CN103765496B - 在大面积矩阵中分布和连接led的拓扑结构 - Google Patents

Abstract

一种LED电路包括布置成矩阵的LED阵列。该矩阵连接到至少三根功率轨线。LED形成为在第一功率轨线（30）与第二功率轨线（32）之间的第一LED装置（34），以及在第二功率轨线（32）与和第一功率轨线相同电压的第三功率轨线（30）之间的第二LED装置。这意味着存在穿插了LED矩阵的交变的功率轨线。这使得驱动电压能够保持为低并且它提高了设计的可缩放性。

Description

在大面积矩阵中分布和连接LED的拓扑结构

技术领域

本发明涉及一种用于在大面积矩阵中分布和连接LED的低成本且高效的拓扑结构。大面积矩阵指的是在一定区域上散布的LED阵列，例如至少数十LED的阵列，但是更典型地数百甚至数千LED的阵列。

背景技术

LED照明应用可以通过在大面积矩阵中组合大量低功率、中间功率或者甚至高功率LED而形成。该矩阵将包括并联和串联配置的大量LED。

已知的是形成这样的LED矩阵，其中LED通过导线而不是昂贵的PCB连接和供电。

图1示出了一种已知的布置，其中LED阵列通过导线连接成网格。单个高电压轨10和单个低电压轨12向LED 14供电。这些LED成行列地布置在规则矩阵中。LED列将利用列线将其阳极连接在一起并且将其阴极连接在一起。因此，每列包括一套并联的LED。在电压轨之间存在一串串联的这些列。

图2中示出了等效的电路图。LED 14被布置成列20的串联连接。每列20包括一套并联的LED 14。应当指出的是，每个LED 14本身可以包括包含若干串联或并联的LED的封装。

如果存在N列20，那么电压轨10、12之间的电压需要为（例如3V的）LED正向偏置电压降的N倍。功率供应器输送的电流是LED总数的函数。

该设计是可缩放的，并且甚至可以通过缩短列长度而切割成一定尺寸。图1中所示的网状布置使得所有LED都能够在没有重叠导线的情况下且在只有到每个电压轨的单个连接的情况下连接到电路中。

本发明解决了在许多LED串联连接的情况下需要高电压的问题。对于大的N值而言，所需的电压可能变得危险或者可能需要昂贵的高电压绝缘措施。驱动电压可能甚至超过市电电压。

为了缩放该设计，可以添加附加的LED行（使得每列20具有更大数量的并联二极管）。对于每个附加的（N个二极管的）行，必须使用专用的功率供应器，以便输送所需的恒定电流。所需的电流取决于网中的LED数量。

因此，尽管图1中的设计是可缩放的，但是不同的缩放将需要不同的电源，这使得设计的缩放变复杂化。

发明内容

依照本发明，提供了一种如独立权利要求中所限定的电路和方法。

依照本发明的一个方面，提供了一种LED电路，该电路包括：

- LED或LED封装阵列，其布置成矩阵，每个LED或LED封装在矩阵内通过连接导线连接，并且矩阵连接到电压轨，

其中这些电压轨连接到跨矩阵的区域分布的至少三根功率轨线，

其中LED或LED封装形成为：

- 在第一功率轨线与第二邻近功率轨线之间的第一LED装置；

- 在第二功率轨线与被配置成和第一功率轨线相同电位的第三功率轨线之间的第二LED装置，第三功率轨线邻近第二功率轨线并且处在第二功率轨线的与第一功率轨线相比的相对侧。

在该设计中，LED分段布置在连续的功率轨线对之间——而不是全部布置在单个电压轨对之间。按照这种方式，驱动电压可以保持为低并且调谐到最佳值（从例如能耗、成本和安全性的观点来看最佳）。这些LED装置将其阳极连接到较高电压功率轨线并且将其阴极连接到较低电压功率轨线，使得不同的分段被布置成具有相反的极性。通过将LED置于具有不同极性方向的分段中，不仅有可能以低（即安全）电压驱动LED，而且用于功率供应器的模块化方法也是可能的。LED矩阵可以具有任意维度。它也允许在希望的情况下单独地寻址该矩阵的所述多个LED装置。这些LED装置可以处于行或列方向上，从而使得逐行或逐列寻址是可能的。

可以存在数量为大于3的N的功率轨线以及数量为N-1的LED装置，每个LED装置介于邻近的功率轨线对之间，其中该邻近的功率轨线对包括一根高功率轨线和一根低功率轨线。按照这种方式，该设计在二维中可缩放。这些功率轨线在第一方向（例如行方向）上交变，并且该设计可以基于功率轨线的数量且在不改变功率轨线电压的情况下缩放。

该设计也可以在垂直方向上通过改变每个装置中有多少LED而缩放。

例如，第一LED装置可以包括第一功率轨线与第二功率轨线之间的LED组（bank），第一LED组包括一个或多个并联的LED，并且第二LED装置可以包括第二功率轨线与第三功率轨线之间的第二LED组，该第二LED组包括一个或多个并联的LED。

每个组中并联的LED的数量可以用来确定用于固定数量的功率轨线的缩放。

第一LED装置可以包括第一功率轨线与第二功率轨线之间的串联的第一多个LED组，每个组再次包括一个或多个并联的LED，并且第二LED装置可以包括第二功率轨线与第三功率轨线之间的串联的第二多个LED组，每个组包括一个或多个并联的LED。

所述功率轨线对之间串联的组的数量确定所需的电压。因此，可以在所需的电压范围与功率轨线数量之间找到折衷。

这些功率轨线中的每一根可以连接到高电压轨与低电压轨之一。此外，所有高电压功率轨线可以连接在一起，并且所有低电压功率轨线可以连接在一起。这意味着只需一个外部高电压线连接并且只需一个外部低电压线连接。

可以在每个邻近的功率轨线对之间提供开关装置。这使得短路功能能够被实现，从而可以调暗或者关断特定功率轨线对之间耦合的LED。这可以用来控制总输出亮度或者甚至输出颜色，如果不同的LED具有不同的颜色输出的话。例如，第一LED装置的LED可以具有与第二LED装置的LED不同的输出颜色。

所述电路可以进一步包括具有连接到LED矩阵的第一和第二电压线的电源，其中第一和第二电压线之一连接到每根功率轨线。因此，这些功率轨线基本上跨矩阵分布两根电压线，使得该矩阵可以在不改变电压线电压的情况下缩放。

单独的电源可以连接到每根较高电压功率轨线，和/或单独的电源可以连接到每根较低电压功率轨线。当矩阵缩放时，电源可以根据需要在不重新设计其余电源的情况下添加/移除。这些单独的电源中的每一个可以具有可单独控制的输出电流，并且这可以用来实现LED的局部关断或局部调暗。

在另一个方面中，本发明提供了一种布置和驱动LED电路的方法，该方法包括：

- 将LED或LED封装阵列连接成矩阵，每个LED在矩阵内通过连接导线连接，并且矩阵连接到电压轨，这些电压轨连接到跨矩阵的区域分布的至少三根功率轨线，其中该方法包括：

- 控制所述至少三根功率轨线，从而驱动第一功率轨线与第二邻近功率轨线之间的第一LED装置，并且驱动第二功率轨线与和第一功率轨线相同电压的第三功率轨线之间的第二LED装置，第三功率轨线邻近第二功率轨线并且处在第二功率轨线的与第一功率轨线相比的相对侧。

附图说明

将参照附图详细地描述本发明的实例，在附图中：

图1示出了一种已知的LED矩阵；

图2示出了图1的LED矩阵的等效电路；

图3示出了本发明的LED电路的第一实例；

图4示出了图3的LED矩阵的等效电路；

图5示出了本发明的LED电路的第二实例；以及

图6示出了图5的LED矩阵的等效电路。

具体实施方式

本发明提供了一种LED电路，其中LED阵列布置成矩阵。该矩阵连接到至少三根功率轨线。LED形成为在第一功率轨线与第二功率轨线之间的第一LED装置，以及在第二功率轨线与和第一功率轨线相同电压的第三功率轨线之间的第二LED装置。这意味着存在穿插了LED矩阵的交变的功率轨线。这使得驱动电压能够保持为低并且它提高了设计的可缩放性。

图3中示出了依照本发明的第一实施例。

LED电路再次包括布置成矩阵的LED 14（或LED封装）阵列，每个LED（或LED封装）在矩阵内通过连接导线连接，并且矩阵连接到电压轨10、12。

电压轨连接到用于LED 14的功率轨线以便供电。术语“功率”轨线只是用来区分所有功率轨线所连接的（仅仅）两个“电压”轨10、12。“功率轨线”只是向其施加电压并且用来将功率（即电流）输送至连接的LED的线。

这些功率轨线跨矩阵分布，从而存在连接到两个电压轨10、12的至少三根功率轨线。存在穿插了LED矩阵的交变的功率轨线。在所示的实例中，存在连接到高电压轨10的三根（较高电压）功率轨线30以及连接到低电压轨12的三根（较低电压）功率轨线32。所述LED形成为邻近功率轨线之间的单独的LED装置，其中这些邻近功率轨线为一根较高电压功率轨线和一根较低电压功率轨线。

在下限处，本发明可以利用三根功率轨线实现，例如，图3中左边的前两根高功率轨线30以及第一根低功率轨线32。在这种情况下，仅仅存在第一功率轨线30与第二功率轨线32之间的第一LED装置34以及第二功率轨线32与和第一功率轨线相同电压的第三功率轨线30之间的第二LED装置36。

每个LED装置在极限下可以是单个LED。作为代替，它可以是可以包括多个LED的LED封装。它也可以是一行串联的LED或LED封装、一组并联的LED或LED封装或者一行串联的并联组（像在图3中那样）。

图3示出了这样的实例，其中每个LED装置具有若干组2个并联LED并且存在3个串联的这样的组。因此，每个LED装置的LED置于2*3矩阵中：并联方向上2个且串联方向上3个。

对于3V的LED电压降而言，通过这种方法，驱动电压固定为3*3V=9V。对于具有如图1中所示的拓扑结构的正常配置而言，这将是15*3V=45V。

图4中示出了等效电路。

这种布置使得矩阵能够在两个正交方向上进行维度缩放。在图3所示的实例中，功率轨线在列方向上延伸，并且它们在行方向上极性交变。

在这种情况下，矩阵可以在行方向上通过增加或减少功率轨线的数量而缩放。矩阵可以在列方向上通过增加或减少LED装置34、36的每组中并联的LED数量而缩放。

这种缩放使得矩阵能够被制成希望的那么大，同时仍然保持相同的驱动电压。

当然，矩阵越大，则驱动电流越大。然而，这可以通过简单地从具有固定的驱动电压范围和固定的驱动电流范围的驱动供应器开始，并且使用这些供应器中与需要的一样多的供应器对整个阵列供电而实现。因此，驱动供应器的固定设计的数量可以简单地与功率轨线30、32的数量相关。

这提供了一种模块化方法，其避免了缝合（stitch）单独的矩阵的需要。这有利于制造阵列，例如允许连续的卷到卷制造工艺，而不是更昂贵的分批工艺。

图5中示出了依照本发明的第二实施例，其具有图6中的等效电路。

矩阵布局在概念上是相同的。然而，功率轨线30、32在行方向上延伸，并且每个LED装置34、36包括一组三个并联LED。

该矩阵再次可在两个维度上缩放。行方向缩放涉及改变每个并联组中的LED数量，而列方向缩放涉及改变功率轨线的数量。

图5和图6用来表明，通过使功率轨线在行方向上延伸，有可能允许逐行开关或者行调光。当然，利用90度旋转，逐列控制是可能的。

在图5和图6所示的布局中，每行LED可以单独地寻址。这通过在每个邻近的功率轨线对之间使用诸如晶体管之类的开关50来实现。这可以用来对负责特定行的功率供应器完全或部分地短路。恒定电流供应器于是将通过短路晶体管驱动电流。可替换地，开关可以与每个功率供应器串联地放置。对于这个选项，参照图5，存在若干子选项：

（i）用于高功率轨（用+标记）的每个功率轨线30可以在0状态与+状态（以及用于调光的中间状态）之间切换。这意味着两行可以一次切换到调暗或关断状态。

（ii）所有功率轨线30和32可以在0状态与+状态（以及用于调光的中间状态）之间切换。这意味着除了上面（i）的两行控制之外，单独的行可以接通或者调光。

也可能使得每行（或者行群组）发射具有不同颜色的光。

图5示出一种颜色（在图中示为灰色）的奇数行LED和另一种颜色（在图中示为白色）的偶数行。

例如，偶数行可以发射暖白色并且奇数行发射冷白色。使用逐行寻址，可以控制整个矩阵以便发射具有暖白色与冷白色之间的任何颜色的普通光。动态图案也可以沿着行或列方向（取决于功率轨线的配置）创建。

本发明可以应用在用于诸如例如办公室照明之类的许多应用的大面积LED阵列中。

LED可以是已知的设计，并且出于这个原因，它们未被详细描述。它们包括可以与其形成导线连接的分立封装的部件。导线和LED的矩阵可以密封在透明膜中。

导线和LED的矩阵也可以层压到诸如帆布或地毯之类的柔性衬底。导线可以是编织到纺织品中的传导线。

在所示的实例中，两个电压轨被示为“+”和“-”或者“+”和“0”。所需的是电压差以便适当地偏置LED。因此，实际电压是无关的——它们可以都是正的或者都是负的。

如上面所提到的，功率轨线跨矩阵的区域分布。

在图3的实例中，功率轨线在行方向上在两个电压之间交变，并且功率轨线基本上在列方向上延伸。因此，从左至右（即在行方向上），存在均匀间隔的极性交变的功率轨线。为了避免交叉，一种极性的功率轨线向上延伸以便连接到电压轨线中的一根，并且另一种极性的功率轨线向下延伸以便连接到电压轨线中的另一根。

在图5的实例中，功率轨线在列方向上在两个电压之间交变，并且功率轨线基本上在行方向上延伸。因此，从顶至底（即在列方向上），存在均匀间隔的极性交变的功率轨线。

总的来说，功率轨线跨矩阵区域基本上均匀地分布。“基本上均匀地”指的是“在忽略边缘影响的情况下均匀地”。这意味着矩阵可以切割成一定尺寸。图3和图5的设计中的每一个可以在行和列方向上切割成一定尺寸。

这些图中所示的每个LED 14可以是一个或多个LED的LED封装。

如上面所解释的，本发明在极限下可以使用仅仅三根功率轨线。然而，优选地存在至少4根功率轨线，更优选地存在10根或更多，例如超过20根。功率轨线越多，调整矩阵的尺寸的能力越大。

本领域技术人员在实施要求保护的本发明时，根据对于所述附图、本公开内容以及所附权利要求书的研究，能够理解和实现所公开实施例的其他变型。在权利要求书中，词语“包括/包含”并没有排除其他的元件或步骤，并且不定冠词“一”并没有排除复数。在相互不同的从属权利要求中记载特定措施这一事实并不意味着这些措施的组合不可以加以利用。权利要求书中的任何附图标记都不应当被视为对范围的限制。

Claims (12)

1.一种LED电路，包括：

- LED（14）或LED封装的阵列，其布置成矩阵，每个LED或LED封装在矩阵内通过连接导线连接，并且矩阵连接到电压轨对，

其中所述电压轨对连接到跨矩阵的区域分布的至少三根功率轨线，

其中LED或LED的封装形成为：

- 在第一功率轨线（30）与邻近的第二功率轨线（32）之间的第一LED装置（34）；

- 在第二功率轨线（32）与被配置成和第一功率轨线相同电位的第三功率轨线（30）之间的第二LED装置（36），第三功率轨线邻近第二功率轨线并且处在第二功率轨线的与第一功率轨线相比的相对侧，

这些LED装置（34，36）包括多个LED组，每个组包括多个并联的LED，这些LED组串联连接。

2.如权利要求1所述的电路，其中LED装置将其阳极连接到高电压功率轨线并且将其阴极连接到低电压功率轨线。

3.如权利要求1所述的电路，包括数量为大于3的N根功率轨线以及数量为N-1个LED装置（34，36），每个LED装置介于邻近的功率轨线对（30，32）之间，其中该邻近的功率轨线对包括一根高电压功率轨线和一根低电压功率轨线。

4.如权利要求3所述的电路，其中所述高电压功率轨线连接到高电压线，并且所述低电压功率轨线连接到低电压线。

5.如权利要求3所述的电路，其中单独的电源连接到每根高电压功率轨线，和/或单独的电源连接到每根低电压功率轨线。

6.如权利要求5所述的电路，所述单独的电源中的每一个具有可单独控制的输出电流。

7.如权利要求1所述的电路，其中每个组包括两个或更多并联的LED。

8.如权利要求1所述的电路，进一步包括在每个邻近的功率轨线对（30，32）之间提供的开关装置（50）。

9.如权利要求1所述的电路，进一步包括具有连接到LED矩阵的高电压线和低电压线的电源，其中高电压线连接到高电压功率轨线，低电压线连接到低电压功率轨线。

10.如权利要求1所述的电路，其中每根功率轨线延伸到LED矩阵之外以便连接到功率供应器。

11.如权利要求1所述的电路，其中第一LED装置（34）的LED具有与第二LED装置（36）的LED不同的输出颜色。

12.一种布置和驱动LED电路的方法，包括：

- 将LED或LED封装的阵列连接成矩阵，每个LED或LED封装在矩阵内通过连接导线连接，并且矩阵连接到电压轨对，所述电压轨对连接到跨矩阵的区域分布的至少三根功率轨线，其中该方法包括：

- 控制所述至少三根功率轨线（30，32），从而驱动第一功率轨线与邻近的第二功率轨线之间的第一LED装置，并且驱动第二功率轨线与和第一功率轨线相同电压的第三功率轨线之间的第二LED装置，第三功率轨线邻近第二功率轨线并且处在第二功率轨线的与第一功率轨线相比的相对侧，

这些LED装置包括多个LED组，每个组包括多个并联的LED，这些LED组串联连接。