CN101523981A - 开关发光元件阵列及其操作方法 - Google Patents
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Abstract
一种开关发光元件阵列,包括第一、第二和第三发光元件以及第一和第二开关。第一发光元件包括第一端子和第二端子,第二发光元件包括第一端子、以及连接到第一发光元件的第二端子的第二端子。第三发光元件包括连接到第一发光元件的第一端子的第一端子、以及第二端子。第一开关包括连接到第一和第三发光元件的第一端子中每一个的第一端子、以及连接到第二发光元件的第一端子的第二端子。第二开关包括连接到第三发光元件的第二端子的第一端子、以及连接到第一和第二发光元件的第二端子中每一个的第二端子。
Description
技术领域
本发明总体涉及使用发光元件的装置,并更具体地涉及发光元件阵列、装置及其操作方法。
背景技术
发光元件诸如发光二极管(LED)被越来越多地用在各种应用中,一些实例例如是液晶显示器中的背光源、电荷耦合器件照相机的闪光、通用照明以及其他应用。在很多这些应用中,使用例如以阵列排列的不同颜色的LED以产生各种色点。LED阵列的操作条件与阵列的应用一样可以是多样的,这种操作条件要求例如低功率、高操作温度以及快的LED启动(activation)和停用(deactivation)时间。
典型地,每个LED阵列由驱动器电路供电,该驱动器电路根据希望的光效果而可以以多种不同驱动模式之一操作。LED驱动器电路可以以恒定电流模式被驱动,从而对LED阵列供应恒定电流以提供恒定强度的光。LED驱动器也可以以变化电流模式操作,从而对LED阵列供应变化电流以产生强度变化的光。LED驱动器还可以以脉宽调制(PWM)模式操作,从而对LED阵列供应使用的PWM电流波形,其中PWM波形的导通周期(on period)确定LED阵列启动的时间期间,并由此确定光输出以及LED阵列的色点。PWM模式可以用恒定电流模式或变化电流模式来实现,以提供这些属性中每一个的组合,即,恒定或变化的光强。
不幸的是,需要大量的电路部件来提供上述功能。例如,当希望恒定电流PWM操作模式时,典型地需要用于LED阵列的至少一个电流源以及用于阵列中的每个LED的一个开关。在希望变化电流操作模式的情况下,要求可操作以快速改变电流水平的复杂电流源。在希望变化电流PWM操作模式的情况下,通常要求复杂电流源以及阵列内每个LED的一个开关。
用于操作并控制LED阵列的较多的部件数通过多个方式降低了LED性能,各部件增加LED阵列的功耗并引起对减少LED的启动和停用时间起作用的寄生效应。此外,当LED阵列在高温应用中实施时,各部件会要求高温额定值(rating),而该性能会进一步增加每个所需部件的成本。对与多部件数LED驱动器相关联的问题的确认可以参见Ortiz的美国专利No.5736881,该专利公开了PWM LED驱动器和LED阵列结构,该结构中使用一个电流源来控制多个LED串。
发明内容
因此,希望提供一种发光元件阵列和操作方法,其可以提供对LED阵列内独立的发光元件的控制,并需要更少的电路部件。
本发明的该方面和其他方面可以根据本发明的独立权利要求来实现。
在本发明的一个实施例中,提出了一种发光元件阵列,其包括第一、第二和第三发光元件以及第一和第二开关。第一发光元件包括第一端子和第二端子。第二发光元件包括第一端子、以及连接到第一发光元件的第二端子的第二端子。第三发光元件包括连接到第一发光元件的第一端子的第一端子、以及第二端子。第一开关包括连接到第一和第三发光元件的第一端子中每一个的第一端子、以及连接到第二发光元件的第一端子的第二端子。第二开关包括连接到第三发光元件的第二端子的第一端子、以及连接到第一和第二发光元件的第二端子中每一个的第二端子。
在本发明的另一实施例中,提出了一种发光装置,其包括以上描述的发光元件阵列以及这里描述的电源和控制器。电源包括控制输入、以及被连接以向发光元件阵列供应电流的功率输出。控制器包括连接到电源的控制输入的第一输出、连接到发光元件阵列的第一开关的第二输出、以及连接到发光元件阵列的第二开关的第三输出,第一输出可操作以提供控制信号到电源从而设定电源的输出水平条件,第二输出可操作以提供控制信号从而控制第一开关的状态,第三输出可操作以提供控制信号从而控制第二开关的状态。
在本发明的又一实施例中,提出了一种操作发光元件阵列的方法,该发光元件阵列如以上及这里所述,该方法包括选择第一发光元件的处理过程,该操作包括控制所述第一和第二开关中的每一个到打开状态或闭合状态、以及供应电流到发光元件阵列。(i)当第一开关和第二开关中的每一个都处于打开状态时,供应的电流的至少一部分供应到第一发光元件;(ii)当第一开关处于闭合状态而第二开关处于打开状态时,供应的电流的至少一部分供应到第二发光元件;以及(iii)当第一开关处于打开状态而第二开关处于闭合状态时,供应的电流的至少一部分供应到第三发光元件。
可以看出,本发明的示范性实施例的要旨是实现具有不同操作电压点(即,对LED是正向电压)的发光元件,从而将开关的数目降低到开关与发光元件的1:1的比率以下,例如,为两个发光元件提供一个开关、为三个发光元件提供两个开关、或为四个发光元件提供两个开关。以此方式,可以减小发光元件阵列的部件数,并提供更快、更加功率有效、以及更低成本的发光装置。
以下描述发光元件阵列的示范性特征及细节,但是这些特征及细节也会应用到发光装置以及操作发光元件阵列的方法。在一个实施例中,第一发光元件的第一和第二端子连接到第一和第二电源干线。此外,第一、第二和第三发光元件的特征分别在于第一、第二和第三操作电压VOP1、VOP2、VOP3,相对关系定义为:当第一开关处于闭合状态而第二开关处于打开状态时,第二发光元件可操作以接收供应到电源干线的电流的至少一部分。所述关系进一步定义为:当第一开关处于打开状态而第二开关处于闭合状态时,第三发光元件适于接收供应到电源干线的电流的至少一部分。在特定实施例中,第一、第二和第三操作电压之间的关系被定义为VOP1>VOP2VOP3。操作电压的这种设置允许在各种发光元件之间进行选择。
在另一实施例中,发光元件阵列包括第四发光元件,其具有连接到第一开关的第二端子的第一端子、以及连接到第二开关的第一端子的第二端子,第四发光元件的特征在于第四操作电压VOP4,在该电压或其以上时第四发光元件可操作以发光。在具体实施方式中,当第一开关和第二开关都处于闭合状态时,第四发光元件适于接收供应到发光元件阵列的电流的至少一部分。更具体地,第一、第二、第三和第四操作电压(VOP1、VOP2、VOP3、VOP4)由以下公式定义:
VOP1>VOP2,VOP3>VOP4
在另一实施例中,第一、第二、第三或第四(当实施时)发光元件选自包括发光二极管、有机发光二极管、AC发光二极管、激光二极管或白炽灯的组。更进一步地,存储元件例如电容器可以可选地连接到第一、第二、第三或第四(当实施时)发光元件中的一个或多个。存储元件可以用于增加一个或多个发光元件的照明的持续时间,或者使得两个或更多发光元件能够同时照明。
在另一实施例中,第四发光元件(当实施时)包括至少一个发光二极管,并且进一步地,第一、第二和第三发光元件中的每一个都包括与包括在第四发光元件内的一样的至少一个额外的发光二极管,或者包括与包括在第四发光元件内的至少一个发光二极管相比不同的半导体材料。这种设置可以用于为第四发光元件提供较低的操作电压。
以下描述操作发光元件阵列的方法的示范性特征及细节,但是这些特征及细节也会应用到发光元件阵列以及发光装置。在另一实施例中,供应到第一、第二、第三和第四发光元件的电流是根据以下公式确定的平均电流:
其中Ii是可用于所选择的第i个发光元件的电流幅度,T是供应到第i个发光元件的电流的时间周期,ti是启动周期,在该启动周期期间,第一和第二开关中的每一个在其相应的状态,从而可操作以供应电流Ii到第i个发光元件。
上述方法的操作可以通过计算机程序来实现、即通过软件,或者通过使用一个或多个专用电子/优化电路来实现、即通过硬件,或者以混合/固件形式、即通过软件部件和硬件部件来实现。计算机程序可以实现为任何适当编程语言(例如VHDL、汇编、JAVA、C++)的计算机可读指令代码,并可以存储在计算机可读介质(可换式盘、易失性或非易失性存储器、嵌入式存储器/处理器等)上,该指令代码可运行以对计算机或其他这样的可编程装置进行编程从而实现希望的功能。计算机程序可以从诸如万维网的网络获得,该程序可以从网络上下载。
通过参照下述实施例,本发明的这些和其他方面将会被阐明并变得明显。
附图说明
图1示出根据本发明的发光元件阵列的示范性实施例。
图2A示出根据本发明的发光元件阵列的另一个示范性实施例。
图2B示出根据本发明的发光元件阵列的另一个示范性实施例。
图2C示出根据本发明的发光元件阵列的另一个示范性实施例。
图3示出根据本发明的用于操作图1所示的发光元件阵列的方法以及对应的状态表。
图4A示出根据本发明的用于操作图2A所示的发光元件阵列的方法以及对应的状态表。
图4B示出根据本发明的用于操作图2B所示的发光元件阵列的方法以及对应的状态表。
图5示出包括根据本发明的发光元件阵列的发光装置。
具体实施方式
图1示出根据本发明的发光元件阵列100的示范性实施例。阵列100包括具有第一端子110a和第二端子110b的第一发光元件(LEE)110、具有第一端子120a以及连接到第一LEE 110的第二端子110b的第二端子120b的第二LEE 120、以及具有连接到第一LEE 110的第一端子110a的第一端子130a以及连接到第二LEE 120的第一端子120a的第二端子130b的开关130。这里使用的术语“发光元件”或“LEE”指任何的发光元件、电路、装置或部件,诸如发光二极管(LED)、有机发光二极管(OLED)、AC LED、激光二极管、或任何其他照明元件,诸如白炽灯等。
开关130的第一端子和第一LEE 110的第一端子共同连接到第一电源干线172,并且第一和第二LEE的第二端子中的每一个连接到第二电源干线174。在以下进一步示出的本发明具体实施例中,电流Isupply通过电源干线供应到阵列100。
阵列100进一步可选地包括存储元件,该存储元件被连接以从电源干线接收能量并对LEE 110和120中的一个或多个供能。在示出的示范性实施例中,跨过第一LEE 110连接电容器160,电容器160和LEE 110的并联连接与去耦合(decoupling)元件162串联连接。该去耦合元件162可以实现为非发光二极管,例如具有低正向电压降的肖特基二极管。可替代地,可以使用发光元件。去耦合元件162的目的是在选择第二LEE 120期间防止电容器160放电。在开关130闭合的期间内,电容器160可以被操作以对第一LEE 110供能。在另一实施例中,存储元件160可以是与LEE 110和/或120串联连接的电感器。
在本发明的具体实施例中,第一和第二LEE 110和120基本可在不同偏置条件下操作,例如,不同的操作电压。具体地,第一LEE 110的特征是第一电压,在该第一电压或者其以上时第一LEE 110基本可操作以发光。类似地,第二LEE 120的特征是第二电压,在该第二电压或者其以上时LEE 120基本可操作以发光。第一和第二操作电压VOP1和VOP2之间的关系可以用于提供操作LEE 110和/或LEE 120的选择性。具体地,第一和第二操作电压VOP1和VOP2之间的关系可以限定为使得:当第一开关130处于闭合位置时,第二LEE 120适于通过电源干线172和174接收至少一些供应到阵列100的能量。在特定实施例中,第一操作电压VOP1高于第二操作电压VOP2。
在一个示范性实施例中,LEE 110和120是电路,其各自包括至少一个发光二极管。在这种实施例中,每个LEE 110和120都可以使用多个(即,2、3、5、10或更多)串联连接的二极管、并联连接的二极管、或者串联和并联连接的二极管的组合。此外,可以使用不同材料来制造发光二极管,例如,氮化镓、磷化镓或其他材料。
在本发明的一个实施例中,第一LEE 110的第一操作电压VOP1大于第二LEE 120的第二操作电压VOP2。该操作电压差别可以通过各种方法来实现。例如,在其中LEE 110和120是LED电路并且LEE 110表现出比LEE 120高的操作电压的实施例中,与第二LED电路120的发光二极管相比,第一LED电路110可以包括至少一个额外的串联连接的发光二极管。在另一实例中,可以使用不同的半导体材料和/或工艺来制造第一LED电路110内的发光二极管,从而使其与第二LED电路120内的发光二极管的正向电压相比具有更高的正向电压。在另一实例中,可以使用额外的电路部件(电阻分压器、二极管等)以对第一LED电路110提供比第二LED电路120更高的正向电压。本领域技术人员将会理解,可以使用各种技术来向第一LED电路110施加与第二LED电路120相比更高的正向电压。
图2A示出根据本发明的另一个示范性的发光元件阵列200a,先前描述的特征保持其附图标记。在本实施例中,阵列200a包括第三LEE210和第二开关230。
第三LEE包括第一和第二端子210a和210b,第一端子210a连接到包括第一LEE 110的第一端子110a及第一开关130的第一端子130a的公共节点。第二开关230包括连接到第三LEE 210的第二端子的第一端子230a、以及连接到第一和第二LEE 110和120的第二端子及第二电源干线174的第二端子230b。
第三LEE 210的特征是第三操作电压(VOP3),在该电压或其以上时该第三LEE 210基本可操作以发光。第一、第二和第三操作电压VOP1、VOP2和VOP3之间的关系可以用于提供操作LEE 110、120和210的选择性。具体地,第一、第二和第三操作电压VOP1、VOP2和VOP3之间的关系可以被限定为使得:当第一开关130处于闭合位置而第二开关230处于打开位置时,第二发光元件120适于通过电源干线172和174接收至少一些供应到阵列200a的能量;当第一开关130处于打开位置而第二开关230处于闭合位置时,第三发光元件210适于通过电源干线172和174接收至少一些供应到发光元件阵列200a的能量。
更具体地,第一、第二和第三操作电压之间的关系可以被限定为使得:在通过第一和第二开关的上述设置相应选择第二和第三LEE 120和210期间,第二和第三LEE 120和210可操作以接收供应到阵列的基本所有能量。
在上述操作电压关系的具体实施例中,对应于第一LEE 110的操作电压VOP1表现出最高的操作电压,从而得到如下关系:
VOP1>VOP2,VOP3
如上所述,第一和第二LEE的操作电压VOP1和VOP2可以选择为:当第一开关闭合而第二开关打开时,第二LEE 120接收至少一些电流(在此情况下的电源电流与第一LEE 110共享),而在特定实施例中,当例如VOP2<<VOP1时,第二LEE 120接收基本所有的电源电流Isupply。进一步示范,第一和第三操作电压VOP1和VOP3的关系可以设置为:当第一开关打开而第二开关闭合时,第三LEE 210接收至少一些供应的电流(可能与第一LEE 110共享电源电流),而在特定实施例中,当例如VOP3<<VOP1时,第三LEE 210接收基本所有的电源电流。
在上述实施例中,使用四种可能的开关状态中的三种。可以提供对阵列200a的控制以排除在第四种状态下操作,在该状态中第一和第二开关130和230都处于闭合状态。可替代地,可以可选地使用第四种开关状态,从而使得供应到第一、第二和第三LEE 110、120和210中每一个的电流由这些LEE的对应的操作电压来确定。例如,当三个操作电压基本相同时,三个LEE中的每一个可以接收基本相同份额(portion)的电流。进一步示范VOP1>>VOP2,VOP3的上述条件,第一LEE110将会接收最少的(如果有)电源电流,并且提供到第二和第三LEE120和210的电源电流的份额将会依赖于其各自的操作电压之间的关系。例如,如果VOP1>>VOP2≈VOP3,则第二和第三LEE 120和210中的每一个会接收基本相同份额的电源电流,而第一LEE 110接收很少(如果有)份额的电源电流。进一步示范,如果VOP1>>VOP2>VOp3,则第三LEE 210将会接收最大份额(可能是所有)的电源电流,第二LEE 120接收较少份额(可能没有)的电源电流,而第一LEE 110接收最小份额(可能没有)的电源电流。因此,通过以对应方式设置操作电压,特定量的电流可以供应到任意一个或多个LEE。
类似于图1的阵列100,阵列200a可以可选地包括一个或多个存储元件,连接该存储元件以从电源干线接收能量并对LEE 110、120和210中的一个或多个供能。在示出的示范性实施例中,跨过第一LEE 110连接电容器160,电容器160和LEE 110的并联连接与去耦合元件162串联连接。该去耦合元件162可以实现为非发光二极管,例如具有低正向电压降的肖特基二极管。可替代地,也可以使用发光元件。去耦合元件162的目的是在LEE 120或210的选定期间防止电容器160放电。在开关130和230之一或其两者闭合的期间内,电容器160可以被操作以对第一LEE 110供能。在另一实施例中,存储元件160可以是与LEE 110、120和/或210串联连接的电感器。
图2B示出根据本发明的发光元件阵列200b的另一个示范性实施例,先前标示的特征保持其附图标记。第一、第二和第三LEE 110、120和210以及开关130和230被连接并如上在图2A中被描述,并且第四LEE 220连接在第二开关130的第二端子和第二开关230的第一端子之间,第四LEE 220的特征是操作电压,在该操作电压或其以上时第四LEE 220基本可操作以发光。
在第四种开关状态中(其中第一和第二开关处于闭合位置)供应到第四LEE 220的电流将会依赖于其相对于其他三个操作电压VOP1、VOP2和VOP3的关系。继续前述的其中第一操作电压VOP1是最高的实例,VOP1>>VOP4,则在第四种开关状态下输送到第四LEE的电流将会依赖于VOP4相对于VOP2和VOP3的关系。例如,如果VOP1>>VOP2≈VOP3≈VOP4,则第二、第三和第四LEE 120、210和220中的每一个会接收基本相同份额的电源电流,而第一LEE 110即使接收也是很少份额的电源电流。也可以设置操作电压从而使第四LEE 220会接收如果不是所有的也是大部分的供应的电流,例如,当VOP1>>VOP2,VOP3>>VOP4时。以此方式,可以进行操作电压的设置,以使电源电流以希望的量路由(routing)到第一、第二、第三和第四LEE 110、120、210和220中的每一个。
本领域技术人员将会理解,LEE可以包括以上结合图2A描述的那些特征。例如,图2A中所示的一个或多个LEE 110、120、210和220中的任意一个可以连接到在一个实施例中提供的存储元件,如上所述和所示,该存储元件可为并联连接的电容器(并且伴随有去耦合元件162)。
具有第一、第二、第三和第四LEE 110、120、210和220的阵列200b可以通过省去第二、第三或者第四LEE 120、210或者220而修改成具有较少数目的LEE,例如三个LEE。在特定实施例中,省去第四LEE220,从而得到图2A所示的阵列200a。
图2C示出根据本发明的另一个示范性的发光元件阵列200c,其中先前标示的特征保持其附图标记。第一、第二和第三LEE 110、120和210以及开关130和230如以上在图2A中被连接并被描述,并且在第二开关130的第二端子和第二开关230的第一端子之间连接短路电路(short circuit)。该结构可以用于提供三个元件的阵列(例如图2A),其中第四种开关状态被用作阵列200的停用状态。
图3示出根据本发明的用于操作图1所示的发光元件阵列100的示范性方法以及对应的状态表350,并且缺少诸如并联连接的电容器160的能量存储元件。方法300包括设定电源电流Isupply的操作312,并且在314决定是否要对第二LEE 120供应电流以使其发光。在316,根据LEE 120是否要发光而将开关130的状态设定为打开或闭合状态;如果不要LEE 120接收电源电流则控制开关130到打开状态,或者如果要向LEE 120供应至少一些电流以发光则控制开关130到闭合状态。
在操作312中设定的电流Isupply可以提供恒定电流水平或者调制的、随时间变化的水平。如果阵列100要在第一LEE 110发光的状态“0”操作,则控制开关130到打开位置。电流Isupply会供应到第一LEE110,从而以其期望的强度发光。当开关130打开时,没有电流供应到第二LEE 120,并且因此其上不产生光。
如果阵列100要在其中第二LEE 120接收至少一些电流以发光的状态“1”操作,则控制开关到闭合位置。根据第一和第二LEE 110和120的操作电压,可以由LEE 110和120之一或这两者传导电流。在本发明的特定实施例中,LEE 110和LEE 120的操作电压限定为:使得LEE 120传导至少一部分电源电流Isupply。这种设置可以通过例如构造第二LEE 120以使其具有小于或等于第一LEE 110的操作电压的操作电压来实现。
在另一实施例中,执行操作312-316从而使得提供到阵列的基本所有的供应的电流Isupply都供应到第二LEE 120。可以例如使用构造第二LEE 120以使其具有基本较低的操作电压的上述技术和/或限制供应的电流Isupply的电压来实现这种设置,该限制电压充分高于第二LEE 120的操作电压并且充分低于第一LEE 110的操作电压。
也可以对开关130的周期性导通-截止序列(on-off sequence)来计算供应到LEE的平均电流。特别地,输送到LEE 110和LEE 120的电流I1和I2可以确定为:
其中:Ii是要供应到第i个LEE以实现该LEE的预期光水平的平均电流;
Ii是第i个LEE可用的电流的幅度;
T是供应到第i个LEE的电流的时间周期;
ti是周期T内的一部分时间,在此期间对第i个LEE供应电流I。
在图1的特定实施例中,用于状态“1”的t1是开关130保持在闭合状态的时间,从而得到供应到第二LEE 120以使其在期望的水平操作的平均电流。根据开关状态持续时间来提供电流平均值的这种方法在以下的图4A和4B中对于图2A和2B的阵列实施例而被进一步描述。
电流幅度Ii是在启动周期t1中可用于供应到选择的LEE的电流水平。在其中仅选择的LEE传导供应到阵列的电流的一个实施例中,电流幅度Ii将会代表提供到阵列100的Isupply的基本全部幅度。在其中未选择的LEE中的一个或多个传导电流的另一实施例中,电源电流Isupply将被划分,从而导致小于Isupply的电流可用于被选择的LEE传导。因此,前述等式中的电流幅度Ii代表当LEE被阵列开关选择时可用于该LEE的电流幅度。本领域技术人员将会理解,对于未被选择时接收能量的LEE,平均电流是在被选择和未被选择的时间期间内接收的所有电流的总和。
可替代地,电流Isupply本身可以是变化的电流,例如脉冲宽度调制(PWM)波形,以对期望的LEE 110或120提供特定量的电流,开关130可操作以选择电流被供应到LEE 110或120中的哪一个。例如,当开关130处于打开状态时,电流可以仅供应到第一LEE 110。当开关130处于闭合状态时,电流可以供应到第一和第二LEE 110和120这两者。
如果LEE 110和120都要被停用,则中断供应LED阵列100的电流。这可以通过在操作312中将电流设定为零来完成。在此状态下,LEE 110和LEE 120不发光。在可替代的实施例中,第二LED电路120可以用短路电路替代,从而选择状态“1”以不为LED阵列100提供光输出。本领域技术人员将会理解,操作312、314和316可以按任何顺序执行,以及/或者操作中的一个或多个也可以同时进行。
状态表350示出根据本发明的一个具体实施例的选择状态、开关状态以及选择的LEE,其中操作电压被设置为:如果开关130处于闭合状态则LEE 120传送被输送到电源干线的基本所有电流,并且其中不使用存储元件160。如所示的,在状态“0”,开关130处于打开位置并且第一LEE 110被选择以接收电流,所述电流在一个实施例中是电源电流Isupply。在状态“1”,开关130处于闭合位置,并且在示出的特定实施例中LEE 120被选择以接收电流,其在示范性实施例中代表基本所有的电源电流Isupply。如上所述,操作电压VOP1和VOP2可以提供为:LEE 110和LEE 120提供特定的导通/截止分布(profile),状态1的所示实施例代表前述情况,其中VOP2显著低于VOP1并且/或者供应的电流Isupply使电压受限为充分高于VOP2并充分低于VOP1。可替代地,例如通过为第一和第二LEE 110和120提供相似的操作电压VOP1和VOP2,可以改变电压操作点以允许在状态1下的LEE 110和LEE 120这两者的同时选择/发光。
图4A示出根据本发明的用于操作图2A所示的发光元件阵列200a的方法410以及对应的状态表420。在411开始,设定要施加到发光元件阵列的电流Isupply的水平。在412,确定要选择LEE 110、120和210中的哪一个。如果要选择LEE 110发光,则过程进行到413,从而控制开关130和230两者到打开状态(或者如果目前为打开状态则保持打开状态)。电流被输送到第一LEE 110,其开始以期望的光水平发光。
如果阵列200a要在第三LEE 210发光的状态“01”下操作,则过程进行到414,从而控制第一开关130到打开状态并且控制第二开关230到闭合状态。电流被输送到第三LEE 210,其开始以期望的光水平发光。
如果阵列200a要在第二LEE 120发光的状态“10”下操作,则过程进行到415,从而控制第一开关130到闭合状态并且控制第二开关230到打开状态。电流被输送到第二LEE 120,其开始以期望的光水平发光。
电源电流Isupply可以被提供为恒定电流或调制电流。在后者的实例中,电源电流Isupply可以是脉冲宽度调制(PWM)波形的形式,其可操作以提供特定量的电流到希望的LEE 110、120、210,从而开关130和230可操作以选择电流要供应到LEE 110、120、210中的哪一个。LEE 110、120、210的操作电压被限定为:使得LEE之间的选择可以通过设定前述开关状态来完成。
在另一个示范性实施例中,电流作为以上图3中描述的平均电流而提供到其相应的LEE。特别地,供应电流到第一发光元件110的操作413包括供应平均电流到第一发光元件110的操作:
其中I1是可用于第一LEE 110的电流幅度,T是供应给第一LEE 110的电流的时间周期,而t1是时间周期T内的启动周期,在该启动周期期间,第一和第二开关130和230中的每一个都处于打开状态以对第一LEE 110供应电流I1。例如,当未被选择的LEE中的一个或多个传导电流时,电流幅度I1可以(但并非必然)与电源电流Isupply的幅度不同。因此,前述等式中的电流幅度I1代表通过阵列开关选择第一LEE 110时可用于第一LEE 110的电流。
类似地,供应电流到第二LEE 120的操作414可以包括供应平均电流到第二发光元件120的操作:
其中I2是可用于第二LEE 120的电流幅度,T是供应到第二LEE 120的电流的时间周期,而t2是时间周期T内的启动周期,在该启动周期期间,第一开关130处于闭合状态且第二开关230处于打开状态以对第二LEE 120供应电流I2。
类似地,供应电流到第三LEE 210的操作415可以包括供应平均电流到第三发光元件210的操作:
其中I3是可用于第三LEE 210的电流幅度,T是供应给第三LEE 210的电流的时间周期,而t3是时间周期T内的启动周期,在该启动周期期间,第一开关130处于打开状态且第二开关230处于闭合状态以对第三LEE 210供应电流I3。
状态表420示出根据本发明的一个具体实施例的选择状态、开关状态以及选择的LEE,其中对LEE 110、LEE 120或LEE 210供应电流,并且其中不使用存储元件160。如所示的,在状态“00”下,开关130和230在打开位置并且第一LEE 110被连接以接收电流。在状态“01”下,第一开关130处于打开位置而第二开关230处于闭合位置,从而第三LEE 210接收电流以在其希望的光水平操作。在状态“10”下,第一开关130处于闭合位置而第二开关230处于打开位置,从而第二LEE 120接收电流以在其希望的光水平操作。
如上所述,操作电压VOP1、VOP2和VOP3可以提供为使得:LEE 110、LEE 120和LEE 210提供特定的导通/截止分布。在前述的其中状态“01”使得基本所有的电源电流Isupply都供应到第三LEE 210的实施例中,VOP3显著低于VOP1并且/或者供应的电流Isupply使电压受限为充分高于VOP3并充分低于VOP1。类似地,在其中状态“10”使得基本所有的电源电流Isupply都供应到第二LEE 120的实施例中,VOP2显著低于VOP1并且/或者供应的电流Isupply使电压受限为充分高于VOP2并充分低于VOP1。
可替代地,可以改变电压操作点VOP1、VOP2和VOP3以允许LEE 110和LEE 120或者LEE 110和LEE 210的同时操作/发光。例如,在状态“01”下的操作期间,第一和第三LEE 110和210都可以被供应电流,例如,如果第一和第三LEE 110和210对应的操作电压VOP1和VOP3相似则供应的电流呈大体相同的比例,或者供应的电流呈对应于第一和第三LEE110和210的操作电压之间的关系而确定的另一比例。类似地,在状态“10”下的操作期间,第一和第二LEE 110和120都可以被供应电流,例如,如果第一和第二LEE 110和120对应的操作电压VOP1和VOP2相似则供应的电流呈大体相同的比例,或者供应的电流呈对应于第一和第二LEE 110和120的操作电压之间的关系而确定的另一比例。
如上所述,可以通过阵列控制器(未示出)来排除阵列在第四种可能状态下的操作,在该状态下第一和第二开关130和230都处于闭合状态。在又一实施例中,如果阵列在第四种开关状态下操作,则可以中断到阵列的电流供应Isupply。
进一步示范,可以使用第四种开关状态,从而使得供应到第一、第二和第三LEE 110、120和210的每一个的电流由LEE的相应的操作电压确定。例如,当三个操作电压基本相同时,三个LEE中的每一个可以接收基本相同份额的电流。作为前述条件VOP1>>VOP2,VOP3的示范,第一LEE 110将会接收最少的(如果有)电源电流,并且提供到第二和第三LEE 120和210的电源电流的份额将会依赖于其各自的操作电压之间的关系。例如,如果VOP1>>VOP2≈VOP3,则第二和第三LEE 120和210中的每一个会接收基本相同份额的电源电流,而第一LEE 110如果接收也是接收很少份额的电源电流。进一步示范,如果VOP1>>VOP2>VOP3,则第三LEE 210将会接收最大份额(可能是所有的)的电源电流,第二LEE 120接收较少份额(可能没有)的电源电流,而第一LEE110接收最小份额(可能没有)的电源电流。因此,通过以对应方式设置操作电压,特定量的电流可以供应到任意一个或多个LEE。
图4B示出根据本发明的用于操作图2B所示的具有第四LEE 220的发光元件阵列200b的方法430以及对应的状态表450,先前标示的特征保持其附图标记。如方法图430所示,供应电流到第一、第二和第三LEE 110、120和210的前述操作可以如以上所述那样提供。在本实施例中,操作方法包括在432的进一步操作,从而如果要选择第四LEE 220,则选择第四种状态“11”,其中第一和第二开关130和230被设置在闭合状态。电流被输送到第四LEE 220,其开始以预期的水平发光。
供应电流到第四LEE 220的操作442可以包括供应平均电流到第四发光元件220的操作:
其中I4是可用于第四LEE 220的电流幅度,T是供应给第四LEE 220的电流的时间周期,而t4是时间周期T内的启动周期,在该启动周期期间,第一和第二开关130和230都处于闭合状态以对第四LEE 220供应电流I4。
如前面描述的,在图2B所示的阵列的第四种开关状态中供应到第四LEE 220的电流将会依赖于其相对于其他三个操作电压VOP1、VOP2和VOP3的关系。参考前述的其中第一操作电压VOP1是最高的实例,VOP1>>VOP4,则在第四种开关状态下输送到第四LEE的电流将会依赖于VOP4相对于VOP2和VOP3的关系。例如,如果VOP1>>VOP2≈VOP3≈VOP4,则第二、第三和第四LEE 120、210和220中的每一个会接收基本相同份额的电源电流,而第一LEE 110如果接收也是接收很少份额的电源电流。也可以设置操作电压,使得例如当VOP1>>VOP2,VOP3>>VOP4时,第四LEE 220会接收大部分(如果不是所有的)供应的电流。以此方式,当阵列在第四种开关状态下操作时,可以进行操作电压的设置以使基本所有的电源电流Isupply路由到第四LEE220。
图5示出根据本发明的包括图1、2A、2B或2C所示的发光元件阵列100或200a、200b、200c的发光装置500,先前描述的特征保持其附图标记。图5示出实施图2B的阵列200b,但是本领域技术人员将会理解,在发光装置500中可以可替代地分别使用图1所示的阵列100、或者图2A和图2C所示的阵列200a或200c。
除了阵列200b,发光装置500还包括电源510。电源510包括功率输入510a、控制输入510b以及(直接或通过开关)连接到阵列200b的电流输出510c。功率输入510a可操作以接收要供应到阵列200b的(调整或未调整的)功率。控制输入510b可操作以设定输出水平条件,这将在下面描述。电流输出510c可操作以供应电源电流Isupply到阵列200。在具体实施例中,电源510可操作为恒定电流源,从而输送的电源电流Isupply基本独立于负载条件。
LED装置500还包括控制器520,控制器520可操作以提供控制信号到电源510以及第一和第二开关130和230。控制器520包括连接到电源510的控制输入510a的第一输出520a,以及连接到开关130的第二输出520b。第一输出520a可操作以提供控制信号522到电源从而设定电源的输出水平条件。第二输出520b可操作以提供控制信号524从而控制第一开关130的状态。在实施图2B的阵列200b的图示实施例中,控制器520还包括连接到第二开关230的第三输出520c,第三输出520c可操作以提供控制信号526从而控制第二开关230的状态。控制器包括输入端口520d,输入端口520d可操作以接收来自微处理器或其他系统的指令。可替代地,控制器520本身可以被加载程序,该程序可操作以执行这里描述的操作。
本领域技术人员将会理解,可以控制电流/电源510以提供各种不同的输出信号从而选择和/或停用LEE 110、120、210和220。例如,为了获得LEE电路的恒定照明,可以使控制器520可操作以提供控制信号522,该控制信号522指示电源510输出对应于要照明的LEE电路的水平的恒定电流,根据上述表350或450,控制器520还提供控制信号524和526以设定开关130和230从而连接恒定电流到希望的LEE。以类似方式,可以控制电源510以改变输出电流Isupply的水平从而实现LEE的强度或亮度的改变。
在另一实施例中,供应到LEE110、120、210和220中每一个的电流是上面的图3、4A和4B中描述的平均电流Ii的形式。在这种实施例的一个实例中,时间周期T是10ms,而启动时间t1、t2、t3和t4分别是5ms、2ms、2ms和1ms。假设可用于选定的LEE的电流Ii与电源电流Isupply之间没有明显区别(即,不发生未被选择的LEE的明显导通),这种设置使得第一、第二、第三和第四LEE的平均电流I1、2、3、4为电源电流水平Isupply的50%、20%、20%和10%。本领域技术人员将会理解,根据要供应到特定LEE的期望的电流量,可以获得不同的电流比率。例如,时间周期T可以选择为:进一步避免人们感觉到闪烁,在此情况下可以选择较短的时间周期(例如2.5ms)。此外,还可以相应地改变启动时间ti以维持电流水平Isupply的百分比。
还要注意,电源电流水平Isupply可以设置在恒定水平,或者可替代地在变化的水平。将不同状态组合以选择可能改变电源电流水平的LEE,允许在控制LEE时两个基本独立的自由度。
在另一个示范性实施例中,阵列200b使用跨过LEE电路110、120、210和220中一个或多个而连接的(一个或多个)分路电容器(图5中示出有分路电容器160的LEE电路120,但是数个或者所有的LEE都可以使用分路电容器),阵列200b操作以提供平均电流Ii到其对应的LEE110、120、210和220,比如在以上实例中,其中在10ms的时间周期T中,分别以5ms、2ms、2ms和1ms提供平均电流I1、2、3、4。为LEE中的一个或多个提供并联连接的电容器可以用于在一段时间中提供特定LEE电路的连续照明或者允许两个或更多个LEE的同时照明,后一种状况例如出现于以下情况中:当先前未启动的LEE切换到接收其对应的Ii、并且第二LEE从电源断开时,第二LEE的分路电容器提供电流以驱动其LEE继续操作。
电容器160的尺寸(每一个电容器160可以相同或不同)基于多个因素,包括电流Ii的时间周期T、输送到连接的LEE的电流Ii内的纹波的可接受幅度、以及“截止状态操作”的持续时间,“截止状态操作”指在开关130和230切断LEE的电源之后所连接的电容器160存储的电荷操作对应的LEE的状况。如将会被理解的,当电流Ii包括较短的时间周期时、和/或当截止状态启动时间较短时、和/或当希望或可接受Ii中的纹波的较大幅度时,可以使用较小的电容器。当电流Ii提供较长的时间周期T时、和/或当寻求较长的截止状态启动时间时、和/或当希望或要求Ii中较小的纹波幅度时,可以使用较大的电容。
可能影响(一个或多个)电容器160的尺寸选择的另一因素是在选择或停用使用分路电容器160的LED电路时可接受的延迟。特别地,电容器160的尺寸可以抑制先前未启动的LED电路多快能达到其操作电压条件VOP、或者先前启动的LEE多快能被停用。在这样的情况下,供应的平均电流Ii的未启动和启动状态之间的上升和下降时间转变可能恶化到超过可接受的极限,从而引起某些情况下的错误发光(LED电路的延迟停用)、和/或其他情况下的光遗漏(LEE的延迟选择)。
用于最小化(一个或多个)分路电容器160对其连接的LEE具有的延迟选择/停用效应的一种示范性手段是提供间歇补偿效应以加速上升和下降时间转变。例如,之前未启动的LEE到启动状态的上升时间转变可以通过下述方式加速:以短的时间期间提供较高的电流水平到LEE,从而与如果预期的电流水平Ii在启动特定LEE电路的时间t内恒定施加的情况相比,较快地为其分路电容器160充电并较快实现正向电压。由于某些LEE的某些电压-电流特性,例如,对于可用作发光元件的LED,在较低的正向电压时正向电流可能下降。通过输送能量到LED而使电容器放电可能引起其中LED仅产生很少的但可察觉的光的长的时间期间。连接具有适当特性的额外负载(例如电阻器或者电阻器与齐纳二极管的串联连接)可以被用来加速二极管的最终截止状态。另外,控制器520可以按某种方式编程,从而补偿来自使用分路电容器的LED的丢失的或额外的光输出,并可以相对于时间平均的光输出来对此进行补偿。
总之,可以看出,作为本发明的一个方面,使用具有不同操作电压点(即导通电压)的LEE电路从而将开关的数目降低到开关与发光元件的1∶1的比率以下,例如,为两个发光元件提供一个开关、为三个发光元件提供两个开关、或为四个发光元件提供两个开关。以此方式,可以减小发光元件阵列的部件数,并提供更快、更加功率有效、以及更低成本的发光装置。
如本领域技术人员易于理解的,当适合时,所描述的处理过程可以由硬件、软件、固件或这些实现方式的组合来实现。另外,一些或所有的所描述的操作过程可以实现为驻留在计算机可读介质(可换式盘、易失性或非易失性存储器、嵌入式处理器等)上的计算机可读指令代码,该指令代码可操作以对计算机或其他这样的可编程装置进行编程从而实现希望的功能。
应当注意,术语“包括”并不排除其他特征,并且不定冠词“一”或“一个”并不排除复数,除非另有说明。还应当注意,与不同实施例相联系而描述的元件可以组合。还应当注意,权利要求中的附图标记不应当被解释为限制权利要求的范围。术语“连接”用于表示两个部件之间的直接连接,或者两个部件之间通过居间结构的间接连接。流程图中所示的操作并不限于示出的特定顺序,而是根据本发明,编号在后的操作可以与编号在前的操作同时或在其之前执行。
以上的描述是出于说明和描述的目的。其并不是穷举性的或者将本发明限制到所公开的精确形式,并且显然可以存在根据所公开的教导的很多修改和改变。选择所述实施例是为了最好地解释本发明的原理及其实际应用,从而使本领域技术人员能够最好地以适合其构思的特定使用的各种实施例及各种修改来最好地利用本发明。本发明的范围仅由所附权利要求限定。
Claims (20)
1.一种发光元件阵列(200a,200b,200c),包括:
第一发光元件(110),具有第一端子和第二端子;
第二发光元件(120),具有第一端子、以及连接到所述第一发光元件(110)的第二端子的第二端子;
第三发光元件(210),具有连接到所述第一发光元件(110)的第一端子的第一端子、以及第二端子;
第一开关(130),具有连接到所述第一和第三发光元件(110,210)的第一端子中每一个的第一端子、以及连接到所述第二发光元件(120)的第一端子的第二端子;以及
第二开关(230),具有连接到所述第三发光元件(210)的第二端子的第一端子、以及连接到所述第一和第二发光元件(110,120)的第二端子中每一个的第二端子。
2.如权利要求1所述的发光元件阵列(200a,200b,200c),
其中所述第一发光元件(110)的第一端子连接到第一电源干线(172),而所述第一发光元件(110)的第二端子连接到第二电源干线(174),并且
其中所述第一、第二和第三发光元件(110,120,210)的特征分别是第一、第二和第三操作电压(VOP1,VOP2,VOP3),其中:
当所述第一开关(130)处于闭合状态而所述第二开关处于打开状态时,所述第二发光元件(120)适于接收供应到所述第一或第二电源干线(172,174)的电流的至少一部分;并且
当所述第一开关(130)处于打开状态而所述第二开关处于闭合状态时,所述第三发光元件(210)适于接收供应到所述发光元件阵列(200a,200b,200c)的电流的至少一部分。
3.如权利要求1-2中任一项所述的发光元件阵列(200a,200b,200c),其中所述第一、第二和第三发光元件(110,120,210)的特征分别是第一、第二和第三操作电压(VOP1,VOP2,VOP3),其相对关系由以下公式定义:
VOP1>VOP2,VOP3
4.如权利要求1-3中任一项所述的发光元件阵列(200a,200b,200c),其中所述第一、第二和第三发光元件(110,120,210)中的每一个选自包括发光二极管、有机发光二极管、AC发光二极管、激光二极管或白炽灯的组。
5.如权利要求1-4中任一项所述的发光元件阵列(200a,200b,200c),还包括存储元件,所述存储元件连接到所述第一、第二或第三发光元件(110,120,210)中的一个或多个。
6.如权利要求5所述的发光元件阵列(200a,200b,200c),其中所述存储元件包括电容(160),所述电容(160)与所述第一、第二或第三发光元件(110,120,210)中的一个或多个并联连接。
7.如权利要求1-6中任一项所述的发光元件阵列(200b),还包括第四发光元件(220),其具有连接到所述第一开关(130)的第二端子的第一端子、以及连接到所述第二开关(230)的第一端子的第二端子,所述第四发光元件(220)的特征在于第四操作电压(VOP4),在该第四操作电压或其以上时所述第四发光元件(220b)可操作以发光
8.如权利要求7所述的发光元件阵列(200b),
其中所述第一发光元件(110)的第一端子连接到第一电源干线(172),并且所述第一发光元件(110)的第二端子连接到第二电源干线(174),并且
其中当所述第一和第二开关(130,230)每一个都处于闭合状态时,所述第四发光元件(220)适于接收供应到所述发光元件阵列(200b)的电流的至少一部分。
9.如权利要求7或8之一所述的发光元件阵列(200b),
其中所述第一、第二、第三和第四发光元件(110,120,210,220)的特征分别是第一、第二、第三和第四操作电压(VOP1,VOP2,VOP3,VOP4),其相对关系由以下公式定义:
VOP1>VOP2,VOP3>VOP4
10.如权利要求7-9中任一项所述的发光元件阵列(200b),还包括存储元件,所述存储元件连接到所述第四发光元件(220)。
11.如权利要求10所述的发光元件阵列(200b),其中所述存储元件包括电容(160),所述电容(160)与所述第四发光元件(220)并联连接。
12.如权利要求1所述的发光元件阵列(200c),还包括短路电路,所述短路电路连接在所述第一开关(130)的第二端子和所述第二开关(230)的第一端子之间。
13.一种发光装置(500),包括:
如权利要求1-10中任一项所述的发光元件阵列(200a,200b,200c);
电源(510),具有控制输入(510b)、以及被连接以对所述发光元件阵列(200a,200b,200c)供应电流的功率输出(510c);以及
控制器(520),具有连接到所述电源(510)的控制输入(510b)的第一输出(520a)、连接到所述发光元件阵列(200a,200b,200c)的第一开关(130)的第二输出(520b)、以及连接到所述发光元件阵列(200)的第二开关(230)的第三输出(520c),所述第一输出(520a)可操作以提供控制信号(522)到所述电源(510)从而设定所述电源(510)的输出水平条件,所述第二输出(520b)可操作以提供控制信号(524)从而控制所述第一开关(130)的状态,所述第三输出(520c)可操作以提供控制信号(526)从而控制所述第二开关(230)的状态。
14.一种用于操作发光元件阵列(200a,200b,200c)的方法,所述发光元件阵列(200a,200b,200c)包括:第一发光元件(110),具有连接到第一电源干线(172)的第一端子以及连接到第二电源干线(174)的第二端子;第二发光元件(120),具有第一端子以及连接到所述第一发光元件(110)的第二端子的第二端子;第三发光元件(210),具有连接到所述第一发光元件(110)的第一端子的第一端子以及第二端子;第一开关(130),具有连接到所述第一和第三发光元件(110,210)的第一端子中每一个的第一端子、以及连接到所述第二发光元件(120)的第一端子的第二端子;以及第二开关(230),具有连接到所述第三发光元件(210)的第二端子的第一端子、以及连接到所述第一和第二发光元件(110,120)的第二端子中每一个的第二端子,所述方法包括:
控制所述第一和第二开关(130,230)中的每一个到打开状态或闭合状态,并且
供应电流到所述发光元件阵列(200a,200b,200c)的第一或第二电源干线(172,174),
其中当所述第一和第二开关(130,230)中的每一个处于打开状态时,供应的电流的至少一部分被供应到所述第一发光元件(110),
其中当所述第一开关(130)处于闭合状态而所述第二开关(230)处于打开状态时,供应的电流的至少一部分被供应到所述第二发光元件(120),以及
其中当所述第一开关(130)处于打开状态而所述第二开关(230)处于闭合状态时,供应的电流的至少一部分被供应到所述第三发光元件(210)。
15.如权利要求14所述的方法,
其中供应到所述第一发光元件(110)的电流包括平均电流:
其中I1是供应到所述第一发光元件(110)的电流的幅度,T是供应到所述第一发光元件(110)的电流的时间周期,t1是启动周期,在该启动周期期间,所述第一和第二开关(130,230)中的每一个处于打开状态以供应电流I1到所述第一发光元件(110)。
16.如权利要求14所述的方法,
其中供应到所述第二发光元件(120)的电流包括平均电流:
其中I2是供应到所述第二发光元件(120)的电流的幅度,T是供应到所述第二发光元件(120)的电流的时间周期,t2是启动周期,在该启动周期期间,所述第一开关(130)处于闭合状态而所述第二开关(230)处于打开状态以供应电流I2到所述第二发光元件(120)。
17.如权利要求14所述的方法,
其中供应到所述第三发光元件(210)的电流包括平均电流:
其中I3是供应到所述第三发光元件(210)的电流的幅度,T是供应到所述第三发光元件(210)的电流的时间周期,t3是启动周期,在该启动周期期间,所述第一开关(130)处于打开状态而所述第二开关(230)处于闭合状态以供应电流I3到所述第三发光元件(210)。
18.如权利要求14-17中任一项所述的方法,其中所述发光元件阵列(200b)还包括第四发光元件(220),所述第四发光元件(220)具有连接到所述第一开关(130)的第二端子的第一端子、以及连接到所述第二开关(230)的第一端子的第二端子,其中控制包括:控制所述第一和第二开关(130,230)中的每一个到闭合状态,其中供应的电流的至少一部分被供应到所述第四发光元件(220)。
19.如权利要求18所述的方法,
其中供应到所述第四发光元件(220)的电流包括平均电流:
其中I4是供应到所述第四发光元件(220)的电流的幅度,T是供应到所述第四发光元件(220)的电流的时间周期,t4是启动周期,在该启动周期期间,所述第一和第二开关(130,230)处于闭合状态以供应电流I4到所述第四发光元件(220)。
20.一种计算机程序产品,其驻留在计算机可读介质上,用于提供指令代码以执行权利要求14-19中任一项所述的操作。
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