CN101103468A - Led驱动半导体装置和led驱动装置 - Google Patents

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Abstract

提供了一种具有较大电能转换效率并适合小型化的LED驱动半导体装置以及使用该半导体装置的LED驱动装置。用于驱动至少一个LED的LED驱动半导体装置包括输入端子、输出端子、开关元件块和控制器。所述输入端子与用于对交流电压进行整流的整流电路的高电压侧连接，并输入来自整流电路的电压。所述输出端子设置用于向LED提供电流。所述开关元件块连接在所述输入端子和所述输出端子之间，具有第一开关元件。所述控制器包括用于产生驱动和控制所述开关元件块的电源电压的稳压器和用于检测所述开关元件块的漏极电流的漏极电流检测器，执行对第一开关元件的导通/截止控制，以在漏极电流达到预定阈值时阻断所述开关元件块的漏极电流。

Description

LED驱动半导体装置和LED驱动装置
技术领域
本发明涉及LED驱动半导体装置和具有该半导体装置的LED驱动装置，具体涉及一种具有较大电能转换效率并适于小型化的LED驱动半导体装置以及一种具有该半导体装置的LED驱动装置。
背景技术
近年来，人们已使用用于驱动发光二极管(以下称作LED)的LED驱动半导体装置和使用该半导体装置的LED驱动装置。参照图10对根据现有技术的LED驱动装置进行描述。图10是示出了根据现有技术的LED驱动装置的电路图。
图10所示的根据现有技术的LED驱动装置具有用于对来自AC电源1的交流电压进行整流的整流电路2、平滑电容器103、LED 110、开关电流检测元件111、电感器电流检测电路112、升压斩波器120、反馈电路130和输入电压检测电路140。升压斩波器120具有电感器104、二极管105(LED也可以用作二极管)、开关元件108和控制电路106，并通过提升的直流输出对LED 110进行驱动。
反馈电路130检测流经LED 110的LED电流，并响应于检测信号，控制用于控制升压斩波器120的开关元件108的控制电路106。此时，对控制电路106进行控制，以对在不长于低频交流周期的时域中观察到的LED电流进行平均。
当电感器104发出能量时，将开关元件108控制在导通(ON)状态。响应于开关电流值，或将开关元件108控制在开状态之后经过预定时间时，将开关元件108控制在截止(OFF)状态。
采用上述电路配置，上述根据现有技术的LED驱动装置用于获得恒定LED电流、具有较小的输入电流应变，并具有相对较低的成本。
专利文献1是日本专利待审公开No.2001-313423。
发明内容
本发明要解决的问题
但是，上述根据现有技术的LED驱动装置需要导致电能损耗的多种电阻，例如用于降低输入高电压的启动电阻。具体地，在LED照明装置中，存在如下问题：需要增大流经LED的电流，以提高LED的发光亮度。但是，由电阻引起的电能损耗随着电流的增大而增加，这导致了效率较低的电能转换。
此外，存在如下问题：由于设置这些电阻，电路组件的数目增加，所以难以将LED驱动装置小型化。尺寸较大的LED驱动装置不适于灯型LED照明装置。
考虑到上述问题，本发明的目的是提供一种具有较大电能转换效率并适合小型化的LED驱动半导体装置以及使用该半导体装置的LED驱动装置。
解决问题的手段
根据本发明的装置具有如下解决前述问题的配置。根据本发明的第一方面，提供了一种LED驱动半导体装置，用于驱动彼此串联并经由线圈与输出端子连接的至少一个LED。所述LED驱动半导体装置包括输入端子、输出端子、开关元件块和控制器。所述输入端子与整流电路的高电压侧连接，所述整流电路对从AC电源输入的交流电压进行整流，并输出直流电压。所述输入端子设置用于输入来自整流电路的电压。所述输出端子与所述线圈的一端连接。所述输出端子设置用于向所述至少一个LED提供电流。所述开关元件块连接在所述输入端子和所述输出端子之间。所述开关元件块具有第一开关元件。所述控制器包括稳压器和漏极电流检测器。所述稳压器输入所述输入端子处的电压，作为输入电压，并使用输入电压产生用于驱动和控制所述开关元件块的电源电压。所述漏极电流检测器检测所述开关元件块的漏极电流。所述控制器以预定频率执行对第一开关元件的导通/截止控制，以在漏极电流达到预定阈值时阻断所述开关元件块的漏极电流。
根据本发明的上述方面，因为由稳压器将施加到输入端子的高电压转换为驱动和控制开关元件块的电源电压，所以不需要用于降低输入高电压的启动电阻等。因此，可以实现具有较大电能转换效率和小尺寸的LED驱动半导体装置。
根据本发明LED驱动半导体装置的第二方面，在上述LED驱动半导体装置中，所述开关元件块还包括一端与所述输入端子连接的结型FET。第一开关元件连接在结型FET的另一端与所述输出端子之间。所述控制器输入结型FET低电势侧的电压，作为输入电压，而不是输入所述输入端子的电压。
根据本发明的上述方面，通过结型FET低电势侧的低电压夹断了施加到结型FET高电势侧的高电压。所以，稳压器和控制器可以接收来自结型FET低电势侧的电能供应，并且不需要用于降低输入高电压的启动电阻等。因此，可以实现具有较大电能转换效率和小尺寸的LED驱动半导体装置。
根据本发明LED驱动半导体装置的第三方面，在上述LED驱动半导体装置中，所述控制器还包括启动和停止判断单元，当电源电压超过预定电压时，启动和停止判断单元输出启动信号，当电源电压等于或小于所述预定电压时，启动和停止判断单元输出停止信号。所述控制器在启动和停止判断单元输出启动信号时执行对第一开关元件的导通/截止操作，而在启动和停止判断单元输出停止信号时，控制第一开关元件保持在截止状态。
根据本发明的上述方面，考虑到由LED负载等引起的电压降，LED驱动半导体装置可以更加可靠地进行稳定操作。此外，因为未使用任何电阻来检测连接点处的电压，所以电能损耗较小。因此，可以实现具有较大电能转换效率和小尺寸的LED驱动半导体装置。
根据本发明LED驱动半导体装置的第四方面，在上述LED驱动半导体装置中，漏极电流检测器通过将第一开关元件的导通电压与检测基准电压相比较，检测开关元件块的漏极电流。可以通过在第一开关元件的导通状态期间测量漏极电流，来检测导通电压。
根据本发明的上述方面，通过开关元件块的第一开关元件的导通电压，检测开关元件块的漏极电流，即，流经LED的电流，从而不使用会引起电能损耗的任何电阻来检测流经LED的电流。因此，可以实现具有较大电能转换效率和小尺寸的LED驱动半导体装置。
根据本发明LED驱动半导体装置的第五方面，在上述LED驱动半导体装置中，漏极电流检测器包括第二开关元件和电阻。第二开关元件与第一开关元件并联。第二开关元件使电流流动，所述电流比流经第一开关元件的电流小，并具有流经第二开关元件的电流与流经第一开关元件的电流的恒定电流比。所述电阻串联在至第二开关元件的低电势侧。漏极电流检测器通过将施加至所述电阻的电压与检测基准电压相比较，检测开关元件块的漏极电流。
根据本发明的上述方面，可以通过使用比流经第一开关元件的电流小的电流，检测流经第一开关元件的电流。因此，即使设置有电阻，也可以在电能损耗较小的情况下，检测开关元件块的漏极电流，即，流经LED的电流。因此，可以实现具有较大电能转换效率的LED驱动半导体装置。
根据本发明LED驱动半导体装置的第六方面，在上述LED驱动半导体装置中，所述控制器还包括检测基准电压端子。检测基准电压端子输入来自外部的检测基准电压。所述控制器响应于从检测基准电压端子输入的检测基准电压，改变开关元件块的漏极电流的阈值。
通过改变开关元件块的漏极电流的阈值，增大或减小流经LED的平均电流值，这样可以调整LED的发光亮度。根据本发明的上述方面，实现了具有光控功能的LED驱动半导体装置，所述光控功能可以在来自外部的控制下调整LED的发光亮度。
根据本发明LED驱动半导体装置的第七方面，在上述LED驱动半导体装置中，所述控制器还包括过热保护单元，过热保护单元检测装置温度，并在装置温度超过预定温度时将第一开关元件保持在截止状态。
根据本发明的上述方面，当由于第一开关元件的开关损耗等，装置温度异常升高时，通过将第一开关元件强制性地保持在截止状态，降低装置温度。因此，可以实现具有较高安全性和较高可靠性的LED驱动半导体装置。
根据本发明LED驱动半导体装置的第八方面，在上述LED驱动半导体装置中，第一开关元件是双极晶体管和MOSFET之一。
根据本发明的上述方面，通过使用可以执行高速开关操作的诸如绝缘栅极双极晶体管(以下称作IGBT)等双极晶体管或MOSFET，作为第一开关元件，可以实现功能更多的高速LED驱动半导体装置。
根据本发明LED驱动半导体装置的第九方面，在上述LED驱动半导体装置中，所述控制器还包括第三开关元件、通信信号输入端子、信号同步单元和电平移位电路。第三开关元件与所述至少一个LED并联。通信信号输入端子输入通信信号。信号同步单元连接在通信信号输入端子与第三开关元件的栅极端子之间。信号同步单元与通信信号同步地输出用于控制第一开关元件和第三开关元件的信号。电平移位电路对从信号同步单元中输入的信号的电平进行移位，并输出得到的电平移位信号。
根据本发明的上述方面，与所述至少一个LED并联的第三开关元件设置用于与从通信信号输入端子输入的通信信号同步地执行对第三开关元件的导通/截止控制。当在第一开关元件处于截止状态时将第三开关元件切换到导通状态时，限制流经LED的电流，从而可以与输入通信信号同步地切换LED的熄灭状态。因此，当从通信信号输入端子输入叠加有输入信号上的数据的通信信号时，可以实现能够执行LED的可见光通信的LED驱动半导体装置。
根据本发明LED驱动半导体装置的第十方面，在上述LED驱动半导体装置中，第三开关元件是双极晶体管和MOSFET之一。
根据本发明的上述方面，通过使用可以执行高速开关操作的诸如IGBT等双极晶体管或MOSFET，作为第三开关元件，可以实现功能更多的高速LED驱动半导体装置。
根据本发明LED驱动半导体装置的第十一方面，在上述LED驱动半导体装置中，通信信号具有等于或高于1kHz且等于或低于1MHz的信号周期频率。
根据本发明的上述方面，当使用可以执行高速开关操作的第一开关元件和第三开关元件，通过输入信号周期频率在1kHz到1MHz范围内的通信信号，可以通过可见光传输信息。因此，可以实现能够以更高速度执行可见光通信的LED驱动半导体装置。
根据本发明LED驱动半导体装置的第十二方面，提供了一种LED驱动装置，包括整流电路、上述LED驱动半导体装置、线圈和二极管。所述整流电路对从AC电源输入的交流电压进行整流，并输出直流电压。所述线圈的一端与LED驱动半导体装置的输出端子连接，另一端与彼此串联的至少一个LED连接。所述二极管连接在所述线圈的所述一端与地电势之间。
根据本发明的上述方面，可以实现展示了与上述LED驱动半导体装置的有益效果相同的有益效果的LED驱动装置。
根据本发明LED驱动装置的第十三方面，在上述LED驱动装置中，所述二极管具有等于或小于100纳秒的反向恢复时间。
根据本发明的上述方面，将反向恢复时间设置为等于或小于100纳秒，从而减少了二极管中的电能损耗和第一开关元件中的开关损耗，并可以实现高效率的LED驱动装置。
本发明的有益效果
本发明展示了如下优点：可以提供一种具有更大电能转换效率和适于小型化的LED驱动半导体装置和使用该半导体装置的LED驱动装置。
附图说明
图1是示出了根据本发明优选实施方式1的LED驱动装置的配置框图；
图2是根据本发明优选实施方式1的LED驱动装置的各部分的工作波形图；
图3是示出了结型FET的高电势侧电压VD与低电势侧电压VJ之间关系的图；
图4是示出了根据本发明优选实施方式2的LED驱动装置的配置框图；
图5是根据本发明优选实施方式2的LED驱动装置的各部分的工作波形图；
图6是示出了根据本发明优选实施方式3的LED驱动装置的配置框图；
图7是示出了根据本发明优选实施方式4的LED驱动装置的配置框图；
图8是示出了根据本发明优选实施方式5的LED驱动装置的配置框图；
图9是根据本发明优选实施方式5的LED驱动装置的各部分的工作波形图；以及
图10是示出了根据现有技术的LED驱动装置的配置框图。
附图标记说明
1                        AC电源
2                        整流电路
3                        平滑电容器
4                        线圈
5                        飞轮(flywheel)二极管
6                        LED块
7                        开关元件块
8                        结型FET
9、24、28                开关元件
10、40、60、70、80       控制器
11                       电容器
12                       稳压器
13、73                   漏极电流检测器
14                       启动和停止判断单元
15、19、65、85           与电路
16                     导通状态消隐脉冲产生器
17                     振荡器
18                     RS触发器电路
20                     或电路
21、51、71、81、91     LED驱动半导体装置(驱动IC)
23                     比较器
25                     电阻
26                     信号同步单元
27                     电平移位单元
30                     输入端子
31                     输出端子
32                     基准电压端子
52                     检测基准电压端子
61                     过热保护单元
84                     通信信号输入端子
具体实施方式
以下参照附图，描述具体示出了执行本发明的最佳模式的优选实施方式。
优选实施方式1
参照图1到3描述根据本发明优选实施方式1的LED驱动装置。图1是示出了根据本发明优选实施方式1的、具有LED驱动半导体装置的LED驱动装置的配置框图。
参照图1，根据本优选实施方式的LED驱动装置设置用于驱动LED块6，LED块6与用于施加交流电压的AC电源1连接。根据本优选实施方式的LED驱动装置具有整流电路2、平滑电容器3、线圈4、飞轮二极管5、电容器11和LED驱动半导体装置(下文称作“驱动IC”)21。
整流电路2是桥式全波整流电路，对从AC电源1施加的交流电压进行整流。平滑电容器3对由整流电路2整流的脉动电压进行平滑。整流电路2和平滑电容器3将从AC电源施加的交流电压转换为直流电压。
可以使用稳定DC电源电压取代AC电源1、整流电路2和平滑电容器3。此外，平滑电容器3不是必不可少的。
LED块6包括彼此串联的至少一个LED。LED块6的阴极与地电势连接，LED块6的阳极与线圈4的一端串联。
驱动IC 21的输入端子30与整流电路2的高电势侧连接，驱动IC21的输出端子31与线圈4的另一端和飞轮二极管5的阴极连接，驱动IC 21的基准电压端子32与电容器11的一端连接。驱动IC 21设置用于对LED块6的LED进行驱动。驱动IC 21输入由整流电路2和平滑电容器3获得的直流电压，作为输入电压，并对流向与输出端子31连接的线圈4的电流进行控制。
电容器11的一端与驱动IC 21的基准电压端子32连接，另一端与驱动IC 21的输出端子、线圈4的另一端和飞轮二极管5的阴极连接。电容器11设置用于存储针对驱动IC 21的控制电能。
驱动IC 21具有开关元件块7和控制器10。开关元件块7具有结型场效应晶体管(下文称作FET)8和第一开关元件9。
结型FET 8的高电势侧端子与驱动IC 21的输入端子连接，结型FET 8的低电势侧端子与第一开关元件9的漏极端子连接。
例如，第一开关元件9是N型金属氧化物半导体场效应晶体管(下文称作MOSFET)。其漏极端子与结型FET 8的低电势侧连接，源极端子与输出端子31连接，栅极端子与控制器10连接。
控制器10与结型FET 8和第一开关元件9的连接点、第一开关元件9的栅极端子和基准电压端子32连接。控制器10输入结型FET8和第一开关元件9的连接点的电压，并执行对开关元件9的导通/截止控制。
控制器10具有稳压器12、漏极电流检测器13、启动和停止判断电路14、与电路15和19、导通状态消隐脉冲产生器16、振荡器17、复位-置位触发器(下文称作RS触发器)18和或电路20。
稳压器12的输入端与结型FET 8和第一开关元件9之间的连接点连接，其输出端与基准电压端子32和启动和停止判断电路14连接。稳压器12使用从输入端输入的电压，与电容器11共同地产生恒定值的电压，并输出该电压，作为控制器10的电路电源电压。
启动和停止判断电路14的输入端与稳压器的输出端连接，其输出端同与电路15的一个输入端连接。
漏极电流检测器13具有比较器23。比较器23的正向输入端子与结型FET 8和第一开关元件9的连接点连接，负向输入端子与检测基准电压Vsn连接，输出端同与电路19的一个输入端连接。
振荡器17的一个输出端(最大占空(MAX DUTY)信号输出端子)同与电流15的另一输入端和或电路20的反转输入端子连接，另一输出端(时钟信号输出端子)与RS触发器18的置位端子(S)连接。
与电路19的一个输入端与漏极电流检测器13的比较器23的输出端连接，另一输入端与导通状态消隐脉冲产生器16的输出端连接，输出端与或电路20的非反转输入端子连接。
或电路20的非反转输入端子同与电路19的输出端连接，反转输入端子与振荡器17的最大占空信号输出端子连接，输出端与RS触发器18的复位端子(R)连接。
RS触发器18的置位端子(S)与振荡器17的时钟信号输出端子连接，复位端子(R)同与电路20的输出端连接，非反转输出端子(Q)同与电路15的再另一输入端连接。
与电路15的一个输入端与启动和停止判断单元14的输出端连接，另一输入端与振荡器17的最大占空信号输出端子连接，再另一输入端与RS触发器18的非反转输出端子(Q)连接，输出端与导通状态消隐脉冲产生器16的输入端和开关元件9的栅极端子连接。
导通状态消隐脉冲产生器16的输入端同与电路15的输出端连接，输出端同与电路19的另一输入端连接。
下面，参照图2和3描述根据本优选实施方式的LED驱动装置的操作。图2是示出了图1所示LED驱动装置的如下波形的工作波形图：输入端子30处的电压(Vin)、输出端子31处的电压(Vout)、基准电压端子32处的电压(Vcc)、第一开关元件9的漏极电流(ID)、流经线圈4的电流(IL)和输入漏极电流检测器13的比较器23的检测基准电压(Vsn)。此外，输入端子30处的电压Vin等于结型FET 8的高电势侧电压VD，流经线圈4的电流IL等于流经LED块6的电流。图2的横轴指示时间。
此外，图3是示出了结型FET 8的高电势侧电压VD与低电势侧电压VJ之间关系的图。图3横轴指示高电势侧电压VD，纵轴指示低电势侧电压VJ。
输入端子30处的电压Vin是通过AC电源、整流电路2和平滑电容器3施加至驱动IC 21的输入端子30的直流电压。电压Vin施加至开关元件块7的结型FET 8的高电势侧电压。
当对于LED驱动装置接通LED驱动装置的图中未示出的电源时，电压Vin和高电势侧电压VD逐渐升高。如图3所示，结型FET 8的低电势侧电压VJ随着高电势侧电压VD的升高而升高(区域A)。当高电势侧电压VD进一步升高并达到等于或大于预定值VDP(VD≥VDP)时，结型FET 8夹断低电势侧电压VJ，然后，低电势侧电压VJ保持在预定值VJP(VJ＝VJP)(区域B)。
此外，来自与结型FET 8的低电势侧连接的稳压器12的输出信号，即，基准电压端子32的电压Vcc随着结型FET 8的低电势侧电压VJ的升高而升高。当高电势侧电压VD达到VDSTART，基准电压端子32的电压Vcc变为电压Vcc0。稳压器12控制基准电压端子32的电压Vcc在LED驱动装置的操作期间总是为电压Vcc0。
启动和停止判断单元14输入来自稳压器12的输入信号(即，基准电压端子32的电压Vcc)，比较电压Vcc与预定启动电压，并响应于比较结果而输出停止信号或启动信号。启动和停止判断单元14在输入的电压Vcc低于启动电压(例如，电压Vcc0)时输出低电平的停止信号，而在电压Vcc等于或大于启动电压时输出高电平的启动信号。
当从启动和停止判断单元14输出停止信号时，输入与电流15的信号之一变为低电平信号，以使第一开关元件9总是保持在截止状态。当从启动和停止判断单元14输出启动信号时，根据输入与电流15的其他信号，间断地执行第一开关元件9的导通/截止控制。漏极电流检测器13通过比较第一开关元件9导通状态期间的低电势侧电压VJ与检测基准电压Vsn(例如，图2所示的波形)，检测流经开关元件9的电流ID。当第一开关元件9导通状态期间的低电势侧电压VJ低于检测基准电压Vsn(VJ＜Vsn)时，漏极电流检测器13输出低电平信号。此外，当第一开关元件9导通状态期间的低电势侧电压VJ等于或大于检测基准电压Vsn(VJ≥Vsn)时，漏极电流检测器13输出高电平信号。
振荡器17从最大占空信号输出端子输出具有预定频率并用于设置开关元件9的占空因子最大值的最大占空信号MXD，并从时钟信号输出端子输出时钟信号CLK，时钟信号CLK是具有预定频率的脉冲信号。
当来自与电路15的输出信号和来自或电路20的输出信号均通过来自漏极电流检测器13的输入信号变为高电平时，将RS触发器18复位，同时，来自与电路15的输出信号变为低电平，将开关元件9控制为处于截止状态。此时，电流ID是预定峰值IDP。开关元件9保持在截止状态，直到向RS触发器18的置位端子(S)输入来自振荡器17的后续高电平时钟信号为止。
即，通过从振荡器17输出的时钟信号CLK设置第一开关元件9的振荡频率，并通过来自或电路20的输出信号设置第一开关元件9的占空因子，向或电路20输出振荡器17的最大占空信号MXD的反转信号和来自漏极电流检测器13的输出信号。
导通状态消隐脉冲产生器16输入来自AND电路15的输出信号，并在从来自AND电路15的输出信号从低电平切换到高电平(即，将开关元件9从截止状态切换到导通状态)时到经过了预定时间段(例如，大约100纳秒)时的时间间隔期间，输出低电平信号。在其他情况下，导通状态消隐脉冲产生器16直接输出输入信号。
来自导通状态消隐脉冲产生器16的输出信号和来自漏极电流检测器13的输出信号输入与电路19，然后，可以防止第一开关元件9的导通/截止控制期间、由于第一开关元件9从截止状态切换到导通状态时产生的振铃噪声而引起的错误操作。
通过上述操作，控制第一开关元件9，使其在流经第一开关元件9的电流ID变为预定峰值IDP时处于截止状态，并在来自振荡器17的后续时钟信号CLK的时候处于导通状态。电流ID如图2所示地改变。根据开关元件9的导通/截止操作，从输出端子31输出如图2所示的电压Vout。
此外，当第一开关元件9处于导通状态时，电流ID沿开关元件9→线圈4→LED块6的方向流动，而当第一开关元件9处于截止状态时，电流ID沿线圈4→LED块6→飞轮二极管5的闭合回路流动。因此，流经线圈4的电流IL(即，流经LED块6的电流)变为如图2所示的波形，流经LED块6的平均电流变为图2所示的ILO。LED块6的每个LED以响应于电流ILO的发光亮度发光。
通过使用上述优选实施方式中的LED驱动半导体装置和LED驱动装置，可以获得如下有益效果。
常用电源电路中的半导体装置的电能供应是经由启动电阻、根据输入电压(高电压)来执行的。因为不仅在启动或停止半导体装置时、而且在正常操作期间，类似地执行电能供应，所以在启动电阻处产生电能损耗。另一方面，在根据本优选实施方式的LED驱动半导体装置和LED驱动装置中，设置了结型FET 8，因此，将施加至结型FET 8高电势侧的高电压夹断为结型FET 8低电势侧的低电压。因此，控制器10可以接收来自结型FET 8低电势侧的电能供应，而不需要用于降低高输入电压的任何启动电阻等。因此，当LED驱动装置启动时，消除了现有技术中启动电阻所消耗的电能损耗。根据本优选实施方式的LED驱动半导体装置和LED驱动装置中电路的电能损耗低，并适于小型化。此外，通过使用结型FET 8，可以输入从低电压到高电压的较宽范围的电压，作为输入电压电源。
此外，因为由漏极电流检测器13使用第一开关元件9的导通电压(第一开关元件9导通状态期间结型FET 8的低电势侧电压VJ)来检测流经第一开关元件9的漏极电流ID，所以不需要用于检测漏极电流ID的任何电流检测电阻。因此，不会产生由于电流检测电阻而引起的电能损耗。
此外，因为设置了启动和停止判断单元14，所以可以考虑到由LED负载等引起的电压下降，以可靠性更高的稳定操作来执行LED驱动半导体装置。此外，通过改变漏极电流检测器13的检测基准电压Vsn，可以容易地控制LED的发光亮度。
图1中，通过在相同基板上形成开关元件块7和控制器10，可以实现LED驱动装置的进一步小型化。在以下示出的优选实施方式中也是如此。
此外，在图1中，整流电路2是对交流电压进行整流的全波整流电路。但是，应该清楚理解，本发明不限于此，即使使用半波整流电路，也可以获得相同的有益效果。在以下示出的优选实施方式中也是如此。
此外，在根据本优选实施方式的LED驱动半导体装置和LED驱动装置中，将N型MOSFET用于第一开关元件9。但是，本发明不限于这种配置，可以使用IGBT、其他双极晶体管等。通过使用可以执行高速开关操作的开关元件，可以实现具有功能性更高的高速LED驱动半导体装置。在以下示出的优选实施方式中也是如此。
此外，当飞轮二极管5的反向恢复时间(Trr)相对较长时，在第一开关元件9从导通状态转换到截止状态的瞬态，电能损耗增加。因此，通过将飞轮二极管5的反向恢复时间(Trr)设置得较短，例如，等于或小于100纳秒，可以减小飞轮二极管5的电能损耗和第一开关元件9的开关损耗。在以下示出的优选实施方式中也是如此。
优选实施方式2
参照图4和5，描述根据本发明优选实施方式2的LED驱动半导体装置和LED驱动装置。图4是根据本发明优选实施方式2、具有LED驱动半导体装置(驱动IC)的LED驱动装置的配置框图。参照图4，优选实施方式2与图1所示优选实施方式1的不同之处在于，设置了驱动IC 51，取代驱动IC 21。
驱动IC 51与图1所示优选实施方式1中的驱动IC 21的不同之处在于，设置有控制器40取代控制器10，还添加了检测基准电压端子52。因为在其他方面优选实施方式2与优选实施方式1相同，所以省略由与图1相同的附图标记指示的组件的详细描述。
检测基准电压端子52是与漏极电流检测器13的比较器23的负向输入端子连接的端子，并设置用于输入来自图中未示出的外部装置的检测基准电压Vsn。
漏极电流检测器13的检测基准电压Vsn是响应于从外部输入检测基准电压端子52的电压信号而可以改变的可变电压。
图5是示出了图4所示LED驱动装置的如下波形的工作波形图：输入端子30处的电压(Vin)、输出端子31处的电压(Vout)、基准电压端子32处的电压(Vcc)、第一开关元件9的漏极电流(ID)、流经线圈4的电流(IL)和输入漏极电流检测器13的比较器23的检测基准电压(Vsn)。此外，输入端子30处的电压Vin等于结型FET 8的高电势侧电压VD，流经线圈4的电流IL等于流经LED块6的电流。图5的横轴指示时间。
例如，如图5所示，当以三级逐渐降低检测基准电压Vsn，将第一开关元件9控制在截止状态的漏极电流ID的峰值IDP也随着检测基准电压Vsn的降低而以三级逐渐降低。如图5所示，执行脉宽调制(下文称作PWM)控制的漏极电流ID流入第一开关元件9。流经线圈4的电流IL(即，流经LED块6的电流)变为如图5所示，LED块6的平均电流ILO以三级逐渐降低。
因此，LED块6的平均电流ILO响应于检测基准电压Vsn的改变而改变，并可以改变构成LED块6的LED的发光亮度。因此，可以通过外部控制来对LED进行光控。
通过使用上述优选实施方式中的LED驱动半导体装置和LED驱动装置，除了本发明优选实施方式1所示的效果之外，还可以获得如下有益效果。
通过设置用于向漏极电流检测器输入检测基准电压的检测基准电压输入端子，可以从外部容易地调整LED的发光亮度。即，可以获得光控功能。
此外，在本优选实施方式中，漏极电流13的操作描述为LED块6的平均电流ILO与检测基准电压Vsn的波动成比例地改变。但是，本发明不限于此，可以将LED块6的平均电流ILO操作为根据漏极电流检测器13的检测基准电压Vsn波动的其他预定函数(例如，成反比例)而改变。在以下示出的优选实施方式中也是如此。
优选实施方式3
参照图6，描述根据本发明优选实施方式3的LED驱动半导体装置和LED驱动装置。图6是示出了根据本发明优选实施方式3、具有LED驱动半导体装置(驱动IC)的LED驱动装置的配置框图。参照图6，优选实施方式3与图1所示优选实施方式1的不同之处在于，设置了驱动IC 71，取代驱动IC 21。
驱动IC 71与图1所示优选实施方式1中的驱动IC 21的不同之处在于，设置有控制器60取代控制器10。控制器60与图1所示优选实施方式中的控制器10的不同之处在于，设置与电路65来取代与电路15，还添加了过热保护单元16。因为在其他方面优选实施方式3与优选实施方式1相同，所以省略由与图1相同的附图标记指示的组件的详细描述。
过热保护单元61检测开关元件9的温度。因为第一开关元件9因为开关损耗而发热等，所以当开关元件9的温度超过预定温度时，过热保护单元61输出低电平信号，除此之外，过热保护单元61输出高电平信号。因为来自与电路65的输出信号响应于从过热保护单元61输出的低电平信号而变为低电平，所以将第一开关元件9强制性地控制在截止状态(下文称作“强制截止状态”)。这样可以停止第一开关元件9的开关操作，降低开关元件9的温度。
例如，可以预先设置如下模式，作为第一开关元件9处于强制截止状态情况下的恢复方法。
可以考虑如下模式(锁存模式)：暂时停止直流电压电源向LED驱动装置的供应，并保持该强制截止状态，直到重新提供电源；或者如下模式(自动恢复模式)等：当开关元件9的温度超过由过热保护单元61设置的预定温度时，将第一开关元件9保持在强制截止状态，并在开关元件9的温度变成等于或低于预定温度时，自动取消强制截止状态。
如上所述，根据本优选实施方式的LED驱动半导体装置和LED驱动装置可以避免由于温度异常上升而引起的第一开关元件9的热损坏。因此，可以实现具有更高安全性和高可靠性的LED驱动半导体装置和LED驱动装置。通过向其他优选实施方式的配置添加过热保护单元61，可以获得相同的有益效果。
此外，在本优选实施方式中，过热保护单元61检测开关元件9的温度，但是本发明不限于此，即使当检测其他电阻部分(器件温度)的温度时，也可以获得相同的有益效果。
此外，根据本优选实施方式的LED驱动半导体装置和LED驱动装置特别优选地用于将开关元件块7和控制器10形成在相同基板上的LED驱动半导体装置中，这是因为可以提高开关元件9的温度的检测精度。
优选实施方式4
参照图7，描述根据本发明优选实施方式4的LED驱动半导体装置和LED驱动装置。图7是示出了根据本发明优选实施方式4、具有LED驱动半导体装置(驱动IC)的LED驱动装置的配置框图。参照图7，优选实施方式4与图6所示优选实施方式3的不同之处在于，设置了驱动IC 81，取代驱动IC 71。
驱动IC 81与图6所示优选实施方式3中的驱动IC 71的不同之处在于，设置有控制器70取代控制器60。控制器70与图6所示优选实施方式中的控制器60的不同之处在于，设置漏极电流检测器73来取代漏极电流检测器13。漏极电流检测器73与图6所示优选实施方式3中的漏极电流检测器13的不同之处在于，还添加了第二开关元件24和电阻25。因为在其他方面优选实施方式4与优选实施方式3相同，所以省略由与图6相同的附图标记指示的组件的详细描述。
例如，第二开关元件24是N型MOSFET。第二开关元件24的漏极端子与结型FET 8和第一开关元件9的连接点连接，源极端子与电阻25连接，栅极端子同与电路65的输出端连接。第二开关元件24使电流流动，该电流与流经第一开关元件9的电流IL小很多，并具有对于电流IL的恒定电流比。电阻25的一端与第二开关元件24的源极端子连接，另一端与输出端子31连接。
漏极电流检测器73的比较器23具有与第二开关元件24和电阻25的连接点连接的正向输入端子、以及与检测基准电压Vsn的电势连接的负向输入端子。
漏极电流检测器73通过上述配置，根据从施加至电阻25的电压，检测流经第二开关元件24的电流，以检测流经第一开关元件9的漏极电流ID。
如上所述，根据本优选实施方式的LED驱动半导体装置和LED驱动装置提供第二开关元件24和电阻25，从而可以使用比流经第一开关元件9的电流小的电流，检测流经第一开关元件9的漏极电流，即，流经LED的电流。因此，相比于现有技术的装置，即使在设置了用于检测漏极电流的电阻时，也可以实现具有更低电能损耗和更高电能转换效率的LED驱动半导体装置。
优选实施方式5
参照图8和9，描述根据本发明优选实施方式5的LED驱动半导体装置和LED驱动装置。图8是示出了根据本发明优选实施方式5、具有LED驱动半导体装置(驱动IC)的LED驱动装置的配置框图。参照图8，优选实施方式5与图1所示优选实施方式1的不同之处在于，设置了驱动IC 91，取代驱动IC 21。
驱动IC 91与图1所示优选实施方式1中的驱动IC 21的不同之处在于，设置了信号同步单元26、电平移位单元27和第三开关元件28；设置有控制器80取代控制器10；还添加了通信信号输入端子84。控制器80与图1所示优选实施方式中的控制器10的不同之处在于，设置与电路85来取代与电路15。因为在其他方面优选实施方式2与优选实施方式1相同，所以省略由与图1相同的附图标记指示的组件的详细描述。
例如，第三开关元件28是N型MOSFET，并连接在线圈4和LED块6的连接点与地电势之间，以与LED块6并联。
通信信号输入端子84是用于从外部输入二进制(例如，高和低)通信信号的端子。
信号同步单元26的输入端与通信信号输入端子84连接，输出端与第三开关元件28的栅极端子连接。信号同步单元26输入来自外部、经由通信信号输入端子84的通信信号，以预定频率执行同步，然后向电平移位单元27和第三开关元件28的栅极端子中每一个输出控制信号。
电平移位单元27的输入端与信号同步单元26连接，输出端同与电路85的一个输入端连接。电平移位单元27对从信号同步单元26输入的控制信号的电平进行移位，并输出得到的电平移位信号。
接下来，参照图9，描述根据本优选实施方式的LED驱动装置的操作。图9是示出了图8所示LED驱动装置的如下波形的工作波形图：从通信信号输入端子84输入的二进制通信信号、输出端子31处的电压(Vout)、第一开关元件9的漏极电流(ID)和流经线圈4的电流(IL)。此外，流经线圈4的电流IL等于流经LED块6的电流。图9的横轴指示时间。
通过执行第一开关元件9的导通/截止控制而使LED块6的LED发光的操作与优选实施方式1中的相同，因此省略对其的描述。
以预定频率对从通信信号输入端子84输入的二进制通信信号进行同步，并经由信号同步单元26和电平移位单元27，向与电路85传输得到的信号，以控制第一开关元件9。此外，还将从通信信号输入端子84输入的二进制通信信号传输至第三开关元件28的栅极端子，以控制第三开关元件28。
此时，控制第一开关元件9和第三开关元件28不同时处于导通状态。例如，在图8所示LED驱动装置的配置中，信号同步单元26执行将来自电平移位单元27的控制信号和来自第三开关元件28等的控制信号之一反转的处理，以使来自电平移位单元27的控制信号和来自第三开关元件28等的控制信号具有互补关系。
在通过以上述方法执行第一开关元件9的导通/截止控制来使LED发光的情况下，当向通信信号输入端子84输入高电平通信信号时，信号同步单元26向开关元件28的栅极端子输出同步后的控制信号(具有高电平)。将第三开关元件28控制在导通状态。此外，信号同步单元26向电平移位单元27输出同步控制信号的反转信号(具有低电平)。将第一开关元件9控制在截止状态。
当向通信信号输入端子84输入具有低电平的通信信号时，信号同步单元26向开关元件28的栅极端子输出同步后的控制信号(具有低电平)。将第三开关元件28控制在截止状态。此外，信号同步单元26向电平移位单元27输出同步控制信号的反转信号(具有高电平)。响应于除从电平移位电路27输入到与电路85的信号之外的信号，将第一开关元件9控制在导通状态。
当第一开关元件9处于导通状态，并且第三开关元件28处于截止状态时，电流沿第一开关元件9→线圈4→LED块6的方向流动。LED块6的LED处于发光状态。
当第一开关元件9处于截止状态，并且第三开关元件28处于截止状态时，电流在由线圈4、LED块6和飞轮二极管5构成、沿线圈4→LED块6→飞轮二极管5方向的闭合回路流动。LED块6的LED处于发光状态。
当第一开关元件9处于截止状态，并且第三开关元件28处于导通状态时，电流沿线圈4→第三开关元件28→飞轮二极管5的方向流动。此时，LED块6的两端之间的电压降低到第三开关元件28的导通状态电压，因此，电流不流到LED块6。LED块6的LED处于熄灭状态。
通过响应于输入通信信号的高和低电平来重复这种操作，可以结合通信信号，切换LED的发光状态和熄灭状态。
此外，通过使用MOSFET、IGBT和其他开关元件等能够执行高速开关操作的元件来用作第一开关元件9和第三开关元件28，可以更高效地切换LED的发光状态和熄灭状态。
当使用上述本优选实施方式的LED驱动半导体装置和LED驱动装置，具有以下有益效果。
通过设置第三开关元件28，并与通信信号同步地控制流经LED的电流，可以通过简单电路配置，响应于从外部输入的通信信号，切换LED块6的发光状态和熄灭状态。因此，当从通信信号输入端子输入叠加有数据的通信信号，可以实现LED的可见光通信。
此外，当将本优选实施方式的LED驱动半导体装置和LED驱动装置用于LED可见光通信时，优选的是，通信信号的信号周期的频率等于或大于1kHz并等于或小于1MHz，并能够由可见光传输信息。此外，通过使用MOSFET、IGBT和其他开关元件等能够执行高速开关操作的元件来用作第一开关元件9和第三开关元件28，可以实现更加高速的可见光通信。
工业应用性
根据本发明的LED驱动半导体装置和LED驱动装置可以用在使用LED的整体装置中。更具体地，根据本发明的LED驱动半导体装置和LED驱动装置可以用在LED照明装置、LED通信装置等中。

Claims (19)

1.一种LED驱动半导体装置，用于驱动彼此串联并经由线圈与输出端子连接的至少一个LED，所述LED驱动半导体装置包括：
输入端子，与整流电路的高电压侧连接，所述整流电路对从AC电源输入的交流电压进行整流，并输出直流电压，所述输入端子设置用于输入来自整流电路的电压；
输出端子，与所述线圈的一端连接，所述输出端子设置用于向所述至少一个LED提供电流；
开关元件块，连接在所述输入端子和所述输出端子之间，所述开关元件块具有第一开关元件；以及
控制器，包括稳压器和漏极电流检测器，所述稳压器输入所述输入端子处的电压，作为输入电压，并使用输入电压产生用于驱动和控制所述开关元件块的电源电压，所述漏极电流检测器检测所述开关元件块的漏极电流，所述控制器以预定频率执行对第一开关元件的导通/截止控制，以在漏极电流达到预定阈值时阻断所述开关元件块的漏极电流。
2.根据权利要求1所述的LED驱动半导体装置，其中
所述开关元件块还包括一端与所述输入端子连接的结型FET；
所述第一开关元件连接在所述结型FET的另一端与所述输出端子之间；以及
所述控制器输入所述结型FET低电势侧的电压，而不是所述输入端子的电压，作为输入电压。
3.根据权利要求1所述的LED驱动半导体装置，其中，
所述控制器还包括启动和停止判断单元，当电源电压超过预定电压时，启动和停止判断单元输出启动信号，当电源电压等于或小于所述预定电压时，启动和停止判断单元输出停止信号；以及
所述控制器在所述启动和停止判断单元输出启动信号时执行对所述第一开关元件的导通/截止控制，而在所述启动和停止判断单元输出停止信号时，控制所述第一开关元件保持在截止状态。
4.根据权利要求2所述的LED驱动半导体装置，其中
所述控制器还包括启动和停止判断单元，当电源电压超过预定电压时，启动和停止判断单元输出启动信号，当电源电压等于或小于所述预定电压时，启动和停止判断单元输出停止信号；以及
所述控制器在所述启动和停止判断单元输出启动信号时执行对所述第一开关元件的导通/截止控制，而在所述启动和停止判断单元输出停止信号时，控制所述第一开关元件保持在截止状态。
5.根据权利要求1所述的LED驱动半导体装置，其中
所述漏极电流检测器通过将所述第一开关元件的导通电压与检测基准电压相比较，检测所述开关元件块的漏极电流。
6.根据权利要求2所述的LED驱动半导体装置，其中
所述漏极电流检测器通过将所述第一开关元件的导通电压与检测基准电压相比较，检测所述开关元件块的漏极电流。
7.根据权利要求3所述的LED驱动半导体装置，其中
所述漏极电流检测器通过将所述第一开关元件的导通电压与检测基准电压相比较，检测所述开关元件块的漏极电流。
8.根据权利要求1所述的LED驱动半导体装置，其中
所述漏极电流检测器包括：
第二开关元件，与所述第一开关元件并联，所述第二开关元件使电流流动，所述电流比流经所述第一开关元件的电流小，并具有流经所述第二开关元件的电流与流经所述第一开关元件的电流的恒定电流比；以及
电阻，串联在至第二开关元件的低电势侧；
所述漏极电流检测器通过将施加至所述电阻的电压与检测基准电压相比较，检测所述开关元件块的漏极电流。
9.根据权利要求2所述的LED驱动半导体装置，其中
所述漏极电流检测器包括：
第二开关元件，与所述第一开关元件并联，所述第二开关元件使电流流动，所述电流比流经所述第一开关元件的电流小，并具有流经所述第二开关元件的电流与流经所述第一开关元件的电流的恒定电流比；以及
电阻，串联在至第二开关元件的低电势侧；
所述漏极电流检测器通过将施加至所述电阻的电压与检测基准电压相比较，检测所述开关元件块的漏极电流。
10.根据权利要求3所述的LED驱动半导体装置，其中
所述漏极电流检测器包括：
第二开关元件，与所述第一开关元件并联，所述第二开关元件使电流流动，所述电流比流经所述第一开关元件的电流小，并具有流经所述第二开关元件的电流与流经所述第一开关元件的电流的恒定电流比；以及
电阻，串联在至第二开关元件的低电势侧；
所述漏极电流检测器通过将施加至所述电阻的电压与检测基准电压相比较，检测所述开关元件块的漏极电流。
11.根据权利要求5所述的LED驱动半导体装置，其中
所述控制器还包括用于输入来自外部的检测基准电压的检测基准电压端子，并响应于从所述检测基准电压端子输入的检测基准电压，改变所述开关元件块的漏极电流的阈值。
12.根据权利要求8所述的LED驱动半导体装置，其中
所述控制器还包括用于输入来自外部的检测基准电压的检测基准电压端子，并响应于从所述检测基准电压端子输入的检测基准电压，改变所述开关元件块的漏极电流的阈值。
13.根据权利要求1所述的LED驱动半导体装置，其中
所述控制器还包括过热保护单元，所述过热保护单元检测装置温度，并在装置温度超过预定温度时将所述第一开关元件保持在截止状态。
14.根据权利要求1所述的LED驱动半导体装置，其中
所述第一开关元件是双极晶体管和MOSFET之一。
15.根据权利要求1所述的LED驱动半导体装置，其中
所述控制器还包括：
第三开关元件，与所述至少一个LED并联；
通信信号输入端子，用于输入通信信号；
信号同步单元，连接在所述通信信号输入端子与所述第三开关元件的栅极端子之间，所述信号同步单元与通信信号同步地输出用于控制所述第一开关元件和所述第三开关元件的信号；以及
电平移位电路，用于对从所述信号同步单元中输入的信号的电平进行移位，并输出得到的电平移位信号。
16.根据权利要求15所述的LED驱动半导体装置，其中
所述第三开关元件是双极晶体管和MOSFET之一。
17.根据权利要求16所述的LED驱动半导体装置，其中
通信信号具有等于或高于1kHz且等于或低于1MHz的信号周期频率。
18.一种LED驱动装置，包括：
整流电路，用于对从AC电源输入的交流电压进行整流，并输出直流电压；
根据权利要求1所述的LED驱动半导体装置；
线圈，其一端与所述LED驱动半导体装置的输出端子连接，另一端与彼此串联的至少一个LED连接；以及
二极管，连接在所述线圈的所述一端与地电势之间。
19.根据权利要求18所述的LED驱动装置，其中
所述二极管具有等于或小于100纳秒的反向恢复时间。
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