CN102905413B

CN102905413B - 驱动高电压发光二极管灯泡的集成电路

Info

Publication number: CN102905413B
Application number: CN201110210441.0A
Authority: CN
Inventors: 傅伟宸; 梁伟成; 李文岑; 侯博闻; 罗青松
Original assignee: HUAJING SCIENCE AND TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: Taiwan silicon Cenda Polytron Technologies Inc.; TONGJING OPTOELECTRONICS TECHNOLOGY Co.,Ltd.
Priority date: 2011-07-26
Filing date: 2011-07-26
Publication date: 2014-11-05
Anticipated expiration: 2031-07-26
Also published as: CN102905413A

Abstract

本发明提供一种驱动高电压发光二极管灯泡的集成电路，应用于整流后且没有直流稳压的交流电源及两个以上发光二极管堆栈。该集成电路包含：控制单元；两个以上限流单元，电性连接至该控制单元及相对应的发光二极管堆栈；及两个以上电流检测单元，电性连接至相对应的限流单元及该控制单元。当该整流电源驱动该发光二极管堆栈时，该电流检测单元实时检测各个相对应的限流单元是否有电流流过，并将检测结果回馈给该控制单元；该控制单元按照各个电流检测单元检测所得的组合逻辑状态，依序开启或关闭各个相对应的限流单元。

Description

驱动高电压发光二极管灯泡的集成电路

技术领域

本发明有关一种集成电路，特别是一种驱动高电压发光二极管灯泡的集成电路。

背景技术

目前发光二极管的应用已经非常广泛，例如制造成发光二极管灯泡；然而，现有的发光二极管灯泡的控制电路普遍存在一个缺点，即无法同时达成积体化且又能符合照明法规。举例如下：

下列专利：US 2006/0038542A1、US 2008/0129220A1、US 2003/0122502A1、US 6,798,152B2、US 7,135,825B2、US 7,489,086B2、US 7,528,551B2、US 7,592,755B2、US 6,441,558B1、US 7,288,900B2、US 2002/0140379A1及US 7,642,725B2都为有关发光二极管照明的专利；都使用变压器、直流电源供应器、大电感、大电容或光传感器中的任意一个组件；因此都不可能以现有的半导体工艺进行积体化。

专利WO 2007/001116A1需要适用于不同电位的高电压开关，但在现有的耐高电压的半导体工艺中，没有可对应的适用组件可供使用；因此，无法进行积体化，生产成本无法有效降低。另外，电压在做切换时采用开关方式，电流瞬间开路或短路，容易造成电磁波干扰(EMI)。而且导通电流是一个固定电流，总谐波失真(THD)大于42％，无法满足现有照明规范小于33％的需要。

专利US 6,989,807检测输入电源的电压准位，顺序开关电流驱动电路；然而却忽略了发光二极管在使用过程中其顺向电压会随温度升高而降低，很容易使原本的驱动电源承受的跨压过高，造成使用效率低。而且无法掌握最佳切换时间点，容易造成电磁波干扰和谐波失真。另外，驱动电流为一个固定电流，虽然功率因子可以满足大于90％以上的需求，但是总谐波失真仍然大于42％，无法满足现有照明规范小于33％的要求。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种驱动高电压发光二极管灯泡的集成电路，使得发光二极管灯泡的控制电路能够达成积体化且又符合现行照明法规的要求。

为达到上述目的，本发明的驱动高电压发光二极管灯泡的集成电路应用于整流电源及两个以上发光二极管堆栈。该驱动集成电路由下列组成：控制单元；两个以上限流单元，电性连接至该控制单元及该相对应的发光二极管堆栈；两个以上电流检测单元，电性连接至相对应的该限流单元及该控制单元；该两个以上限流单元的第一级(44a)可以不用连接一个电流检测单元。当启动该整流电源时，各个电流检测单元实时检测各个限流单元是否有电流流过，并将检测结果回馈给该控制单元；该控制单元按照各个电流检测单元检测所得的组合逻辑状态，依序开启或关闭各个限流单元。

进一步地，所述限流单元包含：N型金氧半导体；及回馈电阻，电性连接至该N型金氧半导体的源极。

进一步地，所述电流检测单元包含NPN晶体管。

进一步地，所述电流检测单元还包含反向器，该反向器的输入端电性连接至该NPN晶体管的集极。

进一步地，所述电流检测单元还包含缓冲器，该缓冲器的输入端电性连接至该反向器的输出端。

进一步地，所述电流检测单元还包含上拉电阻，电性连接至该NPN晶体管的集极。

进一步地，所述电流检测单元还包含基极电阻，电性连接至该NPN晶体管的基极。

进一步地，所述控制单元包含：至少一个第一非门；及至少一个第二非门，该第二非门的输入端电性连接至该第一非门的输出端。

进一步地，所述控制单元还包含至少一个或门，该或门的输出端电性连接至该第一非门的输入端。

相较于现有技术，本发明具有以下功效：当启动该整流电源时，各个电流检测单元实时检测各个限流单元是否有电流流过，并将检测结果回馈给该控制单元；该控制单元按照各个电流检测单元检测所得的组合逻辑状态，依序开启或关闭各个限流单元。本发明的驱动高电压发光二极管灯泡的集成电路，使得发光二极管灯泡的控制电路能够达成积体化且又符合现行照明法规的要求。

附图说明

图1为本发明的驱动高电压发光二极管灯泡的集成电路的实施例方框图；

图2为高电压发光二极管堆栈的实施例电路图；

图3为发光二极管堆栈的实施例电流电压曲线图；

图4为本发明的限流单元及电流检测单元的实施例方框图；

图5为本发明的控制单元的实施例逻辑门方框图；

图6为本发明的控制单元的时序图；

图7为各个导通电流与整流电源曲线的关系图；

图8为总耗电流与整流电源曲线关系图；

图9为本发明的逻辑门运算真值表。

附图标记说明

具体实施方式

有关本发明的详细说明及技术内容，将配合附图说明如下，然而所附附图仅作为说明用途，并非用于局限本发明。

请参考图1，为本发明的驱动高电压发光二极管灯泡的集成电路的实施例方框图。本发明的驱动高电压发光二极管灯泡的集成电路40应用于交流电源10、桥式整流器20及两个以上发光二极管堆栈30_1～30_6(图示为六个，然而本发明并不以此为限)。该驱动高电压发光二极管灯泡的集成电路40包含控制单元42、两个以上限流单元44a～44f(图示为六个，然而本发明并不以此为限)及至少一个电流检测单元46b～46f(图示为五个，然而本发明并不以此为限)。

为方便说明，控制单元42与限流单元44a之间的电性连接线路称为G1，控制单元42与限流单元44b之间的电性连接线路称为G2，依此类推电性连接线路G3～G6；控制单元42与电流检测单元46b之间的电性连接线路称为S2，依此类推电性连接线路S3～S6；流经限流单元44a的电流称为导通电流I1，流经限流单元44b的电流称为导通电流I2，依此类推导通电流I3～I6。

控制单元42电性连接至桥式整流器20、发光二极管堆栈30_1、限流单元44a～44f及电流检测单元46b～46f；限流单元44a电性连接至发光二极管堆栈30_1、30_2；限流单元44b电性连接至发光二极管堆栈30_2、30_3及电流检测单元46b；限流单元44c电性连接至发光二极管堆栈30_3、30_4及电流检测单元46c；限流单元44d电性连接至发光二极管堆栈30_4、30_5及电流检测单元46d；限流单元44e电性连接至发光二极管堆栈30_5、30_6及电流检测单元46e；限流单元44f电性连接至发光二极管堆栈30_6及电流检测单元46f；桥式整流器20电性连接至交流电源10、控制单元42及发光二极管堆栈30_1。

桥式整流器20作用于交流电源10的全波整流(full wave rectification)，将负半周的电压转为正半周电压。交流电源10如果为220伏特的交流电源，全波整流后的电压峰值为311伏特。桥式整流器20将交流电源10做全波整流后输出整流电源25；由于整流电源25未经过滤波与稳压，因此电源的电压变动范围很大，基本上是正弦波的正半周；整流电源25提供集成电路40及发光二极管堆栈30_1～30_6所需的电源。

请参考图2，为高电压发光二极管堆栈的实施例电路图。发光二极管堆栈30_1包含两个以上彼此串联的发光二极管；每一个发光二极管电性连接至齐纳二极管(Zener diode)以作为开路保护(open circuit protection)。其余发光二极管堆栈30_2～30_6与发光二极管堆栈30_1相同，因此不再赘述。

一个发光二极管在典型顺向电流(typical forward current)20毫安驱动下，顺向电压约3.6伏特。若以12个发光二极管串接作为发光二极管堆栈30_1，那么在20毫安的顺向电流驱动下，顺向电压约为43.2伏特。请参考图3，为发光二极管堆栈的实施例电流电压曲线图；图中以12个发光二极管组成发光二极管堆栈30_1；横轴表示跨过发光二极管堆栈30_1的顺向电压，纵轴表示通过发光二极管堆栈30_1的顺向电流。

发光二极管堆栈30_1～30_6串联起来即可形成耐高电压的发光二极管串行(发光二极管灯泡)。在220伏特交流电源的应用中，可以串连六个发光二极管堆栈，使得在20毫安驱动下的顺向电压接近全波整流后的电压峰值311伏特。

请参考图4，为本发明的限流单元及电流检测单元的实施例方框图。限流单元44b包含N型金氧半导体442及回馈电阻444。回馈电阻444电性连接至该N型金氧半导体442的源极；N型金氧半导体442的闸极经由电性连接线路G2电性连接至控制单元42(图中未示出)；N型金氧半导体442的汲极电性连接至发光二极管堆栈30_2、30_3。

当电性连接线路G2经由控制单元42设定在固定的高电压准位时(以逻辑状态1表示)，N型金氧半导体442处于导通状态。流经N型金氧半导体442的电流(即导通电流I2)由N型金氧半导体442的闸极与源极之间的电压差与回馈电阻444的电阻值控制；导通电流I2也通过回馈电阻444，当导通电流I2升高时，回馈电阻444的跨压也会升高，N型金氧半导体442的闸极与源极之间的电压就会减少，这样限定了该导通电流I2的电流值；导通电流I2的最大值由回馈电阻444的电阻值与N型金氧半导体442的闸极临界电压准位决定。

限流单元44a及限流单元44c～44f与限流单元44b类似，在此不再赘述；但是各个限流单元的回馈电阻444的电阻值并不相同(例如限流单元44a的回馈电阻444的电阻值为750欧姆；其余限流单元44b～44f的回馈电阻444的电阻值依序可以为550、400、300、200及180欧姆)，目的在于调高功率因子(powerfactor)使其接近100％并且降低总谐波失真(total harmonic distortion，THD)使其接近于0％。

电流检测单元46b包含NPN晶体管469；反向器464，反向器464的输入端电性连接至NPN晶体管469的集极；缓冲器462，缓冲器462的输入端电性连接至反向器464的输出端，缓冲器462的输出端经由电性连接线路S2电性连接至控制单元42(图中未示出)；上拉电阻466，电性连接至NPN晶体管469的集极；基极电阻468，一端电性连接至NPN晶体管469的基极，另一端电性连接至回馈电阻444及N型金氧半导体442的源极。

电流检测单元46b检测电流的方式为检测流过回馈电阻444的跨压；当导通电流I2大于预设的电流值时，回馈电阻444的跨压就会启动NPN晶体管469。上拉电阻466用以放大电压信号，NPN晶体管469的集极电压信号通过具有迟滞输入的反向器464作为简易比较器。因此，当有足够大的导通电流I2通过回馈电阻444时，电流检测单元46b会输出高逻辑准位1至控制单元42；导通电流I2不够大时电流检测单元46b会输出低逻辑准位0至控制单元42。其余电流检测单元46c～46f与电流检测单元46b类似，因此不再赘述。

请参考图5，为本发明的控制单元的实施例逻辑门方框图。控制单元42包含至少一个第一非门424_1～424_5(图示为五个)；至少一个第二非门426_1～426_5(图示为五个)，第二非门426_1～426_5的输入端分别电性连接至第一非门424_1～424_5的输出端及电性连接线路G1～G5；至少一个或门422_1～422_4(图示为四个)，或门422_1～422_4的输出端分别电性连接至第一非门424_1～424_4的输入端。或门422_1～422_4的输入端的一端分别电性连接至该电性连接线路S2～S5；另一端分别电性连接至第二非门426_2～426_5的输出端。第一非门424_5的输入端电性连接至电性连接线路S6。

控制单元42按照电流检测单元46b～46f的逻辑信号，经过逻辑运算后输出固定电压的逻辑信号以控制限流单元44a～44f。其中导通电流I1不需检测，限流单元44f固定在高逻辑准位。逻辑运算的真值表如图9所示(逻辑门运算为现有技术，因此不再赘述)。

请参考图6，为本发明的控制单元的时序图。请参考图7，为各个导通电流与整流电源曲线的关系图。请参考图8，为总耗电流与整流电源曲线的关系图。当整流电源25驱动发光二极管堆栈30_1～30_6时，电流检测单元46b～46f检测限流单元44b～44f是否有电流流过并将检测结果实时回馈给控制单元42；控制单元42按照电流检测单元46b～46f回馈的组合逻辑状态开启或关闭控制限流单元44b～44f。

举例来说：整流电源25一开始电压值小，仅能驱动发光二极管堆栈30_1，仅有限流单元44a有电流流过(即导通电流I1)；接着整流电源25电压值大到能够驱动发光二极管堆栈30_1～30_2时，电流检测单元46b会检测到导通电流I2的存在并将检测结果通知控制单元42，控制单元42会实时关闭限流单元44a；再接下来如果整流电源25更大一些，能够驱动发光二极管堆栈30_1～30_3时，电流检测单元46c会检测到导通电流I3的存在并通知控制单元42，控制单元42随即关闭限流单元44a～44b；以此类推，且整流电源25电压由峰值下降时也类似，因此不再赘述。

本发明的驱动高电压发光二极管灯泡的集成电路不但可以积体化而且又可以满足相关照明法规的要求。以下测试结果证明：

1.功率因子(power factor)：96％

2.总谐波失真(total harmonic distortion，THD)：11.5％

3.效率(efficiency)：90.5％

4.光电功效(efficacy)：104(lm/W)

其中发光二极管的发光效率为115(lm/W)。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例的具体说明，并非用以局限本发明的保护范围，其它任何等效变换均应属于本申请的权利要求范围。

Claims

1.一种驱动高电压发光二极管灯泡的集成电路，其特征在于，应用于整流电源及两个以上发光二极管堆栈，该驱动高电压发光二极管灯泡的集成电路包含：

控制单元；

两个以上限流单元，电性连接至该控制单元及该发光二极管堆栈；及

至少一个电流检测单元，电性连接至该限流单元及该控制单元，

其中，当该整流电源驱动该发光二极管堆栈时，该电流检测单元检测到该限流单元有电流流过并通知该控制单元；该控制单元按照该电流检测结果与预设的开关顺序，依序开启或关闭该两个以上限流单元；

其中，所述限流单元包含：

N型金氧半导体；及

回馈电阻，电性连接至该N型金氧半导体的源极，

其中，所述电流检测单元包含：

NPN晶体管；

反向器，该反向器的输入端电性连接至该NPN晶体管的集极；

缓冲器，该缓冲器的输入端电性连接至该反向器的输出端；

上拉电阻，电性连接至该NPN晶体管的集极；及

基极电阻，电性连接至该NPN晶体管的基极，

其中，该电流检测单元检测电流的方式为检测流过该回馈电阻的跨压；当导通电流大于预设的电流值时，该回馈电阻的跨压启动该NPN晶体管，该上拉电阻用以放大电压信号，该NPN晶体管的集极电压信号通过具有迟滞输入的该反向器作为比较器；因此，当该导通电流通过该回馈电阻且该导通电流大于预设的电流值时，该电流检测单元输出高逻辑准位1至该控制单元；当该导通电流不大于预设的电流值时，该电流检测单元输出低逻辑准位0至该控制单元。

2.如权利要求1所述的驱动高电压发光二极管灯泡的集成电路，其特征在于，所述控制单元包含：

至少一个第一非门；及

至少一个第二非门，该第二非门的输入端电性连接至该第一非门的输出端。

3.如权利要求2所述的驱动高电压发光二极管灯泡的集成电路，其特征在于，所述控制单元还包含至少一个或门，该或门的输出端电性连接至该第一非门的输入端。