CN101401486A

CN101401486A - 温度控制发光二极管阵列

Info

Publication number: CN101401486A
Application number: CNA2007800082194A
Authority: CN
Inventors: S·孔加潘
Original assignee: Honeywell International Inc
Current assignee: Honeywell International Inc
Priority date: 2006-02-03
Filing date: 2007-02-01
Publication date: 2009-04-01
Anticipated expiration: 2027-02-01
Also published as: JP2009525617A; US20070182337A1; EP1980140A1; CN101401486B; US7414370B2; WO2007092355A1; KR20080100225A

Abstract

一种灯，其中LED阵列被耦合至晶体管以便相同量的电流流经二者。控制在晶体管的控制端子(例如，基极)上的电压水平以便当工作温度上升时电流大小被减小。结果，由LED阵列中的LED的结生成的热被减少，从而补偿了工作温度上升。

Description

温度控制发光二极管阵列

技术领域

本发明一般涉及发光二极管(LED)阵列，并且更具体而言涉及用于在以更高温度工作的灯中提高LED阵列工作可靠性的方法和装置。本发明还涉及作为汽车的制动/尾灯的这些灯的使用。

背景技术

发光二极管(LED)通常包括半导体P-N结，并在正向产生具有与流经它的电流成正比的光强的光。许多这种LED经常形成阵列，以通常生成所期望光强水平的光。

LED阵列又可以连同例如驱动电路和外壳的其它元件一起封装成灯。一这种应用是把基于LED阵列的灯用作汽车的制动和尾灯。一般，制动灯响应于施加的制动生成一光强的光，并且尾灯尤其在晚间生成另一光强的光。

基于LED阵列的灯的一问题在于LED阵列在高的工作温度(即，在灯或汽车的一般环境下)下可能容易受故障的影响。这种故障的来源经常是工作温度可导致LED内的P-N结的温度上升，从而进一步升高LED阵列的邻近(immediate viscinity)温度，这可破坏/烧毁LED材料(包括P-N结、外壳或PN结至连接引线的焊线)。

所需要的是用于在以更高温度工作的灯中提高LED阵列工作可靠性的方法和装置。

附图说明

参考在以下简要描述的附图来描述本发明。

图1是依据本发明的方面例示灯的部分的细节的框图。

图2是依据本发明的方面例示用来提供温度补偿的方法的电路级图。

图3是在一实施例中对于环境/工作温度的各种值，包括流经LED阵列的正向电流的值的表格。

图4是在本发明实施例中，LED驱动模块以及例示用来提供LED阵列不同光强水平的方法的相关联LED阵列的电路图。

在图中，相同的标号一般表示相同的、功能类似的和/或结构类似的特征。其中特征首次出现的附图由最左边的数字用相应的标号表示。

具体实施方式

1.综述

依据本发明的一个方面所提供的灯包括通过大小取决于控制端电压的电流的晶体管，以及生成具有与电流大小成比例的光强的光的LED阵列。驱动模块则在控制端这样控制电压水平(voltage level)，即当工作温度上升时减小电流大小。结果，当工作温度上升时，由LED阵列生成的热减少，从而避免例如对LED或灯的其它元件的损坏的问题。

依据本发明的另一方面，这种灯适合于用作汽车的制动/尾灯。

参考用于例示的实例，在以下描述了本发明的几个方面。应当理解，阐述了许多特定细节、关系和方法以提供对本发明的完全理解。然而，相关领域技术人员将容易认识到本发明可以在没有一个或多个特定细节时或采用其它方法等也可以实施。在其它实例中，没有详细示出公知结构或操作以避免使发明晦涩难懂。

2.灯

图1是依据本发明的一个方面例示灯的部分的细节的框图。所示图包括LED阵列130、晶体管140、电阻器(Re)150和LED驱动模块110。在以下进一步详细描述每个特征。

为便于描述，所示图1包括仅一个LED阵列以及相关联的晶体管140和电阻器150。汽车照明应用场合通常使用多个LED阵列(类似于LED阵列130)及相关的晶体管和电阻器。则LED驱动模块110可给这种LED阵列中的每一个提供在以下描述的信号。

LED阵列130可包括串联连接的并且由路径113上的电压供电的一个或多个LED。由LED阵列130发射的光的光强将与通过阵列(并且参见路径134)的电流成比例。参考以下描述的作为汽车尾灯的实现，控制电流以便当施加制动(如路径101所示)时生成更高的光强并且当灯作为尾灯工作(如路径103所示)时生成更低的光强。

晶体管140被示出为BJT(双极结型晶体管)，包括基极端子(连接至路径114)、发射极端子(连接至路径145)和集电极端子(连接至路径134)。当路径114上的电压超过预定阈值时，晶体管140处于ON状态，否则处于OFF状态。

流经晶体管140(以及LED阵列130)的电流大小也由路径114上的电压和电阻器150提供的电阻来设置。电阻器150用于设置基极电流(在路径145上)和由此的LED电流(在路径134上)的所需要的值。假定电阻值是固定的，通过增大路径114上的电压，同样可增大电流。

LED驱动模块110控制路径114上的电压水平以打开/关闭灯，并且还获得源自LED阵列130的所期望光强。这样控制路径114上的电压水平，即在更高的工作温度时，降低电压水平。结果，路径134上的LED电流相应地减小，从而减少LED阵列130中的LED的结温。

针对汽车应用场合的使用，当路径101表示施加了制动，把高电压加在路径114上并且当灯需要仅作为尾灯工作时，如路径103所示，把低电压(但足够高以接通晶体管140)加在路径114上。即使当施加与制动灯对应的高电压时，路径114上的电压水平(以及路径134上的电流)被减小，潜在地与工作温度成比例。

依据本发明的一个方面，针对可用来获得这种温度补偿的方法，继续描述。随后，描述用在一实施例中LED驱动模块110的电路级实现来继续。

3.温度补偿

图2是依据本发明的一个方面例示用来提供温度补偿的方法的电路级图。所示电路包括电阻器(R1)265和(R3)270以及在LED驱动模块110内的二极管(D1)280和(D2)281。一些图1的元件也在以下分析中重复并使用。响应于工作温度的上升，LED驱动模块110中的元件工作以降低路径114上的电压，从而减小在图1的LED阵列130中的电流，如以下所述。

电阻器R1、R2和二极管D1、D2形成分压网络，该分压网络接收路径290上的电压(其可源自表示路径101上的“制动操作”的电压，如以下针对图3所述)并在路径114上提供所期望的电压水平，如以下所述。

二极管D1和D2工作以给路径134上的LED电流提供温度补偿。这可以通过从图2的观察中来理解，即在路径114上提供的电压等于跨电阻器R3、二极管D1和二极管D2的电压降的总和。跨二极管D1和D2的电压降中的每一个与图2电路的工作温度成反比。因此，随温度变化，跨二极管D1和D2的电压降相反地改变了相应的值，从而改变在路径114上提供的电压。

例如，工作温度的升高可导致LED阵列130中的LED的结温升高。然而，这种工作温度的升高导致跨二极管D1和D2的电压降相应降低，从而降低在路径114上提供的电压。因此，路径134上的LED电流相应减少，LED阵列130的功耗减小并且LED阵列130中的LED的结温被维持以处于可接受的限度内。

参考用于例示的实例设计规范，在以下进一步详细描述图2电路的工作。

4.带实例设计规范的例示

为例示，假定将用所附设计规范来设计灯：

1.图2电路的工作温度为40℃至+85℃。

2.LED200、210、220和230-230中的每一个的最大工作结温(Tj)为125℃。

以下描述了电路运行以示出提供所需要的温度补偿以便符合以上实例规范。假定LED200、210、220和230用于汽车的制动灯，并且对于相应的光强水平需要流经LED200-230的65毫安的电流。还假定以下：LED200-230中的每一个的额定最大正向电流＝70毫安(mA)。

流经LED200-230中的每一个的正向工作电流(Operating forwardcurrent)＝65mA

在65mA时跨LED200-230中的每一个的正向电压降＝2.1伏特(V)

路径113上的最小电压＝10.5V

在路径101和103上，适当所需要值的恒定电压是可得到的。

参考用于例示的LED200，示出以下计算(假定LED200-230具有同样的特性，以下计算也将适用于LED210-230)。

正向工作电流(路径134上的发射极电流)＝65mA.........方程1

跨LED200的正向电压降(Vf)＝2.10V.........................方程2

从方程1和2：

功耗(Pd)＝Vf×IE...............................................方程3

＝2.1×0.065

＝0.136W

LED200的外壳(未示出)的热阻(Rj)＝325℃/W.......方程4

从方程3和4：

LED200的结温升高(ΔT)＝Pd×Rj..............................方程5

＝0.136×325

＝44.2℃

因此，对于85℃的最大环境工作温度(Ta)，Tj由以下给出：

Tj＝Ta+ΔT＝129.2℃..............................方程6

从方程6中可以看出，结温Tj超过了所允许的最大125℃。

现在示出，二极管280/281的工作有效地补偿了环境温度Ta的上升，并且把LED200的结温Tj维持在可接受的限度内(最大125℃，按照实例规范)

制动的施加引起将存在于路径101上的恒定电压Vb。假定路径103没有连接至任意电压。

因此，路径114上的电压(Vbe)由以下给出：

Vbe＝VD1+VD2+(R1×I_B).............................................方程7

其中：

VD1是跨二极管D1的电压降。

VD2是跨二极管D2的电压降。

R1是R1(270)的电阻。

I_B是流经包括R1、D1和D2的串联路径(275)的电流。

已假定，路径113上恒定电压是可得到的。因此，I_B的值可假定为跨所需要的工作温度范围基本保持恒定。因此，方程7可写为：

Vbe＝VD1+VD2+k1...................................................方程8

其中，k1等于方程7的项(R1×I_B)

如公知，跨二极管的正向电压降(例如方程7的VD1和VD2)由以下方程给出：

正向电压降VD＝(nkT/q)1n(I_D/I_S).....................方程9

其中：

VD＝二极管正向电压，

n＝二极管发射系数，

k＝波尔兹曼(Boltzmann)常数

T＝温度度数

q＝电子电荷

I_D＝二极管正向电流

I_S＝二极管反向饱和电流

在正向电流处于低值时，在结温(二极管D1和D2的Tjd)和正向电压VD(图2中的VD1和VD2)之间的关系是近似线性的，并且因此结温变化产生乘以因子K的相应变化。这种关系由以下给出：

ΔVD＝ΔTjd/K...................................................方程10a

其中：

ΔVD等于二极管正向电压变化

ΔTjd等于二极管结温(相应)变化

K是比例因子(K的单位是℃/mv并且值通常为0.4～0.8℃/mv)。对于我们的应用，可以把方程如以下简化

方程10a可写为：

ΔVD＝ΔTjd×K1...................................................方程10b

其中：K1＝1/K，并且通常为1.25～2.5mv/℃。

对于在本实例中假定的85℃的最大环境工作温度和25℃的环境温度，二极管结温变化由以下给出：

ΔTjd＝85-25＝60℃

假定对于K1的1.25mv/℃最小值，二极管正向电压变化由以下给出：

ΔVD＝75mv...................................................方程11a

因此，对于环境温度从25℃到85℃的变化，跨二极管D1和D2中的每一个的正向电压降变化为75mv，并且跨二极管D1和D2的串联组合的电压降总变化由以下给出：

ΔVD1+ΔVD＝150mv..........................................方程11b

如果把路径114从LED驱动模块110中断开，路径114上的电压(Vbe)由以下给出：

Vbe(没有LED驱动模块110时)＝(12×0.065)+0.7

＝1.48伏特............方程12

其中：

12欧姆是Re的电阻。

0.065(65mA，在先假定的正向工作电流)是流经Re的电流

0.7是晶体管140的基极至发射极接通(cut-in)电压。

用连接至路径114的LED驱动模块110，将方程12的Vbe减小了150mv(方程11b)并由以下给出：

Vbe(有LED驱动模块110时)＝1.48-0.15＝1.33V...方程13

因此，在85℃的工作温度，二极管D1和D2的连接有效地将Vbe从1.48V减少至1.33V。

因此，路径134(以及145，忽略晶体管140的基极电流)上的正向电流(1e)的相应值由以下给出：

1e＝(1.33-0.7)/12＝52.5mA..................方程14

其中：

1.33是在方程13中计算的Vbe的值。

0.7是晶体管140的基极至发射极接通电压

12欧姆是Re的电阻

LED200的结温变化的相应值因此由以下给出：

ΔTj＝Pd×Rj

＝0.052×2.1×325

＝35.5℃..............................方程15

其中：

Pd是功耗并等于0.052安培(Amperes)(在方程14中计算的52mA)乘以2.1V(跨LED200的正向电压降)，并且

Rj在方程4中给出。

因此，从方程15中，LED200的结温Tj由以下给出：

Tj＝Ta+ΔTj

＝85+35.35

＝120.5℃..............................方程16

从方程16中可以看出，LED200的结温Tj比设计规范允许的125℃的最大值要小。

因此，已经示出，跨二极管D1和D2的正向电压降变化有效地补偿了温度并帮助将LED200的结温维持在可接受的限度内。通过LED驱动模块110的二极管D1和D2的工作，LED210-230的结温将被类似地维持在可接受的限度内。

图3是对于环境/工作温度的各种值，包括流经LED阵列的正向电流的值的表格。列1列出了环境温度，与其相应的正向电流在列2中列出。可确定，对于列2中列出正向电流的各种值，相应的结温处于在这个实例中所需的可接受的限度内。

还需要对LED阵列130内的LED的光强水平进行控制。例如，在汽车中，“制动”表示一般比“尾”灯光强需要更高的光强。当提供上述温度补偿特征时，图1和2的LED驱动模块110可以采用特征以便于LED的光强控制(对于制动表示和尾灯操作)。因此，依据本发明的另一方面，说明书继续例示这种特征。

5.LED光强控制以提供制动和尾灯表示

图4是在本发明实施例中，LED驱动模块以及例示用来提供LED阵列不同光强水平的方法的相关联LED阵列的电路图。所示图包括LED阵列130、晶体管140、电阻器(Re)150和LED驱动模块110。

所示LED阵列130包括LED200、210、220和230，并且所示LED驱动模块110包括电阻器(R1)265、(R2)266、(R3)270、(R4)495和(R5)491、二极管(D1)280、(D2)281、(D3)410、(D4)450和(D5)440、电阻器齐纳(zener)二极管(Z1)481和(Z2)482，以及晶体管460。为便于描述，重复了图1的剩余元件。

电阻器R1、R2和二极管D1和D2形成分压网络，该分压网络接收路径290上的电压，并且在路径114上提供所期望的电压水平以从LED阵列130中获得相应的所期望的光强水平，如上所述。电阻R5和R4是限流电阻。如果在制动(101)和地(105)之间的电压是负的，二极管D5用来防止对齐纳二极管(Z2)的损坏。二极管D1和D2工作以提供路径134上的LED电流的温度补偿，如上所述，并且为了简明在此不重复说明。

表示“制动”操作和“尾灯ON”操作的电压被从外部分别提供在路径101和103上，并且通常由相同的源提供。二极管D3阻止路径101上提供的电压出现在路径103上。类似地，二极管D4阻止路径103上提供的电压出现在路径101上。因此，二极管D3和D4提供对电压源的保护，该电压源在路径101和103上分别提供相应的“制动”和“尾灯ON”电压。在路径112上用于给LED阵列130提供电流的电压等于在路径101和103上的较大电压减去由D4或D3引起的二极管压降。在图4的实施例的实例中，在路径101和103上的电压相等，并被选定为14V。

齐纳二极管Z1具有5.1伏特(V)的击穿电压。因此，当路径103上的电压大于5.1V加上由D3引起的二极管压降(通常为0.7V)时，Z1的工作将使路径290上有5.1V的电压。类似地，齐纳二极管Z2具有5.1伏特(V)的击穿电压。因此，当路径101上的电压大于5.1V加上由D5引起的二极管压降(通常为0.7V)时，Z2的工作将使路径291上有5.1V的电压。

所示晶体管460作为BJT(双极结型晶体管)，包括基极(控制)端子(连接至路径291)、发射极端子(连接至路径292)和集电极端子(连接至路径290)。发射极端子和集电极端子形成一对端子，在它们之间将存在电流通路。当路径101上的电压超过5.1V加上由D5引起的二极管压降(通常为0.7V)时，晶体管460处于ON状态，否则处于OFF状态。

图4电路的工作被描述以例示获得与施加制动(即，相应电压存在于路径101上)时对应的LED阵列130的一(高)光强水平，并获得与需要仅尾灯功能(即，相应电压存在于路径103上，并且电压不存在于路径101上)时对应的LED阵列130的第二(低)光强水平。

尾灯ON操作：

由于路径101上没有电压，晶体管460处于OFF状态。当所需要的电压值(表示尾灯ON状态)存在于路径103上(尾灯)，齐纳二极管Z1在电压击穿范围内工作，并且5.1V存在于路径290上。

R1、R3、D1和D2形成分压网络。因此，对于路径290上的5.1V电压，路径114上的电压值由以下给出：

Vbe＝[(5.1-0.78)×(33/33033)]+0.78伏特......方程17

其中：

Vbe是路径114上的电压。

5.1V是路径290上的电压。

33是电阻器R3的电阻值。

33000是电阻器R1的电阻值。

0.78伏特是由D1和D2中的每一个引起的二极管压降(假定为0.39V)的和。

由方程17，Vbe(用于尾灯ON)近似等于1.3V。

因此，发射极(路径145)电流的值和由此的LED电流(路径134)由以下给出：

LED电流＝(0.78-0.7)/12(近似)＝6.66mA......方程18。

因此，LED阵列130提供了与6.66mA对应的光强。

制动灯操作：

所需要的电压值(表示制动操作)被加在路径101上。因此，齐纳二极管Z2在电压击穿范围内工作，并且5.1V存在于路径291上，从而接通晶体管460。因此，电阻器R2连接在路径290上。这有效地使得电阻器R1和R2并联连接。由于R2(在此实例中所假定的)680欧姆的值远小于R1的值(33000欧姆)，R1和R2的有效并联电阻可以由R2的值近似，即680欧姆，并且可以从以下所给出的计算中去除电阻器R1的作用。

R2、R3、D1和D2形成分压网络。因此，对于路径291上的5.1V电压，路径114上的电压值由以下给出：

Vbe＝[(5.1-1.3)×(33/713)]+1.3伏特......方程19

其中：

Vbe是路径114上的电压。

5.1V是路径290上的电压。

33欧姆是电阻器R3的电阻值。

713欧姆是电阻R2(680欧姆)和R3(33欧姆)的和。

1.3V是电压降(假定由D1和D2中的每一个引起的为0.39V)加由BJT460的基极-发射极结引起的0.52V压降的和。

由方程19，Vbe(用于制动灯操作)近似等于1.48V。

LED电流＝(1.48-0.7)/12(近似)＝65mA......方程20。

因此，LED阵列130提供了与65mA对应的更大光强。

因此，已示出LED驱动模块110使得LED阵列130能够提供两种光强水平，用于尾灯操作的较低水平和用于制动操作的更高光强。

6.结论

尽管以上描述了本发明的各种实施例，应当理解，仅作为实例而非限制来呈现它们。因此，本发明的广度和范围不应受限于任意上述示范性实施例，而应当仅依据所附权利要求书和其等效物来限定。

Claims

1.一种灯，包括：

晶体管(140)，具有控制端子(114)，所述晶体管上通过了大小取决于在所述控制端子(114)上的电压的电流；

LED阵列(130)，耦合至所述晶体管(140)，并生成具有与所述电流的所述大小成比例的光强的光；和

驱动模块(110)，耦合至所述控制端子并生成当所述灯的工作温度等于第一值时具有第一水平并且当所述灯的所述工作温度等于第二值时具有第二水平的所述电压，其中所述第一值不等于所述第二值并且所述第一水平不等于所述第二水平。

2.如权利要求1所述的灯，其中所述第一值大于所述第二值，并且与由所述第二水平引起的大小相比所述第一水平引起更小的所述大小，由此随着工作温度上升，所述LED阵列(130)内的LED通过小的电流。

3.如权利要求2所述的灯，其中所述LED阵列(130)耦合至所述晶体管(140)以便相同大小的电流都流经所述晶体管(140)和所述LED阵列(130)。

4.如权利要求2所述的灯，其中所述驱动模块(110)包括：

至少一具有具有与所述工作温度负相关的压降的元件(280，281)，其中跨所述元件(280，281)得到所述电压。

5.如权利要求4所述的灯，其中至少一所述元件(280，281)包括二极管。

6.如权利要求4所述的灯，其中所述灯用于汽车，其中所述驱动模块接收表示制动被施加的第一信号和表示尾灯被点亮的第二信号，所述驱动模块(110)接收表示制动被施加的第一信号(101)和表示尾灯被点亮的第二信号(103)，所述驱动模块(110)接收所述第一信号(101)和所述第二信号(103)并生成当所述第一信号(101)表示所述制动被施加时具有第三电压水平并且当所述第二信号(103)表示所述尾灯被点亮时具有第四电压水平的所述电压。

7.如权利要求6所述的灯，其中所述驱动模块(110)包括：

第一电阻器(270)、第二电阻器(265)、第三电阻器(266)；

第一晶体管(460)，具有控制端子(291)和一对端子(290，292)，该一对端子(290，292)之间具有电流通道；

第一恒定电压基准(481)和第二恒定电压基准(482)；

其中所述第二电阻器(265)与所述第一晶体管(460)和所述第三电阻器(266)的组合在第一节点和第二节点之间并联连接，其中所述第一信号(101)和所述第二信号(103)中的每一个都耦合至所述第一节点；

其中所述第一恒定电压基准(481)的端子耦合至所述第一节点，所述第一恒定电压基准的另一端子耦合至恒定电压水平；

其中所述第二恒定电压基准(482)的端子耦合至所述第一晶体管(460)的所述控制端子(291)和所述第一信号(101)，所述第二恒定电压基准(482)的另一端子耦合至恒定电压水平；

其中所述第一晶体管(460)的所述一对端子中的一个(290)耦合至所述第一节点，并且所述第一晶体管(460)的所述一对端子中的另一个(292)耦合至所述第三电阻器(266)；

其中所述第一电阻器(270)耦合在所述第二节点和至少一所述元件(280，281)之间。

8.如权利要求7所述的灯，其中至少一所述元件(280，281)包括二极管并且所述第一恒定电压基准(481)包括齐纳二极管。