CN102954366A - 具有光切换阵列的光引擎 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种具有光切换阵列的光引擎。在单个PCB基板上的LED阵列切换装置包括：串联连接的多个LED阵列D1至Dn，每个LED阵列具有正向电压；耦合至该多个LED阵列的AC电源；以及多个恒流源G1至Gn，其分别耦合至LED阵列D1至Dn的输出端，每个恒流源在电流调节状态和断开状态之间可切换，使得随着AC电源的电压增加，LED阵列导通并点亮以形成更高的正向电压LED串，并且随着AC电源的电压下降，LED阵列关断并从最晚点亮的LED阵列开始从LED串中移除。

Description

具有光切换阵列的光引擎
相关申请的交叉引用
本申请要求2011年8月16日申请的美国临时专利申请号为No.61/524163的优先权，其全部并入这里作为参考。
技术领域
本发明通常涉及用于驱动发光二极管(“LED”)，例如LED灯和照明器材中使用的LED的改进的方法和装置，以及涉及用于驱动有助于将驱动电路和LED一起设置在单个封装中的方法和装置。
背景技术
典型地，将LED用作AC供电的光源需要驱动器，以将AC线功率转换为调节的DC功率，用于保持恒定的光输出。该LED驱动器是自备电源，其具有和LED的电气特性，例如正向电压和驱动电流匹配的输出。通常，驱动器建立在独立的PCB上，并连接至LED PCB，该PCB包括LED阵列。
图1示出了利用公知的反激式变换器拓扑的AC-DC LED驱动器的典型电路。电路10包括具有火线(L)和中线(N)端的AC电源12，以及整流电路14，该整流电路将AC，例如正弦，输入波形转换为DC波形，例如半波整流波形。该电路运行，使得当开关Q1导通时，电流直接从整流正弦波中抽取。能量存储在变压器T1的初级绕组的磁性电感中。整流齐纳二极管D1反偏，并由次级电容器Cout提供LED电流。当Q1关断时，二极管D1导通，存储的能量传送至变压器T1的次级绕组和输出端。控制器芯片U1可以是，例如由iWatt公司制造的用于AC/DC LED驱动器的iW3620数字PWM恒流控制器，其通过比较有关次级输出电压和LED电流的信息，调节LED电流至恒定参考值，其中该信息经由变压器T1的辅助绕组反映，并且基于该比较，调整开关Q1的占空比。
AC-DC驱动器，例如图1所示，是复杂的大型电路。为了制造简单的电路，LED制造商已经研发了AC LED电路，其基本上是在AC电上运行的LED照明电路，无需图1中示出的该种复杂的AC-DC驱动器。但是，AC线电压是正弦的，大多数低频AC LED系统运行在整流模式，其在双倍线频率的速率处关断AC LED。
图2是传统的AC LED电路的示意图。在该电路中，LED可以直接被AC电源102驱动，而不使用复杂的变换器。在示意的电路的运行中，在例如正弦AC电源V的正半周，LED串S2反向偏置，LED串S1导通并发光。在AC电源V的负半周，LED串S1反向偏置，LED串S2导通并发光。LED串S1和S2的正向电压是相等的。电阻器R限制流经LED串S1和S2的电流。
图3示出了AC LED电路的光输出(例如，光通量和时间)。从图中可以看出该电路的关断时间大约是40％，这是由于下述事实，即AC LED电路的LED电流在AC电压波形的过零点是不连续的。由于整流的AC线电压是从零至峰值电压并回到零进行循环的，因此，只要线电压电平降低到LED串的正向电压之下，LED串就会关断。
发明内容
根据本发明的一个方面，LED阵列切换装置在单个PCB基板上包括：多个串连连接的LED阵列D1至Dn，每个LED阵列具有正向电压；耦合至所述多个LED阵列的AC电源；以及多个恒电流源G1至Gn，分别耦合至LED阵列D1至Dn的输出端，每个恒电流源在电流调节状态和断开状态之间可切换，使得随着AC电源的电压增加，LED阵列导通并点亮，以形成更高的正向电压LED串，并且随着AC电源的电压降低，LED阵列关断并从最晚点亮的LED阵列开始从LED串中移除。
在另一方面，多个LED阵列和多个恒电流源形成为半导体芯片，该半导体芯片通过直接芯片接合(DCA)贴附于PCB基板。
在另一方面，半导体芯片利用热粘合剂贴附于PCB基板。
在另一方面，半导体芯片和PCB基板之间的电连接由接合引线提供。
在另一方面，接合引线是借助热超声Au球焊。
在另一方面，接合引线是借助超声Al楔形焊。
在另一方面，LED阵列切换装置进一步包括密封剂，用于至少密封半导体芯片。
在另一方面，特定阵列的LED和其他阵列的LED紧邻放置。
在另一方面，用于放置LED阵列的半导体芯片的PCB基板面积和用于放置恒流源的半导体芯片的PCB基板面积与各自类型的半导体芯片耗散的热量成比例。
在另一方面，PCB基板由陶瓷，玻璃，有机和柔性基板组成的组中的材料形成。
附图说明
附图仅用于示意目的，并不必按比例绘制。但是，结合附图，参照下面的详细描述，可以更好的理解发明本身，其中：
图1是AC-DC LED驱动器的传统电路的图示；
图2是传统的AC LED电路的示意图；
图3是AC LED电路，例如图2中示出的电路的光输出波形；
图4是根据本发明一个方面的驱动电路的功能结构图；
图5A至5F是用于示出响应于输入波形图4的电路的不同的切换阶段的图示；
图6示出了LED阵列，其根据图5A至5F中示出的电路的切换阶段，在半个AC周期中导通；
图7示出了根据本发明的电路的光输出波形；
图8是提出的利用封装的LED，根据本发明一个方面的电路的详细实现方式的示意图；
图9是图8中示出的电路的圆形PCB布局的图示；
图10是直接芯片接合(DCA)装配的示意；以及
图11是利用DCA装配，根据本发明一个方面的光引擎的示例。
具体实施方式
根据本发明的方面，为了保留AC LED电路设计的简单的AC连接，同时与减少传统的AC LED电路相关的光关断时间，在单个PCB上建立AC光引擎，其中该PCB具有多个LED阵列和可切换的电流源。与传统的复杂大型的AC-DCLED驱动器，例如图1中示出的相反，根据本发明的驱动电路简单并且尺寸小，这允许其和LED一起封装在单个PCB上以形成光引擎。根据本发明的切换结构可以由AC总输电线直接供电，并且其足够简单和小型以至于能够和LED封装在一起形成LED光引擎/模块，其可以由AC电力线直接供电。根据本发明，驱动电路和LED可以一起放置在单个PCB上。
图4示出了根据本发明一个方面，提出的LED驱动电路200的功能模块。电路200使用了LED串，LED串被划分为n个LED阵列D1至Dn，其中n＞1。每个LED阵列可以包括一个或多个LED，AC电源1向二极管阵列2提供AC波形，其中该二极管阵列用作整流器。G1至Gn是恒流源，其可以被连续的电流源禁用(即，改变至开路状态)。
参照图5A-5F，接下来示出在AC电源电压的电压从零上升的情况下电路的运行。当整流电压刚刚超过LED阵列D1的正向电压时，电流开始流经LED阵列D1和电流源G1，如图5A所示。随着整流电压进一步增加，电流源G1调整流经LED阵列D1的电流。当整流电压达到LED阵列D1和D2的正向电压之和时，LED阵列D2开始导通，如图5B所示。随着流经LED阵列D2和电流源G2的电流增加至调节值，流经LED阵列D1和电流源G1的电流降低至零。然后电流源G2调节流经LED阵列D1和D2的电流，如图5C所示。图5D示出了当整流电压增加至某个点时电流的路径，在该点处，电流源Gn-1调节流经LED阵列D1至Dn-1的电流。进一步增加整流电压，使得LED阵列Dn导通，如图5E所示。图5F示出了当流经LED阵列Dn和电流源Gn的电流增加至将电流源G1和Gn-1保持在开路状态时的电流路径。
本领域技术人员可以理解，如果整流电压下降，那么图5A-5F示出的切换序列将反向。尤其是，图5F示出了下述情况，整流电压足够高，使得调节的电流流经LED阵列D1至Dn以及电流源Gn。随着整流电压下降，流经电流源Gn的电流开始下降，并且电流开始流经电流源Gn-1，如图5E所示。当整流电压下降至低于LED阵列D1至Dn的正向电压总和的值时，流经LED阵列Dn的电流停止，如图5D所示。在整流信号的第二个半波中重复相同的模式。
图6是根据图4中示出的电路，在半个周期中产生的正向电压串的图示。从图中可以看出，正向电压串初始仅包括LED阵列D1。随着电源1的电压达到其峰值，正向电压串包括LED阵列D1-Dn，然后，随着电源的电压下降，正向电压串的长度再次降低至D1。
图7示出了提出的LED驱动电路的光输出波形，其中该驱动电路具有被分为5个阵列(即n＝5)的LED串，其中各个阵列的正向电压比为5∶4∶3∶2∶1。从波形可以看出，利用该结构关断时间降低至10％。
图8示出了根据本发明提出的，利用分为5个阵列A1至A5的15个封装的LED实现的电路的示意图。电阻器RZ1和齐纳二极管ZD1为5个电流源G1至G5提供恒定参考电压。MOSFET M1，电阻器R1和晶体管Q1形成第一电流源G1，其驱动LED1-5。MOSFET M2，电阻器R2和晶体管Q2形成第二电流源G2，其驱动LED1-9。MOSFET M3，电阻器R3和晶体管Q3形成第三电流源G3，其驱动LED1-12。MOSFET M4，电阻器R4和晶体管Q4形成第四电流源G4，其驱动LED1-14。MOSFET M5，电阻器R5和晶体管Q5形成第五电流源G5，其驱动LED1-15。
图9示出了图8电路优选的圆形PCB布局400的示例。在该实施例中，图8的LED和电路元件放置在单个PCB 401上，AC电源的连接被标记为中线(N)402和火线(L)403。根据示意的实施例，特定阵列的LED优选与其他阵列的LED紧邻放置，以平均不同阵列的亮度。因此，例如，在示意的实施例中，阵列A1的LED2与阵列A2的LED8紧邻放置，但是A1距离阵列A1的LED4很远。
为了实现最佳的热性能，用于放置LED和电流源元件的PCB面积优选和它们耗散的热量成比例。例如，如果85％的热量在LED中耗散，剩余15％的热量在其他元件中耗散，那么用于LED的PCB面积应当是大约85％，用于元件的PCB面积应当大约是15％。
根据本发明的一个方面，取代经过传统装配和焊接用作独立的PCB，可以使用直接芯片接合(DCA)产生光引擎。在该技术中，LED和其他元件是半导体芯片的形式，其直接安装在最终的电路板上并与该电路板电连接。图10示出了DCA装配的示例。在该示例中，形成PCB基板502。每个元件，无论是LED，还是相关联的元件，都形成为半导体芯片503，并利用热粘合剂504贴附于基板。芯片503和PCB基板502的连接由接合引线506提供，该引线利用接合垫505附接于PCB基板502，并利用芯片接合垫508附接于芯片503。优选地，整个电路封装在硅树脂密封剂510中，其例如可以用于防止芯片和相关联的连接受潮和污浊，使得电路更不易受机械和化学损害。
除了传统的印刷电路板之外，根据本发明，可以使用各种基板制造LED光引擎。例如，可以使用陶瓷和玻璃陶瓷基板，其展示了极好的绝缘和热属性。另一个选择是有机基板，其重量轻，成本低，并且介电常数小。另外，根据本发明的另一有利方面，可以使用柔性基板，其易弯折，具有弯曲的能力。
通过将管芯附接粘合剂504施加于基板502，将多个LED和元件芯片503安装在基板502上以形成完整的驱动电路。接下来是固化过程，例如暴露在热或紫外线下，其使得热粘合剂504获得其最终的机械、热和电气属性，电连接由引线结合实现，如图10中所示的用于单个芯片的方式。
根据本发明该方面使用的引线接合工艺与传统的半导体装配中使用的类似，热超声金(Au)球焊或超声铝(Al)楔形焊可以用于在管芯和基板之间连接引线。最后，如上所述，管芯和接合引线以及其他元件被封装以防止它们受到机械和化学损害。
图11示出了光引擎的DCA布局的一个示例。在示意的示例中，放置在区域601中的LED芯片是引线接合，利用接合引线604形成LED阵列的高电压串。其他元件，即整流器和电流源，放置在装配的区域602并引线接合至LED阵列。在该结构中，简单的AC电连接是为光引擎加电所需的全部。
虽然这里已经示意和描述了特定实施例，但是本领域技术人员理解在不脱离本发明保护范围的情况下，各种替换和/或等价实现方式可以替换示出和描述的特定实施例。该临时申请意在覆盖这里讨论的任何改变或变形。因此，目的是本发明仅由权利要求和其等价方式限制。

Claims (10)

1.一种LED阵列切换装置，在单个PCB基板上包括：
串联连接的多个LED阵列D1至Dn，每个LED阵列具有正向电压；
耦合至所述多个LED阵列的AC电源；以及
多个恒流源G1至Gn，分别耦合至LED阵列D1至Dn的输出端，每个恒流源在电流调节状态和断开状态之间可切换，使得随着AC电源的电压增加，LED阵列导通并点亮以形成更高的正向电压LED串，并且随着AC电源的电压下降，LED阵列关断并从最晚点亮的LED阵列开始从LED串中移除。
2.如权利要求1所述的LED阵列切换装置，其中所述多个LED阵列和所述多个恒流源形成为半导体芯片，所述半导体芯片通过直接芯片接合DCA贴附于PCB基板。
3.如权利要求2所述的LED阵列切换装置，其中所述半导体芯片利用热粘合剂贴附于PCB基板。
4.如权利要求2或3所述的LED阵列切换装置，其中所述半导体芯片和PCB基板之间的电连接由接合引线提供。
5.如权利要求4所述的LED阵列切换装置，其中所述接合引线借助于热超声Au球焊。
6.如权利要求4所述的LED阵列切换装置，其中所述接合引线借助于超声Al楔形焊。
7.如权利要求2-6中任一项所述的LED阵列切换装置，进一步包括用于至少密封所述半导体芯片的密封剂。
8.如权利要求1-7中任一项所述的LED阵列切换装置，其中特定阵列的LED与其他阵列的LED紧邻放置。
9.如权利要求2-8中任一项所述的LED阵列切换装置，其中用于放置LED阵列的半导体芯片的PCB基板面积和用于放置恒流源的半导体芯片的PCB基板面积被设定为和各自类型的半导体芯片的耗散的热量成比例。
10.如权利要求1-9中任一项所述的LED阵列切换装置，其中PCB基板由陶瓷、玻璃、有机和柔性基板组成的组中的材料形成。
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