CN102196627A - 包含有由多个短串连成长串的led灯串电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种LED灯串电路，它包括：整流器、集成电路、和依序串接的LED灯串。LED灯串电路接入交流电源，以便经过整流的电压加载在LED灯串上。集成电路包括多个驱动开关，每个驱动开关能使LED灯串中的相应的LED短串被短路。当LED灯串上加载的电压增加时，集成电路控制驱动开关使有电流流过的LED灯数目相应增加，而当LED灯串上加载的电压减少时，集成电路控制驱动开关使有电流流过的LED灯数目相应减少。通过对LED灯串电流的控制，可实现对电路效率、可靠性、反闪烁感、电压振动、功率因子、过压、过流、过热等的较佳控制。

Description

包含有由多个短串连成长串的LED灯串电路
技术领域
本发明涉及一种发光二极管(LED)光源、控制和保护电路；特别涉及一种由交流电流驱动的LED光源、控制和保护电流。
背景技术
发光二极管灯串(即LEDs)逐步成为了常用的发光源，举一个例子，如由交流供电的被称之为白色LEDs的短串。交流LED有时专指某些电路。如专利号为：5,495,147、6,830,358、7,045,965、7,138,770、7,264,381和7,344,275的各美国专利文献中涉及到的交流LED电路，这些交流LED电路包含有平行反串型LED灯串。再如在专利号为5,463,280和7,276,85的美国专利文献中，涉及一种桥式整流LED灯串，还有在申请号为2007/0008721的美国专利文献中公开了一种各交流LED灯并联连接形成的灯串网，该灯串网可采用多方式形成。
图1是现有交流LED灯串电路示意图，该交流LED灯串电路既没有交直流转换器也没有整流器。虽然电路也可接入直流电压，但在输入端1和2之间通常还是接入交流电源，例如，接入110V的交流电压。如果输入端1的电位高于输入端2的电位，电流就由输入端1经限流电阻3、节点4、第一串串连的LED灯串5、节点6和限流电阻7，流入输入端2；而如果输入端1的电位低于输入端2的电位，电流的流向就反向，既由输入端2依次经过限流电阻7、节点6、第二串串连的LED灯串8、节点4后，流入输入端1。
图2是现有另一种交流LED电路示意图。电路中采用了全波整流器9，在输入端10和11之间接入交流或直流电源，例如为110V交流电压，在交流电压的任意半周内两个LED灯串12和13都会发光，但此电路需要额外增设全波整流器9。和图1所示的电路一样，此电路也设有限流电阻14和15来限制电流。
图1和图2所示的交流LED电路在应用时，为保证电路的稳定性，需要对电路进行控制，使输入的交流电源和LED灯串上的电压降能够匹配，同时电路中也可能需要增设图中所示的限流电阻，以便当输入电压或者LED灯串两端的电压降变化时限制电路电流。设置限流电阻的弊端在于会有功率损耗，导致LED灯串电路的效率较低，而且会发热严重。
在图2所示的电路，接入110V交流电压，如果限流电阻为625欧姆，110V电压在LED灯串上产生40毫安的电流，这样LED灯串输出4瓦功率，限流电阻消耗1瓦的功率，电路总计会有26％的功率损失。如果电路工作在220V电压、20毫安电流情形下，限流电阻为2.5千欧姆，结果，LED灯串的功率也为4瓦，限流电阻的功率也是1瓦，电路总计也有26％的功率损失。由于限流电阻上的RMS电压降近似为交流RMS电压的26％，如果接入的交流电压增加10％，会导致LED灯串电流增加近40％(即10％/26％)，进而会导致限流电阻的功率消耗增加70％以上，使电路发热增加，功率损失增加近50％。同样，如果交流电压减少10％，可以看到LED灯串电路的电流下降36％。
为了避免限流电阻上的功率损失，一种连接有电容的交流LEDs灯串电路被提出。如在专利号为6,972,528和7,489,086的美国专利文献中，公开了在平行反串型LED灯串电路中采用了用作高频退耦的电容。这个电路的一个弊端就在于需要高精度的电容，另一个弊端在于电路要依赖电压变化率(即dV/dt)的稳定性，而且此电路一般也不能兼容可控硅调光器件。虽然这种电路能由高频交流电压源控制器所驱动，但如此又需要有用作高频驱动器的复杂电路。
在专利号为6,577,072的美国专利文献中，阐述了另一种实施方式，即采用包含开关的非单片集成电路，其开关和并接有储能电容的LED灯串相连。当输入电压低于某一水平时，开关闭合，以便LED灯串由电容供电。由于放电后的电容需要通过开关进行再充电，因此这个电路也不是无功率损耗的。而且，LED灯串的光输出也不能随输入电压的变化而调节。
发明内容
一交流LED灯串电路包括：整流器、集成电路和连续串接的LED构成的灯串。这个电路接入交流电源，通过整流后提供给LED灯串。所述集成电路包含多个驱动开关，每个驱动开关的连接方式使得各自能独立地且有选择性地短路多串LED短串中相应的一串，多串LED短串都是LED灯串的一部分。当LED灯串上的电压增加，集成电路就控制这些驱动开关，以使有电流流过的LED数目增加；而当LED灯串上的电压减少时，集成电路就控制这些驱动开关，以使有电流流过的LED数目减少。
在交流LED灯串电路中，对有电流流过的LED数目和LED灯串电流进行控制和调节，可以保证电路的高效、可靠、避免闪烁感，还能实现对电压波动的调节、电源因素的校正、电路过压保护、过流保护和过热保护。本发明的电路架构不需要电解电容而仅仅需要几个简单的相关构件，就可构成高功率的晶体管式的交流LED灯电路。不采用电解电容，就可避免电解电容的故障、以及因电解电容的故障而带来的相关电路可靠性降低的问题。而且，电路构件简单，也可提高电路的可靠性，延长电路的平均寿命。和许多采用交直流转换器的LED灯串电路相比较，本发明的交流LED灯串电路由于不需要高频电压转换，故其电磁干扰(EMI)较小。
以下将对本发明的一些电路结构和方法进行详细描述。本部分的内容并不用于限制本发明，本发明的保护范围由权利要求书所确定。
附图说明
各附图用于阐述本发明的具体实施例，其中，附图中相同的数字标号表示相同的部件。
图1是现有不包含交直流转换器或整流器的交流LED灯串电路的示意图。
图2是现有包含整流器的交流LED灯串电路的示意图。
图3是本发明的交流LED灯串电路的第一个实施例示意图。
图4是图3的交流LED灯串电路的详细结构示意图。
图5是图4中的集成电路52包含的控制器92的详细结构示意图。
图6是图3和图4所示的LED灯串电路在接入交流电源的电压为110V时的运行波形图。
图7是图3和图4所示的LED灯串电路接入的交流电源的电压比110V高10％时的电路运行示意图。
图8是图3和图4所示的LED灯串电路接入的交流电源的电压比110V低30％时的电路运行示意图。
图9是当输入电压改变时图3和图4所示的交流LED灯串电路50的LED灯串功率、输入功率、效率和输入功率因子的波形图。
图10中的一组波形图表明了图3和4中的交流LED灯串电路50的反闪烁感。
图11是包含图4和5中的集成电路52的LED灯串电路模块200的俯视图。
图12是由多个图11所示的LED灯串模块构成的交流LED灯串电路示意图。
图13是本发明的交流LED灯串电路的第二个实施例示意图。
图14是图13所示的交流LED灯串电路的详细结构示意图。
图15是采用图13和14的电路形成的一交流LED灯串架构示意图。
图16是本发明的交流LED灯串电路的第三个实施例示意图。
图17是图16所示第三个实施例电路中的译码器616的电路示意图。
图18是图17所示的可查询ROM617运行图表。
图19是采用图16-18所示的电路形成的交流LED灯串架构700示意图。
图20是本发明的方法800的简单流程图。
具体实施方式
图3是实施例一的交流LED灯串电路50的电路示意图。交流LED灯串电路50包括全波整流器51、LED灯电路电压自动调整集成电路(也被称之为集成控制电路)52、和由连续串接的LED构成的LED灯串。全波整流器51和图示的电源输入端53和54相连接。电源输入端53和54可接交流或直流电压。
LED长串具有第一端点55和第二端点56，两端点之间依次包括57-62这7个LED灯部分，这里所述的每一LED灯部分都是一个LED短串。图示各两LED短串间的节点从技术意义上说都是指互连节点。图3所示，LED长串的第二端点56经由连接线63连接到集成控制电路52的CSP引脚64；LED长串中的互接节点65经由连接线66连接到集成控制电路52的L0引脚67；LED长串中的互接节点68经由连接线69连接到集成控制电路52的L1引脚70；LED长串中的互接节点71经由连接线72连接到集成控制电路52的L2引脚73；LED长串中的互接节点74经由连接线75连接到集成控制电路52的L3引脚76；LED长串中的互接节点77经由连接线78连接到集成控制电路52的L4引脚79；LED长串的第一端点55经由连接线80连接到集成控制电路52的L5引脚81。
交流LED灯串电路50由电源输入端53和54之间接入的交流或直流电源供电，所接入的交流电源例如可以是幅度为110V的60赫兹的正弦波。这个交流正弦波被全波整流器51整流后加载在集成控制电路52的L5引脚81和VSS引脚82。标号80表示从整流器51到L5引脚81和LED长串第一端点55间的连接线。正常运行时，集成电路52控制电流流过LED长串中被选择出的LED短串，然后再从集成电路52的VSS引脚82输出后，回至整流器51。集成电路52选择性地短路部分被选择出的LED短串而连通另一些被选择出的LED短串，通过改变有电流流过的LED长串中的LED数目，来调节LED灯串的电流和电压。例如，在电源输入端53和54之间接入的110V正弦交流电源，其电压幅度在一个周期内有0到360度的相位变化。在波形零点时刻，连接线80上的被整流的交流电压由最小值开始正向增加或负向减小。连接线80上的电压在相位为0到90度的范围内是增加的。在第一个90度相位范围，有电流流过的LED数目增加，以便LED灯串的电压降能与整流后的瞬时电压匹配。接下来，在相位为90度到180度的范围，有电流流过的LED数目减少，以便LED灯串上的电压降能与整流后的逐渐减小的瞬时电压匹配。将LED灯串上的电压降变化(通过将第一端点55至第二端点56之间的任意LED短串短路来调节)跟随连接线80上加载的经整流后的电压的增加或减少的变化，可以获得很好的电路效率。交流LED灯串电路50的平均功率近似等于流过最小的LED短串的电压降和输入电压比值的一半。
图4是图3中的交流LED灯串电路50包含的集成电路52的进一步细节示意图。除了引脚64，67，70，73，76，79和81外，集成电路52还包括驱动开关83-88、电源保护开关89、电流感应电阻90、内部电源供应电路91、控制电路92和译码器93。驱动开关83受控使CSP引脚64和L0引脚67连通，从而使LED短串57短路；驱动开关84受控使L0引脚67和L1引脚70连通，从而使LED短串58短路；驱动开关85受控使L1引脚70和L2引脚73连通，从而使LED短串59短路；驱动开关86受控使L2引脚73和L3引脚76连通，从而使LED短串60短路；驱动开关87受控使L3引脚76和L4引脚79连通，从而使LED短串61短路；驱动开关88受控使L4引脚79和L5引脚81连通，从而使LED短串62短路；驱动开关83-88各自都由控制器92和译码器93控制。内部电源供应电路91产生一内部VCC电压(图中未示出)，并把这个内部电压提供给控制器92和译码器93以驱动这些电路模块中的电路。控制器92提供一个6位的数字LED计数信号(LEDCOUNT)94至6位的总线95，LED计数信号表示LED长串中有电流流过的LED灯的最佳数目，以便在预期的LED灯电路平均电流水平下，使LED长串的总的前向电压降能跟随连接线80上加载的经整流的电压变化。流经LED灯串的电流可由电流传感电阻检测出。译码器93将LED计数信号转换为合适的门驱动信号以驱动驱动开关83-88，进而能使LED长串中所需数目的LED有电流流过。
正常情况下，保护开关89开启时阻值最小，使LED灯串的电流能流回整流器51。但是在大电流下，保护开关89的门电压被调整以将电流限制在预先确定的水平。以下将进一步详细描述各种不正常的运行状况下，保护开关89受控开启使得LED灯串无电流流过，从而避免LED灯串被损坏。
应用于110V交流电源的LED灯串电路大约包括40-50个连续串接的白色LED灯，应用于220V交流电源的LED长串大约包括80-100个连续串接的白色LED灯。如图所示，这些LED先以N∶2N∶4N∶8N∶16N的比例被分成5个短串，最后一短串62包含剩余的P个LED灯，31N+P等于LED长串中总的LED数目。
图5是图4所示的控制器92的详细结构示意图。LED计数信号(LEDCOUNT)94由可逆计数器122输出。当连接线80上加载的经整流后的瞬时电压低于重置门限电压(即PORT)，重置电压电路96发出一重置信号97，重置信号97重置可逆计数器122至最大计数状态。被重置至最大计数状态的重置计数器122可以保证输入电压阶越式变化(例如因可控硅调光器件的开启所造成的输入电压阶越式变化)时流经LED灯串的电流被限制在一初始值。计数增加信号(UP)98被设置为低电平。当经过整流的瞬时电压高于PORT门限电压，集成电路52进行第一次调整以找到与被整流后的电压相匹配的LED计数初始值。为了实现这一点，可逆计数器122递减式计数，直到电流传感信号99表明流过LED灯串是合适的才停止计数。电流传感信号99是电流传感电阻90上的电压降。
此外，计数增加信号98被设置为高电平时，电路就开始跟踪输入电压的幅度包络。可逆计数器122由片上时钟发生器100产生的时钟信号CLK控制，以确定的速率增加或减少计数。如果相位控制电路101检测到整流后的输入电压在增加，则计数增加信号98被置高电平，而如果相位控制电路检测到整流后的输入电压在减少，计数增加信号98被置低电平。如果计数增加信号98为高电平(即整流后的输入电压在逐步增加)，而且一使能信号接入了可逆计数器122的使能输入端(EN)102，则可逆计数器122在时钟信号CLK的下一个上升沿来临开始递增式计数。当比较器103检测到电流传感信号99超过电流传感门限电压104(CSTS)，输出一使能信号，直到这个状态不再存在，才终止输出使能信号。当计数增加信号98为高电平，且有使能信号时，则在时钟信号上升沿来临，可逆计数器递增式计数。增加的计数值使得更多的LED短串有电流流过。
另一方面，在比较器103检测到电流传感信号99比CSTS信号104与VHYST滞后电压之差低的情况下，如果计数增加信号98为低电平，可逆计数器122在时钟信号CLK的下一个上升沿来临时递减式计数，直到这个状态不存在才停止计数。递减计数使LED长串中的一些LED短串被短路。
一集成放大电路106包括一放大器107和一电容108。集成放大电路106线性地放大被分频器109分频的瞬时电压信号99与由参考源110提供的VPAVG参考电压之差。被放大的差信号在电容108上产生一误差信号111。如果LED灯串平均电压低于目标电压，误差信号111缓慢增大，如果LED灯串平均电压高于目标电压，误差信号111减小。因而LED灯串平均电压被调整至：SCALE·VF·VPAVG/R90，其中，SCALE是个常数，由分频器109和LED短串中的LED灯数目来确定，R90是电流传感电阻90的阻值。
为了调控电路，电路可包含一个标准的可控硅调光器件，VPAVG由可察知的调光器相位角来调节。在标准的可控硅调光电路中，可控硅可断路交流输入信号的一部分或经整流的电压信号的一部分，以便减小提供给发光负载的能量供应。图5所示的电路中，相位控制电路101检测断路持续信号的相位，断路持续信号的相位在这里是指调光器的调光相位角度。相位控制电路101调节VPAVG，以便调光相位角度越大，LED平均电压越低。
输入至比较器103的电流传感门限信号104是被分频器112分频后的误差信号111，误差信号111来自电容108。分频器112由LED计数信号94控制。分频器109和112可采用阶梯式电阻来实现，在被选出的阶梯电阻上信号由模拟多路输出装置输出，而模拟多路输出装置由分频器控制信号控制。如果LED计数数值小，分频器112以较小的值对误差信号进行分频，而如果LED计数数值大，分频器112以较大的值对误差信号111进行分频。通过调整LED灯串瞬时电流，以便电流幅度能随LED长串中的LED数目成一定比例变化。在交流信号的周期内，LED灯串电路电流的相位根据LED灯串上的电压降的相位来调整。因此，LED灯串电路的功率因子可调整至近似为1。
控制器92也会产生一保护门信号113(NPROT)，用于控制保护开关89。在正常工作时，限流放大器114的输出经过缓冲器115后成为保护门信号113。当电流传感信号99比电压源116设置的VILIM门限电压低，限流放大器114驱动NPROT 113为高电平，进而开启保护开关89。当电流传感信号99接近VILIM门限值，那么NPROT信号113幅度减小以限制流经保护开关89的电流，由此使电流传感信号99被调整近似至VILIM。结果，流过LED灯串的电流被限制。LED灯串电流的限制幅度由VILIM的值/R90来确定。而且，保护开关89也用作过热保护。当过热保护电路117感测到与之相连的连接点的温度达到预设的温度门限，过热保护电路117通过二极管119拉低节点118的电压。节点118的电压被拉低，使得LED电流减小。过压保护时，当被整流后的瞬时电压超过最大门限值时，内部电源供应电路91发出过压保护信号(OVP)120。当有OVP信号后，限流放大器114不运行，保护门信号113为低电平，保护开关89断开。
重置电路电源供应模块96可以侦测到经整流后的瞬时输入电压比重置电路电源门限电压(PORTV)低的情况。如果侦测到连接线80上经整流后的瞬时输入电压比PORTV低，电路96使重置信号97为高电平，进而重置可逆计数器122至最大计数值，同时，使LED计数值置为0。此外，重置信号97为低电平，也会使限流放大器114的参考门限值变为更低的VITRIAC电压。VITRIAC由参考电压源121设置。这会使得驱动开关83-89都闭合，保护开关89也闭合，由此，调节LED灯串电流至较低的限流值，作为可控硅调光触发电流和重置电流。可控硅调光电流由VITRIAC/R90确定。可控硅元件需要一小的启动电流。因此，当被重置电路电源供应单元96侦测到被整流后的瞬时输入电压低于PORTV门限值，集成电路52使一小电流流过LED灯串，此小电流超过维持可控硅元件工作所需电流。可控硅元件的所需的维持电流的典型值为15微安。即使在瞬时输入电压较低时，保持的小电流会消除LED灯电路的光输出。
如果开关灯的频率足够低时，人眼常会感知到不太舒服的灯源闪烁感。为了避免交流LED灯50出现闪烁感，LED开关电流频率被调整至100赫兹或以上。为了实现这一点，LED设计成在输入电压大半周期内发光。当输入电压到达峰值时，LED电流被缩减至0或近似为0。这样，LED发光频率被调整为输入电压频率的4倍，即输入电压频率为50赫兹，LED发光频率就为200赫兹，若输入电压频率为60赫兹，LED发光频率就为240赫兹。举一个例子，使OVP门限值低于经整流后的输入电压峰值，如此可以使LED灯的开关频率达到输入电压频率的4倍，从而可以防止闪烁感。
图6、7和8是分别是当输入的交流电压在110V、比110V高10％、及比110V低30％时图3和4的交流LED灯串电路50运行波形图。在一个例示性电路中，LED短串57，58，59，60，61，和62分别包含1个、2个、4个、8个、16个和18个LED灯(即N＝1)。电流传感电阻90的电阻约为43.3欧姆，电阻90的电压降较小(例如，低于1伏特)，电阻90上的功率损耗也较小。在LED功率被调节到5瓦后，即使输入电压从77V变化到143V，这个功率值也不会改变。
图6中上方标记有“整流输入(V)(即RECTIFIED INPUT)”的波形图表示图3中的连接线80上经整流后的输入电压。接下来标记有“有电流的LED数目(即ACTIVE LED COUNT)”的波形图表示LED长串中的LED灯的数目怎样跟随LED灯串电流的变化而变化。虽然CLK信号在图6中未示出，但LED计数仅仅在CLK的上升沿来临时才开始计数。此外，图中经整流的输入电压变化缓慢时，例如，在图6所示的整流后正弦波形的顶点，LED计数的速率比整流后的输入电压快速变化时的计数速率要低。在标记有有电流的LED灯数目的波形图中，显示了在输入电压非常低的时间段内，LED计数值为0(或非常小的值以确保可控硅的重置电流)。在这些时间段内，电路被前述的重置信号97重置。图6中的第3个标记了“输入电流(mA)(即INPUT CURRENT)”的波形图显示，在整流电压逐步增加的时间段内，输入电流为一系列锯齿波。每一锯齿波缓慢上升段部分表示加载在固定数目的LED灯上的整流后电压逐步增加时LED长串电流相应增加。当电流传感器90感测到LED灯串电流超过了电流传感门限信号104，比较器103使能可逆计数器122，使可逆计数器122在CLK下一个上升沿来临时增加式计数。计数的增加使LED长串中更多的LED灯有电流流过，如此会导致LED灯串电流急剧减小。急剧减小的电流显示在图中为急剧下降的波形。
在整流后输入电压减小的时间段内的锯齿波形和整流后输入电压增加的时间段内的锯齿波形是反转的。这个反转的锯齿波在整流后输入电压减小的时间段内包含一个输入电流更为缓慢的减小部分。输入电流的减小是由于加载在LED长串中固定数目LED上的整流电压在逐步下降而引起的。当电流低于电流传感门限信号104，比较器103使能计数器122，使计数器122减小式计数，进而导致LED长串中有电流流过的LED灯数目减少。如此，LED灯串电流几乎垂直式急剧增加，这个急剧增加的电流在反转的锯齿波形的尾端表现为急剧上升部分。
图9是输入的交流电压(AC LINE VOLTAGE)从80变化至140V时LED功率(LED POWER)、灯串电路输入功率(INPUT POWER)、效率(EFFICIENCY)和图3和4中所示的交流LED灯电路50的输入功率因子(POWER FACTOR)示意图。由图可见，光输出(即LED效率)在电压变化范围内得到很好地调节。由图还可看出效率高达96％(包括由于整流器51引起的1％的功率损失)，优于采用开关转换或限流电阻的拓扑结构。最后，由图还可看到功率因子接近0.97。
图10是运行了反闪烁的交流LED灯串电路50的一系列波形图。当启动反闪烁后，在OVP水平即刚刚低于整流后电压峰值时，LED电流被切断。例如，图中显示：当整流后的输入电压(RECTIFIED INPUT)处于波峰时，标记有“输入电流(INPUT CURRENT)”的图中第3段波形表明LED电流为0或接近0。但是在整流后输入电压最小时，有很小的LED电流。在这组图中，即使由电源输入端53和54输入的交流电源频率是60赫兹，全部结果也表明LED灯发光频率为240赫兹。
图11是LED灯串电路模块200示意性俯视图。LED灯串电路模块200包括印刷电路板或基板(如具有金属芯子印刷电路板201)、图3和4所示的集成电路52、光学透镜202、包含多个LED的裸片203。在裸片203上可设置49或98个LED，由于受到图11尺寸的限制，全部的LED灯并未在图11中全部示出，但是图11中示出的各LED和图4所示的各LED是一样的。光学透镜202使发出的光朝向预期的方向。金属芯印刷电路板201具有热传导性和绝缘性。在图11所示的示例中，集成电路52是半导体裸片，其按照图示与印刷电路板201和裸片203金属连接。可选择的，集成电路52可由片上微型块来实现，由此可使集成电路直接和印刷电路板201相连。模块提供了一用于接入VIN(其为经过整流器51整流后的输入电压)的焊垫204，焊垫204通过连接线205、节点焊垫、和金属连接线，连接到集成电路52的L5引脚81。模块还设置了和地(即整流器51的VSS)相连的焊垫206。焊垫206通过连接线207、节点焊垫、和金属连接线连接到集成电路VSS引脚82。对于采用110V的交流电源的实施例，裸片203上示出的每一个LED符号表示一个单个的LED灯，而对于采用220V交流电源的实施例，裸片203上示出的每一个LED符号表示两个串联的LED灯。虽然示例中的各LED都设置在一个裸片上，但并不仅限于此。可以提供单个的LED，各单个LED的位置根据相邻LED的位置和图示的透镜203位置来确定。
图12是交流LED灯串电路300的示意图。灯串电路300包括输入端301和302、二极管整流桥303和多个图11所示的同样模块304-306。这些模块如图所示并联连接。并联连接的模块数目不受限制。这种结构能适用于多个光源中各自所包含的LED灯串电路模块间距不同的情形。这种灵活结构还能适用于多个光源中各自包含不同数目LED灯串模块的情形。这种模块化设计非常便利，可以减化灯具生产商的库存清单，因为生产商只需要存储一种类型的LED灯串模块，就可以制作出不同的发光源。
图13是第二个实施例的交流LED灯串电路400的示意图。和图3及4的电路结构相比，这个实施例中的驱动开关数目有所减少，仅仅LED短串401，402，403，和404由驱动开关控制，剩余的LED灯形成LED短串405，LED短串405始终有电流流过。这个实施例结构简单，但效率稍微偏低。若电路采用110V的交流电源，LED短串401，402，403，和404分别包含2、4、8和16个LED灯(即N＝2)，而LED短串405大约有18个LED等(即M＝18)。若采用220V的交流电源，LED短串401，402，403，和404分别包括4、8、16和32个LED灯(即N＝4)，而LED短串405大约有36个LED灯(即M＝36)。为了降低闪烁感，电路采用了一个拉升电容406。电容406连接在节点407和集成电路409的CAP引脚408之间，这个拉升电容406充电后使节点407的电压达到整流后的输入电压的峰值，然后当瞬时输入电压下降时，电容406断开与节点407的连接，直到瞬时输入电压下降至电压门限值，此时，电容406重新与节点407连接向其供电。如此，当瞬时电压在谷底时，能拉升节点407的电压。
图14是图13所示的集成电路409的详细结构示意图。集成电路409包括驱动开关410，411，412和413，分别用于控制LED短串401，402，403，和404以便使相应短串被短路。这些驱动开关由控制器414和译码器415控制，电源来自内部电源供应电路416提供的电压VCC。控制器414的运行与图4所示的控制器92类似。译码器415将来自控制器414的LED计数信号转换为合适的驱动门信号驱动驱动开关410-413，以使得电流从相应数目的LED灯流过。除了驱动开关410-413外，还有一保护开关(即保护晶体管)417连接在CSN引脚418和VSS引脚419之间，使LED电流在正常情况下能流通。拉升开关420用于控制拉升电容406充电至整流电压的峰值、及在瞬时输入电压很低时控制电容406放电。当整流后的瞬时输入电压增加时，拉升开关420闭合，并在电压达到峰值时断开，而当LED计数值达到预设值，其会再次闭合。采用这种谷底拉升技术，灯发光频率为电压频率的4倍(即50赫兹的电压频率，发光频率就为200赫兹，若60赫兹的电压频率，发光频率就为240赫兹)，因而可以降低闪烁感。
图15是采用图13和14所示电路的交流LED灯串结构500示意图。4个2x8的LED灯串电路501-504在印刷电路板505的边角，都和中央的一个1x16LED灯串电路506相连接。每个2x8LED灯串电路包括16个发光二极管，16个发光二极管分成相连的两串，每串包括8个串接的LED灯，两串中LED的走向相同。所有这些LED都放在光学透镜的下方以形成聚焦光。圆环507-511表示光学透镜。1x16LED灯串506有16个串接的LED，也都放置在光学透镜511下方以形成聚焦光线。2x8LED灯串群一起成为图14所示的LED短串405(18个LED灯)和图14中的LED短串404(16个串接的LED)。1x16LED灯串506按2进制被分成包含2、4、和8个LED的3个短串。1x16LED灯串506分别成为LED短串405(1x16LED灯串剩余的2个LED)、LED短串401、LED短串402、LED短串403。由于瞬时电压周期性变化，LED短串401、LED短串402、和LED短串403中的各LED在一个工作周期内，仅约半周内发光，处于中央的1x16LED灯串506的功率消耗与处于边角的4个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)都可采用相同或类似的LED裸片。集成电路409、电流传感电阻421、整流器422、拉升电容406可由图15中的数字标号来区分。图13中的电源输入端423和424在图15中也用相同的数字标记。图13中的连接线425-431在图15中也用相同的数字标记。集成电路409可能是已封装集成电路、片上微凸硅裸片、或者是通过金属连线连接到印刷电路板505的硅裸片。
在另一个实施例中，各LED短串中的LED灯数目相同，驱动开关均衡地启动LED短串，以便所有的LED短串的平均发光功率相同，这就可以使一个光源中LED灯被放置在不同的位置后，一个LED灯灭，而另一LED亮时，也不会察觉到光亮度的变化。LED短串的数目可以在2至16之间，要在电路简单和效率之间取得平衡，4、5和6是较佳选择。
图16是第三个实施例示意图。交流LED灯串电路600包括电源输入端601和602、整流器603、集成电路604、五个LED短串605-609。集成电路604包含5个驱动开关610-614，分别用于控制5个LED短串。每一LED短串有相同数目(即N个)的LED灯，N是整数。在这个实施例中，控制器615以和图5所示的控制器92相同的方式运行。另一方面，译码器616均衡控制所有LED短串各自的功率消耗。
图17是图16所示的译码器616的详细结构示意图。可查询只读存储器(ROM)电路617接收3位的LED计数值，同时也接收3位SCATER信号618作为输入信号。根据输入的6位数值，可查询只读存储器电路617输出信号经电平转换电路619进行电平转换成为5位编码NG0-NG4。电平转换电路619按照5位编码驱动驱动开关605-609。SCATTE信号618由根据CLK信号计数的计数器620产生。计数器620在输入电源电压半周开始时根据重置信号加载第二个计数器621的计数值。两个计数器620和621在计数到4后清0，如此循环。计数器621也根据重置信号计数。如此，SCATTER信号618有3位，其值范围为0-4，这个值在每一个CLK周期后就增加，每5个连续的电压半周期有一个不同的起始值。
图18是可查询ROM617的运行图表。对于每一个LED计数值，译码器616会使相应数目的LED灯有电流流过，但改变有电流流过LED数目实际是发生在CLK的时钟周期。因此，在多个CLK时钟周期内，每一LED短串的平均工作周期相同。为了保证在工作周期LED的最大匹配，计数器621每5个连续的输入电压半周期提供一个不同的计数起始值，如此，在整个5个连续的输入电压半周期不同LED短串之间的任何小的不匹配都可以消除。同样，由于最佳匹配，LED限制电流VILIM被设置后，在瞬时整流电压高于N*VF时，LED电路的电流都保持不变。在这个实施例中，保护开关(即保护晶体管)622在电路正常时作为一电流源，控制器615侦测保护开关622的电压，以便启动可逆计数器计数。为了反闪烁感，保护开关622在整流后的瞬时输入电压峰值断开，使LED灯串的发光频率加倍。
图19是交流LED灯串电路700的示意图。交流LED灯串电路700包括图16所示的集成电路604。在这个电路中，采用5串LED短串，每串有相同数目的LED灯。应用在110V交流电源下时，每串LED短串约有10个串接的LED(即N＝10)，而对于220V交流电源，每串LED短串约有20个串接的LED(即N＝20)。应用于12V交流电源、5瓦功率下，则每一LED短串有1个1瓦的LED。应用于24V交流电源、5瓦功率下，则每一LED短串有2个1瓦且串接的LED。在灯串电路700中也设有集成电路604、电流传感电阻623和整流器603，集成电路604可以是已封装集成电路、片上微凸硅裸片、或是由金属连接线连接至印刷电路板701上的硅裸片。圆环702-706表示透镜。图16所示的连接线624-631也在图19中也以相同的标号示出。
图20是本发明的方法800的流程图。第一步(即步骤801)，输入交流电源信号，以致在第一节点和第二节点之间出现不断变化的电压。在一个实施例中，60赫兹、110V的交流电压信号输入到图3和4所示的交流LED灯串电路50的电源输入端53和54之间。在LED长串第一端点55和第二端点56之间会有相应变化的电压(即全波整流后的输入电压)。
第二步(即步骤802)，在第一端点和第二端点之间有电流流过的LED灯数目受到控制，使得不断变化的电压幅度增加时，有电流流过的LED灯数目相应增加，电压幅度降低时，有电流流过的LED灯数目相应减少。电压幅度改变时，LED灯数目的变化可以有多个不同的非0值(例如，至少2个)。举一个例子，即图6中上方标记有“整流后输入电压(RECTIFIED INPUT)”的波形图就显示了一个不断变化的电压信号。在图6中标记有“有电流流过的LED数目(ACTIVE LED COUNT)”的波形图显示了有电流流过的LED灯数目的相应增加与减少。
在第一个实施例的图3和图4中，驱动开关的尺寸在裸片上经过优化。在典型的芯片制造过程中，MOSFET管的电阻率与崩溃电压近似成反比。如果金属-氧化层-半导体场效应管(MOSFET)在裸片上的面积固定，驱动开关闭合时的电阻率按照一定比例接近其断开时的额定崩溃电压。由于功率开关的崩溃电压要比LED短串的电压降高，因而，较佳的就是采用高阻抗功率开关来驱动更多的LED灯。保护开关(即保护晶体管)89要能够承受整流后的输入电压峰值。在第一个实施例的图3和4中，应用于110V、功率为5瓦的情形，保护开关89的阻值为48欧姆，额定电压为200V，驱动开关88和87的阻值为48欧姆，额定电压80V，驱动开关86的阻值24欧姆，额定电压40V，驱动开关85的阻值12欧姆，额定电压20V，驱动开关84的阻值6欧姆，额定电压10V，驱动开关83的阻值3欧姆，额定电压5V。在第一个实施例的图3和4中，应用在220V电压、功率5瓦的情形，保护开关89的阻值为96欧姆，额定电压为400V，驱动开关88和87的阻值为96欧姆，额定电压160V，驱动开关86的阻值48欧姆，额定电压80V，驱动开关85的阻值24欧姆，额定电压40V，驱动开关84的阻值12欧姆，额定电压20V，驱动开关83的阻值6欧姆，额定电压10V。
在第三个实施例的图16中，驱动开关的尺寸相同。应用在12V电压、功率5瓦的情形，驱动开关闭合时的阻值近似为0.5欧姆，额定电压5V。应用于24V电压、功率5瓦的情形，每一驱动开关闭合时的阻值约为1欧姆，额定电压为10V。应用于110V、功率5瓦的情形，每一驱动开关闭合时的阻值约为5欧姆，额定电压为50V。应用于220V、功率5瓦的情形，每一驱动开关闭合时的阻值约为10欧姆，额定电压为100V。
上述描述的各实施例为方便起见，仅仅包含相对较少数目的必要构件来构成晶体管式的交流LED灯串电路。因此，LED灯串电路具有优越的可靠性和较长的使用寿命。而且，在第一和第三个交流LED灯串电路实施例中，不需要采用会降低电路可靠性的电解电容，可以获得更高的功率，消耗更少的能量。和诸多采用交直流转换的LED灯串电路相比较，上述描述的本发明的交流LED灯串电路因不需要进行高频转换，使得其电磁干扰(EMI)小。
此外，也可以不用采用具体控制电路来控制驱动开关，而是通过灵活地可编程微控制器来实现对驱动开关的控制。驱动开关、电流传感电阻、和保护开关连同微控制器的剩余元件可以在某些集成电路上实现。可选的，驱动开关、电流传感电阻、和保护开关也可外设于微控制集成电路。微控制器设有过零检测比较器，用于检测整流后输入电压信号的零相位。微控制器还包含有模数转换器和一个与之连接的多路输出器，用于检测LED灯串的电压降和电流传感电阻上的电压降的幅度。微控制器的定时器用于对所检测到的事件和状况进行定时，也用于定时和控制微控制器的某些输出。在驱动开关外接的情形下，微控制器的输入输出端(I/O)用于驱动和控制驱动开关的栅极门，在驱动开关内置的情形下，微控制器的输入输出端(I/O)连接到LED长串的各短串间的互连节点。微控制器也可能包括一专门的驱动门电路用于驱动外设的功率金属-氧化层-半导体场效应管(MOSFETs)。微处理器通过编程来利用这些输入电路、输出电路和其他资源，以便执行上述所描述的和图4所示的集成电路52相关的功能。
虽然以上例示性地描述了一些具体的实施例，但本发明的技术应用广泛，并不仅仅限于上述所描述的各实施例的情形。各LED短串中所包含的LED数目可以和上述各实施例中所示不同。每个LED可以是同样方向的任意个并接的LED，图中任意一个LED符号都可指代多个并联的LED。对于每一LED短串所包含的串接的LED，都可以是以任意方式串并连接的LED网，当电流流过时，这个LED网所产生的电压降与LED短串的电压降相同。此外，在整个LED灯串中各LED短串的连接顺序也可变化.LED长串包含的短串部分也可不直接连接。LED长串中也可包含非LED部件。传感电阻可能外设也可能内置于集成电路上。驱动开关可以是N型场效应管(即NFETs)，也可以是P型场效应管(即PFETs)，或者还可以是其它类型的开关。附加的外设组件如电容、瞬时干扰抑制器、限流电阻、和保险丝等都可能包含在上述电路中以提高电路的性能。在一些情形下，二极管桥式整流器也可以组合入集成电路，也可以用金属-氧化层一半导体场效应管(MOSFETs)来取代以减小在12V或24V的低电压应用时的电压降。因此，对上述所描述的各种技术特征的修正、调整、和组合，都应认为是包含在本发明的权利要求保护范围内的。

Claims (30)

1.一种集成电路，其特征在于，包括：
第一引脚；
第二引脚；
驱动开关连接在第一引脚和第二引脚之间；和
控制电路，至少部分地根据设于外设与集成电路的LED灯串的电路特性和输入电压，控制驱动开关，其中，在第一时间段，电流流经驱动开关，在第二时间段，电流不经过驱动开关，输入电压在第二时间段比第一时间段高。
2.如权利要求1所述的集成电路，其特征在于，LED灯串有第一端点和第二端点，其中，交流电源电压经过整流后加载在LED灯串的第一端点和第二端点之间，所述LED灯串的电路特性是指LED灯串电流，在第一时间段和第二时间段电流流过LED灯串的至少一部分LED。
3.一种集成电路，其特征在于包括：
第一引脚；
第二引脚；
第三引脚；
第一驱动开关连接在第一引脚和第二引脚之间；
第二驱动开关连接在第二引脚和第三引脚之间；和
控制电路，至少部分地根据外设设于集成电路的LED灯串的电路特性，控制第一和第二驱动开关，其中，在第一时间段，电路电流由第一引脚流出，流入LED灯串中的第一互连节点，在第二时间段，电路电流由第二引脚流出，流入LED灯串的第二互连节点。
4.如权利要求3所示的集成电路，其特征在于，所述电路特性是指LED灯串电流。
5.如权利要求3所述的集成电路，其特征在于，所述电路特性是指至少一部分LED灯串的实际电压。
6.如权利要求3所述的集成电路，其特征在于，LED灯串有第一端点和第二端点，与正弦电源电压有相同波形的整流交流电压信号加载在LED灯串的第一端点和第二端点之间。
7.如权利要求3所述的集成电路，其特征在于，控制电路检测流过LED灯串的电流，并通过控制第一驱动开关和第二驱动开关，以便LED灯串电流始终不超过预设值。
8.如权利要求3所述的集成电路，其特征在于，在第三时间段，电流的流经路径为：由第二驱动开关到第一驱动开关、再由集成电路的第一引脚输出，进入LED灯串的第一互连节点。
9.如权利要求3所述的集成电路，其特征在于，LED灯串上加载的输入电压信号上升时，控制电路控制第一和第二驱动开关，以便电流仅从LED灯串中的部分LED中流过，当输入电压上升时，有电流流过的LED的数目从第一非0值增加为第二非0值。
10.如权利要求3所述的集成电路，其特征在于，控制电路保持一多位数值，该多位数值表示LED灯串电压。
11.如权利要求3所述的集成电路，其特征在于，控制电路维持一用于表示LED灯串电压的多位数值，LED灯串有功率因子，控制电路至少部分地根据多位数值控制流经LED灯串的平均电流，以实现对LED灯串功率因子的修正。
12.如权利要求3所述的集成电路，其特征在于，交流电压信号加载在LED灯串上，在LED灯串上产生一平均功率，控制电路控制LED灯串电流来对灯串平均功率进行调整，以便当加载在灯串上的电压幅度发生变化时灯串平均功率能保持恒定。
13.如权利要求3所述的集成电路，其特征在于进一步包括：
保护晶体管，所有流经LED灯串的电流都经过保护晶体管，控制电路通过控制保护晶体管的门电压，使得在预先确定的条件下，限制流向LED灯串的电流至一限流值。
14.如权利要求3所述的集成电路，其特征在于：控制电路包括：
电流传感电路，用于感测LED灯串电流；以及
计数器，当电流传感电路感测到LED灯串电流超过电流门限值，计数器响应电流传感电路而改变计数。
15.如权利要求14所述的集成电路，其特征在于：控制电路的计数器输出一多位数值，所述多位数值用于控制第一开关和第二开关。
16.如权利要求3所述的集成电路，其特征在于：控制电路用于控制第一开关和第二开关，以便在第一引脚和第二引脚之间连接有第一数目的串接LED，在第二引脚和第三引脚之间连接有第二数目的串接LED，第一数目和第二数目是不同的非0值。
17.如权利要求16所述的集成电路，其特征在于：第二数目是第一数目的2倍。
18.一种系统，其特征在于包括：
串接的发光二极管(LED)灯串；
集成电路，其包括：
连接在LED灯串第一连接节点的第一引脚；
连接在LED灯串第二连接节点的第二引脚；
连接在LED灯串第三连接节点的第三引脚；
连接在第一引脚和第二引脚的第一驱动开关；
连接在第二引脚和第三引脚的第二驱动开关；和
控制电路，用于控制第一驱动开关和第二驱动开关；
第一电源输入节点；以及
第二电源输入节点，电流从第一电源输入节点流经由集成电路控制的LED灯串中一定数目的LED灯，回到第二电源输入节点。
19.如权利要求18所述的系统，其特征在于：在第一电源输入节点和第二输入节点之间的电压幅度会随时间变化，当电压幅度变化时，LED灯串中有电流流过的LED灯数目会相应改变。
20.如权利要求18所示的系统，其特征在于：集成电路的控制电路感测LED灯串电流。
21.如权利要求18所述的系统，其特征在于：在第一电源输入节点和第二电源输入节点间的电压幅度随时间变化，集成电路的控制电路根据电压信号调整LED灯串电流，以实现对功率因子的校正，以使功率因子接近1。
22.如权利要求18所述的系统，其特征在于，LED灯串具有平均功率消耗，控制电路保存第一电源输入节点和第二电源输入节点间的实时电压幅度信息，集成电路的控制电路至少部分地基于保存的实时电压幅度信息，控制LED灯串的平均电流，以实现对LED灯串的功率校正。
23.一种方法，其特征在于包括：
控制串接的LED灯串中一定数目的发光二极管(LED)，使电流借由一定数目的LED，由第一连接节点流到第二连接节点，其中，第一连接节点和第二连接节点间的电压随时间变化，当变化的电压幅度处于增长阶段，被控制的LED灯数目相应增加，当变化的电压幅度处于减小阶段，被控制的LED灯数目相应减少，当电压幅度值变化时，至少会有两个不同非0数目的LED受控。
24.如权利要求23所述的方法，其特征在于：被控制的LED灯数目是被一和LED灯串连接的集成电路所控制。
25.如权利要求24所述的方法，其特征在于：从第一连接节点到第二连接节点的电流路径上的LED灯数目由驱动开关控制，驱动开关使LED灯串中被选择出的部分短路，驱动开关是集成电路的构成部分。
26.如权利要求23所述的方法，其特征在于：变化的电压是全波整流后的正弦交流信号。
27.如权利要求23所述的方法，其特征在于进一步包括：
感测电流，并至少部分地根据感测电流控制电流流经的LED数目。
28.如权利要求23所述的方法，其特征在于进一步包括：采用电流传感电阻感测电流，其中，电流传感电阻和LED灯串串连连接在第一连接节点和第二连接节点之间。
29.如权利要求23所述的方法，其特征在于进一步包括：采用保护晶体管限制流经LED灯串的电流，其中，保护晶体管和LED灯串串连连接在第一连接节点和第二连接节点之间，通过调整保护晶体管门电压来限制流经LED灯串的电流。
30.如权利要求23所述的方法，其特征在于进一步包括：当检测到过压或过热的情形，通过关断保护晶体管，来断开流经LED灯串的电流。
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