CN103369762A - 基于发光二极管的照明设备的驱动方法和装置 - Google Patents

Abstract

多个开关单元与多个基于发光二极管的照明单位交错连接，以提供多种照明模式。每个开关单元连接一领先的基于发光二极管的照明单位，和一尾随的基于发光二极管的照明单位，其中每个开关单元可以被一控制器单独个别控制。开关单元可以并联或串联方式连接前后两个照明单位，也可以将领先的照明单位短路。当输入电源电压在最高电压时，所有的基于发光二极管的照明单位都以串联方式连接。而当输入电源电压在最低电压时，所有的基于发光二极管的照明单位则都以并联方式连接。当输入电源电压从最高电压逐渐下降时，以并联方式连接的基于发光二极管的照明单位逐渐增加，反之亦然。

Description

基于发光二极管的照明设备的驱动方法和装置

技术领域

本发明系有关基于发光二极管的照明装置，尤其是有关于利用串联或并联组合多个基于发光二极管的照明单位的装置和驱动方法。

背景技术

发光二极管(LED)是一种基于半导体的光源，经常被应用在低耗电仪表和家电的指示器，应用发光二极管在各种照明装置也已越来越普遍。例如，高明亮度的发光二极管已被广泛用于交通信号灯，车辆指示灯，以及刹车灯。

发光二极管的电流对电压(IV)特性曲线类似于一般的普通二极管，当加于发光二极管的电压小于二极管的正向电压时，只有非常小的电流通过发光二极管。当电压超过正向电压时，通过发光二极管的电流则大幅增加。一般来说，在大多数操作范围，基于发光二极管的照明装置的发光强度是和通过的电流成正比，但操作在高电流时则不如此。通常为基于发光二极管的照明装置设计的驱动装置，都是以提供一个恒定的电流为主，以便能发出稳定的光和延长发光二极管的寿命。

为了提高基于发光二极管的照明装置的亮度，通常是将多数个发光二极管串联在一起，形成一个基于发光二极管的照明单位，而且多数个基于发光二极管的照明单位可以更进一步串联在一起，形成一个照明装置。例如，美国专利6777891号揭露将多个基于发光二极管的照明单位，形成一个可由计算机控制的灯串，其中每个照明单位在灯串里形成一个可单独控制的节点。

每个照明装置所需要的工作电压，通常是取决于照明单位里的发光二极管的正向电压，每个照明单位里有多少个发光二极管，每个照明单位是如何相互接联的，以及每个照明单位在照明装置里，是如何接收来自电源的电压。因此，在大多数的应用中，都需要某种类型的电源电压转换装置，来将一般较普遍的高电源电压，转换成较低的电压，以提供给一个或多个基于发光二极管的照明单位。因为需要这样的一个电压转换装置，造成基于发光二极管的照明设备效率减低，成本增高，也难以减小其体积。

美国专利7781979号提供了一个控制串联的发光二极管的装置。其中有两个或两个以上的发光二极管串联连接。当施加电压时，一串联的电流即流经发光二极管。其中至少有一个发光二极管被并联一个或多个可控制的电流路径，来使串联的电流部分流经这些可控制的电流路径，以便不需要电压转换装置即可使用一般较普遍的高电源电压。因此该装置可使用如120V或240V的交流电压。

因为已有越来越多的基于发光二极管的照明单位被应用在高亮度的照明设备上，如何使用墙上现有的交流电源，灵活和有效地提高发光二极管的利用率，并提供稳定性和高亮度，来驱动和连接多数个基于发光二极管的照明单位的设计方法和装置，已经形成一种不可或缺的需求。此外，如何控制连接在一起的基于发光二极管的照明单位，使照明亮度可以根据不同的照明要求，或交流电源电压的变化，来提供不同的照明模式，也是非常重要的。

发明内容

本发明系为满足上述基于发光二极管的照明装置的应用的需要而创作的，主要目的是提供一种可以灵活地连接多个基于发光二极管的照明单位的照明装置，在这样一个基于发光二极管的照明装置下，每一个基于发光二极管的照明单位，可以和相邻的基于发光二极管的照明单位以串联或并联方式连接，或被以短路方式绕过。

因此，本发明的照明装置包括多个基于发光二极管的照明单位与由控制器控制的多个开关单元交错连接。每个开关单元连接一个领先的基于发光二极管的照明单位，和一个尾随的基于发光二极管的照明单位，经由该开关单元的控制，可以将前后两个基于发光二极管的照明单位并联或串联，或以短路方式绕过领先的基于发光二极管的照明单位。在本发明的照明装置中，输入电源的电压连接于第一个基于发光二极管的照明单位，以提供电力给本发明的照明装置，最后一个基于发光二极管的照明单位，则经由一个电流控制器连接到地面。

在本发明的一个优选实施范例中，每一个基于发光二极管的照明单位有各别的正极端和负极端，每个开关单元包括两个并联开关器和一个串联开关器。第一个并联开关器系用来连接前后两个基于发光二极管的照明单位的各别正极端，第二个并联开关器则用来连接前后两个基于发光二极管的照明单位的各别负极端，而串联开关器则用来连接领先的基于发光二极管的照明单位的负极端和尾随的基于发光二极管的照明单位的正极端。

本发明的另一个目的是提供一个根据输入电源电压变化，或照明装置中的电流控制器上的电压变化，或是这两者的电压变化，来控制多个基于发光二极管的照明单位的连接的照明装置。在本发明的优选实施例中，电流控制器可能是一个电流检测电阻器或可变电流源。

根据本发明的优选实施范例之一，当输入电源电压在最高电压时，所有的基于发光二极管的照明单位都以串联方式连接，当输入电源电压在最低电压时，所有的基于发光二极管的照明单位都以并联方式连接，而当输入电源电压从最高电压逐渐下降时，以并联方式连接的基于发光二极管的照明单位则逐渐增加。相反的，当输入电源电压从最低电压逐渐上升时，以串联方式连接的基于发光二极管的照明单位则逐渐增加。

本发明的另一个目的是为基于发光二极管的照明单置提供各种驱动方法，藉由串联一些基于发光二极管的照明单位，或并联一些基于发光二极管的照明单位，或者以短路方式绕过一些基于发光二极管的照明单位，以提供多种照明模式。本发明提供了五种不同的驱动方式的例子，每种驱动方式藉由控制器来控制多个开关单元，以不同的方式连接多数个基于发光二极管的照明单位，来提供多种照明模式。

本发明实施例提供了一个基于发光二极管的照明装置，包括：

多个基于发光二极管的照明单位，每个照明单位有一正极端，一负极端，和一个或多个发光二极管连接于正极端和负极端之间；

多个开关单元与上述多数个基于发光二极管的照明单位交错连接，每个开关单元被放置于一领先的基于发光二极管的照明单位与一尾随的基于发光二极管的照明单位之间；

一输入电源连接到上述多数个基于发光二极管的照明单位里的第一个照明单位的正极端；

一控制器，用来控制上述多个开关单元；

一电流控制器包括有第一端和第二端，其中第一端连接到上述多个基于发光二极管的照明单位里的最后一个照明单位的负极端，而第二端则连接到地面；

其中上述控制器可以分别控制上述多个开关单元里的每个开关单元，每个开关单元包括一串联连接模式用来将其领先的基于发光二极管的照明单位的负极端连接到其尾随的基于发光二极管的照明单位的正极端，一并联连接模式用来将其领先的基于发光二极管的照明单位的正负极端分别连接到其尾随的基于发光二极管的照明单位的正负极端，和一短路连接模式用来将其领先的基于发光二极管的照明单位的正负极端都连接到其尾随的基于发光二极管的照明单位的正极端。

其中，优选地，上述多个开关单元里的每个开关单元包括：第一并联开关器用来将其领先的基于发光二极管的照明单位的正极端连接到其尾随的基于发光二极管的照明单位的正极端，第二并联开关器用来将其领先的基于发光二极管的照明单位的负极端连接到其尾随的基于发光二极管的照明单位的负极端，和一串联开关器用来将其领先的基于发光二极管的照明单位的负极端连接到其尾随的基于发光二极管的照明单位的正极端。

其中，优选地，上述电流控制器的第一端发送一电压值至上述控制器，而上述控制器根据该电压值来控制上述多个开关单元，使其运作于不同的连接模式。

其中，优选地，上述控制器根据上述电流控制器的第一端发送的电压值，和上述输入电源的电压值来控制上述多个开关单元，使其运作于不同的连接模式。

其中，优选地，上述电流控制器件是一电流检测电阻器。

其中，优选地，上述电流控制器件是一可变的电流源。

其中，优选地，上述多个基于发光二极管的照明单位的每一照明单位包括一个或多个发光二极管串联于该照明单位的正极端和负极端之间。

其中，优选地，上述多个基于发光二极管的照明单位的每一照明单位包括多个发光二极管并联于该照明单位的正极端和负极端之间。

其中，优选地，上述多个基于发光二极管的照明单位的每一照明单位包括多个发光二极管以并联和串联的组合连接于该照明单位的正极端和负极端之间。

其中，优选地，上述控制器根据上述输入电源的电压值来控制上述多个开关单元，使其运作于不同的连接模式。

其中，优选地，当上述输入电源的电压值在最高值时，所有的上述多个开关单元都操作在上述串联连接模式；当上述输入电源的电压值在最低值时，所有的上述多个开关单元都操作在上述并联连接模式；而当上述输入电源的电压值在最高值和最低值之间变化时，上述多个开关单元里，有的开关单元操作在上述串联连接模式，有的开关单元则操作在上述并联连接模式。

其中，优选地，当上述输入电源的电压值从最高值逐渐下降到最低值时，上述多个开关单元里，操作在上述并联连接模式的开关单元逐渐增加。

其中，优选地，该照明装置包括N个基于发光二极管的照明单位，和M+1个不同的照明模式，其中N＝2^M；在发光模式

下，该照明装置有2^k组的照明单位组，以串联方式连接，而其中每一照明单位组里有N/2^k个基于发光二极管的照明单位以并联方式连接，其中k＝0，1，2，...，M。

其中，优选地，该照明装置包括N个基于发光二极管的照明单位，和N个不同的照明模式；在发光模式

下，该照明装置有N-k个基于发光二极管的照明单位并联成一组照明单位组，其余所有的k个基于发光二极管的照明单位都以串联方式连接，再与该照明单位组串联连接，其中k＝0，1，2，...，N-1。

其中，优选地，该照明装置包括N个基于发光二极管的照明单位，N有(M+1)个可以除尽N的因子，从小到大的顺序分别为n₀，n₁，...，n_M；在发光模式下，该照明装置有n_k组的照明单位组，以串联方式连接，而其中每一照明单位组里有N/n_k个基于发光二极管的照明单位以并联方式连接，其中k＝0，1，2，...，M。

其中，优选地，该照明装置包括N个基于发光二极管的照明单位，和N个照明模式；在发光模式

下，该照明装置有k+1组的照明单位组，以串联方式连接，而其中每一照明单位组里有

个基于发光二极管的照明单N-1。

其中，优选地，该照明装置包括N个基于发光二极管的照明单位，和N个照明模式；在发光模式

下，该照明装置有k+1组的照明单位组，以串联方式连接；而其中上述k+1组照明单位组分成A_k组和B_k组，A_k组中的每一

1，2，...，N-1。

以下是根据本发明几个优选实施范例，参照附属的图式的详细说明，对于熟悉本技术速领域的人，阅读以下根据本发明几个优选实施范例的详细说明，再参照附属的图式，应可很清楚的了解本发明。附图是为了让本发明能更进一步的被了解，并且也构成本发明的说明规范的一部分。藉由附属的图示来说明本发明的实施范例，并解释本发明的原则。

附图说明

图1为本发明的一优选实施范例，用于控制多数个基于发光二极管的照明单位的照明装置的电路示意图；

图2显示了图1的实施范例中控制器的示意图；

图3为本发明的另一优选实施范例，用于控制多数个基于发光二极管的照明单位的照明装置的电路示意图；

图4显示了图3的实施范例中控制器的示意图；

图5显示了本发明中随着输入电源电压的变化而提供多种照明模式的例子；

图6为显示在本发明的照明装置的不同的照明模式下，输入电压的电压值和相对应的流经照明装置的串联电流值；

图7说明了本发明的第一种驱动方法；

图8A显示了一个典型的发光二极管的电流对电压(IV)特性曲线；

图8B显示了一个没有最低电压限制的理想的电流源；

图9说明了本发明的第二种驱动方法；

图10说明了本发明的第三种驱动方法；

图11说明了本发明的第四种驱动方法；

图12说明了本发明的第五种驱动方法；

图13显示了比较利用本发明所提供的第四种驱动方法，和利用飞利浦提供的驱动方法，所产生的照明亮度比较图；

图14显示了比较利用本发明所提供的第四种驱动方法和第五种驱动方法，所产生的照明亮度的差异比较图；

图15说明本发明的基于发光二极管的照明单位中，可能有至少一个或多个发光二极管串联，并联或以并联和串联组合方式连接。

【主要组件符号说明】

101：基于发光二极管的照明单位

102：开关单元

1021：并联开关器

1022：串联开关器

103：电流检测电阻器

105：可变的电流源

110：控制器

1101：A/D转换器

1102：状态机

1103：检测放大器

1104：储存存储元件

120：控制器

1202：状态机

1203：检测放大器

1204：储存存储元件

1205：电流控制电路

具体实施方式

图1为根据本发明的一优选实施范例，用于控制多数个基于发光二极管的照明单位的照明装置的电路示意图。该照明装置包括连接在节点N_A与节点N_C之间的多数个基于发光二极管的照明单位101，输入电源电压V_IN从节点N_A提供电压给此多数个基于发光二极管的照明单位101，电流检测电阻器103连接节点N_C至地面。每个基于发光二极管的照明单位101有各别的正极端A和负极端C，并包括至少有一个或更多的发光二极管以串联或并联或其组合的方式连接在正极端A和负极端C之间。

从图1可以看出，该照明装置还包括多数个开关单元102，与该多数个基于发光二极管的照明单位101交错连接。每个开关单元102藉由两个相邻的基于发光二极管的照明单位101的正极端A和负极端C来连接该两个相邻的照明单位101。每个开关单元102包括两个并联开关器1021，用来各别连接两个相邻的基于发光二极管的照明单位101的正极端A和负极端C，每个开关单元102还包括一个串联开关器1022来连接领先的基于发光二极管的照明单位101的负极端C和尾随的基于发光二极管的照明单位101的正极端A。

根据本发明，开关单元102有三个不同的操作模式。在第一操作模式下，两个并联开关器1021系不接通，而串联开关器1022则接通。因此，领先的基于发光二极管的照明单位101的负极端C，连接到尾随的基于发光二极管的照明单位101的正极端A。换句话说，当其间的开关单元102被控制在第一操作模式时，两个相邻的基于发光二极管的照明单位101形成串联。

在第二操作模式下，两个并联开关器1021系接通，而串联开关器1022则不接通。因此，领先的基于发光二极管的照明单位101的正极端A和负极端C，分别连接到尾随的基于发光二极管的照明单位101的正极端A和负极端C。所以当其间的开关单元102被控制在第二操作模式时，两个相邻的基于发光二极管的照明单位101形成并联。

在第三操作模式下，连接两个相邻的照明单位101的正极端A的并联开关器1021系接通，同时串联开关器1022也接通，但是连接两个相邻的照明单位101的负极端C的并联开关器1021则不接通。因此，领先的基于发光二极管的照明单位101的正极端A和负极端C，同时都被连接到尾随的基于发光二极管的照明单位101的正极端A，于是领先的照明单位101被短路了。因此，当其间的开关单元102被控制在第三操作模式时，领先的基于发光二极管的照明单位101是以短路方式被绕过。

根据本发明的照明装置，每个开关单元102都可以被单独控制，如图1所示，该装置还包括一个控制器110，用来发送一组控制信号P和S到每个开关单元102。这两个控制信号P和S可以控制所属的开关单元102，使其运作于三个不同的操作模式之一。因为每两个相邻的基于发光二极管的照明单位101，都可并联或串联，或者以短路方式绕过领先的基于发光二极管的照明单位101，该照明装置可藉由控制器110来控制每个开关单元102，以不同的方式连接多数个基于发光二极管的照明单位101，来提供多种照明模式。

在这个优选实施范例中，最后的基于发光二极管的照明单位101，在节点N_C与电流检测电阻器103的一端连接，电流检测电阻器103的另一端则连接到地面。节点N_C也被连接到控制器110，所以控制器110可以侦测到节点N_C的电压。因此，控制器110可以根据电流检测电阻器103在节点N_C上的电压值，或输入电源V_IN的电压值，或是这两个电压值，来控制多个开关单元102。

图2显示了图1的实施范例中控制器110的示意图。控制器110包括一个A/D转换器1101用来将输入电压V_IN转换成数字信号，该数字信号被送到一个状态机1102。控制器110又包括一个检测放大器1103，用来检测在节点N_C上的电压值，该检测放大器1103输出一个信号到状态机1102。在控制器110里用来控制多个开关单元102的控制逻辑，就装置在状态机1102和储存存储元件1104中，以发送控制信号P和S到每个开关单元102。

根据本发明，在基于发光二极管的照明单位101中的发光二极管，是泛指所有类型的发光二极管，如一般半导体发光二极管和有机发光二极管，这些发光二极管可能在各种频谱发光。本发明的照明装置，可包括任何数量的基于发光二极管的照明单位，每个基于发光二极管的照明单位，可能包括任何数量的发光二极管，这些数量都可根据设备或装置上实际应用的要求而定。开关单元102也是泛指一般包含有可以适当接通或关闭一个或多个电路的开关组件，开关单元102里的开关器，可以是机械式的或电力式的，也可以是用集成电路制造的半导体开关器。

图3为根据本发明的另一优选实施范例，用于控制多数个基于发光二极管的照明单位的单位装置的电路示意图。如图3所示，该单位装置同样的包括了多数个基于发光二极管的照明单位101与多数个开关单元102在节点N_A与节点N_C之间交错连接。与图1不同的是，电流检测电阻器103被一个可变的电流源105所取代。该照明装置也包括一个控制器120来控制这个可变的电流源105以及每个开关单元102。

在此优选实施范例中，可变电流源105在节点N_C的电压的也可由控制器120来侦测。因此，控制器120可以根据可变电流源105在节点N_C上的电压值，或输入电源V_IN的电压值，或是这两个电压值，来控制多个开关单元102。

图4显示了图3的实施范例中控制器120的示意图。控制器120包括一个检测放大器1203，用来检测在节点N_C上的电压值，该检测放大器1203输出一个信号到状态机1202。在控制器120里用来控制多个开关单元102的控制逻辑，就装置在状态机1202和储存存储元件1204中，以发送控制信号P和S到每个开关单元102。控制器120还包括一个电流控制电路1205，以控制可变电流源105。

按照本发明的基于发光二极管的照明装置，两个相邻的基于发光二极管的照明单位，可以被控制成并联或串联连接，或者以短路方式绕过领先的基于发光二极管的照明单位101。根据照明装置中每个照明单位如何连接其相邻的照明单位，可以产生不同的照明模式。因此，本发明的照明装置可以用不同的驱动方法，来控制多个开关单元用不同的方式连接多个基于发光二极管的照明单位101，以提供许多不同的照明模式。例如，该照明装置可以根据输入电压V_IN的变化，从一种照明模式切换到另一种照明模式。

图5显示了一个根据本发明而提供多种照明模式的例子。该照明装置可以根据输入电压V_IN的变化，而被控制成提供照明模式-0，照明模式-1，...，照明模式-M。当输入电压V_IN在最高电压值时，该照明装置处于照明模式-M，其中每两个相邻的基于发光二极管的照明单位101被其间的开关单元102控制连接成串联，因此照明装置里所有基于发光二极管的照明单位101都以串联方式连接。当输入电压V_IN从最高电压值逐渐下降时，该照明装置逐渐切换照明模式，一部分基于发光二极管的照明单位101逐渐被其间的开关单元102控制连接成并联，照明装置则从照明模式-M切换成照明模式-(M-1)，照明模式-(M-2)，...，等等。

相反的，当输入电压V_IN在最低电压值时，该照明装置处于照明模式-0，其中每两个相邻的基于发光二极管的照明单位101被其间的开关单元102控制连接成并联，因此照明装置里所有基于发光二极管的照明单位101都以并联方式连接。当输入电压V_IN从最低电压值逐渐上升时，该照明装置也逐渐切换照明模式，一部分基于发光二极管的照明单位101逐渐被其间的开关单元102控制连接成串联，照明装置则从照明模式-0切换成照明模式-1，照明模式-2，...，等等。

图6所显示的图，系用来说明在本发明的照明装置的不同的照明模式下，输入电压V_IN的电压值和相对应的流经照明装置的串联电流值。一般而言，交流电源都先经过整流之后，才提供电压给基于发光二极管的照明装置。因此，输入电压V_IN的电压值，随着经过整流的正弦波的正周期而变化。为简单起见，图6使用一个三角波电压来说明本发明的照明装置，在输入电压V_IN的变化下所操作的不同的照明模式。图6中以60赫的120伏交流电压为例，随时间变化的输入电压V_IN的三角波可以表示为(V_M/T_M)t，其中V_M＝120伏，T_M＝(1/240)秒。

如图6所示，输入电压V_IN的电压值，从0增加到V₀时，该照明装置处于照明模式-0。换言之，在时间0到T₀之间，是照明模式-0。在时间从T₀到T₁，输入电压V_IN的电压值从V₀增加到V₁，照明装置则处于照明模式-1。同理，在时间T_M-1到T_M，输入电压V_IN的电压值从V_M-1增加到V_M，该照明装置处于照明模式-M。从图6可以出，在时间点T₀，T₁，...，T_M，流经基于发光二极管的照明装置的串联电流值I_LED为最大值I_MAX。此串联电流值在每一T_i-1到T_i区间都骤然下降，然后又逐渐增加至最大值I_MAX。当输入电压V_IN的电压值从最高电压值V_M下降时，该照明装置，以类似但反向的方式运作。

为进一步解释本发明的照明装置的操作和照明模式，以下将说明几种对多数个基于发光二极管的照明单位的驱动方法的例子，其中每一种驱动方法都可以利用多数个基于发光二极管的照明单位之间的联结，提供多数个照明模式。为了简单起见，假设该照明装置里，有N个基于发光二极管的照明单位，每个基于发光二极管的照明单位里，只有一个发光二极管。在每一种驱动方法中，本发明提供了M个不同的照明模式，其中M取决于N。但是每一种不同的驱动方法，M则不一定相同。图7说明了第一种驱动方法，其中所有的基于发光二极管的照明单位，在输入电压V_IN的电压值为最高时，都以串联方式连接。当输入电压V_IN从最高电压值逐渐下降时，该照明装置逐渐切换照明模式，一部分基于发光二极管的照明单位逐渐被连接成并联，反之亦然。

从图7中可以看出，在该驱动方法中，本发明提供了M+1个不同的照明模式，而N＝2^M。最左边的照明模式上，输入电压V_IN的电压值为最高，所有的基于发光二极管的照明单位，都以串联方式连接。当输入电压下降时，该照明装置切换到下一照明模式。如左二的图所示，每一组两个基于发光二极管的照明单位以并联方式连接。因此，整个照明装置有N/2组串联的基于发光二极管的照明单位组，而每一基于发光二极管的照明单位组，则有两个基于发光二极管的照明单位并联。

当输入电压V_IN的电压值进一步降低，该照明装置又切换到下一照明模式，其中整个照明装置有N/4组串联的基于发光二极管的照明单位组，而每一组基于发光二极管的照明单位组，则有四个基于发光二极管的照明单位以并联方式连接。随着输入电压V_IN的电压值更进一步降低，串联的基于发光二极管的照明单位组的数量减少，每个组则有更多以并联方式连接的基于发光二极管的照明单位。如图7中的最右图所显示，当输入电压V_IN的电压值下降到最低时，所有的基于发光二极管的照明单位，都以并联方式连接。相反的，当输入电压V_IN的电压值从最低时开始增加，该照明装置则以反向的方式切换照明模式。因为总共有N＝2^M个基于发光二极管的照明单位，本发明的每一种驱动方式提供了M+1个不同的照明模式。

根据本发明的第一种驱动方法，所提供给基于发光二极管的照明装置的亮度，可以利用发光二极管的电流对电压(IV)特性来分析。图8A显示了一个典型的发光二极管的电流对电压(IV)特性曲线。为简单起见，该电流对电压特性曲线可以视为是分段线性的。当施加于发光二极管的输入电压V_LED比正向电压V_f0还高时，流经发光二极管的电流I_LED与输入电压V_LED是成线性正比。当输入电压V_LED达到V_Lm时，流经发光二极管的电流I_LED达到一个最大值I_Lm。图8B显示了一个没有最低电压V_min限制的理想的电流源。

分段线性化的发光二极管的电流对电压特性(IV)曲线，可以下列方程式表示：

当V_LED≤V_f0时，I_LED＝0和

当V_LED≥V_f0时， $I_{\mathrm{LED}}=\frac{I_{\mathrm{Lm}}}{V_{\mathrm{Lm}}-V_{f0}}(V_{\mathrm{LED}}-V_{f0})$

其中I_Lm是电流源提供给发光二极管的最大电流值。以下的分析是假设每个基于发光二极管的照明单位，都只有一个有相同正向电压V_f0和相同电流对电压(IV)特性的发光二极管，而且没有功率损耗的照明装置。此照明装置中，基于发光二极管的照明单位的总数是：

其中

代表(V_M/V_f0)的整数部分，V_M是经由输入电源V_IN供给照明装置的最大电压值。

一个包含多个基于发光二极管的照明单位的照明装置的总亮度，是与流经每个发光二极管的平均电流的总和成正比，也就是说：

$\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\left(\frac{\underset{k=0}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{\∫}_{T_{k-1}}^{T_k}{I}_{\mathrm{LED}(j,k)}\mathrm{dt}}{T_M}\right)=\frac{\underset{k=0}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\∫}_{T_{k-1}}^{T_k}{I}_{\mathrm{LED}(j,k)}\mathrm{dt}}{T_M},$

其中I_LED(j，k)代表了如图6所示，假设每个基于发光二极管的照明单位只有一个发光二极管，在照明模式-k，流经第j个发光二极管的电流值。

图7所显示的第一种驱动方法，可使一个由N个基于发光二极管的照明单位组成的照明装置，提供了M+1个不同的照明模式，其中M＝log₂N。在照明模式-k下，通过发光二极管的电流是：

I_LED(1，k)＝I_LED(2，k)＝...＝I_LED(N，k)，

其中k＝0，1，2，...，M。在照明模式-0时，流经每个发光二极管的总电流是：

${\∫}_0^{T_0}{I}_{\mathrm{LED}(j,0)}\mathrm{dt}={\∫}_{T_{Z\left(0\right)}}^{T_0}{I}_{\mathrm{LED}(j,0)}\mathrm{dt},$ 其中当t＜T_Z(0)时，I_LED(j，0)＝0。

因为

和

上述总电流可以进一步表明如下：

${\∫}_0^{T_0}{I}_{\mathrm{LED}(j,0)}\mathrm{dt}={\∫}_{T_{Z\left(0\right)}}^{T_0}\left(\frac{I_{\mathrm{Lm}}}{V_{\mathrm{Lm}}-V_{f0}}\right)\×(\frac{V_M}{T_M}t-V_{f0})\mathrm{dt}=\frac{T_M}{2\·V_M}\×I_{\mathrm{Lm}}\×(V_{\mathrm{Lm}}-V_{f0}).$

同样的，对于照明模式-k而言，流经每个发光二极管的总电流是：

${\∫}_{T_{k-1}}^{T_k}{I}_{\mathrm{LED}(j,k)}\mathrm{dt}={\∫}_{T_{Z\left(k\right)}}^{T_k}{I}_{\mathrm{LED}(j,k)}\mathrm{dt},$ 其中当t＜T_Z(k)时，I_LED(j，k)＝0。

因为和上述总电流可以进一步表明如下：

${\∫}_{T_{k-1}}^{T_k}{I}_{\mathrm{LED}(j,k)}\mathrm{dt}={\∫}_{T_{Z\left(k\right)}}^{T_k}\left(\frac{I_{\mathrm{Lm}}}{V_{\mathrm{Lm}}-V_{f0}}\right)\×(\frac{V_M}{T_M\×2^k}t-V_{f0})\mathrm{dt}=\frac{T_M\×2^{k-1}}{V_M}\×I_{\mathrm{Lm}}\×(V_{\mathrm{Lm}}-V_{f0}).$

图9说明了本发明的第二种驱动方法，其中所有的基于发光二极管的照明单位，在输入电压V_IN的电压值为最高时，也都以串联方式连接。当输入电压V_IN从最高电压值逐渐下降时，该照明装置逐渐切换照明模式，愈来愈多基于发光二极管的照明单位逐渐被连接成并联，反之亦然。图9最左边的照明模式上，输入电压V_IN的电压值为最高，所有的基于发光二极管的照明单位，都以串联方式连接。当输入电压下降时，该照明装置切换到下一照明模式。如图9所示，整个照明装置中只有一组基于发光二极管的照明单位以并联方式连接，其余的基于发光二极管的照明单位仍以串联方式连接。每切换到下一照明模式，就多一个基于发光二极管的照明单位被并入并联方式连接。因此，当输入电压V_IN的电压值下降到最低时，所有的基于发光二极管的照明单位，都变成以并联方式连接。

参照图9，其中左二图所示的照明模式有两个并联的基于发光二极管的照明单位，左三图的照明模式则有三个并联的基于发光二极管的照明单位，最右图的照明模式里，所有基于发光二极管的照明单位都是并联。和图7所示的第一种驱动方法类似，当输入电压V_IN的电压值从最低时开始增加，该照明装置以反向的方式切换照明模式。从图9可以看出，如果基于发光二极管的照明单位总数是N，利用此驱动方法，可以提供N个不同的照明模式。

在图9所示的第二种驱动方法中，有N个不同的照明模式。在照明模式-k下，有

个基于发光二极管的照明单位，以串联方式连接到一组包含(N-k)个并联的基于发光二极管的照明单位组。通过发光二极管的电流是：

I_LED(1，k)＝I_LED(2，k)＝...＝I_LED(k，k)＝I_Lm，和

I_LED(k+1，k)＝I_LED(k+2，k)＝...＝I_LED(N，k)＝I_Lm/(N-k)，

其中k＝0，1，...，N-1。在照明模式-0下，流经每个发光二极管的总电流与先前讨论的第一种驱动方法是一样的，也就是说：

${\∫}_0^{T_0}{I}_{\mathrm{LED}(j,0)}\mathrm{dt}={\∫}_{T_{Z\left(0\right)}}^{T_0}\left(\frac{I_{\mathrm{Lm}}}{V_{\mathrm{Lm}}-V_{f0}}\right)\×(\frac{V_M}{T_M}t-V_{f0})\mathrm{dt}=\frac{T_M}{2\·V_M}\×I_{\mathrm{Lm}}\×(V_{\mathrm{Lm}}-V_{f0}).$

对于照明模式-k而言，假设

V₀＝V_Lm  和 $V_k=k\×V_{\mathrm{Lm}}+(V_{f0}+\frac{V_{\mathrm{Lm}}-V_{f0}}{N-k})$ 其中k≥1。

同时

$T_k=\frac{V_k}{V_M}\×T_M,V_{\mathrm{LED}\left(\mathrm{total}\right)}=V_{k-1}+\left(\frac{t-T_{k-1}}{T_k-T_{k-1}}\right)\×(V_k-V_{k-1})=k\×V_{\mathrm{LED}(1,k)}+V_{\mathrm{LED}(N,k)},$

流经每个发光二极管的电流可以表示为：

$\frac{I_{\mathrm{LM}}}{V_{\mathrm{Lm}}-V_{f0}}(V_{\mathrm{LED}(1,k)}-V_{f0})=I_{\mathrm{LED}(1,k)},$ 和

$\frac{I_{\mathrm{Lm}}}{V_{\mathrm{Lm}}-V_{f0}}(V_{\mathrm{LED}(N,k)}-V_{f0})=I_{\mathrm{LED}(N,k)}=\frac{I_{\mathrm{LED}(1,k)}}{N-k}.$

因此，

$I_{\mathrm{LED}(1,k)}=\frac{[V_{k-1}+\left(\frac{t-T_{k-1}}{T_k-T_{k-1}}\right)\×(V_k-V_{k-1})-(k+1)\×V_{f0}]}{(k+\frac{1}{N-k})\×\left(\frac{V_{\mathrm{Lm}}-V_{f0}}{I_{\mathrm{Lm}}}\right)},$

如果

流经每个发光二极管的总电流是：

${\∫}_{T_{k-1}}^{T_k}{I}_{\mathrm{LED}(1,k)}\mathrm{dt}={\∫}_{T_{Z\left(k\right)}}^{T_k}{I}_{\mathrm{LED}(1,k)}\mathrm{dt},$

其中

$T_{Z\left(k\right)}=T_{k-1}+\frac{(T_k-T_{k-1})\×((k+1)\×V_{f0}-V_{k-1})}{(V_k-V_{k-1})}.$

除了以上说明和讨论的第一种和第二种驱动方法，图10显示本发明的第三种驱动方法。假设基于发光二极管的照明单位的总数是N，而N有(M+1)个可以除尽N的因子，从小到大的顺序分别为n₀，n₁，...，n_M。也就是说N/n_k是一整数，其中k＝0，1，2，...，M。本发明的第三种驱动方法，提供M+1个不同的照明模式。如图10所示，在照明模式-k下，有n_k组基于发光二极管的照明单位组以串联方式连接，每照明单位组内则有N/n_k个基于发光二极管的照明单位以并联方式连接。

对于照明模式-k而言，通过发光二极管的电流是：

I_LED(1，k)＝I_LED(2，k)＝...＝I_LED(N，k)。

同时

$I_{\mathrm{LED}(1,k)}=\left(\frac{I_{\mathrm{Lm}}}{V_{\mathrm{Lm}}-V_{f0}}\right)\×(\frac{V_M}{T_M\×n_k}\×t-V_{f0})$ 和， $T_k=\frac{V_{\mathrm{Lm}}\×n_k}{V_M}\×T_M$

如果

则流经每个发光二极管的总电流是：

${\∫}_{T_{k-1}}^{T_k}{I}_{\mathrm{LED}(1,k)}\mathrm{dt}={\∫}_{T_{Z\left(k\right)}}^{T_k}{I}_{\mathrm{LED}(1,k)}\mathrm{dt}$

其中

$T_{Z\left(k\right)}=\frac{V_{f0}\×n_k}{V_M}\×T_M.$

图11显示本发明的第四种驱动方法。假设基于发光二极管的照明单位的总数是N，如图所示，在第四种驱动方法所提供的照明模式-k下，所有的基于发光二极管的照明单位，被分成k+1组基于发光二极管的照明单位组以串联方

因为N/(k+1)可能不是一个整数，在N/(k+1)不是一个整数的时候，则有

个基于发光二极管的照明单位，必须以短路方式被绕过。因此，第四种驱动方法，可提供N个照明模式。对于照明模式-k，通过发光二极管的电流是：

I_LED(1，k)＝I_LED(2，k)＝...＝I_{LED(N-Nz，k)}，和

I_{LED(N-Nz+1，k)}＝I_{LED(N-Nz+2，k)}＝...＝I_LED(N，k)＝0。

同时

$I_{\mathrm{LED}(1,k)}=\left(\frac{I_{\mathrm{Lm}}}{V_{\mathrm{Lm}}-V_{f0}}\right)\×(\frac{V_M}{T_M\×(k+1)}\×t-V_{f0}),$ 并且 $T_k=\frac{V_{\mathrm{Lm}}\×(k+1)}{V_M}\×T_M,$

如果则流经每个发光二极管的总电流是：

${\∫}_{T_{k-1}}^{T_k}{I}_{\mathrm{LED}(1,k)}\mathrm{dt}={\∫}_{T_{Z\left(k\right)}}^{T_k}{I}_{\mathrm{LED}(1,k)}\mathrm{dt},$

其中

$T_{Z\left(k\right)}=\frac{V_{f0}\×(k+1)}{V_M}\×T_M.$

本发明又有如图12所显示的第五种驱动方法，来提供多种照明模式。第五种驱动方法与第四种驱动方法类似，只不过上述第四种驱动方法里，N_Z个必须被以短路方式绕过的基于发光二极管的照明单位，在第五种驱动方法里则被均匀的分到某一些照明单位组内。换句话说，在k+1组以串联方式连接的基于发光二极管的照明单位组里，有些照明单位组内有

个基于发光二极管的照明单位以并联方式连接，另外的照明单位组内则有

个基于发光二极管的照明单位以并联方式连接。举例来说，在以串联方式连接的k+1组中，分成A_k组和B_k组，A_k+B_k＝(k+1)。其中的A_k组是有

个基于发光二极管的照明单位以并联方式连接，另外的B_k组内则有

个基于发光二极管的照明单位以并联方式连接。

对于照明模式-k而言，

V_k＝A_k×V_Lm+B_k×(V_f0+C_k×(V_Lm-V_f0))，其中

并且

$V_{\mathrm{LED}\left(\mathrm{total}\right)}=V_{k-1}+\left(\frac{t-T_{k-1}}{T_k-T_{k-1}}\right)\×(V_k-V_{k-1})=A_k\×V_{\mathrm{LED}(1,k)}+B_k\×V_{\mathrm{LED}(N,k)}$

流经每个发光二极管的电流可以表示为：

$\frac{I_{\mathrm{Lm}}}{V_{\mathrm{Lm}}-V_{f0}}(V_{\mathrm{LED}(1,k)}-V_{f0})=I_{\mathrm{LED}(1,k)},$

$\frac{I_{\mathrm{Lm}}}{V_{\mathrm{Lm}}-V_{f0}}(V_{\mathrm{LED}(N,k)}-V_{f0})=I_{\mathrm{LED}(N,k)}=C_k\×I_{\mathrm{LED}(1,k)},$ 和

$I_{\mathrm{LED}(1,k)}=\frac{[V_{k-1}+\left(\frac{t-T_{k-1}}{T_k-T_{k-1}}\right)\×(V_k-V_{k-1})-(k+1)\×V_{f0}]}{(A_k+B_k\×C_k)\×\left(\frac{V_{\mathrm{Lm}}-V_{f0}}{I_{\mathrm{Lm}}}\right)}.$

因此，如果

则流经每个发光二极管的总电流是：

${\∫}_{T_{k-1}}^{T_k}{I}_{\mathrm{LED}(1,k)}\mathrm{dt}={\∫}_{T_{Z\left(k\right)}}^{T_k}{I}_{\mathrm{LED}(1,k)}\mathrm{dt},$

其中

$T_{Z\left(k\right)}=T_{k-1}+\frac{(T_k-T_{k-1})\×((k+1)\×V_{f0}-V_{k-1})}{(V_k-V_{k-1})}.$

为了将利用本发明所提供的驱动方法所产生的照明装置的亮度，与利用在业界已知的美国专利号7781979中揭露的驱动方法所产生的照明装置的亮度来比较，上述的分析方法，也可以用来分析美国专利号7781979中揭露的驱动方法所产生的基于发光二极管的照明装置的亮度。该专利已被转让给飞利浦固态照明解决方案公司(Philips Solid-State Lighting Solutions，Inc.)，以下简称该驱动方法为飞利浦，假设它也有N个照明模式，对于照明模式-k，通过发光二极管的电流是：

I_LED(1，k)＝I_LED(2，k)＝...＝I_LED(k+1，k)＝I_Lm，和

I_LED(k+2，k)＝I_LED(k+3，k)＝...＝I_LED(N，k)＝0。

因此，对于照明模式-0和模式-1而言，通过发光二极管的电流分别是：

${\∫}_0^{T_0}{I}_{\mathrm{LED}\left(\mathrm{1,0}\right)}\mathrm{dt}=\frac{T_M}{2\×V_M}\×I_{\mathrm{Lm}}\×(V_{\mathrm{Lm}}-V_{f0}),$ 和

${\∫}_{T_0}^{T_1}{I}_{\mathrm{LED}\left(\mathrm{1,1}\right)}\mathrm{dt}={\∫}_{T_0}^{T_1}{I}_{\mathrm{LED}\left(\mathrm{2,1}\right)}\mathrm{dt}=\frac{T_M}{V_M}\×I_{\mathrm{Lm}}\×(V_{\mathrm{Lm}}-V_{f0}).$

对于k＞＝2的照明模式-k而言，

$I_{\mathrm{LED}(1,k)}=\left(\frac{I_{\mathrm{Lm}}}{V_{\mathrm{Lm}}-V_{f0}}\right)\×(\frac{V_M}{T_M\×(k+1)}\×t-V_{f0}),$ 而且 $T_k=\frac{V_{\mathrm{Lm}}\×(k+1)}{V_M}\×T_M,$

因此，如果

则流经每个发光二极管的总电流是：

${\∫}_{T_{k-1}}^{T_k}{I}_{\mathrm{LED}(1,k)}\mathrm{dt}=\frac{(k+1)\×T_M}{2\×V_M}\×I_{\mathrm{Lm}}\×(V_{\mathrm{Lm}}-V_{f0}),$

否则，流经每个发光二极管的总电流是：

${\∫}_{T_{k-1}}^{T_k}{I}_{\mathrm{LED}(1,k)}\mathrm{dt}=\frac{T_M}{V_M}\×I_{\mathrm{Lm}}\×[V_{\mathrm{Lm}}-\frac{V_{\mathrm{Lm}}^2}{2\×(k+1)\×(V_{\mathrm{Lm}}-V_{f0})}].$

图13显示了一个比较利用本发明所提供的第四种驱动方法，和利用飞利浦提供的驱动方法，所产生的照明亮度比较图。图中假设照明装置里有32个基于发光二极管的照明单位，共有32个Cree的发光二极管，来产生32个不同的照明模式。在比较时，假定为输入电压V_IN为60赫的120伏。从图中可以看出，本发明的第四种驱动方法，在许多照明模式下，都在照明装置里产生较高的照明亮度。

图14显示了另一个图表，来比较利用本发明所提供的第四种驱动方法和第五种驱动方法，所产生的照明亮度的差异。从图表可以看出，两个驱动方法是非常相似的，第四种驱动方法在某些照明模式下，在照明装置里产生了稍微高一点的照明亮度。

总之，本发明提供了一种控制和连接多个基于发光二极管的照明单位的照明装置和方法，其中一些基于发光二极管的照明单位可串联连接，而一些基于发光二极管的照明单位可并联连接。如图15所示，每个照明单位可以包括一个或多个发光二极管串联，并联或者是两者都有的组合方式连接。这里应该注意的是，虽然图15只有显示三个如何连接发光二极管的例子，熟悉本技术领域的人应该很容易就可看出，本发明的每个照明单位，还可以其他方式来连接多个发光二极管。

通过使用本发明的驱动方法，可为基于发光二极管的照明装置，提供多种照明模式。如图13所示的照明亮度比较图，可以看出本发明能增加发光二极管的利用效率，因而产生较高的照明亮度。本发明也可以为各种不同的照明需求，根据本发明的驱动方法，提供许多不同的照明模式。此外，利用本发明中适当的驱动方法，也可以使在照明装置里流经发光二极管的电流更为均匀。

虽然以上只藉由几个优选的实施范例来描述本发明，然而熟悉本技术领域的人，很明显的可以了解，仍有许多未描述的变通及修改，都在不偏离以下所定义的本发明的申请专利范围之内。

Claims (17)

1.一个基于发光二极管的照明装置，其特征在于，包括：

多个基于发光二极管的照明单位，每个照明单位有一正极端，一负极端，和一个或多个发光二极管连接于正极端和负极端之间；

多个开关单元与上述多数个基于发光二极管的照明单位交错连接，每个开关单元被放置于一领先的基于发光二极管的照明单位与一尾随的基于发光二极管的照明单位之间；

一输入电源连接到上述多数个基于发光二极管的照明单位里的第一个照明单位的正极端；

一控制器，用来控制上述多个开关单元；

一电流控制器包括有第一端和第二端，其中第一端连接到上述多个基于发光二极管的照明单位里的最后一个照明单位的负极端，而第二端则连接到地面；

其中上述控制器可以分别控制上述多个开关单元里的每个开关单元，每个开关单元包括一串联连接模式用来将其领先的基于发光二极管的照明单位的负极端连接到其尾随的基于发光二极管的照明单位的正极端，一并联连接模式用来将其领先的基于发光二极管的照明单位的正负极端分别连接到其尾随的基于发光二极管的照明单位的正负极端，和一短路连接模式用来将其领先的基于发光二极管的照明单位的正负极端都连接到其尾随的基于发光二极管的照明单位的正极端。

2.如权利要求1所述的照明装置，其特征在于，上述多个开关单元里的每个开关单元包括：第一并联开关器用来将其领先的基于发光二极管的照明单位的正极端连接到其尾随的基于发光二极管的照明单位的正极端，第二并联开关器用来将其领先的基于发光二极管的照明单位的负极端连接到其尾随的基于发光二极管的照明单位的负极端，和一串联开关器用来将其领先的基于发光二极管的照明单位的负极端连接到其尾随的基于发光二极管的照明单位的正极端。

3.如权利要求1所述的照明装置，其特征在于，上述电流控制器的第一端发送一电压值至上述控制器，而上述控制器根据该电压值来控制上述多个开关单元，使其运作于不同的连接模式。

4.如权利要求3所述的照明装置，其特征在于，上述控制器根据上述电流控制器的第一端发送的电压值，和上述输入电源的电压值来控制上述多个开关单元，使其运作于不同的连接模式。

5.如权利要求1所述的照明装置，其特征在于，上述电流控制器件是一电流检测电阻器。

6.如权利要求1所述的照明装置，其特征在于，上述电流控制器件是一可变的电流源。

7.如权利要求1所述的照明装置，其特征在于，上述多个基于发光二极管的照明单位的每一照明单位包括一个或多个发光二极管串联于该照明单位的正极端和负极端之间。

8.如权利要求1所述的照明装置，其特征在于，上述多个基于发光二极管的照明单位的每一照明单位包括多个发光二极管并联于该照明单位的正极端和负极端之间。

9.如权利要求1所述的照明装置，其特征在于，上述多个基于发光二极管的照明单位的每一照明单位包括多个发光二极管以并联和串联的组合连接于该照明单位的正极端和负极端之间。

10.如权利要求1所述的照明装置，其特征在于，上述控制器根据上述输入电源的电压值来控制上述多个开关单元，使其运作于不同的连接模式。

11.如权利要求10所述的照明装置，其特征在于，当上述输入电源的电压值在最高值时，所有的上述多个开关单元都操作在上述串联连接模式；当上述输入电源的电压值在最低值时，所有的上述多个开关单元都操作在上述并联连接模式；而当上述输入电源的电压值在最高值和最低值之间变化时，上述多个开关单元里，有的开关单元操作在上述串联连接模式，有的开关单元则操作在上述并联连接模式。

12.如权利要求11所述的照明装置，其特征在于，当上述输入电源的电压值从最高值逐渐下降到最低值时，上述多个开关单元里，操作在上述并联连接模式的开关单元逐渐增加。

13.如权利要求11所述的照明装置，其特征在于，该照明装置包括N个基于发光二极管的照明单位，和M+1个不同的照明模式，其中N＝2^M；在发光模式下，该照明装置有2^k组的照明单位组，以串联方式连接，而其中每一照明单位组里有N/2^k个基于发光二极管的照明单位以并联方式连接，其中k＝0，1，2，...，M。

14.如权利要求11所述的照明装置，其特征在于，该照明装置包括N个基于发光二极管的照明单位，和N个不同的照明模式；在发光模式

下，该照明装置有N-k个基于发光二极管的照明单位并联成一组照明单位组，其余所有的k个基于发光二极管的照明单位都以串联方式连接，再与该照明单位组串联连接，其中k＝0，1，2，...，N-1。

15.如权利要求11所述的照明装置，其特征在于，该照明装置包括N个基于发光二极管的照明单位，N有(M+1)个可以除尽N的因子，从小到大的顺序分别为n₀，n₁，...，n_M；在发光模式

下，该照明装置有n_k组的照明单位组，以串联方式连接，而其中每一照明单位组里有N/n_k个基于发光二极管的照明单位以并联方式连接，其中k＝0，1，2，...，M。

16.如权利要求11所述的照明装置，其特征在于，该照明装置包括N个基于发光二极管的照明单位，和N个照明模式；在发光模式

下，该照明装置

数部分，k＝0，1，2，...，N-1。

17.如权利要求11所述的照明装置，其特征在于，该照明装置包括N个基于发光二极管的照明单位，和N个照明模式；在发光模式

下，该照明装置有k+1组的照明单位组，以串联方式连接；而其中上述k+1组照明单位组分

表N/(k+1)的整数部分，k＝0，1，2，...，N-1。

Images