CN103168504B

CN103168504B - Led电路装置

Info

Publication number: CN103168504B
Application number: CN201180050419.2A
Authority: CN
Inventors: H·J·G·拉德马赫尔; T·洛佩兹; M·文特
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Signify Holding BV
Priority date: 2010-10-19
Filing date: 2011-10-13
Publication date: 2016-05-11
Anticipated expiration: 2031-10-13
Also published as: US9000676B2; RU2563042C2; EP2630843A1; TW201234329A; US20130200812A1; JP6143674B2; RU2013122754A; BR112013009250A2; JP2013546174A; EP2630843B1; CN103168504A; WO2012052893A1

Abstract

本发明关于一种LED电路装置(1)，其至少具有被适配为提供工作电压的电压输入端(4)、与所述电压输入端(4)串联连接的电抗元件(6)和LED光源(3)。为了使LED电路装置能够在工作电压下被驱动，LED光源(3)包括每一个具有一个发光二极管的第一和第二LED单元(8，9)、在低电压模式和高电压模式下将所述LED单元(8，9)与所述电抗元件(6)相连接的可控开关装置(10)以及控制单元(12)。LED光源(3)在所述低电压模式下显示出第一正向电压而在所述高电压模式下显示出第二正向电压，所述第二正向电压高于所述第一正向电压。控制单元(12)被适配为通过以下方式控制流过LED光源(3)的电流，即，当被提供给LED光源(3)的电流对应于第一阈值(30)时将开关装置(10)设置为所述低电压模式，而当所述被提供的电流对应于第二阈值(31)时将开关装置(10)设置为高电压模式。

Description

LED电路装置

技术领域

本发明涉及LED电路装置、LED光源和操作LED电路装置的方法。具体而言，本发明涉及在提供安全且经济上划算的构造的同时在工作电压下驱动LED电路装置。

背景技术

发光二极管(LED)被用于多种应用，具体包括发信号以及当今更多出现的通用照明应用。取决于所述应用和所使用的LED的类型，用于LED的驱动电路有各种设计。由于工作电流与电压之间的指数关系，与其它二极管类似，LED通常用恒流电源单元或驱动电路来驱动。最简单地，驱动电路可以由串联电阻器构成以在工作电压变化的情况下限制传送到发光二极管的最大电流。当然，由于相对高的损耗，这种装置可能特别不适合于例如结合大功率LED的照明应用。除了上述利用串联电阻器的简单驱动电路以外，现有技术中还存在有其它驱动电路。但是，这些电路通常都很精细复杂，因而成本很高。此外，大多数情况下的电路设计需要适配于所使用的LED的类型和数目，具有的可扩展性有限。因而，尤其是对于新兴的LED在通用照明应用中的使用而言，这些电路可能是不合适的。

US7,468,723描述了用于串联耦合的两个LED串的驱动器。该驱动器包括升压转换器，该升压转换器布置成从电源电压提供输出电压。还有，该驱动器包括耦合穿过所述串联耦合的LED串的一半的开关。使用50％的占空比控制所述开关。当升压转换器被启用(enable)时，开关中的一个打开而另一个关闭。这样的配置对于亮度控制尤其是闪烁来说并非最优，并且考虑到所需要的LED的数量也是低效的，因为这些LED被选择性地打开和关闭。

因此，本发明的目的在于提供一种能够让LED光源在期望的平均亮度下且没有明显闪烁的情况下高效工作的LED电路装置。

发明内容

本发明的目的通过根据本发明的LED电路装置、LED光源和操作LED光源的方法来实现。

根据本发明的一个方面，提供一种LED电路装置，至少具有

－DC电压输入端(4)，其被适配为提供工作电压，

－电抗元件(6)，其与所述DC电压输入端(4)串联连接，

－LED光源(3)包括

－第一LED单元和第二LED单元(8，9)，其每一个具有至少一个发光二极管，在所述LED光源(3)的低电压模式下，所述第一LED单元和第二LED单元(8，9)彼此并联连接，在所述LED光源(3)的高电压模式下，所述第一LED单元和第二LED单元(8，9)彼此串联连接，

－可控开关装置(10)，其在所述低电压模式和所述高电压模式之间切换所述LED光源(3)，以及

－控制单元(12)，其被配置为

－当被提供至所述LED光源(3)的工作电流对应于第一阈值(30)时将所述开关装置(10)设置为所述低电压模式，以及

－当所述被提供的电流对应于第二阈值(31)时将所述开关装置(10)设置为所述高电压模式。

在一个实施例中，LED光源(3)在所述低电压模式下具有第一正向电压而在所述高电压模式下具有第二正向电压，所述LED光源(3)的所述第一正向电压低于所述工作电压并且所述LED光源(3)的所述第二正向电压高于所述工作电压。

在一个实施例中，LED单元(8，9)在所述低电压模式和所述高电压模式下都与所述电抗元件(6)相连接。

在一个实施例中，第一LED单元(8)的正向电压对应于所述第二LED单元(9)的正向电压。

在一个实施例中，开关装置(10)以400Hz到40MHz的开关频率被所述控制单元(12)控制。

在一个实施例中，控制单元(12)包括电流检测电路(13)以确定流经所述LED光源(3)的电流。

在一个实施例中，控制单元(12)被配置为适配所述第一阈值和/或第二阈值(30，31)，使得流经所述LED光源(3)的电流对应于预先规定的灯平均电流。

在一个实施例中，LED单元(8，9)、所述开关装置(10)和/或所述控制单元(12)彼此整体地形成。

在一个实施例中，电抗元件(6)与所述LED光源(3)整体地形成。

在一个实施例中，LED光源(3)是双极器件。

在一个实施例中，LED电路装置包括与所述电压输入端(4)串联连接的一个以上LED光源(3)。

根据本发明的另一方面，提供一种用于上述LED电路装置(1)中工作的LED光源。

根据本发明的又一方面，提供一种操纵通过电抗元件与DC工作电压相连接的LED光源(3)的方法，所述LED光源(3)包括每一个具有至少一个发光二极管的第一LED单元和第二LED单元(8，9)，在所述LED光源(3)的低电压模式下，所述第一LED单元和第二LED单元(8，9)彼此并联连接，在所述LED光源(3)的高电压模式下，所述第一LED单元和第二LED单元(8，9)彼此串联连接，

在所述低电压模式和所述高电压模式之间切换所述LED光源(3)的可控开关装置(10)，

其中当被提供给所述LED光源(3)的工作电流对应于第一阈值(30)时所述开关装置(10)被设置为所述低电压模式，并且当所述被提供的电流对应于第二阈值(31)时所述开关装置(10)被设置为所述高电压模式。

本发明的基本构思在于提供一种LED电路装置，其中LED光源可根据电流水平工作在低电压模式和高电压模式下以提供对流经LED光源的电流的控制。因而，本发明有益地实现了用简单且经济的电压源(例如典型的电源单元)驱动LED光源。

根据本发明的LED电路装置至少包括被适配为在工作期间提供工作电流的电压输入端、与所述电压输入端串联连接的电抗元件和至少一个LED光源。LED光源包括每一个具有至少一个发光二极管(LED)的第一和第二LED单元、在低电压模式和高电压模式下将所述LED单元与所述电抗元件相连接的可控开关装置以及控制单元。在所述低电压模式下，LED光源显示第一正向电压。在高电压模式下，LED光源显示高于所述第一正向电压的第二正向电压。控制单元被配置为当被提供给所述LED光源的工作电流对应于第一电流阈值时将所述开关装置设置为所述低电压模式，而当所述被提供的电流对应于第二电流阈值时将所述开关装置设置为所述高电压模式。

如上所述，本发明的LED电路装置包括被适配为在工作期间向所述LED光源提供工作电压的电压输入端。该电压输入端因而可以包括合适的电压控制的电源单元或者可以被适配为被连接到合适的电压源(例如，合适的外部电源)。内部/外部电源可以被适配为提供例如3.3V、5V、12V、13.8V、24V或48V的标称输出电压，并且可以被充电到规定的最大电流。这样的电源可以例如是利用整流器或电池的简单的连接到电源干线的变压器。可选地，所述电源可以包括滤波电路。电压输入端因而可以例如包括两个电端子，例如焊盘、接合线盘或者用于连接到电源的任何合适的导体或插头。

虽然根据本发明，术语“工作电压”指单极电压，例如DC电压，但是本发明的LED电路装置允许通过典型的非稳压整流器从电源线提供的电压有某些变化，例如DC电压的电压“波动”。电压输入端当然可以包括附加的电或机械组件，例如在电路装置被设置为从电压源中被去除的情况下，包括相应的可分离的电连接器。

电抗元件与电压输入端串联连接以为LED单元提供“无功功率”。电抗元件因而可以被布置在电压输入端与LED光源之间，但是根据具体应用也可以或者部分地与前述组件中的一个组件相集成。电抗元件可以例如被布置在电压输入端的电端子中的一个电端子与LED光源的相应端子之间。

电抗元件可以是诸如磁场能量存储元件之类的任何适当类型的能量存储元件，例如电感器、耦合电感器、变压器、合适的导体或者提供电感特性的任何类型的电组件。但是，优选地，电抗元件为电感器，例如具有适当类型和电感的线圈。

根据本发明的LED电路装置还包括具有第一和第二LED单元的所述LED光源。第一和第二LED单元每一个包括至少一个发光二极管，就本发明而言，所述发光二极管可以包括诸如无机LED、有机LED或固态激光器之类的任何类型的固态光源，例如激光二极管。

对于通用照明应用，LED单元可以优选地包括至少一个大功率LED，即具有大于1lm的光通量的LED。优选地，所述大功率LED提供大于20lm的光通量，最优选地是大于50lm的光通量。对于改造应用，尤其优选的是LED光源的总光通量在300lm到10,000lm的范围内。

最优选的方式是，所述第一和/或第二LED单元的发光二极管被整体地形成在单个半导体晶圆或基板上以提供紧凑的构造。

LED单元当然可以包括其它电或电子组件，例如用于设置亮度或颜色的驱动器单元、平滑级或者滤波电容器。每个LED单元可以包括不止一个LED，例如以提高LED光源的光通量或者用在需要对发出光进行颜色控制的应用中，例如使用RGBLED。

根据本发明，LED光源还包括可控开关装置以在低电压模式和高电压模式下将第一和第二LED单元与电抗元件相连接。该开关装置因而可以是使LED单元在低电压模式或高电压模式下能够与所述电抗元件相连接的任何类型的开关装置。当然，附加的电路可以被提供以实现所述低电压和高电压模式。但是，开关装置允许分别控制相应的操作模式，即低电压和高电压模式。开关装置应当优选地适配于针对应用在最大电压和电流方面以及关于开关频率的电规范，即应当被反复设置为低电压模式和高电压模式。最优选的是，开关装置适配为与电抗元件和工作电压相结合以提供高于20kHz的开关频率。

开关装置可以包括一个或多个合适的电或电子开关设备，例如一个或多个晶体管，尤其是一个或多个双极和/或场效应晶体管。优选地，开关装置包括就开关电流和频率范围而言尤其有优势的一个或多个MOSFET。

开关装置通过合适的有线或无线控制连接被所述控制单元控制。控制单元被配置为当被提供给所述LED光源的工作电流对应于所述第一阈值时将所述开关装置控制为低电压模式，并且当所述被提供的电流对应于所述第二阈值时将所述开关装置控制为高电压模式。控制单元因而被适配为根据工作期间的电流水平控制开关装置，所述电流水平即例如当工作电压在电压输入端处被提供给电路装置时流经LED光源的电流。

控制单元可以是能够实现上述对开关装置的控制的任何合适类型的控制单元。控制单元因此可以包括例如具有合适的程序设计的分散的和/或集成的电或电子组件、微处理器和/或计算机单元。优选地，控制单元与开关装置相集成以提供一种非常紧致的构造。

第一和第二阈值可以是例如根据所述第一和第二LED单元的LED的类型和电流消耗的固定的设定点的值，例如根据相应应用的出厂设置。或者，第一和第二阈值可以是可变的，例如被存储在合适的存储器中。在这种情况下，可以提供用户接口以允许用户或安装者设置阈值。作为选择或附加，阈值可以被例如测量工作期间LED单元的光通量的反馈单元设置或影响。

根据本发明，第一和第二阈值指规定的电流水平，以使得控制单元可以相应地设置开关装置的工作模式以提供基于电流的控制。因而，开关装置的工作模式根据工作电流的水平而设置。控制单元控制开关装置在工作电流对应于所述第一阈值时工作在低电压模式下。相应地，当被提供的电流对应于所述第二阈值时，开关装置被控制为工作在高电压模式下。

开关装置的两种工作模式在LED光源的正向电压方面不同于彼此。在该上下文中的术语“LED光源的正向电压”指当电压例如通过电压输入端被施加给LED光源时LED光源两端的总压降。

根据第一正向电压的总压降(因而在低电压模式下)低于根据第二正向电压的压降(即在高电压模式下)。

假设相对固定或缓慢变化的工作电压，LED光源的不同电压降有利地实现对电流的控制，因为串联电抗元件在一定程度上将工作电压与LED单元两端的电压分离(decouple)并且根据相应的电压水平向LED光源提供电流。例如，在低电压模式下，电抗元件可以被配置为工作在充电模式下，即存储能量，导致电流的升高。在高电压模式下，电抗元件可以相应地工作在放电模式下，以使得电流不断下降。因而，本发明的电路装置实现了根据第一和第二阈值在控制裕量内对流经第一和第二LED单元的电流的调整。因而可以用电压源代替固定电流源或精巧的电流控制电路来操作LED电路装置。

LED电路装置和/或LED光源当然可以包括其它的组件，例如外壳、一个或多个插座、平滑级、防闪滤波电路和/或另外的控制电路，例如以在有至少一个RGBLED单元的情况下设置发出光的颜色。此外，通信接口可以优选地被提供以接收例如来自通过0-10V控制信号控制的壁装式调光器、Dali、DMX、以太网、WLAN、Zigbee等的控制命令和/或报告状态信息。

如上所述，第一和第二阈值可以根据应用并且尤其根据LED单元的电流水平被设置。根据本发明的优选实施例，与第一阈值相对应的电流小于与第二阈值相对应的电流。

尤其是在后一种情况下，控制单元被优选地配置为当工作电流小于和/或等于所述第一阈值时控制所述开关装置工作在低电压模式下。最优选的是，控制单元还被配置为当工作电流高于和/或等于所述第二阈值时控制所述开关装置工作在高电压模式下。

优选地，在低电压模式下，所述LED光源的正向电压(即第一正向电压)小于所述工作电压。最优选的是，在高电压模式下所述LED光源的正向电压(即第二正向电压)高于工作电压。

本实施例允许在例如与诸如升压转换器之类的开关模式电源的操作相对应的开关模式控制下操作LED电路装置，提供更高级和灵活的控制。根据本实施例，在低电压模式下的LED光源的第一正向电压(例如LED单元的总正向电压)低于工作电压。相应地，在该操作模式下电压降出现在电抗元件的两端，导致电流的增加。在高电压模式下，LED光源的第二正向电压高于工作电压，导致电抗元件两端的负电压(该电抗元件例如可以是串联电感，如前所述)。因此，电流减小。因为电抗元件由于有能量存储的行为而试图保持电流水平，高电压模式下被应用于LED光源的电压高于工作电压，让电流能够流经LED光源。因而，根据本实施例的电路对应于升压转换电路。

优选地，开关装置被适配用于连续操作，以使得LED单元被连续供电，即在两种开关模式下都与电抗元件相连接。本实施例有利地减少了光闪烁，因为两个LED单元都被稳定地提供电力并且因而连续发光。此外，开关装置的开关频率有利地可以被增大，因为LED单元的本征电容未被完全放电。

根据本发明的演变，开关装置被适配以使得在所述低正向电压模式下，所述第一和第二LED单元被并联连接到彼此。优选地，开关装置还被适配为在高电压模式下将第一和第二LED单元彼此串联连接。本实施例有利地实现了电路装置的进一步简化。

LED单元的并联布置提供了LED光源的相对低的第一正向电压，根据本实施例，所述第一正向电压基本对应于所述第一和第二LED单元的并联连接的正向电压。在高电压模式下的LED光源的第二正向电压(即在LED单元串联连接时)基本对应于第一和第二LED单元的正向电压的和。因而，本实施例利用更简化的电路设计提供了对所述低电压和高电压模式的前述控制，并且还有利地实现了连续操作以减少LED单元的光输出中的光闪烁。

可以提供开关装置以根据任何适当的设计在所述并联和串联操作之间切换。优选地，开关装置包括至少两个开关器件以将LED单元彼此并联或串联连接。

例如，在第一开关状态下这两个开关器件可以被提供以将LED单元彼此并联连接。在这种情况下第一和第二LED单元的整体装置分别与电抗元件和电压输入端串联连接。在第二种状态下，第一和第二LED单元彼此被串联连接，例如通过包括反向电压保护二极管和/或诸如MOSFET之类的另外的开关器件的合适的桥式电路串联连接。此外，这两个LED单元的串联连接与电抗元件串联连接。

如上所述，在第一和第二LED单元彼此串联连接的情况下，LED光源的正向电压对应于第一和第二LED单元的正向电压的总和。可以根据应用选择第一和第二LED单元的正向电压。为了获得用于大多数应用的高质量光输出，优选所述第一LED单元的正向电压基本对应于第二LED单元的正向电压，导致特别有利的电压比，例如接近1:1。当然，可能难以为第一和第二LED单元提供相等的正向电压，尤其是由于通常的大批量制造过程存在制造公差。但是，偏差会导致在所述第一和第二LED单元彼此并联连接的情况下出现不同的电流分配，导致对LED单元的不同的压力和不同的发光。因此，所述第一LED单元的正向电压优选地在所述第二LED单元的正向电压的90-110％的范围内。

合适的电压范围还可能取决于所使用的LED的正向特性。LED(即LED单元)的电流-电压曲线越陡，对于给定的正向电压之间的差值，越可能出现电流分配的“不匹配”。因此，作为对正向电压匹配要求的替代或附加，LED单元可以适配为针对在例如根据具体应用设置的给定电压处匹配的规定正向电压匹配。在这种情况下，在给定的正向电压处，第一LED单元的电流应当基本对应于第二LED单元的电流，例如在第二LED单元的电流的90-110％的范围内。

根据本发明的演变，开关装置被控制单元控制为具有400Hz到40MHz的开关频率，该开关频率优选16kHz到10MHz并且最优选的是20kHz到4MHz。本实施例有利地提供了进一步被减小的光闪烁，改进了LED电路装置的光输出。

优选地，控制单元包括电流检测电路以确定流经LED光源的电流。电流检测电路可以是能够在LED电路装置的操作期间实现可靠的检测的任何合适类型的电流检测电路。电流检测电路应当向控制单元提供与在操作期间流经LED光源和/或LED单元的电流的当前电流水平相对应的信号。电流检测电路可以与所述控制单元整体地被形成在例如相应的微控制器中，或者可以单独提供并且通过适当的有线或无线信号连接被连接到控制单元。优选地，电流检测电路包括与第一和第二LED单元串联连接的电流感应电阻器，以向控制单元提供与流经LED单元的电流相对应的电压信号。

最优选地，控制单元利用辅助电源电压操作，该辅助电源电压由操作期间LED光源中存在的电压(例如LED单元中的任一LED单元的工作电压或正向电压)经由合适的电路(例如解耦二极管、滤波电容器和线性电压调节器)而生成。由LED光源中已存在的电压生成辅助电源电压是有利的，因为这样LED光源就不需要附加的端子来馈入在外部生成的辅助电源电压。

如上所述，LED单元的发光二极管优选被形成在共同的半导体晶圆、衬底或模块上。具体而言，当大功率LED被使用时，若干个LED(即pn结)可以被形成在单个晶圆上以便为光照或通用照明应用提供必要的光通量。因此，(尤其是在后一种情况下)可以将第一和第二LED单元形成在所述共同晶圆上。

根据本发明的另一演变，LED单元、开关装置和/或控制单元彼此成整体地被形成在例如单个晶圆上或者共同的封装或模块中。本实施例允许进一步减小本发明的电路装置的大小，提供非常紧致的构造。

LED单元、开关装置和/或控制单元可以被提供在单一半导体晶圆上以提供更简化的制造过程。或者，电基片可以被提供以机械支持和/或电连接LED单元，该基片包括开关装置和/或控制单元。该基片当然可以包括其它电或机械元件，例如散热片或热管以消散LED单元或LED光源的其它电子组件所产生的热。

还优选电抗元件与LED光源，即与LED单元、开关装置和/或控制单元整体形成。最优选的是，电抗元件与所述电基片整体形成。

根据本发明的另一优选实施例，LED光源是双极器件。就这里的描述而言，双极或双接脚器件是具有用于连接到所述LED电路装置的两个电端子的电组件。

就将LED光源安装到印刷电路板而言，本实施例尤其有用。虽然如上所述LED光源包括内部电流控制，但是用户可以按照与常见现有技术的LED光源相同的方式将设备集成到PCB布局中。LED光源因而可以被认为是具有“准阳极”和“准阴极”。

根据本发明的演变，LED电路装置包括与电压输入端串联连接的不止一个LED光源。根据该实施例，本发明的电路装置的光通量通过如上所述的相应的多个LED光源的串联连接被进一步增大。具体而言，本实施例允许使用具有多个LED光源被连接到的单个电抗元件的LED电路装置。由于电压输入端提供工作电压并且电流在内部被每个LED光源控制，所以不需要电路的进一步适配。但是，当然在使用标准电源并且标准电源与电压输入端相连接的情况下，额定电压、额定电流和额定功率应当允许相应数目的LED光源的操作。作为附加或选择，LED电路装置优选地被提供有与所述一个或多个本发明的LED光源和所述至少一个电抗元件串联连接的根据现有技术的一个或多个LED。这种组合的电路装置尤其经济并且同时提供更大的光通量。

此外，多个LED电路装置可以与所述电源并联连接以增大光通量。

开关模式操作的开关频率以及占空比主要取决于工作电压。由于流经第一和第二LED单元的电流在低电压和高电压模式下可能是不同的，所以这两种模式下的光通量可能不同，导致光通量对工作电压的依赖关系。虽然这可能是有利的，因为它使得光通量容易被设置在特定范围内，尤其是在使用非稳压电源的情况下，但是光输出的质量可能会受影响。

根据本发明的另一优选实施例，控制单元被配置为适配第一和/或第二阈值，以使得流经LED光源的电流对应于预规定的平均灯电流。由于光通量取决于平均灯电流，本实施例允许与输入电压水平相独立地设置光通量，因而提供了更稳定的光输出。平均灯电流可以例如由用户利用相应的用户接口根据应用来设置，并且被存储在适当的存储器中或者可以是出厂设置。作为选择或附加，平均灯电流可以是可变的并且被控制单元适配，例如利用所提供的反馈设备来测量输出光通量并将平均灯电流设置为给定的设定点通量而适配。因而，本实施例有利地允许例如对老化和温度效应的补偿。

优选地，控制单元被配置为例如利用电压测量电路确定输入电压并且相应地适配平均灯电流。在这种情况下，控制单元可以被配置为设置平均灯电流以提供很大程度上独立于输入电压的恒定光通量。作为选择或附加，控制单元可以被配置为根据与输入电压的给定关系设置平均灯电流。因此，可以通过控制输入电压设置LED光源的光通量，即不需要另外的控制信号或用户接口。最优选的是，控制单元被配置为适配第一(例如较低的)电流阈值以提供预先规定的平均灯电流。

根据本发明的LED光源被适配用于和LED电路装置一起工作，如上所述。LED光源包括每一个具有至少一个发光二极管的第一和第二LED单元，在低电压模式和高电压模式下将所述LED单元与电抗元件相连接的可控开关装置，以及控制单元。在所述低电压模式下，LED光源显示第一正向电压。在高电压模式下，LED光源显示高于所述第一正向电压的第二正向电压。

控制单元被配置为当由所述电压源提供的电流对应于第一阈值时将所述开关装置设置为所述低电压模式，而当所述被提供的电流对应于第二阈值时将所述开关装置设置为所述高电压模式。当然，LED光源可以优选地被适配用于以上的优选实施例。

根据本发明的利用工作电压操作LED光源的方法，所述LED光源包括每一个具有至少一个发光二极管的第一和第二LED单元，以及在低电压模式和高电压模式下将所述LED单元与电抗元件相连接的可控开关装置。在所述低电压模式下，LED光源显示第一正向电压。在高电压模式下，LED光源显示高于所述第一正向电压的第二正向电压。当被提供给所述LED光源的工作电流对应于第一阈值时开关装置被设置为所述低电压模式，当所述被提供的电流对应于第二阈值时开关装置被设置为所述高电压模式。当然，LED光源可以优选地利用根据以上实施例的LED电路装置而操作。

附图说明

本发明的以上及其它目的、特征和优点将根据对优选实施例的描述而变得清楚，其中：

图1示出了根据本发明的第一实施例的具有LED光源的LED电路装置的示意性电路图，

图2示出了在操作期间根据图1的LED电路装置中的电流的时序图，

图3a示出了根据第二实施例的LED光源的横截面视图，

图3b示出了根据第三实施例的LED光源的横截面视图，

图3c示出了根据第四实施例的LED光源的横截面视图，

图4示出根据本发明的另一实施例的LED电路装置的示意性电路图以及

图5示出根据本发明的另一实施例的LED电路装置的示意性电路图。

具体实施方式

图1示出了根据本发明的第一实施例的LED电路装置1的示意性电路图。LED电路装置1包括与LED光源3连接的LED电源电路2。LED光源3作为单一模块或芯片形成，下面将参考图2进行说明。LED电源电路2包括电压输入端4a和电压输入端4b，即，根据本实施例的用于连接到提供15V直流电压的电压源5的两个端子。电源5可以例如是被连接到相应的电源干线并且包括整流器以提供所述直流电压的开关模式电源单元。

LED电源电路2还包括被串联连接在电压输入端4、电压源5和LED光源3之间的电抗元件6，即在本示例中为具有100μH电感的线圈。

LED光源3包括用于与LED电源电路2连接的两个端子7a和7b。根据本示例的LED光源3因而可以被称为“双极”或“双接脚”器件，使得将LED光源3集成到现有电源电路中是很容易实现的。根据本实施例的端子7a和7b例如被提供为金属焊盘以连接到印刷电路板。LED光源3还包括第一LED单元8和第二LED单元9，根据本示例，这两个单元每一个包括被串联布置的三个大功率发光二极管48(在图1中未示出)，得到大约9V的规定正向电压。为了将第一和第二LED单元8、9与电抗元件6并且从而与电压源5相连接，提供了开关装置10，根据本实施例，开关装置10包括两个可控开关11。开关11通过如图1中的虚线所示的适当的控制连接被控制单元12操纵。根据本示例，控制单元12包括被适当地编程以用于电流控制的微控制器，下面将进行讨论。控制单元12还与电流检测器13连接以测量流过电路装置1的电流。提供开关装置10以在高电压模式和低电压模式下操作LED光源3。

在高电压模式下，如图1中所示，开关11打开。第一和第二LED单元8、9相应地通过包括反向电压保护二极管15的桥式电路14与彼此以及电抗元件6串联连接，得到规定的LED光源3的第一总体正向电压。在低电压模式下，两个开关11都关闭，使得第一和第二LED单元8,9彼此并联连接，得到规定的LED光源3的第二正向电压。在该模式下，反向电压保护二极管15防止短路。因而，LED光源3可以被设置在两种模式下。例如在两个端子7a和7b之间所测量的LED光源3也即LED单元8、9的总正向电压可以相应地被设置为在低电压模式下的LED光源的第一正向电压9V和在高电压模式下的LED光源3的第二正向电压18V。因此，低电压模式下的LED光源3的总正向电压低于电压源5的电压。在高电压模式下，正向电压高于所提供的电压。

下文中参考图2的时序图说明根据图1的实施例的本发明的LED电路装置1的工作原理。在图2中，示出了流经电抗元件6也即流经LED光源3的端子7a和7b的电流I_L以及电流I_JUNC随时间的变化，时间上从LED电路装置1连接到电源(即到电压源5)开始。

电流I_JUNC指每个LED单元8,9的LED的有效结电流。取决于LED光源3在低电压还是高电压模式33，电流I_L分别流经并联或串联的两个LED单元8和9。因此，每个LED单元8,9的有效电流I_JUNC对应于高电压模式33中的电流I_L和低电压模式32中的电流I_L的一半，因为这里，两个LED单元8,9被并联连接，使得电流I_L被共享。根据本示例，LED单元8,9被假设为显示对应的电特性，即LED单元8,9的正向电压的电压比为1:1。因此，电流I_L被等分。如上所述，控制单元12被适配为利用电流检测器13测量流经LED光源3的电流I_L。控制单元12被适配为控制开关装置11的开关11从所述低电压模式(即并联连接)变为所述串联连接。控制单元12被编程有根据本示例的700mA的第一电流阈值30和1400mA的第二电流阈值31，即比第一电流阈值30高出700mA的“电流波动值”Δi。当所测得的电流低于或对应于所述第一阈值30时，控制单元12控制开关装置10工作在低电压模式32下。即使电流I_L进一步增大，开关装置10仍处于低电压模式下。如果电流达到(即等于或高于)所述第二阈值31，则开关装置10被控制为工作在高电压模式33下。同样，开关装置10被保持在高电压模式33下直到电流I_L等于或低于第一阈值30。因而，可以适当地利用根据本发明的电流控制，该电流控制能够将工作状态下(即正常工作条件下)的电流保持在第一与第二阈值之间。本示例导致大约30kHz的开关频率。

开关装置10的占空比或开关频率当然取决于阈值30,31，也就是取决于电流波动值Δi、电抗元件6的电感以及LED单元8,9的特性(即尤其是正向电压)。为了利用前述阈值提供在20kHz到4MHz范围内的开关频率，大约150μH到750nH的电感是特别优选的。

因而，该装置的操作基本对应升压转换器的操作，从而占空比或开关频率可以由本领域技术人员利用现有的设计标准和规则根据相应的应用来设定。

参考图2，控制单元12的操作通过将电路1连接到电压源5而启动。最初，控制单元12将开关装置10设置为低电压模式32。因此，电流I_L将为0。因为在低电压模式32下，LED光源3的有效总正向电压低于电压源5的工作电压，如上所述，电抗元件6两端存在电压降。因此，在低电压模式/阶段32期间，电流I_L增大。

当电流I_L达到第二阈值31时，控制单元12将开关装置10的开关11设置为打开状态，即高电压模式/阶段33。由于串联连接，在该模式下LED单元8,9的总正向电压高于电压源5的电压。但是，由于电抗元件6将试图抑制I_L的改变，所以LED光源3的端子7处的电压升高到使得电流流经第一LED单元8、第二LED单元9和反向电压保护二极管15成为可能的水平。电压的升高与开关装置10的关闭过程同时发生，导致连续的电流流动并且进而导致第一和第二LED单元8,9的LED连续工作。

由于根据该高电压模式33的总正向电压高于电压源5的工作电压，所以电抗元件6两端的电压为负值，导致在高电压模式33下电流I_L减小，如图2中所示。当电流I_L达到第一阈值30时，控制单元12控制开关装置10的开关11再次工作在低电压模式32下，即第一和第二LED单元8,9并联工作的模式。相应地，在接下来的低电压模式32下电流I_L增大并且上述操作被重复。LED光源3的控制单元12的操作因而提供了在两个阈值30,31内的电流控制，并且从而允许在稳定电流的同时利用电压源5对LED光源3进行操作。因而，可以有利地省去复杂的电流调节器。另外，由于高开关频率，LED单元8,9的LED48被连续地提供工作电流，导致光输出没有黑暗时间并且基本上是没有闪烁的。当电路装置1用以高于高电压模式33下LED光源3的总正向电压的电压操作时，内部电流调节未激活。相反，LED光源3可以像典型的一串LED48那样操作，在这种情况下需要从外部控制电流。相应地，作为自控设备在特定的电源电压范围内工作的相同的光源3，当接受高于高电压模式33下的总正向电压的电源电压时，可以作为正常的高电压LED光源3操作。这里，应当在外部提供限流器件。因而，LED光源3和电路装置1是非常通用的。当然，电特性以及电流阈值应当根据相应的应用、尤其是针对所提供的电压和所使用的特定电子组件而适配。但是这种适配可以由本领域普通技术人员来进行。

如上所述，LED光源3可以作为集成模块形成，从而具有很有利的小外形尺寸。图3a以横截面视图示出了基本与图1的实施例相对应的的光源3’的实施例。如图所示，第一和第二LED单元8,9每一个由本领域中所公知的包括二极管半导体结构的外延半导体层20a,20b形成。为了提供白光输出，磷层21a,21b被设置在外延半导体层20a,20b顶部。LED光源模块3’的上述层20a,20b,21a,21b在标准半导体制造过程中形成，允许成本上划算的构造。半导体层20a,20b通过焊接点22连接到电基片23以提供必要的电连接和机械固定。

如图3a中所示，电基片23包括图1中所示的LED光源模块3’的其余电组件，即开关装置10、控制单元12、电流检测器13以及具有反向电压保护二极管15的桥式电路14。为了清楚起见，不是所有的前述组件都被显示在图3a中。电基片23也通过标准的已知的半导体陶瓷或印刷电路板制造过程来形成。整体装置可通过相应的焊接端子7a和7b连接到LED电源电路2(在图3a中未示出)。散热器接口24被提供以消散LED单元8,9和电基片23所产生的热。图3b示出了另一实施例LED光源3”。

图3b的实施例基本对应于图3a的实施例，只是多了用作电抗元件6’的电感层25。因此，LED光源3”提供了更加集成的构造，使得LED光源3”可以很容易通过电压输入端4a和4b连接到电压源5。

图3c示出了本发明的的另一实施例LED光源3”’。图3c的实施例基本对应于图3a的实施例，只是这里没有电基片23。因此，第一和第二LED单元8,9通过焊接点22连接到印刷电路板26，该印刷电路板26包括LED光源3”’的前述其它组件，即可控开关装置10、控制单元12、电流检测器13和桥式电路14(在图3c中未示出)。

图4示出了根据另一实施例的LED电路装置1’的示意性电路图。

根据图4的电路装置1’的实施例基本对应于以上参考图1所描述的实施例，只是具有修改的开关装置10’和控制单元12’。根据本示例的开关装置10’包括由控制单元12’控制的两个MOSFET40a和40b。根据图4的实施例的控制单元12’包括触发器装置46，该触发器装置的输出Q被连接到栅极驱动器47。栅极驱动器47用于将触发器装置46的信号放大到适合于驱动MOSFET40的栅极的水平。根据本示例，MOSFET40a是N沟道型的，而MOSFET40b是P沟道型的。根据所使用的MOSFET40a,40b的具体类型，可能不需要进行电平偏移来驱动P沟道MOSFET40b，即如果高正向电压低于P沟道MOSFET40b的被允许的栅-源极电压的话。本领域中有多种用于MOSFET栅极驱动的概念和驱动器IC。对于上述集成设备，考虑到MOSFET40的输入特性、电压水平和期望的开关频率，合适的电路被实现在基片23上。控制单元12’还包括分别被连接到第一电压基准生成器42和第二电压基准生成器43的第一比较器44和第二比较器45。

比较器44,45比较被传送到它们的输入连接的电压水平。如果在相应的正相输入端(在图4中用符号“+”标记)处的电压高于在相应的反相输入端处的电压，则去往触发器装置46的输出信号为高。相应地，如果正相输入端处的电压低于反相输入端处的电压，则输出信号为低。比较器44,45应当呈现适当的共模电压范围以允许所希望的开关操作。为了高效率，感测电阻器41两端的电压降应当非常小，例如低于100mV。因而，比较器44,45必需用接近于地电势的输入信号进行操作，该输入信号可以被提供为最负的电源电压。用于本申请的多种类型的比较器在市面上有售，通常被称为“单电源”或者甚至是“轨对轨输入”比较器。最简单地，合适的差分放大器可以被用作比较器。

电压基准生成器42可以包括独立偏置齐纳二极管、带隙基准源或者由具有合适的电压水平和稳定性的共用辅助电源供电的简单的电压分压器。

第一和第二比较器44,45与电流检测器13相连接，根据本示例，该电流检测器13包括电流感测电阻器41。电阻器41为第一和第二比较器44,45提供与流经灯3””的当前电流相对应的电压。比较器44,45将信号与由所述第一和第二电压基准生成器42,43提供的基准电压进行比较，所述基准电压被设置为与第一和第二电流阈值30,31相对应。在启动阶段中，一旦设备启动，比较器45生成高信号，设置触发器装置46。因此，触发器46的输出Q为高，使MOSFET40处于关闭状态。LED光源3””因而被设置为低电压模式。当电阻器41两端的电压降达到第一阈值30时，比较器45生成低输出信号，但是由于触发器装置46的原因，开关将仍停留在关闭状态。当电阻器41两端的电压降达到第二阈值31(即由第二电压基准生成器43设置的电压)时，比较器44生成高输出信号，重置触发器装置46，使得MOSFET40被停用，即被设置为打开状态。LED光源3””因而被设置为高电压模式，导致电流I_L减小，如在上面参考图2所讨论的那样。根据图4的实施例提供了一种简单且经济的LED光源3””的构造。如上所述，第一和第二电流阈值30,31由相应的第一和第二电压基准生成器42,43设置。虽然在两种模式(即低电压模式和高电压模式)下，两个LED单元8,9(每个包括单个LED48)被连续提供有工作电流，但是由于从LED单元8,9的并联连接到串联连接的切换，两种模式下的光通量明显不同。因此，LED单元8,9的光通量取决于控制的占空比，并且因而至少一定程度上取决于电压源5的电压；虽然能够通过工作电压在高正向电压和低正向电压之间的变化来控制光通量可能是有利的，但是这种依赖性对于用不够稳定的电压源5的操作电路1’来说可能是不希望有的。

图5示出了根据本发明的另一实施例的LED电路装置1”的示意性电路图。除了控制单元12”和第一和第二LED单元8’,9’以外，图5的实施例基本上对应于以上参考图4描述的实施例。参考图5，第一和第二LED单元8’,9’每一个只包括一个LED48。控制单元12”包括另一电压源52，该电压源确定第一与第二阈值30,31之间的差值并且从而确定流经电抗元件6的电流I_L的电流波动Δi。第一OP-AMP50设置第一和第二电流阈值30和31。这些阈值不再是固定的，因为第一OP-AMP50的输入端被连接到电容器58、电阻器56,57和触发器装置46的反相输出的布置，使得第一电流阈值30主要取决于占空比。具有开关操作的热熔丝55提供过温保护。第二OP-AMP51与电阻器41相连接以提供如上所述的与流经LED光源1”的当前电流相对应的信号。与图4的实施例相对应，栅极驱动器53(例如OP-AMP)用于将触发器装置46的信号放大到适合于驱动MOSFET54a和54b的栅极的水平。触发器装置46的反相输出被连接到第一栅极驱动器53并且触发器装置46的输出Q被连接到第二栅极驱动器53。

根据本实施例，第一和第二电流阈值30,31是可变的并且取决于开关操作的占空比，使得输出光通量线性地依赖于电压源5的输入电压，从而在不需要附加控制装置的情况下实现调光功能。由电阻器57和电容器58形成的RC电路滤除MOSFET54a和54b的占空比的任何高频成份，使得平均值被用于设置第一和第二电路阈值30,31。当LED电路装置1”的温度达到上限时，热熔丝55将占空比信号钳制为低值，使得平均电感器电流I_L将很低，以利用低功率或零功率水平驱动LED48。

开关54a和54b的占空比被定义为

d_{k} = \frac{T_{u p}}{T_{S}} = \frac{K}{K - 1} (1 - \frac{V}{{Vf}_{h i g h}}),

其中V_supply是被应用于LED光源3””’的端子7的电压，而Vf_high是在高电压模式33下LED光源3””’的总正向电压。时间T_up是电抗元件6的充电时间，时间T_S表示开关周期，并且

K = \frac{{Vf}_{h i g h}}{{Vf}_{l o w}} > 1,

其中Vf_low是在低电压模式32下LED光源3””’的总正向电压。

对于以上实施例的特定情况而言，得到

d_{2} = 2 \cdot (1 - \frac{V_{\sup p l y}}{{Vf}_{h i g h}}) .

开关频率可以被表示为

F_{S} = \frac{V_{\sup p l y} - {Vf}_{l o w}}{L_{1}} - \frac{d_{K}}{Δ I},

其中Δi是电抗元件6的电流波动幅度。

在K＝2的情况下，并且假设在稳态操作中LED正向电压不变，传送给LED48的总平均功率可以被计算为

P_{L E D} = (1 - \frac{d_{2}}{2}) \cdot {Vf}_{h i g h} \cdot I_{a v 0}

其中I_av0是电抗元件6的平均电感器电流，根据上述实施例，该电流独立于V_supply并且等于

I_{a v 0} = I_{L 1 \min} + \frac{Δ I}{2},

其中I_L1min是在稳态下电感器电流波形的最小值。

从以上的表达式中，可以看出被传送给LED48的平均功率随V_supply线性变化。最大功率跨度对应于0.5P_max。当V_supply接近Vf_high时，实现最大功率传送P_max。相应地，当V_supply接近Vf_low时，得到最小功率P_min。

根据图5，电压源52限定电流波动ΔI，而OP-AMP50设置I_L1min。后者不再是固定值，因为OP-AMP50的输入对应于1-D₂。因而，OP-AMP50产生输出信号使得

I_L1min(d)＝I_L1min0+m_x(1-d)，

其中I_L1min0和m_x由电压源52的设置限定。因而，该配置中的平均输出电流为

P_{L E D}^{'} = (I_{L 1 \min} (d) + \frac{Δ I}{2}) (1 - \frac{d_{2}}{2}) \cdot {Vf}_{h i g h} .

本发明已在附图和以上描述中被详细图示和描述。这些图示和描述应被认为是说明性或示例性的而非限制性的；本发明不局限于所公开的实施例。例如可以根据以下的实施例来操作本发明，在该实施例中：

－LED单元8,9包括串联或并联或者串并联组合连接的更多或更少数目的发光二极管48，

－LED单元8,9包括OLED或激光二极管作为发光元件，

－电抗元件6与LED光源模块3,3’,3”,3”’,3””,3””’集成，

－在电路装置1,1’,1”中，多个LED光源3,3’,3”,3”’,3””,3””’被串联连接到电抗元件6，

－电压源5与LED电源电路2集成，

－端子7a和7b被提供为例如一个或多个灯头的连接接脚，而不被提供线接合盘或焊盘，并且/或者

－控制单元12,12’,12”可以被配置有模式开关，该模式开关被布置为将控制单元12,12’,12”设置为规定的控制设置。这可以例如通过激活(例如提升)在特定模式下的被提供信号的方式来经由正常的端子7来实现。然后，开关装置10被激活或停用，并且LED光源3,3’,3”,3”’,3””,3””’可以利用低模式或高模式电压被操作。取决于LED光源3,3’,3”,3”’,3”,3””’中的模式开关的实现方式，该设置可以是非易失性的(永久地存储在LED光源中)、易失性的(只要在端子7处有电源电压该设置就有效，但是在掉电之后消失)或者动态的(只在命令之后的有限时间内有效，使得该设置必须被不断刷新以保持在所希望的控制模式下，否则LED光源3,3’,3”,3”’,3””,3””’进入正常的内部控制模式，如上所述)。

在权利要求中，词语“包括”不排除其它元件或步骤，并且不定冠词“一个”不排除复数。特定措施在并非具有相同从属关系的从属权利要求或实施例中被引述这一事实不代表这些措施的组合不能被用来实现本发明的优势。权利要求中的任何参考标记都不应当被理解为限制权利要求的范围。

Claims

1.一种LED电路装置，至少具有

－DC电压输入端(4)，其被适配为提供工作电压，

－电抗元件(6)，其与所述DC电压输入端(4)串联连接，

－LED光源(3)包括

－控制单元(12)，其被配置为

2.根据权利要求1所述的LED电路装置，其中所述LED光源(3)在所述低电压模式下具有第一正向电压而在所述高电压模式下具有第二正向电压，所述LED光源(3)的所述第一正向电压低于所述工作电压并且所述LED光源(3)的所述第二正向电压高于所述工作电压。

3.根据前述权利要求中的任一权利要求所述的LED电路装置，其中所述LED单元(8，9)在所述低电压模式和所述高电压模式下都与所述电抗元件(6)相连接。

4.根据权利要求1所述的LED电路装置，其中所述第一LED单元(8)的正向电压对应于所述第二LED单元(9)的正向电压。

5.根据权利要求1所述的LED电路装置，其中所述开关装置(10)以400Hz到40MHz的开关频率被所述控制单元(12)控制。

6.根据权利要求1所述的LED电路装置，其中所述控制单元(12)包括电流检测电路(13)以确定流经所述LED光源(3)的电流，并且所述控制单元(12)被进一步配置为根据由所述电流检测电路(13)确定的流经所述LED光源(3)的所述电流来将所述开关装置(10)设置为所述低电压模式或所述高电压模式。

7.根据权利要求6所述的LED电路装置，其中所述控制单元(12)被配置为适配所述第一阈值和/或第二阈值(30，31)，使得流经所述LED光源(3)的电流对应于预先规定的灯平均电流。

8.根据权利要求1所述的LED电路装置，其中所述LED单元(8，9)、所述开关装置(10)和/或所述控制单元(12)彼此整体地形成。

9.根据权利要求1所述的LED电路装置，其中所述电抗元件(6)与所述LED光源(3)整体地形成。

10.根据权利要求1所述的LED电路装置，其中所述LED光源(3)是双极器件。

11.根据权利要求1所述的LED电路装置，包括与所述电压输入端(4)串联连接的一个以上LED光源(3)。

12.一种用于在根据前述权利要求中的任一权利要求所述的LED电路装置(1)中工作的LED光源。

13.一种操纵通过电抗元件与DC工作电压相连接的LED光源(3)的方法，所述LED光源(3)包括每一个具有至少一个发光二极管的第一LED单元和第二LED单元(8，9)，在所述LED光源(3)的低电压模式下，所述第一LED单元和第二LED单元(8，9)彼此并联连接，在所述LED光源(3)的高电压模式下，所述第一LED单元和第二LED单元(8，9)彼此串联连接，