CN103718411B - 用于总谐波失真减小的led照明的驱动电路 - Google Patents

用于总谐波失真减小的led照明的驱动电路 Download PDF

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Abstract

在此提供了使用一个整流交流输入电压来驱动两个或更多个LED组的多种调理电路。这些调理电路使用模拟电路来基于该整流输入电压的一个瞬时值逐步地并且选择性地激活这些LED组。该电路包括一个第一LED组、一个第一晶体管、和一个第一电阻器的一个第一串联互连，以及一个第二LED组、一个第二晶体管、和一个第二电阻器的一个第二串联互连。在一个示例中，该第二串联互连连接在该第一晶体管的一个漏极端子与一个源极端子之间，而在另一个示例中，该第二串联互连连接在该第一LED组的一个阳极与该第一晶体管的一个源极端子之间。该第一和第二LED组被施加在该第一串联互连上的该整流电压选择性地激活。

Description

用于总谐波失真减小的LED照明的驱动电路
相关申请的交叉引用
本申请要求来自美国临时专利申请序列号为61/423,258、标题为“总谐波失真减小的电流调节器(CURRENT CONDITIONER WITHREDUCED TOTAL HARMONIC DISTORTION)”、提交日为2011年1月21日的优先权的权益，该申请出于所有目的作为参考以其整体结合于此。
背景
使用发光二极管(LED)来产生照明的照明电路通常比等效的白炽灯泡、荧光灯或其他照明光源具有的能量效率更高，使用寿命更长。
但LED只在一个方向导通电流，并且因此使用直流电流(DC)运行。为了在交流电流(AC)电源供电时高效地运行，一个基于LED的照明电路包括一个整流电路以将正弦交流输入功率信号转换成半波或全波整流直流功率信号。该整流正弦信号具有一个遵照正弦包线的可变值。由于LED(以及LED照明电路)具有一个阈值电压，低于这个阈值电压时这些LED会关闭且既不导通电流也不发光，一个由整流正弦信号供电的LED(或LED照明电路)总体上会根据该整流正弦信号的瞬时值是否超过该LED的阈值电压而反复打开和关闭。
为了高效地利用输入功率，可以设计多个LED照明电路，这样使得在每个周期内的不同时刻对不同数量的LED供电。总的来说，该照明电路包括一个用于测量该整流正弦信号的瞬时值的电压感测电路，以及一个基于该整流正弦信号的测量值来确定该为哪些LED供电的微处理器。该微处理器控制一套数字开关，这些数字开关用于基于该微处理器的控制选择性激活LED的各种组合。例如，当该整流正弦信号的瞬时值较低时，该微处理器可以在一个周期的开始和结束处激活第一组LED，而当该整流正弦信号的瞬时值较高时，该微处理器可以在该周期的中间激活两组或更多组LED的一个串联连接。
然而，数字开关对这些组LED的激活和去激活导致在该LED照明电路和提供该交流驱动信号的多条电源线中的谐波失真级别升高。另外，对多个非线性LED负载的驱动会在该LED照明电路和这些提供该交流驱动信号的电源线中导致功率因数失真。由于失真导致谐波电流流过这些提供该交流驱动信号的电源线，这些谐波失真和功率因数失真都将导致该LED照明中的总效率下降。
因此需要一种用于产生最小总谐波失真的LED照明应用的驱动电路。
发明概述
一方面，提供了一种使用整流交流输入电压来驱动两个或更多个LED组的调理电路。该电路包括至少一个第一发光二极管(LED)组、一个第一晶体管、和一个第一电阻器的一个第一串联互连，以及一个第二LED组、一个第二晶体管、和一个第二电阻器的一个第二串联互连。该第二串联互连连接在该第一晶体管的一个漏极端子和一个源极端子之间，而该第一和第二LED组被施加在该第一串联互连上的一个可变电压选择性地激活。该第一电阻器被耦合在该第一晶体管的该源极端子与一个栅极端子之间。结果，当该可变电压超出一个第一阈值时，该第一晶体管从一种导通状态过渡到一种非导通状态。另外，该第一和第二LED组具有对应的阈值电压，这样使得当该可变电压超出该第一LED组的阈值电压时，该第一LED组被激活，而当该可变电压超出该第一和第二LED组的阈值电压之和时，该第二LED组被激活。
另一方面，提供了一种使用整流交流输入电压来驱动两个或更多个LED组的第二调理电路。该第二电路包括一个LED组、一个晶体管、和一个电阻器的该第一和第二串联互连。然而在该第二电路中，该第二串联互连连接在该第一LED组的一个阳极与该第一晶体管的一个源极端子之间，而该第一和第二LED组被施加在该第一串联互连上的一个可变电压选择性地激活。该第一和第二LED组具有对应的阈值电压，这样使得当该可变电压超出该第一LED组的阈值电压而不超出一个第一阈值(在该第一阈值处，该第一晶体管过渡到一种非导通状态)时，该第一LED组被激活，而当该可变电压超出该第二LED组的阈值电压时，该第二LED组被激活。
应当理解该主题技术的各种配置从本披露中将会变得对本领域技术人员而言非常明显，其中，通过图示的方式展示和描述了该主题技术的各种配置。将会认识到，该主题技术能够进行其他不同的配置，而其若干细节能够从各种其他方面进行修改，且均未脱离该主题技术的范围。相应地，该发明概述、附图及详细说明应被从本质上被视为是说明性的而非限制性的。
附图简要说明
附图描绘了与本教导相一致的一种或多种实现方式，仅通过举例而非限制的方式。在这些图中，相似的参考号指代相同或相似的元件。
图1A是示出了使用一个整流交流输入电压来驱动两个LED组的一个调理电路的示意图。
图1B、图1C和图1D分别是第一电压时序图、电流时序图、和第二电压时序图，这些图示意性示出了图1A的调理电路的运行。
图2A、图2B、图2C、和图2D是示出了用于图1A的调理电路中的多个LED之间及多个LED组之间的互连的各种示例的示意图。
图3A是示出了使用一个整流交流输入电压来驱动两个LED组的一个修改的调理电路的示意图。
图3B是示意性示出了图3A的调理电路的运行的电流时序图。
图4A是示出了使用一个整流交流输入电压来驱动三个LED组的一个修改的调理电路的示意图。
图4B是示意性示出了图4A的调理电路的运行的电流时序图。
图5A是示出了使用一个整流交流输入电压来驱动两个LED组的一个修改的调理电路的示意图。
图5B和图5C是示意性示出了图5A的调理电路的运行的电流时序图和照明强度图。
优选实施方案的详细描述
在下面的详细描述中，众多特定细节通过示例阐述以便提供相关教导的彻底理解。然而，对于本领域普通技术人员而言明显的是可以在没有这些细节的情况下实践本教导。在其他实例中，已经在没有细节的情况下以相对高的水平描述了众所周知的方法、工序、部件、和/或电路，以便避免不必要地使本教导的方面难以理解。
用于给多个发光二极管(LED)灯供电的驱动电路一般依靠数字电路来测量一个驱动电压的瞬时值，依靠一个微处理器来基于该测量值识别多个LED以便激活，并依靠多个数字开关来选择性地激活所识别的这些LED。然而，这个数字电路通过在该LED灯及其相关联的电源线中引起谐波失真和功率因数失真来减小LED照明的总效率。为了减小该数字电路引起的谐波失真和功率因数失真，提出了一种用于选择性地将电流路由到LED灯中的各种LED组的电流调理电路。该电流调理电路用多个模拟部件和电路运行，并产生最小谐波失真和功率因数失真。
提供了该电流调理电路用于根据一个交流输入电压的瞬时值选择性地将电流路由到不同的LED组。在一个优选实施例中，该调理电路仅包括多个模拟电路部件，并不包括用于运行的数字部件或数字开关。
该电路依靠多个耗尽型金属氧化物半导体场效应(MOSFET)晶体管运行。在一个优选实施例中，这些耗尽型MOSFET晶体管的漏极端子和源极端子之间的电阻较高，并且在导通和非导通状态之间的转换相对较慢。当栅极端子和源极端子之间的一个电压VGS为零或为正时，这些耗尽型MOSFET晶体管可以在其漏极端子和源极端子之间导通电流，并且该MOSFET晶体管运行在饱和(或有源、或导通)模式(或区域、或状态)。然而，如果给这些端子施加一个负VGS电压，可以限制通过该耗尽型MOSFET晶体管的电流，而该MOSFET晶体管进入截止(或非导通)模式(或区域、或状态)。该MOSFET晶体管通过在线性或欧姆模式或区域中运行在饱和与截止模式之间过渡，其中流过该晶体管(在漏极端子和源极端子之间)的电流的量值取决于该栅极端子和该源极端子之间的电压VGS。在一个示例中，这些耗尽型MOSFET晶体管优选地在漏极端子和源极端子之间(在线性模式下运行时)具有升高的电阻，这样使得这些晶体管在饱和与截止模式之间的转换相对较慢。这些耗尽型MOSFET晶体管通过在线性或欧姆区域中运行而在饱和与截止模式之间转换，由此在饱和与截止模式之间提供流畅而平缓的过渡。在一个示例中，耗尽型MOSFET晶体管的阈值电压可以是-2.6伏特，这样使得当栅极-源极电压VGS低于-2.6伏特时，该耗尽型MOSFET晶体管基本不允许该漏极端子和该源极端子之间有电流通过。可以替代性地使用其他多种阈值电压。
图1A是示出了使用一个整流交流输入电压来驱动两个LED组的调理电路100的示意图。该调理电路100用模拟电路来基于该交流输入电压的瞬时值选择性地将电流路由到这两个LED组的一者或两者。
该调理电路100从一个交流电压源101(比如电源、交流线电压等)接收一个交流输入电压。该交流电压源101与一个保险丝103串联耦合，而该交流电压源101与该保险丝103的串联互连又与一个瞬态电压抑制器(TVS)105或其他电涌保护电路并联耦合。该交流电压源101与该保险丝103的串联互连又进一步与一个电压整流器107的两个输入端子并联耦合。在一个示例中，该电压整流器107可以包括一个二极管桥式整流器，该二极管桥式整流器提供一个输入正弦交流电压波形的全波整流。在其他示例中，可以使用其他多种类型的电压整流电路。
电压整流器107作为可变直流电压源运行，并在其两个输出端子V+与V-之间产生一个整流电压Vrect。该整流电压Vrect对应于该交流驱动电压的一个整流版本。总体上，该整流电压Vrect是一个全波整流直流电压。该整流电压Vrect被用作输入直流电压，用于驱动该调理电路100的这些LED组109和111。具体地，该整流电压Vrect被用作输入电压，用于驱动一个LED组、一个晶体管、和一个电阻器的两个串联互连。
一个第一LED组109、一个第一n沟道耗尽型MOSFET晶体管113(通过漏极端子与源极端子耦合)、和一个第一电阻器117的一个第一串联互连耦合在该电压整流器107的输出端子V+与V-之间。该第一LED组109将其阳极耦合到该V+端子(节点n1)，并将其阴极耦合到第一耗尽型MESFET晶体管113的漏极端子(节点n2)。晶体管113的源极端子被耦合到电阻器117的一个第一端子(节点n3)，而晶体管113的栅极端子和电阻器117的第二端子均被耦合到该电压整流器107的端子V-(节点n4)，这样使得该第一电阻器117上的电压充当该第一晶体管113的栅极端子和源极端子之间的偏置电压VGS。
一个第二LED组111、一个第二n沟道耗尽型MOSFET晶体管115(通过漏极端子与源极端子耦合)、和一个第二电阻器119的一个第二串联互连耦合在该第一晶体管113的该漏极端子和该源极端子之间。具体地，该第二LED组111的该阳极被耦合到节点n2，而该第二LED组111的该阴极在节点n5处被耦合到该第二晶体管115的漏极端子。该第二晶体管115的源极端子在节点n6处被耦合到该第二电阻器119的一个第一端子，而该第二晶体管115的栅极端子和该第二电阻器119的第二端子均被耦合到节点n3和该第一晶体管113的源极端子。该第二电阻器119上的电压由此充当该第二晶体管115的栅极端子和源极端子之间的偏置电压VGS。
这些第一和第二LED组109和111各自具有一个正向电压(或阈值电压)。该正向电压通常是该LED组上要求的一个最小电压，以便电流流过该LED组，和/或让光由该LED组发出。该第一和第二LED组109和111可以有相同的正向电压(比如50伏特)，或该第一和第二LED组109和111可以有不同的正向电压(比如分别60伏特和40伏特)。
在运行中，在图1A的驱动电路100中，这两个LED组109和111之一或两者可以根据是否满足了这两个LED组109和111之一或两者的正向电压而导通电流。将参考图1B的电压时序图对图1A的LED驱动电路100的运行加以解释。
图1B是示出了一个周期内的该整流电压Vrect的电压时序图。该整流电压Vrect可以在电压整流器107的输出端处施加到这些LED组109和111，如图1A的驱动电路100中所示。
图1B所示的该整流电压Vrect的示例性周期从时间t0开始，此时该整流电压Vrect值为0V(0伏特)。在时间t0和t5之间该整流电压Vrect经历了半个正弦周期。在时间t0和t1之间，该整流电压Vrect的值保持低于该第一LED组109的正向电压，并且没有电流流过该第一LED组109。当该整流电压Vrect达到一个V1值时，达到该第一LED组109的正向电压并且电流开始逐渐流过该第一LED组109。此时，该第一耗尽型MOSFET晶体管113处在导通状态，这样使得从该整流器107流经该第一LED组109的电流流过该MOSFET晶体管113(从漏极端子到源极端子)和该第一电阻器117。
随着该整流电压Vrect的值从V1增长到V2，流过该第一LED组109、该第一耗尽型MOSFET晶体管113、和该第一电阻器117的电流的值会增长。通过该第一电阻器117的电流的增长会引起该第一电阻器117上的电压的增长，以及该第一耗尽型MOSFET晶体管113的栅极端子和源极端子之间的相应的反向电压的增长。然而，随着该反向栅极-源极电压的增长，该第一耗尽型MOSFET晶体管113开始从饱和运行模式或区域过渡出来进入“线性”或“欧姆”运行模式或区域。随着该整流电压Vrect达到值V2，该第一耗尽型MOSFET晶体管113可以因此开始关闭并传导较少的电流。
同时，当该整流电压Vrect达到值V2(在时间t2)时，该整流电压Vrect正达到或超出该第一和第二LED组109和111的正向电压之和。结果，该第二LED组111开始传导电流，并且流过该第一LED组109的电流开始流过该第二LED组111、该第二耗尽型MOSFET晶体管115、和该第二和第一电阻器119和117的串联互连。当Vrect超过V2，并且该第一耗尽型MOSFET晶体管113进入截止模式时，流过该第一LED组109的大部分或全部电流流过该第二LED组111。
因此，在前半周期，最初没有电流流过该第一和第二LED组109和111中的任一个([t0，t1]时段)。然而，随着Vrect值达到或超过V1，电流开始流过该第一LED组109，该LED组开始发光([t1，t2]时段)而该第二LED组111保持截止。最后，随着Vrect值达到或超过V2，电流开始流过该第一和第二LED组109和111两者，这两个LED组均发光(t2之后的时段)。
在后半周期，该整流电压Vrect从Vmax的最大值降回到0伏特。在此期间，该第二和第一LED组111和109循序地关闭并逐渐停止传导电流。具体地，当Vrect的值保持高于V2，该第一和第二LED组109和111都保持在导通状态。然而，随着Vrect的值达到或降到低于V2(在t3时间)，Vrect不再达到或超过该第一和第二LED组109和111的正向电压之和，并且该第二LED组111开始关闭并停止传导电流。大约在同一时刻，该第一电阻器上的电压降下降到该第一耗尽型MOSFET晶体管113的阈值电压以下，并且该第一耗尽型MOSFET晶体管113进入线性或欧姆运行模式并再次开始传导电流。其结果是，电流流过该第一LED组109、该第一耗尽型MOSFET晶体管113、和该第一电阻器117，并且该第一LED组109因此继续发光。然而，随着Vrect的值达到或降到低于V1(在t4时间)，Vrect不再达到或超过该第一LED组109的正向电压，并且该第一LED组109开始关闭并停止传导电流。其结果是，该第一和第二LED组109和111均在[t4，t5]时段关闭并停止发光。
图1C是一个电流时序图，示出了在该整流电压Vrect的一个周期内分别流过该第一和第二LED组109和111的电流IG1和IG2。
如相对于图1B所描述的，通过该第一LED组109的电流IG1在时间t1左右开始流动并增长到一个第一值I1。在从大约时间t1到大约时间t4该电流IG1继续流过该第一LED组109。在时间t2和t3之间，该电流IG2流过该第二LED组111，并到达一个第二值I2。在时段[t2，t3]期间，该电流IG1增长到值I2。
一般可以选择驱动电路100的部件的电参数来调整该电路100的运行。例如，该第一和第二LED组109和111的正向电压可以决定该第一和第二LED组被激活的电压V1和V2的值。具体地，该电压V1可以基本等于该第一LED组的正向电压，而该电压V2可以基本等于该第一和第二LED组的正向电压之和。在一个示例中，该第一LED组的正向电压可以被设置为例如60V，而该第二LED组的正向电压可以被设置为40V，这样使得该电压V1大约等于60V并且该电压V2大约等于100V。另外，可以设置该第一电阻器117的值以使当该电压Vrect达到V2的值时该第一耗尽型MOSFET晶体管113进入非导通状态。这样可以基于该第一耗尽型MOSFET晶体管113的阈值电压、该第一耗尽型MOSFET晶体管的漏极-源极电阻、和电压V1和V2对该第一电阻器117的值进行设置。在一个示例中，该第一电阻器的值可以是大约31.6欧姆。
图1A的调理电路100可以被用来使用该第一和第二LED组109和111提供可调照明。具体地，该调理电路可以基于该整流驱动电压Vrect的幅值提供可变的照明强度。图1D是一个电压时序图，示出了减小的驱动电压幅值对该LED照明电路100的影响。
如图1D所示，该驱动电压Vrect的幅值已经在151处从值Vmax减小到值Vmax’。可能已经通过激活一个电位计、一个调光器开关、或其他适当装置降低了该驱动电压Vrect的幅值。当该驱动电压的幅值被减小时，由于这些阈值电压是由电路100的部件的参数设置的，阈值电压V1和V2保持恒定。
由于该驱动电压Vrect幅值更低，在每个周期的前半部分该驱动电压达到该第一阈值电压V1要用[t0，t1’]的时间比[t0，t1]长。类似地，该驱动电压达到该第二阈值电压V2要用[t0，t2’]的时间比[t0，t2]长。另外，该幅值更低的驱动电压在每个周期的后半部分更早地(在t3’时间，比时间t3出现的要早)达到该第二阈值，并且类似地，在每个周期的后半部分更早地(在t4’时间，比时间t4出现的要早)达到该第一阈值。其结果是，当该输入电压有满幅时，时间段[t1，t4’](在此期间电流流过该第一LED组109)相对于对应的时间段[t1，t4]大量地减少。类似地，当该输入电压具有满幅时，时间段[t2’，t3’](在此期间电流流过该第二LED组111)相对于对应的时间段[t2，t3]大量地减少。由于该第一和第二LED组109和111各自产生的照明强度取决于流过这些LED组的电流总量，电流流过这些LED组中的每一个的时间段的缩短会引起由这些LED组的每一个产生的照明强度降低。
除了提供可调照明之外，图1A的该调理电路100可以用来提供取决于颜色的可调照明。为了提供取决于颜色的可调照明，该第一和第二LED组可以包括多个不同颜色的LED，或具有不同颜色的LED的不同组合。当提供了一个满幅电压Vrect时，该调理电路100的光输出由该第一和第二LED组提供，并且该光输出的颜色是基于这些LED组中的每一个提供的相对光强度和对应彩色光决定的。然而，随着电压Vrect的幅值的减小，该第二LED组提供的光强度将会比该第一LED组提供的光强度降低得更快。其结果是，该调理电路100的光输出将逐渐由该第一LED组产生的光输出(及光的颜色)支配。
图1A所示的调理电路100包括第一和第二LED组109和111。每个LED组可由一个或多个LED、或一个或多个高压LED形成。在多个示例中(其中，一个LED组包括两个或更多个LED(或两个或更多个高压LED))，这些LED可以串联和/或并联耦合。
图2A和图2B示出了可以被用作LED组109和111的多个LED的互连的示例。在图2A的一个示例中，一个示例性LED组(耦合在节点n1和n2之间，比如图1A中的LED组109)由四个LED子组串联耦合形成，其中每个子组是三个LED的并联互连。在图2B的示例中，一个示例性LED组(耦合在节点n2和n5之间，比如图1A中的LED组111)由三个LED子组串联耦合形成，其中每个子组是两个LED的并联互连
可以使用多个LED的各种其他互连。在另一个示例中，一个第一LED组可由LED的22个子组串联耦合形成，其中，每个子组是三个LED的并联互连，而一个第二LED组可由LED的25个子组串联耦合形成，其中每个子组是两个LED的并联互连。在单个组中的这些LED可以被引线接合到一个单个半导体管芯、或多个互连的半导体管芯。
一般可以选择一个LED组的结构来为该LED组提供多个具体的电参数。例如，通过串联耦合更多的LED子组可以提高该LED组的阈值电压，而通过在每个子组内并联耦合更多的LED可以提高该LED组的最大额定功率(或最大额定电流)。这样，一个LED组可以被设计成具有多个具体的电参数，比如具有40V、50V、60V、70V、120V的阈值电压或其他合适的电压电平。类似地，一个LED组可以被设计成具有一个具体的额定功率，比如2、7、12.5、或16瓦特的额定功率。
每个LED组可以进一步由发出相同或不同颜色光的多个LED形成。例如，一个只包括发红光的多个LED的LED组可以发出基本为红色的光，而一个包括发红光和白光的多个LED的混合的LED组可以发呈红色的光。
如图1C的示例性电流时序图所示，通过该第一和第二LED组109和111的电流IG1和IG2的最大幅值近似相同。然而，由于该第一LED组109传导电流的时间更长，该第一LED组109输出的总功率通常高于该第二LED组111输出的总功率。为了避免过度驱动该第一LED组109，该第一和第二LED组109和111可以包括多个LED的不同互连，如上文相对于图2A和图2B描述的。在一个示例中，该第一LED组109可以比该第二LED组111包括更多并联的LED以减小流过该第一LED组109中每个LED的电流的最大幅值，并由此减小过度驱动该第一LED组109的可能。
可替代地，可以在该调理电路100中使用不同数量的LED组。图2C和图2D示出了调理电路100被修改为包括各种数量的LED组的两个示例。
例如，图2C示出了与该调理电路100基本相似的调理电路200。然而，在图2C的调理电路200中，该第一LED照明组被两个LED组109a和109b的一个并联互连替代。通过提供两个并联耦合的LED组109a和109b，这些LED组109a和109b中的每一个将会有电流IG1的一半流过。这两个LED组109a和109b的并联互连可以由此减小流过每个LED组的总电流，并减小各LED组输出的总功率。该并联互连可以由此将这些LED组109a与109b中的任何一个遭受过度驱动的可能最小化。
图2D示出了另外一个与调理电路100基本相似的示例性调理电路250。然而，在调理电路250中，该第一LED照明组已由三个LED组109c、109d和109e的一个并联互连代替。另外，该第二LED照明组111已由两个LED组111a和111b的一个并联互连代替。如相对于图2C的描述，至少两个LED组的该并联互连可以减小流过每个LED组的总电流，并减小任何LED组面临过度驱动的可能。
图3A示出了使用整流交流输入电压来驱动两个LED组的一个修改的调理电路300的示意图。该修改的调理电路300与图1A的调理电路100基本相似。然而，修改的调理电路300不包括电路100的第二耗尽型MOSFET晶体管115。相反，该第二LED组111的阴极直接耦合到该第二电阻器119。
该电路300的运行与该电路100基本类似。如关于图1B和图1C的描述，电路300的该第一LED组109将在一个第一时段[t1，t4]内传导电流，而电路300的该第二LED组111将在第二时间段[t2，t3]内传导电流。然而，由于该电路300不包括该耗尽型MOSFET晶体管115，在时间段[t2，t3]内流过该第一和第二LED组的峰值电流不受该耗尽型MOSFET晶体管115的电导的限制。其结果是，电路300中流过该第一和第二LED组的电流可以达到一个比在该电路100中更高的峰值。但是，由于该第二电阻器119消耗了更多的功率，该电路300的照明效率可能比该电路100低。
图3B是一个电流时序图，示出了一个周期内分别流过电路300的该第一和第二LED组109和111的电流IG1和IG2。如图3B所示，流过电路300的电流与图1C中所示流过电路100的电流通常类似。然而，电路300中的电流IG1和IG2(如图3B所示)所达到的峰值幅度比在电路100(如图1C所示)中达到的峰值幅度高。
图4A示出了使用整流交流输入电压来驱动三个LED组的一个修改的电路400的示意图。该修改的电路400与图1A的调理电路100基本相似。然而，修改的电路400包括一个第三LED组112、一个第三耗尽型MOSFET晶体管116、和一个第三电阻器120的一个串联互连，该串联互连被耦合在该第二LED组111的阴极与该第二耗尽型MOSFET晶体管115的源极之间。
该修改的电路400的运行与LED照明电路100类似。然而，该修改的电路400根据该整流驱动电压Vrect的瞬时值选择性地向这些LED组之中的零个、一个、两个或全部进行电流路由。该修改的电路400可以有三个电压阈值V1、V2、和V3，在这些阈值处不同的LED组被激活。具体地，该第一LED组109可以在该驱动电压Vrect超出该第一电压阈值V1的时间段[t1，t4]期间被激活，该第二LED组111可以在该驱动电压Vrect超出该第二电压阈值V2的时间段[t2，t3]期间被激活，并且该第三LED组112可以在该驱动电压Vrect超出该第三电压阈值V3的时间段[t21，t22]期间被激活。这些电压阈值可以是V1<V2<V3，并且这些时间段可以是[t21，t22]组成[t2，t3]的一部分，并且[t2，t3]组成[t1，t4]的一部分。
图4B是一个电流时序图，示出了电路400的一个运行周期内分别流过该第一、第二、和第三LED组109、111、和112的电流IG1、IG2、和IG3。如图4B所示，该第一和第二LED组的运行与图1C所示的那些基本类似。具体地，根据图4B的时序图，在时段[t1，t4]内电流IG1流过该第一LED组109，而在时段[t2，t3]内电流IG2流过该第二LED组111。然而，在该电路400中，在时段[t21，t22]内该电流IG3此外还流过该第三LED组112。
在电路400中，可以选择这些部件的电参数以调节该电路100的运行。例如，该电压V1可以基本上与该第一LED组的正向电压相等，而该电压V2可以基本上与该第一和第二LED组的正向电压之和相等，并且该V3可以基本上与该第一、第二、和第三LED组的正向电压之和相等。在一个示例中，可以将该第一LED组的正向电压设置为例如40V的值，而该第二和第三LED组的正向电压各自可以被设置为30V的值，这样使得电压V1、V2、和V3分别大约等于40V、70V、和100V。另外，可以设置该第一电阻器117的值以使该第一耗尽型MOSFET晶体管113在电压Vrect达到值V2时进入非导通状态，并且可以设置该第二电阻器119的值以使该第二耗尽型MOSFET晶体管115在电压Vrect达到值V3时进入非导通状态。
虽然提出选择性地驱动两个LED组109和111(见图1A，电路100)及选择性地驱动三个LED组109、111和112(见图4A，电路400)的多个LED照明电路，在此包含的教导可以更普遍地用于设计驱动四个或更多个LED组的电路。例如，一个驱动四个LED组的电路可以与电路400基本类似，但可以包括一个第四LED组、一个第四耗尽型MOSFET晶体管、和一个第四电阻器的一个附加串联互连，该附加串联互连被耦合在该第三LED组112的阴极与该第三耗尽型MOSFET晶体管116的源极之间。类似地，一个驱动五个LED组的电路可以与该驱动四个LED组的电路基本类似，但可以包括一个第五LED组、一个第五耗尽型MOSFET晶体管、和一个第五电阻器的一个附加互连，该附加互连被耦合在该第四LED组的阴极与该第四耗尽型MOSFET晶体管的源极之间。
图5A示出了使用整流交流输入电压来驱动两个LED组的一个修改的电路500的示意图。该修改的电路500类似于图1A的调理电路100。然而，在修改的电路500中，该第一与第二LED组509和511并联耦合，并因此可以被基本上交替地提供一个驱动电流(而不是，如电路100中，被基本上同时地提供一个驱动电流)。
具体地，在电路500中，该第一LED组509、该第一耗尽型MOSFET晶体管513(由漏极端子和源极端子耦合)、和该第一电阻器517的该第一串联互连被耦合在该电压整流器107的输出节点V+与V-之间。该第一耗尽型MOSFET晶体管513的栅极端子被耦合到该节点V-。然而，该第二LED组511、该第二耗尽型MOSFET晶体管515(由漏极端子和源极端子耦合)、和该第二电阻器519的该第二串联互连被耦合在该电压整流器107的输出节点V+与该第一耗尽型MOSFET晶体管513的源极端子之间。该第二耗尽型MOSFET晶体管515的栅极端子被耦合到该第一耗尽型MOSFET晶体管513的源极端子。
将参照图5B的电流时序图对该电路500的运行加以解释。如在调理电路100的情况下，调理电路500具有第一和第二电压阈值V1和V2，而该整流驱动电压Vrect分别在每个周期的时间段[t1，t4]和[t2，t3]期间超出该第一和第二阈值。
然而，由于该第一和第二LED组509和511不是串联耦合，流过该第一LED组509的电流IG1不流过该第二LED组511，并且流过该第二LED组511的电流IG2不流过该第一LED组509。其结果是，当该第一MOSFET晶体管513进入并在非导通状态下运行时(时间段[t2，t3])，流过该第一LED组509的电流将减小或截止。其结果是，该第一LED组509在时间段[t2，t3]之间基本关闭(并停止发光)。同时，电路500的该第二LED组511的运行基本与电路100中类似。具体地，该第二LED组511在时间段[t2，t3]内传导电流(并发光)。
可以选择用于电路500的电参数来调节该电路的运行。例如，该第一和第二LED组509和511的正向电压可以决定该第一和第二LED组被激活处的电压V1和V2的值。具体地，该电压V1可以基本上等于该第一LED组的正向电压，而该电压V2可以基本上等于该第二LED组的正向电压。在一个示例中，该第一LED组的正向电压被设置为例如60V，而该第二LED组的正向电压可以被设置为100V的值，这样使得该电压V1大约等于60V而该电压V2大约等于100V。另外，可以设置该第一电阻器117的值，这样使得当该电压Vrect达到值V2时该第一耗尽型MOSFET晶体管113进入非导通状态。这样，可以基于该第一耗尽型MOSFET晶体管513的阈值电压、该第一耗尽型MOSFET晶体管513的漏极-源极电阻、和电压V1和V2对该第一电阻器117的值设置。
就提供一个恒定照明强度而言(即使在驱动电压幅值可变的情况下)，LED照明电路500的运行可以表现出优势。如关于图1D的描述，随着该整流电压Vrect幅值的降低，该第一和第二LED组发光的时间段[t1，t4]和[t2，t3]长度会相应地降低。其结果是，这些LED组产生的总照明强度降低。然而，该LED照明电路500可以提供一个相对恒定的照明强度(即使该整流电压Vrect幅值发生一些小变化)。
图5C示出了一个第一图示，示出了该第一和第二LED组G1和G2根据该驱动电压Vrect幅值的相对照明强度。对于每个LED组，该照明强度被归一化为对一个120V的驱动电压幅值的100％值。当该驱动电压幅值降到低于120V时，该第二LED组G2的照明强度逐渐降到低于100％。然而，当该驱动电压幅值降到低于120V时，该第一LED组G1的照明强度在对于低驱动电压幅值而降低之前先增加。其结果是，该LED电路产生的总照明强度(即该第一和第二LED组的结合G1+G2所提供的总照明强度)在对于低驱动电压幅值而降低之前对于一个输入电压幅值的范围(例如，图5C的示例中的幅值范围[120V，100V])保持相对恒定。该LED照明电路500可以因此被有利地用来面对一个可变的电源幅值提供一个恒定的照明强度，但使得该光照强度在低电源幅值下能够被调暗。例如，该LED照明电路500在即使电源线上的瞬变导致电源幅值变化时仍然可以提供一个恒定的照明强度。
本文中所描述的对该调理电路100的各种修改可以应用于该调理电路500。例如，该调理电路500可以包括多个LED的及多个LED组的各种互连，比如本文关于图2A至图2D描述的多个LED的及多个LED组的串联互连和并联互连。在另一个示例中，可以可选地从该调理电路500中将该第二晶体管515移除，并且该第二LED组511的阴极被耦合到该电阻器519的第一端子。在又一个示例中，该调理电路500中可以包括多个由一个LED组、一个耗尽型MOSFET晶体管及一个电阻器组成的附加互连。例如，一个第三LED组、一个第三耗尽型MOSFET晶体管、和一个第三电阻器的一个第三串联互连可以被耦合在该LED组509的阳极与该第二耗尽型MOSFET晶体管515的源极之间。该第三耗尽型MOSFET晶体管的栅极端子然后可以被耦合到该第二耗尽型MOSFET晶体管515的源极。类似地，一个第四LED组、一个第四耗尽型MOSFET晶体管、和一个第四电阻器的一个第四串联互连可以被耦合在该LED组509的阳极与该第三耗尽型MOSFET晶体管的源极之间。该第四耗尽型MOSFET晶体管的栅极端子然后可以被耦合到该第三耗尽型MOSFET晶体管的源极。
本申请中所示出和描述的多种调理电路(包括这些图中所示的调理电路100、200、250、300、400、和500，以及本申请中所描述的对调理电路的各种修改)被配置成用减小的或最小的总谐波失真来驱动这些LED照明电路，。通过使用逐步地并且选择性地将电流路由到各种LED组的模拟电路，这些调理电路通过基于该驱动电压的瞬时值来驱动一个、两个、或更多个LED组以提供一个高照明效率。
此外，通过使用多个提升了漏极-源极电阻rds的耗尽型MOSFET晶体管，这些耗尽型MOSFET晶体管在饱和与截止模式之间的过渡会相对较慢。因此，通过确保这些晶体管在导通和非导通状态之间逐渐切换，这些LED组和晶体管的开关会基本上遵循正弦线。其结果是，当这些LED组逐渐被激活和去激活时，该电路产生的谐波失真很少。另外，该第一和第二(或更多)LED组控制电流通过彼此：该第二LED组的正向电压电平影响流过该第一LED组的电流，并且该第一LED组的正向电压电平影响流过该第二LED组的电流。其结果是，该电路通过这些多个LED组与多个MOSFET晶体管之间的互相作用而进行自我控制。
一方面，术语“场效应晶体管(FET)”可以指各种多端子晶体管的任何一种，这些晶体管一般以通过控制电场来控制一种半导体材料中载流子的一种通道的形状继而其导电性的原则运行，这种材料包括但不限于金属氧化物半导体场效应管(MOSFET)、结型FET(JFET)、金属半导体FET(MESFET)、高电子迁移性晶体管(HEMT)、调制掺杂FET(MODFET)、绝缘栅双极晶体管(IGBT)、快速反向外延二极管FET(FREDFET)、和离子敏感FET(ISFET)。
一方面，术语“基极”、“发射极”、和“集电极”可以指一个晶体管的三个端子，并且还可以指一个双极结型晶体管的一个基极、发射极、集电极、或者分别指一个场效应管的一个栅极、源极、和漏极，反之亦然。另一方面，术语“栅极”、“源极”、和“漏极”可以分别指一个晶体管的“基极”、“发射极”、和“集电极”，反之亦然。
除非另外说明，本披露所描述的各种配置可以在硅、锗硅(SiGe)、砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP)或磷化铟镓(InGaP)基板或任何其他合适的基板上实施。
以单数形式提到一种元件并不意指“一个且只有一个”除非具体这样说明，而是指“一个或多个”。例如，一个电阻器可以指一个或多个电阻器，一个电压可以指一个或多个电压，一个电流可以指一个或多个电流，而一个信号可以指多个有差别的电压信号。
在此中使用的词“示例性的”意为“用作示例或展示”。在此描述为“示例性的”任何方面或设计不必解释为比其他方面或设计优选或有利。一方面，本文描述的各种替代性配置和操作可以被认为至少是等同的。
比如“示例”、或“方面”的短语并不暗指这种示例或方面对本主题技术是必要的或这种方面适用于本主题技术的所有配置。涉及一个示例或方面的披露可以适用于所有、或一个或多个配置。一个方面可以提供一个或多个示例。比如一个方面的短语指的是一个或多个方面，反之亦然。短语比如“实施例”并不暗指该实施例对本主题技术是必要的或这种实施例适用于本主题技术的所有配置。涉及一个实施例的披露可以适用于所有、或一个或多个实施例。一个实施例可以提供一个或多个示例。比如一个实施例的短语可以指的是一个或多个实施例，反之亦然。短语，比如“配置”，并不暗指这种配置对本主题技术是必要的或这种配置适用于本主题技术的所有配置。涉及一种配置的披露可以适用于所有、或一个或多个实施例。一种配置可以提供一个或多个示例。比如一种配置的短语可以指的是一种或多种配置，反之亦然。
在本披露的一方面，将动作或功能被描述为由一个物件执行时(例如，路由、照明、发射、驱动、流动、产生、激活、打开或关闭、选择、控制、传输、发送、或其他任何动作和功能)，应当理解这种动作或功能可以由该物件直接或间接执行。一方面，当一个模块被描述为执行一个动作时，可以理解为该模块直接执行该动作。一方面，当一个模块被描述执行一个动作时，可以理解为该模块间接执行该动作，例如，通过促进、使能或引起这种动作。
一方面，除非另外说明，所有测量、值、额定、位置、幅值、尺寸、和其他本说明书中(包括下文的权利要求书中)要求的规格提出的都是近似值而非精确值。一方面，它们意在具有与它们所涉及的功能及其所属领域惯用的相一致的合理范围。
一方面，“耦合”、“连接”、“互连”、或其他类似术语可以指被直接耦合、连接、或互连(例如，直接电耦合、连接、或互连)。另一方面，“耦合”、“连接”、“互连”、或其他类似术语可以指被间接耦合、连接、或互连(例如，间接电耦合、连接、或互连)。
本披露的提供是为了让本领域技术人员能够实践本文描述的这些多个方面。本披露提供了本主题技术的多个示例，而本主题技术并不限于这些示例。对这些方面的各种修改对本领域技术人员来所是很明显的，而在此定义的这些通用原则可以应用于其他方面。
本领域技术人员已知或稍后所知的贯穿本披露描述的各个方面的元件的所有结构和功能的对等物特意通过引用结合在此并意指包括在权利要求中。而且，无论此披露是否在权利要求书中被清楚地叙述，本文所披露无一意在公共专用。不应在美国专利法第112项第六段的35条款下解释任何权利要求元件，除非使用了“用于……的装置”清楚地叙述了该元件，或除非在方法权利要求的情况下使用“……的步骤”叙述了该元件。进一步，到使用了“包括”、“具有”等类似术语的程度，此类术语与术语“包括”在权利要求中作为过渡性词语时的理解方式类似，意指是包括性的。
本披露的标题、背景、发明概述、附图简要说明及摘要被由此结合在本披露中并作为本披露的示意性示例而非限制性说明被提供。它们在理解以下的情况被提交：它们将不会用于限制权利要求的范围或意义。另外，在详细描述中，可以看出该描述提供了示意性示例并且为简单化本披露的目的在各种实施例中将各种特征组合在一起。这种披露方法不应被解释为反映所要求的主题要求的特征比每项权利要求中所明确叙述的更多的意图。相反，如以下权利要求所反映的，本发明的主题位于单个披露的配置和操作的所有特征更少的特征。因此，以上权利要求由此被结合到详细说明中，其中每项权利要求自身作为一个单独要求的主题而存在。
权利要求并不意在受限于在此描述的这些方面，但应符合与语言权利要求相一致的完整范围并包括所有合法等同物。尽管如此，这些权利要求都不意在包括不满足美国专利法第101、102或103项35条的要求的主题，也不应被按照此方式理解。在此否认所有意图之外的、对此类主题的包含。

Claims (15)

1.一种电路，包括：
一个第一发光二极管LED组、一个第一晶体管和一个第一电阻器的一个第一串联互连；
一个第二LED组、一个第二晶体管和一个第二电阻器的一个第二串联互连，其中：
该第二串联互连连接在该第一晶体管的一个漏极端子与一个源极端子之间，以及
该第一LED组和第二LED组被施加在该第一串联互连上的一个可变电压选择性地激活；以及
一个整流器，该整流器在一对输入端子处接收一个交流驱动电压，对所接收到的交流驱动电压进行整流，并将所整流的电压作为该可变电压在一对输出节点处输出，并且其中：
该第一LED组的一个阳极被耦合到该整流器的这对输出节点之一；
该第一LED组的一个阴极被耦合到该第一晶体管的该漏极端子；
该第一晶体管的该源极端子被耦合到该第一电阻器的一个第一端子；以及
该第一晶体管的一个栅极端子被耦合到该第一电阻器的一个第二端子和该整流器的这对输出节点的另一个。
2.根据权利要求1所述的电路，其中：
该第二LED组的一个阳极被耦合到该第一晶体管的该漏极端子；
该第二LED组的一个阴极被耦合到该第二晶体管的一个漏极端子；
该第二晶体管的一个源极端子被耦合到该第二电阻器的一个第一端子；以及
该第二晶体管的一个栅极端子被耦合到该第二电阻器的一个第二端子及该第一晶体管的该源极端子。
3.根据权利要求1所述的电路，进一步包括：
一个第三LED组、一个第三晶体管、和一个第三电阻器的一个第三串联互连，其中：
该第三串联互连连接在该第二晶体管的一个漏极端子与一个源极端子之间。
4.根据权利要求1所述的电路，其中该第一晶体管和第二晶体管是耗尽型MOSFET晶体管。
5.根据权利要求4所述的电路，其中：
该第一电阻器被耦合在该第一晶体管的该源极端子与一个栅极端子之间，以及
当该可变电压超出一个第一阈值时，该第一晶体管从一种导通状态过渡到一种非导通状态。
6.根据权利要求5所述的电路，其中：
当该可变电压超出该第一阈值时，该第二LED组被选择性地激活。
7.根据权利要求5所述的电路，其中：
该第一LED组和第二LED组具有对应的阈值电压，
当该可变电压超出该第一LED组的阈值电压时，该第一LED组被激活，以及
当该可变电压超出该第一LED组和第二LED组的阈值电压之和时，该第二LED组被激活。
8.一种电路，包括：
一个第一发光二极管LED组、一个第一晶体管和一个第一电阻器的第一串联互连；以及
一个第二LED组、一个第二晶体管和一个第二电阻器的一个第二串联互连，其中：
该第二串联互连连接在该第一LED组的一个阳极与该第一晶体管的一个源极端子之间，以及
该第一LED组和第二LED组被施加在该第一串联互连上的一个可变电压选择性地激活。
9.根据权利要求8所述的电路，进一步包括：
一个整流器，该整流器在一对输入端子处接收一个交流驱动电压，对所接收到的交流驱动电压进行整流，并将所整流的电压作为该可变电压在一对输出节点处输出，而其中：
该第一LED组的该阳极被耦合到该整流器的这对输出节点之一；
该第一LED组的一个阴极被耦合到该第一晶体管的一个漏极端子；
该第一晶体管的该源极端子被耦合到该第一电阻器的一个第一端子；以及
该第一晶体管的一个栅极端子被耦合到该第一电阻器的一个第二端子和该整流器的这对输出节点的另一个。
10.根据权利要求9所述的电路，其中：
该第二LED组的一个阳极被耦合到该第一LED组的该阳极；
该第二LED组的一个阴极被耦合到该第二晶体管的一个漏极端子；
该第二晶体管的一个源极端子被耦合到该第二晶体管的一个第一端子；以及
该第二晶体管的一个栅极端子被耦合到该第二电阻器的一个第二端子和该第一晶体管的该源极端子。
11.根据权利要求9所述的电路，进一步包括：
一个第三LED组、一个第三晶体管和一个第三电阻器的一个第三串联互连，其中：
该第三串联互连连接在该第一LED组的该阳极与该第二晶体管的一个源极端子之间。
12.根据权利要求8所述的电路，其中该第一晶体管和第二晶体管是耗尽型MOSFET晶体管。
13.根据权利要求12所述的电路，其中：
该第一电阻器被耦合在该第一晶体管的该源极端子与一个栅极端子之间，以及
当该可变电压超出一个第一阈值时，该第一晶体管从一种导通状态过渡到一种非导通状态。
14.根据权利要求13所述的电路，其中：
当该可变电压超出该第一阈值时，该第二LED组被激活。
15.根据权利要求13所述的电路，其中：
该第一LED组和第二LED组具有对应的阈值电压，
当该可变电压超出该第一LED组的阈值电压而不超出该第一阈值时，该第一LED组被激活，以及
当该可变电压超出该第二LED组的阈值电压时，该第二LED组被激活。
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