TWI612841B - 動態可重組之發光二極體驅動電路、發光系統及產生光的方法 - Google Patents

動態可重組之發光二極體驅動電路、發光系統及產生光的方法 Download PDF

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Abstract

本發明提供發光二極體(LED)驅動器及發光系統，具有動態可重組切換網路。發光系統包含提供LED或LED燈之間互連的切換網路，用以能動態地重組大型並聯電路和大型串聯電路之間如同電力供應的瞬時電壓改變。當電源的瞬時電壓低時，切換網路將在大型並聯組態中的LED燈互連。當瞬時電壓增加時，切換網路增加串聯組態重組並互連LED燈。當瞬時電壓開始減少時，切換網路重組並互連LED燈回到大型並聯組態。

Description

動態可重組之發光二極體驅動電路、發光系統及產生光的方法 【相關申請案之交叉參考】
本發明主張2013年8月7日申請之美國臨時申請案第61/863,327號”互連切換LED驅動器”之優先權，其以引用之方式併入本文中。
本發明係關於產生發光二極體(light emitting diode,LED)驅動器及發光系統。特別是，本發明係針對具有可重組互連的LED發光系統。
具有LED的發光裝置逐漸成為普遍，因為他們提供了相較於傳統光源例如白熾燈較高的效能以及較長的壽命。近來的一些照明設備由交流電源驅動LED陣列。然而，這些照明設備可能沒有展現出最佳的效能。
因此，改善LED驅動器和發光系統是必需的。
在第一方面，揭示用於驅動發光二極體(LED)的LED驅動電路。電路包括橋式整流器，耦接於交流電源以提供脈衝直流帶電饋電電流及接收中性返回電流。電路更包含控制器，耦接於交流電源，控制器監控功率週期並根據功率週期在時間期間內提供控制信號。電路更包含定電流源，耦接於橋式整流器以接收饋電電流及提供LED驅動電流，定電流源限 制LED驅動電流之最大驅動電流。電路更包含接收LED驅動電流及控制信號的動態可重組切換網路，切換網路用以電連接成形於至少一並聯分支上之LED，其中每一分支係用以接收LED驅動電流中至少一部份，激發分支內的LED，以及回復返回電流中至少一部份至橋式整流器，切換網路具有第一操作模式，在第一操作模式中LED是互連的具有第一數量分支，以及第二操作模式，在第二操作模式中LED是互連的具有第二數量分支，第二數量分支不等於第一數量分支，其中每一分支包含相同數量的LED。
在第一較佳實施例中，控制器根據脈衝直流帶電饋電電流之電壓提供控制信號，且切換網路改變操作模式響應於來自控制器之控制信號。切換網路較佳更包含額外的操作模式，在額外的操作模式中LED是互連的具有其他數量的分支，其他數量分支不等於其他模式中的數量分支。LEDs較佳包含高電壓LEDs，每一個具有串聯的個別LEDs串。切換網路較佳包含複數個單刀單擲開關，以及在切換網路中耦接LED與開關的複數個路徑，且每一開關包含金氧半場效電晶體(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor,MOSFET)。定電流源較佳根據來自控制器的控制信號限制LED驅動電流。定電流源較佳根據交流電源之電壓值改變限制LED驅動電流。交流電源較佳包含120伏特源。交流電源較佳包含240伏特源。交流電源較佳包含85-277伏特源。
在第二方面，揭示LED發光系統。LED發光系統包括橋式整流器，耦接於交流電源以提供脈衝直流帶電饋電電流及接收中性返回電流。LED發光系統更包含控制器，耦接於交流電源，控制器監控功率週期 並根據功率週期在時間期間內提供控制信號。LED發光系統更包含定電流源，耦接於橋式整流器以接收饋電電流及提供LED驅動電流，定電流源限制LED驅動電流之最大驅動電流。LED發光系統更包含接收LED驅動電流及控制信號的動態可重組切換網路，切換網路用以電連接成形於至少一並聯分支上之LED，其中每一分支係用以接收LED驅動電流中至少一部份，激發分支內的LED，以及回復返回電流中至少一部份至橋式整流器，切換網路具有第一操作模式，在第一操作模式中LED是互連的具有第一數量分支，以及第二操作模式，在第二操作模式中LED是互連的具有第二數量分支，第二數量分支不等於第一數量分支，其中每一分支包含相同數量的LED。
在第二較佳實施例中，控制器根據脈衝直流帶電饋電電流之電壓提供控制信號，且切換網路改變操作模式響應於來自控制器之控制信號。切換網路較佳更包含額外的操作模式，在額外的操作模式中LED是互連的具有其他數量的分支，其他數量分支不等於其他模式中的數量分支。LEDs較佳包含高電壓LEDs，每一個具有串聯的個別LEDs串。切換網路較佳包含複數個單刀單擲開關，以及在切換網路中耦接LED與開關的複數個路徑，且每一開關包含金氧半場效電晶體(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor,MOSFET)。定電流源較佳根據來自控制器的控制信號限制LED驅動電流。定電流源較佳根據交流電源之電壓值改變限制LED驅動電流。交流電源較佳包含120伏特源。交流電源較佳包含240伏特源。交流電源較佳包含85-277伏特源。
在第三方面，一種用於產生光的方法，包含提供具有功率週 期的交流電；整流該交流電以形成一全波整流信號；根據該全波整流信號產生一LED驅動電流；將LED與至少一並聯分支電性互連，用以在一第一操作模式中形成一第一電路；藉由在該LED驅動電流中至少一部分之每一分支接收；激發每一分支內之該LED；重組該LED之該電性互連以形成具有一第二數量分支的一第二電路，該第二電路不同於該第一電路。
在第三較佳實施例中，方法更包含依據該全波整流信號之瞬時電壓提供控制信號，其中重組該LED之該電性互連包含依據該控制信號改變該操作模式。
本發明中的這些和其他特色及優點將變得更顯而易見，係以較佳實施例及相關圖式描述。
101‧‧‧發光二極體(LED)發光系統
110‧‧‧電源
112‧‧‧控制器
114‧‧‧定電流驅動器
116‧‧‧致能輸入
122‧‧‧電壓
123‧‧‧驅動電流
124‧‧‧控制信號
125‧‧‧返回電流
126‧‧‧控制信號
128‧‧‧控制信號
130‧‧‧切換網路
140‧‧‧LED燈
114‧‧‧定電流源
116‧‧‧致能輸入
118‧‧‧控制器
120‧‧‧電流源
142‧‧‧等效電路
144‧‧‧等效電路
146‧‧‧等效電路
143a-143f‧‧‧分支
145a-145c‧‧‧分支
147a-147b‧‧‧分支
148‧‧‧等效電路
150‧‧‧LED燈
180‧‧‧電壓
181‧‧‧電流
182‧‧‧光
183‧‧‧電流
184‧‧‧光
185‧‧‧電流
186‧‧‧光
201‧‧‧發光系統
210‧‧‧交流電源
214‧‧‧二極體
212‧‧‧全波橋式整流器
215‧‧‧橋式整流器
281‧‧‧脈衝直流電流
216‧‧‧定電流源
218‧‧‧電阻
220‧‧‧電阻
222‧‧‧控制器
223‧‧‧瞬時電壓
260‧‧‧返回線
224‧‧‧控制信號
226‧‧‧控制信號
228‧‧‧控制信號
282‧‧‧驅動電流
283‧‧‧返回電流
250-255‧‧‧LED燈
203‧‧‧動態可重組切換網路
231-247‧‧‧開關
270-280‧‧‧分支
284‧‧‧電壓
285‧‧‧電流
286‧‧‧光
301‧‧‧發光系統
302‧‧‧開關
304‧‧‧開關
306‧‧‧開關
312‧‧‧定電流源
314‧‧‧定電流源
316‧‧‧定電流源
384‧‧‧電壓
385‧‧‧電流
386‧‧‧光
圖1係為具有動態可重組切換網路的發光組合之實施例功能方塊圖。
圖2係為定電流源之實施例示意圖。
圖3係為控制器之實施例功能方塊圖。
圖4A係為用於不同操作模式之等效電路實施例示意圖。
圖4B係為用於四級動態可重組切換網路之等效實施例示意圖。
圖4C係為用於不同操作模式之等效電路實施例示意圖。
圖5係為用於定電流源之電壓、電流及發光的光功率圖形(“CC”)之實施例示意圖。
圖6係為用於改變電流源之電壓、電流及發光的光功率圖形(“CX”)之實施例示意圖。
圖7係為用於改變電流源之電壓、電流及發光的光功率圖形(“CXX”)之實施例示意圖，其中在此實施例中發光的光功率是恆定的，相似於以直流電流驅動的發光功率。
圖8係為使用動態可重組切換網路的發光系統之電路實施例示意圖。
圖9係為當電壓滿足或超過Va時的電流路徑之CC發光系統之電路實施例示意圖。
圖10係為圖9之等效電路實施例示意圖。
圖11係為當電壓滿足或超過Vb時的電流路徑之CC發光系統之電路實施例示意圖。
圖12係為圖11之等效電路實施例示意圖。
圖13係為當電壓滿足或超過Vc時的電流路徑之CC發光系統之電路實施例示意圖。
圖14係為圖13之等效電路實施例示意圖。
圖15係為使用定電流源之電壓、電流及光功率圖形之實施例示意圖。
圖16係為具有多電流源的發光系統的CX/CXX電路實施例示意圖。
圖17係為使用多電流源之電壓、電流及光功率圖形之實施例示意圖。
圖18係為使用可重組切換網路以提供發光之方法實施例流程圖。
以下實施例係關於發光二極體(Light Emitting Diode,LED)驅動器及系統。LEDs顯示出實質上較佳的功率效能以及運作壽命，相較於傳統的發光源例如是白熾燈泡。傳統上，LEDs已使用直流電源來激發，如 同當操作於順向偏壓組態時LEDs才發光。這通常不是一個較佳的組態因為直流電源是笨重的、昂貴的，並且其可靠性通常較LEDs來的差。再者，電力公司理想地偏好功率因數接近零以及接近零的電流總諧波失真(“THDi”)的負載。但是真實世界的電力負載並不會滿足電力公司的預期。切換模式電源驅動負載也許有助於這些問題。因此非切換模式驅動負載對於環境、使用者及電力公司是較好的，因為其展示了較好的效能。因此，使用交流電源來激發LEDs或許在應用上是較佳的。
通常LED燈用於交流應用，其LED燈包含多個個別互連的LEDs，通常為電性串聯。在一些應用中，一些LED燈可以互連以形成發光裝置。LED燈可以電性串聯、並聯或串並組合的方式互連。當交流電壓接近LED燈的順向電壓時，LED燈以並聯方式電性互連表現最好。當此組態增加功率週期內LED燈點亮的時間時，其峰值光強度並非最大因為每一LED僅接收全部驅動電流中的一小部分。相較之下，LED燈以以串聯方式互連提供了最大的峰值光強度，因為每一LED接收全部的驅動電流，但是LED燈被點亮僅用於功率週期的一小部分。
在一或多個實施例中，可以動態重組激發LED燈的電路以及在大型並聯電路與大型串聯電路間切換的發光系統是被注意的。在一較佳實施例中，發光系統包含交流電源、控制器、動態可重組切換網路以及LED燈。切換網路接收交流電流並分配電流至LED燈。控制器監控交流電源的瞬時電壓，並且將控制信號送至切換網路。當交流電源的瞬時電壓為低時，切換網路在大型並聯組態中將LED燈互連。當瞬時電壓增加時，切換網路 以逐漸增加的串聯組態重組並互連LED燈。當瞬時電壓開始減少時，切換網路重組並互連LED燈回到大型並聯組態。
在一實施例中，切換網路可以從大型並聯互連改變到大型串聯互連，藉由改變電路中並聯分支的數量。典型地，交流電源提供帶電的熱電流至電路，並接收從電路返回的中性電流。分支是接收帶電電流並回復返回電流的一種電性路徑。具有多個分支的電路基本上是大型並聯，以及具有一些分支或一個分支的電路基本上是大型串聯。大型並聯電路會包含多個燈，每個直接連接至帶電或返回電流，且大型串聯電路會包含多個串聯連接的燈其中僅一個燈從交流電源直接接收帶電電流，並且僅一個燈輸出中性電流回到交流電源。
因此，在一較佳實施例中，當交流電源的瞬時電壓為低時，切換網路配置LED燈成多個並聯分支。當瞬時電壓增加時，驅動器藉由減少並聯分支的數量來重組電路。每一分支的整體電壓降典型地匹配其他分支的電壓降。在切換網路中的全部組態中，LED燈中的每一個係與其他LED燈電性連接。
如同本發明所使用以及如同本領域中習知的，LEDs包含半導體及有機(即OLED)電激發光裝置。LED都可以指具有多個互連個別的LEDs的裝置。參考本發明所作出的LED或LED燈不應被解釋為分別限制在單個或多個LED。應瞭解到的是，本發明LED和LED燈的用詞可以互相交換並且本發明的LED也可以指LED燈，且本發明的LED燈也可以指LED。本發明提到120伏和240伏的交流電源。這也不應被看作是用以限制其它電源， 例如在其他實施例中具有其它電壓或頻率範圍的直流源和交流源是被考慮的。
圖1顯示具有電源110、控制器112、定電流源114、以金氧半場效電晶體(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor,MOSFETs)表現的動態可重組切換網路130，以及多個LEDs或LED燈140的網路的LED發光系統101。電源110在較佳實施例中可以是直流或交流電源。交流電源110可以是120伏特、240伏特或是85-277伏特(通用)。發光二極體發光系統101更可以包含橋式整流器(如圖8所示)，耦接於交流電源110以提供脈衝直流電流至定電流源114。控制器112耦接至交流電源110並監控交流電源110的瞬時電壓V 122。電源110提供帶電饋電電流並接收中性返回電流。電源110提供交流電具有功率週期，在功率週期中用於120伏特源的電壓正弦地從峰值約-170伏至約+170伏改變。控制器112在功率週期期間監控瞬時電壓122，並根據功率週期在時間期間提供控制信號124、126及128。
定電流源114耦接至電源110並接收饋電電流並提供LED驅動電流Idrive 123。定電流源114限制了LED驅動電流123的最大驅動電流。在一或多個實施例中，定電流源114具有啟動定電流源114的致能輸入116。定電流源114可以根據來自控制器112的控制信號而限制電流。在較佳實施例中，定電流源114根據交流電源110的電壓V 122改變限制的電流。
切換網路130包含複數個單刀單擲開關以及在切換網路130中耦接LEDs和開關的複數個路徑。在一實施例中，每一開關包含金氧半場效電晶體(MOSFET)。
動態可重組切換網路130接收LED驅動電流Idrive 123以及控制信號124、126及128。如圖4A所示，切換網路130用以電性互連LEDs或LED燈150程至少一並聯分支，每一分支接收至少一部分LED驅動電流123並激發分支內的LEDs，並且回復至少一部分返回電流至交流電源110。來自分支中所有的返回電流的總和以Ireturn 125表示。如下所討論，切換網路130具有第一操作模式，其LEDs 150互連具有第一數量分支，以及第二操作模式，其LEDs互連具有不同於第一數量分支的第二數量分支。LEDs或LED燈150的光功率通常正比於通過每一LED 150的偏壓電流。因此，LEDs 150以並聯方式互連將會展現較低的光功率，因為每一LED僅通過整體驅動電流Idrive 123的一小部分，且LEDs以串聯方式互連將會展示出較高的光功率，因為整體驅動電流Idrive 123通過每一LED 150。
圖2係為本發明定電流源114之實施例示意圖。定電流源114具有耦接至內部控制器118的致能輸入116。控制器118啟動並設定內部電流源120。定電流源114可以是低壓降穩壓器，並具有典型5至200伏特範圍的工作電壓。在一實施例中，定電流源114可以具有典型10至150毫安培範圍的驅動電流。定電流源114可以是高側穩壓器或低側穩壓器。
圖3係為控制器112之實施例功能方塊圖。控制器112耦接至並且監控電源110的瞬時電壓V 122。當瞬時電壓V 122接近零時，定電流源114是無效的並且所有的開關是關閉的(步驟162)。當瞬時電壓V 122等於Va時，a群組開關是有效的(步驟164和166)。同樣地，當瞬時電壓V 122等於Vb時，b群組開關是有效的(步驟164和168)，以及當瞬時電壓V 122等於Vc時， c群組開關是有效的(步驟164和170)。在適當的開關為有效的之後，定電流源114是有效的(步驟172)。當瞬時電壓V 122不等於Va、Vb或Vc時，開關130及定電流源114是全部無效的(步驟174和176)。
圖4A係為用於不同操作模式之等效電路142、144及146之實施例示意圖。在一實施例中，每一電路142、144及146具有6個LED燈150，每一個具有大約50V的順向電壓以及20mA的順向電流。切換網路130改變操作模式響應於來自控制器112的控制信號124、126及128。控制器112根據電源110的瞬時電壓V 122提供控制信號124、126及128。電路142係為當a群組開關被啟動當電壓為50V時之組態，電路144係為當b群組開關被啟動當電壓為100V時之組態，以及電路146係為當c群組開關被啟動當電壓為150V時之組態。
切換網路130具有第一操作模式，在第一操作模式中所有的LEDs 150係為互連的，具有六個分支143a、143b、143c、143d、143e以及143f，如電路142所示。每一分支143a-143f具有一個LED燈150。切換網路130具有第二操作模式示於電路144，在第二操作模式中所有的LEDs 150係為互連的，具有三個分支145a、145b及145c。每一分支145a、145b及145c具有兩個LED燈150。切換網路130也具有第三操作模式示於電路146，在第三操作模式中LEDs 150在兩個分支147a及147b上，具有三個LED燈150。如所示，切換網路130以電路142開始，當瞬時電壓V 122低且重組至電路144及146時當瞬時電壓V 122增加時，然後自電路146重組回到電路144及142時當瞬時電壓V 122在功率期間減少時。針對每一操作模式，每一分支包含相同數量 的LED燈150。
圖4B係為用於不同操作模式之等效電路142、144、146及148之實施例示意圖。在一實施例中，每一電路142、144、146及148具有6個LED燈150，每一個具有大約50V的順向電壓以及20mA的順向電流。切換網路130改變操作模式響應於來自控制器112的控制信號。在一或多個實施例中，控制器112根據電源110的瞬時電壓V 122提供4個控制信號。當電壓V 122大於或等於50V但小於100V時，切換網路130用以形成等效電路142具有6個分支143a-143f每一分支具有一個LED燈150。當電壓V 122大於或等於100V但小於150V時，切換網路130重組以形成等效電路144具有三個分支145a-145c每一分支具有兩個LED燈150。當電壓V 122達到或超過150V但小於250V時，切換網路130重組以形成等效電路146具有兩個分支147a及147b每一分支具有三個LED燈150。當電壓V 122大於或等於250V但小於400V時，切換網路130重組以形成等效電路148具有6個LEDs 150在每一分支149。切換網路重組至電路146、144及142當電壓V 122降至低於第三、第二及第一臨界電壓時。當前述臨界電壓假設LED燈具有50V的順向電壓時，在其他實施例中其他LEDs或LED燈具有不同的順向電壓是被考慮的。四級可重組網路可以提供更好的功率效能。在其他實施例中，切換網路具有兩級、三級、四級和其他多級是被考慮的。
圖4C係為用於不同操作模式之等效電路144、146及148之實施例示意圖。在一實施例中，每一電路144、146及148具有六個LED燈150，每一個具有大約25V的順向電壓以及20mA的順向電流。切換網路130改變操 作模式響應於來自控制器112的控制信號124、126及128。控制器112根據電源110的瞬時電壓V 122提供控制信號124、126及128。電路144係為當a群組開關被啟動當電壓為50V時之組態，電路146係為當b群組開關被啟動當電壓為75V時之組態，以及電路148係為當c群組開關被啟動當電壓為150V時之組態。在一或多個實施例中，電路144、146及148可以應用於120V。
切換網路130具有第一操作模式，在第一操作模式中所有的LEDs 150係為互連的，具有三個分支145a、145b及145c如電路144所示。每一分支145a-145c具有兩個LED燈150。切換網路130具有第二操作模式示於電路146，在第二操作模式中所有的LEDs 150係為互連的，具有兩個分支147a及147b。每一分支147a及147b具有三個LED燈150。切換網路130也具有第三操作模式示於電路148，在第三操作模式中LEDs 150在一個分支149上，具有六個LED燈150。如所示，切換網路130以電路144開始，當瞬時電壓V 122低且重組至電路144及146時當瞬時電壓V 122增加時，然後自電路148重組回到電路146及144時當瞬時電壓V 122在功率期間減少時。針對每一操作模式，每一分支包含相同數量的LED燈150。
圖5係為用於定電流源114之電壓180、電流181及發光182的光功率圖形，電流Idrive 123設定僅用於整個功率週期(“CC”)的一個值之實施例示意圖。值得注意的是電壓180表示瞬時電壓122和追隨全波整流交流信號的半弦波特性的圖形。
在CC之實施例中，定電流源114提供40mA的定電流Idrive 123。當電壓180低於Va時，在一實施例中定電流源114是無效的。選擇性地， 定電流源114在此電壓範圍也可以是有效的；然而，LEDs或LED燈150不會發出實質上的光當電壓小於LEDs 150的順向電壓降時。因此，電流181可以增加至最大水平當電壓180滿足或超過Va且保持恆定直到電壓180降至低於Va時。
一旦電壓180提升至以及高於Va時，a群組開關是被使用的以使切換網路130顯示電路至顯示的電路142用於第一操作模式。請參照圖4A，分支143a、143b、143c、143d、143e及143f會各自攜帶驅動電流Idrive 的六分之一或Idrive/6。由於LED的光功率一般是直接正比於流過LED的電流，每個LED 150會因此僅發射最大亮度的一小部分。
當電壓180提升至且高於Vb時，b群組開關是被使用的以使切換網路130顯示電路至顯示的電路144用於第二操作模式。請參照圖4A，分支145a、145b及145c會攜帶驅動電流Idrive的三分之一或Idrive/3。因此，由於LED的光功率一般是直接正比於流過LED 150的電流，所以每一LED 150會顯示更好的光功率於a電路142的LEDs 150，但不會實現全部亮度。
當電壓180提升至且高於Vc時，c群組開關是被使用的以使切換網路130顯示電路至顯示的電路146用於第三操作模式。請參照圖4A，在一或更多實施例中，分支147a和147b各自攜帶驅動電流Idrive的二分之一或Idrive/2。因此，每一LED 150會發射更多光功率。這階梯式的增加在電流通過LEDs 150從Idrive/6(a群組)至Idrive/3(b群組)至Idrive/2(c群組)，在LEDs 150光功率中形成階梯式形狀。這種組態可以降低製造成本，是因為僅具有一個恆定電流源的結果。
切換網路130繼續操作於第三操作模式直到電壓180降至低於Vc，在此點網路130返回到以b群組開關運作的第二操作模式。當電壓180落至低於Vb時，網路130返回到以a群組開關運作的第一操作模式。
圖6係為用於改變電流源之電壓180、電流183及發光的光功率184圖形(“CX”)之實施例示意圖。光184的光功率曲線有些微地偏差從電流183，僅用於畫圖目的。於此實施例中，切換網路130執行如同上述討論對應於圖5所示的單一電流。然而，定電流源114改變驅動電流Idrive 123如所示。在一實施例中，當在第一操作模式時，電壓180是等於或高於Va的，電流源輸出20mA。在第二操作模式期間，電壓180等於或高於Vb，以30mA驅動LEDs燈150。在第三操作模式期間，電壓180等於或高於Vc，以40mA驅動LEDs燈150。由於光功率藉由LEDs燈150產生通常是直接正比於通過每一LED 150的驅動電流，故整體的光功率從第一模式增加至第二模式，且從第二模式增加至第三模式。此種配置相較於圖5的配置，顯示出減少的總諧波失真(THDi)。
圖7係為用於改變電流源之電壓、電流及光發射圖形(“CX”)之實施例示意圖。在此實施例中，切換網路130執行如上述討論對應於圖5所示的單一電流。然而，定電流源114改變驅動電流如所示。在一實施例中，當在第一操作模式時，電壓180是等於或高於Va的，電流源輸出120mA。請參照圖4A的電路142，在此模式中每一分支143a-143f會通過20mA的電流。在第二操作模式期間，電壓180等於或高於Vb，以60mA驅動LEDs燈150。請回到圖4A的電路144，每一分支145a、145b及145c會各自通過20mA的電流。 在第三操作模式期間，電壓180等於或高於Vc，以40mA驅動LEDs燈150。請回到圖4A的電路146，LED 150的每一分支會接收20mA的電流。
因此，每一LED 150確切地接收相同的驅動電流通過大部分的功率週期，以及因此LEDs 150以近似恆定光功率或相似於直流驅動但與所有固態部分點亮。此種組態適合用於需要高效率的應用。
圖8係為使用具有單一定電流源216的動態可重組切換網路203的發光系統201之電路實施例示意圖。在一或多個實施例中，發光系統201可提供電壓284、電流285以及光286如圖15所示。實施例可以提供減少成本的發光系統。在一或多個實施例中，發光電路201可以標準電子調光器來更改，且定電流源可以具有功率提升的致能功能。發光系統201可以在具有LEDs及驅動器兩者的單一晶粒上被製造。發光系統201可以適用於晶片直接封裝(Chip On Board,COB)生產。
發光系統201耦接至交流電源210。交流電流耦接至具有4個二極體214的全波橋式整流器212，如所示。橋式整流器212的輸出215，輸出全波整流正弦電流或脈衝直流電流I 281。在一實施例中，定電流源216接收脈衝直流電流信號I 281並輸出限制最大電流80mA的LED驅動電流Idrive 282。
控制器222使用包含電阻218和220的電壓驅動器來監控從橋式整流器212出來的瞬時電壓V 223。瞬時電壓V 223是在橋式整流器212的輸出215與在每一時間上的返回線260之間的電壓。控制器222根據瞬時電壓V 223以及表I中的邏輯表格而提供至少三個控制信號224(“a”)、226(“b”)及 228(“c”)至開關231-247。在一實施例中，操作模式的重組被連續地執行並且使LEDs有效以點亮用於大量主要的功率週期。市售可用的裝置可以提供相關上述提及裝置的功能可以包含Fairchild FSAR001交流-直流線性穩壓器、Texas Instruments LM3914 DOT/Bar顯示器驅動器、Supertex 3-通道，20mA，線性LED驅動器，以及n-通道增強型MOSFETs。
如表格I所示，在一實施例中，控制信號224(“a”)使用a群組開關(231、232、233、235、238、240、243、245、246及247)當瞬時電壓V 223範圍在Va≦V<Vb時。控制信號226(“b”)使用b群組開關(231、232、234、239、244、246及247)當瞬時電壓V 223範圍在Vb≦V<Vc時。控制信號228(“c”)使用c群組開關(234、236、237、241、242及244)當瞬時電壓V 223範圍在Vc≦V時。在一實施例中，至多一個控制信號224、226及228可以被使用在一時間。
Figure TWI612841BD00001
Figure TWI612841BD00002
開關231-247形成互連LEDs或LED燈250-255的切換網路203。切換網路203係動態可重組以具有三個操作模式具有不同數量分支對應於控制信號224、226及228。分支係為電性路徑，直接從定電流源216接收至少一部分驅動電流Idrive 281並回復至少一部分返回電流Ireturn 283直接回到橋式整流器212。沒有其他元件將LEDs分支從定電流源216或橋式整流器212分離。具有一些分支的電路在本質上是大型並聯，以及具有少數分支或一個分支的電路基本上是大型串聯。大型並聯電路會包含多個燈，每一個直接地連接至驅動電流Idrive 282以及返回電流Ireturn 283，並且。大型串聯電路會包含多個串聯的燈，僅一個燈從定電流源216直接接收驅動電流Idrive 281，並且僅一個燈輸出返回電流Ireturn 283至橋式整流器212。
在一實施例中，開關231-247及LEDs或LED燈250-255被配置如下。定電流源216的輸出提供LED驅動電流Idrive 282至LED250的正極、開關233的輸入、開關237的輸入、開關231的輸入，以及開關232的輸入。LED250的負極連接至開關234及235的輸入。開關233的輸出連接至LED251的正極。開關235的輸出連接至LED251的負極、開關246的輸入以及開關236的輸出。
在一實施例中，開關231的輸出連接至開關236和238的輸入，以及LED 252的正極。開關237的輸出連接至開關238及239的輸出，以及LED 253的正極。LED 252的負極連接至開關239、240及242的輸入。開關232的輸出連接至開關241及243的輸入以及LED 254的正極。LED 254的負極連接至開關244及245的輸入。開關241的輸出連接至開關240的輸出、開關247的輸入以及LED 253的負極。開關243的輸出連接至開關244的輸出及LED 255的正極。開關246的輸出連接至開關247、242及245的輸出，以及LED 255的負極，並提供返回電流Ireturn 283至橋式整流器212。
圖9係為當電壓滿足或超過Va但小於Vb時發光系統在第一操作模式中電流路徑之電路實施例示意圖。圖10係為圖9之等效電路實施例示意圖。當電壓超過Va但小於Vb時，開關231、232、233、235、238、240、243、245、246及247是被關閉的。來自定電流源216的LED驅動電流Idrive 282通過LED 250和開關235及246，並且之後返回至橋式整流器212以形成第一分支270。同樣地，開關233和246以及LED 251形成第二分支271。開關231、240、247和LED 252形成第三分支272。開關231、238、247和LED 253形成第四分支273。開關232、245及LED 254形成第五分支274。開關232、243及LED 255形成第六分支275。所有分支270-275係與每一其他分支並聯，並且每一分支包含單一LED或單一LED燈。
圖11係為當電壓滿足或超過Vb時的電流路徑之發光系統之電路實施例示意圖。圖12係為圖11之等效電路實施例示意圖。當電壓超過Vb但小於Vc時，開關231、232、234、239、244、246及247是被關閉的。來 自定電流源216的LED驅動電流Idrive 282通過LEDs 250、開關234、LED 251、開關246以及之後返回至橋式整流器212以形成第一分支276。同樣地，開關231、LED 252、開關239、LED 253以及開關247形成第二分支277。開關232、LED 254、開關244、LED 255形成第三分支278。所有分支276-278係與每一其他分支並聯，並且每一分支包含兩個LED或LED燈。
圖13為當電壓滿足或超過Vc時的電流路徑之發光系統之電路實施例示意圖。圖14係為圖13之等效電路實施例示意圖。來自定電流源216的LED驅動電流Idrive 282通過LEDs 250、開關234、LED 251、開關236、LED 252及開關242並且之後返回至橋式整流器212以形成第一分支279。同樣地，開關237、LED 253、開關241、LED 254、開關244以及LED 255形成第二分支280。所有分支279-280係與每一其他分支並聯，並且每一分支包含三個LEDs或LED燈。
圖15係為使用定電流源之電壓284、電流285及光發射286之光功率之用於圖8、圖9、圖11及圖13之發光系統201圖形之實施例示意圖，電流Idrive 282被設定近一個值通過功率週期。應注意的是電壓284表示瞬時電壓223和追隨全波整流交流信號的半正弦波特性的圖形。
在一實施例中，電流源216提供80mA的定電流Idrive 282。在一實施例中，當電壓284低於Va時，定電流源216是無效的。選擇性地，定電流源216在此電壓範圍可以是有效的；然而，當電壓低於用於LEDs或LED燈250-255的瞬向電壓降時，LEDs或LED燈250-255不會發射實質的光。因此，當電壓284滿足或超過Va並停留在恆定直到電壓284降至低於Vc時，電 流Idrive 282可以增加至最大水平。
一旦電壓284提升至且高於Va時，a群組開關被使用以使切換網路203顯示圖10中的電路用於第一操作模式。分支270、271、272、273、274及275會各自攜帶驅動電流Idrive的六分之一或Idrive/6，且每一LED 250-255會因此僅發射最大亮度的一小部分作為LED的光功率，通常係直接正比於通過每一LED的電流。
當電壓284提升至且高於Vb時，b群組開關被使用以使切換網路203顯示圖12中的電路用於第二操作模式。請再次參照圖12，分支276、277及278會攜帶驅動電流Idrive的三分之一或Idrive/3。因此，每一LED 250-255會產生更高的光功率相較於圖10中a電路的LEDs 250-255，但不會實現全部的亮度。
當電壓284提升至且高於Vc時，c群組開關被使用以使切換網路203顯示圖14中的電路用於第三操作模式。請再次參照圖14，分支279和280攜帶驅動電流Idrive的二分之一或Idrive/2。因此，每一LED 250-255會以更高的光功率點亮。這種驅動電流從Idrive/6(a群組)到Idrive/3(b群組)到Idrive/2(c群組)的增加導致光發射286的光功率的階梯式形狀。
切換網路203繼續操作於第三模式直到電壓284下降至低於Vc，在此點網路203返回至以b開關運作的第二操作模式中。當電壓284下降至低於Vb時，在此點網路203返回至以a開關運作的第一操作模式中。
圖16係為具有多電流源312、314及316以及開關302、304及306的發光系統301的CX電路實施例示意圖。實施例可以提供較高的效率、 0.9以上的功率因數，以及範圍小於20%的降低的總諧波失真。開關231-247以及LEDs 250-255執行如同上述討論的對應於發光系統201。驅動電流也對應於瞬時電壓V 223而改變。當瞬時電壓V 223滿足或超過Va但小於Vb時，開關306關閉且電流源316是有效的並提供20mA的電流。當電壓滿足或超過Vb但小於Vc時，開關304關閉且電流源314是有效的並提供10mA的電流。當電壓滿足或超過Vc時，開關302關閉且電流源312是有效的並提供10mA的電流。定電流源具有選擇性的電流限制可以被考慮在一或更多實施例中。
圖17係為用於圖16中發光系統301的電壓384、電流385以及光發射386之光功率圖形之實施例示意圖，使用三個定電流源312、314及316。光386的的光功率曲線從電流385有些微偏差僅用於畫圖表示之目的。在一實施例中，定電流源316具有最大電流20mA，定電流源314具有最大電流10mA，以及定電流源312具有最大電流10mA。
一旦電壓384提升至且高於Va時，a群組開關被使用以使切換網路203表示圖10的電路用於第一操作模式。當a群組開關被使用時，定電流源316會允許20mA的最大驅動電流。分支270、271、272、273、274及275會各自攜帶20mA的六分之一的驅動電流，並且每一個會被以20/6=3.3mA驅動，並且會因此僅發出最大量的一小部分。
當電壓384提升至且高於Vb時，b群組開關被使用以使切換網路203表示圖12的電路用於第二操作模式。當b群組開關被使用時，定電流源314和316會允許30mA的最大驅動電流。分支276、277及278會各自攜帶驅動電流Idrive的三分之一或Idrive/3，於此實施例中係為10mA。因此，每一 LED 250-255會發出較高的亮度相較於圖10中電路的LEDs 250-255，但不會實現全部亮度。
當電壓384提升至且高於Vc時，c群組開關被使用以使切換網路203表示圖14的電路用於第三操作模式。當c群組開關被使用時，定電流源316、314和312會允許40mA的最大驅動電流。分支279及280會各自攜帶整體驅動電流Idrive的二分之一，於此實施例中係為20mA。因此，每一LED 250-255會以最高的光功率點亮。
切換網路繼續操作於第三模式直到電壓384下降至低於Vc，在此點網路返回至以b開關運作的第二操作模式。當電壓180下降至低於Vb時，網路返回至以a開關運作的第一操作模式中。此種配置可以顯示降低的總諧波失真。
圖18係為使用可重組切換網路以提供發光之方法實施例流程圖401。提供具有功率週期的交流電(步驟410)。整流該交流電以形成一全波整流信號(步驟412)。根據該全波整流信號產生一LED驅動電流(步驟414)。根據該全波整流信號的瞬時電壓提供控制信號(步驟416)。將LED與至少一並聯分支電性互連，用以在一第一操作模式中形成一第一電路(步驟418)。每一分支接收該LED驅動電流中至少一部分(步驟420)。激發每一分支內之該LED(步驟422)。根據該控制信號重組該LED之該電性互連以形成具有一第二數量分支的一第二電路，該第二電路不同於該第一電路(步驟424)。
雖然本發明已參照具體的實施方案中所討論，這是顯而易見 的，應當理解的是，該概念可以其它方式來實施，以實現所討論的優點。優選實施方案上面已經描述，主要為LED驅動器和發光系統具有動態可重組切換網路。在這方面，LED驅動器和系統的上述描述被呈現用於說明和描述的。此外，該描述並不意在限制本發明到本文公開的形式。因此，相關領域的知識相一致的修改，都在本發明的範圍之內。本文所描述的實施例旨在解釋已知的用於實施本發明的模式茲公開的，以及使其他本領域技術人員能夠利用本發明的等價物，或可選擇的實施方案，並與認為必要的特定的應用程序或使用的各種修改在本發明。
101‧‧‧發光二極體(LED)發光系統
110‧‧‧電源
112‧‧‧控制器
114‧‧‧定電流驅動器
116‧‧‧致能輸入
122‧‧‧電壓
123‧‧‧驅動電流
124‧‧‧控制信號
125‧‧‧返回電流
126‧‧‧控制信號
128‧‧‧控制信號
130‧‧‧切換網路
140‧‧‧LED燈

Claims (22)

  1. 一種動態可重組之發光二極體(LED)驅動電路，用以驅動發光二極體，該電路包含：一橋式整流器，耦接於一交流電源以提供一脈衝直流帶電饋電電流及接收一中性返回電流；一控制器，耦接於該交流電源，該控制器監控功率週期並根據該功率週期在時間期間內提供控制信號；一定電流源，耦接於該橋式整流器以接收該饋電電流及提供一LED驅動電流，該定電流源限制該LED驅動電流之一最大驅動電流；以及接收該LED驅動電流及該控制信號之一動態可重組切換網路，該切換網路用以電連接成形於至少一並聯分支上之該LED，其中每一分支係用以接收該LED驅動電流中至少一部份，激發該分支內的LED，以及回復該返回電流中至少一部份至該橋式整流器，該切換網路具有一第一操作模式，在該第一操作模式中該LED是互連的具有一第一數量分支，以及一第二操作模式，在該第二操作模式中該LED是互連的具有一第二數量分支，該第二數量分支不等於該第一數量分支，其中，於一切換操作後，每一並聯分支包含相同數量的LED，其中至少一該LED係未切換且直接連接至該定電流源，且該直接連接的LED係為可重組，透過該切換網路用以與任何其他數量之LED直接串聯連接，其中該直接連接的LED之一負極係為可連接的，透過一單一開關連接至該LED中之其一LED之一負極且不與該中性返回電流連接。
  2. 如請求項1所述之發光二極體(LED)驅動電路，其中：該控制器根據該脈衝直流帶電饋電電流之該電壓提供該控制信號；以及 該切換網路改變操作模式響應於來自該控制器之該控制信號。
  3. 如請求項1所述之發光二極體(LED)驅動電路，其中該切換網路更包含額外的操作模式，在該額外的操作模式中該LED是互連的具有其他數量的分支，該其他數量分支不等於其他模式中的數量分支。
  4. 如請求項1所述之發光二極體(LED)驅動電路，其中該LED之每一個具有串聯的個別LED串。
  5. 如請求項1所述之發光二極體(LED)驅動電路，其中：該切換網路包含複數個單刀單擲開關，以及在該切換網路中耦接該LED與該開關的複數個路徑；以及每一開關包含一金氧半場效電晶體(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor,MOSFET)。
  6. 如請求項1所述之發光二極體(LED)驅動電路，其中該定電流源根據來自該控制器的控制信號限制該LED驅動電流。
  7. 如請求項6所述之發光二極體(LED)驅動電路，其中該定電流源根據該交流電源之電壓值改變該限制該LED驅動電流。
  8. 如請求項1所述之發光二極體(LED)驅動電路，其中該交流電源包含一120伏特源。
  9. 如請求項1所述之發光二極體(LED)驅動電路，其中該交流電源包含一240伏特源。
  10. 如請求項1所述之發光二極體(LED)驅動電路，其中該交流電源包含一85-277伏特源。
  11. 一種發光二極體(LED)發光系統，包含：一橋式整流器，耦接於一交流電源以提供一脈衝直流帶電饋電電流及 接收一中性返回電流；一控制器，耦接於該交流電源，該控制器監控功率週期並根據該功率週期在時間期間內提供控制信號；一定電流源，耦接於該橋式整流器以接收該饋電電流及提供一LED驅動電流，該定電流源限制該LED驅動電流之一最大驅動電流；複數個LED；以及接收該LED驅動電流及該控制信號之一動態可重組切換網路，該切換網路用以電連接成形於至少一並聯分支上之該LED，其中每一分支係用以接收該LED驅動電流中至少一部份，激發該分支內的LED，以及回復該返回電流中至少一部份至該橋式整流器，該切換網路具有一第一操作模式，在該第一操作模式中該LED是互連的具有一第一數量分支，以及一第二操作模式，在該第二操作模式中該LED是互連的具有一第二數量分支，該第二數量分支不等於該第一數量分支，其中，於一切換操作後，每一並聯分支包含相同數量的LED，其中至少一該複數個LED係未切換且直接連接至該定電流源，且該直接連接的LED係為可重組，透過該切換網路用以與任何其他數量之LED直接串聯連接，其中該直接連接的LED之一負極係為可連接的，透過一單一開關連接至該複數個LED中之其一LED之一負極且不與該中性返回電流連接。
  12. 如請求項11所述之發光二極體(LED)發光系統，其中：該控制器根據該脈衝直流帶電饋電電流之該電壓提供該控制信號；以及該切換網路改變操作模式響應於來自該控制器之該控制信號。
  13. 如請求項11所述之發光二極體(LED)發光系統，其中該切換網路更包含額外的操作模式，在該額外的操作模式中該LED是互連的具有其他數量的分支，該其他數量分支不等於其他模式中的數量分支。
  14. 如請求項11所述之發光二極體(LED)發光系統，其中該LED之每一個具有串聯的個別LED串。
  15. 如請求項11所述之發光二極體(LED)發光系統，其中：該切換網路包含複數個單刀單擲開關，以及在該切換網路中耦接該LED與該開關的複數個路徑；以及每一開關包含一金氧半場效電晶體(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor,MOSFET)。
  16. 如請求項11所述之發光二極體(LED)發光系統，其中該定電流源根據來自該控制器的控制信號限制該LED驅動電流。
  17. 如請求項16所述之發光二極體(LED)發光系統，其中該定電流源根據該交流電源之電壓值改變該限制該LED驅動電流。
  18. 如請求項11所述之發光二極體(LED)發光系統，其中該交流電源包含一120伏特源。
  19. 如請求項11所述之發光二極體(LED)發光系統，其中該交流電源包含一240伏特源。
  20. 如請求項11所述之發光二極體(LED)發光系統，其中該交流電源包含一85-277伏特源。
  21. 一種用於產生光的方法，包含：提供具有功率週期的交流電；整流該交流電以形成一全波整流信號； 根據該全波整流信號產生一LED驅動電流；將LED與至少一並聯分支電性互連，用以在一第一操作模式中形成一第一電路；藉由在該LED驅動電流中至少一部分之每一分支接收；回復任何該LED驅動電流之未使用部分作為中性返回電流至一整流器以執行該整流步驟；激發每一分支內之該LED；重組該LED之該電性互連以形成具有一第二數量分支的一第二電路，該第二電路不同於該第一電路，且其中每一並聯分支於一切換操作後具有相同數量的LED，其中至少一該LED係未切換且直接連接至該定電流源，且該直接連接的LED係為可重組，透過該切換網路用以與任何其他數量之LED直接串聯連接，其中該直接連接的LED之一負極係為可連接的，透過一單一開關連接至該LED中之其一LED之一負極且不與該中性返回電流連接。
  22. 如請求項21所述之產生光的方法，更包含依據該全波整流信號之瞬時電壓提供控制信號，其中重組該LED之該電性互連包含依據該控制信號改變該操作模式。
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