變化可以有多 個不同的非0值(例如，至少2個)。舉一個例子，即圖6中上方標記有「整流後輸入電壓 (RECTIFIED INPUT) 」的波形圖就顯示了一個不斷變化的電壓信號。在圖6中標記有「有電 流流過的LED數目(ACTIVE LED COUNT) 」的波形圖顯示了有電流流過的LED燈數目的相應 增加與減少。在第一個實施例的圖3和圖4中，驅動開關的尺寸在裸片上經過優化。在典型的 晶片製造過程中，MOSFET管的電阻率與崩潰電壓近似成反比。如果金屬_氧化層_半導體 場效應管(MOSFET)在裸片上的面積固定，驅動開關閉合時的電阻率按照一定比例接近其 斷開時的額定崩潰電壓。由於功率開關的崩潰電壓要比LED短串的電壓降高，因而，較佳的 就是採用高阻抗功率開關來驅動更多的LED燈。保護開關(即保護電晶體)89要能夠承受 整流後的輸入電壓峰值。在第一個實施例的圖3和4中，應用於110V、功率為5瓦的情形， 保護開關89的阻值為48歐姆，額定電壓為200V，驅動開關88和87的阻值為48歐姆，額 定電壓80V，驅動開關86的阻值24歐姆，額定電壓40V，驅動開關85的阻值12歐姆，額定 電壓20V，驅動開關84的阻值6歐姆，額定電壓10V，驅動開關83的阻值3歐姆，額定電壓 5V。在第一個實施例的圖3和4中，應用在220V電壓、功率5瓦的情形，保護開關89的阻 值為96歐姆，額定電壓為400V，驅動開關88和87的阻值為96歐姆，額定電壓160V，驅動 開關86的阻值48歐姆，額定電壓80V，驅動開關85的阻值24歐姆，額定電壓40V，驅動開 關84的阻值12歐姆，額定電壓20V，驅動開關83的阻值6歐姆，額定電壓10V。在第三個實施例的圖16中，驅動開關的尺寸相同。應用在12V電壓、功率5瓦的 情形，驅動開關閉合時的阻值近似為0. 5歐姆，額定電壓5V。應用於24V電壓、功率5瓦的 情形，每一驅動開關閉合時的阻值約為1歐姆，額定電壓為IOV0應用於110V、功率5瓦的 情形，每一驅動開關閉合時的阻值約為5歐姆，額定電壓為50V。應用於220V、功率5瓦的 情形，每一驅動開關閉合時的阻值約為10歐姆，額定電壓為100V。上述描述的各實施例為方便起見，僅僅包含相對較少數目的必要構件來構成晶體 管式的交流LED燈串電路。因此，LED燈串電路具有優越的可靠性和較長的使用壽命。而且， 在第一和第三個交流LED燈串電路實施例中，不需要採用會降低電路可靠性的電解電容， 可以獲得更高的功率，消耗更少的能量。和諸多採用交直流轉換的LED燈串電路相比較，上 述描述的本實用 新型的交流LED燈串電路因不需要進行高頻轉換，使得其電磁幹擾(EMI) 13[0068]此外，也可以不用採用具體控制電路來控制驅動開關，而是通過靈活地可編程微 控制器來實現對驅動開關的控制。驅動開關、電流傳感電阻、和保護開關連同微控制器的剩 餘元件可以在某些集成電路上實現。可選的，驅動開關、電流傳感電阻、和保護開關也可外 設於微控制集成電路。微控制器設有過零檢測比較器，用於檢測整流後輸入電壓信號的零 相位。微控制器還包含有模數轉換器和一個與之連接的多路輸出器，用於檢測LED燈串的 電壓降和電流傳感電阻上的電壓降的幅度。微控制器的定時器用於對所檢測到的事件和狀 況進行定時，也用於定時和控制微控制器的某些輸出。在驅動開關外接的情形下，微控制器 的輸入輸出端(I/O)用於驅動和控制驅動開關的柵極門，在驅動開關內置的情形下，微控 制器的輸入輸出端(I/O)連接到LED長串的各短串間的互連節點。微控制器也可能包括 一專門的驅動門電路用於驅動外設的功率金屬-氧化層-半導體場效應管(MOSFETs)。微 處理器通過編程來利用這些輸入電路、輸出電路和其他資源，以便執行上述所描述的和圖4 所示的集成電路52相關的功能。雖然以上例示性地描述了一些具體的實施例，但本實用新型的技術應用廣泛，並 不僅僅限於上述所描述的各實施例的情形。各LED短串中所包含的LED數目可以和上述各 實施例中所示不同。每個LED可以是同樣方向的任意個並接的LED，圖中任意一個LED符號 都可指代多個並聯的LED。對於每一 LED短串所包含的串接的LED，都可以是以任意方式串 並連接的LED網，當電流流過時，這個LED網所產生的電壓降與LED短串的電壓降相同。此 外，在整個LED燈串中各LED短串的連接順序也可變化.LED長串包含的短串部分也可不直 接連接。LED長串中也可包含非LED部件。傳感電阻可能外設也可能內置於集成電路上。 驅動開關可以是N型場效應管(即NFETs)，也可以是P型場效應管(即PFETs)，或者還可 以是其它類型的開關。附加的外設組件如電容、瞬時幹擾抑制器、限流電阻、和保險絲等都 可能包含在上述電路中以提高電路的性能。在一些情形下，二極體橋式整流器也可以組合 入集成電路，也可以用金屬-氧化層-半導體場效應管(MOSFETs)來取代以減小在12V或 24V的低電壓應用時的電壓降。因此，對上述所描述的各種技術特徵的修正、調整、和組合， 都應認為是包含在本實用新型的權利要求保護範圍內的。
權利要求一種集成電路，其特徵在於，包括第一引腳；第二引腳；驅動開關連接在第一引腳和第二引腳之間；和控制電路，至少部分地根據設於外設與集成電路的LED燈串的電路特性和輸入電壓，控制驅動開關，其中，在第一時間段，電流流經驅動開關，在第二時間段，電流不經過驅動開關，輸入電壓在第二時間段比第一時間段高。
2.如權利要求1所述的集成電路，其特徵在於，LED燈串有第一端點和第二端點，其 中，交流電源電壓經過整流後加載在LED燈串的第一端點和第二端點之間，所述LED燈串的 電路特性是指LED燈串電流，在第一時間段和第二時間段電流流過LED燈串的至少一部分 LED。
3.一種集成電路，其特徵在於包括第一引腳；第二引腳；第三引腳；第一驅動開關連接在第一引腳和第二引腳之間；第二驅動開關連接在第二引腳和第三引腳之間；和控制電路，至少部分地根據外設設於集成電路的LED燈串的電路特性，控制第一和第 二驅動開關，其中，在第一時間段，電路電流由第一引腳流出，流入LED燈串中的第一互連 節點，在第二時間段，電路電流由第二引腳流出，流入LED燈串的第二互連節點。
4.如權利要求3所示的集成電路，其特徵在於，所述電路特性是指LED燈串電流。
5.如權利要求3所述的集成電路，其特徵在於，所述電路特性是指至少一部分LED燈串 的實際電壓。
6.如權利要求3所述的集成電路，其特徵在於，LED燈串有第一端點和第二端點，與正 弦電源電壓有相同波形的整流交流電壓信號加載在LED燈串的第一端點和第二端點之間。
7.如權利要求3所述的集成電路，其特徵在於，控制電路檢測流過LED燈串的電流，並 通過控制第一驅動開關和第二驅動開關，以便LED燈串電流始終不超過預設值。
8.如權利要求3所述的集成電路，其特徵在於，在第三時間段，電流的流經路徑為由 第二驅動開關到第一驅動開關、再由集成電路的第一引腳輸出，進入LED燈串的第一互連 節點。
9.如權利要求3所述的集成電路，其特徵在於，LED燈串上加載的輸入電壓信號上升 時，控制電路控制第一和第二驅動開關，以便電流僅從LED燈串中的部分LED中流過，當輸 入電壓上升時，有電流流過的LED的數目從第一非0值增加為第二非0值。
10.如權利要求3所述的集成電路，其特徵在於，控制電路保持一多位數值，該多位數 值表示LED燈串電壓。
11.如權利要求3所述的集成電路，其特徵在於，控制電路維持一用於表示LED燈串電 壓的多位數值，LED燈串有功率因子，控制電路至少部分地根據多位數值控制流經LED燈串 的平均電流，以實現對LED燈串功率因子的修正。
12.如權利要求3所述的集成電路，其特徵在於，交流電壓信號加載在LED燈串上，在LED燈串上產生一平均功率，控制電路控制LED燈串電流來對燈串平均功率進行調整，以便 當加載在燈串上的電壓幅度發生變化時燈串平均功率能保持恆定。
13.如權利要求3所述的集成電路，其特徵在於進一步包括保護電晶體，所有流經LED燈串的電流都經過保護電晶體，控制電路通過控制保護晶 體管的門電壓，使得在預先確定的條件下，限制流向LED燈串的電流至一限流值。
14.如權利要求3所述的集成電路，其特徵在於控制電路包括 電流傳感電路，用於感測LED燈串電流；以及計數器，當電流傳感電路感測到LED燈串電流超過電流門限值，計數器響應電流傳感 電路而改變計數。
15.如權利要求14所述的集成電路，其特徵在於控制電路的計數器輸出一多位數值， 所述多位數值用於控制第一開關和第二開關。
16.如權利要求3所述的集成電路，其特徵在於控制電路用於控制第一開關和第二開 關，以便在第一引腳和第二引腳之間連接有第一數目的串接LED，在第二引腳和第三引腳之 間連接有第二數目的串接LED，第一數目和第二數目是不同的非0值。
17.如權利要求16所述的集成電路，其特徵在於第二數目是第一數目的2倍。
18.—種系統，其特徵在於包括 串接的發光二極體(LED)燈串； 集成電路，其包括連接在LED燈串第一連接節點的第一引腳； 連接在LED燈串第二連接節點的第二引腳； 連接在LED燈串第三連接節點的第三引腳； 連接在第一引腳和第二引腳的第一驅動開關； 連接在第二引腳和第三引腳的第二驅動開關；和 控制電路，用於控制第一驅動開關和第二驅動開關； 第一電源輸入節點；以及第二電源輸入節點，電流從第一電源輸入節點流經由集成電路控制的LED燈串中一定 數目的LED燈，回到第二電源輸入節點。
19.如權利要求18所述的系統，其特徵在於在第一電源輸入節點和第二輸入節點之 間的電壓幅度會隨時間變化，當電壓幅度變化時，LED燈串中有電流流過的LED燈數目會相應改變。
20.如權利要求18所示的系統，其特徵在於集成電路的控制電路感測LED燈串電流。
21.如權利要求18所述的系統，其特徵在於在第一電源輸入節點和第二電源輸入節 點間的電壓幅度隨時間變化，集成電路的控制電路根據電壓信號調整LED燈串電流，以實 現對功率因子的校正，以使功率因子接近1。
22.如權利要求18所述的系統，其特徵在於，LED燈串具有平均功率消耗，控制電路保 存第一電源輸入節點和第二電源輸入節點間的實時電壓幅度信息，集成電路的控制電路至 少部分地基於保存的實時電壓幅度信息，控制LED燈串的平均電流，以實現對LED燈串的功 率校正。
專利摘要本實用新型公開了一種LED燈串電路，它包括整流器、集成電路、和依序串接的LED燈串。LED燈串電路接入交流電源，以便經過整流的電壓加載在LED燈串上。集成電路包括多個驅動開關，每個驅動開關能使LED燈串中的相應的LED短串被短路。當LED燈串上加載的電壓增加時，集成電路控制驅動開關使有電流流過的LED燈數目相應增加，而當LED燈串上加載的電壓減少時，集成電路控制驅動開關使有電流流過的LED燈數目相應減少。通過對LED燈串電流的控制，可實現對電路效率、可靠性、反閃爍感、電壓振動、功率因子、過壓、過流、過熱等的較佳控制。
文檔編號H05B37/02GK201758472SQ20102022914
公開日2011年3月9日 申請日期2010年6月17日 優先權日2010年3月19日
發明者黃樹良 申請人:技領半導體(上海)有限公司;技領半導體股份有限公司