CN102811521A - 发光二极管网络 - Google Patents

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CN102811521A CN2012101754793A CN201210175479A CN102811521A CN 102811521 A CN102811521 A CN 102811521A CN 2012101754793 A CN2012101754793 A CN 2012101754793A CN 201210175479 A CN201210175479 A CN 201210175479A CN 102811521 A CN102811521 A CN 102811521A
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杨悟铭
邱科智
谭昌琳
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Epistar Corp
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Taiwan Semiconductor Manufacturing Co TSMC Ltd
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Abstract

LED器件或电路包括多个串联连接的LED段，其中，该LED段还额外包括并列支路，LED段的导通或关断取决于LED段的输入电压。当输入电压变化时，没有LED发光，LED的不同部分发光或者所有LED发光。响应于交流(AC)功率，LED段的输入电压可以为来自桥式整流器的输出电压。LED器件或电路不包括电感器、变压器、以及电解电容器。本发明还提供了一种发光二极管网络。

Description

发光二极管网络
相关申请的交叉参考
本申请要求于2011年6月2日提交的第61/492,601号的美国临时专利申请优先权，其全部内容结合于此作为参考。
技术领域
本发明涉及发光二极管(LED)网络。
背景技术
当前的发光二极管(LED)发光方法具有多种缺陷。在直流(DC)驱动的LED灯中，AC-DC转换器用于提供DC电流，从而使多个LED管芯发光。AC-DC转换器使用多个较大的和效率低的部件，例如，变压器和电解电容器。与其他类型的电容器相比较，电解电容器还具有更大的电容变化、更差的温度容限、以及更短的寿命。因此，虽然LED可以具有较高的效率和可靠性以及较长的寿命，但是DC驱动的LED灯不可靠并且由于AC-DC变换而导致价格昂贵。在交流(AC)驱动的LED灯中，将AC电源线连接至多个灯，通常位于两种反向连接序列中。当AC电压超过串联连接的灯两端的电压降的总和时，LED灯的一系列发光；并且当AC电压颠倒极性从而使另一灯序列发光时，该LED灯序列变暗。因此，使用两倍数量的LED灯提供不连续的发光；当AC电压正弦波中接近0点附近时，两个序列的灯都不发光。结果，根据所使用的LED管芯面积的大小，AC驱动的LED灯具有较差的性能并且效率较低、价格昂贵。
发明内容
为了解决现有技术中所存在的问题，根据本发明的一个方面，提供了一种发光二极管(LED)装置，包括：多个LED段，其中，所述多个LED段中的每一个均包括一个或多个LED支路，其中，每个LED支路均包括串联连接的多个LED管芯，其中，LED段内的LED支路并联连接；开关，被配置为连接所述多个LED段；以及控制器，被配置为基于所述多个LED段的输入电压操作所述开关并且控制阶跃电流，其中，所述LED装置不包括变压器、电感器、或者电容器。
在该LED装置中，所述多个LED段为三个或更多个段，并且所述第一LED段的LED支路多于所述第二LED段的LED支路。
在该LED装置中，所述控制器被配置为实施以下操作：当输入电压达到第一电压时，驱动第一电流通过第一LED段；当所述输入电压达到大于所述第一电压的第二电压时，驱动第二电流通过所述第一LED段和第二LED段，所述第二电流大于或等于所述第一电流；以及当所述输入电压小于所述第一电压时，没有电流被驱动通过所述多个LED段。
在该LED装置中，所述第一电压为所述第一电流下的所述第一LED段的正向电压。
在该LED装置中，每个LED段中的所述LED管芯具有不同面积。
在该LED装置中，所有LED段导通时的最大电流密度大于所述LED管芯的额定电流密度。
在该LED装置中，所述LED装置的功率效率比为大约90％或者更大。
根据本发明的另一方面，提供了一种LED电路，包括：桥式整流器；多个LED段，其中，所述多个LED段中的每一个均包括多个LED结，并且所述多个LED段中的每一个均位于一个管芯模块上；开关，被配置为连接所述多个LED段；以及控制器，被配置成基于来自所述桥式整流器的变化的输出电压操作所述开关，其中，所有LED段的总数量LED结的正向电压小于来自所述桥式整流器的最大输出电压；以及其中，所述LED电路不包括变压器、电感器、或者电容器。
在该LED电路中，所述多个LED段位于一个管芯上。
在该LED电路中，所述多个LED段中的每一个均包括并联连接的一个或多个LED支路。
在该LED电路中，所述多个LED段为三个或更多个段。
在该LED电路中，所述控制器被配置为：当来自所述桥式整流器的输出电压达到第一电压时，导通第一LED段，其中，所述第一电压为所述第一LED段的正向电压；当来自所述桥式整流器的输出电压达到第二电压时，除了导通所述第一LED段，还导通第二LED段，其中，所述第二电压为所述第一LED段和所述第二LED段的正向电压；以及当来自所述桥式整流器的输出电压小于所述第一电压时，关断所有LED段。
在该LED电路中，所述控制器被进一步配置为驱动恒定电流通过所述多个LED段。
在该LED电路中，所述LED电路的功率效率比为大约90％或者更大。
根据本发明的又一方面，提供了一种方法，包括：接收变化的输入电压；当所述输入电压增大至第一电压时，导通第一LED段并且在第一电流密度下驱动所述第一LED段，其中，所述第一电压为所述第一电流密度下的所述第一LED段的正向电压；当所述输出电压增大至第二电压时，导通第二LED段并且在第二电流密度下驱动所述第一LED段和所述第二LED段，其中，所述第二电压为所述第二电流密度下的所述第一LED段和所述第二LED段的正向电压；当所述输入电压增大至第三电压时，导通第三LED段并且在第三电流密度下驱动所述第一LED段、所述第二LED段、以及所述第三LED段，其中，所述第三电压为所述第三电流密度下的所述第一LED段、所述第二LED段、以及所述第三LED段的正向电压；以及当所述输入电压小于所述第一电压时，关断所有的LED段。
在该方法中，还包括：当所述输入电压降低至所述第三电压并且在所述第二电流密度下驱动所述第一LED段和所述第二LED段时，关断所述第三LED段；以及当所述输入电压降低至所述第二电压并且在所述第一电流密度下驱动所述第一LED段时，关断所述第二LED段。
在该方法中，所述第一电流密度大致为所述第一LED段的额定电流密度。
在该方法中，所述第三电压大于最大输入电压的大约70％。
在该方法中，还包括：当所述输入电压增大至第四电压时，导通第四LED段并且在第四电流密度下驱动所述第一LED段、所述第二LED段、所述第三LED段、以及所述第四LED段，其中，所述第四电压为所述第四电流密度下的所述第一LED段、所述第二LED段、所述第三LED段、以及所述第四LED段的正向电压。
在该方法中，所述第四电流密度大约为最大电流密度或者小于最大电流密度。
附图说明
在附图和以下描述中提出了本发明的一个或多个实施例的细节。从描述、附图和权利要求中可以明显发现其他特征和优点。
图1是根据本发明的一些实施例的示例性LED电路。
图2示出了根据本发明的各个实施例的相对于时间的电压和电流。以及
图3示出了根据本发明的各个实施例示出各个操作的方法流程图。
具体实施方式
以下使用具体的语言公开附图示出的实施例或示例。然而应该理解这些实施例和示例不是用于限定。公开的实施例中的任何变化和改变，以及本发明公开的原理的任何进一步应用都是预期的，因为本领域的普通技术人员通常会发生这种情况。在整个实施例中可能会重复参考数字，但是即使这些实施例使用相同的参考数字，也不要求将一个实施例中的部件应用到另一个实施例中。
如本文所使用的发光二极管(LED)为半导体光源，该半导体光源用于生成具有特定波长或特定波长范围的光。在传统上，LED用于指示灯，并且越来越多地用于一般的照明和显示器。当通过相反掺杂的半导体化合物层所形成的p-n结上驱动电流时，LED发光。可以通过改变半导体层的能带隙并且通过在p-n结内制造有源层，使用不同材料来生成不同波长的光。根据半导体层结构，为了使LED发光，需要在二极管上施加激活电压、或正向电压。这种正向电压基于操作条件和所施加的电流具有微小变化。正向电压随着电流增大而增大，并且该关系可以适用于多项式函数。当电流和正向电压增大时，光输出也增大，但是通光输出的增大不与电流和正向电压的增大直接成比例。换句话说，在超过额定电流时，作为光效下降(droop)的公知现象，LED的效率随着电流增大而降低。通常，制造商限定电流或电流范围，其中，该电流或者电流范围作为“额定”电流，在该“额定”电流下时，该LED实施的效率相对较高。运行电流范围(在该范围中，LED会发光)大得多。例如，根据多倍额定电流，可以将更高的电流(过驱动LED)施加至LED并且产生更高的光输出，但是所施加的单位功率的光效率(量化为“流明/瓦”)降低。在太高的电流下，LED可能被烧毁。
根据各个实施例，本发明涉及LED装置或电路，该LED装置或电路包括：桥式整流器；多个LED段；开关，位于LED段之间；以及控制器，用于根据来自桥式整流器的变化的输出电压操作该开关并且控制阶跃电流。结果，因为没有使用电感器、变压器、以及电解电容器，所以与传统的DC驱动的LED装置或电路相比较，该LED装置或电路提高了可靠性。另外，与AC驱动的LED装置或电路相比较，LED装置或电路具有减小的LED面积。因此，LED电路不易受到这些元件和相关电路的不可靠操作的影响。因此，降低了电子器件成本。与传统的DC驱动的LED方法相比较，即使降低了成本，各个实施例中的LED发光性能也能保持良好。与传统的AC驱动的LED方法相比较，该LED设计减小了LED管芯面积，而没有通过限定LED的过驱动而牺牲可靠性。
根据各个实施例，本发明还涉及操作LED的方法。将多个LED连接至桥式整流器，该桥式整流器响应于交流电流(AC)输出变化的正电压。当输出电压变化时，通过使用开关的控制器进行控制，没有LED发光，LED的不同部分发光，或者全部LED均发光。
图1为根据本发明的一些实施例的LED网络100的示意图。电压源105将AC电压Vac和电流Iac提供至整流器110。在一些实施例中，电压Vac为正弦曲线。
整流器110接收具有正电压和负电压的全正弦波形式的电压Vac，并且提供仅具有正电压的全波整流形式的电压Vo。如本文中所述，将整流波形的每个半波称为周期。当整流电压为0或接近0时，周期开始，当整流电压为最大值时，周期为半点(half point)，并且当整流电压返回开始值时，周期结束。
图1的示例性LED网络120包括LED的三个段SG1、SG2、以及SG3。段SG1、SG2、以及SG3均包括串联设置在一行或多行(或支路)中的多个LED。每个段中的LED都可以具有相同的或不同的管芯面积。为了说明，段SG1包括四个支路，段SG2包括三个支路，以及段SG3包括二个支路。每个段SG1、SG2、以及SG3的每个支路均包括多个LED，不同数据段之间的LED数量不同，而并联支路(相同数据段)之间的LED数量相同。不同的结构(即，每个段的支路的不同数量以及每个支路的LED的不同数量)均在各个实施例的范围内。为了说明，将位于段SG1、SG2、以及SG3中的LED分别称作LED1、LED2、以及LED3。
将相同段中的LED形成在相同的管芯模块中。管芯模块包括大量的LED管芯以及互连层和钝化层。模块的LED管芯可以形成在相同的生长基板上方。首先在生长基板上方外延生长发光结构，该生长基板可以为蓝宝石。具有发光结构的生长基板还称为外延晶圆。可以通过将发光结构蚀刻到台面(mesa)中，将外延晶圆划分为LED管芯。在一个实例中，在去除生长基板之前，将台面接合至诸如硅的载体基板(carrier substrate)。对载体/LED管芯封装件实施各个处理，例如，沉积钝化层、光刻、沉积金属层，以形成LED管芯模块。然后，可以将载体基板切割为单独的LED管芯模块，每个模块均包括若干LED管芯和各个层。使用管芯模块使得能够将半导体制造技术应用到LED制造中。如果使用硅载体基板，则可以首先在硅基板和集成电路上制造LED的电路和器件。
可以通过将互连层和钝化层直接形成在接合至载体基板的LED管芯上方而将串联的LED形成在相同的管芯模块上方。因此，因为仅将与段的总数相对应的数量的管芯封装在器件上，所以简化了LED器件的封装。若干串联的LED形成不同的并联支路，该若干LED还可以使用相同的工艺形成在相同的管芯模块上方，以形成互连层和钝化层。此外，若干LED段可以形成在具有内嵌开关或外部开关的相同的管芯模块上方。内嵌开关可以为通过控制电路115进行外部控制的晶体管。外部开关可以连接至串联LED的端部。
在一些实施例中，在前半周期中，最初，所有的LED均截止，然后，段SG1中的LED1发光，然后，段SG2中的LED2发光，然后，段SG3中的LED3发光。在后半周期中，LED3继续在一段时间内发光，然后截止。然后，LED2截止，并且然后，LED3截止。在随后的周期中，LED1、LED2、以及LED3继续发光。在半周期点附近和最大电压时，所有LED均发光。
控制电路115控制开关S1、S2、以及S3，从而使得LED1、LED2、以及LED2相应地发光。例如，当开关S1导通而开关S2和S3关断时，LED1发光。当开关S2导通而开关S1和S3关断时，LED1和LED2发光。当开关S3导通而开关S1和S3关断时，所有的LED1、LED2、以及LED2都发光。电路115基于来自整流器110的电压V0来控制开关S1、S2、以及S3。
在一些实施例中，控制器115导通开关S1，并且通过LED1传导电流I1。当电压V0为足以使LED1发光的特定电压时，换句话说，当电压V0为SG1具有电流I1的正向电压时，开关S1导通并且通过控制器115驱动电流I1。电压V0增大并且继续增大至足以使LED1和LED2发光的电压。这时，电路115关断开关S1，并且导通开关S2，并且驱动电流I2。换句话说，当电压V0为SG1 LED和SG2 LED的正向电压，并且具有电流I2时，开关S 1关断，开关S2导通，并且通过控制器115驱动电流I2。结果，LED1和LED2发光。电压V0继续增大并且当电压V0达到LED1、LED2、以及LED3的正向电压以足以使LED1、LED2、以及LED3发光时，然后，电路115关断开关S2，导通开关S3，并且驱动电流I3。结果，LED1、LED2、以及LED3发光。
图2为根据一些实施例的示出了LED网络100的操作的波形图。水平轴表示时间。左侧的第一垂直轴示出了电压V0的电压值，右侧的第二垂直轴示出了电流I0的电流值。线210表示电压V0相对于时间的关系。线220表示电流I0相对于时间的关系。
图3为示出在周期期间的根据本发明的各个实施例的LED器件的操作的流程示图。在方法301中，第一操作303将输入交流(AC)电压整流为变化的仅有正极性的电压(电压V0)。电压V0具有半正弦波形式。在前半周期中，电压V0增大，在后半周期中，电压V0减小。在图2中，电压V0从0V开始并且在前半周期中增大至300V。然后，电压V0在后半周期中从300V减小至0V。最初，所有的开关S1、S2、以及S3都关断。电压V0在时间t0点处为0V。结果，在网络100中没有LED发光。电流I0等于0。
如图2所示，电压V0增大直到时间t1。然后，在图3的操作305中，当整流电压增大至第一电压时，第一LED段导通并且在t1处以第一电流密度驱动第一LED段。该第一电压通常为用于使第一段中的LED发光的正向电压，并且该第一电压可以高于正向电压。换句话说，在时间t1处，电路115检测到稍高于150V的电压V0足以使LED1发光。电路115关断开关S1。如图2所示，电路115还吸收预定电流，例如，20mA。LED1发光。用于使LED1发光的LED电压为大约150V。
电压V0继续增大直到时间t2。在图3的操作307中，当整流电压V0增大至第二电压时，第二LED段导通并且在t2处以第二电流密度驱动第一LED段和第二LED段。该第二电压通常为用于使第一段和第二段中的LED发光的正向电压并且该第二电压可以高于正向电压。换句话说，在时间t2处，电路115检测到稍高于220V的电压V0足以使LED1和LED2发光。然后，电路115关断开关S1并且导通开关S2。电路115还吸收预定电流，例如，大约40mA。电流I0为大约40mA。LED1和LED2发光。用于使LED1和LED2发光的LED电压为大约220V。
电压V0继续增大直到时间t3。在图3的操作309中，当整流电压V0增大至第三电压时，第三LED段导通并且在t3处可以第三电流密度驱动第一LED段、第二LED段、以及第三LED段。该第三电压通常为用于使第一段、第二段、以及第三段中的LED发光的正向电压，并且该第三电压可以高于正向电压。换句话说，在时间t3处，电路115检测到稍高于275V的电压V0足以使LED1、LED2、和LED3发光。然后，电路115关断开关S2并且导通开关S3。电路115还吸收预定电流，例如，大约70mA。电流I0为大约70mA。LED1、LED2、和LED3发光。用于使LED1、LED2、和LED3发光的LED电压为大约275V。
在一些实施例中，使用了超过3个LED段。如果使用更多段，则在操作311中，额外的LED段一次导通一个，其中，相应的驱动电流流经该“导通”的LED段。当电压V0达到用于包括下一个段的LED段的正向电压时，额外的LED段导通。
在图2的实例中，电压V0继续增大直到t4，该电压V0为半正弦波的最大值。然后，电压V0开始减小直到时间t5。在时间t5处，电路检测到电压V0为大约275V。小于275V的电压V0不足以使所有的LED1、LED2、和LED3发光。然后，电路115关断开关S3并且导通开关S2。电路115还吸收预定电流，例如，大约42mA。因此，在t5和t6之间的电路与在t2和t3之间的电路相似：LED1和LED2发光，但是LED3不发光。
电压V0继续减小直到时间t6。在时间t6，电路115检测到电压V0为大约220V。小于220V的电压V0不足以使LED1和LED2发光。然后，电路115关断开关S2并且导通开关S1。电路115也吸收预定电流，例如，大约40mA。因此，在t6和t7之间的电路类似于在时间t1和t2之间的电路：LED1发光，但是LED2和LED3不发光。
电压V0继续减小直到时间t7。在图3的操作313中，当整流电压小于保持发光的LED段的正向电压时，LED数据段每次关断一个，直到当电压小于第一电压时，所有的LED段都截止。在时间t7处，电路115检测到电压V0为大约150V。小于150V的电压不足以是LED1发光。然后，电路115关断开关S1。结果，没有LED发光。电流I0为0mA，与在时间t0和时间t1之间的电流I0相同。电压V0继续减小直到时间t8，该时间为周期的终点或者与时间t0相对应的新周期的起始点。
以上论述使用了示例性阶跃电流。可以配置电路100的各个实施例。电流不是绝对的阶跃电流或即时电流。例如，一些阶跃或改变具有斜率。例如，可以为了使得总系统功率较低、或有效功率较高、或者总管芯面积较小而形成配置。电路100配置有目标光输出(LOP)。与传统的灯具相比较，通常将目标光输出指定为用于特定应用。例如，1200流明灯可比得上通过75瓦白炽灯泡所发出的光。为了代替75瓦的白炽灯泡，LED装置或灯将指定为1200流明。
另一个参数为光效(Leff)流明/瓦(lm/W)。光效可以与用于特定操作条件的LED管芯或者整个系统相关。光效不断改进。具有高达大约150lm/W的Leff的LED管芯可用并且具有高达大约120lm/W的系统Leff的LED灯可用。为了获得能源之星标签，诸如能源之星(Energy Star)的组织还指定了最小光效。
LED管芯的Leff随着操作条件而改变。在大电流下，Leff可以显著降低。作为实例，当具有35A/cm2的电流密度时，可以将LED指定为120lm/W，其对应于大约3.2V的正向电压(Vf)。如果电流密度降低(比方说)至大约25A/cm2，则光效提高至130lm/W并且Vf降低至3.12V，但是光输出也降低至最初的75％。在大得多的电流密度下(比方说，大约70A/cm2)，光效降低至98lm/W并且Vf增大至3.39V，并且光输出增大至最初的173％。Leff、Vf、以及光输出的相关性随着电流密度的输入而改变，从而可以适合曲线。然而，不同LED管芯使用适用于该LED结构设计的不同曲线。注意，该实例中，当电流密度加倍(从35A/cm2至70A/cm2)时，即时功率也差不多加倍，这是因为Vf也略有增大(从3.2V至3.39V)。甚至即使功率变为两倍以上，光输出也仅增加了73％。
基于AC电压确定电路100的LED的总数Nseries。通过电压Vac和Vf的峰值电压来限定数量Nseries。例如，110Vac的峰值电压为大约156V，每个LED均具有3.1V至3.4V的Vf范围，数量Nseries的最大值为156/3.4或者大约46个。为了说明，Nseries可以为40个，从而包括任何高电压波动。相应地，对于具有220Vac的区域的LED灯有不同数量Nseries。Nseries为在所有段中的一个支路中的LED的总数。
可以通过试错法(trial and error)选择段的数量Ssg和每个段的LED数量Nled，从而最优化其他变量，例如，成本、效率、以及管芯面积。虽然数量Ssg可以为大于1的任何整数并且数量Nled为大于0的任何数，但是Ssg为2，在一个段中具有1个LED和在另一段中具有39个LED的电路可能效率较低或者使用太多的管芯面积。数量非常大的Ssg可能更有效，但是电路元件较多并且控制方案复杂的Ssg会非常复杂，成本也会增加。为了说明，选择的段数量Ssg可以为3至5。
在一个实施例中，对于具有3个段的电路来说，用于段Sg1、Sg2、以及Sg3的数量Nled1、Nled2、以及Nled3分别为28、6、以及6。换句话说，段Sg1、Sg2、以及Sg3分别包括28个、6个、以及6个LED。当段导通时，在每个段中LED数量Nled1、Nled2、以及Nled3规定正向电压。每个LED的正向电压取决于流经LED的电流密度。在第一近似值中，正向电压在大约3.1V和3.4V之间。因为段Sg1包括28个LED，并且每个LED可能需要3.3V来发光，所以通过段Sg1所使用的电压Vs1为28*3.3V或者大约92V。因为段Sg2包括6个LED，所以段Sg2所使用的电压Vs2为6*3.3V或者大约20V。类似地，与段Sg2一样，段Sg3也包括6个LED，所以段Sg3所使用的电压Vs3为20V。在该三个段的实例中，具有可以确定的三个唯一的电流密度：I1在t1/t2和t6/t7之间；I2在t2/t3和t5/t6之间；并且I3在t3/t5之间。给定一系列电流密度和每个段中的LED的数量，可以计算出可以相继导通的每个段的正向电压。
一旦正向电压已知，就可以计算出每个段的工作周期。因为电压V0遵循正弦曲线，所以可以通过以下方式计算出达到正向电压时的时间：对当正弦函数达到所期望的正向电压时的角度求解该正弦函数，然后将角度转换为时间，比如t1、t2、和t3。
可以利用每个时间周期内的电流、正向电压、以及工作周期来计算通过LED所使用的总功率。可以使用正向电压、电流、光效、以及工作周期计算出在每个时间周期内的单位管芯面积的光输出。将单位管芯面积的光输出用于找到生成某光量所需要的总管芯尺寸。通常，本发明的各个实施例需要比DC驱动的LED电路更大的管芯面积，这是因为，与在有效状态下的所有时间都导通相反，有时驱动LED效率较低，并且有时LED关断。然而，在电路中不使用不可靠并且成本高的各种元件(例如，变压器、电容器、以及电感器)不足以补偿额外的LED管芯区域的成本差。
通过求出变化的正弦电压在每个阶跃中的电流上的积分，可以计算出灯所使用的总功率。与DC驱动的LED灯不同，本发明的各个实施例的电路不具有通过诸如电容器、电感器、以及变压器所施加的较大的效率损失。因此，对于根据本发明的各个实施例的功率效率(PE)(作为LED功率与总功率的百分比)超过了具有相同光输出的等效的DC驱动的LED灯的功率效率。然而，因为LED有时可能在较低的功效状态下工作，所以生成相同光量所需要的总功率可能高于DC驱动LED灯的总功率。
以上论述使用LED管芯面积作为最终计算的变量。如果最小化LED管芯面积是目标，则一个或多个参数(例如，每个段中的结点数量和每个阶跃中的电流密度)可以改变，从而找到一系列输入，该一系列输入产生了最小总管芯面积。在一些实施例中，在每个阶跃中的电流密度可以保持恒定。在其他实施例中，每个段仅使用LED的一个支路。
根据各个实施例，当光输出更有效时，可以在大约LED的额定电流密度处选择诸如在t1和t2之间的最小工作电流密度。可以选择当所有LED都发光时的最高正向电压处的最大电流密度作为LED的最大工作电流密度。对于一些LED，在高于该最大工作电流密度时，LED质保(warranty)不再适用，例如，对于在35A/cm2时正向电压为3.2V的120lm/W LED，最大工作电流密度大约70A/cm2。随着光效和LED结构继续改进，该最大电流密度也增大。将本发明中的各个概念和实施例应用于具有超过实例的光效和最大电流密度的LED。
在结构的一个实例中，28、6、6个结的三个段分别用在28A/cm2、60A/cm2、以及70A/cm2的电流密度中。换句话说，在第一阶跃中，28个结点在28A/cm2处都发光；在第二阶跃中，34个结点在60A/cm2处都发光；以及在第三阶跃中，40个结点在70A/cm2处都发光。在时间上的平均电流密度为33.3A/cm2。LED功率为约11.8W，总系统功率为大约13W，以及功率效率为大约91％。总管芯面积估计有大约16900mil2(其为大约10.9mm2)。与平方毫米的SI单位相反，LED制造中的通常用法是管芯面积以平方密尔为单位。
在具有相同平均电流密度和光输出的可比较的DC驱动的结构中，总管芯面积估计有14900mil2(大约9.6mm2)。LED功率为大约9.9W，总系统功率为大约11.6W，并且功率效率估计有大约大于85％。
在可比较的AC驱动的结构中，其中，可选地LED的序列根据输入AC电压为正还是负来发光。总管芯面积为大于30000mil2(大约19.4mm2)。LED功率与DC驱动结构相同，总系统功率为大约11W，并且功率效率估计大于90％。
在该比较中，根据本发明的用于实例的功率效率和总功率高于DC驱动结构，但是比得上AC驱动结构。此外，实例使用稍大的总管芯面积以生成与DC驱动结构相同的光输出，但是比可比较的AC驱动结构更小的总管芯面积。然而，如上所述，因为避免了使用不可靠的电路元件，所以该实例成本更低并且寿命更长。
在另一实例结构中，20、10、10个结点的三个段分别使用20A/cm2、40A/cm2、以及70A/cm2的电流密度。换句话说，在第一阶跃中，20个结点在20A/cm2处发光；在第二阶跃中，30个结点在40A/cm2处发光；以及在第三阶跃中，40个结点在70A/cm2处发光。时间上的平均电流密度为31.8A/cm2。LED功率为大约11.5W，总系统功率为大约13.1W，并且功率效率为大约88％。总管芯面积估计有大约17400mil2(大约11.2mm2)。
在具有相同平均电路密度和光输出的可比较的DC驱动结构中，总管芯面积估计有大约15400mil2(大约9.9mm2)。LED功率为大约9.8W，总系统功率为大约11.5W，并且功率效率估计为85％。
与在第一实例中一样，在该比较中，根据本发明的实例的功率效率高于DC驱动结构，但是该实例使用稍大的功率和更多的总管芯面积以生成相同的光输出。然而，如上所述，因为避免了不可靠的电路元件，所以该实例成本更低并且寿命更长。
在又一实例结构中，与在第二实例中一样，使用20、10、以及10个结点的三个段，但是所有的阶跃均运行在54.2A/cm2的恒定电流密度、相同的平均电流密度以及相同的光输出下。在该结构中，总管芯面积稍小于第二实例，LED功率稍小，其中，总系统功率大致相同，但是PE稍低。
已经描述了多个实施例。然而，应该理解，可以在不背离本发明的主旨和范围的情况下进行多种修改。例如，LED装置参数是用于说明的目的，本发明的实施例不仅限于LED灯的具体总光输出或类型。选择不同的LED灯类型在各个实施例的范围内。在以上描述中所使用的各个电流密度水平和切换方法也是用于说明的目的。各个实施例不仅限于特定电流密度水平并且所选择的不同电流密度水平处于各个实施例的范围内。
以上方法示出了示例性步骤，但是以上方法没有必要按所示出的顺序实施。根据所公开的实施例的主旨和范围，可以适当地添加、替换步骤，改变步骤的顺序，和/或删除步骤。

Claims (10)

1.一种发光二极管(LED)装置，包括：
多个LED段，其中，所述多个LED段中的每一个均包括一个或多个LED支路，其中，每个LED支路均包括串联连接的多个LED管芯，其中，LED段内的LED支路并联连接；
开关，被配置为连接所述多个LED段；以及
控制器，被配置为基于所述多个LED段的输入电压操作所述开关并且控制阶跃电流，
其中，所述LED装置不包括变压器、电感器、或者电容器。
2.根据权利要求1所述的LED装置，其中，所述多个LED段为三个或更多个段，并且所述第一LED段的LED支路多于所述第二LED段的LED支路。
3.根据权利要求1所述的LED装置，其中，所述控制器被配置为实施以下操作：
当输入电压达到第一电压时，驱动第一电流通过第一LED段；
当所述输入电压达到大于所述第一电压的第二电压时，驱动第二电流通过所述第一LED段和第二LED段，所述第二电流大于或等于所述第一电流；以及
当所述输入电压小于所述第一电压时，没有电流被驱动通过所述多个LED段。
4.根据权利要求3所述的LED装置，其中，所述第一电压为所述第一电流下的所述第一LED段的正向电压。
5.根据权利要求1所述的LED装置，其中，每个LED段中的所述LED管芯具有不同面积。
6.根据权利要求1所述的LED装置，其中，所有LED段导通时的最大电流密度大于所述LED管芯的额定电流密度。
7.根据权利要求1所述的LED装置，其中，所述LED装置的功率效率比为大约90％或者更大。
8.一种LED电路，包括：
桥式整流器；
多个LED段，其中，所述多个LED段中的每一个均包括多个LED结，并且所述多个LED段中的每一个均位于一个管芯模块上；
开关，被配置为连接所述多个LED段；以及
控制器，被配置成基于来自所述桥式整流器的变化的输出电压操作所述开关，
其中，所有LED段的总数量LED结的正向电压小于来自所述桥式整流器的最大输出电压；以及
其中，所述LED电路不包括变压器、电感器、或者电容器。
9.根据权利要求8所述的LED电路，其中，所述多个LED段位于一个管芯上。
10.一种方法，包括：
接收变化的输入电压；
当所述输入电压增大至第一电压时，导通第一LED段并且在第一电流密度下驱动所述第一LED段，其中，所述第一电压为所述第一电流密度下的所述第一LED段的正向电压；
当所述输出电压增大至第二电压时，导通第二LED段并且在第二电流密度下驱动所述第一LED段和所述第二LED段，其中，所述第二电压为所述第二电流密度下的所述第一LED段和所述第二LED段的正向电压；
当所述输入电压增大至第三电压时，导通第三LED段并且在第三电流密度下驱动所述第一LED段、所述第二LED段、以及所述第三LED段，其中，所述第三电压为所述第三电流密度下的所述第一LED段、所述第二LED段、以及所述第三LED段的正向电压；以及
当所述输入电压小于所述第一电压时，关断所有的LED段。
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