CN105592604A - 大功率led器件的综合控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大功率LED器件的综合控制方法及系统。该方法包括：测算所述LED器件（简称器件）的正向压降在选定时段内的变化值ΔV<i>_f</i>，ΔV<i>_f</i>=V_{LED_now}-V_LED，其中V_{LED_now}为选定时刻器件的工作电压，V_LED为器件的初始工作电压；再依据：ΔT=ΔV<i>_f</i>/<i>k</i>，获得LED器件的温度变化量ΔT，其中<i>k</i>为常数；若ΔT超过限定值T₁，则通过一控制单元提高冷却液的流速和/或降低器件的工作电压，从而使器件的温度变化量降低到设定值T₂以下。本发明只需对大功率LED器件驱动电路结构进行简单调整，即实现了对于大功率LED器件，特别是晶圆级LED器件的结温的高效、准确的监控，并使其工作性能得以优化。

Description

大功率LED器件的综合控制方法及系统

技术领域

本发明涉及LED的控制系统，尤其涉及一种大功率LED器件的综合控制方法及系统。

背景技术

上世纪60年代第一只LED产品在美国诞生，它的出现给人们的生活带来了很多光彩，由于LED具有寿命长、低功耗、绿色环保等优点，与之相关的技术发展得非常迅速。它已经成为“无处不在”与我们的生活息息相关的光电器件和光源，比如手机的背光，交通信号灯，大屏幕全彩显示屏和景观亮化用灯等等。

随着LED的应用范围日益扩大，特别是近年来高功率超高亮度LED的问世，大大拓展了LED的应用领域，高光效LED市场正由显示领域向照明领域扩展。目前LED的发光率仅能达到20％～30％，也就是说还有70％～80％的热量转换成了热能，高性能LED光学性能和可靠性的提高，都依赖于芯片的结温控制。具体而言，结温对芯片性能的影响主要表现在如下几个方面：其一，高温导致LED永久老化；其二，结温上升，VF成线性下降；其三，结温上升时，LED的发光波长变长，颜色发生红移；其四，随着LED温度上升，光通量下降。因而，如何监控结温，尤其是实时的结温监控，已经成为制约LED应用而又急待解决的问题。

目前，为了实现对LED结温的监控，通常需要复杂的装置，例如，需要在LED器件的驱动电路中增设温度传感芯片等，并辅以其它元件，这会使LED器件结构更为复杂，增加成本，并降低了LED器件的稳定性，也不利于LED器件的小型化，而且不适于晶圆级LED器件(一种典型晶圆级LED器件的拓扑结构可参阅图1)。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种大功率LED器件的综合控制方法及系统，以实现对于高压、超高压LED，特别是晶圆级LED器件的低成本、高效率的结温控制，并优化大功率LED器件的工作性能，以克服现有技术的缺陷。

为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：

一种大功率LED器件的综合控制方法，包括：

测算所述LED器件的正向压降在选定时段内的变化值ΔV_f，即，

ΔV_f＝V_{LED_now}-V_LED，

其中，V_{LED_now}为选定时刻LED器件的工作电压，V_LED为LED器件的初始工作电压；

再依据下式：

ΔT＝ΔV_f/k

获得与所述LED器件配合的冷却液温度变化量ΔT，亦即获得所述LED器件的温度变化量，其中k为常数；

若ΔT超过限定值T₁，则：

通过一控制单元提高所述冷却液的流量和/或流速，从而使所述LED器件的温度变化量降低到设定值T₂以下；

和/或，通过一控制单元调整所述LED器件的工作电压，从而使所述LED器件的温度变化量降低到设定值T₂以下。

进一步的，所述综合控制方法包括：

在所述LED器件内接入恒流功能组件，使并联于所述LED器件内的复数发光单元组与所述恒流功能组件配合形成等效的恒流模块，进而使每一发光单元组的工作电流相等；

提供稳压电源模块，至少用以向所述LED器件提供驱动电压；

提供A/D模块，至少用以采集所述LED器件的工作电压和工作电流；

提供D/A模块，至少用以向所述稳压电源模块和恒流功能组件输出控制信号；

以及，提供控制模块，至少用以依据所述A/D模块采集的信号，向所述D/A模块以及冷却液液流调节机构发出指令，从而调整所述LED器件的工作电压和/或工作电流和/或所述冷却液的流量和/或流速。

一种大功率LED器件的综合控制系统，包括：

接入大功率LED器件的恒流功能组件，用以与并联于所述LED器件内的复数发光单元组配合形成等效的恒流模块，从而使每一发光单元组的工作电流相等；

稳压电源模块，至少用以向所述LED器件提供驱动电压；

A/D模块，至少用以采集所述LED器件的工作电压和工作电流；

D/A模块，至少用以向所述稳压电源模块和恒流功能组件输出控制信号；

以及，控制模块，至少用以依据所述A/D模块采集的信号，向所述D/A模块和与所述LED器件配合的冷却液液流调节机构发出指令，从而调整所述LED器件的工作电压和/或工作电流和/或冷却液的流量和/或流速。

与现有技术相比，本发明的有益效果包括：在无需增加温控芯片等元件的情况下，通过对大功率LED器件驱动电路结构进行简单调整，实现了对于高压、超高压LED器件，特别是晶圆级LED器件的结温的高效、准确的监控，并使其工作性能得以有效优化。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是一种晶圆级LED器件的结构示意图；

图2是本发明一典型实施例中一种大功率LED器件综合控制系统的结构示意图；

图3是本发明一典型实施例中一种晶圆级LED器件综合控制系统的结构示意图；

图4是本发明一实施例中一种晶圆级LED器件的正向压降变化量和冷却水温度变化量的关系图谱。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行详细的描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

鉴于现有大功率LED器件控温方式存在诸多缺陷，尤其是此类控温方式无法应用于晶圆级LED器件的问题，本案发明人经长期研究和大量实践，提出了一种简单易行，成本低廉，且对大功率LED器件具有普适性，特别是适于在晶圆级LED器件中应用的大功率LED器件的综合控制方法及系统，如下具体说明。

本发明的一个方面提供了一种大功率LED器件的综合控制方法，包括：

测算所述LED器件的正向压降在选定时段内的变化值ΔV_f，即，

ΔV_f＝V_{LED_now}-V_LED，

其中，V_{LED_now}为选定时刻LED器件的工作电压，V_LED为LED器件的初始工作电压；

再依据下式：

ΔT＝ΔV_f/k

获得与所述LED器件配合的冷却液温度变化量ΔT，亦即获得所述LED器件的温度变化量，其中k为常数；

若ΔT超过限定值T₁，则：

通过一控制单元提高所述冷却液的流量和/或流速，从而使所述LED器件的温度变化量降低到设定值T₂以下；

和/或，通过一控制单元调整所述LED器件的工作电压，从而使所述LED器件的温度变化量降低到设定值T₂以下。

进一步的，所述综合控制方法包括：

在所述LED器件内接入恒流功能组件，使并联于所述LED器件内的复数发光单元组与所述恒流功能组件配合形成等效的恒流模块，进而使每一发光单元组的工作电流相等；

提供稳压电源模块，至少用以向所述LED器件提供驱动电压；

提供A/D模块(AnalogtoDigital)，至少用以采集所述LED器件的工作电压和工作电流；

提供D/A模块(DigitaltoAnalog)，至少用以向所述稳压电源模块和恒流功能组件输出控制信号；

以及，提供控制模块，至少用以依据所述A/D模块采集的信号，向所述D/A模块以及冷却液液流调节机构发出指令，从而调整所述LED器件的工作电压和/或工作电流和/或所述冷却液的流量和/或流速。

进一步的，所述综合控制方法还包括：若任一时刻所述LED器件的温度变化量超过限定值T₁，还通过所述控制单元调整所述LED器件的工作电流，从而使所述LED器件的温度变化量降低到设定值T₂以下。

本发明的另一个方面提供了一种大功率LED器件的综合控制系统，包括：

接入大功率LED器件的恒流功能组件，用以与并联于所述LED器件内的复数发光单元组配合形成等效的恒流模块，从而使每一发光单元组的工作电流相等；

稳压电源模块，至少用以向所述LED器件提供驱动电压；

A/D模块，至少用以采集所述LED器件的工作电压和工作电流；

D/A模块，至少用以向所述稳压电源模块和恒流功能组件输出控制信号；

以及，控制模块，至少用以依据所述A/D模块和与所述LED器件配合的冷却液温度监控机构采集的信号，向所述D/A模块发出指令，从而调整所述LED器件的工作电压和/或工作电流和/或冷却液的流量和/或流速。

进一步的，所述LED器件内的每一发光单元组包括串联设置的一个以上发光单元，所述恒流功能组件包括串联于每一发光单元组内的至少一恒流管和至少一限流电阻。

进一步的，在所述D/A模块与稳压电源模块之间还可连接有一PWM模块。

进一步的，前述控制单元可采用MCU、PLC等业界知悉的元件。

进一步的，本发明中的所述LED器件可以采用晶圆级LED器件、集成型LED器件等，且不限于此。

例如，其中的晶圆级LED器件可包括直接形成于晶圆级衬底上的复数个并联设置的单胞组，每一单胞组包括串联设置的、作为发光单元的一个以上单胞。

例如，所述集成型LED器件包括复数个并联设置的芯片组，每一芯片组包括串联设置的、作为发光单元的一个以上LED芯片。

例如，请参阅图1所示系一种典型的晶圆级LED器件，其主要包括直接形成于晶圆级衬底上的若干并联设置的单胞组，每一单胞组包括串联设置的若干单胞，其中每一单胞系作为一独立的发光单元。其中，也可以是若干单胞并联后与其它若干单胞并联组串联于一单胞组内。此种晶圆级LED器件具有结构简单、发光功率高等特点，但考虑到其面积较小，特别是单胞密集分布，且单胞之间间隔很小(通常在数百微米以下)的特点，若采用在器件中增设温度传感芯片的方式进行结温监控，显然是不现实的，况且温度传感芯片还需辅以其它元件才可工作。

进一步的，所述LED器件上连接有冷却机构，所述冷却机构包括：用以使冷却液连通的腔体，以及，用以调节流经所述腔体的冷却液的流速和/或流量的冷却液液流调节机构。

其中，所述冷却液液流调节机构可包括任何适用的泵或阀，特别是电磁阀、液压阀等。

例如，请参阅图3所示系一种晶圆级LED器件的应用结构，其包括晶圆级基片11、功能单胞12(即，前述的单胞)、互连金属13、阴极14、阳极15、反射层16、空腔21、散热壳体22、绝缘基体31、金属引线32等。冷却流体，如冷却水等可于所述空腔21内流通，并使LED器件冷却。当然，该LED器件在应用时，还可在器件中增设透镜、散热鳍等辅助元件等。

本发明提供的前述控制方法和系统可以在大功率LED器件，特别是晶圆级LED工作的同时监控其结温，且通过采用将温度的监控集成于驱动电路内的设计，不仅解决了由于晶圆级LED固有特点而无法使用温度传感芯片监控温度的问题，还降低了成本，并具有较好的实时性。同时，在本发明中，通过在LED器件的每一发光单元组内还串联恒流管、限流电阻等元件，而利用所述恒流管的自反馈特性，可实现对每一发光单元组内电流的实时控制，而不会如现有低压LED器件中所采用的变频恒流控制方式那样，一方面需要在器件结构中引入较多的电子元件，操作复杂，成本高，另外一方面因变频因控制行为的滞后性而导致器件性能波动。但是，同时需要指出的是，本发明的恒流控制电路结构尤其适用于驱动电压高于3V的大功率、超大功率LED器件。而再配合前述A/D模块、D/A模块、稳压电源模块、控制模块，使得本发明还可依据实际应用的需要，实时调整器件的工作电压及工作电流，特别是使每一发光单元的工作电流相等，从而使其呈现基本相同之发光特性，提升器件工作性能，例如发光的均匀性等等。

以下结合附图及一典型实施例对本发明的技术方案作进一步的解释说明。

本实施例涉及一种应用于大功率LED器件的综合控制系统，该大功率LED器件(如下亦简称“器件”)可以为图1-2所示的或CN203871335U所示的晶圆级LED器件。

请参阅图3所示系本实施例的结构框图，需要说明的是，为使图示内容较为简洁，在该LED器件的每一单胞组内仅直接示出了一个单胞(L₁～L_n)。

在本实施例的LED器件内，可以包含一A/D模块、一D/A模块、一稳压电源模块(简称为“稳压模块”)以及一控制模块。

若将每一单胞组视为一支路，请继续参阅图3，在该LED器件内，各支路内分别串联一恒流管(M₁～M_n)、一电阻(R₁～R_n)。进一步的，在各支路内还分别接入一运算放大器(A₁～A_n)。事实上，这些支路可等同视为一恒流模块。

较为优选的，还可在所述D/A模块与稳压电源模块之间串接一PWM模块。

其中，请继续参阅图3，控制模块可以采用MCU。

请继续参阅图3，在该LED器件内，前述各模块的功能如下：

稳压模块100：提供整个系统工作所需电压，并且通过D/A模块控制调节自身电压大小；

恒流模块：保证各单胞组都能够均匀发光，即使每一单胞组的电流值相同；

A/D模块(A/D)：采集器件中每一支路的电流值；采集各支路内单胞的正向压降；

D/A模块(D/A)：输出两个控制电压分别连接到稳压电源模块以调节整个系统的工作电压，连接到恒流模块调节器件的工作电流；

控制模块(MCU)：用以接收所述A/D模块等采集的信号，并进行相应的处理，再向所述D/A模块和与所述LED器件配合的冷却液液流调节机构等发出指令，从而调整所述LED器件的工作电压和/或工作电流和/或冷却液的流量和/或流速。简言之，其用以完成信号的采集、处理、显示、存储、发送等。

进一步的，本实施例的控制系统还可包括用作人机界面的键盘200等，并将所述人机界面与D/A模块和/或控制模块连接，以利于工作人员对器件的工作状态进行人为干预。

以下对于本实施例的工作原理等进行解释说明。

对于本实施例的晶圆级LED器件或具有类似冷却结构的集成式大功率LED器件，本案发明人经研究发现，其液冷散热的效果和LED器件的功率以及冷却液的流速都密切相关，且可以下式概括：

$T_{\mathrm{out}}=T_{\mathrm{in}}+\frac{Q}{\mathrm{\&rho;}\&CenterDot;v\&CenterDot;C_P}$

其中，T_out为冷却液出口温度、T_in为冷却液进口温度、Q为LED器件的总热耗散功率、ρ为冷却液的密度、V为冷却液流速、C_P为冷却液的比热容。

在本实施例中，若将图3中稳压模块提供的电压以及恒流管加上限流电阻的电压输入到A/D模块进行采样，每个周期采样N个，分别为V_DDN和V_N，则可求得当前LED器件的工作电压为：

V_{LED_now}＝[(V_DD1+V_DD2+…+V_DDN)/N]-[(V₁+V₂+…+V_N)/N]

由于整个LED器件系统是液冷散热，则可把对LED器件结温的监测转化为对冷却液温度的监测。

在冷却液温度达到动态平衡的情况下，忽略对流系数和导热系数对其温度的影响，冷却液上升的温度可以看作LED器件升高的结温。因此，可以将对结温的测试转化为对冷却液温度的控制，进一步的转化为对LED器件正向压降ΔV_f的控制。

其中ΔV_f可依照下式计算得出，即：

ΔV_f＝V_{LED_now}-V_LED

式中V_LED是初始测得的LED电压。

通过对前述晶圆级LED器件或具有类似冷却结构的集成式大功率LED器件的工作过程进行测试，可以发现，ΔV_f和ΔT之间成比例系数为k的线性关系，即：

$\mathrm{\&Delta;T}=\frac{{\mathrm{\&Delta;V}}_f}{k}$

例如，对于CN203871335U所述及的晶圆级LED器件，其中ΔV_f和ΔT之间的线性关系可参阅图4。

由上式可以获得与所述LED器件配合的冷却液温度变化量ΔT，亦即获得所述LED器件的温度变化量，其中k为常数；

若ΔT超过限定值T₁，则：

通过一控制单元提高所述冷却液的流量和/或流速，从而使所述LED器件的温度变化量降低到设定值T₂以下；

和/或，通过一控制单元调整所述LED器件的工作电压，从而使所述LED器件的温度变化量降低到设定值T₂以下。

本发明的综合控制方法简单易行，综合控制系统结构简单，无需LED在器件内引入过多元件，易于组装，成本低廉，并且还实现了对于高压、超高压LED器件，特别是晶圆级LED器件的结温的有效监控，同时实现精确、实时的稳压、恒流控制，使其具有稳定工作性能和良好发光效率。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”或“至少一个……”等限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅是本发明的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (12)

1.一种大功率LED器件的综合控制方法，其特征在于包括：

测算所述LED器件的正向压降在选定时段内的变化值ΔV _f ，即，

ΔV _f =V_{LED_now}-V_LED，

其中，V_{LED_now}为选定时刻LED器件的工作电压，V_LED为LED器件的初始工作电压；

再依据下式：

ΔT=ΔV _f /k

获得与所述LED器件配合的冷却液温度变化量ΔT，亦即获得所述LED器件的温度变化量，其中k为常数；

若ΔT超过限定值T₁，则：

通过一控制单元提高所述冷却液的流量和/或流速，从而使所述LED器件的温度变化量降低到设定值T₂以下；

和/或，通过一控制单元调整所述LED器件的工作电压，从而使所述LED器件的温度变化量降低到设定值T₂以下。

2.根据权利要求1所述的大功率LED器件的综合控制方法，其特征在于包括：

在所述LED器件内接入恒流功能组件，使并联于所述LED器件内的复数发光单元组与所述恒流功能组件配合形成等效的恒流模块，进而使每一发光单元组的工作电流相等；

提供稳压电源模块，至少用以向所述LED器件提供驱动电压；

提供A/D模块，至少用以采集所述LED器件的工作电压和工作电流；

提供D/A模块，至少用以向所述稳压电源模块和恒流功能组件输出控制信号；

以及，提供控制模块，至少用以依据所述A/D模块采集的信号，向所述D/A模块以及冷却液液流调节机构发出指令，从而调整所述LED器件的工作电压和/或工作电流和/或所述冷却液的流量和/或流速。

3.根据权利要求2所述的大功率LED器件的综合控制方法，其特征在于还包括：若任一时刻所述LED器件的温度变化量超过限定值T₁，还通过所述控制单元调整所述LED器件的工作电流，从而使所述LED器件的温度变化量降低到设定值T₂以下。

4.根据权利要求2所述的大功率LED器件的综合控制方法，其特征在于所述LED器件内的每一发光单元组包括串联设置的一个以上发光单元，所述恒流功能组件包括串联于每一发光单元组内的至少一恒流管和至少一限流电阻。

5.根据权利要求2所述的大功率LED器件的综合控制方法，其特征在于所述D/A模块与稳压电源模块之间还连接有一PWM模块。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的大功率LED器件的综合控制方法，其特征在于所述LED器件至少选自晶圆级LED器件或集成型LED器件。

7.一种大功率LED器件的综合控制系统，其特征在于包括：

接入大功率LED器件的恒流功能组件，用以与并联于所述LED器件内的复数发光单元组配合形成等效的恒流模块，从而使每一发光单元组的工作电流相等；

稳压电源模块，至少用以向所述LED器件提供驱动电压；

A/D模块，至少用以采集所述LED器件的工作电压和工作电流；

D/A模块，至少用以向所述稳压电源模块和恒流功能组件输出控制信号；

以及，控制模块，至少用以依据所述A/D模块采集的信号，向所述D/A模块和与所述LED器件配合的冷却液液流调节机构发出指令，从而调整所述LED器件的工作电压和/或工作电流和/或冷却液的流量和/或流速。

8.根据权利要求7所述的大功率LED器件的综合控制系统，其特征在于所述大功率LED器件包括并联设置的复数发光单元组，每一发光单元组包括串联设置的一个以上发光单元，，所述恒流功能组件包括串联于每一发光单元组内的至少一恒流管和至少一限流电阻。

9.根据权利要求7所述的大功率LED器件的综合控制系统，其特征在于所述D/A模块与稳压电源模块之间还连接有一PWM模块。

10.根据权利要求7所述的大功率LED器件的综合控制系统，其特征在于所述LED器件至少选自晶圆级LED器件或集成型LED器件。

11.根据权利要求7所述的大功率LED器件的综合控制系统，其特征在于所述LED器件上连接有冷却机构，所述冷却机构包括：

用以使冷却液连通的腔体，

以及，用以调节流经所述腔体的冷却液的流速和/或流量的冷却液液流调节机构。

12.根据权利要求11所述的大功率LED器件的综合控制系统，其特征在于所述冷却液液流调节机构包括泵或阀。